(57)【要約】【課題】高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性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】炭化タングステン基超硬合金製歯切工具本体からなる基体の逃げ面およびすくい面に、０．９〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ  ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなる硬質被覆層を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、前記表面被覆超硬合金製むく歯切工具の逃げ面のみに、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：（ＡｌＹＴｉ１−Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．９５を示す）、を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層を物理蒸着する。【選択図】                なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金製歯切工具本体からなる基体の逃げ面およびすくい面に、０．９〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ  ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなる硬質被覆層を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、
上記表面被覆超硬合金製むく歯切工具の逃げ面のみに、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：（ＡｌＹＴｉ１−Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．９５を示す）、を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層を物理蒸着形成したこと、
を特徴とする高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮する表面被覆超硬合金製むく歯切工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を有し、したがって、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、硬質被覆層に摩耗促進の原因となる偏摩耗の発生なく、正常摩耗形態をとることから、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。
【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いるが、これら歯車の歯形の歯切加工に、図３に概略斜視図で例示される形状の被覆超硬歯切工具（ソリッドホブ）が用いられている。
【０００３】
また、被覆超硬歯切工具として、例えば図３に示される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を基体（以下、超硬歯切基体という）とし、この超硬歯切基体の逃げ面およびすくい面に、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬歯切工具が、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超硬歯切基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば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、一方上記超硬超硬歯切基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬歯切基体の表面に、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（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２８３１４２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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、特に硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱性不足が原因で、特に歯面を構成する逃げ面とすくい面の交わる切刃稜線部など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。
【０００７】
【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、特に高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮する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）上記超硬歯切基体表面に、同じく物理蒸着形成された、組成式：（ＡｌＹＴｉ１−Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．９５を示す）、を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成に比して、Ａｌ含有割合が高く、Ｔｉ含有割合の低い組成を有するので、前記Ａｌの作用で相対的に高い高温硬さと耐熱性を有するようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の相対的にＡｌ含有割合の高い（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を硬質被覆層として上記超硬歯切基体の逃げ面およびすくい面に蒸着形成した被覆超硬歯切工具は、上記の通り前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層がすぐれた高温硬さと耐熱性を有することから、高熱発生を伴なう高速歯切加工ですぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、正常摩耗形態をとるようになるが、反面Ｔｉの相対含有割合が低いために十分な高温強度を確保することができず、この結果切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、これが使用寿命短命化の原因となること。
【０００９】
（ｃ）上記の従来被覆超硬歯切工具、すなわち超硬歯切基体の逃げ面およびすくい面に、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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従来被覆超硬歯切工具において、
上記従来被覆超硬歯切工具の逃げ面のみに、上記硬質被覆層の下地層として、上記（ａ）および（ｂ）の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、すなわち組成式：（ＡｌＹＴｉ１−Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．９５を示す）、を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を０．１〜５μｍの平均層厚で物理蒸着形成すると、この結果の被覆超硬歯切工具においては、上記（ａ）および（ｂ）の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層による下地層効果によって、上記硬質被覆層の耐熱塑性変形性が著しく向上し、高熱発生を伴なう高速歯切加工でも、前記硬質被覆層の熱塑性変形が抑制され、偏摩耗の発生が防止されることから、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。
【００１０】
（ｄ）なお、この場合、上記硬質被覆層の下地層として、上記（ａ）および（ｂ）の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を逃げ面およびすくい面の全面に亘って蒸着形成すると、すくい面は切削中、切刃が被削材に食いつく際に強い機械的衝撃を受けるので、相対的に高温強度の高い上記硬質被覆層が上層として存在しても、高温硬さおよび耐熱性にすぐれるが、高温強度が不十分な下地層は前記の強い機械的衝撃に耐えられず、これに割れが発生し、このすくい面の下地層に発生した割れが上層の上記硬質被覆層に伝播して、チッピング発生の原因となること。
以上（ａ）〜（ｄ）に示される研究結果を得たのである。
【００１１】
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、超硬歯切基体の逃げ面およびすくい面に、０．９〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ  ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５を示す）、を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎからなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆超硬歯切工具において、
上記被覆超硬歯切工具の逃げ面のみに、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：（ＡｌＹＴｉ１−Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．９５を示す）、を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）層を物理蒸着形成してなる、高速歯切加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形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。
【００１２】
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）硬質被覆層の組成および平均層厚
硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層におけるＡｌは高温硬さおよび耐熱性、同Ｔｉは高温強度をそれぞれ向上させる作用をもつものであり、したがって切削性能上Ａｌ成分によって耐摩耗性、Ｔｉ成分によって耐チッピング性がそれぞれ向上するようになるが、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未満になると、相対的にＴｉの含有割合が高くなって高温強度は向上する反面、Ａｌの含有割合は相対的に低いものとなることから、所望の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、この結果偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなるばかりでなく、摩耗も促進するようになり、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、高温硬さおよび耐熱性が向上するようになる反面、高温強度が低下し、この結果切刃部にチッピングなどが発生し易くなることから、そのＸ値を０．４０〜０．６５と定めた。
また、その平均層厚が０．９μｍ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。
【００１３】
（ｂ）下地層の組成および平均層厚
上記の通り下地層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層では、Ａｌの含有割合を相対的に高くして、Ｔｉによる高温強度よりは高温硬さおよび耐熱性を著しく向上させ、もってこれ自身の切削時の耐熱塑性変形性を向上させ、これを逃げ面のみに蒸着形成することで、上記硬質被覆層にチッピングの発生なく、これの耐熱塑性変形性の向上を図るものであるが、Ａｌの含有割合を示すＹ値が、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比で、以下同じ）で、０．７０未満では、高熱発生の高速歯切加工で偏摩耗の原因となる熱塑性変形を抑制するのに十分な高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、一方その含有割合を示すＹ値が、同じく０．９５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Ｙ値を０．７０〜０．９５と定めた。
また、その平均層厚が０．１μｍ未満では、高速歯切加工で上記硬質被覆層の熱塑性変形を抑制するには不十分であり、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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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、Ｃｒ３  Ｃ２  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、４条右捩れ×２０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。
【００１５】
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Ａｌ−Ｔｉ合金、他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硬質被覆層形成用Ａｌ−Ｔｉ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、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ボンバート洗浄し、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、かつ前記下地層形成用Ａｌ−Ｔｉ合金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表面（逃げ面およびすくい面）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（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成し、ついで、このように下地層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を前記超硬歯切基体の逃げ面およびすくい面の全面に形成した状態で、上記装置から取り出し、図３に示される通り放射状に、かつ全長に亘って形成され、いずれのすくい面も面している歯溝に沿って、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すくい面の下地層としての前記（Ａｌ，Ｔｉ）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Ａｌ−Ｔｉ合金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（Ａｌ，Ｔｉ）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（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が形成された超硬歯切基体の表面（逃げ面およびすくい面）に、同じく表２に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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。
【００１６】
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、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもった硬質被覆層形成用Ａｌ−Ｔｉ合金およびボンバート洗浄用金属Ｔｉを装着し、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、超硬歯切基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、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ボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬歯切基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記硬質被覆層形成用Ａｌ−Ｔｉ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る条件にて、前記超硬歯切基体Ａ〜Ｆのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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。
【００１７】
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。
【００１８】
【表１】
2005001023.tif 000002
【００１９】
【表２】
2005001023.tif 000003
【００２０】
【表３】
2005001023.tif 000004
【００２１】
この結果得られた本発明被覆超硬歯切工具１〜６を構成する硬質被覆層および下地層の組成、並びに従来被覆超硬歯切工具１〜６の硬質被覆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。
【００２２】
なお、上記の本発明被覆超硬歯切工具においては、再生使用のための硬質被覆層の再形成に際しても、Ａｌの含有割合が高く、これによって相対的に高い電気抵抗をもつようになる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、例えば硬質被覆層の（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．５０）Ｎ層の電気抵抗が２×１０３μΩｃｍであるのに対して、逃げ面における下地層の（Ａｌ０．８０Ｔｉ０．２０）Ｎ層のそれは２×１０７μΩｃｍを示すようになる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層で構成された下地層の存在によって逃げ面における硬質被覆層の蒸着速度はすくい面に比してきわめて遅いものとなることから、摩耗の著しいすくい面のみの残留硬質被覆層の研削除去を行なったままの状態で、再生使用のための前記硬質被覆層の蒸着形成を行なっても前記逃げ面の硬質被覆層の層厚の増加はすくい面に比して著しく抑制されたものとなり、したがって、再生毎にすくい面の残留硬質被覆層の研削除去は行なうが、前記逃げ面の残留硬質被覆層の研削除去は行なわないで、再生使用のための前記硬質被覆層の繰り返し蒸着形成を行なっても、前記下地層のもつ高い電気抵抗の作用で逃げ面の硬質被覆層の層厚は常に適正値を保持するものである。
【００２３】
【発明の効果】
表２，３に示される結果から、逃げ面だけに相対的にＡｌの含有割合が高い（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下地層を形成してなる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硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すのに対して、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、前記硬質被覆層に偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し、前記偏摩耗の発生によって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、硬質被覆層がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の被覆超硬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。
【図２】従来被覆超硬歯切工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた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。
【図３】被覆超硬歯切工具の概略斜視図である。
【図１】
2005001023.tif 000005
【図２】
2005001023.tif 000006
【図３】
2005001023.tif 000007