高速加工用パンチの耐摩耗性とカケ対策を両立したい

六角ボルト穴加工用の工具鋼パンチは高速で加工するために、凝着、摩耗といった激しい損傷に曝されます。そこで耐摩耗性を改善するためにTiNコーティングを施すことにより寿命を約5倍に延長することができました。しかし．．．

TiNコーティングをしないパンチは寿命は短いものの、凝着や摩耗によって損傷が進行するので交換時期が予測できます。つまり品質管理が容易です。

TiNコーティングによりパンチの寿命は向上しますが、突発的な欠けによって損傷するので、高サイクル加工の工程では瞬時に大量の不良品が発生してしまいます 。つまり品質管理が困難です。

これまでの表面設計では、耐摩耗性を重視するあまりにパンチの基材である工具鋼の硬さを硬くし、さらにその上にTiN系コーティングを成膜することが多いです。しかし、TiN系コーティングは柱状に結晶成長する特徴があるので縦方向のマイクロクラックが入りやすく、それが一気に基材に達して欠けを引き起こすことがあります。つまり耐摩耗性の代償として疲労強度や靭性が劣化し脆性的な欠けを誘発しやすくなっているのです。

基材の工具鋼にWPC処理を施した後、TiN系コーティングをすることで、基材に強い圧縮残留応力が付与されて、コーティングが割れても基材へのき裂の進展が抑制されます。図1はSKD61鋼を基材として疲労試験を実施した結果です。TiNコーティングをすると疲労強度は劣化しますが、WPC処理をしてからTiNコーティングをした場合には、基材よりも疲労強度が高いままです。このように基材の靭性を向上させつつ硬質コーティングを施すことで、耐摩耗性と欠けの両方を改善することができます。