プレス金型材料の選び方｜SKD11・ハイス・超硬合金を比較

常温で板材を加工する金型では、刃先の摩耗を抑える耐摩耗性や、衝撃で欠けたり割れたりしにくい靭性が材料選定の重要な特性です。

金型部品には、板材を抜く・曲げる役割と、他の部品を保持・案内する役割があります。たとえば、抜き加工のパンチとダイには刃先の耐摩耗性が必要ですが、パンチを保持するプレートには保持部の強度や加工のしやすさも求められます。

プリハードン鋼は、あらかじめ熱処理して硬さを調整した鋼材です。使用する硬さや用途が合えば、部品加工後の焼入れ・焼戻しを省けます。ガイドポストなどの標準部品を選ぶ場合は、部品メーカーの仕様で材質、硬さ、使用できる寸法や潤滑方法を確認してください。

SKD11は、冷間プレス金型に使われる代表的なダイス鋼です。ハイスは高速度工具鋼の略称で、SKH51などがプレス金型にも使われます。粉末ハイスは、ハイス（高速度工具鋼）を粉末冶金法で製造し、組織を微細で均一にした材料です。

超硬合金は鋼材ではなく、炭化タングステンなどの硬い粒子を、コバルトなどの金属で結合した焼結材料です。金型の刃先に使う超硬合金は耐摩耗性に優れますが、衝撃による欠けも考慮して材種を選ぶ必要があります。

被加工材、板厚、刃先の形状、加工中に受ける荷重によって必要な特性が変わります。超硬合金でも硬さや欠けへの強さは材種によって異なるため、部品の形状と荷重に合う特性や推奨用途を比べてください。

SKD11と改良ダイス鋼を比較する場合

SKD11の摩耗や欠けを改善する材料には、靭性や高温焼戻し後の硬さを高めた改良ダイス鋼もあります。改良ダイス鋼は鋼種ごとに特性が異なります。必要な硬さを得る焼戻し条件と、その硬さでの靭性を比較します。高温焼戻し後の硬さやワイヤ放電加工時の寸法変化は、SKD11との比較項目です。

SKD11やハイスは、焼入れ・焼戻しで必要な硬さや靭性を得て使用します。焼入れは、鋼を加熱してから急冷し、硬さを高める熱処理です。焼戻しは、焼入れした鋼を再加熱して硬さや靭性を調整する熱処理です。超硬合金は通常、この焼入れ・焼戻しで硬化させる材料には含めません。

鋼材の熱処理条件は、鋼種と部品の寸法・形状に合わせて検討します。材料メーカーの資料で焼入れ・焼戻しの温度と冷却方法を確認し、必要な硬さを得られるか、熱処理後の変形を仕上げ加工で修正できるかを確認してください。硬さの指定には、ロックウェル硬さのHRCなど、測定方法を表す記号も記載します。

同じ部品形状でも、選ぶ材料によって切削・研削のしやすさが変わります。使用する鋼種や超硬合金に適した加工方法と工具を選び、部品の製作費も比較します。

ワイヤ放電加工や表面処理を行う部品

ワイヤ放電加工は、ワイヤ電極と加工物との間で放電させ、材料を除去する加工方法です。熱処理した鋼材をワイヤ放電加工すると、内部に残った応力などによって寸法が変化することがあります。高温焼戻しが指定される鋼種もあるため、ワイヤ放電加工の有無を材料選定と熱処理条件の検討に含めます。

使用する鋼種について、材料メーカーが推奨するワイヤ放電加工後の仕上げ方法と、再焼戻しが必要になる条件を確認します。コーティングや窒化などの表面処理を行う部品では、処理温度と母材の焼戻し条件を確認し、必要な硬さを維持できる方法を検討してください。

摩耗は、金型の表面や刃先がすり減る状態です。欠けは刃先などの一部が破損した状態で、かじりは接触する面で凝着などが起こり、表面が荒れる状態を指します。既存金型の材料を変更するときは、損傷した部品と場所、損傷が出るまでの加工数を確認します。

金型の取付不良や抜きかすの持ち上がりでも、刃先が破損することがあります。材料の変更と、金型の構造・加工状態の改善を、確認した原因に応じて検討してください。たとえば、刃先の摩耗が進む場合は材種の耐摩耗性と熱処理後の硬さを調べ、局部的に欠ける場合は刃先形状、保持状態、金型の装着、抜きかすの持ち上がりを調べます。これは損傷から調べる内容を選ぶ検討例です。熱処理やワイヤ放電加工後の寸法変化は、加工中の摩耗とは区別して、製作時の熱処理・仕上げ方法を確認します。

材料を比較するときは、材料費、機械加工費、熱処理費、研磨費を確認します。生産中の再研磨や部品交換についても、必要な作業と費用を見込みます。材料費が高い場合でも、再研磨や交換の頻度が減れば、使用期間中の費用を抑えられる場合があります。

入れ子構造は、摩耗や破損が生じる部分を別部品として組み込む構造です。材料選定では、入れ子にする範囲、交換部品を加工できるか、再研磨後に寸法を調整できるかも確認します。再研磨できる回数は、研磨で除去する量と、刃先に残せる寸法、研磨後の高さ調整方法によって変わります。

たとえば、パンチやダイの刃先を再研磨した場合は、削った分の長さをシムなどで調整することがあります。研磨できる量と調整方法を部品図面で確かめ、必要な生産数を加工するまでにかかる再研磨・交換の費用を見積もります。再研磨の予定回数に1回の研磨・調整費用を掛け、交換の予定回数に部品製作・交換費用を掛けて比較します。