鋼材CNC加工：知っておくべき3つの前処理・後処理技術

鋼材の特性を変え、切削加工しやすくするため、加工完了前に追加の処理とプロセスが通常行われます。加工前に材料を硬化させると加工時間が増え工具摩耗が増加しますが、加工後に鋼材を処理することで完成品の強度や硬度を高められます。以下に鋼材の3つの一般的な処理技術を紹介します。

1. 熱処理

熱処理とは、鋼材の温度を操作して材料特性を変える複数の異なるプロセスを指します。

• 焼鈍（アンネーリング）：硬度を下げ延性を高め、鋼材を加工しやすくします。焼鈍プロセスでは、鋼材を目的の温度までゆっくり加熱し、一定期間保持します。必要な時間と温度は特定の合金により、炭素含有量が増えるにつれて減少します。最後に、炉内または断熱材で囲んで鋼材をゆっくり冷却します。
• 正火（ノーマライジング）：鋼材の内部応力を除去しながら、焼鈍鋼より高い強度と硬度を維持します。正火では、鋼材を高温まで加熱し、適切な温度で冷却して鋼材の硬度を向上させます。
• 焼入れ（クエンチング）：鋼材を硬化させ強度を高めるだけでなく、脆性も高めます。焼入れプロセスでは、鋼材をゆっくり加熱し、高温で浸漬した後、水、油、塩水溶液などの液体に浸して急速冷却します。
• 焼戻し（テンパリング）：鋼材焼入れに伴う脆性を一部緩和するために使用されます。鋼材の焼戻しは正火とほぼ同一です：まず選択した温度までゆっくり加熱し、その後空冷します。違いは焼戻しが他のプロセスより低温で行われることで、焼戻し鋼の脆性と硬度を低下させます。

2. 析出硬化

析出硬化は鋼材の降伏強度を高めます。析出硬化鋼の主な違いは、銅、アルミニウム、リン、チタンなどの元素を含むことで、これらは鋼材の強度を高めるだけでなく十分な靭性も維持する、高強度ステンレス鋼の一種で、PH鋼と呼ばれます。析出硬化特性を活性化するには、鋼材をまず溶体化処理し、その後時効硬化させます。時効硬化プロセスでは、材料を長期間加熱し、添加元素を析出させます（異なるサイズの固体粒子を形成）、これにより材料強度が増加します。

17-4PH（630鋼としても知られる）は、ステンレス鋼析出硬化グレードの一般的な例です。この合金は17%クロム、4%ニッケル、4%銅を含み、銅が析出硬化を助けます。追加された硬度、強度、高い耐食性により、17-4PHはヘリデッキプラットフォーム、タービンブレード、核廃棄物樽に使用されます。

3. 冷間加工

多くの熱を加えずに鋼材の特性を変えることもできます。例えば、冷間加工鋼は加工硬化プロセスによって強くなります。加工硬化は、金属が塑性変形を受けるときに発生します。これは意図的にハンマーで叩いたり、圧延や引抜きを行ったりして実現できます。切削工具やワークが過熱すると、機械加工中に意図せず加工硬化が発生することもあります。冷間加工は鋼材の切削性も向上させます。低炭素鋼は冷間加工に非常に適しています。

鋼構造設計の考慮事項

鋼部品を設計する際は、材料の固有特性を念頭に置くことが重要です。用途に適した特徴が、製造のための設計（DFM）に関する追加的な考慮を必要とする場合があります。

• 材料の硬度のため、アルミニウムや真鍮などの柔らかい材料より鋼材の加工には時間がかかります。主軸回転速度と送り速度を下げることで、部品と工具を保護できます。
• どの鋼材を使用するか決める際は、硬度と強度だけでなく、切削性の違いも考慮する必要があります。例えば、ステンレス鋼の加工には炭素鋼の約2倍の時間がかかります。異なるグレードを決める際は、どの特性が最も重要か、どの鋼合金が容易に入手できるかも考慮する必要があります。304や316などの一般的なグレードは、より幅広い在庫サイズで入手可能で、調達にかかる時間が短縮されます。