使用中に高荷重をうける工具の場合は、表面だけでなくできるだけ心部まで焼入硬化させる必要があります。焼入硬化深さは焼入温度を高くすることによって若干は改善されますが、衝撃値が低下するなど別の問題が発生しますから、高温硬さを高めることを目的として熱処理条件を調整することはありません。この場合には材質に頼らざるをえず、クロム(Cr)やモリブデン(Mo)など焼入性を高める合金元素を多量に含有する鋼種ほど内部硬さは高くなります。

焼入硬化層深さの測定は焼入性試験(一端焼入法)で測定することができますが、これは一般には機械構造用部品に使用される鋼材の試験用として利用されています。各種工具鋼に利用する場合には、同じ試験機および同じ試験片を用いて、焼入温度や冷却剤は所定の条件にて測定することができます。

一例として、図１に各種工具鋼の焼入性曲線を示します。なお、個々の鋼種の焼入加熱温度および冷却剤は図中に示したとおりです。炭素(C)を1%位含有するSK105、SKS2およびSKD12の表面硬さは同じですが、内部硬さの推移はまったく異なります。すなわち、SK105やSKS2の内部硬さは極端に低くなり、SKD12の内部硬さは表面の硬さとまったく同等です。以上のことから、SKD12は大型・高荷重用工具に適した鋼種ですが、SK105やSKS2は小型・低荷重用にのみ適用可能な鋼種であることが分かります。

使用中に温度が上昇する場合や使用環境が高温の場合には、耐熱性も重要な特性です。このときの「耐熱性が優れている」とは、温度が上昇しても硬さが低下しにくく高温強度が優れていること、大気中など酸素を含む環境で高温に晒されても酸化しにくく表面変質しないこと、の二通りの意味があります。工具材料の中では、両特性ともセラミックスおよびCBN焼結体が最も優れており、超硬合金がこれらに続き、最も劣るのが工具鋼です。

工具鋼の高温酸化に関しては、鋼種に関係なく200℃以上では高温になるほど酸化が進行します。そのため、工具鋼を用いた工具類において、耐高温酸化性を向上させるためには表面処理に頼らざるを得ません。なお、この耐高温酸化性を付与する表面処理については、第４章以降で紹介しますから本章では省きます。

工具鋼の高温硬さに関しては、炭素以外の合金元素の種類や含有量が多大な影響を及ぼします。また、高温硬さは熱処理条件によって調節するのは困難であり、鋼種の選定が重要です。すなわち、高温硬さを重視する工具の場合には、焼戻し軟化抵抗を高める合金元素であるCrやMoを含有する鋼種を選定したほうが有利になります。

高温硬さは、図２のような試験片を用いて高温硬さ試験機(加熱雰囲気：アルゴンガス)によって測定されています。一例として、図３に各種工具鋼の加熱温度と硬さの関係を示すように、鋼種間には非常に大きな差異のあることが分かります。なお、このときの硬さ測定条件は、昇温速度は0.33℃/s、各測定温度での保持時間は300s、試験荷重は49.03Nであり、その他の測定条件を含めて図中に示しています。

図３において、室温での最も硬い工具鋼はSK85およびSKS2ですが、これらは他の鋼種に比べて加熱温度の上昇にともなって急激に硬さは低下しており、高温雰囲気では使用できないことが分かります。

SKD4、SKD6およびSKD62は、炭素量は0.3～0.4程度ですから窒温での硬さは600HV以下ですが、加熱温度が500℃に達しても400HV以上もあります。この高い高温硬さはこれらの鋼種に含有する合金元素の効果であり、CrおよびMoまたはタングステン(W)が有効に作用しています。以上のことから、JIS G 4404でも熱間金型用として分類されており、ダイカスト金型などに適した鋼種であることが分かります。

また、SKH57は室温での硬さが高く、しかも加熱温度の上昇にともなう硬さ低下の程度が緩慢であり、しかもすべての鋼種の中でも最も高い高温硬さを呈することから、使用中に刃先が高温になる重切削工具に適していることが分かります。

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