(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼製の切刃を有する切削工具において、前記高速度工具鋼は、重量％で、Ｃ：０．６〜１．８％，Ｓｉ：１．２％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｃｒ：３．５〜５．０％，Ｍｏ：１０％以下，Ｗ：２１％以下，Ｖ：２〜４％（ただし、４％を除く）を含み、さらに重量％で、Ｃｏ：０．０１〜４％（ただし、４％を除く）に制限され、残余がＦｅ及び不可避不純物よりなり、刃先部鋼中のＭＣ型炭化物粒のうち最大の炭化物粒の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径のうちの最大の等価円直径である最大等価円直径が４〜１０μｍであって、かつ、等価円直径が４μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物粒の粒子断面の長径短径比が０．３以上であることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
等価円直径が４μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物粒の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が３〜８％であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記切削工具の少なくとも刃先表面に、ＰＶＤによるチタン系もしくはチタン−合金系セラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜が施されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の切削工具。
【請求項４】
前記高速度工具鋼は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2、Ｎ2を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解条件：溶解速度；４００〜８００ｋｇ／ｈ、鋼塊外径を電極外径で割った比率を１．２〜１．７、に保持し、前記ＭＣ型炭化物粒のサイズを制御して製造したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の切削工具。
【請求項５】
前記切削工具は乾式加工に使用されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
硬質のＭＣ型炭化物を含む高速度工具鋼を刃先部に用いたホブ、ドリル等の切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホブ、ドリルに代表される切削工具用材料としては、高速度工具鋼及び超硬合金が一般的である。切削工具用の高速度工具鋼として、高硬度、耐摩耗性、耐熱性を持たせるため、Ｖを２％以上含有させたものが開発されている。一方、超硬合金は非常に硬質ではあるが反面脆いため、高速度工具鋼に比較し、耐摩耗性や耐熱性は非常に優れるが、被研削性や耐衝撃性は劣り、さらに材料費、加工費とも高価なため、品質の信頼性、経済性の面で実際の使用範囲は限定される。そのため、とりわけ、断続切削を行うホブにおいては、ほとんどのものが高速度工具鋼製であり、一部のみが超硬合金製となっている。
【０００３】
かかる切削工具用として、高速度工具鋼は、Ｖを主成分とする硬質のＭＣ型炭化物を富化するため、Ｖを通常２％以上含有している。しかし、従来の溶製高速度工具鋼では、Ｖが３％以上ではＶ含有量が多いほど、このＭＣ型炭化物は粗大化や細長い角形化をし易く、被研削性が悪化するばかりでなく、靱性が低下し、ＭＣ型炭化物を破壊起点とした刃先部のチッピング、破損を生じ易いという問題があった。また、粉末高速度工具鋼では、Ｖ量を増しＭＣ型炭化物を富化しやすい製法上の利点を持つものの、そのサイズが微細になり過ぎ、その結果、耐摩耗性が不足し、刃先の大きな摩耗を生じ易く、材料が高価な割に工具寿命が短かいという問題があった。
【０００４】
また、湿式加工用ホブの場合は、初期は刃先部の全面がＰＶＤによるチタン系もしくはチタン−合金系セラミックコーティングを施されているが、再研削後はすくい面のコーティングは完全に除去された状態となるため、高速度工具鋼自体の耐熱性、耐摩耗性が要求される。さらに、切削油不要の乾式加工用ホブでは、摩耗、チッピング、破損を防止するためには、硬質で、断続切削の衝撃に耐え得る靱性、さらに耐熱性に優れた材料と、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性および潤滑性に優れたコーティング膜が必要であり、尚かつ、コーティング膜との相性の良い材料が要求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人が先に発明した特開２０００−８４７０４号公報において、硬質ＭＣ炭化物を微細分散させた溶製ハイスを用いた切削工具を提案した。しかしながら、切削加工条件がより過酷化していく中で、このハイス工具においてはマイクロチッピングをともなう摩耗が比較的大きいという問題があった。本発明の課題は係る問題点に鑑みて、さらに優れた耐チッピング性を有する切削工具を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、種々の高速度工具鋼を用いたソリッドホブ、ドリルを対象に実験を行った結果、刃先部の被研削性、靱性、耐摩耗性を兼ね備え、とりわけ耐チッピング性に優れた切削工具を得るためには、硬質のＭＣ型炭化物の面積率を適正範囲に限定し、かつ、ＭＣ型炭化物の形状を球形に近づけるよう長径短径比をできる限り大きな値に限定することだけでなく、ＭＣ型炭化物を４〜１０μｍのサイズに限定することが重要であることをあらたに知得した。即ち、Ｖ：２〜４％（ただし、４％を除く）を含む高速度工具鋼中の等価円直径が４μｍ以上のＭＣ型炭化物の鍛造、圧延軸と平行する断面での面積率が３〜８％であり、かつ、ＭＣ型炭化物の長径短径比を０．３以上にするだけでなく、ＭＣ型炭化物の最大等価円直径を４〜１０μｍとすることが必要であることを知得した。
【０００７】
さらに、前述した特開２０００−８４７０４号公報ではＣｏの量を４〜１０％の範囲であったが、このようなＭＣ型炭化物の最大等価円直径を効果的に４〜１０μｍに制限するためには、Ｃｏを０．０１〜４％（ただし、４％を除く）に制限する必要があることを合わせて知得した。
【０００８】
また、この切削工具用鋼は、ＰＶＤによるチタン−合金系セラミックコーティングの複合膜との相性が良く、湿式加工よりも乾式加工において、さらに優れた耐チッピング性を有することを確認した。なお、ＭＣ型炭化物の等価円直径とは、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径をいう。また、ＭＣ型炭化物の最大等価円直径とは、ＭＣ型炭化物のうち最大の炭化物の等価円直径をいう。
【０００９】
かかる知得に基づいて本発明の第１発明においては、高速度工具鋼製の切刃を有する切削工具において、前記高速度工具鋼は、重量％で、Ｃ：０．６〜１．８％，Ｓｉ：１．２％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｃｒ：３．５〜５．０  ％，Ｍｏ：１０％以下，Ｗ：２１％以下，を含み、さらに重量％で、Ｖ：２〜４％（ただし、４％を除く），特にＣｏ：０．０１〜４％（ただし、４％を除く）を含み、残余がＦｅ及び不可避不純物よりなり、刃先部鋼中のＭＣ型炭化物粒のうち最大の炭化物粒の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径のうちの最大の等価円直径である最大等価円直径が４〜１０μｍであって、かつ、等価円直径が４μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物粒の粒子断面の長径短径比が０．３以上であることを特徴とする切削工具を提供することによって上記課題を解決した。
【００１０】
好ましくは、等価円直径が４μｍ以上のＭＣ型炭化物粒の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が３〜８％であることを特徴とする切削工具としてもよい。尚、ＭＣ型炭化物粒の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面とは、例えば高速度工具鋼の丸鋼又は角鋼についていえば、丸鋼又は角鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面である。実際の光学画像測定マイクロスコープでは、面積率は、マイクロスコープのスクリーンに現れる、等価円直径が４μｍ以上の各ＭＣ型炭化物粒の粒子断面の面積を全部加算した値を、スクリーン自身の面積で割った値となる。さらに、切削工具の少なくとも刃先表面に、ＰＶＤによるチタン系もしくはチタン−合金系セラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜を施すことにより、より耐摩耗性、耐チッピング性が向上する。又、かかる切削工具は乾式加工により適している。
【００１１】
さらに好ましくは、前記高速度工具鋼は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2、Ｎ2を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解条件：溶解速度；４００〜８００ｋｇ／ｈ、鋼塊外径を電極外径で割った比率を１．２〜１．７、に保持し、前記ＭＣ型炭化物粒のサイズを制御して製造される。
【００１２】
（作用）
以下に、本発明切削工具の刃先部における高速度工具鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径、鍛造、圧延軸と平行する断面でのＭＣ型炭化物の面積率および長径短径比を上記に限定した理由を述べる。刃先部鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が４μｍ未満の粉末高速度工具鋼を用いた切削工具では、凝着摩耗や酸化摩耗によりＭＣ型炭化物が素地と共に除去され易いため、摩耗し易く工具寿命が短い。
【００１３】
一方、刃先部鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が１０μｍを超え、また、刃先部鋼中の等価円直径が４μｍ以上のＭＣ型炭化物の面積率が８％を超えると、非常に脆くなり、ＭＣ型炭化物を破壊起点としたチッピングを起こし易くなる。特に、ＭＣ型炭化物の形状が長径短径比で０．３未満の粗大で細長い角形を呈する場合は、研削加工し難い上に、さらにチッピングを起こし易くなり、工具破損の原因となる。一方、ＭＣ型炭化物の面積率が３％未満の場合は非常に摩耗し易くなり、工具寿命が短くなる。したがって、刃先部鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径を４〜１０μｍとし、等価円直径が４μｍ以上のＭＣ型炭化物の鍛造、圧延軸と平行する断面での面積率を３〜８％に限定し、かつ、長径短径比を０．３以上に限定した。この作用については、溶製高速度工具鋼、粉末高速度工具鋼を問わず全ての高速度工具鋼で同様に得られる。
【００１４】
特に、Ｃｏ重量比を０．０１〜４％（ただし、４％を除く）に限定した理由は、Ｃｏが多いほど鋼の耐熱性は向上し、切削工具材料としての耐熱性を持たせるというメリットはあるものの、４％より大きいとＭＣ炭化物サイズが比較的大きくなり、かつＣｏの多く固溶したマトリックス自体の靱性低下をもたらすことにより、チッピングや割れ等の工具破損を起こし易くなるという知見が得られたためである。さらには、乾式加工においては、切り屑が凝着し刃先を覆うことにより、切削熱のほとんどが切り屑に流れることで，工具自体への伝達を妨げ、工具の高温軟化を抑制するといった作用が見込まれるため、Ｃｏを４％を越えてまで含有させる必要性はないといえる。
【００１５】
ＣはＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を改善する。しかしＣの量があまりに多いと靱性が低下する。そこで、Ｃの重量比を０．６〜１．８％に限定した。Ｓｉ及びＭｎは脱酸剤として添加するが、Ｓｉ及びＭｎの量があまりに多いと靱性が低下する。そこで、Ｓｉ及びＭｎの重量比をＳｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．５％以下に限定した。Ｃｒは焼入れ性を高めるため３．５〜５．０％添加される。Ｃｒが３．５％より少ないと上記効果がないし、５．０％を超えると全体の靭性を低下させる。Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：２１％以下としたが、Ｍｏ及びＷはＭ6Ｃ型炭化物を形成し耐摩耗性を改善する。しかしＭｏ及びＷの量があまりに多いと靱性が低下する。
【００１６】
【実施例】
次に本発明の実施例について説明する。表１は本発明鋼５，６、比較鋼１乃至４にて製作したソリッドホブ、ドリルの化学成分及びＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（μｍ）、等価円直径４μｍ以上の面積率（鍛造、圧延軸と平行する断面での面積率％）、等価円直径が４μｍ以上のＭＣ型炭化物の最小長径短径比を示したものである。実際の光学画像測定マイクロスコープでは、ＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（μｍ）、面積率及び最小長径短径比を顕微鏡画像で測定した。また、本発明高速度工具鋼は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2、Ｎ2を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解条件：溶解速度；４００〜８００ｋｇ／ｈ、鋼塊外径を電極外径で割った比率を１．２〜１．７、に保持し、前記ＭＣ型炭化物粒のサイズを制御して製造した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表２は本発明鋼５，６、比較鋼１乃至４の各鋼種を用いた試験片の焼入焼もどし硬さと抗折力を示したものである。抗折力は試験片サイズ５×１０×７５ｍｍ，標点距離６０ｍｍの中央一点荷重方式で求めた。発明鋼５，６の抗折力は、比較鋼１，３，４の各鋼種に比べ高い値を示し，粉末鋼である比較鋼２にも迫る靱性を示した。表３は表１の材料を用いた切削工具の切削試験結果を最大摩耗量で示したものである。表３中、実施例１は湿式ホブ切削試験結果、実施例２は乾式ホブ切削試験結果、実施例３はドリル切削試験結果（湿式）である
【００１９】
【表２】
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【００２０】
【表３】
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【００２１】
図１は，発明鋼５，比較鋼１，２，３のＭＣ炭化物の等価円直径のサイズ分布を示したものである。発明鋼５に示すように、本発明では特に、ＭＣ型炭化物の最大等価円直径を効果的に４〜１０μｍに制限するために、Ｃｏを０．０１〜４％（ただし、４％を除く）に制限した。その結果、図１に示すように、発明鋼５は比較鋼１，２，３に比べ異なるＭＣ炭化物サイズ分布、即ちＭＣ型炭化物の最大等価円直径が４〜１０μｍとなるのに適した分布をしていることがわかる。
【００２２】
（実施例１）
第一の実施例においては、表１の５，６に示す本発明鋼及び、１乃至４に示す比較鋼にてソリッドホブを製作し、湿式加工による切削試験を下記条件にて行った後、刃先部の摩耗量を計測した。
・工具形状：ソリッドホブ（外径：φ１０５、コーティング：チタン系膜（すくい面は除去））
・被削材  ：ＳＣＭ４２０Ｈ（硬さ：ＨＶ１７０）
・切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ
・切込深さ：７．９９５ｍｍ
・送り    ：２．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切削長  ：２５ｍ
・湿式
結果を表３の左欄の実施例１、図２および図３に示す。図２はソリッドホブの湿式加工における刃先部の最大逃げ面摩耗量、図３は最大クレータ摩耗量をＭＣ型炭化物の最大等価円直径（μｍ）をパラメータとして示したものである。なお、湿式加工用ホブのすくい面は再研削後のコーティングなしの状況と同じとするため、最初からすくい面のコーティングを除去した。
【００２３】
図２は、最大逃げ面摩耗量を各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径（μｍ）との関係として示したものであるが、その関係線図はおよそ７μｍを底としたＵ字型形状であり、４〜１０μｍの間ではほぼ安定して摩耗量が少ない。例えば、本発明鋼５は従来の溶製高速度工具鋼である比較鋼１に比べて４．１倍、比較鋼３に比べ１．３倍、粉末高速度工具鋼である比較鋼２に比べ１．４倍優れている。尚、比較鋼１〜４の摩耗のほとんどは、刃先のマイクロチッピングによるものであった。図３は、最大クレータ摩耗量をＭＣ型炭化物の最大等価円直径（μｍ）との関係として示したものであるが、その関係線図もまた７μｍを底としたＵ字型形状であり、４〜１０μｍの間ではほぼ安定して摩耗量が少ない。例えば、本発明鋼５は溶製高速度工具鋼である比較鋼１に比べ４．５倍、比較鋼３に比べ１．４倍、粉末高速度工具鋼である比較鋼２に比べ１．５倍優れている。尚、比較鋼１〜４の摩耗は、刃先のチッピングによるものであった。
【００２４】
（実施例２）
第二の実施例においては、表１に示す本発明鋼５，６、比較鋼１〜４を加工、熱処理、研削後、ＰＶＤによるチタン−合金系複合多層膜を施してソリッドホブを製作し、乾式加工による切削試験を下記条件にて行った後、刃先部の摩耗量を計測した。
・工具形状：ソリッドホブ（外径：φ１０５、コーティング：チタン−合金系複合多層膜（すくい面は除去））
・被削材  ：ＳＣＭ４２０Ｈ（硬さ：ＨＶ１７０）
・切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
・切込深さ：７．９９５ｍｍ
・送り    ：２．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切削長  ：２５２ｍ
・乾式
結果を表３の中欄の実施例２、図４および図５に示す。図４はソリッドホブの乾式加工における刃先部の最大逃げ面摩耗量をＭＣ型炭化物の最大等価円直径をパラメータとして示したものである。図５は同刃先部の最大クレータ摩耗量をＭＣ型炭化物の最大等価円直径をパラメータとして示したものである。なお、乾式加工用ホブのすくい面は再研削後のコーティングなしの状況と同じとするため、最初からすくい面のコーティングを除去した。
【００２５】
図４は、最大逃げ面摩耗量を各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係として示したものであるが、その関係線図もまた７μｍを底としたＵ字型形状であり、４〜１０μｍの間ではほぼ安定して摩耗量が少ない。例えば、本発明鋼５は、従来の溶製高速度工具鋼である比較鋼１に比べ７倍、比較鋼３に比べ２倍、粉末高速度工具鋼である比較鋼２に比べ２．４倍優れている。さらに、実施例１の図２と比較すると、乾式加工の方がより効果が大きい。図５は、最大クレータ摩耗量を各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係として示したものであるが、その関係線図もまた７μｍを底としたＵ字型形状であり、４〜１０μｍの間ではほぼ安定して摩耗量が少ない。例えば、本発明鋼５は従来の溶製高速度工具鋼である比較鋼１に比べ６．７倍、比較鋼３に比べ３倍、粉末高速度工具鋼である比較鋼２に比べ３．５倍優れている。さらに、実施例１の図３と比較すると、乾式加工の方がより効果が大きい。
【００２６】
（実施例３）
第三の実施例においては、表１に示す本発明鋼５，６、比較鋼１〜４にてドリルを製作し、湿式加工による切削試験を下記条件にて行い、穴あけ個数を調査した。
・工具形状：ドリル（外径：φ６）
・被削材  ：ＳＮＣ８３６（硬さ：ＨＢ２８６）
・切削速度：３７．７ｍ／ｍｉｎ
・送り    ：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
・穴深さ  ：２０ｍｍ
・湿式
結果を表３の右欄，図６に示す。図６はドリルの湿式加工における穴あけ個数をＭＣ型炭化物の最大等価円直径（μｍ）をパラメータとして示したものである。なお、実施例では刃先部コーティングの状態で切削試験を行った。
【００２７】
図６は、穴あけ個数を各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係として示したものであるが、その関係線図は７μｍを頂点とした逆Ｕ字型形状であり、４〜１０μｍの間ではほぼ安定して穴あけ個数が大きい。例えば、本発明鋼５は従来の溶製高速度工具鋼である比較鋼１に比べ１．９倍、粉末高速度工具鋼である比較鋼２に比べ１．３倍優れている。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明においては、材料である高速度工具鋼が重量比でＶが２〜４％（ただし、４％を除く）、特に、Ｃｏが０．０１〜４％（ただし、４％を除く）を含み、刃先部鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が４〜１０μｍであって、かつＭＣ型炭化物の長径短径比が０．３以上の切削工具としたので、工具刃先部の摩耗、特にチッピングに対し、非常に優れたものとなった。好ましくは、等価円直径が４μｍ以上ののＭＣ型炭化物粒の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が３〜８％とすれば、さらに高速度工具切削工具は刃先部の摩耗、特にチッピングを改善できる。さらに、乾式加工にも適した性質を有し、ＰＶＤによるチタン−合金系セラミックコーティング複合膜との相性も良く、刃先表面に、ＰＶＤによるチタン系もしくはチタン−合金系セラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜を施すことにより、より耐摩耗性、耐チッピング性が向上し、乾式加工にあってより適したものである。
【００２９】
したがって、ホブに代表される歯切工具全般の寿命改善、品質改善には非常に有効であり、特に、今後利用量増大が予想される乾式加工に優れた性能を発揮するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼のＭＣ炭化物のサイズが２μｍ以上のものについて，等価円直径の分布を示したものである。本発明鋼５、比較鋼１〜３を用いて製作した試験片（サイズ２２×２７×５００ｍｍ）を焼入焼もどし後，１０％クロム酸で電解腐食し，光学画像測定マイクロスコープにて測定した。
【図２】本発明の第一の実施例の切削試験結果を示す。本発明鋼５，６、比較鋼１〜４にて製作したソリッドホブの湿式加工における刃先部の最大逃げ面摩耗量と各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係を示したものである。
【図３】図２と同じく本発明の第一の実施例の切削試験結果であり、刃先部の最大クレータ摩耗量と各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係を示したものである。
【図４】本発明の第二の実施例の切削試験結果を示す。本発明鋼５，６、比較鋼１〜４にて製作したソリッドホブの乾式加工における刃先部の最大逃げ面摩耗量と各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係を示したものである。
【図５】図４と同じく本発明の第二の実施例の切削試験結果であり、刃先部の最大クレータ摩耗量と各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係を示したものである。
【図６】本発明の第三の実施例の切削試験結果を示す。本発明鋼５，６、比較鋼１〜４にて製作したドリルの湿式加工における穴あけ個数と各鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径との関係を示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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