TWI427152B - 模具的淬火方法 - Google Patents

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Description

模具的淬火方法
本發明是有關於一種模具的淬火方法。
對模具要求高硬度、高韌性(toughness)，而該模具的特性會較大程度地受到淬火方法的影響。
於升溫時，為了最大限度地使合金元素固溶，而於晶粒未粗大化的範圍內選定高淬火溫度。而且在淬火時，為了獲得高韌性，必需與使晶粒微細化的同時，抑制碳化物向晶界析出，且亦需防止貝氏體轉變(bainitic transformation)。此時，要求驟冷，而另一方面，若進行驟冷則模具的應變、變形增大，因此必需對冷卻速度適當地進行控制。因此，先前以來提出有各種方法，但主要採用的是對自淬火溫度開始的冷卻條件進行調整且同時達成低應變與高韌性的方法。
例如，日本專利特開2006-342377號公報(專利文獻1)中提出了馬氏體淬火法(marquench)，即，將接續朝淬火溫度的加熱後的冷卻在淬火溫度至600℃為止的高溫區域以20℃/min~5℃/min來實施，繼而保持恆溫，且將上述冷卻在400℃至200℃為止的低溫區域以1℃/min~15℃/min來實施。藉此，可避免淬火裂痕(quench crack)，而獲得低應變且高韌性的模具。馬氏體淬火法為如下處理：為了防止因驟冷而導致的淬火裂痕，而將淬火時的冷卻以馬氏體(martensite)轉變的上部的溫度、或比該上部 稍高的溫度加以恆溫保持，且於各部的溫度均一化後進行冷卻。
而且，本申請人於日本專利特開2009-074155號公報(專利文獻2)中，提出了一種著眼於淬火溫度的升溫側條件與冷卻側條件此兩方面的模具的淬火方法。亦即，該淬火方法為如下方法：在將A1轉變點至A3轉變點的溫度區以100℃/h以上的速度進行加熱的淬火升溫步驟之後，進行保持A3轉變點以上且不超過1150℃的溫度區的保持步驟，然後進行將A3轉變點至600℃為止的溫度區以5℃/min~20℃/min的速度進行冷卻的高溫側淬火冷卻步驟，且在經過了500℃~400℃為止的溫度區保持0.5小時~5小時的中斷保持步驟後，進行將400℃~200℃的溫度區以1℃/min~15℃/min的速度進行冷卻的低溫側淬火冷卻步驟。
而且，日本專利特開2001-152243號公報(專利文獻3)、日本專利特開2002-309314號公報(專利文獻4)中揭示了由同一申請人提出的關於淬火方法的技術。具體而言，是如下的技術：將鋼材構件驟冷至即將達到馬氏體轉變開始點(Ms點)的溫度為止，自淬火油中取出，並藉由該鋼材構件的保有熱而進行恆溫保持並直至即將達到馬氏體轉變開始點(Ms點)的附近的溫度為止。藉此，能夠對引用文獻3的0002段落中所例示的齒輪等的構件、或引用文獻4的0009段落中所例示的角柱構件的角部等的尖銳部這樣的內部體積小的構件適當地進行淬火處理。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2006-342377號公報
[專利文獻2]日本專利特開2009-074155號公報
[專利文獻3]日本專利特開2001-152243號公報
[專利文獻4]日本專利特開2002-309314號公報
本發明者等人對馬氏體淬火法進行了研究，從而認識到在上述專利文獻1以及專利文獻2中所揭示的條件下，模具的表面的韌性不足，而有進一步改善的餘地。
而且，若將專利文獻3以及專利文獻4中所揭示的技術應用於一般而言體積比齒輪等大的模具中，則冷卻速度難以控制，驟冷時模具的表面會降低為Ms點以下的溫度。此時，模具內部的溫度幾乎不見降低，若自淬火油中取出，則藉由模具內部的保有熱而表面的溫度再次成為Ms點以上，從而金屬組織變得不穩定，模具上會產生硬度的差異。而且，在為重量大的模具的情況下，若欲保持恆溫直至即將達到Ms點的附近的溫度為止，則其所需的時間會變得過長，生產性亦顯著變差。
本發明的目的在於提供一種尤其能夠合理地改善模具表面的韌性的淬火方法。
本發明者為了改善熱模具的表面的韌性，而發現如下情況並完成了本發明：1)為了確實地避免碳化物向晶界析出，必需應用比考 慮了貝氏體的轉變區域(貝氏體鼻部分(bainite nose))的冷卻速度快很多的冷卻速度；以及2)該快速的冷卻速度的應用中的表面與內部的溫度差所引起的弊病，可藉由對冷卻中斷狀態恰當地進行管理而合理地消除。
亦即，本發明為一種模具的淬火方法，其特徵在於包括：加熱、保持步驟，對模具進行加熱而保持於A3轉變點以上且小於1150℃的溫度範圍；第一冷卻步驟，於上述加熱、保持步驟之後，將上述模具浸漬於油槽中，藉由油冷而將模具的表面溫度冷卻至700℃以下且超過Ms點的溫度為止；改良保持步驟，於上述第一冷卻步驟之後，將上述模具自油槽拉起而中斷油冷，保持上述模具的表面溫度為超過Ms點的溫度區且上述模具的表面與內部的溫度差成為200℃以內為止；以及第二冷卻步驟，於上述改良保持步驟之後，以1℃/min~50℃/min的速度進行冷卻直至上述模具的表面溫度成為200℃為止。
而且，本發明可將上述改良保持步驟設為如下步驟：將上述模具自油槽拉起而中斷油冷，再次重複進行浸漬以及拉起，直至上述模具的表面溫度為超過Ms點的溫度區且上述模具的表面與內部的溫度差成為200℃以內為止。 此時，拉起次數較佳為3次以上。
較佳為，上述第二冷卻步驟中，以1℃/min~15℃/min的速度進行冷卻直至模具內部的溫度自400℃降低至250℃為止。
更佳為，上述第二冷卻步驟為油冷。
更佳為，上述第一冷卻步驟、改良保持步驟以及第二冷卻步驟中的環境為非氧化性氣體環境。
藉由本發明的模具的淬火方法，尤其能夠改善模具的表面韌性，因而可期待提高模具的壽命。
如上述般，本發明的重要特徵是在模具的淬火方法中將淬火時的冷卻條件最佳化。以下對本發明進行說明。
首先，對加熱、保持步驟進行說明(圖1(4))。
本發明的加熱、保持步驟的溫度設定為A3轉變點以上且不超過1150℃的溫度區。這是因為：若該溫度小於A3轉變點，則碳化物或合金元素的固溶不充分，硬度低，且高溫強度亦低，因而變得容易產生熱裂(heat crack)。而且還因為：若溫度超過1150℃，則釘紮(pinning)有晶粒的碳化物亦固溶，從而晶粒會異常成長。
為了抑制上述問題的發生且達成晶粒的微細化，A3轉變點以上且小於1150℃的溫度範圍成為必需。較佳為1010℃以上且小於1150℃的溫度範圍。
其次，對本發明的冷卻步驟進行說明。
本發明中，於加熱、保持步驟之後進行第一冷卻步驟，該第一冷卻步驟將模具浸漬於油槽中，藉由油冷而使模具的表面溫度冷卻至700℃以下的溫度(其中，為超過Ms點的溫度)為止(圖1(5))。
本發明中將第一冷卻步驟設為油冷是為了能夠確實地避免在晶界出現碳化物析出的區域。藉由該油冷，模具表面的韌性確實提高。
本發明中之所以選擇油冷是因為：若為油冷，則亦可藉由淬火油的溫度的調節而將冷卻能力(cooling power)調節為適當。例如是因為：若設為冷卻能力高的水冷則冷卻速度過快，從而第一冷卻步驟中模具表面發生馬氏體轉變的危險性高，而在冷卻能力低的鼓風冷卻或液體噴霧中，模具表面的冷卻變慢從而存在經過碳化物析出區域的可能性。
另外，利用油冷的第一冷卻步驟的模具表面的冷卻速度依據模具的大小而定，大約為80℃/min~250℃/min左右，從而相比於先前的利用鼓風冷卻或液體噴霧的模具的淬火方法，為非常快的冷卻速度。
而且，第一冷卻步驟中，將模具的表面溫度冷卻至700℃以下為止的原因在於：若在超過700℃的溫度區域中斷油冷，則存在碳化物於晶界析出的可能性。為了消除析出的可能性，而在模具的表面溫度超過Ms點且直至達到Ms點+200℃的溫度範圍為止來進行油冷。另外，若將表面溫度冷卻至Ms點以下為止，則模具的表面附近的金屬 組織發生馬氏體轉變，在接下來的改良保持步驟時金屬組織會變得不均一。因此，本發明中對表面溫度進行的管理變得重要。
本發明中藉由上述油冷的第一冷卻步驟，尤其能夠提高模具表面與其附近區域的韌性。
然後，在本發明中進行改良保持步驟。(圖1(6)以及圖2)
因第一冷卻步驟中應用非常快的冷卻速度，故模具的表面與內部的溫度差增大。在改良保持步驟中迅速減小該溫度差而可緩和熱應力。
該改良保持步驟中有兩種方法。
第一改良保持步驟是將模具自油槽拉起，而中斷油冷並保持放冷的方法。該方法中，模具內部的熱被大量地傳遞至模具表面而表面溫度上升。藉此，模具表面與內部的溫度差得以迅速緩和。
第二改良保持步驟是重複進行將模具向油槽浸漬與自油槽拉起的方法。該第二改良保持步驟中，除與第一改良保持步驟同樣地模具表面與內部的溫度差得以迅速緩和之外，亦可獲得以下的效果。
(1)可增大模具的散熱量，可加快模具內部的冷卻速度。結果，能夠更確實地防止模具內部的波來體(pearlite)的生成。
(2)模具表面以及模具內部的冷卻速度加快，從而直到模具內部皆能夠避開碳化物析出區域而進行冷卻。
(3)因模具整體的冷卻速度快，故尤其適合於200kg以上的大型的模具的淬火。
(4)可縮短淬火所需的時間而提高生產性。
其中，為了更確實地獲得(1)、(2)及(4)的效果，尤佳為於Ms點+25℃以上的溫度範圍內轉移至第二改良保持步驟。尤佳為第一次以模具表面不低於400℃而進行拉起。這是因為：模具大多為重物，若過度地冷卻至Ms點附近為止，則模具表面與模具內部的溫度差擴大而容易變形。
而且，宜在模具表面的溫度自接近提起時的表面溫度而上升至200℃(較佳為100℃)為止開始下一次浸漬。
藉此，可防止模具表面的馬氏體轉變，增大散熱量從而可縮短處理時間。對油槽的浸漬次數越增加則越尤其容易獲得上述效果，拉起以重複3次以上為佳。尤其在為超過200kg的大型的模具的情況下，較佳為如上述般以將最初的拉起溫度(表面溫度)設得高，並依次降低拉起溫度的方式，增加浸漬與拉起的重複的次數。
關於選擇上述第一改良保持步驟與第二改良保持步驟中的哪一個，例如可考慮模具的重量或處理時間且考慮模具的表面積與體積來進行判斷。例如，為了在短時間內處理100kg以上的模具，則適用第二改良保持步驟。
上述兩種改良保持步驟均進行至藉由油冷而模具的表面與內部的溫度差達到200℃以內為止。這是因為：若在溫度差超過200℃的狀態下轉移至第二冷卻步驟，則有因 熱應力差而引起應變或變形之虞。為了更確實地防止應變或變形，宜將模具的表面與內部的溫度差設為150℃以內。
另外，就模具而言，亦有超過100kg而約為2噸左右的重物，因此若如先前技術般保持恆溫直至即將達到Ms點的附近的溫度為止，則處理時間變長，且生產性顯著降低。因此，根據使用態樣，例如可在模具的表面與內部的溫度差成為50℃~200℃(較佳為50℃~150℃)的時間點來進行第二冷卻步驟。
藉由採用該改良保持步驟，可無需先前的馬氏體淬火中為必需的恆溫保持爐、或者鹽浴(salt bath)，該點亦為本發明的顯著的特徵。
其次，於改良保持步驟之後，進行以1℃/min~50℃/min的速度冷卻直至模具的表面溫度成為200℃為止的第二冷卻步驟。(圖1(7))
該第二冷卻步驟的冷卻速度對於如下而言為必需：抑制冷卻中的被熱處理材料(模具)的貝氏體的生成，而且，亦抑制由驟冷引起的溫度不均，且控制韌性與淬火應變、以及裂紋。
若表面溫度的冷卻速度小於1℃/min，則貝氏體的生成抑制變得不充分而韌性降低。若超過50℃/min則馬氏體轉變中的製品的溫度差增大，因冷卻中的溫度不均而應變容易增大，且淬火裂痕的風險亦增大。較佳的表面溫度的冷卻速度為10℃/min~30℃/min。
自金屬組織控制的觀點考慮，第二冷卻步驟的中心部 的冷卻速度亦重要，宜以1℃/min~15℃/min冷卻速度將貝氏體生成的400℃~250℃的區域冷卻。只要處於該範圍，則抑制粗大的貝氏體的生成，從而可更確實地提高韌性。較佳為5℃/min~15℃/min，從而可更確實地獲得上述效果。
該第二冷卻步驟中，宜設為油冷，該油冷容易在上述溫度範圍內調整冷卻速度，尤其容易獲得被熱處理材料的內部的金屬組織不易成為塊狀貝氏體組織的冷卻速度。
本發明中，上述的上述第一冷卻步驟、改良保持步驟、以及第二冷卻步驟中的環境可設為非氧化性氣體環境。具體而言，可應用氮氣或惰性氣體或者真空氣體環境(減壓氣體環境)。
這是因為：尤其第一冷卻步驟是自淬火溫度對油槽進行驟冷，從而可消除淬火油激烈燃燒而發生火災等的災害的可能性。
而且，若設為非氧化性氣體環境，則亦可防止被熱處理材料的氧化或脫碳。
其次，對加熱至上述的淬火溫度為止的條件進行敍述。
本發明中，作為加熱至淬火溫度的條件，更佳為一併對低溫側淬火升溫步驟的升溫條件進行調整(圖1(1))。另外，此處所謂的低溫側是指A1轉變點以下的溫度區域。
低溫側淬火升溫步驟的條件宜設為200℃/h以下的升溫速度。這是因為：若該升溫速度過快，則被熱處理材料上會產生應變，或者被熱處理材料的表層部與內部的溫度 差增大，從而因部位而產生晶粒的差異的可能性增高。較佳的升溫速度為50℃/h~150℃/h的範圍。
在上述低溫側淬火升溫步驟的途中，亦可進行1次以上的溫度保持的溫度保持步驟(圖1(2))。
藉由進行溫度保持步驟，對被熱處理材料進行加熱時的溫度不均得以減輕，因此變形減少。而且，亦具有如下效果：模具製作時所產生的加工殘留應力亦藉由預熱而被除去，於之後的加熱中通過轉變點時以殘留應變作為驅動力的晶粒的異常成長亦可被抑制。為了更確實地獲得該效果，可於A1轉變點-200℃~A1轉變點-15℃的溫度範圍內進行溫度保持步驟。更佳為A1轉變點-70℃~A1轉變點-20℃的溫度範圍。
另外，就進行溫度保持的時間而言，為了減輕如上述般對被熱處理材料進行加熱時的溫度不均，在太短的時間內難以獲得溫度不均的減輕效果。因此，宜設為足以使溫度不均減輕的時間。根據被熱處理材料的重量或形狀而無法將時間統一地規定，就經驗方面而言，較佳為保持0.5小時~5小時左右。若保持0.75小時以上，則可將表層溫度與內部的溫度差設為30℃以內，因而較佳為保持0.75小時(45分鐘)以上。
於溫度保持步驟之後，作為高溫側升溫步驟，可以100℃/h以上的速度對自A1轉變點至A3轉變點的溫度區進行加熱(圖1(3))。這是因為：當自鐵氧體(ferrite)生成新的奧氏體(austenite)的晶粒時，若加熱速度快， 則藉由自平衡溫度開始的過熱效應而奧氏體的核生成密度高，且可獲得將晶粒微細化的作用。
以上，藉由對直至加熱、保持步驟為止的升溫步驟的條件進行調整，而可將非熱處理構件調整為均一的晶粒。
[實例1]
利用以下的實例對本發明進行更詳細說明。
自表1所示的組成的熱模具用模具材料切下300mm(w)×300mm(1)×300mm(t)的塊體，製作實施第一改良保持步驟的第一試樣及實施第二改良保持步驟的第二試樣。所準備的合金均為相當於日本工業標準(Japan Industrial Standard，JIS)-SKD61的材料。
該合金的A1轉變點為850℃，A3轉變點為895℃，Ms點為300℃，晶界碳化物析出區域的鼻部(nose)為700℃-20分鐘。
使用上述試樣進行淬火處理。直至加熱、保持步驟為止的溫度條件為以下所示。
<第一試樣>
將第一試樣插入至淬火爐中，開始升溫。低溫側升溫步驟(1)的條件設為150℃/h，800℃下實施4小時的溫度保持步驟(2)。然後，作為高溫側升溫步驟(3)，在150℃/h 的條件下升溫至1025℃為止，並轉移至加熱、保持步驟(4)。
<第二試樣>
將第二試樣插入至淬火爐中，開始升溫。低溫側升溫步驟(1)的條件設為200℃/h，以800℃實施2小時的溫度保持步驟(2)。然後，作為高溫側升溫步驟(3)，在200℃/h的條件下升溫至1025℃為止，並轉移至加熱、保持步驟(4)。
繼而，將對第一試樣實施的第一改良保持步驟及測定溫度、以及第二冷卻步驟表示於表2中，將對第二試樣實施的第二改良保持步驟及測定溫度、以及第二冷卻步驟表示於表3中。另外，溫度為對任一試樣利用鑽孔機形成切削孔且插入熱電耦溫度計，而測定表面附近與內部(中心部)所得的結果。
於上述步驟結束後，以45HRC(洛氏硬度)進行回火，且對夏比(Charpy)衝擊值進行評估。夏比衝擊試驗實施2mmU缺口試驗。夏比衝擊值表示於表4中。另外，表4的「比較例」是專利文獻2的No.6合金(相當於JIS SKD61的合金)的試驗結果，藉由先前的馬氏體淬火法的冷卻而獲得。該比較例(專利文獻2的No.6)為與此次進行的實例大致相同的熱歷程，其淬火條件為如下所示。
將試驗片以75℃/h升溫(低溫側升溫步驟(1))，在800℃保持1小時(溫度保持步驟(2))，以175℃/h的條件升溫至1020℃為止(高溫側升溫步驟(3))，並轉移至加熱、保持步驟(4)。然後，對於A3~600℃的溫度區以12℃/min的速度冷卻，以400℃保持1小時，對於400℃ ~200℃的溫度區以10℃/min的速度進行冷卻。在惰性氣體環境下一面控制氣體加壓量一面進行冷卻。
如表4所示，可確認應用了本發明的淬火方法的試樣，比應用先前的馬氏體淬火法的試樣具有更優異的韌性。而且，儘管試樣的大小與重量相同，但第二試樣的內部的夏比衝擊值提高。這表示模具內部的冷卻速度加快，從而即便在模具內部亦可抑制碳化物的晶界析出。
而且，圖2中表示關於第二試樣的第一冷卻步驟以後的溫度記錄圖的實測值，並且是將僅進行一次浸漬與拉起時的模擬結果(相當於採用第一改良保持步驟的結果)進行繪圖而成。
如圖2所示可知，重複進行浸漬與拉起則內部(中心部)的冷卻速度會更快。而且，可確認整體的冷卻速度亦快。根據該些結果可知，尤其實施第二改良保持步驟的本發明適合於重量大的模具的淬火。
另外，自第二試樣的表面側切下微觀察用試驗片，對有無晶界析出進行調查，結果如圖3所示幾乎未能確認到晶界析出物。而且，尺寸變化量最大為0.5mm左右，從而確認尺寸變化亦得以抑制。
[產業上之可利用性]
本發明的模具的淬火方法可改善模具的韌性，因此可期待提高模具的壽命。因而，亦可期待不限於應用於模具，而作為可改善韌性的淬火方法而應用於其他用途。尤其是越大型的被熱處理材料，則越可期待上述改善效果。
1‧‧‧低溫側升溫步驟
2‧‧‧溫度保持步驟
3‧‧‧高溫側升溫步驟
4‧‧‧加熱、保持步驟
5‧‧‧第一冷卻步驟
6‧‧‧改良保持步驟
7‧‧‧第二冷卻步驟
A1、A3‧‧‧轉變點
Ms‧‧‧馬氏體轉變開始點
圖1是表示本發明的淬火條件的一例的溫度記錄圖的概要圖。另外，改良保持步驟在本圖中為了方便起見而表示為直線。
圖2是表示本發明的第一冷卻步驟以後的模具冷卻時的溫度實測值與模擬結果的圖。
圖3是應用本發明的模具的淬火方法來進行回火後的顯微鏡照片。

Claims (5)

  1. 一種模具的淬火方法，其特徵在於包括：加熱、保持步驟，對模具進行加熱而保持於A3轉變點以上且小於1150℃的溫度範圍；第一冷卻步驟，於上述加熱、保持步驟之後，將上述模具浸漬於油槽中，藉由油冷而將模具表面以80℃/min~250℃/min的速度進行冷卻，並將模具的表面溫度冷卻至700℃以下且超過Ms點的溫度為止；改良保持步驟，於上述第一冷卻步驟之後，將上述模具自油槽拉起而中斷油冷，並再次重複進行浸漬以及拉起，直至上述模具的表面溫度為超過Ms點的溫度區且上述模具的表面與內部的溫度差成為200℃以內為止；以及第二冷卻步驟，於上述改良保持步驟之後，以1℃/min~50℃/min的速度進行冷卻直至上述模具的表面溫度成為200℃為止。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之模具的淬火方法，其中上述改良保持步驟中之拉起次數為3次以上。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之模具的淬火方法，其中上述第二冷卻步驟中，以1℃/min~15℃/min的速度進行冷卻直至模具內部的溫度自400℃降低至250℃為止。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之模具的淬火方法，其中 上述第二冷卻步驟為油冷。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之模具的淬火方法，其中上述第一冷卻步驟、改良保持步驟以及第二冷卻步驟中的環境為非氧化性氣體環境。
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