金型のトラブル｜摩耗・欠け・かじり・変形が生じる原因

金型トラブルの種類と損傷の見え方

金型は、製品材料との接触や、加工・成形時の荷重と熱を受けて使われます。表面の材料が減る、刃先の一部が欠ける、接触する金属が付着するなど、使われ方によって異なる損傷が生じます。

主なトラブルの状態と、発生の仕組みの例を示します。

これらは損傷の例です。熱間金型では、熱疲労による細かな亀裂がつながり、欠けや摩耗につながる場合もあります。

摩耗・かじりを引き起こす接触と金型材料

冷間加工の金型では、製品材料に含まれる硬い粒子や表面の硬い突起が、金型面を削ることがあります。摩耗への抵抗は、金型材の硬さや、材料中にある硬い炭化物の状態によって変わります。

金属同士の接触面では、微小な部分が強く結び付く「凝着」も起こります。そのまますべると、結び付いた部分が引きはがされ、一方の材料が相手の面へ移ります。

金型の材料が引きはがされると摩耗となり、製品材料の金属が金型面へ付着すると、かじりにつながります。接触する金属、面の状態、潤滑、表面処理は、この凝着や移着に関係します。

摩耗やかじりを抑えるには、金型材と表面処理の組合せ、接触面の状態、潤滑条件を検討します。鋼材の硬さを変える場合は、欠けや割れへの抵抗も含めて材料を選ぶ必要があります。

欠け・割れ・変形に関わる荷重と金型材料

冷間加工の金型では、刃先や角部に一時的な大きい負荷がかかり、欠けが生じることがあります。繰返し荷重によって小さな亀裂が進み、欠けや割れへつながることもあります。

亀裂の発生や進展には、金型の形状と材料の性質が関係します。鋭い角部や加工痕は応力が集中する箇所になり得るため、損傷が始まった位置と周囲の形状を調べます。

欠けや割れに抵抗する性質を靭性といいます。金型材では硬さと靭性の関係を考え、摩耗への強さと、欠け・割れに耐える性質の両方を検討します。

応力は、材料の内部に生じる単位面積当たりの力です。金型内部の応力が材料の降伏強度を超えると、力を取り除いても元に戻らない塑性変形が起こります。これは金型の一部が失われる欠けとは異なり、形が変わって残る損傷です。

工法で異なる摩耗・腐食・ヒートチェック

射出成形金型の摩耗・腐食を起こす材料と環境

ガラス繊維で強化した樹脂の射出成形では、強化材が金型の摩耗に関係します。摩耗の進み方は、樹脂の種類や強化材の量、金型材、硬さ、表面処理の組合せによって変わります。

ガラス繊維の含有量を40％・50％・60％とした特定のポリアミド樹脂の試験では、同じ金型材と成形条件でゲート部の摩耗量を比較しています。この試験では、含有量が多い条件で摩耗量が増えました。実際の材料選定では、使う樹脂の銘柄と強化材の量を確認し、使用する条件での耐摩耗性を検討します。

樹脂から発生する腐食性ガスや、冷却水、周囲の湿気によって金型が腐食する場合もあります。樹脂やガスに触れる面か、冷却水に触れる場所かを確かめ、損傷した場所にどの物質が接していたかを調べます。

ダイカスト金型では加熱と冷却の繰返しで亀裂が生じる

ダイカスト金型では、加熱と冷却の繰返しによって表面に細かな亀裂が生じることがあり、これをヒートチェックといいます。温度の変化によって、金型表層に引張りと圧縮の応力が繰り返し作用することが関係します。

ヒートチェックの発生には、金型材の高温での強度や靭性、金型表面の加工状態、局所的な加熱や冷却の状態が影響します。亀裂が生じた場所の温度変化と冷却条件を、材料や表面の状態とともに検討します。

金型トラブルの原因を調べる方法

摩耗やかじりでは、材料が減った場所と、金属が付着した場所を観察します。接触していた製品材料や金型部品、潤滑の状態を調べることで、表面が削られたのか、凝着して材料が移ったのかを検討できます。

欠けや割れでは、破面から亀裂が始まった位置や進んだ方向を調べます。外観や顕微鏡による観察と、金型材の性質、使用時の荷重や環境の情報をもとに、破損の仕組みを検討します。

熱や腐食が関係する損傷では、金型の温度と冷却の状態、樹脂から発生するガスや冷却水など接触する物質も調査に必要です。発生時の使用条件と、材料・表面処理・潤滑などを変更した時期を確認し、観察した損傷との関係を調べます。

例えば、絞り金型の同じ位置に金属の付着があり、成形品に縦傷が生じた場面を仮定します。金型の付着位置と製品の傷の位置、潤滑剤の塗布の偏り、接触面の形状や粗さを確認します。潤滑条件や表面の仕上げを変更した場合は、変更箇所と条件を記録し、試し成形後の傷と付着の状態を同じ検査項目で確認します。