鉄鋼材料(工具鋼)カタログの見かた

SKD11焼き戻し硬さ曲線 SKD11熱処理変寸 SKD11のCCT曲線 SKD11焼き戻し硬さ SKD11焼入れ性

工具鋼のカタログや技術資料にはしばしば、このような図が示されています。
これらは、ある鋼材(鋼種)を使って工具や部品を作ろうとしたり、その材料の特性や熱処理を考えるときに必要なものですが、その図に示された内容を読み取るだけでなく、なぜこれが、ここに示されているのか・・・などという深い内容が読み取れれば、同種の鋼材(鋼種)の優劣やメーカー差などが見えてくると思います。

各メーカーは、絶対に自社の製品の悪いところは示しません。だからここでは、そのようなメーカーの意図なども考えながら、これらのデータの見かた考え方を説明しましょう。

ここでは、冷間工具鋼について、「日立金属のSLD」「大同特殊鋼のDC53」「山陽特殊製鋼のQCM8」などを例に、その特性などについての見方考え方を見ていきましょう。

ここに示した資料は一般に配布されているものです。こちらに引用先を示します。

【お断り】 ここに書いた内容は個人的な考え方で説明していますので、メーカーの意図するものと異なっている場合もあります。また、図表は説明用ですので鮮明ではありませんので、利用する場合はメーカーのカタログ等を利用ください。

説明は3つのページに分かれており、さらに、SLD、QCM8を紹介したページがあります。サイドメニューに目次を示しています。
  1) 冷間工具鋼と鋼の一般特性について(このページ)
  2) 材料特性のの見かた・考え方
  3) 熱処理特性の見かた・考え方

冷間工具鋼と一般特性について

まず、一般的な見方で工具材料全体を見ていきます。

◎ 鋼種とメーカー分類

下の図は特殊鋼倶楽部が発行している雑誌「特殊鋼」からの引用で、H26年11月版の炭素工具鋼・合金工具鋼の一部です。

鋼種一覧

この表には、特殊鋼各社の主要鋼種が示されており、これらは、各メーカーが製造して市販されているもの・・・・・と考えていいでしょう。逆に言えば、ここにないものを一般で入手するのは困難だといえます。

メーカーでは、JISに対応する鋼種であっても、それぞれに各社の特徴をもたせているために、メーカーが違えば特性が違います。このために、これらの鋼種は、JIS名で呼ぶのではなく、メーカー名で呼称するようにしたほうがいいということです。

JISが規定する化学成分範囲はある意味で広すぎると言えます。このために、たとえJIS鋼種といえども、成分値の狙いを変えれば、全く違う性質になると言ってもいいでしょう。

特に「冷間工具鋼」は炭化物の形状や量は耐摩耗性やじん性に大きく影響するために、メーカーは、非常に狭い範囲の成分を狙って製鋼します。(それは、現在に技術では、難しいものではありません)

また、JISは最低限度の内容を決めているために、各社の品質はJIS以上のものになっています。
そのために、例えばJISのSKD11であっても、各社間の特性は違っていて当然だと言えます。
このこともあって、特に工具鋼は、JIS名ではなく、メーカー名で呼ぶ習慣にしましょう。

冷間工具鋼は、近年のJISでは、「炭素工具鋼(SK)」「合金工具鋼(SKS・SKD)」「高速度工具鋼(SKH)」などの系統に分類されています。以前は「刃物鋼」などの分類もありました。

SK105:炭素工具鋼の基本鋼種で、過去には SK3と呼ばれていたものです。水焼入れする鋼種です。

SKS93:一般に「油焼き入れのSK3」と呼ばれるものですが、SKS3の安価版という位置づけです。水焼でなくて油焼き入れで表面硬さが出る便利で安価な鋼種です。

【参考】ベアリング鋼SUJ2・SUJ3なども熱処理して充分な硬さが得られるので、刃物などに使用されますが、工具鋼に分類されていません。

近年のベアリング鋼は、非常に清浄度が高いので、ある意味で工具鋼の品質を越えています。
その他の鋼種でも、熱処理で充分な硬さが得られれば、工具として利用できるのですが、ここでは、JISの分類にそって取り上げます。

SKS3:Crによって焼入れ性を高めることで表面硬さが出やすい油焼き入れ鋼種で、ゲージなどに使われます。

SKD1:流通量が少ないですが、耐摩耗性の高い鋼種です。
SKD11ほど焼入れ性が良くないの油冷するのが標準ですが、1000℃を切る焼入れ温度の高耐摩鋼種です。

SKD11:ダイス鋼の標準的な鋼種で、焼入れ性がよくφ100程度のものは空冷で硬化します。入手しやすく、高硬さにおける高いじん性を有し、耐摩耗性が高い上に、製品サイズも豊富な汎用性に優れる鋼種です。

8%Cr系:比較的新しく出回った系統の鋼種で、SKD11の高靱性タイプと位置づけられ、高温焼戻しで高い硬さが得られる、焼入れ性の良い鋼種です。

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鋼種にはそれぞれの特徴があり、さらに、ここに載っていない、数えきれないほどたくさんの鋼種が作られています。

ここでは示していませんが、焼の入るステンレス鋼やハイスと呼ばれる高速度工具鋼に分類されているものなども流通しているものが多いのですが、ここでは、材料特性の見方考え方のページですので、これらの説明は省略します。

この表で注目すべき点は、JISの「SKD11」と「8%Cr系」枠に相当するところだけは各社が製造しています。
このあたりが各社ともに力を入れている主要な材料・・・と言えるのかもしれません。

さらに、日立金属のSLDと大同特殊鋼のDC53は販売されている冷間工具鋼の主要鋼種で、サイズも豊富です。
ここではこれを主に取り上げて鋼種に対する見方や特徴などを見ていきます。


冷間工具鋼とは

これらは冷間で使用される(つまり、赤熱している被加工材を加工するものではない)もので、おおくは常温の金属製品を加工する工具材料として用いられます。

「高い硬さ」が出る鋼種とも言えます。通常は、高合金で焼入れ温度が1100℃を超える高速度工具鋼(ハイス)とは切り離して分類されています。

ここで、「硬い」という程度は用途によって異なりますが、冷間加工用工具として使用される硬さは、おおむね55HRC以上と考えるのがいいでしょう。(熱間工具鋼は55HRCの硬さが出ませんし、用途を考えると、硬い硬さよりも、耐熱要素を重視していると考えます)
HRCは、 ロックウェル硬さ計の単位で、数値が高いほうが硬いといえます。

【参考】この「雑誌 特殊鋼」にある分類別一覧表の更改は不定期ですが、炭素工具鋼、合金工具鋼、プラスチック金型用鋼、高速度工具鋼などの各メーカーの一覧が掲載されていますので、メーカーの主力鋼種や販売されている鋼種を見るのに便利な表です。

上表の鋼種は、小さな品物を指定の熱処理をすると、最高硬さが60~65HRC程度の非常に硬い硬さになり、それを「焼戻し」して目的の硬さにして使用することになります。

硬さのイメージで言うと、硬さが「55HRC以下」だと、包丁やナイフが「切れない」と感じる硬さ・・・というイメージですし、通常、包丁の刃先は58~62HRC程度で、 顔をそるカミソリなども(刃先に特殊な処理をしたものもありますが)この程度の硬さになっており、金物用のやすりの歯の先端は、64HRC程度の硬さになっています。

高い硬さになると、極薄の品物では簡単に折れてしまうぐらいに「ネバサ」がない状態ですので、用途に応じて「適当な硬さ」にして使用する・・・ということはとても重要です。

このように、「硬さ」は「強度」を示す重要な指標で、鋼は硬いほうが強いのですが、硬くなると「もろく」なるという欠点が出てきます。

日本刀のように刃先だけが硬ければいいという場合と全体が同じ硬さ(強さ)のほうが良い場合・・・などがあるので、ただ単に「硬いほうがいい」ということはなく、鋼種の特性と熱処理特性、品物の形・・・などを含めて考える必要があります。

冷間用の工具には、包丁などの刃物類のほかに、鋼板に穴をあけるドリルやタップなどの切削用の工具等があります。

ドリルやタップ用の工具鋼鋼材も、昭和の年代には安価なSK材やSKS材の系統であったものがダイス鋼や高速度鋼(ハイス)などの高級な鋼種に代わってきています。これは、使用中に刃先先端が高温になって焼戻しの効果を受けて硬さが低下するのを防ぐためです。

包丁などでも「焼の入るステンレス鋼」が多く使用されるようになっていますし、切削工具にはハイスと呼ばれる高速度工具鋼やさらに耐摩耗性の高い粉末ハイスなどが使われるようになってきるということはご存知のことでしょう。

これは、被加工材(加工する品物)が多様化したことによるものも大きいかもしれません。

強度が高いものやねばい材料などを加工するためには、硬さだけではないその他の特性が必要になってきたということですが、このようないろいろな特性に対する要望がこれからも高くなっていくので、その要求に沿って今後も新しい鋼種が出てくるでしょう。

例えば、それまでは焼なまし材だけを加工していたものが、焼入れ焼戻しをして硬くなった品物を加工するためには、高級な材料が必要になってきたということですが、しかし、高級で高価な材料が全てに優れているということにすることには限界があるので、特定の用途範囲における特性を考えたり、他の特性劣化を抑えて、求められる特性を向上するなどの考え方で新しい鋼種が作られる余地はまだまだありそうです。

また、近年、メーカーでは、新鋼種とは逆の動きとして、いろいろな鋼種を集約・整理して利益アップを図っています。
これもあって、鋼種名が存在しても、それが一般に流通しているとは限りませんので、実際に流通している鋼種はそんなに多くないということも言えます。


◎ なぜ鋼で鋼を加工できる?

これは、簡単にいえば、工具と被加工材とで「強さ」に極端な差があるからです。

たとえば引っ張り強さで見ると、 工具は200Kg/mm2(この2は小さく書き、断面が1平方ミリメートルの鋼を引っ張った時に200kgで引きちぎられるという意味)以上の強さがあるのに対して、穴をあける側の鉄板は40kg/mm2程度の強さですから、単純に言うと、引張強さに5倍の差があるために様々な工具として使えるようになります。
(引張強さだけで強さを表すのは問題もありますが、比較しやすいためにこのような表現にしています。また近年は、MPaという単位で表されますが、ここではわかりやすいように、古い単位で説明しています)

一般的に、硬さと強度は正の相関があり、硬さとじん性は逆の相関があるので、基本的には、強くしたければ硬さを上げ、かけや折損が生じるようなら硬さを下げるというように考えて、これらの性質は熱処理後の硬さでおよその性能を調節します。

しかし、鋼種によっては、55HRC以上になると、硬さと強さの相関関係が崩れてくるので、硬さだけで鋼を評価できない場合がありますので、鋼種ごとの熱処理データをみて、硬さに対する特性などを把握する必要があります。
これらについて説明します。


◎ 化学成分と熱処理

「鉄と炭素の合金」が鋼(はがね)と呼ばれますが、その中でも「炭素量」が特に重要で、炭素は鋼に溶け込んで鋼を強くします。そしてまた、その他の元素とともに硬い炭化物を作って、熱処理をした時に硬化して高い耐摩耗性を発揮します。

【焼入れ・焼戻し】

 「熱処理」で、硬くする操作を「焼入れ」といいます。さらに「焼戻し」によって簡単に欠けてしまわないようなネバくて強い状態にします。

通常この2つはワンセットになっていて、連続的にこれらの熱処理を行います。
焼入れ・焼戻しのための加熱温度を「焼入れ温度・焼戻し温度」と言います。

【硬さのもと=炭素量】

 鋼中の炭素量が多くなるにつれて、焼入れした時の硬さが高くなり耐摩耗性が向上します。しかし、硬さが高いと「強い」反面、「もろく」なります。

「もろい」というのは 「衝撃力に対して弱い」というです。

炭素は、鋼として固溶できる限界が2%程度までで、固溶しない炭素が金属の組織に現れると、もはや「鋼」ではなく、 鋼よりももろい「鋳物」になりますので、そうならないように、炭素を鉄以外の元素(例えばクロムやモリブデンなど)と化合させて「炭化物」として固溶させると、 耐摩耗性がなどに優れた鋼になります。

様々な合金元素は、生地(素地:マトリクスと言います)を強化したり、硬い炭化物を作る目的などで加えられますが、たくさん入れるほど特性が良くなるというものではないために、そのバランスを考えた新しい鋼の種類が広がっていきます。

世間には数えられないほどのいろいろな鋼種があリますが、不思議なことですが、「絶対的に高寿命で、オールマイティーに使える」という鋼種はありません。
いかに一つの鋼種の特徴を活かして工具を作るのかということも大切なことです。

【焼入れ性】

 鋼を硬くするためには一度高温に熱してから急冷する「焼入れ」をします。
鋼材の成分によって、水で冷やさないと硬くならない鋼種や空気中に放冷しても十分に硬くなる鋼種などがあり、後者を「焼入れ性の高い鋼種」と言います。

焼入れ性には、表面の硬さが高くなるかどうかや硬化する深さが深い(中まで硬い)かどうかで評価されますが、ここでは「焼入れ性が良いと硬くなりやすい」というイメージで理解ください。

【質量効果】

 焼きが入りやすい・・・と言っても、品物が大きくなると冷却速度が低下して十分な硬さが出なくなります。 これを質量効果という言い方をされる場合があります。

少し大きな品物でも十分に硬化するようにクロムやモリブデンを加えて焼入れ性(焼の入りやすさ) を非常に高めた鋼種が「ダイス鋼」と呼ばれる系統の鋼種です。

その代表格がSKD11系で、これらの鋼種は非常に焼入れ性が高いために「空気焼入れ鋼」とも呼ばれ、 φ100程度のものは焼入れ温度から空気中に放冷しても(水や油で急冷しなくても)中心部まで60HRC以上に硬化します。

もちろん、このことが「 いいことづくめ」ではないことを頭の片隅に置いておいてください。

【新しい8%Cr系の鋼種】

 近年は「8%Cr系」と書かれた鋼種が多く出回っています。
メーカーの説明では、焼入れ性はSKD11以上で、強じん性(ここでは「じん性」と表現します) もSKD11以上・・・とPRされている鋼種で、SKD11の代替鋼種という位置づけです。
これについても「いいことずくめ」ではありません。
個々の特性は、後ほど見ていきましょう。

【相反性】

 そのほかにいろいろな特徴を持った鋼種があります。
冷間鍛造用鋼などでは「じん性」と「強さ」が必要ですのでマトリックス系の鋼種(素地の強度を高める成分設計をした鋼種)が適しています。

耐摩耗性や摩擦熱などに対する耐熱強度が要求される場合には「高速度工具鋼(ハイス)」が用いられます。

しかし、この、耐摩耗性(強さ)とじん性(ねばさ)は相反するもので、それを調節する一つの方法が「熱処理(焼入れ・焼戻し)です。

じん性が必要な場合は、割れたりしないように硬さを低めにしますが、そうすると耐摩耗性が低下するので、鋼種にたいして、熱処理による硬さと靭性や耐摩耗性などの関係を知ることが重要です。

【新技術】

 近年では、成分的な鋼種の違いや熱処理による特性以上の特性向上方法として、特殊溶解技術や粉末技術を取り入れた高級鋼が増えています。
これらは製造に手間がかかるので高価ですが、プラスアルファーの特性がほしいときには、選択肢の一つとして知っておくといいでしょう。

いずれにしても、工具の特性を出すための「熱処理」は非常に重要で、鋼種ごとに特性を生かすための熱処理をする必要があるといえます。

鋼の基本性能

◎ 鋼種がたくさんありすぎ? 

どんなメーカーカタログを見ても、この鋼種は 「**に優れている」「**より良い」「**の特徴がある」というように、「当社の鋼種***はいいですよ・・・」という表現がされています。

すべてに「BEST」なら、いろいろな鋼種を製造販売しなくてもいいのでしょうが、そううまくはいかないので、おのずと新鋼種が増えていくのは当然かもしれません。

工具鋼の分野では、JIS鋼種は分類を示す程度のもの・・・と考えておいたほうがよく、メーカーそれぞれの特徴を生かした鋼種を製造していますので、呼び方も「メーカー名」で呼ぶようにするのがいいでしょう。


日立金属の鋼種系列 大同特殊鋼の鋼種系列

これは日立金属の鋼種に対する特性の位置づけ(左)と、大同特殊鋼のDC53の特性の位置づけ(右)が示されています。

見にくい図になっていますが、縦横軸はそれぞれ耐欠け・割れ性、耐摩耗・耐圧縮性などを表しています。

左図では左下にあるYCS3・YK30(≒JIS-SKS93)の基本鋼に対して、 レベルの高い合金工具鋼の鋼種が右上に位置しており、これらの右上(45度)方向に位置する鋼種が「特性が優れている」という表現になっています。

鋼種ごとに並べると、それらは右下がり(左上がり)の傾向にあって、じん性と耐摩耗性はここでも相反する(負の相関がある)ということが示されています。

何度も書いていますが、絶対に「全てに優れる鋼種」というものはないので、材料を選ぶ場合もこの関係を知って特徴を生かせるような材料を選ばないといけないことになります。

日立金属の左図では、4本の右下がりの線が引かれています。一番下は「ダイス鋼系」それから上に、「溶性ハイス系」「マトリクスハイス系」 「粉末ハイス系」の系列が示されています。

また、大同特殊鋼の右図でも、縦横軸が入れ替わって示されていますが、右下がりの傾向になっていることや成分系列の傾向が日立金属の場合と同様に表現されています。

いずれも耐摩耗性に優れたものはじん性に乏しく、じん性に優れた鋼種は耐摩耗性に乏しいという関係があることがわかります。


◎ でも、何か変な感じがしませんか?

成分系の分類でいえば、日立SLD≒大同SKD11で 大同DC53≒日立SLD8が対応しています。

しかし、日立金属の図では、SLD8はSLDの高じん性タイプに位置付けていますが、 大同特殊鋼の図では、DC53はSKD11の「高じん性・高耐摩耗タイプ」で、 ハイス系列に並んでいると評価しています。

この辺りにメーカーの意図する販売戦略が隠れています。鋼種を選ぶ際にはその真意を読み解いていくことが重要です。(次ページで説明します)

【隠された数値を読む力】

 これら特殊鋼メーカーの公表値は、かなり綿密に実験されたもので信頼できます。しかし、企業としてある鋼種を販売しようとすると、他社より劣るデータは示したくないので、できるだけ高評価になる部分を強調するのは当然ですし、逆に、劣る部分のデーターは示しません。
そうすると、他社とのデータと突き合わせて比較すると、「???」となる部分が出てきます。

だから、カタログなどにある他の試験値を、一見しただけで判断してしまうと大変なことになるので、深読みが必要です。

【まずは最低限の数値を読む】

 そうなると、鋼種選びは、さらに大変になるのですが、これは、高度の知識や経験が必要になリますので、通常の鋼種選びは①必要な硬さが得られるかどうか ②その硬さにおける特性はどうか・・・ ということを知る程度から始めることでいいと思います。

【細部を読む力】

 カタログに示された試験結果は、「試験方法による特徴」「試験条件による変化」「数値の丸め方」「試験片の履歴」などで大きく変わっているので、これを見抜くのは「カタログを読む側の実力」が必要になります。

メーカーの技術者は客観的な数字で比較する努力をしているのは当然ですが、販売担当になると買ってもらわなければ話になりませんので、 「悪い」 「劣る」などのネガティブワードは書きません。
さらに文科系のデザイナーが加わると、カタログ記事の内容はオブラートで包み込まれたものになっています。

【でも・・・】

これだけ技術が進んでも、『絶対にすべてに優れている鋼種が出てこない』ということは、なんとも寂しいことですね。


◎ 強さ・ねばさ

鋼材の特性を見る場合は、「強さ = 硬さ」 「じん性 ≠ 硬さ」・・・と考えます。

強さは引っ張り強さ、圧縮強さなどで表現できます。これは硬さと相関があります。また、じん性(耐欠け・割れ性)とは逆の相関になっています。

硬さと強度の鋼種対応 硬さと抗折値の関係
   日立金属のデータを引用

ここでは、「硬さが高くなると強さが上がる」「しかし、上限の硬さに近づくと、その相関は崩れる」「じん性は熱処理後の硬さで変化する」 という基本事項があります。

SKD11やSKS3は熱処理で64HRC程度の硬さになります。しかし「硬さを上げれば強さも上がり、耐摩耗性も高くなる」と信じている人が意外と多いのですが、 上の左のグラフを見ると、「そうではない」ということを知っておくことは重要でしょう。

これは、成分系の影響とともに熱処理の要素も関係しますが、基本的には「適正な硬さ範囲で使用する」ということが重要です。 (説明は少し専門的になるので、ここでは示しません)

強さ・じん性について補足します

強さには引っ張り、圧縮、ねじり・・・などの試験方法があります。
工具鋼などの高硬度鋼では、試験方法や試験片形状もJISなどで規定しているものと異なる場合も多いようです。
このため、どのような試験方法で「じん性・耐摩耗性」が評価されているのかを確認するようにしましょう。

ここでのじん性は「抗折力」で示されています。日立金属のデータを見ると、60HRC程度以上では曲げ試験で「静的なじん性」評価をしており、多くは φ5x60程度の試験片で支点間距離50で試験されている場合が多く、 抗折力x曲げ(たわみ)量を「吸収エネルギー」として比較しているデータもたくさんあります。

60HRC以下の硬さになると、荷重をかけてもうまく折れてくれないためにシャルピー衝撃試験が用いられますが、その場合でもJISにはない10Rシャルピー衝撃試験値が多いようです。

10Rシャルピー値は他のメーカーでも広く採用されています。
大同特殊鋼の前身の特殊製鋼(株)や日本特殊鋼(株)では12Rシャルピー値が採用されており、 その後大同特殊鋼に合併して、その以降に日立金属とのデータ比較の必要性などから10Rシャルピー値に統合されてきたようですが、大同特殊鋼になって40年以上が経過しますがそれでもこの10RシャルピーについてはJISなどに規定されていません。
シャルピーの試験値がばらつく要素が多いことやシャルピー値が客観的な特性を示すのかどうかなどで一致した考え方ができていないことなども規格化しにくい理由かもしれません。

これらの、高い硬さの試験は大変で、結果の数値も非常にばらつきます。
このために、試験結果の評価も簡単なものではなく、確実なものではないという理由もあるのですが、これらのデータは非常に貴重です。


◎SKD11・SLD・DC53について

SLD≒JISのSKD11 ですが、そもそもJISの考え方では、社内規格ではJISを超える品質を規定することが求められますので、メーカーの特性は、JIS品質以上になっているといってもいいでしょう。

このことは、SKD11とSLDは「同じと言えば同じですが、違うといえば違うもの」です。
そしてさらに、A社のSKD11とB社のSKD11が同じか・・・と言うと、各社ごとの特徴があって、同じではありません。
これが、特に工具鋼について鋼種名を言う場合に、SKD11ではなく「SLD(えすえるでぃー)」などのメーカー名で呼称するのが適切ということです。

例えば、日立金属では、 鋼には好ましくないリン(P)や硫黄(S)を抑えていることで、「清浄度の高い鋼材」であることをPRしていますが、こういう点で、SLDはSKD11を超えるものになっています。
また、「同じように熱処理しても、大同と日立の硬さは違う」という熱処理現場の声をよく聞きます。どちらがいい悪いということではなく、JISのSKD11の規格に合致していても、メーカーが違えば全く違う性質を持っているということです。

大同特殊鋼では DC11≒SKD11 ですが、市販の汎用鋼としては「DC53」を押している感じがします。
この鋼種は、8%クロム系に分類されるものですが、大同特殊鋼のPRでは、「耐摩耗性はSKD11と同等で、じん性が非常に高い」 というのがウリです。
「ほんとうに本当?」でしょうか。この答えを求めて、次ページで考えていきます。


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  (来歴)H30.10.13 文章見直し  R1.6 文章見直し

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冷間工具鋼と一般特性について
鋼種とメーカー分類
冷間工具鋼とは
鋼の基本性能

日立金属 SLD
大同特殊鋼 DC53

焼入れ硬さ
焼戻し硬さと強度・じん性
焼入れ性
熱処理変形(変寸)
残留オーステナイト
耐摩耗性その他

山陽特殊製鋼 QCM8

日立金属 SLD

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