銅合金金型材料
福田貴

マテリオン ブラッシュ ジャパン ㈱

古くから身近にあり、現代社会でも欠かすことのできない銅、銅に様々な添加元素を加え合金化して、今まで不足していた硬さを補うことにより、銅合金の特性は飛躍的に向上する。その使用例と新合金の紹介を行う。

1．はじめに銅合金は純度の高い状態では非常に良く、電気や本題の銅合金金型材料として材料を選択するには熱を伝える。また添加元素を加え合金化し、純銅で金型として必要な特性が何なのか？を踏まえ、一般は不足していた硬さを補うことにより、その用途は的な鉄系で十分なのか？もう一歩踏み込んだ視野で格段に広がり、十円玉に代表されるように様々な銅選択肢を広げるのかにより、更に生産性向上や不良合金が昔から身近な金属として社会生活で役に立っ率の低減に繋がる可能性を考慮し銅合金を選択するている。今回の素形材誌に掲載されるテーマ『銅合ことを考えていただきたい。

金金型材料』の説明の前に簡単に銅および銅合金の次に記載のベリリウム化合物をご存知だろうか？

長所・短所を改めて知っていただきたい。

『Be3Al2Si6O18』『BeAl2O4』最初が 3 月の誕生石のまず長所としては、① 電気を良く通す。銀に次いで電気伝導度が高く、電気機器部品等に多く使われる。

『アクアマリン』と言う宝石で、ここに『Cr（クロム）』が入った場合は 5 月の誕生石の『エメラルド』になる。後の化合物は『アレキサンドライト』であり、② 熱を良く伝える。やはり銀に次いで熱伝導度が発見時のエピソードからロシア皇帝アレキサンドル高く、金型や熱交換器等に多く使われる。

2 世の名前に由来している。いずれも緑柱石（ベリル）③ 抗菌・殺菌作用がある。O 157 への抗菌効果が『3BeOAl2O36SiO2』のグループに属したベリリウム実証されており、台所の三角コーナー等。

化合物である。ベリリウム銅はこのアクアマリンや④ 耐食性に優れている。海底ケーブルのジョインエメラルドに含有されているベリリウムを銅と混ぜトボックス等に指定されている。
⑤ 非磁性・防爆性である。安全工具やボイスコイ
ルモーターの部品等。
⑥ 延性に優れている。薄くバネ性に優れ、極小型の電子部品に。
⑦ 合金化し易い。添加元素に因り大幅に強度や他の特性を上げることが可能。

合わせ合金化している、つまり、宝石に成れなかった低品位のベリリウム化合物が工業用に利用されている。最初でも述べたが、純銅は電気や熱を非常に良く伝え、錆に対しても強い、しかし非常に柔らかい、銅にベリリウムを約 2 wt % 加え合金化し、析出硬化させることにより、飛躍的に特性を向上させた合金がベリリウム銅合金である。

また短所は、純銅の場合、構造体には使えない程歴史的にも長く、認知度の高いプラスチック成柔らかい。また合金化することにより強度と引き換

形 用 ハ イ サ イ ク ル 金 型 材 に 関 し て は『Moldmax‑えに犠牲となってしまう特性がある。

HH』と言うベリリウム銅材料が既にこの業界のスVol.53（2012）No.9

SOKEIZAI29タンダード材になっているが、銅・ニッケル・シ

弊社は米国に本社を持つ高機能銅合金及びベリコン・クロムの新合金『Moldmax‑V』は上記のリ リ ウ ム 銅 合 金 の 原 材 料 メ ー カ ー で は あ る が、『Moldmax‑HH』に比べ非常に熱伝導性が良い。そMoldmax‑V の例のように、ベリリウム銅よりもあの分、硬さは劣るものの世界的に大ヒットしているる部分の特性では更に上を行く高機能銅合金の開発

ハイブリット車のインマニの成形金型には硬さを補も強く進めており、この特性を生かした新たな金型う手段として表面処理を施し、量産用に投入していでの実用例も後半で紹介したい。今後の金型に期待る。モールドマックスの説明は『Moldmax‑V』もされている用途としてロールフォーミング金型、パ含め、次の『ハイサイクル成形用プラスチック金型、イプ曲げ金型（マンドレル、ワイパー材）、深絞りプ銅合金の位置付け』の中で述べる。

レス金型等があり、これらに銅合金を使うことは日本より海外の方が先行していると思われる。

2．ハイサイクル成形用プラスチック金型、銅合金の位置付け
ハイサイクル成形、今日 1 秒早くしても、明日も② 冷却の長時間化である。

また早くしなければならない永遠のテーマ。このハ各工程によりその時間的能力の主たる依存先が異イサイクル成形を達成するには様々な方法がある。

なる。① 射出→射出成形機、② 冷却→金型材料を含射出成形機の改善、プラスチック樹脂の選択、製品

む金型の冷却性能、③ 型開→射出成形機、④ 取出しの薄肉化、複数ライン、冷却回路の改善、そして金→金型、周辺機器、⑤ 型閉→射出成形機。

型材を熱伝導性の悪いスチール系からモールドマックスへ変更。

長時間化の最大要因と考える ② 冷却は、金型材料を含む金型の冷却性能に多くを依存しており、如何にプラスチックの成形サイクルは、① 射出、② 冷却、上手く冷すかが、ハイサイクルを達成するための技③ 型開、④ 取出し、⑤ 型閉の繰り返しである。この術力と言えよう。冷却媒体の流量を増やす等、単純成形サイクルの時間はプラスチック製品の形状、板に射出時の型温を下げれば、見かけのサイクルタイ厚により大きく変化するが、① 射出、③ 型開、④ 取ム短縮は可能であろう、ただしプラスチックの流動出し、⑤ 型閉に比べ、② 冷却の時間変化が最も大き性低下に因るトラブルや結露の問題が浮上してくる。

い、つまりはプラスチック製品の大型化、肉厚化にハイサイクルとは品質は維持・向上した上で、今より極端に成形時間が長くなってしまう主な要因は日よりも 1 秒早く成形する技術力と考える。

3．モールドマックス / 高機能銅合金

30

現在、モールドマックスは 5 種類の銅合金が用合、その材料には硬さ、靭性、引張強さ、耐食性等

意 さ れ て お り、 硬 さ HRC40 の Moldmax‑HH、 硬の特性が必要とされる。つまり、硬く、熱引けが良さと熱伝導性を上手くバランスさせた Moldmax‑

く、さび難い金属が量産を前提としたハイサイクル

LH、ホットランナー等に多く使われる超熱伝導材

成形用金型材として適した金属である。Moldmax‑（250W/（m・K）） の Protherm（Moldmax‑SC）、 ま

HH は 銅 合 金 の 中 で は 一 番 硬 く、NAK80 な ど のたアルミ合金 A7075 と同程度の切削性と放電加工性

P‑21 材と同等の硬さ、40HRC とそれらの金属よりを持つ、銅・ニッケル・スズ合金の Moldmax‑XL、も約 3 倍の熱伝導率で溶融したプラスチックの熱を更には銅・ニッケル・シリコン・クロムの新合金、奪い去る。熱伝導性の良い銅合金は多く有るが、モーMoldmax‑V がある。

ルドマックスは硬くて、熱伝導性の良い銅合金であハイサイクル成形用金型材料に求められる最初る。そして最近は富に使用例が増えている銅合金がの特性は熱伝導性能である。純銅の熱伝導率は 400

Moldmax‑V である。硬さは 25HRC 程度であり、熱W/（m・K）であり非常に良い特性である、しかし非伝導値は 160W/（m・K）である。過去において国内

常に柔らかく、金型材としては適していない、アルのハイサイクル用銅合金として非常に多く使われてミ合金の耐食性の低さも、使用できるプラスチック

いた、20HRC 前後の競合材に比べても更に硬く、更に制限を設けてしまう。量産を前提とした金型の場に熱伝導が良い。

SOKEIZAI Vol.53（2012）No.9

特集 多様なニーズに対応する金型材料と積層金型技術
金型用銅合金300
250

熱伝導率(W/(m･Ｋ))

表1

ﾓｰﾙﾄﾞﾏｯｸｽ - SC

ﾓｰﾙﾄﾞﾏｯｸｽ - V

ﾓｰﾙﾄﾞﾏｯｸｽ - L H

A7075

150

銅合金 Ｂ
銅合金Ｃ100

ﾓｰﾙﾄﾞﾏｯｸｽ - H H

ﾓｰﾙﾄﾞﾏｯｸｽ - XL
50

P-21

P-20420 SS

0102030405060

硬さ‑HR C
図1

硬さ

熱伝導率
（W/（m・K））

Moldmax‑HH

40HRC

105

Moldmax‑LH

30HRC

135

Protherm（Moldmax‑SC）

20HRC250

Moldmax‑XL

30HRC

70

Moldmax‑V25HRC

160

材質名

銅合金 Ａ

200

モールドマックスの硬さと熱伝導率

プラスチック成形用金型材料

4．金型としての使用実績
ハイサイクル成形、それは『安く（＝早く）』生産

熱をコントロールし、上手く冷やせる金型は品質するための手段の一つであるが、一体どれ位の成果の維持・向上に非常に重要であり『早く、安く、そを見込めるのか？プラスチック製品の形状、肉厚、して良い物を』のためにモールドマックスを使う例

生産数、機器、他によりその条件は千差万別、このが増えている。写真 2 は薄型 TV・ディスプレイの場で答えを出せないのは当然だが、考え方を以下に金型であるが、4 つのコーナーは製品の強度を出す示す。

ために通常は内部にリブを設ける。そうするとクー製造コストの比率の中では人件費の割合が非常にリングチャンネルを表面近くまで引けず、結局この高い、日本の人件費は世界でもトップクラスに位置

4 コーナーがサイクルタイムのボトルネックとなり、するのは間違いないが、以下の計算を容易にするた

この部分を待つが故にサイクルタイムが長くなってめ、日本の人件費とはかけ離れた『1 円 /1 秒』で計しまう。同時に角のある成形品は辺が内側に引き込算を行う。

まれる傾向にある。この現象はコーナーの内側と外数 年 前 の 例 だ が、 仮 に 写 真 1 の よ う な パ ソ コン用マウスの成形品の場合、鋼材の金型で 29 秒、側の温度差による。この現象を非常に簡単な形状でコストセーブも含め検証した。

Moldmax‑HH では 25 秒、1 ショットあたり 4 秒のセーブ。100 万ショットの成形をした場合、4 秒 /ショット× 100 万ショット＝ 400 万秒（400 万円）のセーブとなる。
モールドマックス

写真 2

薄型 TV 等の箱物への適用事例

図 2 は非常に簡単な形状のプラスチックキャップである。この製品が変形する現象は『足が窄ま鋼材

Moldmax‑H Hる』と『天井が凹む』の二つに限定した。この金型をキャビ型は P‑21 材で統一し、コア型を P‑21 材とMoldmax‑HH の 2 とおりとして各々変形量を測定したデータを図 3 に示す。まず足が窄む対策を探す

写真 1

マウス（ABS 樹脂）用金型の使用事例

ために冷却時間と変形量をグラフ化した。コア材がMoldmax‑HH でも P‑21 材でも冷却時間が短くなる
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SOKEIZAI31

（歪、変形、応力低下、他）(歪、変形、応力低下、他)

天面の変形

外径 (mm）

48.55
48.50
48.45
48.40
48.35
48.30
48.25
48.20
48.15
48.10
48.05
48.00
47.95
47.90

Cavity P-21CoreCore

Moldmax-HH

０．２２９ｍｍ

外径寸法の収縮

図2

Cavity P-21

キャップの収縮・変形形態

P-21０．６９５ｍｍ

写真 3 コア材を変更した場合の天面寸法の変化

Ｍｏｌｄｍａｘ－ＨＨ組合せ①
キャビ : P-21 / コア : Moldmax

規格上限

４０．８℃

規格値

温度差２．５℃

規格下限

４３．３℃

P‑21材
1.522.533.544.555.56

組合せ①キャビ : P-21 / コア : P-21

冷却時間 (sec)

図3

Moldmax‑HH と P‑21 の変形量比較に連れ、寸法は下限を割ってしまう。規格値に乗せるにはコアが P‑21 材の場合で 3.5 秒の冷却時間が最５６．３℃

温度差 １１．９℃

４４．４℃

良の形状だったのに対してコアが Moldmax‑HH は2 秒が最も良かった。Moldmax‑HH をコア型に使用した場合、最良の形状を維持した上で 1 ショット当

図 4 キャビ・コアの温度差比較

り 1.5 秒のセーブとなる。この製品は 5000 万個 / 年を必要とし 16 個取りの金型で 300 万ショット行う必ンダードとなっているオートデスク社のモールドフ要がある。先の計算で言えばランニングコストのローで解析したところ、キャビに触れている製品のセーブは 1.5 秒 / ショット× 300 万ショット＝ 450 万

外側とコアに触れている内側の温度差が Moldmax‑秒（450 万円）となる。

HH の 場 合 は 2.5 ℃、P‑21 材 の 場 合 は 11.9 ℃ あ り、

図 4 は金型を P‑21 材と Moldmax‑HH で組み合わ

この温度差が『天井の凹み』を発生させている、とせた際、『足の窄み』が最良の時の『天井の凹み』で推測できた。この温度差を減らす手段は冷却媒体のある。『天井の凹み』の変形量は明らかにキャビ・コ流量を増やしても可能と思えるが、流動性低下や結アを P‑21 材にした時が大きい。各組み合わせでこ露等を考慮しなければならず、コア材を Moldmax‑の時の温度分布を、流動解析ソフトでは世界のスタHH に変更することが、より確実な方法と言えよう。

5．金型の作成に関して① 切削
金型を作成する手段は時代と共に、そしてワーク合金を使い、金型を製作するには鋳造・電鋳によるの材質により変化する。モールドマックスは全て銅物が主流であった。但し現在は銅合金であっても合金であり、3 種類のベリリウム銅と 2 種類の銅 ‑40HRC 程度では難削材の部類には入らず、必要サイニッケル系の合金からなるが、銅合金の中で一番硬ズのブロックを手に入れた後、直接切削し金型を作

い Moldmax‑HH は 40HRC、今日の加工機、切削ツー成できる時代となってきている。

ルでは問題はないが、以前は 40HRC の銅合金を直32接切削するのは困難であり、その際に 40HRC の銅SOKEIZAI Vol.53（2012）No.9

特集 多様なニーズに対応する金型材料と積層金型技術② 放電加工各社、内部給油、オイルホール等の名称により先端モールドマックスが一般的な鋼材に比べて数倍以から給油できる方式のドリルを供給しており、かな上も熱伝導性が良いにも係わらず、その比率で放電りの効果があると聞く、またドリル加工時のステッ加工時間が伸びていないのは何故か？モールドマッ

ピングを増やすことにより、発熱を抑えると共にクスは熱伝導が良いことでハイサイクル金型としてワークの温度が安定した後の状態でドリル径の仕上使われているが、この熱伝導が良いが故に放電加工げとして行う場合も多い。

性は犠牲になる部分がある。放電加工の効率はワークの熱伝導性（電気伝導性）だけでは無く、金属と④ 表面処理しての溶融温度も大きく係わっている。放電加工は

Moldmax‑HH は銅合金の中で一番硬いとは言って電極から発せられたスパークがワーク表面の微小部も所詮は 40HRC である、プラスチック製品の強度、分を溶かして削っていく、熱伝導性の良いワークは耐熱性を上げる手段としてガラス繊維の添加は一般

このスパークのエネルギーが逃げてしまい、その加的な手段であり、ガラス繊維が 30 % も入っていれば、工性が落ちてしまう。但し溶融温度の低い金属はス

硬さ 40HRC 程度の銅合金では摩耗による金型寿命のパークのエネルギーで金属を溶かす（＝削る）部分低下は明らかである。この摩耗対策としてはメッキ、が多くなり放電加工性は良くなる。つまり、モール

イオンコーティング、他の表面処理により表面硬度

ドマックスは一般的な鋼材に比べ熱伝導性が数倍良を上げてきた。各種メリット、デメリットがあり一いにも係わらず、放電加工性が極端に悪くないのは概に何の表面処理が良いとは言い難いが、メッキの銅合金が鋼材に比べ溶融温度が低く、この分が放電例では㈱旭プレシジョン殿のニウフォスⅡがハイブ加工性の低下を抑えている。アルミ合金の放電加工リッドのインマニ金型に施されており、相当数の成性が良いのは更に溶融温度が低いからである。また形をしているが、まだ再メッキの必要がないことか最近の加工機は最適な条件のデータベース化が進んらかなりの耐久性がある物と思われる。イオンコー

でおり更に高効率の加工が可能となっている。

ティングにおいては二層コーティングにより、更なる耐久性の向上とメンテ時期の目安等、工夫を凝ら③ ドリルした使い方が出てきた。

ドリル加工においては『締まる』『折れる』等に以上が現在使われている金型用銅合金を紹介した

注意が必要であり、且つその対策は昔ながらの方法が、ベリリウム銅よりもある部分の特性を重要視ししかない。モールドマックスの熱膨張係数は、一般て開発した合金があり、ここで紹介したい。

的な鋼材の 13×10−6/℃に対して、17×10−6/℃と高く、温度上昇と共により多く膨張していく。ドリ

硬さ HV６００ル加工の際に『締まる』『折れる』等のトラブルは耐薬品

硫酸、塩酸、他

この熱膨張が原因である。ドリル加工時の発熱により膨張傾向となったワークに穴を開けても、ワークの温度低下と共にこの穴は収縮してドリルを締め上げていく。またアルミ合金は銅合金以上に熱膨張係数は大きいが、ワークの硬さ、強度が極端に低く、ドリルのパワーに負けてしまい、現象としては現れ難くなってしまっている。この『締まる』『折れる』等の対策は如何にワークの発熱を抑えるかが重要となる。この発熱量を抑えるためにドリルメーカーは耐摩耗性

実型量産 トライ中

自動車エンジン周辺部品 の金型
ガラス繊維 ３５％
約４００，０００ショット ～ 継続中
現在、影響のある摩耗は確認されず ！

写真 4 メッキ（ニウフォスⅡ）適用事例

6．開発合金① Formamet

フォーマメット

により、銅をベースとした場合、通常では偏析して銅・アルミ・マンガン・コバルト合金で 39HRCしまうような高濃度の添加量も均一且つ微細組織をもの硬さを発揮し、主な用途はシーム加工を行う維持しながら高機能銅合金を製造することに成功しロールフォーミング加工のロール材や深絞り用金型た。このエキュアキャスト（Equa CastTM）の製法に材等である。次に説明する C72900 と同様にエキュより耐摩耗性と高い耐力を両立させている。

アキャスト（Equa Cast ）と言う特別な鋳造方法
TM

Vol.53（2012）No.9

SOKEIZAI33写真 5ロールフォーミングの使用例

写真 6 ワイパー材の使用例② C72900

以下で、摺動部に塗られた油の性能をあまり期待でで最初きない温度帯となり、この中で仮に鉄系同士が擦れにビレットを製造した後、スピノーダル分解によりエキュアキャスト（Equa Cast ）製法あった場合、かじり・偏摩耗が起きてしまう。金属

非常に高バランスの銅合金に仕上がっている。

同士の摺動でもかじり・変摩耗を抑えられる鉄対銅TM（※ 1）

今回の素形材誌のテーマは『銅合金金型材料』であの組み合わせが一般的ではあるが、通常の銅合金でるので、別な機会に詳しく紹介したいが、C72900 のは応力に負けて変形してしまう。この対策として硬硬く、低い摩擦係数と耐摩耗性に注目し、採用した

く、剛性がある銅合金が求められ、C72900 を B 社、市場が航空機業界と建設機業界で高信頼性を必要とA 社、E 社や日本の M 社等が採用している。つまりする摺動部に実装している。この航空機に採用されワークを痛めず（かじり）、金型のライフ（偏摩耗）た理由は深絞りプレス型、パイプ曲げ（マンドレル･も維持できる特性と理解して頂きたい。

ワイパー材）に銅合金を選択する上で非常に参考とな

スピノーダル分解は核生成段階のない連続拡散過る。航空機の摺動部品が使われる環境温度は−50℃程で、同じ結晶構造を持つ二種類の化学的に異なる

C72900‑AT

C72900‑CX

C72900 ‑CX
C72900‑CX

図5

各種材料の耐力・摩擦係数の位置付け

TM（※ 1）エキュアキャスト（Equa Cast ）マテリオン ブラッシュが所有するパテントで鋳造技術・設備に関係する内容である。エキュアキャスト（EquaTMCast ）とは通常の溶解では偏析しやすい様な成分配合でも均質且つ微細粒子の状態で鋳造を可能とした技術であTMる。このエキュアキャスト（Equa Cast ）で鋳造された合金は鋳造組織のまま使われる材料とその後に鍛造され、より強固な銅合金として市場で使われる材料とがある。何れも殆どの場合が（※ 2）で述べる、スピノーダル分解を施しており、この二つの重要な処理により高機能の銅合金が生まれたと言ってよい。
（※ 2）スピノーダル分解
ほとんどの銅合金は、固溶体硬化、冷間加工、析出硬化、あるいはそれらの組み合わせによって強さを得ている。
C72900 などの銅・ニッケル・スズ系の 3 成分合金では、スピノーダル分解と呼ばれる熱処理によって機械的強さを発生させる。
34

SOKEIZAI Vol.53（2012）No.9

特集 多様なニーズに対応する金型材料と積層金型技術
表2

材質別
CX105
AT90
AT110

TS160U

エキュアキャスト
互 （ＥｑｕａＣａｓｔＴＭ）
エキュアキャスト
(EquaCast TM)

図6

形状
丸棒
丸棒
丸棒
丸棒
管
板
丸棒
丸棒
丸棒
管

C72900 の代表的な機械的特性値

直径
耐力
引張り強さ（mm） （MPa）以上 （MPa）以上‑
724758<102621758≧ 102621758<102758862≧ 102758862‑
760880‑75886110 〜 191035
1138
19 〜 411035
1138
41 〜 821035
1105‑
10341103

従来型
従来型

伸び（%）以上
41512106567533(1) 不規則な面心立方格子

エキュアキャストと従来型の比較相が形成される。スピノーダル硬化型合金における図7硬さ（HRC）以上
28260HBS
260HBS
3030303036343434(2) D022 構造(3) L12 構造

スピノーダル合金の時効硬化過程

かい構造を残す。

二つの相構造は、目に見えないほど緻密で、結晶粒簡単な表現をすれば、銅・ニッケルの結構格子に全体を覆い粒界に達している。このスピノーダル分ニッケル・スズの結晶格子が重なり合って全体を構解で生成された銅・ニッケル・スズ合金の強さは、成しているイメージである。銅・ニッケル格子は硬銅格子内に均一に分散したスズに富む相が作り出す

く、全体の合金としての応力を受け止め、ニッケル・干渉性歪に起因し、耐力は基金属の値の 3 倍に増大

スズ格子は滑りやすく、全体の合金としてのすべりする。スピノーダル分解で硬化作用を起こすには、性、耐摩耗性等の特性を発揮している。この二つの一定の条件が必要である。固体相におけるスピノー組み合わせに因り耐摩耗性と高い硬さ、且つ低い摩ダル機構の相系統図に、単相合金が二相に分れる領擦係数を維持している。

域である混和性間隙が必要であり、合金成分は相互拡散ができるように、熱処理温度において母格子内で十分な流動性を有していなければならない。

最後に、この資料を作成するにあたり、様々な技術協力を頂いた関係各位、プラ型材モールドマック

スピノーダル分解で強化された合金は、特有の微スの安定供給にご尽力を頂き日本国内の販売をお願細構造をもっている。この緻密な構造は光学顕微鏡

いしているウッデホルム ㈱ 殿各位、韓国の YDP 殿の解像領域を超えており、電子顕微鏡でなければ見各位、技術アドバイスをいただいた Dr. Yoshi 岡本、ることができない、あるいは、Ｘ線回折像におけるSDr. Ｋ村上、TG 八木、他各位に深く感謝すると共基本ブラッグ反射周辺の付随反射によって、銅・ニッにこの場でお礼申し上げます。

ケル・スズ、あるいは他の合金で発生したスピノーダル分解の存在を確認することも可能である。
熱処理の初期段階でスピノーダル分解によって形成されたスズに富む粒子が、最大時効条件で序列化された D022 構造を作り出す。過剰時効すると、不連続粒界反応が起こり、α 相と γ 相が交互に現れる混合相がスピノーダル硬化粒子を破壊して軟らマテリオン ブラッシュ ジャパン 株式会社〒 101‑0051 東京都千代田区神田神保町 3‑9
第一丸三ビル
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