特集 日立金属 140121 -...
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29Vol.55(2014)No.2 SOKEIZAI
金型熱処理の最新動向
西 田 純 一 日立金属㈱
1.はじめに
金型材料として使われている工具鋼は、焼入れ冷却速度が速いほど高靱性が得られる。一方、急冷することにより変形が大きくなる。急冷技術及び、変形、変寸を防止する技術について最新動向を紹介する。
金型は使用条件や用途に応じて、金型性能を最大限高めるように、材料、熱処理、表面処理の最適な設計が行われている。金型技術は大量生産方式のものづくりにおいて基幹をなす技術であり、技術の進歩により、生産性の向上、コスト低減、品質の向上に大きく貢献してきた。熱処理は、金型の型寿命向上のための重要なプロセスであり、靱性が高く大割れをしないこと、高温強度が高く軟化の少ないこと、耐摩耗性が良いことなどの要求に応じて最適な熱処理を行う必要がある。 通常、金型材料として焼入れによりマルテンサイト組織が得られる合金工具鋼が使用される。一般に焼入れ冷却速度が速いほど高靱性が得られるために、急冷設備が必要とされており、従来から塩浴焼入れ、油焼入れが行われてきた。近年は真空焼入れ炉の性能向上
により、大型金型にまで真空焼入れが適用されるようになり、特に、海外では高圧ガスを活用した真空焼入れ炉が主流となっている。急冷技術の動向について紹介する。 一方、急冷を行うことにより、靱性は向上するが、変形が大きくなり、熱処理後の仕上げ加工工数が増え、コスト、納期に影響を及ぼす。金型の特性を向上させると同時に、変形を最小限にすることが、金型製作メーカーから熱処理メーカーへの強い要望となっており、その技術動向についても紹介する。 金型の使用分野によっては、さらにより付加価値の高い熱処理が要求されている。冷間で使用される精密金型では、熱処理変寸や金型使用中の経年変化の少ない処理が必要とされており、高付加価値熱処理の事例として、その技術動向を紹介する。
金型に使用される各種工具鋼の特性位置づけを図1に示す。熱間金型用には高温強さと靱性が必要とされ、SKD61を基本とし、用途に応じて様々な金型材料が開発されている。冷間金型用には高い耐摩耗性が要求されており、SKD11が汎用鋼として使用されている。これらの合金工具鋼は炭素工具鋼と比べると、焼入れ性が良いために、比較的大きな金型ま
で焼入れによりマルテンサイト組織が得られる。 焼入れ冷却速度と得られる金属組織との関係は、連続冷却曲線図から必要な臨界冷却速度を判断することができる。図 2に SKD61の連続冷却変態の概念図を示す。焼入れ冷却速度が遅くなると、粒界に炭化物が析出したり、ベイナイト生成により靱性が低下し、硬さも低下するために、この領域を避け
2.金型材料の種類
30 SOKEIZAI Vol.55(2014)No.2
て冷却する必要がある。特に大型品の芯部では冷却速度が遅くなるため、急冷設備、または焼入れ性の良い材料が必要となる。熱間金型で、Mn, Cr, Moの合金量を調整し焼入れ性を向上させたDAC®55、DAC-MAGIC® などの材料も開発されており、金型サイズ、熱処理設備に応じて最適な材料選定が必要である。
従来から急冷設備として、塩浴焼入れ、油焼入れが行われてきたが、真空焼入れ炉の性能向上により、冷却条件によっては油冷以上の冷却速度が得られ、大型金型にまで真空焼入れが適用されるようになった。焼入れ冷却管理が簡易で、脱炭、スケールの発生がなく、他の焼入れ設備と比べて操業環境が優れていることから、近年普及が進んでおり、海外では高圧ガスの規制も少ないことから、10bar以上の高圧ガス冷却も活用されている。 各種焼入れ設備で SKD61を用いた 300mm角ブロックの焼入れテストで、芯部の冷却速度を比較した結果を図 3に示す。設備仕様により冷却能力は異なるが、真空焼入れでも 6 barの全周方向からの冷却により、油冷相当の冷却速度が得られる。高圧ガス冷却の場合の熱伝達係数は圧力、風速による1)。風速を 2倍にすることで、圧力を 2倍にするのと同じ冷却効果が得られる。ただし、風速を増加すると
図 1 各種工具鋼の特性位置づけ���
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圧力損失が風速の 2乗に比例するため、動力が必要とされており、また炉内での均一な風速を得るのが難しいために、通常は高圧化により冷却速度が高められる。
図 2 SKD61連続冷却変態概念図
3.焼入れ急冷技術
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図 3 SKD61 300角ブロック冷却速度比較
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靭 性 ⇒向上
標準的熱処理条件での特性マップ(概念図)
強度、耐摩耗性
⇒向上
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特集 熱処理技術の最新動向
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1次炭化物
熱処理変形に及ぼす要因としては、①熱処理前の機械加工時の残留応力、②熱処理変寸の異方性、③焼入れ加熱時の加熱ムラ、④焼入れ冷却時の冷却ムラ、⑤高温での自重によるクリープ変形が考えられる2),3)。いずれの要因も変形に影響を及ぼしているため、それぞれの要因の影響を最小化するようにする必要がある。これらの要因のうち、金型熱処理の変形で大きな影響を及ぼしている②変寸異方性と④焼入れ冷却について以下に説明する。
4.1 熱処理変寸異方性 金型材料は通常、溶解法により鋼塊を作製し、熱間鍛造が行われる。凝固過程での偏析や、晶出した炭化物は、熱間加工により鍛造方向に変形、再配列し、方向性のある金属組織(図 4)となる。このため熱処理変寸にも異方性が生じ、材料の材取方法により変寸量や変形挙動に影響を及ぼす。図 4に SKD11の材取方向と変寸への影響を示す4)。SKD11は圧延
方向の膨張が大きい。焼戻し温度によって変寸量は変化するが、異方性は焼入れ時と同じ傾向である。
4.熱処理変形の原因と対策
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図 5 鋼種別熱処理変寸異方性(1020℃焼入れのまま)
図 6 SKD61の材取方向と熱処理変寸異方性
図 4 SKD11の材取り方向と変寸異方性
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同じ形状、寸法の金型でも素材からの材取り方向が異なると、変寸挙動が異なるので材取り管理に注意が必要である。図 5に各種金型材料の熱処理変寸異方性を示す。熱処理変寸の精度が必要とされる用途には SLD-MAGIC® などの異方性の小さい材料が開発されている。 素材寸法の大きなものから、厚さ方向に半割りしたり、個取りする場合には素材の断面内で変寸挙動が異なるので注意が必要である。図 6に SKD61の素材の各位置での変寸異方性を比較したが、芯部では異方性が大きく、圧延方向は収縮する傾向が強く、厚さ方向に半割りした場合には素材外側の面が膨らむ傾向にある。
4.2 熱処理変形に及ぼす焼入れ条件の影響 金型形状は多種多様であり、金型の部位により、加熱、及び冷却ムラが発生する。加熱ムラは予熱をすることにより均一加熱の対策が可能であるが、冷却は急冷が必要とされているため、均一冷却との両立が難しい。ダイカストに使用されるSKD61相当材は金型寸法の大きなものもあり、急冷と同時に変形を防止することがポイントとなる。焼入れ中の変形挙動について、ダイカストモデル型でCAEで解析した結果を図 7に示す。高温域で周辺部から収縮が始まり、中央部が
膨らんだような太鼓型の形状になる。続いて周辺部でマルテンサイト変態が始まると、周辺部が膨張し、中央部の膨らみが低減していく。さらに冷却が進み中央部でマルテンサイト変態が始まると、再び太鼓型の変形となる。この時、高温域を急冷すると、高温では材料の変形抵抗が小さいために、熱応力により大きな塑性変形が生じる。図 8に高温域を油冷で急冷した場合と、衝風冷却で比較的ゆっくりと冷却した場合の焼入れ変形挙動を示す。高温域の変形は、最終変形にも大きな影響を及ぼしており、高温域をゆっくり冷却することで、変形を低減することが可能である。 金型形状で中央部の薄肉化などが設計上可能であれば、冷却の遅い部分を分散させることにより、金型全体の変形を抑制できる。次に焼入れ方法による変形低減技術について説明する。
4.3 低歪高靱性熱処理技術 ダイカストは大型製品が多く、熱処理変形を小さくする要求が高く、当社では 2段冷却法(MAQ®-H法)を開発した。SKD61相当の材料では、粒界析出域とベイナイト変態域の冷却がポイントになるが、こられのミクロ組織が靱性に及ぼす影響について、高温域と低温域で冷却条件を変えて調査を行った。
図 7 ダイカストモデル型の焼入れ冷却中の変形挙動 CAE解析
図 8 熱処理変形に及ぼす焼入れ方法の影響
11000.5 裏面隅
裏面芯11000.5 裏面隅
裏面芯
500
700
900
‑0. 1
0.1
0.3 芯部
裏面膨み500
700
900
‑0. 1
0.1
0.3芯部
裏面膨み
100
300
‑0. 5
‑0. 3
0 50 100
芯部
温度
(℃
)
底面
厚
さ方
向変
位(mm)
油冷100
300
‑0. 5
‑0. 3
0 50 100
芯部
温度
(℃
)
底面
厚
さ方
向変
位(mm)
衝風 油冷
冷却時間(min) 冷却時間(min)
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特集 熱処理技術の最新動向
図 9に低温域のみ急冷した場合と、通常の連続冷却の靱性値の評価結果を示す5)。高温域の冷却が遅くても 500℃以下を急冷することで、高い衝撃値が得られており、靱性に及ぼす高温域の冷却速度の影響は小さいことが判る。MAQ®-H 法は熱処理変形を低減するために、高温域を比較的ゆっくりと冷却し、低温域を急冷することで靱性の確保を目的とした焼
冷間プレス型では、熱処理変形を防止すると同時に熱処理変寸を小さくすることで、熱処理後の金型組立工数を大きく低減することができる6)。通常のSKD11相当の冷間工具鋼は、変寸の異方性が大きく、また寸法ばらつきも大きいが、当社の開発材 SLD-MAGIC® は熱処理変寸異方性が小さく、ばらつきも小さいため、熱処理条件の最適化により熱処理変寸の調整が可能である。変寸量は焼戻し温度の上昇とともにε炭化物やセメンタイトの析出に伴い一旦収縮していくが 500℃前後で残留オーステナイトの分解
入れ方法である。実金型で、MAQ®-H 法と従来の急冷法の変形、シャルピー衝撃値を比較したデータを図10に示す。MAQ®-H 法は、熱処理変形量は衝風冷却とほぼ同じで、シャルピー衝撃値は油冷品と同等の値が得られている。低歪高靱性熱処理技術としてダイカスト材の熱処理に適用されている。
により膨張し始める。500℃前後で焼戻し温度を調整することにより、変寸量を0になるように調整できる。 また精密金型では使用中の変寸を低減する要求がある。冷間金型では熱処理、仕上げ加工が終わって、室温に長時間放置しておくと、経年変化により寸法変化が生じる。これは残留オーステナイトが長期間放置中にマルテンサイトに変態し膨張することが原因である。残留オーステナイトは焼入れままで 20%前後残っているが、500℃前後で焼戻しで残留オーステナイトが数%にまで減少する。図11に示すよ
図 9 SKD61の靱性に及ぼす冷却速度の影響 5)
60 粒界析出
1020℃
(A)パターン 連続冷却
1020℃
(B)パターン 低温域急冷
40
50
撃値
(J/cm2)
ベイナイト
(B)低温域急冷
半冷時間10, 20, 40, 70min
半冷時間10, 20, 40, 70min
≦ ゚10
20
30
mmUシャルピー衝撃
SKD61(45HRC)
(A)連続冷却
≦500゚C急冷
0
10
0 20 40 60 80
2m
半冷時間(min)
25
30
変形率(%)
200
100%)
15
20
度(金
型数) <0.05
<0.10
<0.15
<0.20
100
150
値(衝
風冷却
を
0
5
10頻度
<0.25
<0.30
0
50
シャルピー衝
撃
衝風 MAQ�‑H 油冷衝風 MAQ�‑H 油冷
図10 SKD61の靱性、変形に及ぼす焼入れ方法の影響
5.高精度熱処理
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0 05
0.06
0.03
0.04
0.05
の経年変化(%)
0
0.01
0.02
60日
経過
後の
‑0.0 1
0
470 480 490 500 510 520 530
焼戻温度(℃)
2回焼戻し
SZ+2回焼戻し+安定化
2回焼戻し+安定化
金型熱処理として、焼入れは重要なプロセスであり、金型性能に大きな影響を及ぼす。焼入れ中の冷却速度、変形、応力分布を予測できれば、実型の焼入れ方案の検討に活用できる。CAEの解析結果について一部紹介したが、焼入れでは相変態があり、各相での特性値や、変態速度などによって、解析結果が大きく影響されるために、予測精度向上のために物性値を整備することが今後の課題である。 金型熱処理設備としては真空焼入れ炉が主流となっているが、真空焼入れ炉をベースにした焼入れ冷却パターンの最適化による金型性能の改善、また金型製作メーカーへのコスト、納期を考えたヒートサイクルの見直し、熱処理ロット編成の最適化が今後も必要と考える。 金型の使用分野によっては、さらにより付加価値の高い熱処理が要求される。冷間精密金型での高精度熱処理の技術動向について紹介したが、他にも、熱間ダイカストで水冷孔の靱性を高めて、水冷孔からの割れを防止するための部分焼戻し技術、さらに表面処理の組み合わせによって高付加価値化が行わ
図11 冷間金型の経年変寸と残留オーステナイトの関係 図12 SLD-MAGIC®の経年変化対策
れている。今後は周辺技術の開発が金型性能向上のポイントになると考える。
参考文献1 )山崎勝弘:熱処理,30 (平成 2年),第 2号,p110 -1152 )鮒谷清司:熱処理,43 (平成15年),第 4号,P204 -2133 )吉田勝彦:熱処理,3 (昭和38年),第 5号,P327-3324 )西村富隆:熱処理,13 (1973),P1685 ) 型技術協会 型寿命向上研究委員会編:金型高品質化のための表面改質 (2009),P63 -69
6 ) 峰岸公大,金子雄治,山口敏郎,小松原周吾:型技術者会議 2006 講演論文集 (2006),P214
6.おわりに
うに残留オーステナイト量が 5 %前後残っている状態が、最もオーステナイトが不安定で経年変化が大きい。防止するために、サブゼロ(SZ)、安定化処理
(400℃前後の中温焼戻しを追加し、残留オーステナイトを安定化する)が実施されている(図12)。
日立金属株式会社 安来工場 熱処理技術部〒692-0014 島根県安来市飯島町1240-2TEL. 0854-22-1905 FAX. 0854-22-1935http://www.hitachi-metals.co.jp/