JP7540437B2 - Steel for hot stamping dies, hot stamping dies and their manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、ホットスタンプ用金型用鋼、ホットスタンプ用金型およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to steel for hot stamping dies, hot stamping dies and a method for manufacturing the same.
近年、自動車の軽量化と衝突安全性向上を目的に、引張強さが1GPaを超える超高張力鋼板のニーズが高まっている。しかし、引張強さが1.2GPa以上の鋼板を冷間プレスで成形しようとすると、成形荷重やスプリングバックの増大、成形性などの問題が発生する。そこで、最近ではホットスタンプ(ホットプレス、もしくはホットスタンピングとも称する)工法が注目されている。ホットスタンプ工法では、鋼板をオーステナイト温度以上に加熱後、プレス成形し、金型を下死点で保持し急冷して焼入れする。In recent years, there has been an increasing need for ultra-high tensile steel plates with a tensile strength of over 1 GPa in order to reduce the weight of automobiles and improve crash safety. However, when attempting to form steel plates with a tensile strength of 1.2 GPa or more by cold pressing, problems such as increased forming load and springback, and formability arise. For this reason, the hot stamping (also called hot pressing or hot stamping) method has recently attracted attention. In the hot stamping method, the steel plate is heated to above the austenite temperature, then press-formed, and the die is held at the bottom dead center to rapidly cool and quench it.
ホットスタンプ工法の利点として、金型で急冷するダイクエンチングによる焼入れによって、1.5GPa程度の引張強さを持つ超高張力鋼板の成形品が得られることが挙げられる。また、スプリングバックがほとんど生じないなど成形性が優れているという利点も挙げられる。
しかし、ホットスタンプ工法は生産性が低いという問題がある。つまり、ダイクエンチングのための下死点保持などに時間が必要となるため、生産性が低くなる。その対策として、高熱伝導率の金型が求められている。これは、ダイクエンチングでは鋼板の熱を金型に吸収させているが、金型の熱伝導率が高いほど、下死点保持の時間が短縮されて生産性が高くなるからである。
また、ホットスタンプ用金型では、耐摩耗性を高めるために高硬度が求められている。
The advantage of the hot stamping method is that it is possible to obtain a formed product of ultra-high tensile steel plate with a tensile strength of about 1.5 GPa by quenching the product by rapid cooling in a die. Another advantage is that it has excellent formability, such as almost no springback.
However, the hot stamping method has a problem of low productivity. In other words, the time required for the bottom dead center to be held for die quenching reduces productivity. To address this issue, dies with high thermal conductivity are required. This is because, in die quenching, the heat from the steel sheet is absorbed by the die, and the higher the thermal conductivity of the die, the shorter the time required to hold the bottom dead center, thereby increasing productivity.
Furthermore, hot stamping dies are required to have high hardness in order to improve wear resistance.
したがって、ホットスタンプ用金型用鋼では、金型にしたときに高硬度と高熱伝導率とを合わせ持つことが求められる。一般に、高硬度の金型を得るには金型用鋼の合金量を増やす必要があるが、合金量が多くなると金型の熱伝導率が下がるという問題があり、硬度と熱伝導率とはトレードオフの関係にある。そこで、合金量を制御することで最適な成分組成が検討されている。例えば、特許文献1~3では、硬さと熱伝導率とを合わせもつ金型用鋼の成分組成が提案されている。また特許文献4にも、温熱間プレス、ダイカスト、又は温熱間鍛造等に使用される金型の素材として有用であり、熱伝導率が優れており耐摩耗性にも優れる熱間工具鋼について開示されている。Therefore, hot stamping die steel is required to have both high hardness and high thermal conductivity when made into a die. Generally, to obtain a die with high hardness, it is necessary to increase the amount of alloy in the die steel, but there is a problem that the thermal conductivity of the die decreases as the amount of alloy increases, and hardness and thermal conductivity are in a trade-off relationship. Therefore, the optimal composition is being studied by controlling the amount of alloy. For example, Patent Documents 1 to 3 propose compositional compositions of die steel that have both hardness and thermal conductivity. Patent Document 4 also discloses a hot tool steel that is useful as a material for dies used in warm hot pressing, die casting, or warm hot forging, and has excellent thermal conductivity and wear resistance.
特許文献1~3の金型用鋼、および特許文献4の熱間工具鋼は、ホットスタンプ用として有用である。しかし、金型用鋼や熱間工具鋼の焼入れ焼戻し特性や、ホットスタンプ用金型の作業面が窒化処理されて使用されること等を考えたときに、従来の金型用鋼や熱間工具鋼の場合、硬度が不足する場合があった。具体的には、最近ではホットスタンプ用鋼として52HRC以上の高硬度化が求められてきているが、特許文献1~4では52HRC以上の高硬度は安定的に得られない。
本発明の目的は、ホットスタンプ工法に適した、高硬度と高熱伝導率とを合わせ持つ金型を作製することができる金型用鋼と、ホットスタンプ用金型およびその製造方法を提供することである。
The die steels of Patent Documents 1 to 3 and the hot work tool steel of Patent Document 4 are useful for hot stamping. However, when considering the quenching and tempering characteristics of die steels and hot work tool steels, and the fact that the working surfaces of hot stamping dies are nitrided before use, the hardness of conventional die steels and hot work tool steels is sometimes insufficient. Specifically, although there has been a recent demand for high hardness of 52 HRC or more for hot stamping steels, Patent Documents 1 to 4 do not stably provide a high hardness of 52 HRC or more.
An object of the present invention is to provide a die steel capable of producing a die having both high hardness and high thermal conductivity suitable for hot stamping, a hot stamping die, and a manufacturing method thereof.
かかる実状に鑑み、本発明者は鋭意研究を行った結果、合金量を制御することでホットスタンプ用に最適な金型用鋼を見いだした。そして、上記の金型用鋼を用いることで、高硬度および高熱伝導率を達成できるホットスタンプ用金型と、その製造方法を見いだした。In view of this situation, the inventors conducted extensive research and discovered a die steel that is optimal for hot stamping by controlling the amount of alloy. They also discovered a hot stamping die that can achieve high hardness and high thermal conductivity by using the die steel, and a manufacturing method thereof.
すなわち、本発明の一態様は、質量%で、C:0.45~0.65%、Si:0.1~0.6%、Mn:0.1~0.3%、Cr:2.5~6.0%、Mo:1.2~2.6%、V:0.4~0.8%、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするホットスタンプ用金型用鋼である。That is, one aspect of the present invention is a steel for hot stamping dies, characterized by a chemical composition, in mass%, of C: 0.45-0.65%, Si: 0.1-0.6%, Mn: 0.1-0.3%, Cr: 2.5-6.0%, Mo: 1.2-2.6%, V: 0.4-0.8%, the balance being Fe and unavoidable impurities.
本発明の他の一態様は、質量%で、C:0.45~0.65%、Si:0.1~0.6%、Mn:0.1~0.3%、Cr:2.5~6.0%、Mo:1.2~2.6%、V:0.4~0.8%、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするホットスタンプ用金型である。
好ましくは、硬さが45HRC以上、かつ熱伝導率λ(W/(m・K))が下記の式(1)を満足することを特徴とする、請求項2に記載のホットスタンプ用金型である。
λ≧-0.5H+53 …式(1)
H:金型のロックウェル硬さ(HRC)
より好ましくは、硬さが52HRC以上である。そして、このとき、さらに好ましくは、熱伝導率λが25W/(m・K)以上である。
また、好ましくは、作業面に窒化層を有する。
Another aspect of the present invention is a hot stamping die having a component composition, in mass%, of 0.45 to 0.65% C, 0.1 to 0.6% Si, 0.1 to 0.3% Mn, 2.5 to 6.0% Cr, 1.2 to 2.6% Mo, 0.4 to 0.8% V, the balance being Fe and unavoidable impurities.
Preferably, the hot stamping die according to claim 2 has a hardness of 45 HRC or more and a thermal conductivity λ (W/(m·K)) satisfying the following formula (1).
λ≧−0.5H+53…Formula (1)
H: Rockwell hardness (HRC) of the die
More preferably, the hardness is 52 HRC or more. In this case, it is further preferable that the thermal conductivity λ is 25 W/(m·K) or more.
Also, it is preferable that the working surface has a nitride layer.
本発明の他の一態様は、上記のホットスタンプ用金型用鋼に、1020~1080℃の焼入れ温度および500~625℃の焼戻し温度による焼入れ焼戻しを行うことを特徴とするホットスタンプ用金型の製造方法である。
好ましくは、上記の焼戻し温度が540~600℃である。
好ましくは、前記焼入れ焼戻しを行った後に、さらに、作業面に窒化処理を行うことを特徴とする。
Another aspect of the present invention is a manufacturing method of a hot stamping die, characterized in that the above-mentioned hot stamping die steel is quenched and tempered at a quenching temperature of 1020 to 1080°C and a tempering temperature of 500 to 625°C.
Preferably, the tempering temperature is 540 to 600°C.
Preferably, after the quenching and tempering, the working surface is further subjected to a nitriding treatment.
本発明によれば、ホットスタンプ用に最適な金型用鋼が得られる。また、この金型用鋼を用いることで、高硬度と高熱伝導率とを併せ持つホットスタンプ用金型と、その製造方法を提供できる。According to the present invention, a die steel that is optimal for hot stamping can be obtained. Furthermore, by using this die steel, it is possible to provide a hot stamping die that has both high hardness and high thermal conductivity, and a manufacturing method thereof.
本発明の特徴は、ホットスタンプ用金型が、金型用鋼に焼入れ焼戻しを行って作製されることや、その作業面に窒化処理を行って作製されることを考えたときに、ホットスタンプ用金型の高硬度と高熱伝導率とを同時に達成するのに最適な金型用鋼の成分組成があることをつきとめたところにある。特に52HRC以上の高硬度と、25W/(m・K)以上の高熱伝導率を同時に達成するのに最適な金型用鋼の成分組成があることをつきとめたところにある。また、上記の高硬度と高熱伝導率とを同時に達成するのに最適な焼入れ焼戻し条件をつきとめたところにある。以下に、本発明の各構成要件について説明する。 The feature of the present invention is that, considering that hot stamping dies are produced by quenching and tempering die steel, and by nitriding the working surface, it has been found that there is an optimum composition of die steel for simultaneously achieving high hardness and high thermal conductivity of hot stamping dies. In particular, it has been found that there is an optimum composition of die steel for simultaneously achieving a high hardness of 52 HRC or more and a high thermal conductivity of 25 W/(m·K) or more. In addition, it has been found that the optimum quenching and tempering conditions for simultaneously achieving the above high hardness and high thermal conductivity have been found. Each of the constituent elements of the present invention will be described below.
本発明のホットスタンプ用金型用鋼は、質量%(以下、単に「%」と表記する。)で、C:0.45~0.65%、Si:0.1~0.6%、Mn:0.1~0.3%、Cr:2.5~6.0%、Mo:1.2~2.6%、V:0.4~0.8%、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する。The steel for hot stamping dies of the present invention has a composition, in mass percent (hereinafter simply referred to as "%)", of C: 0.45-0.65%, Si: 0.1-0.6%, Mn: 0.1-0.3%, Cr: 2.5-6.0%, Mo: 1.2-2.6%, V: 0.4-0.8%, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
・C:0.45~0.65%
Cは、焼入れにより素地(マトリックス)に固溶して、金型の硬さを向上させる元素である。また、後述するCrやMo、Vなどの炭化物形成元素と炭化物を形成して、金型の硬さを向上させる元素である。しかし、C量が多すぎると、一次炭化物の粗大化などにより、金型の靭性が低下する。よって、Cは、0.45~0.65%とする。好ましくは0.47%以上である。より好ましくは0.49%以上である。また、好ましくは0.63%以下である。より好ましくは0.60%以下である。さらに好ましくは0.58%以下である。
・C: 0.45-0.65%
C is an element that dissolves in the matrix during quenching to improve the hardness of the die. It also forms carbides with carbide-forming elements such as Cr, Mo, and V, which will be described later, to improve the hardness of the die. However, if the amount of C is too large, the primary carbides become coarse, and the toughness of the die decreases. Therefore, the amount of C is set to 0.45 to 0.65%. It is preferably 0.47% or more. More preferably 0.49% or more. Also, it is preferably 0.63% or less. More preferably 0.60% or less. Further preferably 0. It is less than 58%.
・Si:0.1~0.6%
Siは、溶製工程で脱酸剤として使用される。そして、素地に固溶して金型の硬さを向上させる元素である。しかし、Siが多すぎると、溶製後において鋼中の偏析傾向が強まり、また凝固組織も粗大になって、金型の靭性低下につながる。そして、焼入れ焼戻し後の金型の熱伝導率を著しく下げる元素である。よって、Siは、0.1~0.6%とする。好ましくは0.14%以上である。より好ましくは0.17%以上である。また、好ましくは0.45%以下であり、より好ましくは0.4%以下である。さらに好ましくは0.35%以下である。よりさらに好ましくは0.3%以下である。
・Si: 0.1-0.6%
Silicon is used as a deoxidizer in the smelting process. It is an element that dissolves in the base metal to improve the hardness of the mold. However, if there is too much silicon, the silicon in the steel after smelting will be The tendency for segregation is strengthened, and the solidified structure becomes coarse, leading to a decrease in the toughness of the die. In addition, Si is an element that significantly reduces the thermal conductivity of the die after quenching and tempering. Therefore, the content of Si is within the range of 0.1 to 1.5. The content is set to 0.6%. It is preferably 0.14% or more. More preferably, it is 0.17% or more. It is preferably 0.45% or less, and more preferably 0.4% or less. More preferably, it is 0.35% or less. Still more preferably, it is 0.3% or less.
・Mn:0.1~0.3%
Mnは、溶製工程で脱酸剤や脱硫剤として使用される。そして、素地の強化や、焼入れ性、焼入れ焼戻し後の靭性の向上に寄与する元素である。しかし、Mnが多すぎると、金型の熱伝導率が著しく低下する。よって、Mnは、0.1~0.3%とする。好ましいMnの下限は0.15%以上である。また、好ましいMnの上限は0.28%以下である。より好ましいMnの上限は0.26%以下である。
・Mn: 0.1-0.3%
Mn is used as a deoxidizer and desulfurizer in the smelting process. It is also an element that contributes to strengthening the base material, improving hardenability, and toughness after quenching and tempering. However, if there is too much Mn, The thermal conductivity of the mold is significantly reduced. Therefore, the Mn content is set to 0.1 to 0.3%. The preferred lower limit of Mn is 0.15% or more. The preferred upper limit of Mn is 0.28%. % or less. A more preferable upper limit of Mn is 0.26% or less.
・Cr:2.5~6.0%
Crは、素地に固溶して硬さを上昇させる元素である。また、炭化物を形成することでも硬さを上昇させる元素であり、後述するMo、Vと同様、焼戻し時における二次硬化に寄与する元素である。特にCrは、Mo、Vに比べて、焼戻し軟化抵抗を大きくすることができる(焼戻し温度を高くしても、二次硬化で得られた硬さの低下割合を小さくすることができる)元素である。通常、金型は、金型用鋼に焼入れ焼戻しを行って使用硬さに調整されるところ、ホットスタンプ用金型の熱伝導率を高めるためには、焼戻し温度を高くするのが効果的である。そして、本発明においては、Crの含有量を2.5%以上とすることで、焼戻し温度を高くしてしても(例えば、600℃を超えても)、45HRC以上といったような、十分な硬度を維持することができるので、同時に、熱伝導率を高くすることもできる。そして、焼戻し温度を、例えば、540℃以上にしても、52HRC以上の硬さを達成できて、かつ、熱伝導率が25W/(m・K)以上のホットスタンプ用金型を得ることができる。そして、上記の硬さを維持した上で、熱伝導率が、さらに、28W/(m・K)以上や、30W/(m・K)以上にまで向上されたホットスタンプ用金型を得ることができる。なお、上記の硬度および熱伝導率は、室温(常温)で測定したときの値である。
また、Crの含有量を高くすることで、金型用鋼の窒化特性を向上させることができるので、例えば、焼入れ焼戻し後の金型の作業面に、さらに窒化処理を行うことで、金型の耐摩耗性(作業面の硬さ)を向上させることができる。
・Cr: 2.5-6.0%
Cr is an element that dissolves in the base material to increase hardness. It also increases hardness by forming carbides. Like Mo and V, which will be described later, Cr is also effective in secondary hardening during tempering. In particular, Cr can increase the tempering softening resistance compared to Mo and V (even if the tempering temperature is increased, the rate of decrease in hardness obtained by secondary hardening is reduced). Normally, dies are made by quenching and tempering die steel to adjust the hardness to the required level. In order to increase the thermal conductivity of hot stamping dies, the tempering temperature is In the present invention, by setting the Cr content to 2.5% or more, the tempering temperature can be increased (for example, even if the tempering temperature exceeds 600° C.). Since the steel can maintain a sufficient hardness of 45 HRC or more, the thermal conductivity can be increased at the same time. It is possible to obtain a hot stamping die having a thermal conductivity of 25 W/(m·K) or more. And, to obtain a hot stamping die in which the thermal conductivity is further improved to 28 W/(m·K) or more, or 30 W/(m·K) or more while maintaining the above hardness. The above hardness and thermal conductivity values are values measured at room temperature (normal temperature).
In addition, by increasing the Cr content, the nitriding characteristics of the die steel can be improved. For example, by further nitriding the working surface of the die after quenching and tempering, the die The wear resistance (hardness of the working surface) can be improved.
但し、Crの含有量が多すぎると、金型用鋼の合金量が多くなるということ自体によって、金型の熱伝導率を高くするのが難しくなる。よって、Crは、2.5~6.0%とする。好ましくは2.8%以上である。より好ましくは3.0%以上である。また、好ましくは5.5%以下であり、より好ましくは4.8%以下、さらに好ましくは4.5%未満である。そして、特に熱伝導率の向上を重視したい場合、Crは、4.0%以下や、3.5以下にすることもできる。However, if the Cr content is too high, the alloy amount of the mold steel will be high, which in itself makes it difficult to increase the thermal conductivity of the mold. Therefore, Cr is set to 2.5 to 6.0%. It is preferably 2.8% or more. More preferably, it is 3.0% or more. It is also preferably 5.5% or less, more preferably 4.8% or less, and even more preferably less than 4.5%. And, if emphasis is particularly placed on improving thermal conductivity, Cr can be set to 4.0% or less, or even 3.5% or less.
・Mo:1.2~2.6%
Moは、Crと同様、素地に固溶して硬さを上昇させる元素であり、また、炭化物を形成することでも硬さを上昇させる元素であり、焼戻し時における二次硬化に寄与する元素である。また、焼入れ性を向上させる元素でもある。但し、Mo量が多すぎると、金型用鋼の合金量が多くなるということ自体によって、金型の熱伝導率が低くなる。よって、Moは、1.2~2.6%とする。好ましくは1.5%以上である。より好ましくは1.7%以上である。さらに好ましくは1.9%以上である。また、好ましくは2.5%以下である。より好ましくは2.3%以下である。さらに好ましくは2.1%以下である。
・Mo: 1.2-2.6%
Mo, like Cr, is an element that dissolves in the base material to increase hardness, and also increases hardness by forming carbides. It is an element that contributes to secondary hardening during tempering. It is also an element that improves hardenability. However, if the amount of Mo is too large, the alloy amount of the die steel increases, which in itself reduces the thermal conductivity of the die. is 1.2 to 2.6%, preferably 1.5% or more, more preferably 1.7% or more, and further preferably 1.9% or more. It is preferably 0.5% or less, more preferably 2.3% or less, and even more preferably 2.1% or less.
・V:0.4~0.8%
Vは、Crと同様、炭化物を形成することでも硬さを上昇させる元素であり、焼戻し時における二次硬化に寄与する元素である。但し、V量が多すぎると、金型用鋼の合金量が多くなるということ自体によって、金型の熱伝導率が低くなる。よって、Vは、0.4~0.8%とする。好ましくは0.5%以上である。また、好ましくは0.75%以下であり、より好ましくは0.65%以下、さらに好ましくは0.6%以下である。
・V: 0.4-0.8%
V, like Cr, is an element that increases hardness by forming carbides and contributes to secondary hardening during tempering. However, if the amount of V is too large, the alloy of the mold steel may deteriorate. The amount of V is increased, which in itself reduces the thermal conductivity of the mold. Therefore, V is set to 0.4 to 0.8%, preferably 0.5% or more. Also, it is preferably 0. .75% or less, more preferably 0.65% or less, and even more preferably 0.6% or less.
・残部Feおよび不可避的不純物
金型用鋼の合金量が多くなると、金型の熱伝導率が低くなることを考えれば、上記の元素種以外の残部は、実質的にFeでなることが好ましい。但し、ここに明示しない元素種(例えば、P、S、Cu、Al、Ca、Mg、O(酸素)、N(窒素)等の元素種)は、不可避的に鋼中に残留する可能性がある元素であり、これらの元素を不純物として含むことは許容される。このとき、Pは、多すぎると、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して、金型の靭性が劣化する。よって、Pは、0.05%以下に規制することが好ましい。より好ましくは0.03%以下に規制する。そして、Sは、多すぎると、鋼塊を分塊するときなどにおいて熱間加工性が劣化する。よって、Sは、0.01%以下に規制することが好ましい。より好ましくは0.008%以下に規制する。
また、Niは、金型の靭性向上に寄与する元素種として有用ではあるが、金型用鋼の合金量の増加による金型の熱伝導率の低下を抑制する点で、やはり、その含有量を低く抑えることが好ましい。そして、Ni量の規制上限として、好ましくは0.25%が許容される。
- Remainder Fe and inevitable impurities Considering that the thermal conductivity of the die decreases when the alloy content of the die steel increases, it is preferable that the remainder other than the above element types is substantially Fe. However, element types not specified here (e.g., P, S, Cu, Al, Ca, Mg, O (oxygen), N (nitrogen), etc.) are elements that may unavoidably remain in the steel, and it is acceptable to include these elements as impurities. In this case, if there is too much P, it will segregate at the prior austenite grain boundary during heat treatment such as tempering, and the toughness of the die will deteriorate. Therefore, P is preferably restricted to 0.05% or less. More preferably, it is restricted to 0.03% or less. And, if there is too much S, the hot workability will deteriorate when the steel ingot is divided into pieces. Therefore, S is preferably restricted to 0.01% or less. More preferably, it is restricted to 0.008% or less.
Although Ni is useful as an element that contributes to improving the toughness of the die, it is preferable to keep the Ni content low in order to prevent a decrease in the thermal conductivity of the die due to an increase in the alloy content of the die steel. The upper limit of the Ni content is preferably 0.25%.
上記の成分組成を有した金型用鋼に焼入れ焼戻しを行うことで、硬さと熱伝導率性に優れた本発明のホットスタンプ用金型を得ることができる。本発明のホットスタンプ用金型の硬さは、室温(常温)で測定した値で、例えば45HRC以上といった、十分な硬度を達成することが容易である。そして、焼戻し温度を調整することで、金型の硬さを、好ましくは52HRC以上にすることができて、使用時における金型に優れた耐摩耗性を付与することができる。金型の硬さは、より好ましくは53HRC以上であり、さらに好ましくは55HRC以上である。
なお、本発明において、金型の硬さの上限を規定することは要しない。但し、上記の成分組成を有した金型用鋼の場合、その二次硬化のピーク硬さ(概ね500~600℃の焼戻し温度の範囲にある)から、60HRC程度であることが現実的である。そして、この硬さの上限について、58HRC以下とすることが、上記のピーク硬さを超えて焼戻し温度を高くできる点で(すなわち、熱伝導率を高くできる点で)、好ましい。
By quenching and tempering the die steel having the above-mentioned composition, the hot stamping die of the present invention having excellent hardness and thermal conductivity can be obtained. The hardness of the hot stamping die of the present invention is easily achieved to a sufficient hardness, for example, 45 HRC or more, as measured at room temperature (normal temperature). By adjusting the tempering temperature, the hardness of the die can be preferably 52 HRC or more, and excellent wear resistance can be imparted to the die during use. The hardness of the die is more preferably 53 HRC or more, and even more preferably 55 HRC or more.
In the present invention, it is not necessary to specify an upper limit for the hardness of the die. However, in the case of die steel having the above-mentioned composition, a realistic hardness is about 60 HRC, because the peak hardness of the secondary hardening is in the tempering temperature range of about 500 to 600°C. It is preferable to set the upper limit of this hardness to 58 HRC or less, because this allows the tempering temperature to be increased beyond the above-mentioned peak hardness (i.e., the thermal conductivity can be increased).
そして、上記の成分組成を有した金型用鋼に焼入れ焼戻しを行うことで、金型の硬さを45HRC以上に調整した上で、さらに、下記の式(1)を満足する熱伝導率λ(W/(m・K))を有することを特徴とする。
λ≧-0.5H+53 …式(1)
ここで、式(1)のHは金型のロックウェル硬さ(HRC)である。例えば、本実施形態の金型の硬さが45HRCの場合、熱伝導率は30.5W/(m・K)以上である。また、金型の硬さが52HRCの場合、熱伝導率は27W/(m・K)以上である。そして、好ましくは「λ≧-0.5H+54」である。なお、この熱伝導率は、室温(常温)で測定した値である。
本発明の金型用鋼は、焼入れ焼戻しによって式(1)の関係を満足することから、熱伝導率の低下が課題であった高硬度域(例えば52HRC以上)の焼戻し硬さのときでも、25W/(m・K)以上の熱伝導率を維持することができる。金型の硬さが52HRC以上のとき、好ましい熱伝導率は28W/(m・K)以上である。より好ましい熱伝導率は30W/(m・K)以上である。そして、低硬度域(例えば52HRC未満)の焼戻し硬さのときであれば、30W/(m・K)以上の熱伝導率の達成も可能であるし、それこそ、45HRC付近の硬さであれば、32W/(m・K)以上の熱伝導率の達成も可能である。このことによって、ホットスタンプ工法に使用中(例えば、100~400℃)の金型で高い熱伝導率を維持することができる。
このような熱伝導率は、上記の金型用鋼の成分組成に加えて、焼戻し温度を高くすることで、達成が容易である。例えば、焼戻し温度をピーク硬さが得られる温度以上に高くすることで、熱伝導率30W/(m・K)以上に調整することが可能である。
The die steel having the above-mentioned component composition is quenched and tempered to adjust the hardness of the die to 45 HRC or more, and is further characterized in that the die has a thermal conductivity λ (W/(m·K)) that satisfies the following formula (1):
λ≧−0.5H+53…Formula (1)
Here, H in formula (1) is the Rockwell hardness (HRC) of the mold. For example, when the hardness of the mold in this embodiment is 45 HRC, the thermal conductivity is 30.5 W/(m·K) or more. When the hardness of the mold is 52 HRC, the thermal conductivity is 27 W/(m·K) or more. Preferably, "λ≧-0.5H+54". Note that this thermal conductivity is a value measured at room temperature (normal temperature).
Since the die steel of the present invention satisfies the relationship of formula (1) by quenching and tempering, it can maintain a thermal conductivity of 25 W/(m·K) or more even when the tempered hardness is in the high hardness range (e.g., 52 HRC or more), where a decrease in thermal conductivity has been an issue. When the hardness of the die is 52 HRC or more, the preferred thermal conductivity is 28 W/(m·K) or more. A more preferred thermal conductivity is 30 W/(m·K) or more. And when the tempered hardness is in the low hardness range (e.g., less than 52 HRC), it is possible to achieve a thermal conductivity of 30 W/(m·K) or more, and when the hardness is around 45 HRC, it is possible to achieve a thermal conductivity of 32 W/(m·K) or more. This allows a high thermal conductivity to be maintained in the die being used in the hot stamping method (e.g., 100 to 400°C).
Such a thermal conductivity can be easily achieved by increasing the tempering temperature in addition to the above-mentioned component composition of the die steel. For example, by increasing the tempering temperature to a temperature higher than the temperature at which the peak hardness is obtained, it is possible to adjust the thermal conductivity to 30 W/(m·K) or higher.
本発明の場合、金型の熱伝導率の上限を特定する必要はない。但し、焼戻し温度を高くしていって(例えば、600℃を超える温度に調整して)、金型の硬さが低下していくことを考えれば、金型の硬さが45HRCを下回るときの熱伝導率が50W/(m・K)を上回ることから、45HRC以上の硬さを維持しているときで、凡そ50W/(m・K)程度であることが現実的である。好ましくは47W/(m・K)以下である。より好ましくは45W/(m・K)以下である。そして、金型が52HRC以上の硬さを維持しているときであれば、熱伝導率の上限は凡そ40W/(m・K)程度であることが現実的である。好ましくは38W/(m・K)以下である。より好ましくは35W/(m・K)以下である。そして、これら熱伝導率の上限より、上述した熱伝導率λ(W/(m・K))とロックウェル硬さH(HRC)との関係は、凡そ「λ≦-0.5H+70」の式(2)の関係であることが現実的である。好ましくは、「λ≦-0.5H+66」であり、より好ましくは、「λ≦-0.5H+61」である。In the present invention, it is not necessary to specify the upper limit of the thermal conductivity of the mold. However, considering that the hardness of the mold decreases as the tempering temperature is increased (for example, by adjusting the temperature to a temperature exceeding 600°C), the thermal conductivity exceeds 50 W/(m·K) when the hardness of the mold falls below 45 HRC, so when the hardness of 45 HRC or more is maintained, it is realistic that the upper limit of the thermal conductivity is about 50 W/(m·K). It is preferably 47 W/(m·K) or less. More preferably, it is 45 W/(m·K) or less. And, when the mold maintains a hardness of 52 HRC or more, it is realistic that the upper limit of the thermal conductivity is about 40 W/(m·K). It is preferably 38 W/(m·K) or less. More preferably, it is 35 W/(m·K) or less. From these upper limits of thermal conductivity, it is realistic that the relationship between the above-mentioned thermal conductivity λ (W/(m·K)) and Rockwell hardness H (HRC) is approximately "λ≦-0.5H+70" as expressed by formula (2). Preferably, "λ≦-0.5H+66", and more preferably, "λ≦-0.5H+61".
本発明のホットスタンプ用金型は、好ましくは、その作業面に窒化層を有するものである。
上述の通り、本発明のホットスタンプ用金型は、高硬度および高熱伝導率を合わせ持ったものである。そして、この金型の作業面が、さらに窒化層を有することで、金型の耐摩耗性(作業面の硬さ)を、さらに向上させることができる。なお、作業面とは、ホットスタンプ中の鋼板と接する金型の面のことである。
The hot stamping die of the present invention preferably has a nitride layer on its working surface.
As described above, the hot stamping die of the present invention has both high hardness and high thermal conductivity. The working surface of the die further has a nitride layer, which can further improve the wear resistance (hardness of the working surface) of the die. The working surface refers to the surface of the die that comes into contact with the steel sheet during hot stamping.
本発明のホットスタンプ用金型の製造方法は、上記の金型用鋼に、焼入れ焼戻しを行うものである。
上記の成分組成を有した金型用鋼に焼入れ焼戻しを行うとき、焼入れ温度は、狙い硬さ等によって異なるが、例えば、概ね1020~1080℃とすることができる。好ましくは1050℃以下である。
そして、この焼入れ温度による焼入れを行った金型用鋼に、例えば、500~625℃の焼戻し温度による焼戻しを行うことで、45HRC以上の十分な硬さを維持することができる。このときの焼入れ温度および焼戻し温度は、焼入れ焼戻し後の金型の硬さと熱伝導率とが、上述した式(1)の関係を満たすように選択することができる。
そして、高温による焼戻しを行うことでも、十分な金型の硬さを維持して、かつ、金型の熱伝導率を高くすることに効果的であり、例えば、540℃以上の焼戻し温度で、52HRC以上の硬さを達成できるから、熱伝導率が25W/(m・K)以上の金型を得ることができる。このとき、52HRC以上の硬さを維持する上で、焼戻し温度の上限は600℃程度とすることが好ましい。より好ましくは595℃以下である。さらに好ましくは590℃以下である。
The method for producing a hot stamping die of the present invention comprises quenching and tempering the above die steel.
When quenching and tempering the die steel having the above-mentioned composition, the quenching temperature varies depending on the target hardness, etc., but can be, for example, about 1020 to 1080° C. Preferably, it is 1050° C. or lower.
Then, by tempering the die steel that has been quenched at this quenching temperature, for example, at a tempering temperature of 500 to 625° C., it is possible to maintain a sufficient hardness of 45 HRC or more. The quenching temperature and tempering temperature at this time can be selected so that the hardness and thermal conductivity of the die after quenching and tempering satisfy the relationship of the above-mentioned formula (1).
Tempering at high temperatures is also effective in maintaining sufficient hardness of the mold and increasing the thermal conductivity of the mold; for example, a hardness of 52 HRC or more can be achieved at a tempering temperature of 540°C or higher, so that a mold with a thermal conductivity of 25 W/(m·K) or higher can be obtained. In this case, in order to maintain a hardness of 52 HRC or higher, the upper limit of the tempering temperature is preferably about 600°C. More preferably, it is 595°C or lower. Even more preferably, it is 590°C or lower.
本発明の金型用鋼は、焼入れ焼戻しによって所定の硬さを有したホットスタンプ用金型に整えられる。そして、この間で、金型用鋼は、切削や穿孔といった各種の機械加工等によって、ホットスタンプ用金型の形状に整えられる。この機械加工のタイミングは、焼入れ焼戻し前の硬さが低い状態(つまり、焼鈍状態)で行うことができる。そして、この場合、焼入れ焼戻し後に仕上げ加工を行ってもよい。また、場合によっては、上記の仕上げ加工も合わせて、焼入れ焼戻しを行った後のプリハードン状態で、上記の機械加工を行ってもよい。The die steel of the present invention is quenched and tempered to prepare a hot stamping die having a predetermined hardness. During this time, the die steel is shaped into the shape of a hot stamping die by various machining processes such as cutting and drilling. This machining process can be performed when the hardness is low before quenching and tempering (i.e., in the annealed state). In this case, finishing may be performed after quenching and tempering. In some cases, the above-mentioned machining process may also be performed in the pre-hardened state after quenching and tempering, with the above-mentioned finishing process being added.
本発明のホットスタンプ用金型の製造方法は、好ましくは、上記の焼入れ焼戻しを行った後の金型の作業面に、さらに、窒化処理を行うものである。
上述の通り、上記の成分組成を有した金型用鋼に焼入れ焼戻しを行うことで、例えば、硬さが45HRC以上、かつ熱伝導率が式(1)を満足する金型を得ることができる。そして、上記の成分組成を有した金型用鋼は、窒化特性にも優れているので、この焼入れ焼戻しを行った後の金型の作業面に、さらに、窒化処理を行うことで、金型の耐摩耗性(作業面の硬さ)を向上させることができる。このとき、窒化処理の条件には、例えば、ガス窒化処理や塩浴窒化処理といった、既知の各種窒化処理のものを適用することができる。
In the method for producing a hot stamping die of the present invention, preferably, the working surface of the die after the above-mentioned quenching and tempering is further subjected to a nitriding treatment.
As described above, by quenching and tempering the die steel having the above-mentioned composition, a die having a hardness of 45 HRC or more and a thermal conductivity satisfying the formula (1) can be obtained. Since the die steel having the above-mentioned composition also has excellent nitriding properties, the wear resistance (hardness of the working surface) of the die can be improved by further performing a nitriding treatment on the working surface of the die after the quenching and tempering. In this case, the conditions of the nitriding treatment can be those of various known nitriding treatments, such as gas nitriding and salt bath nitriding.
表1の成分組成を有する、10kgの鋼塊を溶製した。そして、この鋼塊を1160℃に加熱してハンマー鍛伸した後に放冷し、この放冷後の鋼材に870℃の焼鈍処理を行って、本発明例であるNo.1~8の鋼、および比較例であるNo.9~11の鋼を作製した。A 10 kg steel ingot was produced with the chemical composition shown in Table 1. The ingot was then heated to 1160°C and hammer forged, then allowed to cool. After cooling, the steel was annealed at 870°C to produce steels No. 1 to 8, which are examples of the present invention, and No. 9 to 11, which are comparative examples.
<焼戻し硬さの評価>
No.1~11の金型用鋼に、1030℃の焼入れ温度による焼入れを実施した。このとき、冷却条件は、本発明鋼および比較鋼といった金型用鋼が実際のホットスタンプ用金型の大きさであるときの冷却速度を想定して、半冷時間を40分とした(半冷時間とは、焼入れ温度から、(焼入れ温度+室温)/2の温度までの冷却に要する時間のことである)。そして、この焼入れ後の金型用鋼に、500~650℃の焼戻し温度による焼戻しを行った。焼戻しは2回実施し、それぞれの温度で2時間保持した。焼戻し温度は、25℃刻みの、計7条件とした。そして、No.1~11のそれぞれについて、焼戻し温度毎に、その中心部の室温におけるロックウェル硬さ(Cスケール)を測定した。結果を図1に示す。
<Evaluation of tempered hardness>
The die steels No. 1 to No. 11 were quenched at a quenching temperature of 1030°C. At this time, the cooling conditions were set to a semi-cooling time of 40 minutes, assuming a cooling rate when die steels such as the steel of the present invention and the comparative steel are the size of an actual hot stamping die (the semi-cooling time is the time required to cool from the quenching temperature to a temperature of (quenching temperature + room temperature)/2). Then, the die steels after quenching were tempered at a tempering temperature of 500 to 650°C. Tempering was performed twice, and each temperature was held for 2 hours. The tempering temperature was set at 25°C intervals, for a total of seven conditions. Then, for each of No. 1 to No. 11, the Rockwell hardness (C scale) at room temperature of the center was measured for each tempering temperature. The results are shown in FIG. 1.
本発明例であるNo.1~8は、500~625℃の焼戻し温度の全般に亘って、45HRC以上の焼戻し硬さを維持した。そして特に、いずれも540~600℃の焼戻し温度の範囲で概ね52HRC以上が得られた。また、焼戻し温度を、金型の熱伝導率を高めるのに効果的とされる、600℃超に高めても、概ね45HRC以上の焼戻し硬さを達成した。
これに対して、比較例であるNo.9も、500~600℃の焼戻し温度範囲では45HRC以上の焼戻し硬さを維持したが、No.10は、焼戻し温度が575℃の時点で、既に、焼戻し硬さが45HRCを下回っていた。No.11は焼戻し温度が500~625℃の範囲で焼戻し硬さが45HRC以上であったが、50HRC以上の硬度は得られなかった。
Nos. 1 to 8, which are examples of the present invention, maintained a tempered hardness of 45 HRC or more over the entire tempering temperature range of 500 to 625° C. In particular, all of them achieved a tempered hardness of approximately 52 HRC or more in the tempering temperature range of 540 to 600° C. In addition, even when the tempering temperature was increased to over 600° C., which is considered to be effective in increasing the thermal conductivity of the mold, a tempered hardness of approximately 45 HRC or more was achieved.
In contrast, Comparative Example No. 9 also maintained a tempered hardness of 45 HRC or more in the tempering temperature range of 500 to 600° C., but the tempered hardness of No. 10 was already below 45 HRC when the tempering temperature reached 575° C. No. 11 had a tempered hardness of 45 HRC or more in the tempering temperature range of 500 to 625° C., but did not achieve a hardness of 50 HRC or more.
<熱伝導率の評価>
上記の<焼戻し硬さの評価>の結果を踏まえて、No.1~6、9について焼戻し硬さが45HRC、50HRC、55HRCのときの熱伝導率を測定した。測定要領は、まず、金型を直径10mm×厚さ2mmの円盤状の試験片に加工して、この試験片の熱拡散率および比熱をレーザーフラッシュ法により測定した。そして、この測定した熱拡散率および比熱の値を用いて、下記の式(3)より室温における熱伝導率を算出した。結果を図2に示す。
熱伝導率λ(W/(m・K))=ρ・α・Cp …式(3)
(ρ:室温密度、α:熱拡散率、Cp:比熱)
<Evaluation of thermal conductivity>
Based on the results of the above <Evaluation of tempered hardness>, the thermal conductivity was measured for Nos. 1 to 6 and 9 when the tempered hardness was 45HRC, 50HRC and 55HRC. The measurement procedure was as follows: first, the mold was processed into a disk-shaped test piece with a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm, and the thermal diffusivity and specific heat of this test piece were measured by the laser flash method. Then, using the measured values of thermal diffusivity and specific heat, the thermal conductivity at room temperature was calculated from the following formula (3). The results are shown in FIG. 2.
Thermal conductivity λ (W/(m·K))=ρ·α·C p ...Equation (3)
(ρ: room temperature density, α: thermal diffusivity, C p : specific heat)
図2の結果より、本発明例であるNo.1~6は、45HRC、50HRC、55HRCの全ての硬さにおいて、熱伝導率がλ≧-0.5H+53の式を満足し、硬さを52HRCに高めたときでも、30W/(m・K)以上の高い熱伝導率を維持していることが伺えた。また、硬さ55HRCという高硬度においても25W/(m・K)以上の高い熱伝導率を有していた。
これに対して、比較例であるNo.9では、45HRCおよび50HRCの低い硬さに調質した時点で熱伝導率が小さく(λ≧-0.5H+53の式を満足しておらず)、硬さを52HRCに高めても、λ≧-0.5H+53を満足しないことが伺えた。
2, it can be seen that the thermal conductivity of Nos. 1 to 6, which are examples of the present invention, satisfies the formula λ≧-0.5H+53 at all hardnesses of 45HRC, 50HRC, and 55HRC, and maintains a high thermal conductivity of 30 W/(m K) or more even when the hardness is increased to 52HRC. Also, even at a high hardness of 55HRC, the thermal conductivity was high, at 25 W/(m K) or more.
In contrast, in the comparative example No. 9, the thermal conductivity was small when tempered to a low hardness of 45HRC and 50HRC (the formula λ≧−0.5H+53 was not satisfied), and it was found that even when the hardness was increased to 52HRC, the formula λ≧−0.5H+53 was not satisfied.
No、7、8の試料については、焼戻し硬さが52HRCのときの熱伝導率を測定した。測定要領は上述したNo.1~6、9の時と同様である。その結果、No.7の熱伝導率は31W/(m・K)、No.8の熱伝導率は37W/(m・K)と、硬さ52HRCでも30W/(m・K)以上の高い熱伝導率を有していることを確認した。 For samples No. 7 and 8, the thermal conductivity was measured when the tempered hardness was 52 HRC. The measurement method was the same as for samples No. 1 to 6 and 9 described above. As a result, it was confirmed that sample No. 7 had a thermal conductivity of 31 W/(m K) and sample No. 8 had a thermal conductivity of 37 W/(m K), indicating that even with a hardness of 52 HRC, the sample had a high thermal conductivity of 30 W/(m K) or more.
<軟化抵抗の評価>
ホットスタンプ工法での金型は高温で使用されるため、金型用鋼の軟化抵抗が重要になってくる。そこで、本発明例No.1~6および比較例No.9を55HRCに焼戻した状態で600℃に保持し、硬度の変化を測定した。結果を図3に示す。本発明例であるNo.1~6では、焼戻し温度を高くできたことから、4時間保持した後でも50HRC以上の硬さを維持した。一方で、比較例No.9では、焼戻し温度が低かったことから、4時間保持後の硬さが50HRCを下回った。そして、これ以降、保持時間が長くなるにつれ、本発明鋼と比較鋼との硬さの差は大きくなった。本発明鋼では軟化抵抗が大きく、ホットスタンプ工法において有効である。
<Evaluation of softening resistance>
Since the die in the hot stamping method is used at high temperatures, the softening resistance of the die steel becomes important. Therefore, the present invention examples No. 1 to 6 and the comparative example No. 9 were tempered to 55 HRC and held at 600°C, and the change in hardness was measured. The results are shown in FIG. 3. In the present invention examples No. 1 to 6, the tempering temperature was high, so the hardness was maintained at 50 HRC or more even after holding for 4 hours. On the other hand, in the comparative example No. 9, the tempering temperature was low, so the hardness after holding for 4 hours was below 50 HRC. Then, as the holding time became longer, the difference in hardness between the present invention steel and the comparative steel became larger. The present invention steel has a high softening resistance and is effective in the hot stamping method.
Claims (6)
硬さが52HRC以上、熱伝導率λが25W/(m・K)以上、かつ熱伝導率λ(W/(m・K))が下記の式(1)を満足することを特徴とする、ホットスタンプ用金型。
λ≧-0.5H+53 …式(1)
H:金型のロックウェル硬さ(HRC) The composition is, in mass%, C: 0.45-0.65%, Si: 0.1-0.6%, Mn: 0.1-0.3%, Cr: 3.0-4.8 %, Mo: 1.2-2.6%, V: 0.4-0.8%, the balance being Fe and unavoidable impurities;
1. A hot stamping die having a hardness of 52 HRC or more, a thermal conductivity λ of 25 W/(m·K) or more, and the thermal conductivity λ (W/(m·K)) satisfies the following formula (1) :
λ≧−0.5H+53…Formula (1)
H: Rockwell hardness (HRC) of the die
硬さが52HRC以上、熱伝導率λが25W/(m・K)以上、かつ熱伝導率λ(W/(m・K))が下記の式(1)を満足することを特徴とする、ホットスタンプ用金型の製造方法。
λ≧-0.5H+53 …式(1)
H:金型のロックウェル硬さ(HRC) The hot stamping die steel according to claim 1 is subjected to quenching and tempering at a quenching temperature of 1020 to 1080 ° C. and a tempering temperature of 500 to 625 ° C.,
1. A method for manufacturing a hot stamping die, comprising: a hardness of 52 HRC or more; a thermal conductivity λ of 25 W/(m·K) or more; and the thermal conductivity λ (W/(m·K)) satisfies the following formula (1) :
λ≧−0.5H+53…Formula (1)
H: Rockwell hardness (HRC) of the die
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