(57)【要約】      （修正有）【課題】高速度工具鋼であっても、潤滑性及び摺動性を向上することにより摩擦抵抗を小さくさせ、しかも、長寿命化することができる低摩擦層を有する鋼材の提供。【解決手段】高速度工具鋼鋼材１の表面に膜厚が１〜２μｍの窒化チタンによる硬質層がコーティングされた硬質皮膜層２が形成され、硬質皮膜層２に大面積電子ビーム３の照射等による瞬間的な加熱冷却により内部応力が少ない低摩擦層２が形成されている低摩擦層を有する鋼材。高速度工具鋼鋼材１は、モリブデン系高速度工具鋼などの球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された鋼材である低摩擦層を有する鋼材。低摩擦層２には、クラックにより独立した微細領域に分割されており、各微細領域の面積が０．０００１ｍｍ２〜１ｍｍ２の範囲であることが好ましい、低摩擦層を有する鋼材。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼鋼材の表面に窒化物を成分とする硬質層がコーティングされた硬質皮膜層が形成され、
前記硬質皮膜層は、大面積電子ビーム照射等による瞬間的な加熱冷却により内部応力を少なくした低摩擦層が形成されていることを特徴とする低摩擦層を有する鋼材。
【請求項２】
硬質皮膜層が窒化チタンによって１〜２μｍの膜厚に形成された請求項１に記載の低摩擦層を有する鋼材。
【請求項３】
高速度工具鋼鋼材は、モリブデン系高速度工具鋼などの球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された鋼材である請求項１及び２に記載の低摩擦層を有する鋼材。
【請求項４】
低摩擦層には、クラックにより独立した微細領域に分割されており、各微細領域の面積が０．０００１ｍｍ２〜１ｍｍ２の範囲である請求項１に記載の低摩擦層を有する鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、高速度工具鋼鋼材の表面に低摩擦層が形成された鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】  種々の金属製の部品を製造するときには、プレス加工或いは切削加工が広く利用されている。例えば打抜き加工（穴あけ加工）を行う場合には、一般に金型の可動側にスティック形状のパンチを装着し、固定側のダイに形成した穴にパンチを嵌合することにより金属製の被加工材（ワーク）に穴あけ加工が行われる。パンチは、加工時において、その先端部表面の一部がワークと高圧又は高速条件下で接触する。近年、打抜加工を施す鋼板等の被加工材の厚みが増大する傾向にあり、そのようなワークの打抜き加工に使用されるパンチの長寿命化を実現するには、パンチのワーク接触面における物理的強度、特に耐摩耗性及び摺動性を向上させることが要求される。一方、ドリルやエンドミル等の切削工具は、高速切削加工時の高熱に曝されても劣化し難く、耐摩耗性及び摺動性を発揮、維持できるものでなければならない。【０００３】  金型におけるパンチ、或いは切削工具において耐摩耗性を得る手段としては、通常の場合、基材として超硬合金を使用することがある。しかし、超硬合金は極めて高い硬度を有しているが靱性が低いため破損する事故が多々あり、しかも素材そのものが高額のために、コストアップになる要因になっていた。【０００４】  特開平１１−１５６９９２号公報（特許文献１）には、工具の耐摩耗性を向上させるために、工具における被加工材接触面に対し、イオンプレーティング装置等によって炭化チタン、窒化チタン等からなる硬質皮膜を形成する処理を行うことが開示されている。しかし、このような硬質皮膜では、被削材と加工条件或いは相手材との摺動条件によっては、硬質皮膜が剥離してしまうことがあり、また、発熱増大による焼き付きや基材の熱変質，変形などによって寿命が短くなる問題がある。【０００５】  このような問題を解決するために、耐摩耗性を高めると共に、潤滑性を備えることを目的として、基材表面に被覆された硬質膜の表面に微細孔が点在させ、微細孔によって液溜め効果により潤滑性を確保することが特開２００２−１４６５１５号公報（特許文献２）に開示されている。この特許文献２に記載された工具は、基材として、市販されている超硬合金製ソリッドドリルの表面にアークイオンプレーティング装置によって硬質皮膜を形成して被覆ドリル素材を得た後、この被覆ドリル素材の皮膜表面に液体ホーニングによって微細孔を形成している。また、打抜き加工用のパンチにおいては、耐摩耗工具用超硬合金素材に粗研削と仕上げ研削加工して打抜き加工用のパンチを作製した後、表面に硬質皮膜を形成した後、このパンチの皮膜表面に液体ホーニングによって微細孔を形成することが記載されている。【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５６９９２号公報
【特許文献２】特開２００２−１４６５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  ところが、特許文献２に開示されているように、基材表面に被覆された硬質膜の表面に微細孔を点在させることによって、超硬合金製ソリッドドリルや超硬合金素材製打抜き加工用パンチの寿命が約２倍に延びるとしているが、硬質膜を形成した後に液体ホーニングによって微細孔を形成するため、硬度が高い超硬合金素材と、その表面に形成した硬質膜の表面に微細孔を形成することは、大きなエネルギーを必要とするとともに、微細孔の形成が不十分になる問題がある。さらに、微細孔を形成することによって硬質膜の表面が破壊されることがあり、この結果、穴明け加工或いは打抜き加工を行ったときに硬質膜が剥離する問題があった。【０００８】  本発明の課題は、高速度工具鋼であっても、潤滑性及び摺動性を向上することにより摩擦抵抗を小さくさせ、しかも、長寿命化することができる低摩擦層を有する鋼材を提供することある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  上記課題を解決するため本発明による低摩擦層を有する鋼材は、高速度工具鋼鋼材の表面に窒化物を成分とする硬質層がコーティングされた硬質皮膜層が形成され、前記硬質皮膜層は、大面積電子ビーム照射等による瞬間的な加熱冷却により内部応力を少なくした低摩擦層が形成されていることを要旨としている。【００１０】  硬質皮膜層は、窒化チタンによって１〜２μｍの膜厚に形成されている。【００１１】  高速度工具鋼鋼材は、例えばモリブデン系高速度工具鋼のような球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された鋼材としている。【００１２】  低摩擦層には、クラックにより独立した微細領域に分割されており、各微細領域の面積が０．０００１ｍｍ２〜１ｍｍ２の範囲とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の低摩擦層を有する鋼材は、高速度工具鋼鋼材の表面にコーティングされた窒化物を成分とする硬質層からなる硬質皮膜層に対し、大面積電子ビームを瞬間的に照射することにより、硬質皮膜層が微小時間の間に急激に溶融した後に凝固することから低摩擦層に改質される。硬質皮膜層が凝固する際に内部応力が減少するように改質され、この内部応力の減少により皮膜の破壊・剥離を防ぎ、皮膜の密着性を改善することが可能となる。低摩擦層の上から所定の圧力で摺動体を摺動させると、摺動力に対する摩擦抵抗が内部応力の減少によって低下することから摩擦係数を低下させることが可能となる。【００１４】  また、硬質皮膜層として、窒化チタンをＰＶＤにより１〜２μｍの膜厚にコーティングしたことから、大面積電子ビームを瞬間的に照射することにより、急激な溶融と凝固が生じ易くなり、容易に低摩擦層を形成することができる。【００１５】  さらに、表面に低摩擦層を有する鋼材として、モリブデン系高速度工具鋼のような球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された鋼材を使用することにより、ＰＶＤコーティングする窒化チタンが、大面積電子ビーム等による瞬間的な加熱冷却によって、容易に低摩擦層に改質させることができる。【００１６】  また、大面積電子ビームを瞬間的に照射することにより改質した低摩擦層には、独立した微細領域に分割された０．０００１ｍｍ２〜１ｍｍ２の範囲の面積としたクラックが形成され、このクラックによって１μｍ以下の微細な溝が形成されるので、低摩擦層に潤滑油の油膜を形成したときに、クラックの微細な溝が油溜まりとして機能させることができる。これにより、低摩擦層に所定の圧力で摺動体を摺動したときに、潤滑油が微細な溝から流出し、さらに摩擦抵抗を低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による低摩擦層を有する鋼材を示す断面図である。
【図２】図１に示す鋼材の電子ビーム照射後の表面を示す拡大写真である。
【図３】図１に示す鋼材の摩擦距離に対する摩耗係数の変化を示す特性図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は、摩耗試験機を示す説明図である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は図１に示す鋼材の摩耗試験を行った後の表面写真である。
【図６】低摩擦層のクラックを示す拡大平面図である。
【図７】低摩擦層に形成されたクラックの溝を示す断面図である。
【図８】摺動状態を示す説明図である。
【図９】鋼材の電子ビーム照射前の表面を示す拡大写真である。
【図１０】図９に示す鋼材の摩擦距離に対する摩耗係数の変化を示す特性図である。
【図１１】（Ａ）（Ｂ）は図９に示す鋼材の摩耗試験を行った後の表面写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  本発明による低摩擦層を有する鋼材は、高速度工具鋼の表面に窒化物を成分とする硬質層がコーティングされた硬質皮膜層が形成され、大面積電子ビーム照射等による瞬間的な加熱冷却により内部応力を少なくした低摩擦層が形成されている。【００１９】  以下、図面に基いて本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明による低摩擦層を有する鋼材を示している。鋼材１としては、球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された高速度工具鋼鋼材で、一般的にハイス鋼と呼ばれる周知の機械加工用の工具鋼材の中で、モリブデン系の高速度工具鋼が好適である。さらに、高速度工具鋼のうち、球状化された微細な炭化物を含み、粘さがあり、靭性に優れるＳＫＨ５１が望ましい。なお、球状化された微細な炭化物を含む金属組織で構成された鋼材としては、ＳＫＨ５１の他に、炭素工具鋼鋼材（ＳＫ９５、ＳＫ１０５）、合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ３、ＳＫＳ３１）、軸受鋼（ＳＵＪ２）或いは、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）が使用できる。【００２０】  鋼材１の表面には、ＴｉＮからなる窒化硬質層がＰＶＤなどの周知の手段によってコーティングされた硬質皮膜層２が形成されている。この硬質皮膜層２の膜厚は、１〜２μｍが望ましい。この膜厚として、１μｍ以下の場合は、後述する大面積電子ビームの照射によって瞬間的に溶解して硬質皮膜層２が飛散してしまう。また、２μｍ以上の場合は、大面積電子ビームを照射したとき、鋼材１側まで溶解が不十分となって、その後凝固されないことがあり、鋼材１側では必要とする低摩擦層に改質できないことがあるためである。【００２１】  このように、鋼材１の表面にＰＶＤコーティングによって形成された硬質皮膜層２に対し、図１に示すように、電子ビーム３を瞬間的に１回照射する。電子ビーム３は、ビーム径の直径が５０ｍｍ〜１００ｍｍと大面積であり、カソード出力１２ＫＶ〜１８ＫＶで照射される。この大面積の電子ビーム３は、広い面積に照射することが可能であり、母材である鋼材１を損傷させず、硬質皮膜層２のみを改質させるように制御している。上述したように、ＴｉＮからなる窒化硬質層からなる１〜２μｍの膜厚の硬質皮膜層２とした場合には、硬質皮膜層２のみを改質するためには、硬質皮膜層２までの距離を適宜に設定した場合、カソード出力を１２ＫＶ〜１８ＫＶで照射することが望ましい。【００２２】  なお、電子ビーム３を発生させる電子ビーム発生装置としては、周知の装置であり、電子ビームの発生源になるコンデンサ、制御部と電子銃などを備えている。電子ビーム３によって硬質皮膜層２を改質させるために、まず、電子ビーム発生装置の内部に、表面に硬質皮膜層２を形成した鋼材１を所定位置に設置する。その後、電子ビーム発生装置の内部を真空雰囲気にし、適正量のアルゴンガスまたは窒素ガスを注入して０．０５Ｐａ水準の真空度を維持させる。その後、カソード電圧１２〜１８ＫＶの範囲で直径約５０ｍｍ〜１００ｍｍの電子ビームを発生させる。この時、電子銃で照射される電子ビームは熱電子形態で加速されて硬質皮膜層２に１〜２μｍの短い時間で瞬間的に照射される。【００２３】  電子ビーム３の照射によって硬質皮膜層２に衝突した��電子は、その加速された運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて瞬間的に高い熱を発生させる。このとき、硬質皮膜層２が瞬間的に加熱される。その結果、硬質皮膜層２の膜厚が１〜２μｍと薄膜に形成していることから、硬質皮膜層２が急冷されることにより改質されて低摩擦層４が形成される。この低摩擦層４には、図２、図６に示すように、幅が１μｍ以下の微細な溝４ａを有するクラックが生ずる。このクラックは独立した微細領域に分割されており、各微細領域の面積が０．０００１ｍｍ２〜１ｍｍ２の範囲となっている。このように、クラックが形成されることは、硬質皮膜層２が急加熱、急冷却されることにより微細なクラックが発生すると考えられ、この結果、内部応力が低下した密着性が高い低摩擦層４が形成される。【００２４】  次に、低摩擦層４による低摩擦効果について説明する。図４（Ａ）（Ｂ）は、摩擦摩耗試験機の一例を示している。低摩擦層４が形成された鋼材１は、図示しない回転台に載置固定される。この鋼材１の低摩擦層４に対して、ホルダー５の下端に設けた硬質のボール６を矢示のように加圧させた状態で押圧しながら摺動させる。そして、摩耗試験として、例えば、鋼材１を３０ｒｐｍで回転させ、低摩擦層４に対して５０Ｎでボール６を加圧した状態で、鋼材１の低摩擦層４の摩擦係数を計測する。【００２５】  この摩擦摩耗試験機によって計測された摩擦係数を図３に示す。横軸は低摩擦層４にボール６を加圧した距離を示し、縦軸は摩擦係数を示している。この図３からも明らかなように、鋼材１を回転した後、徐々に摩擦係数が上昇し、その後、距離が増加しても摩擦係数は０．５の付近でほぼ一定となって安定することが分かる。【００２６】  図５（Ａ）は、上述した摩擦摩耗試験機によって低摩擦層４が形成された鋼材１の摩耗試験を行った後の表面写真であり、図５（Ｂ）は、ボール６が加圧された部分の拡大写真である。これらの写真から明らかなように、硬質皮膜層２の内部応力が低下したことにより、硬質皮膜層が改質された低摩擦層４が、鋼材１に対して密着している。このように、低摩擦層４の密着性が高められたことから、摺動性が向上し、持続性のある低摩擦層４が形成されたことが確認された。【００２７】  因みに、図４に示す摩擦摩耗試験機を使用して、電子ビームを照射する前の状態の鋼材１の表面に形成された硬質皮膜層２について摩擦係数を計測したところ、図１０に示すような鋼材１を回転した始動直後から摩擦係数が著しく乱れた鋼材１の表面を観察したところ、図１１（Ａ）に示す鋼材１の摩耗試験を行った後の表面写真、図１１（Ｂ）に示すボール６が加圧された部分の拡大写真に示すように、ボール６の加圧によって、初期には表面に剥離が生ずることにより発生する摩耗粉や損傷が摩擦係数を乱すことが観察された。その後、鋼材１を回転すると、摩耗粉や損傷が除去または平滑化されて、０．６以上の摩擦係数の状態で推移するものと推察される。このため、摺動性及び持続性が損なわれることになる。【００２８】  一方、鋼材１の表面の硬質皮膜層２に電子ビーム３を瞬間的に１回照射して形成しても、場合によっては、低摩擦層４に、図２に示すような大きなクラックが生じない場合がある。しかし、この場合であっても、摩擦係数の変化は図９に示した変化とほぼ同じであった。これは、顕著なクラックの発生は見られないものの、硬質皮膜層２を低摩擦層４に改質するとき、硬質皮膜層２が再凝固により結晶化して応力を低下させることから、低摩擦層４を加圧したときに微細化して潤滑作用が生じ、摩擦抵抗を低下させるものと推察される。【００２９】  図８は、鋼材１の表面に形成した低摩擦層４に潤滑油７の皮膜を塗布した状態を示している。上述したように、電子ビーム３を瞬間的に照射することにより改質した低摩擦層４には、幅が１μｍ以下の微細な溝４ａが形成される。この溝４ａには、毛細管現象によって、図７（Ｂ）に示すように、潤滑油７が含浸して一種の油溜まりとして機能する。これにより、図示のように、低摩擦層４の表面に被摺動体８を所定の押圧力で摺動させたときに、潤滑油７によって摩擦力を低下させるが、被摺動体８によって押し流された表面の潤滑油７は、溝４ａ内の潤滑油７によって補充され、潤滑作用を継続させることができる。また、余剰な潤滑油７は、毛細管現象によって再び油溜まりとしての溝４ａに戻され、この循環によって良好な摩擦係数を継続的に維持することとが可能となる。【００３０】  以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることは言うまでもない。高速度工具鋼鋼材の表面に窒化硬質層をＰＶＤによりコーティングによって硬質皮膜層を形成したが、このＰＶＤコーティングの前処理として、鋼材の表面に窒化や侵炭処理、或いは、表面を平滑にするための鏡面ショット処理、鏡面ラップ処理等の各種表面処理を行うようにしても良い。また、表面処理を行う手段として、表面を円滑にするために、予め弱い電子ビームを照射するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３１】１    高速度工具鋼鋼材
２    硬質皮膜層
３    電子ビーム
４    低摩擦層
４ａ  溝
５    ホルダー
６    ボール
７    潤滑油
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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