工具鋼鍛造: グレード、方法、およびプロセスパラメータ

工具鋼鍛造は、工具鋼合金を高い圧縮力の下で成形するプロセスです。通常、 1,900°F および 2,200°F (1,040°C ～ 1,200°C) —優れた機械的特性を備えた金型、パンチ、切削工具、および構造コンポーネントを製造します。機械加工または鋳造の代替品と比較して、鍛造工具鋼部品は靭性、耐疲労性、寸法の一貫性が大幅に高いため、鍛造は高応力工具用途に好ましい製造ルートとなっています。

冷間加工金型用のブランクを調達する場合でも、熱間加工パンチの鍛造方法を選択する場合でも、プロセスが特定の工具鋼グレードとどのように相互作用するかを理解することは、必要な性能を得るために不可欠です。

そもそもなぜ工具鋼を鍛造するのでしょうか?

工具鋼は棒材から機械加工することも、粉末冶金によって製造することもできるため、他の方法では完全には満たせない性能要件に基づいて、鍛造の選択は慎重に行われます。

鍛造により、凝固中に形成される炭化物ネットワークが破壊され、再分散されます。 D2 や M2 などの高合金工具鋼では、鋳放しの超硬バンディングにより横方向の靭性が低下する可能性があります。 30～50% 適切に鍛造され加工されたビレットとの比較。また、機械加工により内部の気孔が閉じられ、結晶粒の流れが部品の形状に合わせられ、熱処理に対してより予測通りに反応する微細な結晶粒構造が生成されます。

実際には、鍛造 H13 ダイインサートは通常、機械加工された同等品よりも 1 倍長持ちします。 1.5～3倍 熱サイクルの厳しさに応じて、高圧ダイカスト用途で使用されます。

一般的な工具鋼のグレードとその鍛造特性

すべての工具鋼が同じ方法で鍛造されるわけではありません。合金含有量、炭素レベル、炭化物の種類はすべて、鍛造性と必要なプロセスウィンドウに影響します。

D2、 ～12%のクロムと1.5%の炭素含有量 、鍛造が最も難しい工具鋼の一つです。大量のクロム炭化物は、共晶炭化物のネットワークを破壊するために大量の制御された還元を必要とします。 1,850°F 未満で D2 を鍛造すると、亀裂が発生する危険性があります。 1,975°F を超えると、炭化物境界で初期溶融が発生する危険があります。

工具鋼の鍛造方法

鍛造方法の選択は、結晶粒の流れ、表面仕上げ、公差、および必要な鍛造後の機械加工の量に影響します。

自由型（スミス）鍛造

自由金型鍛造では、平らな金型または単純な形状の金型を使用して、加熱されたビレットを一連の段階的な圧縮によって加工します。これは、工具鋼ブランク、大型ダイブロック、仕上げ加工されるカスタム形状を製造するための最も柔軟な方法であり、標準的なアプローチです。

• 数ポンドから 数トン
• 減速比と作業方向を完全に制御可能
• 最小減速比 4:1 通常、高合金グレードの炭化物を適切に分解するために必要です
• ほとんどの特殊鋼メーカーが標準的な丸棒、角棒、平鋼の製造に使用しています。

密閉型（印象型）鍛造

密閉型鍛造では、加熱された素材が、完成品の形状に一致するキャビティを備えた、対応する金型半体の間でプレスされます。この方法では、制御された粒流と厳密な寸法公差を備えたニアネットシェイプ鍛造品が製造されます。 ±0.010～±0.030インチ クリティカルな次元について。

密閉型鍛造は、工具投資に見合った量のパンチ、インサート、および小型の工具コンポーネントに使用されます。工具鋼の場合、金型の寿命自体が問題になります。H13 圧搾金型は、高温で他の工具鋼グレードを鍛造するために一般的に使用されます。

回転（リング）転造およびラジアル鍛造

リング、ブッシュ、丸棒などの円筒部品の場合、回転鍛造法により円周方向の結晶粒を連続的に微細化できます。ラジアル鍛造では、丸ビレットを複数の方向から同時にプレスし、丸棒または六角棒の非常に均一な微細構造を生成します。この方法は生産に広く使用されています ハイス(HSS)丸棒 切削工具ブランク用。

等温鍛造

等温鍛造では、ワークピースと金型の両方を同じ温度に加熱し、鍛造が難しい合金の表面の冷えや亀裂の原因となる温度降下を排除します。設備コストの関係で工具鋼ではあまり一般的ではありませんが、熱間加工範囲が非常に狭い航空宇宙グレードの HSS や粉末冶金工具鋼に使用されています。

制御すべき重要なプロセスパラメータ

工具鋼の鍛造中に冶金を適切に行うには、いくつかの相互依存変数を厳密に制御する必要があります。

予熱および浸漬温度

熱衝撃を避けるために、工具鋼はゆっくりと均一に加熱する必要があります。大きな H13 ブロックの典型的な予熱プロトコル:

1. 加熱して 1,200°F (650°C) 断面全体の温度が均一になるまで保持します
2. 鍛造温度までのランプ ≤200°F/時間 (110°C/時間)
3. 鍛造温度で最低でも浸漬する 厚さ1インチあたり1時間

浸漬を急ぐとコアが冷えて不均一な変形が生じ、プレス中に内部亀裂が発生する可能性があります。

鍛造仕上げ温度

脆い状態で鋼がひずみ硬化するのを避けるために、作業は最低仕上げ温度を超えて完了する必要があります。ほとんどの工具鋼では、以下の温度で鍛造を続けるべきではありません。 1,750°F (955°C) 。ピースがこのしきい値を下回った場合は、追加の縮小を強制するのではなく、炉に戻す必要があります。

減速比

減速比 (開始断面 ÷ 終了断面) により、炭化物の分解と結晶粒の微細化が促進されます。工具鋼鍛造品の業界標準では通常、次のことが要求されます。

• 最低 3:1 耐衝撃性および水硬化性グレード (S7、W1) 用
• 最小 4:1 ～ 6:1 冷間加工グレード (A2、D2) 用
• 最小 6:1 以上 共晶炭化物ネットワークを適切に破壊する高速度鋼 (M2、T1) の場合

鍛造後の冷却

工具鋼は、変態応力による亀裂を防ぐために、鍛造後にゆっくりと冷却する必要があります。一般的な方法は、鍛造品を乾燥した砂、バーミキュライト、または絶縁石灰の中に埋めるか、または 200 ℃の炉に直接入れることです。 1,100～1,200°F (595～650°C) ゆっくりと制御された温度で周囲温度まで下がります。空冷は、断面が小さい S7 のような最も寛容なグレードでのみ許容されます。

鍛造後の焼鈍

鍛造により工具鋼が加工硬化され、残留応力が固定されます。機械加工または熱処理の前に、鍛造工具鋼ブランクを次のように焼きなましする必要があります。

• 鋼を機械加工可能な硬さ（通常は HB180～250 グレードによります）
• 残留鍛造応力を緩和する
• 均一な球状化炭化物の微細構造を生成し、最適な熱処理応答を実現します。

たとえば、D2 工具鋼の完全球状化焼鈍には、 1,600°F (870°C) 2 ～ 4 時間保持した後、炉をゆっくりと冷却します。 ≤25°F/時間 (14°C/時間) 1,000°F (540°C) 未満まで。このステップを省略または短縮すると、硬化中に研削割れや歪みが発生することがよくあります。

工具鋼鍛造品によくある欠陥とその回避方法

工具鋼鍛造と粉末冶金: それぞれをいつ選択するかを知る

粉末冶金 (PM) 工具鋼は、合金粉末を噴霧および焼結して製造され、高合金グレードでは鍛造だけでは達成できない極めて均一な炭化物分布を実現します。 CPM 3V、CPM M4、Vanadis 4 Extra などの PM グレードは、要求の厳しい用途向けに、従来の鍛造 D2 または M2 に代わる人気の代替品となっています。

ただし、次のようないくつかのシナリオでは、鍛造には依然として明らかな利点があります。

• 費用: 従来の鍛造工具鋼棒は通常、 30 ～ 60% 安価 同等のPMグレードよりも
• 大きな断面: PM バーの利用は重量セクションでは限られています。鍛造工具鋼ブロックは 24 インチを超えるサイズで日常的に生産されています
• カスタム形状: 自由金型鍛造では、大きな金型ブロックでの材料の無駄を削減するニアネットシェイプのプリフォームを製造できます。
• 実証済みのパフォーマンス: 鍛造 H13、A2、および S7 には、事実上あらゆるツーリング アプリケーションにわたる数十年にわたるフィールド パフォーマンス データが蓄積されています。

全方向の靭性が重要な場合、バナジウム含有量が約 3 ～ 4% を超える場合 (従来の鍛造は実用的ではない)、または用途が絶対的に最も微細な炭化物構造を必要とする場合には、PM がより良い選択肢となります。ほとんどの主力ツールでは、 適切に鍛造された従来の工具鋼は依然として最もコスト効率の高いソリューションです .

調達と品質検証

鍛造工具鋼を購入する場合、主要な品質保証慣行には以下が含まれます。

• 工場認定: 化学分析 (熱証明書) と、可能な場合は鍛造熱による機械的試験結果 (引張、衝撃) をリクエストします。
• 超音波検査 (UT): 大きなダイブロックには重要です。 ASTM A388 は鋼鍛造品の標準 UT 法であり、指定された許容限界を超える内部空隙または偏析を検出できます。
• 超硬ネットワークの評価: 高合金グレードの場合、サプライヤーは、定義された合格基準に従って適切な炭化物分布を確認する金属組織検査を提供または手配できる必要があります（たとえば、超硬バンディングの SEP 1520）。
• 焼きなまし後の硬さのチェック: 受領時のブリネル硬度の測定値により、材料が適切に焼鈍され、グレードの予想範囲内にあることが確認されます。

Böhler-Uddeholm、Carpenter Technology、Crucible Industries (PM グレード用) などの評判の良い工具鋼サプライヤーは、標準化された製品認証を提供していますが、安全性が重要なプログラムや大量生産のツーリング プログラムについては、独立した検証をお勧めします。