当コラムでは、金型劣化事例について数多く分析調査を行い、原因解析を行っているエバーロイが、専門家の視点で超硬金型の劣化について説明します。

摩耗による金型形状部の減耗

摩耗とは摩擦により生じる固体表面の減耗であり、その機構の違いから大きく以下の４種類に分けられます。

凝着摩耗

金型表面にある微少な凹凸の突起部などの接触面への材料の凝着によりかかる高い圧力の作用により、その凝着部が剪断力によって破壊され摩耗粒子が発生する摩耗であり、超硬合金の場合には主にバインダ（結合相金属）部分で被加工材との凝着を生じ、結合相金属部分の剪断破壊や、被加工材元素が結合相金属内に拡散してＷＣ粒子を結合する力が弱まり凝着摩耗が進行します。このため超硬合金で主に結合相金属として用いられるＣｏとの親和性の高いFeやCuなどが被加工材である場合にはこの影響が生じやすくなり凝着摩耗の進行が促進されます。

アブレイシブ摩耗

すべり合う表面の硬い突起が柔らかい基材を引っ掻いて掘り起こすことで、摩耗粒子が発生する摩耗状態になります。またた、すべり面の一方に硬質な摩耗粒子などが挟まれ埋め込まれることでさらに摩耗を促進します。

腐食摩耗

摩擦熱による高温下や、腐食環境下において、酸化物や反応生成物の発生と脱落が繰り返されることにより摩耗粒子が生じます。酸化物や反応生成物は一般的に元の母材よりも脆く、母材との付着力が乏しくなるため剪断力により摩耗粉として容易に脱落し、摩耗が進行します。

疲労摩耗

繰り返し応力により、超硬合金の微小領域でひずみが蓄積することで、Co結合相の原子配列の構造が変化します。 Co結合相の原子配列の構造が変化してしまった超硬合金は、繰り返し応力による塑性変形に対し応じられなくなってしまうため、疲労破壊が起こります。疲労破壊が生じることで、超硬合金では摩耗粉の脱落が発生します。

破損による金型の劣化

金型へかかる負荷と、金型の加工状態や形状、劣化状態などとの兼ね合いにより金型の破損が生じる場合があります。

過負荷要因による破損

金型を使用する場合において、金型自体にかかる負荷が使用している超硬材種の耐荷重を超える場合において超硬金型の破損が生じる場合があります。

金型形状による局所的応力集中による破損

先に挙げた過負荷要因による破損の1種ですが、金型の凹角部、Ｒ形状部や、凹み形状部など局所へ特に応力集中が生じやすい形状部があった場合にそれを起点として破損を生じる場合があります。（ノッチ・エフェクト、切り欠き効果）レトルト食品や、シャンプーの詰め替えの袋を破る場合に切込みの無い部分では力をかけても全く切れないが、切込み部では容易に切れる状態が近いイメージになります。超硬合金では他で挙げた摩耗や、腐食などの劣化や、加工、取り扱い時に生じたキズなども複合的に作用し応力集中起点となる場合があります。

衝撃負荷要因による破損

硬質な材料が金型に衝突することで局所に集中した衝撃的負荷が生じ破損に至ります。実際の事例として金型の干渉や、取り扱い時における治工具の衝突などが挙げられます。金型使用の際には認識されていない場合があり、不具合が生じた金型の詳細な分析調査により認められた微少な衝突の痕跡の位置や状態などから想定される製造工程の問題について見直しをいただいて衝突の事実が確認される事があります。

微小な欠け(チッピング)

衝撃的な接触により刃先、エッジ部分に大きな圧力がかかり生じる角の微少部分の欠損、金型使用時の条件や環境要因により発生します。超硬材種の種類により耐チッピング性や、チッピング発生時の欠損サイズの大小に差を生じます。

腐食による金型の劣化

超硬材の主に結合相金属に対する化学的作用により結合相金属の劣化による結合力の低下や欠損が生じます。腐食の種類をご説明します。

水分付着と電気化学的作用による影響

超硬合金は硬質材料であるため機械的加工が難しく金型への加工時においては放電加工が用いられる場合があり、切断加工などにおいては加工速度の速さから水ワイヤ放電加工が用いられる場合があります。基本的に超硬合金の主成分であるＷＣやＣｏは水とは反応しにくいですが、超硬を水中へ浸漬した場合には空気/水界面付近における電気化学的作用により腐食が生じる場合があります。 空気/水 界面では溶存酸素濃度が高くなり、カソード反応が促進され界面から遠い中央部ではアノード反応が進行しＣｏが溶出します。 アノード反応：　Ｃｏ→Ｃｏ2+　+　２ｅ－ カソード反応（空気/水界面側）：1/2O2　+　Ｈ２Ｏ　+　２ｅ-　→２ＯＨ－

腐食成分の付着

腐食については、以下の記事にて詳しく説明しております。是非ご確認ください。 ＞＞超硬合金の腐食の原理とその対策方法とは？

水放電加工による影響

ワイヤ放電加工においてワイヤ電極と被加工材の間に生じる電位差を駆動力とした電解腐食が生じます。しかしながら、最近では放電加工機の制御技術の向上により電解腐食の発生は抑制され腐食の発生影響は小さくなっています。

高温による熱酸化

高温化では結合相金属の酸化反応が促進され酸化物へ変化することで、結合力が低下し強度低下を生じます。

その他劣化を促進させる要因

その他にも金型の劣化を促進させる原因があります。

金型セッティングの偏りによる局所的過負荷

パンチとダイなど金型を組み合わせて使用する場合、このセッティングに偏りがあった場合　クリアランスが不均一になりクリアランスが狭くなった個所では加工時の負荷が局所的に高くなり劣化影響が促進されます。

放電加工によるダメージの残存

放電加工によるマイクロクラックや溶融軟化層が深く生じ、それらが後の加工でも取り切れずに残る場合には金型へ負荷がかかった場合の破壊の起点になる場合があります。
＞＞放電加工とは？放電加工の基礎知識やメリット・デメリットを徹底解説

金型劣化の対策法

ここからは金型の劣化を防ぐための対策方法についてご説明します。

凝着摩耗の対策

①使用する材種の結合相量を少なくする 凝着は主に超硬の結合相金属に対して作用し摩耗を生じるため、結合相の減少により組織全体に対し生じる凝着摩耗量の割合を減少させ摩耗量を低下させます。 ②WC粒子径を上げる 結合相量を維持した状態でWC粒子径を上げる事で、表層の結合相金属の脱落した深さが同じ場合でも、WC粒子が粗い方が残りの結合相内へWC粒子が深く保持されるため脱落が生じにくく維持されます。また、表層部成分に凝着を受けにくいWCが主に保持されるため凝着摩耗の影響が低減されます。

アブレイシブ摩耗の対策

硬度を上げるとこでアブレイシブ摩耗への対策となります。超硬合金の硬度は、WC粒子の微細化や結合相量を減らす事で上昇します。超硬合金は主に硬質なWC粒子とそれらを結合する金属相で構成されるが、結合相金属はWC粒子と比べ柔らかく、WC粒子を微細化することでそれらを繋ぐ結合相金属も微細化され硬質粒子による引っ搔きの影響を受けにくくなります。また、結合相量を減らした場合にも同様に結合相厚みが薄くなり、また硬質なWCが占める割合が増えるためアブレイシブ摩耗での切削作用に対する影響が小さくなります。

腐食摩耗の対策

①使用する材種の結合相量を少なくする 酸化物や反応生成物の発生については主として結合相成分について生じるため、結合相の減少により組織全体に対し生じる腐食の発生量割合を減少させ影響度合いを低下させます。 ②結合相の耐食性能の向上 結合相金属の化学的反応の進行を抑制するための添加成分の付与や、化学反応が比較的に生じにくい結合相金属を使用した材種を用いる事で酸化や腐食の影響による摩耗を低減させます。

疲労摩耗の対策

引張強度の高い材種を使用することで疲労摩耗の対策となります。

破損による金型の劣化対策

破損による金型劣化の対策方法にはどのようなものがあるのでしょうか。ここからは、破損への対策方法をご説明します。

過負荷要因による破損の対策

超硬合金は脆性材料であり、鋼材などと比べて靱性が低くなるため使用する際の負荷を想定した材種の選択や、形状の設計が必要になります。可能な形状の場合は鋼材の焼嵌めなどにより圧縮応力を付与する事で強化することが可能です。

局所的応力集中による破損の対策

引張強度の高い材種の選択や、負荷の局所集中を避けるための形状設計などが対策として必要になります。また、金型の加工においては面粗度を小さくすることや、加工時のダメージが残らないような加工方法を選択することで破壊の起点を抑制します。

衝撃負荷要因による破損の対策

靭性の高い材種、粗粒や高Co材種の使用を選択することで、破損の発生や進展について抑制を図ることができます。また、金型使用環境を確認し干渉や衝突の可能性を避ける対策が必要になります。

微小な欠け(チッピング)の対策

チッピング自体の発生を抑制するためには靱性の高い材種を選択し、チッピングが生じた際でもシャープエッジを維持するためにはなるべくWC粒子径の小さい材種を選択する必要があります。

疲労破損の対策

引張強度の高い材種を使用することで疲労摩耗の対策となります。

腐食による金型の劣化対策

腐食による金型の劣化対策についてもご説明しますので参考にしてください。

水分付着と電気化学的作用による影響への対策

金型取り扱い時の注意として、①水分が付着したままでの放置を避ける、②水に漬かる場合には超硬と水/空気界面からの距離を空ける、③多湿環境下での保管をさけるなどが挙げられます。また、耐食性超硬合金を使用する事でもこれらの対策となり、腐食作用が生じにくい組成設計で腐食の抑制を図ることができます。

腐食成分の付着

以下の記事にて詳しく説明しています。ぜひご確認下さい。 ＞＞超硬合金の腐食の原理とその対策方法とは？

水放電加工による影響

以下の記事よりご確認ください。 ＞＞放電加工とは？放電加工の基礎知識やメリット・デメリットを徹底解説

高温による熱酸化

高温化での酸化反応の対策として、超硬材質の炭化物種類、結合相量や結合相金属種類、添加成分により耐酸化性を強化した材種の採用や、金型の冷却条件の見直しにより対策されます。

金型の摩耗や劣化に関するお悩みは、当社に御相談ください！

当社は、超硬金型の摩耗や劣化についてその状態を分析調査し、その結果から不具合の原因を特定するノウハウを有しており、その特定された原因に対し過去に行った改善事例経験などから最も適した改善方法を提案することが可能になります。 金型に関するお悩みを持ちの皆様、お気軽に当社に御相談ください。 ＞＞お問い合わせはこちら！