(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼基体の表面に、２〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着した硬質被覆層が、個々の平均層厚が０．００５〜０．２μｍの第１薄層と第２薄層の交互積層からなり、
上記第１薄層を、組成式：［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｎおよび同［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｃ1-mＮmで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０、ｍ：０．６〜０．９９を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物およびＴｉとＡｌの複合炭窒化物のうちのいずれか、または両方で構成し、
上記第２薄層を、組成式：［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｎおよび同［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｃ1-mＮmで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０、Ｙ：０．０１〜０．３５、ｍ：０．６〜０．９９を満足するＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物およびＴｉとＡｌとＴａの複合炭窒化物のうちのいずれか、または両方で構成したこと、
を特徴とする硬質被覆層がすぐれた切粉潤滑性を有する表面被覆高速度工具鋼製歯切工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が切粉に対してすぐれた潤滑性を発揮し、したがって特にきわめて粘性が高く、かつ切粉が切刃表面に溶着し易い低合金鋼や軟鋼などの難削材からなる歯車の高速歯切加工に用いた場合にも、切刃に欠けやチッピング（微小欠け）などの発生なく、すぐれた切削性能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ホブやピニオンカッタ、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、例えば特開平７−３１０１７３号公報に記載されるように、高速度工具鋼基体の表面に、組成式：［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｎおよび同［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｃ1-mＮmで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０、ｍ：０．６〜０．９９を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層およびＴｉとＡｌの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちのいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を２〜１５μｍ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１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２０ｍｔｏｒｒ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、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方高速度工具鋼からなる基体（以下、単に基体ともいう）には、例えばー２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記基体の表面に、上記の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】
近年の歯車加工装置のＦＡ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、歯切工具には１種類の歯切工具でできるだけ多くの材種の歯切加工ができる汎用性が求められると共に、歯切加工も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、これを炭素鋼や鋳鉄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、これをきわめて粘性の高い低合金鋼や軟鋼などの歯車の高速歯切加工に用いた場合には、これら歯車の切粉は、硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層や（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層に対する親和性が高いために、歯切工具の切刃表面に溶着し易く、この溶着現象は歯切加工が高速化すればするほど顕著に現れるようになり、この溶着現象が原因で切刃に欠けやチッピングが発生し、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。
【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、特に低合金鋼や軟鋼などの歯車の高速歯切加工に用いた場合にも、切刃表面に切粉の溶着し難い被覆歯切工具を開発すべく研究を行った結果、
（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層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層に、ＴｉとＡｌとの合量に占める割合で、かつ厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、０．０１〜０．３５の割合のＴａを固溶含有させると、この結果のＴｉとＡｌとＴａの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎで示す］層およびＴｉとＡｌとＴａの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮで示す］層で硬質被覆層を構成すると、この硬質被覆層は、Ｔａの作用で被削材、特に低合金鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材に対する親和性が著しく低くなって、高い切粉潤滑性をもつようになるため、切粉が切刃に溶着することが著しく抑制されるようになるが、反面前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層の具備していたすぐれた靭性が損なわれるようになること。
【０００６】
（ｂ）一方、上記従来被覆歯切工具の硬質被覆層の構成層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層と上記（ａ）の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層とを個々の層厚をきわめて薄くした状態、すなわち０．００５〜０．２μｍの平均層厚とした状態で、これら両層を交互積層させて硬質被覆層を構成すると、この硬質被覆層は前記両層による薄膜化交互積層構造によってそれぞれの層のもつ問題点、すなわち（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層（以下、第１薄層という）のもつ切粉に対する高い親和性および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層（以下、第２薄層という）のもつ低靭性が相互に消失し合い、前記第１薄層のもつすぐれた靭性と前記第２薄層のもつすぐれた切粉潤滑性を具備するようになることから、この結果の被覆歯切工具は、これを特に低合金鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材からなる歯車の高速歯切加工に用いても、切刃に欠けやチッピングの発生がなくなり、長期に亘ってすぐれた切削性能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、
高速度工具鋼基体の表面に、２〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着した硬質被覆層が、個々の平均層厚が０．００５〜０．２μｍの第１薄層と第２薄層の交互積層からなり、
上記第１薄層を、組成式：［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｎおよび同［Ｔｉ1-XＡｌX］Ｃ1-mＮmで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０、ｍ：０．６〜０．９９を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層のうちのいずれか、または両方で構成し、
上記第２薄層を、組成式：［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｎおよび同［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｃ1-mＮmで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０、Ｙ：０．０１〜０．３５、ｍ：０．６〜０．９９を満足する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層のうちのいずれか、または両方で構成してなる、
硬質被覆層がすぐれた切粉潤滑性を有する被覆歯切工具に特徴を有するものである。
【０００８】
なお、この発明の被覆歯切工具において、硬質被覆層の交互積層を構成する第１薄層および第２薄層の個々の平均層厚をそれぞれ０．００５〜０．２μｍとしたのは、いずれの薄層においても、その平均層厚が０．００５μｍ未満になると、それぞれの薄層のもつ特性、すなわち第１薄層によるすぐれた靭性、第２薄層によるすぐれた切粉潤滑性を硬質被覆層に十分満足に具備せしめることができず、一方その平均層厚がそれぞれ０．２μｍを越えると、それぞれの薄層のもつ問題点、すなわち第１薄層による切粉溶着性および第２薄層による靭性低下が硬質被覆層に現われるようになるという理由によるものであり、望ましくは０．００７〜０．１０μｍとするのがよい。
【０００９】
また、この発明の被覆歯切工具において、硬質被覆層の第１薄層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層、並びに同第２薄層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層におけるＡｌはＴｉＣＮに対して硬さを高め、もって耐摩耗性を向上させるために固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ1-XＡｌX）Ｎおよび同（Ｔｉ1-XＡｌX）Ｃ1-mＮm、並びに組成式：［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｎおよび同［Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌXＴａY］Ｃ1-mＮmのＸ値が原子比（以下同じ）で、０．３未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その値が０．７を越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなると云う理由によりＸ値を０．３〜０．７と定めた。望ましくはＸ値を０．３５〜０．６５とするのがよい。
【００１０】
また、上記の（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層におけるＣ成分には、硬さを向上させる作用があるので、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層は上記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層に比してそれぞれ相対的に高い硬さをもつが、この場合上記の組成式におけるＣ成分の割合が０．０１未満、すなわちｍ値が０．９９を越えると所定の硬さ向上効果が得られず、一方Ｃ成分の割合が０．４を越える、すなわちｍ値が０．６未満になると靭性が急激に低下するようになることから、ｍ値を０．６〜０．９９と定めた。望ましくはｍ値を０．８〜０．９とするのがよい。
【００１１】
さらに、上記の第２薄層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ）ＣＮ層は、上記の第１薄層の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層に比してＴａの作用ですぐれた切粉潤滑性をもつようになるが、上記の組成式でＹ値が０．０１未満ではＴａの固溶含有が不充分で所定の切粉潤滑性向上効果を硬質被覆層に具備せしめることができず、一方Ｙ値が０．３５を越えると、急激に靭性が低下し、この靭性低下は硬質被覆層全体に顕著に現れるようになることから、Ｙ値を０．０１〜０．３５と定めた。望ましくはＹ値を０．０７〜０．３０とするのがよい。
【００１２】
また、硬質被覆層の全体平均層厚を２〜１５μｍとしたのは、その層厚が２μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が１５μｍを越えると、切刃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３〜１０μｍとするのがよい。
【００１３】
【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。
高速度工具鋼基体として、材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５５からなり、ＪＩＳ・Ｂ４３５４に定める外形：６０ｍｍ×全長：６０ｍｍの寸法（モジュ―ル：２）をもった歯車用１条ホブと、同じく材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５５で構成され、ＪＩＳ・Ｂ４３５６に定める歯数：５０，ピッチ円直径：１００ｍｍ（モジュ―ル：２）のピニオンカッタを用意し、これら高速度工具鋼基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１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、種々の成分組成をもった第１薄層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金と第２薄層形成用Ｔｉ−Ａｌ―Ｔａ合金のうちから、それぞれ所定の成分組成の合金を所定の組み合わせで選び出し、これを回転円板上に回転軸を中心にしてそれぞれが対局した位置に装着し、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、この状態で形成する層厚に対応して前記回転軸を所定時間経過毎に断続的に回転し、一方基体には−８００ｖのバイアス電圧を印加して基体表面を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、または窒素ガスとメタンガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記基体に印加するバイアス電圧を−２００ｖに下げて、前記カソード電極(前記回転円板上の片方の合金)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第１薄層と第２薄層とを表２に示される組み合わせで、かつ同じく表２に示される交互積層数からなる硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆歯切工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１４】
また、比較の目的で、同じく上記のアークイオンプレーティング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金のうちの所定の１種を装着する以外は同一の条件で、上記基体の表面に表３に示される通りの目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および／または（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層で構成された硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆歯切工具１〜１２をそれぞれ製造した。
【００１５】
なお、この結果得られた本発明被覆歯切工具１〜１３および従来被覆歯切工具１〜１２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方向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。
【００１６】
つぎに、上記本発明被覆歯切工具１〜１３および従来被覆歯切工具１〜１２のうち、ホブについては、
切削速度（回転速度）：２００ｍ／ｍｉｎ（１０６２ｒｐｍ）、
送り：２．０ｍｍ／ｒｅｖ、
の高速切削条件で、外径：１００ｍｍ×長さ：２５ｍｍ×歯数：４８本の寸法をもち、かつ材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の低合金鋼からなる歯車の歯切加工を行ない、またピニオンカッタについては、
ストローク数：７５０ストローク／ｍｉｎ、
円周送り：４ｍｍ／ストローク、
半径送り：０．０１ｍｍ／ストローク、
の高速切削条件で、外径：６６ｍｍ×長さ：２５ｍｍ×歯数：３１の寸法をもち、かつ材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の低合金鋼からなる歯車の歯切加工を行ない、切刃の最大逃げ面摩耗が０．０２ｍｍ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。なお、表２、３の歯車加工数の欄の※印はウエット加工（切削油使用）の結果を示し、無印はドライ加工（エアーブロー）の結果を示す。
【００１７】
【表１】
0003543755.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003543755.tif 000003
【００１９】
【表３】
0003543755.tif 000004
【００２０】
【発明の効果】
表２、３に示される結果から、硬質被覆層が第１薄層と第２薄層の交互多重積層からなる本発明被覆歯切工具１〜１３は、いずれも低合金鋼の歯切加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記第２薄層による切粉潤滑性の著しい向上によって硬質被覆層に対する高温加熱の切粉の親和性がきわめて低くなり、切粉が前記硬質被覆層に溶着することがなく、切刃は常にすぐれた表面潤滑性を維持することから、切刃への切粉溶着が原因のチッピングが切刃に発生することがなく、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第１薄層と同じ組成の単一層からなる従来被覆歯切工具１〜１２においては、切粉が硬質被覆層に溶着し易く、これが原因で硬質被覆層が局部的に剥がし取られることから、切刃にチッピングが発生し、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、炭素鋼や鋳鉄などの歯車の通常の条件での歯切加工は勿論のこと、特に粘性が高く、切粉が切刃表面に溶着し易い低合金鋼や軟鋼などの歯車の高速歯切加工でも切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮し、汎用性のある切削性能を示すものであるから、歯車加工装置のＦＡ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】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１】
0003543755.tif 000005