JP2007015071A - 高反応性被削材の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高反応性被削材の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具を提供する。
【解決手段】表面被覆高速度工具鋼製歯切工具が、高速度工具鋼基体の表面に、（ａ）いずれも（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの平均層厚をそれぞれ有し、（ｂ）上記上部層は、いずれも一層平均層厚がそれぞれ５〜２０ｎｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、上記薄層Ａは、組成式：［Ｔｉ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ］Ｎを満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、上記薄層Ｂは、組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ］Ｎ（を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなり、（ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎを満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる。
【選択図】なし

Description

この発明は、高Ｓｉ含有Ａｌ合金やオーステナイトステンレス鋼などのきわめて反応性の高い被削材を、高い発熱を伴う高速歯切加工に用いた場合にも、硬質被覆層が前記高反応性被削材に対してきわめて低い反応性を示し、この結果すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具（以下、被覆ハイス歯切工具という）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、これら歯車の歯形の歯切加工には、ソリッドホブ（例えば図３の概略斜視図参照）やピニオンカッタ（例えば図４の概略斜視図参照）、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。

工具の耐摩耗性を改善するために、工具表面に硬質被覆層を設けることが通常行われているが、歯切工具についても、例えば図３、図４に示される形状に機械加工された高速度工具鋼で構成された歯切工具本体を基体とし、この基体の表面に耐摩耗性に優れた硬質被覆層を設けた被覆ハイス歯切工具が知られており、そして、硬質被覆層としては、例えば、組成式：［Ｔｉ_{1-（X＋Ｙ）} Ａｌ_X Ｔａ_Ｙ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．５０〜０．６５、Ｙは０．０１〜０．０９を示す）、
を満足するＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を２〜８μｍの平均層厚で蒸着形成することが知られており、さらに、上記硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層は、構成成分であるＡｌによって高温硬さおよび耐熱性、同Ｔｉによって高温強度が向上し、さらに同Ｔａによって被削材との間の反応抑止効果が生じることが知られている。

さらに、上記の硬質被覆層を備えた被覆ハイス歯切工具が、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に上記の基体（ハイス歯切工具本体）を装入し、ヒータで装置内を、例えば４００℃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−Ｔａ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、一方上記基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
特許第３３５１０５４号明細書

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記従来の被覆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、特に高Ｓｉ含有Ａｌ合金、オーステナイトステンレス鋼などのきわめて反応性の高い被削材を、高熱発生を伴なう高速歯切加工条件で行うのに用いた場合には、特に硬質被覆層と前記高反応性被削材との反応が、高熱発生に伴って促進されることと相俟って、急速に摩耗が進行するようになり、この結果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、特に上記高反応性被削材の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ハイス工具を開発すべく、上記従来の被覆ハイス工具の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層において、Ｔａ成分の含有割合を多くすればするほど高反応性被削材との反応性は低下するようになるが、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層における１〜９原子％程度のＴａ含有割合では、前記高反応性被削材との反応を、高熱発生を伴う高速歯切加工で満足に抑制することはできず、高速歯切加工で前記高反応性被削材との反応を十分に抑制するためには前記１〜９原子％をはるかに越えた５０〜７０原子％のＴａ含有が必要であり、一方５０〜７０原子％のＴａ成分を含有した（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層を硬質被覆層として実用に供するには、所定量のＴｉを含有させて所定の高温強度を確保する必要があるが、この場合Ａｌ成分の含有割合は著しく低い状態となるのが避けられず、この結果高温硬さおよび耐熱性のきわめて低いものとなること。

（ｂ）組成式：（Ｔｉ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足する、Ｔａ含有割合が５０〜７０原子％の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層と、
組成式：（Ｔｉ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足する、相対的にＡｌ成分の含有割合を多くし、一方所定量のＴｉ成分を含有させて高温強度を確保するためにＴａ成分の含有割合を相対的に低くした（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
を、それぞれの一層平均層厚を５〜２０ｎｍ（ナノメーター）の薄層とした状態で、交互積層すると、この結果の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層は、薄層の交互積層構造によって、上記の高Ｔａ含有の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層（以下、薄層Ａという）のもつすぐれた被削材反応抑制効果と、前記薄層Ａに比して相対的にＴａ含有割合を低く、かつＡｌ含有割合を高くした（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層（以下、薄層Ｂという）のもつ相対的に高い高温硬さおよび耐熱性とを具備するようになるので、硬質被覆層として実用に供することができるようになること。

（ｃ）上記（ｂ）の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層は、高反応性被削材の高速歯切加工で要求される、被削材反応抑制効果を有するものの、十分満足な高温硬さおよび耐熱性を有するものではないので、これを硬質被覆層の上部層として設け、一方同下部層として、被削材反応抑制効果は不十分であるが、相対的にＡｌ成分の含有割合が高く、すぐれた高温硬さと耐熱性を具備する上記の従来硬質被覆層に相当する組成を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、すなわち、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．５０〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足する、単一相構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
を設けた構造にすると、この結果の硬質被覆層は、すぐれた被削材反応抑制効果に加えて、高温硬さと耐熱性、さらに高温強度を備えたものとなるので、この硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆ハイス歯切工具は、上記の高反応性被削材の高熱発生を伴う高速歯切加工でも、前記高反応性被削材と硬質被覆層との反応摩耗が著しく抑制された状態で歯切加工が行われるので、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性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。

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、高速度工具鋼基体の表面に、
（ａ）いずれも（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの層厚をそれぞれ有し、
（ｂ）上記上部層は、いずれも５〜２０ｎｍ（ナノメ−タ−）の層厚を有する薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ］Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなり、
（ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．５０〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高反応性被削材の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ハイス歯切工具（表面被覆高速度工具鋼製歯切工具）に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ハイス歯切工具の硬質被覆層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）下部層の組成式および層厚
上記の通り、硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さおよび耐熱性を向上させ、一方同Ｔｉ成分には高温強度、さらに同Ｔａ成分には特に被削材との反応性を著しく低減させる作用があり、下部層ではＡｌ成分の含有割合を全体的に多くして、高い高温硬さおよび耐熱性を具備せしめるが、Ａｌの含有割合を示すＥ値がＴｉとＴａとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．５０未満では、相対的にＴｉの割合が多くなって、高速歯切加工に要求されるすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方Ａｌの割合を示すＥ値が同０．６５を越えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング（微少欠け）などが発生し易くなることから、Ｅ値を０．５０〜０．６５と定めた。
また、Ｔａの割合を示すＦ値がＴｉとＡｌとの合量に占める割合で、０．０１未満では、所定の被削材反応抑制効果を確保することができず、一方同Ｆ値が０．０９を超えると、高温強度が急激に低下するようになることから、Ｆ値を０．０１〜０．０９と定めた。
さらに、その層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が６μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を２〜６μｍと定めた。

（ｂ）上部層の薄層Ａの組成式
上部層の薄層Ａの（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＮにおけるＴａ成分は、上記の通りその含有割合をできるだけ高くして、被削材反応抑制効果を一段と向上させ、もって高熱発生を伴う高反応性被削材の高速歯切加工における反応摩耗の低減を図る目的で含有するものであり、したがってＢ値が０．５０未満では所望のすぐれた被削材反応抑制効果を確保することができず、一方Ｂ値が０．７０を越えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、層自体が具備すべき高温強度を確保することができなくなることから、Ｂ値を０．５０〜０．７０と定めた。
また、Ａｌの割合を示すＡ値がＴｉとＴａとの合量に占める割合で、０．０１未満では、最低限の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同Ａ値が０．１０を超えると、高温強度が低下するようになり、チッピング発生の原因となることから、Ａ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｃ）上部層の薄層Ｂの組成式
上部層の薄層Ｂにおいては、上記薄層Ａに比してＴａ成分の含有割合を相対的に低くし、かつＡｌ成分の含有割合を相対的に高く維持することで、前記薄層Ａに不足する高温硬さおよび耐熱性を具備せしめ、隣接する薄層Ａの高温硬さおよび耐熱性不足を補強し、もって、前記薄層Ａの有するすぐれた被削材反応抑制効果と、前記薄層Ｂの有する相対的に高い高温硬さおよび耐熱性を具備した上部層を形成するものであるが、組成式におけるＡｌの含有割合を示すＣ値が０．３０未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗進行が促進するようになり、一方同Ｃ値が０．４５を越えると、上部層全体の高温強度低下は避けられず、チッピング発生の原因となることから、Ｃ値を０．３０〜０．４５と定めた。
また、Ｔａの割合を示すＤ値がＴｉとＡｌとの合量に占める割合で、０．２０未満では、上部層全体の被削材反応抑制効果の低下が避けられず、一方同Ｄ値が０．３５を超えると、上部層全体の高温強度が急激に低下するようになることから、Ｄ値を０．２０〜０．３５と定めた。

（ｄ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの層厚
それぞれの層厚が５ｎｍ未満ではそれぞれの薄層を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果上部層に所望のすぐれた被削材反応抑制効果、さらに所定の高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、またそれぞれの層厚が２０ｎｍを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば高温硬さと耐熱性不足、薄層Ｂであれば被削材反応抑制効果不足が層内に局部的に現れ、これが原因でチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進するようになることから、それぞれの層厚を５〜２０ｎｍと定めた。

（ｅ）上部層の層厚
その層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた被削材反応抑制効果および所定の高温硬さと耐熱性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が１．５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を０．５〜１．５μｍと定めた。

この発明の被覆ハイス歯切工具は、硬質被覆層が（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなるが、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによって、所定の高温硬さと耐熱性を保持した状態で、すぐれた被削材反応抑制効果を具備せしめ、同単一相構造の下部層が相対的にすぐれた高温硬さと耐熱性を有することから、特に高Ｓｉ含有Ａｌ合金、オーステナイトステンレス鋼などのきわめて反応性の高い被削材の高い発熱を伴う高速歯切加工でも、前記硬質被覆層の反応摩耗が著しく抑制されるようになり、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆ハイス歯切工具を実施例により具体的に説明する。

材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５１および同ＳＫＨ５５の高速度工具鋼からなる直径：８０ｍｍ×長さ：１３０ｍｍの寸法をもった素材から、機械加工にて外径：７５ｍｍ×長さ：１１０ｍｍの全体寸法をもち、かつ３条右捩れ×１８溝の形状をもった図３に概略斜視図で示されるハイス歯切工具本体（ソリッドホブ）を製造した。

（ａ）ついで、上記の２種の材質のハイス歯切工具本体（ソリッドホブ）を基体とし、これらの基体のそれぞれを、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の中心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装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表１に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じくそれぞれ表１に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、また前記両Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金から９０度ずれた位置に前記回転テーブルに沿ってカソード電極（蒸発源）として下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金を装着し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃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歯切工具本体基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ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、もって歯切工具本体基体表面を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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歯切工具本体基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ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、もって前記ハイス歯切工具本体基体の表面に、表１に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａ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歯切工具本体基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記歯切工具本体基体の表面に所定層厚の薄層Ａを形成し、前記薄層Ａ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ｂを形成した後、アーク放電を停止し（この場合薄層Ｂの形成から開始してもよい）、再び前記薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成と、前記薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成を交互に繰り返し行い、もって前記ハイス歯切工具本体基体の表面に、層厚方向に沿って表１に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表１に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、本発明被覆ハイス歯切工具１〜６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記の２種類の材質のハイス歯切工具本体基体を、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に示される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、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ−Ｔａ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、前記歯切工具本体基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ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、もって歯切工具本体基体表面を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金でボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記歯切工具本体基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｔａ合金の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、もって前記ハイス歯切工具本体基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、被覆ハイス歯切工具１〜６（以下、比較被覆ハイス歯切工具１〜６と云う）をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の本発明被覆ハイス歯切工具１〜６および比較被覆ハイス歯切工具１〜６について、
（ａ）材質がＪＩＳ・ＡＣ９Ｂ（組成、質量％で、Ａｌ−１９％Ｓｉ−１％Ｃｕ−１％Ｍｇ−１％Ｎｉ）であり、

モジュール：１．５、 圧力角：１４．５度、 歯数：７０、 ねじれ角：３０度右捩れ、 歯幅：２２．５ｍｍ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）： ２６０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ３ ｍｍ／ｒｅｖ、
加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、
の条件（歯切条件Ａ）で高速歯切加工（上記材質ＪＩＳ・ＡＣ９Ｂの歯車の加工の場合の切削速度は通常 １７０ ｍ／ｍｉｎ）を行い、また、

（ｂ）材質がＪＩＳ・ＳＵＳ３０３であり、

モジュール：１．５、 圧力角：１４．５度、 歯数：７０、 ねじれ角：３０度右捩れ、 歯幅：２２．５ｍｍ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）： ２５０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ３ ｍｍ／ｒｅｖ、
加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、
の条件（歯切条件Ｂ）で高速歯切加工（上記材質ＪＩＳ・ＳＵＳ３０３の歯車の加工の場合の切削速度は通常 １５０ ｍ／ｍｉｎ）を行い、

上記（ａ）、（ｂ）の高速歯切加工において、逃げ面摩耗幅が ０．２ ｍｍに至るまでの歯車加工数を測定した。
この測定結果を表１，２それぞれに示した。

また、ハイス歯切工具本体として、同じく材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５１および同ＳＫＨ５５の高速度工具鋼からなる外径：１０５ｍｍ×厚さ：２２ｍｍの寸法をもった素材から、機械加工にてピッチ円直径：１００ｍｍ×厚さ：１８ｍｍの全体寸法をもち、かつカッタ歯数：５０の形状をもった図４に概略斜視図で示されるディスク型ピニオンカッタ（ＪＩＳ・Ｂ・４３５６記載の１００形）を製造した。

ついで、上記のハイス歯切工具本体（ピニオンカッタ）を基体とし、これらの基体の表面を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装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表１に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表１に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、本発明被覆ハイス歯切工具７〜１２をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記のハイス歯切工具本体（ピニオンカッタ）の基体の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図２に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、同じく表２に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、被覆歯切工具７〜１２（以下、比較被覆ハイス歯切工具７〜１２と云う）をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の本発明被覆ハイス歯切工具７〜１２および比較被覆ハイス歯切工具７〜１２について、
（ｃ）材質がＪＩＳ・ＡＤＣ１４（組成、質量％で、Ａｌ−１８％Ｓｉ−５％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ）であり、

モジュール： ２、 圧力角： ２０度、 歯数： １５、 歯幅： ２２．５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の加工を、

ストローク数： １２５０ ストローク／ｍｉｎ、
円周送り： ０．３ ｍｍ／ストローク、
半径送り： ０．０３ ｍｍ／ストローク、
の条件（歯切条件Ｃ）で高速歯切加工（上記材質ＪＩＳ・ＡＤＣ１４の歯車の加工の場合のストローク数は通常 ７５０ ストローク／ｍｉｎ）を行い、

（ｄ）材質がＪＩＳ・ＳＵＳ３１６であり、

モジュール： ２、 圧力角： ２０度、 歯数： １５、 歯幅： ２２．５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の加工を、

ストローク数： １２００ ストローク／ｍｉｎ、
円周送り： ０．３ ｍｍ／ストローク、
半径送り： ０．０３ ｍｍ／ストローク、
の条件（歯切条件Ｄ）で高速歯切加工（上記材質ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の歯車の加工の場合のストローク数は通常 ７００ ストローク／ｍｉｎ）を行い、

上記（ｃ）、（ｄ）の高速歯切加工において、逃げ面摩耗幅が ０．２ ｍｍに至るまでの歯車加工数を測定した。この測定結果を表１，２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆ハイス歯切工具１〜１２の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる硬質被覆層を構成する上部層の薄層Ａおよび薄層Ｂ、さらに同下部層の組成、並びに比較被覆ハイス歯切工具１〜１２の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を透過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値（５ヶ所の平均値）を示した。

表１，２に示される結果から、本発明被覆ハイス歯切工具は、いずれも硬質被覆層がそれぞれ組成の異なる、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる単一相構造の下部層と、層厚がそれぞれ５〜２０ｎｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する上部層で構成され、前記下部層がすぐれた高温硬さ、さらに前記上部層がすぐれた被削材反応抑制効果を有し、硬質被覆層はこれらのすぐれた特性を兼ね備えたものとなるので、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、オーステナイトステンレス鋼などのきわめて反応性の高い被削材の高い発熱を伴う高速歯切加工に用いた場合にも、前記硬質被覆層と高反応性被削材との間で反応摩耗が著しく抑制された状態で歯切加工が行われるので、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が単一相構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる比較被覆ハイス歯切工具は、前記高反応性被削材の高速歯切加工では、特に前記硬質被覆層と高反応性被削材との間の反応摩耗が著しく、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、この発明の表面被覆高速度工具鋼製歯切工具（本発明被覆ハイス歯切工具）は、通常の条件での歯切加工は勿論のこと、特に上記の高反応性被削材の高熱発生を伴なう高速歯切加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた歯切性能を示すものであるから、歯切加工装置の高性能化、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。

この発明の被覆ハイス歯切工具を構成する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。 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。 ソリッドホブの概略斜視図である。 ディスク型ピニオンカッタの概略斜視図である。

Claims (1)

1. 高速度工具鋼で構成された歯切工具本体の表面に、
   （ａ）いずれもＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物からなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの平均層厚をそれぞれ有し、
   （ｂ）上記上部層は、いずれも一層平均層厚がそれぞれ５〜２０ｎｍ（ナノメ−タ−）の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
   上記薄層Ａは、
   組成式：［Ｔｉ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ］Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物層、
   上記薄層Ｂは、
   組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物層、からなり、
   （ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、
   組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．５０〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足するＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物層、
   からなる硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする、高反応性被削材の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具。

Images