工具鋼

工具鋼とは、切削工具、金型、手工具、ナイフなど、工具や工具類の製造に特に適した様々な炭素鋼や合金鋼の総称です。その適性は、独特の硬度、耐摩耗性、耐変形性、そして高温下でも刃先を維持できる能力に由来します。そのため、工具鋼は、切削、機械加工、プレス加工、鍛造など、他の材料の成形加工に適しています。^{[ 1 ]}

工具鋼の炭素含有量は一般的に0.5%から1.3%の間である。^{[ 2 ]}マトリックス中の炭化物の存在が工具​​鋼の特性に主要な役割を果たしている。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、モリブデンである。さまざまな炭化物が鉄のオーステナイト形態に溶解する速度が鋼の高温性能を決定する（溶解速度が遅いほど耐熱鋼になる）。これらの鋼の適切な熱処理は、十分な性能を得るために重要である。 ^{[ 3 ]}マンガン含有量は、水冷中に割れる可能性を最小限に抑えるために、しばしば低く抑えられている。

工具鋼には、水焼入れ、冷間加工、耐衝撃、高速、熱間加工、特殊用途の 6 つのグループがあります。どのグループを選択するかは、コスト、使用温度、必要な表面硬度、強度、耐衝撃性、靭性の要件によって決まります。^{[ 4 ]}使用条件が厳しくなるほど (高温、摩耗、腐食、負荷が高いほど)、工具鋼に必要な合金含有量とそれに伴う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、プレス加工、押出加工、鋳造などに使用されます。工具鋼は金型製作に不可欠であり、例えば射出成形金型は耐摩耗性を必要とするため、工具鋼が用いられます。耐摩耗性は金型の耐久性を左右する重要な要素であり、金型の寿命期間中に何十万回もの成形作業を可能にします。

AISI - SAE規格の工具鋼は、さまざまなグレードの工具鋼を識別するために最も一般的に使用される規格です。各グレード内の個々の合金には番号が割り当てられます。例えば、A2、O1などです。

Wグループ工具鋼は、水焼き入れが必要であるという特徴からその名が付けられました。Wグレード鋼は基本的に高炭素普通炭素鋼です。このグループの工具鋼は、他の工具鋼に比べて低コストであるため、最も一般的に使用されています。高温にさらされない部品や用途に適していますが、150 ℃（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グループ工具鋼は急速焼入れが必要であり、そのためには水を使用する必要があります。これらの鋼は高い硬度（ロックウェルC 66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、特にばね用として現在でも販売されていますが、19世紀から20世紀初頭にかけてほど広くは使用されていません。これは、W鋼が油焼き入れ鋼や空冷焼入れ鋼よりも焼き入れ中に反りや割れがはるかに大きいことが一因です。  

W系工具鋼の靭性は、マンガン、シリコン、モリブデンを添加することで向上する。熱処理中に微細な結晶粒を維持するために、最大0.20%のバナジウムが使用される。

様々な炭素組成の代表的な用途としては、W鋼が挙げられる。

• 炭素含有量0.60～0.75%：機械部品、ノミ、止めねじなどに使用され、中程度の硬度と優れた靭性、耐衝撃性を備えている。
• 炭素含有量0.76～0.90％：鍛造用金型、ハンマー、大槌。
• 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。
• 炭素含有量1.11～1.30%：やすり、小型ドリル、旋盤工具、カミソリの刃など、高い靭性よりも耐摩耗性が求められる軽作業用途に適しています。炭素含有量約0.8%の鋼は、炭素含有量の多い鋼と同程度の硬度になりますが、炭素含有量1%または1.25%の鋼に含まれる遊離炭化鉄粒子のおかげで、刃持ちが良くなります。ただし、酸性または塩分を含む材料を切断する場合、刃先は摩耗するよりも錆びる方が速い可能性があります。

冷間加工用工具鋼には、Oシリーズ（油焼入れ）、Aシリーズ（空冷焼入れ）、Dシリーズ（高炭素クロム鋼）があります。これらは、低温で材料を切削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を持ち、平均的な靭性と耐熱軟化性を備えています。これらは、大型部品や、焼入れ時に歪みを最小限に抑える必要がある部品の製造に使用されます。油焼入れと空冷焼入れを使用することで歪みを軽減し、より速い水焼入れによって生じる高い応力を回避できます。これらの鋼には、水焼入れ鋼に比べて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、より穏やかな焼入れプロセスで済むため、割れが発生しにくくなります。表面硬度が高く、ナイフの刃の製造によく使用されます。油焼入れ鋼の被削性は高いですが、高炭素クロム鋼の被削性は低くなっています。

クロム-タングステン、シリコン-モリブデン、シリコン-マンガン合金化により、高い耐衝撃性と良好な焼入れ性が得られます。耐衝撃性グループ工具鋼（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。必要な靭性を得るには、低炭素含有量（炭素約0.5%）が必要です。炭化物形成合金により、必要な耐摩耗性、焼入れ性、および熱間加工特性が得られます。この鋼種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という比較的高い硬度を達成できます。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、耐衝撃鋼はしばしば0.5～0.6%の炭素と約3%のニッケル を含んでいます。ニッケル含有量が1.75%から2.75%の範囲の鋼は、L6、4340、スウェーデン製鋸鋼などの耐衝撃性・高強度低合金鋼（HSLA）の一部に今でも使用されているが、比較的高価である。その使用例としては、削岩機のビットの製造が挙げられる。

熱間加工用鋼は、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 グループ工具鋼は、高温に長時間さらされたときの強度と硬度のために開発されました。これらの工具鋼は、低炭素で中～高合金であり、かなりの量の炭化物により、優れた高温硬度と靭性、および適度な耐摩耗性を提供します。^{[ 3 ]} H1 ～ H19 はクロム含有量 5% をベースとしています。H20 ～ H39 はタングステン含有量 9～18% およびクロム含有量 3～4% をベースとしています。H40 ～ H59 はモリブデンをベースとしています。

例としては、DIN 1.2344工具鋼（H13）が挙げられる。

• P型工具鋼は、プラスチック金型鋼の略称です。亜鉛ダイカスト金型やプラスチック射出成形金型の要求を満たすように設計されています。
• L型工具鋼は、低合金特殊用途工具鋼の略称です。L6は非常に靭性に優れています。
• F型工具鋼は水焼入れされており、W型工具鋼よりも耐摩耗性が大幅に優れている。

• クルーシブル・インダストリーズ
• 鉄鋼メーカー一覧
• 銀鋼

• バウマイスター、アヴァローネ（1978）。「6」。マークス機械工学標準ハンドブック、第8版。マグロウヒル。33 ～ 34ページ。ISBN  9780070041233。
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th  ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4。
• オーベルグ、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。
• Palmer, Frank R. (1937). Tool Steel Simplified: A handbook of modern practice for the man who makes tools (1st  ed.). Reading, Pennsylvania: The Carpenter Steel Company . p.  10. LCCN 37006807 . OCLC 3746717 .  
• Verhoeven, John (2007). Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist . ASM International. p.  159. ISBN 978-0-87170-858-82014年11月9日に取得。

• 特性に基づいてさまざまな工具鋼グレードを比較するためのソフトウェア：AISI規格に基づくSteel-guide EUと、英国鋼規格に基づくSteel-guide GB。
• 様々な用途に適した工具鋼の選定例
• 工具鋼規格の比較
• 工具鋼の化学組成（ 2009年11月28日にWayback Machineにアーカイブ済み）