(57)【要約】コーテッド超硬タップ（１０）は、コバルトを約１２乃至約１６重量％の範囲で含有し、結晶成長を抑制する目的で少量の遷移金属炭化物を含有し、更に加工中に捕捉されうる低次不純物を含有しうる焼結炭化タングステンを含む基体（１６）から製造される。基体（１６）は金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物の層でコーティングされ、金属はアルミニウム、ケイ素、元素周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａの遷移金属のうちから１種以上が選択される。コーティングは一層（５６）及び／又は必要に応じて種々の化学組成を有する交互層からなってもよい。摩擦低減の目的で、二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと遷移金属、又はそれらの任意の組合せ、炭素、炭素と遷移金属炭化物、又はそれらの任意の組合せ、及び／又は窒化炭素からなる最外層（５６）は、同時接着により一層を形成するか、接着により多層もしくは交互層を形成するよう接着されてもよい。本発明のコーテッド超硬タップ（１０）はタップのチッピングや欠損を起こすことなく従来のタップと比較して少なくとも三倍の切削速度で使用できる。
2006519114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルトを約１２乃至約１６重量％の範囲で含有する焼結炭化タングステンを含む基体から製造され、金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物の層でコーティングされたコーテッド超硬タップであって、前記金属はアルミニウム、ケイ素、元素周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａの遷移金属のうちから選択された１種以上である、コーテッド超硬タップ。
【請求項２】
前記層は、同時付着により一層を形成するか、付着させることにより多層もしくは交互層を形成する、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項３】
前記層は段階的組成を有する、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項４】
摩耗を低下させる目的で前記第一の耐摩耗層に塗布される第二の外層を更に含む、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項５】
前記外層は、二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと遷移金属、及びそれらの任意の組合せからなる、請求項４に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項６】
前記外層は、炭素、炭素と遷移金属炭化物、及びそれらの任意の組合せからなる、請求項４に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項７】
前記外層は、炭素と遷移金属、及びそれらの任意の組合せからなる、請求項４に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項８】
前記外層は窒化炭素からなる、請求項４に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項９】
前記外層は、同時付着により一層を形成するか、付着させることにより多層もしくは交互層を形成する、請求項４に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項１０】
前記基体は、結晶成長を抑制する目的で遷移金属炭化物を更に含む、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項１１】
前記基体に付着される接着強化層を更に含む、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【請求項１２】
前記金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物の層に付着される接着強化層を更に含む、請求項１に記載のコーテッド超硬タップ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、２００２年１０月９日出願の米国特許出願１０／２６７，３８７（「耐摩耗・低摩擦コーテッド工具及びその製造方法(TOOL WITH WEAR RESISTANT LOW FRICTION COATING AND METHOD OF MAKING THE SAME)」）の関連出願である。上記特許出願の全内容を参照により本明細書中に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は切削工具に関する。より詳しくは、本発明は、鋼とその他の鉄を主体とした合金にねじ切りを施すためのコーテッド超硬タップ(coated carbide tap)に関する。
【０００３】
［関連技術の説明］
切削工具は高温を発生するために工具寿命が制限されることから、有用な切削速度が低くなることはよく知られている。切削工具の製造には多種多様な材料が用いられる。切削工具は、高速度鋼として知られるクラスの工具鋼で製造されることが多い。高速度鋼は強度と靭性に優れるものの、高耐熱性材料と比較すると、温度に対する抵抗は中程度である。
【０００４】
焼結炭化タングステンは、高速度鋼などの工具鋼と比較して、高い切削温度において硬度を維持できるなど高硬度、高温安定性といった特性に優れ、切削工具の製造材料として好適である。一般に、超硬合金で製造された切削工具は、「高速度」鋼で製造された工具に比べ少なくとも三倍の切削速度で使用でき、工具寿命が長い。しかし、焼結炭化タングステンの破壊靭性や強度は高速度鋼に劣り、機械加工作業の種類によっては使用が制限される。
【０００５】
雌ねじを形成する機械加工をねじ立て（タッピング）と呼んでいる。現在、ねじ立てには二種類の方法がある。主な方法は、下穴の壁を切削して材料を除去し、Ｖ字型の螺旋状ねじ山を形成するものである。あるいは、材料を移動させて雌ねじ山の形状に形成する方法がある。しかし、雌ねじ山を形作ることは切削する場合に比べ大きいパワーが必要であるとともに、雌ねじ内径に形成されるねじ山の頂が不完全である。このため、雌ねじ山を形作るよりも切削する方法が好まれることが多い。
【０００６】
回転工具、フライス、ドリル、リーマなど多くの切削工具と異なり、タップは比較的断面が弱く、切れ刃も脆弱である。このため、現行技術に従った超硬合金製タップはその用途が非常に狭い。現行設計の超硬タップは、鋼のように加工が比較的容易な材料に使用した場合でも、切れ刃のチッピングや欠損が発生しやすく、使用ができなくなる。このため、現行技術の超硬タップの使用は、鋼よりも更に加工が容易な材料、例えばアルミニウムや鋳鉄の切削に限られている。鋼とその他の鉄を主体とした合金は、雌ねじ山を必要とするアセンブリに最も一般的に使用される材料である。従って、切れ刃のチッピングや欠損の問題が克服できれば、超硬合金製のタップは高速度鋼製のタップに比べて有利である。
【０００７】
炭化タングステンと、約３重量％以上の炭化タンタル、炭化チタン、炭化ニオブなどの他の炭化物との合金で製造されたグレードの超硬合金は、鋼とその他の鉄を主体とした合金の切削用工具の材料として使用された場合、高い耐摩耗性を有する。しかし、このグレードの超硬合金は、タップの材料としては強度と靭性が不十分である。また、コバルトを１０重量％以上含有する超硬合金を主体とするグレードでは、靭性は高いものの鋼の切削時における耐摩耗性が低く、鋼切削用工具の材料としては不適である。
【発明の開示】
【０００８】
簡潔に述べると、本発明により、コバルトを約１２乃至約１６重量％の範囲で含有する焼結炭化タングステンからなる工具材料で製造され、金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物でコーティングされたタップであって、該金属はアルミニウム、ケイ素、元素周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａの遷移金属のうちから選択された１種以上である、タップが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のこのほかの特徴ならびにそれらがもたらす利点は、以下の詳細な説明で明らかにされる。
【００１０】
図１を参照すると、参照番号１０で表される、本発明の一実施形態の精密超硬合金ねじ切りタップが図示されている。タップ１０は、本明細書中で基部１６と称することの多い焼結炭化タングステンの円筒形ブランクから製造される（図２乃至図８参照）。ブランク直径はタップ１０の仕上り寸法よりも大きい。ブランクの面４２及び面４４を切削し、所定長さとする。
【００１１】
基体１６に一般的に使用される材料は、コバルトと焼結炭化タングステンの合金である。コバルトの量は、約１２〜約１６重量％の範囲とすることができる。結晶成長を抑制する目的で少量の遷移金属炭化物を添加してもよい。また、基体１６は加工中に捕捉されうる低次不純物を含有してもよい。
【００１２】
基体１６の加工の第一段階として、中心上のトラバース研削あるいは心なし送り込み研削などの方法によりブランクを研削し、精密な円筒形公差とする。このステップにおいて、シャンク面４６を研削して所定サイズとし、ねじ切り部３１の外径を形成する。また、このステップもしくは付加的工程の間に、必要に応じてネック部４９を形成してもよい。ネック部４９は、円筒形表面５２、及び円筒形シャンク４６とネック部４９との間に形成される面取り部４８とを備える。更に、必要に応じて円筒研削により面取り部２４を形成してもよい。シャンク４６の直径は公称ねじ径と略同径である。
【００１３】
なお、シャンクに関しては他の態様も可能である。例えば、大径タップの場合、シャンク径は公称ねじ径より小さくてもよいし、小径タップの場合、シャンク径は公称ねじ径より大きくてもよい。また、使用時に駆動する便宜上シャンクの遠位端を正方形としてもよい。
【００１４】
次のステップで、研削により１つ以上の溝５０を形成し、食付き部３０と併せて切れ刃とする。更に、タップ使用時に発生する切り屑を除去するための手段を形成する。図１に示すように、溝５０は直線的に形成され、通常はタップ１０の軸と平行に設けられる。なお、溝の向きとしては他の向きも可能である。例えば、タップ導入箇所に、使用中にタップ動作の進行方向に切り屑を移動させるための短溝を、タップ１０の長手軸に対して５〜２０度の角度で研削してもよい。あるいは、溝５０を螺旋状に形成し、タップ動作中に切り屑を下穴から引き出す方式とタップ進行方向に移動させる方式のいずれか所望の方式に従って螺旋回転させてもよい。
【００１５】
次のステップで、ねじ付きボデー部３１を研削し、螺旋状にＶ字型ねじ逃げ面ならびに内径及び外径を形成する。次いで、研削により食付き部３０の形状を形成する。Ｖ字型ねじ逃げ面と外径は、タッピング中に形成される雌ねじと一致する。食付き部３０は、ねじ切りされる下穴へ導入できるようテーパ状に形成される。
【００１６】
上述した一定数の基本ステップの説明は、図１のタップを得るための処理の特徴をなす。但し、ステップ数は適宜設定してよい。上述の基本なステップ数は説明の便宜上設定したものである。ゆえに、本発明の範囲は上述の特定の処理ステップに限定されない。
【００１７】
次のステップで、タップ１０に金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる耐摩耗層５４をコーティングする。金属はアルミニウム、ケイ素、元素周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａの遷移金属のうちから１種以上が選択される。
【００１８】
耐摩耗層５４は、一層、多層もしくは交互層として基体１６上に付着しうる。図２に、ねじ切り部３１、食付き部３０、溝５０を含むタップ１０の主要部において、基体１６に付着された上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる、一層の耐摩耗層５４を示す。なお、コーティングはタップ１０の全領域に施されるが、シャンク４６のみはマスキングにより、コーティングされない。図２に示す一層の耐摩耗層５４の一例はチタン炭窒化物である。
【００１９】
図３は、上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物が多層もしくは交互層５４ａ〜５４ｄとして付着された基体１６を示す。図３に示される多層もしくは交互層としての耐摩耗層５４ａ〜５４ｄの一例は、窒化チタンとチタン窒化アルミニウムである。
【００２０】
摩擦低減の目的で、必要に応じて一層の耐摩耗層５４の上に外層５６を設けてもよい。外層５６は二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと遷移金属、あるいはそれらの組合せから構成してもよく、一層として同時に設けてもよいし、炭素、炭素と遷移金属の炭化物、炭素と遷移金属、窒化炭素もしくはそれらの組合せを含む多層もしくは交互層として設けてもよい。
【００２１】
図４は、すでに付着されている上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる一層の耐摩耗層５４上に必要に応じてコーティングされる一層の摩擦低減外層５６を示す。図５は、すでに付着されている上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる多層もしくは交互層５４ａ〜５４ｄ上に必要に応じてコーティングされる一層の摩擦低減外層５６を示す。摩擦低減外層５６が一層としてコーティングされる場合、摩擦低減層５６は二硫化モリブデン、同時に付着される二硫化モリブデンと遷移金属、同時に付着される炭素と遷移金属炭化物、同時に付着される炭素と遷移金属、炭素、窒化炭素から構成しうる。図４及び図５における摩擦低減外層５６のコーティングの一例は、同時に付着される二硫化モリブデンとチタンである。
【００２２】
図６は、すでに付着されている上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる一層の耐摩耗層５４上に必要に応じてコーティングされる多層の摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄを示す。図７は、すでに付着されている上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物からなる多層もしくは交互層５４ａ〜５４ｄ上に必要に応じてコーティングされる多層の摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄを示す。摩擦低減外層５６が多層の摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄとしてコーティングされる場合、摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄは二硫化モリブデンと遷移金属、炭素と遷移金属の炭化物、炭素と遷移金属の交互層として付着させてもよい。このような摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄのコーティングの一例は、炭素とクロムの交互層である。
【００２３】
上述した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物及び／又は酸化物、あるいは二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと遷移金属、炭素、炭素と遷移金属炭化物、炭素と遷移金属、及び窒化炭素からなる上述の摩擦低減外層は、いずれもイオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、アーク蒸発といった任意の高密度イオンプロセスなどの物理蒸着法（ＰＶＤ）や、良好な化学蒸着層を形成しうる多様な化学蒸着プロセスを用いた化学蒸着法（ＣＶＤ）など、当該技術で公知の方法にて付着させることが可能である。
【００２４】
なお、一層の耐摩耗層５４及び／又は多層もしくは交互層の耐摩耗層５４ａ〜５４ｄは様々な、あるいは段階的な化学組成を有することが可能である。例えば、最初に窒化チタンをコーティングし、次いで炭素を導入してもよい。この場合、層の外層５６に最も近い表面がチタン炭窒化物層となる。また、本発明は多層もしくは交互層５４ａ〜５４ｄ、５６ａ〜５６ｄの層数によって限定されず、層数を任意に設定して本発明を実施できる。例えば、耐摩耗層５４は、窒化チタンとチタン窒化アルミニウムからなる２層の交互層５４ａ、５４ｂを含んでいてもよい。別の例では、摩擦低減外層５６は、炭素とクロムからなる２層の交互層５６ａ、５６ｂを含んでいてもよい。
【００２５】
図８に示すように、耐摩耗層５４あるいは耐摩耗層５４ａ〜５４ｄを基体１６に強固に付着させる目的で金属層５８を最初に基体１６に付着させてもよい。同様に、必要に応じて設けられる摩擦低減外層５６あるいは摩擦低減外層５６ａ〜５６ｄと内側の耐摩耗層５４あるいは耐摩耗層５４ａ〜５４ｄとの間に金属層６０を設けてもよい。層５８、６０に用いる接着強化金属として、アルミニウム、ケイ素、元素周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａの遷移金属のうちから１種以上が選択される。
【００２６】
本発明の超硬合金コーテッドタップの切削効果を証明するため、各種試験を実施した。一つの試験で、ピッチをＭ１２×１．２５ｍｍとした超硬コーテッドタップを用いて３３  ＨＲＣ  ＡＩＳＩ  ４３４０鋼に対し、毎分９１メートル（毎分３００フィート）でねじ切りを行った。この超硬コーテッドタップは、コバルト１５％を含有するグレードの炭化タングステンにチタン炭窒化物をコーティングしたものである。試験結果より、従来のＴｉＮコーテッドＨＳＳタップでは同じ毎分９１メートル（毎分３００フィート）の切削速度で１５８個のねじ付き穴しか形成しないのに対し、本発明の超硬タップは１６８６個のねじ付き穴を形成し、ほとんど摩耗しなかった。また、従来のＴｉＮコーテッドＨＳＳタップで同じ１６８６個のねじ付き穴を形成するには切削速度を毎分１５メートル（毎分５０フィート）に低下させねばならないこともわかった。
【００２７】
ピッチをＭ１２×１．２５ｍｍとした本発明の超硬コーテッドタップの別の試験では、ＪＩＳ  ＳＣＭ４４０鋼を切削する際、本発明のタップを毎分８０メートル（毎分２６２フィート）の切削速度で使用できることがわかった。現在、従来のねじ切り技術によってＳＣＭ４４０鋼のねじ切りを行う際、毎分１４メートル（毎分４６フィート）の切削速度が推奨とされている。
【００２８】
本願明細書中で挙げた文献、特許及び特許出願を、参照によって本願明細書に援用する。
【００２９】
本発明を各種実施形態と関連させて説明したが、説明はあくまで例であり、何ら本発明を限定しない。添付の請求の範囲は従来技術により制限されない範囲で広義なものとみなされたい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に従ったコーテッド超硬タップの斜視図である。
【図２】一層からなる耐摩耗コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図３】多層もしくは交互層からなる耐摩耗コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図４】一層からなる摩擦低減外層コーティングを設けた、一層からなる内側の耐摩耗層コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図５】一層からなる摩擦低減外層コーティングを設けた、多層もしくは交互層からなる内側の耐摩耗層コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図６】多層もしくは交互層からなる摩擦低減外層コーティングを設けた、一層からなる内側の耐摩耗層コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図７】多層もしくは交互層からなる摩擦低減外層コーティングを設けた、多層もしくは交互層からなる内側の耐摩耗層コーティングを示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図８】基体、粘着強化金属層、耐摩耗内層、粘着強化金属層、摩耗低減外層を示す、図１のタップの切れ刃の断面図である。
【図１】
2006519114.tif 000003
【図２】
2006519114.tif 000004
【図３】
2006519114.tif 000005
【図４】
2006519114.tif 000006
【図５】
2006519114.tif 000007
【図６】
2006519114.tif 000008
【図７】
2006519114.tif 000009
【図８】
2006519114.tif 000010
【国際調査報告】
2006519114.tif 000011
2006519114.tif 000012