JP5075293B2 - 金型の焼入れ方法 - Google Patents
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Description
昇温の際には、合金元素を最大限固溶させるため、結晶粒が粗大化しない範囲で高めの焼入れ温度が選定される。また、焼入れの際には、高靭性を得るために、結晶粒を微細化するのと同時に、結晶粒界への炭化物析出を抑え、ベイナイト変態も防止する必要がある。このとき、急冷が求められるが、一方、急冷すると金型の歪み、変形が大きくなるため、冷却速度を適切にコントロールする必要がある。このため、従来から種々の提案がなされており、主として、焼入れ温度からの冷却条件を調整して、低歪みと高靭性の両立を達成するといった方法が採用されている。
1)結晶粒界への炭化物析出を確実に避けるため、ベイナイトの変態領域(ベイナイトノーズ)を考慮した冷却速度よりも遥かに早い冷却速度を適用する必要があること、
および、
2)この早い冷却速度の適用による表面と内部の温度差による弊害は、冷却中断状態を適正に管理することにより合理的に解消できること、
を見出し本発明に到達した。
金型を加熱してA3変態点以上から1150℃未満の温度範囲に保持する加熱・保持工程と、
前記加熱・保持工程の後、前記金型を油槽に浸漬し、油冷により金型表面を80℃/分〜250℃/分の速度で冷却し、金型の表面温度が700℃以下であってMs点は超えている温度まで冷却する第一の冷却工程と、
前記第一の冷却工程の後、前記金型を油槽から引き上げて油冷を中断し、再度の浸漬および引き上げを、前記金型の表面温度がMs点を超える温度域であって前記金型の表面と内部との温度差が200℃以内となるまで繰り返す改良保持工程と、
前記改良保持工程の後、前記金型の表面温度が200℃となるまで1℃/分〜50℃/分の速度で冷却する第二の冷却工程と、
を具備したことを特徴とする金型の焼入れ方法である。
更に好ましくは、前記第二の冷却工程では、金型内部の温度が400℃から250℃に下がるまで1℃/分〜15℃/分の速度で冷却する金型の焼入れ方法とする。
更に好ましくは、前記第二の冷却工程は、油冷とする。
更に好ましくは、前記第一の冷却工程、改良保持工程、および、第二の冷却工程における環境は、非酸化性雰囲気とする。
先ず、加熱・保持工程について説明する(図1(4))。
本発明の加熱・保持工程の温度は、A3変態点以上で1150℃を超えない温度域に設定する。これは、この温度がA3変態点未満であると、炭化物や合金元素の固溶が不十分で、硬さが低く、また高温強度も低いためヒートクラックが発生しやすくなるからである。また、温度が1150℃を超えると、結晶粒をピンニングしている炭化物も固溶し、結晶粒が異常成長するからである。
これらの問題の発生を抑制し、結晶粒の微細化を達成するには、A3変態点以上で1150℃未満の温度範囲が必要となる。好ましくは1010℃以上1150℃未満の温度範囲である。
本発明では、加熱・保持工程の後、金型を油槽に浸漬し油冷により金型の表面温度が700℃以下の温度(但し、Ms点を超える温度)となるまで冷却する第一の冷却工程を行う(図1(5))。
本発明で第一の冷却工程を油冷とするのは、結晶粒界に炭化物が析出する領域を確実に避けることができるためである。この油冷により、金型表面の靭性が確実に高まる。
本発明で油冷を選択したのは、油冷であると焼入れ油の温度の調節により、冷却能を好適に調節することも可能であるためである。例えば、冷却能の高い水冷とすると冷却速度が速すぎて、第一の冷却工程で金型表面がマルテンサイト変態する危険性が高く、また、冷却能の低い衝風冷却や液体噴霧では、金型表面の冷却が遅くなって炭化物析出領域を経る可能性があるためである。
なお、油冷による第一の冷却工程の金型表面の冷却速度は金型の大きさにもよるが、おおよそ80℃/分〜250℃/分程度であり、従来の衝風冷却や液体噴霧による金型の焼入れ方法と比較して遥かに速い冷却速度である。
また、第一の冷却工程において、金型の表面温度が700℃以下となるまで冷却するのは、700℃を超える温度領域で油冷を中断すると、結晶粒界に炭化物が析出する可能性があるためである。析出の可能性をなくすためには、金型の表面温度がMs点を超えてMs点+200℃の温度範囲に至るまで油冷を行う。なお、表面温度をMs点以下まで冷却すると、金型の表面近傍の金属組織がマルテンサイト変態して、次の改良保持工程時で金属組織が不均一となる。そのため、本発明では表面温度の管理が重要となる。
本発明では上述した油冷による第一の冷却工程により、特に金型表面とその近傍領域の靭性を向上させることができる。
第一の冷却工程では著しく早い冷却速度を適用するため、金型の表面と内部の温度差が大きくなる。改良保持工程ではこれを速やかに少なくして熱応力を緩和する。
この改良保持工程には二つの方法がある。
(1)金型の抜熱量を大きくすることができ、金型内部の冷却速度を速めることができる。その結果、金型内部のパーライトの生成をより確実に防止することが可能となる。
(2)金型表面および金型内部の冷却速度が速くなり、金型内部まで炭化物析出領域を避けて冷却することが可能となる。
(3)金型全体の冷却速度が速いことから、特に200kg以上の大型の金型の焼入れに好適である。
(4)焼入れに要する時間を短縮でき生産性を向上することができる。
このうち、特に(1)、(2)及び(4)の効果をより確実に得るには、Ms点+25℃以上の温度範囲で第二の改良保持工程に移行することが好ましい。特に一回目は金型表面が400℃を下回らないうちに引き上げると良い。これは、金型が重量物であることが多く、過度にMs点近傍まで冷却すると、金型表面と金型内部との温度差が広がって変形し易くなるためである。
また、金型表面の温度が直近の引き上げ時の表面温度から200℃(好ましくは100℃)上昇するまでに次の浸漬を開始すると良い。
なお、金型は100kgを越え約2トン程度の重量物のものもあるため、従来技術のようにMs点の直上近傍の温度になるまで恒温保持すると処理時間が長くなり、生産性を著しく低下させる。そのため、使用の態様により、例えば、金型の表面と内部との温度差が50℃〜200℃(好ましくは50℃〜150℃)となった時点で第二の冷却工程を行っても差し支えない。
この改良保持工程を採用することにより、従来のマルクエンチで必要とされていた恒温保持炉、あるいはソルトバスを不要とすることができることも本発明の大きな特徴である。
この第二の冷却工程の冷却速度は、冷却中の被熱処理材(金型)のベイナイトの生成を抑制し、また、急冷による温度むらも抑制し、靭性と焼入れ歪み、および、割れを制御するのに必要な冷却速度である。
表面温度の冷却速度が1℃/分未満では、ベイナイトの生成抑制が不十分となり靭性が低下する。50℃/分を越えるとマルテンサイト変態中の製品の温度差が大きくなり、冷却中の温度むらにより、歪みが大きくなり易く、焼割れのリスクも大きくなる。好ましい表面温度の冷却速度は10℃/分〜30℃/分である。
第二の冷却工程は、金属組織制御の観点から、中心部の冷却速度も重要であり、ベイナイトが生成する400℃〜250℃の領域を1℃/分〜15℃/分で冷却するのが良い。この範囲であれば、粗大なベイナイトの生成を抑制し、より確実に靭性を向上させることができる。好ましくは、5℃/分〜15℃/分であり、前記の効果をより確実に得ることができる。
この第二の冷却工程では、冷却速度を上述の温度範囲に調整するのが容易であり、特に被熱処理材の内部の金属組織が塊状ベイナイト組織となり難い冷却速度を得やすい、油冷とするのが良い。
これは、特に、第一の冷却工程が焼入れ温度から油槽への急冷を行うものであるため、焼入れ油が激しく燃焼して火災等の災害が生じる可能性をなくすためである。
また、非酸化性雰囲気とすると、被熱処理材の酸化や脱炭も防止できる。
本発明では、焼入れ温度に加熱する条件として、低温側焼入れ昇温工程の昇温条件も併せて調整すると更に好ましい(図1(1))。なお、ここでいう低温側とは、A1変態点以下の温度領域をいう。
低温側焼入れ昇温工程の条件は、200℃/h以下の昇温速度とするのが良い。これは、この昇温速度が速すぎると、被熱処理材に歪みが生じたり、被熱処理材の表層部と内部との温度差が大きくなってしまい、部位による結晶粒のばらつきが生じる可能性が高くなるためである。好ましい昇温速度は50℃/h〜150℃/hの範囲である。
温度保持工程を行うことにより、被熱処理材を加熱したときの温度むらが軽減されるため、変形が少なくなる。また、金型製作時に発生した加工残留応力も予熱することで除去され、その後の加熱で変態点を通過する際に残留歪みを駆動力にした結晶粒の異常成長も抑制する効果もある。この効果をより確実に得るには、A1変態点−200℃〜A1変態点−15℃の温度範囲で温度保持工程を行うとよい。より好ましくはA1変態点−70℃〜A1変態点−20℃の温度範囲である。
なお、温度保持をする時間は、上述のように被熱処理材を加熱したときの温度むらを軽減することを目的とするため、余りに短時間では温度むらの軽減効果が得難くなる。そのため、温度むらを軽減させるのに十分な時間とするのが良い。被熱処理材の重量や形状によって時間は一概に定めることはできないが、経験上、0.5時間〜5時間程度保持するのが好ましい。0.75時間以上保持すると、表層温度と内部の温度差を30℃以内とすることが可能となるため、好ましくは0.75時間(45分)以上保持するのが良い。
以上、加熱・保持工程までの昇温工程の条件を調整することで、非熱処理部材を均一な結晶粒に調整できる。
表1に示す組成の熱間ダイス用金型材料から、300mm(w)×300mm(l)×300mm(t)のブロックを切り出して、第一の改良保持工程を施す第一の試料と、第二の改良保持工程を施す第二の資料とを作成した。用意した合金は何れもJIS−SKD61相当材である。
この合金のA1変態点は850℃、A3変態点は895℃、Ms点は300℃、粒界炭化物析出領域のノーズは、700℃−20分である。
<第一の試料>
第一の試料を焼入れ炉に挿入し、昇温を開始した。低温側昇温工程(1)の条件は150℃/hとし、800℃で4時間の温度保持工程(2)を実施した。その後、高温側昇温工程(3)として150℃/hの条件で1025℃まで昇温して、加熱・保持工程(4)に移った。
<第二の試料>
第二の試料を焼入れ炉に挿入し、昇温を開始した。低温側昇温工程(1)の条件は200℃/hとし、800℃で2時間の温度保持工程(2)を実施した。その後、高温側昇温工程(3)として200℃/hの条件で1025℃まで昇温して、加熱・保持工程(4)に移った。
試験片を、75℃/hで昇温し(低温側昇温工程(1))、800℃で1時間保持し(温度保持工程(2))、175℃/hの条件で1020℃まで昇温して(高温側昇温工程(3))、加熱・保持工程(4)に移した。その後、A3〜600℃の温度域については12℃/分の速度で冷却し、400℃で1時間の保持を行い、400℃〜200℃の温度域については10℃/分の速度で冷却を行った。冷却は不活性ガス雰囲気でガス加圧量を制御しながら行ったものである。
図2に示したように、浸漬と引き上げを繰り返し行ったほうが内部(中心部)の冷却速度が速いことが分かる。また、全体の冷却速度も早いことが確認できる。これらの結果から、特に、第二の改良保持工程を施す本発明は、重量の大きな金型の焼入れに適していることが分かる。
なお、第二の試料の表面側からミクロ観察用試験片を切り出して、粒界析出の有無を調査した結果、図3に示したように粒界析出物は殆ど確認することができなかった。また、寸法変化量も最大で0.5mm程度であり、寸法変化も抑制できていることを確認した。
2 温度保持工程
3 高温側昇温工程
4 加熱・保持工程
5 第一の冷却工程
6 改良保持工程
7 第二の冷却工程
Claims (5)
- 金型を加熱してA3変態点以上から1150℃未満の温度範囲に保持する加熱・保持工程と、
前記加熱・保持工程の後、前記金型を油槽に浸漬し、油冷により金型表面を80℃/分〜250℃/分の速度で冷却し、金型の表面温度が700℃以下であってMs点は超えている温度まで冷却する第一の冷却工程と、
前記第一の冷却工程の後、前記金型を油槽から引き上げて油冷を中断し、再度の浸漬および引き上げを、前記金型の表面温度がMs点を超える温度域であって前記金型の表面と内部との温度差が200℃以内となるまで繰り返す改良保持工程と、
前記改良保持工程の後、前記金型の表面温度が200℃となるまで1℃/分〜50℃/分の速度で冷却する第二の冷却工程と、
を具備したことを特徴とする金型の焼入れ方法。 - 前記改良保持工程における引き上げ回数が3回以上であることを特徴とする請求項1に記載の金型の焼入れ方法。
- 前記第二の冷却工程では、金型内部の温度が400℃から250℃に下がるまで1℃/分〜15℃/分の速度で冷却することを特徴とする請求項1乃至2の何れかに記載の金型の焼入れ方法。
- 前記第二の冷却工程は、油冷であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の金型の焼入れ方法。
- 前記第一の冷却工程、改良保持工程、および、第二の冷却工程における環境は、非酸化性雰囲気とすることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の金型の焼入れ方法。
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