技術解説

金型の損傷形態と寿命向上対策
辻井

1．緒言

信博*

場合，熱影響も含む）や金型の硬さとこれら4つの損傷形態との関連を示した概念図である。変形は，負荷応力が高コンロッド，ギヤなどの自動車部品，アルミサッシなどい場合や金型の硬さすなわち強度が低い場合に起こり易の住宅用材，スプーンやペットボトルなどの身近な日用品，く，一方，割れは負荷応力が高い場合において，金型の硬さらにプリント基板やリードフレームなどの電子部品に至さが高いほど発生し易い。これら変形や割れが発生する場るまでそれらを製造するために不可欠なのが金型である。

合の型寿命が比較的短いのに対し，摩耗は，比較的長寿命

それら金型の製作コスト低減や寿命向上は，製品のコストな金型に見られる損傷形態である。疲労破壊は図1に示す低減や品質向上に直接反映されることから，金型に関するように，変形，割れおよび摩耗現象に囲まれる条件で起こ技術改善は私たちの暮らしにとっても重要な意味を持ってる現象であり，数千から数万ショットでき裂が大きく進展いる。

するいわゆる

本稿では，各種素材の造形加工に不可欠な金型について，低サイクル疲労現象と見なされている。

冷間金型に見られる微小割れ，欠け，チッピング（微小欠その使用中に発生する損傷形態を分類，考察し，現在得らけによる摩耗）の殆どはこの疲労破壊によるものと考えられている知見を基に型寿命向上のための対策を整理した。

れる。また，熱間金型のヒートチェックも，熱サイクルに起因した低サイクル疲労現象である。

2．金型の損傷形態

一般に，このような疲労破壊は，金型の硬さを高めるほど抑制される傾向にあり，それに従って型寿命が向上し，冷間金型の寿命要因（廃却要因）には，摩耗，焼付き，損傷形態も疲労破壊から摩耗へ移行する。ただし，実用的割れ，折れ，欠け，変形などが挙げられる。また，熱間金には，図1に示すように限界の硬さ（図中の実用最高硬さ）型の場合は，摩耗，ヒートチェック（熱疲労き裂），割れ，が存在している。詳しくは後述するが例えば，冷間金型お欠け，変形，へたりさらにダイカスト型の場合，溶損など

よび熱間金型の場合，それぞれ62〜64HRC，53〜55HRCも寿命要因として挙げられる。このような冷間および熱間辺りがそれに相当する。

金型に観られる基本的な損傷形態は，摩耗，変形，疲労破3．金型用工具鋼に求められる特性

壊および割れの4つに分類できる。
図1は，金型の使用環境すなわち負荷応力（熱間金型の3・1

工具鋼の顔（ミクロ組織）

鍛造や鋳造時などの厳しい環境にも耐え得るように設計された特殊鋼が，いわゆる

割れ

変形
負荷
応力・
熱影
響

工具鋼である。JISでは，工具鋼を炭素工具鋼，合金工具鋼および高速度工具鋼の3つ疲労破壊に分類しているが，本稿では，冷間工具鋼と熱間工具鋼と実用最高硬さに分けてそれぞれに求められる特性を説明する。
まず，図2が冷間工具鋼SKD11と熱間工具鋼SKD61の光学顕微鏡組織，つまり各工具鋼の特性を示す
冷間および熱間工具鋼の基地組織は摩耗型寿命延長顔である。

マルテンサイトと呼ばれる硬くて粘い金属組織である。工具鋼の場合，このマルテンサイト基地に非常に硬い炭化物が多数析出しているのが特徴である。しかしSKD11とSKD61とでは，炭化物金型の硬さの析出状態が異なっており，図2に示すようにSKD11には，図1 金型使用環境と金型損傷形態との関係（概念図）*技術研究所

高合金鋼グループ，工博

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金型の損傷形態と寿命向上対策

冷間工具鋼：SKD11

熱間工具鋼：SKD61
マルテンサイト

炭化物
マルテンサイト

50 µ m
図220 µ m

工具鋼の光学顕微鏡組織

白い大きな炭化物が多数存在している。特に数十ミクロン
Cr %の大型炭化物は，基地に比べ3倍近く硬いCr7C3であり，これは金型の耐摩耗性改善に非常に有効である。しかし，こステンレス鋼
耐熱鋼

15

れら大型炭化物は，一つひとつが非常に脆いうえに鋼材中に一定方向に連なって分布する傾向にあるため，金型の靭性を低下させることになる。

10

冷間工具鋼

図3は，各種特殊鋼の位置付けを主要元素であるCとCrで整理したものである。図3から明らかなように，冷間工
5

具鋼は，耐摩耗性を重視するために，硬い炭化物が多数分熱間工具鋼

高速度工具鋼（Mo,W,V,Coも多く含む）布するよう高C−高Cr鋼の設計となっている。一方，熱間工具鋼は，一般に金型サイズが大きく，熱環境が負荷され合金鋼
炭素鋼

0るため，むしろ靭性を重視するように中C−中Cr鋼という0炭素工具鋼

0.5設計となっている。

1.0

図3

以上のように工具鋼の大まかな特性（強度，靭性，耐摩1.5

2.0 C %

各種特殊鋼のCとCr量

焼戻し

焼入れ
γ +C

A1点

Ms点

α +C

M +γ R + C

α ：フェライト
γ ：オーステナイト
M ：マルテンサイト
M’：焼戻マルテンサイト
γ R：残留オーステナイト
C ：炭化物（一次／二次）

M’ + C

20 µ ma）焼なまし組織b）焼入組織図4c）焼戻組織

QCM8の焼入焼戻パターンと組織変化

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金型の損傷形態と寿命向上対策

二次硬化耗性）は，基地のマルテンサイトと硬質炭化物の分布状態70によって決定される。
3・2

特性を引出す大切な熱処理

工具鋼に要求される特性は，一言でいえば

65

硬くて粘いということである。具体的には，冷間工具鋼には耐摩耗性，硬さ（HRC）

高温での前記特性に加え耐熱性，耐酸化性が要求される。
焼入焼戻しである。この焼入焼戻処理の良否は金型寿命に大きく影響することから極めて重要である。
図4は，冷間工具鋼QCM8の焼入焼戻パターンと組織変な解説は省くが，焼入れまま（ｂ）では， 硬いが非常にい組織であり焼戻し（ｃ）により，初めて1.3%

550.4%

5045化を示した図である。ここでは熱処理条件についての詳細
脆い組織

Mo,W,V,Nb60

静的強度，疲労強度，靭性が要求され，熱間工具鋼には，これらの特性を引出す熱処理がC

40

硬くて粘冷間工具鋼
熱間工具鋼が得られること，および各熱処理条件の最適値は，35鋼種や使用条件によって多少異なることを認識しておかな

as.Q 100 200 300 400 500 600 700
焼戻温度（℃）

ければならない。

図5 各種工具鋼の焼戻硬さ特性

図5は，種々の冷間工具鋼，熱間工具鋼の焼戻硬さ特性である。図5に示すように焼入硬さは，ほぼC量で決定される。焼戻温度が上昇するに従い硬さは低下する傾向にあるが，中に500℃辺りから再び硬さが上昇する鋼種がある。

を引起こすため，割れの発生する危険性が大きくなる。

冷間工具鋼SKD11や熱間工具鋼SKD61がその代表である。
この現象は， 二次硬化

4．冷間金型の損傷形態と寿命向上対策と呼ばれ，Mo,W,V,Nbなどの炭化物の微細析出に起因している。工具鋼に要求される特性で4・1ある静的強度，疲労強度，靭性，耐摩耗性に及ぼす焼戻硬早期割れ

図6に冷間金型の割れに対する対策を整理した。早期割さの影響はかなり明らかとなっており，硬さが工具鋼の特れは，靭性不足による場合と強度不足による場合とがある。

性を知るうえで非常に有効な評価指標となっている。

両者に共通する対策は，加工条件や金型形状を見直すこと

例えば，図1に示したように，金型の硬さが上昇するにが抑制され，さらに疲労により金型への負荷応力を低減することである。一方，金強度も向上することから，損傷形態は変形→疲労破壊→摩型の硬さ設定や鋼種選定は，その原因により対策が正反対耗へと移行する。しかし，硬さの上昇は，逆に靭性の低下となる。割れの原因が靭性不足か，強度不足かの見分け方従い，静的強度が上昇し変形割れ
早期割れ / 大割れ
強度不足

欠け / チッピング（疲労破壊）

靭性不足
硬さ
応力
大型炭化物

硬さ
鋼種応力

硬さ
応力（研磨仕上げ精度，金型設計，加工条件など）
大型炭化物（例えば SKD11 → QCM8）
最適熱処理（焼入焼戻し）
図6 冷間金型における割れ対策

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切断面

金型表面

切断面

金型表面

炭化物

微小き裂
炭化物

微小き裂
10 µ m材
質：マトリックスハイス
硬さ：60HRC
ショット数：10,000ショット

10 µ m
図7

冷間ダイの損傷形態

は非常に難しいが，金型が変形したり寸法変化を起こして表面に伝播していることがわかる。これは，冷間工具鋼中いる場合は，強度不足を疑う必要がある。の大型炭化物が，耐摩耗性には非常に有効であるが，疲労4・2き裂を発生させる応力集中箇所にもなることを示してい

疲労破壊

冷間金型に発生する欠けやチッピングは，疲労破壊による。図8には，汎用冷間工具鋼SKD11と8Cr系冷間工具鋼るものである。欠けやチッピングは，き裂の発生→き裂のQCM8および粉末ハイスの引張圧縮疲労試験結果を示す。

伝播→き裂の枝別れ・迂回→複数き裂の連結という過程で炭化物が微細に分散したQCM8の疲労寿命は，SKD11より生じることから，初期き裂の発生を抑える目的として硬さも高く粉末ハイスの延長上にあることがわかる。

を上げる対策は有効である。一般的には，硬さが高くなるに従い疲労強度は上昇するが，反面切欠き感受性が高くな

3000
引張-圧縮軸疲労試験，R= -1

り割れ発生の恐れが増すことから，加工条件により異なる
2600
応力振幅（N/mm2）

が62〜64HRC程度が適正と考えられる。これが図1で示した冷間金型の場合の実用最高硬さである。後述するが熱間金型の場合は，この値が53〜55HRC程度となる。
実際に金型表面に旋盤目が残っている場合や型のコーナーが非常にシャープな場合など応力集中部が存在するときは，硬さの上昇は割れを誘発する恐れがある。従って，図6に示したように，硬さ変更について検討する前に，まず2200
QCM8（62HRC）

1800
1400

P/M H.S.S（66HRC）
SKD11（60HRC）

1000

応力集中の軽減，高靭性工具鋼の採用或いは熱処理条件の最適化などの観点から対策を講じることが重要である。金600

102型への応力集中を軽減することは何よりも効果的であり，

103

104105106

破断繰返し数，Nf

例えば損傷箇所の研磨仕上げ精度を上げることが有効な場
図8合が多い。また，コーナーRの形状，テーパー角度の見直冷間工具鋼の低サイクル疲労強度しなど，応力が局部に集中しないような型設計への配慮も必要である。さらに微視的には金型素材である工具鋼中の最後に確認しておかなければならないのが，熱処理状況応力集中箇所すなわち大型炭化物や非金属介在物（特に酸である。適切な熱処理が実施されていることはもちろんで化物系介在物）を低減することも重要である。

あるが，さらに靭性を向上させるためには，焼入温度の低図7は，1万ショット後の冷間ダイを切断して内部の損傷下や焼戻回数の増加などが有効である。

状態を走査型電子顕微鏡で観察した一例である。図中矢印

4・3で示すように，き裂が金型内部の炭化物から発生し，金型摩耗摩耗現象は，図9に示すように

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引っかき摩耗と凝Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

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摩耗
引っかき摩耗
凝着摩耗
/ 焼付き

硬さ
炭化物量
大型炭化物
鋼種

硬さ
/ 靭性
潤滑（潤滑，金型設計，加工条件など）
表面処理（TiC, TiN など）
最適熱処理（焼入焼戻し）
図9 冷間金型における摩耗対策

着摩耗とに分類される。引っかき摩耗は，硬質の摩耗粉などにより金型表面が機械的に削り取られる現象である。
対策としては，硬さを高めることや炭化物を多く含んだ鋼種（SKS→SKD→SKH→粉末ハイス→超硬合金）の適用が挙げられる。
一方，凝着摩耗はワークの一部が金型に凝着（合金化）し，その箇所が剥離して金型表面を摩耗させる現象であり焼付きとも呼ばれる。引っかき摩耗に対してこの凝着摩耗は短寿命の原因となる異常摩耗として位置付けられる。微視的には凝着部がせん断で引きちぎられる現象であるから，金型素材に対し所要の硬さに加え靭性が同時に要求される。
実用的には型材の特性向上のみによる対策には限界があり，むしろ焼付きを起こさないような対策，言い換えれば金型表面とワークとの摩擦係数を下げる工夫が先決である。特に潤滑の影響は大きく，潤滑剤の均一塗布や潤滑切れを起こさないような金型設計（例えばパンチ先端面のテーパー角度の最適化）や加工条件の最適化が必要である。
また，TiCやTiNなどの硬質表面処理も摩擦係数を下げるために効果的である。

5．熱間金型の損傷形態と寿命向上対策
5・1

ヒートチェック

廃却された熱間金型に多く観察されるのがック

ヒートチェと呼ばれる熱疲労き裂である。図10に代表的なヒートチェックを示す。矢印で示すように金型のコーナー部の10mm

みならず平坦面にも亀甲状の割れが観察される。これらの割れがヒートチェックと呼ばれる損傷である。
図10

図11は，ヒートチェックにより損傷した熱間鍛造金型表熱間ダイのヒートチェック面の代表的な顕微鏡組織である。①が健全部のミクロ組織であり，②は鍛造中にワークからの入熱により焼戻軟化し500HVからおよそ300HVまで軟化してしまう場合もある。

た領域である。金型表面は，鍛造条件にもよるが初期の軟化域では，③のような塑性流動が起こり摩耗の原因とな

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一方，通常のヒートチェック起因の損傷寿命を向上させるためには，その発生機構が熱疲労現象に基づくものであ③ることを考慮しつつ，き裂発生およびき裂伝播の抑制という観点から検討する必要がある。き裂発生を抑制するためには，まず金型の硬さを上げることが効果的である。しか②

し，硬さの上げ過ぎは，微小き裂が一旦発生すると一挙に④伝播する可能性が高くなり，逆に寿命低下を引起こす場合がある。硬さを上げ過ぎると熱衝撃による一発割れの危険性も大きくなるため，実用的には53〜55HRCが限界とされ50 µ m①① 標準の焼入焼戻組織③ 塑性流動ている。
一方，図11に示したように金型表面直下はショット数が② 軟化領域
④ ヒートチェック増加するに従い，軟化（すなわち強度低下）していくことから，耐軟化抵抗性の高い工具鋼（SKD61→QDHなど）の図11

熱間鍛造金型の損傷した金属組織適用が非常に有効である。金型表面の強度を向上させる目的から窒化などの表面処理もヒートチェックに対し有効でる。また，④に示すように，酸化物の生成を伴ったき裂がある。しかし，窒化層は非常に脆いために硬化深さが深過金型表面から発生し内部へ伝播している様子が観察される

ぎると，き裂がその深さまで一挙に伝播し，割れ，欠けをが，これがヒートチェックの金型内部の形態である。この助長する場合がある。実際には，窒化は摩耗を抑える効果

ヒートチェックが，金型表面直下で連結すると欠けや摩耗があり，多くの金型に採用されていることから，使用条件の原因となる一方，金型内部へ奥深く進展した場合は，大や用途により最適窒化条件を選定する必要がある。一般的割れの起点となる。には，熱間鍛造型では耐摩耗性も重視されることから，最図12に熱間鍛造金型の損傷形態と寿命向上のための対策

高硬さ：約1000HV，硬化深さ：100〜150ミクロン程度がを整理した。まず，ヒートチェックのき裂が深く進展した多く適用されている。一方，ダイカスト型では，最高硬場合，大割れの原因となり，その対策としては，金型素材

さ：約800HV，硬化深さ：50〜100ミクロン程度のマイルの破壊靭性を上げる必要がある。具体的には，硬さを下げドな窒化が最適とされている。

るか，より高靭性タイプの工具鋼を適用するか，場合によヒートチェック対策として，硬さ（すなわち高温強度）っては金型予熱温度を十分取っているかのチェックも必要の他に重要なのが靭性である。ヒートチェックに必要とさである。

れる靭性は，シャルピー衝撃値よりも絞り値などで測定でヒートチェック摩耗変形 / へたり

大割れ

硬さ

ヒートチェック

靭性応力型予熱

硬さ
鋼種
金型冷却
応力
表面処理
（窒化など）

硬 さ （但し，限界がある）
靭 性 （熱処理，鋼種など）
表面処理（最適窒化深さの選定）
熱応力 （金型設計，加工条件など）
鋼 種（高軟化抵抗性材 / 例えばSKD61→QDH）
最適熱処理（焼入れ時の冷却速度，3回焼戻し等）
図12

熱間鍛造金型の損傷形態と寿命向上対策

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溶損

ヒートチェック

化合物層（白層）を有した窒化
硬質表面処理（PVD，CVDなど）
工具材中の炭化物量（例えばSKD61→マトリックスハイス→粉末ハイス）
硬 さ （但し，限界がある）
靭 性 （熱処理，鋼種など）
窒 化（化合物層の無い窒化，硬化硬さと硬化深さの最適化）
熱応力 （金型設計，鋳造条件など）
鋼 種（高軟化抵抗性材など）
最適熱処理（焼入れ時の冷却速度，3回焼戻し等）
図13

ダイカスト金型の損傷形態と寿命向上対策

きる延性で評価される場合が多い。理想的には，冷間工具

熱間金型の場合は，金型の冷却を如何に均一に上手く行う鋼と同様に熱間工具鋼にもかも大きな改善ポイントとなる。

硬くて粘いという特性が求められる。熱間工具鋼の延性の改善には，焼入焼戻条件の図13には，ダイカスト金型に特有の損傷である溶損設定，すなわち焼入冷却速度や焼戻条件の適正な選定が重に対する対策も整理している。溶損は，射出されたアルミ，要である。

マグネシュウムなどの合金が金型材と反応して合金化する

また冷間金型の項で述べたように熱間金型においても金ことにより，金型の摩耗や焼付きを起こす現象である。効型設計や加工条件を加味した応力低減対策が必要である。

果的な対策は，溶湯アルミやマグネシュウム合金と金型材

例えば，応力集中を緩和させる策として分割型の採用や型の主成分であるFeとの接触を出来るだけ抑えることであ形状変更の検討また加工荷重低減の対策としてプリフォーる。具体的には，ε窒化層，TiC，CrNなどを表面処理するム変更などの工程設計や偏荷重が生じないような成形方法方法や金型素材にマトリックスハイスのような出来るだけの考案などが挙げられる。以上のようなヒートチェックの炭化物を多く含有する工具鋼を適用することなどが有効で対策は，各種熱間金型に共通の課題であり，図13に示すダある。

イカスト型の場合も同様である。
5・2

6．結論

摩耗，変形，へたり，溶損

熱間金型の摩耗には，前述したヒートチェックによる微細な欠けが原因しているものと高温強度不足による塑性流

近年の塑性加工条件は益々過酷化してきており，型寿命動などが原因しているものがある。ヒートチェック起因の改善には，金型素材である工具鋼の特性改善や熱処理条件場合の対策は，前項と同様である。一方，高温強度不足の改善とともに，金型損傷状況そのものをしっかり観察し，（軟化抵抗不足も含む）が原因の場合は，変形やへたりにここで述べたように負荷応力を軽減させるための型設計，も共通する対策として図12に示す項目が挙げられる。特に，各種の加工条件も同時に検討することが大切である。

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