① 機械刃物の設計について › 工業用機械刃物のオーダーメイド製作・製造【工業用機械刃物の製作工場】

　　①工具鋼-炭素工具鋼（SK材）
　　②工具鋼-低合金工具鋼（SKS材）
　　③工具鋼-ダイス鋼（SKD材）
　　④工具鋼-ハイス鋼（SKH材）
　　⑤ステンレス鋼-SUS材、AUS材　
　　⑥粉末治金-粉末ハイス
　　⑦粉末治金-超硬

1.機械刃物とは

機械刃物製作事例

以下は、試作刃物製作の注文を頂いた刃物の一覧です。
詳細はリンク先のページをご覧ください。

 医療用カッター（錠剤）W33×H14×t1.2　　　　　医療用カッター（錠剤）W17×H12.5×t0.5

プラスチック用カッターW180×H180×t1.2　　　　　　PP入りゴムカッターW130×H30×t0.8

食品用(玉子焼き)刃物W120×H30×t0.25　　　　　　回転式フードカッターW230×H140×t3.0

プラスチック用（配線ダクト）用刃物φ50×t1.2　　　ジャバラ管用カッターφ140×t1.0

上記写真に示すように、工場で使用される業務用刃物であり、機械部品としての刃物です。
機械刃物を「切る物」「使用機械」「使用方法」で分類すると、

①切る物

食品
木材
紙
フィルム
ゴム
プラスチック
繊維
電線（ワイヤーハーネス）
カーペット
自動車部品

②使用機械

食品機械用刃物（フードカッター）
木工機械用刃物
医療用刃物
農業機械用刃物
繊維機械用刃物（ミシン）
製紙用刃物
製本用刃物
金属加工用刃物

③使用方法

ギロチン式カッター
プロッター刃物（カッティングプロッター）（サンプルカッター）
振動カッター
超音波カッター
などがあります。

2.機械刃物の設計では

刃物の材質
機械の切断方法
刃物形状
刃物の刃先形状

などを考慮して設計します。
以下にそれぞれの具体的な内容を進めていきます。

3.機械刃物の材質の選び方

大きく分けると、「使用環境」「使用状況」で決めます。

①「使用環境」

一般的に刃物は、
工具鋼（炭素工具鋼、低合金工具鋼）を使用します。、

高速で回転する刃物や、高速で移動し切断することにより、
刃物が高温状態（200℃以上）なる場合は、
上記の2種の工具鋼は、刃物が鈍り、
刃物としての硬さが失われる場合があるので、
ダイス鋼やハイス鋼を使用します。

しかし、工具鋼・ダイス鋼・ハイス鋼は錆びやすいと言う難点があるので、
フードカッターの様に、濡れた食品を切る時や、
異物混入などを恐れて、割れにくい刃物が必要な時は,
ステンレス鋼を使用します。

さらに、耐久性を非常に重視する時は、
粉末治金（粉末ハイス、超硬）を使用します。

②「使用状況」

切る物の硬さ、切る物の切りにくさ（難削性）、
刃物に求める耐久性などを考慮し、
具体的な機械刃物の材質を決定します。

材質の硬度を硬い順に並べると、
超硬＞粉末ハイス＞ハイス鋼＞低合金工具鋼＞炭素工具鋼＞ダイス鋼＞ステンレス鋼
となります。
ステンレス鋼は錆びにくい材質ですが、耐久性は低いので、
耐久性と耐食性を両方求める場合には、
ハイス鋼にメッキ等の表面処理を施すことで対応します。

ちなみに、材料価格は、
超硬＞粉末ハイス＞ハイス鋼＞ダイス鋼＞ステンレス鋼＞低合金工具鋼＞炭素工具鋼
となります。

材質が決まれば、
硬度（必要な硬さ）を定めた上で、
適切な熱処理を行います。

以下に、
工具鋼、ステンレス鋼、粉末治金
それぞれの材質の特徴、硬度、熱処理条件などを説明します。

4.機械刃物の材質

①工具鋼-炭素工具鋼（SK材）　　

炭素工具鋼は、

・代表的な鋼材
SK：Steel Kogu

・代表的な規格
SK3
SK4
SK5

・特徴
0.6～1.5%の炭素を含有し、合金元素を添加しない工具鋼です。

・機械的特性
JIS上の種類として、SK1、SK2、SK3、SK4、SK5、SK6、SK7、SK8、SK9があります。
炭素量は1.3%を基準として、規格の数字×0.1%を引いた量となります。
すなわち、SK1：1.3-0.1=1.2%、SK3：1.3-0.3=1.0%の要領です。

なお、一般的に鋼材の炭素量が増加すると、
引張強さ・硬さが増加する一方で、
伸び・絞りが減少し、被削性・被研削性が悪くなります。

・硬度

HRC63程度

・熱処理条件
焼入れ温度：約850℃
焼戻し温度：約200℃
急冷方法：油冷
特徴：油冷なので熱処理時の歪み（変形）が大きく、後加工の歪取り加工に時間を要する。

②工具鋼-低合金工具鋼（SKS材）

低合金工具鋼は、

・代表的な鋼材
SKS：Steel Kogu Special

・代表的な規格
SKS2
SKS3
SKS5
・特徴
炭素工具鋼（SK材）に合金元素を少量添加した工具鋼です。
焼き入れ性・耐久性が炭素工具鋼より優れています。

・機械的特性
合金工具鋼は炭素工具鋼にMn（マンガン）、Cr（クロム）、W（タングステン）、
Mo（モリブデン）、V（バナジウム）などを添加し、
焼入れ硬さ、耐摩耗性、耐熱性などを向上させています。

また、切削工具鋼、耐衝撃工具鋼、冷間金型用工具鋼、熱間金型用工具鋼に分けられ
SKS材は主に切削工具鋼に分類されます。
SKS2、SKS5、SKS7ともに刃物として用いられますが、
SKS5は帯のこや丸のこに使用されることが多いです。

・硬度
HRC63程度

※焼き入れ性について
「合金鋼は合金が入っているので、焼入れ性が良い」
みたいな事を耳にしますが、焼入れ性とは何でしょうか？

Crの含有量を比較すると、
SK＜SKS＜SKD＜SKH＜SUSの順になる。

SKSはSKより焼入れ性が良いと・・・言われている。
（弊社の得意な薄くて小さい刃物においては大きく変わらない）
でも両方とも油冷（油冷のスピードで急冷しないと焼きが入らない）

一方、SKD以上になると、Crの含有量が多く焼入れ性が非常に良いので、
油冷さえ必要なく、空冷で焼入れ可能なのです。
結果として、SKやSKSより焼入れ歪みが小さくなり加工がしやすくなります。

③工具鋼-ダイス鋼（SKD材）

ダイス鋼は、

・代表的な鋼材
SKD：Steel Kogu Dice

・代表的な規格
SKD11
SKD61

・特徴
金型の材料としても用いられます。
耐久性に優れています。

・機械的特性
SKD11：
Cr（クロム）を11％程度含んだ合金工具鋼です。
Crを含んでいるため、耐摩耗性に優れます。
プレス金型に、よく用いられるため、
冷間金型用工具鋼とも呼ばれます。

SKD61：
C（炭素）はSKD11より少ないですが、
Mo（モリブデン）やV（バナジウム）を多く含む工具鋼です。
C（炭素）が少ないため、硬度はSKD11より小さいですが、
靱性（じん性）に優れる材料です。材料の破壊に対する抵抗性のことである。
（靱性：材料の破壊に対する抵抗性。材料の粘り強さとも言う。）
鍛造金型に、よく用いられるため、
熱間金型用工具鋼とも呼ばれます。

・硬度
SKD11：HRC60程度
SKD61：HRC55程度

・熱処理条件
焼入れ温度：約1050℃
焼戻し温度：約200℃、約500℃
急冷方法：空冷

※焼戻し温度について
500℃程度で焼戻すことを、高温焼戻しと言う。
高温焼き戻しは、硬さや強度は少し低下するが、延性や靱性は向上する。
機械刃物は、高速移動しながら切断することが多く、
使用中に高温になる事が多いので、高温焼戻しを行うことが多い。

④工具鋼-ハイス鋼（SKH材）

ハイス鋼は、

・代表的な鋼材
SKH： Steel Kogu High-speed

・代表的な規格
SKH2
SKH9（SKH51）

・特徴
工具鋼における高温下での弱さを補い、より高速での使用を可能にする工具鋼です。
粉末治金を除けば、耐久性に最も優れています。

・機械的特性
炭素（C）、タングステン（W）、クロム（Cr）、バナジウム（V）
を含む工具鋼です。他にコバルト（Co）、モリブデン（Mo）なども含みます。
SKH2は18-4-1型と言われ、W：18%、Cr：4%、V：1%含まれます。
SKH9（SKH51）はWの大部分をMoにしたMo型です。
Moを含むことで、粘り強さが増し、高温での強度、硬度が上がります。
また焼入れ性を上げて、焼き戻しによる軟化や脆化を防ぐ効果もあります。

・硬度
HRC64程度

・熱処理条件
焼入れ温度：約1200℃
焼戻し温度：約500℃
急冷方法：空冷

※刃物の耐久性・耐摩耗性について
一般的にC量が多いと硬度が高くなります。
そして、硬度が高くなると刃物の耐久性・耐摩耗性が向上します。

しかし、SK・SKS・SKD・SKH、どれもほとんど硬度は変わりません。
硬度はあまり変わらないのに、耐久性は明らかに違いがある。
その理由を明確に答えることは難しいですが、
焼戻し温度にヒントがあるような気がします。

SK・SKSは200度程度で焼戻し、
SKD・SKHは500度程度で焼戻します。
つまり、SKD・SKHは高温焼戻し（硬度が下がる）にもかかわらず、
SK・SKSと同等の硬度を持っている。

それにより、耐熱性だけではなく、耐久性まで兼ね備えた材料なのです。
当然ですが、その特徴の源は、合金の配合です。

⑤ステンレス鋼-SUS材、AUS材

ステンレス鋼は、

・代表的な鋼材
SUS： Steel Use Stainless

・代表的な規格
SUS420J2
SUS440C
AUS6
AUS8

・特徴
錆びにくい鋼材です（錆びないわけではありません）
主に食品業界で用いられます

・機械的特性
鉄（Fe)を主成分（50％以上）とし、クロム（Cr）を10.5％以上含むさびにくい合金鋼です。
オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系の3種類に分かれ、
フェライト系・・・・・・磁性がある、焼入れ不可、耐食性高い
オーステナイト系・・・磁性が無い、焼入れ不可（圧延により加工硬化あり）、耐食性高い
マルテンサイト系・・・磁性がある、焼入れ可、耐食性は落ちるが耐久性が高く刃物に使用される

・硬度
SUS420J2：HRC50程度
SUS440C：HRC58程度
AUS6：HRC54程度
AUS8：HRC58程度

・熱処理条件
焼入れ温度：約1000℃
焼戻し温度：約200℃
急冷方法：空冷

⑥粉末治金-粉末ハイス

粉末ハイスは、

・代表的な鋼材
SKH： Steel Kogu High-speed

・代表的な規格
HAP10
HAP40(SKH40)

・特徴
ハイス鋼に比べて強靭で、耐磨耗性に優れ、疲労に強い、靭性に富んだ鋼材です。

・機械的特性
粉末冶金法によって製造されるハイス鋼です。
型に元となる材料の粉をいれ、熱と圧力をかけながら焼結していきます。
金属組織がより緻密で、結晶粒も小さいものになります。

※粉末冶金法とは
粉末状の金属，合金，金属化合物で溶製に適しないものを焼結成形する技術です。
長所としては、
複合金属材料の製造が可能，最終形状に成形できるので、材料歩留りが良い。
短所としては、
製造コストが高く，製品の大きさが限られ，また加工性が悪い。

・硬度
HAP10：HRC63程度
HAP40：HRC66程度

・熱処理条件
焼入れ温度：約1200℃
焼戻し温度：約500℃
急冷方法：空冷

⑦粉末治金-超硬

超硬は、

・代表的な鋼材

①耐摩耗用超硬：VM
②超微粒子超硬：VF,Z

・代表的な規格

各社様々な規格を作っているので、
代表的な規格を掲載します。

①耐摩耗用超硬

アクシスマテリア：AV106,AV207,AV210,AV212,AV215
京セラ：VW30,VW55,VW70,VW80
トーカロイ：G2,G3,G4,G5
マコトロイ：GK10,GK30,GK50,GK60,GK70,GP30,GP50,GP60,GP70
三菱マテリアル：GC15,GC20,GC30,GTi05,GTi10,GTi15,GTi20,GTi30,GTi35,GTi40,GTi50

②超微粒子超硬

アクシスマテリア：AF505,AF513,AF308,AF312,AF209
京セラ：FW05,FW08,FW25,FW30,FW35,FW60
トーカロイ：GF05,GF10,GF20,FX10,FX20,FX30
マコトロイ：ZF10,ZZ05,ZZ10
三菱マテリアル：GM30,MF10,TF15

・特徴
超硬合金とは、極めて硬い合金です。
耐摩耗性が抜群に高くなります。

なお、加工するには、
ダイヤモンド砥石による研削加工・ワイヤーや電極による放電加工
のどちらかが採用されます。

・機械的特性
炭化タングステン（WC、タングステン・カーバイド）と
結合剤であるコバルト（Co）とを混合して焼結したものです。
超硬合金の材料特性をさらに向上させるため、
炭化チタン（TiC）や炭化タンタル（TaC）などが添加されることもあります。

・硬度（HRA）

耐摩耗用超硬：90程度
超微粒超硬：92程度

ダイヤモンドに次ぐ硬さ

・抗折力（曲げ強さ）

耐摩耗用超硬：2.5～3.5GPa程度
超微粒子超硬：3.5～4.5GPa程度

・熱処理条件
不要

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