JP2000296412A

JP2000296412A - 複合材製ホブ

Info

Publication number: JP2000296412A
Application number: JP11105544A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】表面が硬く耐摩耗性を有する一方、内部が高靱
性を有する複合材製ホブを提供することを可能にする。【解決手段】ホブ１０を構成する孔部１２では、ホブ内
部に金属リッチな金属部２０が設けられ、ホブ表面にセ
ラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられ、こ
れらの間にホブ内部からホブ表面に向かうに従って金属
成分の割合が漸減する傾斜部２４が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス成分
と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製ホブに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種の機械加工分野において、
平歯車、はすば歯車およびウォーム歯車等の歯車やスプ
ライン軸を創成切削するために、円筒工具であるホブを
取り付けたホブ盤が使用されている。この種の加工作業
中には、ホブに対して種々の応力が作用している。例え
ば、被削材に押し付け力を付与する際の圧縮応力、食い
付き部や切削部に作用する引っ張り応力、さらに加工を
行う部分と加工に使用されない部分との間の引っ張り応
力等が挙げられる。このため、ホブによる切削加工が、
実際上、不安定となり易く、刃先チッピングや欠損、折
損、あるいは、歯切り（ホブ切り）精度の低下が惹起さ
れるおそれがあり、高硬度、高強度および高靱性を有す
るホブが要求されている。そこで、通常、ホブの材質と
して、高速度鋼、粉末ハイス材または超硬等が広く採用
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速度
鋼や粉末ハイス材は、高強度および高靱性を有するもの
の、耐摩耗性や圧縮強度および剛性に問題がある。超硬
は、耐摩耗性を有するために連続操業に適しており、高
速かつ高能率な歯切り加工を行うことができ、通常、超
硬ホブは、むくホブ、植え刃ホブまたはロウ付けホブ等
で構成されて高剛性な高速ホブ盤に取り付けられてい
る。ところが、超硬は、高速度鋼や粉末ハイス材に比
べ、引っ張り応力に弱く、破断し易いという問題があ
る。

【０００４】言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させ
ようとすると靱性や強度が劣化する一方、強度や靱性を
向上させようとすると剛性や硬度が低下してしまい、特
に高速加工および高負荷に耐え得るホブを製作すること
は、現実的には極めて困難なものとなっている。

【０００５】その際、超硬材や高速度鋼や粉末ハイス材
に硬質被膜コーティング等の表面処理を施す工夫がなさ
れているが、ホブ刃先の精度が低下するとともに、高負
荷応力下や高温下では被膜の剥がれ等が惹起してしま
い、実用に供することができなかった。

【０００６】そこで、実際に切削加工を行うホブ表層近
傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、ホブ内部
が高強度を有するホブの開発を検討したところ、本出願
人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１２７８
０７号公報等に開示されている「セラミックス粉末と金
属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用するこ
とを見い出した。

【０００７】すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部
に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機
能を有する複合材製ホブを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る複合材製ホ
ブでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で
構成されるとともに、ホブ内部からホブ表面に向かうに
従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減して
いる。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬度、強度
および靱性とには相関があり、金属成分の割合が少なく
なってセラミックス成分の割合が多くなると、硬度、耐
摩耗性および剛性等が向上するものの脆くなってしま
う。一方、この脆さを改善するために、金属成分の割合
を多くすると、強度および靱性は向上するものの、剛性
および耐摩耗性が低下してしまう。

【０００９】そこで、実際に加工を行うホブ表面側を高
硬度で耐摩耗性を有する物性とし、内部を高靱性で高強
度を有する物性とするとともに、前記表面側と前記内部
側との間の組成や物性が緩やかに変化するようにすれ
ば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えつつ、寸法
精度の高い鋭利な刃先を有するホブを得ることができ
る。

【００１０】このため、ホブ表面近傍のセラミックス粒
子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部に
向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成長に伴
う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、実
際に加工を行うホブ表面部分の組成がセラミックスリッ
チで高耐摩耗性を有し、ホブ内部が金属リッチで高強度
および高靱性を有するとともに、ホブ内部における応力
集中を有効に減少させることが可能になる。従って、折
れ難く、高速度鋼並み、あるいはそれ以上の高靭性と超
硬に匹敵する耐摩耗性とを有することができる。

【００１１】また、実際に切削を行うホブ表面近傍をセ
ラミックスリッチとし、粒子を粗大化しているために、
切削加工時にこのホブ表面近傍に発生する熱の伝達およ
び拡散性が向上する。従って、熱に伴うマイクロクラッ
クの発生を防止して、これにより生ずるチッピングや構
成刃先を改善したため、切削性能が大きく向上すること
になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
複合材製ホブ１０の側面説明図であり、図２は、図１
中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【００１３】ホブ１０は、略円筒形状を有しており、そ
の中央部に孔部１２が貫通形成されるとともに、この孔
部１２にキー溝１４が連通している。ホブ１０の外周に
は、ねじ形状に沿った切れ刃溝１６を設けることによ
り、切れ刃１８が形成されている。ホブ１０は、セラミ
ックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されてお
り、ホブ内部に金属リッチな金属部２０が設けられると
ともに、孔部１２の内壁面および切れ刃１８の外表面で
あるホブ表面には、セラミックスリッチなセラミックス
部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２
との間には、ホブ内部からホブ表面に向かうに従って金
属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられている。

【００１４】金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の
中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じ
てクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）またはモリブデン
（Ｍｏ）等が強度の向上等を図るために混入される。複
合材中の金属成分の割合は、３ｗｔ％〜１５ｗｔ％、よ
り好ましくは、５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内に設定さ
れる。

【００１５】金属成分が３ｗｔ％未満では、金属量が少
な過ぎてホブ１０が脆くなり、現実的に使用することが
できないものとなってしまう。金属成分が３ｗｔ％以上
であると、ホブ１０の表面側の金属成分の割合を１ｗｔ
％以下とすることができ、ホブ内部には相対的に８ｗｔ
％程度の金属成分を集積することが可能になり、実用に
供することができる。なお、素材を焼結した後、刃付け
等の加工を施してホブ１０を製造する際には、その刃先
強度をも考慮する必要があり、金属成分の割合を５ｗｔ
％以上にすることが望ましい。

【００１６】ここで、セラミックス粒子として２μｍ前
後の粉末原料を用いた場合、ホブ表面近傍の粒子は、添
加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等に
より変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長する。ホ
ブ１０の強度が要求される際には、３倍〜６倍程度まで
成長させる一方、主に耐摩耗性が要求される際には、１
０倍〜２０倍程度まで成長させる。このとき、ホブ１０
の表面近傍の金属成分の割合は１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度
であり、このホブ１０の内部の金属成分の割合は成長度
合いや傾斜部２４の厚み等により変化し、例えば、表面
近傍で５ｗｔ％の場合、内部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程
度乃至はそれ以上となる。

【００１７】ホブ１０の傾斜部２４の厚さは、数１００
μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。ホブ１
０では、金属成分の量と熱伝導および粒子の大きさと熱
伝導に相関があり、発生する熱応力が熱伝達の勾配にな
るため、傾斜部２４の厚さが変化することにより熱応力
そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが数μｍ〜数１
０μｍでは、発生する熱応力や加工時の応力の緩和量が
小さく、金属成分の割合を好適にコントロールしたとし
ても所望の効果を得ることができない。

【００１８】ホブ１０を構成する複合材中のセラミック
ス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（Ｔ
ｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化２モリブデン（Ｍ
ｏ₂Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（Ｎｂ
Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ ₂）または炭化バナジウム
（ＶＣ）の中から選択される少なくとも一種以上を主体
とするものであり、必要に応じて窒化物、硼化物あるい
は炭窒化物の種々のものをその一部に添加してもよい。

【００１９】セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋Ｔ
ｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ₃Ｃ₂
＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定される。これらのセラミック
ス成分は、ホブ１０による切削時に実際に切削を行う切
れ刃１８の表面層を構成しており、耐熱性、耐摩耗性お
よび耐蝕性等の性質を備えている。セラミックス成分が
９７ｗｔ％を超えると、金属成分の量が少なくなりす
ぎ、耐摩耗性は十分であるものの、強度および靱性が低
くなって折損や欠損が発生し易く、実用に供することが
難しい。セラミックス成分が８５ｗｔ％未満では、傾斜
部２４で金属成分が漸減する勾配が急峻となり、傾斜複
合材製ホブ１０として十分な傾斜機能を確保することが
できない。

【００２０】一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％以
上、好ましくは、９０ｗｔ％〜９５ｗｔ％では、高硬質
部であるセラミックス部２２の厚さを最も薄いところで
０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度確保するとともに、傾斜部２４
の厚さを０．３ｍｍ〜１０ｍｍ以上に構成することがで
き、刃先強度の確保や応力緩和層の確保が可能となる。

【００２１】このセラミックス成分のうち、炭化タング
ステンは、複合材セラミックス成分の主体をなすもので
あり、被削材に対応して炭化チタン、窒化チタン、炭化
２モリブデン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化クロム
または炭化バナジウム等を適宜添加する。例えば、被削
材がアルミニウム乃至アルミニウム合金、銅合金、マグ
ネシウム合金、鋳鉄、ニッケルまたはコバルト基合金等
である場合には、炭化タングステンを主体とし、炭化ニ
オブ、炭化タンタルあるいはその双方を２ｗｔ％〜８ｗ
ｔ％程度添加することにより、切削性の向上が図られ
る。

【００２２】また、被削材が鋼やステンレスの鉄系の場
合には、耐摩耗性、耐熱性および耐凝着性等を向上させ
るために、炭化チタン、窒化チタン、炭化クロム、炭化
バナジウムまたは炭化２モリブデンから選ばれる少なく
とも一つの化合物を、１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％の範囲内
で添加する。

【００２３】ホブ１０の表面硬度は、上記の組成範囲で
ＨＲＡ９０〜９４．５以上となり、硬質セラミックスコ
ーティングと比べても良好の値となる。しかも、ＣＶＤ
やＰＶＤ等による硬質セラミックスコーティングでは、
刃先精度の確保が難しく穴精度に影響するが、本実施形
態に係るホブ１０では、精度よく仕上げ加工を施すこと
ができる。このホブ１０の表面硬度がＨＲＡ９１未満で
は、切削精度が低くなり、耐摩耗性も低下して仕上げ加
工される穴精度を有効に維持することが困難になる。

【００２４】ホブ１０の表面硬度や強度は、複合材に含
まれるセラミックス成分と関連している。例えば、炭化
タングステンを主体とするものから炭化チタンや窒化チ
タン等を含むものに変更すると、硬度がＨＲＡ９１〜９
６となる。また、粒成長促進剤を変えることによって
も、この現象が生ずる。

【００２５】ホブ１０では、高硬質部であるセラミック
ス部２２と、傾斜機能部である傾斜部２４と、高強度か
つ高靭性部である金属部２０とが、このホブ１０の外周
形状に沿った形状に形成されている。これは、複合材に
含まれるセラミックス粒子の成長に係るものであり、焼
結過程で粒成長を促進するような元素化合物を溶液含浸
させることにより達成される。粒成長促進材は溶液であ
り、例えば、軽石に水をしみ込ませるように供給される
ことから、ホブ１０の外周形状に沿って内部に浸透す
る。

【００２６】傾斜化は、含浸された成形体から水分等の
溶液成分を蒸発させることにより行われる。水分の蒸発
は、成形体の表面からなされるものであり、この成形体
を急激に加熱して成形体内部と成形体表面との温度差を
高く設定する程、その促進剤の濃度の勾配が急激とな
る。また、粒成長促進剤の濃度が高い程、粒成長が大き
くなるため、金属成分が内部に集積されることになる。

【００２７】この結果、ホブ１０の外周形状（刃形状）
に沿った形でセラミックス部２２、傾斜部２４および金
属部２０を構成することができる。ここで、セラミック
ス部２２の厚さは、０．３ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に設定
される。厚さが０．３ｍｍ未満では、焼結後の刃先加工
で除去されてしまうおそれがある一方、３ｍｍを超える
と、応力緩和層までの距離が遠くなって緩和作用が機能
せず、刃先チッピングが発生し易くなる。

【００２８】このように、本実施形態に係るホブ１０で
は、高速度鋼に比べて物性的にも有利であり、加工精度
および加工面が有効に向上することになる。しかも、ホ
ブ１０の交換頻度が少なくなり、長期間にわたって良好
に使用することが可能になる。具体的には、同一原料粒
度でかつ同一組成のホブに比べ、抵抗強度が１．５倍〜
２倍に向上し、靭性は相対比較で１．８倍〜３倍に向上
した。さらに、表面硬質強化による強度の向上等が図ら
れ、例えば、全破断までに要するエネルギが３倍〜７倍
にアップした。また、従来の超硬材は、引っ張り応力に
弱く、捩り応力のない単純引っ張りでも抗折強度の１／
１０〜４／１０程度であるのに対し、本実施形態では、
靭性の向上および表面硬質強化によって静的引っ張り強
度が抗折強度の３／１０〜６／１０に向上した。実施例１実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タング
ステン（ＷＣ）粉末を８９ｗｔ％、平均粒径が２μｍの
炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．
４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、およ
びコバルト（Ｃｏ）粉末を８ｗｔ％の割合で、有機溶媒
を媒液としてボールミルを用いて７２時間十分に混合し
た。この混合物を液分が９％になるように調製した後、
成形用バインダの影響を回避するためにバインダレス
で、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形
圧力にて外接円がφ２５ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を成
形した。

【００２９】成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐ
ａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃
で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時にお
ける崩壊を防止した。さらに、仮焼成体の均質性を向上
させるため、焼成後にφ１５ｍｍになるように切削加工
が施された。次いで、１０％濃度のＮｉ塩水溶液中に仮
焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風乾燥炉
で乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ濃度の傾斜
化を図った。

【００３０】一方、上記の基礎物性において、Ｎｉ濃度
を同一としながら、コバルト量を炭化タングステン量の
制御によって増減させ、仮焼成体をＮｉ塩水溶液中に浸
漬するとともに、粉体中に埋設して乾燥させることによ
り均質組成体を得た。

【００３１】これらを十分乾燥させた後、窒素流通下に
おいて５０Ｐａ、１４００℃の温度で１時間保持して焼
結処理を施した。その際、基礎物性として、焼結体の表
面からの距離と硬度および靱性とのデータが図３に示さ
れている。

【００３２】ここで、傾斜機能領域は約７ｍｍであり、
表面の高硬度均質層の厚さは約０．３ｍｍであり、硬度
はＨＲＡ９３であった。図３に示す市販材の同等製品で
は、硬度がＨＲＡ９０．５程度であり、この市販材に比
べて、実施例１の硬度が非常に高い値となった。また、
靱性は、同一試験条件下の測定において市販品の７ＭＰ
ａｍ^1/2に比べ、内部がその２倍近い値となった。

【００３３】さらに、実施例１で得られた焼結体の断面
を顕微鏡を用いて観察し、その粒子の大きさを測定した
ところ、図４に示す結果が得られた。これにより、焼結
体の表面近傍の粒子は、内部に比べて３倍〜４倍程度の
大きさに成長していることが判った。

【００３４】図５は、均質組成体としたときのコバルト
量と強度の関係を、粒成長剤の含浸の有無により比較し
たものである。これによれば、含浸操作を行うことによ
り、含浸物がセラミックス粒子の成長を促進するととも
に、バインダの役割を担うコバルトと密接に結合し、強
度の改善が見られた。すなわち、セラミックス粒子と金
属とが従来以上に密接に結合し、強度の改善効果が高く
なった。これにより、実施例１で得られた焼結体の各性
質は、超硬を凌ぐものであり、ホブとしての性能が飛躍
的に向上するという効果が得られる。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る複合材製ホブでは、ホブ内
部からホブ表面に向かうに従って、複合材中の金属成分
の割合が漸減するため、実際に加工を行う切刃部分が高
硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、ホブ内部が高靱性か
つ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩や
かに変化する。これにより、高速加工に適するととも
に、耐用性が大幅に向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製ホブの
側面説明図である。

【図２】図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【図３】ホブ表面からの距離と硬度および靱性との関係
説明図である。

【図４】ニッケル添加による炭化タングステン粒子の成
長状態の説明図である。

【図５】金属量と強度およびニッケル含浸処理の関係説
明図である。

【符号の説明】

１０…ホブ１２…孔部１４…キー溝１６…切れ刃溝１８…切れ刃２０…金属部２２…セラミックス部２４…傾斜部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス成分と金属成分とを含む複合
材で構成されるとともに、ホブ内部からホブ表面に向かうに従って、前記複合材中
の前記金属成分の割合が漸減することを特徴とする複合
材製ホブ。
【請求項２】請求項１記載のホブにおいて、前記金属成
分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．３ｍｍ〜１０
ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合材製ホ
ブ。
【請求項３】請求項１または２記載のホブにおいて、前
記複合材中の前記金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族のＦ
ｅ、ＮｉまたはＣｏの中から選択される少なくとも一種
以上の金属成分であり、前記複合材中の前記セラミック
ス成分は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣ、
ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＶＣの中から選択される少な
くとも一種以上のセラミックス成分であり、かつ、セラ
ミックス量が、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ
＋ＮｂＣ＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定されることを特徴とする複合材製ホブ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載のホ
ブにおいて、前記ホブ表面の硬度がＨＲＡ９１以上であ
ることを特徴とする複合材製ホブ。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載のホ
ブにおいて、前記ホブ表面には刃形状に沿って高硬質部
が設けられるとともに、前記高硬質部の厚さが、０．３
ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複
合材製ホブ。