JP2007061994A - 合金鋼の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗を発揮する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】合金鋼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(Cr,Al,B)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:[Cr1-(E+F)AlEBF]Nを満足する(Cr,Al,B)N層、上記薄層Bは、組成式:[Cr1-(M+N)AlMBN]Nを満足する(Cr,Al,B)N層、からなり、(c)上記下部層は、単一相構造を有し、組成式:[Cr1-(X+Y)AlXBY]Nを満足する(Cr,Al,B)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
【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(Cr,Al,B)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:[Cr1-(E+F)AlEBF]Nを満足する(Cr,Al,B)N層、上記薄層Bは、組成式:[Cr1-(M+N)AlMBN]Nを満足する(Cr,Al,B)N層、からなり、(c)上記下部層は、単一相構造を有し、組成式:[Cr1-(X+Y)AlXBY]Nを満足する(Cr,Al,B)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、硬質被覆層がすぐれた熱伝導性を有し、さらに高温硬さと高温強度に加えて、高温耐酸化性も具備し、したがって特に合金鋼などの高い発熱を伴う高速歯切加工に用いた場合にも、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(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:[Cr1-X AlX]N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70を示す)、あるいは、組成式:[Cr1−Y AlY][N1-α−β−γBαCβOγ](ただし、原子比で、0.45<Y<0.75、0≦α<0.12、0≦β<0.20、0.01≦γ≦0.25を示す)で表されるCr−Al系複合窒化物[以下、(Cr,Al)Nで示す]等が知られている。
そして、硬質被覆層を構成する前記(Cr,Al)N層が、構成成分であるAlによって高温硬さ、同Crによって高温強度、さらにCrとAlの共存含有によってすぐれた高温耐酸化性を具備することから、かかる硬質被覆層を形成してなる被覆ハイス歯切工具はすぐれた歯切性能を発揮することも知られている。
さらに、上記の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、例えば雰囲気を2Paの真空雰囲気として、ヒータで装置内を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Cr−Al系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て、例えば2Paの反応雰囲気とし、一方上記基体には、例えば−200V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(Cr,Al)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。
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、これを合金鋼等の高速歯切加工条件で用いた場合には、高い発熱を伴うことから硬質被覆層の摩耗進行が促進され、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、特に合金鋼の高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた熱伝導性、耐摩耗性を発揮する被覆ハイス歯切工具を開発すべく、上記従来の被覆ハイス歯切工具の硬質被覆層に着目し研究を行った結果、
(a)硬質被覆層を構成する(Cr,Al)N層の成分としてBを含有させ、CrとAlとBの複合窒化物層を形成した場合、あるいは、硬質被覆層を構成する(Cr,Al,B)N層の成分であるBの含有割合を多くすれば硬質被覆層の熱伝導性は向上するが、1〜10原子%程度のB含有割合では、合金鋼の高速歯切加工で要求される高い熱伝導性を確保することができないため、耐摩耗性が十分ではなく、これらの要求に満足に対応させるためには前記1〜10原子%をはるかに越えた20〜35原子%のB含有が必要となる。一方、20〜35原子%のB成分を含有した(Cr,Al,B)N層を硬質被覆層として実用に供するためには、所定量のCr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成分の含有割合はきわめて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:(Cr1-(E+F)AlEBF)N(ただし、原子比で、Eは0.01〜0.10、Fは0.20〜0.35を示す)を満足する、B含有割合が20〜35原子%の(Cr,Al,B)N層と、
組成式:(Cr1-(M+N)AlMBN)N(ただし、原子比で、Mは0.25〜0.40、Dは0.10〜0.20を示す)を満足する、相対的にAl成分の含有割合を多くした(Cr,Al,B)N層、
を、それぞれの層厚を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(Cr,Al,B)N層は、薄層の交互積層構造によって、上記の高B含有の(Cr,Al,B)N層(以下、薄層Aという)のもつすぐれた熱伝導性と、前記薄層Aに比して相対的にB含有割合が低く、かつ相対的にAl含有割合が高い(Cr,Al,B)N層(以下、薄層Bという)のもつ所定の相対的に高い高温硬さおよび耐熱性を具備するようになること。
組成式:(Cr1-(M+N)AlMBN)N(ただし、原子比で、Mは0.25〜0.40、Dは0.10〜0.20を示す)を満足する、相対的にAl成分の含有割合を多くした(Cr,Al,B)N層、
を、それぞれの層厚を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(Cr,Al,B)N層は、薄層の交互積層構造によって、上記の高B含有の(Cr,Al,B)N層(以下、薄層Aという)のもつすぐれた熱伝導性と、前記薄層Aに比して相対的にB含有割合が低く、かつ相対的にAl含有割合が高い(Cr,Al,B)N層(以下、薄層Bという)のもつ所定の相対的に高い高温硬さおよび耐熱性を具備するようになること。
(c)上記(b)の薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有する(Cr,Al,B)N層は、合金鋼の高速歯切加工で要求される高い熱伝導性を具備するものの、十分満足な高温硬さおよび耐熱性を有するものでないので、これを硬質被覆層の上部層として設け、一方下部層としては、熱伝導性が十分であるとはいえないものの、相対的にAl成分の含有割合が高く、すぐれた高温硬さ、耐熱性を具備する硬質被覆層である(Cr,Al,B)N層、すなわち、
組成式:(Cr1-(X+Y)AlXBY)N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70、Yは0.01〜0.10を示す)を満足する、単一相構造の(Cr,Al,B)N層、
を設けた構造にすると、この硬質被覆層は、一段とすぐれた熱伝導性に加えて、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、高熱発生を伴う合金鋼の高速歯切加工で要求される高い熱伝導性を具備し、しかも、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。
組成式:(Cr1-(X+Y)AlXBY)N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70、Yは0.01〜0.10を示す)を満足する、単一相構造の(Cr,Al,B)N層、
を設けた構造にすると、この硬質被覆層は、一段とすぐれた熱伝導性に加えて、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、高熱発生を伴う合金鋼の高速歯切加工で要求される高い熱伝導性を具備し、しかも、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(Cr,Al,B)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:(Cr1-(E+F)AlEBF)N(ただし、原子比で、Eは0.01〜0.10、Fは0.20〜0.35を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、
上記薄層Bは、
組成式:(Cr1-(M+N)AlMBN)N(ただし、原子比で、Mは0.25〜0.40、Dは0.10〜0.20を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:(Cr1-(X+Y)AlXBY)N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70、Yは0.01〜0.10を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、合金鋼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。
(a)いずれも(Cr,Al,B)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:(Cr1-(E+F)AlEBF)N(ただし、原子比で、Eは0.01〜0.10、Fは0.20〜0.35を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、
上記薄層Bは、
組成式:(Cr1-(M+N)AlMBN)N(ただし、原子比で、Mは0.25〜0.40、Dは0.10〜0.20を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:(Cr1-(X+Y)AlXBY)N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70、Yは0.01〜0.10を示す)を満足する(Cr,Al,B)N層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、合金鋼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において、これを構成す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)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(Cr,Al,B)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Cr成分には高温強度、さらに同B成分には熱伝導性を向上させる作用があり、下部層ではAl成分の含有割合を相対的に多くして、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X値がCrとB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Crの割合が多くなって、合金鋼の高速歯切加工で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されるようになり、一方Alの割合を示すX値が同0.70を越えると、相対的にCr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、X値を0.50〜0.70と定めた。
また、Bの割合を示すY値がCrとAlとの合量に占める割合で、0.01未満では、所定の熱伝導性を確保することができず、一方同Y値が0.10を超えると、高温硬さおよび耐熱性が急激に低下するようになることから、Y値を0.01〜0.10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、工具寿命短命化の原因となり、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。
(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(Cr,Al,B)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Cr成分には高温強度、さらに同B成分には熱伝導性を向上させる作用があり、下部層ではAl成分の含有割合を相対的に多くして、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X値がCrとB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Crの割合が多くなって、合金鋼の高速歯切加工で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されるようになり、一方Alの割合を示すX値が同0.70を越えると、相対的にCr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、X値を0.50〜0.70と定めた。
また、Bの割合を示すY値がCrとAlとの合量に占める割合で、0.01未満では、所定の熱伝導性を確保することができず、一方同Y値が0.10を超えると、高温硬さおよび耐熱性が急激に低下するようになることから、Y値を0.01〜0.10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、工具寿命短命化の原因となり、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
表面層の薄層Aの(Cr,Al,B)NにおけるB成分は、上記の通り相対的に含有割合を著しく高くして、熱伝導性を向上させ、もって高熱発生を伴う合金鋼の高速歯切加工に適応させる目的で含有するものであり、したがってF値が0.20未満では所望のすぐれた熱伝導性を確保することができず、一方F値が0.35を越えると、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り、チッピングが発生し易くなることから、F値を0.20〜0.35と定めた。
また、Alの割合を示すE値がCrとB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E値が0.10を超えると、高温強度に低下傾向が現れるようになり、チッピング発生の原因となることから、E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B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の有するすぐれた熱伝導性と、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M値が0.25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、これが摩耗促進の原因となり、一方同M値が0.40を越えると、高温強度が急激に低下するようになり、上部層にチッピングが発生し易くなることから、M値を0.25〜0.40と定めた。
また、Bの割合を示すN値がCrとAlとの合量に占める割合で、0.10未満では、上部層全体の熱伝導性低下が避けられず、一方同N値が0.20を超えると、上部層全体の高温強度が急激に低下することから、N値を0.10〜0.20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熱伝導性、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であれば熱伝導性の低下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、摩耗進行が促進され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熱伝導性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、工具寿命短命化の原因となり、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。
その層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた熱伝導性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、工具寿命短命化の原因となり、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(Cr,Al,B)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、すぐれた熱伝導性を具備せしめ、同単一相構造の下部層がすぐれた高温硬さと耐熱性を有することから、高熱発生による摩耗の進行が促進され易い合金鋼の高速歯切加工でも、硬質被覆層に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付与することができるものである。
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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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(Cr,Al,B)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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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Cr−Al−B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(Cr,Al,B)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を用いて、材質がJIS・SCM415の合金鋼にして、
モジュール:2.5、圧力角:20度、歯数:28、ねじれ角:25度右捩れ、歯幅:50mm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): 230 m/min、
送り: 2.0 mm/rev、
加工形態:クライム、シフトなし、ドライ(エアーブロー)、
の条件で高速歯切加工(上記JIS・SCM415の合金鋼歯車の加工の場合の切削速度は通常130m/min)を行い、
逃げ面摩耗幅が0.2mm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(Cr,Al,B)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(Cr,Al,B)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を用いて、材質がJIS・SCM415の合金鋼にして、
モジュール: 2.25、圧力角: 20度、歯数: 44、歯幅: 20mmの寸法および形状をもった歯車の加工を、
ストローク数: 900 ストローク/min、
円周送り: 0.5 mm/ストローク、
半径送り: 0.02 mm/ストローク、
の条件で高速歯切加工(上記JIS・SCM415の合金鋼歯車の加工の場合のストローク数は通常600ストローク/min)を行い、逃げ面摩耗幅が0.2mm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(Cr,Al,B)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(Cr,Al,B)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、(Cr,Al,B)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および耐熱性、さらに前記上部層がすぐれた熱伝導性を有し、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、合金鋼製歯車の歯切加工を、高い発熱を伴う高速歯切加工条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた熱伝導性、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(Cr,Al,B)N層からなる比較被覆ハイス歯切工具は、前記高速歯切加工条件では、熱伝導性不足、耐摩耗性不足が原因で、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、特に各種の合金鋼製歯車などの歯切加工を、高い発熱を伴う高速歯切加工条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた熱伝導性、耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた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。
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、特に各種の合金鋼製歯車などの歯切加工を、高い発熱を伴う高速歯切加工条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた熱伝導性、耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた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。
Claims (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CrとAlとB(ボロン)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:[Cr1-(E+F)AlEBF]N(ただし、原子比で、Eは0.01〜0.10、Fは0.20〜0.35を示す)を満足するCrとAlとBの複合窒化物層、上記薄層Bは、
組成式:[Cr1-(M+N)AlMBN]N(ただし、原子比で、Mは0.25〜0.40、Nは0.10〜0.20を示す)を満足するCrとAlとB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:[Cr1-(X+Y)AlXBY]N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.70、Yは0.01〜0.10を示す)を満足するCrとAlとB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合金鋼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。
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