JP2002239837A - 硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮する表面被覆超硬合金製歯切工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮
する表面被覆超硬合金製歯切工具を提供する。 【解決手段】 表面被覆超硬合金製歯切工具が、炭化タ
ングステン基超硬合金基体の表面に、内側層を、０．２
〜５μｍの平均層厚を有し、かつ組成式：［Ｔｉ _1-XＡ
ｌ_X］Ｎで表わした場合、厚さ断面中央部のオージェ分
光分析装置による測定（原子比）で、Ｘ：０．２５〜
０．７５を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層で構成し、外側
層を、０．３〜７μｍの平均層厚を有し、かつ組成式：
［Ｔｉ_1-(V+W)Ａｌ_VＴａ_W］Ｎで表わした場合、同じく
厚さ断面中央部のオージェ分光分析装置による測定（原
子比）で、Ｖ：０．２５〜０．６５、Ｗ：０．０１〜
０．３０を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層で構成し
た硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で物理蒸着
してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、硬質被覆層がす
ぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、したがって高熱発生を
伴なう高速切削加工でも、特にすくい面と逃げ面の交わ
る先端切刃部に摩耗進行促進の原因となる偏摩耗の発生
がなく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する表面
被覆超硬合金製歯切工具（以下、被覆歯切工具という）
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、自動車や航空機、さらに
各種駆動装置などの構造部材として各種歯車が用いられ
ており、これら歯車の歯形の歯切加工に、図１に概略斜
視図で示されるソリッドホブ（むく歯切工具）や、ピニ
オンカッタ、さらにシェービングカッタなどの歯切工具
が用いられている。また、上記の歯切工具として、炭化
タングステン基超硬合金の素材から例えば図１に示され
る形状に加工された基体（以下、超硬基体という）の表
面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの平均
層厚で物理蒸着してなる被覆歯切工具が広く知られてい
る。

【０００３】さらに、上記の従来被覆歯切工具が、例え
ば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であ
るアークイオンプレーティング装置を用い、ヒータで装
置内を、例えば雰囲気を１．３×１０^-3Ｐａの真空とし
て、５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と
所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされたカソー
ド電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、電
流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置
内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、一方超硬基体に
は、例えばー２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件
で、前記超硬基体の表面に、上記の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎか
らなる硬質被覆層を物理蒸着することにより製造される
ことも知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の歯切加工
に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要
求は強く、これに伴い、歯切加工は切削機械の高性能化
とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆歯
切工具においては、これを鋼などの通常の条件での歯切
加工に用いた場合には問題はないが、これを高速加工条
件で用いると、歯切加工時に発生する高熱によって、特
にすくい面と逃げ面の交わる先端切刃部に偏摩耗の原因
となる熱塑性変形を起し易く、この結果切刃の摩耗進行
が促進し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状であ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、鋼などの歯車の高速歯切加工に
用いた場合にも、先端切刃部に熱塑性変形の発生のない
被覆歯切工具を開発すべく、特にこれを構成する硬質被
覆層について研究を行った結果、（ａ）上記の従来被覆
歯切工具の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層に
おけるＡｌの割合を、金属成分全体に占める割合（原子
比）で、かつ厚さ断面中央部をオージェ分光分析装置で
測定（以下同じ）して、０．２５〜０．６５の割合に特
定した上で、この（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層に、同じく金属成
分全体に占める割合（原子比）で、０．０１〜０．３０
の割合のＴａを固溶含有させると、この結果のＴｉとＡ
ｌとＴａの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ
で示す］層は，被覆歯切工具の硬質被覆層として適用し
た場合に、すぐれた耐熱塑性変形性を発揮するようにな
ること。

【０００６】（ｂ）上記の通り上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔ
ａ）Ｎ層は、被覆歯切工具の硬質被覆層としてすぐれた
耐熱塑性変形性を発揮するが、十分な靭性（耐欠損性）
を具備するものでないために、硬質被覆層を前記（Ｔ
ｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層単独で構成した被覆歯切工具に
は、特に高速歯切加工で先端切刃部に欠けやチッピング
が発生し易いこと。

【０００７】（ｃ）しかし、上記の従来被覆歯切工具の
硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層におけるＡｌ
の割合を、金属成分全体に占める割合（原子比）で、
０．２５〜０．７５に特定した（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を内
側層とし、上記の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層を外側層と
した硬質被覆層を形成してなる被覆歯切工具は、前記
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層によってすぐれた靭性が確保され、
かつ前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層によってすぐれた耐
熱塑性変形性が確保されることから、鋼などの高速歯切
加工でも先端切刃部に偏摩耗の発生なく、かつ欠けやチ
ッピングの発生もなく、すぐれた切削性能を長期に亘っ
て発揮するようになること。以上（ａ）〜（ｃ）に示さ
れる研究結果を得たのである。

【０００８】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、 超硬基体の表面に、内側層を、
０．２〜５μｍの平均層厚を有し、かつ組成式：［Ｔｉ
_1-XＡｌ_X］Ｎで表わした場合、厚さ断面中央部のオージ
ェ分光分析装置による測定（原子比）で、Ｘ：０．２５
〜０．７５を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層で構成し、外
側層を、０．３〜７μｍの平均層厚を有し、かつ組成
式：［Ｔｉ_1-(V+W)Ａｌ_VＴａ_W］Ｎで表わした場合、同
じく厚さ断面中央部のオージェ分光分析装置による測定
（原子比）で、Ｖ：０．２５〜０．６５、Ｗ：０．０１
〜０．３０を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層で構成
した硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で物理蒸
着してなる、硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発
揮する被覆歯切工具に特徴を有するものである。

【０００９】つぎに、この発明の被覆歯切工具におい
て、硬質被覆層を構成する内側層および外側層の組成式
および平均層厚を上記の通りに特定した理由を説明す
る。 （Ａ）内側層 （ａ）組成式：［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｎ （Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層におけるＡｌはＴｉＮに対して硬さ
を高め、かつ耐熱性を向上させるために固溶するもので
あり、したがってこのＡｌの含有によって耐摩耗性の向
上が図られるようになるが、Ａｌの割合（Ｘ値）が０．
２５未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方
Ａｌの割合（Ｘ値）が０．７５を超えると、ＴｉＮによ
ってもたらされるすぐれた靭性が著しく損なわれ、先端
切刃部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、
Ａｌの割合（Ｘ値）を０．２５〜０．７５、望ましくは
０．４０〜０．６５と定めた。 （ｂ）平均層厚 その平均層厚が０．２μｍ未満では（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層
によってもたらされるすぐれた靭性を硬質被覆層に具備
せしめることができず、一方その平均層厚が５μｍを超
えると硬質被覆層に熱塑性変形が発生し易くなることか
ら、その平均層厚を０．２〜５μｍ、望ましくは０．３
〜４μｍと定めた。

【００１０】（Ｂ）外側層 （ａ）組成式：［Ｔｉ_1-(V+W)Ａｌ_VＴａ_W］Ｎ Ａｌの割合（Ｖ値）が０．２５未満では上記内側層にお
けると同様に所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方
Ａｌの割合（Ｖ値）が外側層の場合、共存含有するＴａ
成分との関係で、０．６５を超えると、ＴｉＮによって
もたらされるすぐれた靭性が著しく損なわれ、先端切刃
部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、Ａｌ
の割合（Ｖ値）を０．２５〜０．６５、望ましくは０．
３５〜０．６０と定めた。また、Ｔａ成分には、上記の
通り（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層の熱塑性変形を著しく抑
制する作用があるが、Ｔａの割合（Ｗ値）が０．０１未
満では所望のすぐれた耐熱塑性変形性を具備せしめるこ
とができず、この結果先端切刃部に摩耗進行促進の原因
となる偏摩耗の発生が避けられず、一方Ｔａの割合（Ｗ
値）が０．３を超えると、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層の
靭性が急激に低下するようになり、先端切刃部に欠けや
チッピングが発生し易くなることから、Ｔａの割合（Ｗ
値）を０．０１〜０．３０、望ましくは０．０２〜０．
２５と定めた。 ｂ）平均層厚 その平均層厚が０．３μｍ未満では（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔ
ａ）Ｎ層によってもたらされるすぐれた耐熱塑性変形性
を硬質被覆層に具備せしめることができず、一方その平
均層厚が７μｍを超えると先端切刃部に欠けやチッピン
グが発生し易くなることから、その平均層厚を０．３〜
７μｍ、望ましくは０．５〜５μｍと定めた。

【００１１】また、硬質被覆層の全体平均層厚を１〜１
０μｍとしたのは、その全体平均層厚が１μｍでは所望
のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その
全体平均層厚が１０μｍを越えると、先端切刃部に欠け
やチッピングが発生し易くなるという理由によるもので
あり、望ましくは３〜７μｍとするのがよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆歯切工具
を実施例により具体的に説明する。まず、原料粉末とし
て、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、
ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｎｂ
Ｃ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、お
よびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示さ
れる配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合
し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレ
ス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４０
０℃に１時間保持の条件で焼結して、直径：８５ｍｍ×
長さ：１２５ｍｍの超硬合金製丸棒素材を形成し、この
素材から機械加工にて、外径：８０ｍｍ×長さ：１２０
ｍｍの寸法、３条右捩れ×２０溝の形状をもった図１に
示されるソリッドホブ形式の超硬基体Ａ〜Ｊを形成し
た。

【００１３】ついで、これら超硬基体Ａ〜Ｊを、アセト
ン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２に
例示される通常のアークイオンプレーティング装置に装
入し、一方カソード電極（蒸発源）として、それぞれ種
々の成分組成をもった内側層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金およ
び外側層形成用Ｔｉ−Ａｌ―Ｔａ合金を装着し、装置内
を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーター
で装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に
導入して１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で超硬基
体に−８００ｖのバイアス電圧を印加して超硬基体表面
をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガス
として、窒素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とする
と共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２０
０ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間
にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ〜Ｊの
それぞれの表面に、表２に示される目標組成および目標
層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる内側層と（Ｔｉ，Ａ
ｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる外側層で構成された硬質被覆層
を蒸着することにより、本発明被覆歯切工具１〜１０を
製造し、また表３に示される通り前記外側層の形成を行
なわない以外は同一の条件で従来被覆歯切工具１〜１０
をそれぞれ製造した。

【００１４】なお、この結果得られた本発明被覆歯切工
具１〜１０および従来被覆歯切工具１〜１０を構成する
それぞれの硬質被覆層について、これの構成層個々の厚
さ断面中央部の組成をオージェ分光分析装置を用いて測
定し、さらにその層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定
したところ、いずれの場合も目標組成および目標層厚と
実質的に同じ組成および層厚を示した。

【００１５】つぎに、上記の本発明被覆歯切工具１〜１
０および従来被覆歯切工具１〜１０を用いて、材質がＪ
ＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの高硬度鋼にして、モジュール：
１．７５、圧力角：１７．５度、歯数：３３、ねじれ
角：３６度左捩れ、歯丈：５．８６ｍｍ、歯幅：１５．
５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の加工を、切削速
度（回転速度）：４００ｍ／ｍｉｎ、送り：２．５ｍｍ
／ｒｅｖ、加工形態：クライム、シフトなし、ドライ
（エラーブロー）、の高速歯切加工条件で行い、逃げ面
摩耗幅が０．１０ｍｍに至る（使用寿命）までの歯車加
工数を測定した。この測定結果をそれぞれ表２、３に示
した。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】

【表３】

【００１９】

【発明の効果】表２、３に示される結果から、本発明被
覆歯切工具１〜１０は、いずれも内側層の（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｎ層と共存した外側層の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層
の作用によって硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を
具備するようになることから、高硬度鋼の歯切加工を高
い発熱を伴う高速で行っても、先端切刃部に熱塑性変形
の発生がなくなり、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対
して、実質的に硬質被覆層が前記内側層に相当する（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ層だけからなる従来被覆歯切工具１〜１０
においては、先端切刃部に熱塑性変形を起し、偏摩耗が
発生し、これが原因で摩耗進行が著しく促進されるよう
になり、この結果比較的短時間で使用寿命に至ることが
明らかである。上述のように、この発明の被覆歯切工具
は、低合金鋼などの歯車の通常の条件での歯切加工は勿
論のこと、特に高硬度鋼などの歯車の高速歯切加工でも
すぐれた耐熱塑性変形性を示し、すぐれた耐摩耗性を長
期に亘って発揮するものであるから、歯車加工装置のＦ
Ａ化並びに歯切加工の省力化および省エネ化、さらに低
コスト化に十分満足に対応できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ソリッドホブの概略斜視図である。

【図２】アークイオンプレーティング装置の概略説明図
である。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年２月１４日（２００１．２．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】

【表２】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】

【表３】

フロントページの続き (72)発明者 前田 浩一 兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179番地 １ エムエムシーコベルコツ−ル株式会社 内 (72)発明者 田中 裕介 兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179番地 １ エムエムシーコベルコツ−ル株式会社 内 Ｆターム(参考） 3C046 FF03 FF10 FF11 FF13 FF19 FF25 4K029 AA04 AA29 BA58 BB02 BC02 BC05 CA03 DD06 EA01

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
   に、 内側層を、０．２〜５μｍの平均層厚を有し、かつ組成
   式：［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｎで表わした場合、厚さ断面中央
   部のオージェ分光分析装置による測定（原子比）で、
   Ｘ：０．２５〜０．７５を満足するＴｉとＡｌの複合窒
   化物層で構成し、外側層を、０．３〜７μｍの平均層厚
   を有し、かつ組成式：［Ｔｉ_1-(V+W)Ａｌ_VＴａ_W］Ｎで
   表わした場合、同じく厚さ断面中央部のオージェ分光分
   析装置による測定（原子比）で、Ｖ：０．２５〜０．６
   ５、Ｗ：０．０１〜０．３０を満足するＴｉとＡｌとＴ
   ａの複合窒化物層で構成した硬質被覆層を１〜１０μｍ
   の全体平均層厚で物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐ
   れた耐熱塑性変形性を発揮する表面被覆超硬合金製歯切
   工具。