鋼にはさまざまな形態があります。板金、プレート、バー、ビーム、パイプ、そしてもちろん鋼のCNC機械加工で使用されるソリッドブランクのさまざまな幾何学的形状です。 鉄鋼は非常に多くの用途と多くの産業で使用されているため、さまざまな種類の鉄鋼を使用することは理にかなっています。 しかし、ステンレス鋼と低炭素鋼の違いは何ですか？ 簡単な機械加工と工具鋼？この記事では、多くの機械加工鋼のグレード、それらの特性、および鋼をCNC加工する方法について学習します。
鋼とは何ですか？
鋼は鉄および炭素合金の広義の用語です。 炭素の量（0.05％– 2重量％）と他の元素の添加により、鋼の特定の合金とその材料特性が決まります。 他の合金元素には、マンガン、シリコン、リン、硫黄、および酸素が含まれます。 炭素は鋼の硬度と強度を高めますが、他の元素を追加して耐食性や被削性を向上させることができます。 マンガンはまた、鋼の脆性を低減し、その強度を高めるために、大量に（少なくとも0.30％から1.5％）存在することもよくあります。
鋼の強度と硬度は、その最も人気のある特性の1つです。それらは、材料が重くて繰り返しの負荷の下で長期間使用できるので、建設および輸送用途に適した鋼を作ります。一部の合金鋼、つまりステンレス鋼には耐食性があるため、過酷な環境で動作する部品に最適です。
ただし、この強度と硬度は、加工時間の延長や切削工具の摩耗の増加にもつながる可能性があります。鋼は高密度の材料であるため、特定の用途には重すぎます。ただし、鋼は強度と重量の比率が高いため、製造で最も一般的に使用される金属の1つです。
スチールタイプ
多くの種類の鋼のいくつかを見てみましょう。鋼になるには、鉄に炭素を加える必要があります。炭素の量は異なりますが、特性に大きな違いがあります。炭素鋼は通常、ステンレス鋼以外の鋼を指し、4桁の鋼種で識別され、より広く低炭素鋼、中炭素鋼、または高炭素鋼と呼ばれます。
- 低炭素鋼：0.30％未満の炭素（重量）
- 中炭素鋼：0.3 – 0.5％炭素
- 高炭素鋼：0.6％以上
鋼の主な合金元素は、4桁のグレードの最初の桁で表されます。たとえば、1018などの1xxx鋼は、主要な合金元素として炭素を含みます。 1018鋼には、0.14〜0.20％の炭素と少量のリンと硫黄、およびマンガンが含まれています。この汎用合金は、ガスケット、シャフト、ギア、ピンの機械加工に一般的に使用されています。
加工が容易なグレードの炭素鋼は、再加硫および再リン酸化されるため、切りくずが細かく砕けます。これにより、切削中に長い切りくずや大きな切りくずが工具に絡まるのを防ぎます。被削鋼は加工時間を短縮できますが、延性と耐衝撃性が低下する可能性があります。
ステンレス鋼
ステンレス鋼には炭素が含まれていますが、約11％のクロムも含まれているため、材料の耐食性が向上します。クロムが多いほど錆が少ない！ニッケルを添加すると、耐錆性と引張強度も向上します。また、ステンレス鋼は耐熱性に優れているため、航空宇宙などの極限環境での使用に適しています。
金属の結晶構造に応じて、ステンレス鋼は5つのタイプに分けることができます。オーステナイト、フェライト、マルテンサイト、二相硬化、析出硬化の5種類があります。ステンレス鋼のグレードは、4桁ではなく3桁で識別されます。最初の数字は、結晶構造と主な合金元素を表しています。
たとえば、300シリーズのステンレス鋼はオーステナイト系クロムニッケル合金です。 304ステンレス鋼は最も一般的なグレードであり、18％のクロムと8％のニッケルが含まれているため18/8としても知られています。 303ステンレス鋼は304ステンレス鋼のフリーマシニングバージョンです。硫黄を添加すると耐食性が低下するため、タイプ303ステンレス鋼はタイプ304ステンレス鋼よりも錆びやすくなります。
ステンレス鋼は幅広い産業で使用できます。タイプ316ステンレス鋼は、適切に処理されていれば、機械やパイプラインのバルブコンポーネントなどの医療機器に使用できます。 316ステンレス鋼は、ナットやボルトの機械加工にも使用されており、その多くは航空宇宙産業や自動車産業で使用されています。 303ステンレス鋼は、航空機や自動車のギア、シャフト、その他の重要な部品に使用されています。
工具鋼
工具鋼は、ダイカスト、射出成形、スタンピング、切断など、さまざまな製造プロセスの工具の製造に使用されます。 さまざまな用途に合わせて調整されたさまざまな工具鋼合金がありますが、それらはすべて硬度で知られています。 それぞれが複数回の使用による摩耗に耐えることができ（射出成形に使用される鋼の型は100万回以上の材料の射出に耐えることができます）、高温耐性があります。
工具鋼の一般的な用途は射出成形工具です。これは硬化鋼CNCから機械加工され、最高品質の生産部品を製造するために使用されます。 H13鋼は通常、その優れた熱疲労特性のために選択されます。その強度と硬度は、極端な温度に長時間さらされても耐えることができます。 H13金型は、他の鋼よりも金型寿命が長く、50万〜100万ショットであるため、溶融温度の高い高度な射出成形材料に非常に適しています。 同時に、S136は100万倍以上の工具寿命を持つステンレス鋼です。 この材料は、部品が高い光学的透明性を必要とする特別な用途のために最高レベルまで研磨することができます。
鉄鋼加工
鋼の最も有用な特性のいくつかは、追加の処理および処理ステップに由来します。これらの方法は、機械加工の前に実行して特性を変更し、鋼の加工を容易にすることができます。機械加工前に材料を硬化させると、機械加工時間が長くなり、工具の摩耗が増加しますが、機械加工後に鋼を処理して、完成品の強度または硬度を高めることができます。つまり、部品の必要な特性を実現するために適用する必要のある計画プロセスを事前に検討することが重要です。
熱処理
熱処理とは、鋼の温度を操作してその材料特性を変更することを含むいくつかの異なるプロセスを指します。例として、焼鈍があります。これは、硬度を下げて延性を高め、鋼の加工を容易にするために使用されます。焼きなましプロセスは、鋼をゆっくりと必要な温度に加熱し、一定期間維持します。必要な時間と温度は特定の合金に依存し、炭素含有量が増加するにつれて減少します。最後に、金属は炉内でゆっくりと冷却されるか、絶縁材料で囲まれます。
焼ならし熱処理は、焼きなまし鋼よりも高い強度と硬度を維持しながら、鋼の内部応力を低減することができます。焼ならしの過程で、鋼は高温に加熱され、次に空冷されてより高い硬度が得られます。
硬化鋼は別の熱処理プロセスです、あなたがそれを推測した、それは鋼を硬化させることができます。また、強度が増しますが、材料がよりもろくなります。硬化プロセスでは、鋼をゆっくりと加熱し、高温に浸してから、水、油、食塩水などの液体に鋼を浸して急速に冷却します。
最後に、焼戻し熱処理プロセスを使用して、鋼の硬化によって引き起こされる脆性の一部を低減します。鋼の焼き戻しは、焼ならしとほぼ同じです。選択した温度までゆっくりと加熱してから、鋼を空冷します。違いは、焼戻しは他のプロセスよりも低い温度で行われるため、焼戻し鋼の脆性と硬度が低下することです。
析出硬化
析出硬化は鋼の降伏強度を高めます。ステンレス鋼の特定のグレードでは、名前にPHが含まれている場合があります。これは、それらが析出硬化特性を持っていることを意味します。析出硬化鋼の主な違いは、銅、アルミニウム、リン、チタンなどの元素が追加されていることです。ここでは多くの異なる合金が可能です。析出硬化特性を活性化するために、鋼はその最終形状に成形され、次に時効硬化プロセスにかけられます。時効硬化プロセスは、材料をより長期間加熱し、追加された元素を析出させて、さまざまなサイズの固体粒子を形成します。これにより、材料の強度が向上します。
17-4PH（630鋼としても知られています）は、ステンレス鋼の析出硬化グレードの一般的な例です。この合金には、17％のクロムと4％のニッケル、および4％の銅が含まれており、析出硬化に役立ちます。硬度、強度、耐食性が向上しているため、17-4PHはヘリコプター甲板プラットフォーム、タービンブレード、核廃棄物バレルに使用されています。
冷間加工
熱をあまり加えなくても鋼の性質を変えることができます。たとえば、冷間加工鋼は加工硬化プロセスによって強化されます。金属が塑性変形すると、加工硬化が発生します。これは、金属をハンマーで叩いたり、転がしたり、引いたりすることによって意図的に行うことができます。切削工具やワークが熱くなりすぎると、加工中に不注意に加工硬化が発生します。冷間加工は、鋼の加工性を向上させることもできます。軟鋼は冷間加工に非常に適しています。
鉄骨構造設計上の注意
鋼部品を設計するときは、材料の固有の特性を覚えておくことが重要です。アプリケーションに適した特性にするために、製造用設計（DFM）について追加の考慮事項が必要になる場合があります。
鋼の加工は、材料の硬度により、アルミニウムや真ちゅうなどの他の柔らかい材料よりも時間がかかります。加工品質を最適化し、工具の摩耗を最小限に抑えるには、正しい機械設定を使用する必要があります。実際には、これは、部品と工具を保護するためにスピンドル速度と送り速度を下げることを意味します。
機械加工自体を行わない場合でも、硬度や強度だけでなく、機械加工性の違いも考慮して、プロジェクトに適した鋼種を評価する必要があります。 たとえば、ステンレス鋼の処理時間は炭素鋼の約2倍です。 さまざまなグレードを決定するときは、どの特性が最も重要で、どの鋼合金がすぐに入手できるかも考慮する必要があります。 304または316ステンレス鋼などの一般的に使用されるグレードは、幅広い在庫サイズで入手でき、検索と購入にかかる時間が短縮されます。
結論
CNC機械加工鋼の幅広い用途とその強力な物理的特性により、鋼が世界中のメーカーに選ばれる材料になっているのも不思議ではありません。 合金の数に制限はなく、有用な特性を備えた鋼種の数に制限はありません。 次のCNC機械加工鋼部品を設計するときは、材料の被削性に基づいて必要な特性を比較検討し、適切な納期を確保することを忘れないでください。
