- 最大研磨グレード (SPI)
- 生産量が50万ショットを超える場合、研磨性樹脂やガラス繊維強化樹脂を使用する場合、または運転温度が200°Cを超える場合は、H13が適切な選択です。
- S136は、腐食性樹脂（PVC、難燃剤）、食品接触用途、鏡面仕上げの研磨性を必要とする光学部品に必要です。
- 鋼種の選定は鋼材加工前に行う金型上の決定事項であり、初回品サンプル後に変更すると、金型の廃棄または再加工が必要になります。
同じ部品について2つの金型見積もりを受け取り、一方が他方より40%高いとします。サプライヤーは鋼種の違いだと説明し、一方はP20、他方はH13で見積もっています。材料科学を一から説明せずに、技術チームへ差を説明し、予算判断を正当化する必要があります。このガイドは、最初から正しく判断するための枠組みを提供します。
金型材料の選定が重要な理由
金型材料の選定は、初期金型価格だけでなく、工具寿命、表面仕上げ能力、耐食性、総所有コストを左右します。初期費用を抑えるため低級鋼材を選ぶと、寿命が短くなり、保全頻度が増え、予定生産量に達する前に再製作が必要となる表面劣化を招くことがあります。金型ライフサイクル全体については射出金型完全ガイドをご覧ください。
ここで扱うP20、H13、S136の3鋼種は、世界の射出成形用量産金型で選ばれる鋼材の大半を占めます。主な違いは硬度、研磨性、耐食性、価格です。それぞれ特定の用途範囲に適しており、安全余裕のため常に上位材へ変更するのではなく、実際の生産要件に合わせることが目標です。専門的な金型製造サービスについては、当社の射出金型サービスをご覧ください。
P20に最適な用途は？
P20は、非研磨性熱可塑性樹脂1を用い、30万ショット未満を想定する試作金型、ブリッジ金型、量産金型に最適です。28～34 HRCにプリハードンされた状態で供給されるため、加工後の熱処理なしで機械加工でき、完全焼入れ鋼よりリードタイムと金型コストを抑えられます。
P20は、ガラス、鉱物、その他の研磨性充填材を含まないABS、PP、PE、PSなどの汎用樹脂に適しています。準外観部品ではSPI B2以上の仕上げまで研磨できます。制約は摩耗速度です。硬度が低いため、研磨性樹脂、高いキャビティ圧力、非常に長い生産期間では、H13やS136よりもキャビティ表面が早く摩耗します。
実用的な選定基準：予想生産量が200,000～300,000ショット未満で、樹脂が非充填の場合、生産期間にわたり償却した総金型費を計算すると、ほぼ常にP20が最良の部品単価を実現します。この数量を超えると、通常は焼入れ鋼がコスト上有利になります。
「P20は後熱処理なしで加工できるため、H13と比べてリードタイムと金型コストを削減できます。」True
P20は28–34 HRCにプリハードンされた状態で出荷されます。この硬度範囲なら、別途焼入れ工程を行わずに標準的な切削加工とEDMが可能です。H13とS136は、荒加工後に完全硬度まで熱処理する必要があり、金型製作日程に2–4週間が追加され、処理工程の追加費用も発生します。
「予算が最大の制約となる射出金型用途なら、P20はどの用途にも適している。」False
P20は予算に関係なくガラス繊維または鉱物充填樹脂用金型には適しません。研磨摩耗によってキャビティ表面が急速に侵食され、部品品質が仕様未満になるためです。摩耗性用途ではH13の高硬度は技術要件であり、任意のアップグレードではありません。
H13を選ぶべきなのはいつですか？
生産量が50万ショットを超える場合、ガラス繊維・無機材充填樹脂を加工する場合、またはPEEKやPPSなどのエンジニアリング樹脂でシリンダー温度が200°Cを超える場合はH13が適切です。H132は加工後に44～52 HRCへ焼入れする熱間工具鋼で、P20より大幅に硬く、研磨摩耗と熱疲労の双方に優れています。
ガラス含有率が通常15～50%のナイロン、PBT、PP、ABSのガラス繊維強化グレードでは、H13がキャビティおよびコア鋼材の最低仕様とされています。P20金型でガラス繊維強化樹脂を成形すると、50,000～100,000ショット以内に目に見えるキャビティ摩耗が生じ、表面粗さの増加、寸法ドリフト、パーティングラインでのバリ発生として現れます。
H13はP20より高温サイクルにも適します。300°Cを超えて加工する樹脂（PEEK、PEI、PPS）では、成形サイクル中に繰り返す熱膨張・収縮によってキャビティ鋼に疲労応力が生じます。この運転条件では、H13の熱疲労耐性がP20より大幅に優れます。
S136 がより適しているのはどのような場合ですか？
樹脂が腐食性を持つ場合、つまりPVC、ハロゲン系添加剤入り難燃グレード、加工中に酸性ガスを放出する材料の場合、または鏡面仕上げの光学透明性や食品接触適合性が必要な場合はS136が適切です。S136ステンレス工具鋼3はクロム含有量13％超のステンレス工具鋼で、加工後に48～52 HRCへ焼入れされます。
仕様策定では耐食機構が重要です。H13を含む標準工具鋼は、PVCや一部の難燃剤から放出される酸性ガスにさらされると錆び、キャビティ表面に孔食が生じて、部品の表面欠陥として現れます。S136のステンレス組成はこの劣化に耐えます。医療用途と食品接触用途では、S136は標準的な炭素鋼や合金鋼では満たせない清浄性および化学的不活性の要件にも適合します。
S136のSPI A1鏡面仕上げへの研磨性は、P20やH13より大幅に優れています。ステンレス工具鋼の微細な炭化物組織は、ピッティングを生じさせずにより精密な研磨を可能にします。これは光学レンズ部品、透明ハウジング、または表面仕上げが製品外観に直結する部品で重要です。光学的に重要な用途では、S136は任意のアップグレードではなく、H13では満たせない技術要件です。
「PVC射出金型では、腐食によるキャビティ表面の劣化を防ぐためS136が必要です。」True
PVCは加工中に塩化水素ガスを放出します。H13を含む標準的な工具鋼はこの酸の存在下で腐食し、比較的少ない数千サイクル以内にキャビティ表面に孔食が生じ、成形品の表面欠陥につながります。S136のステンレス組成は酸腐食に耐え、生産寿命を通じてキャビティ表面の健全性を維持します。
「S136とH13は同等品質の表面仕上げまで研磨できる。」False
S136はSPI A1（鏡面）仕上げまで確実に研磨できます。H13は最適な条件下で通常SPI A2–B1仕上げを達成しますが、炭化物組織と合金組成により、S136と比べて最終研磨品質が制限されます。光学的に重要な部品では、SPI A1要件を確実に満たす唯一の仕様がS136です。
P20、H13、S136の比較
下表では、選定判断を左右する各項目について3つのグレードを比較しています。一次選別に使用し、用途で使用する樹脂と生産量に応じた具体的なグレード仕様を金型メーカーに確認してください。
| プロパティ | P20 | H13 | S136 |
|---|---|---|---|
| 硬度（HRC） | 28–34（プリハードン） | 44–52（熱処理後） | 48～52（熱処理後） |
| 一般的な生産量区分 | 最大300,000ショット | 500,000～1,000,000+ショット | 300,000～1,000,000+ショット |
| 研磨性樹脂への適合性 | 非推奨 | はい | はい（高摩耗用途にはコーティングを使用） |
| 腐食性樹脂への適合性 | いいえ | いいえ | はい |
| 最高研磨等級（SPI） | 射出成形プロセスと鋼材グレードの選択 | A2–B1 | A1（鏡面） |
| 食品／医療規制への適合 | 限定的 | 標準ではない | はい |
| 相対的な金型費 | 最低 | 中（＋20～35％） | 高い（+40～60%） |
| リードタイムへの影響 | 最短（HT工程なし） | HTにさらに2～4週間 | HTにさらに2～4週間 |
費用に関する補足です。表が示すのは相対的な金型費への影響であり、部品単価や償却後費用ではありません。H13で35％高い金型でも、同じP20金型の3倍長く稼働すれば、寿命全体の1ショット当たり費用は低くなります。鋼種選定は初期金型見積りだけでなく、必ず予想生産量に対して評価してください。
生産量と樹脂は金型鋼の選定にどう影響するか？
生産量と樹脂種類は金型鋼選定の2つの主要入力であり、技術的に十分な鋼種と、償却後コストが最も有利な鋼種を決めます。数量のしきい値は厳密な上限・下限ではなく、実務で一般にコストの逆転が起こる範囲です。
非充填樹脂で10万ショット未満：総コストではほぼ常にP20が有利です。非充填樹脂で30万ショット未満：表面仕上げまたは耐食性要件からS136が必要でない限り、P20が標準選択です。樹脂を問わず50万ショット超：最低でもH13とし、腐食性または光学要件がある場合はS136を評価します。ガラス繊維または鉱物充填樹脂：数量に関係なく最低H13です。研磨摩耗機構のため、予測ショット数にかかわらずP20は不適格です。
樹脂の種類が鋼材グレード別の摩耗速度に与える影響
樹脂選定は、選んだ鋼種での保全頻度にも影響します。H13でガラス繊維強化ナイロンを成形するとキャビティ表面は摩耗しますが、適切な保全計画により金型の想定寿命内で管理できます。同じ樹脂をP20で成形すると、最初の5万ショット以内に測定可能なキャビティ摩耗が生じます。樹脂と金型の相互作用の工程全般については射出成形完全ガイドをご覧ください。
上海工場では、約400基の稼働中の量産金型について鋼種の性能を追跡しています。当社データでは、予定外のキャビティ再表面処理の78%が、想定生産量を超えたP20金型で発生しており、通常は金型製作後に生産需要が増えたことが原因です。顧客から生産量予測を受け取ると、P20/H13を決定する前に30%の余裕を組み込みます。予測生産量が対象樹脂のP20限界値から30%以内の場合、金型寿命全体でコストの確実性が高い選択肢としてH13を推奨します。
金型鋼材を選ぶ最も単純な基準は？
大半のケースに対応する1つの判断基準が必要なら、無充填樹脂で300,000ショット未満はP20、研磨性材料または500,000ショット超はH13、生産量に関係なく腐食性樹脂または光学・食品用途はS136を選びます。重複領域（200,000～500,000ショット、無充填樹脂）では、部品形状、保守計画、キャビティの複雑さが分岐点に影響するため、金型メーカーとの協議に価値があります。
用途が判断の境界にある場合は、予測生産量における両グレードの1ショットあたりのコストをサプライヤーに計算してもらってください。鋼材アップグレード費をグレード間のショット数差で割ると、判断を明確にする数値が得られることがよくあります。金型材料、仕様、設計に関する詳細な技術指針は、当社の射出金型完全ガイドをご覧ください。
特定の部品と生産計画に適した鋼種の推奨が必要な場合は、金型材料レビューについて当社の金型技術チームにお問い合わせください。
よくある質問：どの金型鋼を選ぶべきか？
P20、H13、S136金型鋼の違いは何ですか？
P20は、非充填樹脂を使う少～中量生産金型に適したプリハードン鋼（28–34 HRC）です。H13は加工後に44–52 HRCへ焼入れする熱間工具鋼で、研磨性樹脂や大量生産に対して高い耐摩耗性を備えます。S136はクロムを13%以上含むステンレス工具鋼で、腐食性樹脂に対する耐食性と、光学用途向け鏡面仕上げへの研磨性を備えます。
P20からH13へアップグレードすべき時期はいつですか？
予定生産数が300,000～500,000ショットを超える場合、樹脂にガラス、鉱物、研磨性フィラーが割合を問わず含まれる場合、または加工温度が200°Cを超える場合はH13に切り替えてください。ガラス充填樹脂による研磨摩耗のため、H13は任意のアップグレードではなく技術的な要件です。研磨性材料を使用すると、生産量にかかわらずP20は金型の予定寿命より早く劣化します。
S136は常にH13より高価ですか？
S136鋼は、材料重量当たりで通常H13より15～25%高価であり、加工と熱処理を含めた金型費の上乗せ分は一般にP20より40～60%高くなります。ただし、腐食性樹脂、光学部品、食品接触用途など、S136が技術的に必要な用途では、技術仕様を満たす同等コストの代替材はありません。
ガラス繊維強化ナイロンにP20を使用できますか？
いいえ。ガラス繊維強化ナイロンなどの研磨性樹脂は、P20金型のキャビティ表面の摩耗を加速させ、通常50,000～100,000ショット以内に目に見える表面粗さの増加を引き起こします。ガラス繊維強化樹脂の最低仕様はH13（44～52 HRC）です。P20金型でガラス繊維強化樹脂を成形してもコスト削減にはなりません。金型が想定生産量まで持たず、早期の交換または改修が必要になります。
S136とH13のどちらが必要かは何によって決まりますか？
樹脂が加工中に腐食性ガスを放出する場合（PVC、ハロゲン系難燃剤）、用途に食品接触または医療グレードの適合が必要な場合、あるいは表面仕上げ仕様で SPI A1 鏡面仕上げが必要な場合は S136 が必須です。それ以外の非腐食性樹脂を用いる大量生産で、半外観仕上げが要件の場合は H13 が適切です。
鋼材グレードは金型のリードタイムにどのように影響しますか？
P20はプリハードン状態で出荷され、機械加工後の熱処理が不要なため、リードタイムを短縮できます。H13とS136はいずれも荒加工後に焼入れが必要で、通常は金型製作日程に2～4週間追加されます。このリードタイム差は緊急案件では実際に考慮すべきですが、生産量に対して耐摩耗寿命が不足する金型となるような鋼材選定を正当化するものではありません。
出典
- ASM International。『工具鋼』第5版（1998年）。P系列プリハードン鋼の仕様（P20：28～34 HRC）、H系列熱間工具鋼の組成。
- SPI（米国プラスチック工業会）。金型技術ガイド。P20、H13、ステンレス工具鋼選定の生産量しきい値および樹脂種類の指針。
- Machinery’s Handbook, 31st ed. 射出成形金型材料の節：金型の相対的なコスト上昇率（P20比でH13は+20–35%、S136は+40–60%）および熱処理リードタイムの推定値（2–4週間）。
熱可塑性樹脂：加熱すると軟化し、冷却すると硬化するため、化学変化なしに繰り返し加工できるポリマーです。射出成形が主に対象とする材料群です。 ↩
H13熱間工具鋼：AISI H13として規格化されたクロム・モリブデン・バナジウム系熱間工具鋼で、加熱と冷却を繰り返す用途向けに設計されています。合金組成により耐熱疲労性と硬度（完全焼入れ時44～52 HRC）を備え、高温樹脂加工や研磨性充填材用途に適しています。 ↩
S136ステンレス工具鋼：クロム含有量13％超のマルテンサイト系ステンレス工具鋼で、酸性・酸化性環境への耐食性があります。48～52 HRCへ焼入れでき、SPI A1鏡面まで研磨できるため、腐食性樹脂、光学部品、食品接触金型の標準的な選択肢です。 ↩
