工具の熱処理・表面処理基礎講座

第1章　工具に用いられる材料

• 1-1工具材料の種類と分類
  切削工具や金型など種々の工具に用いられている工具材料には、共通的には高い硬さと耐摩耗性が要求されます。
• 1-2工具鋼の種類と分類
  工具鋼は切削工具や各種金型に使用されるもので、用途によって要求される特性が異なるため、表１に示すように、JISでも多くの鋼種が規定されています。
• 1-3工具鋼の焼入性と高温硬さ
  使用中に高荷重をうける工具の場合は、表面だけでなくできるだけ心部まで焼入硬化させる必要があります。
• 1-4工具鋼における合金元素の役割
  工具鋼は、基本的には高い硬さを要求されますから、炭素(C)は必ず添加されています。
• 1-5工具鋼に含有する炭化物の種類と特性
  鉄鋼材料の種類は非常に多いが、その中でもすべての工具鋼の金属組織は、鉄(Fe)の生地と炭化物によって構成されています。
• 1-6工具鋼における炭化物の役割と熱処理挙動
  焼なまし状態の工具鋼はフェライト(αFe)の生地と炭化物とで構成されており、焼入加熱によって炭化物が分解・固溶してマルテンサイト化して硬化します。

第2章　炭素工具鋼、合金工具鋼の焼入れ・焼戻し

• 2-1炭素工具鋼、合金工具鋼の種類と特性
  工具鋼のうち、炭素工具鋼(SK)および合金工具鋼(SKS、SKD、SKT)は、主に治工具や各種金型に利用されています。
• 2-2焼入れ・焼戻しにともなう金属組織の変化
  焼入れ・焼戻しによって特性を付与される工具鋼は、購入時(焼なまし状態)の組織は例外なくフェライト(α-Fe)＋炭化物です。
• 2-3焼入れ・焼戻しにともなう硬さの推移
  炭素工具鋼(SK材)は炭素以外の合金元素は添加されていませんから、質量効果が大きいため大型の工具には不向きです。
• 2-4残留オーステナイトの功罪とサブゼロ処理の効果
  工具鋼のうち大半は、焼入温度の上昇にともなって得られる硬さも高くなりますが、最高焼入硬さが得られる温度を超えると逆に硬さは低下します。
• 2-5焼入れ・焼戻し条件と機械的性質の関係
  工具鋼に要求される重要な機械的性質は延性とじん性ですから、工具鋼を対象にして適用されている機械試験は衝撃試験および抗折試験です。
• 2-6焼入れ・焼戻しにともなう寸法変化
  一般に工具鋼は、焼入れ工程におけるフェライト(加熱前)→オーステナイト(加熱保持中)→マルテンサイト(焼入冷却後)の組織変化にともなって、図１に示すように下記の(1)→(4)の順に寸法変化します。

第3章　高速度工具鋼の焼入れ・焼戻し

• 3-1高速度工具鋼の種類と特性
  高速度工具鋼は、従来からドリルやバイトなど切削工具によく用いられていましたが、最近では耐摩耗性を重視した金型類への適用事例も増加しています。
• 3-2焼入れ・焼戻しにともなう金属組織の変化
  高速度工具鋼の焼なまし組織(購入状態)はダイス鋼と同様に、フェライト(α-Fe)の生地と各種合金元素からなる複炭化物が分散した様相を呈しています。
• 3-3焼入温度と硬さおよび結晶粒度の関係
  高速度工具鋼は、焼入加熱によって熱処理前から存在するすべてのM23C6と一部のM6Cが固溶して、その後の焼入冷却にともなうマルテンサイト変態によって硬化します。
• 3-4焼入れ・焼戻しにともなう硬さの推移
  前項で既述したように、焼入焼戻しした高速度工具鋼は焼入温度が高いほど高い硬さが得られますが、これは焼入れによって多量の炭化物が固溶し、焼戻しによって硬質の二次炭化物が多量に析出するためです。
• 3-5焼入れ・焼戻し条件と機械的性質の関係
  焼入温度は、高速度工具鋼においても、じん性や延性など機械的性質に多大な影響を及ぼします。
• 3-6真空熱処理適用上の留意事項
  真空とは、大気圧(1.013×105Pa)よりも低い圧力の空間すべてであり、圧力の範囲によって低真空(105～102Pa)から超高真空(10-5Pa以下)の領域まであります。

第4章　工具を対象とした表面処理の種類と適用

• 4-1工具への表面処理の適用目的と効果
  金属加工業界を取り巻いている課題は図１に示すように、加工技術に関するものと省資源・環境汚染対策があり、当然低コスト化も十分に加味しなければなりません。
• 4-2工具に適用されている表面処理の種類と分類
  工具には多種多様の表面処理法が採用されており、工具の種類や使用条件によって使い分けられています。
• 4-3工具に適用されている表面処理の特徴
  表面処理を適用する際に、処理対象物に要求される効果を十分に満足させるためには、個々の表面処理の特徴をよく理解しなければなりません。
• 4-4工具に適用されているめっきの種類と特徴
  めっきとは、水溶液中での処理ですから一般には湿式めっきとよばれており、図１に示すように、電気エネルギーを利用する電気めっきと外部からのエネルギーを必要としない化学めっき(無電解めっき)に大別されます。
• 4-5工具に適用されている窒化の種類と特徴
  工具鋼は切削工具や金型に使用されますから、主に耐摩耗性や潤滑特性を向上させる目的で、表面硬化処理の一手段として窒化処理が利用されています。
• 4-6工具に適用されている炭化物被覆の種類と特徴
  鉄鋼製品を対象として、耐食性や耐摩耗性を向上させる目的で、金属元素の拡散浸透処理が利用されています。

第5章　PVD、CVDの種類と工具への適用

• 5-1工具へのPVD、CVDの適用効果
  工具類は、使用中に相手との高面圧での摩擦を伴いますから、耐摩耗性が強く要求され、その防御策として種々の表面硬化処理が適用されています。
• 5-2PVDの種類と成膜原理
  PVD(Physical Vapor Deposition)とは物理蒸着法と呼ばれているもので、図１に示すように、一般には真空蒸着、スパッタリングおよびイオンプレーティングに大別されています。
• 5-3イオンプレーティングの変革と特徴
  最初に提案されたイオンプレーティングは直流(DC)放電法で、処理物(陰極)への電圧印可によって発生する直流グロー放電を利用するものです。
• 5-4PVD適用上の留意事項
  PVDによる皮膜の生成においては、基材を加熱する必要はないため低温成膜法として位置づけられています。
• 5-5CVDの種類と成膜原理
  CVD(Chemical Vapor Deposition)とは、化学蒸着法と呼ばれているもので、複数のガス同士の相互反応によって皮膜を生成するものです。
• 5-6熱CVD適用上の留意事項
  熱CVDの最大の特徴は皮膜のつきまわり性が優れていることですが、鉄鋼材料が対象の場合には変態点以上の高温で成膜されますから、適用上の留意事項が多々あります。
• 5-7プラズマCVD適用上の留意事項
  プラズマCVDの成膜温度は熱CVDよりもかなり低温ですから、得られる皮膜は熱CVDによって生成される皮膜に比べて極めて滑らかです。

第6章　工具を対象としたPVD、CVDによる硬質膜の種類と適用

• 6-1PVD、CVDによる硬質膜の種類と分類
  最初に工業的に適用された硬質膜はTiNです。TiNは金色を呈していますから、当初の対象製品は装飾品など金めっきの代替品としての利用でしたが、硬質であること、摩擦係数低減効果があることから、切削工具に適用されるようになりました。
• 6-2硬質膜の硬さおよび摺動特性評価法
  PVDやCVDによる硬質膜の表面硬さは、一般にはマイクロビッカース硬さ試験機で測定しますが、実用的な膜厚が1～5μm程度の薄膜ですから、測定荷重や基材硬さの影響を大きく受けます。
• 6-3チタン系硬質膜の硬さと摺動特性
  工業的規模で生成されている主なチタン系硬質膜は、TiN、TiC、TiCNおよびTiAlNで、それぞれ使用条件によって使い分けられています。
• 6-4クロム系硬質膜の硬さと摺動特性
  クロム系硬質膜を代表するものはクロム(Cr)と窒素(N)の化合物で、化学組成によってCr、Cr2N、CrNなどに分類することができます。
• 6-5チタン系およびクロム系硬質膜の耐高温酸化性
  工具は使用中に温度上昇をともなうことが多いため、これらに応用される硬質膜にも当然耐高温酸化性が要求されます。
• 6-6ダイヤモンド膜の生成法と構造
  ダイヤモンドは現存する物質の中では最も硬く、しかも機械的、電気的、化学的、光学的など、他の物質では得ることのできない優れた特性を持っています。
• 6-7DLC膜の生成法と構造
  DLC膜の生成法は、炭素の供給源によって大別され、図1に示すように、固体の黒鉛(グラファイト)を用いる方法と炭化水素系ガスを用いる方法とがあります。
• 6-8DLC膜の摺動特性とドリルへの適用効果
  DLC膜の無潤滑環境下における摩擦係数は図１に示すように、種々の物質に対して0.2前後であり、摩擦相手材に対して優れた摺動特性を有しています。

第7章　工具の損傷事例と対策

• 7-1工具の寿命に及ぼす因子
  工具寿命に及ぼす因子には、図１に示すように、設計上の問題、材料の問題、加工の問題および使用の問題があります。
• 7-2材料不良、エッジ効果による金型の破損事例
  前項で述べたように、工具寿命に対して材料の問題と設計の問題は重要項目であり、とくに材料では炭化物の偏析、設計に関するものではエッジ効果が原因の破損が多く発生しています。
• 7-3後工程が原因の不具合事例
  金型をはじめ多くの工具類は、焼入焼戻し後に研削加工や研磨加工することが多く、加工時の発熱が原因で不具合を生じることがあります。
• 7-4硬質膜の密着不良の原因とはく離事例
  硬質膜の生成法には多くの種類がありますが、それらを採用するためには、皮膜の密着性は共通の重要課題です。
• 7-5熱CVD処理品の破損事例
  熱CVDはPVDよりは処理温度が高いので、変形や変寸に関してよく問題を生じますが、膜生成は複数のガス同士の反応によりますから、複雑形状品であっても均一なコーティングが可能です。
• 7-6表面処理した工具の腐食発生事例
  腐食とは、化学的因子によって生じる損傷のことで、乾式による腐食(乾食)と湿式による腐食(湿食)とがあり、とくに後者が問題になります。