1014 鉄 と 鋼 VoL79 2. (1993) No. 9 熱 間工具 鋼の 基本 特性 熱 間 加 工 用 工 具 に は,熱 間 プ レ ス金 型,ダ イ カ ス ト金 型, 熱 間 押 出用 工 具 な どが あ り,使 用 条 件 に よ っ て,金 型 に負 荷 され る温 度 や

1013

解

_説

鉄 と 鋼 Vol. 79 (1993) No.9

最 近 の熱 間工 具鋼

奥 野 利 夫*・ 田 村 庸*2

Trends of Hot Working Tool Steels in Recent Years Toshio OKUNO and Yasushi TAMURA

Key words : hot work die steels ; forging dies ; die casting dies ; extrusion dies ; properties ; high-temperature strength ; toughness ; microstructures ; heatcheckings ; heat treatment.

1. は じ め に 熱 間加工 技 術 は,自 動 車 の軽 量 化,高 性 能 化 や 精 密 機 器 部品への 適 用 な ど を背 景 と して,多 様 化,高 度 化 して きた。 これに伴 い,量 産 化,高 速 化,自 動 化,精 密 化 に対 応 す る 金型材 料 が求 め られ た.熱 間鍛 造 加 工 用 金 型 の 損 耗 現 象 は 図11)の よ うに,摩 耗,塑 性 変 形,熱 疲 労,機 械 的 破 壊 で あ り,金 型 材 料 に は こ れ らに耐 え る特 性 が要 求 さ れ る。 金 型 材料 の特 性 を構 成 す る要 素 を表1に 示 す 。金 型 用 鋼 はJIS規 定の工 具 鋼 を基 本 と して,用 途 に応 じた様 々 な改 良 が 加 え られて きたが,高 強 度 化 や 型 寿 命 の 安 定性 の 面 か ら破 壊 強 度の向上 が 重 要 な要 点 とな っ て きて い る。 実 用 鋼 の破 壊 特 性 は組織 に よ り大 き く影 響 され るが,型 材 の 製 造 技 術 や 熱 処理技術 の急 速 な進 歩 に よ る組 織 制 御 の 高 度 化 に よ り, 高 強 度 鋼 の 実 用 化 が進 む と同時 に金 型 の破 壊 現 象 の よ り精 度 の 高 い解 析 が 行 わ れ る よ う に な っ て き て い る。 さ らに, 金 型 の 耐 摩 耗 性 や熱 疲 労 特 性 を改 善 す るた め の表 面 改 質 な ど 利 用 技 術 の 実 用 化 が 進 み,こ れ らの 効 果 を評 価 す る実 用性 能 評 価 技 術 につ い て の 検 討 も進 め られ て い る。 こ こで は 代 表 的 な熱 間 加 工 用 の 金 型 用鋼 の 最 近 の 動 向 に つ い て,こ れ らの 周 辺 技 術 を含 め紹 介 す る。 主 な熱 間 金 型 用鋼 の 成 分 を表2に 示 す 。

平成 5 年 1 月 6 日受 付 平 成 5 年 4 月 9 日受理 (Received on Jan. 6, 1993 ; Accepted on Apr. 9, 1993) (依頼解説〉 *日 立金属(株)安来工場冶金研究所所 長 (Metallurgical Research Laboratory, Yasugi Works, Hitachi Metals Ltd.)

*2日 立金属(株)安来工場冶金研究所研 究員 (Metallurgical Research Laboratory, Yasugi Works, Hitachi Metals Ltd., 2107-2 Yasugi-cho Yasugi 692 )

図 1 熱 間 鍛 造 用 金 型 の 損 耗 現 象1)

表 1 熱 間金型材料 の特性 を構 成す る要 素

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2. 熱 間工具 鋼の 基本 特性

熱 間 加 工 用 工 具 に は,熱 間 プ レ ス金 型,ダ イ カ ス ト金 型, 熱 間 押 出用 工 具 な どが あ り,使 用 条 件 に よ っ て,金 型 に負 荷 され る温 度 や 応 力 が 異 な り,廃 却 現 象 も様 々 で あ り, 用 途 に応 じた特 性 を備 え た 金 型 用 鋼 の 選 定 が 重 要 とな る。 図 1に 示 した 損耗 現 象 につ い て,摩 耗 や 変 形 に対 して は高 温 強 度 と昇 温 時 の 軟 化 抵 抗 や 炭 化 物 の 分 布 形 態 な どが,割 れ に対 して は,じ ん性 が,熱 疲 労 に対 して は,高 温 強 度 と じ ん性 の 両 者 が 必 要 特 性 で あ るが,こ れ らの 基 本特 性 につ い て,硬 さや 組 成 の影 響 や,金 型 の 寸 法 形 状 を考 慮 した熱 処 理 条 件 の 影 響 を 明 らか に す る必 要 が あ る。 また金 型 の破 壊 現 象 を精 度 良 く解 析 す るた め に,疲 労 き裂 進 展 特 性 や破 壊 じん性 値KIcな ど破 壊 力 学 的パ ラメー タの挙 動 も重 要 で あ る。 2・1 高 温 強 度2)3) 図2に 熱 間 工 具 鋼 の 高 温 強 度 を示 す4)。常 温 か ら 550∼600 ℃ 付 近 まで の 温度 域 の強 度 は鋼 種 に よ る よ り も初 期 硬 さ に よっ て大 き く左 右 さ れ る。 熱 間 工 具 鋼 の 炭 化 物 の大 部 分 は 焼 入 れ に よ っ て基 地 中 に固 溶 し,焼 も ど しの 際,500℃ を超 え る温 度 でW, Mo, Vを 含 む特 殊 炭 化 物 を 形 成 し,二 次 硬 化 を もた ら し,高 温 強 度 を与 え る。W,MoはCと の 間 に微 細 な 針 状 のM2Cを 形 成 し,Vは 同 様 に雲 状 のMCを 形 成 して 基 地 中 に 密 に析 出 す る。 高 温 強 度 は これ らの炭 化 物 の 種 類 や 大 き さ,分 布 状 態 な らび に凝 集 の 速 度 で 決 ま る。 SKD61, SKD7お よびSKD8の 基 地 に析 出 して い る微 細 な炭 化 物 を レ プ リカ に抽 出 し,電 子 顕 微 鏡 で 観 察 した 結 果 を図3に 示 す 。 SKD61はM2C,MCの 析 出量 を 中位 に抑 え,高 温 強 度 と じん 性 を 兼 備 さ せ て い る。SKD7はCr量 を下 げ,Mo量 を上 げ て 微 細 炭 化 物M2C,MCの 析 出 量 と分 布 密 度 を 高 め る もの で 高 温 強 度 が 高 い。SKD8はMCの み に よ り析 出硬 化 させ る もの で,分 布 密 度 が 高 い う え,昇 温 時 に凝 集 しに く く,も っ と も高 温 強 度 が す ぐれ て い る。ま たSKT4は と くに高 い じん 性 を与 え るた め に微 細 炭 化 物 の析 出 は 行 わせ ず,M3Cよ り も 凝 集 の 進 み に くいM23C6を 形 成 させ,500∼550℃ 以上 で の 炭 化 物 の凝 集 を お さ えて 強 度 を 高 め た もの で,高 温 強 度 は 熱 間工 具 鋼 の 中で は低 い。 上 記 の よ うに使 用 温 度 域 に適 した 初 期 硬 さ と鋼 種 の 選 定 を 行 う こ とが 適 切 で あ る。 ま た軟 化 抵 抗 は これ らの炭 化 物 の凝 集 抵 抗 と対 応 し,高 温 強 度 の大 き い鋼 種 は軟 化 抵 抗 も大 き い。 2・2 じん性5) 熱 間 工 具 鋼 は焼 もど し時,特 殊 炭 化 物 の析 出 に よ る二 次 硬 化 を生 じ,高 温強 度 が 付 与 さ れ るが,同 時 に じん性 が 低 図 2 熱 間工 具 鋼 の 高 温 引 張 強 さ4) 図 3 SKD61, SKD7, SKD8 の 焼 も ど し 時 の 炭 化 物 の 析 出 分 布 の 状 況(抽 出 レ プ リ カ 法 に よ る 電 子 顕 微 鏡 像)5) オ ー ス テ ナ イ ト化 温 度:SKD61, SKD7; 1020℃, SKD8; 1140℃,焼 入冷 却:油 冷,焼 も ど し硬 さ: 44HRC

最 近 の 熱 間 工 具 鋼 1015 下す る。 二 次硬 化 を与 え る焼 も ど し温 度 を超 え,硬 さが 低 下 し始 め る と じん 性 が 回復 す る6)ため,通 常二 次硬 化 を超 え た温 度で焼 も ど しさ れ る。 この 二 次 硬 化 に伴 う焼 も ど し脆 性 はSiを低 減 す るこ とに よ り改 善 さ れ るこ とが報 告 されて お り7),こ の効 果 を利 用 した 熱 間 工 具 鋼 も実 用 さ れ て い る。 また じん性 は焼 入冷 却 速 度 の 影 響 を受 け る4)8)。図4に 焼 入冷 却速 度 が 遅 くな る につ れ て焼 もど し後 の じん 性 が 減 少 す る挙動 を示 す。こ こ に は破 壊 じん 性 値KKCの 挙 動 を示 して い るが,衝 撃 値 に つ い て も同 様 の傾 向 が 認 め られ る。 図 5 にSKD61,SKD7に つ い て焼 入 冷 却 速 度 を油 冷 お よび半 冷 時 間9)(焼入 冷 却 速 度 の指 標 で あ り,連 続 冷 却 で 焼 入 加 熱 温 度 と室温 の 中 間温 度 まで 降 温 す るの に要 す る時 間 を指 す) を か えて冷 却 した 場 合 の 焼 入 組 織 の 光 学 顕 微 鏡 組織 を示 す 。 油冷の場 合 は幅0.2μm程 度 のマ ル テ ンサ イ トの ラスの 束10)が 形成 され て い るが,焼 入冷 却 速 度 の減 少 に伴 っ て マ ル テ ン サ イ トの 場 合 よ り も ラ スの 幅 が 広 くて 長 い上 部 ベ イ ナ イ ト が生 成 す る。 この 組 織 変 化 に伴 っ て,衝 撃 試 験 片 の破 面粒 度11)があ ら くな り,じ ん 性 が低 下 す る。SKD61に 比 べ, Cr 量 の低 いSKD7は この 傾 向 が 大 きい。また焼 入 冷 却 速 度 の低 下 に伴 い,焼 も ど し時 の微 細 析 出 炭 化 物 の分 布 密 度 や 旧 オ ー ス テ ナ イ ト粒 界 の析 出 挙 動 が 変 化 し,じ ん性 に影 響 す る12)。 熱 間 金 型 は 寸法 が 大 き く,ま た形 状 が 複 雑 な もの が 多 く, 焼 入 処 理 を 行 う場 合 に は割 れ や 変 形 を生 じな い よ う に配 慮 しつ つ 十 分 な性 能 を 得 る た め の 適 切 な冷 却 条 件 を選 ば ね ば な らな い。 大 寸 法 の 金 型 で も変形 の 少 な い衝 風 焼 入 れ で 良 好 な 焼 入 組 織 の 得 ら れ る熱 間 工 具 鋼 も開 発 さ れ て い る13)。 また,焼 入 冷 却 過程 で,パ ー ラ イ ト変 態 の 起 こ る温 度 域 よ り高 温 で オ ー ス テ ナ イ ト粒 界 に 炭 化 物 が 析 出 す る が'4)15), と くに マ ト リ ッ ク ス 高 速 度 工 具 鋼(以 下 高 速 度 工 具 鋼 を ハ イ ス と表 記)の よ う な 高 強 度 鋼 に つ い て じ ん 性 へ の 影 響 が 指 摘 さ れ て い る16)17)。 2・3 耐 熱 疲 労 性18)∼27) 成 形 サ イ ク ル 短 縮 に よ る 生 産 性 向 上 の た め,熱 間 プ レ ス 型 や ダ イ カ ス ト型 で は,型 面 の 強 制 冷 却 が 一 般 的 に な っ た 。 こ れ に よ り,金 型 表 面 に は,熱 サ イ ク ル に よ る 熱 応 力 が 繰 り返 し作 用 し,熱 疲 労 に よ り,型 面 に は ヒ ー トチ ェ ッ ク が 発 生 す る 。 ヒ ー トチ ェ ッ ク の 評 価 方 法 に つ い て は 種 々 の も の が 提 案 さ れ て お り,鋼 種 や 硬 さ の 影 響 に つ い て 調べ ら れ て い る 。 ま た 最 近 で は,表 面 処 理 に よ る耐 熱 疲 労 性 の 向 上 効 果 が 報 告 さ れ て い る22)∼26)。図6に 各 種 熱 間 工 具 鋼 の 耐 熱 疲 労 性 を 示 す18)。ハ ン マ ー 型 に 使 用 さ れ るSKT4に 対 し, 高 温 強 度 の 高 い SKD61, SKD4, SKD5, 3Cr-3Mo 鋼 は,そ れ ぞ れ ヒー トチ ェ ッ ク 深 さ が 改 善 さ れ る。 耐 熱 疲 労 性 の 向 上 に は 高 温 強 度 と じ ん 性 が 高 い こ とが 必 要 で あ る が,熱 伝 導 図4 焼 入 冷 却 速 度 と平 面 歪 み破 壊 じん性 値KIC5) 図5 SKD61, SKD7 の 焼 入 冷 却 速 度 と焼 入 組 織4)

1016 鉄 と 鋼 Vol. 79 (1993) No. 9 率 が 小 さ く熱 膨 張 率 の 大 き い材 料 は熱 応 力 が大 き くな りヒ ー トチ ェ ッ ク が 発 生 しや す い_{。 また硬 さ を高 め る こ とに よ} り,耐 熱 疲 労 性 は 良 くな るが,破 壊 特 性 を考 慮 して,適 当 な硬 さ を選 定 す る必 要 が あ る。 2・4 破 壊 力 学 的 特 性 金 型 表 面 の ヒー トチ ェ ッ ク は図7に 示 す 段 階 を経 て, 破 壊 に結 び つ く。 硬 さの 適 性 化 や 高 強 度 鋼 の 適 用 に よ る, 摩 耗 や 疲 労 へ の 耐 久性 向 上 の検 討 を行 う場 合 に は,疲 労 き裂 進 展 性 や破 壊 じん性 の 評 価 に も とつ く破 壊 挙 動 に対 す る精 度 の 高 い 定量 的 な解 析 が 必 要 とな る。 熱 間 工 具 鋼 の 疲 労 き 裂進 展 性 にお よぼ す硬 さや 焼 入 冷 却 速 度 の 影 響 につ い て の 報 告27)∼30)や動 的破 壊 じん性 試 験 片破 面 上 の ス トレ ッチ ゾ ー ン 幅 と実 際 に破 損 した 型 の 破 面 を比 較 して,破 損 時 の 金 型 温 度 や 破 壊 応 力 を推 定 す る な ど,動 的 破 壊 じん性 値 の 評 価 と破 面 解 析(フ ラ ク トグ ラ フ ィ)に も とつ く熱 間 プ レ ス金 型 の破 損 解 析31)32)が行 わ れ て い る。

3. 組織 制御技 術

実 用 鋼 の じん性 は,非 金 属 介 在 物,不 純 物,偏 析 や 結 晶 粒 径 やベ イ ナ イ トな ど熱 処 理 組 織 に よ り大 き く影 響 され る。 精 錬 製鋼 技 術 や 熱 処 理 技 術 の 進 歩 に よ り,こ れ らの組 織 制 御 が行 わ れ,高 強 度 鋼 の 実 用 化 が進 み,金 型 寿 命 の 安 定 化 が得 られ て い る。 3・1 型 材 製 造 技 術 鋼 材 の 内質 改 善 へ の取 り組 み と して,鍛 造 鋼 材 の機 械 的 性 質 の 異 方 性 に大 き く影 響 を及 ぼ す 非 金 属 介 在 物,偏 析 の 低 減 に よ る等 方性 工 具 鋼 の 製 造 法 が 開 発 され た33)∼36)。こ れ に よ っ て鍛 造 品 の 横 方 向 の じん 性 や延 性 が 向上 し,縦 横 方 向 の 強 度 比 が 改 善 さ れ等 方性 に近 づ い た結 果,品 質 の ば ら つ きや 初 期 の割 れ 事 故 が減 少 し,金 型 寿 命 が格 段 に延 び て い る。 さ らに熱 間工 具 鋼 の焼 も ど し脆 性 に お よ ぼ す 不純 物 元 素 の 影 響 が 調べ られ19)37)∼39),高清 浄 化,凝 固偏 析 の 制 御, 熱 的取 り扱 い や鍛 造 方法 な ど各 工 程 の 組 み 合 わせ に よ る内 質 の 改 善40)によ り,遷移 温 度 の低 下 とと もにい っ そ うの衝 撃 値 や破 壊 じん性 値 の 向上 効 果 が得 られて い る。図8に SKD61 で の試 験 温 度 に対 す る衝 撃 値 の向 上 効 果 を示 す41)。遷 移 温 度 の低 下 に よ り,金 型 の 予 熱 に よ る割 れ 防 止 効 果 が 得 られ や す く,じ ん性 の 向 上 に よ り初 期 硬 さ を高 くす る こ とが で き, 耐 摩 耗 性 や 耐 熱 疲 労 性 の 向 上 を得 る こ とが で き る。 3・2 熱 処 理 技 術 熱 間 金 型 は寸 法 が大 き く,ま た 形 状 の 複 雑 な ものが 多 く, 焼 入 処 理 を行 う場 合 に は割 れ や 変 形 を生 じな い よ うな 配 慮 が 必 要 で あ る。 この た め焼 入性 が 大 き く空 気焼 入鋼 に分類 さ れ るSKD61な ど に は空 冷 焼 入 れ が 適 用 さ れ て きた が, 熱 間 工 具 鋼 の じん性 に お よぼ す焼 入冷 却 速 度 の影 響 に 関 す る 研 究 結 果8)12)42)43)をも とに,型 材 の 特 性 を高 度 に生 か す た め の 組 織 制 御 の指 針 が 明確 に され44),じん性 に影 響 す るベ イナ イ ト変 態 温 度 域 の 冷 却 速 度 を制 御 した衝 風 冷 却 や油 冷 処 理 が 採 用 され て い る。 さ ら に最 近 で は,急 冷 に よ る工 具 鋼 の じん性 向上 効 果 を積 極 的 に利 用 した熱 処 理 方法45)も開 発 され て い る。 一 方,作 業 環 境 が 良 好 で あ る こ とや 光輝 肌 が 得 ら れ後 工 程 の 省 略 が で き る な どの 利 点 か ら,真 空熱 処 理 が普 及 して きた 。 真 空 熱 処 理 で はガ ス冷 却 の た め冷 却 速 度 が 小 さ い 問題 が あ っ た が,加 圧 ガ ス冷 却 真 空炉46)が開 発 され,か 図6 各種 熱 間 工 具 鋼 の熱 疲 労 特 性 の 比 較18) 図7 ク ラ ッ ク 発 生,進 展 の 段 階 と関 連 特 性27) 図 8高 清 浄 ・等 方性 化 に よ るSKD61の 鍛 伸 直 角 方 向 じん 性 の 向上 効 果41)

最近 の熱 間工具鋼 1017 な り改 善 さ れ て き て お り,金 型 の 熱 処 理 に も適 用 さ れ る よ うに な っ て き た47)∼50)。

4. 熱間加工技 術 と型材 の動 向

熱間 加工 の 分 野 と して は,(1)プ レ ス鍛 造(2)ダ イ カ ス ト(3)熱 間 押 出 しが あ るが,新 しい製 品 ニ ー ズや 製 品 の軽 量 化,高 強 度 化 な どを背 景 と して それ ぞ れ の 分 野 で 新 しい加 工技 術が 開 発 さ れ,そ の 実 用 化 の 一 端 を新 しい 型 材 料 が 担 って い る。 4・1 プ レス 鍛 造 型 熱 間鍛 造 の 分 野 で は,省 資 源,省 エ ネ ル ギ ー,後 工 程 の 切削加 工 を省 略 す るな どの効 率 化 に よ る コ ス ト低 減 が 強 く 求 め られ,精 度 の 高 い鍛 造 加工 へ の 動 きが 活 発 に な っ て き た。同 時 に,複 雑 形 状 品 の一 体 成 形 な ど高機 能 化 の 面 か ら も,温 間(閉 そ く)鍛 造 や精 密 熱 間 鍛 造 の 適 用 が 進 ん で き た。 また,ホ ッ トフ ォー マ と呼 ば れ る多段 式 高 速 熱 間鍛 造 機 の導 入 に よ る成 形 サ イ クル の短 縮 に よ る効 率 化 も進 め ら れて い る51)52)。図953)に 示 す よ うに,こ れ らの 加 工 法 の 適 用 対象製 品 が近 年 急 速 にふ えて い る。 ま た ク ラ ン ク シ ャ フ ト の よ うな大 型 製 品 の鋳 鋼 か ら鍛 鋼 へ の移 行54)など一 般 プ レス 型 の分 野 で も大 型 化 や大 物 用 鍛 造 金 型 の 高性 能 化 の ニ ー ズ が 高 ま っ て きた 。 こ れ らの 熱 間 鍛 造 分 野 で の 動 向 を 図10に 示 す。さ ら に アル ミ鍛 造 も1989年 現 在 で 鍛 造 品 全体 の 1.2% と全 体 に 占 め る割 合 は未 だ 小 さ い が,5年 前 の 約10倍 と急 速 な伸 び を示 して い る55)。こ れ らの 加 工 方 法 で は,そ れ ぞ れ 加 工 温 度,加 工 面 圧 や 金 型 の 冷 却 条 件 が 異 な り,金 型 に負 荷 さ れ る熱 応 力 や摩 耗 作 用 が 異 な るが,金 型 に作 用 す る熱 負 荷56)∼58)や応 力 負 荷59)の解 析 が 進 み,そ れ ぞ れ の 加 工 方法 に適 した 型 材 の 開 発 が 進 み つ つ あ る。 4・1・1 温 間(閉 そ く)鍛 造 型 温 間 鍛 造 技 術 は,ベ ア リン グ レー ス や 前 輪 駆 動 車 用 等 速 ジ ョイ ン トア ウ ター レー ス の成 形60)か ら ミッ シ ョンギ ヤ61)な どへ と用 途 が拡 大 して い る。温 間 鍛 造 は 一 般 に 600∼900℃ と熱 間 鍛 造 よ り低 い温 度 で 加 工 が 行 わ れ るた め被 加 工 材 の 変 形 抵 抗 が 大 き く,型 面 に は 高 い面 圧 と摩 擦 作 用 が 加 わ る。 また冷 間 加 工 と比 べ る と型 に熱 衝 撃 が 作 用 す る。この た め, 熱 間ダ イ ス鋼(SKD62な ど)で は耐 圧 強 度 が 不 足 し,ハ イ ス(SKH51な ど)で は耐 熱 衝 撃 性 が 不 足 して い た 。 これ ら に対 し,耐 熱 強 度 に優 れ,じ ん 性 に優 れ る マ ト リッ ク ス ハ イ ス系 の 型 材62)63)が開 発 さ れ,窒 化 処 理 な ど表 面 処 理 を適 用 し,所 期 の 型 寿 命 が 得 られ て い る。 図11に こ れ らの 型 材 の 特 性 に よ る位 置 付 け と温 間 鍛 造 パ ン チ の 金 型 寿 命 例 を 示 す63)。 4・1・2 精 密 熱 間鍛 造 型 ホ ッ トフ ォー マ は横 型 の 多 段 式 熱 間 鍛 造機 で あ るが, イ ンダ ク シ ョン ヒー タ に よ る高 速 加 熱 と大 量 の 水 溶 性 潤 滑 剤 の 使 用 に よ り高 速 加 工 が 可 能 とな っ て い る。 こ の た め, 金 型 に は 急 熱 急 冷 に よ り,激 し い熱 応 力 や 熱 衝 撃 が 作 用 す る。 これ らの 用 途 に は前 記 の マ トリッ ク スハ イ ス系 型 材 や SKD7 をべ ー ス と した 改 良 鋼6価)が 使 用 さ れ て い る。 4・1・3 一 般 プ レ ス鍛 造 型 比 較 的 寸 法 の大 き い金 型 に は現 在 も SKD61, SKD62 の 使 図9 鍛 造 法 別 生 産 量 の 推 移53) 図10 温,熱 問鍛 造技 術 を取 り巻 く背 景 と動 向63) 図11 温,熱 間 鍛 造 金 型 用 材 の特 性 に よ る位 置 付 け と,' 温 間鍛 造 パ ン チ の 金 型 寿 命 例63)

1018 鉄 と 鋼 Vol.79 (1993) No.9 用 が 一 般 的 で あ るが,高 速 化 や 精 密 化 が 進 み,高 性 能 材 へ の 移 行 が 進 め られ つ つ あ る。 焼 入 れ 後400℃ 前 後 の低 温 で 焼 も ど し処 理 し,型 加 工 後 使 用 さ れ,使 用 中 の昇 温 に よ り 型 表 面 層 の み を析 出硬 化 させ る低Cの 析 出硬 化 型 鋼 として, 3Ni-3Mo鋼66)67)や3Cr-3Mo鋼 が 古 くか ら使 用 され,最 近 で は3Cr-WMo-V℃o鋼68)が イ オ ン窒 化 処 理69)され て適 用 さ れ,約40%の 寿 命 向 上 効 果 が 得 られ て い る。 窒 化 層 に よ る 析 出硬 化 まで の初 期 摩 耗 へ の 耐 久 性 と析 出硬 化 後 の と くに 優 れ た 母 材 の 高 温 強 度 に よ り,高 い耐 摩 耗 性 を示 す 。今 後, イ ンサ ー ト方 式 の採 用 や 半 熱 間 か ら温 間 へ の 移 行 な どが 進 み,窒 化 処 理 を併 用 した よ り耐 摩 耗 性 の優 れ る鋼 種 の 開 発 へ と進 む動 向 に あ る。 さ らに 型 寸 法 の 大 き い ク ラ ン ク シ ャ フ ト等 の 成 形 に は 従 来 ハ ン マ ー鍛 造 用 に使 用 さ れ て い たSKT4が 使 用 されて きた が,よ り高 温 強 度 の す ぐ れ るプ リハ ー ドン 型 材(HRC40 前 後)が 開 発 さ れ,窒 化 処 理 の 適 用 に よ り型 寿 命 向上 の 実 効 が あ が りつ つ あ る70)71)。 4・1・4 そ の 他 の 技 術 動 向 温 熱 間 鍛 造 用 潤 滑 剤 と して は,潤 滑 性能 が 優 れ て い る こ とか ら,黒 鉛 系 の 潤 滑 剤 が 多 く使 用 さ れ て き た が,作 業 環 境 の 面 か ら,潤 滑 性 能 が 多少 低 下 して も白 色 系 の 潤 滑 剤 を 適 用 す る検 討 が進 め られ つ つ あ る。 こ の場 合,摩 耗 や焼 き 付 きの 面 で 型 寿 命 が 低 下 す る方 向 に あ り,今 後 これ へ の 対 応 の 点 か ら も表 面 処 理 の 適 用 が 進 む もの と考 え られ る。 工 具 鋼 の 窒 化 処 理 につ い て の 基 礎 検 討 や 新 しい窒 化 法 の 開 発 が 進 む一 方 で,生 産 現 場 で の窒 化 処 理 の 適 性 化72)も進 め られ て い る。 また ア ップ セ ッ トダ イ ス等 の 一 部 に は超 硬 合 金 の 適 用 が す す み つ つ あ る。 4・2 ダ イ カ ス ト金 型 自動 車 の アル ミ化 が 急 速 に進 め られ て い るが,エ ン ジ ン の ア ル ミ化 は一 応 の 水 準 に達 し,脚 回 り部 品 や デ ィス ク ホ イ ー ル な どの ア ル ミ化 が 進 め られ て い る73)74)。これ ら高 強 度 アル ミ部 品 の 製 造法 と して溶 湯 鍛 造 法75),無孔 性ダ イ カ ス ト 法76)が開 発 さ れ て い る。これ らの アル ミダ イ カ ス トの 技 術 動 向 を 背 景 と して,SKD61を べ ー ス に用 途 に適 合 した 新 しい 型 材 の 開 発 が 進 め られ て い る。Mg合 金 ダ イ カ ス ト77)には SKD61が,さ らに溶 湯 温 度 の 高 いCu,Cu合 金 ダ イ カ ス トで は耐 熱 性 の 高 いSKD8や,こ れ の じん 性 を 改 善 した型 材 が 一 般 的 に使 用 さ れ て い る。 4・2・1 アル ミダ イ カ ス ト金 型 軽 量 化,高 性 能 化 の 追 求 の た め の 自動 車 の ア ル ミ化 や 家 電 機 器,OA機 器 へ の アル ミ合 金 の 適 用 が 急 速 に進 ん だ こ と を背 景 に,ア ル ミダ イ カ ス ト技 術 は 高 度 化,多 様 化 した 。 前 輪 駆 動 車 の 駆 動 機構 部 を収 め るケ ー ス類 な ど大 型 製 品 の 成 形 に大 寸法 の 型 が 使 用 さ れ,複 雑 形 状 で 高 い精 度 と肌 品 位 を要 求 さ れ るOA機 器 部 品 用 な どの精 密 ダ イ カ ス トや溶 湯 温度 の とくに高 い過 共 晶 の高Si系 耐 摩 耗 アル ミ合 金 ダ イカ ス トの 場 合,金 型 に作 用 す る熱 的 負 荷 が 過 酷 とな り,熱 疲 労 (ヒ ー トチ ェ ッ ク)や 溶 損 が 進 み や す い。 また 自動 車 の脚 回 り部 品 な ど高 強 度 部 品 の 製 造 法 と して溶 湯 鍛 造 法 の 適 用 が 進 ん で きた が,鋳 造 条 件 の 面 か ら金 型 に負 荷 され る熱 応 力 が 過 酷 で あ り,金 型 の 早 期 ヒー トチ ェ ッ ク対 策 が 課 題 とな っ て い る。 一 般 ダ イ カ ス トの 分 野 で もダ イカ ス ト製 品 の 鋳 肌 を その ま ま意 匠 面 と して 使 用 す る用 途 で は,金 型 の 初 期 ヒー トチ ェ ッ ク寿 命 向上 が 要 求 さ れ て い る。 こ れ らの鋳 造 法 か らみ たダ イ カ ス トの 技 術 動 向 を 図12に 示 す 。 従 来 ダ イ カ ス ト型 材 と して ひ ろ く使 用 さ れ て きた SKD61 だ けで は 十分 な 対 応 が で きな くな っ た た め 高 温 強 度,じ ん 性,焼 入性 な ど,そ れ ぞ れ の 要 求 特 性 に応 じた特 徴 を 備 え た 高 性 能 材 が 開 発 さ れ 実 用 化 さ れ て い る。 表378)に 用 途 別 の 型 材 の 選 択 基 準 例 を ま とめ て 示 す 。 大 寸法 の 金 型 に対 して は,熱 処 理 歪 み の 小 さ い衝 風 焼 入 れ 熱 処 理 で も安 定 した じん性 値 の 得 られ る高 焼 入性 の 型 材 が 適 用 され て い る。 また 複 雑 形 状 で 高 精 度 の 部 品 を成 形 す るた め,狭 い キ ャ ビ テ ィ部 に溶 湯 を十 分 に充 満 す る 目 的 で 溶 湯 温 度 を700℃ 前 後 まで 上 げ,圧 力 を高 め て 成 形 す る精 密 図12 ア ル ミダ イ カ ス トの 技 術 動 向 表3 ア ル ミダ イ カ ス ト用 途 別 選 択 基 準 の 例81)

最 近 の 熱 間 工 具 鋼 1019 ダイカス トや溶 湯 温 度 が750℃ 前 後 の高 温 とな る高Si系 の 高 融点アル ミ合 金 ダ イ カ ス トの 場 合,型 表 面 の軟 化 を伴 っ た クラックの 開 口の大 き い熱 塑 性 歪 み 型 の ヒー トチ ェ ッ クが 生 じやす いた め,650℃ 以上 の 高 温 域 で の 強 度 とじん性 を兼 備 した型材 が適 用 され て い る。SKD61に 対 し,Moを 高 めた 型材やSKD8系 の じん性 改 善材 が それで あ る。 ヒー トチ ェ ッ ク に よ る金 型 寿 命 の 低 下 へ の 対 策 が と くに 課題 となっ て い る溶 湯 鍛 造 用 の 金 型 に つ いて は,型 に作 用 する熱応 力 に耐 え る強 度 と,コ ー ナ ー 部 か らの ク ラ ッ ク の 発生,進 展 を抑 え る高 い じん性 を備 えた 型 材79)80)の適 用 が 進 みつつ あ る。 アル ミダ イ カ ス ト金 型 は,ク ラ ック現 象 へ の 対策が 主体 とな るた め,等 方 性 化 高 清 浄 度 化 に よ る じん性 の向上 や焼 入 性 の改 善 を基 本 と して,耐 熱 性 の 向上 へ の取 り組み が進 む もの と考 え られ る。 4・2・2 その 他 の 技 術 動 向 溶湯温 度 の上 昇 や鋳 造 の 高 サ イ クル 化 は 同時 に金 型 や 中 子ピン,ス リー ブ な どの 溶 損 の早 期 化 を まね い て い る。 溶 損対策 には表 面 処 理 の 適 用 が 有 効 で あ るが,ピ ン類 に は 前 記マ トリッ ク スハ イ ス17)が,また ス リー ブや低 圧 鋳 造 の 冶 工 具用 と して,窒 化 処 理 に よ り優 れ た 耐 溶 損 性 が 付 与 され る 型材81)が開 発 さ れ て い る。 5. 押 出 工 具 押 出 工 具 に 使 用 さ れ て い る 材 質 の 大 半 は SKD61, SKD62 で あ るが,Cu,Cu合 金 用 の イ ン ナ ー ラ イ ナ ー に は 超 耐 熱 合 金 が,Al合 金 用 の ダ イ ス に は,SKD61改 良 鋼 な ど が 使 用 さ れ て い る。 5・1 Al 合 金 用 押 出 ダ イ ス アル ミ押 出 材 は,住 宅 や ビ ル 用 の 建 材 が 主 体 で あ っ た が, 押 出技 術 の 進 歩 に よ り,自 動 車 へ の 適 用 部 品 の 種 類 が ふ え, またダ イ ス 設 計 や ダ イ ス 材 の 進 歩 に よ り,鉄 道 車 両 部 品 等 大型 押 出 部 材 へ の 適 用 が ふ え た82)83)。 ビ レ ッ ト加 工 温 度 は通 常500℃ 以 下 と低 い が,し ゅ う動 成 形 部(ベ ア リング 部)の ダ イ ス温 度 は押 出条 件 に よっ て は, ダ イ ス材 の焼 もど し温 度 を超 えてい る可 能 性 も指 摘84)されて お り,高 温 強 度 や 耐 摩 耗 性 が 要 求 され る。 また,急 激 な熱 サ イ ク ル は作 用 しな い が,ダ イ ス は500℃ 前 後 以 下 の温 度 で 比 較 的 長 時 間 の 加 工 圧 力 を受 け るた め,変 形 を生 ず る。 さ ら にダ イ ス の10%弱 は割 れ に よ り廃 却 とな っ て お り,静 水 圧 押 出 しの 管 用 ダ イ スで は す べ て割 れ が 廃 却 原 因 とな っ て い る85)。押 出 ダ イ スは しゅ う動 成 形 面 の 摩 耗 を 防 ぐ 目的 で 窒 化 が 施 さ れ るが,耐 摩 耗 性 保 持 の た め,繰 り返 し窒 化 さ れ 使 用 され る。 この た めダ イ ス材 に は 高 い窒 化 硬 さ や適 度 の 深 さ の 得 られ る窒 化 特 性 や 繰 り返 し窒 化 時 の 加 熱 に対 す る 軟 化 抵 抗 も要 求 さ れ る。従 来 ダ イ ス材 に は 大 半SKD61が 使 用 さ れ て きた が,ダ イ ス の 価 格 低 減 な どの た め にダ イ ス の 薄 肉化 が 進 み つ つ あ り,ダ イ ス の 大 寸 法 化 や 形 状 複 雑 化 と あ い まっ て 変形 や 割 れ に耐 え る型 材 へ の ニ ー ズが 高 ま り, SKD61を 基 本 と した 高 強 度 高 じん性 材86)の適 用 が す す め ら れ て い る。 5・2 Cu, Cu合 金 用 押 出 工 具 Cu,Cu合 金 の押 出 加 工 に お い て は,ビ レ ッ ト温 度 が 工 具 材 料 のA1変 態 点 付 近 な い しこ れ を超 え る高 温 で あ る う え,被 加工 材 と工 具 の 接 触 時 間 が 長 いた め,使 用 中 に工 具 表 面 下 の 比 較 的 深 い層 まで 組 織 変 化 に伴 う軟 化 に よ る強 度 低 下 が 生 ず る。 この た め ビ レ ッ ト と直接 接 触 す る ラ イ ナ ー,ダ ミ ー ブ ロ ック 等 に は従 来 ,マ ル テ ンサ イ ト鋼 のSKD5, 7, 8が 使 用 さ れ て き た が,工 具 表 面 は こ れ らの 焼 も ど し温 度 以 上 の 高 温 に 長 時 間 さ らさ れ るた め,700℃ 前 後 以 上 の 高 温 で の ク リー プ強 度 のす ぐれ る超 耐 熱 合 金 の採 用 が すす んで い る87)。 た だ し これ らの オ ー ス テ ナ イ ト系 合 金 は マル テ ンサ イ ト鋼 に比 べ,熱 膨 張 係 数 が 大 き く,熱 伝 導 率 が 小 さ い た め工 具 使 用 時 の 熱 応 力 が大 き くな りや す い傾 向 が あ るの で,設 計 や 使 用条 件 で の対 策 が 行 わ れ て い る。 図13は 各 温 度 にお い て,各 種 の材 料 の1000hク リー プ 強 度 と銅 合 金 の 流 動 応 力 を 図13 各 温 度 に お け る各 工 具 材 質 の ク リー プ 強 度 と銅 合 金 の流 動 応 力 の 比 較91)

1020 鉄 と 鋼 Vol.79 (1993) No.9 比較 した デ ー タ88)であ るが,純 銅 に比 べ,ビ レ ッ ト温 度 の低 い黄 銅 な どの 押 出 加工 の 温 度 域 で は,炭 化 物 析 出硬 化 型 の マル テンサ イ ト鋼SKD7な どよ りク リー プ強 度 の優 れ る AFC77 相 当の 金 属 問 化 合 物 析 出 硬 化 型 の マル テ ンサ イ ト鋼 の 適 用 が 進 み つ つ あ る。

6. 熱間金型に適用される表面処理技術の動向

金 型 の表 面 処 理 に よ っ て得 られ る効 果 と して は,高 温 強 度,軟 化 抵 抗 や 耐 摩 耗 性 の 向上,離 型 性 や 被 加 工 材 へ の耐 濡 れ 性 面 か らの 改 善 な どが 挙 げ られ る。 表 面 処 理 は窒 化 処 理 が 主 体 で,温 熱 間 プ レ ス 型 や アル ミダ イ カ ス ト型,ア ル ミ押 出工 具 な どに使 用 さ れ て お り,酸 窒 化,浸 硫 窒 化 や真 空 窒 化 処 理 な ど新 しい窒 化 法 が 開 発 され て い る。 こ れ らに つ い て は本 文 中 に記 述 した が,今 後 は 用 途,目 的 に応 じた 窒 化 組 織 と特 性 を備 え た窒 化 処 理 の使 い分 け が進 む もの と 考 え られ る。 一 方,こ れ まで 切 削 工 具 や冷 問 金 型 へ の 適 用 か ら発 展 して きたTic, W2c, TiNな どを被 覆 す る CVD, PVD 処 理 やVC,Cr炭 化 物 の 被 覆 処 理89)の熱 間工 具 へ の 適 用 も進 め られ つ つ あ る90)。この ほ か,イ オ ン注 入91),プラズ マCVD92), 溶 射93)やレー ザ ー 処 理97)によ る表 面 改 質 な どの研 究 が 進 め ら れ て お り,実 用 工 具 へ の 適 用 が 期 待 され る。 7. お わ り に 金 型 材 料 の 高 性 能 化 は材 料 開 発 だ けで な く,そ の 組 織 制 御 を行 う製 造 技 術 や 熱 処 理 技 術 の 高 度 化 に よ りす す め られ て きた。 今 後 も等 方性 化,高 清 浄 化 や組 織 の微 細 化 や 均 一 化 に よ る内 質 改 善 をべ ー ス に材 料 の 高性 能 化 が進 む動 向 に あ る。 同 時 に金 型 の 摩 耗,熱 疲 労 や 破 壊 な ど損 耗 現 象 の よ り高 度 な解 析 に よ り新 しい材 料 や 表 面 改 質 処 理 の 実 用 化 が 進 め られ る と予 想 され る。 文 献

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