熱処理変寸制御性に優れるマトリックス冷間ダイス鋼 DCMX の開発
清 水 崇 行
井上幸一郎
関谷1)
2)

.

は じめ篤
3)に自動車部材を成型する大型の冷間プレス金型は，大きなブロ ッ ク 材を 多 数 組み 合 わ せて 1 つの 金 型と す る こと が 多い．そのため，熱処理によって発生する寸法変化(以後，熱処理変寸)が大きいと，ブロックが所定の位置に収まらず，多大な手間をかけ寸法修正を行う必要がある．従来，冷間プレス金型には， JIS SKD11 や，高温焼戻しで SKD11 対比
高硬度が得られ表面処理を行う金型に適した 8Cr 系冷間ダイス鋼(以後，8Cr 鋼)が主に使用されてきた．これら既存鋼
図1

は，熱処理変寸挙動が鍛伸・圧延方向とその直角方向で異なブロック材の各方向の変寸率変化(1)．

り，例えば，図に示すように，幅方向 W の寸法変化をゼロになるように焼戻し温度を調整しても，長さ寸法 L の寸

.

開発のポイント

法変化はゼロより大きくなるという熱処理変寸の異方性が認識(1) されていた．そこで，寸法修正の時間短縮・省略のた開発には，熱処理変寸の異方性に及ぼす素材要因を明確にめ，熱処理変寸が制御しやすい，すなわち，熱処理変寸異方する必要があった．炭化物を多く含む 12Cr レデブライト鋼

性が小さく，ブロック材のいずれの方向の寸法であっても寸( 1.7  C － 0.4  Si － 0.3  Mn － 12.0  Cr )では，晶出炭化物法精度が達成可能な材料が望まれていた．

分布と熱処理変寸異方性に相関が見られるという報告(3)があ

一方，自動車部材としてハイテン材の使用率が向上(2)してる．そこで， 8Cr 鋼( 1 C － 1 Si － 8  Cr － 2 Mo )をベーいる．ハイテン材の成型では，金型の摩耗抑制やカジリ防止

スに， C ， Cr 添加量を調整することで，晶出炭化物面積率対策が重要となるため，金型用鋼には高硬度化が求められを変化させ，熱処理変寸の異方性を調査した結果を図に示る．また，上記対策の 1 つとして，多く適用されている金す．図の縦軸は，鍛伸方向を長さ方向とした直径 10 mm 長型の表面処理の膜密着性向上のためにも，同様に金型用鋼にさ 50 mm の丸棒を，同一条件の焼入れを行い，直径と長さは高硬度化が求められる．の熱処理変寸率(＝(熱処理後寸法－前寸法)/前寸法)を示し

そこで既存鋼 SKD11 や 8Cr 鋼と同等以上の金型特性を確た．図 2 より，円相当直径 2 mm 以上の晶出炭化物面積率の保しつつ，熱処理変寸の異方性が極めて小さいマトリックス減少に伴い，熱処理変寸率の直径と長さの差が小さくなり，冷間ダイス鋼「DCMX」を開発した．

熱処理変寸異方性が小さくなることがわかる．これは，鍛伸方向に伸びた形状や偏った分布の炭化物が，焼入れ冷却時に大同特殊鋼株式会社
研究開発本部特殊鋼研究所先進材料研究部金型材料技術研究室
1)副主任研究員 2)室長
ステンレス・工具鋼事業部工具鋼営業部 3)主任部員
Development of Cold Work Die Steel Matrix Type `DCMX';
Takayuki Shimizu, Kouichiro Inoue, Atsushi Sekiya (DAIDOSTEEL Co., LTD.)2009年11月 2 日受理

ま て り あ 第49巻 第 3 号(2010)Materia Japan

マトリックスの鍛伸方向を収縮させにくくするため(4)と考えられる．
熱処理変寸異方性の抑制には，晶出炭化物面積率をおよそ1以下，すなわち，マトリックス化が必要と判断した．これは，C, Cr 添加量による成分調整だけでなく，鋳造時に発生する晶出炭化物をマトリックス中に十分固溶させ，量を低図2

変寸異方性への晶出炭化物面積率の影響．

図4図3

変寸率と硬さの比較．

光学顕微鏡観察写真．
図5

衝撃特性の比較．

減させる必要がある．そのため，均熱温度や時間，鍛造温度等を制御することでマトリックス化を達成している．図にのシャルピー衝撃試験の結果を示す．破壊の起点となりやす既存鋼と開発鋼の光学顕微鏡観察写真を示す． DCMX は，い粗大な晶出炭化物が多く含まれる既存鋼に比べ，マトリッ切削加工性の向上を目的とした非金属介在物が見られるが，クス化した DCMX の衝撃値は 2 倍程度高い．よって，摩耗粗大な晶出炭化物がほとんど存在しない均一な組織となって等で寿命に至る前に，衝撃負荷により大割れが発生しているいる．

金型には，開発鋼の適用で突発的なトラブルの低減が期待できる．

.

開発合金の諸特性



熱処理変寸制御性



切削加工性

図に熱処理後の高硬度材でのボールエンドミル加工試験

図に長さ 150 mm 幅 100 mm 高さ 50 mm のブロック材

結果を示す．炭化物はマトリックスに比べ硬度が高いため，を 1030 °C 焼入れ， 480 ～ 520 °C 焼戻しし，各寸法の熱処理変切削工具刃先が炭化物に接触することで，刃先の摩耗やチッ寸率と硬さの測定結果を示す． DCMX は，いずれの焼戻しピングが発生しやすくなる(5)と考えられている．マトリック

条件でも各方向の変寸率がほぼ同一であるため，熱処理変寸ス化と非金属介在物の存在により，切削条件によっては，異方性が小さいことがわかる．さらに， DCMX の変寸率がDCMX は SKD11 の 10 倍程度の切削工具の長寿命化が達成ゼロ付近となる 490 °C の焼戻しで， 8Cr 鋼とほぼ同程度のできる．よって，大型プレス金型のように切削除去体積が大62HRC が得られる．よって， SKD11 よりも高硬度を確保きい場合には，切削工具費の大幅削減が期待できる．

しつつ，焼戻し条件の調整により，熱処理前とほぼ同一寸法に制御することが可能である．
靭性

図に鍛伸方向を試験片長さ方向とした 10R ノッチ形状

耐摩耗性

図に大越式摩耗試験結果を示す．試験条件によらず比摩耗量はほぼ硬さに依存する傾向が認められる．このため，変寸制御をしつつも高硬度が得られる DCMX は， SKD11 よ新技術・新製品

図8
図6

熱処理変寸異方性の比較(調査数)．

切削加工性の比較．

図9

図7

耐摩耗性の比較．

.

パンチ先端部の拡大写真．
矢印はチッピング部分を示す

今 後 の 展 開りも耐摩耗性に優れている．よって，被加工材の凝着という開発鋼 DCMX は，粗大な晶出炭化物の量を極めて低減す

カジリが顕著な金型では，カジリによる摩耗抑制の期待がもるマトリックス化を実現し，これにより熱処理変寸制御性やてる．

切削加工性といった金型製造性を改善しつつ， SKD11 対比
強度や靭性といった金型性能も向上させた特徴をもつ．現在

.

適 用事例は主に自動車部材を成型する大型プレス金型に適用され，高評価が得られてきている．今後は優れた金型性能を生かして受託熱処理メーカーで熱処理変寸の異方性を測定した結果大型プレス金型以外への拡大も期待される．

を図に示す．様々な形状やサイズのサンプルが混在しているデータでありながら，既存鋼に比べて DCMX は異方性が.

特許抑制されていることがわかる．また，寸法差のバラツキも既存鋼より小さい．そのため， DCMX は高い寸法精度が達成しやすいとの評価を得ている．

本開発鋼については国内特許 4403875 号と他 3 件出願済み，また，国外も 1 件出願済みである．

板厚 1.6 mm の 780 MPa ハイテン材に q 10.2 mm の抜き加工を行い，1 万ショット後のパンチ先端部の拡大写真を図文

献に示す．既存鋼に比べて， DCMX は，パンチ先端部のチッピングが軽微になっていることがわかる． DCMX は破壊の起点になりやすい粗大な晶出炭化物が少ないため，チッピングを起こし難いと考えられる．同様にハイテン材の成型金型で， DCMX 適用によりチッピングを起こし難く，長寿命化を達成したという複数の事例が確認されている．

ま て り あ 第49巻 第 3 号(2010)Materia Japan( 1 ) D. D. Huffman ， C. R. Wendell ， 竹 内 特 殊 鋼 ， 15(1966), 38.
( 2 ) 小宮幸久神戸製鋼技報，52(2002), 3.
( 3 ) G. Steven: Trans. ASM, 62(1969), 130.
( 4 ) 清水崇行，井上幸一郎電気製鋼，78(2007), 289.
( 5 ) 清水崇行，尾崎公造電気製鋼，76(2005), 229.

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