金型で使われる金属の選定と特性

鋼種 金型

はじめに

金型は製造業において重要な役割を果たしており、その性能は使用される金属の特性に大きく依存しています。金型に使用される金属の種類、特性、選定基準、およびそれぞれの金属がもたらす利点や特徴について書いてみます。

金型に使用される主要な金属

金型にはさまざまな金属が使用されますが、主に以下のものが一般的です。

工具鋼

工具鋼は、高い硬度と耐摩耗性を持ち、切削工具や金型などの工具を製造するために使用される特殊な鋼の総称です。工具鋼は、炭素鋼や合金鋼にさまざまな合金元素を添加することで、その特性を向上させています。
工具鋼は、製造業におけるさまざまな工具や金型の材料として不可欠な存在です。適切な工具鋼の選定により、工具の寿命を延ばし、効率的な生産を実現することができます。

工具鋼の分類

工具鋼は、用途や使用条件に応じていくつかのカテゴリに分類されます。主な分類には以下のものがあります。

炭素工具鋼 (Carbon Tool Steel)

炭素工具鋼は、炭素含有量が高く、高い硬度を持つ鋼です。一般的には炭素含有量が0.5%から1.5%の範囲で使用されます。このタイプの工具鋼は、比較的安価であり、熱処理によって硬度を高めることができます。しかし、高温での耐久性や靭性は他の工具鋼に比べて劣ることが多いです。

合金工具鋼 (Alloy Tool Steel)

合金工具鋼は、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステンなどの合金元素を添加することで、性能を向上させた工具鋼です。これにより、炭素工具鋼に比べて高温での硬度保持や靭性、耐摩耗性が向上します。一般的な例として、D2鋼やO1鋼が挙げられます。

高速度工具鋼 (High-Speed Steel, HSS)

高速度工具鋼は、非常に高い硬度と耐熱性を持つ工具鋼で、切削工具など高速で動作する工具に適しています。HSSには、タングステン系(例:T1鋼)やモリブデン系(例:M2鋼)のものがあります。これらは、高温でも硬度を保ち、耐摩耗性が非常に高いため、長時間の使用が可能です。

工具鋼の特性

工具鋼の選定には、以下の特性が重要です。

硬度 (Hardness)

工具鋼は、硬度が高いことで優れた切削性能と耐摩耗性を提供します。硬度は一般的にロックウェル硬度(HRC)で評価され、高速度工具鋼などはHRC60以上の硬度を持ちます。

靭性 (Toughness)

靭性は、工具鋼が衝撃や急激な負荷に耐える能力を示します。靭性が不足すると、工具が割れたり欠けたりするリスクが高まります。合金工具鋼は、靭性が高く、耐衝撃性に優れています。

耐摩耗性 (Wear Resistance)

耐摩耗性は、工具が摩耗に対してどれだけ抵抗できるかを示します。高速度工具鋼やD2鋼などの合金工具鋼は、優れた耐摩耗性を持ち、長寿命です。

耐熱性 (Heat Resistance)

高温環境下での性能保持が求められる場合、耐熱性が重要です。高速度工具鋼は、高温でも硬度を保持し、長時間の使用が可能です。

熱間工具鋼

熱間工具鋼は、高温環境で使用される工具や金型の製造に適した特殊な鋼種です。この鋼種は、高温での強度と靭性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れていることが特徴です。
また、熱間工具鋼は、その高温強度、耐熱衝撃性、耐摩耗性、靭性により、工具や金型の寿命を延ばし、生産効率を向上させます。H13鋼、H11鋼、H21鋼など、具体的な用途に応じて最適な材料を選定することが重要です。

熱間工具鋼の特徴

高温強度

熱間工具鋼は、高温下でも硬度と強度を保持する能力が求められます。この特性により、高温での加工や成形作業において変形や摩耗が少なく、工具寿命が延びます。

耐熱衝撃性

急激な温度変化に対する耐性も重要です。熱間工具鋼は、頻繁な加熱と冷却サイクルに耐えられるように設計されています。これにより、工具の割れや破損のリスクが低減されます。

耐摩耗性

高温環境で使用されるため、摩耗に対する耐性も必要です。熱間工具鋼は、表面硬度を保ちながら摩耗を最小限に抑えることができます。

靭性

靭性は、工具が衝撃や高負荷に対して破壊されないために重要です。熱間工具鋼は、高温でも優れた靭性を持ち、工具の信頼性を向上させます。

代表的な熱間工具鋼の種類

H13鋼

H13鋼は、最も広く使用されている熱間工具鋼の一つです。以下はH13鋼の主な特徴です:

  • 成分:クロム、モリブデン、バナジウムを含む中合金鋼。
  • 特性:優れた耐熱性、高温での硬度保持、良好な靭性。
  • 用途:アルミダイカスト用金型、熱間鍛造用工具、射出成形金型。
H11鋼

H11鋼は、H13鋼に似た特性を持つ熱間工具鋼ですが、若干の違いがあります:

  • 成分:H13鋼よりもクロム含有量が低い。
  • 特性:H13鋼に比べて靭性が高く、衝撃に対する耐性が優れている。
  • 用途:航空宇宙部品、熱間押出金型、耐衝撃工具。
H21鋼

H21鋼は、タングステンを多く含む熱間工具鋼です:

  • 成分:タングステン、クロム、バナジウムを含む。
  • 特性:非常に高い耐熱性と耐摩耗性を持つが、靭性は他の熱間工具鋼より低い。
  • 用途:高温での連続作業が必要なダイカスト金型、熱間剪断工具。

熱間工具鋼の用途

ダイカスト金型

アルミニウム、マグネシウム、亜鉛などの金属のダイカスト成形において、金型は高温で使用されるため、熱間工具鋼が適しています。H13鋼が一般的に使用されます。

鍛造工具

鍛造工程では、高温の金属を成形するため、工具が高温にさらされます。H11鋼やH13鋼が使用され、耐熱衝撃性と靭性が求められます。

熱間押出金型

熱間押出成形において、金型は高温の金属を押し出す際の摩耗や熱衝撃に耐える必要があります。H11鋼やH21鋼が選ばれることが多いです。

冷間工具鋼

冷間工具鋼は、冷間での加工や成形作業に使用される工具や金型の製造に適した特殊な鋼種です。冷間工具鋼は、高硬度と優れた耐摩耗性を持ち、比較的低温での加工に適しています。以下に、冷間工具鋼の詳細について説明します。

冷間工具鋼の特徴

高硬度

冷間工具鋼は、高い硬度を持つことが重要です。高硬度により、切削や成形作業において工具が長期間使用可能となり、耐摩耗性が向上します。

耐摩耗性

冷間加工では工具が多くの摩擦を受けるため、耐摩耗性が必要です。冷間工具鋼は、この特性に優れており、長寿命の工具を提供します。

靭性

硬度だけでなく、適度な靭性も重要です。靭性が不足すると、工具が衝撃や負荷によって割れやすくなります。

寸法安定性

冷間工具鋼は、熱処理後の寸法安定性が良好であるため、加工精度が求められる工具や金型に適しています。

代表的な冷間工具鋼の種類

D2鋼

D2鋼は、冷間工具鋼の中でも広く使用される鋼種です。

  • 成分:高炭素、高クロム鋼。
  • 特性:非常に高い硬度と耐摩耗性を持ち、耐腐食性にも優れる。
  • 用途:パンチング工具、プレス金型、切削工具。
O1鋼

O1鋼は、油焼き鋼として知られる冷間工具鋼です。

  • 成分:高炭素鋼にタングステン、クロムを添加。
  • 特性:比較的安価であり、熱処理が容易で、硬度と靭性のバランスが良い。
  • 用途:小型のパンチ、シャー刃、彫刻刀。
A2鋼

A2鋼は、空冷焼入れが可能な冷間工具鋼です。

  • 成分:中炭素鋼にクロム、モリブデンを添加。
  • 特性:良好な耐摩耗性と靭性を持ち、熱処理後の寸法安定性が高い。
  • 用途:パンチング工具、プレス金型、スナップダイ。

冷間工具鋼の用途

パンチング工具

パンチング工具は、金属シートに穴を開ける際に使用されます。D2鋼やA2鋼が一般的に使用され、高硬度と耐摩耗性が求められます。

プレス金型

プレス金型は、金属のプレス加工で使用されます。冷間工具鋼は、繰り返し使用されるための耐久性を提供します。D2鋼やO1鋼がよく使用されます。

切削工具

冷間工具鋼は、ドリル、タップ、エンドミルなどの切削工具にも使用されます。高い硬度と靭性により、切削性能と耐久性を向上させます。

シャー刃

シャー刃は、金属のシートやストリップを切断する際に使用されます。D2鋼やA2鋼が適しており、鋭い刃先と耐摩耗性が重要です。

金属の特性と選定基準

金型に使用される金属の選定には、以下の特性が考慮されます。

硬度と耐摩耗性

金型は繰り返し使用されるため、高い硬度と耐摩耗性が求められます。工具鋼や一部の特殊合金はこれらの特性を備えています。

耐熱性

高温で使用される金型には、熱間作業鋼のような高い耐熱性が必要です。この特性は、金型の長寿命化に寄与します。

靭性

金型が衝撃や急激な温度変化に耐えるためには、適度な靭性が重要です。靭性が不足すると、金型が破損しやすくなります。

加工性

金型の製造プロセスにおいて、金属の加工性も重要な要素です。硬度が高すぎる材料は加工が難しく、製造コストが増大する可能性があります。

主要な金属の比較

以下に、金型で使用される主要な金属の特性を表にまとめます。

金属種類硬度耐摩耗性耐熱性靭性加工性
工具鋼
熱間工具鋼
冷間工具鋼

具体的な用途と事例

プラスチック成形用金型

プラスチック成形用金型には、P20工具鋼がよく使用されます。この材料は適度な硬度と加工性を兼ね備えています。

ダイカスト用金型

アルミダイカスト用金型には、H13熱間作業鋼が選ばれます。高温での優れた耐久性と靭性が求められます。

プレス加工用金型

プレス加工用金型には、D2冷間作業鋼が使用されます。高い硬度と耐摩耗性が特徴です。

ブランド対照表

ブランド対照表は別の記事にありますので、ご確認ください。

まとめ

金型に使用される金属の選定は、最終製品の品質や製造効率に直結します。適切な金属を選定することで、金型の寿命を延ばし、コスト削減と生産性向上を実現することが可能です。本論文では、主要な金属の特性とその適用範囲について述べましたが、具体的な選定には個別の要求仕様や条件を考慮する必要があります。

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