JPH0328318A - 熱間ダイス鋼からなる金型の焼入れ法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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）金型の靭性、特にシャルビ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）耐ヒートチェック性が悪い。

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
ートチェックが発生し、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靭
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
た場合には硬さと靭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。

〔発明の目的〕

本発明は、前記従来のダイカス１〜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、靭性を向上させ、耐ヒートチェ
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）熱間ダイス鋼の連続冷却変態曲線図上においてベ
ーナイトＳＪｆ域のノーズをｆｉ！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靭
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
型のコーナ一部分より冷却されて発生する大きな熱歪み
を最小限に仰制する。

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、靭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。

前記のように構戒することによって金型の靭性を向上さ
せ、ヒートチェックを改善し、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
と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
）一図は本発明によるものを、また中）一図は従来の方
法によるものをそれぞれ示している。

なお図中、（Ｐ）はバーライト領域、（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。モしてＣは金型の中心部の温度を、ｆ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
よって作戒し、この図上においてパーライト領域Ｐ１ベ
ーナイト領域ＢをＴＩｉ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ビース
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、テストビースの表面
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をαとすると、前記複合冷
却変更温度Ｇは、ほぼα／２の温度であり、その温度の
幅は±５０″Ｃ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）一図においては複合冷却変更温度Ｇより上の線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）と中）とを比較して理解されるように、
（ｂ）一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ＨＪ域Ｂのノーズｎ部分に線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）一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゛は共にべ−ナイト領域Ｂを
避けて冷却されているので、中）一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　’Ｃに１２０分間（温度Ａ）、次いで８５０℃
に１２０分間（温度Ｂ）、１０２０℃〜１０３０℃に１
２０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゜Ｃ〜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と室温とのはり中間の温度である５００゜Ｃ±
５０”Ｃ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”によって構威されている。

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Ｍ
Ｓまで急冷され、それ以後はマルテンサイト完了温度Ｍ
Ｆ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１００ξり〜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゜Ｃ／ＩＨｒ温度Ａの保
持時間：１２０分 温度Ｂ：８００℃〜８５０　’Ｃ 温度Ｂに昇温ずる時間：１５０″Ｃ／ＩＨｒ温度Ｂの保
持時間：１２０分 温度Ｃ　：　１０１０℃〜８５０℃ 温度Ｃに昇温する時間：１５０″ｃ／ｘｕｒ温度Ｃの保
持時間：ｌ２０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Ｊ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図は耐ヒートチェ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　ｘ　４０
　ｘ　２０ミリのテストビ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
ストビースを約６７０　”Ｃ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１ｏｏ個、クランクの平均の
深さ（ｂ）は約０．５　ξりであるのに対して、本発明
の方法（第４図中、ｃ，　　ｄで示す）によればクラン
クの発生個数（Ｃ）は約５０個、クランクの平均深さ（
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靭性（シャルビー値）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た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真，４
８〜５０）。

■　従来の熱処理に比較してシャルビー値で約３０〜４
０％の向上が見られる。

■　従来の熱処理法に比較して、ヒートチェックが深さ
で約１／２発生個数で１７３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。

以下余白 〔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
のコーナ一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威している。

本発明は熱処理温度であるオーステナイト化温度より、
焼入れ途中の温度である複合冷却変更温度まで衝風冷却
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に到達すると、
ベーナイト領域を避けて通ることができる冷却曲線上を
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ェックが発生し難い。

（２）第４図に示すように、耐ヒートチェック性のテス
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、発生個数で１
７３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ｌ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）一図は本発明法を、（ｂ）一図は従来法を
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図は耐ヒートチェック性のテスト結果を示す図であ
って、クランク発生個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靭性の対比
表を示している．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱間ダイス鋼の連続冷却変態曲線図上においてベーナイ
   ト領域のノーズを確認した上で、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
   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し、該複合冷却変
   更温度より急冷を行うことを特徴とする熱間ダイス鋼の
   焼入れ法。