金属材料の違いが切削性能に与える影響

金属切削では様々なワーク材料があり、異なる材料は切削時のチップ形成と除去特性が異なります。異なる材料の特性をどう把握すればよいでしょうか？ISO標準では金属材料を6つの異なるグループに分類し、それぞれが加工性の面で独自の特性を持っています。本記事ではそれらを個別にまとめます。

金属材料は6大カテゴリーに分類されます：

• P - 鋼
• M - ステンレス鋼
• K - 鋳鉄
• N - 非鉄金属
• S - 耐熱合金
• H - 焼入れ鋼

1-P 鋼

鋼とは？

- 鋼は金属切削分野で最大の材料グループです。

- 非焼入れ鋼または調質鋼（硬度最大400HB）があります。

- 鋼は鉄（Fe）を主成分とする合金で、溶解プロセスで製造されます。

- 非合金鋼の炭素含有量は0.8%未満で、Feのみを含み他の合金元素は含みません。

- 合金鋼の炭素含有量は1.7%未満で、Ni、Cr、Mo、V、Wなどの合金元素が添加されています。

適用分野：

金属切削の範囲では、グループPは複数の産業分野をカバーするため最大の材料グループです。

材料は通常、連続的で比較的均一なチップを形成する長チップ材料です。具体的なチップ形状は通常、炭素含有量に依存します。

– 炭素含有量が低い = 粘り強く、粘着性のある材料。

– 炭素含有量が高い = 脆い材料。

加工特性：

- 長チップ材料。

- チップコントロールは比較的容易で安定。

- 低炭素鋼は粘着性があり、鋭い切れ刃が必要。

- 単位切削力 kc：1500〜3100 N/mm²

- ISO P材料の加工に必要な切削力と動力は限定された範囲内です。

2-M ステンレス鋼

ステンレス鋼とは？

- ステンレス鋼は最低11〜12%のクロムを含む合金材料です。

- 炭素含有量は通常非常に低い（最大0.01%まで）。

- 主な合金元素はNi（ニッケル）、Mo（モリブデン）、Ti（チタン）です。

- 鋼表面に致密なCr2O3層が形成され、耐食性を発揮します。

適用分野：

Mグループでは、ほとんどの用途が石油・ガス、管継手、フランジ、加工産業、医薬品産業に属します。

チップ形状：材料は不規則な薄板状チップを形成し、普通鋼と比較して切削力が高くなります。ステンレス鋼には多くの種類があり、チップブレーク性能（容易からほぼ不可能まで）は合金特性と熱処理によって変化します。

加工特性：

- 長チップ材料。

- フェライト系ではチップコントロールが比較的スムーズだが、オーステナイト系と二相系では困難。

- 単位切削力：1800〜2850 N/mm²

- 加工中に高切削力、溶着、発熱、加工硬化が発生。

3-K 鋳鉄

鋳鉄とは？

- 鋳鉄には主に3タイプあります：グレー鋳鉄（GCI）、ダクタイル鋳鉄（NCI）、バーミキュラ鋳鉄（CGI）。

- 鋳鉄は主にFe-Cで構成され、比較的高いシリコン含有量（1〜3%）を持ちます。

- 炭素含有量は2%を超え、これはオーステナイト相におけるCの最大溶解度です。

- Cr（クロム）、Mo（モリブデン）、V（バナジウム）が添加されて炭化物を形成し、強度と硬度を高めますが、被削性は低下します。

適用分野：

グループKは主に自動車部品、機械製造、製鉄で使用されます。

チップ形状：

材料のチップ形状は多様で、粉末状チップから長チップまであります。この材料グループの加工に必要な動力は通常小さいです。

※注：グレー鋳鉄（通常チップはほぼ粉末状）とダクタイル鋳鉄には大きな違いがあります。後者のチップブレークは鋼に似ていることが多いです。

加工特性：

- 短チップ材料。

- すべての作業条件下で良好なチップコントロール。

- 単位切削力：790〜1350 N/mm²

- 高速加工は摩耗摩耗を引き起こす。

- 中程度の切削力。

4-N 非鉄金属

非鉄金属材料とは？

- このカテゴリーには、硬度130HB未満の非鉄金属と軟質金属が含まれます。

- シリコン（Si）をほぼ22%含む非鉄金属（Al）合金が最大部分を占めます。

- 銅、青銅、黄銅。

適用分野：

航空機製造とアルミニウム合金自動車ホイールメーカーがグループNで主導的地位を占めます。

立方インチあたりの必要動力は低いですが、高い金属除去率を得るには、依然として必要な最大動力を計算する必要があります。

加工特性：

- 長チップ材料。

- 合金の場合、チップコントロールは比較的容易。

- 非鉄金属（Al）は粘着性があり、鋭い切れ刃が必要。

- 単位切削力：350〜700 N/mm²

- ISO N材料の加工に必要な切削力と動力は限定された範囲内です。

5-S 耐熱合金

耐熱合金とは？

- 耐熱合金（HRSA）には、高合金鉄基、ニッケル基、コバルト基、チタン基材料が多数含まれます。

- グループ：鉄基、ニッケル基、コバルト基

- 状態：焼鈍、固溶熱処理、時効処理、圧延、鍛造、鋳造。

- 特徴：合金含有量が高い（コバルトはニッケルより高い）ほど、より良い耐熱性、より高い引張強度、より高い耐食性を確保できます。

適用分野：

加工が難しいSグループ材料は主に航空宇宙、ガスタービン、発電機産業で使用されます。

範囲は広いですが、通常高い切削力が存在します。

加工特性：

- 長チップ材料。

- チップコントロールが困難（鋸歯状チップ）。

- セラミック工具には負のすくい角、超硬工具には正のすくい角が必要。

- 単位切削力：

耐熱合金：2400〜3100 N/mm²

チタン合金：1300〜1400 N/mm²

- 必要な切削力と動力は高い。

6-H 焼入れ鋼

焼入れ鋼とは？

- 加工の観点からは、焼入れ鋼は最小のグループです。

- このグループには硬度＞45〜65 HRCの焼入れ焼戻し鋼が含まれます。

- 一般的に、旋削される硬質部品の硬度は55〜68 HRCの間です。

適用分野：

グループHの焼入れ鋼は、自動車産業とその下請け、機械製造、金型ビジネスなど様々な産業で使用されます。

チップ形状：

通常、連続的な赤熱チップ。この高温はkc1値を低減させ、アプリケーション問題の解決に役立ちます。

加工特性：

- 長チップ材料。

- 比較的良好なチップコントロール。

- 負のすくい角が必要。

- 単位切削力：2550〜4870 N/mm²

- 必要な切削力と動力は高い。