1. 工具材料が持つべき基本特性
工具材料の選択は、工具寿命、加工効率、加工品質、加工コストに大きな影響を与えます。切削加工の際、工具は高圧、高温、摩擦、衝撃、振動に耐える必要があります。そのため、工具材料には以下の基本特性が必要です。
（１）硬度と耐摩耗性。工具材料の硬度はワークピース材料の硬度よりも高くなければならず、一般的には60HRC以上が求められます。工具材料の硬度が高いほど、耐摩耗性は向上します。
（２）強度と靭性。工具材料は、切削力、衝撃、振動に耐え、工具の脆性破壊や欠けを防止するために、高い強度と靭性を備えている必要があります。
（３）耐熱性。工具材料は耐熱性に優れ、高い切削温度に耐えることができ、抗酸化能力に優れている必要がある。
（4）加工性能と経済性。工具材料は、鍛造性能、熱処理性能、溶接性能、研削性能などが優れ、高い性能と価格の比率を追求する必要がある。
2. 工具材料の種類、性能、特徴、用途
1. ダイヤモンド工具材料の種類、性質、特徴と工具用途
ダイヤモンドは炭素の同素体であり、自然界で最も硬い物質です。ダイヤモンド工具は高硬度、高耐摩耗性、高熱伝導性を備えており、非鉄金属や非金属材料の加工に広く使用されています。特にアルミニウムやシリコンアルミニウム合金の高速切削では、ダイヤモンド工具は代替が難しい主な切削工具です。高効率、高安定性、長寿命加工を実現できるダイヤモンド工具は、現代のCNC加工に欠かせない重要なツールです。
1) ダイヤモンド工具の種類
①天然ダイヤモンド工具：天然ダイヤモンドは数百年にわたって切削工具として使用されてきました。天然単結晶ダイヤモンド工具は、微細研磨後、非常に鋭利になり、刃先半径は最大0.002μmに達し、極薄切削を実現し、非常に高いワークピース精度と非常に低い表面粗さを処理できます。これは、認められた理想的でかけがえのない超精密加工工具です。
② PCDダイヤモンド工具：天然ダイヤモンドは高価であり、切削用ダイヤモンドとして最も広く使用されているのは多結晶ダイヤモンド（PCD）です。1970年代初頭から、高温高圧合成技術によって製造された多結晶ダイヤモンド（Polycrystauine diamond、PCDと呼ばれる）ブレードの開発に成功して以来、天然ダイヤモンド工具は多くの場合、人工多結晶ダイヤモンドに置き換えられてきました。PCDの原材料は豊富で、その価格は天然ダイヤモンドのわずか数十分の1から10分の1です。
PCD工具は、極めて鋭い刃先を研削することができず、加工したワークピースの表面品質は天然ダイヤモンドほど良くありません。現在、業界ではチップブレーカー付きのPCDブレードを製造することは容易ではありません。そのため、PCDは非鉄金属や非金属の精密切削にしか使用できず、超精密な鏡面切削を実現することは困難です。
③CVDダイヤモンド工具：CVDダイヤモンド技術は、1970年代後半から1980年代前半にかけて日本で登場しました。CVDダイヤモンドとは、化学気相成長法（CVD）によって異種基板（超硬合金、セラミックスなど）上にダイヤモンド膜を合成することを指します。CVDダイヤモンドは、天然ダイヤモンドと同じ構造と特性を持っています。
CVD ダイヤモンドの性能は天然ダイヤモンドに非常に近く、天然単結晶ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンド (PCD) の利点を備え、ある程度その欠点を克服しています。
（２）ダイヤモンド工具の性能特性
① 極めて高い硬度と耐摩耗性：天然ダイヤモンドは自然界で最も硬い物質です。ダイヤモンドは極めて高い耐摩耗性を持っています。高硬度材料を加工する場合、ダイヤモンド工具の寿命は超硬合金工具の10～100倍、場合によっては数百倍にもなります。
② 摩擦係数が非常に低い：ダイヤモンドと一部の非鉄金属との間の摩擦係数は、他の工具よりも低くなっています。摩擦係数が低いということは、加工中の変形が少ないことを意味し、切削力を低減できます。
③ 非常に鋭い刃先：ダイヤモンド工具の刃先は非常に鋭く研ぐことができます。天然単結晶ダイヤモンド工具は0.002-0.008μmの鋭さを実現し、極薄切断や超精密加工が可能です。
④ 非常に高い熱伝導率：ダイヤモンドは熱伝導率と熱拡散率が高く、切削熱が放散しやすく、工具の切削部分の温度が低くなります。
⑤ 低熱膨張係数：ダイヤモンドの熱膨張係数は超硬合金の熱膨張係数より数倍小さく、切削熱による工具サイズの変化が非常に小さいため、特に寸法精度が求められる精密・超精密加工に重要です。
（３）ダイヤモンド工具の応用
ダイヤモンド工具は主に、非鉄金属や非金属材料の高速微細切削や穴あけ加工に使用されます。ガラス繊維強化プラスチック粉末冶金ブランク、セラミック材料などの各種耐摩耗性非金属、各種シリコンアルミニウム合金などの各種耐摩耗性非鉄金属、各種非鉄金属仕上げ加工に適しています。
ダイヤモンド工具の欠点は、熱安定性が低いことです。切削温度が700度～800度を超えると、硬度が完全に失われます。また、ダイヤモンド（炭素）は高温で鉄原子と反応しやすく、炭素原子をグラファイト構造に変え、工具が損傷しやすいため、鉄金属の切削には適していません。
2. 立方晶窒化ホウ素工具材料の種類、性質、特徴および工具用途
立方晶窒化ホウ素（CBN）はダイヤモンドの製造方法に似た方法で合成された第2の超硬質材料であり、硬度と熱伝導率はダイヤモンドに次ぐものです。熱安定性に優れ、大気中で10,000度に加熱しても酸化しません。CBNは鉄金属に対して非常に安定した化学的性質を持ち、鉄鋼製品の加工に広く使用できます。
（１）立方晶窒化ホウ素工具の種類
立方晶窒化ホウ素（CBN）は、自然界には存在しない物質です。単結晶と多結晶、つまりCBN単結晶と多結晶立方晶窒化ホウ素（略してPCBN）に分けられます。CBNは窒化ホウ素（BN）の同素体の一つで、ダイヤモンドに似た構造をしています。
PCBN（多結晶立方晶窒化ホウ素）は、高温高圧下で結合相（TiC、TiN、Al、Tiなど）を介して微細なCBN材料を焼結して作られた多結晶材料です。現在、人工的に合成されたダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ工具材料であり、ダイヤモンドと合わせて超硬工具材料と呼ばれています。PCBNは主に工具や工具の製造に使用されます。
PCBN 工具は、一体型 PCBN ブレードと、超硬合金で焼結された PCBN 複合ブレードに分けられます。
PCBN 複合ブレードは、優れた強度と靭性を備えた超硬合金上に {{{0}}.5-1.0mm 厚の PCBN 層を焼結して作られています。その性能は、優れた靭性と高い硬度および耐摩耗性を兼ね備えています。CBN ブレードの曲げ強度が低いことと溶接が難しいという問題を解決します。
（２）立方晶窒化ホウ素の主な性質と特徴
立方晶窒化ホウ素の硬度はダイヤモンドよりわずかに低いですが、他の高硬度材料よりはるかに高いです。CBN の優れた利点は、熱安定性がダイヤモンドよりもはるかに高いことです。ダイヤモンドは 1200 度以上まで耐えることができます (ダイヤモンドは 700-800 度)。もう 1 つの優れた利点は、化学的に不活性であり、1200-1300 度で鉄と化学反応を起こさないことです。立方晶窒化ホウ素の主な性能特性は次のとおりです。
① 高硬度・耐摩耗性：CBNの結晶構造はダイヤモンドに似ており、ダイヤモンドと同等の硬度と強度を持っています。PCBNは、これまで研磨でしか加工できなかった高硬度材料の加工に特に適しており、より優れたワークピースの表面品質を得ることができます。
② 高い熱安定性：CBNの耐熱性は1400-1500度に達し、ダイヤモンド（700-800度）の約1倍です。PCBN工具は、超硬工具よりも3-5倍の速度で高温合金や硬化鋼を切削できます。
③ 優れた化学的安定性: 1200-1300 度で鉄材料と化学反応せず、ダイヤモンドほど鋭く摩耗しません。このとき、炭化物の硬度を維持できます。PCBN 工具は、焼入れ鋼部品やチルド鋳鉄の切断に適しており、鋳鉄の高速切断に広く使用できます。
④ 優れた熱伝導性：CBNの熱伝導性はダイヤモンドに追いつくことはできませんが、あらゆる種類の工具材料の中で、PCBNの熱伝導性はダイヤモンドに次ぐものであり、高速度鋼や超硬合金よりもはるかに高くなっています。
⑤ 低摩擦係数：摩擦係数が低いと、切削力が低下し、切削温度が低下し、切削時の表面品質が向上します。
（３）立方晶窒化ホウ素工具の応用
立方晶窒化ホウ素は、焼入れ鋼、硬質鋳鉄、耐熱合金、超硬合金、表面溶射材料など、さまざまな難削材の仕上げに適しています。加工精度はIT5（穴の場合はIT6）に達し、表面粗さの値はRa1.25〜0.20μmと小さくなります。
立方晶窒化ホウ素工具材料は靭性および曲げ強度が低いため、低速および高衝撃負荷での荒加工には適していません。また、高塑性材料（アルミニウム合金、銅合金、ニッケル基合金、高塑性鋼など）の切削にも適していません。これらの金属を切削すると深刻な構成刃先が発生し、加工面が劣化するからです。
3. セラミック工具材料の種類、性質、特徴と工具用途
セラミック工具は、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、耐熱性と化学的安定性に優れ、金属と結合しにくいという特徴があります。セラミック工具は、CNC加工において非常に重要な位置を占めています。セラミック工具は、高速切削や難削材の加工に主力となる工具の一つとなっています。セラミック工具は、高速切削、乾式切削、ハード切削、難削材の切削に広く使用されています。セラミック工具は、従来の工具では全く加工できなかった高硬度材料を効率よく加工でき、「研削ではなく旋削」を実現しています。セラミック工具の最適切削速度は、超硬合金工具の2～10倍にも達するため、切削生産効率が大幅に向上します。セラミック工具材料の主な原料は、地殻に最も多く存在する元素です。そのため、セラミック工具の普及と応用は、生産性の向上、加工コストの削減、戦略的貴金属の節約に大きな意義があり、切削技術の進歩も大きく促進します。
（１）セラミック工具材料の種類
セラミック工具材料は、一般的に、アルミナ系セラミック、窒化ケイ素系セラミック、窒化ケイ素-アルミナ系複合セラミックの3つのカテゴリに分類されます。その中でも、アルミナ系と窒化ケイ素系のセラミック工具材料が最も広く使用されています。窒化ケイ素系セラミックの性能は、アルミナ系セラミックよりも優れています。
（２）セラミック工具の性能と特徴
セラミックツールの性能特性は次のとおりです。
① 硬度が高く、耐摩耗性に優れている：セラミック工具の硬度はPCDやPCBNほど高くはありませんが、超硬合金や高速度鋼工具よりもはるかに高く、93～95HRAに達します。セラミック工具は、従来の工具では加工が難しい高硬度材料を加工でき、高速切削やハード切削に適しています。
② 耐高温性と耐熱性が優れている：セラミック工具は1200度以上の高温でも切削できます。セラミック工具は優れた高温機械的特性を持っています。Al2O3セラミック工具は特に耐酸化性に優れています。刃先は赤熱状態でも連続して使用できます。そのため、セラミック工具はドライカットを実現でき、切削液が不要になります。
③ 化学的安定性が良好：セラミック工具は金属と結合しにくく、耐腐食性と化学的安定性に優れているため、工具の結合摩耗を軽減できます。
④ 摩擦係数が低い：セラミック工具は金属との親和性が低く、摩擦係数が低いため、切削力と切削温度を低減できます。
（３）セラミックツールの応用
セラミックは、主に高速仕上げ加工や中仕上げ加工に使用される工具材料の一つです。セラミック工具は、各種鋳鉄（ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、可鍛鋳鉄、チルド鋳鉄、高合金耐摩耗鋳鉄）や鋼（炭素構造用鋼、合金構造用鋼、高強度鋼、高マンガン鋼、焼入れ鋼など）の切削に適しており、銅合金、グラファイト、エンジニアリングプラスチック、複合材料の切削にも使用できます。
セラミック工具材料は曲げ強度が低く、衝撃靭性が悪いという問題があり、低速および衝撃負荷での切削には適していません。
4.コーティング工具材料の性能と特徴および工具の用途
コーティング工具は、工具の性能を向上させる重要な方法の 1 つです。コーティング工具の登場により、工具の切削性能は大きく進歩しました。コーティング工具は、耐摩耗性に優れた耐火化合物を 1 層以上、強靭な工具本体にコーティングして作られています。工具基材と硬質コーティングを組み合わせることで、工具の性能が大幅に向上します。コーティング工具は、加工効率、加工精度、工具寿命の向上、加工コストの削減を実現します。
新しい CNC 工作機械で使用される切削工具の約 80% はコーティングされた工具を使用しています。コーティングされた工具は、将来、CNC 加工の分野で最も重要な工具の種類になります。
（１）コーティング工具の種類
コーティング方法によって、コーティング工具は化学蒸着（CVD）コーティング工具と物理蒸着（PVD）コーティング工具に分けられます。コーティングされた超硬工具は一般的に化学蒸着法を使用し、蒸着温度は約1000度です。コーティングされた高速度鋼工具は一般的に物理蒸着法を使用し、蒸着温度は約500度です。
コーティング工具のベース材料の違いにより、コーティング工具は、超硬コーティング工具、高速度鋼コーティング工具、セラミックおよび超硬材料（ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素）コーティング工具に分類できます。
コーティング材料の特性に応じて、コーティングされた工具は、「ハード」コーティングされた工具と「ソフト」コーティングされた工具の 2 つのカテゴリに分類できます。「ハード」コーティングされた工具の主な目的は、高硬度と耐摩耗性です。その主な利点は、高硬度と優れた耐摩耗性です。代表的なものは、TiC コーティングと TiN コーティングです。「ソフト」コーティングされた工具の目的は、低摩擦係数で、自己潤滑工具とも呼ばれます。ワークピース材料との摩擦係数は非常に低く、約 0.1 に過ぎないため、付着を減らし、摩擦を減らし、切削力と切削温度を下げることができます。
最近、ナノコーティングされた工具が開発されました。このタイプのコーティングされた工具は、さまざまなコーティング材料（金属/金属、金属/セラミック、セラミック/セラミックなど）のさまざまな組み合わせを使用して、さまざまな機能と性能の要件を満たすことができます。合理的に設計されたナノコーティングにより、工具材料に優れた耐摩擦性と耐摩耗性、および自己潤滑性を持たせることができ、高速ドライ切削に適しています。
（２）コーティング工具の特徴
コーティングされた工具の性能特性は次のとおりです。
① 優れた機械性能と切削性能：コーティング工具は、母材とコーティング材の優れた特性を組み合わせ、母材の優れた靭性と高強度を維持しながら、コーティングの高硬度、高耐摩耗性、低摩擦係数も備えています。そのため、コーティング工具の切削速度は、コーティングされていない工具に比べて2倍以上向上し、より高い送り速度が可能になります。コーティング工具の寿命も向上します。
② 汎用性が強い：コーティングされた工具は汎用性が広く、加工範囲が大幅に広がります。コーティングされた工具 1 本で、コーティングされていない工具数本を置き換えることができます。
③ コーティングの厚さ：コーティングの厚さが厚くなると工具寿命は長くなりますが、コーティングの厚さが飽和状態に達すると、工具寿命はそれほど大きく伸びなくなります。コーティングが厚すぎると剥離が発生しやすくなり、コーティングが薄すぎると耐摩耗性が悪くなります。
④ 再研磨：コーティングされたブレードの再研磨は不十分で、コーティング装置は複雑で、プロセス要件が高く、コーティング時間が長くなります。
⑤ コーティング材質：コーティング材質が異なる工具は切削性能が異なります。例：TiCコーティングは低速切削に有利で、TiNは高速切削に適しています。
（３）コーティング工具の適用
コーティングされた工具は、CNC加工の分野で大きな可能性を秘めており、将来的にはCNC加工の分野で最も重要な工具タイプになるでしょう。コーティング技術は、エンドミル、リーマ、ドリル、複合穴加工工具、ギアホブ、ギアシェーピングカッター、ギアシェービングカッター、成形ブローチ、さまざまな機械に取り付けられたインデックス可能なインサートに適用され、さまざまな鋼や鋳鉄、耐熱合金、非鉄金属の高速切削のニーズを満たしています。
5. 超硬工具材料の種類、性質、特徴および用途
超硬合金工具、特にインデックス可能な超硬合金工具は、CNC加工工具の主力製品です。1980年代以降、さまざまな種類の一体型およびインデックス可能な超硬合金工具またはブレードがさまざまな切削工具分野に拡大されてきました。その中でも、インデックス可能な超硬合金工具は、単純な旋削工具や正面フライスカッターから、さまざまな精密、複雑、成形工具分野にまで拡大しました。
（１）超硬工具の種類
超硬合金は、主な化学組成によって、炭化タングステン系超硬合金と炭化チタン（窒化物）（TiC（N））系超硬合金に分けられます。
タングステンカーバイド系超硬合金には、タングステンコバルト型（YG）、タングステンコバルトチタン型（YT）、希土類炭化物添加型（YW）の3種類があり、それぞれ長所と短所があります。主な成分は、タングステンカーバイド（WC）、チタンカーバイド（TiC）、タンタルカーバイド（TaC）、ニオブカーバイド（NbC）などです。一般的に使用される金属結合相はCoです。
チタンカーバイド（窒化物）系超硬合金は、TiCを主成分とする超硬合金（他の炭化物や窒化物が添加されているものもある）であり、一般的に使用される金属結合相はMoとNiです。
ISO (国際標準化機構) は、切削用超硬合金を次の 3 つのカテゴリに分類しています。
KカテゴリにはKl0〜K40が含まれており、我が国のYGカテゴリに相当します（主な成分はWC-Coです）。
PカテゴリはP01～P50を含み、我が国のYTカテゴリに相当します（主成分はWC-TiC-Co）。
MカテゴリーはM10～M40を含み、我が国のYWカテゴリーに相当します（主成分はWC-TiC-TaC(NbC)-Co）。
各ブランドは 01 から 50 までの数字で表され、高硬度から最大靭性までの一連の合金を表します。
（２）超硬工具の性能特性
超硬工具の性能特性は次のとおりです。
① 高硬度：超硬工具は、粉末冶金法によって、高硬度、高融点の炭化物（ハード相と呼ばれる）と金属結合剤（結合相と呼ばれる）から作られています。その硬度は89-93HRAに達し、高速度鋼よりもはるかに高くなります。5400度でも、硬度は82-87HRAに達し、これは常温の高速度鋼の硬度（83-86HRA）と同じです。超硬合金の硬度値は、炭化物の性質、量、粒子サイズ、金属結合相の含有量によって異なり、結合金属相の含有量が増加すると一般的に低くなります。結合相の含有量が同じ場合、YT合金の硬度はYG合金よりも高く、TaC（NbC）を添加した合金は高温硬度が高くなります。
②曲げ強度と靭性：一般的に使用される超硬合金の曲げ強度は900-1500MPaの範囲です。金属結合相の含有量が多いほど、曲げ強度が高くなります。結合剤含有量が同じ場合、YG型（WC-Co）合金の強度はYT型（WC-TiC-Co）合金の強度よりも高く、TiC含有量の増加とともに強度が低下します。超硬合金は脆い材料であり、室温での衝撃靭性は高速度鋼の1/30〜1/8にすぎません。
（３）一般的に使用されている超硬工具の応用
YG型合金は主に鋳鉄、非鉄金属、非金属材料の加工に使用されます。コバルト含有量が同じ場合、細粒超硬合金（YG3X、YG6Xなど）は中粒超硬合金よりも硬度と耐摩耗性が高く、一部の特殊な硬質鋳鉄、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱合金、チタン合金、硬質青銅、耐摩耗絶縁材料の加工に適しています。
YT 型超硬合金の優れた利点は、高硬度、優れた耐熱性、高温での硬度と圧縮強度が YG 型よりも高く、耐酸化性に優れていることです。したがって、工具に高い耐熱性と耐摩耗性が求められる場合は、TiC 含有量が多いグレードを選択する必要があります。YT 合金は鋼などのプラスチック材料の加工に適していますが、チタン合金やシリコンアルミニウム合金の加工には適していません。
YW合金は、YG合金とYT合金の両方の特性を備え、総合的な特性が良好です。鋼、鋳鉄、非鉄金属の加工に使用できます。このタイプの合金のコバルト含有量を適切に増やすと、強度が非常に高くなり、さまざまな加工困難な材料の粗加工や断続切削に使用できます。
6. 高速度鋼工具の種類、特徴および用途
高速度鋼（HSS）は、W、Mo、Cr、Vなどの合金元素を大量に含む高合金工具鋼です。高速度鋼工具は、強度、靭性、加工性の面で優れた総合性能を備えています。高速度鋼は、複雑な工具、特に穴加工工具、フライスカッター、ねじ切り工具、ブローチ、歯車切削工具、および複雑な刃形状を持つその他の工具の製造において、依然として主要な位置を占めています。高速度鋼工具は、刃先を研ぎやすいです。
高速度鋼は用途の違いにより、汎用高速度鋼と高性能高速度鋼に分けられます。
（１）汎用高速度鋼工具
汎用高速度鋼。一般的には、タングステン鋼とタングステンモリブデン鋼の2種類に分けられます。このタイプの高速度鋼には、0.7%～0.9%のタングステンが含まれています。鋼中のタングステン含有量の違いにより、12%または18%のWを含むタングステン鋼、6%または8%のWを含むタングステンモリブデン鋼、2%またはWを含まないモリブデン鋼に分けられます。汎用高速度鋼は、一定の硬度（63-66HRC）と耐摩耗性、高強度と靭性、優れた可塑性と加工技術を備えているため、さまざまな複雑な工具の製造に広く使用されています。
①タングステン鋼：汎用高速度鋼タングステン鋼の代表的なグレードはW18Cr4V（略称W18）で、総合性能が良好です。6000度の高温硬度は48.5HRCで、さまざまな複雑な工具の製造に使用できます。研削性が良く、脱炭感受性が低いという利点がありますが、炭化物含有量が高く、分布が不均一で、粒子が大きく、強度と靭性が低いという欠点があります。
②タングステンモリブデン鋼：タングステン鋼のタングステンの一部をモリブデンに置き換えた高速度鋼を指します。タングステンモリブデン鋼の代表的なグレードはW6Mo5Cr4V2（略称M2）です。M2の炭化物粒子は細かく均一で、強度、靭性、高温塑性はW18Cr4Vよりも優れています。もう一つのタングステンモリブデン鋼はW9Mo3Cr4V（略称W9）で、M2鋼より熱安定性がやや高く、曲げ強度と靭性がW6M05Cr4V2より優れており、加工性も良好です。
（２）高性能高速度鋼工具
高性能高速度鋼とは、一般的な高速度鋼の成分に炭素含有量、バナジウム含有量、Co、Alなどの合金元素を添加し、耐熱性、耐摩耗性を向上させた新しいタイプの鋼を指します。主に以下の種類があります。
①高炭素高速度鋼。高炭素高速度鋼（95W18Cr4Vなど）は、常温および高温で硬度が高く、普通鋼や鋳鉄の加工、耐摩耗性要求の高いドリル、リーマ、タップ、フライス加工用工具の製造や、より硬い材料の加工に適しています。大きな衝撃には適していません。
②高バナジウム高速度鋼。代表的なグレードであるW12Cr4V4Mo（略称EV4）は、3％〜5％のVを含み、耐摩耗性に優れており、繊維、硬質ゴム、プラスチックなど、工具の摩耗が極めて激しい材料の切削に適しています。また、ステンレス鋼、高強度鋼、高温合金の加工にも使用できます。
③コバルト高速度鋼。コバルトを含む超硬質高速度鋼です。代表的なグレードであるW2Mo9Cr4VCo8（略称M42）は硬度が高く、硬度は69〜70HRCに達します。高強度耐熱鋼、高温合金、チタン合金などの難加工材料の加工に適しています。M42は研削性が良く、精密で複雑な工具を作るのに適していますが、衝撃切削条件下での作業には適していません。
④ アルミ高速度鋼。アルミニウム含有超硬質高速度鋼です。代表的なグレードはW6Mo5Cr4V2Al（略称501）です。6000度の高温硬度も54HRCに達します。切削性能はM42に相当します。フライス、ドリル、リーマ、ギアカッター、ブローチなどの製造に適しています。合金鋼、ステンレス鋼、高強度鋼、高温合金の加工に使用されます。
⑤窒素超硬質高速度鋼。代表的な鋼種はW12M03Cr4V3N（略称は（V3N））など。窒素含有超硬質高速度鋼です。硬度、強度、靭性はM42と同等です。コバルト含有高速度鋼の代替として使用でき、難加工材の低速切削や低速高精度加工に使用されます。
（３）溶解ハイス鋼および粉末冶金ハイス鋼
製造工程の違いにより、高速度鋼は溶解高速度鋼と粉末冶金高速度鋼に分けられます。
① 溶解ハイス鋼：普通ハイス鋼と高性能ハイス鋼はともに溶解法で製造され、製錬、インゴット鋳造、めっき圧延などの工程を経て切削工具に加工されます。ハイス鋼を溶解する際に発生しやすい深刻な問題は炭化物の偏析です。硬くて脆い炭化物がハイス鋼中に不均一に分布し、粒子が粗く（数十ミクロンまで）、ハイス鋼工具の耐摩耗性、靭性、切削性能に悪影響を及ぼします。
②粉末冶金高速度鋼（PM HSS）：粉末冶金高速度鋼（PM HSS）は、高周波誘導炉で溶解した鋼液であり、高圧アルゴンまたは純窒素で噴霧し、急速に冷却して微細で均一な結晶構造（高速度鋼粉末）を得ます。得られた粉末は、高温高圧下でナイフブランクにプレスされるか、最初に鋼ブランクにしてから鍛造および圧延して工具形状にします。溶解法で製造された高速度鋼と比較して、PM HSSは炭化物粒子が細かく均一であり、製錬高速度鋼よりもはるかに高い強度、靭性、耐摩耗性を備えています。複雑なCNCツールの分野では、PM HSSツールはさらに発展し、重要な位置を占めるでしょう。 F15、FR71、GFl、GF2、GF3、PT1、PVNなどの代表的なグレードは、大型、重荷重、高衝撃の切削工具の製造に使用でき、精密切削工具の製造にも使用できます。
CNC工具材料の選択の原則
現在、広く使用されているCNC工具材料には、主にダイヤモンド工具、立方晶窒化ホウ素工具、セラミック工具、コーティング工具、超硬工具、高速度鋼工具などがあります。工具材料には多くのグレードがあり、その性能は大きく異なります。さまざまな工具材料の主な性能指標を次の表に示します。
CNC加工用の工具材料は、加工するワークピースと加工の性質に応じて選択する必要があります。工具材料の選択は、加工対象と適切に一致させる必要があります。切削工具材料と加工対象のマッチングとは、主に両者の機械的特性、物理的特性、化学的特性を一致させることを指し、これにより工具寿命が最大になり、切削生産性が最大になります。
1. 切削工具材料と加工対象物の機械的特性のマッチング
切削工具と加工対象物の機械的特性のマッチングの問題は、主に工具とワークピース材料の強度、靭性、硬度などの機械的特性パラメータのマッチングを指します。異なる機械的特性を持つ工具材料は、異なるワークピース材料の加工に適しています。
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>高速度鋼。
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素のツール。
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、セラミック工具。
高硬度のワークピース材料は、より硬度の高い工具で加工する必要があります。工具材料の硬度はワークピース材料の硬度よりも高くなければならず、一般的には 60HRC 以上が必要です。工具材料の硬度が高いほど、耐摩耗性は向上します。たとえば、超硬合金のコバルト含有量が増えると、強度と靭性が向上し、硬度が低下するため、粗加工に適しています。コバルト含有量が減ると、硬度と耐摩耗性が向上し、微細加工に適しています。
高温機械的特性に優れた工具は、特に高速切削に適しています。セラミック工具は高温性能に優れているため、高速切削が可能で、超硬合金に比べて許容切削速度が2～10倍向上します。
2. 切削工具材料の物理的特性と加工対象物のマッチング
熱伝導率が高く融点が低い高速度鋼工具、融点が高く熱膨張率が低いセラミック工具、熱伝導率が高く熱膨張率が低いダイヤモンド工具など、異なる物理的特性を持つ工具は、異なるワークピース材料の加工に適しています。熱伝導率の悪いワークピースを加工する場合は、切削熱が素早く伝達され、切削温度を下げることができるように、熱伝導率の優れた工具材料を使用する必要があります。ダイヤモンドは熱伝導率と熱拡散率が高いため、大きな熱変形を引き起こすことなく切削熱を簡単に放散できます。これは、寸法精度が要求される精密加工工具にとって特に重要です。
① 各種工具材質の耐熱温度：ダイヤモンド工具の場合700-8000度、PCBN工具の場合13000-15000度、セラミック工具の場合1100-12000度、TiC(N)基超硬合金の場合900-11000度、WC基超微粒子超硬合金の場合800-9000度、HSSの場合600-7000度。
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Al2O3-ベースのセラミック。
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD。
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Al2O3-ベースのセラミック。
3. 切削工具材料と加工対象物の化学的性能マッチング
切削工具材料と加工対象物の化学性能マッチング問題は、主に工具材料とワークピース材料の化学親和性、化学反応、拡散、溶解などの化学性能パラメータを指します。異なる材料の工具は、異なるワークピース材料の加工に適しています。
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSSS。
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSSS。
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>ダイヤモンド。
4. CNC工具材料の適切な選択
一般的に、PCBN、セラミック工具、コーティングされた超硬工具、および TiCN ベースの超硬工具は、鋼などの鉄金属の CNC 加工に適しています。一方、PCD 工具は、Al、Mg、Cu などの非鉄金属材料やそれらの合金、非金属材料の加工に適しています。次の表は、さまざまな工具材料による加工に適したワークピース材料の一部を示しています。