JPH03178705A - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本開明は、切刃部の耐摩耗性に優れ、しかも高い靭性が
要求される用途、例えばタップのように送り速度および
切込量の大きな切削工具およびその製造方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来、切削工具の分野において、被削材の高硬度化にと
もない、Ｇｏの添加により高温硬度を向上させたり、あ
るいはＶ量を高めることにより、■を主体とした炭化物
を増量し、切削性能の向上等を図ってきた。それと同時
に、タップのように研削工程の大きい工具において、工
具自身の被研削性を向上させるため、■系炭化物を微細
化する方向で対策がとられてきた。

上記の考え方に基づいて、特開昭６１〜２］、３３５０
号、特公昭５９−５２２２７号、特公昭５７−１１９４
７号、特開平１〜１４２０５５号等が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

被加工部材の高硬度化に伴って、従来はただ単に■系炭
化物の増量や微細化によって対策を取られてきたが、近
年ますます工具の高寿命化の要望が強く、それだけでは
十分な対策となり得なかった。これは、従来タップ材の
ような切削工具に使われる素材の材質として、どのよう
な材質特性が必要であるか、具体的に明確化されていな
かったためである。

例えば、前述の特開平１〜１４２０５５号の高速度工具
鋼の場合、高硬度で、かつ優れたＭＣ型炭化物の平均自
由行程が得られるものの、切削性能の点で必ずしも十分
と言えなかった。後述するように切削寿命現象を解析し
た結果、前記高速度工具鋼の鋳造時に生成する一次の共
晶炭化物の粗大化に起因する縞状偏析と同時に一次炭化
物の微細化が不十分であったため、微少欠けが早期に発
生することが判明した。また、この耐欠は性を評価する
には、刃先相当部の微小抗折強度を測定することで数値
化でき、その結果、欠は発生頻度とよく対応できる知見
を得た。

本発明の目的は、タップ材として具備すべき材質特性を
明らかにし、新たな観点から切断性能に優れ、かつ被研
削性を満足する切削工具を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本開明は、従来あまり明らかとされていなかった、タッ
プの切削性能に及ぼす材質要因について検討し、その−
例を後述の実施例に示すように特性の異なるタップ材を
用いて切削試験を行なった後、切削寿命現象を解析した
。その結果、タップ材の高性能化のためには、以下に述
べる３つの材質要因を同時に満たす必要のあることを知
見した。

第１に切刃を有する部位における硬さを特定値以上の高
硬度にすることが必須である。実際に材質要因の分散分
析の結果、硬さの寄与率が最も大きく、以下に示す他の
材質要因に比べ２倍以上の寄与率を示した。しかし、高
硬度になると切刃が欠けやすくなるために、第２として
は切刃部の耐久は強さを抗折強度として評価し、その値
が特定の強度以上であることが重要である。さらに、第
３として微細なＶ系炭化物の増量が重要な要因で、本発
明では実際に切刃に相当する部位のミクロ組織を数値化
してＶ系炭化物の平均自由行程を特定値以下に規定する
。従来、■系炭化物の微細化は、主に工具自体の被研削
性の向上が目的とされてきたが、本発明では工具性能の
向上にも重要な材質要因であることが判明した。

すなわち、第１の発明は高速度工具鋼からなる切削工具
であって、該切削工具の切刃部における硬さ、抗折強度
、および■を主体とするＭＣ型炭化物の平均自由行程が
それぞれビッカース硬さ（３０ｋｇ）で８６０以上、２
１０　ｋｇｆ　／　ｍｍ　”以上、および１８μｍ以下
であることを特徴とする切削工具であり、第２の発明は
、高速度工具鋼が重量比でＣ１，１０〜１．３０％、Ｓ
ｉ　０．１〜１．０％、Ｍｎ　０．１〜１．０％、Ｃｒ
３．０−５．０％、Ｗ　３．０〜７．０％、Ｍｏ　５．
０−８．０％、■２．６〜３．５％およびＬａ、Ｃｅ、
Ｙの１種または２種以上で０．０２〜０．２０％含有し
、残部Ｆｅおよび通常の不純物からなす、さら４．：Ｔ
ｉ０．０２％以下、Ｎ　０．００７％以下、Ｏ４０ｐｐ
ｍ以下に規制した第１の発明に記載の切削工具であり、
第３の発明は第１の発明または第２の発明に記載の切削
工具の製造方法において、インゴットの外周からＤ／８
の範囲における鋳造後の固液共存域の冷却速度を４０℃
／ｍｉｎ以上とし、さらに塑性加工後の焼入を炭化物の
溶融開始温度マイナス１５℃以下の温度で行なうことを
特徴とする切削工具の製造方法である。

本発明によれば、高速度工具鋼からなる切削工具の切刃
部の硬さは切削性能を左右するうえで、極めて重要な要
素である。優れた切削性能を得るためにはビッカース硬
さ（３０ｋｇ）で最低８６０が必要で、８６０未満の硬
さの場合は、刃先の摺動面の塑性流動が大きくなり、摩
耗が著しく進行する。また抗折強度は切刃部の耐欠は性
を判定するうえで重要な要素であり、その試験方法の一
例を第１図に示すように切刃部の刃底相当位置の微小部
抗折力を測定することによって評価する。優れた切削性
能を得るためには抗折強度が２１０　ｋｇ　ｆ　／　ｍ
ｍ　”以上必要で、この値に未達の場合は切刃部に欠け
が発生して短寿命になる。さらに本開明では、■を主体
とするＭＣ型の炭化物をできるだけ多く析出させ、しか
もこれを微細に分散させることが切削性能および被研削
性を向上させるうえで重要である。

ＭＣ型炭化物の平均自由行程の測定には第２図に示すよ
うに切刃の刃底部に相当する位置で画像解析装置を用い
て定量評価する。まず村上試薬でＭ、ＣおよびＭ、Ｃ型
の炭化物等を腐食して、ＭＣ型以外の炭化物について、
測定総視野面積９４　、０００μｒｒｌ’当りの面積率
、平均粒度および炭化物総個数を定量する。次いで、１
０％クロム酸水溶液で、電解腐食を行ない、全炭化物を
腐食させて、上記の村上試薬で腐食した場合と同様な項
目について定量する。これらの結果から、ＭＣ型炭化物
の平均自由行程は、全炭化物の定量値からＭ、Ｃおよび
Ｍ、Ｃ型等の炭化物の差を求めて算出することができる
。

■を主体とするＭＣ型炭化物の平均自由行程は下記に示
す（１）式によって表わされる。

二二でＭＣ型炭化物の平均自由行程を１８μｍ以下に限
定する理由は、１８μｍを越える場合、刃先の摩耗が著
しくなり、切削工具の寿命を低下させるためである。

〔作用〕

以下、化学成分限定理由について詳細に述べる。

Ｃは、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどの炭化物生成元素と結合
して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させると共に、本発
明で最も重要な焼入−焼戻し後の切刃相当部位の硬さを
炭化物の粗大成長が起こらない焼入温度範囲で付与する
のに厳密な含有量のコントロールが必要である。多すぎ
ると熱処理で炭化物の成長が促進され、マトリックスの
靭性が低下し、また凝固時に巨大な炭化物を生じさせ、
被研削性を害するので、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ量とバラン
スさせて含有させる。具体的にはＣバランス（［Ｃ］　
−０，０６Ｘ　［Ｃｒ］　−０，０３３Ｘ　［Ｗ］　−
０，０６３Ｘ　［Ｍｏ）−０．２Ｘ　［Ｖ量）が−０，
３〜−０，１の範囲内になるように調整するとよい。こ
れに対して、Ｃ含有量が低すぎる場合は目標とする硬さ
が得られなくなるのでＣの含有量を１．ｌＯ〜１．３０
％に限定する。

Ｓｉ、Ｍｎは、主に脱酸を目的として０．１〜１％添加
する。

ＣｒはＣと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上さ
せると共に、焼入性の向上にも寄与する元素であり、熱
処理後の硬さを高めるのに効果がある。多すぎると縞状
偏析を助長して靭性を害し、逆に低すぎると硬さが低下
するために、Ｃｒ含有量を３．０〜５．０％に限定する
。

ＷおよびＭｏは、Ｃと結合して炭化物を形成し、また基
地中にも一部固溶して熱処理硬さを増大し、耐摩耗性を
向上させるのに有効な元素である。多すぎると炭化物の
縞状偏析を助長する他、熱処理時に炭化物の凝集、粗大
化を起こして靭性が低下し、逆に低すぎると目標とする
硬さが得られなくなるので、硬さと靭性とを適度なバラ
ンスに保つために、それぞれＷ３．０〜７．０％、Ｍｏ
５．０〜８，０％に限定する。

■は本発明において最も重要な元素の一つである。

■はＣと結合して極めて硬い炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に効果が大きいＶ含有量が３．５％を越えると巨
大な■系炭化物を生成して被研削性、靭性とを害し、逆
に２．６％未満では晶出するＶ系炭化物の量が少なくな
り、平均自由行程が１８μｍ以下を満足することができ
ず、その結果耐摩耗性が低下するので、■含有量を２．
６〜３．５％に限定する。

’ａ＋ＣｅＩＹはＶＣ炭化物中にＣｒ　、　Ｗ　、　Ｍ
　ｏを固溶させて硬質のＭＣ型の複炭化物量を増加させ
る効果があり、さらにＭＣ型炭化物を微細に分散して晶
出させて被研削性や、靭性を向上させる。多すぎるとＳ
やＯと結合して非金属介在物を作り、また鋳造欠陥の原
因となり、逆に低すぎるとＭＣ型炭化物の平均自由行程
が１８μｍを越えて耐切削性が低下すると共に被研削性
をも減じるため、Ｌａ。

Ｃｅ、Ｙの１種または２種以上で０．０２〜０．２０％
に限定する。

ここで実際の製造時には、Ｌａ、Ｃｅを添加する場合、
ミツシュメタルとして添加する方法が一般的であり、ミ
ツシュメタル中には、Ｌａ、Ｃｅの他、Ｎｄ、Ｐｒが含
まれているが、これらの各元素を単独で添加して確認し
た結果、Ｎｄ、Ｐｒは添加の効果が小さかった。このた
めこれらの元素は、本発明の請求範囲からは除外したが
、ミツシュメタルとして添加した場合のＬａ、Ｃｅの効
果を損なうものではない。

Ｔｉは本発明において有害元素であり、凝固時に高温で
Ｎ、Ｃと結合し、ＴｉＮ、ＴｉＣを形成し、■Ｃ型炭化
物の晶出核となる。これは、Ｌａ、Ｃｅ。

Ｙの添加効果を損ない、巨大なＶＣ炭化物を生成し易く
、そのためＴｉは、　０．０２％以下に限定した。

Ｎも本発明鋼の有害元素である。Ｎ量が０．００７％を
越えると、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ等の添加による効果を損なう
ために０．００７％以下とした。

○も本発明鋼の有害元素であり、これらはＬａ。

Ｃｅと結合力が強く、これらの添加による効果を損ない
、また鋼中に非金属介在物として留まり、製品の品位を
下げるために４０ｐｐｍ以下に制限した。

さらに本発明において、前述の硬さ、抗折強度および■
を主体とするＭＣ型炭化物の平均自由行程を達成する有
効手段として、上記組成を注意深く調整する他に切削工
具の刃先部に相当する位置の鋳造組織を望ましい状態に
する必要がある。すなわち、切削工具の製造方法におい
て、インゴットの外周からＤ／８の範囲における鋳造後
の固液共存域の冷却速度を４０℃／ｍｉｎ以上として、
−Ｃ炭化物の粗大化を防止すると共に、塑性加工後の焼
入を炭化物の溶融開始温度マイナス１５℃以下の温度で
行なうことが重要である。

インゴットの外周からＤ／８の範囲における鋳造後の固
液共存域の冷却速度が４０℃／ｍｉｎ未満の場合、共晶
炭化物の粗大化と同時に一次炭化物の粗大化が起こり、
その後の塑性加工において加工方向に連鎖状の縞状偏析
を誘発し、また、一部の炭化物は巨炭として残存するこ
とにより、抗折強度が低下する。上記インゴットの外周
部の冷却速度を工業的に満足させるには、インゴットケ
ースを外部から強制的に冷却するなどの方法、あるいは
連続鋳造等があり、いずれの手段を用いても有効である
。

また、塑性加工後に行なう調質における焼入を炭化物の
溶融開始温度マイナス１５℃以下の温度で行なう理由は
、もしこの温度を越えて焼入した場合、その後の焼もど
し処理で二次炭化物が粗大となり、その結果、抗折強度
などが低下するためである。

〔実施例〕

第１表に本発明鋼、比較鋼および従来鋼の化学組成を示
す。また、これらの鋼を鋳造する際にインゴットのＤ７
８部の冷却速度を測定し、その結果を第１表に併記する
。

第 ２ 表 次に、各インゴットを鍛伸し７Ｍφの棒鋼とした後、線
引き、仕上げ研削を行なった。ブランク加工、真空熱処
理を施した後、Ｍ６のポイントタップを製作した。各タ
ップを用いて第２表に示す切削条件にて、構造用炭素鋼
５４５Ｇの切削試験を行なった。タップ切削試験は、第
３図に示す斜視図の要領で行ない、切削寿命の判定は、
ねじ立て後のめねじ寸法が、日本工業規格外になるまで
の穴明数、またはそれ以前にタップが折損した場合には
、その時点での穴明数で評価を行なった。

第３表に各タップの切削寿命、タップの切刃に相当する
部位のビッカース硬度、微小部抗折強度およびＶＣ型炭
化物の平均自由行程の測定結果をそれぞれ示す。

第３表 上記測定項目のうち、微小部抗折強度は実際に切削に寄
与する部分、すなわち外周部から約１Ｍ内側の抗折強度
を評価するもので、その試験方法の概略図を第３図に示
す。なお、試験片は熱処理後の６１ｗ１φ素材から軸芯
を含む０．８ｍｍ厚さの板を切出し、タップ刃部の刃底
相当位置（Ｄ７８部）で抗折強度が得られるよう剛性の
高いホルダーを用いて試験片を十分に固定した後、スラ
イド方式のパンチによって加圧した。

Ｎ　ｏ、　１〜２２のタップ材のうち、目標とする切削
寿命（約２５００穴）が得られたものは、刃先相当部の
硬さ、強度、ＶＣの平均自由行程の３つの材質要因があ
る限界値を同時に満足していることがわかる。

より詳しくは、硬さの影響が大きい点である。硬さの著
しく低いＮｏ、５．１２は、タップ刃先の摩耗量が大き
く、ムシレ状に摩耗が進行していき、低寿命であった。

刃先相当部の硬さとしては、少なくとも１ｌＶ８６０以
上は必要である。１ＩＶ８６０以上の硬さが得られた材
料でも、Ｎｏ、３．４，８，９，１０，１４，１７．２
１のように刃先相当部の抗折強度が低いタップ材は、刃
先の欠けが発生し低寿命であった。中でもＮｏ。

４．２０は組成が本発明鋼を満足するものの鋳込時の外
周部の冷却速度が不十分なため縞状偏析が著しく、かつ
粗大な一次炭化物が残存したため刃先抗折強度が低下し
、その結果切削寿命が不十分になったものである。この
ような刃欠の発生を抑制するためには、少なくとも２１
０　ｋｇ、　ｆ　／　ｍｍ　’以上の抗折強度が必要で
ある。さらに、■Ｃ型炭化物の平均自由行程についても
、小さい方が刃先の定常的な摩耗量少なく、Ｎｏ、３．
７，８，１０，１３，１４，１７，２１．２２のように
ＶＣ型炭化物の平均自由行程が著しく大きい材料では、
定常的に摩耗が進行していき低寿命であった。ＶＣ型炭
化物の平均自由行程については１８μｍ以下とする必要
がある。上記３つの材質要因のうち、いずれの要因が欠
けても目標とする寿命を得られなかった。

以下、各タップ材について化学成分、製造条件および熱
処理条件と材質要因の関係について詳述する。Ｎｏ、１
〜５は、同じ化学成分で、熱処理条件または鋳込時の外
周部の冷却速度を変化させることにより材質要因を変え
たものである。その結果、ＨＶ８８０以上の硬さが得ら
れてもＮｏ、３のように焼入温度を高くすると炭化物が
著しく成長し、ＶＣ型炭化物の平均自由行程が大きくな
り、刃先相当部の抗折強度が低下して短寿命となる。ま
た、Ｎｏ。

５は、熱処理条件が不適当なためＩｎ８６０以上の硬さ
が得られず、さらにＮｏ、４は冷却速度が小さいため、
それぞれ短寿命になった。

これに対してＮｏ、Ｌ、２は、以下に示すＮｏ、６．１
１゜１５．１６，１８．１９とともに本発明網の特徴で
ある化学成分、製造条件を満足し、さらに適正な熱処理
を施した結果、タップ材に要求される材質特性値を達成
でき切削寿命が大幅に向上した。

比較鋼のＮｏ、８．９はＷ量が低く、逆にＭｏ量が多い
ため、焼入温度を上げると炭化物が成長し易く、ＨＶ８
６０以上の硬度を熱処理で維持しようとすると、ＶＣ型
炭化物の平均自由行程や刃先相当部の抗折強度が未達と
なり、十分な切削寿命が得られなくなる。また、比較鋼
のうちＮ０１７はＴｉが、Ｎｏ、１０は、○、Ｎがそれ
ぞれ本発明鋼の組成範囲に比べて高いだけで他の組成は
満足するものであるが。

Ｎｏ、７はＶＣ型炭化物の平均自由行程がＮｏ、ｌＯは
抗折強度、ＶＣ型炭化物の平均自由行程がそれぞれ未達
となり、結果的に切削性能が低下した。

方、比較鋼Ｎｏ、２２はＬａ、Ｃｅ、Ｙがいずれも含ま
ない他は、本発明鋼の組成範囲を満足するが、抗折強度
、■Ｃ型炭化物の平均自由行程が低下して切削性能が不
十分であった。この他、Ｎｏ、１３．１４は鋳込時の冷
却速度が小さく、またＯ、Ｎの含有量が多いため縞状偏
析が著しく、Ｎｏ、１７は本発明鋼の組成を満足するも
のの熱処理が不適当であり、Ｎｏ、２１は縞状偏析が大
きいなどの理由から、いずれも抗折強度、■Ｃ型炭化物
の平均自由行程を満足することができず、目標とする切
削性能が得られなかった。

〔発明の効果〕

以上述べたとおり、本発明ではタップ切削性能に及ぼす
材質要因について根本的な見直しと検討を行ない、その
結果、タップ材として具備すべき材質特性を明らかとし
た。これらの材質特性を満足させる化学成分、製造条件
で製造した材料は、耐摩耗性、耐久は性が向」ニし、優
れた切削性能が得られる。また、工具自身の研削性も優
れており、工具の仕上げ研削における高精度化、能率向
上に効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、刃先相当部の抗折強度評価試験法を示す図、
第２図はＭ６タツプの縦断面の金属組織写真、第３図は
タップ切削試験を示す斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高速度工具鋼からなる切削工具であって、該切削工
   具の切刃部における硬さ、抗折強度、およびＶを主体と
   するＭＣ型炭化物の平均自由行程がそれぞれビッカース
   硬さ（３０ｋｇ）で８６０以上、２１０ｋｇｆ／ｍｍ＾
   ２以上、および１８μｍ以下であることを特徴とする切
   削工具。 ２　高速度工具鋼が重量比でＣ１．１０〜１．３０％、
   Ｓｉ０．１〜１．０％、Ｍｎ０．１〜１．０％、Ｃｒ３
   ．０〜５．０％、Ｗ３．０〜７．０％、Ｍｏ５．０〜８
   ．０％、Ｖ２．６〜３．５％およびＬａ、Ｃｅ、Ｙの１
   種または２種以上で０．０２〜０．２０％含有し、残部
   Ｆｅおよび通常の不純物からなり、さらにＴｉ０．０２
   ％以下、Ｎ０．００７％以下、Ｏ４０ｐｐｍ以下に規制
   した請求項１に記載の切削工具。 ３　請求項１または２に記載の切削工具の製造方法にお
   いて、インゴットの外周からＤ／８の範囲における鋳造
   後の固液共存域の冷却速度を４０℃／ｍｉｎ以上とし、
   さらに塑性加工後の焼入を炭化物の溶融開始温度マイナ
   ス１５℃以下の温度で行なうことを特徴とする切削工具
   の製造方法。