TWI582242B - 冷作工具鋼之切削方法及冷作模具材料之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種適合用於使工具材料，特別是家電、行動電話或汽車相關元件成型之冷作模具材料的冷作工具鋼之切削方法，及使用該切削方法的冷作模具材料之製造方法。
為了提升用於在室溫下之板材的彎曲、抽製、衝孔等加壓成形的冷作工具的耐磨耗性，有人提出一種藉由淬火及回火，將硬度調整至60HRC以上的鋼材(例如，參照專利文獻1~3)。這種高硬度的鋼材，在淬火及回火後，難以對工具形狀進行切削加工。因此，一般係在硬度較低的退火狀態下，進行粗加工，之後再將使用硬度調整為60HRC以上。該情況中，粗加工後的形狀，因為淬火及回火而產生熱處理變形，故在淬火及回火後，為了修正該變形量，會再次進行精細切削加工，而調整為最後的工具形狀。淬火及回火所造成之工具的熱處理變形，其主要原因係在退火狀態中，為肥粒鐵組織的鋼材變化為麻田散鐵組織，而導致體積膨張。
除了上述鋼材，亦有很多人提出供給一種預先調整為使用硬度的預硬鋼。預硬鋼中，在統一進行切削加工以形成最終工具形狀之後，因為不需要淬火及回火，故可避免因為淬火及回火所引起的工具的熱處理變形，亦可省略上述的精細切削加工，其為有效的技術。而關於本發明之技術，係使用將切削工具的母材及皮膜改良而提升耐久性的切削工具，對高硬度之
鋼材進行切削加工的方法，此已為人所知(例如，參照專利文獻4、5)。
另外有人提出一種冷作工具鋼，係將存在於淬火之鋼材中、使可加工性降低的未固溶之一次碳化物的量最佳化，以作為處理鋼材的方法，故可確保超過55HRC的淬火及回火硬度，並具有優良的可加工性(例如，參照專利文獻6)。另一方面，為了抑制因為在切削加工時，由切削工具與鋼材之間的摩擦而產生的工具磨耗，亦有人提出一種添加形成融點在1200℃以下的氧化物((FeO)2‧SiO2、Fe2SiO4或是(FeSi)Cr2O2)的元素，藉由在切削加工時產生的熱，在模具表面形成該氧化物，藉此形成附有自潤滑性的冷作工具鋼(例如，參照專利文獻7)。
【先行技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開2008-189982號公報
【專利文獻2】日本特開2009-132990號公報
【專利文獻3】日本特開2006-193790號公報
【專利文獻4】日本特開2003-1504號公報
【專利文獻5】日本特開2010-115764號公報
【專利文獻6】日本特開2001-316769號公報
【專利文獻7】日本特開2005-272899號公報
專利文獻4、5中，揭示一種對硬度60HRC之代表性的冷作工具鋼SKD11進行切削加工的技術。然而，在對形成很多未固溶之一次碳化物的SKD11進行切削加工的方法之中，為了提高基地硬度而使其成為60HRC的高硬度，在該情況中，工具壽命短且可加工性的改善並不足夠。
另一方面，即使是專利文獻6所揭示的將未固溶之一次碳化物的形成量控制為較少的冷作工具鋼，或專利文獻7所揭示之將低融點氧化物作為
自潤滑皮膜使用的冷作工具鋼，在成為60HRC以上的高硬度的情況下，工具的損傷磨耗變大且可加工性的改善不足。
本發明係鑒於上述事情所完成者。基於這種情況，需要一種冷作工具鋼之切削方法，可大幅提升對於硬度在60HRC以上之高硬度的冷作工具鋼之可加工性，以及使用該切削方法的冷作模具材料之製造方法。
本案發明人，詳細研究提升冷作工具鋼之可加工性的方法。接著發現，在淬火及回火硬度為60HRC以上之冷作工具鋼的切削加工中，可改善可加工性之最佳的冷作工具鋼的成分範圍與切削加工條件的組合。本發明係藉由特定這樣的最佳組合而完成者。
亦即，第1發明係冷作工具鋼之切削方法，係藉由以金屬(包含半金屬)部分之原子比例為Al多於50%的AlTi之氮化物皮膜所被覆的被覆切削工具，來切削包含質量比為0.6%~1.2%的C(碳)、硬度調整為60HRC以上的冷作工具鋼。
冷作工具鋼，更宜含有質量比3.0%以上且未滿8.0%的Cr(鉻)。
另外，冷作工具鋼更包含Mo(鉬)及W(鎢)，而該等元素可分別以單獨元素或是為複合化合物的形式包含於其中。該等Mo及W(分別做為單獨元素或是複合化合物)，宜以質量比{Mo量+(1/2×W量)}的值在0.5%~2.0%的範圍內的方式，包含於其中。此處，Mo量表示Mo在鋼中的質量比，W量表示W在鋼中的質量比。
另外，冷作工具鋼，更進一步，宜以質量比0.01%以上且未滿0.3%含有Al(鋁)，以質量比0.3%~2.0%含有Mn(錳)，以質量比0.02%~0.1%含有S(硫)。
本發明之冷作工具鋼之切削方法中，宜以120m/min以上的切削速度，切削該冷作工具鋼。
另外，該冷作工具鋼宜以下述成分構成：質量比0.6%~1.2%的C，質量比0.7%~2.5%的Si，質量比0.3%~2.0%的Mn，質量比0.02%~0.1%的S，質量比3.0%以上且未滿5.0%的Cr，質量比在0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%(Mo量：Mo在鋼中的質量比(質量%)，W量：W在鋼中的質量比(質量%))之範圍內的Mo及W，質量比在0.04%以上且未滿0.3%的Al，剩餘部分為Fe及不可避的雜質；此情況中，藉由以上述S、Cr及Al所形成的下列關係式所求得的值為可加工性指數MP，而該值超過0(亦即MP>0)的冷作工具鋼為較佳。
[關係式]MP=21.9×S量+124.2×(Al量/Cr量)-2.1
上述關係式中，S量表示上述S在鋼中的質量比(質量%)，Cr量表示上述Cr在鋼中的質量比(質量%)，Al表示上述Al在鋼中的質量比(質量%)。
以160m/min以上的切削速度切削該等冷作工具鋼為較佳。
另外，第2發明係使用上述冷作工具鋼之切削方法來切削冷作工具鋼，藉此製造冷作模具材料的冷作模具材料之製造方法。
根據本發明，提供一種硬度在60HRC以上之高硬度的冷作工具鋼的加工之中，可加工性優良，工具壽命長，且可進行高效率加工的冷作工具鋼之切削方法及冷作模具材料之製造方法。
因此，本發明係對於預硬的冷作工具鋼之實用化不可或缺的技術。
【圖1A】係顯示實施例1中，用於本發明例之切削方法的切削工具之刀腹面及切削面的外觀的數位顯微鏡影像。
【圖1B】係顯示實施例1中，用於比較例之切削方法的切削工具之刀腹面及切削面的外觀的數位顯微鏡影像。
【圖2A】以EPMA(電子探針微析儀)分析形成於圖1A之切削工具之表面的附著物的元素分布圖。
【圖2B】以EPMA(電子探針微析儀)分析形成於圖1B之切削工具之表面的附著物的元素分布圖。
【圖3】係顯示實施例2中，用於本發明例及比較例之切削方法的切削工具之刀腹面及切削面的外觀的電子顯微鏡影像。
【圖4】係顯示實施例3中，用於本發明例及比較例之切削方法的切削工具之刀腹面及切削面的外觀的電子顯微鏡影像。
本發明之特徵，係藉由調整冷作工具鋼所含有的含碳量，抑制一次碳化物的形成，更進一步發現，藉由應用以Al為主體的AlTi之氮化物所被覆的被覆切削工具，作為用於該加工的切削工具，即使是硬度為60HRC以上之高硬度冷作工具鋼，亦可大幅度地改善其可加工性。
上述「HRC」，係表示Rockwell硬度HR(Rockwell Hardness)，係一種表示壓入硬度的尺度，其係在壓子為120°圓錐形鑽石、試驗載重150kgf的條件下，根據日本工業規格JIS B7726，以下式所求得的值。
HR=100-500h
(h：將基準載重(10kgf)作為零點時的實際凹陷深度[mm])
另外，以下具有僅以「%」記載表示質量比之「%」(質量%)的情況。
首先，對於冷作工具鋼進行敘述。
(1)C：0.6%~1.2%
本發明中的冷作工具鋼，在質量比為0.6%~1.2%的範圍內含有C。
本發明中，調整冷作工具鋼的碳(C)量，對於改善可加工性極為重要。例如，代表性的冷作工具鋼SKD11，因為含有1.4%~1.6質量%的碳，故大量形成未固溶的一次碳化物。根據本案發明人的討論，確認SKD11的情況中，一次碳化物量的面積比例為8%左右。接著，若如同SKD11，存在大量高硬度的一次碳化物，而使基地硬度提高成為60HRC以上的高硬度時，即使改良切削工具，亦具有工具磨耗顯著的情形。
「一次碳化物量的面積比例」，係在切斷冷作工具鋼時，一次碳化物在剖面中所佔的面積比例。其係以光學顯微鏡進行觀察，對形成既定區域的1個視野的組織影像進行多次拍攝，求得各視野中圓當量直徑的長度5μm以上之一次碳化物的面積比例，並算出該等平均值而得到的值。
本案發明人討論，為了可在硬度為60HRC以上之高硬度的冷作工具鋼中改善可加工性，必須降低一次碳化物量。接著確認，C含量對於冷作工具鋼中所包含的一次碳化物的量具有很大的影響。
C在鋼中形成碳化物，係藉由固溶於基地中而賦予冷作工具鋼硬度的重要元素。若C含量低於0.6%而變得太少則形成碳化物，使固溶於基地中的C量降低而難以給予60HRC以上的硬度。另一方面，若C含量超過1.2%而變得太多，在淬火時未固溶的一次碳化物量增加使韌性容易低落，更因為大量形成一次碳化物而導致可加工性大幅降低。
本發明中，藉由使C含量在0.6%~1.2%，可賦予冷作工具鋼60HRC以上的硬度，且可輕易將未固溶的一次碳化物面積比例降低至5%以下。藉此，亦具有改善可加工性的傾向。
為了提高冷作工具鋼的硬度，宜使C含量為0.65%以上，更宜為0.70%以上。另外，為了改善可加工性，宜為1.0%以下，更宜為0.9%以下。
一次碳化物量的面積比例，宜為4%以下，較宜為3%以下，更宜為2%以下，特別宜為1%以下。
又，本發明中的冷作工具鋼中，C以外的成分，可根據技術常識進行適當設計，例如可從Si、Cr、Mn、W、Mo、Al、P、S、Ni、V、Cu、Nb等(剩餘部分為Fe)中選擇適當元素來構成。更進一步來說，係在下述條件下選擇適當元素，以設計期望的含量，並藉此構成本發明之冷作工具鋼：Si的質量比為0.1%~3.0%，Cr的質量比為3.0%~9.0%，Mn的質量比為0.3%~2.0%，{Mo量+(1/2×W量)}為0.5%~2.0%，Al的質量比為0.5%以下，P的質量比為0.05%以下，S的質量比為0.1%以下，Ni的質量比為1.0%以下，V的質量比為1.0%以下，Cu的質量比為1.0%以下，Nb的質量比為0.5%以下。
更進一步，一邊維持60HRC以上的高硬度，一邊降低冷作工具鋼的一次碳化物的面積比例，宜將易形成一次碳化物的Cr、Mo、W之含量控制於以下範圍內。具體如下所述。
(2)Cr：3.0%以上，未滿8.0%
冷作工具鋼中的Cr，宜含有在3.0%以上且未滿8.0%的範圍內。
Cr在淬火及回火後的組織中形成M7C3碳化物，而賦予冷作工具鋼硬度。另外，在淬火加熱時，一部分作為未固溶碳化物存在，具有抑制晶粒成長的效果。接著，若Cr為3.0%以上，可得到期望量的碳化物，而易於達成60HRC以上的硬度。另一方面，因為Cr未滿8.0%，故未固溶的一次碳化物量減少而提升韌性。接著，因為抑制形成過多的含Cr的低融點氧化物，可提高後述由Al所形成的Al2O3保護皮膜的功能，而能夠顯著地提升可加工性。
另外，以抑制晶粒成長及賦予硬度為目的，而添加形成硬質MC碳化物之V或Nb的情況中，藉由使M7C3碳化物共存，具有抑制粗大之MC碳化物形成的效果，而藉由使Cr在3.0%以上，可充分獲得該效果，進而使可加工性變得良好。因此，宜使Cr的質量比在3.0%以上且未滿8.0%。
又，上述的「M」，表示V、Nb、Cr、W、Mo等(以下相同)。
Cr含量，較宜為3.1%以上，更宜為3.5%以上。另外，Cr含量的上限，
宜為7.0%以下，更宜未滿5.0%，特別宜為4.8%以下。
(3)Mo及W：0.5質量%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%
本發明的冷作工具鋼中，Mo及W可分別為單獨元素或是複合化合物，宜在滿足0.5質量%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%的範圍內，含有Mo及W。
Mo及W，係在回火中，藉由微細碳化物之析出強化(二次硬化)而使硬度提升的元素。然而，與此同時，因為回火中產生的殘留沃斯田鐵，因為分解遲滯而導致其含量過多，故在淬火及回火後的組織內，容易留下殘留沃斯田鐵。另外，因為Mo及W係高價元素，在實用上應極力減少添加量。因此，該等元素的添加量，宜在{Mo量+(1/2×W量)}的關係式中，滿足0.5%~2.0%的範圍。
上述說明提升冷作工具鋼之可加工性的較加實施態樣。
本發明的冷作工具鋼宜以下述成分構成：質量比0.6%~1.2%的C，質量比0.7%~2.5%的Si，質量比0.3%~2.0%的Mn，質量比0.02%~0.1%的S，質量比3.0%以上且未滿5.0%的Cr，質量比在0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%之範圍內的Mo及W(單獨或複合)，質量比在0.04%以上且未滿0.3%的Al，剩餘部分為Fe及不可避的雜質。
Si，除了氧化傾向比Fe或Cr更強，因為是容易與Al2O3形成金鋼砂系之氧化物的元素，故具有抑制使氧化物低融點化之Fe系氧化物與Cr系氧化物形成，且促進Al2O3保護皮膜之形成的作用。另外，係固溶於鋼中而賦予冷作工具鋼硬度的元素。為了得到該等效果，Si的質量比，相對於鋼全
體，宜為0.7%以上。然而，若過多則淬火性與韌性顯著低落，質量比相對於鋼全體，宜為2.5%以下。更進一步，Si的質量比宜為0.8%以上。另外，Si的質量比更宜為2.0%以下。
除了將Si的含量控制在上述範圍內以外，因為應用較佳地控制Cr與Al之含量的冷作工具鋼，使得高融點氧化物的Al2O3與高延性介在物的MnS所形成的複合潤滑保護皮膜穩定地形成於工具刀刃，故為較佳。具體而言，宜為以下述成分形成的冷作工具鋼：質量比0.6%~1.2%的C，質量比0.7%~2.5%的Si，質量比0.3%~2.0%的Mn，質量比0.02%~0.1%的S，質量比3.0%以上且未滿5.0%的Cr，質量比在0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%之範圍內的Mo及W(單獨或複合)，質量比在0.04%以上且未滿0.3%的Al，剩餘部分為Fe及不可避的雜質；且該冷作工具剛以下列關係試所求得的被加工性指數MP的值超過0；MP=21.9×S量+124.2×(Al量/Cr量)-2.1
[S量：上述S在鋼中的質量比，Cr量：上述Cr在鋼中的質量比，Al：上述Al在鋼中的質量比]
上述中，以質量比S量為0.03%~0.8%，且Al量/Cr量的比例為0.02~0.06的情況為較佳。
可加工性指數MP的調整，係為了使以Al2O3與MnS所形成之複合潤滑保護皮膜充分地形成於切削加工時的工具表面的較佳條件。應用本發明之較佳切削方法的冷作工具鋼，藉由切削加工時所產生的熱，使高融點氧化物Al2O3形成於切削工具表面。Al2O3的融點約為2050℃，其遠高於切削溫度，故Al2O3具有作為切削工具的保護皮膜的功能。更進一步，本發明中較佳的冷作工具鋼所含有之足量的S，形成MnS。MnS除了富有延性，與
Al2O3的匹配性亦良好，故將其堆積於上述Al2O3保護皮膜上，可使該等材料發揮作為良好之複合潤滑保護皮膜的效果。
另一方面，為冷作工具鋼之主要成分的Cr，容易形成低融點氧化物。亦即，若相對於鋼中的Al量，含有過量的Cr，容易成為阻礙Al2O3保護皮膜之功能的主要原因。於是，此結果成為阻礙了Al2O3與MnS所形成之複合潤滑保護皮膜的功能的主要原因。因此，本發明之較佳的冷作工具鋼，除了含有0.04%以上之足量的Al，宜調整鋼中之Al量與Cr量的平衡(Al/Cr)。接著，藉由與此對應地調整S量，可發揮上述複合潤滑保護皮膜的功能。
根據以上的作用效果，詳細研究S、Cr、Al之相互關係對於自潤滑性的影響程度。結果確認，在滿足本發明之成分組成的冷作工具鋼的情況中，對於該等3元素之上述的影響度，以「21.9×S量+124.2×(Al量/Cr量)-2.1」之關係式所表示的相互關係成立，藉由將根據該關係式所算出的值作為可加工性指數MP，可以更優良的精度來評價本發明的可加工性。接著，若該MP值變大，則可發揮提升藉由本發明之高融點氧化物的複合潤滑保護皮膜之可加工性的效果，具體而言，以使MP值超過0的方式調整成分組成，可充分發揮該效果。
滿足上述關係式的冷作工具鋼，係以在切削工具表面上形成足量的複合潤滑保護皮膜的方式來設計成分，藉由提高切削速度使切削溫度上升，而有效地發揮該效果。切削速度宜為120m/min以上，較宜為160m/min以上，更宜為180m/min以上，特別宜為200m/min以上。另外，藉由提升切削速度，亦可縮短進行切削所需的時間。
本發明之切削方法，宜應用在作為間歇性切削的研磨加工，其在加工中提供氧，而容易形成氧化保護皮膜。
另外，因為氧化所需的氧供給源係切削中的大氣氛圍，故潤滑油的使用(乾式、濕式)並無限制。然而，宜以易使切削溫度上升的乾式來形成氧化
保護皮膜，此為應用於目前為止所要求之無切削油的方法。
接著，對於本發明中的冷作工具鋼所含有的上述以外的元素進行說明。
‧V：宜含有1.0%以下。
V(釩)形成各種碳化物，具有提高冷作工具鋼之硬度的效果。另外，所形成之未固溶的MC碳化物，具有抑制晶粒成長的效果。接著，特別是藉由與後述Nb複合添加，在淬火加熱時，使未固溶的MC碳化物微細且均勻，具有有效抑制晶粒成長的作用。另一方面，因為MC碳化物為硬質，而成為使可加工性低落的原因。添加過多的V，則過剩地形成粗大的MC碳化物，使冷作工具鋼的韌性與可加工性低落。因此，即使是在添加V的情況中，宜為1.0%以下，較宜為0.7%以下。
‧Nb：宜含有0.5%以下。
Nb(鈮)形成MC碳化物，具有抑制晶粒粗大化的作用。然而，若添加過多，則過剩地形成粗大的MC碳化物，使鋼的韌性與可加工性低落。因此，在添加Nb的情況中，Nb宜為0.5%以下。較宜為0.3%以下。
‧Ni：宜含有1.0%以下。
Ni(鎳)係改善鋼之韌性與可焊接性(Weldability)的元素。另外，其在淬火後的回火之中，析出為Ni3Al，具有更提高鋼的硬度的效果，故相應於Al量進行添加係有效地。另一方面，Ni為高價金屬，在實用上係極需要降低添加量的元素。本發明中，相較於代表性的冷作工具鋼JIS-SKD11，因為可大幅降低同樣高價之金屬Cr的添加量，而可提升該量之Ni的添加量。於是，在添加Ni的情況中，亦可添加至1.0%以下。
‧Cu：宜含有1.0%以下。
Cu(銅)在淬火後的回火之中，析出為ε-Cu，具有提高鋼之硬度的效果。然而，Cu係引起鋼材之熱脆性的元素。因此，即使是添加Cu的情況，亦宜為1.0%以下。又，為了抑制Cu所造成的熱間脆性，宜同時添加Ni。接著，此時的Cu與Ni，更宜為約略相同的量。
‧P：宜包含0.05%以下。
P(磷)係鋼中不可避免的元素。接著，若其含量過多則成為使熱加工性與韌性低落的元素。因此，本發明中，P在鋼中的含有率(質量比)，宜為0.05%以下，較宜為0.03%以下。
接著，對切削工具進行敘述。
切削本發明中的冷作工具鋼的切削工具，係以在金屬(包含半金屬)部分的原子比例中Al超過50%的AlTi之氮化物皮膜所被覆的被覆切削工具。
本發明中，半金屬係指硼、矽等元素。
藉由將冷作工具鋼所含有的高硬度一次碳化物限定在一定的量以下，具有減少對切削工具之傷害、延長切削工具之壽命的傾向。然而，為了改善基地硬度在60HRC以上的冷作工具鋼之可加工性，用於該加工之被覆切削工具的硬質皮膜更為重要。亦即，因為在高硬度材料的切削加工時，工具刀刃成為高溫，故被覆於切削工具的硬質皮膜，必須具有優良的耐熱性。更進一步發現，使切削加工中的被加工材料之間的摩擦係數變小，對於改善高硬度材料的可加工性特別地重要。
接著，就各種硬質皮膜討論的結果，Al含量較多的AlTi之氮化物皮膜，該皮膜本身的耐熱性優良，更進一步發現，其具有與切削加工中之被削材的摩擦係數低落的傾向。具體而言，該氮化物皮膜的金屬(含半金屬)部分，係Al含量多於50原子%的AlTi的氮化物皮膜。較佳的Al含量為60原子%以上，更宜為65原子%以上。
另外，使用本發明之較佳切削方法的複合潤滑保護皮膜，因為係藉由切削加工時的熱，形成於切削工具的表面，故提升切削速度係為有效。接著，只要是Al的含量較多的AlTi之氮化物皮膜，就具有優良的耐熱性，且可使與切削加工中的被加工材料之間的摩擦係數變小。因此，可更加提升切削速度，故為較佳。
本發明之AlTi的氮化物皮膜，以XRD(X光繞射)特定的結晶構造為立
方晶結構，故為耐久性優良的被覆切削工具。對於使硬質皮膜的結晶構造為立方晶結構，宜使金屬(含半金屬)部分中的Al含量為75原子%以下。本發明之AlTi的氮化物皮膜，只要以XRD所特定的結晶構造為立方晶結構，亦可含有其他金屬(含半金屬)元素。硬質皮膜的膜厚，宜為1μm~6μm。
本發明之Al含量較多的AlTi之氮化物皮膜，在成膜時對基材施加的負壓之偏壓電壓的絶對值較小的情況，具有結晶構造易形成六方晶構造的傾向。因此，在被覆時施加於基材的負壓之偏壓電壓，其絶對值宜大於-90V。
用於切削工具的基材，宜為硬度與靭性的平衡優良的WC基超硬合金。本發明，因為係60HRC以上之高硬度的冷作工具鋼之切削方法，故用於該切削加工的切削工具之基材，其硬度宜為93.0HRA以上。更佳的硬度為93.5HRA以上。
硬質皮膜的被覆前，宜對基材表面進行金屬轟擊。藉由金屬轟擊，可在基材正上方，設置10nm以下的中間皮膜，藉此提高基材與Al含量較多的AlTi之氮化物皮膜的附著性。更進一步，即使在高速加工的情況下，亦可發揮優良的耐久性。
上述「HRA」，係表示Rockwell硬度HR(Rockwell Hardness)，其為表示壓入硬度的尺度，係在壓子為120°圓錐形鑽石、試驗載重60kgf的條件下，根據JIS B7726藉由下式所求得的值。
HR=100-500h
(h：將基準載重(10kgf)作為零點時的實際凹陷深度[mm])
另外，以下，具有將顯示質量比的「%」(質量%)僅表記為「%」的情況。
接著，就提升冷作工具鋼之可加工性的較佳實施態樣進行說明。
‧冷作工具鋼，宜以下述質量比含有下列元素：Al：0.01%以上且未滿0.3%未滿，Mn：0.3%~2.0%，S：0.02%~0.1%。
即使是降低一次碳化物量的冷作工具鋼，若形成60HRC以上的高硬
度，在提高切削速度的情況，亦具有在切削加工中的潤滑特性不足，而在搪光部產生突發缺損的情況。於是，本案發明人，討論可提升與冷作工具鋼之成分組成廣泛對應的可加工性的方法。結果，自潤滑性的有效性受到矚目。接著，在討論使用專利文獻7之低融點氧化物的自潤滑性之作用效果時，發現其具有與切削溫度相依的問題。亦即，具有自潤滑性的低融點氧化物，一般而言，係大量包含於鋼材中的含有Fe及Cr的複合氧化物，因為切削溫度的變動，使複合氧化物的成分及形成量大幅度變動，而無法得到穩定的潤滑效果。
於是，在詳盡討論不使用低融點氧化物，而提升冷作工具鋼之可加工性的方法時發現，藉由切削加工時的熱，於切削工具表面形成以高融點氧化物的Al2O3與高延性介在物的MnS所形成的複合潤滑保護皮膜的方法。該複合潤滑保護皮膜，可在與範圍廣泛之切削溫度對應的情況下，不使效果改變，且即使在添加所謂Nb或V這種形成硬質MC碳化物之元素的情況，亦可確保良好的可加工性。接著，因為可特定能夠形成該複合潤滑保護皮膜的鋼材成分範圍，故更可提升可加工性。
Al在切削加工時，作為高融點氧化物的Al2O3形成於切削工具表面，具有作為保護皮膜的功能。接著，藉由含有0.01%以上的Al，可形成充分厚度的保護皮膜，而改善工具壽命。Al宜為0.04%以上，更宜為0.05%以上。然而，在大量添加Al的情況中，因為Al2O3作為介在物大量形成於鋼材中，反而降低鋼材的可加工性。因此，Al添加量的上限宜未滿0.3%，較宜為0.15%以下。
Mn在形成於切削工具表面的Al2O3保護皮膜之上，作為良好的潤滑皮膜使用。接著，其作為沃斯田鐵形成元素而固溶於鋼中，以提升淬火性。然而，若添加量過多，在淬火及回火後留下過多的殘留沃斯田鐵，而成為在使用工具時，尺寸隨時間改變的原因。另外，因為Fe與Cr形成低融點氧化物，成為阻礙Al2O3保護皮膜之功能的原因。因此，Mn的含量，宜為0.3%~2.0%，較宜為0.4%以上。另外，Mn較宜為1.5%以下。
S在形成於切削工具表面的Al2O3保護皮膜上，作為良好的潤滑皮膜使用。為了充分發揮這樣的潤滑作用，宜添加0.02%以上。因為S會使鋼的韌性劣化，故S含量的上限宜為0.1%。S的含量宜為0.03%以上。較宜為0.08%以下。
將冷作工具鋼中所含有的Al、Mn、S控制於上述範圍，即使是切削速度120m/min以上的高速切削加工，亦因為上述複合潤滑保護皮膜形成，而能夠輕易地抑制被覆切削工具突然產生缺陷的情況，故為較佳。
又，本發明中的切削速度，係作業面(刀刃)的速度。亦即，若是交換刀刃式工具，則為進行嵌件置換時，嵌件最外部之刀刃的速度，若為鑽頭或端銑刀(end mill)等的旋轉工具，則為其外周刀刃部分的速度。
根據本發明之切削方法，可對高硬度的預硬鋼進行切削加工，因為不具有因淬火及回火而引起的熱處理變形，故可省略精細切削加工。因此，可以比以往更佳的效率，來製造用來使家電、行動電話或汽車相關零件成形的冷作模具材料。
【實施例】
以下，雖藉由實施例更具體說明本發明，但本發明只要不超過該主旨，則不限於以下實施例。
(實施例1)
使用高頻感應熔爐，熔解必要的材料，以製作具有表1所示的化學成分的鑄錠(Ingot)。接著，對該鑄錠進行鍛造比為10左右的熱鍛造，冷卻後，以860℃進行退火。接著，在對該退火材料進行藉由從1030℃空冷的淬火處理後，以500℃~540℃進行2次回火處理，藉此調整硬度，以製作用以評價可加工性的試片(No.7)。
【表1】
使用日立工具股份有限公司製的嵌件PICO mini，作為與高硬度材料的切削對應的刀刃交換式工具，並藉由平面切削來實施可加工性試驗。嵌件係將硬度93.5HRC的WC基超硬合金作為基材。如下所述，本發明例中，使用表面上包覆有金屬(含半金屬)部分的原子比例為Al多於50%的AlTi系氮化物皮膜的嵌件(被覆切削工具)，而比較例則使用表面上包覆有Al未滿50%的TiAl系氮化物皮膜的嵌件(被覆切削工具)。
切削條件為乾式切削、切削速度210m/min、轉數5570rpm、前進速度2228mm/min、每一刃的前進量為0.4mm/刃、切入深度0.15mm、切入寬度6mm、刃數為1。
本發明例中所使用的嵌件中的氮化物皮膜，係使用陰極電弧離子電鍍法(其中將分別含有金屬(含半金屬)部分的原子比例Al為70%、Ti為30%的合金作為陰極電極)來成膜。以加熱器將基材溫度加熱並保持在450℃，對基材施加-100V的偏壓，並導入N2氣體，接著開始弧放電以進行成膜。成膜之氮化物皮膜的膜厚，在工具刀腹面側為4.5μm。以電子探針微分析儀的定量評價所得到的金屬部分之皮膜組成，係原子比例Al為69%、Ti為31%。以XRD(X光繞射)特定的結晶構造為立方晶結構。
比較例中所使用的嵌件中的氮化物皮膜，係使用陰極弧離子電鍍法(其中將分別含有原子比例Al為50%、Ti為50%的合金作為陰極電極)來成膜。以加熱器將基材溫度加熱並保持於450℃，對基材施加-50V的偏壓，導入N2氣體，接著開始弧放電以進行成膜。成膜的氮化物皮膜的膜厚，在工具刀腹面側為4.3μm。藉由電子探針微分析儀之定量評價所得到的金屬部分的皮膜組成，原子比例Ti為52%，Al為48%。XRD(X光繞射)指定的結晶構造為立方晶結構。
可加工性的評價，係對於試驗片No.7，以上述的切削條件，使切削距離為25m以進行切削，然後使用光學顯微鏡實際測量在嵌件中的切削結束後的磨耗量(工具磨耗量)。該等評價結果顯示於表2。
圖1A係顯示使用本發明例之切削方法的切削工具之切削結束後的刀刃的外觀的數位顯微鏡影像，圖1B係顯示使用比較例之切削方法的切削工具之切削結束後的刀刃外觀的數位顯微鏡影像。圖1A及圖1B中，上面的影像表示切削面側，下面的影像表示刀腹面側。
另外，圖2A係在使用本發明例之切削方法的切削工具之切削面側，以電子探針微析儀所分析的Al、O、Mn及S之分布結果，圖2B係使用比較例之切削方法的切削工具的切削面側，以電子探針微析儀所分析的Al、O、Mn及S的分析結果。各元素的高濃度部分以淺色表示。如圖2A及圖2B之左上的影像所示，雖因為氮化物皮膜原本就含有Al，而無法僅從Al的分布判斷形成Al2O3的區域，但可將Al與O同時以高濃度存在的區域判斷為形成有Al2O3。
如表2、圖1A及圖1B明確顯示，本發明例所使用的嵌件，與比較例所使用的嵌件相比，工具磨耗量變得極少。另外，本發明例中使用的嵌件，並未見到在比較例中所使用的嵌件中所看到的缺陷，顯示了優越的耐磨耗性。
另外，根據圖2A及圖2B，在本發明例所使用的嵌件或比較例所使用的嵌件的任一者中，可確認切削結束後的刀刃表面上，O、Mn及S分布於刀刃的同一區域的態樣。從該事實可推測，任一嵌件中，皆在切削的過程中，於刀刃的表面形成由Al2O3與MnS所形成的複合潤滑保護皮膜。
更進一步，若氮化物皮膜中的Al的濃度變高，在皮膜本身的耐熱性提升的同時，具有其與切削加工中的被削材之摩擦係數低落的傾向。藉此確認，根據本發明例之切削方法，因為複合潤滑保護被膜與包覆皮膜的加乘效果，可一方面維持切削工具優良的耐磨耗性，一方面以高速切削冷作工具鋼。
(實施例2)
使用高頻感應熔爐將必要的材料熔解，以製作具有表3所示之化學成分的鑄錠。接著，對該等的鑄錠，進行鍛造比為10左右的熱鍛造，並在冷卻後，以860℃進行退火。接著，對該等退火材料，進行藉由從1030℃空冷的燒入處理後，以500℃~540℃進行2次回火處理將硬度調整至60HRC，來製作用於評價可加工性的試片(No.1~6)。
接著，評價試片No.1~6的組織中所分布的一次碳化物。首先，對試片的長度方向(延展方向)指定平行的15mm×15mm的剖面，使用鑽石研磨液研磨，將該剖面成鏡面。接著，為了在觀察該剖面組織時，使一次碳化物與基地的邊界清楚，使用10%硝酸浸蝕液腐蝕該剖面。接著，以倍率200倍的光學顯微鏡觀察該腐蝕後的剖面，將877μm×661μm的區域作為1個視野的組織影像，並拍攝20個視野。接著，藉由對組織影像進行影像處理，找出剖面組織中所觀察到的圓當量直徑的長度為5μm以上的一次碳化物，並求得在20個視野中，該剖面組織中一次碳化物所占的面積比例的平均值。
【表3】
接著，對於測定一次碳化物的分布狀況之後的試片，以被覆切削工具評價可加工性。使用日立工具股份有限公司製的嵌件PICO mini作為與高硬度材料之切削對應的刀刃交換式工具，進行平面切削，來實施可加工性試驗。嵌件，係將硬度93.5HRC的WC基超硬合金作為基材。本發明例中，使用表面包覆有金屬(含半金屬)部分之原子比例中Al多於50%之AlTi系氮化物皮膜的嵌件，而比較例中，使用其表面包覆有Al未滿50%之TiAl系氮化物皮膜的嵌件。
本發明例中使用的嵌件中的氮化物皮膜，係使用分別含有原子比例Al為70%、Ti為30%的合金作為陰極電極的陰極電弧離子電鍍(Cathode arc ion plating)法來進行成膜。以加熱器將基材溫度加熱並保持於450℃，於此狀態下對基材施加-100V的偏壓，導入N2氣體，開始弧放電，以進行成膜。成膜之氮化物皮膜的膜厚，在工具刀腹面側為4.5μm。藉由電子探針微分析儀的定量評價所得到的金屬部分的皮膜組成，原子比例Al為69%，Ti為31%。XRD(X光繞射)所特定的結晶構造為立方晶結構。
又，在硬質皮膜的被覆之前，進行真空排氣使爐內壓力下降至8×10-3Pa以下，並使對基材施加的負壓之偏壓電壓為-1000V，使用靶材外圍配備線圈磁石的陰極，進行Ti轟擊處理，形成10nm以下的中間皮膜。
比較例中使用的嵌件中的氮化物皮膜，係使用分別含有原子比例Al為50%、Ti為50%的合金作為陰極電極的陰極電弧離子電鍍法來成膜。以加熱器將基材溫度加熱並保持於450℃，在此狀態下對基材施加-50V的偏
壓，導入N2氣體，開始弧放電以進行成膜。成膜之氮化物皮膜的膜厚，在工具刀腹面側為4.3μm。以電子探針微分析儀的定量評價所得到的金屬部分的皮膜組成，原子比例Ti為52%、Al為48%。以XRD(X光繞射)特定的結晶構造為立方晶結構。
又，硬質皮膜的被覆之前，以真空排氣使爐內壓力降低至8×10-3Pa以下，並使施加於基材的負壓之偏壓電壓為-1000V，使用靶材的外周配備線圈磁石的陰極，進行Ti轟擊處理，以形成10nm以下的中間皮膜。
切削條件為乾式切削、切削速度120m/min，轉數5570rpm，進刀速度2228mm/min，每次切削的進刀量0.4mm/刃，切入深度0.15mm，切入寬度6mm，刃數為1。使切削距離(L)為50m，使用電子顯微鏡實際測試切削結束後的刀腹面的工具磨耗量。該等評價結果顯示於表4。
圖3係切削試驗後之嵌件的觀察影像。碳含量較多的試片No.1，其一次碳化物量多於本發明例之冷作工具鋼，因為早期缺損而到達其壽命。
另一方面，本發明例之冷作工具鋼，碳含量比試片No.1少，故一次碳化物量變少。接著，因為使用被覆了金屬(含半金屬)部分的原子比例中Al
多於50%的AlTi之氮化物皮膜的被覆切削工具，對本發明例之冷作工具鋼進行切削加工，故可抑制工具磨耗。確認即使冷作工具鋼的一次碳化物量較少，但若用於切削加工的被覆切削工具之硬質皮膜不適當，亦無法抑制工具磨耗。
本發明例之中，在冷作工具鋼之較佳組成範圍的試片No.5的切削加工之中，形成足夠的複合潤滑保護皮膜，故未發生工具磨耗，而具有極為良好的工具壽命。
試片No.6的切削加工中，雖有工具磨耗寬度較少的傾向，但因未形成複合潤滑保護皮膜，與其他的本發明例相比，潤滑性較差，故在搪光部產生缺損。
(實施例3)
關於試片No.5，變化切削速度來評價可加工性。使用的切削工具，與實施例2相同。
切削條件為乾式切削，切削速度160、200m/min，轉數5570rpm，進刀速度2228mm/min、每次切削的進刀量0.4mm/刃，切入深度0.15mm，切入寬度6mm，刃數為1。使切削距離(L)為50m，以電子顯微鏡實際測量切削結束後的刀腹面的工具磨耗量。該等評價結果顯示於表5。
圖4係切削試驗後之嵌件的觀察影像。本發明例之切削方法中，可確認即使切削速度變快，亦不會發生工具磨耗。另一方面，比較例之切削方
法中，若提升切削速度，則工具磨耗具有增加的傾向，在切削距離比本發明例短的情況中，就到達工具的使用壽命。
本案說明書參考並引用日本申請案2012-181486所揭示的所有內容。
本說明書所記載的所有文獻、專利申請及技術規格，係與具體且分別記載於各文獻、專利申請及技術規格中之情況的相同程度，而引用至本說明書中。
Claims (7)
- 一種冷作工具鋼之切削方法，其中，使用基材係WC基超硬合金、並由包括半金屬之金屬部分的原子比例中Al多於50%的AlTi之氮化物皮膜所被覆的被覆切削工具，對於含有質量比為0.6%~1.2%的C、質量比在3.0%以上且未滿7.0%的Cr、質量比在0.01%以上且未滿0.3%的Al、質量比為0.3%~2.0%的Mn、質量比為0.02%~0.1%的S、且硬度調整為60HRC以上的冷作工具鋼進行切削。
- 如申請專利範圍第1項之冷作工具鋼之切削方法，其中，該冷作工具鋼，更包含Mo及W，其質量比滿足0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%(Mo量：Mo在鋼中的質量比，W量：W在鋼中的質量比)的範圍。
- 如申請專利範圍第1或2項之冷作工具鋼之切削方法，其中，以切削速度120m/min以上進行切削。
- 如申請專利範圍第1項之冷作工具鋼之切削方法，其中，該冷作工具鋼，係由質量比0.6%~1.2%的C、質量比0.7%~2.5%的Si、質量比0.3%~2.0%的Mn、質量比0.02%~0.1%的S、質量比3.0%以上且未滿5.0%的Cr、質量比在0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%(Mo量：Mo在鋼中的質量比，W量：W在鋼中的質量比)之範圍內的Mo及W、質量比在0.04%以上且未滿0.3%的Al、剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成。
- 如申請專利範圍第1項之冷作工具鋼之切削方法，其中，該冷作工具鋼，係由質量比0.6%~1.2%的C、質量比0.7%~2.5%的Si、質量比0.3%~2.0%的Mn、質量比0.02%~0.1%的S、質量比3.0%以上且未滿5.0%的Cr、質量比在0.5%≦{Mo量+(1/2×W量)}≦2.0%(Mo量：Mo在鋼中的質量比，W量：W在鋼中的質量比)之範圍內的Mo及W、質量比在0.04%以上且未滿0.3%的Al、剩餘部分為Fe及不可避的雜質所構成；且由下列的關係式所求得的可加工性指數MP的值超過0；MP=21.9×S量+124.2×(Al量/Cr量)-2.1[S量係上述S在鋼中的質量比，Cr量係上述Cr在鋼中的質量比，Al 係上述Al在鋼中的質量比]。
- 如申請專利範圍第4或5項之冷作工具鋼之切削方法，其中，以切削速度160m/min以上進行切削。
- 一種冷作模具材料之製造方法，其中，以申請專利範圍第1至6項中任1項之冷作工具鋼之切削方法切削冷作工具鋼，藉以製造冷作模具材料。
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