技術報告
特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

1.2 GPa 級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析
Damage Analysis of Tool Steels on Piercing of 1.2 GPa-Class High Strength Steel Sheet
三浦

滉大*1

舘

幸生*2

MIURA Kodai and TACHI Yukio

1.

緒言

有する工具鋼製パンチを用いて、1.2 GPa級ハイテンを
ピアシングした時の損傷量を比較評価した。さらに、パン

環境負荷低減(CO2削減、省資源化)を推進する社会的背チの損傷状態を詳細に観察することで、損傷機構を推測

景から、金属加工分野の様相が変化している。例えば、し、その機構に対して工具鋼の高強度化がどのように有効

軽量化および衝突安全性能の観点からは、自動車骨格部であるかを述べる。

品へのハイテンの適用の拡大である 1)。特に、1.2あるい2.

は1.5GPa級ハイテンの実装には、接合強度、水素脆化と

実験方法

2)

いった課題 が挙げられる。一方、ハイテンを加工するための金型寿命の低下も課題の一つであり、先行研究として

Fig. 1にピアス加工の模式図を示す。被加工材には、市ハイテンのせん断加工における金型損傷評価が行われて販の1.2GPa級冷延鋼板(非めっき)1.6 mm厚を用いた。

いる3)-7)。樋口らは、ピアス加工においてコーティングした

クランクプレスに鋼板をフィーダーで送り、φ20 mmのパンチの寿命を切口のかじりの発生と定義し、鋼板強度の穴を50 mm間隔で打抜いた。加速試験として鋼板の厚さ増加に伴いパンチ寿命が著しく短寿命化する結果を得ていに対するダイスとパンチのクリアランスを3%に設定し、る4)。このようなハイテンを代表とする被加工材の高強度化

傾斜無し、無潤滑、50 ショット/ min(この時の鋼板とパに伴う金型寿命の低下は今後より進行すると予測され、金型ンチの相対すべり速度は約0.15 m/s)の条件で実施した。

損傷のメカニズム解明と寿命改善策の検討は重要である。

ショット数は、先行研究の傾向4)-6)および実験費用と時間の制約を考慮して、500ショットまでとした。

このような課題に対する取り組みとして、当社は工具

Table1にパンチおよびダイスに用いた工具鋼一覧を鋼とPVDコーティングとの密着性に関する研究を行なっ
8)、9)。これまでの研究において、代表的な要素試験示す。パンチには3種類の冷間ダイス鋼、高速度工具鋼であるスクラッチ試験を用いて様々な工具鋼とPVDコー(SKH51)および粉末高速度工具鋼(SPM®R812))の合計5種

ティングとの密着性(臨界荷重Lc)を評価した8)、9)。摩擦力類を用いた。この中で、QCM®64-HはSKH51レベルの硬の立上りを臨界荷重と定義した場合、一次炭化物の種類さを達成しており、従来のダイス鋼と比較して、圧縮試験てきたやサイズによらず、市村のモデル

10)における被膜と基材を複合体とした複合硬さ(文献には「複合硬度」と記載されているが、ここでは「硬さ」の表記で統一する)を用いて解析できることを示した 8) 。そして、被膜損傷の抑制という観点に絞れば、基材工具鋼の高強度化が有効であり、冷間ダイス鋼の中で最高レベルの強度を有するQCM®64-HARMOTEX® 11)（以降、QCM®64-H）の適用が有効であることを提案した8)。
本研究では、これまでの要素試験で得られた工具鋼の高強度化の有効性8)、9)を、より実践的な「ハイテンのピアス
加工」という形態で検証した。具体的には、異なる強度をFig. 1 Schimatic view of piercing.
*1*2

研究・開発センター
研究・開発センター

新商品開発室新商品開発室商品開発2グループ
商品開発2グループ長

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1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析に、本研究ではアコースティックエミッション(AE)の立て、パンチ形状に仕上げ、Ra≒0.35 μmに仕上げた。そ上りを臨界荷重と定義した。そして、前報同様に市村のの後、パンチに市販のTiN(イオンプレーティング法)を約

モデル 10)を用いて、臨界荷重を解析した。詳細は省略す

3 μmを成膜し供試材とした。ダイにはQCM®8の非コーるが、膜と基材を複合体とした複合硬さをビッカース試験

ティング材を用いた。

機の荷重を変えて求めた値を解析に用いた。

損傷量の評価は、興津らの先行研究5)、6)を参考に、パンこれらの評価に加えて、外観観察およびFIB(Focused

チ側面の被膜がはく離した面積を損傷量の指標(損傷面積)

Ion Beam)で加工した断面観察を実施した。

とした。Fig. 2に、SKH51製パンチで500ショット打抜

3.

いた後の損傷面積計測例を示す。デジタルマイクロスコー

実験結果および考察

プにてパンチ先端を50倍で観察し、視野中央部の幅33.1 損傷面積評価

mm領域の損傷面積を計測した。幅3mmの場合、真の弧の長さに対する平面に投影された幅の誤差は約1%未満でFig. 3にショット毎のSKD11パンチ側面の損傷状態をあるため、損傷面積に与える曲率の影響は小さいと考えら示す。ショット数の増加に伴いパンチ側面の損傷面積がれる。計測箇所は、パンチ円周12か所で実施し、その合増加している。また、一部の損傷は、刃先から離れた箇

計量を損傷量の指標とした。なお、損傷面積は、基材露出所でも観察された。Fig. 4に鋼種毎のパンチ側面の損傷状

面積と被加工材である鋼板が移着した面積の和であること

態(500ショット)を示す。SKD11と比較し、QCM®64-H

を断面観察から確認した。しかし、基材露出面積は鋼板のの損傷は小さい。Fig. 5に損傷面積と硬さの関係を示

移着面積よりも定性的に大きいため、近似的に損傷面積はす。基材硬さの増加に伴い損傷面積は減少し、SPM ®R8

基材露出面積である。

が最も小さかった。この硬さに対する損傷面積の挙動は

ピアス加工の損傷形態を考察するため、スクラッチ試

先行研究6)と一致する。QCM®64-Hの損傷面積はSKD11

験を合わせて実施した。スクラッチ試験はCSR1000(レに対して1/2未満、SKH51とは同等程度である。これら

スカ製)を用いて、圧子半径200 μm、初期荷重5 N、最終荷重155 N、走査速度10 mm/minの条件で実施した。試験片は、パンチと同じ材料である。表面粗さはいずれもRa≦0.02 μmに仕上げた。Fig. 12(a)に示すようFig. 3 A ppearances of punch in SKD11, (a) before test, (b)after 100 shots, (c) 300 shots, (d) 500 shots.

Fig. 2 Example of measurement of damaged area.

Table 1 Materials for die set and scratch test.

Substrate hardness(HRC)

0.2% proof stressin compression
(MPa)

SKD11

59

2258

QCM®8

62

2373

64

2562

65

―

66

―

62

2373

Tool steel®

QCM 64-HARMOTEX
SKH51

Use

®

Punch
Scratch test

SPM®R8
®

QCM 8

Die

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Coating

TiN
(3μm)

―

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究における0.2%耐力が高い。これらの工具鋼を焼入焼戻し

1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究の結果は、ピアス加工における被膜損傷抑制に対する基材されており、パンチ先端での応力集中 3)、13)に起因してい工具鋼の高強度化の有効性を示す。特に、損傷面積と金型ると考えられる。このような刃先の変形に対して、工具鋼寿命に相関があると仮定すれば、高速度鋼と比較し、省合の高強度化は有効である。

®

金、安価である高強度冷間ダイス鋼QCM 64-HはSKH51

しかし、パンチの損傷は刃先に限定されるものではなと同等のパフォーマンスを発揮すると予測される。

く、ピアス方向と逆方向に拡大する(Fig. 3)。この損傷面

次節以降では、パンチの刃先および側面の損傷を観察

積の拡大は、最終的に鋼板切口のかじり3)、4)や、バリの増し、工具鋼の高強度化がどのように有効であるかを考察す

大をもたらすと考えられる。そこで本研究では、次節に示る。

すパンチ側面の損傷に注目する。

Fig. 6 C ross-sections of edge part of punch after 500 shots.
(a), (b) BSE images. (c), (d) SIM images highlighted
by white frames in (a) and (b). (a), (c) SKD11. (b) (d)QCM®64-H. These images are observed at 40o tilted in
FE-SEM or FIB.

Fig. 4 Appearances‌
of punch after 500 shots, (a) SKD11, (b)QCM®64-H, (c) SKH51, (d)SPM®R8.

3.3 パンチ側面の損傷
Fig. 7にQCM®64-H製パンチ刃先より2.5 mm離れた位置におけるTiNのチッピングの例を示す。この損傷形態
は、TiNが浅くはく離し(基材は露出していない)、円周方向に広がっている。膜のチッピングのサイズは、ピアス方向に約13 μm程度であった。このような膜のチッピング
は、刃先からの距離によらず観察された。なお、ここでいうチッピングは、パンチのマクロな欠損ではなく、ミクロ
Fig. 5 R‌ elation between damaged area and substrate hardness.

3.2 刃先の塑性変形
Fig. 6にSKD11とQCM ®64-Hの刃先断面の反射電子(BSE)像およびSIM像を示す。両鋼種の刃先において、TiNは完全にはく離していた。刃先形状は、SKD11の方が丸みを帯びているのに対して、QCM®64-Hの刃先形状は維持されている。さらに、Fig. 6(a) (b)の白枠部をSIM像で観察すると、QCM®64-Hはマルテンサイト組織を反映した等方的な針状組織であるのに対し、SKD11は白矢
印方向へ異方的に配向した組織である。SIM像では結晶方位を反映したコントラストが得られることから、SKD11
製パンチの刃先では塑性変形が生じていると考えられる。

Fig. 7 Chipping‌of TiN at 2.5mm away from edge part of punch
in QCM®64-H.

このような刃先での塑性変形は、安富ら3)によっても報告

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1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析

Fig. 8にパンチ側面における被加工材の移着状態を示

移着粒子が観察された。Fig. 9に移着粒子の拡大画像およす。黒矢印で示した箇所は膜のチッピングによって生じた

び3次元解析の結果を示す。被加工材の移着粒子は約8 μ凹部であり、その凹部を埋めるようにして、被加工材が移mの凸部である。結果は省略するが、FIBにより断面加工

着している。これは、ピンオンディスク試験におけるAg /した凸部を観察すると、膜のチッピングが生じたと推測さFeの摩耗面 14)と類似した形態であり、膜のチッピングにれる凹部に移着粒子が堆積していることを確認している。

よって生じた凹部の形成によって、被加工材側がアブレシ

したがって、凹部を起点としてパンチ側面の移着が進行

ブ摩耗的に削られた結果である。

し、Fig. 9に示すサイズまで成長したと考えられる。
次に、TiNが移着粒子と共に脱離する様子を可視化した結果を示す。Fig. 10(a)は、FIBにより加工する前の反射
電子像であり、Fig. 8と同様に凹部に被加工材が移着している。Fig. 10(b)は(a)の黒破線に沿ってFIB加工した後、FE-SEMで断面観察した結果である。元々凹部に埋め込まれていた移着粒子は、FIB加工により圧縮残留応力が開放され、浮き上がる。そして、移着粒子と工具表面の界面に注目すると、移着粒子と共にTiNは表面から脱離している。Fig. 10の場合は残留応力を開放することで移着粒

Fig. 8 Secondary‌electron image of side surface of punch in
QCM®64-H.

Fig. 10 (a)‌ Back scattering image of side surface of punch in
SPM®R8 before sectioning with FIB．(b) Cross-section
along black dashed line in Fig. 10(a). Yellow arrows
indicate TiN which flaked from surface of punch andincluded in transfer particle.

Fig. 9 (a)‌ Secondary electron image of transfer particle.
(b) 3D analysis of transfer particle. The transfer particle isindicated by white circle in Fig. 8.

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

また、Fig. 8の白丸で囲んだ箇所において、被加工材のな膜(TiN)の浅いはく離を指している。

1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

子を表面から脱離させた。しかし、実際の損傷プロセス

接触部での移着素子の形成、摩擦面における素子の相互移

では、Fig. 9に示すような粗大な移着粒子に成長した後、着、素子の移着粒子への成長、移着粒子の系外への脱離・

TiNと共に系外へ脱離することが想像される。つまり、移排出というプロセスを経る14)。この移着成長モデルと3.2

着の進行がTiNの損傷を促進している。

～3.3の観察結果を踏まえ、以下に想定されるパンチの損
傷機構を示す。

さらに、Fig. 11に500ショット後の鋼板切口破断面(パンチ材：SKD11)の観察結果を示す。EDSマッピングによ・‌凝着摩耗が進行する起点は次の2箇所である。刃先の塑り、破断面においてTiの濃化領域が観察された。このよう性変形に伴う被膜がはく離した基材露出部、および摩擦

なTiの濃化は、他のパンチ材を用いた場合も観察された。

によって生じる膜のチッピングに起因した凹部である(Fig. 7、8)。

鋼板の組織において、鋼板厚み方向(ピアス方向)に延びた
介在物は存在しないことを断面観察から確認している。し・‌基材露出部あるいは凹部に被加工材が移着する(Fig.

たがって、Tiの濃化は被膜のTiNに起因したスペクトルで8)。移着部は、被加工材同士のいわゆる「ともがね」

あると考えられる。Fig. 11は凝着摩耗の特徴である相互の摩耗 14) になるため、局所的に移着が進行する。ま

移着の結果であり、パンチの損傷が凝着摩耗を主体としてた、移着部は、被膜や基材よりも軟らかい被加工材(HV

進行する5)、6)ことを支持する観察結果である。

≒370)が堆積しているため、局所的な複合硬さが低下
し、膜のチッピングはさらに進行する。
・‌移着粒子の成長(Fig. 9)に伴って粒子に加わる力のモー
メントは大きくなり、最終的に系外に脱離する 14)。脱離する際は被膜の破壊を伴う(Fig. 10)。
この損傷機構において、以下の2点の理由から、膜のチッピングに注目する。1つ目は、笹田の移着成長モデル
における摩耗量は、摩擦する2面の軟らかい材料の硬さに律速される 14)ことから、本試験における損傷面積の硬さ

Fig. 11 Images‌of pierced surface of steel sheet pierced bypunch in SKD11. (a) Secondary electron image. (b) Ti
map with EDS.

依存性を説明するには、笹田のモデル以外のプロセスを考慮する必要がある点である。2つ目は、膜のチッピングは応力集中する刃先から離れた箇所でも観察されることから

3.4 パンチの損傷機構(Fig. 7、8)、より低い応力で生じる重要な初期損傷プロ5)、6)によって報告されセスと考えられる点である。この膜のチッピングしやすさているように被加工材の移着がパンチ側面において観察は、被膜の物性に依存するであろうが、基材硬さ依存性がされた(Fig. 8 -10)。さらに、移着粒子による凸部の形成あるかは不明である。次節では、膜のチッピングに焦点を(Fig. 9)、移着粒子と共に脱離するTiN(Fig. 10)、および絞り、スクラッチ試験を用いてチッピングのしやすさを評

鋼板への相互移着(Fig. 11)を可視化した。これらの観察

価した結果を示す。

ここまでの観察結果より、興津ら

結果から、パンチ側面の損傷は、笹田の凝着摩耗における移着成長モデル 14)と類似したプロセスと考えられる。笹田の移着成長モデルは、表面の微小な凹凸に起因した真実

Fig. 12 (a)‌ Counting rate of acoustic emission and frictional force as a function of applied vertical force in SKH51. (b) Secondary
electron image of chipping at rise of AE indicated by black arrow in (a).

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1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析

試験
これまでの報告では、スクラッチ試験において、摩擦力を用いて臨界荷重を評価した8)、9)。摩擦力の立ち上がりで現れる損傷は基材の露出であり、主に圧子先端の盛上りに起因した現象であると推定した8)、9)。一方で、ピアス加工のパンチに現れる重要な初期損傷は膜のチッピングである。したがって、損傷形態の違いから、摩擦力はチッピン
グの抵抗(チッピング強度)評価に適さない。
そこで本研究では、AEおよび摩擦力の立上りでそれぞFig. 14れ定義した臨界荷重を比較した。Fig. 12(a)にSKH51におけるスクラッチ試験結果を示す。摩擦力は96 N近傍で‌
Relation
between damaged area and critical load
defined by AE.

立ち上がるのに対し、AEは約50 Nである。Fig. 12(b)にAEの立上り位置おけるスクラッチ痕の縁に生じた損傷をことから、ピアス加工におけるパンチの損傷を解析する示す。Fig. 12(b)の損傷は、Fig. 7で観察された膜のチッ

場合、AEで定義した臨界荷重を用いて議論するべきであ

ピングと形態およびサイズともに類似している。この観る。Fig. 14に損傷面積とAEで定義した臨界荷重の関係を察結果を根拠として、本研究ではチッピング強度をAEに示す。臨界荷重の増加に伴い損傷面積は減少する。このより定義した臨界荷重で評価する。なお、本研究のすべ

ようにパンチの損傷は、チッピング強度としてAEで定義ての試験片のAEの立上りで観察される損傷は、スクラッ

した臨界荷重(あるいは複合硬さ)の違いに帰着できる。な

チ痕内あるいは縁に生じるチッピングであった。なお、

お、損傷に与える他の因子として、被膜の耐酸化性や摩擦

この膜のチッピングは基材と被膜の界面におけるはく離係数が考えられる5)、6)。これらの因子は標準のスクラッチ(Adhesion)ではなく、主に被膜内部あるいは表面でのは試験では評価できないが、後者の摩擦係数の低減は臨界荷

く離(Cohesion)を想定していることに注意されたい。

重の増加に寄与し 16)、損傷面積を減少させると考えられ
る5)、6)。

Fig. 13にAEで定義した臨界荷重を臨界複合硬さでプロットした結果を示す。この実験では、TiNの厚さを約34.

μmに統一しているため、臨界複合硬さの増加は主に基材

結言

硬さの増加を反映している。摩擦力で定義した場合8)、9)と同様に、AEで定義した臨界荷重は臨界複合硬さの増加に

本研究では、金型損傷に対する工具鋼の高強度化の有効伴い増加する。また、本研究の結果は、Ichimuraらの報告性を検証するため、1.2 GPa級ハイテンを用いたピアス値15)と一致する。

加工試験を実施した。異なる強度の工具鋼製パンチの損傷
量の比較評価と損傷解析を行ない、以下の結論を得た。
(1) 基材硬さの増加に伴いTiNがはく離した面積(損傷面積)は減少した。この損傷面積の挙動は先行研究の傾向と一致した。この結果は、ピアス加工における被膜損傷の抑制に対する基材工具鋼の高強度化の有効性を支持する。特に、高速度鋼と比較し、省合金、安価である高強度冷間ダ
イス鋼QCM®64-HはSKH51と同等のパフォーマンスを発揮すると予測される。

Fig. 13(2) 被膜損傷に対して工具鋼の高強度化が有効である理由‌
Criticalload defined by AE as a function of criticalcomposite hardness.

を考察するため、パンチの刃先から側面の観察を実施した。刃先断面の観察から、高強度化により刃先の塑性変形

8)

このように摩擦力 あるいはAEのいずれのパラメータでが抑制され、刃先形状が維持されることを確認した。ま

定義しても、臨界荷重と臨界複合硬さの比例関係は成立す

た、パンチ側面の損傷面積の拡大は、TiNのチッピングをる。これは、盛上り8)や膜のチッピングといった損傷に対起点とした被加工材(ハイテン)の移着によって進行するとする駆動力が「押込み深さ」であることを示唆している。

考えられる。

しかしながら、損傷形態や発生する荷重が大きく異なる

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

3.5 ‌アコースティックエミッション(AE)を用いたスクラッチ

1.2 GPa級高強度鋼板のピアス加工における工具鋼の損傷解析

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究(3) ピアス加工で観察されるTiNのチッピングは、スク16）	‌P. A. Steinmann, Y. Tardy, H. E. Hintermann, Thin

ラッチ試験のアコースティックエミッション(AE)によっ

Solid Films, 154（1987）1-2, 333-349. https://て検出されるチッピングと類似していた。この観察結果を

doi.org/10.1016/0040-6090(87)90377-4.

根拠として、膜のチッピングに対する抵抗(チッピング強度)をスクラッチ試験で評価した。その結果、AEで定義したチッピング強度としての臨界荷重は、基材硬さの向上を反映した臨界複合硬さに比例した。この解析結果から、工具鋼の高強度化の効果は、移着の起点となる刃先の塑性変形と膜のチッピングの抑制に帰着できると考える。

謝辞
ピアス加工試験は日鉄テクノロジー株式会社研究試験事
業所尼崎地区にて実施頂きました。その際、ピアス加工の金型設計から試験条件まで中田友平様、廣瀬洋三様に多大なご協力を頂きました。ここに改めて御礼を申し上げます。

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