金型の表面処理の選び方｜摩耗・離型・焼付き対策で比較

金型に用いられる表面処理には、窒化のように表面層を硬化させる方法、物理蒸着法（PVD）や化学蒸着法（CVD）によって硬質膜を形成する方法、めっきなどがあります。

表面処理で改善したい性質には、摩耗しにくさ、加工する材料の付着しにくさ、製品の取り出しやすさなどがあります。処理方法に加え、形成する膜や硬化層の性質を、使用する金型の用途に合わせて選びます。

PVDやCVDは膜を形成する方法を指します。一方、DLCは炭素を主成分とする膜の名称です。膜の名称と処理方法を分けて仕様を読むと、母材にどのような処理を施すのかが分かります。

コーティングの膜の密着性は、母材の材質や硬さ、表面粗さに影響されます。母材の状態を調べ、必要に応じて下地を窒化してからコーティングする方法を検討します。

処理時の加熱で母材の硬さが変わる場合があります。鋼種と熱処理記録から焼戻し温度を調べ、候補となる処理の温度で硬さを保てるかを確かめます。PVDでも加熱を伴うため、処理の温度と母材の熱処理条件を確認します。

PVDの膜には下地の凹凸が反映されます。成膜前に必要な表面粗さへ仕上げ、膜の密着を妨げる酸化層や汚れを除去します。

樹脂成形型では、金型に付けたシボの凹凸が製品の表面模様に転写されます。必要な模様を保ち、凹凸の深さと抜き勾配を確認して、取り出した製品の側面に傷が生じていないかを調べます。

金型の表面が硬い粒子で削られる場合は、耐摩耗性を高める窒化や硬質膜を検討します。あわせて、削った材料の粉や異物が接触面に入り込んでいないか、潤滑が不足していないかを調べます。

加工する材料が金型に付着する場合は、その材料との反応や摩擦を抑える膜を検討します。膜を選ぶ際は、対象となる材料と使用温度で付着を抑えられるかを評価します。

アルミダイカストでは、溶けたアルミニウム合金が金型の鋼と反応して付着し、焼付きや溶損が生じる場合があります。接触を隔てる窒化の化合物層やコーティングに加え、金型温度や離型剤の付着状態も調べます。

樹脂成形品を取り出す際の離型抵抗には、抜き勾配や金型の表面粗さ、製品の表面温度も影響します。取り出しにくい箇所でこれらを調べ、型の形状や潤滑状態を含めて対策を考えます。

熱間で使う金型では、窒化層を深くすると割れや欠けにつながる場合があります。硬さや層の深さを増やす前に、抑えたい損傷が摩耗なのか、熱による割れなのかを調べ、層の構成を検討します。

コーティング後は、処理する予定の範囲に膜が形成されているか、傷や剥離がないかを調べます。型の寸法と表面粗さは、図面や仕上げの指定を満たすか測定します。

コーティングでは膜厚、窒化では硬化した層の深さを検査対象とします。処理方法に合った測定結果で指定を満たすかを確認し、組付け後は可動部に干渉や動作の異常がないかを調べます。

例えば、コーティング後に金型の摺動部が動きにくくなった場面を仮定します。膜を付ける範囲の指定と実際の処理範囲を確認し、処理前後の部品寸法と膜厚を調べ、組み合う穴と軸の寸法が図面の公差を満たすかを確かめます。

金型の寸法・表面粗さが基準内であることと、試作した製品が品質基準を満たすことの両方を確認してから、量産での使用を再開します。

使用中は、処理した面の摩耗、材料の付着、膜の剥離と、製品の寸法や表面の傷を点検します。不具合が再発した場合は、金型のどこで損傷が進んだか、製品のどの箇所に変化が出たかを調べ、膜や下地、潤滑などの見直しにつなげます。

コーティング後に再研磨する場合は、研磨による膜の剥離や除去に注意が必要です。研磨した箇所に膜が残っているか、母材が露出しているかを調べ、金型の寸法と合わせて再処理の必要性を判断します。