はじめに
スチールは金型製造において重要な材料であり、それぞれ異なる用途に適した特性を持つ様々なタイプがあります。適切な鋼材の選択は、金型の耐久性、性能、効率を確保するために不可欠であり、最終製品の品質と歩留まりに直接影響します。ここでは、金型製造に使用される鋼材とその特性、そして製品の材質と歩留まりから適切な鋼材を選択する方法について掘り下げてみましょう。
金型製造に使用される鋼鉄の種類
- 炭素鋼
- 合金鋼
- 工具鋼
- ステンレス鋼
それぞれの鋼種は、硬度、靭性、耐摩耗性、機械加工性など、固有の特性に基づいて選択される。
炭素鋼
炭素鋼は手頃な価格で入手できるため、広く使用されている。炭素の含有量は様々で、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼に分けられる。
- 低炭素鋼： 0.3%までの炭素を含む。比較的軟らかく、機械加工がしやすいが、硬度と耐摩耗性に欠ける。
- 中炭素鋼： 0.3～0.6％の炭素を含む。硬度と延性のバランスが取れており、適度な強度と耐摩耗性を必要とする金型に適しています。
- 高炭素鋼： 0.6～1.4％の炭素を含む。非常に硬く耐摩耗性に優れるが、もろい。高い強度と耐摩耗性を必要とするが、衝撃が少ない金型に使用される。
合金鋼
合金鋼は、その特性を高めるためにクロム、ニッケル、モリブデンなどの様々な元素が混合されている。
- クロムモリブデン鋼： 靭性と耐摩耗性で知られる。プラスチック射出成形やダイカスト用の金型によく使用される。
- ニッケルクロム鋼： 靭性、硬度、耐熱性、耐食性に優れる。高応力用途の金型に適する。
工具鋼
工具鋼は工具や金型の製造用に特別に設計されたものである。刃先の保持能力、変形に対する耐性、高応力条件下での寿命に基づいて分類される。
- Aシリーズ（空気硬化）： 高クロム含有により、優れた耐摩耗性と硬度を実現。
- Dシリーズ（高炭素、高クロム）： 耐摩耗性に優れ、冷間加工にも使用可能。
- Hシリーズ（熱間加工）： 高温用途向けに設計され、高温でも硬度と強度を維持。
ステンレス鋼
ステンレス鋼は、少なくとも10.5％のクロムを含み、優れた耐食性を提供します。耐食性が重要な要素となる金型に使用されます。
- マルテンサイト系ステンレス鋼： 熱処理により硬化し、優れた耐摩耗性と適度な耐食性を持つ。
- オーステナイト系ステンレス鋼： 耐食性に優れるが、マルテンサイト系に比べ硬度が低い。
金型用鋼の硬度
硬度は金型用鋼の性能を左右する重要な要素です。硬度はロックウェル硬度計（HRC）またはブリネル硬度番号（BHN）を用いて測定されます。以下に異なる金型用鋼の代表的な硬度値を示します：
- 低炭素鋼: 70-80 BHN
- 中炭素鋼: 120-180 BHN
- 高炭素鋼: 200-300 BHN
- クロムモリブデン鋼: 180-230 HRC
- ニッケル・クロム鋼: 250-350 HRC
- Aシリーズ工具鋼: 50-65 HRC
- Dシリーズ工具鋼: 55-62 HRC
- Hシリーズ工具鋼: 40-55 HRC
- マルテンサイト系ステンレス鋼: 40-50 HRC
- オーステナイト系ステンレス鋼: 150-200 BHN
材質と降伏による鋼材の選択
金型用鋼の選択は、成形される材料の種類と製品の望ましい歩留まりに影響されます。以下にいくつかのガイドラインを示す：
成形材料
- 汎用プラスチック（ポリプロピレン、ポリエチレンなど）には、適度な硬度と耐摩耗性を持つ中炭素鋼やAシリーズ工具鋼が使用できる。
- 研磨性のあるプラスチック（充填ポリマーなど）には、耐摩耗性に優れた高炭素鋼やDシリーズ工具鋼が好ましい。
- 金属素材：
- 非鉄金属（アルミニウム、亜鉛など）のダイカストには、高温でも硬度を維持できるHシリーズ工具鋼が最適です。
- より硬い金属（合金鋼など）には、クロムモリブデン鋼のような高炭素鋼や合金鋼が必要な強度と耐摩耗性を提供する。
望ましい収量と金型の寿命
- 大量生産：
- 多くの部品を生産することが予想される金型では、耐摩耗性の高い工具鋼（Dシリーズなど）が、長期にわたって金型の完全性を維持するために不可欠である。
- クロムモリブデン鋼も、その靭性と繰り返しの使用に耐える能力から、良い選択である。
- 少量生産：
- 生産量が少ない場合は、中炭素鋼や低炭素鋼の費用対効果が有利になる。これらの鋼材は、より特殊な鋼材の高いコストなしに十分な耐久性を提供する。
- 精度と表面仕上げ：
- 光学部品や医療機器など、精度と高い表面仕上げが要求される場合は、耐食性と微細な仕上げが可能なマルテンサイト系ステンレス鋼などのステンレス鋼が適している。
- 複雑な細部を必要とする複雑な金型形状には、切削性と熱処理中の安定性からAシリーズ工具鋼が好まれます。
結論
金型製作に適した鋼を選ぶことは、金型の性能、耐久性、費用対効果に影響する重要な決定です。利用可能な鋼の種類、特性、硬度を理解することは、十分な情報を得た上での決定に役立ちます。この選択プロセスでは、成形される材料、生産量、希望する歩留まりなどの要素が重要な役割を果たします。
これらの側面を慎重に評価することで、メーカーは、選択した金型鋼がアプリケーションの特定の要件を満たし、高品質の製品と効率的な生産工程につながることを保証することができます。プラスチック射出成形、ダイカスト、高精度アプリケーションのいずれであっても、適切な鋼は、金型が最適に動作し、長期的な信頼性と価値を提供することを保証します。
