機械材料の基礎：高速度工具鋼（ハイス）
高速度工具鋼（ハイス）について
高速度工具鋼（こうそくどこうぐこう、High-Speed Tool Steel、HSS）は、工具鋼の中でも特にドリルやエンドミルなどの切削工具に用いられることを主目的として開発された合金鋼です。日本では一般的に「ハイス」という略称で広く知られています。高速度工具鋼という名前が示す通り、他の炭素工具鋼などと比較して、格段に「高速」での切削加工を可能にしたことが最大の特徴です。
ハイスの主な特徴
- 優れた高温硬さ: 切削加工時には、加工物との摩擦によって刃先が高温になります。通常鋼材は、温度が上昇すると急激に硬さが低下してしまい、切削能力を失ってしまいます。高速度工具鋼は、約600℃程度の高温にさらされても硬さを維持する能力に優れています。これにより、切削速度を上げても刃先の軟化が起こりにくく、高速度での切削加工が可能となっています。
- 高い耐摩耗性: 従来の炭素工具鋼などと比べて、硬い炭化物を多く含むため、摩耗しにくく、工具としての寿命が長いという特徴があります。
- 比較的高い靭性: 超硬合金などの他の硬質工具材料と比較すると、靭性が高いという利点があります。これにより、衝撃が加わりやすいフライス加工などの断続切削や、加工機械の剛性が低い場合でも、比較的安定して使用することができます。
成分とメカニズム
高速度工具鋼の優れた特性は、鉄を主成分としながら、炭素に加えて、以下のような合金元素を多く添加することによって得られます。
- タングステン、モリブデン）: 高温硬さや焼入れ性を向上させる主要元素。硬い炭化物を形成します。
- バナジウム: 極めて硬い炭化物（バナジウムカーバイド）を形成し、耐摩耗性を大幅に向上させます。
- クロム: 焼入れ性を良くし、二次硬化（後述）にも寄与します。耐食性の向上にも若干貢献します。
- コバルト: 主に素地（マトリックス）の高温強度を高め、高温硬さをさらに向上させる目的で添加されます。
また、高速度工具鋼は、適切な「焼入れ」と「焼戻し」という熱処理を施すことでその性能が最大限に引き出されます。特に焼戻し工程では、比較的高温（約550℃〜600℃）で複数回の焼き戻し行うことで、微細で安定した組織が鋼の内部に多数析出し、硬さが再び上昇する「二次硬化」という現象が起こります。この二次硬化と、もともと存在する硬い炭化物、そして合金元素によって強化された素地の組み合わせが、高速度工具鋼の特有の優れた材料特性の源となっています。
種類
高速度工具鋼は、含有される主要な合金元素によって、以下のように分類されます。
- タングステン系ハイス: タングステンを主として含む伝統的なタイプ（例：JIS規格 SKH2、SKH3など）。
- モリブデン系ハイス）: タングステンの一部または大部分をモリブデンで置き換えたタイプ（例：SKH51/M2、SKH55/M35など）。靭性に優れる傾向があり、現在広く使われています。SKH51（M2）は最も汎用的な鋼種の一つです。
- コバルト含有ハイス: 上記にコバルトを添加し、高温硬さをさらに高めたタイプ（例：SKH55、SKH59など）。より高速・高能率な切削や、ステンレス鋼、耐熱合金などの難削材加工に適しています。
- 粉末ハイス: 合金粉末を焼結して作られるハイス。成分の偏析がなく、炭化物が微細かつ均一に分散するため、通常の溶解法で作られたハイスよりも靭性、耐摩耗性、被削性（加工しやすさ）が向上します。より高性能な工具に使用されます。
用途
ドリル、エンドミル、タップ、リーマ、ホブ、ピニオンカッター、ブローチ、メタルソー（丸鋸刃）、バイト（旋盤用刃物）など、多種多様な切削工具の材料として広く利用されています。また、その耐摩耗性を活かして、一部の冷間金型や耐摩耗部品などにも使用されることがあります。
まとめ
高速度工具鋼は、優れた高温硬さ、耐摩耗性、そして工具鋼としての靭性をバランス良く兼ね備えており、超硬合金が登場した後も、そのコストパフォーマンスや使いやすさから、依然として幅広い分野で活躍している重要な工具材料です。技術の進歩により粉末ハイスのような高性能な種類も開発され、様々な加工ニーズに応えています。
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