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工具に使われる工具鋼について 忘れたらアカン ものづくり

マーシーです。

ここでは、工具に使われる工具鋼について述べます。

ドリルなどの刃具に用いられる鋼を工具鋼といいます。工具鋼には炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼の3種類がJIS規格で決められています。


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高周波焼入れ  忘れたらアカン ものづくり

高周波焼入れ(Induction hardning):JIS記号;HQI

■高周波焼入れとは
  高周波焼入れとは、表面硬化処理の一種で、金属の周囲に置かれたコイルに高周波の交流を流すことにより電磁誘導を起こして、金属表面に発生する渦電流により表面を加熱させて焼入れを行う熱処理方法です。
  金属表面のみを硬化させて硬さをまし、内部は靭性を保持した元の状態を保持できますので、比較的安価な材料を、ねばり強くて強い材料にすることができます。鋼の種類にもよりますが、一般的な焼入れと比較して、表面硬さはおおむねロックウェル硬さ(HRC)で1~2程度上昇します。

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鉄鋼材料についてのまとめ

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は鉄鋼材料についてまとめ的なものを少し、記します。


■鉄と炭素との状態図
・鉄鋼材料は、鉄と炭素との合金
・製銑、製鋼の工程で、炭素を含めて、鉄鋼中の五大元素(炭素、
     マンガン、ケイ素、リン、イオウ)が含有される。
・最も、鉄鋼の性質に影響を与える炭素の含有量を変化させて、
     非常にゆっくり加熱・冷却(準定常状態という)したときの組織を
     示したものがFe-C状態図という。


■鉄・鋼・鋳鉄の分類
    ・鉄・鋼・鋳鉄は炭素の含有量によって分類される。
      鉄: 炭素量が0.02%以下(純鉄とみなす)
      鋼: 炭素量が0.02~2.06%
      鋳鉄:炭素量が2.06~6.67%(6.67%は炭素の固溶限)

    ・鋼は炭素量によって機械的性質が変わる。
      硬さ:炭素量が増えると硬さは増化する。
      引張強さ:炭素量が増えると引張強さは増化する。
      伸び:炭素量が増えると伸びは小さくなる。


■鉄鋼材料における五大元素の働き
・炭素(C):鋼にとって最も重要な元素。
    熱処理により、さらに硬さ・強さを増加させる。
    最高焼入れ硬さは炭素量により決まる。
    含有量が多くなると、硬くなると同時にもろくなる。
   ・ケイ素(Si):鋼の耐熱性・硬さ・強さを増加させる。
   ・マンガン(Mn):焼き入れ性が良くなる。強じん性を与える。
   ・リン(P):鋼に有害な元素で、寒いときに鋼をもろくする。(低温脆性)
   ・イオウ(S):鋼に有害な元素で、赤熱状態のとき鋼をもろくする。
    (赤熱脆性)


■鉄鋼材料における合金元素の働き
・合金鋼と呼ばれる鉄鋼材料には、五大元素のほかに性質を改善する
     ため微量な元素が添加される。
・クロム(Cr):摩耗に強く、耐食性を増加させる元素。
     また、浸炭を促進し、焼入れし易くする働きもある。
    ・ニッケル(Ni):鋼に耐食性・強靭性を与える。
     粘り向上による低温時の耐衝撃特性を増加させ、
     熱処理をしやすくします。
    ・モリブデン(Mo):焼入性を増加させる元素。高温加熱時に、結晶粒の
     粗大化を防ぎ、高温引張強さを増大させる。
    ・バナジューム(V):鋼の硬度・強度を増大させる。鉄と反応して硬い炭化物
     を造り、結晶粒を微細化して強じん性を与え・耐摩耗性の向上がはかられる。
    ・タングステン(W):高温における軟化抵抗が大きい。硬い炭化物を形成する。
    ・コバルト(Co):鋼中に溶解する。耐熱性を増大させる。


■一般構造用圧延鋼材( Steel for structure ) :JIS G3101
・建築・橋・船舶・車両及びその他の構造に用いられ、一般構造用の熱間圧延鋼材
     一番使用頻度の高い材料。JISには4種類規定。
    ・成分は、有害元素のリン・イオウが0.05%以下に規制以外に規定はない。
    ・数字は引張強さを表す。
    ・炭素量は、0.2~0.25%で焼入れしても硬度は上がらない。
    ・炭素が少ないので溶接が可能。
    ・一般に熱処理をしないで使用。


■機械構造用炭素鋼( Carbon steels for machine structural use ) :JIS G4051
・熱間圧延,熱間鍛造など,熱間加工によって作られたもので、
     通常,更に鍛造,切削などの加工及び熱処理を施して使用される。
    ・一般構造用圧延鋼材より信頼性が高い、強度を必要とする軸・歯車などや
     硬度が必要なものに熱処理をして使用。
    ・主要5元素の成分について規定があり、炭素量を違うものを規定。
・炭素量が0.3%以上の炭素鋼は余熱無しに溶接すると焼き割れ発生の恐れあり。


■機械構造用合金鋼(Low-alloyed steel for machine structural use) :JIS G4053
・熱間圧延,熱間鍛造など,熱間加工によって作られたもの。
     通常、更に鍛造、切削などの加工及び熱処理又は窒化処理を施して使用。
    ・JISには40種類規定。:マンガン鋼(SMn)、マンガンクロム鋼(MnC)、
                   クロム鋼(SCr)、ニッケルクロム鋼(SNC)、
                   クロムモリブデン鋼(SCM)、
                   ニッケルクロムモリブデン鋼(SNCM)
    ・機械構造用炭素鋼では、質量の大きなものは焼きが入り難い(質量効果)ので、
     特殊合金を添加して熱処理性を改善して耐摩耗・耐食・耐衝撃性等を持たせる。


■工具鋼(Carbon tool steel) :JIS G4401
・工作機械の刃物ややすり、のこぎり、プレスに用いられる鋼材。
      耐摩耗性が要求される。
    ・耐摩耗性を優先するため炭素量が多い。
          JISでは11種類の規定があり。
    ・炭素%の高い鋼材はやすり等に、
      プレス等の衝撃がかかるものは低炭素%のものが使用される。


■合金工具鋼(Alloy tool steel) :JIS G4404
・工具鋼にCr、W、V等の合金を添加して耐熱・靭性・焼入れ性を向上。
    ・鋼材の種類は32種類。
     切削工具用、耐衝撃工具用、冷間金型用、熱間金型用の4種類に分類。


■高速度工具鋼(High speed tool steel) :JIS G4403
・ハイスピードスチールを略してハイスと呼ばれる。
    ・機械加工の切削速度の高速化に伴い開発された工具鋼。
      高速になると切削時の温度は200℃を超えるため合金工具鋼では、
      焼き戻し温度を超えるため硬度が落ちます。
    ・高速度工具鋼の焼入れ温度は1300℃以上、焼き戻し温度は500℃以上で
     行われるため高温まで硬度低下がない。
    ・高速度工具鋼の成分:W、Mo、V、Co、Cr。次の2種類に分類される。
・タングステン系・・・硬さ・耐摩耗性に優れる
    ・モリブデン系・・・粘り強さに優れる
    ・材料記号はSKH


■超硬合金(Cemented Carbide)
・セラミックスであるWCを10%程度のCoと焼結した材料を超硬合金という。
    ・超硬工具は旋盤やフライス盤、マシニングセンターなどの工作機械用のチップや
     ドリルなどとして使用。
    ・炭化物の組み合わせにより、WC-Co系、WC-TiC-Co系の合金がある。
    ・耐摩耗性に優れ、1000℃の高温でも硬度の低下が少ない。
    ・硬度は成分の組成で異なる。Coの少ないと硬さは増すが脆くて欠けやすくなり、
      Coが増すと欠けにくくなるが硬さは落ちる。
    ・工具の研磨は、一般にダイヤモンド砥石で行う。


■浸炭鋼(Wrought case-hardening steel) :JIS G7503
・浸炭は、低炭素鋼の表面に炭素を侵入させて表面のみ硬度を上げる。
    ・JISでははだ焼き鋼という。
    ・浸炭鋼は低炭素鋼で次の2種類がある。
    ・浸炭用炭素鋼:S09CK、S15CK、S20CK
    ・浸炭用合金鋼:SMn、SCr、SCM、SNCM


■窒化鋼(Wrought nitriding steel)  :JIS G7502
・窒化は鋼の表面に窒素を浸透させ硬いFeN化合物(Fe3N,Fe4N)を作る。
    ・窒化層の深さは0.1~0.3mmと浅いが、
     硬さは1000Hvと硬く耐摩耗性に優れる。(鋼種により最高硬さは異なる)
    ・AlとCrが窒素と化合してAlNやCrNの硬い化合物を生成する。(SACM465)


■ばね鋼(Spring steel) :JIS G4801
・ばねは、荷重が負荷されると弾性変形し、荷重を除荷すると元の状態に戻る。
    ・繰り返し荷重や衝撃・振動に耐えるためには、大きなねじり強さが必要なため、
     高炭素鋼(0.5~0.9%)を使用。


■軸受鋼(High carbon chromium bearing steel) :JIS G4805
・高速で繰り返し荷重を受けながら、耐摩耗性と疲労限を維持する、高炭素鋼。
    ・正式名称は、高炭素クロム軸受鋼。
    ・焼入れ性を高めるためクロムを添加。
    ・組織は、微細なCr炭化物を球状化処理して強度を上げる。
    ・焼き戻し温度は、150~180℃のため、ベアリングの焼きばめ温度は120℃以下。


■ステンレス鋼(Stainless steel)  :JIS G4304
・ステンレスとは、ステイン(錆:Stain)が無い(less)という意味。
      日本語では、不銹鋼といいます。
    ・鉄にCrを12%以上加えると金属の表面に薄い強固な酸化皮膜を生成。
      耐食性が改善される。
    ・フェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系の3種類がある。
    ・フェライト系:低炭素でフェライト組織。
     硬さより錆びないことを優先。家庭器具や建築材料
    ・マルテンサイト系:錆びないことより硬さを求めるときに使用。
          焼入れして使用するため、炭素が他のステンレスより多い
    ・オーステナイト系:耐食性に最も優れており、溶接性良好。
          化学装置、建築材料、自動車等に幅広く使用。
      18-8ステンレス(Cr 18%、Ni 8%)が代表鋼種
      オーステナイト系のステンレスは、非磁性。


■耐熱鋼(Heat resisting steel)  :JIS G4312
・高温での酸化防止と強度低下を防止する材料。
    ・高温で金属材料に荷重が負荷されると、時間の経過と共に徐々に塑性変形が
     発生し、破壊に至るクリープ現象が発生する。これに対応した鋼
    ・400℃以上の高温域で使用できるように耐熱性を高めたものいい、1000℃の高温
     まで耐えられる耐熱鋼もある。
    ・自動車エンジン用バルブなどに使用。
    ・耐熱鋼は、オーステナイト系とフェライト系の2種類に分類される。


■快削鋼(Free cutting steel) :JIS G4804
・切削加工が、容易に加工できるように開発された鋼。
     イオウ・リン・マンガン・鉛などの元素を添加。
    ・リン・イオウは、もろい性質があるので切りくずが脱落しやく、
     鉛は融点が低いため切削時の発熱のために軟化する。
    ・切削後の表面の仕上がりは良好。
    ・快削鋼は、強度より加工性を優先。大量生産品で切り欠き等の考慮が不要
     な部品に適用。
    ・JISでは13種類あり、マンガン、リン、イオウ、鉛の規定がある。


■ねずみ鋳鉄(Grey cast iron)  :JIS G5501
・鋳鉄は、炭素量が2.5~3.5%含まれており、鉄の中にすべてが溶解せず、
    一部が黒鉛として存在する。
    ・普通鋳鉄は、ねずみ鋳鉄といい複雑な形状なものに使用。
    ・鋼に比較して、引張強さが弱く、衝撃に弱いが圧縮強さは大きい
    ・黒鉛により、摩擦係数は小さく、黒鉛自体の潤滑や油溜りの役目をする。
     振動吸収性があるので、工作機械のフレームやベッドに使われる。
    ・黒鉛は、断面は三日月状に観察され、片状黒鉛と言う。
    ・普通鋳鉄の種類は、FC100、FC150、FC200、FC250、FC300、FC350の
     6種類で数字は引張強さを表わす。


■球状黒鉛鋳鉄(Spheroidal graphite cast iron)  :JIS G5502
・普通鋳鉄の片状黒鉛を球状にして、均一に分布させたもの。
     ダクタイル鋳鉄ともいう。
    ・普通鋳鉄に比較して、黒鉛による切り欠きが無いので引張強さと伸び
     が改善されている。
    ・JISでは次の7種類が規定されている。
      FCD350、FCD400、FCD450、FCD500、FCD600、FCD700、FCD800
      いずれも普通鋳鉄より引張強度が高い

鋳造欠陥   忘れたらアカン、ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は鋳造欠陥について少し、記します。



鋳造品の不良が一旦発生すると、発見された工程までの労力を無駄にして、
工程を混乱させ納期も遅延させることになります。

不良の原因は、実に様々です。その全てをあげることは私にはできませんし、
ほとんどの方も不可能でしょう。ここでは、不具合の現象とその原因について
代表的なものを、個人的なバイアスもかかった内容ですがまとめてみたいと思います。


1.寸法不正確
  (1)模型の寸法が不正確。
  (2)模型の伸び尺が実際の金属の伸びと一致しない。適切な伸び尺で模型
     が作られていない。
  (3)模型の合印が悪く、合わせ型に食い違いができる。(mismatch)
  (4)上型に載せる重しが軽すぎる、注湯のときに上型が浮き上がって厚さが
     厚くなる(俗に”はり気を生じる”といいます)。(swell)
  (5)注湯温度が不適切。
  (6)上型と下型のかぶせ方が適当。

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遅れ破壊 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、遅れ破壊について本で読んだ内容を、お話します。



 遅れ破壊とは、高強度鋼部品が静的な負荷応力を受けた状態で、
ある時間を経過したとき、外見上はほとんど塑性変形を伴うことなく、
突然脆性的に破壊する現象です。

 図1に、遅れ破壊をしたボルトの外観及び破断面の写真を示します。
伸びやくびれなど変形の形跡は認められません。しかし破断面を観
すると、破壊の起点部付近に結晶粒間で破壊が進展する粒界破壊が
認められます。

破損ボルト破損ボルトs

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さびは禁物金属部品   忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、金属部品がさびないように注意すべきポイントについて、お話します。


機械部品を取り扱う際にさびに対して、してはいけない12のポイント

機械部品はさびが禁物です。気をつけなければならないポイントを12個
あげてみました。

1.汗をかいた手で触らない
  手汗はさびを誘発します。重要な部品はビニール手袋で取り扱う必要が
 あります。手で触った個所は指紋除去剤で拭うようにしてください。

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鋳造・鋳鉄について 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、鋳造と鋳鉄についてのおさらいです。


■鋳造・鋳鉄とは
1.鋳造(casting)とは
   鋳造とは何でしょうか。鋳造とは、金属を融点より高い温度に加熱して液状にして
  砂や耐火物、金属で人為的に作られた空間(型といいます)に流し込んで、冷却して
  凝固させることで目的の形状をつくる加工法をいいます。

   鋳造に使用する型のことを鋳型(mold)といいます。また、鋳造によりできた製品
  を鋳物(casting)といいます。

   なお、鋳造はあくまでも金属材料を対称にしています。プラスチックやセラミック
  スを型で成形する射出成形は鋳造とはいいません。


 1)鋳造の長所
    鋳造の最大の長所は、金属を液体にして使用するため複雑な形状の品物を、一体
   で成形できることです。

    例えば、自動車のエンジン部品であるシリンダブロックは、写真のように複雑な
   形状であるが、鋳造品なので複雑な形状も一体で成形できます。




    もし、鋳造以外の方法で製作すると、多くの部分に分割してそれを溶接やボルト
   締結などで組立てて一体化する必要があります。従って工数がかなりかかるため
   高価になります。このように、鋳造は一体成形という面で優位性があります。

    また、鋳造は溶融した金属を地球の重力を利用して鋳型に流し込むのが一般的で
   すが、鋳型の強度が十分で、十分な量の溶融金属があれば鋳造品の大きさに限界は
   ありません。(分割して鋳造されていますが、奈良の大仏は、質量が250tです。)

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マグネットについての色々 忘れたらアカン、ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

工業用に使われるマグネットについて、述べたいとおもいます。


■磁力線の制御
  吸着用マグネットは、磁石を金属製のホルダに入れることにより、
磁力線を制御しています。
  磁石単体では磁力線が段々密度を小さくしながら無限の空間まで
広がり、N極からS極に向かいます。一方、金属性ホルダに磁石を入れる
ことにより、磁力線が全て金属ホルダを通過し金属ホルダを磁化させる
ことになり、吸着面の磁束密度が大きくなります。


■言葉の定義
  吸着力:被吸着物にマグネットを吸着させたときに、垂直方向に
      保持できる荷重をいいます。吸着力は、温度や被吸着物の
      材質、表面粗さなどの影響により変化します。吸着力は
      磁石の種類によっても異なります。

  すべり荷重:被吸着物にマグネットを吸着させたときに、水平方向
      に負荷をかけた際に滑り出す荷重です。すべり荷重は、
      被吸着物の表面粗さや吸着面との摩擦係数により変化しま
      す。すべり荷重はおおよそ吸着力の20~30%になります。





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応力腐食割れ 忘れたらアカン ものづくり

応力腐食割れを起こすステンレス


耐食性が必要な個所にはステンレス鋼が良く使われます。
しかし、このステンレス鋼もある条件では腐食を起こし
て割れる現象が発生します。たとえば、これは印刷会社
などでインクを攪拌する混合機の撹拌軸に発生した現象です。

主軸の材料は、耐食性を優先するため、ステンレス鋼を
使用しています。使用したステンレス鋼は、鉄の他に合金
元素として、8%のニッケルと18%のクロムを含有
しています。この含有比率から、このステンレス鋼は
8-18ステンレス鋼と呼ばれています。ステンレス鋼
の分類ではオーステナイト系ステンレス鋼になります。




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炭素含有量によって分類される鉄と鋼と鋳鉄 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

  今日は、炭素含有量によって鉄は、3種類に分類できるという
お話です。


■ 鉄と鋼と鋳鉄の違い

  鉄はその組成により、大きく3種類に分類されます。
  組成とは鉄と固溶する成分の濃度、つまり鉄との比率です。
  また固溶とは、2種類以上の元素が互いに溶け合って、全体が均一
の固相となっている状態をいいます。
  鉄に固溶して、その性質に影響する主要な元素に、C(炭素)、
Si(シリコン)、Mn(マンガン)、P(リン)、S(硫黄)の5つの元素
があり、これらを鉄の5元素といいます。これらはミルシート(材料
証明書)に濃度が記載されています。



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