製造業では、鋼製の工具を使用して製品を成形したり、組み立てたりすることがよくあります。このような工具は、ドリルやドライバーなどの使い慣れたものから特殊なものまで、溶融金属を鋳造したり、自動車のパネルなどの部品を成形するための金型（工学では、成形とは鍛造やスタンピングを意味します）などのより特殊な機器まで多岐にわたります。工具鋼には多くの種類があります。金属を切断するための工具鋼は、通常、高速度鋼 (HSS) と呼ばれるグループから選択されます。この名前は、摂氏 600 度 (C) まで硬さと耐摩耗性を維持するためです。 HSS は、約 200 ℃を超えると軟化し始める通常の鋼の工具と比較して、高速で金属を切断できます。金属の鋳造または成形に使用される鋼の種類にも同様の違いが存在します。これらの作業では、エンジニアは熱間工具鋼と冷間工具鋼について話します。熱間工具鋼は、アルミニウムや亜鉛などの溶融金属を固化するまで保持する金型や、約200℃以上で金属を成形するのに使用され、冷間工具鋼はそれ以下の金属を成形するのに使用されます。温度。
イントロダクション
製造業では、「工具」および「工具鋼」という用語は特別な技術的意味を持ちます。これらは、製品と接触する製造機械の部品、およびその部品が鋼鉄で作られている場合はその鋼材を説明するために使用されます (通常そうであるように)。
このように定義された工具は、切断、鋳造、または成形の目的で使用できます。
切断 ドリルまたは旋盤の一点工具によって実行されるアクションです。これは、フライス盤や鋸刃の多点工具によって実行される動作でもあります。
鋳造 溶融金属またはその他の溶融材料を固化するまで所定の位置に保持する行為です。
形成 固体の工作物を鍛造、曲げ、または打ち抜き加工し、材料を損失することなく形状を変化させる行為です。
たとえば、プレス機で金属シートを円形にカットし、同時にそれを鍋の底に成形する場合など、これらの動作が組み合わされることもあります。
この技術的使用法では、工具を保持する機械、および工具を保持する機械の材料は、通常、工具自体とは別に呼ばれます。
工具鋼の歴史
最も最初の工具鋼は、おそらくハンマー、金床、ナイフ、斧などの伝統的な器具を製造するために使用されたものでした。これは、最初は最も原始的な技術で作られた普通の鉄とほとんど区別がつきませんでした。
しかし、時間の経過とともに、伝統的な鍛冶屋は鉄の性質を変えて、ある用途にはより難しくし、他の用途にはより丈夫にすることを学びました。これらの鉄の変形形態は、最初の真の鋼の形態となりました。
3,000 年以上前の製鉄の初期に、鍛冶屋は、特定の組成の鉄を加熱し、油または水に浸すことで、単に自然に冷やすよりも硬くできることを発見しました。 「特定の組成」とは、高温状態にあるときに重量でおよそ 1 パーセント程度の溶解炭素を含む鉄を意味します。突然の急冷は、炭素が溶液から出てきて、比較的純粋な軟鉄のマトリックス中に比較的大きな炭化鉄粒子を形成するのを妨げるであろう。その代わりに、焼入れプロセスにより炭素原子がマルテンサイトと呼ばれる鉄と炭素の歪んだマトリックス内に固定され、変形がより困難になりました。
もちろん、このような化学反応は当時はまったく知られていませんでした。その代わりに、昔の鍛冶屋はさまざまな経験則に従って作業していました。英語では、これは「黒芸術」という表現を生み出します。鍛冶屋の仕事は科学というより芸術であり、物理的には汚れていて黒く、その上、鍛冶屋が何をしているのか誰も知りませんでした。彼らは同じように燃える地獄の穴から来た悪魔と同盟を結んでいたのだろうか？これらすべての理由から、鍛冶屋の仕事は「黒の芸術」として知られており、この用語は今日、他の同様に神秘的なプロセスに適用されています。
伝統的な鍛冶屋のパブリック ドメインの画像 (西暦 1606 年) (経由) ウィキメディア·コモンズ
時間が経つにつれて、鍛冶屋の技術はより精巧で熟練したものになりましたが、依然として芸術でした。非常に硬い鋼の部分が刃の端となる場所に配置され、より柔らかいが丈夫な鋼の部分と組み合わせてブレードの大部分を形成します。初期準備の別の方法には、鋼の単一ブロック内に炭化物の樹枝状結晶を析出させることが含まれていました。しかし、それは最初に起こり、その後、複合材料を何度も叩いたり、加熱したり、折り曲げたりして、脆化する可能性のある不純物や気泡を破壊し、強靭な本体と硬いエッジを備えたブレードを形成しました。これらの技術は、名前から言えば日本の技術も含まれています。 木目金 メソッドと中東 ダマスカス この方法では、特にエッチングした場合に、下にある構造が明らかになった渦巻き状のパターンを持つ鋼が製造されました。それでも、実際に何が起こっているのかについては、より直感的で芸術的な理解とは対照的に、科学的な理解はほとんどありませんでした。
鎖帷子を背景に木目金の技法で作られた日本刀。 「Dafannin」による写真、12 年 1986 月 XNUMX 日、 CC BY-SA 4.0 、 ウィキメディア·コモンズ.
1700 年代後半から 1800 年代初頭にかけて、物事はより科学的になりました。現代化学の出現により、当時の鋼は鉄と他の元素の合金、実際には複合物であることが明らかになりました。主な添加物は炭素であること。そして、炭素は軟鋼、硬鋼、鋳鉄（炭素の濃度は重量で約XNUMXパーセント）で異なる形をとることがわかりました。
制御された方法で鋼中の炭素の割合を増やすことにより、多少脆いものの、他の形状の鋼の切断に適した超硬鋼を製造することが可能になりました。こうして、近代的なタイプの最初の工具鋼が誕生しました。
これらの初期の工具鋼は、主にマルテンサイト (焼入れ硬化) マトリックスと追加の炭化鉄含有物を組み合わせていました。
ただし、摂氏 200 度を超えると軟化する傾向があるという欠点があり、これにより他の鋼の切断に使用できる速度が制限されました。
1868 年、スコットランドの技術者ロバート ムシェット氏自身も炭素の重要性を最初に認識した鉄の名手の XNUMX 人の息子であり、高温でも硬さを保つ鋼の形状を考案しました。
ムシェット鋼として知られるこの新しい合金には、通常の量の炭素だけでなく、さらに多量のマンガンとタングステンが含まれていました。ムシェット鋼には、液体で焼き入れする必要がないという珍しい特性もありました。これは最初の「空気硬化」鋼であり、空気ジェット中の赤熱から冷却するだけでマルテンサイトのようなレベルまで硬化する鋼でした。
1900 年代初頭、アメリカ人技術者フレデリック ウィンスロー テイラーと彼の同僚によって、ムシェット鋼の特性がさらに改良されました。その結果、高速度鋼 (HSS) として知られるようになりました。 HSS は摂氏 500 度、さらには 600 度まで有用な硬度を保ちます。ムシェット鋼よりもさらに高速で他の鋼を切断するのに使用できるため、その名前が付けられました。すべてのタイプの鋼に共通する鉄と炭素に加えて、ほとんどの HSS 合金には引き続き大量のタングステンと、初期の Mushet 配合のマンガンに代わってクロムが含まれています。
最近では、最も要求の厳しい金属切断用途に超硬チップがよく使用されていますが、鋸刃やツイスト ドリル ビットの製造には高速度鋼が依然として好まれており、特に超硬チップの挿入は通常は非実用的です。より小さな直径とより細かい歯サイズのグレードで。
しかし、鋳造と成形についてはどうでしょうか?
これまで、初期のブレードから最新の HSS 工業用ツールに至るまで、物の切断に使用される工具鋼の改良について説明してきました。ただし、冷間加工工具鋼と熱間加工工具鋼の現代的な区別は、実際には鋳造および成形に使用される鋼に当てはまります。
熱間加工鋼は、工具の温度が摂氏 200 度 (華氏 392 度) を超えるプロセスに使用されます。
冷間加工工具鋼は、工具の温度が摂氏 200 度未満に保たれるプロセスに使用されます。
異なる特性を持つさまざまな合金が存在することを考えると、摂氏 200 度の分割線は絶対に硬くて速いというわけではありませんが、文献で広く言及されている従来の分割線です。
あらゆる形態の工具鋼において、破損の主な原因は、破損、変形 (特に永久変形または「塑性」変形)、表面摩耗、および繰り返し応力によって引き起こされる表面疲労亀裂の発生です。周期的応力は、機械的および熱的に発生します。熱応力は、熱間工具鋼にとって特に深刻な問題です。
冷間工具鋼
冷間加工工具鋼は一般に高炭素鋼であり、通常は重量で約 1 ～ 1.5 パーセントの炭素を含みます。最も一般的なタイプは、油硬化性低合金材種、空気硬化性中合金材種、および高炭素高クロム材種です。
油硬化性低合金グレードが最も安価です。不純物が少ないという事実を除けば、それ以外はムシェット鋼以前に使用されていた昔ながらの工具鋼とほぼ同じです。
空気硬化中合金グレードは、焼き入れが必要な鋼よりも歪みが少なく硬化します。油焼き入れ鋼よりも厚い部分（最大100ミリメートル以上）の焼き入れも可能です。
高炭素高クロムグレードは、正確な組成に応じて油焼入れまたは空気焼入れによって硬化され、最も耐摩耗性が高くなります。
冷間工具鋼は通常、次のような日常の工業用途に幅広く使用されています。
- プラスチックのダイカスト
- 自動車の曲面ボディパネルなどの薄い金属パネルを成形するための金型
- 旋盤チャックとセンター
- ローラー
- ネジ山やローレット加工用のロールフォーミングダイス
- ブローチ、リーマー、タップ、マンドレル
- ワイヤーとコールドチューブのホイールとホルダーの作業
- ハサミ、ブレード、その他の切断ツール。切断時間が短く、熱の発生が少ない用途に使用します。
- ゲージ
- ブランキング、絞り、ピアス金型
熱間工具鋼
ムシェット鋼や初期の高速度鋼と同様、熱間工具鋼には伝統的に合金元素として多量のタングステンが含まれてきました。ただし、主な合金元素としてクロムを含む熱間工具鋼や、主な合金元素としてモリブデンを含む他のグレードもあります。
熱間工具鋼は、金属の高速切断や穴あけとともに、通常次の目的で使用されます。
- 金属のダイカスト
- 押出加工
- 鍛造
- ガラス製品の製造
鋳造用の材料の選択
工具鋼を使用する鋳造プロセスはダイカストと呼ばれ、工具が金型の役割を果たし、最終製品に詳細な形状または比較的正確な形状を、一般的な鋳造よりも忠実かつ再現可能な方法で与えます。砂型。
ダイカストはおそらく、西暦 1400 年代に、各文字の形をしたオープンダイで可動活字用の文字を鋳造したことが起源とされています。現代的な意味では、金属は XNUMX つの対向するツールで作られた型に圧力をかけて注入され、正確に充填されます。
プラスチック用の金型は通常、P 鋼として知られる特別グレードの冷間加工鋼、アルミニウム、またはベリリウム銅合金から作られています。この用途における銅とアルミニウムの利点には、熱伝導率がはるかに高いため、鋼よりも速く均一に冷却できることが含まれます。
一方、スチール製の金型は長持ちし (最大数百万サイクル)、特にガラス繊維などの研磨性複合強化材が含まれている場合、高速で移動するプラスチックの噴流による侵食によく耐えることができます。一部の表面仕上げは、スチールでのみ確実に実現できます。
成形プロセスのための材料の選択
冷間加工工具鋼が使用される金属成形プロセスでは、一般に金属の高度なバルク変形は発生しません。転造によってロッドの表面にねじ山を与えること、または自動車のボディパネルの複雑な曲線に金属の平らなシートをプレスすることは、その意味で典型的な冷間成形プロセスです。
ねじ山の冷間ロール成形。グラフィック：「トサカ」、12 年 2009 月 XNUMX 日、 3.0てCC 、 ウィキメディア·コモンズ.
冷間加工プロセスでは、多くの場合、金属の結晶構造の再配向を通じて金属の品質が向上します。 加工硬化ただし、結晶構造への影響は通常表面に限定されており、次のセクションで説明する鍛造の場合ほど劇的ではありません。
金属成形のより大胆なプロセスはすべて、熱間加工 (摂氏 200 度以上) を伴います。前述したように、これらには次のものが含まれます。
- 押し出し、および
- 鍛造
また、述べたように、ガラス製品の製造は、熱間工具鋼のもう 1 つの主要な用途です。
押出加工 加熱して軟化させた材料を金型に押し込んで、一定の断面形状の長い製品を形成するプロセスです。押出成形品の最もよく知られた例はプラスチックやアルミニウムの部分で、これらは非常に複雑な形状を持つことがあります。プラスチック部分は冷間工具鋼のダイスから押し出すことができますが、アルミニウムの部分は熱間工具鋼のダイスから押し出す必要があります。
押出成形の特別なカテゴリはアプセット押出であり、アルミニウム缶や薬管の本体などの成形に使用されます。アプセット押出では、金型が金属のブランクに押し込まれ、金型の周囲を逆流して缶またはチューブを形成します。この方法で、これほど薄くても均一な壁を備えた缶やチューブを形成できることは、本当に驚くべきことです。
シームレスチューブも押出成形で製造されます。固体ビレットを加熱し、中央に穴を開けます。次に、マンドレル上に配置され、押出成形によって最終的なサイズと肉厚が与えられます。
鍛造 高温の金属（多くの場合赤熱）を工業用ハンマーで叩いて最終形状に仕上げるプロセスで、その後は簡単な機械加工（切断）作業のみが行われます。通常、鍛造によって作られる製品の好例はスパナです。ハンマーは機械的に両方向に駆動される場合もあれば、機械的に持ち上げられて重力によって落下する場合もあります (「落下鍛造」)。
鉄道電車の車輪用の鋼製タイヤを鍛造する。写真提供 ライナー・ハラマ、19 6月2010、 CC BY-SA 3.0 、 ウィキメディア·コモンズ.
鍛造は、木目金やダマスカスなどの古い鍛冶技術の直接の子孫です。これには同様の効果があり、ガラス状の不純物や気泡を分散させて閉じる効果があり、亜鉛メッキ鉄製のフェンスのスパンコールに似た、鋳放しの金属の内部に通常見られる大きな結晶または「粒子」が発生します。 、それ自体は一種の金属結晶であり、破壊されてより小さな結晶に置き換えられ、多くの場合、最終形状の外側の曲線の方向に変形します。
ご想像のとおり、細かい粒子構造は粗い粒子構造よりも優れています。また、粒子が製品の形状に追従する微細粒子構造により、最終製品の機械的特性がさらに向上し、重荷重下で製品の角で亀裂が生じる可能性が、そうでない場合に比べてはるかに低くなります。
のウェブサイトには、形状追従結晶の非常に優れた図があります。 ドロップフォージング.net。初期の最も熟練した鍛冶屋の製品との本質的な類似性は、この場合、結果が剣ではなく工業製品であることを除いて、明らかです。
最も「深刻な」機械製品、つまり重い負荷がかかり、壊れた場合に重大な、または少なくとも非常に迷惑な結果をもたらすアイテムの多くは鍛造品です。他の方法で作られた場合、ナット近くの最大応力点で折れる可能性があるスパナに加えて、鍛造品にはエンジンのクランクシャフトやピストンをクランクシャフトに結合するコネクティングロッドが含まれますが、ピストン自体は通常キャストされます。 （ただし、鍛造ピストンはレーシングエンジンで使用されており、一般用途でも普及しつつあります）。
鍛造には大きく分けて、自由鍛造と閉塞鍛造の2種類があります。自由鍛造は金属を大まかな形状に叩き込み、一般的な内部構造を改善しますが、特に明確な形状や木目パターンを与えることはありません。密閉型鍛造により、より明確な形状と木目模様が得られます。
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