(57)【要約】【課題】塩素フリー型水溶性切削油剤を用いて、溶着が生じ易いステンレス鋼の被削材にねじ立て加工を行う場合でも、溶着が抑制されて安定した切削性能が得られる高寿命の硬質被膜被覆タップを提供する。【解決手段】スパイラルタップ１０の首部１４およびねじ部１６には、摩擦係数が小さくて高硬度のＣｒ含有ベース層３２が工具母材２８の表面に設けられるとともに、それよりも更に摩擦係数が低くて優れた潤滑性を有するＤＬＣ被膜３４がＣｒ含有ベース層３２の上にコーティングされているため、優れた耐溶着性、耐摩耗性が得られるようになる。これにより、溶着が生じ易いステンレス鋼の被削材に塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてねじ立て加工を行う場合でも、溶着が抑制されて安定した切削性能でねじ立てが行われるようになり、工具寿命が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
おねじを分断するように設けられた溝に沿って切れ刃が形成されているねじ部を有するとともに、該ねじ部における工具母材の表面には前記溝を含めて硬質被膜がコーティングされている硬質被膜被覆タップにおいて、
前記硬質被膜は、前記工具母材の表面にコーティングされたＣｒを含む窒化物、炭化物、または炭窒化物から成るＣｒ含有ベース層と、該Ｃｒ含有ベース層の上にコーティングされたＤＬＣ被膜とを有する
ことを特徴とする硬質被膜被覆タップ。
【請求項２】
前記Ｃｒ含有ベース層は、ＣｒＮ、ＣｒＣ、ＣｒＣＮ、またはＣｒと元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、IVｂ族、Ｖａ族の金属との固溶体の窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかである
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜被覆タップ。
【請求項３】
前記Ｃｒ含有ベース層はＣｒＮであることを特徴とする請求項２に記載の硬質被膜被覆タップ。
【請求項４】
前記Ｃｒ含有ベース層の膜厚は２〜５μｍの範囲内で、前記ＤＬＣ被膜の膜厚は０．０５〜０．５μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜被覆タップ。
【請求項５】
塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼の被削材にねじ立て加工を行う場合に使用される
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜被覆タップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜被覆タップに係り、特に、塩素フリー型の水溶性切削油剤を用いてねじ立て加工を行う場合でも溶着が少ない安定した切削性能が得られる硬質被膜被覆タップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
おねじを分断するように設けられた溝に沿って切れ刃が形成されているねじ部を有し、下穴内にそのねじ部がねじ込まれることにより、前記切れ刃によってその下穴の内周面にめねじを切削加工するタップが広く用いられている。特許文献１に記載のタップはその一例で、ねじ部における工具母材の表面には硬質被膜がコーティングされており、耐摩耗性や耐溶着性が向上して工具寿命が長くなる。硬質被膜としては、例えば特許文献２等に記載されているように、ＴｉＮやＴｉＣＮ等の単層或いは複数層から成るものなど、種々のものが提案されている。
【特許文献１】実開平４−４７９２１号公報
【特許文献２】特開平５−５７５０７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、近年、環境問題等により切削油剤として塩素を含まない塩素フリー型の水溶性切削油剤を使用する要求が高いが、一般に塩素フリー型は不水溶性切削油剤に比較して潤滑性能が劣るため、ステンレス鋼等の溶着を生じ易い被削材に対してめねじを切削加工する場合、従来のＴｉＮ等の硬質被膜では十分な耐溶着性が得られず、切れ刃に溶着が生じて工具寿命が著しく低下するという問題があった。
【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、塩素フリー型の水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼等の溶着を生じ易い被削材に対してねじ立て加工を行う場合でも、溶着が抑制されて安定した切削性能が得られる高寿命の硬質被膜被覆タップを提供することにある。
【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、おねじを分断するように設けられた溝に沿って切れ刃が形成されているねじ部を有するとともに、そのねじ部における工具母材の表面には前記溝を含めて硬質被膜がコーティングされている硬質被膜被覆タップにおいて、前記硬質被膜は、前記工具母材の表面にコーティングされたＣｒを含む窒化物、炭化物、または炭窒化物から成るＣｒ含有ベース層と、そのＣｒ含有ベース層の上にコーティングされたＤＬＣ被膜とを有することを特徴とする。
【０００６】
上記ＤＬＣは、「Diamond Like Carbon （ダイヤモンド状カーボン）」のことで、緻密なアモルファス構造を成しており、結晶学的にはダイヤモンドと異なるものであるが、高硬度を有するとともに摩擦係数が小さくて優れた潤滑性が得られる。
【０００７】
第２発明は、第１発明の硬質被膜被覆タップにおいて、前記Ｃｒ含有ベース層は、ＣｒＮ、ＣｒＣ、ＣｒＣＮ、またはＣｒと元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、IVｂ族、Ｖａ族の金属との固溶体の窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかであることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第２発明の硬質被膜被覆タップにおいて、前記Ｃｒ含有ベース層はＣｒＮであることを特徴とする。
【０００９】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜被覆タップにおいて、前記Ｃｒ含有ベース層の膜厚は２〜５μｍの範囲内で、前記ＤＬＣ被膜の膜厚は０．０５〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜被覆タップにおいて、塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼の被削材にねじ立て加工を行う場合に使用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
このような硬質被膜被覆タップによれば、摩擦係数が小さくて高硬度のＣｒ含有ベース層が工具母材の表面に設けられるとともに、それよりも更に摩擦係数が低くて優れた潤滑性を有するＤＬＣ被膜がＣｒ含有ベース層の上にコーティングされているため、優れた耐溶着性、耐摩耗性が得られるようになる。これにより、塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼等の溶着を生じやすい被削材に対してねじ立て加工を行う場合でも、溶着が抑制されて安定した切削性能でねじ立てが行われるようになり、工具寿命が向上する。
【００１２】
また、第４発明では、Ｃｒ含有ベース層の膜厚が２〜５μｍの範囲内で、ＤＬＣ被膜の膜厚が０．０５〜０．５μｍの範囲内であるため、工具母材に対して硬質被膜が高い付着強度（密着性）で設けられるとともに、その硬質被膜による耐摩耗性、耐溶着性の向上効果を十分に享受できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の硬質被膜被覆タップは、塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼の被削材に対してねじ立て加工を行う場合に特に好適に用いられるが、ステンレス鋼以外の溶着を生じ易い被削材に対してねじ立て加工を行う場合にも好適に用いられる。なお、塩素を含有する不水溶性切削油剤を用いてねじ立て加工を行う場合や、比較的溶着を生じ難い被削材に対してねじ立て加工を行う場合、或いは切削油剤を殆ど使用しないドライ加工やセミドライ加工（ミスト噴霧など）でねじ立て加工を行う場合等にも、加工条件によっては本発明の硬質被膜被覆タップを使用することが可能である。
【００１４】
おねじを分断するように設けられる溝は、軸心と平行なストレート溝であっても良いし、軸心まわりにねじれたねじれ溝であっても良い。溝の数は、２本〜４本が一般的であるが、径寸法によっては１本或いは５本以上であっても良い。ストレート溝の先端部分にねじれ溝が設けられたポイントタップや管用のテーパタップなど、種々のタップに本発明は適用され得る。
【００１５】
工具母材としては、高速度工具鋼または超硬合金が好適に用いられるが、他の超硬質工具材料やその他の工具材料を用いることもできる。
【００１６】
Ｃｒ含有ベース層としては、ＣｒＮ、ＣｒＣ、ＣｒＣＮの他、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＡｌＣ、ＣｒＡｌＣＮ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＣ、ＣｒＴｉＣＮ、ＣｒＶＮ、ＣｒＶＣ、ＣｒＶＣＮ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＣ、ＣｒＳｉＣＮなどが好適に用いられる。これ等の炭化物、窒化物、炭窒化物を単層で設けることもできるが、２層以上の多層で設けることも可能である。多層で設ける場合、組成が異なる複数種類の被膜を組み合わせて積層することもできる。
【００１７】
上記Ｃｒ含有ベース層の膜厚は、２μｍより薄いと耐摩耗性、耐溶着性の効果が十分に得られず、５μｍより厚くなると剥離し易くなるため、２μｍ〜５μｍの範囲内が適当であるが、組成によってはこの範囲を超えた膜厚で設けることも可能である。このようなＣｒ含有ベース層のコーティング法としては、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（物理的蒸着）法が好適に用いられる。
【００１８】
ＤＬＣ被膜の膜厚は、０．０５μｍより薄いと耐摩耗性、耐溶着性の効果が十分に得られず、０．５μｍより厚くなると剥離し易くなるため、０．０５μｍ〜０．５μｍの範囲内が適当である。成膜技術によりＤＬＣ被膜の膜厚にばらつきが生じる場合には、少なくとも切削に関与する切れ刃近傍部分（すくい面や逃げ面）で上記数値範囲を満たしておれば良く、切りくずを排出する溝部分ではこの数値範囲から外れていても良い。このようなＤＬＣ被膜のコーティング法としては、例えばグラファイトをターゲットとして用いて成膜するアークイオンプレーティング法、スパッタリング法等のＰＶＤ（物理的蒸着）法が好適に用いられるが、プラズマＣＶＤ（化学的蒸着）法等の他の成膜法を採用することもできる。
【実施例】
【００１９】
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、本発明の硬質被膜被覆タップの一実施例である３枚刃のスパイラルタップ１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) はねじ部１６における拡大断面図（タップ先端側から見た断面）である。このスパイラルタップ１０は、シャンク１２、首部１４、およびねじ部１６を、その順番で同一の軸線上に一体に備えており、ねじ部１６には加工すべきめねじに対応するねじ溝形状のおねじが設けられているとともに、そのおねじを分断するように３本のねじれ溝２０が軸心まわりに等間隔で設けられている。ねじ部１６は、ねじ山がテーパ状に除去された先端側の食付き部１６ａと、その食付き部１６ａに連続して設けられた完全なねじ山の完全山部１６ｂとを備えており、上記ねじれ溝２０に沿って切れ刃２２が設けられている。３本のねじれ溝２０は、何れも一定のリードのつる巻き線に沿ってねじ部１６から首部１４の途中まで一繋がりで連続して設けられている。図１(a) の一点鎖線は、ねじれ溝２０の中心線に相当する。
【００２０】
図１(c) は、ねじ部１６の表面部分の断面図で、工具母材２８の表面には硬質被膜３０がコーティングされている。工具母材２８は高速度工具鋼にて構成されているとともに、硬質被膜３０は、ねじれ溝２０を含めて首部１４およびねじ部１６の全域に設けられている。図１(a) の斜線部は、硬質被膜３０のコーティング領域を表している。この硬質被膜３０は、工具母材２８の表面にコーティングされたＣｒ含有ベース層３２と、そのＣｒ含有ベース層３２の上にコーティングされたＤＬＣ被膜３４とから成り、Ｃｒ含有ベース層３２はＣｒを含む窒化物、炭化物、または炭窒化物で、摩擦係数が小さくて高硬度を有するものであり、本実施例ではＣｒＮの単層にて構成されている。Ｃｒ含有ベース層３２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法によって形成され、その膜厚Ｄ1 は２〜５μｍの範囲内で、本実施例では約３μｍである。また、ＤＬＣ被膜３４は、上記Ｃｒ含有ベース層３２よりも更に摩擦係数が小さくて優れた潤滑性を有するものであり、例えばグラファイトをターゲットとして用いて成膜するアークイオンプレーティング法によって形成され、その膜厚Ｄ2 は０．０５〜０．５μｍの範囲内で、本実施例では約０．２μｍである。
【００２１】
本実施例のスパイラルタップ１０の諸元について具体的に例示すると、呼びはＭ８×１．２５で、谷径が８ｍｍ、ピッチが１．２５ｍｍの右ねじのめねじを切削加工するためのものである。ねじ部１６の径寸法は呼び径Ｄ（＝８ｍｍ）で、シャンク１２の径寸法はねじ部１６と略同じであり、首部１４の径寸法（首径）は加工すべきめねじの内径よりも小径とされている。ねじれ溝２０は右ねじれであるとともに、ねじ部１６におけるねじれ溝２０のねじれ角βは４５°である。また、ねじ部１６の長さ（ねじ長）は１３ｍｍで、そのうちの食付き部１６ａの長さは２．５ピッチ（＝３．１２５ｍｍ）である。なお、図１は、硬質被膜３０の膜厚を含めてスパイラルタップ１０の各部の寸法の比率や角度を正確に示したものではない。
【００２２】
そして、このようなスパイラルタップ１０は、塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼の被削材にねじ立て加工を行う場合に好適に使用され、予め設けられた下穴内にねじ部１６がねじ込まれることにより、切れ刃２２によってその下穴の内周面にめねじが切削加工されるとともに、切りくずはねじれ溝２０を通ってシャンク１２側へ排出される。その場合に、本実施例のスパイラルタップ１０はねじ部１６が短いため、１回転でねじ部１６のねじの１リードずつ前進するようにシンクロ送り（リード送り）される。
【００２３】
ここで、本実施例のスパイラルタップ１０は、摩擦係数が小さくて高硬度のＣｒ含有ベース層３２が工具母材２８の表面に設けられるとともに、それよりも更に摩擦係数が低くて優れた潤滑性を有するＤＬＣ被膜３４がＣｒ含有ベース層３２の上にコーティングされているため、優れた耐溶着性、耐摩耗性が得られるようになる。これにより、溶着が生じ易いステンレス鋼の被削材に塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてねじ立て加工を行う場合でも、溶着が抑制されて安定した切削性能でねじ立てが行われるようになり、工具寿命が向上する。
【００２４】
また、本実施例では、Ｃｒ含有ベース層３２の膜厚Ｄ1 が２〜５μｍの範囲内で、ＤＬＣ被膜３４の膜厚Ｄ2 が０．０５〜０．５μｍの範囲内であるため、工具母材２８に対して硬質被膜３０が高い付着強度（密着性）で設けられるとともに、その硬質被膜３０による耐摩耗性、耐溶着性の向上効果を十分に享受できる。
【００２５】
図２は、高速度工具鋼の表面に膜厚が１．２μｍ、０．６μｍ、０．２μｍのＤＬＣ被膜を直接コーティングした３種類の試験品を用意し、スクラッチ試験によりＤＬＣ被膜の付着強度に対する膜厚の影響を調べた結果を説明する図である。すなわち、ダイヤモンドコーンの圧子針を１５Ｎの押付荷重で試験品に押し付けて引っ掻き、ＤＬＣ被膜の剥離の有無を調べたところ、膜厚が１．２μｍの場合には、図２の(a) に示す写真から明らかなように十数μｍの大きな剥離が生じた。また、膜厚が０．６μｍの場合も、図２の(b) に示す写真から明らかなように数μｍの剥離が少量見受けられた。これに対し、膜厚が０．２μｍの場合には、図２の(c) に示す写真から明らかなように、剥離は殆ど見受けられなかった。図２(c) の写真の白い点々は、膜厚が薄いために透けて見える母材（高速度工具鋼）の表面である。この結果から、ＤＬＣ被膜の膜厚が０．５μｍ以下であれば、十分な付着強度が得られることが分かる。
【００２６】
図３は、本発明品としての前記実施例のスパイラルタップ１０、および前記硬質被膜３０の代りにＴｉＣＮをコーティングした比較品、ＣｒＮのみをコーティングした比較品、の計３種類の試験品を用意し、塩素フリー型水溶性切削油剤を用いてステンレス鋼の被削材にねじ立て加工を行い、耐久性を調べた結果を説明する図である。比較品の膜厚は何れも３μｍである。そして、図３の(a) に示す加工条件でねじ立て加工を行なった。
【００２７】
図３の(b) に示す結果から明らかなように、上段に示すＴｉＣＮコーティングの場合、２１穴目のねじ立て加工で工具が折損した。写真に示す切りくずの形態は、巻きが不規則であるとともに長さ（図３(b) の写真における左右方向の寸法）は１００ｍｍ程度で比較的短く、切削性能が安定していないとともにねじれ溝２０内における切りくずの流れが円滑でないことを表している。切りくずは３本発生するが、１本は途中で破断した。また、早期に折損したため、タップの写真は撮っていない。
【００２８】
図３(b) の中段に示すＣｒＮコーティングの場合は、１７１穴目のねじ立て加工で工具が折損した。写真のタップは１５０穴目をねじ立て加工した後のもので、切れ刃２２には微小な溶着が認められた。切りくずの形態は、巻きが不規則であるとともに長さは１１０ｍｍ程度で、上段のＴｉＣＮコーティングよりは長いが下段の本発明品より短く、切削性能が安定していないとともにねじれ溝２０内における切りくずの流れが必ずしも円滑でないことを表している。切りくずは３本発生するが、１本は途中で破断した。
【００２９】
図３(b) の下段に示す本発明品（ＣｒＮ＋ＤＬＣコーティング）の場合は、４７４穴でねじ立て加工を打ち切るまで、工具が折損することなく安定した切削加工が行なわれ、その後の継続使用が可能であった。写真のタップは４５０穴目をねじ立て加工した後のもので、切れ刃２２に溶着は認められなかった。切りくずの形態は、巻きが規則的であるとともに長さは１２０ｍｍ程度で、中段のＣｒＮコーティングより更に長く、切削性能が安定しているとともにねじれ溝２０内における切りくずの流れが円滑であることを表している。
【００３０】
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】
【００３１】
【図１】本発明が適用されたスパイラルタップを示す図で、(a) は正面図、(b) はねじ部の拡大断面図、(c) はねじ部の表面部分の断面図である。
【図２】膜厚が異なる３種類のＤＬＣ被膜の付着強度をスクラッチ試験により調べた結果を説明する図である。
【図３】本発明品の耐久性試験の結果を、硬質被膜が異なる比較品と比較して説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：スパイラルタップ（硬質被膜被覆タップ）    １６：ねじ部    ２０：ねじれ溝（溝）    ２２：切れ刃    ２８：工具母材    ３０：硬質被膜    ３２：Ｃｒ含有ベース層    ３４：ＤＬＣ被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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