精密さを追求する工業製造の世界において、工具鋼は重要な役割を果たします。熟練した職人が各工具の特性を理解しなければならないように、エンジニアや設計者は、特定の用途に最適な材料を選択するために、さまざまな工具鋼の特性を徹底的に理解する必要があります。工具鋼は、特殊な種類の合金鋼であり、その優れた硬度、耐摩耗性、高温下での形状保持能力により、工具製造に広く使用されています。この記事では、工具鋼の分類、特性、一般的なグレードを体系的に紹介し、包括的で実用的な材料選択ガイドを提供します。

工具鋼の概要

工具鋼は、さまざまな工具の製造用に特別に設計された高炭素合金鋼です。その主な特性には、優れた硬度、耐摩耗性、高温下での寸法安定性があります。工具鋼には通常、0.5%から1.5%の炭素と、タングステン、クロム、バナジウム、モリブデンなどの炭化物形成元素が含まれています。これらの合金元素は、鋼の特性を大幅に向上させ、さまざまな要求の厳しい用途の要件を満たすことを可能にします。

さまざまな用途のニーズに基づいて、工具鋼は次の6つの主要なタイプに分類できます。

• 水焼き入れ鋼： このタイプは水焼き入れによって硬化し、主に高炭素鋼で構成されています。水焼き入れ鋼は比較的安価で、控えめな性能要件の用途に適しています。
• 冷間加工鋼： 冷間加工鋼は高い焼入れ性と耐摩耗性を提供し、一般的に大型部品の製造に使用されます。焼入れ方法に基づいて、さらに油焼き入れ、空気焼き入れ、高炭素高クロム鋼に分類できます。
• 耐衝撃鋼： このタイプは優れた衝撃靭性を提供しますが、耐摩耗性は比較的低く、高い衝撃荷重を受ける工具に適しています。
• 高速度鋼： 高速度鋼は高温下でも高い強度と硬度を維持し、切削工具や機械加工工具に最適です。
• 熱間加工鋼： 熱間加工鋼は高温下でも優れた強度と硬度を維持し、加熱された状態で切削または成形作業を行う工具に適しています。
• 特殊用途鋼： プラスチック金型鋼とも呼ばれ、亜鉛ダイカストおよびプラスチック射出成形用途向けに特別に設計されています。

工具鋼のタイプの選択は、通常、作業温度、必要な表面硬度、強度、耐衝撃性、靭性、およびコストに関する考慮事項などの要因によって異なります。

工具鋼の特性と性能

工具鋼の最も顕著な特性には、硬度、耐摩耗性、および変形抵抗があります。さらに、多くの工具鋼は高温下でも切削エッジを維持できるため、切削、機械加工、スタンピング、または鍛造作業を通じて他の材料を成形するのに適しています。

• 硬度： 工具鋼の塑性変形と摩耗に対する抵抗を示す重要な指標です。高い硬度により、より大きな耐荷重能力と長い耐用年数が可能になります。
• 耐摩耗性： 摩耗に抵抗する能力。高い耐摩耗性は、寸法精度と形状精度を維持するのに役立ちます。
• 靭性： エネルギーを吸収し、破壊に抵抗する能力。高い靭性により、工具は脆性破壊なしに衝撃荷重に耐えることができます。
• 熱処理特性： 最終的な硬度、強度、および靭性に直接影響します。最適な性能を達成するには、さまざまな工具鋼に特定の熱処理プロセスが必要です。
• 被削性： 鋼を容易に切断、成形、および仕上げることができる能力。優れた被削性は、製造コストを削減し、リードタイムを短縮します。

一般的な工具鋼グレード

以下に、いくつかの一般的な工具鋼グレードの詳細な説明を示します。これらには、その特性、用途、熱処理方法、および硬度レベルが含まれます。

D2工具鋼

• 用途： ブランキング、パンチング、成形ダイなど、正確な公差を必要とする長期的な工具用途に最適です。
• 熱処理： 1800°Fから1875°F（982°Cから1024°C）で焼き入れし、通常900°Fから960°F（482°Cから516°C）の間で焼戻しします。
• 硬度： 焼き入れと焼戻し後、62〜64 HRCを達成します。

O1工具鋼

O1は、比較的容易な被削性を備えた油焼き入れ工具鋼です。靭性と耐摩耗性のバランスが良く、汎用工具として人気があります。

• 用途： ナイフ、せん断刃、および鋭く耐久性のあるエッジを必要とするその他の工具に一般的に使用されます。
• 熱処理： 1475°Fから1500°F（802°Cから816°C）に加熱し、油焼き入れすることによって焼き入れされます。
• 硬度： 焼戻し後、約57〜62 HRCに達します。

S7工具鋼

S7は、耐衝撃性のある空気焼き入れ工具鋼であり、高い靭性と耐衝撃性を提供するため、大きな機械的衝撃を受ける工具に最適です。

• 用途： 高い耐衝撃性を必要とするチゼル、パンチ、リベットセットに使用されます。
• 熱処理： 1725°Fから1850°F（941°Cから1010°C）で焼き入れし、冷間加工用途の場合は400°F（204°C）、熱間加工用途の場合は最大1000°F（538°C）で焼戻しします。
• 硬度： 焼き入れ後、60〜62 HRCを達成します。

H13工具鋼

H13は、高温下での硬度を維持することで知られる5％クロム熱間加工工具鋼であり、熱間加工用途に最適です。

• 用途： アルミニウムおよび亜鉛ダイカスト、アルミニウム押出、およびプレスダイに広く使用されています。
• 熱処理： 1825°Fから1900°F（996°Cから1038°C）に加熱し、950°Fから1150°F（510°Cから621°C）の間で焼戻しします。
• 硬度： 焼き入れと焼戻し後、通常56〜57 HRCに達します。

M2工具鋼

M2は、優れた靭性と耐摩耗性を提供する高速度工具鋼であり、特に高温下で切れ味を維持する必要がある工具に効果的です。

• 用途： ドリル、タップ、エンドミルなどの切削工具に一般的に使用されます。
• 熱処理： 約2200°Fから2250°F（1204°Cから1232°C）で焼き入れし、1000°Fから1050°F（538°Cから566°C）で焼戻しします。
• 硬度： 焼戻し後、約62〜64 HRCを達成します。

A2工具鋼

A2は、バランスの取れた靭性と耐摩耗性で知られる空気焼き入れ工具鋼です。5％のクロム含有量により、熱処理後の高い硬度と優れた寸法安定性が得られます。

• 用途： 通常、ブランキング/成形パンチ、ダイトリム鋼、および射出成形金型に使用されます。
• 熱処理： 焼き入れ温度から空気焼き入れし、通常350°Fから400°F（177°Cから204°C）で焼戻しして63〜65 HRCを達成します。
• 硬度： 焼き入れ後、63〜65 HRCに達します。

工具鋼の選択

適切な工具鋼グレードの選択は、耐摩耗性、靭性、または高温硬度保持のニーズなど、特定の用途要件によって異なります。

主な考慮事項： 工具鋼を選択する際には、次の要素を評価してください。

• ワーク材料： 異なる材料は、工具鋼の特性にさまざまな要件を課します。より硬い材料は、より耐摩耗性の工具鋼を必要とします。
• 加工方法： さまざまな操作（スタンピング、鍛造、射出成形など）には、強度、靭性、耐熱性のさまざまな組み合わせが必要です。
• 生産量： より高い生産量は、工具寿命を延ばすために、より耐摩耗性の工具鋼を必要とします。
• コスト： グレード間には大きな価格差があり、性能と予算のバランスを慎重に検討する必要があります。

選択プロセス： 次の一般的な手順に従ってください。

1. 用途要件を定義する： 予想される負荷、温度、衝撃、およびその他の動作条件を決定します。
2. ワーク材料を評価する： 材料の硬度、強度、および被削性を理解します。
3. 適切な工具鋼タイプを選択する： 用途のニーズに基づいて、冷間加工、熱間加工、またはその他のカテゴリから選択します。
4. 特定のグレードを選択する： 選択したカテゴリ内の利用可能なグレード（D2、O1、H13など）から選択します。
5. 熱処理を実行する： 最適な性能を達成するために、グレード仕様に従って適切な熱処理を適用します。

結論

各グレードの独自の特性を理解することで、最適な工具性能と長い耐用年数を保証する情報に基づいた意思決定が可能になります。A2、D2、O1、S7、H13、またはM2を使用する場合でも、各工具鋼グレードは独自の利点を提供します。これらの特性を用途要件に合わせることで、メーカーは優れた結果を達成できます。

このガイドは、さまざまな工具鋼グレードの包括的な概要を提供し、材料選択の複雑さをナビゲートし、特定のニーズに最適な選択を行うのに役立ちます。