ダイカスト金型用の高熱伝導率鋼「DHAThermo」の開発
河 野 正 道
井上幸一郎
1)
2)

.

はじ

めに熱交換器としての役割を果たすダイカスト金型において，

.

開 発 の 経 緯

熱伝導率の目標値

冷却の速さ，すなわち熱伝導率の高さは重要な実用性能であ

鋼材の冷却挙動に及ぼす熱伝導率 l の影響を，数値解析

る．近年，ダイカストの生産性向上と鋳造組織改善に対するによって見積もった結果を図に示す．対象は，直径と高さ

ニーズは更に厳格化しているが，目標達成を阻害する要因のが共に 80 mm で，内部に水冷回路を有する金型である．評

1 つが金型の高温度化である．金型の迅速冷却が実現すれ価項目は， 400 °C の均熱状態から表面温度が 200 °C に低下すば，焼付きや熱疲労亀裂の軽減，凝固速度の増大，によってるまでの所要時間とした．室温から 400°
Cにおける l(W /m/

生産性向上と鋳造組織改善が達成される．

K)の平均値は，JIS SKD61 が22，炭素鋼が45～50，純鉄と以上の理由から，銅合金やタングステン合金といった高熱タングステン合金 A が共に80程度である．冷却時間は，JIS伝導率材がダイカスト金型に適用されている．しかし，これSKD61 に相当する l＝22 を100として，比率で表現した．

らの合金は，金型素材の代表である JIS SKD61 に対して約l が 22 から80 へと 3.6 倍になると，冷却時間は30 短縮さ4 倍以上の熱伝導率を有する一方で，価格や機械的性質の制れ，タングステン合金 A の迅速冷却効果を裏付ける結果と約から適用範囲は限定される場合が多い．

なった．また，タングステン合金 A の半分に相当する 15 

著者らは，汎用性に優れた高熱伝導率材の開発によるダイの冷却時間短縮には， l を22 から37 へと 1.7 倍にすれば良い

カスト技術の支援を目的とし，熱間工具鋼の高熱伝導率化をことも分る．一方，l が 2 倍の44になって炭素鋼に匹敵する検討した．まず，熱伝導率が JIS SKD61 の 1.7 倍以上であ値となっても，冷却時間短縮は19に留まり，l＝37 との差れば，金型の迅速冷却に対する効果が大きいことを数値解析は比較的に小さい．

によって確認した．そして，合金元素が各種特性に及ぼす影
響 を 精 査 し ， 最 適 成 分 を 選 定 し た ． 以 上 に よ っ て ， JIS

以上より，冷却が速い熱間工具鋼 DHAThermo の目標値を，l＝37～40 とした．

SKD61 の1.7倍の熱伝導率を有し，ダイカスト金型に必要な強度と靭性も兼備した「DHAThermo」を開発した．
冷却の速さを最大の特徴とする DHAThermo の適用によって，型温低下や鋳造組織微細化など，高い熱伝導率の効果が実機において確認された．DHA Thermo は，型温分布を制御する新たな技術として，ダイカストに貢献している．

大同特殊鋼株式会社
研究開発本部特殊鋼研究所先進材料研究部
1)主任研究員
2)室長
Development of High Thermal Conductivity Steel `DHA
Thermo' for Die Casting; Masamichi Kawano, Koichiro Inoue(Daido Steel Co., Ltd.).
2008年10月31日受理

図1

金型の冷却時間に及ぼす熱伝導率の影響．

新技術・新製品

Cr の影響が支配的であった．0.4  C Si Mo V 鋼を対象と各種特性に及ぼす合金元素の影響

し，マルテンサイト臨界冷却速度に及ぼす Cr と Mn の影響

表は，ダイカスト金型用鋼に要求される代表的な特性に及ぼす元素の影響を示す．金型となった場合の強度や靭性だ
けでなく，効率的な機械加工には被削性が，大断面金型の内部においてもマルテンサイト組織を得るには焼入れ性が必要を図に示す．この図から，所要の焼入れ性を得るためのCr 量と Mn 量の見積もりが可能である．
図 2，図 3 および表 1 の結果に表面処理性なども加味し，DHAThermo の成分を決定した．

である．注目すべきは，高合金化による焼入れ性の向上が，靭性や強度を改善する一方で熱伝導率を低下させることである．DHA Thermo の開発においては，焼入れ性確保と高熱伝導率化という背反因子のバランス取りが課題であった．
図は，43 ～47HRC に調質した0.4 CMn Cr V 鋼を対. DHAThermo の基礎特性



熱伝導率

熱伝導率 l(W /m /K )の温度依存性を図に示す．ダイカ象とし，室温における熱伝導率 l に及ぼす Si と Mo の影響

スト金型の断面内温度範囲に相当する400°C以下に着目するを示す．従来の知見(1) と同様に， l は Si の増量によって著と， DHA Thermo の l は 37 程度であり， JIS SKD61 の 22しく低下した．一方，Mo の影響は非常に小さい．

に対して 1.7 倍となっている．この値は，図 1 に示した目標

焼入れ性に対しては Si ・ Mo ・ V の寄与が小さく， Mn とと合致しており，冷却能の大幅な改善が期待される．
表1

焼入れ性と衝撃値

0.4C 鋼の諸特性に及ぼす元素の影響．

元素 添加量/mass 熱伝導率 焼入れ性 衝撃値 2 次硬化 被削性

マルテンサイト臨界冷却速度は，JIS SKD61 の約1.3倍となる15 °C /min であった．焼入れ性はやや低下したが，図Si

0.03～0.99

↓

…

↓(↑)

↑

Mo

0.81～2.89

…

…

↓↑

↓

Cr

0.86～5.23

↓

↑↑

↓

↑

SKD61 よりも高位である．また， 4 °C / min を越える焼入れ

Mn1.00～1.98

↓

↑

(↓)

…

↓

速度では，大割れの危険性が低くなる 20 J /cm2 以上(2)となV

0.25～0.60…

…

…

↑…

る．

↑改善，↓劣化，…影響が小さいに示す通り， ESR などを用いて製造された特殊溶解材よりは 低 位 で あ る が ， 一 般 的 な 溶 解 方 法 で 製 造 さ れ た JIS

以上より，DHA Thermo が，焼入れ性確保と高熱伝導率化という背反因子を同時に実現した鋼であることが分る．

図2

熱伝導率に及ぼす Si と Mo の影響．

図3

焼入れ性に及ぼす Cr と Mn の影響．

ま て り あ 第48巻 第 1 号(2009)Materia Japan

図4

図5

熱伝導率の温度依存性．

衝撃値の焼入れ速度依存性．



表2

小型設備を用いた鋳造テストの条件．

項
ダイカストマシン

目

条メーカー

件

備考株
東芝機械

容量型締力 135 ton

Al 合金

ADC12温度700°
C

重量650±15 g

概形

122 mm×122 mm×14 mm

低速

0.2 m/s

高速1.6 m/s

累計

25～30 s1 サイクル ダイタイマー，t7～12 s

溶湯
保持炉

鋳造品

射出離型剤スプレー

3.5 s

入子11㍑/min

スプルーコア

2 ㍑/min

冷却水

図7

ダイタイマーと金型温度の相関．

図8

ビスケット部表面の鋳造組織．

0.5 MPa
13～16°
C

金型の熱伝導率を1.7 倍にすれば，型温低下と凝固速度増大に大きな期待ができることを，小型設備の鋳造テストによって確認した．
実際に，複数のダイカスターにおいて，DHA Thermo の適用による型温低下と鋳造組織微細化が確認された．内部冷却や外部冷却の適正化と併せれば，冷却能の更なる改善が期
図6

鋳造テストにおける DHAThermo の適用部位．

待 で きる ． 型温 制 御の 自 由 度を 増 す技 術 とし て ， DHA 

Thermo はダイカストに貢献している．

.
.

今 後 の 展 開迅速冷却の実機検証
DHA Thermo 適用の効果や弊害などを事前に予測し，使小型設備による鋳造テストの条件を表および図に示い方をユーザーに提案するための手段として，湯流れ解析なす．実生産における鋳造時間短縮の課題は，最終凝固位置にどの数値計算技術を用いた型温の予測にも積極的に取り組んなることが多いビスケット部の迅速冷却である．そこで，スでゆく方針である．また，ダイカスト以外にも，迅速冷却とプルーコアに JIS SKD61 と DHA Thermo を適用し，金型高温強度が必要な用途への適用を検討する．

温度と鋳造組織を比較した．
キャビティ内で溶湯を固化させる時間 t (ダイタイマー)を

.

特許変化させた場合の，スプルーコアの温度を図に示す．測温には放射温度計を用い，離型剤スプレーの直前に測定した．

本 件 に 関 す る 出 願 は ， 特 願 2006 234659 ， 特 願 2007 t ＝ 9 s で比較すると， DHA Thermo の温度は JIS SKD61001932，特願2007
176341，特願2008
087706，の 4 件である．

より140°C低く，冷却能に顕著な差異が現れている．

t＝9 s の条件を対象とし，ビスケット部表面の鋳造組織を

文

献図に示す．観察位置は，スプルーコアと接触していた面の中央付近である．DHA Thermo を適用した場合の鋳造組織が微細な理由は，スプルーコアが溶湯から熱を奪う速度が増加し，凝固速度も増したためと考えられる．

( 1 ) 特開2004
183008.
( 2 ) 井上幸一郎，大藤 孝，市岡雄二，荒木利彦電気製鋼，76(2005), 287292.

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