1. SUS420J1ステンレスの特性と切削性
1-1. SUS420J1とは？
SUS420J1はマルテンサイト系ステンレス鋼に分類される材質で、JIS規格で定められた機械工具や刃物などに使われるステンレス鋼の一種です。主にクロムを約12～14%含み、炭素含有量は0.15～0.25%と比較的高めで、焼入れによる硬化が可能なため、耐摩耗性に優れています。腐食に対する耐性はオーステナイト系ほど高くはありませんが、適切な熱処理により機械的強度と硬度を向上させることができます。
1-2. ステンレス鋼の分野における位置付け
SUS420J1はマルテンサイト系の代表的な材質であり、耐摩耗性や耐食性のバランスが必要とされる刃物、工具、バルブ部品などに幅広く使われます。オーステナイト系（例：SUS304、SUS316）やフェライト系と比較すると、硬度と耐摩耗性に優れている反面、耐食性はやや劣るため使用環境が限定される傾向にあります。鋼種の中では硬さと耐久性が求められる用途に位置付けられています。
1-3. マルテンサイト系ステンレス鋼の特徴
マルテンサイト系は冷間加工や焼入れにより高硬度を得られることが特徴です。結晶構造は体心正方格子（BCT）で、耐摩耗性が高く刃物や切削工具に適しています。ただし、耐食性はクロム量に依存し、一般的にオーステナイト系より低いです。熱処理の管理が性能を大きく左右し、焼入れや焼戻しを通じて硬さと靭性の最適バランスを実現します。
1-4. SUS420J1の耐摩耗性と硬度
SUS420J1は適切な熱処理により硬度を最大でHRC50以上にまで高めることが可能で、摩耗に強い特性を持ちます。耐摩耗性は硬度に比例するため、切削工具や機械部品など耐摩耗性能が重要視される用途に適しています。熱処理なしの状態でも中程度の硬さを持ちますが、実用には焼入れ処理が推奨されます。
2. フライス加工における条件
2-1. 切削条件の重要性
SUS420J1のフライス加工では、材質の硬度や熱処理状態を考慮した適切な切削条件設定が必要です。不適切な切削速度や送り速度は工具の摩耗や加工精度低下を招くため、切削速度は比較的低めに設定し、工具寿命の延長を図ることが重要です。
2-2. エンドミルの選定
マルテンサイト系ステンレス鋼の加工には、硬質合金製またはコーティングされたエンドミルが推奨されます。耐摩耗性が高く、熱に強い素材の工具を用いることで工具摩耗を抑制し、安定した加工品質を維持できます。刃数や刃形状も加工条件に合わせて選ぶことがポイントです。
2-3. 送り速度の設定方法
送り速度は切削の効率と工具寿命に直結するため、適切な設定が求められます。硬度が高いSUS420J1は切削抵抗が大きいため、過剰な送り速度は避け、工具の破損や表面粗さの悪化を防止します。実績データや切削条件表を参照し、試験加工で最適値を確認するのが望ましいです。
2-4. 切削油の影響と使用
切削油は冷却と潤滑の両面で重要な役割を果たします。SUS420J1は熱による工具摩耗が早いため、高性能な切削油を使用し、切削面の温度上昇を抑制することが必要です。油性または半油性の切削油が一般的で、使用量や供給方法も切削条件に合わせて調整します。
3. 切削加工の注意点
3-1. 加工硬化の理解
SUS420J1は加工硬化を起こしやすい特性があり、切削時の硬化によって工具摩耗や割れのリスクが高まります。加工硬化を抑えるためには適切な切削条件の設定や段階的な加工、熱処理の実施が推奨されます。
3-2. 切りくずの管理
切削時に発生する切りくずは熱を持ちやすく、加工面や工具に悪影響を及ぼすことがあります。切りくずの排出を円滑にし、詰まりや再切削を防ぐための切りくず処理や切削油の適切な供給が重要です。
3-3. 温度管理とその効果
加工中の温度上昇は工具寿命を短くし、材料の変質や加工精度低下を招きます。適切な切削油の使用と加工条件の調整により温度を制御することが求められます。冷却性を高める工夫により、加工の安定性と品質向上が図れます。
4. SUS420J1の切削性の課題
4-1. 難しい切削の原因と解決策
SUS420J1の切削が難しい主な原因は、材質の高硬度と加工硬化特性にあります。加工中に工具と材料が摩擦で発熱しやすく、工具の摩耗や刃先の損傷が早まるため、切削抵抗が大きくなります。また、切りくずが絡みやすいことも加工難易度を上げる要因です。
解決策としては、以下が挙げられます：
- 切削条件の最適化：低速・中送りを基本に設定し、工具への負担を軽減
- 高性能工具の使用：耐摩耗性の高い超硬合金工具やコーティング工具を採用
- 切削油の適切な使用：強力な冷却・潤滑効果で工具寿命を延長
- 段階的加工：荒加工と仕上げ加工を分け、仕上げ時の負荷を軽減
- 切りくず排出の改善：適切な切削条件と工具形状により切りくずの巻き込み防止
4-2. 仕上げ加工の考慮事項
仕上げ加工では、加工硬化や表面粗さを抑えつつ、寸法精度を高める必要があります。SUS420J1は硬度が高いため、刃先の摩耗が早く、仕上げ精度が落ちやすい点に注意が必要です。工具の切れ味を保つため頻繁なメンテナンスや交換を行い、加工速度と送り速度を慎重に設定することが重要です。加工中の振動や熱変形を防ぐため、安定したクランプや冷却方法も欠かせません。
5. SUS420J1と他のステンレス（SUS304など）の比較
5-1. 切削性の違い
SUS420J1はマルテンサイト系で高硬度かつ耐摩耗性が高いため、切削が難しく工具摩耗が早い傾向にあります。一方、SUS304はオーステナイト系で比較的柔らかく、切削性が良好です。SUS304は耐食性に優れるものの、加工硬化が少なく、加工中のトラブルは少ないため初心者向きとも言えます。
5-2. 用途別の選び方
- SUS420J1：刃物、工具、耐摩耗部品など硬度と耐摩耗性が求められる用途
- SUS304：耐食性が重要な食品機器、建築材、化学装置など多目的用途
それぞれの特性を踏まえ、加工性と使用環境のバランスで選定します。
5-3. 適用分野の比較
SUS420J1は機械部品や刃物、バルブ部品など、耐摩耗性や耐久性重視の分野で用いられます。SUS304は食品加工機械、医療機器、建築用材など腐食耐性を優先する分野での採用が多いです。用途の違いにより材質の選択は大きく異なります。
6. 加工方法の選定
6-1. フライスと旋盤の違い
- フライス加工：主に平面や溝、複雑な形状の切削に適しており、多軸制御が可能なため複雑な部品加工に向きます。SUS420J1のような硬質材料でも精密な形状加工が可能です。
- 旋盤加工：円筒形状や回転体の外径・内径加工に特化。回転する材料に対して刃物を当てる方式で、SUS420J1のような硬い材質も適切な条件で加工可能です。
6-2. 切削加工の選び方
加工する部品形状、求められる精度、加工量、コストを総合的に考慮して選択します。硬質のSUS420J1は、精度と工具寿命を重視した加工条件が必要なため、フライス加工では多段階の切削、旋盤加工では刃物選定と冷却管理が重要です。
用途に応じて、フライス加工と旋盤加工を組み合わせることも一般的です。
