金型の熱処理｜焼入れ・焼戻しと硬さ・靭性・変形の管理

金型の熱処理で行う焼入れ・焼戻し

焼入れは、鋼材を鋼種に応じた温度まで加熱した後、適切な速さで冷却して硬くする処理です。焼入れ直後の鋼は硬い一方でもろく、内部に応力が残っているため、そのまま金型として使うのではなく、通常は焼戻しを行います。

焼戻しは、焼入れした鋼を再び加熱し、硬さとじん性を調整する処理です。焼入れで生じた応力を減らし、使用中の欠けや割れに耐えられる性質に整えます。焼戻しの温度や回数は鋼種と要求する性質によって異なるため、材料メーカーの推奨条件を確認します。

金型用鋼には、必要な硬さに熱処理した状態で供給されるプリハードン鋼もあります。この場合は追加の焼入れ・焼戻しを行わずに加工して使える鋼種があるため、まず材料の供給状態を確認します。

金型の硬さ・じん性・寸法変化の考え方

摩耗への強さと欠け・割れへの強さを分けて考える

じん性とは、欠けや割れに耐える性質です。摩耗を抑えるには耐摩耗性が、欠けや割れを抑えるにはじん性が必要です。硬さを高くすることは耐摩耗性の向上につながる場合がありますが、硬さだけで金型の寿命は決まりません。同じ硬さでも鋼種や熱処理後の組織によってじん性は異なるため、発生している不具合と使用条件から材料・熱処理を検討します。

熱処理による変形を見込んで加工する

焼入れでは、加熱・冷却に伴う温度差や鋼の組織の変化によって、そりや寸法変化が生じることがあります。その程度は鋼種、形状、肉厚、処理条件で変わります。寸法精度が必要な面は、熱処理後に仕上げ加工できるように加工代を検討し、処理後の寸法を測定します。

プレス金型のダイプレートを熱処理する場合を仮定します。組付け面の平面度や穴の位置を製品図面ではなく金型部品の図面で指定し、処理前後に同じ箇所を測定して、指定した寸法許容差を満たすか確認します。

熱処理後に仕上げ加工する面は、変形を修正するための加工代をあらかじめ検討します。硬さの測定位置と方法も決め、寸法の測定結果と分けて記録します。加工代や要求硬さは、鋼種、部品の形状、金型の使用条件に応じて設定します。

精密金型では時間がたってからの寸法変化にも注意する

熱処理直後に寸法が合っていても、その後に寸法が変わる場合があります。原因の一つは、焼入れで変化しきらずに残った組織である「残留オーステナイト」です。これが時間とともに別の組織へ変わると、寸法変化につながります。

必要に応じて、氷点下まで冷却するサブゼロ処理や、追加の焼戻しによる安定化処理を検討します。すべての金型に必要な処理ではなく、鋼種と要求する寸法精度に応じて判断します。

金型の熱処理仕様と検査で確認する内容

熱処理の仕様は、硬さの数値だけでなく、測定する位置と方法、処理後に確認する寸法まで決めます。金型のどの部分で、どのような不具合を防ぎたいのかを図面や仕様書に示すと、必要な条件を検討しやすくなります。

過去に欠けや割れが出た金型なら、発生位置、使用条件、修理履歴も共有します。熱処理を依頼する場合は、検査項目と記録の提出範囲を依頼先と決めておきます。