ステンレス鋼のCNC加工｜加工性、グレード、ソリューション

ステンレス鋼は、その高い強度、靭性、そして優れた耐熱性・耐腐食性から、工学分野で広く用いられています。しかしながら、その優れた物理的・機械的特性は、製造工程において大きな課題ももたらします。機械加工の観点から見ると、ステンレス鋼は加工硬化傾向が強く、切削抵抗が大きく、熱伝導率が低いため、加工が難しい材料とみなされることが多いのです。

機械加工性の概要

被削性とは、金属材料が切削加工を受けやすい性質を指します。通常の切削条件が確立された後、金属の被削性は、加工対象物の表面粗さ、切削速度、および工具摩耗の程度に基づいて評価されます。

被削性は、摩擦や高速弾性・塑性変形を含む複雑な表面層現象です。そのため、切削の容易さや加工結果の品質は、多くの要因に左右されます。

1. ツールの材質と形状。
2. 被削材の切削性能。
3. 加工過程における切削油の存在とその特性。
4. 切断の種類と条件。

他の条件が一定であれば、最も切削しやすい金属とは、切削速度を最大化し、工具摩耗を最小限に抑え、エネルギー消費量を最小限に抑えつつ、最も満足のいく表面粗さを得られる金属である。ほとんどの場合、切削における主要な要件は高速性と長い工具寿命であるが、状況によっては、表面の滑らかさに対する要件がより厳しくなる場合もある。

被削性判定方法

1. 同じ工具を異なる金属を一定の切削速度で切削した場合の寿命を比較する。
2. 同じ圧力、回転速度、時間を用いて、異なる金属に穴を開けた深さを比較する。
3. 異なる金属を一定量切削する際に消費されるエネルギー量または放熱量によって、被削性を比較する。

これらの方法は、加工部品の表面粗さを考慮しておらず、切削の容易さのみを用いて金属の被削性を相対的に比較している。

金属の被削性は、金属の他の特性と関連する非常に複雑な技術的特性です。まず、金属の切削が難しい理由を理解する必要があります。

1. 硬度や強度が高すぎると、切削に消費されるエネルギーが大きくなり、速度が上がると発生する熱によって工具の刃先が容易に軟化し、切削が非常に困難になる。
2. 塑性の高い軟質金属は、切削時に構成刃先（BUE）が発生しやすく、工具刃先に付着しやすいため、切削が困難になり、表面粗さが増加する。
3. 加工硬化しやすい金属、例えば高炭素鋼、高マンガン鋼、耐摩耗鋼、オーステナイト系ステンレス鋼などは切削が困難である。また、炭化物や酸化物など、硬い第二相を含む金属も切削が困難であり、工具の刃先を容易に摩耗させる。

第二に、どのような構造が金属の切削性を向上させるのかを知る必要があります。母材に不溶性の第二相は、潤滑性を持つか、材料の脆性を高めることで、被削性を向上させることができます。例えば、黒鉛、鉛、ビスマスは切削時の潤滑効果を高めます。また、脆性硫化物やリン化物（鋼中のMnSやFe3Pなど）は、切りくずを破砕しやすくします。

被削性を向上させる方法

1. 硬い金属を軟化させる（テンパリング またはアニーリング）。
2. 軟らかすぎる金属を硬化させる（冷間加工、結晶粒微細化、焼きならし）。
3. 硬い第二相を低減する（製錬品質の向上、介在物の低減）。
4. ハードな第2フェーズの分布を改善する（アニーリング または正規化）。
5. 切削性能を向上させる第二相元素（鉛、ビスマス、黒鉛、硫化マンガン、リン化鉄など）を添加する。

最後の方法（５）は、自動工作機械に適した優れた被削性を持つ合金を製造することができ、そのため、これらは快削鋼および合金と呼ばれている。

被削性に影響を与える物理的および機械的特性の中には、微細構造の影響を受けにくく、構造を改善しても変化させにくいものがある。これらの特性には、母材金属の熱膨張係数、熱伝導率、弾性率などが含まれる。

ステンレス鋼切断の概要

ステンレス鋼の種類によって切削加工性は異なり、その差は顕著です。一般的に、ステンレス鋼の被削性は他の鋼材に比べて劣ります。例えば、炭素鋼と比較すると、オーステナイト系ステンレス鋼の被削性は最も劣ります。これは、オーステナイト系ステンレス鋼の加工硬化が激しく、熱伝導率が低いことが原因です。そのため、切削加工時には熱変形を抑えるために水系切削クーラントを使用する必要があります。特に溶接後の熱処理が不十分な場合、切削精度をどれだけ向上させても変形は避けられません。マルテンサイト系やフェライト系などの他の種類のステンレス鋼の被削性は、焼入れ後に切削しない限り、炭素鋼と大きな違いはありません。ただし、マルテンサイト系とフェライト系の両方において、炭素含有量が高いほど被削性は悪くなります。析出硬化型ステンレス鋼は、構造や処理方法の違いにより、異なる加工性を示すが、一般的に、焼鈍状態では、同種・同強度のマルテンサイト系およびオーステナイト系ステンレス鋼とほぼ同じ加工性を示す。

ステンレス鋼は、高い強度と靭性に加え、優れた耐熱性と耐食性を備えているため、広く使用されています。多くの用途において、ある金属材料が別の金属材料を切削できるかどうかは、その被削性によって決まります。すべてのステンレス鋼は、すべてのグレードと同様に、機械加工が可能です。ステンレス鋼の被削性は、その物理的特性や機械的特性と同様に、大きなばらつきを示します。

一般的に、ステンレス鋼とは、クロム含有量が11.5%を超える鉄系合金を指します。必要な耐食性や機械的特性を得るために、炭素、ニッケル、マンガン、ケイ素、アルミニウム、チタン、ニオブなどの元素やその他の合金元素が添加されることがあります。

被削性に基づくステンレス鋼の種類

組織構造と熱処理条件に基づいて分類する方法が最も一般的な方法です。この方法では、すべてのステンレス鋼は、焼入れ可能（マルテンサイト系）、非焼入れ可能（フェライト系）、オーステナイト系の3つのカテゴリーに分類されます。各カテゴリーには、快削鋼種も含まれます。

硬化可能なステンレス鋼

このグループは、以下の方法で硬化できる400系鋼で構成されています。 熱処理快削鋼種には、ステンレス鋼416、420F、440Fなどがあります。一般的な被削性を持つ鋼種には、403、410、420、431、440A、440B、440Cなどがあります。これらはすべてマルテンサイト系鋼で、焼きなまし状態では磁性を持ち、焼入れと焼き戻しによって様々な強度レベルに調整できます。最も加工しやすいのは416ですが、最も加工が難しいのは440Cです。これは、炭素含有量が高いため工具の摩耗が激しいためです。

非硬化性ステンレス鋼

このグループには、熱処理によって大幅に硬化させることができない400系鋼が含まれます。これらは焼きなまし状態ではフェライト組織であり、磁性を持ちます。快削鋼としては430Fがあり、一般的な被削性を持つ鋼としては405、430、446があります。

オーステナイト系ステンレス鋼

これらはCr-Ni 300系鋼で、最近Cr-Ni-Mn 200系鋼も含まれるようになりました。これらは焼きなまし状態ではオーステナイトであり、基本的に非磁性で、熱処理で硬化させることはできません。しかし、ほとんどの鋼は加工硬化率が高く、フェライト系鋼やマルテンサイト系鋼よりもはるかに高いです。快削鋼には303と303Seがあります。標準鋼には201、202、301、302、304、305、308、309、310、316、317、321、347などがあります。オーステナイト鋼は、ほとんどのマルテンサイト系鋼やフェライト系鋼よりも機械加工がはるかに困難です。焼きなまし状態では粘着性があり、特別な技術を使用しない限り繊維状の切りくずが発生します。高い加工硬化率も切削の難しさの一因となっています。

ステンレス鋼のCNC加工特性

ステンレス鋼の被削性は中炭素鋼よりもはるかに劣ります。1045鋼を100%とすると、オーステナイト系321は40%、フェライト系10Cr28は48%、マルテンサイト系420は55%です。オーステナイト系およびオーステナイト＋フェライト系は最も被削性が劣ります。特性は以下のとおりです。

過酷な加工硬化

オーステナイト鋼およびオーステナイト＋フェライト鋼で最も顕著に現れる。焼入れ後の強度は1470～1960MPaに達する。降伏限界は焼鈍状態では30～45%であるが、焼入れ後は85～95%に上昇する。硬化層の深さは切削深さの1/3以上となり、硬度は元の1.4～2.2倍になる。これは、高い塑性、格子歪み、および応力下でのオーステナイトからマルテンサイトへの変態によるものである。

大きな切削力

特にオーステナイト部における高い塑性、すなわち1045鋼の1.5倍の伸びにより、切削力が向上します。加工硬化と高い熱強度により、さらに抵抗が増大し、切りくずの破断が困難になります。06Cr18Ni11Tiの単位切削力は2450MPaで、1045鋼よりも25%高くなっています。

高温切断

大きな塑性変形と摩擦によって相当量の熱が発生する。熱伝導率が低い（1045鋼の1/4～1/2）ことも相まって、切削箇所に熱が集中する。同じ条件下では、321鋼の温度は1045鋼よりも約200℃高くなる。

砕けにくいチップ

高い塑性と靭性により、切削屑が連続的に発生し、表面を傷つける可能性がある。また、他の金属との親和性が高いため、切削屑が付着したり、構成刃先が形成されたりして、工具の摩耗や表面の剥離を悪化させる。

工具の摩耗

親和性によって凝着摩耗と拡散摩耗が発生し、工具面にクレーター状の損傷や微細な欠けが生じる。鋼材中の硬質炭化物粒子も研削摩耗の原因となる。

大きな線膨張係数

炭素鋼の約1.5倍の熱量。アンダーカット時の熱により、加工物は熱変形し、寸法精度を制御するのが難しくなる。

様々な機械加工装置の中でも、自動旋盤はステンレス鋼棒を無数の部品に加工するのに非常に効率的である。

ステンレス鋼の機械加工における考慮事項：

1. 工具は、剛性が高く、高性能で、高い過負荷耐性を備えている必要があります。機械の定格能力の75%以下で切断するのが最適です。
2. 加工物と工具はしっかりと固定してください。工具の突き出しはできるだけ短くし、必要に応じて追加の支持具を使用してください。
3. 工具は常に鋭利な状態に保ってください（ハイス鋼または超硬合金）。定期的に研磨し、必要になるまで待たないでください。
4. 塩素化石油グリースなどの高性能潤滑剤を使用してください。これは、低速送りでの重切削に効果的です。高速仕上げの場合は、温度上昇を抑えるために灯油で希釈してください。
5. クロムニッケル系オーステナイト鋼には注意が必要です。加工硬化や滑りを防ぐため、強制切削を行い、切削の中断を避けてください。

炭素鋼と比較すると：

1. 焼きなまし処理されたステンレス鋼は、一般的に強度が高い。
2. 降伏強度と引張強度の差は大きい。
3. 作業による筋力強化率は高い。
4. 高炭素鋼（440A/B/C）には、マトリックスを硬化させ、研磨性を持つ遊離合金炭化物が含まれており、摩耗を増加させる。

ステンレス鋼CNC加工プロセス

ステンレス鋼の機械加工における製造工程には、CNC旋削、フライス加工、研削、穴あけなどが含まれます。

CNC旋盤

通常は単刃切削とみなされます。工具は正のすくい角を持つ必要があります。マルテンサイト系（420、440）は摩耗を低減するために負のすくい角が必要です。オーステナイト系（200/300）は加工硬化しやすい傾向があるため、強制送りを維持し、急停止しないようにしてください。構造剛性の高い高出力旋盤を使用してください。タレット旋盤では超硬チップ付き工具が推奨されます。

• 粗送り：0.229～0.406 mm。
• 仕上げ送り量：0.076～0.254 mm。
• 速度（クロムタイプ）：61～152m/分。
• 速度（Cr-Niタイプ）：61～122m/分。
• 濃縮された水溶性油混合物を使用してください。

CNCフライス

高い接着性と融合性のため、切削屑が刃に付着しやすい。アップミリングでは、刃が硬化面上を滑るため、硬化がさらに進む。振動と衝撃が大きい。

• 工具：HSS（W-Moまたは高バナジウム鋼）または超硬合金（YG8、YW2、813、798など）を使用してください。
• 形状：大きならせん角（20°～45°）を使用してください。エンドミルは、歯の弱化を避けるためにβ35が最適です。
• 方法：歯が金属からスムーズに抜け、遠心力によって切り屑が排出されるように、上向き切削（下向き切削）を行う。
• 冷却：スプレー冷却が最も効果的です。それ以外の場合は、10％エマルジョンが十分に流れるようにしてください。
• 速度：超硬合金の場合は約24m/分、HSSの場合は約9m/分から開始してください。

CNC研削

高い靭性と耐熱性のため、負のすくい角を持つ砥粒では切削屑をせん断しにくくなります。エネルギーが高く、温度は1000～1500℃に達し、切削屑が砥石に詰まります。熱伝導率が低いため、表面の焼けや焼きなまし（深さ0.01～0.02mm）が発生する可能性があります。膨張により変形が生じ、特に薄肉部品で顕著です。ほとんどのステンレス鋼は非磁性であるため、機械的なクランプが必要となり、振動や歪みが生じる可能性があります。研削ムラや局所的な過熱は避けてください。

CNCドリル

通常はツイストドリルを使用します。焼き入れ鋼の場合は、超硬合金または超硬HSSを使用します。トルクが高く、切りくずが付着して硬化します。切りくずを分断する溝を研削し、ウェブを薄くして軸方向の力を低減します。

• 滑り止め／硬化：切り始めをスムーズにするために、縁や穴にチョークの粉を振りかけます。
• ドリル治具：ブッシングは短くし、切りくず排出のためにドリル径と同じ大きさの隙間を確保してください。
• 速度：勾配と水深に応じて12～38m/分。
• 送り速度：0.051～0.508 mm/回転。加工硬化を軽減するため、一時停止時間を最小限に抑えてください。

CNCタッピング

快削鋼は炭素鋼に似ています。すくい角は15°が最適です。深い穴には薄溝タップを使用して圧力を軽減します。精密研削されたねじ山と研磨されたフルートを備えたHSSタップを使用します。スパイラルフルートタップは切りくず制御に優れています。ねじ山の深さが75%を超えないようにしてください（65%が望ましい場合が多い）。高い精度を得るには、わずかに小さいサイズ（0.152～0.305 mmアンダーサイズ）にドリルで穴を開け、タップ加工の前にリーマ加工を行います。タップを手研削することは避けてください。

• 速度：3～11メートル/分。
• 潤滑剤：粗目ねじには硫黄系オイル、細目ねじには灯油希釈液、重ねじには白鉛粉。

機械加工後の洗浄と不動態化処理

腐食防止のため、汚れやシミをすべて取り除いてください。表面がきれいだと、不動態皮膜が形成されます。

脱脂：潤滑油やオイルをすべて除去するために、完全かつ徹底的に行う必要があります。

硝酸浴：通常、濃度20％、温度49℃で30分以上浸漬する。鉄粉を溶解し、腐食箇所を洗浄する。

調整方法：300系または高クロム400系の場合は、濃度20～40%、温度54～71℃で30～60分間処理します。低クロム400系の場合は、より低い温度で処理します。熱湯で洗い流し、すぐに乾燥させてください。

ステンレス鋼CNC加工における表面仕上げ

一般的に信じられていることとは異なり、ステンレス鋼は完全に錆びないわけではなく、単に錆びにくいというだけです。表面に形成される非常に薄いクロムを豊富に含む酸化皮膜が保護バリアの役割を果たしています。しかし、この層は、表面の傷、不適切な洗浄、炭素鋼の混入、溶接などの環境要因や機械的加工によって損傷を受ける可能性があります。これらの表面汚染は、保護層に深刻なダメージを与える可能性があります。

したがって、ステンレス鋼製品の製造工程においては、効果的な対策を講じる必要があります。腐食を防ぐ最善の方法は、適切な表面処理です。一般的な処理方法としては、ブラッシング、鏡面研磨、サンドブラスト、指紋防止コーティングなどがあり、それぞれが独自の美的効果と機能的な利点をもたらします。

ミラー研磨

鏡面仕上げとは、基本的にステンレス鋼の表面を物理的または化学的方法を用いて研磨する処理です。研磨は表面全体、または部分的な箇所に施すことができます。鏡面仕上げのグレードは、標準研磨、6K（標準鏡面）、8K（精密研磨）、10K（超精密研磨）に分類されます。鏡面仕上げは、高級感、ミニマルな印象、ファッショナブルな雰囲気、そして未来的な美しさを演出します。

サンドブラスト

これはステンレス鋼加工において一般的な表面処理プロセスです。圧縮空気を動力源として、研磨材を高速で加工対象物の表面に噴射することで、表面の質感を変化させます。 サンドブラスト 主に、接着部品の密着性向上、機械加工面のバリ取り、除染、マット仕上げの実現など、エンジニアリングやプロセスの最適化に使用されます。このプロセスは手作業による研磨よりもはるかに優れており、均一な表面構造と薄型で耐久性のある外観を高い生産効率で実現します。手作業による研磨では粗い表面が得られますが、時間がかかりすぎます。また、化学洗浄では表面が滑らかになりすぎて、最適なコーティング密着性が得られないことがよくあります。

化学処理

このプロセスでは、化学的手法と電気化学的手法を組み合わせて、ステンレス鋼の表面に安定した化合物層を生成します。 電気めっき は化学処理の典型的な例です。この方法は主に、スケール除去のために単独または混合の酸性溶液と陽極溶液に依存しています。その後、クロム酸塩処理、リン酸塩処理、または 黒色酸化物この工程は主に、複雑な模様を作成したり、特定のヴィンテージまたは現代的なデザインの要件を満たすために使用されます。

着色

表面着色処理により、ステンレス鋼に様々な色を与えることができ、金属の色合いをより鮮やかにすることができます。着色は視覚的な魅力だけでなく、製品の耐摩耗性や耐食性を効果的に向上させる効果もあります。一般的な着色方法には、化学着色、電気化学酸化着色、イオン析出酸化着色、高温酸化着色、気相熱分解着色などがあります。

ブラッシング

金属ブラッシングは非常に一般的な装飾技法です。直線、ねじれ模様、波状模様、ランダム模様、回転模様など、様々なパターンを作り出すことができます。ブラッシングされた表面は、心地よい触感、繊細な光沢、そして優れた耐摩耗性が特徴です。この処理は、電子機器、家電製品、機械設備などに幅広く応用されています。

スプレーコーティング

ステンレス鋼のスプレー塗装は、上述の着色プロセスとは大きく異なります。使用する材料によっては、塗料がステンレス鋼の酸化層を損傷する可能性もあります。しかし、特定のスプレー塗装では、簡単な工程で様々な色を実現でき、また、異なる種類のコーティングを用いることで、ステンレス鋼表面の触感や質感を変えることができます。

Getzshape CNC加工の公差と能力

Getzshapeは、高品質なカスタムCNC加工、板金加工、放電加工、ダイカストなどを提供しています。ステンレス鋼加工における当社のCNC加工能力は以下のとおりです。