nachi technicalnachi technical report vol.28b5良好 良好 温熱間鍛造用 冷間プレス...

Vol.28B5October/2014

■ 新商品・適用事例紹介

〈キーワード〉 温熱間金型用鋼・マトリックスハイス高靭性・耐熱性

マテリアル事業部／技術開発部

長谷川 誠 Makoto Hasegawaマテリアル事業部／技術開発部

吉田 直純 Naozumi Yoshida

マテリアル事業

NACHITECHNICAL

REPORTMaterials

「DURO-FZ」温熱間金型用鋼

Hot or warm forging die steel "DURO-FZ"

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

要　旨　NACHIマテリアル事業部では、冷間および温

熱間における各種成形加工用金型材として、精密

型用鋼「DUROシリーズ」を商品化している。

　今回、「DUROシリーズ」の新商品として、靭性

と耐熱性を高度にバランスさせた温熱間金型用

鋼「DURO-FZ」を開発した。独自の特殊溶解技

術により、一般的な金型材よりも靭性、耐熱性に

優れており、過酷な環境下で使用しても、割れや

ヒートチェックが発生しにくく、優れた寿命が得ら

れるのが大きな特長である。

Abstract NACHIMaterialsDivisionhasbeenmarket-ingthe“DUROseries”forprecisiondiemateri-alsofbothcoldandhotstampings. As a newproduct in the“DUROseries”,NACHIhasdeveloped“DURO-FZ”for thehotstampingdiematerial thatmaintains thehighlybalancedtoughnessandheat-resistance.Becauseof theuniquemelting technology,“DURO-FZ”exceedsthegeneraldiematerialintoughnessandheat-resistance,andcracksandheatchecksareunlikely tooccurundertheharshenvironment,achievingthesuperblongevity.

　金型の主要ユーザーである自動車関連メーカー

においては、部品の軽量化、高性能化を背景とし

て、部品となる素材の難加工化、複雑形状化、高

精度化がすすみ、また一方で生産性向上を狙った

多様な加工法の開発もすすむ中で、金型、そして

金型材料に対するニーズがますます高度なものに

なっている（図1）。

　また、使用環境によって金型に必要な特性は異

なるため、用途にあわせて最適な金型材料を使

用する必要がある。NACHIは、ユーザーの金型

使用環境にできるだけ適用できるよう、材料特性

バランスを変えた8鋼種を、「DUROシリーズ」として

販売している。

1. 高品質・高性能の 金型材料ニーズに 応えて

図1　温熱間金型の一例

1

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.28B5

良好

良好

温熱間鍛造用

冷間プレス冷間鍛造用

靭性

耐摩耗性

SPSKH51

SKH40V5

F7

V2

F3

F1

N1 FZ

SKD61

2. 「DUROシリーズ｣における ｢DURO-FZ｣の位置づけ　「DUROシリーズ」は、独自の特殊溶解技術を

ベースに製造された、高品質・高性能の金型材

料であり、破壊の原因となる非金属介在物や炭

化物偏析を可能な限り少なくした材料となって

いる。

　「DUROシリーズ」の各鋼種の特性位置づけを

図2に、「DUROシリーズ」の概要を図3に示す。

「DUROシリーズ」は、靭性と耐摩耗性のバランス

に優れた鋼種からなり、冷間から温熱間領域まで

の多様な使用環境に適用できるようシリーズ化さ

れている。

　今回新たに商品化した「DURO-FZ」は、温熱

間鍛造金型の寿命向上を狙って開発した鋼種

であり、靭性および耐熱性に優れるのが大きな

特長である。

図3　「DUROシリーズ」概要

図2　「DUROシリーズ」の特性位置づけ

冷間打抜パンチ

転造工具冷間鍛造

温熱間鍛造

冷間

熱間

DURO-SP 60～67HRC 高耐摩タイプ　ハイス系 粉末ハイス以上の耐摩耗性を有しながら、良好な靭性を有する

マトリックスハイスの靭性と粉末ハイスを超える耐摩耗性を兼ね備える

DUROシリーズの中で最高の靭性を有し、疲労強度にも優れる

高靭性でありながらMax.65HRCの高硬度が得られる

F1とF7の中間的特性で、良好な耐摩耗性と靭性を有する

60HRCクラスの金型材料として最高の靭性を有する

硬さと耐衝撃性のバランスが極めて高い

高温強度に優れると同時に、高い靭性を有する

高靭性・高耐摩タイプ　ハイス系

高靭性タイプ　熱間ダイス鋼系

超高靭性タイプ　マトリックスハイス系

高靭性タイプ　マトリックスハイス系

56～62HRC

58～62HRC

59～65HRC

57～62HRC

54～60HRC

54～58HRC

50～54HRC

DURO-V5

DURO-V2

DURO-F7

DURO-F3

DURO-F1

DURO-FZ

DURO-N1

主な用途 鋼種名 硬さ範囲 分類 特長

2

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

図4　熱間鍛造ダイ破壊プロセスの例

図5　｢DURO-FZ｣の衝撃値

図6　「DURO-FZ」の抗折力

50

100

150

200

250

300

350

50 52 54 56 58 60硬さ（HRC）

DURO-F3DURO-F1

DURO-N1マトリックスハイス

素材サイズ：φ50

衝撃値（J/cm

2 ）

DURO-FZ

硬さ（HRC）

抗折力（GPa）

3

4

5

6

7

50 52 54 56 58 60

マトリックスハイス

DURO-F3DURO-F1DURO-FZDURO-N1

素材サイズ：φ50

【試験条件】　シャルピー衝撃試験試験片サイズ：5×10×60　　　ノッチ：なし

【試験条件】　３点曲げ試験試験片サイズ：5×10×60　　支点間距離：50mmストローク速度：3mm/min

加工数の増加とともにヒートチェックとクラックが発生

プロセス①軟化の発生

プロセス②ヒートチェックの発生

プロセス③クラック伸展

①ワークと接触する成形面表層の硬さが低下。　これにより、表層部が塑性変形したり、著しい摩耗が発生する②硬さの低下により、金型表層に熱疲労による微細なクラック　いわゆるヒートチェックが発生しやすくなる③使用条件によっては、それを起点として大きな割れに至る

熱間鍛造ダイ成形面のヒートチェックとクラック

破壊プロセスの例

高い軟化抵抗特性が有効凝集しにくい炭化物を含む材料が有効

プロセス① 温度上昇による硬さの低下を抑える

成形面のヒートチェックとクラックを抑えるには

高温での高い疲労強度が有効介在物＆炭化物が小さく、かつ少ないクリーンな材料が有効

プロセス② 熱疲労によるヒートチェックを抑える

お勧めポイント！耐熱性を高めるために重要な因子は、内部に含まれる炭化物の種類と量であり、高温下でも凝集しにくい炭化物を靭性を下げない程度にできるだけ多く含有させることが重要である。F3，F1，FZ，N1は、汎用の熱間ダイス鋼SKD61や、近年多用されているSKD61の改良鋼などに比べ、高い耐熱性を有する。

成形面拡大

4. ｢DURO-FZ｣の特長3. 温熱間金型に 必要な特性

　「DURO-FZ」は、マトリックスハイスに属する。

一般にマトリックスハイスは、ハイス（高速度工

具鋼）に比べて炭化物を大幅に減らしたもので、

ハイスよりも靭性が高く、金型用の素材として

多用されている。

　「DURO-FZ」は、成分や製造方法に配慮する

ことで、既存マトリックスハイスより靭性および

耐熱性を向上させている。

1）優れた靭性　「DURO-FZ」の衝撃値を図5に、抗折力を図6

に示す。「DURO-FZ」は、成分や製造方法に配

慮し、応力集中部となりうる粗大炭化物を少な

くすることで、高い靭性を有している。

　「DURO-FZ」および既存鋼種の「DURO-F1」の

ミクロ組織写真を図7に示す。組織写真で白く観

察される炭化物が、「DURO-FZ」は「DURO-F1」

に比べて少なくなっていることが分かる。

　「DURO-FZ」の主な用途として考えている温熱

間金型に必要な材料特性を示すために、熱間鍛

造ダイ損傷発生プロセスの例を図4に示す。

　図4に示すような、金型表面の温度上昇による

軟化から、ヒートチェックの発生を経てクラック

伸展に至るという損傷を抑えるには、硬さの低

下を抑えるために軟化抵抗の高い材料が有効で

ある。また、ヒートチェックの伸展を抑えるため

に、疲労強度の高い材料（具体的には介在物や

炭化物が小さくて少ない材料）が有効である。

3

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.28B5

図7　｢DURO-FZ｣と｢DURO-F1｣のミクロ組織

図8　「DURO-FZ」の赤熱硬さ

DURO-FZ DURO-F1

0.1mm 0.1mm

0.1mm

ヒートチェック試験片の表層ミクロ組織写真

DURO-F1

DURO-N1

SKD61 マトリックスハイス

DURO-FZ

試験条件 ヒートチェック試験

試験片サイズ ： φ20×5 ［700℃×3s加熱→水冷×10s］×1000回

【試験条件】　赤熱硬さ試験試験片サイズ：10×10×10　加熱炉：大気電気炉（650℃）

【試験条件】　ヒートチェック試験試験片サイズ：φ20×5（700℃×3s加熱→水冷×10s）×1,000回

【試験条件】　ヒートチェック試験試験片サイズ：φ20×5（700℃×3s加熱→水冷×10s）×1,000回

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

650℃保持時間（hr）

硬さ（HRC）

DURO-F1

DURO-N1SKD61改SKD61

DURO-FZ

素材サイズ：φ50

0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20

DURO-F158HRC

DURO-FZ56HRC

DURO-N153HRC

SKD6148HRC

マトリックスハイス57HRC

最大ヒートチェック長さ（mm）

素材サイズ：φ50

図9　｢DURO-FZ｣の耐ヒートチェック性

2）優れた耐熱性　「DURO-FZ」の赤熱硬さを図8に示す。赤熱

硬さとは、焼入焼戻しした材料を、焼戻し温度よ

り少し高い温度（650℃）で長時間保持し、その

後室温で硬さを測定したものである。焼戻し温

度より高い温度に保持するので、初期の硬さよ

りも基本的に低下するが、その低下具合が少な

いほど耐熱性が高いということになる。

　「DURO-FZ」は耐熱性の高い材料であり、比

較として記載したSKD61やSKD61改良鋼より優

れていることが分かる。

図10　｢DURO-FZ｣の耐ヒートチェック性

3）優れた耐ヒートチェック性　「DURO-FZ」の耐ヒートチェック性試験結

果を図9に、ヒートチェック試験片の表層ミク

ロ組織写真を図10に示す。ヒートチェックと

は、温熱間金型を使用していくに従って表面に

発生する微細なクラックのことで、金型表面の

加熱と冷却の繰り返しにより発生する。ヒート

チェックを抑えるには、高硬度であることが最

も重要で、次に靭性が高いことが重要となる。

図9および図10は、700℃加熱と水冷を1,000回

繰り返して、ヒートチェックの発生状況を評

価したもので、「DURO-FZ」は、比較材に比べ

て、クラックの発生、伸展が小さく、耐ヒート

チェック性に優れていることが分かる。

4

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」

図12　30,000ショット使用後の熱間ダイ表層ミクロ組織

図11　30,000ショット使用後の熱間ダイ成形面外観

DURO-FZ SKD7改良鋼

0.1mm0.1mm

微小な欠け 微小な欠け欠け

DURO-FZ SKD7改良鋼成形面拡大

5. ｢DURO-FZ｣の使用事例　｢DURO-FZ｣ 製熱間鍛造ダイをユーザーに

試作いただき、現行材（SKD7改良鋼）との比較

調査を実施した。比較調査後のダイ外観を図11

に示す。30,000ショット後の外観を比べると、

｢DURO-FZ｣の損傷の程度が、現行材に比べて

軽微であることが分かる。

　次に、比較調査後のダイ表層のミクロ組織写

真を図12に示す。両材とも、ヒートチェックの

発生が確認されるが、その長さは｢DURO-FZ｣

の方が短いことが分かる。「DURO-FZ」の耐熱

性の高さにより、ヒートチェックの発生が抑制

され、損傷の程度が軽微になった例である。

5

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.28B5

図14　熱処理パターンの例図13　｢DURO-FZ｣の焼入れ焼戻し硬さ曲線

50

52

54

56

58

60

62

540 560 580 600 620

焼戻し温度（℃）

硬さ（HRC）

1,160℃1,140℃1,120℃1,100℃1,080℃

焼直

狙い 焼入れ（℃）1,140 560×2 57.5

56

53.5

580×2

600×2

1,120

1,100

焼戻し（℃×回） 硬さ（HRC）耐摩耗重視

推奨熱処理条件

標準

靭性重視

焼入れ温度

ワークの厚みD（mm） 浸漬時間A（s）12×D 60～ 10

10～ 25

25～ 50

50～ 7575～100100～

90

120

150180210

10×D

8×D

7×D6×D5×D

浸漬時間T（min）

標準的な加熱時間

【ソルトバス熱処理】

ポイント◎塩浴温度が大きく下がる時は、浸漬時間を長めにする

ポイント◎焼入れ冷却速度は、可能な限り速くする◎加熱時間を過剰に長くしない

850℃

1,100℃

550℃熱浴急冷 内外均一になるまで

A（s）A（s） T（min） T（min）

AC AC AC

580℃ 580℃

【真空炉熱処理】

660℃×30min

870℃×40min

1,100℃（N2パージ）×

A（min）

20min 20min 10min 70min T（min） 70min T（min）

GCGC

GC

580℃ 580℃

ワークの厚みD（mm） 保持時間A（min）～15 90～ 10

10～ 25

25～ 50

50～ 7575～100100～

120

150

150180180

15～20

20～25

25～3030～3535～

保持時間T（min）

標準的な加熱時間

AC：空冷（Air cool）

GC：ガス冷（Gas cool）

1）焼入れ焼戻し硬さ曲線　「DURO-FZ」の焼入れ焼戻し硬さ曲線を図

13に示す。「DURO-FZ」の標準使用範囲の硬

さは54 ～ 58HRCである。推奨熱処理条件は、

耐摩耗重視と標準、靭性重視の3条件を基本的

に提示してある。最高焼入れ温度は1,160℃であ

り、これを超える温度で熱処理すると、過熱組織

となって靭性が大幅に低下するために注意が必

要である。

2）熱処理パターンの例　「DURO-FZ」の熱処理パターンの例を図14

に示す。図14では、処理するワークの肉厚を基

準に、焼入れと焼戻しの標準的な加熱時間を提

示している。ワークの形状や炉の設備能力、積

載量等によって調整が必要になるため、参考値

とお考えいただきたい。

3）熱処理時の注意点　「DURO-FZ」は、比較的大型の金型に使用さ

れるケースが多く、焼入れ冷却速度が不足する

とベイナイト組織が発生し、靭性を損なうリス

クがある。そのため、真空炉、雰囲気炉の場合、

油冷却を推奨するが、加圧ガス冷却の場合は、

できるだけ冷却能力の高い設備の使用が望ま

しい。ソルトバスの場合は、550℃前後の熱浴

冷却の後、さらに低温の200℃程度での熱浴冷

却が必要となる。金型の肉厚としては、50mm

程度を超えた場合、２段冷却を推奨している。

6. ｢DURO-FZ｣の熱処理

6

October / 2014

〈発　行〉2014 年10月20日 株式会社不二越　技術開発部 富山市不二越本町1-1-1〒 930-8511 Tel.076-423-5118Fax.076-493-5213

Vol.28B5

NACHI TECHNICAL REPORT

　精密型用鋼「DUROシリーズ」の新商品である

温熱間金型用鋼「DURO-FZ」は、発売開始以来、

靭性および耐熱性の高さにより好評を得ている。

「DURO-FZ」の使用が、ユーザーでの金型コスト

の削減に貢献できれば幸いである。

7. 「DURO-FZ」の用途展開