要約：

金型の品種と規格が多く、形状が複雑で、表面粗さ値が低く、製造難易度が高い。金型の熱処理後に発生する変形は、金型の品質と寿命に深刻な影響を与える。熱処理中に亀裂が発生すると、金型が廃棄されます。そのため、金型の熱処理変形を低減し、防止し、その割れを回避することは金型熱処理作業者の重要な研究課題である。本文は金型の熱処理過程によく見られる変形と割れ欠陥を簡単に述べ、その発生原因を分析し、予防措置を提出した。

1.設計が合理的で、材料の選択が正しい

パート1

合理的な設計

金型は主に使用要求に基づいて設計されており、その構造は完全に合理的で均一な対称に達することができないことが多い。これにより、設計者はその性能に影響を与えずに金型を設計する際に有効な措置をとる必要があり、製造プロセス、構造合理性、幾何学的対称性にできるだけ注意する必要がある。

（1）鋭利なコーナーや厚みが有意に異なる部分は極力避ける

異なる厚さの形材、薄い縁、尖った角の使用は避けなければならない。金型の厚さと厚さの境界では、移行は滑らかであるべきです。これにより、金型断面の温度差を効果的に減少させ、熱応力を低下させ、断面上のミクロ構造転移の異なる時間変化を減少させ、ミクロ構造応力を低下させることができる。図1は、遷移フィレットと遷移円錐を使用した金型を示している。

（2）プロセスホールの適切な追加

断面の均一な対称性が保証されていない金型の場合、性能に影響を与えない場合は、貫通孔を貫通孔に変更するか、プロセス孔を適切に追加する必要があります。

図3 aは、急冷後に破線で示すように変形する狭いキャビティを有するダイを示す。設計中に2つのプロセスホール（図3 bに示すように）を追加することができれば、焼入れ中の断面の温度差が減少し、熱応力が減少し、変形状況が顕著に改善される。

図4もプロセス穴を増加させるか、非貫通穴を貫通穴に変換する例であり、これにより厚さの不均一性による亀裂感受性の増加を低減することができる。

（3）できるだけ閉じた対称な構造を使用する

金型形状が開放構造または非対称構造の場合、焼入れ後の応力分布が不均一で変形しやすい。そのため、変形しやすい溝型の場合は、焼入れ前にリブを残し、焼入れ後に切り落とすことをお勧めします。図5に示す溝状ワークは焼入れ後最初にRで変形し、リブ（図5中の陰影部分）を加えることで焼入れ変形を効果的に防止することができる。

（4）モジュール化構造の採用

形状と寸法が複雑な大型ダイ> ;400 mmと厚さが小さく、長さが大きいパンチは、複合構造を採用することが好ましく、これにより複雑性を簡略化し、寸法を小さくし、金型の内面を外面に変更することができ、冷熱加工を容易にするだけでなく、変形と割れを効果的に減らすことができる。

組合せ構造を設計する際には、通常、フィッティング精度に影響を与えないで、以下の原則に従って分解する必要がある：（1）厚さを調整し、分解後に顕著な差異がある金型断面が基本的に均一であることを確保する。

（2）応力集中が生じやすい領域で分解し、応力を分散し、クラックを防止する。

（3）プロセス穴と調和し、構造の対称性を確保する。

（4）それは冷間、熱間加工と組み立てに便利である。

（5）最も重要なのは可用性を確保することです。

図6に示すように、これは大型ダイである。全体構造を使用すると、熱処理が困難であるだけでなく、焼入れ後のキャビティ収縮が一致せず、凹凸エッジや平面変形を引き起こすこともあり、将来の加工では修復が困難である。したがって、組合せ構造を使用することができます。図6の破線によれば、4つの部分に分かれており、熱処理、研磨、マッチングを経て組み立て成形されている。これにより、熱処理が簡略化されるだけでなく、変形問題も解決される。

パート2

正しい材料選択

熱処理中の変形及び割れは使用する鋼材及びその品質と密接に関連しているため、金型の性能要求を満たす必要がある。金型の精度、構造と寸法などの要素、および加工対象の性質、数量と加工方法を考慮し、合理的な選択を行うべきである。一般的な金型に変形や精度の要件がなければ、炭素工具鋼を使用してコストを削減することができます。変形や割れやすい部品には、強度が高く、臨界焼入れ冷却速度が遅い合金工具鋼を選択することができ、図7は、電子部品プレス金型を示している。元のT 10 A鋼を採用し、水クエンチ油は冷間変形が大きく、割れやすいが、アルカリ浴クエンチキャビティは硬化しにくい。現在使用しているのは9 Mn 2 V鋼またはCrWMn鋼で、焼入れ硬度と変形の要件を満たすことができます。

このことから、炭素鋼金型の変形が要求を満たすことができない場合、9 Mn 2 V鋼やCrWMn鋼などの合金鋼に変更し、材料コストはやや高いが、変形と亀裂の問題を解決し、全体的にコスト効果があることがわかる。

材料を正確に選択すると同時に、原材料の検査と管理を強化し、原材料の欠陥による金型の熱処理割れを防止しなければならない。

パート3

技術条件を合理的に制定する

硬度要件を含むプロセス条件を合理的に制定することは、焼入れ変形や割れを防止する重要な方法である。局所焼入れまたは表面焼入れは使用要求を満たすことができ、できるだけ全体焼入れを避けるべきである。全体の焼入れ金型については、局所的な要件を緩和することができ、一致性をできるだけ避けるべきである。コストが高い、あるいは構造が複雑な金型について、熱処理が技術要求を満たすことが難しい場合、技術条件を変更し、使用寿命に影響の少ない要求を適切に緩和し、複数回の修理による廃棄を避けるべきである。

選定された鋼種について、その達成できる最大硬度は設計時に規定された技術条件とすることはできない。通常は有限サイズの小さな試料を用いて最高硬度を測定するため、これは実際のサイズの大きな金型が達成できる硬度とは大きく異なる。最高硬度を追求するには通常、焼入れ冷却速度を増加させ、焼入れ変形とクラックの傾向を増加させる必要があるため、より高い硬度を技術的条件として使用することは、小さな金型でも熱処理操作に一定の困難をもたらす可能性がある。簡単に言えば、設計者はその性能と選択された鋼種に基づいて、実用的で実行可能な技術条件を合理的に制定しなければならない。また、選択された鋼種の硬度要求を提出する際には、焼戻し脆性が生じる硬度範囲も避けなければならない。

2.プロセスの合理的な手配

加工と熱処理の関係を正しく処理し、プロセスフローを合理的に手配し、冷熱加工の協力を密接にし、金型の熱処理変形を減らす有効な措置である。

パート1

プロセスの合理的な配置の鍵

金型の変形は単純に熱処理の観点から解決できないものもありますが、考え方を変えると、プロセス全体から出発して、予想外の効果を得ることができます。図8は、非対称な形状のため、焼入れ中に顕著な変形と変形を示す半円金型を示している。焼入れ前にリングを1つに加工し、熱処理後に鋸砥石で2つに切断すれば、コストを削減するだけでなく、変形を減らすことができます。

パート2

特性に応じて加工マージンを予約する

加工中に変形は避けられない。変形特徴を把握し、加工残量を合理的に残すことができれば、熱処理操作を簡略化するだけでなく、後続の機械加工、特に研削の作業量を減らすことができる。図9は45鋼からなる成形型を示している。熱処理後、内孔は膨張しやすいので、機械加工時にあらかじめ負の公差を残して、熱処理が設計要求に合致することを確保しなければならない。

変形寸法と方向を事前に予測できない金型については、キャビティを設計寸法に加工する前に試験焼入れを行い、その変形特性に応じて加工マージンを予約することができます。

パート3

必要な応力除去焼鈍又は時効処理

精密金型では、切断や研磨による応力により変形やクラックが発生します。そのため、プロセスに応力を加えてアニールや時効処理を除去することで、変形を著しく減少させ、クラックを防止することができることが多い。例えば、細長い軸と複雑な形状を有する金型では、粗加工後に応力除去焼鈍を行い、切削応力を除去することが焼入れ変形の低減に非常に有効である。例えば、精密研削を必要とする金型の中には、熱処理と粗研削の後に時効処理プロセスを配置して、研削応力を除去し、寸法を安定させ、変形や割れを防止することができます。

3.合理的な鍛造と予熱処理

鋼中の帯状組織と成分偏析は往々にして金型の変形不均一を招き、焼入れ前の基体組織の状況も金型焼入れ前後の比体積差に影響を与える。一定の条件下で、鋼の中に構造がある品質は熱処理変形に影響する主要な要素となる。焼入れ変形を低減するためには、焼入れ中に有効な措置をとるほか、焼入れ前の鋼のミクロ組織を適切に制御しなければならない。

パート1

合理的な鍛造

実践により、合理的な鍛造は熱処理変形を減らし、金型の使用寿命を保証する鍵であることが証明された。CrWMn、Cr 12、Cr 12 MoVなどの合金鋼にとって特に重要である。このタイプの鋼が低変形を実現する前提は、鋼内の炭化物の偏析の程度を最小限に抑えるために完全に鍛造されていることである。そのため、以下の5つのステップから鍛造プロセスを正確に制御する必要がある：

（1）鍛造方法は複数の鍛造物を必要として成形することができ、一般的に高合金鋼は炭化物の破砕と均一分布を確保するために3回以上成形すべきである。

（2）鍛造比には一定の鍛造比が必要であり、例えば高合金鋼の総鍛造比は、一般に8〜10である。

（3）加熱速度を800℃程度にゆっくり昇温し、その後1100〜1150℃にゆっくり昇温する。加熱中は、均一な加熱と完全な燃焼を確保するために、ブランクを常に反転しなければならない。

（4）最終鍛造温度を制御する。最終鍛造温度が高すぎると、結晶粒サイズが大きくなりやすく、性能が悪くなる（最終鍛造圧力が低すぎると、塑性が低下し、帯状組織が形成しやすく、破断しやすくなる）。

パート2

よねつしょり

金型の変形や割れは、焼入れ中に発生する応力だけでなく、焼入れ前の元の組織や残留内応力にも関係しています。そのため、金型ブランクに必要な予熱処理を行わなければならない。

一般的に、T 7とT 8鋼で作られた小さな金型は、焼入れ中に容積膨張が発生しやすい。焼入れ及び焼戻し処理を事前に行って体積よりも大きな焼戻しソルビトール構造を得ると、焼入れ変形を低減することができる。高炭素鋼T 10とT 12鋼からなる比較的大きな金型では、焼入れ中に体積収縮が発生しやすいため、調質処理よりも良い効果を得るために球化焼鈍を採用しなければならない。

低合金工具鋼に対して、機械加工後に調質処理を行い、合金炭化物を均一に分布させ、組織を改善し、鍛造と原始組織の不利な影響を除去するのに良い効果がある。調質処理は均一に分布する炭化物と細粒度のソルバイト組織を得ることができ、元の組織の比体積を増加させ、これは鋼の力学性能を高めるだけでなく、変形を減らすのにも役立つ。高合金工具鋼（高クロム鋼など）の金型では、焼入れと焼戻しを行うと、焼入れ中に異なる程度の収縮が発生します。したがって、調質中の高温焼戻しを焼鈍処理に変更すれば、焼入れ後により良い結果を得ることができる。

予備調質合金構造鋼を使用すると、より高い硬度を得ることができ、焼入れ中の比体積変化を減らすことができ、これは焼入れ変形と割れを減らすのに有利である。低温焼鈍を用いて金型中の冷間加工応力を除去することは、焼入れと焼戻し処理よりも簡単で、サイクルが短く、酸化が少なく、同じプロセスを用いて異なる材料を処理することができる。

鍛造不良による炭化物ネットワークを除去し、焼入れ層の深さを増加させるためには、焼成処理を用いることができる。

以上のように、各種予熱処理は金型の膨張と収縮規則に従い、元の構造に対して予備調整を行い、機械加工応力を除去し、変形と亀裂を減少させるべきである。

4.合理的な熱処理技術を採用する

ワークの焼入れ変形を低減し、防止するためには、ワーク、材料の選択を合理的に設計し、熱処理技術の要求を制定し、ワークの熱加工（鋳造、鍛造、溶接）と予熱処理を正確に行う以外に、より重要なことは、熱処理の面で以下の問題に注意しなければならない。

（1）加熱温度を合理的に選択する

焼入れ硬度を保証する前提で、一般的にはできるだけ低い焼入れ温度を選択することが推奨されている。しかし、CrWMn、Cr 12 Mo鋼などの高炭素合金鋼金型については、焼入れ温度を適切に高めて焼入れ変形を制御することにより、Ms点を低下させ、残留オーステナイト含有量を増加させることができる。また、厚みの大きい高炭素鋼金型についても、焼入れ割れの発生を防止するために焼入れ温度を適切に高めることができる。変形や割れやすい金型についても、焼入れ前に応力除去焼鈍を行うべきである。

（2）合理的な加熱

加熱中の熱応力を低減するために、できるだけ均一な加熱を実現しなければならない。断面が大きく、形状が複雑で、変形要求が高い高合金鋼金型については、一般的に予熱または加熱速度を制限しなければならない。

（3）冷却方法と冷却媒体の適切な選択

できるだけ予冷焼入れ、分級焼入れ、分級冷却方法を選択します。予冷焼入れは細長い金型または薄い金型の変形を低減するのに良い効果があり、厚さの差が大きい金型に対しては、ある程度変形を低減する役割を果たすことができる。形状が複雑で断面が明らかに異なる金型には、分級焼入れを使用することが好ましい。高速鋼を580〜620℃で段階的に焼入れすれば、焼入れ変形や割れを実質的に回避することができる。

（4）焼入れ操作方法の正確な把握

金型の最も均一な冷却を確保し、最も遅い冷却面を液体に向けて移動させるために、ワークを媒体に急冷する方法を正しく選択して、最小抵抗の方向に冷却媒体に入ります。金型がMs点以下に冷却されると、移動を停止する必要があります。例えば、厚さが均一でない金型については、まず厚い部分を焼入れなければならない。断面の変化が大きいワークについては、プロセス穴を増やし、リブを残し、穴の中でアスベストを塞ぐことで熱処理変形を減らすことができ、凹面と凸面または貫通孔を有するワークピースについては、貫通孔内の気泡を除去するために、凹面と貫通孔を上向きに焼入れなければならない。