JPH01240636A - 表面処理性に優れた工具とその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックコーティングにおける表面処理性
、例えばＴｉＣまたはＴｉＮコーティングの際の表面処
理性に優れた工具およびその製造法、特に粉末から構成
し、耐摩耗性の向上を図って施すＴｉＣ，ＴｉＮ等のセ
ラミックコーティング膜との密着性が良好な表面処理性
に優れた工具およびその製造法に関する。

（従来の技術） 金属材料を加工する道具としての工具は、被加工金属材
料より硬くなければならず、また繰り返し使用するため
にも耐摩耗性とともに靭性もある程度確保されなければ
ならない。

このような工具用材料としてはいわゆる高速度鋼が一般
的であって、かかる工具鋼の特性である靭性を維持しな
がら耐摩耗性を向上させることが、特に近年に至り、工
作機械の自動化と相俟って望まれている、かかる工具に
あって靭性を劣化させずに耐摩耗性を向上させるには以
下の２つの手段が現在考えられる。

１つは、粉末冶金法により可能となった方法で、硬質の
炭化物を多量に微細分散させる方法であり、もう１つは
、表面にコーティング処理を施す方法であり、現在では
ＴｉＣ，ＴｉＮのコーティングが最も一般的である。

前者の方法では、母相マトリックス中に硬質炭化物が析
出する形になり、硬度レベルでは、ｍＨｖ１０００程度
が限界である。

一方、後者の場合は、例えば真空蒸着、スパッタリング
などのＰＶＤ（物理蒸着）によってコーティング処理さ
れるのであって、硬度レベルで鱈ν２０００〜３０００
のＴｉｃ、ＴｉＮを数μ層の厚さにコーティング処理す
るだけで、耐摩耗性は、極めて向上する。現在では、多
量の合金元素を添加すると粉末冶金法でも靭性の劣化が
さけられず、耐摩耗性の向上の点からは、コーティング
処理が有望と考えられている。

（発明が解決しようとする課８） すでに述べたように、工作機械の自動化が一般的となる
にしたがい、使用条件が一層厳しくなり、場合によって
はコーティング被膜の剥離が見られるようになってきた
。そこで現在ではかがるコーティング被膜の剥離を防止
するばかりでなくより安価な工具が要求されるようにな
ってきた。このため、安価な手段でもってコーティング
被膜の剥離を防止して従来のＴｉＣまたはＴｉＮコーテ
ィング処理工具の寿命延長を図ることが望まれている。

かくして、本発明の一般的目的は、工具としての寿命の
一層改善されたセラミックコーティング、例えばＴｉＣ
、ＴｉＮコーティング処理に適する工具鋺およびその製
造法を提供することである。

また、本発明の具体的目的は、工具として耐摩耗性向上
のためにＴｉＣ，、ＴｉＮをコーティングして使用され
る工具のコーティング皮膜の寿命向上のための最適の粉
末工具およびその製造法を提供することである。

（課題を解決するための手段） そこで、かかる問題解決を図って、セラミックコーティ
ングとしてＴｉＣ、ＴｉＮコーティング皮膜それ自体は
ともかくとして、皮膜と母地との密着性に着目して、そ
の改善を図ることを検討した。

しかし、このようなコーティングを施して使用される材
質について従来考えられたことはなかった。なぜならコ
ーティング処理により、寿命が向上したのは、ＴｉＣや
ＴｉＮの硬質皮膜のためと考え、下地とコーティング層
との密着性を考えに入れていなかったからである。

そこで、これらの点についてさらに検討を重ねたところ
、ＴｉＣやＴｊＮをコーティングした工具の耐摩耗性は
、コーティング皮膜の摩耗、およびチッピングや欠損で
評価されるが、特に後者のチッピングや欠損は、母地で
ある下地のマトリックス結晶粒度、炭化物粒度に左右さ
れ、それらが細かく均一分散している方がコーティング
皮膜との密着性がよく、チッピングや欠損が起こり難い
ことが判明した。また、かかる効果は、母地の炭化物の
最大寸法が５μ鯛以下のとき特に顕著であることを知見
した。なお結晶粒度は、炭化物粒度が細かい程、細かく
なる。

以上のような点から、コーティング用素材としては、成
形後の炭化物の最大寸法が５μ−以下がＴｉＮ、ＴｉＣ
コーテイング後の密着性に優れていることが判明し、成
形後め炭化物の最大寸法が５μ副以下になる製造法とし
ては、溶製法では不可能であり、粉末法に頼らねばなら
ないが、粉末法の中でも冷却速度の遅いガスアトマイズ
法では難しく、また水アトマイズ法でも後の還元工程に
よって結晶粒、炭化物粉が粗大になるため不適切であり
、冷却速度が速く、後の還元工程の不要な油アトマイズ
法が適する。また油アトマイズ粉末でも、カプセルに充
填後９５０〜１１５０℃、塑性加工比４以上で焼結・成
形しなければ、所定の５μ−以下の炭化物の最大寸法が
得られないことが判明した。

ここに、本発明の要旨とするところは、重量％で、 Ｃ：０．４〜３．３％かつＣａ２．０１７　Ｘ　（Ｗ　
＋　２Ｍｏ）　＋０．２ＸＶ、 Ｓｉ：　２％以下、　　　Ｍｎ：　１％以下、Ｃｒ：　
３〜８　％、　　　　　Ｍｏ：　　０．１　〜１５％、
Ｗ：　０．１〜１５％、　　Ｖ：１０５１１ｆ以下、さ
らに所望により、　Ｃｏ：　１０％以下を含有し、残部
Ｐｅと不可避的不純物からなる成分組成を有する粉末焼
結成形体であって、炭化物の最大寸法が５μ輪以下であ
ることを特徴とする、表面処理性に優れた工具である。

なお、ここで工具とは最終製品にコーティング加工され
る前の製品およびそれに加工するための素材をも含める
。

このように、コーティング皮膜の密着性は、下地の炭化
物粒度が細かく均一であるほど良好であり、その効果は
、炭化物の最大寸法が５μ−以下で顕著である。

また、そのような微細な炭化物を得るための製造法とし
ては、冷却速度が速く、後の還元工程のない油アトマイ
ズ法による前記組成の粉末を使用し、カプセル充填後、
９５０〜１１５０℃、塑性加工比４以上で焼結・成形す
ることを特徴とする、表面処理性に優れた工具の製造法
である。

ここに、「表面処理性」が良いとは、工具としての所定
形状に成形してから例えばＴｉＣあるいはＴｉＮコーテ
ィング処理などのセラミックコーティングを行ったとき
に、そのコーティング皮膜と母地との密着性が優れてい
て、結果としてコーティング皮膜の耐摩耗性の寿命延長
が図られることを言うのである。

（作用） 次に、本発明をさらに具体的に説明するが、セラミック
コーティングとしてＴｉＣやＴｉＮのＰＶＤ　（物理蒸
着）を例にとって以下説明するが、本発明は必ずしもそ
れらにのみ限定されるものではないことは理解されよう
。

まず、本発明における成分組成の限定理由を以下に述べ
る。なお、「％」は特にことわりがない限り、「重量％
」である。

Ｃ： Ｃは炭化物形成元素としてまたマトリックスの強化元素
として有用である。まず、炭化物成形には、０．０１７
　Ｘ（Ｗ＋２Ｍｏ）＋０．２Ｖに相当する量が必要であ
り、本発明の場合、最大で２．８％となる。−方、マト
リックスの硬度・靭性のバランスを図るためには、マト
リックス中の固溶Ｃ量は０．４〜０．５％が最適範囲で
ある。したがって、これらの合計Ｃ量としては、下限は
０．４％であり、かつ０．０１７Ｘ（Ｗ　＋　２Ｍｏ）
　＋　０．２Ｖ　　以上であって、上限は３．３％とな
る。

Ｓｉ： 脱酸剤として使用されるが、０．８％付近で焼戻し軟化
砥抗を高める働きがある。一方、Ｓｉ酸化物の介在物等
を生じ、靭性を低下させる原因になるので、２％を上限
とする。下限については少量のＳｉは硬度・靭性に与え
る影響が小さいので特に規定しないが、脱酸に必要な量
が含有されることは言うまでもない。

Ｍｎ： Ｓｉと同様、脱酸剤として使用されるが、１％を越える
とオーステナイト組織を安定化して、残留オーステナイ
トが増大し、硬度、靭性を低下させる原因になるので１
％以下に規定した。なお、下限については少量のＭｎは
硬度、靭性に与える影響が小さいので特に規定しないが
、脱酸に必要な量が含有されることは言うまでもない。

Ｃｒ： 主に焼入性を向上させる元素であるが、３％未満ではこ
のような効果が少なく、逆に８％を越えて添加すると炭
化物を粗大化させ、跪化し易くなるので３〜８％の範囲
とした。

ＭＯｌ−二 Ｃと結合して、Ｍ、Ｃ型、ＬＣ型炭化物を形成し、硬度
上昇に寄与する。また焼戻しによる二次硬化もあり、更
に耐熱性も付与する。これらの効果を十分に発渾させる
には、Ｍｏ、　Ｗとも０．１％以上の含有を必要とする
。ただし、Ｍｏ、　Ｗをそれぞれ１５％を越えて添加す
ると靭性が低下するために上限はＭｏ、　Ｗとも１５％
とした。

Ｖ： 鋼中のＣと結びついて、硬いＶＣ炭化物を形成し、硬度
や耐摩耗性の向上に寄与する。しかし１０％を越えて添
加すると析出炭化物量が増加し、靭性低下とともに、コ
ーティング層との密着性が低下するので、上限は１０％
とする。また下限については、ＭＯ，Ｗ、Ｃｒなどの炭
化物生成元素が存在するので特に定めない。なおりＨが
増加すると炭化物寸法が大きくなるので、塑性加工比を
大きくすることが望ましい。

ＣＯ： 必要に応して添加することにより、耐熱性と焼戻し軟化
抵抗を増大させることができる。ただし１０％を越えて
添加してもこれらの効果は飽和し、逆に焼入れ性などを
低下させるので１０％を上限とする。下限については、
ＣＯが少量であっても相応の効果が期待できるので特に
限定しない。

本発明の対象となる工具としては、パンチ、エンドミル
などが例示されるが、特にそれにのみ限定されるもので
はない。また、目的形状への成形手段についても特に限
定されないが、一般には、鍛造、押出し等である。

このような成形工程を経る、本発明にかかる工具にあっ
ては、そのマトリックス相に分散している炭化物の最大
寸法を５μ−以下とするが、これは炭化物の最大寸法が
５μｍ超になると、コーティング皮膜との密着性が十分
でなくなるためである。

また、製造法におけるかかる炭化物寸法の微細化手段に
ついて言えば、まず溶製材ではかかる条件を達成するこ
とは困難である。一方、水および油アトマイズ粉末は冷
却速度が速く、細粒化に適するが、水アトマイズ法は還
元工程（約１１００℃加熱）で炭化物が成長し、その最
大寸法が５μｍを超えてしまうため、後工程として還元
工程のない油アトマイズ粉末が特に適するのである。

粉末の成形条件： 特に温度が重要であって、炭化物の粗大化しない温度で
ある１１５０℃を上限として、下限は変形能の点から９
５０℃とする。

塑性加工比： 塑性加工比が増大すると炭化物が細粒化するが、塑性加
工比が４以上でないと所定の５μ鳳以下の炭化物の最大
寸法が得られないので下限を４とするが、上限は特に規
定しない、また塑性加工比が増大すると密度が増大して
強度が改善され、塑性ような条件で焼結・成形を行えば
焼結・成形後の炭化物の最大寸法は５μ階以下となり、
したがって、コーティング層の密着性に優れた工具を製
造できる。

次に、本発明をその実施例によってさらに詳細に説明す
る。

実施例１ 本例は、焼結・成形後の炭化物寸法の５ｉＣ１ＴｉＣコ
ーテイング皮膜に対する密着性の影響を評価するための
ものである。

Ｗ系高速度＠ＳＫ旧０　（１，５Ｃ−０，３Ｓｉ−０，
２Ｍｎ−４，１Ｃｒ−０、ｌＭｏ−１２，０Ｗ−４，５
Ｖ−５Ｃｏ）の組成を有する油アトマイズ粉（−６０メ
ソシユ）を用い、この粉末を軟鋼カプセルに充填し、１
１００℃でｕｔｐｉＧ伸加工を行い、そのときの鍛造比
を種々変えることによりマトリックス相に分散している
炭化物の最大寸法を調整した。比較材として、同一鋼種
を用いて水アトマイズ法、ガスアトマイズ法による粉末
を使用した例および溶製材の例をも併せて示す。

このようにして得られた各種試験片について、慣用の真
空蒸着法によってＴｉＣコーティング皮膜（膜Ｗ−４μ
ｍ）を施し、次いで大域式摩耗試験器を用いて、摩耗距
離６００園一定とし、摩耗速度を変化させて、ＴｉＣコ
ーティング皮膜がＩＩｍする速度を求めた。

結果を炭化物の最大寸法についてまとめ、第１表および
第１図に示す。

これらの結果から、油アトマイズ法による粉末を使用す
ることによって炭化物の微細化がはじめて可能となり、
マトリックス相に分散した炭化物の最大寸法が５μｍ以
下が良好であることが判明した。

実施例２ ＪＩＳ　５Ｋ１１５７相当材（１，３Ｃ−０，３Ｓ＋−
０，４Ｍｎ−４Ｃｒ−３，５Ｍｏ−１０Ｗ−１０Ｃｏ−
３，５Ｖ）に相当する成分組成を有する粉末を油アトマ
イズ法とガスアトマイズ法で試作し、６０メツシユ以下
の粉末を軟鋼製カプセルに充填し１１００℃加熱でＩＩ
ＩＰ鍛伸（鍛造比：８）を行いパンチ素材をそれぞれ作
成した。なお、比較のため同一鋼種の溶製材ＳＫＩ＋５
７からパンチ素材の作成も行った。

これらのパンチ素材を所定の熱処理後、慣用の真空蒸着
法によってＴｉＣコーティングを行い、さらにその後、
所定の熱処理を行い、研削してパンチを作成した。なお
ＴｉＣコーティングＮ厚みは４μ鋼であり、上記所定の
熱処理は、共に、焼入れ、焼戻し処理（焼入れ：１２０
０℃×５ｍ１ｎ　ＯＱ、焼戻し：　（５５０℃Ｘ　ｌｈ
ｒ　ＡＣ）Ｘ　３回繰返し）である。

々王 このようにして製造された各工具の表面処理塑を評価す
るために、まず、パンチコーテイング性の評価として、
打ち抜き試験により寿命を測定した。打ち抜き試験の条
件を第２表に示し、打ち抜き試験方法を第２図に示す。

本方法は第２図に示すように、ダイス１に素材（供試材
）２を入れ、パンチ３で凹みを穿孔する方法である。

試験結果は第３表に示すが、それらから明らかなように
、耐摩耗性の寿命は、油アトマイズ粉の場合、炭化物微
細化を反映し、ガスアトマイズ粉、溶製材に比較して、
寿命が著しく向上し、溶製材の１．３６倍、ガスアトマ
イズ材の１．３倍も長寿命になっている。

実施例３ 微細な炭化物が得られる油アトマイズ法により、２．５
Ｃ−１、ｌ５ｉ−０，８Ｍｎ−４Ｃｒ−８Ｗ−３Ｍｏ−
８Ｃｏ系のｖｌを３゜０．５．０．９．０．１０．５．
１２．０％と変化させた粉末をカプセルに充填し、１１
００’Ｃ１押し出し比５で焼結・成形し、炭化物の最大
寸法を変化させた素材に、慣用の真空蒸着によりＴｉＮ
の厚さ４μｍのコーティングを行った。このコーテイン
グ膜の密着性を、スフランチテスターにより、剥離が生
じる荷重で評価した。

結果を第４表にまとめて示す。

第４表に示すように、ｖｌが１０．５．１２．０％の場
合では、何重が大きく減少しており、密着性が劣化して
いることが明らかである。

実施例４ 油アトマイズ法により　１．５Ｃ−０，３Ｓｉ−０，５
Ｍｎ−４Ｃｒ−２Ｍｏ−６Ｗ−３Ｖの粉末を製造し、直
径６ｏＩｌｌＩ１１ノ軟鋼カプセルに充填し、１０５０
℃から１２００℃の加熱と鍛造比を変化させ、各試験片
の形状に成形し、その後慣用の真空蒸着法によりＴｉＣ
コーティング処理を行った。コーティング皮膜厚さは５
μｍとした。

このようにして得られた各試験片のコーティング皮膜密
着性の評価を行ったが、この密着性の評価は、大破式摩
耗試験器を用いて、摩耗距離６００ｍ一定とし、摩耗速
度を変化させて、比摩耗■の測定を行い、比摩耗量が増
大する速度でコーティングの剥離が生じたとして評価し
た。

結果を第５表に示すが、ここでも炭化物の最大寸法が５
μｍ以下が密着性に優れており、このための加熱条件は
９５０〜１１５０ｔであり、鍛造比４以上であることが
明確である。

第　　１　　表 第２表打ち抜き試験条件 第３表　試験結果 ＱＤ率：本発明の範囲外 第４表　ｖ量、炭化物の鰻大寸法と密着性第５表 （羽＊：本発明の範囲外 （発明の効果） 以上説明してきたように、本発明によれば、セラミック
コーティング、特にＴｉＣやＴｉＮコーティング皮膜を
設けて使用される切削工具や金型などの工具類の寿命延
長に大きく寄与するのであって、その工業上に及ぼす利
益には大きなものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の結果を示すグラフ：および 第２図は、打ち抜き試験方法を示す概略図である。 １：　ダイス ２：　素材 ３：　パンチ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．４〜３．３％、かつＣ≧０．０１７×（Ｗ＋２
   Ｍｏ）＋０．２×Ｖ、 Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：１％以下、 Ｃｒ：３〜８％、Ｍｏ：０．１〜１５％、 Ｗ：０．１〜１５％、Ｖ：１０％以下、 を含有し、残部Ｆｅと不可避的不純物からなる成分組成
   を有する粉末焼結成形体であって、炭化物最大寸法が５
   μｍ以下であることを特徴とする表面処理性に優れた工
   具。
2. （２）請求項（１）記載の鋼が、さらにＣｏ：１０％以
   下を含有することを特徴とする表面処理性に優れた工具
   。
3. （３）請求項（１）または（２）に記載の成分組成を有
   する油アトマイズ法による粉末を、カプセルに充填し、
   ９５０〜１１５０℃で、塑性加工比４以上で、所定形状
   に焼結・成形することを特徴とする表面処理性に優れた
   工具の製造方法。