金型鋼の合金
金型用鋼は工具鋼の一種で、冷間加工用金型鋼、熱間加工用金型鋼、プラスチック金型鋼など、さまざまな種類の成形工具に使用される。
金型用鋼を作るには、どのような元素を使うことができるのか？
- 主な合金：炭素（C）、ケイ素（Si）、マンガン（Mn）、リン（P）、硫黄（S）、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、アルミニウム(Mo)、タングステン（W）、バナジウム（V）、コバルト（Co)
- その他の微量合金：チタン（Ti）、ニオブ（Nb）、銅（Cu）、アルミニウム（A1）。
- 非金属元素：窒素（N）と臭素（B）
金型材料に及ぼす各種合金元素の影響
1. 炭素(Carbon)
主な合金元素であり、硬化特性と耐摩耗性を高めます。他の合金と比較して、炭化物は焼入れ処理中にオーステナイト固溶後に形成されます。炭素含有量が多い合金は、鋼の鋳造中に偏差が発生しやすく、粗大な炭化物が生成され、靭性、延性、機械加工性、溶接性に悪影響を及ぼします。
2. シリコン(Si-Silicon)
利点: 強化された硬化能力、耐摩耗性、および弾性限界の向上。
欠点: 電気伝導性、靭性、熱伝導性、研磨性が低下します。
3. マンガン(Mn-Manganese)
利点: 製錬時の脱酸効果があり、硫黄と結合して硫化マンガンを形成しやすく、加工性が向上し、降伏点と引張強度の向上に役立ちます。
4. リン(P-Phosphorus)
デメリット: 鋼塊の凝固プロセスでは、鍛造後の応力焼鈍中に粗大偏析や二次偏析が発生しやすく、材料の均質性に重大な影響を及ぼします。焼戻し脆性が増加し、靭性が低下し、鍛造比が低くなります。
その非マイナス効果：ウォルシュタット鉄系ステンレ ス鋼中のリンPは降伏点強度を高め、析出硬化 プロセスに含まれるクロム(Cr)とニッケル(Ni)は 拡散強化効果に寄与する。
5. 硫黄 (S-Sulphur)
デメリット：硫黄は鉄と硫化鉄を形成し、銅インゴットの凝固プロセス中に偏析しやすくなり、熱間鍛造中に粒界を囲むネットワーク硫化物に重大な影響を及ぼします。硫黄はマンガンと結合して硫化マンガンを形成しやすく、これは純度に影響を与える不純物であり、材料の靭性を低下させ、溶接の密着性が悪く、また割れが発生しやすくなります。鏡面研磨が悪く、テクスチャエッチングの均一性が悪く、金型表面に髪の毛のような斑点が現れやすい。硬質クロムメッキ（チャードクロムメッキ）や化学（無電解ニッケルメッキ）などの表面コーティングは、そのコーティング効果に影響を与えます。
6. クロム(Cr-Chromium)
硬化エネルギー（油冷または空冷）を増加すると、マルテンサイト含有量が高くなりすぎて、衝撃強度（靭性）に悪影響を与える可能性があります。炭素と炭化クロム（M7C3）を形成しやすく、耐摩耗性、靭性が向上し、水素脆化に抵抗します。クロム（Gr）を13％以上含むと、耐接触性（ステンレス鋼シリーズ）があります。クロム含有量が多すぎると、熱伝導性、電気伝導性、研磨性、放電傷や化学エッチングの影響が相対的に低下します。
7. ニッケル(Ni-Nickel)
ニッケルは炭素共晶と炭化物を形成せず、単一の合金元素です。耐接触性に優れ、研磨しやすく、傷やエッチングが起こりにくく、靭性が向上し、耐高温腐食性と600℃以上の高温強度（延性良好）を持ち、加工性が悪く、工具に固着しやすく、切りくずが除去されにくく、熱膨張率が低く、熱伝導率が低いです。
8. モリブデン(Mo-Molybdenum)
モリブデンは通常、他の合金と固溶して合金炭化物（M6C）を形成し、基礎硬度を強化し、硬化能力を向上させます。熱間加工鋼では、焼戻し軟化に対する耐性、耐腐食性、高温熱溶融および熱侵食に対する耐性、焼戻し脆性に対する耐性があり、降伏強度と引張強度を向上させます。高速度鋼（M-35、M-42、M-45、M-50、M-52）の切削性と高温強度を向上します。 8.
9. バナジウム(V-Vanadium)
二次精錬時にバナジウムを添加し、鋼塊の凝固プロセス中の結晶粒の粗大化を抑制し、炭化物の形成を強化します。その後の熱処理では、オーステナイトの鉄化時間が十分に固溶体に参加して炭化物の固溶率を高め、結晶粒の粗大化を防ぎ、究極の硬化能力を達成する必要があります。
バナジウム炭化物（MC）の炭化物硬度はHV 2600〜3200で、耐凝着性、一般摩耗性が高く、焼戻し軟化耐性、高エネルギー強度に優れ、切削工具の刃先靭性（角が欠けにくい）に優れています。
10. タングステン(W-Tungsten)
タングステンは炭化物の形成を強化する主な元素でもあります。炭化物（MC）の硬度はHV：2250〜3200に達します。焼入れエネルギー、赤熱硬度、高温強度、焼戻し軟化に対する抵抗力を向上させることができます。一般的には熱間鋼や高速度鋼に添加されます。ヒステリシス能力と強い飽和磁性を持ち、磁性材料に添加するために使用されます。
11. コバルト(Co-Cobalt)
コバルトは炭素共晶に関与しないため、炭化物を形成しません。高温での結晶粒成長を抑制し、高温硬度維持能力に優れ、高温強度、高温耐熱摩耗性に優れています。焼入れ性を向上させ、ベース硬度とクリープ強度を強化します。また、飽和容量と熱伝導率にも優れており、先進的な磁性材料や合金に使用されています。
12. ニオブ（Nb-Niobium）
炭化物形成能力を強化し、ベース硬度を高め、化学腐食に抵抗し、高温強度とクリープ強度を持ち、破壊靭性と耐摩耗性を向上させます。近年、冷間工具鋼の機械的特性を改善するために微量のニオブ (Nb) が添加されています。
