JP3632907B2

JP3632907B2 - 高速度工具鋼細径線材の製造方法

Info

Publication number: JP3632907B2
Application number: JP2000270664A
Authority: JP
Inventors: 晁嶌本
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2002079310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は塑性加工用パンチ及び切削工具等の素材として使用される高速度工具鋼細径線材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＩＳＧ４４０３ＳＫＨ５１に代表される高速度工具鋼等の難加工材から細径線材を製造する方法として、一般的には、次のような方法で製造される。図２は、従来の高速度工具鋼細径線材の製造方法を示すフローチャートである。
【０００３】
図２に示すように、先ず、高速度工具鋼圧延線材を焼鈍し、線材の硬さを下げる。次に、焼鈍後の表面スケールを除去するため、酸洗処理で線材表面の酸化物を除去する。その後、引き抜きダイスを使用して、冷間伸線加工し、線材の寸法（線径）を小さくする。この冷間伸線加工後、線材が加工硬化により硬くなっているため、歪取り焼鈍を施し、線材の硬さを下げる。次いで、歪取り焼鈍後の表面スケールを除去するため、線材表面を酸洗処理する。そして、最終的に冷間伸線加工することにより、所望の寸法の細径線材を得る。この最終冷間伸線加工後、線材が加工硬化により硬くなっているため、歪取り焼鈍を施し、線材の硬さを下げる。以上の工程を経て製造された高速度工具鋼線材はドリル及びエンドミル等の切削工具素材として使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高速度工具鋼等のように、硬質の１次炭化物を多量に含有する難加工材料は、使用ダイスのダイス角度、ベアリング長さ及び伸線加工方法の不適正により、冷間伸線加工後に中心部にボイド（空孔）が発生し、密度が低下する虞がある。そうすると、中心部の焼入焼戻硬さが低下し、工具寿命が低下するという問題点がある。
【０００５】
このボイドの発生原因は、冷間伸線加工中に材料中心部に引張応力が発生するからである。即ち、この引張応力により、基地（マトリックス）と硬質１次炭化物との境界において剥離が生じたり、１次炭化物に亀裂が発生して、材料中心部にボイドが発生する。
【０００６】
図３及び図４は、ボイド発生機構を説明する図であって、夫々ダイスの形状を示す断面図及びボイドの発生位置を説明する模式図である。
【０００７】
図３に示すように、冷間伸線加工工程において、線材１０は、ダイス角度θを有するダイス１１により伸線される。なお、ダイス１１によって伸線された線材１０の伸線寸法（線径）はＤ１であり、ダイス１１のベアリング部の長さはＬである。冷間伸線加工中、ダイス１１における線材の中心部であるＡ領域において伸線方向に引張応力が発生する。この引張応力のため、線材中心部の基地（マトリックス）は伸線方向に変形する。しかし、硬質１次炭化物は変形が困難なため、図４（ａ）に示すように、硬質１次炭化物２１の境界部が剥離してボイド２２が発生する。又は、図４（ｂ）に示すように、大きな硬質１次炭化物は例えば３個の硬質１次炭化物２３に破壊分離し、分離炭化物間にボイド２４が発生する。このように、ボイド２２又は２４が発生した線材は、その後、焼入焼戻した場合、中心部の硬さが低下し、ドリルの先端部の切削性能が劣化するという問題点がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、材料中心部のボイドが極めて少なく、切削工具等の工具寿命が優れた高速度工具鋼細径線材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高速度工具鋼細径線材の製造方法は、高速度工具鋼を１パスの冷間伸線工程と焼鈍工程とからなる伸線１パス工程により伸線加工する工程を有し、前記冷間伸線工程は、伸線寸法Ｄ１が３．６ｍｍ以上であり、減面率が２０乃至４０％であると共に、ダイスのダイス角度が１０乃至２０゜、ベアリング長さが｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝乃至｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
前記ダイスに供給する母材の密度ρ_０に対する密度ρ_１の比ρｘ（ρｘ＝１００ρ_１／ρ_０）が９８．０％以上、中心部の焼入焼戻硬さＨ_１が８００ＨＶ以上、前記母材を伸線加工せずに焼入焼戻したときの前記母材の中心部の焼入焼戻硬さＨ_０に対する中心部の焼入焼戻硬さＨ_１の比Ｈｘ（Ｈｘ＝１００Ｈ_１／Ｈ_０）が９８％以上である高速度工具鋼細径線材を製造することができる。なお、本発明において、線径線材製造時に母材の焼入焼戻硬さＨ_０は、本発明方法にて使用する母材を伸線加工せずに、焼入焼戻処理のみ行って、その硬さを測定したものである。
【００１１】
本発明においては、適切な形状の穴ダイスを使用し、適切な伸線減面率とし、更に歪取り焼鈍までに使用するダイスの段数を１段とすることにより、線材内部のボイド発生を防止することができ、線材の密度（ρ_１）及び中心部の焼入焼戻硬さ（Ｈ_１）がいずれも母材と同等と極めて高い。これにより、細径線材中心部において高い硬さが要求されるドリル等の切削工具に使用された場合、極めて優れた工具性能を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。本発明方法により製造される高速度工具鋼細径線材は、ＪＩＳＧ４４０３に定められた高速度工具鋼鋼材を冷間伸線加工して製造されるものである。即ち、本発明により製造される高速度工具鋼細径線材は、母材となる高速度工具鋼鋼材の密度ρ_０に対する細径線材の密度ρ_１の比ρｘ（ρｘ＝１００ρ_１／ρ_０）が９８．０％以上、線材中心部の焼入焼戻硬さＨ_１が８００ＨＶ以上、前記母材の焼入焼戻硬さＨ_０に対する細径線材中心部の焼入焼戻硬さＨ_１の比（Ｈｘ＝１００Ｈ_１／Ｈ_０）が９８％以上である。
【００１３】
本実施例方法は、伸線加工工程に特徴があり、本実施例方法により製造された高速度工具鋼細径線材は、母材に対する密度比が母材と同等に高く、焼入焼戻硬さが母材と同等に高いため、ドリル及びエンドミル等の切削工具等として工具寿命が極めて優れている。
【００１４】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施例方法に係る高速度工具細径線材の製造方法について詳細に説明する。
【００１５】
先ず、ＪＩＳＧ４４０３に規定のＳＫＨ５１（直径５．５ｍｍ）等の圧延線材を用意する。この圧延線材を真空炉又は雰囲気炉にて、例えば８４０℃に加熱し、完全焼鈍することにより、線材の硬さをＨＢ２５５以下に下げる。焼鈍後、冷間伸線加工するために、例えば塩酸等の薬剤により圧延線材の表面を酸洗処理し、線材表面のスケールを除去する。次いで、線材表面に例えばリン酸亜鉛皮膜処理等でコーティング処理する。
【００１６】
次いで、皮膜処理を施した圧延線材を供給母材として冷間伸線加工する。この冷間伸線加工においては、先ず、酸洗処理及び皮膜処理後の供給線材をサプライヤスタンドに置く。そして、供給する線材（母材）先端部を口づけロール等によりダイス内径寸法より細くなるように加工してダイス内に通す。次に、ダイスに通した線材先端部を巻き取り機のドラムに巻き付け先端部を固定した後、巻き取り機のドラムを回転させ、例えば４０ｍ／分の加工速度にて供給母材をダイスに通すことにより伸線加工する。なお、供給する母材の密度はρ_０、供給する母材の中心部の焼入焼戻硬さはＨ_０である。
【００１７】
図１は、供給母材が伸線される様子を示す模式的断面図である。図１に示すように、ダイス角度θ、ベアリング長さＬの穴ダイス１に供給母材である線材２が潤滑剤３と共に供給され、伸線されて伸線寸法（線径）がＤ１（ｍｍ）となる。本発明においては、この冷間伸線加工に使用するダイスが次の条件を満たす。即ち、穴ダイスのダイス角度θが１０乃至２０゜であり、且つベアリング長さＬが｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝乃至｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍである。
【００１８】
ダイス角度θが１０゜未満では、冷間伸線加工時に引抜力が増加し、伸線加工機の巻き取り性能を向上させなければならず、装置コストが増大してしまう。一方、ダイス角度θが２０゜を超えると、伸線加工時の減面率の増加と共に線材の中心部におけるボイド発生頻度が増大し、焼入焼戻後の硬さが低下する。このような細径線材をドリルに製品化した場合、ドリルの切削性能を低下させる。従って、ダイス角度θは１０乃至２０゜とする。
【００１９】
また、伸線加工時、潤滑剤３はベアリング部４で線材２の表面に封じ込まれ、線材２の表面は凹部５が形成され潤滑効果が発揮されるが、伸線寸法をＤ１（ｍｍ）としたとき、ベアリング長さＬが（｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝ｍｍより短い場合は、図１に示すように、線材２の外形寸法及び表面粗度を決める平坦部６が短くなり、所望の線材が得られない。一方、ベアリング長さＬが｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍより長い場合、平坦部６が長くなり、引き抜き抵抗が増大し、線材料表面に傷等が発生してしまう。従って、ダイスのベアリング長さＬは、｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝乃至｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍとする。
【００２０】
更に、冷間伸線加工時の１パス当たりの中間伸線減面率は２０乃至４０％とする。１パス当たりの中間伸線減面率が２０％未満では、中心部における伸線方向の引張応力が大きくなり、ボイドが発生する。これにより、歪取り焼鈍後、更に冷間伸線加工をすることによりボイド発生が増加する。一方、線材の中間伸線減面率が４０％を超えると、伸線加工時の断線等が発生し、生産性を損なう。
【００２１】
更にまた、冷間伸線加工時に使用するダイスは１段とする。通常、歪取り焼鈍までに減面率を増加させるため、複数個のダイスを使用し、１個当たりのダイス減面率を小さくして伸線加工時の生産性を上げる。しかし、高速度工具鋼等のように硬質の１次炭化物を多量に含有する難加工材料は、冷間伸線加工時に発生する中心部における伸線方向の引張応力によって基地（マトリクス）と硬質１次炭化物との境界での剥離が生じたり、１次炭化物の亀裂により材料中心部にボイドが発生する。
【００２２】
このような条件で母材を冷間伸線加工した後、伸線加工工程にて加工硬化した線材の硬度を下げるため、大気炉にて、例えば７００℃の温度で歪取り焼鈍を行う。この歪取り焼鈍の温度範囲としては、６９０乃至８７０℃とすることができる。なお、この１パスの冷間伸線工程と焼鈍工程とからなる伸線１パス工程は必要に応じて複数回行ってもよい。この場合は、前回の歪取り焼鈍の後、上述と同様の方法にて酸洗処理及び皮膜処理をした後、上述と同様の条件で１パスの冷間伸線加工及び歪取り焼鈍を繰り返す。
【００２３】
最後に、歪取り焼鈍後の線材に対して酸洗処理により線材の表面スケールを除去し、皮膜処理により線材表面に皮膜を形成する。次いで、最終的に所望の線径に調節するための最終冷間伸線加工をする。この最終冷間伸線加工においても上述と同様の方法にて伸線加工する。即ち、使用するダイスは１段とし、ダイス角度θを１０乃至２０゜、伸線寸法（線径）がＤ１（ｍｍ）であるときのベアリング長さＬを｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝乃至｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍとする。なお、最終冷間伸線加工工程においては、細径線材の線径を調整するための伸線工程であるため、伸線減面率は２０乃至４０％の範囲に限らず、２０％未満でもよい。そして、最終伸線加工により線材が加工硬化して硬くなっているため、大気炉にて例えば７００℃に加熱し、歪取りの最終焼鈍をすることによって線材の硬さを下げる。この最終焼鈍の温度範囲は６９０乃至８７０℃とすることができる。こうして製造された細径線材の密度はρ_１、線材中心部の焼入焼戻硬さＨ_１である。
【００２４】
このように製造された高速度工具鋼細径線材は、冷間伸線加工工程において適切な形状の穴ダイスを使用し、適切な伸線減面率とし、更に歪取り焼鈍までに使用するダイスの段数を１段とすることにより、伸線加工により伸線方向に発生する引張応力によって基地と硬質１次炭化物との境界で剥離が生じたり、１次炭化物に亀裂が生じて線材内部にボイドが発生することがない。従って、線材密度ρ_０に対する細径線材の密度ρ_１の比ρｘ（１００ρ_１／ρ_０）が９８．０％以上、細径線材中心部の焼入焼戻硬さＨ_１が８００ＨＶ以上、母材の焼入焼戻硬さＨ_０に対する細径線材の中心部の焼入焼戻硬さＨ_１の比（Ｈｘ＝１００Ｈ_１／Ｈ_０）が９８％以上の細径線材を得ることができる。これにより、細径線材中心部で高い硬さが要求されるドリル等の切削工具に使用された場合、極めて優れた工具性能を得ることができる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の高速度工具鋼細径線材を実際に製造した実施例について、本発明範囲から外れる比較例と比較してその効果について説明する。下記表１に示す化学組成の材料を高周波誘導炉において、溶製、鍛造し、圧延して、直径５．５ｍｍの供給母線を製造した。この母材を焼鈍、酸洗処理後、１パス冷間伸線加工及び歪取り焼鈍した。冷間伸線加工工程においては、実施例については、ダイス角度θが１４゜のもの、比較例としてダイス角度θが８゜及び２２゜のものを使用し、ベアリング長さ（アプローチ長さ）Ｌは実施例については３ｍｍ、比較例としては５ｍｍのものを使用した。また、冷間伸線加工時に使用するダイス段数を実施例及び比較例夫々１及び３段とした。また、１部の線材について、１パス伸線加工工程及び焼鈍工程を複数回繰り返した。大気炉にて歪取り焼鈍を行った後、線材表面を酸洗処理し、皮膜形成後、更に最終的な冷間伸線加工することにより、所望の径に伸線した後、７００゜に加熱し歪取り焼鈍を行い、細径線材を得た。この細径線材について、細径線材の表面スケールをサンドペーパ等の研磨紙にて除去し、長さ２０ｍｍに切断して比重を測定した。測定方法はアルキメデス法によった。また、この細径線材を焼入温度１２２０℃、焼戻温度５６０℃の温度にて焼入焼戻した後、ビッカース硬度にて細径線材中心部の硬さ（Ｈ_１）を荷重５ｋｇで測定した。なお、歪取り焼鈍の後、冷間加工をする前の供給母材と同一組成の材料を用意し、その母材の密度（ρ_０）及び母材中心部の焼入焼戻硬さ（Ｈ_０）も細径線材と同様に測定した。こうして、下記表２の試料Ｎｏ．１、２、４、６、７の細径線材を使用して、供給母材の密度ρ_０に対する細径線材の密度ρ_１の比ρｘ、焼入焼戻硬さＨ_１、供給母材の焼入焼戻硬さＨ_０に対する細径線材の焼入焼戻硬さＨ_１の比Ｈｘ、及びドリル工具寿命を評価した。ドリル工具寿命の評価は、ドリル切削試験を行った。ドリル切削試験は、被加工材として、Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳＧ４０５１）で板厚１５ｍｍ、硬さ２２５乃至２４１ＨＢを使用し、切削条件として、回転数１８５０ｒｐｍ、送り０．１５ｍｍ／回転、湿式方式とし、ドリル穴あけ個数により工具寿命を評価した。上述した中間伸線条件、並びに測定した硬度及びドリル工具寿命等を下記表２及び３に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【表３】

【００２９】
実施例１及び２は、本発明方法に規定の製造方法により製造されたため、細径線材内部にボイドが発生することなく、母材に対する細径線材の密度比が９８．０％以上、焼入焼戻硬さ８００ＨＶ以上で且つ母材に対する焼入焼戻硬さの比Ｈｘが９８％以上の細径線材が得られ、従って、ドリル工具寿命が優れたものを得ることができた。
【００３０】
一方、比較例３はダイス角度が本発明範囲の下限未満であったため断線した。比較例４は、ダイス角度が本発明範囲の上限を超えたため、密度比及び焼入焼戻硬さ比が低下し、ドリル工具寿命が短くなった。比較例５は、ベアリング長さが本発明範囲を超えたため、線径材料の表面に傷が発生した。比較例６は、減面率が本発明範囲の下限未満であったため、また比較例７は中間伸線工程においてダイスを３段使用したため、共に密度比及び焼入焼戻硬さ比が低下し、ドリル工具寿命が短くなった。比較例８は減面率が本発明範囲の上限を超えたため、断線した。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、線材中心部でボイド発生が少なく、母材に対する細径線材の密度比ρｘ及び焼入焼戻硬さ比Ｈｘが共に大きい細径線材を製造することができる。これにより、密度及び焼入焼戻し硬さが母材と同程度に高い細径線材を得ることができ、ドリル工具寿命が極めて優れた高速度工具鋼細径線材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る高速度工具鋼細径線材の製造方法の１工程を示す模式的断面図である。
【図２】従来の高速度工具鋼細径線材の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】ボイド発生機構を説明する図であって、ダイスの形状を示す断面図である。
【図４】ボイド発生機構を説明する図であって、ボイドの発生位置を説明する模式図である。
【符号の説明】
１、１１；ダイス
２、１０；線材
３；潤滑剤
４；ベアリング部
５；凹部
６；平坦部
２１、２３；１次炭化物
２２、２４；ボイド
θ；ダイス角度
Ｌ；ベアリング長さ
Ｄ１；伸線寸法

Claims

高速度工具鋼を１パスの冷間伸線工程と焼鈍工程とからなる伸線１パス工程により伸線加工する工程を有し、前記冷間伸線工程は、伸線寸法Ｄ１が３．６ｍｍ以上であり、減面率が２０乃至４０％であると共に、ダイスのダイス角度が１０乃至２０゜、ベアリング長さが｛０．５＋（Ｄ１（ｍｍ）／４）｝乃至｛２＋（Ｄ１（ｍｍ）／２．５）｝ｍｍであることを特徴とする高速度工具鋼細径線材の製造方法。
前記ダイスに供給する母材の密度ρ_０に対する密度ρ_１の比ρｘ（ρｘ＝１００ρ_１／ρ_０）が９８．０％以上、中心部の焼入焼戻硬さＨ_１が８００ＨＶ以上、前記母材を伸線加工せずに焼入焼戻したときの前記母材の中心部の焼入焼戻硬さＨ_０に対する中心部の焼入焼戻硬さＨ_１の比Ｈｘ（Ｈｘ＝１００Ｈ_１／Ｈ_０）が９８％以上である高速度工具鋼細径線材を製造することを特徴とする請求項１に記載の高速度工具鋼細径線材の製造方法。