特集 日立金属 110818 -...

30 SOKEIZAI Vol.52（2011）No.9

ダイカスト金型材料の変遷、ダイカスト型の主要損耗に対する関連特性を紹介すると共に、最近、脚光を浴びているハイサイクル化に対応して開発した新ダイカスト金型材料の特性について紹介する。

ハイサイクル化に対応する新ダイカスト金型材料

1．はじめに

　加　田　善　裕　日立金属㈱

　自動車業界では燃費向上を目的として車体の軽量化が進められ、アルミダイカスト製品の適用が広まっている。また、製造業のグローバル化を背景に、コストダウンのために成形時間の短縮、すなわちハイサイクル化が進められている。ハイサイクル化により、金型の表面温度が上昇し、外冷も強化されるため、金型表面の熱負荷が増し、ヒートクラックが短サイクル数で発生しやすくなっている。また、金型温度を下げるためには、内冷強化も有効であるが、金型表面と内冷孔間の温度勾配が大きくなるため、

内冷孔表面からの応力腐食割れのリスクも高まっている。　このダイカストのハイサイクル化を念頭に、耐ヒートクラック性、靭性、耐応力腐食割れ性に優れた新材質DAC－MAGICを開発したので、その特長、使用実績などを紹介する。また、同材質は、従来のSKD61改善材より被削性を改善することができたため、その切削加工特性についても紹介する。　なお、ダイカスト金型用鋼の変遷、主要損耗とその関連特性についても説明する。

　熱間ダイス鋼は高温の強度が大きく、熱間の耐摩耗性に優れ、熱衝撃の繰り返しに耐える耐ヒートクラック性をもつように合金設計された合金工具鋼である。日本では、まず、熱間鍛造型材としてW系・Cr－W系（JIS－SKD4、SKD5 の前身）が使われていたが、これらの材料は高温強度に優れるものの、靭性や焼入性が劣るため、ダイカスト型などの大きな型や、複雑形状の型には問題があった。1930年代中頃にアメリカで開発されたAISI.H11～13がこれらの問題を解決する熱間工具鋼で、戦後日本でも急速に採用されるようになった。ダイカスト金型用としては、1956年にJISに制定された、SKD6（AISI.H11）、SKD61（AISI.H13）が、広く使用されてきた

が、現在では SKD61が主流を占めるようになっている。なお、高負荷のダイカスト型用には、SKD61の成分をアレンジした改善鋼が、各鋼材メーカーで開発されてきた。　1960年代から自動車の軽量化を目的として、駆動系ケース類などの大物自動車部品へアルミダイカストが適用されるようになり、金型も大型化した。これに対応し、’70年代前半には大物金型でも靭性が維持できるSKD61靭性改善材（弊社DAC－K4 等）が開発された。一方で、家電、OA機器などの複雑形状品へもアルミ製品の適用が進んだが、湯流れ性確保の目的で溶湯温度を高くされたため、ヒートクラックが早く発生するようになり、’70 年代後半に

2．ダイカスト金型用鋼の変遷1），2）

31Vol.52（2011）No.9 SOKEIZAI

特集　ダイカストの欠陥・不良対策に役立つ最新技術

は高温強度を重視したSKD61の強度改善材（弊社YEM4（現在は、その後継鋼DAC10）等）が開発されている。その後、自動車部品においてはシリンダーブロックのような大物かつ鋳込み重量も大きい部品もダイカスト化され、大割れ防止とともに耐ヒート

クラック性の向上も必要となったため、’95年頃には、割れリスクを抑えつつ、耐ヒートクラック性を向上させた高靭性材料（弊社DAC55 等）が開発されている。

　ダイカスト金型用鋼を、弊社のラインアップを例に、高温強度・靭性で整理して図 1に示す。ダイカスト金型に一番多く使用される材料は JIS－SKD61相当鋼（弊社材ではDAC）である。更に、この特性を向上したSKD61改善鋼が各社で製造されている。この材料は、SKD61の低 Si・高Mo系が多く、特殊溶解法で製造されている場合が多い。この改善鋼には、先項で紹介したDAC10やDAC55と共に、新材質DAC－MAGICも含まれる。その他の鋼種では、鋳抜きピン用に耐溶損性に優れるマトリックスハイスYXR33、小ロット用にはプリハードン鋼のFDAC（SKD61快削鋼）、プラスチック金型用鋼を流用したHPM7・HPM－MAGIC等も使われている。

　ダイカスト型の主要廃却理由を図 2に示す。ダイカスト型の廃却理由で一番多いのは、ヒートクラックであるが、最近は大割れなどの不具合の早期発生も目立ってきている。ヒートクラックは、型表面のAl 溶湯による昇温、離型剤による冷却の繰返しによって疲労的に発生する。発生メカニズムを図 3に示すが、ヒートクラック抑制のためには溶湯射出時の型表面温度域での型材高温強度、冷却時の型材延

3．最近のダイカスト金型用鋼

靭性

鋳抜きﾋﾟﾝ用

汎用金型材料

強度･靭性兼備

SKD61

YXR33

DAC10

高温強度重視

FDAC DAC DAC‑SHPM7

HPM‑MAGI C

DAC55

DAC‑MAGI C

新高性能材

プリハードン鋼

小ロット用

プリハードン鋼小ロット用

DACの高品位グレード

SKD61改善鋼高温強度

図 1　ダイカスト金型用鋼の位置付け

性をバランスよく向上させることが肝要である。　大割れは型表面のヒートクラックの進展、冷却孔からの応力腐食割れの進展により発生する。大割れ対策には、硬さ低減、高靭性材の適用が有効である。冷却孔からの応力腐食割れは結晶粒界に沿って進展する形態を示すが、腐食要因もあり、高靭性材が必ずしも応力腐食割れに対して優位にならない。このため、冷却孔の応力腐食割れに対応した評価法も開発されている。

4．ダイカスト型の主要損耗と関連特性

損耗名 内容

ヒートクラック

熱サイクルによる疲労クラック

大割れ ヒートクラック･冷却孔応力腐食割れから進展

溶損 溶湯との化学的反応、機械的な食われ

ヒートクラック溶損

大割れ応力腐食割れ

冷却孔

78.3

7.8 8.32.3 3.2

01020304050607080

頻度

(%)

ヒートクラック

割れ 溶損 腐食・肌荒れ

摩耗

金型表面

アルミ溶湯の接触時

温度

高

低

圧縮熱応力

圧縮，引張の繰り返し熱応力→熱疲労クラック発生

材料に求められる特性

圧縮応力で塑性変形しにくい

高温強度

引張応力で破断しない

低温での延･靭性金型表面

温度

低

高

引張熱応力

離型剤吹き付け時

図 2　ダイカスト型の廃却理由 図 3　ヒートクラックの発生メカニズム

32 SOKEIZAI Vol.52（2011）No.9

　ダイカストのハイサイクル化は、型表面温度の上昇、型表面と内部の温度差の拡大（型表面～冷却孔の温度勾配の拡大⇒冷却孔表面の引張応力増大）に繋がり、ヒートクラックの早期発生、冷却孔の応力腐食割れ等を起点とする大割れなどの問題を引き起こしている。この対策として開発した金型材料がDAC－MAGICである。DAC－MAGICでは、高温強度を向上させ、かつ焼入れ時の結晶粒界への炭化物析出を抑えるために炭化物形成元素を、靭性を向上させるために焼入性改善元素を調整した。また、SKD61 改良鋼の主流である靭性改善鋼（弊社DAC55 等）は被削性が悪い難点があったため、粗加工および仕上げ加工の切削条件に対応できるようにSi を中心とした組成制御を行った。以下、その特長を紹介する。　図 4に各種ダイカスト金型用鋼の硬さと650℃での高温強度を示す。DAC55はSKD61よりMo含有量が多く高温強度が高いが、その改善度合いは少な

い。DAC－MAGICは、固溶強化を併用するために、Moを高めてVでバランスを取った結果、DAC55と比べて高い高温強度が得られている。　一方、靭性は一般的に強度とトレードオフの関係にあり、強度を高めると靭性が低くなる傾向にある。そこで、DAC－MAGICでは前述の固溶強化を併用することで、靭性を損ないやすい析出強化の利用を減らしたほか、ベイナイト変態点制御により靭性を低下させる粗大な上部ベイナイト組織の生成を遅延させた。図 5に各種ダイカスト金型用鋼の硬さと実体熱処理を想定した半冷時間＊40分品のシャルピー衝撃値を示す。DAC－MAGICは、SKD61より大幅に衝撃値が高く、DAC55と同等の値が得られている。

＊半冷時間は、焼入れ冷却速度を示す指標で、焼入れ温度から、（焼入れ温度 +室温）/2 までの冷却に要する時間で表す。この数字が小さいほど冷却速度が速い。半冷（時間）40分は大物ダイカスト型を焼入れする時の焼入れ冷却速度を想定している

5．新ダイカスト金型用鋼DAC－MAGIC3）

200

250

300

350

400

450

500

42 44 46 48 50

硬さ (HRC)

高温耐力 (M

Pa)

DAC-MAGICDAC10

DAC55

SKD61

0 1000 2000 3000

ﾋｰﾄｸﾗｯｸ発生ｻｲｸﾙ数

SKD61

加熱温度：650℃　　硬さ：45HRC

DAC-

MAGIC

4000サイクル後の断面組織

DAC-MAGIC

DAC55

SKD61200μm

DAC55

図 4　ダイカスト金型用鋼の高温強度 図 5　ダイカスト金型用鋼の衝撃値

図 6　耐ヒートクラック性：クラック発生サイクル数

33Vol.52（2011）No.9 SOKEIZAI

特集　ダイカストの欠陥・不良対策に役立つ最新技術

　図 6に弊社のシミュレーション型ヒートクラック試験結果を示す。SKD61は1,500サイクルでヒートクラックが発生しているのに対し、DAC55では2,000サイクルまで発生が遅くなり、DAC－MAGICはさらに3,000サイクルまで発生が遅くなって、SKD61対比で 2 倍、DAC55対比でも1.5倍のクラック発生サイクル数となっている。試験を4,000サイクル実施後、同一部位の断面を観察した結果を右側に示す。SKD61は複数のクラックが深くまで進展しており、浅いクラックの数が少ないことが分かる。最大クラック深さは約0.8mmであった。DAC55は深いクラックの数が少なく、浅いクラックが主体となっており、最大クラック深さも約0.6mmとSKD61よりも浅くなっていた。一方、DAC－MAGICでは、浅いクラックのみが均等に発生しており、クラック深さは最大でも約0.3mmで、他の鋼種の半分以下であった。　応力腐食割れについては、ダイカスト型の冷却孔を想定した試験片に繰り返し荷重を加える腐食疲労

試験法を新たに開発して、応力を種々変更して、鋼種ごとの腐食疲労亀裂の発生サイクルを測定した。図 7に応力と亀裂発生サイクル数から作成したS－N曲線（縦軸に応力振幅 S、横軸に繰り返し数Nをとって材料の疲労特性を表したもの）を示す。応力が大きい場合は鋼種間の差はほとんど見られないが、応力が下がるとともに差が広がり、700MPaでは、SKD61に対して約 2倍、DAC55の約1.4倍の発生サイクル数となった。応力腐食割れは、焼入冷却時に結晶粒界に析出するフィルム状炭化物が局部電池作用や切り欠き効果を与えて粒界破壊の形で進行すると考えられるが、DAC－MAGICは焼入冷却時に結晶粒界に析出・成長するフィルム状炭化物の析出量が少なくなるような成分設計をした効果が現れていると考えられる。　以上の特性により、DAC－MAGICを使用したダイカスト金型は、シリンダーブロック型等にて大幅な寿命向上が得られている4，5）。これらを含めた使用実績を表 1にまとめる。

表１　DAC－MAGICの使用実績

製品名 従来材使用実績

従来材状況 DAC－MAGIC適用結果自動車エンジン部品

DAC55他社 SKD61 改善鋼

金型の切削加工工数大

従来材比大幅加工工数低減。採用決定。

自動車エンジン部品 DAC55 15万S（補修実施） 15万S、継続使用中

自動車T/M部品 DAC55 10万S（補修実施） 12万S、継続使用中自動車エンジン部品

DAC55他社 SKD61 改善鋼

DAC55：2 ～ 3 万Sでクラック廃却 10万S、継続使用中

自動車T/M部品 DAC55 7 万Sでコーナー部クラック

7万S使用し、継続使用中。加工性も良好。量産採用。

HDDケース DAC10、SKD61 改善鋼 70～80万S廃却 100万S、継続使用中

自動車部品 他社 SKD61 改善鋼 4.7万Sで、4度溶接補修（ヒートクラック） 4.7万S 時点で、溶接補修なし

自動車部品 他社 SKD61 改善鋼 29,000S廃却（補修実施）

62,000S継続使用中（補修なし）

図 7　耐腐食疲労割れ性

34 SOKEIZAI Vol.52（2011）No.9

また、従来のSKD61改善鋼は、SKD61に対して被削性が低下する難点があった。DAC－MAGICは、切削中に酸化物の潤滑作用が効果的に働くように、Si を中心とした酸化物形成元素の組成制御を行っており、従来のSKD61改善鋼に対して、工具の摩耗や

チッピングが低減している。図 8に高送りラジスミルのV－T曲線を示すが、DAC55に対して、工具寿命が大幅に向上している。また、切削能率の向上も可能となっている。

　ダイカストにおけるハイサイクル化に着目して新たに開発された新ダイカスト金型用鋼DAC－MAGICの特性について、ダイカスト金型材料の変遷と共に紹介した。DAC－MAGIC は国内だけでなく、韓国・中国・東南アジアでも高評価を得、適用が広がりつつある。各種特性のバランスに優れた本金型材料により、使用条件・コストパーフォーマンス要求が厳しくなるダイカスト業界のトータル製造コスト低減に少しでも寄与できれば幸甚である。

DAC－MAGIC、DAC、FDAC、HPM、HPM－MAGIC、YEMは日立金属㈱の登録商標です。

　参考文献1 ）清永欣吾：工具鋼，177 -1782 ）長澤政幸：特殊鋼，60（2011）1，29-303 ） 田村庸，長澤政幸，中津英司，山口基，片岡公太：日立金属技報，26（2010）28 -33

4 ） 長澤政幸，山口基，片岡公太，山下泰宏：型技術者会議 2008 講演論文集（2008）194 -195

5 ） 長澤政幸，井上健，田村庸，片岡公太，武田旨弘：型技術者会議 2009 講演論文集（2009）160 -161

6．おわりに

図 8　各種ダイカスト金型用鋼の被削性比較

日立金属株式会社　特殊鋼カンパニー技術部〒105-8614　東京都港区芝浦 1-2-1シーバンスN館TEL. 03-5765-4410　FAX. 03-5765-8317http://www.hitachi-metals.co.jp

＜加工条件＞

　・カッター：φ63高送りラジアスミル（日立ツール・ASR-T5063R-4） ・送り量 Fz=1.3mm/刃

　・インサート：JP4020（日立ツール） Ap×Ae=1.0×42mm

　・切削速度 Vc=90、130、180m/min. ・オーバーハング=100mm

※エアブロー・単一刃

DAC55DAC-MAGIC

SKD61

DAC10

焼なまし材

・切込量