(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バナジウムを含有する高速度工具鋼にて工具基材が構成されているとともに、工具の最表面には多数の微小な油溜りが設けられているハイス工具において、
焼入焼戻し処理により前記工具基材の表面に生成される炭化物のうち、前記バナジウムの炭化物は一切除去されることなく、該バナジウムの炭化物以外の炭化物の少なくとも一部の種類の炭化物が除去されることにより、該工具基材の表面に多数の窪みが形成され、該窪みに基づいて前記油溜りが設けられている
ことを特徴とするハイス工具。
【請求項２】
前記工具基材の表面の多数の窪みは、最大直径が１μｍ以上のものを含んでいる
ことを特徴とする請求項１に記載のハイス工具。
【請求項３】
前記工具基材がフェリシアン化カリウムのアルカリ溶液中に１０分以上浸漬されることにより、前記バナジウムの炭化物以外の炭化物が除去されて前記窪みが設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のハイス工具。
【請求項４】
前記フェリシアン化カリウムのアルカリ溶液は、５０〜２００ｍｌの蒸留水に対して水酸化カリウムを５〜２０ｇ、フェリシアン化カリウムを５〜２０ｇの割合でそれぞれ溶かしたものである
ことを特徴とする請求項３に記載のハイス工具。
【請求項５】
前記多数の窪みが設けられた前記工具基材の表面が工具の最表面で、該窪みがそのまま前記油溜りとして用いられる
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のハイス工具。
【請求項６】
前記工具基材の表面には所定の硬質被膜がコーティングされており、該硬質被膜の表面が工具の最表面で、前記多数の窪みに対応して最大直径が０．５μｍ以上のものを含む多数の油溜りが設けられている
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のハイス工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速度工具鋼にて工具基材が構成されているハイス工具に係り、特に、潤滑性および耐摩耗性に優れたハイス工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速度工具鋼にて工具基材が構成されているハイス工具（高速度工具鋼製工具）が、ドリルやエンドミル、フライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは転造タップ（盛上げタップ）等の非切削工具など、種々の加工工具に用いられている（特許文献１参照）。そして、このようなハイス工具において、例えば転造タップのように高い潤滑性能が要求される場合には、水蒸気処理を施すことにより表面に多孔質の酸化膜を形成するようにしているのが普通である。すなわち、その酸化膜の穴が油溜りとして機能することにより、潤滑油が良好に保持されるようになって優れた潤滑性能が得られるようになるのである。
【特許文献１】特開２００７−１９０６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記酸化膜は脆くて取れ易く、耐摩耗性が低いため、摩耗の進行が早くて潤滑性能が持続しないという問題があった。特に、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）のように比較的硬い材料に対して転造加工を行う場合に、酸化膜の摩耗の進行が早くて上記問題が顕著となる。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ハイス工具の耐摩耗性を大きく低下させることなく潤滑性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、バナジウムを含有する高速度工具鋼にて工具基材が構成されているとともに、工具の最表面には多数の微小な油溜りが設けられているハイス工具において、焼入焼戻し処理により前記工具基材の表面に生成される炭化物のうち、前記バナジウムの炭化物は一切除去されることなく、そのバナジウムの炭化物以外の炭化物の少なくとも一部の種類の炭化物が除去されることにより、その工具基材の表面に多数の窪みが形成され、その窪みに基づいて前記油溜りが設けられていることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明のハイス工具において、前記工具基材の表面の多数の窪みは、最大直径が１μｍ以上のものを含んでいることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、第１発明または第２発明のハイス工具において、前記工具基材がフェリシアン化カリウムのアルカリ溶液中に１０分以上浸漬されることにより、前記バナジウムの炭化物以外の炭化物が除去されて前記窪みが設けられていることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第３発明のハイス工具において、前記フェリシアン化カリウムのアルカリ溶液は、５０〜２００ｍｌの蒸留水に対して水酸化カリウムを５〜２０ｇ、フェリシアン化カリウムを５〜２０ｇの割合でそれぞれ溶かしたものであることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかのハイス工具において、前記多数の窪みが設けられた前記工具基材の表面が工具の最表面で、その窪みがそのまま前記油溜りとして用いられることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、第１発明〜第４発明の何れかのハイス工具において、前記工具基材の表面には所定の硬質被膜がコーティングされており、その硬質被膜の表面が工具の最表面で、前記多数の窪みに対応して最大直径が０．５μｍ以上のものを含む多数の油溜りが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
すなわち、高速度工具鋼にて工具基材が構成されているハイス工具は、基本的に焼入焼戻し処理が施されて用いられるため、高速度工具鋼の含有元素であるＷ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）等の炭化物が生成され、それ等の炭化物の一部は工具基材の表面に露出するように存在している。これ等の炭化物の中、バナジウムの炭化物ＶＣは例えば２０００ＨＶ程度と高硬度であるため、このバナジウムの炭化物ＶＣ以外のタングステンやモリブデン等の炭化物を除去することにより工具基材の表面に多数の窪み（炭化物の抜け跡）を形成し、その窪みに基づいて油溜りが設けられることにより、潤滑油を用いて所定の加工が行われる際の潤滑性能が向上する。その場合に、タングステンやモリブデン等の炭化物が除去されることにより工具基材の耐摩耗性が低下するが、最も硬度が高いバナジウムの炭化物ＶＣが残っているため耐摩耗性の低下が抑制され、水蒸気処理によって設けられる従来の多孔質の酸化膜に比べると高い耐摩耗性が得られ、油溜りによる潤滑性能の向上効果が長時間に亘って得られるようになって耐久性が向上する。
【００１２】
第２発明では、最大直径が１μｍ以上のものを含むように多数の窪みが形成されるため、それに基づいて多数の油溜りが設けられることにより優れた潤滑性能が得られる。窪みの大きさや分布は、例えば工具基材を溶剤に浸漬して化学的に溶解して除去する場合、その溶剤による処理時間（浸漬時間）によって変化するが、基本的にはタングステンやモリブデン等の炭化物の大きさや分布によって決まるため、最大直径が１μｍ以上の窪みを含むように処理時間を定めれば、それと同程度の大きさのものが所定の割合で分布しているのが普通で、所定の潤滑性能が得られる。
【００１３】
第３発明、第４発明では、工具基材がフェリシアン化カリウムのアルカリ溶液中に１０分以上浸漬されることにより、バナジウムの炭化物ＶＣ以外の炭化物が除去されて窪みが設けられているため、高速度工具鋼の成分や焼入焼戻し処理条件等によって変化するものの、本発明者等の実験によれば最大直径が１μｍ以上のものを含んで多数の窪みが設けられるようになり、第６発明のように硬質被膜をコーティングする場合でも所定の大きさの油溜りが形成されて優れた潤滑性能が得られるようになる。
【００１４】
第５発明は、多数の窪みが設けられた工具基材の表面がそのまま工具の最表面とされ、その窪みがそのまま油溜りとして用いられるため、優れた潤滑性能が得られて耐久性が向上する。
【００１５】
第６発明では、工具基材の表面に所定の硬質被膜がコーティングされており、その硬質被膜の表面には多数の窪みに対応して最大直径が０．５μｍ以上の油溜りを含んで多数の油溜りが設けられているため、その油溜りによって所定の潤滑性能が得られるとともに、硬質被膜の存在で優れた耐摩耗性が得られることから、潤滑性能の向上効果が一層持続するようになり、耐久性が大幅に向上する。また、工具基材の窪みに硬質被膜が入り込んでコーティングされるため、アンカー効果により硬質被膜の付着力が向上して剥離等が抑制され、この点でも耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、高い潤滑性能が要求される転造タップ等の転造加工用のハイス工具に好適に適用され、特にステンレス鋼に転造加工を行う場合に優れた耐久性向上効果が得られるが、ドリルやエンドミル、フライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具など転造加工用以外のハイス工具にも適用され得るし、ステンレス鋼以外の材料の加工に用いることも可能である。
【００１７】
バナジウムの炭化物ＶＣ以外の炭化物が除去されることによって工具基材の表面に形成される窪みの大きさは、最大直径が１μｍ以上、特に工具基材の表面に硬質被膜をコーティングする場合には２μｍ以上のものを含むことが望ましいが、工具の最表面の油溜りは最大直径が０．５μｍ以上あれば所定の潤滑性能が得られるため、例えば第５発明のように工具基材の表面がそのまま工具の最表面とされて窪みが油溜りとなる場合には、最大直径が０．５μｍ以上のものを含むように多数の窪みが設けられても良い。窪みの最大直径が大きくなると油溜りの寸法も大きくなるため、被加工物の加工面粗さが悪くなる可能性があるが、窪みの大きさの最大寸法は工具基材に存在する炭化物の大きさによって決まり、本発明者等の実験によれば、所定の溶剤中に工具基材を長時間浸漬した場合の窪みの最大直径は５〜６μｍ程度で、加工面粗さを損なう程ではなく、特に規定する必要はない。
【００１８】
工具基材の表面の炭化物の有無や、その炭化物の溶解除去で形成される窪みは、例えばエネルギー分散型Ｘ線分析および走査型電子顕微鏡を用いて確認することができる。
【００１９】
第３発明〜第４発明に記載の溶剤はあくまでも一例であり、バナジウムの炭化物ＶＣを残しながらタングステンやモリブデン等のバナジウム以外の炭化物を溶解して除去できる他の溶剤を採用することも可能である。炭化物は、高速度工具鋼の成分元素に応じて複数種類存在するが、必ずしもバナジウム以外の総ての炭化物を溶解除去できる必要はなく、一部の種類の炭化物のみを溶解除去できる溶剤を用いることも可能である。なお、第４発明の溶剤は、バナジウムの炭化物ＶＣを残しながらタングステンやモリブデンの炭化物（Ｗ，Ｍｏ）6 Ｃを選択的に溶解して除去できる。
【００２０】
第３発明〜第４発明では、所定の溶剤中に工具基材を１０分以上浸漬して炭化物を除去するようになっているが、本発明者等の実験によれば２０分程度で最大直径が２μｍ以上の窪みが設けられるようになり、第６発明のように硬質被膜をコーティングする場合でも十分な大きさの油溜りが形成されるようになる。第４発明に記載の溶剤を使用した場合、浸漬時間が６０分程度までは窪みが大きくなるが、６０分以上になると窪みの大きさや分布は殆ど変化しなくなるため、６０分以上行う必要はなく、１０分〜６０分の範囲内で特に２０分〜６０分程度が適当と考えられる。なお、第５発明のように工具基材の表面がそのまま工具の最表面とされて窪みが油溜りとなる場合には、窪みの最大直径が０．５μｍ程度でも所定の潤滑性能が得られるため、上記浸漬時間が１０分未満であっても良い。また、溶剤の各成分の割合が第４発明に規定の範囲から外れていても、浸漬時間を長くするなどして所定の大きさの窪みを形成できる場合には、それ等の溶剤を用いることも可能である。
【００２１】
硬質被膜としては、ＴｉＮやＴｉＣＮなどが好適に用いられるが、例えば元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、またはVIａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはそれらの相互固溶体から成る他の化合物被膜などを用いることも可能である。これ等の硬質被膜は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、プラズマＣＶＤ法等の他の成膜法で設けられても良い。硬質被膜の膜厚は、被膜の種類などによって適宜定められるが、所定の大きさの油溜りが形成されるようにする上で例えば１〜３μｍ程度が適当である。２種類以上の硬質被膜が交互に積層されている多層の積層被膜を用いたり、２層或いは３層等の硬質被膜を用いたりすることも可能である。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例である転造タップ１０を説明する図で、(a) は軸心Ｏと直角方向から見た正面図、(b) は(a) におけるIB−IB断面の拡大図、(c) は表面付近の断面の拡大図である。この転造タップ１０は、図示しないチャックを介して主軸に取り付けられるシャンク１２と、下穴内にねじ込まれることによりめねじを形成する加工部１６とを同軸上に一体に備えており、工具基材１８は高速度工具鋼にて構成されている。本実施例では、ＪＩＳに規定のＳＫＨ５３相当の高速度工具鋼が用いられており、その含有成分および割合はＣ：１．２、Ｃｒ：４．０、Ｍｏ：５．０、Ｗ：６．０、Ｖ：３．０で、残りが実質的にＦｅである。また、図１の(c) は、上記加工部１６における表面近傍の断面を模式的に示す図で、工具基材１８の表面２０がそのまま工具の最表面を構成している。本実施例では、転造タップ１０がハイス工具に相当する。
【００２３】
加工部１６は、外側へ湾曲した辺からなる多角柱形状、本実施例では略四角柱形状の断面を成しているとともに、その外周面には、被加工物の下穴の表層部に食い込んで塑性変形させることによりめねじを盛上げ加工するおねじ２２が設けられている。おねじ２２のねじ山は、形成すべきめねじの溝の形状に対応した断面形状を成しており、そのめねじに対応するリード角のつる巻き線に沿って一定の高さ寸法で設けられている。すなわち、加工部１６には、おねじ２２のねじ山が径方向の外側へ突き出してめねじを加工する４箇所のマージン部Ｍと、そのマージン部Ｍよりも小径の４箇所の逃げ部２４とが、それぞれ軸心Ｏと平行に軸方向へ連なるように、軸心Ｏまわりにおいて交互に且つ等角度間隔で設けられているのである。マージン部Ｍの寸法は、形成すべきめねじと同じ寸法か、或いは塑性変形に対する弾性復帰を考慮して、めねじよりも大き目に設定される。また、この加工部１６は、軸方向においてねじ山の径寸法が一定の完全山部２６と、先端側へ向かうに従って径寸法が小さくなる食付き部２８とを備えている。なお、図１の(b) は、おねじ２２の溝の谷底においてつる巻き線に沿って切断した断面図である。
【００２４】
このような転造タップ１０は、上記おねじ２２やマージンＭ等が研削加工等によって設けられた後に、所定の焼入焼戻し処理が施されて硬化させられる。この時、Ｍｏ（モリブデン）やＷ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）等の炭化物３０ａ、３０ｂが形成され、その一部は表面２０に露出しているが、本実施例では、この表面２０に露出している炭化物３０ａ、３０ｂの中、バナジウムの炭化物ＶＣから成る炭化物３０ａを残しながら、タングステンやモリブデンの炭化物（Ｗ，Ｍｏ）6 Ｃから成る炭化物３０ｂが所定の溶剤によって溶かして除去されることにより、最大直径が１μｍ以上の窪みを含んで多数の窪み３２が形成され、潤滑油を用いてねじの転造加工が行われる際に、この窪み３２が油溜りとして機能して優れた潤滑作用が得られるようになっている。本実施例では、上記溶剤として５０〜２００ｍｌの蒸留水に対して水酸化カリウムを５〜２０ｇ、フェリシアン化カリウムを５〜２０ｇの割合でそれぞれ溶かしたフェリシアン化カリウムのアルカリ溶液を使用し、その溶剤中に工具基材１８を１０分以上浸漬した。
【００２５】
図２は、上記溶剤中に工具基材１８を浸漬して炭化物３０ｂを溶解除去して窪み３２を形成する際の浸漬時間と窪み３２の最大直径との関係を調べた結果で、１０分程度浸漬すれば最大直径は１μｍ程度になる。また、２０分以上浸漬すると、窪み３２が大きくなって最大直径が２μｍ以上になり、６０分程度までは窪み３２が拡大するが、それ以上は窪み３２の大きさや分布は殆ど変化しないため、浸漬時間は２０分〜６０分の範囲内が適当と考えられる。
【００２６】
図４の(a) は、上記溶剤中に工具基材１８を２０分間浸漬することにより、タングステンやモリブデンの炭化物３０ｂを溶解除去して多数の窪み３２を設けた本実施例の転造タップ１０（本発明品）と、比較品１〜２とをそれぞれ２本ずつ用意し、以下の加工条件でめねじの転造加工を行って、工具の摩耗によりめねじの寸法が小さくなり、通りねじプラグゲージ（ＧＰ）の通り抜けが不可となるゲージアウトとなるか、または工具折損までの加工穴数（工具寿命に相当）を調べた結果を示す図である。比較品１は水蒸気処理で酸化膜を形成して油溜りを設けた従来品で、比較品２は本発明品と同様に溶解処理を行って窪み３２を設けたものであるが、処理時間（浸漬時間）が５分と短く、窪み３２が小さくて最大直径が０．５μｍにも満たない場合である。
（加工条件）
・ねじサイズ：Ｍ２×０．５
・被削材：ＳＵＳ４４０Ｃ（９０ＨＲＢ）（ＪＩＳに規定のステンレス鋼）
・加工速度：５ｍ／分
・ねじ立て長さ：６ｍｍ
・潤滑油剤：油性
【００２７】
図４の(a) において、比較品１（水蒸気処理品）は酸化膜が脆くて取れ易いため、その酸化膜の摩耗で潤滑性能が持続しなくて寿命が短いとともに、そのばらつきが大きくて品質が安定しない。比較品２（最大直径小）は、窪み３２が小さくて油溜りとしての機能が十分に得られないため、工具の摩耗が促進されて寿命が短く、本発明品に比べて加工穴数は２／３程度である。
【００２８】
一方、図３は、前記図１の転造タップ１０において、多数の窪み３２が設けられた工具基材１８の表面２０に、所定の硬質被膜４０がコーティングされている場合で、その硬質被膜４０の表面４２が工具の最表面で、前記多数の窪み３２に対応して最大直径が０．５μｍ以上の油溜りを含んで多数の油溜り４４が設けられている。本実施例では、前記溶剤を用いて工具基材１８に対して２０分間溶解処理を行い、タングステンやモリブデンの炭化物３０ｂを溶解除去して多数の窪み３２を形成した後、その上に上記硬質被膜４０として膜厚が約２μｍのＴｉＮがアークイオンプレーティング法によって設けられている。図３は、前記図１の(c) に対応する断面図である。
【００２９】
図４の(b) は、図３の実施例の転造タップ１０（本発明品）と、比較品とをそれぞれ２本ずつ用意し、以下の加工条件でめねじの転造加工を行って、通りねじプラグゲージ（ＧＰ）の通り抜けが不可となるゲージアウトとなるか工具折損までの加工穴数（工具寿命に相当）を調べた結果を示す図である。比較品は、溶解処理を行うことなく、焼入焼戻し処理が施された工具基材１８の表面２０にそのまま硬質被膜４０をコーティングしたものである。
（加工条件）
・ねじサイズ：Ｍ３×０．５
・被削材：ＳＵＳ４４０Ｃ（９０ＨＲＢ）（ＪＩＳに規定のステンレス鋼）
・加工速度：８ｍ／分
・ねじ立て長さ：６ｍｍ
・潤滑油剤：水溶性
【００３０】
図４の(b) において、比較品（コートのみ）は、コーティングにより耐摩耗性の効果が得られるものの、油溜りが存在しないため潤滑作用が十分に得られず、本発明品に比べて加工穴数は２／３以下である。
【００３１】
このように、本実施例の転造タップ１０は、焼入焼戻し処理によって工具基材１８に生成された炭化物３０ａ、３０ｂの中、バナジウムの炭化物３０ａ以外のタングステンやモリブデンの炭化物３０ｂが所定の溶剤によって溶かして除去されることにより、工具基材１８の表面２０に多数の窪み３２が形成され、図１の実施例ではその窪み３２がそのまま油溜りとして用いられ、図３の実施例ではその窪み３２に基づいて硬質被膜４０の表面４２に油溜り４４が設けられるため、潤滑油剤を用いてねじ転造加工を行う際の潤滑性能が向上する。その場合に、タングステンやモリブデンの炭化物３０ｂが除去されることにより工具基材１８の耐摩耗性が低下するが、最も硬度が高いバナジウムの炭化物３０ａが残っているため耐摩耗性の低下が抑制され、硬質被膜４０がコーティングされる図３の実施例は勿論、工具基材１８のまま使用される図１の実施例においても、従来の水蒸気処理によって設けられる多孔質の酸化膜に比べると高い耐摩耗性が得られ、油溜り（図１では窪み３２そのもの、図３では油溜り４４）による潤滑性能の向上効果が長時間に亘って得られるようになって耐久性が向上する。
【００３２】
また、本実施例では最大直径が１μｍ以上の窪み３２が含まれるように、溶剤の種類や浸漬時間が定められるため、その窪み３２に基づいて多数の油溜り（図１では窪み３２そのもの、図３では油溜り４４）が設けられることにより優れた潤滑性能が得られる。特に、工具基材１８を２０分以上前記溶剤に浸漬して溶解処理を行えば、最大直径が２μｍ以上の窪み３２が形成されるようになるため、工具基材１８のまま用いられる図１の実施例は勿論、図３の実施例のように硬質被膜４０をコーティングする場合でも最大直径が０．５μｍ以上の油溜り４４が形成され、何れの場合も優れた潤滑性能が得られる。
【００３３】
また、工具基材１８の表面２０に硬質被膜４０がコーティングされる図３の実施例では、硬質被膜４０の存在で優れた耐摩耗性が得られることから、潤滑性能の向上効果が一層持続するようになって耐久性が大幅に向上する。この実施例ではまた、工具基材１８の窪み３２に硬質被膜４０が入り込んでコーティングされるため、アンカー効果により硬質被膜４０の付着力が向上して剥離等が抑制され、この点でも耐久性が向上する。
【００３４】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例である転造タップを説明する図で、(a) は正面図、(b) は(a) におけるIB−IB断面の拡大図、(c) は工具基材の炭化物や窪みを模式的に示す断面図である。
【図２】所定の溶剤中に工具基材を浸漬してタングステンやモリブデンの炭化物を溶解除去して窪みを形成する際の浸漬時間と窪みの最大直径との関係を調べた結果を示す図である。
【図３】工具基材の表面に硬質被膜がコーティングされている実施例を説明する図で、図１の(c) に対応する断面図である。
【図４】図１および図３の実施例の転造タップを用いて耐久性試験を行った結果を所定の比較品と比較して示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：転造タップ（ハイス工具）    １８：工具基材    ２０：表面    ３０ａ：炭化物（ＶＣ）    ３０ｂ：炭化物（（Ｗ，Ｍｏ）6 Ｃ）    ３２：窪み（油溜り）    ４０：硬質被膜    ４２：表面    ４４：油溜り
【図１】
0005192916.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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