工具鋼

工具鋼は、切削工具、ダイ、手工具、ナイフなどの工具やツールの製造に特に適したさまざまな炭素鋼や合金鋼です。工具鋼が適しているのは、独特の硬度、摩耗や変形に対する耐性、高温でも刃先を維持できる能力によるものです。そのため、工具鋼は、切削、機械加工、スタンピング、鍛造など、他の材料の成形に適しています。

工具鋼の炭素含有量は0.5%から1.5%です。工具鋼の品質は、マトリックス内の炭化物の存在によって決まります。工具鋼で炭化物を形成する4つの主要な合金元素は、タングステン、クロム、バナジウム、モリブデンです。鉄のオーステナイト相へのさまざまな炭化物の溶解速度によって、鋼の高温性能が決まります（遅いほどよく、耐熱鋼になります）。これらの鋼を適切に熱処理することが、十分な性能を発揮するために重要です。^[1]水焼入れ中に割れる可能性を最小限に抑えるため、マンガン含有量は低く抑えられることが多いです。

工具鋼には、水硬化性、冷間加工性、耐衝撃性、高速性、熱間加工性、特殊用途の6つのグループがあります。選択するグループの選択は、コスト、作業温度、必要な表面硬度、強度、耐衝撃性、靭性の要件によって異なります。^[2]使用条件が厳しいほど（高温、研磨性、腐食性、負荷）、工具鋼に必要な合金含有量と炭化物の量が多くなります。

工具鋼は、金属やその他の材料の切断、プレス、押し出し、鋳造に使用されます。工具鋼をツールに使用することは不可欠です。たとえば、射出成形金型では、耐摩耗性のために工具鋼が必要です。これは、金型の寿命中に数十万回の成形操作を可能にする金型耐久性の重要な基準です。

工具鋼のAISI - SAEグレードは、工具鋼のさまざまなグレードを識別するために使用される最も一般的なスケールです。グレード内の個々の合金には、たとえば A2、O1 などの番号が付けられます。

W グループの工具鋼は、水で焼き入れする必要があるという特徴からその名前が付けられています。W 級鋼は、本質的には高炭素普通炭素鋼です。このグループの工具鋼は、他の鋼に比べてコストが低いため、最も一般的に使用されている工具鋼です。高温にならない部品や用途に適しています。150 °C (300 °F) を超えると、顕著に軟化し始めます。焼入れ性が低いため、W グループの工具鋼は急速焼き入れを行う必要があり、水を使用する必要があります。これらの鋼は、高い硬度 (66ロックウェル C以上) を達成できますが、他の工具鋼に比べてかなり脆いです。W 鋼は現在でも販売されており、特にばね用として使用されていますが、19 世紀から 20 世紀初頭に比べるとあまり広く使用されていません。これは、W 鋼は、油焼き入れ鋼や空気焼き入れ鋼よりも焼き入れ中に反りや割れがはるかに多いことが一因です。

W グループの工具鋼の靭性は、マンガン、シリコン、モリブデンとの合金化によって向上します。熱処理中に微細な粒子サイズを維持するために、最大 0.20% のバナジウムが使用されます。

さまざまな炭素組成の典型的な用途は、W 鋼です。

• 0.60～0.75% 炭素: 機械部品、ノミ、止めねじ。特性は中程度の硬度で、靭性と耐衝撃性に優れています。
• 炭素含有量 0.76～0.90%: 鍛造金型、ハンマー、そり。
• 炭素含有量 0.91～1.10%: やすり、ドリル、カッター、せん断刃など、耐摩耗性と靭性のバランスが求められる汎用工具用途。
• 1.11～1.30% 炭素: やすり、小型ドリル、旋盤工具、カミソリ刃、その他、靭性はそれほど高くなく、耐摩耗性が求められる軽作業用途。約 0.8% 炭素の鋼は、炭素量が多い鋼と同程度の硬さになりますが、1% または 1.25% 炭素鋼に含まれる遊離炭化鉄粒子により、刃持ちがよくなります。ただし、酸性または塩分を多く含む材料を切断する場合、刃先が摩耗するよりも錆びる可能性が高くなります。

冷間工具鋼には、O シリーズ (油焼入れ)、A シリーズ (空気焼入れ)、および D シリーズ (高炭素クロム) があります。これらは、低温の材料を切断または成形するために使用される鋼です。このグループは、高い焼入れ性と耐摩耗性、および平均的な靭性と耐熱軟化性を備えています。これらは、より大きな部品や、焼入れ中に最小限の歪みしか必要としない部品の製造に使用されます。油焼入れと空気焼入れを使用すると、歪みが軽減され、より速い水焼入れによって生じる高い応力が回避されます。これらの鋼には、水焼入れクラスと比較して、より多くの合金元素が使用されています。これらの合金は鋼の焼入れ性を高めるため、それほど厳しい焼入れプロセスは必要なく、結果として割れにくくなります。表面硬度が高く、ナイフの刃を作るのによく使用されます。油焼入れグレードの機械加工性は高いですが、高炭素クロムタイプは機械加工性が低くなります。

このシリーズには、O1タイプ、O2タイプ、O6タイプ、O7タイプがあります。このグループのすべての鋼は通常、800℃（1,500℉）で硬化され、油焼き入れされ、その後200℃（400℉）以下で焼き戻しされます。^{[3] [4] [5] [6] [7]}

最初の空気硬化グレードの工具鋼は、当時 空気硬化鋼として知られていたマシェット鋼でした。

現代の空気硬化鋼は、クロム含有量が多いため、熱処理時の歪みが少ないのが特徴です。機械加工性も良く、耐摩耗性と靭性のバランスが取れています（つまり、Dグレードと耐衝撃性グレードの中間です）。^[11]

冷間加工用工具鋼の D シリーズには、もともとタイプ D2、D3、D6、D7 が含まれており、10% ～ 13% のクロムが含まれています (これは異常に高い値です)。これらの鋼は、425 °C (800 °F) の温度まで硬度を維持します。これらの工具鋼の一般的な用途には、鍛造用金型、ダイカスト用金型ブロック、引き抜き用金型などがあります。クロム含有量が高いため、一部の D タイプ工具鋼はステンレスまたは半ステンレスと見なされることがよくありますが、クロムと炭素の成分の大部分が炭化物として析出するため、耐食性は非常に限られています。

高い耐衝撃性と良好な焼入れ性は、クロム-タングステン、シリコン-モリブデン、シリコン-マンガンの合金によって得られます。耐衝撃グループ工具鋼 (S) は、低温と高温の両方で衝撃に耐えるように設計されています。必要な靭性には、低炭素含有量が必要です (約 0.5% の炭素)。炭化物形成合金は、必要な耐摩耗性、焼入れ性、および熱間加工特性を提供します。このグループの鋼は、非常に高い衝撃靭性と比較的低い耐摩耗性を示し、58 ～ 60 HRC の比較的高い硬度を実現できます。米国では、靭性は通常、1 ～ 2% のシリコンと 0.5～1% のモリブデン含有量から得られます。ヨーロッパでは、衝撃鋼には0.5～0.6% の炭素と約 3% のニッケルが含まれることがよくあります。 1.75% ～ 2.75% のニッケルは、L6、4340、スウェーデン鋸鋼などの一部の耐衝撃性および高強度低合金鋼 (HSLA) で今でも使用されていますが、比較的高価です。その使用例としては、削岩機ビットの製造があります。

熱間加工鋼は、高温で材料を切断または成形するために使用される鋼のグループです。Hグループの工具鋼は、高温に長時間さらされたときの強度と硬度を目的として開発されました。これらの工具鋼は低炭素で中〜高合金であり、多量の炭化物により、良好な高温硬度と靭性、およびかなりの耐摩耗性を備えています。^[1] H1〜H19はクロム含有量5％に基づいています。H20〜H39はタングステン含有量9〜18％とクロム含有量3〜4％に基づいています。H40〜H59はモリブデンに基づいています。

例としては、DIN 1.2344 工具鋼(H13) が挙げられます。

• P 型工具鋼はプラスチック金型鋼の略称です。亜鉛ダイカストおよびプラスチック射出成形金型の要件を満たすように設計されています
• L型工具鋼は低合金特殊工具鋼の略です。L6は非常に強靭です。
• F 型工具鋼は水硬化されており、W 型工具鋼よりも耐摩耗性が大幅に優れています。

• クルーシブル インダストリーズ
• 鉄鋼メーカー一覧
• シルバースチール

• デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2003)、製造における材料とプロセス(第 9 版)、Wiley、ISBN 0-471-65653-4。
• オバーグ、エリック; ジョーンズ、フランクリン D.; マコーリー、クリストファー J.; ヒールド、リカルド M. (2004)、『機械ハンドブック』（第 27 版）、インダストリアル プレス、ISBN 978-0-8311-2700-8。

• さまざまな工具鋼グレードを特性に基づいて比較するソフトウェア: AISI 規格に基づく Steel-guide EU と British Steel 規格に基づく Steel-guide GB。
• さまざまな用途に適した工具鋼の推奨選択
• 工具鋼規格の比較
• 工具鋼の化学組成 アーカイブ 2009-11-28 at the Wayback Machine