JP2003266243A - 高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する硬質被覆層を超硬合金製むく歯切工具の表面に形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発
揮する硬質被覆層を超硬合金製むく歯切工具の表面に形
成する方法を提供する。 【解決手段】 アークイオンプレーティング装置内を自
公転する回転テーブル上に、工具を装着し、前記装置内
を窒素ガス雰囲気として、前記回転テーブルを挟んで対
向配置しＡｌ−Ｔｉ合金のカソード電極およびＴｉ−Ａ
ｌ合金のカソード電極と、これらカソード電極のそれぞ
れに並設されたアノード電極との間にアーク放電を発生
させ、もって、前記工具の表面に、厚さ方向にそって、
Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが所定間隔をおいて
交互に繰り返し存在する硬質被覆層を１〜１５μmの全
体平均層厚で物理蒸着することからなる。

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、すぐれた高強度
と高靭性を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、し
たがって特に各種の鋼製歯車などの歯切加工を、高い機
械的熱的衝撃を伴う高速条件で行なった場合に、すぐれ
た耐チッピング性を発揮する硬質被覆層を炭化タングス
テン基超硬合金製むく歯切工具（以下、超硬歯切工具と
いう）の表面に形成する方法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
いるが、これら歯車の歯形の歯切加工に、図３に概略斜
視図で例示される形状の超硬歯切工具（ソリッドホブ）
が用いられている。 【０００３】さらに、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
グ装置内に超硬歯切工具を装入し、ヒータで装置内を、
例えば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Ａｌ−Ｔｉ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て、例えば２Ｐａの反応雰囲気と
し、一方上記超硬歯切工具には、例えば−１００Ｖのバ
イアス電圧を印加した条件で、前記超硬歯切工具の表面
に、組成式：（Ａｌ_ZＴｉ_1-Z ）Ｎ（ただし、原子比
で、Ｚは０．４０〜０．６５を示す）を満足するＡｌと
Ｔｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す］層
からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で形成す
る方法が知られている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】近年の歯切加工装置の
高性能化はめざましく、一方で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、歯切加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来
超硬歯切工具においては、これを通常の歯切加工条件で
用いた場合には問題はないが、歯切加工を高い機械的熱
的衝撃を伴う高速条件で行なった場合には、特に硬質被
覆層の強度および靭性不足が原因で、特に歯面を構成す
る逃げ面とすくい面の交わる切刃稜線部などにチッピン
グ（微小割れ）が発生し易くなり、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、特に上記の従来超硬歯切工具の
硬質被覆層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層に着目し、高速歯
切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する（Ａｌ，Ｔ
ｉ）Ｎ層を開発すべく、研究を行った結果、（ａ）上記
の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用
いて形成された従来硬質被覆層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ
層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、し
たがって均質な高温硬さと耐熱性を有するが、例えば図
１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示さ
れる構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち
装置中央部に超硬歯切工具装着用回転テーブルを設け、
前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対的にＡｌ含有
量の高い（Ｔｉ含有量の低い）Ａｌ−Ｔｉ合金、他方側
に相対的にＴｉ含有量の高い（Ａｌ含有量の低い）Ｔｉ
−Ａｌ合金をカソード電極（蒸発源）として対向配置し
たアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の
前記回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から
半径方向に離れた位置に前記超硬歯切工具を装着し、こ
の状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テー
ブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の
層厚均一化を図る目的で超硬歯切工具自体も自転させな
がら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード
電極との間にアーク放電を発生させる条件で（Ａｌ，Ｔ
ｉ）Ｎ層を形成すると、前記超硬歯切工具の表面には、
回転テーブル上の中心軸から半径方向に離れた位置に配
置された前記超硬歯切工具が上記の一方側の相対的にＡ
ｌ含有量の高い（Ｔｉ含有量の低い）Ａｌ−Ｔｉ合金の
カソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＡ
ｌ最高含有点が形成され、また前記超硬歯切工具が上記
の他方側の相対的にＴｉ含有量の高い（Ａｌ含有量の低
い）Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極に最も接近した時点
で層中にＡｌ最低含有点が形成されることから、上記回
転テーブルの回転によって層中には層さ方向にそって前
記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点が所定間隔をもって
交互に繰り返し現れると共に、前記Ａｌ最高含有点から
前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ
最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成
分濃度分布構造をもった（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が形成され
るようになること。 【０００６】（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分
濃度分布構造の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層において、例えば対
向配置のカソード電極（蒸発源）のそれぞれの組成を調
製すると共に、超硬歯切工具が装着されている回転テー
ブルの回転速度を制御して、上記Ａｌ最高含有点が、組
成式：（Ａｌ_XＴｉ_1-X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは
０．４０〜０．６５を示す）、上記Ａｌ最低含有点が、
組成式：（Ａｌ_YＴｉ_1-Y ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ
は０．２０〜０．３５を示す）、をそれぞれ満足し、か
つ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の厚さ
方向の間隔が０．０１〜０．１μm、となるようにする
と、上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ａｌ，
Ｔｉ）Ｎ層と同じ組成をもつため、これのもつ高温硬さ
と耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性（高温特
性）を示し、一方上記Ａｌ最低含有点部分では、前記Ａ
ｌ最高含有点部分に比してＡｌ含有量が低く、Ｔｉ含有
量の高いものとなるので、高強度と高靭性が確保され、
かつこれらＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の間
隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性として
すぐれた高温特性を保持した状態で、一段とすぐれた強
度と靭性を具備するようになり、したがって、かかる構
成の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してな
る超硬歯切工具は、特に各種の鋼製歯車などの歯切加工
を、高い機械的熱的衝撃を伴う高速条件で行なった場合
にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する
ようになること。以上（ａ）および（ｂ）に示される研
究結果を得たのである。 【０００７】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、アークイオンプレーティング装置
内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から
半径方向に離れた位置に超硬歯切工具を自転自在に装着
し、上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲
気を窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで
対向配置したＡｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）形成用
Ａｌ−Ｔｉ合金のカソード電極およびＡｌ最低含有点
（Ｔｉ最高含有点）形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電
極と、これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノ
ード電極との間にアーク放電を発生させ、もって、上記
回転テーブル上で自転しながら回転する上記超硬歯切工
具の表面に、厚さ方向にそって、Ａｌ最高含有点（Ｔｉ
最低含有点）とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが
所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ
最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有
点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続
的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａ
ｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_XＴｉ_1-X ）Ｎ（ただ
し、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、上記
Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_YＴｉ_1-Y ）Ｎ（た
だし、原子比で、Ｙは０．２０〜０．３５を示す）、を
それぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡ
ｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍ
の全体平均層厚で物理蒸着することからなる、高速歯切
加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する
硬質被覆層を超硬歯切工具の表面に形成する方法に特徴
を有するものである。 【０００８】つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法に
おいて、形成される硬質被覆層の構成を上記の通りに限
定した理由を説明する。 （ａ）Ａｌ最高含有点の組成 （Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層におけるＡｌは、高強度および高靭
性を有するＴｉＮ層の高温硬さおよび耐熱性（高温特
性）を向上させる目的で含有するものであり、したがっ
てＡｌ成分の含有割合が高くなればなるほど高温特性は
向上したものになるが、その割合（Ｘ値）がＴｉとの合
量に占める割合（原子比）で０．４０未満では所望のす
ぐれた高温特性を確保することができず、一方その割合
が同じく０．６５を越えて高くなると、高強度および高
靭性を有するＡｌ最低含有点が隣接して存在しても層自
体の強度および靭性の低下は避けられず、この結果チッ
ピングなどが発生し易くなることから、その割合を０．
４０〜０．６５と定めた。 【０００９】（ｂ）Ａｌ最低含有点の組成 上記の通りＡｌ最高含有点は高温特性のすぐれたもので
あるが、反面強度および靭性の劣るものであるため、こ
のＡｌ最高含有点の強度および靭性不足を補う目的で、
Ｔｉ含有割合が高く、これによって高強度および高靭性
を有するようになるＡｌ最低含有点を厚さ方向に交互に
介在させるものであり、したがってＡｌの割合（Ｙ）が
Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．３５を越え
ると、所望のすぐれた強度および靭性を確保することが
できず、一方その割合が同じく０．２０未満になると、
相対的にＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ａｌ最低含有点
に所望の高温特性を具備せしめることができなくなるこ
とから、その割合を０．２０〜０．３５と定めた。 【００１０】（ｃ）Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点間
の間隔 その間隔が０．０１μm未満ではそれぞれの点を上記の
組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に
所望の高温特性と、強度および靭性を確保することがで
きなくなり、またその間隔が０．１μmを越えるとそれ
ぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば
強度および靭性不足、Ａｌ最低含有点であれば高温特性
不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピ
ングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるよう
になることから、その間隔を０．０１〜０．１μmと定
めた。 【００１１】（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚 その層厚が１μｍ未満では、所望の耐チッピング性を確
保することができず、一方その平均層厚が１５μｍを越
えると、切刃稜線部にチッピングが発生し易くなること
から、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。 【００１２】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の硬質被覆層形
成方法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、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末、ＴｉＮ粉末、（Ｗ，
Ｔｉ）Ｃ［質量割合で、ＷＣ／ＴｉＣ＝５０／５０］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２４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２ＫＰａの窒素雰囲気
中、温度：１４００℃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：８０ｍ
ｍ×長さ：１２０ｍｍの全体寸法をもち、４条右捩れ×
２０溝の形状をもった図３に示されるソリッドホブ型の
超硬歯切工具Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。 【００１３】ついで、上記の超硬歯切工具Ａ〜Ｊのそれ
ぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、
図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回
転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方
向に離れた位置に自転自在に装着し、一方側のカソード
電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ最
低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ合金、他方側のカソード電極
（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ最高含
有点形成用Ａｌ−Ｔｉ合金を前記回転テーブルを挟んで
対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、
まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しな
がら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記
回転テーブル上で自転しながら回転する超硬歯切工具に
−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、カソード
電極の前記金属Ｔｉとアノード電極との間に１００Ａの
電流を流してアーク放電を発生させ、もって超硬歯切工
具の表面をＴｉ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１０Ｐａの反応雰囲気と
すると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転す
る超硬歯切工具に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加
して、それぞれのカソード電極(前記Ａｌ最低含有点形
成用Ｔｉ−Ａｌ合金およびＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−
Ｔｉ合金)とアノード電極との間に１００Ａの電流を流
してアーク放電を発生させる条件で本発明法１〜１０を
実施し、もって前記超硬歯切工具の表面に、層さ方向に
沿って表２に示される目標組成のＡｌ最低含有点とＡｌ
最高含有点とが交互に同じく表２に示される目標間隔で
繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ
最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有
点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成分濃度分
布構造を有し、かつ同じく表２に示される目標全体層厚
の硬質被覆層を蒸着形成した。 【００１４】また、比較の目的で、上記の超硬歯切基体
Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥
した状態で、図２に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、カソード電極（蒸発源）とし
て、種々の成分組成をもったＡｌ−Ｔｉ合金を装着し、
またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、装置内を排気
して０．５Ｐａ以下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、前記超硬歯切工具に−
１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極
の前記金属Ｔｉとアノード電極との間に１００Ａの電流
を流してアーク放電を発生させ、もって超硬歯切工具の
表面をＴｉ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１０Ｐａの反応雰囲気とする
と共に、前記超硬歯切工具に印加するバイアス電圧を−
１００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極と
の間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させる
条件で従来法１〜１０を実施し、もって、前記超硬歯切
工具Ａ〜Ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組
成および目標層厚を有し、かつ層さ方向に沿って実質的
に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆
層を蒸着形成した。 【００１５】つぎに、上記の本発明法１〜１０および従
来法１〜１０により得られた超硬歯切工具を用いて、材
質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、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：１
５．５ｍｍ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（エアーブロ
ー）、 歯車加工数：１０００個、 の高速歯切加工条件で歯切加工を行い、逃げ面摩耗幅を
測定した。この測定結果を表２，３それぞれに示した。 【００１６】 【表１】 【００１７】 【表２】 【００１８】 【表３】【００１９】この結果得られた本発明法１〜１０により
得られた超硬歯切工具の硬質被覆層におけるＡｌ成分最
高含有点とＡｌ成分最低含有点の組成、並びに従来法１
〜１０により得られた超硬歯切工具の硬質被覆層の組成
をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それ
ぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。また、これ
らの本発明法１〜１０の硬質被覆層におけるＡｌ成分最
高含有点とＡｌ成分最低含有点間の間隔、およびこれの
全体層厚、並びに従来法１〜１０の硬質被覆層の厚さ
を、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、い
ずれも目標値と実質的に同じ値を示した。 【００２０】 【発明の効果】表２，３に示される結果から、本発明法
１〜１０により層さ方向にＡｌ最低含有点とＡｌ最高含
有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ
前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ
最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有
量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する硬質被
覆層を形成してなる超硬歯切工具は、いずれも鋼製歯車
の歯切加工を、高い機械的熱的衝撃を伴う高速条件で行
なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性
を発揮するのに対して、従来法１〜１０により層さ方向
に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層か
らなる硬質被覆層を形成してなる超硬歯切工具において
は、いずれも前記硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱
性を有するものの、強度および靭性に劣るものであるた
めに、特に高速歯切加工では切刃稜線部にチッピングが
発生し、これが原因で切刃の摩耗進行が速く、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、この発明の硬質被覆形成方法によれば、通常の条件
での歯切加工は勿論のこと、特に各種の鋼歯車などの歯
切加工を、高い機械的熱的衝撃を伴う高速条件で行なっ
た場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮する硬質被
覆層を形成することができ、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】この発明の硬質被覆層を形成するのに用いたア
ークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平
面図、（ｂ）は概略正面図である。 【図２】従来の硬質被覆層を形成するのに用いた通常の
アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。 【図３】超硬歯切工具の概略斜視図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷内 俊之 茨城県結城郡石下町大字古間木1511番地 三菱マテリアル株式会社筑波製作所内 (72)発明者 福永 稔 兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179−１ エムエムシーコベルコツール株式会社内 Ｆターム(参考） 3C025 FF03 4K029 AA04 BA58 BC00 BD05 CA04 DD06 EA01 JA03

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 アークイオンプレーティング装置内の回
   転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方
   向に離れた位置に炭化タングステン基超硬合金からなる
   むく歯切工具を自転自在に装着し、 上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲気を
   窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで対向
   配置したＡｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）形成用Ａｌ
   −Ｔｉ合金のカソード電極およびＡｌ最低含有点（Ｔｉ
   最高含有点）形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極と、
   これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノード電
   極との間にアーク放電を発生させ、 もって、上記回転テーブル上で自転しながら回転する上
   記むく歯切工具の表面に、 厚さ方向にそって、Ａｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）
   とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが所定間隔をお
   いて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点か
   ら前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａ
   ｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する
   成分濃度分布構造を有し、 さらに、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_XＴｉ
   _1-X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５
   を示す）、 上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_YＴｉ_1-Y ）Ｎ
   （ただし、原子比で、Ｙは０．２０〜０．３５を示
   す）、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含
   有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μm
   である、ＡｌとＴｉの複合窒化物からなる硬質被覆層を
   １〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着すること、を特
   徴とする高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮
   する硬質被覆層を超硬合金製むく歯切工具の表面に形成
   する方法。