JP4001845B2

JP4001845B2 - 表面被覆歯切工具用超硬合金基材、及び表面被覆歯切工具

Info

Publication number: JP4001845B2
Application number: JP2003169962A
Authority: JP
Inventors: 幸生青木
Original assignee: 三菱マテリアル神戸ツールズ株式会社
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: EP1640093A1; EP1640093B1; EP1640093A4; US20060134466A1; DE602004028823D1; US8859115B2; WO2004110689A1; JP2005001085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材表面に硬質被覆層が形成された表面被覆歯切工具に好適に使用される表面被覆歯切工具用超硬合金基材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、歯車の歯切加工に使用するホブ（歯切工具）の基材構成材料として、高速度鋼や超硬合金等が用いられており、現在では、これらの材料からなる基材表面に、硬質被覆層を形成したコーティングホブが用いられるようになっている。超硬合金基材を用いたホブでは、高速度鋼基材を用いたものに対して、切削時の冷却用の切削油が不要であり、環境性や生産効率の点で優れるという利点を有していることから、ホブ用の基材として適用できる超硬合金基材に関する種々の提案がなされている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭５９−５２９５１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２００２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１，２に記載の技術によれば、ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系超硬合金におけるβｔ固溶体の含有量制御により、耐チッピング性及び耐熱亀裂性を向上させることが可能である。
しかし、ホブによる歯車加工においても、生産効率の向上を目的として、ホブの切削速度の向上に対する要求が強まっており、先の特許文献１，２に記載の超硬合金にて作製したホブを３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件で用いると、高速回転に伴う微小振動ブレに起因するチッピングが発生しやすくなり、この結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが判明した。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高速切削条件においても、良好な耐チッピング性、耐熱亀裂性、並びに切り粉に対する耐溶着性を得られる表面被覆歯切工具用超硬合金基材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
先の特許文献１，２に記載の超硬合金は、各々の文献に記載されているように、２００〜３００ｍ／ｍｉｎ程度の切削速度を想定して開発されており、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削用途にて使用されることは想定されていない。そこで本発明者は、係る高速切削に耐える超硬合金基材を得るために、ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系合金における硬質相及び結合相の組成について研究を重ね、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明の表面被覆歯切工具用超硬合金基材は、上記課題を解決するために、ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系合金からなる基材の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆歯切工具の基材として使用される表面被覆歯切工具用超硬合金基材であって、当該基材の結合相を構成するＣｏの含有量が１２〜１７ｗｔ％とされ、該基材の硬質相を構成する前記βｔ固溶体のうち、ＷＣを除く成分の含有量が１５〜２０ｗｔ％とされるとともに、Ｔａ及びＮｂの炭窒化物の含有量の合計が、５〜８ｗｔ％とされており、前記βｔ固溶体のうちＷＣを除く成分中にＴｉ炭窒化物が６２．９６ｗｔ％以上含有されており、上記βｔ固溶体のＮｂ含有量Ｄ_Ｎｂと、Ｔａ含有量Ｄ_Ｔａとが、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）≧０．７なる関係式を満たすことを特徴とする。
上記構成によれば、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件においても、良好な耐チッピング性、耐熱亀裂性が得られ表面被覆歯切工具を実現できる超硬合金基材を提供することができる。
【０００８】
本発明の表面被覆歯切工具用超硬合金基材においては、上記βｔ固溶体のＮｂ含有量Ｄ_Ｎｂと、Ｔａ含有量Ｄ_Ｔａとが、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）≧０．７なる関係式を満たすことが好ましい。
この構成によれば、超硬合金基材の耐摩耗性を向上させることができ、特に高温での耐摩耗性に優れる歯切工具を実現できる超硬合金基材を提供することができる。
【０００９】
また本発明の表面被覆歯切工具用超硬合金基材は、室温での破壊靱性が、９．５〜１３ＭＰａ(ｍ)^１／２であることを特徴としている。係る範囲の破壊靱性を有する構成とすることで、高速切削条件における耐摩耗性、耐チッピング性に優れる歯切工具を実現できる超硬合金基材を提供することができる。
【００１０】
次に、本発明の表面被覆歯切工具は、記載に記載の本発明の表面被覆歯切工具用超硬合金基材を備えたことを特徴とする。この歯切工具によれば、本発明の超硬合金基材からなる基体を備えたことで、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速歯切加工条件においても、優れた耐チッピング性、耐熱亀裂性を奏し、高い生産効率にて長時間の歯切加工を行うことができる。また、本発明に係る超硬合金基材の優れた耐溶着性により、再刃立てによって刃部すくい面の硬質被覆層が除去された後にあっても、被削材の切り粉が溶着し難く、長時間に渡り良好な切削性能を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る超硬合金基材を使用して作製できるコーティングホブ（表面被覆歯切工具）の概略構成図である。同図ではホブ１０の図示右側で刃部１５の図示を省略している。図１に示すコーティングホブ１０は、ウォームに刃部１５を設けたフライスカッタであり、軸１７周りに回転させることにより歯車の加工を行うものである。このコーティングホブ１０を回転させると、ホブ１０の回転につれてねじ面１６上にある各刃部１５が、被削筒体２０に歯形を形成する面に順次現れ、この面状に直進するラックが投影される。このラックにかみ合うように被削筒体２０を回転させ、同時に歯形を形成する面を歯車の歯すじ方向に送ることで、被削筒体２０に歯形を形成することができる。
【００１２】
そして、上記コーティングホブ１０では、その基体が、本発明に係る超硬合金基材を用いて構成されている。すなわち、本実施形態のコーティングホブ１０を構成する基体は、ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系合金の結合相を構成するＣｏの含有量が１２〜１７ｗｔ％とされ、硬質相を構成する前記βｔ固溶体のうち、ＷＣを除く成分の含有量が１５〜２０ｗｔ％とされるとともに、Ｔａ及びＮｂの炭窒化物の含有量の合計が、５〜８ｗｔ％とされた超硬合金基材からなるものである。
また、上記構成の基体表面には、例えば（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｂ，Ｎ）等からなる硬質被覆層が、化学蒸着法や物理蒸着法等を用いて形成されており、コーティングホブ１０の耐摩耗性、耐酸化性を高める作用を奏する。
【００１３】
以下、本発明に係る表面被覆歯切工具用超硬合金基材を構成する各成分について説明する。
Ｃｏ：Ｃｏは、超硬合金基材における結合相を成すものである。Ｃｏ含有量が１２ｗｔ％未満の場合には、ホブに適用した際の耐チッピング性が低下するため好ましくない。また、１７ｗｔ％を超える含有量とすると、基材の硬度及び耐摩耗性が低下するため好ましくない。
【００１４】
βｔ固溶体：ＷＣ相とともに基材の硬質相を構成するβｔ固溶体は、ＷＣ−ＴｉＣ−（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃを主体とするＢ１構造の固溶体相を指し、ＴｉＮやＴａＮ等が固溶されてる場合もある。本発明では、このβｔ固溶体を構成する成分のうち、ＷＣを除く成分の含有量が、１５〜２０ｗｔ％とされている。係る成分の含有量が１５％未満の場合には、作製したコーティングホブによる切削を行う際に、刃部に対して被削材の切り粉が溶着しやすくなり、工具寿命が短くなる。また耐酸化性も低下するため好ましくない。一方、上記含有量が２０ｗｔ％を超える場合には、高速切削条件に耐え得る強度が得られず、十分な耐チッピング性が得られない。
【００１５】
上記溶着性については、図１に示す刃部１５の再刃立てを行った場合に、特に重要である。表面に硬質被覆層が形成されたコーティングホブでは、歯切加工の時間経過とともに、すくい面１５ａの先端部近傍や、逃げ面１５ｂのすくい面１５ａ側縁端部に摩耗が生じるため、すくい面１５ａ側から刃部１５の一部を除去する再刃立てを行うのが通常である。このような再刃立てを施された刃部１５では、すくい面１５ａの硬質被覆層が無くなっているため、超硬合金基材の耐溶着性が乏しい場合、切り粉の溶着、脱落の繰り返しにより刃部１５ａが損傷して切削性能が著しく低下する場合がある。本発明に係る超硬合金基材では、このような再刃立て後の切削性能も考慮して上記βｔ固溶体の成分構成を規定しているため、長時間に渡り良好な切削性能が得られるようになっている。
【００１６】
（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ：ＴａＣ及びＮｂＣは、上記βｔ固溶体を構成する成分であり、本発明ではこれらの含有量の合計が、５〜８ｗｔ％とされる。係る成分の含有量が５ｗｔ％未満の場合には、十分な耐溶着性及び耐酸化性が得られない。また、８ｗｔ％を超えると、本発明において前記βｔ固溶体中のＴｉＣ成分の量が相対的に少なくなるため、十分な耐摩耗性が得られない。さらに、ＴａＣ及びＮｂＣの含有量の合計は、５〜７ｗｔ％とすることがより好ましく、このような成分構成とすることで、高速切削条件における耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る超硬合金基材では、上記βｔ固溶体のＮｂ含有量Ｄ_Ｎｂと、Ｔａ含有量Ｄ_Ｔａとが、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）≧０．７なる関係式を満たすことが好ましい。Ｎｂ及びＴａの含有量を、上式を満たす範囲とするならば、さらに耐摩耗性を向上させることができ、コーティングホブ１０をさらに長寿命化することが可能である。
尚、本発明者は上記各成分の範囲が適切であり、係る範囲内に制御された超硬合金基材によれば、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件にあっても良好な耐チッピング性、耐熱亀裂性が得られることを検証しており、その詳細は後述の実施例に記載している。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明のコーティングホブ用超硬合金基材を、実施例により具体的に説明する。図２は、以下の実施例において、超硬合金基体表面への硬質皮膜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構成図である。
このアークイオンプレーティング装置１００は、成膜チャンバー１１０と、成膜チャンバー１７０の内部にて回転する回転テーブル１７０と、この回転テーブル１７０の外周部に沿って配置され、回転テーブル１７０上で超硬合金基体１０Ａを回転可能に支持する複数の基体保持部１６０…とを主体として構成され、成膜チャンバー１７０には、排気手段１２０と、加熱手段１３０と、ガス供給手段１９０とが接続されている。
成膜チャンバー１７０内部の対向する２壁面近傍に、カソード電極（蒸着源）１５０ａ、１５０ｂが配設されており、各々のカソード電極１５０ａ、１５０ｂに、電源１４０，１４０が接続され、カソード電極１５０ａ、１５０ｂ近傍のこれらと対向する位置に、それぞれアノード電極１４０ａ、１４０ｂが配置されている。また、回転テーブル１７０には、バイアス電源１８０が接続されており、各基板保持部１６０…を介して超硬合金基体１０Ａに対してバイアス電圧を印加できるようになっている。
【００１９】
本例では、出発原料の粉末の配合組成を種々に変更して複数種類の超硬合金基体を作製し、これらの超硬合金基体の表面に、図２に示したアークイオンプレーティング装置１００を用いて硬質被覆層を形成してコーティングホブを作製した。そして、各コーティングホブの切削性能の評価を行った。
【００２０】
（超硬合金基材及びホブの作製）
原料粉末として、平均粒径２〜４μｍの中粗粒ＷＣ粉末と、いずれも平均粒径１〜３μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＮ粉末、及びＣｏ粉末を用意し、これらの原料粉末を用いて、表１及び表２に示した配合組成と実質的に同一組成となるように配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合した。ここで、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末としては、質量比でＴｉＣ：ＷＣ＝３０：７０の組成の固溶体粉末を使用した。
その後、得られた混合粉末を減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中で、温度：１４００℃、保持時間：１時間、の条件で焼結し、直径８５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの超硬合金の丸棒素材を得た。そして、この丸棒素材から機械加工にて、外径８０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、４条右ねじれ、２２溝の形状を有するソリッドホブ形式の超硬合金基体を形成した。
【００２１】
尚、表１及び表２の各見出しにおいて、［ＷＣ］，［Ｃｏ］，［ＴｉＣ］，［ＴｉＮ］，［ＴａＣ］，［ＮｂＣ］の各項目は、原料配合時における各成分の含有量（ｗｔ％）を示している。
［βｔ］は、焼結して得られた超硬合金基体に含まれるβｔ固溶体を構成する成分のうち、ＷＣを除く成分の含有量（ｗｔ％）を示している。
［Ｎｂ−Ｔａ比］は、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）なる式（Ｄ_Ｎｂ，Ｄ_Ｔａは、それぞれ基体中のＮｂ，Ｔａの含有量（ｗｔ％）を示す。）で表されるパラメータである。
【００２２】
次に、これらの超硬合金基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥させた後、それぞれ図２に示したアークイオンプレーティング装置１００内の回転テーブル１７０上の外周部に沿って設けられた基体保持部１６０に対して装着した。次いで、装置１００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。その後、前記回転テーブル１７０上で自転しながら回転する超硬合金基体１０Ａに、バイアス電源１８０により−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、カソード電極１５０ａの金属Ｔｉとアノード電極１４０ａとの間にアーク放電を発生させて、超硬合金基体１０Ａの表面をＴｉボンバード洗浄した。
【００２３】
次に、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ともに、前記回転テーブル１７０上で自転しながら回転する超硬合金基体１０Ａに、−３００Ｖのバイアス電圧を印加しながら、ＴｉＡｌ金属からなるカソード電極１５０ｂとアノード電極１４０ｂとの間にアーク放電を発生させて、前記超硬合金基体１０Ａの表面に、層厚方向に沿って目標全体層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、図１に示した形状のコーティングホブをそれぞれ作製した。
【００２４】
（評価）
次に、上記にて作製した複数のホブを用いて、材質がＪＩＳＳＣｒ４２０Ｈ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：５．８６ｍｍ、歯幅：１５．５ｍｍの寸法及び形状を有する歯車の加工を、表３及び表４に示す各切削速度及び送りにて、加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、高速歯切加工条件で行い、逃げ面摩耗幅が０．１０ｍｍ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３及び表４に示した。
【００２５】
表３及び表４に示すように、本発明の要件を満たす範囲内に各成分が制御されている実施例１〜１２のコーティングホブでは、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件にて、９５０以上の加工数が得られており、高速切削条件においても良好な耐チッピング性、及び耐摩耗性が得られることが分かる。また、［Ｎｂ−Ｔａ比］が０．７以上である実施例１，２，４〜６，８，９，１１のコーティングホブでは、１２００〜１５００の加工数が得られており、係るパラメータを適切に制御することで、耐チッピング性、耐摩耗性を向上できることが分かる。このように使用寿命を延ばすことができるのは、Ｎｂ成分を相対的に多く含有させることで、高温における耐摩耗性が向上した結果であると考えられる。
【００２６】
これに対して、本発明の要件を満たさない比較例１〜１２の各コーティングホブでは、その加工数が３０〜７００であり、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件では、十分な耐チッピング性、耐摩耗性、並びに耐溶着性が得られないことが分かる。
より詳細には、基体中でＴａないしＮｂの炭窒化物を形成するＴａＣ及びＮｂＣの合計含有量は適切な範囲とされているが、βｔ固溶体のうちＷＣを除く成分の含有量［βｔ］が適切に制御されていないもの（比較例１〜３，５，１０，１２）では、加工を開始して短時間でチッピング、あるいは切り粉の溶着が発生して加工を継続できなくなっており、特に２０ｗｔ％を超える含有量のもの（比較例１，２，１０）では、使用寿命が際立って短くなっている。
逆に、βｔ固溶体のうちＷＣを除く成分の含有量［βｔ］は適切な範囲であるが、ＴａＣ及びＮｂＣの合計含有量が適切に制御されていないもの（比較例４，６〜９，１１）では、十分な耐溶着性ないし耐摩耗性が得られないために、７００以下の加工数となっている。
以上から、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件において、長寿命のコーティングホブを実現するためには、βｔ固溶体のうちＷＣを除く成分の含有量と、ＴａＣ及びＮｂＣの合計含有量との両方が適切に制御された超硬合金基材とすることが必要であるといえる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
【表３】

【００３０】
【表４】

【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の表面被覆歯切工具用超硬合金基材によれば、ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系超硬合金における結合相のＣｏ含有量が１２〜１７ｗｔ％とされ、かつ硬質相のβｔ固溶体のうち、ＷＣを除く成分の含有量が１５〜２０ｗｔ％とされるとともに、Ｔａ及びＮｂの炭窒化物の含有量の合計が、５〜８ｗｔ％とされていることで、歯切工具に適用した際に、３５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件においても良好な耐チッピング性、及び耐摩耗性を得ることができる。
特に、βｔ固溶体のＮｂ含有量Ｄ_Ｎｂと、Ｔａ含有量Ｄ_Ｔａとが、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）≧０．７なる関係式を満たす構成とすることで、耐摩耗性をさらに向上させることができ、より長寿命の歯切工具を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コーティングホブの概略構成図。
【図２】硬質被覆層を形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略構成図。
【符号の説明】
１０コーティングホブ（表面被覆歯切工具）、１０Ａ超硬合金基体、１５刃部、１５ａすくい面、１５ｂ逃げ面、２０被削歯車、１００アークイオンプレーティング装置

Claims

ＷＣ−βｔ−Ｃｏ系合金からなる基材の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆歯切工具の基材として使用される表面被覆歯切工具用超硬合金基材であって、
当該基材の結合相を構成するＣｏの含有量が１２〜１７ｗｔ％とされ、
該基材の硬質相を構成する前記βｔ固溶体のうち、ＷＣを除く成分の含有量が１５〜２０ｗｔ％とされるとともに、Ｔａ及びＮｂの炭窒化物の含有量の合計が、５〜８ｗｔ％とされており、前記βｔ固溶体のうちＷＣを除く成分中にＴｉ炭窒化物が６２．９６ｗｔ％以上含有されており、
上記βｔ固溶体のＮｂ含有量Ｄ_Ｎｂと、Ｔａ含有量Ｄ_Ｔａとが、Ｄ_Ｎｂ／（Ｄ_Ｎｂ＋Ｄ_Ｔａ）≧０．７なる関係式を満たすことを特徴とする表面被覆歯切工具用超硬合金基材。
室温での破壊靱性が、９．５〜１３ＭＰａ(ｍ)^１／２であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆歯切工具用超硬合金基材。
請求項１又は２に記載の表面被覆歯切工具用超硬合金基材を備えたことを特徴とする表面被覆歯切工具。