(57)【要約】【課題】  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を構成する歯切工具本体の表面に蒸着形成される硬質被覆層を、組成式：（Ａｌ1-X ＴｉX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５５を示す）を満足し、かつ、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{１００}面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記１２〜２４度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１〜１５μｍの平均層厚を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、で構成する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼で構成された歯切工具本体の表面に、
組成式：（Ａｌ1-X ＴｉX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５５を示す）を満足し、
かつ、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{１００}面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記１２〜２４度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１〜１５μｍの平均層厚を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
で構成された硬質被覆層を形成してなる、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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（以下、被覆歯切工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、ソリッドホブ（例えば図６の概略斜視図参照）やピニオンカッタ（例えば図７の概略斜視図参照）、さらにシェービングカッタなどの被覆歯切工具が用いられている。
【０００３】
また、被覆歯切工具として、例えば図６や図７に示される形状に機械加工され、かつ、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、組成式：（Ａｌ1-ＸＴｉＸ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５５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の平均層厚で物理蒸着してなる被覆歯切工具が提案され、前記硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、Ａｌによる高温硬さと耐熱性、およびＴｉによる高温強度を有することから、かかる硬質被覆層を形成してなる被覆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。
【０００４】
さらに、上記の被覆歯切工具が、例えば図５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（歯切工具本体）を装着し、
装置内雰囲気：０．１Ｐａ以下の真空、
装置内加熱温度：３００〜５００℃、
基体に印加する直流バイアス電圧：−６００〜−１０００Ｖ、
カソード電極（金属チタンＴｉ）とアノード電極間のアーク放電電流：６０〜１００Ａ
処理時間：１〜１０分、
の条件で、基体の表面をＴｉボンバード洗浄処理した状態で、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（Ａｌ，Ｔｉ）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。
【特許文献１】特許第２７９３７７２号
【特許文献２】特許第３１６５６５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の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、被覆歯切工具にはより一段の長寿命化が求められる傾向にあるが、上記の従来被覆歯切工具においては、硬質被覆層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の摩耗進行が相対的に速く、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆歯切工具の硬質被覆層に着目し、これの一段の耐摩耗性向上をはかるべく研究を行った結果、
（ａ）図４に概略説明図で示されるアークイオンプレーティング装置を用い、カソード電極として、金属Ｔｉに代って金属タングステン（Ｗ）を設置し、
装置内雰囲気：０．１Ｐａ以下の真空、
装置内加熱温度：３００〜５００℃、
基体に印加する直流バイアス電圧：−６００〜−１０００Ｖ、
上記カソード電極(金属Ｗ)とアノード電極間のアーク放電電流：６０〜１００Ａ、
処理時間：１〜１０分、
の条件で、上記の従来の基体表面に対するＴｉボンバード洗浄処理に代って、基体表面をＷボンバード処理する基体表面改質処理を施した状態で、通常の条件で、硬質被覆層として上記の組成式：（Ａｌ1-X ＴｉX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５５を示す）を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を形成すると、この結果形成された（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１に概略説明図で示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{１００}面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、前記従来（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、図３に例示される通り、{１００}面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記（ａ）の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフは、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは基体表面をＷでボンバード処理する表面改質処理に際して、カソード電極である金属Ｗとアノード電極間のアーク放電電流を変化させることによりグラフ横軸の傾斜角区分に現れる位置が変ること。
【０００８】
（ｃ）多くの試験結果によれば、基体表面をＷボンバード処理する基体表面改質処理に際して、上記カソード電極とアノード電極間のアーク放電電流を上記の通り６０〜１００Ａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークが傾斜角区分の１２〜２４度の範囲内に現れると共に、前記１２〜２４度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになり、こような傾斜角度数分布グラフを示す（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してなる被覆歯切工具は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。
【０００９】
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、高速度工具鋼で構成された歯切工具本体からなる基体の表面に、
組成式：（Ａｌ1-X ＴｉX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５５を示す）を満足し、
かつ、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{１００}面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記１２〜２４度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１〜１５μｍの平均層厚を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、
で構成された硬質被覆層を形成してなる、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆歯切工具に特徴を有するものである。
【００１０】
なお、この発明の被覆歯切工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層において、Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、一方Ａｌ成分は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Ｔｉ成分の含有割合を示すＸ値がＡｌ成分との合量に占める割合（原子比）で０．３０未満になると、相対的にＡｌの割合が多くなり過ぎて、層自体の高温強度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り、一方Ｔｉの割合を示すＸ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温特性を確保することができなくなることから、Ｘ値を０．３０〜０．５５と定めたものであり、また、硬質被覆層の平均層厚が１μｍ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、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と定めたのである。
【００１１】
また、上記の通り、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、基体表面をＷボンバード処理する基体表面改質処理に際して、カソード電極とアノード電極間のアーク放電電流を変化させることによって変化するが、多くの試験の結果、前記アーク放電電流を６０〜１００Ａとした場合に、最高ピークが１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記１２〜２４度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフが得られるようになる、という結論に達したものであり、したがって、前記アーク放電電流が６０Ａ未満でも、１００Ａを越えても、測定傾斜角の最高ピーク位置は１２〜２４度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望のすぐれた耐摩耗性を発揮することができないものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の被覆歯切工具は、歯切加工に際して、硬質被覆層が一段とすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
歯切工具本体として、材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５５および同ＳＫＨ５１の高速度工具鋼からなる直径：８５ｍｍ×長さ：１２５ｍｍの寸法をもった素材から、機械加工にて外径：８０ｍｍ×長さ：１２０ｍｍの全体寸法をもち、かつ４条右捩れ×２０溝の形状をもった図６に概略斜視図で示されるソリッドホブを製造した。
また、別途、上記基体（ソリッドホブ）と同じ組成をもち、かついずれも平面：１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法をもった電界放出型走査電子顕微鏡による傾斜角度数分布グラフ作成用試験片を用意した。
【００１５】
ついで、上記の２種の材質の歯切工具本体（ソリッドホブ）を基体とし、これらの基体と上記試験片のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図４に示される通り、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合金および基体表面改質処理用金属Ｗを装着したアークイオンプレーティング装置に装着し、まず、
装置内雰囲気：０．１Ｐａ以下の真空、
装置内加熱温度：４００℃、
基体に印加する直流バイアス電圧：−８００Ｖ、
カソード電極(金属Ｗ)とアノード電極間のアーク放電電流：６０〜１００Ａの範囲内の所定の電流、
処理時間：５分、
の条件で、カソード電極の金属Ｗとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記基体および試験片の表面をＷボンバード処理する基体表面改質処理を行い、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、前記基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、前記カソード電極である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、もって前記基体および試験片の表面に、表１に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着することにより、本発明被覆歯切工具１〜６をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、カソード電極として、金属Ｗに代って、金属Ｔｉを装着した図５のアークイオンプレーティング装置を用い、
装置内雰囲気：０．１Ｐａ以下の真空、
装置内加熱温度：４００℃、
基体に印加する直流バイアス電圧：−８００Ｖ、
カソード電極(金属Ｔｉ)とアノード電極間のアーク放電電流：６０〜１００Ａの範囲内の所定の電流、
処理時間：５分、
の条件で、基体および試験片の表面を、上記のＷボンバード処理による基体表面改質処理に代って、Ｔｉボンバード洗浄処理する以外は同一の条件で（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着することにより、同じく表１に示される通りの従来被覆歯切工具１〜６をそれぞれ製造した。
【００１７】
つぎに、上記の本発明被覆歯切工具１〜６および従来被覆歯切工具１〜６を用いて、材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、モジュール：１．７５、圧力角：１７．５度、歯数：３３、ねじれ角：３６度左捩れ、歯丈：５．３６ｍｍ、歯幅：１５．５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の歯切加工を、
切削速度（回転速度）：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：３．０ｍｍ／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にそれぞれに示した。
【００１８】
【表１】
2005335043.tif 000002
【実施例２】
【００１９】
また、歯切工具本体として、同じく材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５５および同ＳＫＨ５１の高速度工具鋼からなる外径：１５０ｍｍ×厚さ：２５ｍｍ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：２２ｍｍの全体寸法をもち、かつカッタ歯数：４０の形状をもった図７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。
さらに、別途、上記基体（ピニオンカッタ）と同じ組成をもち、かついずれも平面：１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法をもった電界放出型走査電子顕微鏡による傾斜角度数分布グラフ作成用試験片を用意した。
【００２０】
ついで、上記の歯切工具本体（ピニオンカッタ）を基体とし、これらの基体および上記試験片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４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、基体表面改質処理を行い、かつ表１に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着することにより、本発明被覆歯切工具７〜１２をそれぞれ製造した。
【００２１】
また、比較の目的で、上記実施例１と同一の条件で、上記の基体および試験片の表面を、上記の基体表面改質処理に代って、Ｔｉボンバード洗浄する以外は同一の条件で（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着することにより、同じく表１に示される通りの従来被覆歯切工具７〜１２をそれぞれ製造した。
【００２２】
つぎに、上記の本発明被覆歯切工具７〜１２および従来被覆歯切工具７〜１２を用いて、材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、モジュール：２．５、圧力角：２０度、歯数：３６、歯幅：２５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の歯切加工を、
ストローク数：６００ストローク／ｍｉｎ、
円周送り：０．５ｍｍ／ストローク、
半径送り：０．０２ｍｍ／ストローク、
の条件で行い、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にそれぞれ示した。
【００２３】
この結果得られた本発明被覆歯切工具および従来被覆歯切工具の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００２４】
さらに、上記の本発明被覆歯切工具と従来被覆歯切工具の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{１００}面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
【００２５】
この結果得られた各種の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフにおいて、本発明被覆歯切工具の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、表１に示される通り、いずれも{１００}面の測定傾斜角の分布が１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、従来被覆歯切工具の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、同じく表１に示される通り、いずれも{１００}面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また表１には、上記の本発明被覆歯切工具および従来被覆歯切工具の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフにおいて、１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分に存在する傾斜角度数のグラフ全体の傾斜角度数に占める割合を示した。
なお、図２は、本発明被覆歯切工具１の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆歯切工具１の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。
【００２６】
表１に示される結果から、本発明被覆歯切工具は、いずれも硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の{１００}面が傾斜角度数分布グラフで１２〜２４度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示し、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆が、{１００}面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示す（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層で構成された従来被覆歯切工具においては、相対的に摩耗進行が速く、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００２７】
上述のように、この発明の被覆歯切工具は、一段とすぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた歯切性能を発揮するものであるから、切削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】
【００２８】
【図１】硬質被覆層を構成する各種（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層における結晶粒の結晶面である{１００}面の法線が表面研磨面の法線に対する傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】本発明被覆歯切工具１の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の{１００}面の傾斜角度数分布グラフである。
【図３】従来被覆歯切工具１の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の{１００}面の傾斜角度数分布グラフである。
【図４】本発明被覆歯切工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の形成に用いた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５】従来被覆歯切工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の形成に用いた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６】ソリッドホブの概略斜視図である。
【図７】ディスク型ピニオンカッタの概略斜視図である。
【図１】
2005335043.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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