工具鋼とは？種類や特徴、高速度工具鋼との違いを分かりやすく解説

執筆者 Lynn Xmake | 10月 11, 2024

工具鋼は、金属の切削や加工に使われる特別な鋼材で、用途に応じたさまざまな種類があります。本記事では、工具鋼の基本的な特徴や種類、そして高速度工具鋼（HSS）との違いについて分かりやすく解説します。鋼材選びの参考にぜひご活用ください。

工具鋼とは？

工具鋼（Tool Steel）は、主に工具や金型の製造に使用される特殊な鋼の一種です。特に耐摩耗性、耐熱性、強度、硬度に優れ、過酷な作業環境でも高い性能を発揮します。工具鋼には、高炭素鋼をベースに、タングステン、クロム、モリブデン、バナジウムなどの元素が添加されることが多く、それにより特定の性質が向上します。

工具鋼の主な種類

炭素工具鋼

炭素工具鋼は、炭素含有量が約0.6～1.5%の鋼で、特に耐摩耗性と高硬度を特徴とします。炭素含有量が高くなるほど硬度が向上し、切削工具や打ち抜き工具、やすりなどに広く利用されます。

熱処理によって硬化し、低温での作業に適しているため、冷間作業用工具に主に使用されます。しかし、靭性が低く、衝撃や高温に弱いため、高温環境での使用や強い衝撃を受ける場面には向いていません。そのため、用途に応じて適切な使用が求められます。

合金工具鋼

合金工具鋼は、炭素工具鋼にクロム、タングステン、モリブデン、バナジウムなどの合金元素を添加することで、特定の性能を強化した工具鋼です。これにより、高硬度、耐摩耗性、耐熱性、靭性などが向上し、過酷な環境でも優れた耐久性を発揮します。

合金元素の組み合わせにより、冷間工具鋼、熱間工具鋼、高速度鋼など、様々な種類があります。合金工具鋼は、金型や切削工具、鍛造工具など、幅広い用途で使用され、高温でも性能を保つ点が特徴です。

高速度工具鋼

高速度工具鋼（HSS）は、タングステンやモリブデンなどを含む合金工具鋼の一種で、特に高温でも硬度と耐摩耗性を保つ点が特徴です。

通常の工具鋼よりも耐熱性に優れ、600℃以上の高温でも切削性能を維持できるため、高速での切削作業やドリル、フライス盤、タップなどの工具に広く用いられます。硬度だけでなく、靭性も備えており、耐摩耗性と耐衝撃性が求められる過酷な環境下でも使用されるため、製造業で重要な役割を果たします。

その他の特殊工具鋼

その他の特殊工具鋼には、耐衝撃工具鋼や耐腐食工具鋼など、特定の用途に対応するために設計された鋼種があります。

耐衝撃工具鋼は、靭性が高く、ハンマーやプレス工具のように強い衝撃を受ける工具に適しており、割れにくく長寿命です。耐腐食工具鋼は、ステンレス系の合金工具鋼で、湿気や化学薬品に強いため、錆や腐食のリスクがある環境で使用されます。

これらの特殊工具鋼は、過酷な条件下でも耐久性や性能を維持できます。

工具鋼の代表的な特性

• 高硬度：工具鋼は、特に熱処理後に非常に高い硬度を発揮します。これにより、金属やその他の材料を切削、成形する際に摩耗しにくくなります。
• 耐摩耗性：高硬度と相まって、工具鋼は非常に優れた耐摩耗性を持っています。これにより、長期間使用しても摩耗しにくく、工具寿命が延びます。
• 靭性：高硬度でありながら、ある程度の靭性も持ち、割れにくく、特に衝撃を受ける作業でも耐えられる性能があります。
• 耐熱性：一部の工具鋼（特に高速度鋼など）は、高温下でも硬度や強度を維持する特性があります。これにより、加熱される加工環境でも使用可能です。
• 耐腐食性：特殊な合金元素を添加することで、腐食に強い特性を持つ工具鋼も存在します。これにより、湿気や薬品にさらされる環境での使用が可能です。

高速度工具鋼と他の工具鋼との違い

高温耐性

高速度工具鋼は、高温下でも硬度を保つ能力が優れており、摂氏600～650度の高温でも切削性能を維持します。他の工具鋼（炭素工具鋼や合金工具鋼）は、高温になると硬度が低下しやすいため、連続的な高速切削には向いていません。

耐摩耗性

HSSは、摩耗に強く、耐久性が高いのが特徴です。そのため、長時間の切削作業でも摩耗が少なく、工具寿命が延びます。一般的な工具鋼では摩耗が早く、頻繁に研ぎ直しが必要になることがあります。

 加工スピード

「高速度工具鋼」という名称は、高速での切削作業に適していることに由来します。他の工具鋼よりも高い切削速度での作業が可能で、作業効率が向上します。

硬度

高速度工具鋼は、合金元素（タングステン、モリブデン、バナジウムなど）が多く含まれており、これが高い硬度と靭性を提供します。他の工具鋼は硬度が低めで、特に高温下での硬度保持が劣ります。

価格

HSSは、高合金成分を含むため、他の工具鋼と比べて価格が高くなります。しかし、その高い性能と耐久性を考慮すると、特に高負荷の作業にはコストパフォーマンスが優れています。

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工具鋼の用途と業界別の活用例

機械加工業界

工具鋼は、ドリル、フライス、旋盤の刃などの切削工具に広く使用されます。これらの工具は、金属、木材、プラスチックなどの材料を高精度で切削・加工するため、特に高い硬度と耐摩耗性が求められます。高速度鋼（HSS）は、切削時の高温にも耐え、加工精度を維持できるため、主にこの分野で用いられています。

打ち抜き工具・パンチング工具

金属板やプラスチックを打ち抜いたり、穴を開けたりする**打ち抜き工具（パンチング工具）**でも工具鋼が活用されます。これらの工具には、素材の変形を防ぐための高硬度と、衝撃に耐える靭性が必要です。冷間工具鋼は、このような低温環境での打ち抜き作業に適しています。

金型製造業界

金型は、製品の形を作るための型であり、プラスチックや金属、ゴムの成形に使用されます。プレス加工や射出成形、鍛造などで使われる金型には、長時間の使用でも形状を保持できる耐久性と、繰り返しの加工に耐える強度が必要です。工具鋼は、その高い耐摩耗性と硬度から、こうした金型に広く利用されています。

工具鋼の選び方

ポイント1　用途に応じた鋼材の種類

工具鋼は多様な用途に応じて異なる種類が存在します。例えば、HSS（高速鋼）やオーステナイト鋼などの高炭素鋼は硬度が高く、耐摩耗性に優れているため、刃物や切削工具に適しています。耐熱性、耐摩耗性、靭性を兼ね備えた合金工具鋼はフライス盤やドリルなどに使用されます。

ポイント2　硬度

硬度は工具の耐久性や切れ味に大きく影響します。硬度はロックウェル硬度（HRC）などで測定されます。使用する環境に応じた硬度を選ぶことが重要です。また、工具鋼は熱処理（焼入れや焼戻し）を行うことで硬度を向上させることができます。用途に応じた熱処理の適用が必要です。

ポイント3　耐摩耗性

耐摩耗性は工具の寿命やメンテナンスに直結します。摩耗試験によって鋼材の耐摩耗性を評価します。テスト結果を参照し、用途に適したものを選びます。耐摩耗性が特に必要な場合、摩擦の多い用途に適した鋼材（例：D2、A2など）を選ぶと良いです。

ポイント4　靭性

打撃や高負荷の環境下では靭性が求められます。特に、鍛造工具や冷間加工用工具では重要です。

靭性を持つ合金工具鋼や低炭素鋼を選ぶことで、強度と耐衝撃性を兼ね備えた工具を得ることができます。

ポイント5　加工性

加工が難しい鋼材では、工具寿命が短くなったり、コストが増大したりするため、鋼材の切削性を確認することが重要です。
加工性が良い鋼材を選ぶことで、最終製品の仕上がりが向上し、品質を保つことができます。

まとめ

工具鋼とは、金属の切削や成形、圧延などに使用される特殊鋼で、優れた硬度や耐摩耗性を持つ材料です。工具鋼には、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼（HSS）などがあり、用途に応じて選ばれます。特にHSSは、高温下でも硬度を維持し、高速切削に適しているのが特徴です。

ポリエチレン（PE）の特徴と用途、ポリプロピレンとの違いを解説｜XMAKE

執筆者 Lynn Xmake | 9月 26, 2024

ポリエチレン（PE）は、軽量で耐薬品性に優れたプラスチック素材で、幅広い用途に利用されています。本記事では、PEの特徴、主要な用途、ポリプロピレンとの違いについて詳しく解説し、選び方のポイントをお伝えします。

ポリエチレン（PE）とは？基本的な概要と特性

ポリエチレンの化学構造

ポリエチレンは、炭素原子と水素原子が直鎖状に結合した構造を持っています。これは、エチレンの分子が連なってできたものです。

低密度ポリエチレン（LDPE）と高密度ポリエチレン（HDPE）

LDPEは、分岐が多い分子構造を持つため、分子鎖同士が緩やかに絡み合っています。これにより、密度が低く、柔軟性が高くなります。

HDPEは、分岐が少ない直線的な分子構造を持つため、分子鎖が密に詰まっています。そのため、密度が高く、強度も優れています。

ポリエチレンの主な特徴

耐久性

ポリエチレンは非常に耐久性が高い素材です。物理的な強度があり、特に耐摩耗性や耐引裂性に優れています。これにより、過酷な条件でも長期間使用できるため、梱包材やインフラ用途などに適しています。

耐薬品性

ポリエチレンは多くの化学薬品に対して優れた耐性を持っています。酸、アルカリ、塩などの化学物質に対して腐食しにくく、化学処理や工業用途でも広く利用されています。特に、HDPEはこの点で非常に強力です。

軽量性

ポリエチレンは非常に軽量な素材です。密度が低いため、重量が重要な要素となる製品や、持ち運びが容易である必要のある物品に使用されます。軽量でありながら、強度もあるため、効率的な設計が可能です。

耐水性

ポリエチレンは防水性に優れており、水分を吸収しないため、屋外での使用や水に関連する製品に適しています。この特性により、パイプ、タンク、シートなどの製品に使用されることが多いです。

柔軟性

低密度ポリエチレン（LDPE）は、非常に柔軟性があり、衝撃に強い特徴を持っています。曲げたり引っ張ったりしても割れにくいため、特に包装材料やフィルムなどに使用されます。

加工のしやすさ

ポリエチレンは熱可塑性樹脂であり、加熱することで柔らかくなり、冷却すると再び固まる性質を持っています。この特性により、さまざまな形状に加工しやすく、射出成形や押出成形、ブロー成形などの加工方法が適用されます。

リサイクル性

ポリエチレンは再利用が可能な素材で、リサイクルプロセスに適しています。リサイクルされたポリエチレンは、新しい製品の材料として再利用されることが多く、環境に配慮した素材です。特に、HDPEはリサイクル効率が高いことで知られています。

低コスト

ポリエチレンは生産コストが比較的低く、大量生産が可能なため、コストパフォーマンスが非常に良い素材です。そのため、包装材から工業製品まで、幅広い用途で採用されています。

ポリエチレンの用途

1. ポリエチレン製包装材料

• 食品包装: ポリエチレンは、食品包装用のフィルムやプラスチックバッグに使用されています。特に低密度ポリエチレン（LDPE）は柔軟性と透明性が高く、ラップフィルムや冷凍食品の包装に適しています。
• ショッピングバッグ: スーパーや小売店で使用されるプラスチックバッグの多くは、耐久性のあるポリエチレン製です。
• ゴミ袋: 軽量で防水性が高いため、家庭や業務用のゴミ袋にも使用されます。

2.ポリエチレン製容器・ボトル

• 家庭用品: 洗剤やシャンプーなどの容器、食品用のタッパーや保存容器は高密度ポリエチレン（HDPE）で作られることが多いです。強度があり、耐薬品性にも優れています。
• 飲料ボトル: PEは軽量で割れにくいことから、特に乳製品やジュースなどのボトルに使われています。

3. 建設・インフラ

• 配管: 高密度ポリエチレン（HDPE）は、耐腐食性が高く、柔軟でありながら耐久性もあるため、水道管やガス管、下水管に広く使用されています。
• 防水シート: ポリエチレンは防水性が高いため、建設現場で使用される防水シートやライナーなどに利用されます。

4. 農業用途

• 温室フィルム: ポリエチレンのフィルムは、農業分野で温室やトンネル栽培のカバーとして使用されています。耐候性が高く、光透過率も優れています。
• 農業用パイプ: 耐薬品性が高いため、農薬や肥料が通る灌漑用パイプにも使用されています。

5. 医療・衛生用品

• 医療包装: 医療器具や薬品のパッケージングにも、ポリエチレンは無菌性や耐久性を提供します。
• 防護具: 使い捨て手袋やマスクなどの医療用防護具にも使用されています。

6. 家庭用製品

• 日用品: ゴミ箱、洗濯カゴ、食品保存バッグなど、さまざまな家庭用アイテムで使われています。軽量かつ耐久性があるため、家庭用品には不可欠な素材です。

7. 工業・化学分野

• 化学タンク: ポリエチレンは耐薬品性があるため、化学薬品を保存するタンクやコンテナとして使用されます。腐食に強く、化学反応を起こしにくいという特徴があります。
• 断熱材: ポリエチレンフォームは軽量で断熱性が高いため、配管や壁材の断熱材としても利用されます。

ポリエチレンとポリプロピレンの違い

1. 化学構造の違い

• ポリエチレン（PE）: エチレン分子が重合してできた熱可塑性樹脂で、分子構造が単純で柔軟性があります。
• ポリプロピレン（PP）: プロピレン分子を基にした熱可塑性樹脂で、分子構造がより複雑で、結晶性が高いため強度があります。

2. 物理的特性

• 柔軟性と強度: ポリエチレンは一般的に柔軟で、特に低密度ポリエチレン（LDPE）は曲げたり引っ張ったりしても割れにくい。一方、ポリプロピレンはポリエチレンより硬く、引張強度が高いため、より堅固で耐久性のある製品に適しています。
• 耐熱性: ポリプロピレンは耐熱性が高く、ポリエチレンよりも高温に耐えられるため、電子レンジや食器洗い機で使用できる製品に多く使われます。PEは低温には強いが、高温では耐久性が劣るため、特に熱に弱いです。

3. 用途の違い

• ポリエチレン（PE）: 主に柔軟性が求められる製品に使用され、包装材料、ショッピングバッグ、食品保存用フィルム、パイプ、タンクなどに広く利用されています。特に、低温下でも柔軟性を保つため、冷凍食品の包装などに適しています。
• ポリプロピレン（PP）: 耐熱性と強度が求められる製品に使われ、食品用容器、医療器具、自動車部品、家具、繊維など、剛性が必要な場面で広く使用されます。高温や反復使用に耐えるため、再利用可能な容器や包装材にも適しています。

4. 耐薬品性

• ポリエチレン（PE）: 多くの化学物質に対して耐薬品性が高く、酸やアルカリ、塩類などに耐えるため、化学薬品の容器やタンクに使用されます。
• ポリプロピレン（PP）: ポリエチレンと同様に優れた耐薬品性を持っていますが、特に強酸や強アルカリに対してはポリプロピレンのほうがやや優れています。

5. リサイクル性

• ポリエチレン（PE）: リサイクルプロセスに適しており、多くの国で回収・再利用が進んでいます。リサイクルされたポリエチレンは、ゴミ袋やパイプ、建材などに再利用されることが多いです。
• ポリプロピレン（PP）: ポリプロピレンもリサイクル可能ですが、リサイクル率はポリエチレンよりやや低い傾向があります。それでも再利用されたポリプロピレンは、家具や自動車部品、繊維製品などに使用されます。

まとめ