工具鋼：物事を成し遂げる鋼

工具鋼の金属組成と製造

工具鋼とは何ですか？

工具鋼は、非常に硬く、丈夫で、耐摩耗性のある合金です。それらの特性は、それらの化学的性質とそれらの生産の両方に由来します。その名前が示すように、これらの鋼は、切断、研削、穴あけ、パンチング、打撃、またはその他の困難な作業を行う準備ができています。工具鋼は、その用途に適した材料特性を備えている必要があります。たとえば、ドリルビットとパンチにはそれぞれ硬度と耐摩耗性が必要です。ただし、ドリルビットがより多くのせん断を経験する間、パンチはより多くの衝撃を経験します。エンジニアと冶金学者は、工具の用途に基づいて工具鋼の種類を選択します。

工具鋼はすべて、金属と炭素を含む高密度に充填された金属格子である炭化物を生成する合金元素を持っています。炭化物は耐火材料です。つまり、圧力、化学薬品、または熱による分解に抵抗します。

ただし、工具鋼を作るのは化学だけではありません。工具鋼は、正確に制御された熱処理と焼入れによって硬度も得られます。

焼入れによる工具鋼の硬化

焼入れ は、鋼の微細構造を変えることによって鋼を焼入れするプロセスです。

まず、鋼を加熱します。鋼合金は、混合される炭素の量に応じて異なる温度に加熱されます。鉄と炭素は、分子がさまざまな形をしているさまざまな「相」を移動します。これらの相は、全体的な化学的性質に依存します。

適切な熱に達して保持されると、合金は、はるかに冷たいガスまたは液体にさらされることによって急冷または冷却されます。この焼入れにより、金属は急速に凍結します。金属がこのように衝撃凍結されると、金属の小さな結晶子粒子がすべて一度に凍結し始め、各粒子とそれらの間で多くの変位が発生します。これを非常にゆっくりとした冷却と比較してください。この場合、穀物は時間の経過とともにゆっくりと冷却され、より大きな円形のブルームになります。ゆっくりと冷却された金属粒子は、金属が当たったときに互いに通り過ぎて移動し、金属をへこませますが、それを壊すことはありません。衝撃凍結により、分子構造が打たれたときに動く余地が少なくなり、分子構造が硬くなり、へこみにくくなります。これらの構造の金属格子はマルテンサイトと呼ばれ、焼入れされた金属に特徴的な硬度を与えるのは、マルテンサイトの衝撃を受けたギザギザの分子構造です。

水焼入れは急冷する最も速い方法であり、空気焼入れは最も遅い方法です。合金が処理できるものは、その化学的性質によって異なります。一部の合金は、冷却が速すぎると割れたり歪んだりする可能性がありますが、より穏やかなエアクエンチで十分に硬化します。他の人は、水中のような大きな温度変化にショックを受けない限り、硬いマルテンサイト層を作ることはありません。

工具鋼のカテゴリ

工具鋼には大きく6つのカテゴリーがあります。最も一般的な4つは、水硬化、冷間加工、熱間加工、および高速工具鋼です。特殊用途では、耐衝撃性および特殊用途の工具鋼も使用されます。

水硬化

この工具鋼のグループは、本質的に熱処理された炭素鋼です。それらは0.5–1.5％の炭素を持っています。他の合金元素は、それらの異なる品質のために存在する可能性がありますが、これらは一般に0.5％未満です。ニッケル、タングステン、モリブデンなどのこれらの金属は高価です。高価な金属の使用量を減らすことで、より軽量な用途に価値を提供します。

このグループの鋼では、硬い外層を得るために、水焼入れの極端な衝撃が必要です。軽量工具、ばねなどの小さな部品、および小さな留め具が最終製品になる可能性があります。 Wシリーズ鋼は他の工具鋼よりも少しもろいため、極端な環境では使用しないでください。 Wシリーズ鋼は亀裂に対してより脆弱であり、302°F（150°C）までの連続温度しか処理できません。
冷間工具鋼

冷間加工工具鋼は、「低温」温度での使用を目的としています。硬く、丈夫で、耐摩耗性がありますが、高温環境では使用できません。冷たい材料を切ることは熱い材料を切ることよりも大きな力を要することがあるので、圧縮強度は冷間加工工具鋼では必須です。

この文脈では、寒さは、金属細工人がセーターを着る時が来たことを意味するものではありません。 392°F（200°C）以下は、これらのツールの低温作業環境と見なされます。多くの種類の鋼とは異なり、グラファイトは冷間加工鋼で形成されることがよくあります。このグラファイトは、これらの合金の多くを機械加工可能にします。グラファイトは潤滑を提供します。

冷間工具鋼のサブカテゴリは次のとおりです。
- 油硬化 （Oシリーズ）：製造中、これらの合金は油で焼入れされます。それらは0.85〜2.00％の炭素を含み、通常は他の合金元素の1％未満です。これらの元素には、マンガン、シリコン、タングステン、クロム、バナジウム、およびモリブデンが含まれる場合があります。
- 空気硬化 （Aシリーズ）：製造中、これらの合金は空気中で急冷されます。それらは0.05–2.85％の炭素を持っています。これらの鋼には、最大5％のクロムを含めることができます。高クロムとは、熱処理中にAシリーズが寸法歪みを受けないことを意味します。クロムはより厳しい公差を生み出します。
- 高炭素クロム （Dシリーズ）：これらの冷間加工鋼は、最大797°F（425°C）で機能します。それらは1.4–2.5％の炭素と11–13％のクロムを含んでいます。それらは合金に応じて空気または油で急冷することができ、どちらの冷却方法でも歪みはほとんどありません。これらの合金は一般的に非常に高い耐摩耗性を持っています。

熱間工具鋼

熱間工具鋼はすべて、より多くの炭化物を生成し、より高温の作業温度を処理するために、合金元素の割合が高くなっています。熱間工具鋼は、最高1004°F（540°C）の温度で機能します。グループとして、ほとんどの炭素の割合は低く、0.6％未満です。

熱間工具鋼は、金属やガラスなどの可鍛性の高温材料を使用した高温製造でよく使用されます。ダイ、スタンプ、押出機、コンプレッサーはすべて熱間加工鋼で作ることができます。ツールは、長時間の熱にさらされても機能し続ける必要があります。

熱間工具鋼には、主要な合金元素に基づいて、クロム、タングステン、またはモリブデンの3つの主要なタイプがあります。いくつかは高レベルのクロムとタングステンを持っているので、メーカーに応じてタングステンまたはクロムとして分類されます。主要な合金元素は鋼にある種の炭化物を生成し、各炭化物にはさまざまな利点があります。

熱間工具鋼のサブカテゴリは次のとおりです。
- クロム ：クロム熱間工具鋼には3〜5％のクロムが含まれています。タングステン、バナジウム、モリブデンなどの他の合金元素は5％未満です。バナジウムは、一般的に切削工具に使用される鋼に使用されます。このグループの合金（特にAISI H13）は、最も使用されている熱間加工ツールです。
- タングステン ：これらの合金には、多くの場合、モリブデンやバナジウムは含まれていません。代わりに、9〜18％のタングステンが含まれています。ほとんどのタングステン熱間工具鋼には、2〜4％のクロムが含まれています。これは普遍的に真実ではありません。たとえば、合金AISI H23には12％のクロムと12％のタングステンが含まれています。 H23は、クロム鋼、タングステン鋼、およびその両方と呼ばれることもあります。タングステン鋼は優れた耐熱性を提供しますが、もろくなる可能性があります。これは、使用前に動作温度に予熱することによって管理されます。
- モリブデン ：多くのクロム熱間工具鋼には、少量のモリブデンが含まれています。非常に過酷な環境向けのプレミアム熱間鋼には多くのものがあります。モリブデンは、過酷な熱間加工用途でより高い熱安定性と耐摩耗性を生み出します。モリブデン合金AISIH42およびH43は、金属ミルのダイまたはカッターとして、切削および鍛造の熱と力を処理するためによく使用されます。
高速工具鋼

このクラスの工具鋼の発明の一部として、最新の製造プロセスが可能です。高速で動作する切削工具や機械ビットは、摩擦により熱くなります。高速材料の革新により、機械工は生産速度を上げることができました。

1900年、パリの展示会で高速工具鋼がデビューしました。多くのメーカーは、摩擦のために最先端が真っ赤に輝き始めるのを見て息を呑みましたが、それでも機能し続けています。 1890年代の切削速度が毎分5〜30フィートだったところ、1905年までに毎分150フィートで動く機械がありました。

高速工具鋼には、用途に応じて、14〜18％のタングステン、3〜5％のクロム、0.6％の炭素、およびその他の元素が含まれています。

耐衝撃工具鋼

グループSの耐衝撃工具鋼は非常に強力で、高い耐衝撃性を備えています。それらの強度は、単にツールの表面または「ショックを受けた」層にあるだけではありません。それらは、ばね、ノミ、スタンピングダイ、およびパンチに使用できます。このグループの合金には多くの合金元素が含まれていることが多く、そのほとんどは他の工具鋼に見られます。ただし、このクラスの鋼には、0.15〜3％の範囲のシリコンが含まれています。
特殊目的の工具鋼

この合金のグループは、奇妙なアヒルがねぐらに行くところです。これらの金属は特定の用途で使用され、冶金学者によって特定の製造業者のために作成されることさえあります。このグループには、他のすべての合金元素がほとんど使用されていない低合金、高鉄鋼が含まれます。これらは最も安価なW鋼に似ており、水焼入れもされています。他の元素をわずかに加えると、機械的特性が向上しますが、コストを抑えることができます。低炭素の「モールド」鋼も、この特殊用途の合金のグループに含まれます。これらは熱可塑性成形に使用され、耐熱性と耐摩耗性が必要ですが、高い耐衝撃性は必要ありません。

工具鋼の選択

産業用機械を設計する場合、または産業用または製造目的で機械を購入する場合、使用する工具鋼の種類は重要であり、エンジニアが指定する必要があります。

手工具を購入する個人にとって、知る必要性は異なります。多くの場合、手工具メーカーは「焼入れ鋼」を提供し、工具の使用目的に基づいて鋼を選択します。ただし、使用されている鋼のグレードは、各工具メーカーにとって業界の秘密です。メーカーは、部品ごとに価値と仕事のストレスのバランスを取ります。ツールを選択する最良の方法は、合金自体について心配するのではなく、現場の専門家、友人、およびオンラインレビューから推奨事項を入手することです。製造業者が冶金の能力を持っていて、手抜きをしていない場合、手工具の設計は合金よりも重要になります。

鍛冶屋、創設者、および他の冶金学者は、家庭の趣味のレベルでさえ、より好奇心が強いでしょう。これらのグループでリソースやフォーラムを検索すると、何が期待できるか、どの種類の金属が最もよく使用されるかについての豊富な情報が得られます。