模具的淬火方法
【专利摘要】本发明提供一种模具的淬火方法，采用该模具的淬火方法，即使是在对具有复杂的表面形状的模具进行淬火或者进行冷却速度较快的淬火的情况下，也能够防止在淬火后产生裂缝。在该模具的淬火方法中将模具加热至奥氏体区域的淬火温度后对模具进行冷却，其中，在将模具加热至淬火温度的加热工序中，在模具的表面温度最低的部位（A）的温度（TA）经过相变点（Ac1）与相变点（Ac3）之间的温度区时使上述温度（TA）与模具的表面温度最高的部位（B）的温度（TB）之差在40℃以内，然后，对经过上述加热工序而被加热至奥氏体区域的淬火温度的模具进行冷却。
【专利说明】模具的淬火方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模具的淬火方法。
【背景技术】
[0002]以往，对通过机械加工将钢原材料加工成规定的形状之后而得到的模具实施淬火回火的热处理，以调整模具在使用时的硬度、组织(严格地讲，在上述热处理之后还实施精加工)。淬火是指这样的处理:将模具加热至上述钢原材料所具有的奥氏体区域的淬火温度，然后对该模具进行冷却，从而将模具组织调整为马氏体、贝氏体等期望的组织。
[0003]当对表面形状复杂的模具实施淬火时，有时会在模具表面的凹面角(拐角)部(参照图8)产生裂缝。该裂缝是因在淬火冷却过程中模具所产生的热应力、相变应力而导致的。即，由于模具的表面比模具的中心部冷却得快(冷却速度较快)，因此，首先，在冷却过程的前一阶段(在由JIS钢种的SKD61制造的、具有代表性的热加工模具的情况下为600°C~700°C附近)，温度低于中心部的温度的表面的热收缩程度较大，从而在表面作用有拉伸应力。接着，当临近冷却的后一阶段即相变点(在SKD61制造的模具的情况下为300°C附近)时，温度低于中心部的温度的表面先进行相变膨胀，而温度较高的中心部继续进行热收缩，从而在表面作用有压缩应力。但是，当中心部的温度较晚地达到相变点而开始进行相变膨胀时，表面的相变结束而转而进行热收缩，从而在表面再次作用有拉伸应力。并且，当作用有拉伸应力时，在模具表面的应力集中的上述凹面角部产生裂缝。
[0004]作为用于防止上述裂缝的方法，有为了避免应力集中在上述凹面角部而将该凹面角部的圆角(曲率半径)加工得较大的方法。另外，作为其他方法，提出有将整个模具均匀地冷却到相变点附近的温度的方法，这是考虑到:由于相变后的组织的韧性较低，对于上述裂缝而言特别地相变时产生的膨胀差所带来的影响较大。具体地讲，提出有一种这样的方法:缓慢地冷却到相变温度区，或者在到达温度比相变温度区高的准稳定奥氏体区域附近(在SKD61制造的模具的情况下为400°C~500°C附近)时暂时中断冷却，而缩小模具的表面与模具的中心部之间的温度差(专利文献I~专利文献3)。
[0005]专利文献1:日本特开2006 - 342377号公报
[0006]专利文献2:日本特开2009 - 074155号公报
[0007]专利文献3:日本特开平03 - 028318号公报
[0008]上述方法均能够有效地防止在淬火时产生裂缝。但是，近年来，因为模具的表面形状变得更加复杂，还要降低热处理后的精加工费用，因此难以有效地将上述凹面角部的圆角加工得较大的模具也在增加。在这样的模具的情况下，有时即使减缓相变温度附近的冷却速度也会产生裂 缝。针对这些问题，采取了一种对策:开发一种即使进一步减缓冷却速度也能够生成马氏体组织(能够抑制生成贝氏体组织等)的、淬火性良好的钢原材料，从而能进一步减缓冷却速度，而减少产生较大的裂缝的情况。但是，在提高钢原材料的淬火性能方面存在限度，有时在经过淬火后的上述凹面角部仍然产生细微的裂缝。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种模具的淬火方法，采用该模具的淬火方法，即使是在对具有复杂的表面形状的模具进行淬火或者进行冷却速度较快的淬火的情况下，也能够防止在淬火后产生裂缝。
[0010]本发明人考虑到，为了从根本上对在淬火之后的能够确认到的裂缝进行抑制，需要了解产生裂缝的过程，因而对裂缝产生的时期等进行了研究。结果发现，在曾认为是在冷却过程中产生的裂缝中，实际上还包含因在冷却开始前就已经产生的裂纹继续扩大而产生的裂缝。于是，详细地对成为裂缝的起点的裂纹的产生时期进行了调查，结果发现，在加热至淬火温度的工序中产生了细微的裂纹。因而，只要能够抑制在上述加热时产生细微的裂纹，就能够有效地抑制在淬火时产生裂缝。因此，想到一种方法:通过在从加热至冷却的这一系列的淬火工序中，对该加热工序进行操作，从而能够抑制淬火后在上述凹面角部产生裂缝，而实现了本发明。 [0011]即，本发明是一种模具的淬火方法，在该淬火方法中，将模具加热至奥氏体区域的淬火温度后对模具进行冷却，其特征在于，在将模具加热至淬火温度的加热工序中，在模具的表面温度最低的部位A的温度Ta经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时使上述温度Ta与模具的表面温度最高的部位B的温度Tb之差在40°C以内，然后，对经过上述加热工序而被加热至奥氏体区域的淬火温度的模具进行冷却。
[0012]优选的是，模具的淬火方法的特征在于，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第I均热工序，该第I均热工序在上述温度Tb处于比相变点Ac1低且与相变点Ac1相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0013]此外，优选的是，模具的淬火方法的特征在于，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第2均热工序，该第2均热工序在上述温度Tb处于相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0014]此外，优选的是，上述模具的淬火方法的特征在于，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第I均热工序和第2均热工序，该第I均热工序在上述温度Tb处于比相变点Ac1低且与相变点Ac1相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内；该第2均热工序在上述温度Tb处于相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0015]而且，更优选的是，在上述这些优选的模具的淬火方法中，还实施第3均热工序，该第3均热工序在上述温度Tb处于比相变点Ac3高且与相变点Ac3相差50°C以内的温度区时实施，在该第3均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0016]优选的是，在本发明的模具的淬火方法中，对于将上述模具加热至淬火温度的工序，上述温度Ta经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时的升温速度为100°C /h以上。
[0017]采用本发明，能够对以往为了抑制淬火后产生裂缝而需要的冷却条件的限制进行缓解，即使是以通常的比较快的淬火冷却速度冷却也能够抑制裂缝。其结果，即使在表面形状复杂的模具的情况下，也无需将表面的凹面角部的圆角加工得较大，或者也无需在此基础上进一步使冷却速度特别缓慢，就能够抑制在淬火后产生裂缝。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是表示本发明的模具的淬火方法中的加热工序的加热模式的一例的示意图。
[0019]图2是表示本发明的模具的淬火方法中的加热工序的加热模式的另一例的示意图。
[0020]图3是实施例所使用的淬火用试样的三视图。
[0021]图4是表示在通过实施例来进行评价的、本发明例的热处理模式N0.3中加热时部位A的温度Ta、部位B的温度Tb的变化的图表。
[0022]图5是表示在通过实施例来进行评价的、比较例的热处理模式N0.7中加热时部位A的温度Ta、部位B的温度Tb的变化的图表。
[0023]图6是表示在通过实施例来进行评价的、本发明例的热处理模式N0.3中部位A的组织的微观截面的代用作附图的照片。
[0024]图7是表示在通过实施例来进行评价的、比较例的热处理模式N0.7中部位A的组织的微观截面的代用作附图的照片。
[0025]图8是简略性地表 示模具的表面形状的立体图。
【具体实施方式】
[0026]本发明的特征在于，通过对加热工序进行操作这样的新方法来抑制淬火后的裂缝，而以往通过对冷却工序进行操作来致力于抑制淬火后的裂缝的产生。以下，对本发明的各技术特征进行说明。
[0027](I)在将模具加热至淬火温度的加热工序中，在模具的表面温度最低的部位A的温度Ta经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时使上述温度Ta与模具的表面温度最高的部位B的温度Tb之差在40°C以内。
[0028]本发明人发现，在淬火后在上述凹面角部产生的能够确认到的裂缝的起点是在加热工序中在该部位产生的裂纹。而且还发现，该裂纹主要是在模具到达淬火温度之前所经过的相变点Ac1与相变点Ac3之间的相变点区产生的。处于加热过程中的模具伴随着其温度上升而发生热膨胀，但是，当模具温度进入上述相变点区时，模具因相变而收缩。例如在由各种热加工模具钢原材料构成的模具的情况下，相对于大致大于1000°C的淬火温度，上述相变点区大致为800°C~900°C之间。而且，在处于上述相变点区时，是模具的组织为铁素体和奥氏体的两相区域，且各相的变形阻力不同，因此该组织的强度、韧性降低。
[0029]对于进行该加热工序时的状况，当对具有各种表面形状的模具进行加热时，通常自表面的突起部开始被加热，该部分成为模具表面上温度最高的部位B。例如在像图8那样的形状的模具的情况下，用虚线包围起来的突起部的位置为模具表面上温度最高的部位B。而且，通常情况下，表面的凹陷的位置、中心部会延迟升温，在模具表面上，该凹陷的位置为温度最低的部位A。例如在像图8那样的形状的模具的情况下，用虚线包围起来的凹面角部的位置为模具表面上温度最低的部位A。而且，因此时的热膨胀差而会在升温较慢的部位A作用有拉伸应力。在加热初期未达到相变点Ac1的较低的温度区时，模具自身的材料强度也较高，是均匀的铁素体组织，因此尚未在部位A产生裂纹。
[0030]但是，当部位A到达相变点Ac1后，至到达相变点Ac3的过程中，部位A发生相变而收缩。而且，处于该相变点区的部位A是因上述两相组织而导致强度、韧性降低了的部分。因而，相对于处于该相变点区的状态的部位A来讲，周围的部位B的温度较高，此时，会在部位A作用有拉伸应力而容易产生裂纹。而且，当周围的温度进一步升高而部位B处的相变已经完成时，由于部位B在到达淬火温度之前一直处于热膨胀状态，因此导致部位A与部位B之间的膨胀差进一步变大，从而会在部位A作用有更大的拉伸应力。而且，由于部位A主要是模具表面的凹陷的部分(图8的凹面角部)，因此，在形状方面也受到周围的约束，而容易作用有拉伸应力。上述这些情况的结果是，在加热过程中会在部位A产生细微的裂纹。该裂纹在冷却工序中发展成较大的裂缝。
[0031]因而，为了防止产生上述裂纹，使淬火加热时的模具表面的温度差较小是有效的。而且，特别需要在主要是凹面角的部分的部位A经过上述相变点区时使部位A的温度与此时的部位B的温度之间的温度差较小。具体地讲，在将模具加热至淬火温度的加热工序中，在模具的表面温度最低的部位A的温度Ta经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时，使上述温度Ta与模具的表面温度最高的部位B的温度Tb之差在40°C以内，能够防止产生上述裂纹。优选的是30°C以内。要形成这样的温度Ta与温度Tb之差例如能够通过如下的方法等实现:在温度Tb到达相变点Ac1之前、或者在温度Tb经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时，降低升温速度或者中断升温。
[0032]以往，在对模具进行淬火处理的加热工序中，为了防止组织中的晶粒粗大化，通常推荐的做法是将模具急速加热至淬火温度。但是，在该情况下，当在相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区急速加热时，模具表面的部位A与部位B之间的温度差变大，容易产生裂纹。因而，即使是想防止晶粒粗大化，但从防止在淬火后产生裂纹的角度讲，重要的是在上述温度区以使模具表面的温度均匀的方式加热该模具。
[0033](2)对于上述(I)的模具的淬火方法，优选的是，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第I均热工序，该第I均热工序在上述温度Tb处于比相变点Ac1低且与相变点Ac1相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0034]为了缩小经过相变点区时的部位A的温度Ta与此时的部位B的温度Tb之差，在部位A临近相变点Ac1之前预先缩小温度Ta与温度Tb之差的做法是有利的。在部位A临近相变点Ac1之前的铁素体区域温度Ta与温度Tb之差较大时，由于部位B升温的速度比部位A升温的速度快，因此，在接下来的相变点区中，上述温度差会被拉得更大。因而，在升温较快的部位B的温度Tb先达到相变点Ac1附近的温度时，例如通过延缓升温速度、或者暂时停止升温动作等，来保持此时的模具的温度，等待部位A的温度Ta接近温度TB，若实施这样的均热工序，则能够使处于相变点区时的温度Ta与温度Tb之差较小。具体地讲，实施第I均热工序，该第I均热工序在温度Tb处于比相变点Ac1低且与相变点Ac1相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使温度Ta与温度Tb之差在20°C以内，从而能够使处于上述相变点区的温度Ta与温度Tb之差较小。
[0035](3)对于上述(I)或(2)的模具的淬火方法，优选的是，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第2均热工序，该第2均热工序在上述温度Tb处于相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0036]而且，即使在部位B的温度Tb处于相变点区时实施上述那样的均热工序，也能够使部位A经过相变点区时的温度Ta与温度Tb之差较小。具体地讲，实施第2均热工序，该第2均热工序在温度Tb处于相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。通常，模具所使用的工具钢原材料的相变点Ac1与相变点Ac3之差约为20°C~50°C。而且，通过在该相变点之间实施上述均热工序，能够使上述温度Ta与温度Tb之间的温度差在40°C以内。
[0037](4)对于上述(2)或(3)的模具的淬火方法，优选的是，还实施第3均热工序，该第3均热工序在上述温度Tb处于比相变点Ac3高且与相变点Ac3相差50°C以内的温度区时实施，在该第3均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
[0038]除了实施上述所说明的第I均热工序、第2均热工序之外，还在部位B的温度Tb超过相变点Ac3之后，实施同样的均热工序，从而能够使部位A经过相变点区时的温度Ta与温度Tb之差较小。即，即使在部位B的温度Tb超过相变点Ac3以后，延迟升温的部位A尚处于相变点区的温度，当部位A与部位B的温度差过大时，会成为因热膨胀差而容易产生裂纹的状态。因此，若在此时实施均热工序，则能够抑制部位B先升温而超过均热温度的情况。具体地讲，实施第3均热工序，该第3均热工序在温度Tb处于比相变点Ac3高且与相变点Ac3相差50°C以内的温度区时实施，在该第3均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使温度Ta与温度Tb之差在20°C以内，从而能够更可靠地将上述温度Ta与温度Tb之间的温度差在40°C以内。
[0039](5)对于上述(I)~(4)中任一项的模具的淬火方法，优选的是，在将上述模具加热至淬火温度的工序中，上述温度Ta经过相变点Ac1与相变点Ac3之间的温度区时的升温速度为100°C /h以上。
[0040]在相变点区迅速 地加热模具的做法在防止模具组织中的晶粒(旧奥氏体晶粒)粗大化方面是有效的。当经过相变点时的加热速度较快时，过热度变大，新生成奥氏体晶粒的位置增加，对使晶粒细微地成长的方面是有利的。而且，通常当模具组织中的晶粒变得细微时，韧性升高，从而能够提高模具使用过程中的耐裂性。从该方面讲，不实施上述(3)的方法中的第2均热工序的做法对处于相变点区时将整个模具更迅速地加热的方面是有利的，因此优选不实施第2均热工序。
[0041]在本发明的模具的淬火方法中，上述第I均热工序、第2均热工序、第3均热工序均不是必须的工序。能够从上述这些均热工序中适当地选择合适的工序来实施。此时，从能够更可靠地将上述温度Ta与温度Tb之间的温度差控制在40°C以内的方面考虑，优选的是，从上述这些均热工序中选择两个以上的均热工序来实施。例如选择第I均热工序和第2均热工序来实施(图1)。另外，从能够防止模具组织中的晶粒粗大化的方面考虑，优选的是，选择第I均热工序和第3均热工序来实施而不实施第2均热工序(图2)。此外，对于相同编号(即第1、第2、第3)的均热工序，也可以在温度Tb不同的时刻多次实施该均热工序。
[0042]在将本发明的模具的淬火方法应用于实际的模具的淬火时，例如，事先制作模拟模具，一边利用热电偶等测量该模拟模具的表面温度(参照实施例)，一边对模拟模具进行淬火加热试验，从而能够确定实际的模具表面的部位A、B的位置。而且，在上述淬火加热试验中，若事先与用于满足本发明的条件的加热条件(即针对加热炉的操作条件)相应地确定上述位置被确定的部位A、B之间的温度关系，则在实际对模具进行淬火加热的过程中，无需实际测量模具表面的温度，而通过对加热炉的设定条件进行操作，就能够实施本发明。
[0043]经过以上所说明的加热工序而被加热至奥氏体区域的淬火温度的模具能够抑制此时在部位A产生细微的裂纹，因此，能够降低在接下来进行的淬火冷却时上述裂纹发展成裂缝的可能性。因而，通过对经过上述加热后的模具进行冷却，能够获得抑制了裂缝的模具。在淬火冷却过程中，冷却速度等冷却条件并无特别限制，也能够实施以通常所实施的条件进行的冷却、或者将这些条件改良后而提出的冷却等。这样，也能够对以往为了抑制淬火后的裂缝而需要的冷却条件的限制进行缓解，无论是进行较快的冷却速度的冷却还是表面的圆角被加工得较小的模具的冷却等，都能够抑制裂缝。而且，由于能够以较快的冷却速度进行冷却，因此，即使是由淬火性较差的钢原材料制成的模具的情况下，也能够可靠地实施淬火。
[0044]实施例
[0045]将JIS - SKD61改良材料的热加工工具钢用作原材料而制成150mmX300mmX300mm的方块。对整个表面进行了铣削加工。该原材料的相变点Ac1S830°C，相变点Ac3为860°C。而且，在该块上进行深度30mm、宽度50mm、长度IOOmm的凹槽加工，从而制成了模仿模具形状的图3的淬火用试样I。以凹槽底部的拐角部实质上不具有的圆角的方式，进行了立铣加工。在凹槽的拐角深处的三面角部2 (即部位A)和试样自身的角部3 (即部位B)的位置形成有用于插入热电偶的孔4，该热电偶用于实际测量该位置的温度TA、Tb。
[0046]将插入有热电偶的上述试样装入真空淬火炉中，并实施了表1的N0.1~N0.8的热处理模式的淬火。就加热工序的步骤而言，首先，将氮气导入已经成为真空的炉内，并在加压至200kPa的氮气环`境中实施了对流加热。然后，在部位B的温度Tb达到850°C以下的规定的均热工序温度时停止导入氮气，并开始将炉内抽成真空，在降压至70Pa左右的条件下进行加热直至使炉内温度达到1030°C的淬火温度。上述“850°C以下的规定的均热工序温度”是指，在各热处理模式中实施的一次或者多次的均热工序中，实施温度为850°C以下且最接近850°C的实施温度。而且，在将被加热至淬火温度的模具保持为该温度之后，通过将氮气导入炉内来开始进行淬火冷却。将氮气加压至400kPa，进行充分的冷却直至试样的部位A到达100°C以下，从而获得了马氏体的淬火组织。但是，在N0.6中进行了这样的淬火冷却:将氮气加压至600kPa，并以较快的冷却速度进行淬火冷却。表1表示在上述这些热处理模式中加热时部位A的温度Ta经过了相变点区时的温度Ta与部位B的温度Tb之间的温度差。而且，图4、图5分别表示在热处理模式N0.3,N0.7中加热时部位A、B的实际测量温度TA、Tb的变化以及它们的温度差。
[0047]表1
[0048]
【权利要求】
1.一种模具的淬火方法，在该淬火方法中，将模具加热至奥氏体区域的淬火温度后对模具进行冷却，其特征在于，
在将模具加热至淬火温度的加热工序中，在模具的表面温度最低的部位(A)的温度(Ta)经过相变点(Ac1)与相变点(Ac3)之间的温度区时使上述温度(Ta)与模具的表面温度最高的部位(B)的温度(Tb)之差在40°C以内，然后，对经过上述加热工序而被加热至奥氏体区域的淬火温度的模具进行冷却。
2.根据权利要求1所述的模具的淬火方法，其特征在于， 在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第I均热工序，该第I均热工序在上述温度(Tb)处于比相变点(Ac1)低且与相变点(Ac1)相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
3.根据权利要求1所述的模具的淬火方法，其特征在于， 在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第2均热工序，该第2均热工序在上述温度(Tb)处于相变点(Ac1)与相变点(Ac3)之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
4.根据权利要求1所述的模具的淬火方法，其特征在于， 在将上述模具加热至淬火温度的工序中，实施第I均热工序和第2均热工序；该第I均热工序在上述温度(Tb)处于比相变点(Ac1)低且与相变点(Ac1)相差50°C以内的温度区时实施，在该第I均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内；该第2均热工序在上述温度(Tb)处于相变点(Ac1)与相变点(Ac3)之间的温度区时实施，在该第2均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
5.根据权利要求2~4中任一项所述的模具的淬火方法,其特征在于， 在将上述模具加热至淬火温度的工序中，还实施第3均热工序，该第3均热工序在上述温度(Tb)处于比相变点(Ac3)高且与相变点(Ac3)相差50°C以内的温度区时实施，在该第3均热工序中，对上述模具的温度进行保持，以使上述温度Ta与温度Tb之差在20°C以内。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的模具的淬火方法,其特征在于， 在将上述模具加热至淬火温度的工序中，上述温度(Ta)经过相变点(Aca)与相变点(Αε3)之间的温度区时的升温速度为100°C /h以上。
【文档编号】C21D9/00GK103773936SQ201310503368
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2012年10月23日
【发明者】西田纯一 申请人:日立金属株式会社