現代的意義

ステンレスと呼ばれるのは、化学的に活性な環境の影響に長時間耐えられる合金のことです。これには、悪天候や化学工業における酸性またはアルカリ性の環境が含まれることがあります。最近では、多くの部品や機械装置では炭素鋼の使用が減少し、特殊鋼の部品が徐々に取って代わってきています。これは、通常の鋼が高温や高圧、または攻撃的な環境の下での使用に限界があるためです。それに対し、耐熱性と耐腐食性を持つステンレス鋼や、特定の特性を持つ合金が通常の鋼の代わりに効果的に使用されます。

ステンレス鋼の利点

耐熱性。耐熱材料とは、高温にさらされてもその機械的強度を失わない材料のことです。耐熱鋼は、分散硬化性を持ち、鋼の基質とは異なる合金元素が、微細に分散した形で金属中に分布しているとされます。耐高熱性は、加熱されても腐食耐性を失わない材料を示します。これらの特性を兼ね備えたのが合金ステンレス鋼です。高い強度と靭性を持つこれらの材料は、加工が難しいとされ、特に切削加工やチップ除去の際にその特性が顕著です。このため、特別な工具、切断条件、クーラントの選定、その他の重要な細部の調整が必要です。

加工

合金鋼と通常鋼の物理機械的な性質を比較したところ、引張強度や硬さなどの指標はほぼ同じであることが判明しました。しかし、合金鋼と通常鋼は、機械的特性は同じでも、その他の性質、特に微細構造、腐食耐性、および機械的負荷による硬化能力において大きく異なることが確認されました。引張圧縮のダイアグラムを思い出してみましょう。これは弾性変形の領域から始まります。この時、荷重を取り除くと材料は元の状態に戻り、変形しません。荷重の増加は「降伏域」に達し、材料が著しい力の増加なしに変形し始めます。この後、材料の硬化が急激に始まり、さらなる変形にははるかに大きな力を必要とします。このプロセスは、金属加工の切削時にも発生しますが、これは機械的負荷の下での結晶格子の変化に関係しています。通常の鋼でもこの現象は起こりますが、合金鋼の硬化ははるかに顕著です。また、熱伝導率や融点などの差異が加工プロセスに大きな影響を与えることも忘れてはいけません。

切削加工

切削加工において、合金鋼の硬化指標は非常に高く、これには大きな力が必要です。さらに、多くの合金鋼、特に耐熱性の鋼は、プラスチック性が非常に高く、切削加工を困難にしています。プラスチック性の指標は、降伏強度と引張強度の比率で決まります。この比率が小さいほど、材料はよりプラスチック性が高く、機械的負荷のもとで強化されます。ステンレス鋼は高い可塑性を持っています。さらに、可塑性には「粘性」と呼ばれる側面もあります。合金鋼を旋盤で加工する際、チップは炭素鋼と同じ硬さのときと異なり、長い帯状に巻かれます。これは多くの不便を引き起こし、自動モードでの加工を困難にします。

合金鋼の切削加工の第二の特徴は、低い熱伝導率であり、これが作業領域の温度を上げ、冷却液の最適な選択を必要とします。冷却液は、効果的に熱を除去するだけでなく、切削を容易にし、バックラッシュを防止する必要があります。バックラッシュは、切り刃の作業刃先に発生し、切削工具の形状を変化させ、最終的には早期の工具の故障につながります。通常、合金の耐熱鋼を加工する際には高い加工速度は推奨されません。専用の切削チップや特別なクーラントを使用することで、この問題を解決できます。

第三の特徴は、高温の影響下でも強度と硬さを保持することです。これは特に耐熱性の鋼に顕著であり、バックラッシュと相まって切削工具の磨耗を早め、高回転速度の使用を禁じます。

第四に、鋼の成分に非常に硬い金属間化合物や炭化物の接合があることであり、それらは微細でありながらも切削工具の表面に対して研磨材料のように作用します。これにより、工具の摩耗と鈍化が急速に進み、頻繁な再研磨や切削エッジの形状修正が必要になります。一般的な炭素鋼の加工に比べ、合金鋼の加工では摩擦係数が格段に高いことが実験で分かっています。

第五に、切削時に部品の強化過程が不均一であるために低い振動安定性が生じます。加工の初めと中間において、塑性変形の過程が異なるためです。小さな部品の加工においてはこの現象は無視できますが、例えばシャフトなどの長い部品の加工では、問題が生じる可能性があります。

技術の最適化

これらの現象は、特に完全に自動化されたシステムで合金鋼を切削加工する際に特別なアプローチを必要とします。たとえば、長軸旋盤やNC旋盤での自動送りバーの加工などです。ネガティブファクターの影響をどのように減らすかは、最も一般的な旋削加工の例を用いることで検証できます。旋削加工とは、軸を中心に回転する部品からチップとして余剰部分を除去する作業を指します。この場合、工具の動きは水平面において2つの座標で行われます。切削力によって結晶格子が部分的に移動し、焼結が生じ、表面が強化されます。その過程で、切削工具の摩擦エネルギーの多くが熱に変換されます。合金鋼の材料は熱伝導率が低いため、加工表面は不均一に加熱されて振動が発生し、結果としてネガティブファクターの悪影響が増加します。

工具がすぐに鈍らないようにするためには、除去する余剰部分を減らし、工具送りを調整し、スピンドル回転速度を上げることが考えられます。その結果、より高い表面粗さが得られます。酸を使用した合金鋼の加工方法は有効であり、工具の摩耗や焼結といった現象の発生を抑えることができますが、旋盤装置や旋盤工に極めて悪影響を及ぼします。合金鋼の加工最適化とは、優れた耐久性を持つ切削工具の選択、最適切削条件の選定、及び正しい冷却・潤滑剤（クーラント）の選択とその最適な供給を指します。

工具の種類

T30K4、T15K6、VK3といった硬質合金は高硬度と耐摩耗性を備えています。T5K7、T5K110のような耐摩耗ソルダリングは柔軟性が高いですが、耐摩耗性が劣ります。VK6A、VK8は、耐摩耗性が低いものの、粘り強さが高く、衝撃荷重に対して好成績を示します。

TiCをコーティングした超硬プレート

これらは非常に高い耐摩耗性を特色としています。超硬プレートの切削性能に大きな影響を与えるのは、様々な処理方法、例えば窒化処理やシアノ化処理です。立方晶窒化ホウ素によるコーティングは高価ですが、非常に特異な特性を持ち、工具の硬度、耐久性、耐摩耗性を格段に向上させます。

耐熱鋼の加工

耐熱加工には、R14F4、R10K5F5、R9F5、R9K9などの硬質合金が使われます。「R」という文字は、高速鋼に属する硬質合金を示しています。これらの合金にはコバルトやバナジウムが加わり、工具の機械的耐久性を大幅に向上させます。高速鋼の使用により、合金鋼の加工の加速、工具消耗の抑制が可能になります。しかし、これらの合金には過熱に弱いという欠点があります。進行中の加工で冷却・潤滑剤の供給が途絶えた場合、工具はほぼ確実に損傷し、廃棄されるか、新しいプレートを取り付ける必要が生じるでしょう。

冷却・潤滑剤（クーラント）の使用

これは、合金鋼の加工において必須条件の1つです。冷却・潤滑剤は主に工具の早期摩耗を防ぎ、切削特性を改善し、加工された部品の表面品質を向上させ、精度を高めるために使用されます。加工される鋼の種類や工具プレートの種類に応じて、それぞれに最適な冷却液と供給方法が選ばれます。

最も効果的とされるのは、切削エリアからの最大限の熱除去を促進する方法です。高圧の冷却・潤滑剤を主に工具の裏面に供給する方法、冷却・潤滑剤を散布する方法、そして稀に見られる冷却方法—特に防衛産業では二酸化炭素による冷却などが好評です。

冷却方法の選択

それは加工条件や装備の技術的可能性に依存します。最も普及しているのは高圧冷却で、それは旋削加工、フライス加工、研削加工などで使用されます。この方法は国内外の多くの機械メーカーにおける標準的な方法です。液体は正確に切削エリアに散布され、加熱された金属と接触すると速やかに蒸発し、熱を奪い、効果的に加工面を冷却します。欠点として、この方法は冷却・潤滑剤の大きな損失を伴うことが挙げられます。この方法の適用により、工具の耐久期間が約6倍も延び、ひいては最終的な部品のコストに影響を及ぼします。

最も効果的なのは、同時に冷却・潤滑剤を切削エリアとチップ生成エリアに供給する方法ですが、技術的にそれは必ずしも可能ではなく、装置の改良が必要になることがあります。この冷却方法は中小ロットの生産に適しています。

熱除去の観点から最も効果的なのは、やはり二酸化炭素による冷却で、切削エリアの温度は約マイナス79°Cとなります。しかし、この方法は最も費用がかかり、少数の製品でのみ適用可能です。一般的には、防衛産業で、小ロットの高精度で重要な部品の製造で使用され、特別な性質を持つ合金鋼で作られます。

加工に対する主な要求

合金鋼の加工には、工具や機械のSPID系（機械—装置—工具—部品）は一連の特性を備えている必要があります。それは何よりもまず、系全体の高い剛性です。合金鋼は加工中に振動を引き起こし、SPID系全体に影響を与える可能性があります。SPID系の剛性が低いと、不良品や工具の摩耗が引き起こされる可能性があります。次に、その系は加工中に発生する大きな機械的荷重に対処できる必要があります。これらの荷重は、黒色金属の加工よりもはるかに高いです。第三に、金属加工装置の取り付け部分や機構において最小限のバックラッシュを確保することです。

電動機はかなりの強度余裕を持っている必要があります。合金鋼の加工には、高い荷重が伴うためです。また、加工を始める前に、Vベルト駆動の状態、ベルト、プーリーの状態を確認する必要があります。装置や工具は可能な限り硬く短くして、切削力の影響を減らし、最終結果に影響を与えないようにします。

代替手段

合金鋼の加工を最適化するために、超音波振動、弱電流、部品の事前加熱を活用することが考えられますが、これらの方法は非常にコストがかかり、特別な追加装備を必要とし、あまり使われていません。一般的には、特別な酸が広く使用されています。一部の経験豊富な旋盤工は普通の玉ねぎ、つまりそのジュースを使用します。これは驚くべきことに、部品の表面の清浄度を向上させ、切削プロセスをより簡単にし、工具の寿命を延ばします。

購入について

Evek GmbHの倉庫には、様々な種類のステンレス鋼材が在庫しています。私たちはお客様の時間を大切にし、最適な選択をサポートする準備が常に整っています。経験豊富なマネージャーとコンサルタントがお待ちしています。製品の品質は生産基準の厳格な遵守によって保証されます。注文の処理期間は最短です。卸売顧客には特別割引が提供されます。