鋼種ごとの性質について説明します。

図表は説明用として各社のカタログから引用しています。図表等は不鮮明ですが、WEBやカタログに公開されていますので、適宜そちらをご覧ください。

◎ 日立金属のSLD

まず、日立金属のSLDのカタログから見てみましょう。

カタログでは主にJISのSKD11と比較したときの優位性が示されています。
しかし、日立金属に限らず、どのメーカーの製品も、JIS以上に成分範囲を狭めたり、不純物を少なくするなどで高品質な製品を作っていますので、特にこれを示す必要がないのですが、基本鋼種であるので、カタログでは、このような比較しかできないのでしょう。比較してみるのではなく、基本鋼種の考え方を読み取るといいでしょう。

(1)化学成分

SLDとSKD11の成分比較

ここでは不純物量が少ないということが示されています。
これらが多いと主に「じん性」が低下します。特にP(リン)は材料(製鋼時の原料)に由来するために簡単に下げられないもので、逆に言うと、ミルシートを見て、Pの低い材料のほうが品位が高いといえるので、それだけいい材料を使っています・・・ということを日立金属は強調しています。

不純物については「非金属介在物」という指標があります。これが多いことも同様に鋼材の品位を下げます。
このために、じん性値を下げる原因になりやすい「S」「P」「Cu」の数値を下げていることを特徴付けています。

SLD自体は50年以上前からある鋼種で、この系統の材料は世界的に冷間工具鋼の基本鋼種となっています。

近年の鋼材は、製鋼技術が向上しているために、SやCuを下げるのはお手の物かもしれませんが、「P」は原料由来で製鋼で改善することが難しいことから、「原料を吟味した高級鋼」をPRしているのです。

Ni(ニッケル)については諸説があります。
近年では、むしろ、Niを含むほうがじん性や焼入れ性を高めるので良いと考える人も多いようです。しかし、SKD11が市販されたのは昭和年代の中期頃で、当時は 「Niは好ましくないもの」という考え方があったためにそれが残っているのでしょう。

このカタログでは示されていませんが、成分範囲(合金の含有量などの各社の規格値)はJISの規格値よりも狭い範囲に絞っています。
これによって、 製品間のばらつき(これは、いろんな意味で)が小さくなっていることは確かでしょう。

これは日立金属だけでなく各社に言えることで、ここでもJIS以上の品質を維持していることがわかります。

さらに、近年は製鋼技術が非常に進んでいますので、高価な合金(たとえばMo)を規格の下限いっぱいに制御するなどで鋼材コストを下げるように製鋼している・・・という巷の声も聞きます。

その真偽はともかく、(特性値は別にして)ばらつきの少ない鋼材になっていることは確かです。

成分の違いによる特性値については、例えば、SLDのMoの規格値は0.80-1.20%ですが、Moは焼戻し抵抗や高温強度、じん性向上などに関係します。しかし、0.80と1.20でどのような違いが出るのかと言うと、その他の成分との関係もあって、よくわからないと言えます。

特に炭素量との関連が強く、現場の担当者は、日立金属のSLDと大同特殊鋼のDC11を比較すると、DC11のほうが高い硬さが得られるといいます。

これは、熱処理条件を変えればどうにでもなることですし、残留オーステナイト量など成分以外の影響もあるのですが、SLDとDC11は同じSKD11に分類されるものであっても、特に少し大きな品物になると、熱処理をすると硬さや変形など、定常的な実験値では出てこないいろんな面で違いがありますので、SKD11と纏めてしまわずに、違う鋼種と考えたほうが良いですし、そうしておいてその鋼種に慣れることがいいでしょう。


(2)強度・じん性

SLDのカタログには合計6種類のグラフが掲載されています。
この内容は、いずれもSKD11よりも優れています…ということが示されていますが、これらは、「素人だまし」のように思えます。
しかしこれについても、SKD11が工具鋼の基本鋼種ですので、示しようがない・・・ということかもしれません。

この比較で、優れているのは、成分的なものか製鋼法的なものか・・・などが全く示されていませんし、少なくとも日立金属としてはJIS-SKD11は作っていないでしょうから、このデータは示す必要もないものでしょう。
変な言い方ですが、日立金属の技術をもってすれば、SLDを超える「SKD11」を作るのはたやすいし、当然のことでしょう。

・・・と言っても貴重なデータですので、少し説明を加えておきます。

SLDひずみ量
(1)ひずみ量

長さ方向と直径方向の熱処理後の寸法の違いは「成分+製鋼+熱処理」で変わります。

特に、経験的には鍛錬比等の製鋼時の影響が大きいのですが、材料を購入したときにはその情報などはほとんどわかりませんので、通常は長さ方向に延伸して圧延・鍛造しますので、ここでは、「長さ方向の変化量は幅方向(直角方向)よりも大きい」ということを覚えておいてください。

一般的には、材料が長くなる方向に圧延や鍛造で伸延されます。そうすると長さ方向の変化量が多くなります。

言い換えれば、その差を少なくすれば熱処理をした時の変形をコントロールできるのですが、 鍛錬比を多くとるほうが断面で見た時の品質差(これは「偏析」などで説明されることがあります)が小さくなりますので、普通はそちらが優先されます。

この試験での試験片の履歴が示されていませんが、日立金属としては、偏析が少ないことで変寸が小さいということを示したかったのでしょうか。(鍛造などの製造履歴がわからないので、これを示している目的が不明です)

個人的な評価ですが、日立金属の材料は、平成5-6年ごろまでは他社製に比べて変寸量の安定性やじん性の高さは優れていました。(注:変寸量が少ないということではありません)
これは、インゴット(鋼塊)の大きさが比較的小さく、鍛錬なども高度に管理されていたためですが、それ以降は各社ともに製鋼レベルが格段に上がったことなどもあって、大差がなくなった感じを持っています。

SLD抗折試験

(2)抗折試験
日立金属の場合はここに書かれている「φ5x支点間50mm」での試験が標準になっています。

破断荷重(抗折荷重)xたわみを「吸収エネルギー」と考えて「静的なじん性値」として表示される場合もあります。

試験をするにあたっては、試験片の採取位置が結果に作用します。また、その他の機械的性質(強さ、じん性など)も 材料方向のとり方によって大きく変わります。

そのために、伸延方向を「L方向」、 それに直角の方向を「T方向」と表現される場合があり、機械的性質の試験片は、断りがなければL方向にとった値が示されているのが一般的ですので、表記のない場合は、長く伸展されたL方向の材料による試験と見ることができます。

つまり、これらの試験値は、製鋼時の鋼塊の大きさ、鍛造の仕方、試験片を採取る品物の大きさ、採取位置・・・などの影響を受けます。

(日立金属では、試験片の採取方法などを標準化して、他鋼種と比較していますが、実際の鋼材で試験すると、ここに示すような値にならないこともあることを知っておきましょう)

SLDシャルピー値比較

(3)シャルピー衝撃値
シャルピー試験は、特殊なノッチ(切り欠き)形状が採用されています。
これは、特に高硬さになると、ノッチの形状や加工精度で大きく結果が変わるなどから、他社の一部には、ノッチなしの試験で比較するように主張しているところもあるくらいで、国内の工具鋼は、この図中にある「10Rシャルピー試験」が多いようです。これはJISに規定されていない形状ですが、国内標準になっているといってもいいのでしょう。

ノッチの形状が変われば値はその他の試験片によるものとは全く変わってしまいます。
無ノッチの試験を主張するメーカーも有るのですが、ノッチをつける以上に数値がばらつきます。

このために、何にしても、高硬さでのシャルピー試験値は、ばらつくので、このばらついた値をどう評価するのかも難しい問題と言えますし、他のじん性評価試験と同様に、安定した値が得られる適当な試験方法がないために、この試験が鋼材評価に用いられているというのが現状でしょう。

個人的な見解ですが、SLDは他社の同系統の材料に比べて、共晶炭化物の大きさが小さいという感じを持っています。そのために、他社の同系統の材料に比べると、じん性は高めです。その反面、耐摩耗性は低いという評価をする方も多いようです。

それらを考えて材料を選んでいる時代もあったようです。
しかしこれも、近年はこの傾向も顕著ではなくなりました。各社の材料全般に言えることですが、近年の材料は非常に高品位になっています。

耐摩耗比較

(4)摩耗試験
ここでは「西原式摩耗試験機」による結果が示されています。
近年は「大越式迅速摩耗試験機」が使われることが多いのですが、摩耗試験は摩擦条件によって大きな違いが出てしまう場合も多くあります。
摩耗試験の評価は、試験機や摩擦条件を一定にして試験して、摩耗減量の少ないほうが耐摩耗性が高いということです。

摩耗試験は「同条件で」と言っても、同じ条件かどうかわからないほど結果にばらつきが生じやすいので試験も難しく、メーカーではいろいろな条件を考えて信憑性の高いデータをとっています。

だから、この結果は正しいのですが、私自身はこの試験結果は「まゆつばもの」と思っています。たとえば、被硬さを58HRCにするなど、少し条件を変えると全く違う結果が出かねません。

西原式では、硬さ、炭化物量、炭化物分布などが摩耗量と関係が深いのですが、私の経験では、SLDは相対的に1次炭化物の大きさが小さい傾向にありましたので、耐摩耗性は大きな炭化物のものより劣るのが普通ですが、この内容では、何が結果に影響しているのかがわかりにくい状況です。

このこともあって、一般的な耐摩耗性の優劣は、成分、組織などから、マトリックス硬さ、炭化物の種類形状などを含めて、摩耗試験値を参考にしながら総合的(経験的に)に評価することが多くなります。

回転曲げ比較

(5)回転曲げ疲労試験  

右下がりの部分は試験片が破損したときの回転数で、平行になっているところは折れない状態を示しているという、独特のグラフです。
この図を提示しているのは、SLDが「清浄度が高い」とか、「炭化物が均一」などの結果を示しているのでしょうか? 

試験片の熱処理条件や試験条件がはっきりしないので、これを示した理由のわからない図だと思います。

「アイソトロピー」という言葉が「ミソ」で、これは等方性という意味合いがあり、通常は方向性がある鋼材になるのをそうならないように、いろいろな技術を駆使して作って材料的に方向性のない均一性の高いものを作るという製造工程に則っているものと言えます。

そうすると、このようになるかというと、非金属介在物や清浄度、酸素量、炭化物の均一性、残留オーステナイト量などの影響が大きいのですが、どうも掲載する意図がわからない図を長い間掲載しているものだなぁ・・・と思ってしまいます。


打ち抜き精度

(6)打ち抜き精度
この図もよくわからない図です。かえり高さの増加傾向を見るのか、絶対量を見るのか・・・、など、考えるほどにわからなくなる図と思っています。

SLDはいい材料ですが、何によってこの差がでるのかが示されていません。暗に、SLDのほうが共晶炭化物が小さくて分散しているため、微小チッピングが起きにくいため・・・などを言いたい感じもするのですが、極端に言うと、硬さが0.5HRC違ったり、被切断材が0.3mmと0.8mmとでも、完全に違った数値になるでしょう。
使用する初期状態からカエリに差が出ているのは、工具精度やセッティングの問題があると思わないのが不思議な気がします。

これらは一般論で考えても、経験的に考えても、耐摩耗性を除いてSKD11よりも絶対にSLDのほうが優れた値が出るのが普通といえる数値を掲載していますので、逆に考えると、他鋼種と比較するならともかく、このようにJIS-SKD11と比較する意味の必要性は感じられないものです。

さらに、他鋼種との比較はこのSLD単品カタログではわかりません。
しかしこれは、先程の理由で、示しにくいからだと思います。
とは言っても、日立金属は、素晴らしいメーカーで、いろいろな試験データをたくさん開示しています。
他鋼種の同社カタログには、比較値が掲載されているものも多いのですが、ただ、そこでも、新鋼種の優位性のある部分だけが強調されていますので、それを頭に入れて優劣を比較したり鋼種選択を考えることがいいでしょう。
技術資料から何点かを紹介します。

シャルピー値鋼種間比較 抗折力鋼種間比較耐摩耗鋼種間比較

これらのグラフからは、じん性値は硬さが高くなると低下していることや、同硬さであっても、成分(鋼種)によって変わっている点を見ておいてください。

少し見にくいですが、SLDについてみると、シャルピー値は62HRCを超えると急激に低下することや、58-60HRCでシャルピー値が最も高いことがわかります。

この硬さ範囲は、工具の常用硬さになっているのですが、それがデータで裏付けられています。

耐摩耗性のグラフでは、あまり利用されない「500℃以上の高温焼き戻し」のデータが掲載されています。高速度鋼などの高温焼戻しで耐摩耗性が高い点は、焼戻し温度と耐摩耗性の関係を示唆するのですが、面白い数値です。
これらを実験している日立金属の凄さに感銘します。

要するに、使うのもに対してベストな鋼種を選ぶことと最適な状態の熱処理をすることの必要性や重要性などがこの数値に含まれていると言えます。


◎ 大同特殊鋼の DC53    

DC53の場合も日立金属と同様に、SKD11と対比したデーターでSKD11以上の性能であることがPRされています。

ただ、DC53は8%Cr系に属して分類 されていますので、8%Cr系と12%CrのSKD11とは少し違った鋼種と考えるのがいいように思います。

基本的な成分設計の考え方は、SKD11のじん性不足を補うために炭素量を少なくして炭化物量を減らし、耐摩耗性の減少は、Mo量を多くして、高温焼戻しによって高い硬さを得ることで耐熱性をともなった耐摩耗性を高めるている・・・というものです。

もちろん、大同特殊鋼では、DC11(≒SKD11)も広く販売されているのが日立金属とは異なっています。逆に言うと、社内的には「すみ分け」ているのかもしれません。
材料単価としては高くなるはずですが、SLDに対抗しなければならないのでしょうか、大同さんは頑張っている感じがします。

(1)化学成分

顕微鏡組織SKD11・DC53

DC53カタログには化学成分は示されていませんが顕微鏡組織の比較がありますあるので、これで説明します。
(コピーのため、表示倍率は不正確ですので注意ください)

組織を比較すると、白い塊の量や大きさが違っています。これはCr系の炭化物で非常に硬い組織ですが、単純に考えると、 DC53は8%CrですのでSKD11の12%Crより少なくて炭化物が小さいので、炭素量も低めに調整されていることが確認できます。

さらに、のちに紹介する「熱処理硬さ」を見るとわかるのですが、8%Cr系の材料は、500℃以上の高温焼戻しをした時の硬さ上昇が大きいことから、 Mo量を増やしているものが多いのですが、このことで素地(マトリックス:炭化物以外の部分)の強さを高めたり、硬さによって耐摩耗性を高めている という設計がなされているということも推定できます。

当然、SKD11に比べて炭化物が小さいので「じん性値」も高く、そのばらつきも少ないという特徴があります。

私の記憶では、この材料が販売された当時は、「SKD11よりも優れたSKD11」というように紹介されており、鋼材やさん仲間でも、 「じん性の高いSKD11」という売り方がされていたようです。

当然、他社も同様に8%Cr系の材料は研究されて、 それぞれの特徴をPRしているようですが、大同特殊鋼では「耐摩耗性を落さない」 というところを重視していた感じがします。

やはり、成分系からはSKD11に比べて耐摩耗性が落ちるために、硬さを高めにとることでそれを補おうとしている感じになっており、さらに、 これらの鋼種は高温焼き戻しでSKD11以上の硬さが出るのは大きな特徴ですので、 このことから、はっきりと「8%Cr系」という分類でSKD11とは一線が引かれてきているのは当然のことだと思います。


(2)強度・じん性など

DC53のカタログに掲載されているグラフは次のものです。

焼き戻し温度と衝撃値 硬さと衝撃値 硬さと耐摩耗比較回転曲げ比較 硬さと曲げ耐力 焼き戻し温度と破断強度
軟化抵抗比較 耐焼き付き性比較

掲載されている図表は多いのですが、やはりSKD11より優れているという内容になっています。ただ、日立金属のSLDの場合とは違う点は、 高温焼戻しを巧みに利用することでその特徴を出している・・・という内容が多いです。

衝撃値の関係や曲げ破断強度などについて、この点をうまく使うといい・・・ということが示されています。
このことについても次ページの熱処理との関係の中で説明しますが、硬さ範囲を考えないといけない点に注意しなくてはいけません。

焼戻し軟化抵抗や耐焼付き性の図表を見るときも、そもそも、DC53は高温焼戻しをすることでSKD11との優位性が出てくるといっているので、 同一条件の試験ではないことにも、同じく注意しなければなりません。

とはいっても、DC53はじん性が高く、熱処理での硬さ操作範囲が広い、使いやすい材料と言えます。

◎ それでは、どちらがいい?

この質問は愚問と言ってもいいのですが、一般のかたで、鋼材に詳しくない人にこのような質問をされることがよくあります。

先にも書きましたが、そもそも、成分や作り方が変わると何かが変わります。硬さが高ければじん性が低くなりますが、同レベルの硬さであっても、 熱処理温度やそれに伴う特性は変化します。

ある材料に対して「この特性をもっと上げたい」というような考え方では、アプローチの仕方があるのですが、「どっちが良い?」という問いには答えにくいでしょう。

次ページでは、熱処理を含めた考え方や、カタログに示されたからくりなどを考えていくことにします。


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