JPH06104851B2 - 熱間ダイス鋼からなる金型の焼入れ法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明技術分野〕 本発明は熱間ダイス鋼の熱処理、特に熱処理歪みが少い
上に、靭性が向上した焼入れ法に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、ダイカスト用の金型や熱間鍛造用の金型は高温
（例えば500〜1000℃）において使用される関係で熱間
ダイス鋼が使用されている。

ダイカスト金型の場合には、形状が複雑で、肉厚も一様
でなく、且つ仕上げ代が少ないものが多いが、このよう
な製品においては急冷を行うと焼割れや焼入れ歪みを発
生するのでこのような欠点を防止するために緩慢な冷却
を行なっている。この緩慢な冷却方法としては、焼入れ
温度からの冷却処理工程において空冷や衝風冷却による
徐冷で行うのが普通である。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のような緩慢な冷却方法によると焼割れや歪みの発
生を抑制することができる反面、冷却速度が遅いために
次の問題があった。

（１）金型の靱性、特にシャルピー値が不足して耐久性
に劣る。この問題は金型の早期交換という手段等によっ
て対応しているのが実情である。

（２）金型の厚みによっては不完全な焼入組織となり、
従って、金型の寿命が短縮される。これを前記のような
金型の早期交換という手段等によって解決している。

（３）耐ヒートチエック性が悪い。

即ち、焼入温度より徐冷した金型は内部組織が不安定
で、低い硬さで使用されるので熱疲労に弱く、熱間用金
型本来の使用方法である急熱と急冷の繰り返しで早期に
ヒートチエックが発生し、使用不能となる。

前記のように金型の焼入れに徐冷を採用した場合には靱
性と硬さの双方が低下するために耐久性に劣り、金型の
早期交換が必要となる等の不可避的な問題があった。

そこで、オーステナイト化温度より油冷等の急冷を行っ
た場合には硬さと靱性を同時に向上させ、耐久性を向上
させる上に有利である。しかし、油冷等の急冷による焼
入れは前記のように大きな熱処理歪みと顕著な焼割れを
発生することが多い。焼入れ工程において歪みが大きい
場合には当然のことながらその焼入れ後にこの金型の歪
みを修正する意味で機械加工が必要であったり、修正不
能が原因して不良率が増加するという問題があり、これ
を避ける意味で急冷焼入れは極く限られた小型の金型に
しか適用することができないものである。

前記理由から、一般のダイカスト金型においては空冷な
いしは衝風冷却によって熱処理を行わざるを得なかった
のである。

具体的な公知技術をあげれば、特公昭60−37851号公報
や特開昭54−103732号公報がある。前者の発明は、冷間
ピルガー圧延機用ロールダイスの熱処理方法に関するも
のであって、高強度、高靱性ダイス鋼系の材料より成る
ロールダイス粗成材をオーステナイ化温度に加熱して約
500℃のソルトバスによる第１段中温熱浴と、約250℃の
ソルトバスによる第２段低温熱浴とによる急冷熱処理を
行うもので、この第１段中温熱浴処理の際はパーライト
の変態域のノーズにかからない速度で冷却し、第２段低
温熱浴処理の際はベーナイト変態域のノーズにかからな
いように短時間でマルテンサイト変態域直上の温度まで
冷却するものである。

しかし、この熱処理方法を熱間ダイス鋼を使用して製作
した金型の熱処理に利用することはできないものであ
る。その理由は、第１段中熱温熱浴処理にソルトバスに
よる急冷が採用され、しかも粗成材の表面部と芯部との
温度差を可及的僅少にすることが条件である。このこと
から金型には必然的に多量の熱歪みを発生せざるを得
ず、特に熱間ダイス鋼で製作した板状ないしはブロック
状の金型の熱処理には適用できないものである。

後者の発明は、炭素が0.10％以下、Mn約1.8〜4.5％、か
つＡ_C3変態点以上の温度域から大気中で放冷してもほと
んどフエライトまたはパーライトを生じず、焼入れ状態
でベーナイト組織もしくは一部マルテンサイトを含むベ
ーナイト組織を形成するような焼入れ性元素を添加し
た、極低炭素強靱鋼の焼入れに関するものである。この
発明は焼戻し工程を省略するために特殊な成分を含む極
低炭素強靱鋼材料を使用することを前提とするものであ
り、積極的にベーナイト領域に入るような焼入れを行う
ものである。

しかし、このベーナイト焼入れを炭素含有量が0.32〜0.
42％の熱間ダイス鋼からなる金型に行なった場合は、熱
間歪みが少ないが靱性が著しく低下するものであり、金
型として利用することができない割れ易いものとなる欠
点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、前記従来のダイカスト金型や熱間鍛造に使用
される熱間ダイス鋼の熱処理の問題を解消するために、
大量の実験を行なった結果得られたものであって、その
目的とするところは、靱性を向上させ、耐ヒートチエッ
ク性が改善され、そして熱歪みが少なく、熱処理寸法変
化が改善され、仕上げ代を少なくし、更に金型寿命が延
長される焼入れ法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するための本発明にかかる熱間ダイス鋼
の焼入れ法は、 （１）テストピースにより熱間ダイス鋼の連続冷却変態
曲線図上においてパーライト領域およびベーナイト領域
とそれのノーズを確認する。

（２）熱間ダイス鋼をオーステナイト化温度に加熱し、
該温度と前記ベーナイト領域のノーズに向かう経路を通
過する冷却速度で空冷ないしは衝風冷却によって複合冷
却変更温度まで冷却する。

（３）そして前記複合冷却変更温度より急冷を行う。

更に詳述すれば、従来の特殊鋼の焼入れ法においては靱
性の向上を犠牲にしながら、焼入れ歪みや大割れを防止
する意味において、焼入れ温度に加熱された金型を空冷
ないしは衝風冷却によって徐冷する方法を採用した。

これに対して本発明においては、その徐冷の範囲を特
に、「複合冷却変更温度」までとし、しかも、その徐冷
速度をベーナイト領域に向かう経路を通る冷却速度で行
うものである。

そして前記複合冷却変更温度よりマルテンサイト化温度
まで急冷することを特徴とするものである。

〔作用〕

一般に熱伝導性が悪いダイス鋼をオーステナイト化温度
より複合冷却変更温度まで徐冷することによって、金型
のコーナー部分より冷却されて発生する大きな熱歪みを
最小限に抑制する。

そして複合冷却変更温度より油冷等を採用して急冷する
ことによって、靱性の低下に最も影響を与えるベーナイ
ト領域を通過しないようにして組織内にベーナイトの発
生を防止するものである。

前記のように構成することによって金型の靱性を向上さ
せ、ヒートチエックを改善し、熱歪みの少ない金型を製
造することができるのである。

〔比較実施例〕

先ず、本発明の理解を助けるために、本発明の焼入れ法
を全工程に衝風冷却を採用した従来の焼入れ法を対比し
て説明する。

第１図はダイス鋼（SKD61）を使用した金型の等温度変
態曲線図上に表わした加熱冷却曲線であって、（ａ）−
図は本発明によるものを、また（ｂ）−図は従来の方法
によるものをそれぞれ示している。

なお図中、（Ｐ）はパーライト領域、（Ｂ）はベーナイ
ト領域を、また（Ｍ）はマルテンサイト領域をそれぞれ
示している。そしてＦは金型の中心部の温度を、Ｅは表
面の温度をそれぞれ表している。

（１）前記焼入れ熱処理線図は予め連続冷却変態曲線に
よって作成し、この図上においてパーライト領域Ｐ、ベ
ーナイト領域Ｂを確認する。

（２）そしてこのベーナイト領域Ｂのノーズｎより金型
が冷却される時間と温度降下の関係を実験値より定めて
おき、このデータに基づいてオーステナイト化温度Ｃの
延長線より焼入れ開始点Ｄを確認しておく。

具体的には、型材と同材質でほぼ同寸法のテストピース
を多数準備し、中心部に熱電対を取付け、冷却速度を実
測する。このような方法を採用して複合冷却変更温度を
種々と変化させて適切な温度を決定する。

この冷却速度勾配は重要であって、テストピースの表面
と内面の冷却速度勾配曲線Ｅ′とＦ′が前記ベーナイト
領域Ｂのノーズｎに接触することがないようにする。

前記複合冷却変更温度Ｇは、本発明者が便宜上命名した
温度であって、オーステナイト化温度Ｃよりソフト冷却
し、次にこのソフト冷却を停止し、次にハード冷却、即
ち急冷に冷却手段を変更する温度領域を意味している。
この複合冷却変更温度Ｇは、通常の焼入れ工程において
簡単に確認し、冷却手段を変更することができる温度範
囲でなければならない。

例えばオーステナイト化温度Ｘ℃（例えば1020℃）とす
ると、前記複合冷却変更温度Ｇは、ほぼX/2（例えば500
℃）の温度であり、その温度の幅は±50℃程度である。
この温度範囲であれば十分に冷却手段を変更することが
可能である。しかし、金型の材質や大きさによって若干
の温度範囲を変更することは十分に許容される範囲であ
る。なお、前記複合冷却変更温度Ｇは、通常の焼入れに
おいては半冷温度に相当する場合が多い。

第１図−（ａ）、（ｂ）において、Ａ、Ｂ、Ｃは熱処理
する金型を昇温する温度の段階を示し、またＣはオース
テナイト化温度を示している。

（ａ）−図においては複合冷却変更温度Ｇより上の冷却
線Ｅは、オーステナイト化温度Ｃより衝風冷却等のソフ
トな冷却をした金型の表面温度を、同様に冷却線Ｆは金
型の内面の温度をそれぞれ示している。

また、複合冷却変更温度Ｇより下の部分の前記冷却線
Ｅ、Ｆの延長線上の線Ｅ′−Ｆ′は油焼入れを主体とす
るハードな焼入れにおける金型の表面温度と中心温度を
表している。

第１図−（ａ）と（ｂ）とを比較して理解されるよう
に、（ｂ）−図の従来の焼入れ法によれば、オーステナ
イト化温度Ｃ上の焼入れ開始点Ｄより常温に至るまでの
全領域が衝風冷却などのソフトな冷却が採用され、その
結果、ベーナイト領域Ｂのノーズｎ部分に冷却線Ｅ″と
Ｆ″が入り込んでおり、焼入れされた金型の組織にはベ
ーナイト組織が発生し、前記各種の欠点を有しているこ
とは明らかである。

これに対して（ａ）−図の本発明の方法によれば金型の
内面温度Ｆ′と表面温度Ｅ′は共にベーナイト領域Ｂを
避けて冷却されているので、（ｂ）−図の従来法のよう
な欠陥は全く発生しない。

さて、ダイス鋼を機械加工して得られた金型（縦300ミ
リ、横200ミリ、厚さ150ミリ）を真空炉中において、昇
温を開始し、 600℃に120分間（温度Ａ）、 次いで850℃に120′分間（温度Ｂ）、 1020℃〜1030℃に120分間、 と段階的に加熱して最終的にはオーステナイト化温度Ｃ
である1020℃〜1030℃とする。

前記オーステナイト化温度Ｃより、このオーステナイト
化温度Ｃとの室温とのほゞ中間の温度である500℃±50
℃の複合冷却変更温度Ｇまで比較的ソフトに冷却する。
この冷却手段としては加熱された金型に送風機などによ
って衝風冷却を継続的に行う。

前記衝風冷却はオーステナイト化温度Ｃの領域の終点で
ある焼入れ開始温度Ｄよりベーナイト領域Ｂに向かう冷
却線Ｅ′、Ｆ′によって構成されている。

本発明の（ａ）図のオーステナイト化温度Ｃより複合冷
却変更温度Ｇに向かう間のソフトな冷却により金型の表
面温度Ｅと内面温度Ｆとの延長線はベーナイト領域Ｂの
ノーズ部分ｎに向かうが、複合冷却変更温度Ｇ線上にお
いてこのソフト冷却は中止される。そしてソフト冷却さ
れた金型は油中等に浸漬されてマルテンサイト化温度MS
まで急冷され、それ以後はマルテンサイト完了温度MF
（図示せず）まで冷却され焼入れ熱処理が完了する。

前記実施例は、１つの金型モデルによって行なったもの
であるが、厚さ100ミリ〜250ミリの大きさの金型の焼入
れにおいては各温度範囲は次の通りである。

温度A:600℃〜650℃ 温度Ａに昇温する時間:150℃〜1Hr 温度Ａの保持時間:120分 温度B:800℃〜850℃ 温度Ｂに昇温する時間:150℃〜1Hr 温度Ｂの保持時間:120分 温度C:1010℃〜1030℃ 温度Ｃに昇温する時間:150℃/1Hr 温度Ｃの保持時間:120分 温度Ｃより温度Ｇに到達する時間： 15分〜30分以内 「冷却速度」について 第２図は本発明の焼入れ時における金型の中心部におけ
る冷却線図を、第３図は従来の衝風冷却を行なった場合
の金型の中心部における冷却線図をそれぞれ示してい
る。

前記両線図を比較して分かるように、従来法における半
冷温度ｇ以下の金型の温度はかなり長い時間をかけて冷
却されている。

一方、本発明の熱処理法によれば複合冷却変更温度Ｇ以
下の温度において油冷などによって急速に冷却されてい
ることが理解できる。

第４図は耐ヒートチエック性を示す図であって、前記と
同様な方法で熱処理されたテスト材より40×40×20ミリ
のテストピース多数個を作成して次の実験を行った結果
を示すものである。

ガスバーナで前記テストピースを約670℃まで加熱し、
これを水中に沈めて冷却する。この加熱と冷却は1000回
行う。

従来法（第４図中、a,bで示す）によったもののクラッ
クの発生個数（ａ）は約100個、クラックの平均の深さ
（ｂ）は約0.5ミリであるのに対して、本発明の方法
（第４図中、c,dで示す）によればクラックの発生個数
（ｃ）は約50個、クラックの平均深さ（ｄ）は約0.3ミ
リであることが確認されている。

第５図は本発明と従来法による靱性（シャルピー値）を
比較したものであって、本発明の方法によれば従来の方
法によったものに比較して30〜40％の向上を見ることが
できる。

本発明の熱処理方法と従来の熱処理方法を対比した場
合、次のことが言える。

従来の熱処理によってものに比較してロックウエル硬
度で２〜３高くして使用することができる（Ｈ_RC48〜5
0）。

従来の熱処理に比較してシャルピー値で約30〜40％の
向上が見られる。

従来の熱処理法に比較して、ヒートチエックが深さで
約1/2発生固数で1/3と大幅な改善が認められた。

第１表は、本発明の熱間ダイス鋼の焼入れ法と従来の熱
間焼入れ法で処理された金型の耐久性を比較したデータ
を記載したものであって、評価の項に記載しているよう
に本発明の熱処理をした金型は従来の金型に比較して耐
久性が約1.3倍ないし２倍に向上していることが分か
る。

〔発明の効果〕 一般に熱伝導性が悪いダイス鋼をオーステナイト化温度
より複合冷却変更温度まで徐冷することによって、金型
のコーナー部分より冷却されて発生する大きな熱歪みを
最小限に抑制することができる。

そして前記複合冷却変更温度において、オーステナイト
化温度Ｃより途中の温度まで冷却された金型は油冷等に
よって急冷されてベーナイト領域Ｂ、特にノーズ部分ｎ
を通過しないように構成している。

本発明は熱処理温度であるオーステナイト化温度Ｇよ
り、焼入れ途中の温度である複合冷却変更温度Ｇまで衝
風冷却等のソフトな冷却を採用して高温において歪みが
発生する原因を除去し、前記複合冷却変更温度Ｇに到達
すると、ベーナイト領域Ｂを避けて通ることができる冷
却曲線Ｅ′,F′上を油冷等による急冷を行なうことによ
って次の効果を奏することができる。

（１）焼入れ処理中に金型の組織はベーナイト領域Ｂを
通過しないために、その内部組織が安定し、硬度が高
く、熱疲労性に強い。特に、高温に加熱されることと、
常温近くに冷却されることの条件を繰り返しして行なっ
ても従来法に比較してヒートチエックが発生し難い。

（２）第４図に示すように、耐ヒートチエック性のテス
トの結果、クラックの発生個数とクラックの平均深さは
従来法に比較して本発明の方法は約半分、発生固数で1/
3で大幅な改善が認められた。また、金型に信頼性があ
り、長期間にわたって金型を使用することができる。

（３）第１図表に示すように、従来の金型に比較して本
発明に係る金型の寿命は約２倍の長さになっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱間型用鋼の焼入れ熱処理線図を示すものであ
って、（ａ）−図は本発明法を、（ｂ）−図は従来法を
それぞれ示している。 第２図は本発明の金型の冷却速度線図を、第３図は従来
法の冷却速度線図をそれぞれ示している。 第４図は耐ヒートチエック性のテスト結果を示す図であ
って、クラック発生固数とそのクラックの平均深さにつ
いて本発明法と従来法と比較して示している。 第５図は本発明による金型と従来の金型との靱性の対比
表を示している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】テストピースを使用して熱間ダイス鋼の連
   続変態曲線上においてパーライト領域（Ｐ）とベーナイ
   ト領域（Ｂ）およびこれのノーズ（ｎ）をサンプルを利
   用して確認する工程と、 熱間ダイス鋼をオーステナイト化温度Ｃまで加熱する工
   程と、前記加熱された熱間ダイス鋼をベーナイト領域
   （Ｂ）のノーズ（ｎ）に向かう冷却速度で空冷ないし衝
   風冷却によって複合冷却変更温度（Ｇ）まで冷却する工
   程と、前記空冷ないし衝風冷却された熱間ダイス鋼を、
   前記ベーナイト領域（Ｂ）のノーズ（ｎ）を避ける冷却
   速度で油冷等による急冷を行う工程とからなる熱間ダイ
   ス鋼からなる金型の焼入れ法。