第一鋼業~工具鋼のワイヤカット対策

工具鋼のワイヤカット対策

【質問】

SKD11などの冷間工具鋼のワイヤカット加工でしばしば問題が出るということを聞きます。わかりやすく説明してください。



【回答】

ここでは、ワイヤカットに加えて、同様の放電加工についてもあわせて考えていきます。

当社で把握している問題点は、加工表面の「放電変質層」、加工することによる「応力変化による変形」や「加工後の割れ」などについての問題があります。

ワイヤカットは、ワイヤと品物の間に微小スパークを発生させ、そのエネルギーで鋼の一部を溶融させながら行う加工ですし、放電加工は、灯油の中で、同じように、放電時のスパークを利用する加工です。

一般的には、鋼を加工すると、最表面層には何らかの変化が生じます。

表面硬さの変化傾向

これは、品物に何らかの加工を加えたときの表面硬さの変化を模式化して、それを分類したものです。

この図のように、切削などの機械加工では表面が加工硬化しますが、放電加工では「再焼入れ」状態が、ワイヤカットでは、「軟化」のような硬さ変化が見られるのが特徴的です。

これは、放電加工では加工液の影響を受けて浸炭現象が生じたところに、瞬時に加熱冷却することで、「再焼入れ」のような変化を生じますし、ワイヤカットでは「軟化」に示されるような硬さ推移の傾向になります。

加工した表面は「変質」していますので、このような加工材への影響を及ぼさないように、加工速度を上げすぎないようにして、表面粗さや精度の劣化や表面性状が変化を押さえなければなりません。


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「変形や割れ」対策については、加工する材料の特性と熱処理の状態が関係します。

放電やワイヤカットは硬さの高い品物に有効的な加工です。そのために、金型の加工などでよく使用されるSKD11などの冷間工具鋼は、高い硬さが必要なことから、200℃程度の焼戻しをした状態で、58-60HRC程度の硬い品物として使用されることがほとんどです。

焼入れ焼戻しをすれば、「硬さ=強さ=応力」と言えるように、応力が高い状態になっており、SKD11とSKS3というように、鋼種の違いや品物の形状によっても状態は異なりますが、熱処理後は、部位によって硬さも組織も同じではないために、応力状態も均一ではありません。

その状態で品物の一部に抜き孔を作ったり、切込みをするなどの加工をすると、応力バランスが崩れるために、加工によって「変形」することがあります。

熱処理的な対策としては、できるだけ高い温度で焼戻しをすることが有効です。180℃程度の焼戻しではなく、若干硬さを犠牲にしても200-250℃程度の焼戻しを2回行うことが有効です。

しばしば、1回しか焼戻しをしていないものも見受けられます。工具等に使用する製品は、必ず2回の焼戻しをすることが重要です。(これについての説明はやや専門的になりますが、こちらのHPを参考に)

高速度鋼や高温焼戻しをする鋼種では500℃以上の焼戻しをするのが基本であるために、放電やワイヤカットをしたときの変形は低温焼戻しをしたものよりも少ない傾向になりますが、SKD11を高温焼戻しすると十分な硬さが出ないので、通常は200℃程度の低温焼戻しが普通です。

そのために、8%Cr系の鋼種(大同特殊鋼のDC53や山陽特殊製鋼のQCM8など)を使うこともひとつの対策になります。

これらの鋼種は高温焼戻しで60HRC以上の硬さが出ますので、高温焼戻しをして置くと、ワイヤカットなどの変形防止対策として効果的です。(耐摩耗性の特性値の差はあります)

熱処理を依頼する場合には、熱処理後にワイヤカットや放電加工する旨を伝えておきましょう。そうしなければ、低温焼戻しで(さらに極端な場合は1回だけの焼戻しで)熱処理をされてしまうこともあるので注意しましょう。

熱処理以外でも対策することができます。

加工する孔の形状や大きさなどの影響によって変形の度合いが変わってきます。応力バランスをとるように、事前に捨て穴を開けておいたり、一気に加工しないで、セカンドカットなどをするなどの加工や設計配慮が変形対策にもあわせて留意しておくことがトラブルを未然に防ぎます。

もちろん、捨て孔などで応力分散することは対策の一つですが、これらはノウハウ的なこともあって、一般的な説明は難しいものですのでここでは説明しません。

ワイヤカットや放電加工中に品物が割れるという例はほとんどありませんが、先のグラフにみるように、加工表面の硬さ低下がみられることは、加工面は引張応力になっていると考えられますので、割れの原因になりやすいことは確かです。

また、放電加工中の事故品を調査すると、表面の急激な組織変化と熱変化によって、加工面には、しばしば、0.1mm程度以下の微細なクラックが観察されることがあります。(ワイヤカットではほとんど見られません)

加工時に生じる微細クラックは0.1mm以下で、それが使用中に開口して大きくなったり、割れ(破損)の原因になるものではありませんが、できれば、加工面をダイヤモンドラッパーなどで仕上げ加工しておけば安心です。

ワイヤカットや放電加工後に再び焼戻しをすることも効果がありそうですが、500℃以上の高温焼戻しでは余分な変形や着色の懸念などが出てきますし、200℃程度の低温焼戻しでは効果が少ないと考えられるので、当社ではそれらは行っていません。


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