(57)【要約】【課題】  切削工具の寿命を向上できる、鋼の切削方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％を含み、Ａｌ：０．０２％以下に規制され、硬さが３５〜４５ＨＲＣである被切削鋼を、工具の作業面にＣｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜が被覆された切削工具で切削する鋼の切削方法である。好ましくは、切削速度を１００ｍ／分以上とする。硬質皮膜はＣｒ系窒化物であることが望ましく、あるいはさらにＳｉを含むことが望ましい。また被切削鋼は、質量％で、Ｓ≦０．０５％を含むこと、および／または、Ａｌ：０．００５％以下に規制されることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％を含み、Ａｌ：０．０２％以下に規制され、硬さが３５〜４５ＨＲＣである被切削鋼を、工具の作業面にＣｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜が被覆された切削工具で切削することを特徴とする鋼の切削方法。
【請求項２】
切削速度を１００ｍ／分以上とすることを特徴とする請求項１に記載の鋼の切削方法。
【請求項３】
硬質皮膜は、Ｃｒ系窒化物であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼の切削方法。
【請求項４】
硬質皮膜は、Ｓｉを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の鋼の切削方法。
【請求項５】
被切削鋼は、質量％で、Ｓ≦０．０５％を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の鋼の切削方法。
【請求項６】
被切削鋼は、質量％で、Ａｌ：０．００５％以下に規制することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の鋼の切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型等の製品に供される鋼の切削加工に最適な、鋼の切削方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型や工具等の形状に切削加工される鋼素材については、その種々特性を改善する手法が多数提案されている。例えば、高硬度と優れた靱性を維持した上では、切削加工時の被切削性（工具寿命）を向上する手法が用いられる。そして、これらの中では、硬さと靱性のバランスを重視してＡｌを添加した鋼（特許文献１）がある一方で、本願出願人は、更なる要求特性である鏡面仕上性を重視してＡｌを規制した鋼を提案している（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０７７２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−１４６２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、切削工具の寿命を改善するには、特許文献１、２にある鋼起因の特性を改善する一方では、切削工具自体の特性を改良する手法もある。そして、実際の切削加工となると、これらお互いの特性が複雑に作用することで、そのトータルとしての被切削性が評価される。よって、切削される鋼に対しては、その切削工具との相性を考慮した切削条件の最適化は、特許文献１、２の鋼が有する被切削性を生かす上でも、重要である。そして、その鋼の用途がプラスチック成形用金型等の精密加工品であれば、上記の相性を考慮した被切削性の向上は重要な課題となる。
【０００５】
本発明の目的は、切削工具と被切削鋼の間で定められる切削条件を最適化することで切削工具の寿命を向上できる、鋼の切削方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋼を切削加工中の工具作業面（刃先）には、潤滑特性に優れるＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を付着させることが、工具寿命を向上させ、高能率な切削加工を可能にする知見を得た。そして、上記の酸化物を形成して作業面に付着させることのできる切削条件を鋭意検討した結果、この現象には、切削に供される鋼中のＳｉ、Ｍｎ量に加えて、Ａｌ量の管理と、それに切削中の該作業面の状態もが大きく関与することを突きとめた。そして、これらの最適な関係を見出したことで、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％を含み、Ａｌ：０．０２％以下に規制され、硬さが３５〜４５ＨＲＣである被切削鋼を、工具の作業面にＣｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜が被覆された切削工具で切削することを特徴とする鋼の切削方法である。そして好ましくは、切削速度を１００ｍ／分以上とする。
【０００８】
硬質皮膜はＣｒ系窒化物であることが望ましく、あるいはさらにＳｉを含むことが望ましい。また被切削鋼は、質量％で、Ｓ≦０．０５％を含むこと、および／または、Ａｌ：０．００５％以下に規制されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、工具寿命の向上に有効な、切削工具と被切削鋼の最適な組合せを明確にできた。よって、これらの切削条件を満たすように切削工具と被切削鋼を選定することで、その個々の有する優れた被切削性も最大限に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明及び比較例の切削方法を実施したときの、切削距離と逃げ面最大摩耗幅の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、工具寿命の向上を、切削工具と被切削鋼（以下、ワークと記す。）との関係の最適化によって達成したところにある。すなわち、これらの相互条件を調整することで、切削加工中の工具作業面には潤滑性に優れたＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を形成できる手法である。以下、その詳細について述べる。
【００１２】
（１）ワークの成分組成は、質量％（以下、単に％と記す。）で、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％を含み、Ａｌ：０．０２％以下に規制する。
Ｓｉは、通常、溶製時の脱酸剤として使用される他には、耐食性を高める元素としても添加される。そして本発明では、切削中の工具作業面にＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を形成し、潤滑材として作業面を保護するための必須元素である。しかし多すぎると、ワーク自体の靱性を劣化させる。よって、Ｓｉは０．２〜１．０％とする。好ましくは０．４％以下である。
【００１３】
Ｍｎは、通常、溶製時の脱酸剤として使用される他には、焼入性を高めてフェライトの生成を防止する作用があり、適度の焼入れ焼戻し硬さを与える元素である。そして本発明では、やはり切削時の作業面にＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を生成させるための重要元素である。しかし多すぎると、ワーク自体の被切削性を低下させる。よって、０．９〜２．０％とする。好ましくは１．３％以上および／または１．７％以下である。
【００１４】
Ａｌは、通常、溶製時の脱酸剤として用いられる元素である。しかし、この脱酸等によってワーク中に多量のＡｌ酸化物が存在し、切削中の工具作業面に付着すると、そのＡｌ酸化物は作業面と強固に結着し、刃先（作業面の一部）と一緒に脱落して、工具の欠損要因となる。よって、Ａｌは０．０２％以下に規制する必要がある。好ましくは０．００５％以下に規制する。
【００１５】
なおＳは、非金属介在物ＭｎＳとして存在させることで、ワークの被切削性の向上に大きな効果を有する任意添加元素である。しかし、多量のＭｎＳの存在は、機械的特性、特に靭性の異方性を助長するなど、金型自体の性能を低下させる要因ともなる。よって、添加する場合であっても、０．０５％以下とすることが望ましい。
【００１６】
以上のＳｉ、Ｍｎ、Ａｌの含有量を満たしたワークであれば、ワークを構成するその他の元素種によらず、本発明のＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物の形成による潤滑効果は発揮される。そして、本発明が使用するワークには、例えば特許文献２に相当する以下の低Ａｌ鋼を適用することが望ましい。つまり、以下の成分組成のワークであれば、それ自体の機械的特性（高硬度、靱性、被切削性、鏡面仕上性）も改良されていることから、本発明の切削工具と組合せることで優れた相乗効果が得られる。そして特に、プラスチック成型用金型への用途に最適である。
Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｎｉ：０．６〜１．５％、Ｃｒ：１．０超〜２．５％、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：１．２％以下、Ｖ：０．０３〜０．１５％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｓ：０．０５％以下を含み、Ａｌは０．０２％以下に規制され、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼。
【００１７】
（２）ワークの硬さは、３５〜４５ＨＲＣとする。
ワークの硬さが高すぎると、それ自体の被切削性が劣化する。しかしながら、ワークの硬さが低すぎると、その切削加工後の製品としての耐摩耗性が維持できない。そして、厳しい寸法精度が求められるプラスチック成形用金型や、その他の精密部品への適用を考慮すれば、それらの用途鋼として供給されるプリハードン状態のワークの調質硬さは、通常４０ＨＲＣの付近にある。よって、本発明に供するワークの硬さは３５〜４５ＨＲＣとする。
【００１８】
（３）切削工具の作業面には、Ｃｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜を被覆する。
４０ＨＲＣ付近に調質されたワークの切削加工においては、その際の切削工具の機械的および熱的摩耗の抑制のためには、硬質皮膜の硬度と酸化開始温度の最適化が重要視される。そして、この観点から硬質皮膜の種類を選定すれば、それは該硬度が高くかつ、酸化開始温度も高いＴｉ系の窒化物が有利である。しかし本発明においては、切削加工中の工具作業面には潤滑性に優れたＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を形成することが工具寿命の向上に有利であることを知見した。
【００１９】
そこで、Ｃｒ系の窒化物は、Ｔｉ系の窒化物よりも熱伝導率が低く、例えばＴｉＮの熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）を超えることに対して、ＣｒＮやＡｌＣｒＮのそれは１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）未満である。つまり、同じ切削速度であれば、本発明のＣｒ系およびＡｌＣｒ系の窒化物の方が、Ｔｉ系の窒化物よりも工具の作業面温度が上昇するから、上記のワークから供給されるＭｎおよびＳｉが酸化され、Ｍｎ−Ｓｉ系の複合酸化物が付着しやすい環境が実現できる。なお、この際の酸化に必要な酸素の供給源は、切削中の大気雰囲気であるので、潤滑油の使用（乾式、湿式）に制限はない。しかし、作業面の温度を上昇させるには、切削温度が上昇しやすい乾式であることが好ましく、これは昨今要求されている切削油フリー化に適した手法となる。そして、その切削速度を増すことで、作業面温度も上昇し、該複合酸化物の付着度はさらに増加するから、やはり昨今要求されている高速切削にこそ適した手法となる。
【００２０】
よって本発明では、切削工具の作業面にはＣｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜を被覆する。Ｃｒ系窒化物とは、その窒化物を構成する金属（半金属を含む）部分が５０原子％超のＣｒでなるものを言い、ＡｌＣｒ系窒化物とは、５０原子％超の同（Ａｌ＋Ｃｒ）でなるものを言う。そして、上記の金属部分には、例えばＴｉやＳｉ等の第３元素を含んでもよい。特にＳｉは、皮膜自体の硬度を向上させることができ、より苛酷な高速切削条件にも対応できるので、添加することが好ましい。Ｓｉを添加する場合は、その金属部分の全量に対して３０原子％以下とするのがよい。
【００２１】
本発明の採用するＣｒ系窒化物またはＡｌＣｒ系窒化物の硬質皮膜は、スパッタリング法やアークイオンプレーティング法で被覆することができる。そして、これらの硬質皮膜は、その切削工具の母材直上に被覆する必要はない。つまり、上記の硬質皮膜と母材との間には、例えば密着性を向上させる等を目的とした別の皮膜を成膜してもよい。
【００２２】
（４）切削工具の切削速度は、１００ｍ／分以上とすることが望ましい。
本発明においては、その切削速度を増すことが、工具作業面にＭｎ−Ｓｉ系の複合酸化物を付着させる上で望ましいことは、上述の通りである。そして、本発明のワークと切削工具の組合せであれば、例えば６０ｍ／分以上の切削速度であれば、工具作業面にはＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物を明確に形成できる。そして望ましくは、その切削速度を１００ｍ／分以上の高速にすることで、更に多くのＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物を安定して形成することができる。このときの切削速度とは、作業面（刃先）の速度である。つまり、刃先交換式工具であれば、インサートチップをセットしたときのインサート最外刃部の速度、ドリルやエンドミルなどの旋回工具であれば、その外周刃部の速度である。
【００２３】
ここで、先述した熱伝導率の高いＴｉ系窒化物であっても、切削速度を上げればＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物は少なからず形成される。しかし、本発明の採用するＣｒ系またはＡｌＣｒ系窒化物は、その低い熱伝導率によって、６０ｍ／分の切削速度であってもＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物は形成される。そして、それこそ１００ｍ／分以上の高速による切削速度であれば、作業面温度は十分に上昇して、更に多くのＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物を形成できる。
【００２４】
そして、工具作業面の欠けの要因となる上記のＡｌ酸化物は、ワーク成分にＡｌが含まれていることで、その切削速度に関わらず切削中の工具作業面に少なからず付着する。しかし本発明であれば、そのワーク中のＡｌ量を規制するとともに、好ましくは１００ｍ／分以上の切削速度に調整することで、Ａｌ酸化物が付着したとしても、その付着量を更に大きく超える程のＭｎ−Ｓｉ系複合酸化物の付着量を実現できる。
【実施例】
【００２５】
表１に示す成分組成の、４０ＨＲＣに調質した鋼材Ａ（特許文献２に相当）をワークに用いて、以下の切削工具による工具寿命の評価を行った。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
切削工具には、超硬合金製ボールエンドミルを準備して、この作業面に表２の上層である硬質皮膜をアークイオンプレーティング法によりコーティングしたものを使用した。なお、下層は工具母材と硬質皮膜の密着性を補完するための中間皮膜である。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
そして、下記の条件による切削試験を行い、各距離を切削時の逃げ面最大摩耗幅を測定して、工具寿命を評価した。図１は、その切削距離と摩耗幅の関係を示す。
超硬合金製ボールエンドミル：外径６ｍｍ、２枚刃
切削速度：３６８ｍ／ｍｉｎ
回転数  ：２９８００ｍｉｎ−１
送り速度：５９６０ｍｍ／ｍｉｎ
Ｚ切込み×Ｙ切込み：０．４ｍｍ×０．２ｍｍ
切削油  ：乾式
工具寿命判定基準：逃げ面最大摩耗幅０．１ｍｍの時の切削距離
【００３０】
図１より、皮膜Ａによる本発明の切削方法は、その逃げ面最大摩耗幅が０．１ｍｍに達するまでの切削距離が皮膜Ｂのものよりも長く、工具寿命に優れている。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、プラスチック成形用金型の製造に適する他には、高硬度の、いわゆるプリハードン状態にある鋼の切削に効果を発揮する。
【図１】
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