切削工具選定ガイド：鉄系・非鉄系金属加工の包括的アプローチ

金属加工材料が鉄系か非鉄系かで違いは出るか？ 最も重要なのは、あらゆる材料があなたの切削工具と機械でどう働くかを理解することであり、そこでは違いが出ます。冶金学の知識を持つ工具メーカーとともに、機械加工における主要金属タイプの違いで知っておくべきことを探ります。

どの機械技師に「鉄系」を定義させても、おそらく同じ答えが返ってきます：鉄系金属は錆びるもの、炭素鋼、鋳鉄、工具鋼など。この説明は真実ですが不完全です。冶金学的定義はより具体的で、はるかに広範な金属を包含します。

「シンプルに言えば、鉄系材料は鉄を含みます」と、Kennametalナレッジセンターアメリカズのプログラムマネージャー、Aaron Schade氏。「だからもちろん鋳鉄と鋼が含まれますが、通常錆びないステンレス鋼とほとんどの超合金も見なければなりません。」

別の見方をすれば、非鉄系グループにはアルミニウム、銅、真鍮、プラスチック、複合材、そしてこのグループに含まれないすべてが鉄系と分類できます。しかし鉄系であれ非鉄系であれ、両方とも多種多様な材料を含み、幅広い異なる設計特徴、速度、送りを必要とするとSchade氏は説明します。

純粋主義者なら、多くのアルミニウム合金や一部の銅・青銅も少量の鉄を含むため鉄系だと主張するかもしれません。しかしそれは過度な単純化です。鉄が存在するかだけでなく、鉄の量が重要だとSchade氏は指摘します。

非鉄系金属は鉄基を持たず、重要な量の鉄も含みません。例えば、316ステンレス鋼は約62〜72%の鉄を含みます。インコネル718はニッケル基ですが、それでも17%の鉄を含みます。一方6061-T6アルミニウムは最大0.7%の鉄しか含みません。これがSchade氏が「このような深く技術的なトピックについて包括的な発言をするのは難しい」と言う理由です。

「より重要なのは、その呼称に関わらず、与えられた材料にどの工具が最適かを特定することです」とSchade氏。

Kennametalの材料分析マネージャー、Binky Sargent氏も同意見です。「鉄系か非鉄系か、304ステンレスか6061-T6かに関わらず、最も重要なのは切削工具が材料とどう相互作用するかです」と氏。「チップがどう形成され、ワークゾーンから最も効果的に除去する方法は何か、材料の熱的・化学的特性が工具にどんな影響を与えるか、部品形状がカッターの形状とジオメトリに対してどう位置づけられるかを知る必要があります。」

本質的に、適切な工具選定はワーク材料の冶金学的分類以上に多くの要素に依存します。

鉄系 vs 非鉄系金属：適切な切削工具の選定

Kennametalをはじめとする切削工具メーカーは「鉄系 vs 非鉄系」を避け、代わりに硬度、強度、延性、熱伝導率、化学組成などの冶金学的特性に基づいて材料をグループ分けしています。これらの属性が、いかなる材料を機械加工する際に最も効果的な切削工具と、その最適な適用方法を決定します。以下はKennametalの各カテゴリの説明と、切削工具選定の基本ガイドラインです：

鋼：P1 – P6

1018やA36などの低炭素鋼はP1カテゴリに分類され、P6には析出硬化（PH）鋼と400系ステンレス鋼（440C、15-5、17-4など）が含まれます。その間に工具鋼（D2、S7）、金型鋼（P20）、様々な合金鋼（4340、8620など）が位置します。一般的に、正レーキのアルミナコーティング超硬工具が柔らかいP1とP2金属でよく働き、硬度が上がるにつれてより大きなエッジプリパレーション（Kランドなど）とより負のレーキを持つ工具が好まれます。

ステンレス鋼：M1 – M3

Pグループにあるフェライト系とマルテンサイト系ステンレス鋼とは異なり、M1とM2タイプのステンレス鋼はオーステナイト系（面心立方晶構造を持つ）であり、二相系M3鋼（ニトロニックなど）はフェライトを含む二相微細構造を持ち、非常にタフです。ステンレスと二相鋼は少なくとも10.5%のクロム、ニッケル、その他の難削元素を含みます。原則として、エッジプリパレーションを最小限にした正レーキCVDコーティング工具、中程度の送り、浅い切り込み深さを使用します。

ニッケル加工でお困りですか？ 「ニッケル基耐熱合金の金属切削5つのヒント」をお読みください。

鋳鉄：K1 – K3

鉄は、マンホール蓋に使われるK1（普通鋳鉄）から、ブレーキディスクに使われるCGI（コンパクト黒鉛鋳鉄、K2金属）、工作機械のバイスに至るまであらゆるところにあります。バイスにはK3グレードのダクタイル鋳鉄、商標名「Dura-Bar」が使われます。すべての鋳鉄は短いチップを出し研磨性が高いため、フラットトップ（ゼロから負レーキ）のセラミックとPCBN切削工具が第一選択です。CVDコーティング超硬は最も硬い鋳鉄を除きすべてで良好に機能します。

非鉄系：N1 – N7

KennametalのSchade氏が指摘するように、非鉄系は鉄を含まない材料、ほぼすべてです。N1〜N3表記には、一般的な6061-T6から共晶で非常に研磨性の高いAl-12Siまで、すべてのアルミニウムが含まれます。

N4は銅、真鍮、亜鉛基合金を示し、これは大半が比較的切削しやすい金属のかなり大きなリストです。N5〜N7には、プラスチックとゴムからグラファイトとCFRPまで含まれます。

切削工具の観点からは、これらの材料のほとんどは高正レーキ、通常無コーティング超硬またはPCD（多結晶ダイヤモンド）インサートでよく加工できます。ただし柔らかいプラスチックとゴムは、非常に鋭いHSS工具ビットで最もよく切れる場合があります。

超合金：S1 – S4

名前が示す通り、高温合金のSシリーズは機械加工が最も困難な材料のグループであり、以下を含みます：

• S1：A286、鉄基またはS1合金
• S2：コバルトを含むステライト
• S3：ニッケル高含有のインコネル625とモネル
• S4：最も一般的な材料であるTi6Al-4Vなどのチタン

長い糸状チップがルールで、切り込み深さノッチング、加工硬化、ビルトアップエッジが発生しやすい。鋭い正レーキ切削工具が必要で、より低い切削速度と剛性の高いセットアップが求められます。更なる生産性向上にはセラミック切削工具を検討すべきですが、チタンは化学反応性のため例外です。

硬化材料：H1 – H4

工具鋼、PHステンレス、高炭素鋼が熱処理で硬化したら、超硬切削工具からセラミックまたは「PCBN」（多結晶立方晶窒化ホウ素）製工具への切り替えが必要になることがよくあります。

切り込み深さと切削速度も減らさなければなりません。これは、H1（48 HRCまで）からH4（60 HRC超）までの硬化材料の極端な耐摩耗性と研磨性を緩和するためです。超合金と同様、より剛性の高いセットアップほど良いです。

切削工具選定基準は工具メーカー間で類似

Seco ToolsとSandvik Machining Solutionsのコーポレートアプリケーションエンジニア、Brian Hoefler氏はKennametalとはわずかに異なる材料説明を使いますが、切削工具選定の基本基準は同じです。

「いかなる材料の機械加工性も、その微細構造、熱伝導率、炭素含有量、モリブデンやタングステンなどの合金元素の有無、その他多数の変数に大きく依存します」とHoefler氏。

最終的に、適切な工具選定は通常、ワーク材料の冶金学的結合を切断するのに最も効果的で、加工中に発生する熱と研磨性に耐えられる切削工具材料、ジオメトリ、コーティングが何かに帰着します。

「迷ったら、知識豊富な切削工具サプライヤーに相談してください」とHoefler氏。「何を切削するにせよ、生産的でコスト効率の良いソリューションが利用可能である可能性は極めて高いです。」

あなたが切削する材料の金属組成をどれくらい理解していますか？ 仲間と共有してください。