工具鋼：精密切削のための究極の耐久合金

工具鋼の金属組成と製造

工具鋼とは？

工具鋼は例外的に硬く、タフ、または耐摩耗性に優れた合金です。それらの特性は化学と製造の両方から来ます。名前が示す通り、これらの鋼は切削、研削、穴あけ、パンチング、打撃、その他のタフな仕事をする準備ができています。工具鋼は用途に適した材料特性を持たなければなりません。例えば、ドリルビットとパンチはそれぞれ硬度と耐摩耗性が必要です。しかし、パンチはより多くの衝撃を受け、ドリルビットはより多くのせん断を受けます。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タイプを選びます。

工具鋼はすべて炭化物を生成する合金元素を持ち、金属と炭素を含む密に詰まった金属格子です。炭化物は難融材料で、圧力、化学薬品、熱で分解しにくいです。

化学だけが工具鋼を作るわけではありません。工具鋼は精密に制御された熱処理と焼入れによっても硬度を得ます。

焼入れによる工具鋼の硬化

焼入れは微細構造を変えることで鋼を硬化させるプロセスです。

まず鋼を加熱します。鋼合金はミックス内の炭素量に応じて異なる温度まで加熱されます。鉄と炭素は分子が異なる形を取るさまざまな「相」を通り、これらの相は全体の化学に依存します。

適切な熱に達して保持したら、合金はより冷たいガスや液体への曝露によって焼入れ、つまり冷却されます。この焼入れで金属が急速に凍結します。金属がこのようにショック凍結されると、多くの微小な金属結晶粒が一度に凍結し始め、各粒内と粒間に大きな変位が生じます。非常にゆっくりした冷却では、粒が時間をかけて大きな円形ブルームでゆっくり冷却されるのと比較してください。ゆっくり冷却された金属粒は金属が打たれると互いに滑り、金属をへこませますが割りません。ショック凍結は打撃時の分子構造の動く余地を減らし、より硬く、へこみにくくします。これらの構造の金属格子はマルテンサイトと呼ばれ、マルテンサイトのショックを受けたギザギザした分子構造が焼入れ金属の特徴的な硬さを与えます。

水焼入れが最も速い焼入れ方法で、空気焼入れが最も遅いです。合金が扱えるのはその化学によります。一部の合金は急冷しすぎると割れたり歪んだりするが、より穏やかな空気焼入れでうまく硬化します。他の合金は水のような大きな温度変化によるショックでないと硬いマルテンサイト層を作れません。

工具鋼のカテゴリー

工具鋼には6つの大まかなカテゴリーがあります。最も一般的な4つは水焼入れ、冷間作業、熱間作業、高速度工具鋼です。特殊用途には耐衝撃と特殊目的工具鋼も使用されます。

水焼入れ工具鋼

このグループの工具鋼は本質的に熱処理された炭素鋼です。0.5〜1.5%の炭素を含みます。他の合金元素がそれぞれの特性のために存在することもありますが、一般的に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。高価な金属を少なく使うことで軽負荷用途に価値を提供します。

このグループの鋼で硬い表面層を得るには、水焼入れの極端なショックが必要です。軽負荷工具、ばねや小さなファスナーなどの小さな部品が最終製品として考えられます。Wシリーズ鋼は他の工具鋼より少し脆いため、極端な環境では使用しないでください。Wシリーズ鋼は割れに弱く、連続温度302°F（150℃）までしか扱えません。
冷間作業工具鋼

冷間作業工具鋼は「冷間」温度で使用されることを意図しています—硬く、タフ、耐摩耗性がありますが、高温環境ではありません。冷たい材料の切削は熱い材料の切削より多くの力を要するため、圧縮強度は冷間作業工具鋼の必須条件です。

ここでの「冷間」は金属労働者がセーターを着る時期という意味ではありません。392°F（200℃）以下がこれらの工具にとって冷間作業環境と見なされます。多くの鋼とは異なり、グラファイトが冷間作業鋼によく形成されます。このグラファイトがこれらの合金の多くを切削可能にします：グラファイトが潤滑を提供します。

冷間作業工具鋼のサブカテゴリーは：
- 油焼入れ（Oシリーズ）：製造中、これらの合金は油で焼入れされます。0.85〜2.00%の炭素を含み、通常各合金元素1%未満。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、モリブデンが含まれる場合があります。
- 空気焼入れ（Aシリーズ）：製造中、これらの合金は空気で焼入れされます。0.05〜2.85%の炭素を含みます。これらの鋼は最大5%のクロムを含められます。高クロムは熱処理中に寸法歪みが生じないことを意味します。クロムがより密な公差を生み出します。
- 高炭素クロム（Dシリーズ）：これらの冷間作業鋼は797°F（425℃）まで機能します。1.4〜2.5%の炭素、11〜13%のクロムを含みます。合金によって空気または油焼入れ可能で、どちらの冷却方法でも非常に少ない歪みを経験します。これらの合金は一般に非常に高い耐摩耗性を持ちます。

熱間作業工具鋼

熱間作業工具鋼はすべて、より多くの炭化物を作り、より高い作業温度を扱うためにより高い割合の合金元素を持ちます。熱間作業工具鋼は1004°F（540℃）までの温度で作業できます。グループとして、ほとんどは低炭素百分率、0.6%未満です。

熱間作業工具鋼は金属やガラスのような可鍛な熱い材料を使った高温製造によく使用されます。ダイ、スタンプ、押出機、圧縮機はすべて熱間作業鋼で作られる場合があります。工具は長時間の熱曝露でも機能し続けなければなりません。

主要合金元素に基づく熱間作業工具鋼の3つの主要タイプがあります：クロム、タングステン、モリブデン。一部は高レベルのクロムとタングステンを持ち、メーカーによってタングステンまたはクロムとして分類されます。主要合金元素が鋼中の炭化物タイプを生み、各炭化物が異なる利点を提供します。

熱間作業工具鋼のサブカテゴリーは：
- クロム：クロム熱間作業工具鋼は3〜5%のクロムを含みます。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。バナジウムは一般的に切削工具用鋼に使用されます。このグループの合金（特にAISI H13）が最も使用される熱間作業工具です。
- タングステン：これらの合金はモリブデンやバナジウムを含まないことが多いです。代わりに9〜18%のタングステンを含みます。ほとんどのタングステン熱間作業工具鋼は2〜4%のクロムを持ちます。これは普遍的ではありません：例えば合金AISI H23は12%クロムと12%タングステンを持ちます。H23はクロム鋼と呼ばれることも、タングステン鋼と呼ばれることも、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脆くなる可能性があり、これは使用前の予熱で管理されます。
- モリブデン：多くのクロム熱間作業工具鋼には少しのモリブデンが含まれます。非常にタフな環境向けのプレミアム熱間作業鋼には大量に含まれます。モリブデンは過酷な熱間作業用途でより高い耐熱安定性と耐摩耗性を生みます。モリブデン合金AISI H42とH43は、金属工場でダイやカッターとしてよく使用され、切削と鍛造の熱と力を扱います。
高速度工具鋼

現代生産プロセスは、このクラスの工具鋼の発明のおかげで可能になりました。高速で回転する切削工具とマシンビットは摩擦で熱くなります。高速度材料の革新により、機械技師は生産速度を上げられました。

1900年、高速度工具鋼がパリ万博でデビューしました。製造業者の群衆は、摩擦で切削刃が赤熱しても働き続けるのを見て息を呑みました。1890年代の切削速度が分速5〜30フィートだったのが、1905年までには分速150フィートで動く機械がありました。

高速度工具鋼は14〜18%のタングステン、3〜5%のクロム、0.6%の炭素、用途に応じた他の元素を含みます。

耐衝撃工具鋼

Sグループ耐衝撃工具鋼は信じられないほど強く、高い衝撃抵抗を持つよう構築されています。その強度は単に工具の表面や「ショックを受けた」層にあるだけではありません。ばね、のみ、スタンピングダイ、パンチに使用される場合があります。このグループの合金はしばしば多くの合金元素を持ち、その多くは他の工具鋼で見られます。しかし、0.15〜3%の範囲のシリコンがこのクラスの鋼に存在します。
特殊目的工具鋼

このグループの合金は変わり種が集まる場所です。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メーカー向けに作られることさえあります。このグループには低合金、高鉄鋼が含まれ、他のすべての合金元素が控えめに使用されます。これらは安価なW鋼に最も似ており、水焼入れもされます。他の元素の微小添加で機械的特性を向上させつつコストを抑えます。低炭素「金型」鋼もこの特殊目的合金グループに含まれます。これらは熱耐性と耐摩耗性が必要だが高衝撃抵抗は不要な熱可塑性成形に使用されます。

工具鋼の選び方

産業機械を設計する場合、または産業・製造目的で機械を購入する場合、使用される工具鋼のタイプは重要であり、エンジニアによって指定されるべきです。

個人が手工具を購入する場合、知る必要があることは異なります。多くの手工具メーカーは「焼入れ鋼」を提供し、工具の意図された用途に基づいて鋼を選びます。しかし、どのグレードの鋼が使われているかは各工具メーカーのある種の企業秘密です。メーカーは部品ごとに価値と仕事のストレスをバランスさせます。手工具を選ぶ最良の方法は、プロ、友人、オンラインレビューから推薦を得ることで、合金自体を心配するより良いです。メーカーに冶金学的能力があり、手を抜いていないなら、手工具の設計の方が合金より重要になります。

鍛冶屋、鋳造家、その他の冶金学者は、ホームホビーレベルでもより興味を持つでしょう。これらのグループのリソースとフォーラムを検索すると、何が期待でき、どのタイプの金属が最適かの豊富な情報が得られます。