ステンレス鋼はどんな金属? 工具選定や切削加工時のポイントとは

ステンレス鋼はどんな金属? 工具選定や切削加工時のポイントとは

ステンレス鋼は、身の回りの生活用品から工業品、大規模プラントの部品に至るまで、多くの場所で活躍している金属です。しかし活用の幅が広い反面、加工の際には注意が必要な点もあります。 この記事では、ステンレス鋼の種類や特徴、加工時の工具選定や注意点についてご紹介します。

ステンレス鋼とは

ステンレス鋼は英語で「stainless steel」と書き、直訳すると「錆びない鉄」という意味を持つ金属です。しかし、実際には錆びることもあるため、ステンレス鋼を正しく表すと「錆びにくい鉄の合金」となります。 成分としては、主成分である鉄(Fe)の他にクロム(Cr)が10.5%以上含まれていて、クロムの含有率が高くなるに従い、錆を防ぐ不動態被膜が強固になり耐食性が大きくなるのが特徴です。 耐食性や強度が高く意匠性にも優れるステンレス鋼は、日用品から工業品までさまざまな場面で活躍していますが、一般的な鉄鋼に比べ被削性が悪く加工が難しいです。そのため、切削加工時には工具の選定や切削条件の設定に注意が必要となります。

ステンレス鋼の種類とそれぞれの特徴

ステンレス鋼は、クロムだけでなく数種類の元素を添加することで特性が変えられ、用途に応じて使い分けられています。 JIS規格だけでも100種以上の登録がありますが、大きく分けると次のような種類があります。

・オーステナイト系

鉄(Fe)を主成分として、炭素(C)0.15%以下、クロム(Cr)16%~20%、ニッケル(Ni)8%以上を含むステンレス鋼はオーステナイト系に分類されます。 靭性に優れ、深絞りや曲げ加工などの冷間加工性がよく溶接性も高いなど、使いやすい素材です。また、耐食性も高く温度による性質変化も少ないため、幅広い分野で使われています。 クロムを18%、ニッケルを8%添加したSUS304が代表的で、スプーンやフォークなどに「18-8」と書かれているものはこのSUS304が原料です。

・フェライト系

炭素0.12%以下、クロム16%~18%、ニッケル8%以上を含むものがフェライト系です。オーステナイト系と比較し耐食性はやや劣りますが、熱処理による硬化が少なく軟質を維持するため、良好な成形加工性と溶接性を持ちます。 フェライト系の中では、クロム含有率18%でニッケルを含まないSUS430が代表的です。

・二相系

二相系はオーステナイト系とフェライト系、2つの金属組織を持ち、性質についてもオーステナイト系とフェライト系のほぼ中間にあたります。このため、「オーステナイト・フェライト系」とも呼ばれることがあります。 二相系の大きな特徴は、海水に対する耐性や耐応力腐食割れ性、強度に優れている点です。海水に触れる装置の材料に適していて、海水を冷却水として使う発電所やプラントなどで活用されています。

・マルテンサイト系

マルテンサイト系は炭素0.1%~0.40%、クロム12%~18%を含むステンレス鋼です。焼入れにより硬度を上げることが可能で、配合と熱処理によりさまざまな特性を得ることができます。 硬度が求められる機械構造部品やタッピングネジ、刃物などに使われることが多いですが、表面に鉄粉が付着していると錆びることがあるため注意が必要です。 代表的なマルテンサイト系のステンレス鋼としては、「13クロム」と呼ばれるクロムを13%含んだSUS403やSUS410が挙げられます。

ステンレス鋼の加工に適した切削工具

ステンレス鋼を切削加工する際は、切削によって発生する熱に注意しなければいけません。ステンレス鋼は一般的な鋼に比べ熱伝導率が低く、切削工具の刃先に切削熱が集中するため、工具摩耗が進展しやすいです。耐摩耗性を優先し、コーティング処理を施した超硬合金製の切削工具が推奨されます。 また、熱が集中する切れ刃の負担を軽減するため、エンドミルであればねじれが強く鋭利な刃で、剛性を確保しつつ1枚の刃にかかる負担を減らす目的で多刃も効果的ですが、切り屑排出性は落ちるので注意が必要です。バイトの場合はポジティブすくい角のものが適しています。 ドリルでの穴あけ加工を行う場合は、ねじれ角が先端側で強く途中で緩くなるデュアルリードタイプのドリルを使うことで、切り屑排出性と剛性を両立できます。

ステンレス鋼を加工する際のポイント

ステンレス鋼の切削加工では熱の発生がポイントとなり、熱伝導率を高める意味でもクーラントが必要です。 被削材がステンレス鋼の場合、一般的にはエアの吹き付けによる冷却で十分とされていますが、仕上げ切削では切削熱が高くなるため逃げ面が摩耗しやすく、エア冷却では不足する場合もあります。 対策として切れ刃逃げ面側にオイルミストを供給することで、切削抵抗を軽減しながら冷却効果を高めることが可能です。これにより、切削面の仕上がり精度と工具寿命の向上が期待できます。 強ねじれ角のエンドミルを使って加工を行う際は、刃の欠けを防ぐために切り込み量を少なめにするとよいでしょう。

ステンレス鋼の加工は工具や方法の選択が重要

ステンレス鋼は錆びにくく、多くの場所で使われている反面、切削性が低く加工が難しい金属でもあります。ステンレス鋼の切削を行う際には、被削材の特性を理解して工具の選定を行い、ポイントを押さえた加工方法を検討しましょう。