工具材料

ちなみに、
炭素工具鋼とは、
SK材とも呼はれています。
Sは「Steel(鋼)」
Kは「Kougu(工具)」です。
カミソリ・刃物・バネ・
ワッシャー・ノコギリ・
釘などにも使用されています。
JIS G 4401の一部は
下表を参照してください。

ちなみに、
熱処理でなぜ鋼が硬くなる
のか？といいますと、
鉄の結晶構造が変化するからで、
これを変態といいます。
温度変化によって結晶構造が
変化して、結晶のすき間に
炭素が閉じ込められるためです。
ただし、
熱処理温度と冷却スピードが
とても重要な関りがあります。

ちなみにもう一つ、
鉄の結晶構造には、
体心立方格子構造(α鉄)
＝フェライト　と、
面心立方格子構造(γ鉄)
＝オーステナイト　の、
2種類があります。
常温 → 911℃ で、
体心 → 面心 に変態します。
更に温度を上げて、
911℃ → 1394℃ になると、
面心 →体心 に戻ります。
更に温度を上げて、
1394℃ → 1536℃ で解けます。
　　 フェライト(α鉄)
　　　　　　↓
　 オーステナイト(γ鉄)
　　 ↓　　　　　　↓
　　急冷　　　ゆっくり冷やす
　　 ↓　　　　　　↓
マルテンサイト　フェライト
　(硬い金属)　　　(α鉄)
になります。　に戻ります。
　　 ↓　　　　　　↓
このままでは　 セメンタイト
　硬いけど　(鉄と炭素の化合物)
　脆いので　がその時析出されて
　焼き戻し　　フェライトと
　によって　　セメンタイトが
　 靭性を　　　交互に重なって
持たせます。 出来た層状組織を
　　 ↓　　　　 パーライト
　この時に　　　といいます。
変態しきれず　　　 ↓
残ったオース　ゆっくり冷やす
　テナイトを　　　 ↓
　残留オース　フェライトと
　 テナイと　　パーライトが
　 いいます。　 混じった
　　 ↓　　　 柔らかい金属
　残留オース　ができます。
　 テナイは
ゆっくり変態
していくため、
　熱処理後の
　変寸や歪の
原因となります。
　　 ↓
サブゼロ処理
を行うことで
　強制的に
マルテンサイト
に変化させる
ことができます。

ちなみにもう一つ、
焼入れで鋼を硬くするために
炭素が不可欠なのですが、
炭素は空気中の酸素と反応し
酸化物(スケール)を作ります。
このスケールが焼入れした
部材の表面をボロボロにする
ので、それを防ぐために
真空焼入れやソルト焼入れを
することが多いです。

ちなみに、
焼き戻しとは、
焼入れとセットで行われ、
一般的に「焼入れ」というと、
焼戻しも含まれます。
焼戻しには、
低温焼き戻しと、
高温焼き戻しの2種類あります。
低温焼き戻し　　高温焼き戻し
　　 ↓　　　　 　　 ↓
150～200℃　　 600～800℃
　 で加熱　　　　　で加熱
　　　　　　 ↓
1時間程度高温を維持した後、
　空気に晒して冷却します。
　　 ↓　　　　 　　 ↓
硬度を下げずに　　じん性を
安定した性能を　 高めるため
　得るために　　用いられます。
用いられます。

ちなみに、
高速度鋼とは、
高速度工具鋼といい、
高速度で切削加工が行える
工具鋼という意味です。
ハイスピードスチール
(High Speed Steel)とも
いわれて、略してハイス鋼
とも呼ばれることもあります。
高速度工具鋼には、
粉末ハイス鋼と溶解ハイス鋼
の2種類があります。
粉末ハイス鋼　　溶解ハイス鋼
　　 ↓　　　　　　　 ↓
粉末状の材料を　電気炉で材料を
加圧しながら　　溶かした後に
焼結することで　 圧延して成形
成形したもの。　成形したもの。
　　 ↓　　　　 　　　 ↓
靭性や耐摩耗性　　コスト面
に優れるので、　 では優れて
工具鋼としては　　います。
主流になって
　 います。

ちなみに、
超硬合金とは、
レアメタルと呼ばれる
WC(炭化タングステン)と
Co(コバルト)の粉末を混ぜ
合わせて約1400℃の高温で
焼結することにより、
ダイヤモンドに継ぐ硬さと
高い弾性率を発揮します。
熱伝導率が高い為、
他の金属との焼き付きによる
寿命低下を抑制することにより、
高寿命化を実現できます。

ちなみに、
セラミックとは、
お皿や衛生陶器のような
陶器のイメージが強いですが、
数あるセラミックの1種類に
すぎません。
切削工具にも使用されてて、
5種類あるようです。
その中でも、
白セラ：アルミナ系(Al₂O₃)
黒セラ：窒化ケイ素系(Si₃N₄)
が最もよく使用されています。
　白セラ　　　　　黒セラ
アルミナ系　　　窒化ケイ素系
(Al₂O₃)　　　　　(Si₃N₄)
　　↓　　　　 　　 ↓
アルミナは　　　アルミナに
多結晶で硬く　　炭化チタン
科学的に安定　　　(TiC)
しているので　　が添加され
鋳鉄の高速　　 　白セラより
仕上げ加工で　 高硬度となり
使われます。　　高温時でも
　　　　　　　　刃先変形を
　　　　　　　　抑制します。
　　　　　　　　　　↓
　　　　　　　　HRC65程度
　　　　　　　　　までの
　　　　　　　　高硬度材料
　　　　　　　 の仕上げ加工
　　　　　　　 で使われます。

ちなみに、
CBNとは、
Cubic Boron Nitride
立方晶窒化ホウ素です。
人工化合物なので、
自然界には存在しません。
ダイヤモンドに継ぐ硬さで、
超硬合金の3倍の硬さです。
耐熱性と耐摩耗性に優れ、
工具交換の頻度が少なく、
連続加工が可能です。
硬さに優れる一方で、
強度・靭性は超硬合金に
比べて低いです。
チッピングを起こしやすく
刃先に強い力がかかる
荒化工には向きません。
仕上げ加工の際に、
長寿命を期待できます。

ちなみにもう一つ、
ダイヤモンドとCBNの比較
ダイヤモンド　　　 CBN
　　 ↓　　　　　　 ↓

非常に硬い　　　　硬い
　　 ↓　　　　　　 ↓
　700℃で　　　　1300℃
酸化がはじまり　まで熱的耐性
硬度が低下する　を持っている
　　 ↓　　　　　　 ↓
被削材が高温に　常温ではダイ
なると炭素と鉄　ヤモンドに劣
が反応して工具　る硬度ですが
摩耗が激しくな　高温下で硬さ
り、硬さが低下　を維持できて
します。　　　　鉄系材料の加
　　　　　　　　工に向いてい
　　　　　　　　ます。

私が過去に受験勉強した資料で
不足たくさんあると思います。
そこはご容赦いただければと。
それと、クセ字もすみません。
クセが強すぎて一部の同僚には
「シマ字」と言われてました。

機械設計技術者試験は
とても難しい試験です。
試験合格のため以外にも、
日々の設計業務のためにも、
勉強することに意味ありです。
是非とも挑戦して欲しいです。
頑張ってくださいね！