JPH08188852A - 鍛造金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来のＪＩＳ ＳＫＴ４又はＳＫＤ６１製の
熱間鍛造金型と同様に製造コストが低く、これらの従来
の金型と比較して良好な作業環境下において製造可能な
耐久性が優れた鍛造金型及びその製造方法を提供する。 【構成】 鍛造金型は、Ｃを０．２５乃至０．４５重量
％、Ｓｉを０．０５乃至０．６重量％、Ｍｎを０．２乃
至０．８重量％、Ｃｒを４．０乃至６．０重量％、Ｍｏ
を１．０乃至３．０重量％、Ｖを０．３乃至１．０重量
％、Ａｌを０．００５乃至０．０４０重量％及びＳを
０．００１乃至０．００４重量％含有し、残部がＦｅ及
び不可避的不純物からなる。また、硬さがＨＲＣ４１〜
４５であることが好ましい。また、鍛造金型の製造方法
は、前記成分組成を有する金型を、形彫りした後、その
金型の形彫り面の丸みを有するコーナー部に、そのコー
ナー半径より小さい曲率半径を有する加圧具を使用して
表面の相当全歪が５％以下となる塑性加工を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車又は家電機器等に
使用される複雑な形状をしたアルミニウム部品を鍛造す
るのに好適の耐久性が優れた鍛造金型及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄鋼板を使用して冷間プレス成形
している自動車サスペンション部品は、軽量化の要求か
ら次第にアルミニウム材を使用して製造されるようにな
ってきた。アルミニウム部品は、一般的にコスト面から
一工程で製造可能である鋳造により製造されることが多
いが、部品の強度及び信頼性の要求が高まり、また複雑
な形状部品においては鋳造欠陥が発生する場合もあり、
近時、アルミニウム部品は鍛造により製造されることが
多くなっている。

【０００３】ところで、鍛造工程において使用される鍛
造金型には、熱間工具鋼として一般的なＪＩＳ ＳＫＴ
４（Ｃ：０．５５％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：０．７
５％、Ｎｉ：１．７％、Ｃｒ：０．９％、Ｍｏ：０．４
％）又はＳＫＤ６１（Ｃ：０．４％、Ｓｉ：１．０％、
Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：５．０％、Ｍｏ：１．３％、
Ｖ：１．０％）等が使用されている。しかしながら、前
記アルミニウム部品の鍛造においては、部品の形状が複
雑であるために、大きな応力集中が作用する金型コーナ
ー部の丸みが設けられた所謂Ｒ部において、早期に疲労
亀裂が入ってしまい、十分な耐久性能を期待することが
できない。

【０００４】そこで、疲労耐久性の向上を目的として、
合金にＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ又はＣｏ等の元
素を添加したり、またはこれを増量することにより、固
溶強化又は炭化物析出強化を図る技術が提案されてい
る。また、合金にＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ又はＮｂ等の微量元
素を添加することにより微細炭窒化物の析出強化を図る
ことも試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
高合金化技術では、製造コストが上昇すると共に、靱性
の低下により上記のような大きな応力集中が作用する金
型については大割れが発生する場合があり、必ずしも好
ましい技術とはいえない。また、ミクロ偏析が生じやす
く、硬さ等の静的強度については向上が見られるもの
の、静的強度の向上と比較して疲労強度についてはあま
り向上は見られない。

【０００６】一方、後者の微量元素の添加による析出強
化技術については、酸化物又は窒化物系介在物の増加に
より、それらが疲労破壊の起点になりやすく疲労強度の
向上には殆ど貢献しない。

【０００７】ところで、一般に疲労強度は硬さの上昇と
共に向上するため、例えばＳＫＤ６１の場合は、焼入れ
焼戻しにより硬度がＨＲＣ４５乃至５０程度の比較的硬
い工具として使用されている。しかし、硬度の上昇は切
り欠き感受性を増加してしまうため、材料中に含まれる
介在物又は金型の応力集中部の存在により、必ずしも疲
労強度の向上が得られない場合がある。従って、金型の
微小欠陥及び応力集中の存在を考慮すると共に、硬度の
最適化を図る必要があるが、これらの点に関して何ら明
確な知見が得られていない。

【０００８】また、金型の疲労耐久性の向上のために、
型彫り面にショットピーニング又はショットブラストを
施すことがしばしば行われるが、これらの処理により金
型表面が荒れたり、また表面が切削されて寸法精度が低
下してしまうという欠点がある。そのため、金型の再仕
上げ加工が必要となり、製造コストが上昇するのみなら
ず、加工時間もかかってしまう。その上、粉塵が発生す
るために作業環境が悪化してしまうという問題点もあ
る。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、従来のＪＩＳ ＳＫＴ４又はＳＫＤ６１製
の熱間鍛造金型と同様に製造コストが低く、この従来の
熱間鍛造金型よりも、良好な作業環境下において製造可
能であって、耐久性が向上した鍛造金型及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鍛造金型
は、Ｃ：０．２５乃至０．４５重量％、Ｓｉ：０．０５
乃至０．６重量％、Ｍｎ：０．２乃至０．８重量％、Ｃ
ｒ：４．０乃至６．０重量％、Ｍｏ：１．０乃至３．０
重量％、Ｖ：０．３乃至１．０重量％、Ａｌ：０．００
５乃至０．０４０重量％及びＳ：０．００１乃至０．０
０４重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物で
あることを特徴とする。また、硬さがＨＲＣ４１乃至４
５であることが好ましい。

【００１１】本発明に係る鍛造金型の製造方法は、Ｃ：
０．２５乃至０．４５重量％、Ｓｉ：０．０５乃至０．
６重量％、Ｍｎ：０．２乃至０．８重量％、Ｃｒ：４．
０乃至６．０重量％、Ｍｏ：１．０乃至３．０重量％、
Ｖ：０．３乃至１．０重量％、Ａｌ：０．００５乃至
０．０４０重量％及びＳ：０．００１乃至０．００４重
量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組
成を有する金型を形彫りする工程と、前記金型の形彫り
面の丸みを有するコーナー部に、そのコーナー半径より
小さい曲率半径を有する加圧具を使用して表面の全歪が
５％以下となる塑性加工を施す工程とを有することを特
徴とする。

【００１２】

【作用】本願発明者等はＪＩＳ ＳＫＴ４及びＳＫＤ６
１製の金型の疲労耐久性に大きな影響を与えている材料
的及び力学的因子を詳細に検討した。その結果、金型が
優れた耐久性を有するために、先ず、材料としては、金
型の鋼中に含まれる微小な介在物の寸法を縮小させるこ
とが最も効果的であることを知見した。そして、このよ
うな条件を満足する合金成分を見い出した。

【００１３】また、熱処理条件としては、金型の微細組
織の検討より、たとえ介在物が存在する場合であって
も、介在物の影響力が少ない、即ち介在物感受性が小さ
い熱処理硬さがあることを知見した。

【００１４】更に、加工条件としては、金型に疲労亀裂
が入る応力集中部にのみ加圧加工することによって、疲
労強度を向上させることとなる加工硬化及び圧縮残留応
力の双方を金型に付与することができることを知見し
た。

【００１５】以上のように、金型の疲労耐久性を向上さ
せる３つの側面、即ち材料面、熱処理面及び加工面につ
いて上述のような特性改善があり、これらの特性のいず
れか一つ又は二つ以上を採用することにより、従来のＪ
ＩＳ ＳＫＴ４又はＳＫＤ６１製の熱間鍛造金型と比較
して、製造コストの上昇をもたらすことなく、金型の疲
労耐久性を向上させることができる。

【００１６】次に、本発明に係る鍛造金型の成分添加理
由及び組成限定理由について説明する。

【００１７】Ｃ（炭素）：０．２５乃至０．４５重量％ Ｃはマルテンサイト中に固溶しており、Ｍｏ、Ｃｒ又は
Ｖ等の他の添加元素と結合することにより炭化物として
析出し、合金の硬さをより強固なものとする効果があ
る。そして、合金の硬さをＨＲＣ４１乃至４５とするた
めには、Ｃを０．２５重量％以上合金に添加する必要が
ある。一方、Ｃを０．４５重量％を超えて添加すると、
靱性が低下すると共に複雑形状の金型に大割れが発生す
る場合があり、また溶接補修時に割れが生じやすくな
る。従って、Ｃの含有量は０．２５乃至０．４５重量％
とする。

【００１８】Ｓｉ（シリコン）：０．０５乃至０．４重
量％ Ｓｉは合金に固溶することにより、硬度を上昇させる効
果を有するが、このような効果を発揮するにはＳｉを合
金に０．０５重量％以上添加する必要がある。一方、Ｓ
ｉの添加量が０．４重量％を超える場合、Ｓｉが旧オー
ステナイト粒界に偏析することにより、疲労強度の向上
効果が発揮されない。従って、Ｓｉの含有量は０．０５
乃至０．４重量％とする。

【００１９】Ｍｎ（マンガン）：０．２乃至０．８重量
％ Ｍｎは合金に固溶して硬度を上昇させるのみならず、焼
入れ性を向上させる元素であり、合金により金型を製造
した場合、その内部にまで硬さを保持する。また、十分
な靱性を確保するためには、合金にＭｎを０．２重量％
以上添加する必要がある。一方、Ｍｎを０．８重量％を
超えて添加すると、疲労破壊の起点となる粗大なＭｎＳ
を形成してしまう。従って、Ｍｎの含有量は０．２乃至
０．８重量％とする。

【００２０】Ｃｒ（クロム）：４．０乃至６．０重量％ Ｃｒは炭化物として析出し、硬度をＨＲＣ４１乃至４５
とすると共に、合金の焼入れ性を向上させて金型内部の
硬度を確保するため、合金に４．０重量％以上添加する
必要がある。一方、Ｃｒが６．０重量％を超えて添加さ
れる場合は、粗大な１次炭化物が析出し、疲労強度の向
上効果が発揮されない。従って、Ｃｒの含有量は４．０
乃至６．０重量％とする。

【００２１】Ｍｏ（モリブデン）：１．０乃至３．０重
量％ ＭｏはＣｒと同様に焼入れ性を向上すると共に、Ｃｒよ
り微細な炭化物を析出し、熱間鍛造金型として必要な高
温強度及び軟化抵抗を合金に与える。このような効果を
発揮するには、Ｍｏを１．０重量％以上合金に添加する
必要があるが、３．０重量％を超えて添加する場合、ミ
クロ偏析を助長するため、疲労強度の向上に何ら貢献で
きなくなってしまう。従って、Ｍｏの含有量は１．０乃
至３．０重量％とする。

【００２２】Ｖ（バナジウム）：０．３乃至１．０重量
％ Ｖは高温に至るまで安定した微細炭化物を形成するた
め、０．３重量％以上合金に添加する。一方、１．０重
量％を超えて添加しても効果は殆ど上がらず、コストが
かかるだけである。従って、Ｖの含有量は０．３乃至
１．０重量％とする。

【００２３】Ａｌ（アルミニウム）：０．００５乃至
０．０４０重量％ Ａｌは主に鋼の製造時において、脱酸元素として必要で
あり、脱酸効果を安定的に行うためには固溶Ａｌとして
０．００５重量％以上必要である。一方、固溶Ａｌが
０．０４０重量％を超えて添加されると、疲労破壊の起
点となるＡｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮ等の介在物を形成してしま
う。従って、Ａｌの含有量は０．００５乃至０．０４０
重量％とする。

【００２４】Ｓ（硫黄）：０．００１乃至０．００４重
量％ ＳはＭｎと結合することにより、被削性を向上させる。
そのため、Ｓを０．００１重量％以上合金に添加する
が、０．００４重量％を超えて添加する場合は、疲労破
壊の起点となる粗大なＭｎＳを形成してしまう。従っ
て、Ｓの含有量は０．００１乃至０．００４重量％とす
る。

【００２５】以上のように合金の成分組成が合金の疲労
破壊に影響を及ぼすと共に、Ｍｎの硫化物又はＡｌの酸
化物等の介在物の寸法もまた大きな影響を及ぼす。図１
は金型鋼（ＳＫＤ６１）の疲労破壊の起点例を示す顕微
鏡写真であり、図２は横軸に介在物の寸法（介在物の長
軸半径をａ、短軸半径をｂとしたときの等価半径（ａ
ｂ）^1/2である）をとり、縦軸に疲労寿命をとって、応
力振幅を６００ＭＰａの下で、金型鋼（ＳＫＤ６１）に
おける介在物寸法が疲労寿命に及ぼす影響を示すグラフ
図である。図１に示すようにＪＩＳ ＳＫＤ６１又はＳ
ＫＴ４の疲労破壊の大半は、Ｍｎの硫化物又はＡｌの酸
化物を起点にして発生している。また、図２に示すグラ
フ図からこれらの介在物寸法を縮小させることが、疲労
強度の向上に有効であることがわかる。この介在物寸法
である等価半径が４０μｍを超えて大きくなると、比例
的に疲労強度が低下してしまう。従って、介在物寸法は
等価半径が４０μｍ以下となるようにすることが好まし
い。

【００２６】なお、上述した成分範囲の中で特にＭｎ、
Ｓ、Ａｌに関する制限は前記介在物寸法の制限を満足さ
せるための必須条件である。また、介在物を起点とした
疲労亀裂が母相中の粒界を伝播する場合、疲労強度が著
しく低下してしまうため、この破壊モード発生を抑制す
るＳｉ量の制限は重要である。

【００２７】前記のようなＭｎ又はＳｉの制限により従
来のＳＫＤ６１に比べて靱性及び軟化抵抗が低下してし
まうが、本発明に係る鍛造金型に使用される合金鋼材に
おいては、Ｍｏ量を最適化することにより、ＳＫＤ６１
が有する以上の靱性及び軟化抵抗を有する。

【００２８】次に、焼入れ及び焼戻し処理後の合金鋼材
の硬さの限定理由について説明する。

【００２９】介在物等の欠陥がない清浄な材料又は高延
性若しくは中低硬度の材料については硬度を上昇させれ
ば疲労強度は向上する。しかしながら、上述のような高
硬度の合金鋼材については、疲労破壊は介在物等の微小
欠陥を起点として発生するため、単に硬度を上昇させる
だけでは、疲労強度は向上しない。従って、前記合金鋼
材は欠陥からの亀裂進展抵抗を高めるような微細組織に
することが好ましい。

【００３０】従って、本発明に係る鍛造金型に使用され
る鋼材は１０００乃至１０５０℃の温度でオーステナイ
ト組織とし、衝風冷却又は油冷によって１５０℃以下の
温度になるまで冷却した後、５５０乃至６５０℃の温度
で焼戻して硬さの調整を行う。

【００３１】前記熱処理条件の範囲内において、焼戻し
温度を前記範囲より低温とすること又は焼戻し時間を短
時間とすることにより硬度をＨＲＣ４５より大きくした
場合には、亀裂進展の抵抗を付与する球状微細炭化物の
析出が十分には起こらず、疲労強度を向上させることが
できない。

【００３２】一方、焼戻しの温度を前記範囲より高温と
したり、焼戻し時間を長時間とすることにより硬度をＨ
ＲＣ４１以下にした場合には、針状の粗大な炭化物がマ
ルテンサイト葉に沿って析出し、これが亀裂進展の優先
経路となるため、疲労強度は低下してしまう。

【００３３】従って、本発明に係る鍛造金型に使用され
る鋼材の硬さを、亀裂進展抵抗の向上に最も有効な球状
微細炭化物を析出させることが可能であるＨＲＣ４１乃
至４５に限定する。

【００３４】なお、図３は本発明に係る鍛造金型に使用
される鋼材の硬さ及び析出炭化物の形状を示す顕微鏡写
真であり、図３（ａ）はＨＲＣ４０、（ｂ）はＨＲＣ４
３、（ｃ）はＨＲＣ４５である合金鋼材の組織を示す顕
微鏡写真である。この図３において、ＨＲＣ４０では針
状の炭化物が、ＨＲＣ４３では球状の炭化物が、ＨＲＣ
４５では炭化物の析出が少ないことが観察される。従っ
て、合金鋼材の硬度がＨＲＣ４１より小さい場合は針状
の粗大な炭化物が析出し、ＨＲＣ４１乃至４５の場合は
球状の炭化物が析出し、ＨＲＣ４５より大きい場合は炭
化物の析出が少なくなることがわかる。

【００３５】次に、型彫り後の金型仕上げの加工方法に
ついて説明する。

【００３６】金型の疲労亀裂は応力集中が発生する部分
であるキャビティ（型彫り部）底ののＲ部において殆ど
発生するため、この部分に予め適切な圧縮残留応力を与
えることにより合金鋼材の疲労強度を向上させることが
できる。

【００３７】先ず、プレス機を使用して、キャビティの
コーナーＲ部に、そのコーナー半径よりも小さい曲率半
径を有する加圧具により負荷をかけ、このときのコーナ
ー部表面の全歪が５％以下となるように塑性加工を施
す。前記範囲を超えて負荷をかけても生じる圧縮残留応
力値の増加は僅かであり、また微細な亀裂が発生して逆
に疲労強度が低下してしまう場合がある。従って、コー
ナー部表面の全歪は５％以下となるように塑性加工を施
す。

【００３８】なお、全歪を５％以下とするための負荷荷
重については、コーナー部を有限要素法等により解析的
に求めることが可能である。また、Ｘ線半価幅測定等に
よりコーナー部の表面歪を実測することにより決定する
ことも可能である。

【００３９】また、上述した加工方法は本発明に係る鍛
造金型に使用される鋼材についてのみ施すことが可能で
あるものではなく、広く金型鋼材に適用することが可能
であり、そのような場合であっても金型鋼材の疲労強度
を向上することができる。

【００４０】

【実施例】以下、本発明の実施例について、本発明の特
許請求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。第１実施例 下記表１は本実施例に係る試験鋼の化学成分及び硬さを
夫々重量％及びＨＲＣ硬さで表示したものである。な
お、この表１の上部には実施例及び比較例との比較の便
宜を図るため、本発明の特許請求の範囲である金型鋼の
各成分の範囲及び硬度について記載している。

【００４１】

【表１】

【００４２】また、下記表２には上記表１に記載の各試
験鋼に対して１０⁷回の回転曲げ疲労強度の結果を示
す。この表２より、Ａｌ、Ｓ又はＭｎが制限範囲を逸脱
する比較例６、７及び８は実施例１〜３に比べ、明らか
に疲労強度が低い。また、試験鋼の成分が制限範囲であ
っても、硬度が制限範囲外である比較例４及び５も疲労
強度が低くなっている。更に、ＪＩＳ ＳＫＤ６１及び
ＳＫＴ４についても、本実施例に比べ疲労強度はかなり
低いものとなっている。

【００４３】

【表２】

【００４４】第２実施例 自動車の足回り部品としてのアルミニウム合金製アーム
の鍛造金型に本発明に係る鍛造金型に使用する合金鋼、
即ち、第１実施例における実施例１の試験鋼を採用し、
キャビティ底のコーナＲ部に種々の加圧加工を施した。
この場合の金型寿命を下記表３に示す。また、本発明に
係る金型鋼と比較するため、ＳＫＤ６１の金型寿命につ
いても表３に記載した。

【００４５】

【表３】

【００４６】上記表３より、本発明に係る鍛造金型に使
用する合金鋼の金型ＡはＳＫＤ６１製の金型Ｄに比べ、
金型寿命が明らかに長いことがわかる。また、合金鋼の
成分が同じであっても、本発明に係る鍛造金型の製造方
法により加圧加工を施した場合は、加工を施さない場合
に比べ更に金型寿命を向上させることができることもわ
かる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のＪＩＳ ＳＫＴ４又はＳＫＤ６１製の熱間鍛造金
型と同様に製造コストが低く、これらの従来の金型と比
較して良好な作業環境下において製造可能である耐久性
が優れた鍛造金型を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＫＤ６１製の金型鋼の疲労破壊の起点を示す
顕微鏡写真である。

【図２】ＳＫＤ６１製の金型鋼における介在物寸法が疲
労寿命に及ぼす影響を示すグラフ図である。

【図３】金型鋼の硬さ別の析出炭化物の形状を示す顕微
鏡写真である。

フロントページの続き (72)発明者 竹内 浩二 三重県員弁郡大安町大字梅戸字東山1100番 株式会社神戸製鋼所大安工場内 (72)発明者 堀 洋一 三重県員弁郡大安町大字梅戸字東山1100番 株式会社神戸製鋼所大安工場内 (72)発明者 山下 広 富山県新湊市八幡町３丁目10番15号 日本 高周波鋼業株式会社内 (72)発明者 林田 敬一 富山県新湊市八幡町３丁目10番15号 日本 高周波鋼業株式会社内 (72)発明者 小高根 正昭 富山県新湊市八幡町３丁目10番15号 日本 高周波鋼業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．２５乃至０．４５重量％、Ｓ
   ｉ：０．０５乃至０．６重量％、Ｍｎ：０．２乃至０．
   ８重量％、Ｃｒ：４．０乃至６．０重量％、Ｍｏ：１．
   ０乃至３．０重量％、Ｖ：０．３乃至１．０重量％、Ａ
   ｌ：０．００５乃至０．０４０重量％及びＳ：０．００
   １乃至０．００４重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可
   避的不純物であることを特徴とする鍛造金型。
2. 【請求項２】 硬さがＨＲＣ４１乃至４５であることを
   特徴とする請求項１に記載の鍛造金型。
3. 【請求項３】 Ｃ：０．２５乃至０．４５重量％、Ｓ
   ｉ：０．０５乃至０．６重量％、Ｍｎ：０．２乃至０．
   ８重量％、Ｃｒ：４．０乃至６．０重量％、Ｍｏ：１．
   ０乃至３．０重量％、Ｖ：０．３乃至１．０重量％、Ａ
   ｌ：０．００５乃至０．０４０重量％及びＳ：０．００
   １乃至０．００４重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可
   避的不純物である組成を有する金型を形彫りする工程
   と、前記金型の形彫り面の丸みを有するコーナー部に、
   そのコーナー半径より小さい曲率半径を有する加圧具を
   使用して表面の全歪が５％以下となる塑性加工を施す工
   程とを有することを特徴とする鍛造金型の製造方法。