JPH02221304A - 高速度鋼工具の製造方法 - 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］ 本発明は高エネルギー密度ビームを照射して急冷凝固層
を形成する工程を含む高速度鋼工具の製造法に関し、高
エネルギー密度ビームを重複照射する部分が発生しても
この部分に軟化層を生成させないことにより、切削工具
、塑性加工用工具等に用いることのできる耐摩耗性に優
れた高速度鋼工具の製造方法に関するものである。尚本
明細書において高エネルギー密度ビームとは、急冷凝固
層の形成に用いることのできるレーザビームや電子ビー
ムその他の一切のビームを言うが、以下レーザビームを
代表させて説明を進める。

［従来の技術］ 切削加工や塑性加工における高能率化及び高精度化の要
求は更に強まりつつあり、高速度鋼切削工具や塑性加工
用工具に関しても種々の改良が行なわれ、刃先や加工摺
動面の耐摩耗性、靭性、或は硬度の向上環が図られてい
る。

例えば、特開昭５９−８３７１８号では次の様な方法が
示されている。

まず高速度鋼工具素材を焼入れして、これにレーザビー
ム（以下阜にレーザということがある）を照射し、局部
的に溶融・急冷凝固することによって素材鋼中に大量に
含まれる１次炭化物を固溶せしめ、表層部組織中の粗大
炭化物を減少乃至消失する。その後一定の温度で焼戻す
ことによって、固溶している炭化物を微細析出させ、２
次硬化を促進させることによって硬度、靭性、及び耐摩
耗性を向上させる（以下この処理のことをレーザ溶融処
理という）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし上記方法を用いて製造した高速度鋼工具（以下単
に工具と言うことがある）には以下述べるような問題を
生じる場合がある。すなわちレーザ溶融処理はレンズな
どで集光したレーザを走査し連続的に溶融・急冷凝固層
を形成することにより行なわれるが、−旦このレーザ溶
融・急冷凝固層を形成した後その一部が重複するように
再度レーザ溶融処理を行なうと、レーザ重複照射部（以
下単にレーザ重複部又は重複部ということがある）近傍
が２回目のレーザ溶融処理による熱影響（焼戻効果）を
受けて軟化層に転化する。熱影響を受けていない部分が
Ｈｖ９００〜１１００の非常に高い硬度を示すのに対し
、このレーザ重複部近傍の軟化層の硬度はＨｖ７００〜
８００と非常に低い、従って、例えば第１図（＾）に示
す様に軸物状工具素材の円周状面に沿ってリング状にレ
ーザ溶融処理を行なったものや、第１図（Ｂ）に示す様
に平面状であっても基盤の目にレーザ溶融処理層を形成
させたもの等では、重複部近傍以外は溶融・急冷凝固層
の形成によって良好な耐摩耗性を示すが、重複部近傍で
異常摩耗が生じる場合がある。尚１は工具素材、２はレ
ーザ溶融層、３はレーザ重複部、４はレーザである。尚
第２図（＾）及び（Ｂ）はそれぞれ第１図（Ａ）におけ
るＡ−Ａ線断面模式図及び第１図（Ｂ）におけるＢ−Ｂ
線断面模式図であるが、上記の軟化層５は、はじめに形
成されたレーザ溶融層２ａと後から形成されたレーザ溶
融層２ｂの重複部３よりも少しレーザ溶融層２ａ側に寄
ったところに形成される。

本発明の目的は、このように一部重複したレーザ溶融層
を持つ工具においてもその重複部近傍の硬度が高く、均
一な耐摩耗性を発揮する工具の製造方法を提供するもの
である。

［課題を解決する為の手段］ 本発明は、高速度鋼工具素材に高エネルギー密度ビーム
を照射して急冷凝固層を形成し高速度鋼工具を製造する
に当たり高エネルギー密度ビームの重複部が生成する場
合において、少なくとも重複照射部近傍をマルテンサイ
ト変態開始温度以上に加熱保持しておいてから最初の高
エネルギー密度ビームの照射を行ない、次いで重複照射
部を含む高エネルギー密度ビームの照射性なう工程を含
むことを要旨とするものである。

［作用］ 工具素材にレーザを照射し溶融・急冷凝固を行なうと、
Ｃ，Ｍｏ、Ｗ或はＶ等の炭化物形成元素を過飽和に固溶
したマルテンサイトが生成する。

・これに再度のレーザ照射を行なうと、その熱影響によ
ってレーザ重複部近傍は焼戻し効果を受け、その結果マ
ルテンサイトが焼戻しマルテンサイトとなり、或はフェ
ライトと炭化物に分解し軟化層となって硬度が低下する
。

本発明者等はこの様な軟化層５の生成を防止することを
目的として研究・検討を重ねた結果、工具素材を予めマ
ルテンサイト変態開始温度（以下Ｍ１点ということがあ
る）以上に加熱保持しておいてからレーザ照射を行なえ
ば、重複照射を行なっても軟化層が生成せず、従って耐
摩耗性や硬度が低下しないことを知見した。第３図はレ
ーザの重複照射を行なった場合の温度−時間曲線であっ
て、（イ）　は本発明、（Ｏ）は従来例であり、またＰ
及びＱはそれぞれ本発明と従来例のレーザ溶融処理点を
示す。このグラフから明らかな様に、従来例（ロ）にお
いては、最初のレーザ照射により溶融後の急冷凝固が行
なわれて工具素材の温度は速やかにＭｓ点以下に下がり
、この状態において再度のレーザ溶融処理が行なわれる
為に、前述の様な理由によって軟化層が生成する。

ところが本発明においては、工具素材（少なくとも重複
部近傍）を予めＭ３点以上の温度に加熱保持しておいて
最初のレーザ溶融処理を行なうのであるから、再度のレ
ーザ溶融処理を受ける場合も、前記Ｉｉａ部近傍の温度
をＭ、魚具上に保持した状態で該レーザ溶融処理を受け
させることができる。即ち本発明におけるレーザの重複
照射は、マルテンサイトよりも熱による組織変化が起こ
り難く、又炭化物の析出が進行するには高温且つ長時間
を要するというオーステナイト状態で行なわれる結果、
軟化層の生成が防止され、重複部近傍においてもＨｖ９
００以上の硬度が得られる。

つまり第１図（Ａ）、及び（Ｂ）において、軟化層５は
存在せず、レーザ溶融層２ｂ、　レーザ重複部３及びレ
ーザ溶融層２ａに亘って連続的にＨｖ９００以上の硬度
分布が存在する。

以下工具素材として代表的な高速度鋼５ＫＨ５５を用い
て行なった実験結果に基づいて説明を進める。

平板試験片（５０１１Ｉｌｌｊ×５０ｍＩＩＩｗ×１０
１１０１１Ｉを種々の温度に加熱した後で、第４図に示
す様に試験片表面の中心部から矢印ｔ１方向に沿って右
端部までレーザを照射してレーザ溶融層２ａを形成した
。次に試験片左端中央部から矢印ｔ２方向に沿って試験
片中心部までレーザを照射し、レーザ溶融層２ｂを形成
し、試験片中心部に２ａ及び２ｂの！ｉ′ＩＩＬ部３を
生成させた。

尚レーザ溶融処理条件は下記の通りとした。

条件１ 出　カニ５ＫＷ 速度：０．５ｍ／分 スポット径：　３．５　ｖａ膳 条件２ 出　　カニ５ＫＷ 速度：２ｍ／分 スポット径：　２．Ｏｍｍ 第５図（Ａ）〜（Ｄ）はいずれも第４図におけるＶ−Ｖ
線断面の金属組織構造を示す模式図であつて、このうち
（Ｃ）及び（Ｄ）は、いずれもレーザ照射前に工具素材
を２００℃に加熱保持しておいて、それぞれ前記レーザ
溶融処理条件１及び２により重複部を形成させた場合で
ある。

第５図（Ａ）及び（Ｂ）の場合は重複部に熱影響による
明瞭な焼戻し層（軟化層）５が観察されるのに対し、第
５図（Ｃ）及び（Ｄ）の場合はこのような焼戻し層は全
く観察されない。

第６図及び第７図はレーザの重複照射を行ない、５５０
℃Ｘ　１　ｈｒｘ　３回焼戻しを行なった工具素材の急
冷凝固層断面硬度分布図であって、第６図は前記レーザ
溶融処理条件１によるもの、又第７図は同条件２による
ものである。

加熱なしのものでは第５図（Ａ）及び（Ｂ）の焼戻し層
に相当する部分で顕著な軟化が見られるのに対し、２０
０〜４５０℃に加熱したものではこのような軟化は全く
みられず、重複部近傍においてもＨｖ９００以上の非常
に高い硬度を示している。

これはこの鋼種のＭｓ点が、約２００℃にあるため、こ
の温度以上にあらかじめ試験片を加熱しておくと、既に
述べた様に初めに形成したレーザ溶融層はマルテンサイ
ト変態を起こさず、オーステナイト状態に保持される。

従って重複部はオーステナイトの状態で行なわれること
となって軟化層を生成しない、モしてレーザ溶融処理終
了後、加熱をやめて室温まで冷却される時に初めのレー
ザ溶融層も初めてマルテンサイト変態を起こすようにな
る。

しかし加熱温度が４５０℃を超えると全体にレーザ溶融
処理時の急冷・凝固速度が遅くなるため、硬度が低下す
る。また加熱温度が２００を未溝では、軟化層が形成さ
れて重複部の硬度がＨｖ９００未満となる０重複部の硬
度が）Ｉｖ９００未溝となるとその部分ではレーザ溶融
処理の効果がなくなり、異常摩耗が生じる場合がある。

また他の鋼種（ＳＫＨ２，５ＫＨ３，５ＫＨ４，５ＫＨ
５６，５ＫＨ５９等）についても試験を行なりたが、は
ぼ同じＭ３点く約２００’ｅ）をもつため、２００〜４
５０ｔ：の加熱によって５ＫＨ５５と同様の効果を示す
、従って加熱温度の上限は４５０℃程度、とすることが
好ましい。

以上の通り工具を２００〜４５０℃に加熱しておくこと
によって、レーザ重複部の軟化が防止された工具が製造
されるが、この加熱は工具全体を加熱してもよく、又レ
ーザ重複予定部のみを局部的に加熱する方法をとフでも
よい。

以下実施例について説明するが、本発明は下記実施例に
限定されるものではなく、前・後記の趣旨に徴して適宜
設計変更することは本発明の技術的範囲に含まれる。

［実施例］ 実施例１ 高速度１１３ＫＨ５５を荒加工後１１００℃で焼入れし
、５６０℃で焼戻しした後、片肉０．１ｍａ＋の加工代
を残してレーザ溶融処理用素材とした。

この素材を２５０℃に加熱し、下記条件で幅約２．５ｍ
ｍのレーザ溶融層を全ての刃の逃げ面に全周形成した。

尚レーザ照射始点と終点を重複させ重複部を形成した。

その後５６０℃Ｘ　１　ｈｒＸ　３回の焼戻しを行なっ
た後、レーザ溶融層が刃先に来るよう最終仕上げ加工を
行ない丸ブローチを作製した。また比較例として、加熱
せずに全力に亘ってレーザ溶融処理を行なったブローチ
及び従来例として、焼入れ及び焼戻しく１２２０℃焼入
れ、５６０℃焼戻し）を行なったブローチを作製し、そ
の切削性能を比較した。切削条件は下記の通りとした。

レーザ溶融処理条件 出　カニ５ＫＷ 速度：１．２ｍ／分 スポット径：　２．５１１１１１ 切削条件 被切削材：　５４５Ｃ（Ｈａ　２００）潤　滑　二本性
潤滑剤 判定方法：　２０００毛切削後の逃げ面摩耗によって判
定 試験結果を第１表に示す。

第　　１　　表 第１表から明らかな様に比較例はレーザ溶融処理してい
ない従来例より重複部以外の摩耗量は少ないが、レーザ
重複部では軟化層があるため従来例とほぼ同等の摩耗量
となった。この事は重複部で異常摩耗が起こっているこ
とを示している。

これに対し本発明例では、重複部の摩耗量もほぼ他のレ
ーザ溶融層と同等の優れた摩耗量を示し、従来例のよう
な異常摩耗は起こらなかった。

また切削試験後本発明例と比較例について硬度を測定し
た結果、本発明例では比較例のように重複部での硬度低
下は見られず、重複部においてもＨｖ９００以上の非常
に高い硬度を示した。

実施例２ 冷間バンチを製造する為に、高速度１ｉｓＫＨ５５を荒
加工後１２００℃で焼討入れ、５６０℃で焼き戻し後、
片肉０．１＋ａｍの加工代を残してレーザ溶融処理用素
材とした。この素材を２５０℃に加熱し、実施例１と同
条件で幅約２．５ｍｍのレーザ溶融層を、始点と終点が
重複するよう形成した。

これを用いて冷間バンチを作製した。この工具を用いて
実機にて冷間加工を行なった結果、加熱なしでレーザ処
理を行なった従来の工具では重複部が摩耗するため従来
１５０００個しか加工できなかったのが本発明工具では
３００００個の冷間加工を行なうことができた。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているのでレーザ重複部に
軟化層が存在せず耐摩耗性に優れた工具を提供すること
ができ、特にどうしてもレーザ溶融層を重複させる必要
のある丸ブローチなどの製造に本発明方法を用いること
により、工具寿命が向上し、経済性が改善されるという
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）はレーザ重複部が生成する場合
の例を示す図、第２ａ（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ第１
図（＾）におけるＡ−Ａ線断面模式図及び第１図（Ｂ）
におけるＢ−Ｂ線断面模式図、第３図は工具素材にレー
ザの重複照射を行なう場合の工具の温度−時間曲線を示
すグラフ、第４図は本発明の実験例として試験片にレー
ザの重複照射を行なう方法を示す説明図、第５図（＾）
〜（０）は第４図におけるＶ−Ｖ線断面の金属組織構造
を示す模式図、第６図及び第７図はレーザの重複照射を
行ない、焼戻しを行なった工具素材の急冷凝固層断面硬
度分布図である。 １・・・工具素材 ２．２ａ、２ｂ・・・レーザ溶融層 ３・・・レーザ重複部 ４・・・レーザビーム ５・・・軟化層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高速度鋼工具素材に高エネルギー密度ビームを照射して
   急冷凝固層を形成し高速度鋼工具を製造するに当たり高
   エネルギー密度ビームの重複照射部が生成する場合にお
   いて、少なくとも重複照射部近傍をマルテンサイト変態
   開始温度以上に加熱保持しておいてから最初の高エネル
   ギー密度ビームの照射を行ない、次いで重複照射部を含
   む高エネルギー密度ビームの照射を行なう工程を含むこ
   とを特徴とする高速度鋼工具の製造方法。