金型材料選定の総合ガイド：作業条件・構造・プロセス性能から見る最適解

従来の金型材料は、冷間加工金型材料、熱間加工金型材料、プラスチック金型材料の3種類に大別されます。金型材料の選定には、耐摩耗性、靭性、疲労破壊性能、高温性能、耐食性、熱疲労抵抗性が求められます。また、加工性能として鍛造性、大切削量対応、工具摩耗の少なさ、加工面粗さ、酸化・脱炭感受性、研削性、経済性も考慮すべき要件です。

現代の工業生産において、金型は基盤となるキープロセス装置です。金型の材質と製造技術は、成形品の高品質化と長寿命化を確保する鍵となります。金型材料の選定は、金型の具体的な作業条件と材料特性に基づいて行う必要があります。

金型は自動車、航空機、機電製品、家電、プラスチック製品など幅広い業界で使用されています。金型材料の種類は、金型寿命に影響を与える重要な要因の一つです。

金型の作業条件

1. 作業条件に応じた金型材料の選定

（1）金型の作業中、受ける衝撃力に応じて材料の靭性要件が変化し、要求される負荷容量に応じて材料の強度要件が変化します。

（2）熱間加工金型と冷間加工金型

熱間加工金型は作業中に高温と熱応力の影響を主に受けます。したがって、熱間加工金型材料には優れた耐熱疲労性と熱安定性が求められ、実際の作業温度に応じて適切な熱間加工金型鋼を選定します。

冷間加工金型は作業中に衝撃力と摩擦力の影響を主に受けます。したがって、冷間加工金型には優れた強度、硬度、靭性が求められ、一般的に冷間加工金型鋼が主材料として使用されます。

2. 一般的に金型材料選定は以下の要件を満たす必要があります：

（1）耐摩耗性。 精密プレス金型のキャビティ内でブランクが塑性変形する際、キャビティ表面に沿って流動・滑り、キャビティ表面とブランクの間に激しい摩擦が生じ、摩耗による金型破損を招きます。したがって、材料の耐摩耗性は金型の最も基本かつ最も重要な特性の一つです。

硬度は耐摩耗性に影響を与える主要因子です。一般的に金型部品の硬度が高いほど摩耗量は少なく、耐摩耗性に優れます。また、耐摩耗性は材料中の炭化物の種類、量、形状、大きさ、分布とも関係します。

（2）強靭性。 精密プレス金型の作業条件は過酷なことが多く、しばしば大きな衝撃荷重を受け、脆性破壊を起こす可能性があります。したがって、より高い強度と靭性が要求されます。

金型の靭性は主に炭素含有量、結晶粒度、組織状態に依存します。

（3）疲労破壊性能。 精密金型の作業中、長期間の繰り返し応力作用により疲労破壊が生じることがあります。その形態には、低エネルギー繰り返し衝撃疲労破壊、引張疲労破壊、接触疲労破壊、曲げ疲労破壊などがあります。

金型の疲労破壊性能は、主に強度、靭性、硬度、材料中の介在物含有量に依存します。

（4）高温性能。 精密金型の作業温度が高い場合、硬度と強度が低下し、早期摩耗や塑性変形による破損を招きます。金型材料には高い耐テンパリング安定性が求められ、作業温度において高硬度と高強度を維持できる必要があります。

（5）熱間・冷間疲労抵抗性。 一部の精密金型は作業中に繰り返し加熱・冷却され、表面にクラックや剥離が生じ、摩擦増大、塑性変形の妨げ、寸法精度低下を招き、金型破損に至ります。熱間・冷間疲労は熱間加工金型の主要な破損形態の一つであり、このような金型には高い熱疲労抵抗性が求められます。

（6）耐食性。 プラスチック金型など一部の精密金型では、プラスチック中の塩素、フッ素などの元素が加熱分解して強い腐食性ガスを生成し、金型キャビティ表面を侵食、表面粗さを増大させ、摩耗破損を悪化させます。

金型の構造的要因

異なる金型構造は、金型材料に異なる要求をもたらします。金型構造の違いに基づき、以下の方法で材料を選定できます：

（1）金型の精度要求が高いほど、加工時の変形を小さく抑える必要があります。したがって、具体的な加工精度に応じて、変形量の異なる金型材料を選定します。

（2）金型の熱処理工程において、加熱・冷却速度の均一性は断面積の影響を受けます。断面積が大きいほど均一性は悪化します。この条件下では、熱伝導性と焼入れ性に優れた材料を選定し、断面特性の均一性を確保する必要があります。

（3）金型形状が比較的単純で加工・成形が容易な場合、低コストの炭素工具鋼を主材料として選定できます。金型形状が複雑な場合、特定箇所に応力集中が発生しやすいため、高性能合金材料を選定し、合理的な焼入れ方法で加工する必要があります。

金型材料のプロセス性能

金型材料の製造性は、金型の製造コスト、性能、寿命に直接影響を与えます。

（1）鍛造性能。 通常、熱間加工金型の多くは鍛造で成形されます。鍛造温度範囲で変形抵抗が低く、成形性に優れた材料が望まれます。

（2）熱処理加工性。 材料の熱処理プロセスが良好であることが望まれ、高い焼入れ性が含まれます。大型鍛造金型では、高焼入れ性により断面全体で機械的特性をほぼ均一にできます。また、より穏やかな冷却媒質で焼入れ可能となり、クラックや歪みの傾向を回避または低減できます。さらに、熱処理中の酸化・脱炭傾向と結晶粒成長が小さく、熱処理変形が小さいことも望まれます。

（3）良好な成形性（切削・放電加工性）。 金型のキャビティや付属品の多くは切削やEDMで成形されるため、旋削、フライス、研削、EDM性能に優れた材料が求められます。大切削量と低工具摩耗の要件を満たす必要があります。また、修理を容易にするため、一定の溶接性も要求されます。

（4）焼入れ後、均一で比較的高い表面硬度を持つこと。

（5）酸化・脱炭感受性。 高温加熱において優れた抗酸化性能、緩やかな脱炭、加熱媒質に対する非感受性、ピット（凹み）が発生しにくいことが求められます。

（6）研削性。 研削クラックや研削傷が発生しにくいこと。

（7）焼入れ変形・クラック傾向。 焼入れ温度とワーク形状に非感受性で、従来の焼入れクラック感受性が低いこと。

（8）金型材料の選定は経済的要件も満たす必要があります。

金型材料の選定には多くの要因を考慮する必要があります。JTRは、お客様の具体的な要求に基づき総合的に検討し、専門的な提案を行います。JTRは金型設計から金型製造まで、専門的かつコストパフォーマンスに優れたサービスを提供します。世界中のお客様からのお問い合わせをお待ちしております。