(1) 工具に要求される特性

工具とは、バイトやドリルなど切削工具、ペンチやドライバーなど作業工具、プレス金型やダイカスト金型など成形用工具、各種治工具など、分類法によっては多くのものがその範疇で取り扱われています。工具に要求される特性は、その使用状況や環境によってそれぞれ異なりますから、最適材料の選定が最重要です。

切削工具の場合、当然耐摩耗性は重要な特性ですが、使用環境が断続加工であれば耐衝撃性の高いことが強く要求されます。また、重切削加工に用いられる場合には刃先が高温になりますから、高温になっても硬さが低下しないで、しかも構成刃先を生じにくいことが要求されます。

金型の場合には、表1に示すように、金型の種類によって、加工の対象になる材料、使用中に負荷される応力、使用環境などが異なりますから、要求される特性はさらに厳しくなります。例えば、プレス金型や冷間鍛造用金型において最重要な特性は耐摩耗性と摺動性ですが、冷間鍛造用金型には耐衝撃性が、ダイカスト用金型など使用環境が高温の場合には耐熱性(耐高温軟化性)が、プラスチック金型の場合には耐食性まで強く要求されます。

なお、金型に使用されるほとんどの材料は工具鋼ですから、その特性を発揮させるためには熱処理が重要な役割を担っており、熱処理の良否が耐摩耗性や耐衝撃性に多大な影響を及ぼします。

また、すべての工具に共通の重要特性である摺動性に関しては、材料や熱処理では付加もしくは高めることは困難ですが、ここでは表面処理の適用が有効に作用します。

(2) 工具材料の種類

すべての工具には高い硬さが要求されますから、図１に示すように、すべての工具材料は硬質であり耐摩耗性が優れています。

工具鋼は、工具材料の中では最もじん性は優れていますが、硬さおよび耐摩耗性は最も劣ります。そのため、金型、各種刃物、作業工具や治工具などに利用されており、旋盤用バイトなどの切削工具に利用されている鋼種は高速度工具鋼のみです。

超硬合金やサーメットは、工具鋼よりも耐摩耗性および耐熱性が優れていますから、旋盤やフライス盤で用いられる切削工具に大量に使用されています。なお超硬合金とは、炭化タングステン(WC)を主成分とした炭化物粉末を結合剤(主にコバルト)とともに焼結したものです。サーメットも基本的には超硬合金ですが、炭化チタン(TiC)を主成分としたもので、結合剤にはニッケル(Ni)やモリブデン(Mo)が用いられます。これらは工具鋼に比べてじん性の点では不利ですから、じん性を高めるために炭化物の微粒化や添加量を調整したものなどが製造販売されています。

セラミックス工具としては、アルミナ(Al2O3)系が最もよく利用されており、ほかには窒化ケイ素(Si3N4)系などがあります。超硬合金やサーメットよりも耐熱性や耐摩耗性が優れていますから、鋼の高速切削用に用いられていますが、使用中に欠損しやすいため適用範囲はあまり広くありません。

超高温高圧焼結材として、ダイヤモンド(PCD)焼結体や六方晶窒化ホウ素(CBN)焼結体が用いられており、これらはセラミックスや超硬合金よりも耐摩耗性が優れています。PCD焼結体は、人工ダイヤモンドの粉末結晶を高温高圧下で焼結したもので、工具材料の中では最も硬い材料ですが、鉄鋼材料とは使用中の発熱によって反応しますから、主にアルミニウムなど非鉄金属用切削工具に用いられています。

CBN焼結体は、CBNの粉末結晶を高温高圧下で焼結したもので、PCD焼結体に次いで硬く耐摩耗性に優れており、鉄鋼材料との反応も生じませんから、PCD焼結体よりも広範囲の領域で利用されています。

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