JP2005040911A

JP2005040911A - 高速歯切加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製むく歯切工具

Info

Publication number: JP2005040911A
Application number: JP2003278735A
Authority: JP
Inventors: Yukio Aoki; 幸生青木
Original assignee: Mitsubishi Materials Kobe Tools Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Kobe Tools Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: JP4539049B2

Abstract

【課題】高速歯切加工ですぐれた硬質被覆層を発揮する表面被覆超硬合金製むく歯切工具を提供する。
【解決手段】回転軸に対して放射状に、かつ長さ方向に沿って複数の歯溝が形成され、それぞれの歯溝間に、前記歯溝に面し、回転方向に対して前面がすくい面となる前後面と、逃げ面となる頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）で構成された歯部が、長さ方向に沿って連続的に複数形成された形状を有する炭化タングステン基超硬合金製歯切工具本体の表面に、窒化チタン層からなる硬質被覆層を０．９〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製むく歯切工具において、前記歯部の逃げ面を構成する頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）に、上記硬質被覆層の下地層として、０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる断熱層を物理蒸着してなる。
【選択図】なし

Description

この発明は、特に各種の鋼製歯車などの歯切加工を、高熱発生を伴う高速歯切条件で行なった場合にも、歯部に熱塑性変形の発生なく、この結果歯部が正常摩耗形態をとるようになることから、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製むく歯切工具（以下、被覆超硬歯切工具という）に関するものである。

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被覆超硬歯切工具（ソリッドホブ）が用いられている。
また、被覆超硬歯切工具が、例えば図２に概略斜視図で示される通り、回転軸に対して放射状に、かつ長さ方向に沿って複数の歯溝が形成され、それぞれの歯溝間に、前記歯溝に面し、回転方向に対して前面がすくい面となる前後面と、逃げ面となる頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）で構成された歯部が、長さ方向に沿って連続的に複数形成された形状に機械加工された炭化タングステン基超硬合金製歯切工具本体（以下、超硬歯切基体という）の表面に、窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層からなる硬質被覆層を０．９〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬歯切工具などが知られている。
特開平１０−１４６７２０号公報

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、上記の従来被覆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、歯切加工を高熱発生を伴う高速条件で行なった場合には、特に歯部に熱塑性変形が発生し、これが原因で摩耗は偏摩耗形態をとるようになり、この結果摩耗の進行が著しく促進することから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に高速歯切加工で歯部に熱塑性変形の発生のない被覆超硬歯切工具を開発すべく、上記の従来被覆超硬歯切工具に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記構造の被覆超硬歯切工具においては、歯部の頂面（歯先歯面）と両側面（左右歯面）からなる逃げ面に被削材が摺動当接し、一方同前後面のうちの前面のすくい面が切粉当接面となる状態で、前記逃げ面とすくい面の交わる切れ刃で歯切加工が行なわれ、この際歯部の逃げ面と被削材との間で多量の摩擦熱が発生するが、この発生した摩擦熱は一旦歯部内部に移動し、ここから主に歯部のすくい面を含む前後面から放熱されること。
（ｂ）上記（ａ）の歯切加工形態において、歯切加工が高速になればなるほど、歯部の逃げ面と被削材との間で発生する摩擦熱は一段と大きくなり、これによって歯部の温度がさらに上昇し、歯部に熱塑性変形が発生するようになること。
（ｃ）高速歯切加工で熱発生の著しい歯部逃げ面に、ＴｉＮ層からなる硬質被覆層の下地層として、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層、
を介在させると、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、熱伝導性の良好なＴｉＮ層に比してＡｌの固溶含有によって熱伝導性が低下し、むしろ良好な断熱性を有するようになることから、歯部の逃げ面と被削材との間で発生した摩擦熱の歯部内部への伝熱が前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層によって著しく抑制されること。
（ｄ）上記（ｃ）の歯部逃げ面に、ＴｉＮ層の下地層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を介在してなる被覆超硬歯切工具においては、上記の通り高速歯切加工中、歯部の逃げ面と被削材との間で発生した摩擦熱は前記下地層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層によって歯部内部への伝熱が抑制され、一方歯部内部の熱は熱伝導性の良好なＴｉＮ層だけが被覆された歯部のすくい面を含む前後面から放熱されるので、歯部内部の温度上昇が高い発熱を伴なう高速歯切加工にもかかわらず阻止され、この結果歯部の熱塑性変形がなくなるので、摩耗促進の原因となる偏摩耗が歯部に発生することがなくなり、正常摩耗形態をとるようになることから、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。
（ｅ）しかし、上記の（ｄ）において、断熱効果の高い（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層をＴｉＮ層の下地層として歯部の逃げ面およびすくい面を含む前後面のいずれにも形成すると、歯部の熱が内部に篭るようになり、この歯部内部熱は高速加工では経時的に高いものとなって前記歯部が摩耗促進の原因となる熱塑性変形を起こすようになること。
以上（ａ）〜（ｅ）に示される研究結果を得たのである。

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、回転軸に対して放射状に、かつ長さ方向に沿って複数の歯溝が形成され、それぞれの歯溝間に、前記歯溝に面し、回転方向に対して前面がすくい面となる前後面と、逃げ面となる頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）で構成された歯部が、長さ方向に沿って連続的に複数形成された形状を有する超硬歯切基体の表面に、ＴｉＮ層からなる硬質被覆層を０．９〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬歯切工具において、
上記歯部の逃げ面を構成する頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）に、上記硬質被覆層の下地層として、０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる断熱層を物理蒸着してなる、高速歯切加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬歯切工具に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆超硬歯切工具を構成する硬質被覆層および下地層について、組成および平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）硬質被覆層（ＴｉＮ層）の平均層厚
硬質被覆層を構成するＴｉＮ層の平均層厚が０．９μｍ未満では、所望の耐摩耗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０．９〜１５μｍと定めた。

（ｂ）下地層の組成および平均層厚
上記の通り下地層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、ＴｉＮのＴｉの一部をＡｌで置換含有したものからなり、Ａｌの含有によってすぐれた断熱性を具備するようになるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値が、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比で、以下同じ）で、０．４０未満では、高速歯切加工で発生した高熱の歯部内部への伝熱を阻止するのに十分な断熱性を確保することができず、一方その含有割合を示すＸ値が、同じく０．６５を越えて高くなると、高温強度が急激に低下し、この結果下地層自体に割れが発生し易くなり、この割れが上記硬質被覆層に伝播し、チッピング発生の原因となることから、そのＸ値を０．４０〜０．６５と定めた。
また、その平均層厚が０．１μｍ未満では、高速歯切加工での断熱効果が不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、下地層自体に割れが発生し易くなり、この割れが上記硬質被覆層に伝播し、チッピング発生の原因となることから、その平均層厚を０．１〜５μｍと定めた。

歯部の逃げ面だけに硬質被覆層であるＴｉＮ層の下地層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を介在させた本発明の被覆超硬歯切工具は、鋼製歯車の歯切加工を、高熱発生を伴う高速条件で行なった場合にも、前記下地層の作用で歯部内部の温度上昇が防止され、前記歯部が熱塑性変形することが阻止されることから、歯部は常に正常摩耗形態をとるようになり、この結果長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになるのである。

つぎに、この発明の被覆超硬歯切工具を実施例により具体的に説明する。
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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂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：８０ｍｍ×長さ：１２０ｍｍの全体寸法をもち、３条右捩れ×１７溝の形状をもった図１に示されるソリッドホブ型の超硬歯切基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

ついで、上記の超硬歯切基体Ａ〜Ｆ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（ａ）に概略平面図、同（ｂ）に概略正面図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回転軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって所定間隔をもって設置し、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下地層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、硬質被覆層形成用およびボンバード洗浄用として金属Ｔｉを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、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基体に−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、もって超硬歯切基体表面をＴｉボンバード洗浄し、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基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記金属Ｔｉの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、もって前記超硬歯切基体の全面、すなわち回転方向に対して前面がすくい面となる前後面と、逃げ面となる頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）からなる歯部を含む全面に、表２に示される目標組成および目標層厚の下地層としての（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を蒸着形成し、ついで、このように下地層としての（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を前記超硬歯切基体の全面に形成した状態で、上記装置から取り出し、図２に示される通り放射状に、かつ全長に亘って形成された歯溝を挟んで対面したすくい面である歯部前面および歯部後面に沿って、円盤状回転ダイヤモンド砥石を用いて研削を行なって前記前後面の下地層としての前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を除去した後、再び上記装置内に装入し、前記硬質被覆層形成用金属Ｔｉの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以外は、前記下地層である前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、逃げ面のみに下地層としての（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が形成された超硬歯切基体の全面に、同じく表２に示される目標層厚のＴｉＮ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆超硬歯切工具１〜６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記の超硬歯切基体Ａ〜Ｆのそれぞれを、同じくアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に同じ条件で装入し、カソード電極（蒸発源）として硬質被覆層形成用およびボンバード洗浄用の金属Ｔｉだけを装着するが、前記超硬歯切基体表面のＴｉボンバード洗浄は上記の本発明被覆超硬歯切工具１〜６の製造に際して適用した条件と同じ条件で行ない、上記下地層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の形成は行なわないが、同じく同一の条件で表３に示される目標層厚のＴｉＮ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬歯切工具１〜６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の本発明被覆超硬歯切工具１〜６および従来被覆超硬歯切工具１〜６を用いて、材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、モジュール：２．０、圧力角：２０度、歯数：２９、ねじれ角：２５度左捩れ、歯丈：４．７ｍｍ、歯幅：２０．０ｍｍ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）：５００ｍ／ｍｉｎ、
送り：１．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、
の高速歯切加工条件（通常の切削速度は３５０ｍ／ｍｉｎ．）で行い、逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍに至るまでの歯車加工数を測定した。この測定結果を表２，３にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆超硬歯切工具１〜６を構成する下地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、これらの本発明被覆超硬歯切工具１〜６の硬質被覆層および下地層、並びに従来被覆超硬歯切工具１〜６の硬質被覆層の厚さを、それぞれ走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５ヶ所測定の平均値）を示した。

なお、上記の本発明被覆超硬歯切工具においては、その使用寿命は歯部逃げ面の硬質被覆層であるＴｉＮ層の摩耗により決まるが、これの再生使用に際しては、前記逃げ面の下地層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は残したままで、使用後に残留した歯部すくい面あるいは歯部すくい面を含む前後面と、同逃げ面のＴｉＮ層だけを研削除去し、この状態で再生使用のための前記ＴｉＮ層の蒸着形成を行なえばよく、したがって繰り返しの再生使用も可能となる。

表２，３に示される結果から、歯部の逃げ面だけに硬質被覆層であるＴｉＮ層の下地層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を介在させた本発明被覆超硬歯切工具１〜６は、いずれも鋼製歯車の歯切加工を、高熱発生を伴う高速条件で行なった場合にも、前記下地層の作用で歯部内部の温度上昇が防止され、前記歯部が熱塑性変形することが阻止され、歯部は常に正常摩耗形態をとるようになり、この結果長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、すぐれた断熱性を発揮する前記下地層の形成がない従来被覆超硬歯切工具１〜６においては、高速歯切加工時に発生した高熱が歯部に伝達し、この結果歯部が熱塑性変形し、偏摩耗が発生することから、摩耗が急速に進行するようになり、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、この発明の被覆超硬歯切工具は、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、高熱発生を伴う高速条件で行なった場合にも、歯部の熱塑性変形性が阻止され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すものであるから、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。

被覆超硬歯切工具を製造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。

被覆超硬歯切工具の概略斜視図である。

Claims

回転軸に対して放射状に、かつ長さ方向に沿って複数の歯溝が形成され、それぞれの歯溝間に、前記歯溝に面し、回転方向に対して前面がすくい面となる前後面と、逃げ面となる頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）で構成された歯部が、長さ方向に沿って連続的に複数形成された形状を有する炭化タングステン基超硬合金製歯切工具本体の表面に、窒化チタン層からなる硬質被覆層を０．９〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製むく歯切工具において、
上記歯部の逃げ面を構成する頂面（歯先歯面）および両側面（左右歯面）に、上記硬質被覆層の下地層として、０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる断熱層を物理蒸着してなる、高速歯切加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製むく歯切工具。