合金工具鋼とは
合金工具鋼とは、一般的に高い硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐食性、強度などの特性を持つ鋼材料です。
工具や機械部品などの製造に使用され、一般的に炭素工具鋼に様々な金属元素 (クロム、バナジウム、モリブデン、ワルフラムなど) を添加することによって特性を向上させています。合金工具鋼は熱処理によって硬度や強度を調整できます。通常、焼入れと呼ばれる過程で高温で加熱し、急速に冷却することで硬度を増し、同時に脆くなるため、適度な鍛造、加工、熱処理などの制御が必要です。
合金工具鋼の使用用途
1. 切削工具
高速度鋼 (HSS) やバミュード鋼、モリブデン鋼などの合金工具鋼が使用されます。ドリルビット、フライス盤、タップ、ダイス、ハンドタップなどの工具が挙げられます。HSSは、High-Speed Steelの略語です。
2. 金型
金型には工具鋼やタングステン鋼が使用されます。プラスチック成形用の金型や、鋳造用の金型などが挙げられます。
3. 工作機械
工作機械には高速度鋼やモリブデン鋼などの合金工具鋼が使用されます。工作機械の刃物、工作機械の駆動部分、ベアリングなどが挙げられます。
4. 自動車部品
自動車部品には高速度鋼やクロムバナジウム鋼などの合金工具鋼が使用されます。エンジンバルブ、シャシー、ギアなどが挙げられます。
5. 航空機部品
航空機部品には高速度鋼やタングステン鋼、モリブデン鋼などの合金工具鋼が使用されます。ジェットエンジン部品、燃料系パイプ、操縦系部品などが挙げられます。
6. その他
その他としては高速度鋼やクロムバナジウム鋼などの合金工具鋼は、様々な産業で使用されています。例えば、建築資材、精密機械、電子機器、スポーツ用品などが挙げられます。
合金工具鋼の種類
JIS G 4404では、合金工具鋼 (32種類) は以下の4つに分類されます。
1. 切削工具鋼用
切削工具用の合金工具鋼は、高い硬度と熱硬化性を持ち、高速での切削に対応できるのが特徴です。切削工具用の合金工具鋼は、耐久性が高く、長時間の使用に耐えられます。JIS G 4404では、切削工具鋼用の合金工具鋼が8種類定められています。
2. 耐衝撃工具鋼用
耐衝撃工具鋼用の合金工具鋼は、炭素鋼に比べて高い耐衝撃性を持ち、打撃や振動が加わるような環境下でも変形や破損が起きにくいのが特徴です。JIS G 4404では、耐衝撃工具鋼用の合金工具鋼が4種類定められています。
3. 冷間金型用
冷間金型用の合金工具鋼は、常温下で使用される金型に適した特性を持ちます。JIS G 4404では、冷間金型用の合金工具鋼が10種類定められています。
4. 熱間金型用
熱間金型用の合金工具鋼は、高温下で使用される金型に適した特性を持ちます。JIS G 4404では、熱間金型用の合金工具鋼が10種類定められています。
合金工具鋼の選び方
合金工具鋼を選ぶ際に考慮する主な項目は以下の通りです。
1. 切削加工条件
切削速度、送り速度、加工深さ、冷却方法など、加工条件によって必要な硬度や耐摩耗性が異なるため、切削加工条件を確認し、適切な合金工具鋼を選ぶ必要があります。
2. 必要な性能
合金工具鋼は、硬度、耐摩耗性、耐腐食性、耐疲労性、加工性、熱処理性能など、様々な性能を持っています。必要な性能に応じて、適切な合金工具鋼を選ぶ必要があります。
3. 材料の形状と大きさ
合金工具鋼の材料の形状や大きさによって、加工性能や熱処理性能が異なります。例えば、小さな刃物や工具には、粒度の細かい合金工具鋼が適しています。
4. コスト
適切な合金工具鋼を選ぶ際には、調達コストも考慮する必要があります。高品質な合金工具鋼は、高価である場合があります。
合金工具鋼の性質
具体的には、合金工具鋼は以下のような性質を持ちます。
- 高い硬度
炭素鋼よりも硬いため、切削加工や模造加工などの用途に適しています。 - 耐摩耗性
磨耗や摩擦に対して耐性があり、長期間使用しても性能が維持されます。 - 耐熱性
高温で使用しても変形や軟化しないため、高温加工に適しています。 - 耐腐食性
腐食や腐食による損傷に対して、高い耐性があります。 - 耐疲労性
反復荷重下での強度が高いため、長期間使用しても疲労破壊しないため、耐久性に優れています。
合金工具鋼のその他情報
一般的な合金元素について
一般的な合金元素とその影響については下記の通りです。下記の合金元素は鋼に添加される割合やその他の添加条件によって、鋼の特性に影響を与えます。合金元素の添加量は、鋼の特性に対する影響を大きく左右するため、最適な添加量を設定する必要があります。
1. クロム (Cr)
クロムは、耐腐食性を向上させるために添加されます。酸化物を形成し表面を保護することで、腐食に対する耐性や鋼の硬度や強度も向上します。
2. バナジウム (V)
バナジウムは、強度を向上させるために添加されます。微細な粒子を形成し、鋼の結晶構造を強化することで、強度を増加させるのが特徴です。また、耐摩耗性を向上させるためにも使用されます。
3. モリブデン (Mo)
モリブデンは、高温での使用に適した鋼を作るために添加されます。高温下での酸化や腐食に対する耐性を向上させ、鋼の強度や硬度も向上させます。
4. マンガン (Mn)
マンガンは、硬度や強度を向上させるために添加される合金元素です。また、熱処理中に鋼の表面を酸化させ、鋼の表面硬化を促進する役割もあります。
5. ニッケル (Ni)
ニッケルは、耐腐食性を向上させるために添加されます。クロムと同様に酸化物を形成し、表面を保護することで、腐食に対する耐性を向上させます。熱処理による鋼の強度向上にも寄与します。
6. コバルト (Co)
コバルトは、高温下での使用に適した鋼を作るために添加されます。高温下での酸化や腐食に対する耐性を向上させ、鋼の硬度や強度も向上させます。
上記の他にも様々な合金元素が使用されていて、例えばタングステン (W) は硬度や強度を向上させ、切削加工性を向上させます。シリコン (Si) は強度を向上させ、熱処理時の変形を制御するために使用されます。合金元素の組み合わせによって、様々な特性を持つ合金工具鋼が製造されます。例えば、クロムとバナジウムを組み合わせた合金工具鋼は、耐腐食性と強度の両方を向上させることが可能です。また、クロムとニッケルを組み合わせた合金工具鋼は、高温下での使用に適しています。