構造材に使われるレアメタルは、添加することで強度や耐食性などの特性を持たせる働きをするものでした。
ここでは、構造材用途に分類される中でその特性を活かして金型材料として使用されるレアメタルを見ていきましょう。
金型材料に使われるレアメタル
金型の材料を扱う際に、”SKHxx“や”SKDxx“などの材料記号や”ハイス“や”クロモリ“などの呼称を使われることが多いと思います。もちろん、これらすべてにレアメタルが使われているというわけではありません(鉄と炭素の合金である炭素鋼など ※マンガン(Mn)などが含まれるケースもあります)が、”クロモリ“は呼称の通り「クロムモリブデン鋼」で鉄にクロムとモリブデンを添加し、高い強度と硬度を持つ合金です。ちなみに”クロモリ”は、英語でも”Chromoly Steel”です。
高速度工具鋼
一般的に「ハイス」や「SKH」と呼ばれるもので、これらの略称の由来は以下の通りです。
- ハイス：高速度工具鋼のハイスピード・スチールから「ハイス」
- SKH：Steel(鋼) Kogu(工具) High-Speed(高速)略称で呼ばれるようになったものです。
高速度工具鋼は、鋼(炭素を含有する鉄合金)にタングステン(W)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、コバルト(Co)などのレアメタルを添加することで、硬度を高め(耐摩耗性に優れる)、温度耐性(耐熱性)に優れる特長を持ちます。
高温で軟化せず耐摩耗性に優れることから、切削工具や金型に広く使用されます。
また、表面を更に硬い窒化チタン(TiN)などのセラミックスでコーティングすることで表面特性の改善を行うことも一般的です。
※レアメタルやセラミックスのコーティングやCVD/PVDといったコーティング方法については別の機会に触れることにします。
合金工具鋼
炭素工具鋼(鉄と炭素の合金で炭素が0.6%以上のもの)にニッケル(Ni)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)、コバルト(Co)などのレアメタルを添加することで耐熱、耐摩耗、耐衝撃性を高めたものです。
代表的なものに、
- SKS材：切削工具用途 (Steel Kogu Special)
- SKD材：金型用途 (Steel Kogu Die)
があります。
SKD材は～2.3%程度の炭素含有量の鋼にクロム(Cr)を多く添加したもので、金型としては冷間加工にSKD11(マンガンが多め)、熱間加工(プレス金型)にSKD61(炭素量が少なめ)が用いられることが一般的です。
超硬合金
一般的に「超硬」と呼ばれるもので、代表的なものにタングステンカーバイド(炭化タングステン、WC)にバインダー(結合材)としてのコバルト(Co)やニッケル(Ni)を焼結させた合金があります。他にチタンカーバイド(TiC)やバナジウムカーバイド(VC)などを添加するものがあります。
高硬度で耐摩耗性に優れる一方で、他の工具鋼と比べ靭性(割れや欠けやすい)という弱点と金型など大きな体積を持つ場合はコスト面で不利になるケースがあります。
金型に使われるレアメタルは
ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)、コバルト(Co)などが添加材料として用いられ、高速度工具鋼(SKH)、合金工具鋼(SKS, SKD)、超硬合金などで使用される。表面を窒化チタン(TiC)などでコーティングすることも一般的です。