NACHITECHNICALREPORT

Materials

28B5

Vol.

October/2014■ 新商品・適用事例紹介

温熱間金型用鋼

マテリアル事業「DURO-FZ」
Hot or warm forging die steel "DURO-FZ"〈キーワード〉

温熱間金型用鋼・マトリックスハイス
高靭性・耐熱性

マテリアル事業部／技術開発部

長谷川 誠

Makoto Hasegawa

吉田 直純

Naozumi Yoshida

マテリアル事業部／技術開発部

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

要旨

NACHIマテリアル事業部では、冷間および温熱間における各種成形加工用金型材として、精密型用鋼「DUROシリーズ」を商品化している。

1. 高品質・高性能の金型材料ニーズに応えて

今回、「DUROシリーズ」の新商品として、靭性金型の主要ユーザーである自動車関連メーカーと耐熱性を高度にバランスさせた温熱間金型用においては、部品の軽量化、高性能化を背景とし鋼「DURO-FZ」を開発した。独自の特殊溶解技て、部品となる素材の難加工化、複雑形状化、高術により、一般的な金型材よりも靭性、耐熱性に精度化がすすみ、また一方で生産性向上を狙った優れており、過酷な環境下で使用しても、割れや多様な加工法の開発もすすむ中で、金型、そしてヒートチェックが発生しにくく、優れた寿命が得ら金型材料に対するニーズがますます高度なものにれるのが大きな特長である。

なっている（図1）。
また、使用環境によって金型に必要な特性は異なるため、用途にあわせて最適な金型材料を使

Abstract
NACHI Materials Division has been marketing the“DURO series”for precision die materials of both cold and hot stampings.
As a new product in the“DURO series”,
NACHI has developed“DURO-FZ”for the hotstamping die material that maintains the highlybalanced toughness and heat-resistance.  Becauseof the unique melting technology,“DURO-FZ”
exceeds the general die material in toughness andheat-resistance, and cracks and heat checks areunlikely to occur under the harsh environment,
achieving the superb longevity.

用する必要がある。NACHIは、ユーザーの金型使用環境にできるだけ適用できるよう、材料特性バランスを変えた8鋼種を、「DUROシリーズ」として販売している。

図1

1

温熱間金型の一例

2.「DUROシリーズ｣における｢DURO-FZ｣の位置づけ「DUROシリーズ」は、独自の特殊溶解技術をベースに製造された、高品質・高性能の金型材

N1
SKD61

良好

FZ料であり、破壊の原因となる非金属介在物や炭いる。

F1
靭性化物偏析を可能な限り少なくした材料となって

冷間プレス
冷間鍛造用

V2F3

「DUROシリーズ」の各鋼種の特性位置づけをに優れた鋼種からなり、冷間から温熱間領域までSKH40
SKH51

図2に、「DUROシリーズ」の概要を図3に示す。
「DUROシリーズ」は、靭性と耐摩耗性のバランス

V5F7

温熱間鍛造用

SP

耐摩耗性
良好

図2 「DUROシリーズ」の特性位置づけの多様な使用環境に適用できるようシリーズ化されている。
今回新たに商品化した「DURO-FZ」は、温熱間鍛造金型の寿命向上を狙って開発した鋼種であり、靭性および耐熱性に優れるのが大きな特長である。

冷間主な用途

鋼種名

硬さ範囲

冷間打抜
パンチ

DURO-SP

60〜67HRC

高耐摩タイプ ハイス系

粉末ハイス以上の耐摩耗性を有しながら、良好な靭性を有する

DURO-V556〜62HRC

高靭性・高耐摩タイプ ハイス系

マトリックスハイスの靭性と粉末ハイスを超える耐摩耗性を兼ね備える

DURO-V2

58〜62HRC

超高靭性タイプ マトリックスハイス系

DUROシリーズの中で最高の靭性を有し、疲労強度にも優れる

DURO-F759〜65HRC

DURO-F357〜62HRC

転造工具
冷間鍛造

温熱間鍛造
熱間DURO-F154〜60HRC

DURO-FZ

54〜58HRC

DURO-N150〜54HRC

分類

特長

高靭性でありながらMax.65HRCの高硬度が得られる
高靭性タイプ マトリックスハイス系

F1とF7の中間的特性で、良好な耐摩耗性と靭性を有する
60HRCクラスの金型材料として最高の靭性を有する
硬さと耐衝撃性のバランスが極めて高い

高靭性タイプ 熱間ダイス鋼系

高温強度に優れると同時に、高い靭性を有する

図3 「DUROシリーズ」概要

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2

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

3. 温熱間金型に必要な特性

4. ｢DURO-FZ｣の特長「DURO-FZ」は、マトリックスハイスに属する。

「DURO-FZ」の主な用途として考えている温熱

一般にマトリックスハイスは、ハイス（高速度工間金型に必要な材料特性を示すために、熱間鍛具鋼）に比べて炭化物を大幅に減らしたもので、造ダイ損傷発生プロセスの例を図4に示す。

ハイスよりも靭性が高く、金型用の素材として図4に示すような、金型表面の温度上昇による多用されている。

軟化から、ヒートチェックの発生を経てクラック「DURO-FZ」は、成分や製造方法に配慮する伸展に至るという損傷を抑えるには、硬さの低ことで、既存マトリックスハイスより靭性および下を抑えるために軟化抵抗の高い材料が有効で耐熱性を向上させている。

ある。また、ヒートチェックの伸展を抑えるために、疲労強度の高い材料（具体的には介在物や1）優れた靭性炭化物が小さくて少ない材料）が有効である。

「DURO-FZ」の衝撃値を図5に、抗折力を図6に示す。
「DURO-FZ」は、成分や製造方法に配慮し、応力集中部となりうる粗大炭化物を少な破壊プロセスの例くすることで、高い靭性を有している。

熱間鍛造ダイ成形面のヒートチェックとクラック

加工数の増加とともにヒートチェックとクラックが発生「DURO-FZ」および既存鋼種の「DURO-F1」のミクロ組織写真を図7に示す。組織写真で白く観察される炭化物が、「DURO-FZ」は「DURO-F1」に比べて少なくなっていることが分かる。

成形面拡大

素材サイズ：φ50350300

プロセス②
ヒートチェックの発生

プロセス③
クラック伸展①ワークと接触する成形面表層の硬さが低下。
これにより、表層部が塑性変形したり、著しい摩耗が発生する②硬さの低下により、金型表層に熱疲労による微細なクラックいわゆるヒートチェックが発生しやすくなる③使用条件によっては、それを起点として大きな割れに至る

衝撃値（J/cm2）

プロセス①
軟化の発生

250200
DURO-F3
DURO-F1
DURO-FZ
DURO-N1
マトリックスハイス

150
100505052

成形面のヒートチェックとクラックを抑えるには高い軟化抵抗特性が有効
凝集しにくい炭化物を含む材料が有効

図5

プロセス② 熱疲労によるヒートチェックを抑える

耐熱性を高めるために重要な因子は、内部に含まれる炭化物の種類と量であり、高温下でも凝集しにくい炭化物を靭性を下げない程度にできるだけ多く含有させることが重要である。
F3，F1，FZ，
N1は、汎用の熱間ダイス鋼SKD61や、近年多用されているSKD61の改良鋼などに比べ、高い耐熱性を有する。

図4

熱間鍛造ダイ破壊プロセスの例

58

素材サイズ：φ5065435052545658

硬さ（HRC）【試験条件】 ３点曲げ試験
試験片サイズ ：5×10×60
ストローク速度：3mm/min

支点間距離：50mm

図6 「DURO-FZ」の抗折力
360｢DURO-FZ｣の衝撃値

DURO-F3
DURO-F1
DURO-FZ
DURO-N1
マトリックスハイス

7

抗折力（GPa）

お勧めポイント！

56【試験条件】 シャルピー衝撃試験
試験片サイズ：5×10×60
ノッチ：なしプロセス① 温度上昇による硬さの低下を抑える

高温での高い疲労強度が有効
介在物＆炭化物が小さく、かつ少ないクリーンな材料が有効

54

硬さ
（HRC）

60

2）優れた耐熱性

3）優れた耐ヒートチェック性「DURO-FZ」の赤熱硬さを図8に示す。赤熱「DURO-FZ」の耐ヒートチェック性試験結

硬さとは、焼入焼戻しした材料を、焼戻し温度よ果を図9に、ヒートチェック試験片の表層ミクり少し高い温度（650℃）で長時間保持し、そのロ組織写真を図10に示す。ヒートチェックと後室温で硬さを測定したものである。焼戻し温は、温熱間金型を使用していくに従って表面に度より高い温度に保持するので、初期の硬さよ発生する微細なクラックのことで、金型表面のりも基本的に低下するが、その低下具合が少な加熱と冷却の繰り返しにより発生する。ヒートいほど耐熱性が高いということになる。

チェックを抑えるには、高硬度であることが最「DURO-FZ」は耐熱性の高い材料であり、比も重要で、次に靭性が高いことが重要となる。

較として記載したSKD61やSKD61改良鋼より優

図9および図10は、700℃加熱と水冷を1,000回れていることが分かる。

繰り返して、ヒートチェックの発生状況を評

DURO-FZ

価したもので、「DURO-FZ」は、比較材に比べ

DURO-F1て、クラックの発生、伸展が小さく、耐ヒートチェック性に優れていることが分かる。

ヒートチェック試験片の表層ミクロ組織写真
0.1mm

図70.1mm

DURO-FZ｢DURO-FZ｣と｢DURO-F1｣のミクロ組織
素材サイズ：φ506050硬さ（HRC）

DURO-F10.1mm

DURO-N14030

DURO-F1
DURO-FZ
DURO-N1
SKD61改SKD612010024

SKD616810

マトリックスハイス

12650℃保持時間（hr）【試験条件】 赤熱硬さ試験
試験片サイズ：10×10×10 加熱炉：大気電気炉（650℃）

最大ヒートチェック長さ（mm）

図8 「DURO-FZ」の赤熱硬さ
0.20
0.18
0.16
0.140.120.100.08
0.06
0.04
0.020.00

素材サイズ：φ50

試験条件 ヒートチェック試験【試験条件】 ヒートチェック試験

試験片サイズ：
φ20×5［700℃×3s加熱→水冷×10s］
φ20×5（700℃×3s加熱→水冷×10s）
試験片サイズ：×1,000回 ×1000回

図10

DURO-F1 DURO-FZ DURO-N1
56HRC
58HRC
53HRC

SKD61
48HRC

｢DURO-FZ｣の耐ヒートチェック性

マトリックスハイス
57HRC【試験条件】 ヒートチェック試験
試験片サイズ：φ20×5（700℃×3s加熱→水冷×10s）
×1,000回

図9 ｢DURO-FZ｣の耐ヒートチェック性
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4温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

5. ｢DURO-FZ｣の使用事例｢DURO-FZ｣ 製熱間鍛造ダイをユーザーに次に、比較調査後のダイ表層のミクロ組織写試作いただき、現行材（SKD7改良鋼）との比較

真を図12に示す。両材とも、ヒートチェックの調査を実施した。比較調査後のダイ外観を図11

発生が確認されるが、その長さは ｢DURO-FZ｣に示す。30,000ショット後の外観を比べると、の方が短いことが分かる。
「DURO-FZ」の耐熱｢DURO-FZ｣ の損傷の程度が、現行材に比べて性の高さにより、ヒートチェックの発生が抑制軽微であることが分かる。

され、損傷の程度が軽微になった例である。

成形面拡大

DURO-FZ

SKD7改良鋼
欠け
微小な欠け

図11

30,000ショット使用後の熱間ダイ成形面外観

DURO-FZ

SKD7改良鋼0.1mm

図12 30,000ショット使用後の熱間ダイ表層ミクロ組織5微小な欠け0.1mm

6. ｢DURO-FZ｣の熱処理
1）焼入れ焼戻し硬さ曲線

油冷却を推奨するが、加圧ガス冷却の場合は、「DURO-FZ」の焼入れ焼戻し硬さ曲線を図できるだけ冷却能力の高い設備の使用が望ま13に 示 す。
「DURO-FZ」の 標 準 使 用 範 囲 の 硬しい。ソルトバスの場合は、550℃前後の熱浴さは54 ～ 58HRCである。推奨熱処理条件は、冷却の後、さらに低温の200℃程度での熱浴冷耐摩耗重視と標準、靭性重視の3条件を基本的却が必要となる。金型の肉厚としては、50mmに提示してある。最高焼入れ温度は1,160℃であ程度を超えた場合、２段冷却を推奨している。

り、これを超える温度で熱処理すると、過熱組織となって靭性が大幅に低下するために注意が必要である。

【ソルトバス熱処理】

1,100℃

AC：空冷（Air cool）

850℃

2）熱処理パターンの例

熱浴急冷
550℃

「DURO-FZ」の熱処理パターンの例を図14

内外均一になるまで580℃

AC580℃
ACACに示す。図14では、処理するワークの肉厚を基準に、焼入れと焼戻しの標準的な加熱時間を提示している。ワークの形状や炉の設備能力、積載量等によって調整が必要になるため、参考値とお考えいただきたい。

3）熱処理時の注意点「DURO-FZ」は、比較的大型の金型に使用されるケースが多く、焼入れ冷却速度が不足するとベイナイト組織が発生し、靭性を損なうリス

A（s）A（s）

T（min）

ポイント◎塩浴温度が大きく下がる時は、浸漬時間を長めにする

標準的な加熱時間
ワークの厚みD（mm）

浸漬時間A
（s）

〜 10

12×D

60

10〜 25

10×D

90

25〜 508×D

120

50〜 757×D

150

75〜100

6×D

180

100〜

5×D

210クがある。そのため、真空炉、雰囲気炉の場合、硬さ（HRC）

60

浸漬時間T（min）【真空炉熱処理】1,100℃（N2パージ）×A（min）
870℃
×660℃ 40min
GC×30min

62T
（min）

GC：ガス冷（Gas cool）
580℃

58580℃
GCGC

焼入れ温度

56

1,160℃
1,140℃
1,120℃
1,100℃
1,080℃

54
52
50

焼直20min 20min 10min

70min T（min）

70min T（min）

ポイント◎焼入れ冷却速度は、可能な限り速くする◎加熱時間を過剰に長くしない

540

560

580

600

620

焼戻し温度
（℃）

推奨熱処理条件

標準的な加熱時間
ワークの厚みD（mm）

保持時間A（min）〜 10〜1590

10〜 2515〜20120

保持時間T（min）

焼入れ（℃）

焼戻し（℃×回）

硬さ（HRC）

25〜 5020〜25150

耐摩耗重視

1,140560×257.5

50〜 7525〜30

150

標準

1,120580×2

5675〜10030〜35180

靭性重視

1,100600×2

53.5

100〜35〜180

狙い

図13 ｢DURO-FZ｣の焼入れ焼戻し硬さ曲線

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図14

熱処理パターンの例

6

7.「DURO-FZ」の用途展開
精密型用鋼「DUROシリーズ」の新商品である温熱間金型用鋼「DURO-FZ」は、発売開始以来、靭性および耐熱性の高さにより好評を得ている。
「DURO-FZ」の使用が、ユーザーでの金型コストの削減に貢献できれば幸いである。

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October / 2014〈発行〉2014 年 10 月 20 日株式会社 不二越 技術開発部
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