FB加工に使われる冷間工具鋼

「最新ファインブランキング技術の現状と展望」
FB 加工に使われる冷間工具鋼
ウッデホルム ㈱ 日 原 政 彦
FB 用金型に用いられる冷間工具鋼は、現在各種の製鋼法によって作られており、その特長を生かして付加価値
の高いプレス部品の製造に大きく寄与している。冷間工具鋼における技術動向ならびに諸特性について述べる。
工やナノ加工の進展に伴い、素材結晶粒の微細化、均
1．はじめに
質化、内部欠陥レベルの極限化などが図られ高機能化
プレス金型関係業界の出荷額は、金型産業全体の
や高品質化の達成は益々重要な技術課題になっている。
39％（1,821 億円、18 年度、全体：4,669 億円）を占め、
ここでは、素形材産業にとって重要な役割を担って
国内ではプラスチック成形金型と同様に大きな市場規
いる金型材料の中でも、冷間工具鋼における製造技術
模を持っている。日本の金型産業は「モノづくり」の
の動向ならびに工具鋼の諸特性について概要を述べる。
基盤技術を担い非常に高度な技術的ノウハウが蓄積さ
れた技術領域であり、これらの金型から生み出される
2．冷間工具鋼の技術動向
各種の高品質な製品は、産業界の発展に大きく貢献し
冷間金型用工具鋼の鋼種には、溶製鋼、粉末鋼、ス
ている。
プレーホーミング（Spray Forming、SF と言う）鋼な
今日の自動車産業は、軽量化や安全対策の需要から
どにより製造されている。図 1 は、冷間金型用工具鋼
プレス用工具鋼においても薄肉化や高強度化の進歩が
の使用要求項目および材料特性要因を示す。
著しい。特に、自動車ボディー、メンバー部品や構造
プレス部品や製品の製造には、非常に多岐にわたる
部品では、高強度ハイテン（高張力鋼板）の使用が増
加工手法があり、その各加工技術領域では求められる
加している。それらの進歩発展に伴い冷間工具鋼に求
特性が異なるものの、安定製品の製造には材料の安定
められる、各鋼種の材料特性・機能性も高度化してき
化、高品質化および高機能化が求められている。
ている。
一般的にユーザから求め
られる工具鋼の特性は、金
型の使用目的により、（1）
耐 摩 耗 性、（2）耐 欠 け 性、
（3）焼付き性、
（4）耐クラッ
ク性、
（5）熱疲労特性、
（5）
耐鏡面性、（5）シボ加工性、
（6）耐 疲 労 特 性、（7）機 械
加 工 性、（8）耐 食 性、（9）
溶接性などがあり、各産業
分野・使用用途別に工具鋼
の品質向上や改善が図られ
ている。
また、工具鋼においても、
加工技術の進歩、超微細加
図 1 冷間金型用工具鋼の特性要因
最新ファインブランキング技術の現状と展望
このように工具鋼の製造技術は、ユーザの求める製
鋼素材の主要元素成分と生地組織のコントロールによ
品品質の高級化に伴い素材性能も改善され、機械的特
り機械加工性を向上させている。
性、物理的特性、化学的特性、機械加工性や溶接性な
図 3 は、各種の冷間工具鋼における耐摩耗性と耐
どの諸特性が改善されている。
チッピング特性との関係を示す。
また企業では、工具鋼に対して機械加工性、リード
通常の溶製鋼は、粉末鋼や SF 鋼に比べ、粗大炭化
タイムや生産性向上のために各種の諸要求を満たす材
物の存在と組織の不均一性により靭性低下や耐チッピ
料の提案が多い。
ング性が低下する。なお、現在製造されているウッデ
工具鋼の品質向上は、合金設計、凝固シミュレーショ
ホルム社製の粉末工具鋼は、第 3 世代の高清浄化粉末
ンによる特性改善や不純物濃度の低減化と新溶解法の
鋼であり、高品質な粉末素材から工具鋼に製造され、
開発（ESR、VAR、P-ESR などの再溶解プロセス）に
高靱性と耐摩耗性の向上した素材が提案されている。
よって高性能で高品質な鋼種を製造している
1）
, 2）
, 3）
。
図 4 は、冷間工具鋼に主として使用される粉末工具
3）
図 2 は、工具鋼の疲労限に及ぼす炭化物および介在
鋼の製造技術の変遷を示す 。今日では不純物や非金
物サイズの変化を製法プロセスの違いから示す。工具
属介在物の少ない高い清浄度を持った微粉末と焼結過
鋼の溶解プロセスの違いにより、素材中に存在する介
程による結晶粒微細化および高硬度炭化物の微細分散
在物や炭化物サイズは異なり、溶解・製法プロセスの
化製法を併用することにより、生地の延性・靭性、耐
開発・改善により欠陥サイズの微細化が達成され、そ
焼付き性および耐チッピング特性を向上させている。
れに伴い疲労強度は増加する傾向を示す。
図 5 には、各種の第 3 世代粉末工具鋼（VANADIS
また、素材中の不純物濃度の減少（清浄化の改善）
系）と溶製工具鋼（SKS、SKD 12、SKD 11）との衝撃
と炭化物の微細化は、切り欠き靭性の向上や耐チッピ
値に与える炭化物形態の変化を示す。
ング特性が著しく改善されるために、今日では、合金
粉末鋼種は、炭化物の微細分散化や組成調整などに
より、衝撃値が従来材に比べ各試験方向ともに著しく
図 4 粉末工具鋼の時代的変遷
図 2 工具鋼の疲労限と炭化物・介在物サイズの関係
図 3 冷間工具鋼の位置付け
図 5 粉末工具鋼の衝撃値と組織観察
向上している。
し、冷間や熱間工具鋼が製造され、現在では、径 500
今日の冷間工具鋼は、自動車車体の軽量化、燃料消
×長さ 2,500 mm 程度（約 3 トン）のビレットが作ら
費率の改善、安全性の要求から、ボディー鋼板への高
れている。
張力鋼（700 から 500 MPa 程度のレベル、ヨーロッパは
この方法は製造コストの低減、省エネルギーが達
1,000 MPa 程度を使用）の適用範囲が増加している。鋼
成されるばかりか、ミクロ偏析、空孔の減少および
板の高強度化に伴ない冷間工具鋼は、硬さの向上、耐
高い添加元素濃度の工具鋼製造（冷間材料、高速度工
摩耗性、切欠き靭性ならびに耐チッピング特性などの
具鋼など）が可能になり、耐摩耗性を要求される冷間
諸特性が求められる。
工具鋼、ロール材、切断刃、破砕刃、建設機械や特
なお近年では、冷間工具鋼であっても、ガラス混入
殊用途の産業機械、機械構造用部品などに効果を発
樹脂製品の需要増加に伴いプラスチック成形用金型と
揮している。
して高炭素系の合金工具鋼が耐摩耗性、耐かじり性や
図 7 は、SF 法により製造された冷間工具鋼と通常の
耐焼付き性の改善に寄与している。
溶製材（SKD 11）における組織の比較を示す。SF 法に
図 6 は、SF 法による工具鋼の製造方法とインゴッ
よる素材は、非常に微細な組織が得られる特徴があり、
ト（ビレット）を示す。この製法は、溶融金属を特殊
初晶炭化物の成長も少なく均一な分散状態を示す。
なアトマイザーから溶融金属を噴霧しながら、ベース
図 8 は、各種の冷間工具鋼における耐摩耗性評価を
プレート上を回転させて連続的にビレットを積層させ
ピン・オンディスク試験で行った結果を示す。
4）
る製造方法である 。
2 種類の SF 工具鋼は、他の粉末鋼や溶製鋼に比べ非
この製造方法は、従来アルミニウムや銅素材の製
常に良好な耐摩耗性を示している。
造に適用されていたが、工具鋼への製造技術が確立
図 9 は、粉末冷間工具鋼と溶製鋼の 20 万ストローク
図 6 スプレーホーミング法（SF 法）による工具鋼の製造
4）
図 8 冷間工具鋼の耐摩耗性の比較
スプレーホーミング（SF 法） 通常溶製法
図 7 スプレーホーミング（SF）法による鋼種と
通常溶製法（SKD 11材）の組織比較
図 9 粉末冷間工具鋼と溶製鋼との耐摩耗性の比較
最新ファインブランキング技術の現状と展望
表 1 冷間金型用工具鋼の適用領域
操業製品数
（目安）
摩耗発生形態・鋼種選択
凝着摩耗
（Adhesive)
混合摩耗
（Mixed）
引掻き摩耗
（Abrasive)
ARNE（SKS）
54 ∼ 56 HRC
CARMO
54 ∼ 60 HRC
ARNE（SKS）
54 ∼ 6 HRC
CALMAX
54 ∼ 60 HRC
中期サイクル
（ミドルラン）
CALMAX
54 ∼ 58 HRC
RIGOR（A2，D12）
SVERKER 21
54 ∼ 62 HRC
（D2, SKD11）
CALDIE 58 ∼ 60 HRC 58 ∼ 62 HRC
長期サイクル
（ロングラン）
VANADIS 6
56 ∼ 62 HRC
VANADIS 6
60 ∼ 64 HRC
短期サイクル
（ショートラン）
ARNE（SKS）
54 ∼ 62 HRC
SVERKER 3（D1)
58 ∼ 62 HRC
VANADIS 6
60 ∼ 64 HRC
表 2 自動車用鋼板のブランキング推奨材料
被加工材
（HT: High tensile
strength steel）
軟 鋼（MS）
高張力鋼
（通常 HT）
高張力鋼
（エクストラ HT）
高張力鋼
（ウルトラ HT）
被加工材の
材料強度
（TS:MPa）
冷 間 工 具 鋼の
種類・選択
特記
（クリアランスなど）
< 250
CALMO, CALMAX,
SLEIPNER
ダイ，クリアランス：
板厚の 4 ∼ 6 ％
250 ∼ 450
CALMO, CALMAX,
SLEIPNER, CALDIE
ダイ，クリアランス：
板厚の 5 ∼ 8 ％
450 ∼ 500
CALMO, CALMAX,
CALDIE
500 ∼ 700
SLEIPNER, VANADIS4,
VANADIS6
700 ∼ 1,400
SLEIPNER, VANADIS6
ダイ，クリアランス：
板厚の 7 ∼ 10 ％
硬さ：58 ∼ 64HRC
ダイ，クリアランス：
板厚の 10 ∼ 14 ％
硬さ：60 ∼ 64 HRC
終了後のエッジ部分の摩耗を比較した結果を示す（材
被加工材の材質、強度、硬さにより使用する冷間工
料強度、1,400 MPa の高張力鋼で比較）。粉末鋼は通常
具鋼の選択が異なり、各製造方法により最適な鋼種を
の溶製鋼に比べ、非常に安定した操業とエッジの摩耗
選択しなければ有効な結果が得られない。
の少ないことが明確になる。
粉末冷間工具鋼は、生地に M 6 C（1,700 HV）および
参考文献
VC（2,800 HV）炭 化 物 が 微 細 に 均 一 分 散 し た 形 態 に
1 ）H. J. Spries: 5th international Conference on Tooling,
なっていることから、摺動摩耗、焼付き、チッピング
などが長時間の操業においても非常に少ない。また、
エッジの形状も非常に安定した形態を示す。
そ れ に 比 べ て、SKD 11（AISI D 2）や CALDIE、
CALMAX などの溶製材は靭性が粉末鋼に比べ高いが
Sep（1999）25.
2 ）清水崇行他：電気製鋼, Vol. 76, No.4（2005）229.
3 ）日原政彦：型技術別冊, 5 月（2005）83.
4 ）C. Spregelhauer: 6th international Conference on
Tooling, Sep（2002）923.
炭化物形態が不均一分散していることからエッヂの摩
耗が著しい。
表 1 および表 2 は、冷間金型用工具鋼の適用領域を
一般材料の製造数と自動車用鋼板への適用事例を各々
示す（弊社ブランド名記載）。
ウッデホルム株式会社
http://www.uddeholm.co.jp/
〒105−0003 東京都港区西新橋 3−16−11 愛宕イーストビル 10 F
TEL 03−5473−4641 FAX 03−5473−7691