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ぷらすとす（日本塑性加工学会会報誌）第 4 巻

第 41 号（2021―5）

金型長寿命化技術の最前線

小特集号

解 説

冷間鍛造用金型の寿命改善
Improvement of Die Life for Cold Forging
E. MURAI

D. MORITA

1.

村井映介* 森田大貴*に大きく異なる．また，作業者，使用環境の変化や金型のはじめに加工方法等さまざまな要因が存在する．その原因を調査す
ることは，金型の寿命向上に非常に重要で，特に損傷金型鍛造技術は自動車産業の発展とともに進化してきた．冷の観察は必要である．

間鍛造は 1950 年代に導入され始め，今日に至るまで大量
1),2)

．

図 2 は破損した金型の破面である．破面を観察すること

近年においても生産コスト低減の要求は非常に厳しく，冷によって起点と割れの進展方向を把握することができ間鍛造でのネットシェイプ化がこれまで以上に求められてる13),14)．また，図 3 のように SEM を用いてさらに拡大すいる．

ることにより，異物混入などを確認することも可能である．

生産のプロセスとして日本のものづくりを支えてきた鍛造は他の加工法と比較すると生産性で非常に有効であ

破損した金型の他に可能であれば鍛造品の観察も必要でるが，金型が短寿命であればその有効性も失われ，他の加ある．成形不良によって，想定以上の面圧が負荷している工法に置き換えられることになる．生産性の向上のために場合がある．鍛造品表面の観察から明らかにできる場合もも金型の寿命改善は非常に重要である．

あるが，材料内部の変形は断面の鍛流線の観察でのみ明ら

冷間鍛造金型の寿命に関してはこれまでも多くの報告がされ，金型破損の要因が複雑であることが示されている3)∼12)．よって，あるアイテムに行った寿命対策が，必ずしも類似品に適用できるとは限らない．そのため，部品ごと，生産現場ごとに観察などの検証をしっかりと行った上で対策する必要がある．
ここでは，冷間鍛造金型の破損の分類とその原因，対策について事例を交えながら示す．ここで示す事例はあくまでも一例である．

2.
2．1

図2

破損した金型の破面

金型の損傷とその対策金型の損傷と観察

金型の損傷形態は大きく分類すると割れ（図 1 ⒜），焼付き（図 1 ⒝），摩耗，変形である5),7)．それぞれの形態についてさらに細かく分類をすることができる．割れは，亀裂，コーナーの欠けなどに，変形は膨らみ，曲がりなどに分類することができる．このような破損形態は製品や金型ごと

図1

図3

SEM による金型破面の観察

金型の破損

原稿受付 2021 年 2 月 10 日
* ㈱ニチダイ 宇治田原工場〒610-0201 京都府綴喜郡宇治田原町禅定寺塩谷 14
E-mail: murai@nichidai.co.jp

図432

鍛造品断面の鍛流線

Bulletin of the JSTP vol. 4 no. 41（2021―5）

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かにすることができる．図 4 はある鍛造品断面の鍛流線を観察した例である．この観察によってデッドメタルの発生を確認することができる．
2．2⑴割れ+各損傷形態に対する対策
割れの対策としては応力集中を低減させるために金型形状や構造，鍛造工程の変更があげられる．図 5 は折

図6損した穴入れパンチである．断面減少率は 40%，穴の細長

スクロール金型の割れ

比 は 3. 4，パ ン チ 材 質 は 粉 末 ハ イ ス，鍛 造 品 の 材 質 はSWCH35 である．これまでは約 30,000 ショットで寿命と焼入れ温度を 1145 ℃から 1120 ℃，保持時間を 42 分からなっていた．

32 分，焼入れ媒体をガスから油に変更し，結晶粒の微細化，

穴入れパンチについては偏心による曲げ応力で損傷する粒界炭化物析出とベイナイト成長を抑制することによる靭ことが報告されており，偏心量と曲げ応力には一定の関係性の向上を試みた．その結果，寿命は約 2.8 倍の約 85,000があることが示されている3)．この場合も偏心による曲げショットまで向上した．図 7 はシャルピー試験によって衝応力が折損の原因と考えられた．図 5 ⒞に示すようにすで撃値を調べた結果である．ガスによる冷却では 50 J/cm2に穴入れ工程の前にへそを設けていたが，パンチとのクリであったが，油冷却に変更することで，ベイナイトの生成アランスは 0.0875 であった．今回，偏心による曲げ応力をが抑えられ，200 J/cm2 まで衝撃値が上昇し，狙い通りの低減する目的でこのクリアランスを 0.0375 mm に変更し結果となった．図 8 は組織の観察結果であるが，ガス冷却たところ，約 47,000 ショットまで寿命が向上した．

ではベイナイトの点在が確認できるが，油冷却の場合ではベイナイトの生成は見られなかった．

割れの対策として応力集中の低減の他に型材や熱処理条件の変更による靭性の向上があげられる．1970 年ごろよ

図 9 は硬度のばらつきを示したものである．図は 4 箇所

り切削工具鋼として開発された SKH51 などの高速度工具測定した結果である．ガス冷却ではばらつきが大きいが，鋼（ハイス）が冷間鍛造にも使われるようになった．最近

油冷却ではばらつきは小さくなっている．

では SKH51 に対して靭性を改良したマトリックスハイス

これまでは，鍛造工程あるいは金型材料の熱処理を見直や粉末ハイスなどが各材料メーカーより開発されていすことによって，寿命改善をした事例を示した．次に金型る15)∼18)．

加工が金型寿命に及ぼす影響について示す．冷間鍛造型で

図 6 はスクロール成形金型の異形部に発生した縦割れで，は金型の面粗度は疲労寿命に大きく影響することが報告さ

この割れにより平均 30,000 ショット以下で寿命となっていた．型材はマトリックスハイスである．工具鋼などでは焼入れの速度が靭性に影響することが報告されているが19)，
この場合も靭性の向上を狙って，焼入れ条件を見直した．

図7

図5

穴入れパンチの折損

図833

衝撃値の比較

組織写真

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図9

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硬度のばらつき

れている20)．金型の面粗度は金型の仕上げ工程であるラップ磨きが大きく関わっている．図 10 はスクロール金型のラップ磨きについて示したものである21)．ラップ機による自動磨きを行った後に手動によるラップ磨きを行っている．
異形形状の場合は手動による磨きとなるため，不具合が起きやすい．図 11 は磨きの不具合によって発生したスクロール金型の割れの例である．その他にも，図 12 に示すように直彫りのツールマークが残留し，そこを起点に割れが

図 12発生した例もある．

ラップ工程の不具合によるツールマークの残留ラップ工程は放電層の除去にも必要である．図 13 に示
す型彫り放電加工では表面を溶かしながら加工するため，加工後の表層に放電層が残る．この放電層は溶融して凝固するため引張りの残留応力となる．図 14 のようにラップ工程によって取り切れなかった残留放電層は引張りの残留応力のために割れの原因になるので注意が必要である．面
粗度とともにこの残留応力も疲労寿命に大きく影響することが報告されており，放電層の除去は重要である22)．
図 15 はある金型の型彫り放電後とエアロラップ，ラップ工程後の残留応力を比較したものである．測定にはパル

図 13

放電加工

図 14

残留放電層

ステック工業㈱のポータブル型 X 線残留応力測定装置（μX360s）を使用した．型彫り放電後は引張りの残留応力であるが，磨きにより圧縮の残留応力に変化している．最近
は電極の製作と管理が不要となるため，型彫り放電から直彫りへの工法置換が進んでいる23)．放電層がないため，残留応力が圧縮になりやすく有効である．

⑵焼付き・摩耗 焼付きや摩耗は金型と鍛造品の接触状況が大きく影響し，金型の形状や材質，表面処理や潤滑の状態によって大きく状況は異なる24),25)．焼付きは金型の硬度をあげることが有効で24)，SKH51 では炭化物量が影響す
図 10ることが報告されている26)．図 16 はマトリックスハイス

ラップ工程21)をディスクとし，SCM420 をピンとして行ったピンオンデ
ィスク試験の結果である．ラップ処理はすぐに焼付きが発生したが，電子ビームにより表層部を硬化した場合は 1 時間のÌ動でも焼付きは発生していない．ピンオンディスクによる検証をそのまま冷間鍛造に適用することはできないが，表層硬度が焼付きに影響することがわかる．

図 11

硬度をあげる点では超硬が焼付きに対して効果があるとラップ工程不具合によるスクロール金型の割れ

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図 17
図 15309

使用後のベベルギアの金型

金型加工工程ごとの残留応力の比較

図 16

図 18

据込みパンチの焼付き

図 19

セレーション部摩耗焼付きの比較の報告もある7)．図 17 はベベルギア（ピニオン）の金型で，超硬を用いている．表面処理は施していないが，素材のリン酸亜鉛皮膜と二硫化モリブデンにより焼付きが防止できており，約 120,000∼170,000 ショットで寸法許容限界に達して寿命となる．
焼付きについては型材の硬度をあげることが有効である
が，表面処理はさらに有効でバナジウム炭化物（VC）の表
26)

面処理で効果があるとの報告もある ．その他に窒化チタン（TiN）が比較的早くから利用されているが，最近ではこの例でも超硬を使用，TiN を PVD により処理を施して数多くの硬質皮膜が開発されている27)．

使用していた．しかし，10,000 ショットでランド部の摩耗

図 18 は据込みパンチに発生した焼付きである．当初はに よ り 寿 命 と なっ た．そ こ で，よ り 高 硬 度 で 低 摩 擦 のSKH51 にビッカース硬さ 1,800 HV，酸化温度 550 ℃のTiCN を CVD（Chemical Vapor Deposition）により処理しTiN を PVD（Physical Vapor Deposition）により処理してたところ，50,000 ショットまで寿命が向上した．また，いたが，13,000 ショットで焼付きが発生した．そこで，型PVD により，高温酸化性にすぐれた AlCrN 系の処理を施材はそのままで酸化温度 1,200 ℃，HV3,500 のアルミニウしたものも使用したが，こちらも 50,000 ショットまで寿命ム（Al）系の表面処理に変更したところ，96,000 ショットが向上し，効果が大きかった．

まで寿命が向上した．

摩耗や焼付きは鍛造品の品質に大きな影響がでるが，工図 19 は抜きパンチセレーション部の摩耗の状態を示し具の破損にもつながることがある．図 20 は焼付きが破損ている．材質は SKH55 で表面処理は施してなく約 8,000の一因になったと思われる例である．この例では底厚を薄∼15,000 ショットで摩耗が発生していた．そこで，PVDく設定したことによりダイ内圧が高くなったこと，ダイとにより TiN のコーティングを実施したところ，約 3 倍ののクリアランスが広いことで円周方向応力が高くなったこ

約 50,000 ショットとなった．摩耗に対しては VC 被覆がとが要因と考えられた．この問題に対しては底厚を 1 mm7)摩耗に対して効果を示す報告があり ，PVD によるバナジ程度厚くし，焼付きを防止するために PVD による表面処

ウム（V）系の表面処理も試した．こちらも効果があり約理を追加した．表面処理は鍛造品との接触部の他外周部に30,000 ショットであった．

も追加し，ダイとのクリアランスを小さくした．これらの図 19 の例ではカウンターパンチも寿命対策を行った．

対策により，焼付きは防止でき，寿命も約 200 ショットか摩耗に対する超硬の効果に関する報告はいくつかあるが，ら約 30,000 ショットに向上した．
35

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ぷらすとす（日本塑性加工学会会報誌）第 4 巻

第 41 号（2021―5）ってこの処理剥がれは解消し，約 20,000 ショットでも表面処理の剥がれは発生しなかった．

3.

おわりに鍛造は大量生産のプロセスとして自動車を中心とする日本の産業を支えてきた28)．近年もネットシェイプを目指し
図 20た冷間鍛造技術は進化しており，今後の日本の産業を支え，パンチの縦割れ国際競争力を高めていかなければならない．そのためには金型寿命は非常に重要である．鍛造，塑性加工に限らず金図 21 はパンチの摩耗が欠けにつながった例である．多型の破損はさまざまな要因が複雑に絡み合っている．本稿

くの場合，型材の変更や表面処理によって対策とする．し

で示した寿命対策はあくまで一例に過ぎず，その他のアイかし，この場合は鍛造工程で発生するバリを抑えることでテムにそのまま適用することは難しい．しかし，多少でも摩耗を防止し，欠けを防ぐことができた．バリは前工程の読者の参考になるものと思い，示させていただいた．

カウンターパンチ位置の調整で抑えることができ，寿命は

参

約 30,000 ショットから約 100,000 ショットに向上した．

面の表面処理が剥がれた例であるが，これは金型同士の接触によるものである．パンチ側面の処理を剥がすことによ

図 22

文

献

1）小坂田宏造：素形材，60-2（2019），38-46．
2）小坂田宏造：素形材，60-3（2019），60-67．
3）石原康正・楠兼敬・大西利美・鈴木隆充：塑性と加工，5-38（1964），210-216．
4）石原康正・楠兼敬・大西利美・鈴木隆充：塑性と加工，5-39（1964），257-264．
5）山田通・北島宣誠・松波宗治：塑性と加工，12-122（1971），197-204．
6）北島宣誠・服部一郎・口田勝彦・芳賀郁雄：塑性と加工，15-166（1974），938-942．
7）岩崎功：塑性と加工，23-261（1982），984-989．
8）松井正廣：第 209 回塑性加工シンポジウムテキスト，（2002），41-49．
9）松田徹：第 209 回塑性加工シンポジウムテキスト，（2002），65-71．
10）濱家信一：第 230 回塑性加工シンポジウムテキスト，（2004），45-51．
11）濱家信一：素形材，53-7（2012），33-36．
12）鈴木敏孝・小出宏・遠藤剛・市石賢司：第 68 回塑性加工連合講演会講演論文集，（2017），145-146．
13）江原隆一郎・武田圭祐・岩本将英・藤本英明・小倉篤・
濱家信一：材料，60-11（2011），1009-1014．
14）前田雅人：ぷらすとす，2-19（2019），407-410．
15）松田幸紀：塑性と加工，42-480（2001），3-7．
16）横井大円：塑性と加工，48-553（2007），85-90．
17）並木邦夫：塑性と加工，50-582（2009），597-601．
18）福元志保・小畑克洋：塑性と加工，54-630（2013），570-574．
19）井上幸一郎：塑性と加工，49-569（2008），501-505．
20）村松勁・夏目喜孝：塑性と加工，20-225（1979），957-961．
21）Murai, E.：51th Plenary Meeting of ICFG,（2018），177-184.
22）竹本誠・河原淳二・小坂田宏造：2019 年度塑性加工春
季講演会講演論文集，（2019），65-66．
，411-415．
23）村井映介：塑性と加工，57-664（2016）24）北村憲彦：第 325 回塑性加工シンポジウムテキスト，（2017），1-5．
25）五十川幸宏・土屋能成：塑性と加工，39-455（1998），1207-1211．
26）土屋能成：ぷらすとす，2-19（2019），397-401．
27）仁平宜弘：ぷらすとす，2-19（2019），402-406．
28）石川孝司：ぷらすとす，3-28（2020），194-198．

表面処理は摩耗などに対して効果があるが，処理の範囲には注意が必要である．図 22 は 10,000 ショットでダイ内

図 21

考

パンチ表面の摩耗と欠け

ダイ内面の表面処理の剥がれ

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