工具鋼とは
工具鋼とは、高い硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性などの特性を持ち、切削や成形などの工具として使用される鋼材です。
これらの特性により、工具鋼は高い精度と耐久性を求められる加工や製造の分野で広く使用されています。また、工具鋼には炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼の3種類があり、それぞれの用途や作業条件に応じて選択することが大切です。
工具鋼の使用用途
工具鋼はその高い硬度、耐摩耗性、耐撃性、耐熱性などの優れた特性を活かし、さまざまな用途に広く利用されています。以下が、主な使用用途の例です。
- 切削工具：盤用の刃物、フライス盤用の刃物、ドリルビットなど
- 圧延工具：金属板や棒を加工する圧延ロール、金属棒材を形成するためのプレス金型など
- 金型：プラスチックや金属を成形するための金型など
- 制御装置部品：自動車や航空機などの機械の部品など
- 電子部品：高周波加熱器のチューブ、真空管など
- 刃物：包丁やはさみ、裁断器の刃などの刃物など
- ベアリング：高負荷の回転部品に使用される高硬度・高耐摩耗性のベアリング部品など
工具鋼の性質
工具鋼には、硬度、耐摩耗性、耐熱性、可鍛性、鋼種の特性があります。以下にそれぞれの特性について解説します。
1. 硬度
高い硬度と耐久性により、切削や加工などの高負荷な作業に耐えられるため、工具や金型など、耐久性が求められる部品に適用します。
2. 耐摩耗性
優れた耐摩耗性で長期間の使用に耐えられるため、切削や加工作業中に発生する摩擦や熱による変形や摩耗が少なく、高速切削工具や金型など幅広く適用します。
3. 耐熱性
高熱状態下でも変形しにくく、熱による軟化を抑制できるため、高温下での切削作業や鋳造工程などの高温環境下での作業に適用します。
4. 可鍛性
鍛造加工でさまざまな形状に加工できるのため、複雑な形状の金型や刃物など、高い精度が求められる部品の製造に適用します。
5. 鋼種
高速度鋼、高炭素鋼、特殊工具鋼など、各鋼種によって異なる特性を持ち、用途に合わせて選択が可能です。
工具鋼の種類
JISでは、工具鋼を炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼の3種類に分類しています。以下がそれぞれの詳しい特徴です。
1. 炭素工具鋼
主に切削工具や金型などの工具に使用される高炭素鋼で、硬度が高く、耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れています。また、熱処理によって高い硬度と耐久性を持ち、加工性が高い工具鋼です。JIS G 4401では11種類に分類されています。
2. 合金工具鋼
合金工具鋼は一般的に高い硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性などの特性を持ち、工具や金型などの製造に使用されます。合金工具鋼は、JIS G 4404では切削用工具鋼用 (8種類) 、耐衝撃工具鋼用 (4種類) 、冷間金型用 (10種類) 、熱間金型用 (10種類) の4つのグループに大きく分類され、合計は32種類です。
3. 高速度工具鋼
高速度工具鋼は、JIS G 4403ではタングステン系 (4種類) 、粉末冶金で製造したモリブデン系 (1種類) 、モリブデン系 (10種類) の3つのグループに大きく分類され、合計15種類です。
工具鋼のその他情報
工具鋼の機械的性質
工具鋼は構成材料や熱処理によって様々な機械的性質を持ちます。工具鋼の主な機械的性質は、硬度、強度、靭性、疲労強度、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性などです。これらの機械的性質は、合金元素の添加量、冷却方法、熱処理の種類や条件などによって制御されます。
工具鋼の熱処理は、焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし、表面硬化が工程です。焼き入れで高温加熱後に急冷させて硬度を高め、焼き戻しで再度加熱して冷却します。その後、焼きなましで低温で長時間加熱して靭性を向上させた後、表面を高周波で加熱して硬度を上げる表面硬化を行います。
合金元素の添加量も、硬度や強度、靭性などの機械的性質を制御するために重要です。クロム、バナジウム、モリブデン、コバルト、タングステン、マンガン、シリコン、ニッケル、銅などの合金元素を加えることで、工具鋼の特性を調整できます。