工具鋼: グレード, 特性と用途

工具鋼は現代の製造業の中心です, 精度と耐久性が望まれ、要求される場所.

製造および産業プロセスの過酷さに耐えるように設計された特殊なタイプの鋼です。.

抜群の硬さで知られる, 耐摩耗性, そして強さ, 工具鋼はさまざまな産業で重要です, 自動車や航空宇宙からエレクトロニクスや消費財まで.

この記事では工具鋼の種類について詳しく説明します, プロパティ, とアプリケーション, その重要性と、ニーズに合った適切なグレードを選択する際に考慮すべき要素についての洞察を提供します。.

1. 工具鋼とは?

工具鋼は、炭素鋼および合金鋼の特殊なカテゴリです。, 工具の製造のために特別に設計された. ここがユニークな点です:

• 炭素 工具鋼のバックボーンです, 硬度と強度に貢献. 通常, 工具鋼には以下が含まれます 0.7% に 1.5% 炭素.
• 元素の合金化 クロムのような, タングステン, モリブデン, 特定の特性を強化するためにバナジウムが添加されています:

• • クロム 焼入れ性を高める, 耐摩耗性, 耐食性. 例えば, D2 のような鋼には、最大で次のものを含めることができます。 12% クロム.
  • タングステンとモリブデン 靭性と耐熱性を向上させる, 高速作業や高温作業用途に不可欠. M2鋼, 一般的なハイス鋼, 周りにあります 6% タングステン.
  • バナジウム 硬質炭化物を形成する, 耐摩耗性の向上. AISI A11, 例えば, 含まれています 1.5% バナジウム.

工具鋼の歴史は、より耐久性のある工具の必要性が高速度鋼の開発につながった 19 世紀後半に遡ります。.

時間とともに, 工具鋼の進化により、さまざまな鋼種が導入されました, それぞれが特定の用途に合わせて調整されています:

• W1, W2 (水硬化鋼): 単純, 基本ツールの低コストオプション, 多くの場合含まれています 0.90-1.40% 炭素.
• A2, D2, O1 (冷間加工鋼): 工具が熱くならない用途向けに設計, A2 は高い耐摩耗性を備えています。 5% クロム含有量.
• H13, H19 (熱間加工鋼): これらは最大 1200°F の温度に耐えることができます, H13含有 5% クロムと 1.5% モリブデン.

2. 工具鋼の種類

工具鋼は汎用性の高いカテゴリーの鋼です, 合金要素と熱処理のユニークな組み合わせを通じて、特定の産業ニーズを満たすために作られた各タイプ.

さまざまなタイプの詳細な調査を次に示します:

比較表: 工具鋼の種類

タイプ	主な特長	アプリケーション
Wタイプ (水硬化)	費用対効果の高い, 高硬度	ハンドツール, 木工道具
冷間加工 (○, あ, D)	高い耐摩耗性, 寸法安定性	スタンピング金型, トリミングツール, スリッティングナイフ
Sタイプ (耐衝撃性)	高い靭性, 耐衝撃性	ノミ, ジャックハンマービット, パンチ
H型 (ホットワーク)	耐熱疲労性, 高強度	ダイカスト金型, 熱間鍛造工具
HSS (M, T)	耐熱性, 高い切断速度	ドリル, エンドミル, 精密切削工具
特別な目的	特定のタスクに合わせてカスタマイズ	プラスチック金型, ニッチな産業用ツール

3. 工具鋼の性質

工具鋼の特性により、工具鋼は製造および工具製造の世界に不可欠なものとなります。. 主要なプロパティについて詳しく説明します:

硬度と靭性:

• • 硬度: 工具鋼の硬度は、圧痕に耐える能力です。, 引っ掻く, または変形. この特性は、鋭い刃先を維持したり、摩耗に耐えたりする必要がある工具にとって重要です。. 例えば:

• • • D2鋼 ロックウェル C 硬度を達成できます。 57-62, 高い耐摩耗性が要求される用途に最適です.

• • 靭性: 硬さは必須ですが、, 靭性により、鋼は破壊することなくエネルギーを吸収できます。. 硬度と靱性のバランスが重要:

• • • A2鋼 良いバランスを提供します, の硬さで 55-59 焼戻し後のHRC, D2に比べて靭性が高い, 衝撃荷重を受ける工具に適しています。.

耐摩耗性:

• • この特性は、摩耗する工具にとって非常に重要です。, 切削工具のような, 死ぬ, そしてパンチ.
    硬質炭化物の存在, クロムなどの元素によって形成される, バナジウム, とタングステン, 耐摩耗性を大幅に向上:

• • • ハイス鋼 M2のような, と 6% タングステンと 5% モリブデン, 熱処理中に硬質炭化物が形成されるため、長期間の使用後でも刃先を維持できます。.

耐熱性:

• • 高温環境で使用される工具用, 耐熱性が軟化や歪みを防ぐ鍵となります:

• • • 熱間工具鋼 H13 維持のように 90% 1100°Fでの硬度, ダイカストに適したものにする, 鍛造, 工具が高温にさらされる押し出し加工.

被削性:

• • 一部の工具鋼は比較的簡単に機械加工できるように設計されています, 成形プロセス中の工具の摩耗を軽減します:

• • • O1鋼 優れた機械加工性で知られています, 硬化前に複雑な形状に成形しやすくなります。.

寸法安定性:

• • 精密工具には、応力や温度変化下でも形状を維持できる材料が必要です。:

• • • A2鋼 寸法安定性に優れています, ゲージや測定器などのツールが長期間にわたって精度を維持できるようにする.

追加のプロパティ:

• 耐食性: 一部の工具鋼, 特にステンレス工具鋼のようなクロム含有量が高いもの, 錆びや腐食に対する耐性を提供します,
  これは、湿気の多い環境や腐食性の環境で使用されるツールにとって非常に重要です。.
• 熱伝導率: この特性は、工具を介した熱の伝達方法に影響します。, 冷却速度と熱膨張に影響を与える:

• • H13鋼 熱伝導率が比較的高い, 熱間作業用途での熱の放散に役立ちます。.

• 耐疲労性: 繰り返し荷重を受ける工具には、耐疲労性の高い鋼の利点が得られます。:

• • S7鋼 この点で優れている, 繰り返し衝撃を受ける工具に適しています。.

• 弾性率: これは鋼の剛性を測定します, 荷重下でどれだけ変形するかを示します:

• • ハイス鋼 一般に弾性率が高い, 切削力がかかっても形状を維持できるようにする.

特性のバランスをとる:

• トレードオフ: これらの特性間の最適なバランスを達成することは、多くの場合、困難です. 例えば:

• • 硬度を上げると、通常、靱性が低下します, 鋼がさらに脆くなる.
  • 耐摩耗性を高めると機械加工性が損なわれる可能性がある.

• 熱処理: 工具鋼の特性は熱処理によって大きく変化する可能性があります:

• • 焼入れ 硬度は上がりますが、焼き戻しを行わないと鋼が脆くなる可能性があります。.
  • テンパリング マルテンサイトの一部をより強靱な微細構造に変化させることで脆性を軽減しますが、ある程度の硬度は犠牲になります。.

• 元素の合金化: クロムなどの特定元素の添加, タングステン, モリブデン, バナジウムは鋼の特性を調整します:

• • クロム 焼入れ性を高める, 耐摩耗性, 耐食性.
  • バナジウム 硬質炭化物を形成する, 耐摩耗性の向上.
  • タングステンとモリブデン 靭性と耐熱性を向上させる.

概要表: 工具鋼の主な特性

財産	説明	主なグレード
硬度	圧力下での変形に対する耐性	D2, O1, H13
靭性	ひび割れすることなく衝撃に耐える能力	S7, A2
耐摩耗性	摩耗条件下でも長寿命	D2, M2
耐熱性	高温でも特性を維持	H13, H21
被削性	切断や成形のしやすさ	O1, A2
寸法安定性	使用時や熱処理時の歪みが少ない	A2, H13
耐食性	酸化や錆びに強い	A2, D2
耐衝撃性	強い機械的衝撃に耐えます	S1, S7
熱伝導率	動作中の効率的な熱放散	Hシリーズ
耐疲労性	繰り返されるストレスサイクル下でのパフォーマンス	Oシリーズ, Sシリーズ

4. 工具鋼の熱処理

熱処理は工具鋼製造における重要なプロセスです, 鋼の微細構造を変化させて望ましい機械的特性を発現させる.

熱処理工程を詳しく見てみる:

熱処理の重要性:

• • 熱処理により工具鋼の硬度が向上します, 靭性, そして耐摩耗性, 特定の用途に合わせてこれらの特性を調整する.
    例えば, ドリルビットを効果的に切断するには、高い硬度が必要です, 一方、ハンマーには衝撃に耐えるための靭性が必要です.

基本的な熱処理プロセス:

• • 焼入れ: これには、鋼をその臨界変態点を超える温度に加熱することが含まれます。, その後、水などの急冷媒体中で急冷, 油, または空気.
    急速冷却により、炭素が硬い部分に閉じ込められます。, 脆性マルテンサイト組織. 例えば, O1 鋼は、油中で焼き入れして次の硬度を達成する場合があります。 60-64 HRC.
  • テンパリング: 焼入れ後, 鋼は脆い. 焼き戻しには、鋼をより低い温度まで再加熱することが含まれます。, 通常は 300°F ～ 600°F の間, ある程度の硬度を維持しながら脆性を軽減する.
    A2鋼の400°Fでの焼き戻し, 例えば, の硬さを生み出すことができます 55-59 靭性を向上させたHRC.
  • ケースハードニング: このプロセスにより、ハードウェアが追加されます, コアを丈夫に保ちながら、耐摩耗性の外層を実現.
    浸炭焼入れで仕上げます, 窒化, またはシアン化, 炭素または窒素原子が表層に拡散する場所. M2鋼は以上の表面硬度を達成できます 70 この方法によるHRC.
  • 極低温処理: 従来の熱処理を超えて, 極低温処理では、鋼を非常に低い温度まで冷却します。 (多くの場合 -300°F 以下)
    残留オーステナイトを低減することで、硬度と耐摩耗性をさらに向上させます。, 鋼のより柔らかい相.

熱処理の効果:

• • 硬度: 熱処理により鋼の硬度が大幅に向上します, 鋭いエッジを維持したり、へこみに耐えたりすることができます。.
    例えば, D2 鋼はロックウェル C 硬度を達成できます。 57-62 適切な熱処理後.
  • 靭性: 硬度が上がりながらも, 適切にバランスが取れていないと靭性が損なわれる可能性があります.
    ここではテンパリングが重要です, マルテンサイトの一部を焼き戻しマルテンサイトのようなより強靱な微細構造に変化させることで脆性を軽減するため.
  • 耐摩耗性: 熱処理中の硬質炭化物の形成, 特にハイス鋼では, 耐摩耗性が大幅に向上,
    工具による材料の切断や成形を長期間可能にする.
  • 寸法安定性: 適切な熱処理により、応力や温度変化下でも工具の形状が維持されます。,
    ゲージや測定器などの精密工具には欠かせないものです。.

主な考慮事項:

• 熱処理雰囲気: 熱処理中の雰囲気は鋼の特性に影響を与える可能性があります.
  例えば, 窒素が豊富な雰囲気では、窒化により表面硬度が向上します。.
• 急冷媒体: 急冷媒体の選択は、冷却速度と, その結果, 鋼の最終的な特性.
  水は最も速い冷却速度を提供します, しかし、油や空気は、歪みや割れになるために使用される場合があります.
• 温度制御: 亀裂やワーピングなどの欠陥を導入することなく、暖房と冷却温度の正確な制御が不可欠です.
• 加熱後の治療: 熱処理後, 多くの場合、ツールはストレスを緩和するなどの追加のプロセスを受けます,
  内部ストレスを減らすことができます, または、パフォーマンスをさらに向上させるために、コーティングや研磨などの表面処理.

5. 工具鋼の用途

切削工具

• ドリル: さまざまな材料の穴の作成に使用されます. ハイス鋼 (HSS) ドリル, M2など, 硬い金属の掘削に一般的に使用されます.
• リーマー: 既存の穴を拡大して滑らかにするために使用されます. HSSリーマーは、正確でスムーズな仕上げを提供します.
• 刃を見た: 木材の切断に使用されます, 金属, その他の材料. D2のようなコールドワークツール鋼は、耐摩耗性が高いため、刃物によく使用されることがよくあります.

ダイスとパンチ

• スタンピング: 板金を特定の形状に形成するために使用されます. D2 や A2 などの冷間工具鋼は、硬度と耐摩耗性が高いため、プレス金型に最適です。.
• 鍛造: 金属を高圧で圧縮して成形するために使用されます。. H13などの熱間工具鋼は耐熱性に優れているため、鍛造金型に適しています。.
• 押し出し: 金属を金型に押し込んで特定の断面プロファイルを作成するために使用されます.
  熱間工具鋼は高温に耐えられるため、押出ダイスによく使用されます。.

金型

• 射出成形: 溶融したプラスチックを金型に射出してプラスチック部品を製造するために使用されます。.
  P20や特殊工具鋼など 718 研磨性と耐食性に優れているため、射出成形金型によく使用されます。.
• ダイカスト: 溶融金属を型に押し込んで金属部品を製造するために使用されます。. H13 などの熱間工具鋼は、強度と耐熱性が高いため、ダイカスト金型に最適です。.

ゲージおよび測定器

• キャリパー: 物体の寸法を測定するために使用されます. A2 などの冷間工具鋼は、寸法安定性によりキャリパーによく使用されます。.
• マイクロメーター: 正確な距離を測定するために使用されます. 寸法安定性の高い冷間工具鋼はマイクロメータに最適です.
• ゲージ: 部品の寸法確認に使用します. D2 などの冷間工具鋼は、耐摩耗性が高いため、ゲージによく使用されます。.

採掘および油井ツール

• ドリルビット: 岩や土に穴を開けるのに使用されます. M2 のような高速度鋼は、高速で切断できるため、ドリルビットによく使用されます。.
• ダウンホールツール: 石油やガスの採掘に使用される. H13 などの熱間工具鋼は、耐熱性と強度に優れているため、ダウンホール工具に適しています。.

その他のツール

• ナイフ: さまざまな素材の切断に使用されます. D2 や A2 などの冷間工具鋼は、硬度が高く耐摩耗性が高いため、ナイフによく使用されます。.
• ハサミ: 紙を切るのに使用します, ファブリック, およびその他の薄い素材. A2 などの冷間工具鋼は、硬度と靱性のバランスが優れているため、ハサミに最適です。.
• ノミ: 木や石の彫刻や成形に使用されます. S7 などの耐衝撃性工具鋼は、靭性が高く、衝撃に耐える能力があるため、ノミに適しています。.

6. 適切な工具鋼の選択

考慮すべき要素

• 操作の種類: 切断, 形にする, またはその他の特定の操作.
• 動作条件: 温度, ストレス, と環境要因.
• 作業中の素材: 加工される素材の特性.
• コストと比較. パフォーマンス分析: 工具鋼のコストと性能要件のバランスをとる.

特定のニーズに基づいた選択方法に関するガイド

1. アプリケーションを特定する: ツールの具体的な用途を決定する.
2. 動作条件の評価: 温度を評価する, ストレス, と環境要因.
3. 材料特性を考慮する: 加工中の材料の特性を理解する.
4. コストとパフォーマンスを評価する: さまざまな工具鋼のコストとその性能上の利点を比較します。.
5. 専門家に相談する: 最良の選択を確実にするために、冶金学者または工具鋼サプライヤーにアドバイスを求めてください。.

8. 課題と考慮事項

料金

• 高価な材料: 工具鋼は高価になる可能性がある, 特に高性能グレードの場合.
  しかし, 多くの場合、初期投資は工具寿命の延長とダウンタイムの削減という点で報われます。.
• 経済的影響: 用途に工具鋼を使用する場合の全体的な費用対効果を考慮してください。.
  例えば, 一方、D2 鋼は W1 鋼よりも高価になる可能性があります, 優れた耐摩耗性により、長期にわたるメンテナンスコストの削減につながります.

メンテナンス

• 定期点検: 予期せぬ故障を防ぐために、工具に摩耗や損傷の兆候がないか定期的に検査してください。.
• 適切な保管: 工具は乾燥した場所に保管してください, 錆や腐食を防ぐための管理された環境. 適切に保管すると工具の寿命を延ばすことができます.
• 洗浄と注油: 工具の性能を維持するために工具を洗浄し、潤滑してください. 定期的なメンテナンスにより、工具の寿命を大幅に延ばすことができます.

環境への影響

• リサイクル: 廃棄物と環境への影響を削減するために、古い工具鋼のリサイクルを検討してください。. 多くの工具鋼メーカーがリサイクル プログラムを提供しています.
• 廃棄: 環境への被害を最小限に抑えるために、適切な廃棄ガイドラインに従ってください。. 適切な廃棄により、危険物を安全に取り扱うことができます。.

9. 今後の動向

工具鋼冶金学の進歩

• 新しい合金: 特性を向上させた新しい合金の開発, 耐摩耗性や耐熱性の向上など.
  例えば, 研究者らは、工具鋼に超微細粒子構造を作成するためのナノテクノロジーの使用を研究しています。.
• 微細構造の制御: 工具鋼の微細構造を制御して性能を最適化する高度な技術.
  マイクロアロイングと制御された冷却速度を使用して、特定の微細構造を実現しています.

新しい合金または処理の開発

• 表面処理: 耐摩耗性と耐腐食性を向上させる新しい表面処理. プラズマ窒化とダイヤモンドライクカーボン (DLC) コーティングが人気を集めています.
• 積層造形: 3D プリントを使用して、正確な形状の複雑な工具鋼部品を作成.
  積層造形により、従来の製造方法では実現が困難な複雑なデザインの作成が可能になります.

10. 結論

工具鋼 製造業や産業において不可欠な材料です, 優れた硬度を提供します, 耐摩耗性, そして強さ.
さまざまな種類の工具鋼を理解する, 彼らの特性, そしてその用途は、特定のニーズに適した材料を選択するために非常に重要です。.
手術の種類などを考慮して, 動作条件, および材料特性, 情報に基づいた意思決定を行うことで、最適なパフォーマンスと費用対効果を確保できます。.
テクノロジーが進歩し続けるにつれて, 工具鋼の将来は有望に見える, 新しい合金と処理により、その機能がさらに強化されています.

この記事が工具鋼の世界についての貴重な洞察を提供し、プロジェクトでその可能性を探求するきっかけになれば幸いです。.
ご質問がある場合、またはさらにサポートが必要な場合は, 自由に 私たちに連絡してください.