KR100869956B1 - 고속도 공구강제 기어 절삭공구 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기어절삭가공을 고속으로 행한 경우에도, 절삭날에 칩(chip) 및 치핑(chipping)의 발생이 없고, 우수한 기어절삭성능을 장기간에 걸쳐 발휘하는 고속도 공구강제 기어 절삭공구를 제공하기 위해 이루어진 것으로서, 예를들면, 고속도 공구강으로 구성되고, 또한 최종 기어 절삭공구의 형상에 대응한 형상으로 조가공(粗加工)된 공구소재에, 담금질처리를 행하여 공구소재의 조직을 마르텐사이트화 하는 공정, 담금질처리후의 공구소재에 템퍼링처리를 행하여, 담금질처리에 의해 형성된, 마르텐사이트화 된 조직의 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화 하는 공정, 및 템퍼링처리후의 공구소재를 최종형상으로 다듬질가공하는 공정을 포함하는 기어 절삭공구의 제조방법으로서, 담금질처리후의 공구소재에, -150℃ 이하의 온도로 냉각유지하는 서브제로처리를 행하여, 마르텐사이트화 된 소재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화를 도모함으로써, 템퍼링처리후의 상기 공구소재의 조직을, 마르텐사이트화 하고, 또한 오스테나이트가 존재하지 않는 조직으로 만드는 것을 특징으로 한다.

Description

고속도 공구강제 기어 절삭공구 및 그 제조방법{HIGH SPEED TOOL STEEL GEAR CUTTING TOOL AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
도 1은, 본 발명이 적용된 기어 절삭공구(솔리드호브)의 개략사시도이다.
도 2는, 아크이온도금장치의 개략설명도이다.
본 발명은, 기어절삭가공을 고속으로 행하는 경우에도, 절삭날에 칩(chip)과 치핑(chipping,미소(微小)칩)이 발생하지 않고, 우수한 기어절삭성능을 장기간에 걸쳐 발휘하는 고속도 공구강제 기어 절삭공구(이하, 간단하게 기어 절삭공구라 칭함) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래, 자동차 및 항공기, 또한 각종 구동장치 등의 구조부재로서 사용되는 각종 기어 치형의 기어 절삭가공에는, 예를들면 도 1에 도시한 바와 같은 호브(hob)[솔리드 호브(solid hob)], 피니언커터(pinion type cutter), 및 셰이빙커터(shaving cutter) 등의 기어 절삭공구가 이용되고 있다.
또한, 상기 기어 절삭공구가, 이하의 (a)∼(e)에 나타낸 공정에 의해 제조되는 것도 잘 알려져 있다.
(a) 고속도 공구강의 잉곳(ingot)을 1100℃∼1150℃의 온도에서 열간단조하여, 직경 50mm∼150mm의 봉재로 만든다.
(b) 상기 봉재를 완전 풀림(full annealing)한 후에, 소정의 길이로 절단하고, 밀링(milling)가공을 행하여, 최종 기어 절삭공구의 형상에 대응하는 형상의 공구소재로 조가공(粗加工)한다.
(c) 상기 공구소재를 질소분위기중에서, 1210℃∼1270℃의 온도로 가열유지후, 질소가압가스를 불어넣어 냉각함으로써, 공구소재에 담금질처리를 행하고, 공구소재의 조직을 마르텐사이트(martensite)화한다.
(d) 상기 담금질처리후의 공구소재를 질소분위기중에서 500℃∼550℃의 온도로 가열유지함으로써, 공구소재에 템퍼링(tempering)처리를 행하고, 상기 담금질처리로 형성된 마르텐사이트화 조직의 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화를 도모한다.
(e) 상기 템퍼링처리후의 공구소재를, 예를들면 숫돌연마 등에 의해 최종형상으로 다듬질가공한다.
또한, 상기 기어 절삭공구로서, 예를들면, 일본 특허 공개 평7-310173호 공보에 기재된 바와 같이, 고속도 공구강제 기체(基體) 표면에, 조성식:[Ti1-XAlX]N 및 조성식:[Ti1-XAlX]C1-mNm으로 표현된 경우, 두께방향 중앙부의 오제(Auger)분광분석장치를 이용한 측정에 의한 원자비가, X:0.30∼0.70, m:0.6∼0.99를 만족시키는 Ti(티타늄)과 Al(알루미늄)의 복합질화물[이하, (Ti, Al)N으로 표시]층 및 Ti와 Al의 복합탄질화물[이하, (Ti, Al)CN으로 표시]층 중 어느 하나, 또는, 양쪽으로 구성된 경질피복층을 2㎛∼15㎛의 평균층두께로 물리증착하여 이루어진 피복기어 절삭공구도 알려져있다.
이 피복기어 절삭공구는, 예를들면, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 물리증착장치의 한 종류인 아크이온도금장치를 이용하여 제조된다. 이 경우, 예를들면, 장치내를 20mtorr의 진공분위기로 만들고, 히터로 500℃의 온도로 가열한 상태에서, 소정의 조성을 가지는 Ti∼Al합금이 세팅(setting)된 음극(증발원)과 양극 사이에, 예를들면, 전압:35V, 전류:90A의 조건으로 아크방전을 발생시키고, 동시에, 장치내에 반응가스로서 질소가스, 또는 질소가스와 메탄가스를 도입시킴과 아울러, 고속도 공구강으로 이루어진 기체(이하, 간단하게 기체라 칭함)에, 예를들면, 200V의 바이어스전압을 인가함으로써, 기체의 표면에 상기 경화피복층이 물리증착된다.
그런데, 근래에서의 기어가공장치의 FA(Factory Automaton)화(공장자동화)는 눈부시게 발전했고, 기어절삭가공에 대한 노동절약화 및 에너지절약화, 그리고 저비용화의 요구도 강하다. 이에 따라, 기어 절삭공구는, 1종류의 기어 절삭공구로 가능한 한 다양한 기어절삭가공을 할 수 있는 범용성이 요구되어짐과 아울러, 기어절삭가공도 고속화의 경향이 있다.
그 결과, 상기 종래의 기어 절삭공구에 있어서, 통상의 조건으로의 기어절삭가공에 이용하는 경우에는 문제가 없지만, 고속기어절삭가공에 이용하면, 특히 절삭날의 절삭면(cutting face)과 측면(flank)이 교차하는 능선부에 치핑이 발생하기 쉬워지고, 비교적 단시간에 사용수명에 이르게 된다.
한편, 상기 종래의 피복기어 절삭공구의 경우, 탄소강 또는 주철 등에 대한 통상의 조건하에서의 기어절삭가공에 이용되는 경우에는 문제가 없지만, 극히 점성이 높은 저합금강이나 연강 등의 기어의 고속절삭가공에 이용되는 경우에는, 절삭에 의해 발생하는 절삭분(切削粉)과, 경질피복층을 구성하는 (Ti, Al)N층 또는 (Ti, Al)CN층의 친화성이 높기 때문에, 절삭분이 기어 절삭공구의 절삭날 표면에 용착되기 쉽다. 이러한 용착현상은, 기어절삭가공이 고속화될 수록 현저해지고, 이러한 용착현상이 원인으로, 절삭날에 칩 또는 치핑이 발생하고, 비교적 단시간에 사용수명에 이르게 된다.
본 발명은, 상기와 같은 관점에서, 고속기어절삭가공에 이용하는 경우에도, 절삭날의 능선부가 우수한 내치핑성을 발휘하는 기어 절삭공구를 제조하기 위해 연구를 행한 결과, 이하의 (1)∼(4)에 나타낸 연구결과를 얻었다.
(1) 상기 종래의 기어 절삭공구의 제조방법의 경우, 담금질처리후의 공구소재에 있어서의 마르텐사이트의 기재에, 20중량%∼30중량%(이하 간단하게 %라고 함)의 잔류 오스테나이트가 존재한다. 따라서, 이 상태에서 템퍼링처리를 행하여, 담금질처리에서 형성된 마르텐사이트화 조직의 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화를 도모해도, 1%∼5% 정도의 잔류 오스테나이트의 존재를 피할 수가 없다. 이 1%∼5% 정도의 잔류 오스테나이트는, 상대적으로 거칠고, 또한 그 형상이 불균일하기 때문에, 고속기어절삭가공시 치핑발생의 기점(起点)이 된다.
(2) 상기 담금질처리후의 공구소재에, -150℃ 이하의 온도로 냉각유지하는 서브제로처리를 행하면, 담금질처리에서 마르텐사이트화 된 기재에 20%∼30%의 비율로 분산분포되어 있는 잔류 오스테나이트가 5%이하로 저감되고, 또한 그 형상이 미세균일화된다.
(3) 상기 서브제로처리후의 공구소재에, 템퍼링처리를 행하면, 마르텐사이트화 된 기재중의 실질적인 잔류 오스테나이트가 존재하지 않는 상태, 또는 존재해도 그 비율이 0.5%이하로 되고, 그 형상이 극히 미립으로 된다.
(4) 상기 마르텐사이트화 된 기재에 실질적인 잔류 오스테나이트가 존재하지 않는 조직, 또는 잔류 오스테나이트가 존재해도, 그 비율이 0.5%이하에서, 그 형상이 극히 미립인 조직을 가지는 기어절삭공구는, 치핑의 기점이 조직상 존재하지 않기 때문에, 고속기어절삭가공을 행하여도, 절삭날의 능선부에 있어서의 치핑의 발생이 전무하게 되고, 우수한 절삭성능을 장기간에 걸쳐 발휘할 수 있다.
본 발명은, 상기 연구결과에 기초하여 이루어진 것으로서, 고속도 공구강으로 구성되고, 또한 최종 기어 절삭공구의 형상에 대응하는 형상으로 조가공된 공구소재에 담금질처리를 행하여 공구소재의 조직을 마르텐사이트화 하는 공정과, 담금질처리후의 공구소재에 템퍼링처리를 행하여, 담금질처리에 의해 형성된 마르텐사이트화 조직의 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화 하는 공정과, 템퍼링처리후의 공구소재를 최종형상으로 다듬질가공하는 공정을 포함하는 기어 절삭공구의 제조방법으로서, 상기 담금질처리후의 공구소재에 -150℃ 이하의 온도로 냉각유지하는 서브제로처리를 행하여, 마르텐사이트화 된 기재중에 분산분 포하는 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화를 도모함으로써, 템퍼링처리후의 공구소재 조직을, 고속기어절삭가공시에 치핑의 기점이 되는 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트화 된 기재중에 존재하지 않는 조직으로 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서브제로처리는, 액체질소를 이용하여, 상기 템퍼링처리후의 공구소재를 1℃/분∼10℃/분의 범위내인 소정의 냉각속도로 -150℃∼-200℃의 범위내인 소정의 온도로 냉각하고, 이 냉각온도에서 1시간∼5시간의 범위내로 소정시간 유지한 후, 1℃/분∼10℃/분의 범위내인 소정의 승온(昇溫)속도로 승온하는 조건에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서브제로처리에 있어서의 냉각속도, -150℃이하의 냉각온도, 상기 냉각온도에서의 유지시간, 및 승온속도는 모두 실험적으로 정한 것이다. 특히 냉각온도에 대해서는, 냉각온도가 -150℃보다 높으면, 잔류 오스테나이트의 목적하는 마르텐사이트화가 어려워진다.
한편, 본 발명자는, 특히 저합금강 또는 연강 등의 기어의 고속기어절삭가공에 이용하는 경우에도, 절삭날의 표면에 절삭분이 용착하기 어려운 피복기어 절삭공구를 개발하기 위해 연구를 행한 결과, 이하의 (5) 및 (6)에 나타낸 연구결과를 얻었다.
(5) 종래의 피복기어 절삭공구의 경질피복층을 구성하는 (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층에, Ti와 Al의 총량이 차지하는 비율이, 두께방향 중앙부를 오제분광분석장치를 이용하여 측정한 원자비가 0.01∼0.35의 비율로 되도록 Ta(탄탈)를 고용함유시키고, 그 결과 얻어지는 Ti와 Al과 Ta의 복합질화물[이하, (Ti, Al, Ta)N으로 표시]층 및 Ti와 Al과 Ta의 복합탄질화물[이하, (Ti, Al, Ta)CN으로 표시]층으로 경질피복층을 구성하면, 이 경질피복층중의 Ta의 작용에 의해, 피삭재(被削材), 특히, 저함급강이나 연강 등, 점성이 높은 난삭재(難削材)에 대한 친화성이 현저하게 저하되고, 높은 절삭분 윤활성을 가지게 되어, 그 결과, 절삭날에 대한 절삭분의 용착이 현저하게 억제된다. 반면, 상기 (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층이 가지고 있는, 높은 인성(靭性)이 손상된다.
(6) 한편, 종래의 피복기어 절삭공구의 경질피복층을 구성하는 (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층과, 상기 (5)에 나타낸 (Ti, Al, Ta)N층 및 (Ti, Al, Ta)CN층을, 각각의 층 두께를 매우 얇게한 상태, 즉, 평균 층두께를 0.005㎛∼0.2㎛로 한 상태로, 서로 적층시켜 경질피복층을 형성하면, 각각의 층의 문제점, 즉, (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층(이하, 제 1박층이라 칭함)에 있어서의 절삭분에 대한 높은 친화성과, (Ti, Al, Ta)N층 및 (Ti, Al, Ta)CN층(이하, 제 2박층이라 칭함)에 있어서의 낮은 인성이 서로 소실되고, 제 1박층이 가진 높은 인성과 제 2박층이 가진 높은 절삭분윤활성을 구비하게 된다. 그 결과, 이 경질피복층을 가진 피복기어 절삭공구는, 저합금강 또는 연강 등, 점성이 높은 난삭재로 이루어진 기어의 고속기어절삭가공에 이용해도, 절삭날의 표면에 절삭분이 용착하기 어렵게 되고, 장기에 걸쳐 우수한 절삭성능을 발휘할 수 있게 된다.
본 발명은, 상기의 연구결과에 기초하여 이루어진 것으로서,
고속도 공구강제의 기체 표면에, 2㎛∼15㎛의 전체 평균 층두께로 물리증착한 경질피복을, 평균 층두께가 각각 0.005㎛∼0.2㎛인 제 1박층과 제 2박층을 적층 함으로써 형성하고,
상기 제 1박층을,
조성식: [Ti1-XAlX]N 및
조성식: [Ti1-XAlX]C1-mNm
으로 표현한 경우, 두께방향 중앙부의 오제분광분석장치를 이용한 측정에 의한 원자비가, X:0.30∼0.70, m:0.6∼0.99를 만족시키는 (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층 중 어느 하나, 또는, 양쪽으로 구성하고, 상기 제 2박층을,
조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]N 및
조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]C1-mNm
으로 표현한 경우, 두께방향 중앙부의 오제분광분석장치를 이용한 측정에 의한 원자비가, X:0.30∼0.70, Y:0.01∼0.35, m:0.6∼0.99를 만족시키는 (Ti, Al, Ta)N층 및 (Ti, Al, Ta)CN층 중 어느 하나, 또는, 양쪽으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복기어 절삭공구이다.
이 피복기어 절삭공구에 있어서, 경질피복층을 구성하는 제 1박층 및 제 2박층의 평균 층두께를 각각 0.005㎛∼0.2㎛로 한 것은, 어느 박층에 있어서도, 그 평균 층두께가 0.005㎛ 미만이 되면, 각각의 박층이 가진 특성, 즉, 제 1박층이 가진 높은 인성과, 제 2박층이 가진 높은 절삭분윤활성을, 경질피복층에 충분하게 부여할 수 없고, 한편, 그 평균 층두께가 각각 0.2㎛를 넘으면, 각각의 박층이 가진 문제점, 즉, 제 1박층에 있어서의 절삭분 용착성 및 제 2박층에 있어서의 인성의 저하가, 경질피복층에 나타나기 때문이다. 또한, 제 1박층 및 제 2박층의 평균 층두께는, 바람직하게는, 각각 0.007㎛∼0.10㎛로 한다.
또한, 본 발명의 피복기어 절삭공구에 있어서, 경질피복층의 제 1박층을 구성하는 (Ti, Al)N층과 (Ti, Al)CN층, 및 제 2박층을 구성하는 (Ti, Al, Ta)N층과 (Ti, Al, Ta)CN층에 있어서의 Al은, TiCN에 대해 경도가 높고, 내마모성을 향상시키기 위해 첨가하는 것이다. 따라서,
조성식: (Ti1-XAlX)N과
조성식: (Ti1-XAlX)C1-mNm, 및
조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]N과
조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]C1-mNm
의 X값이, 원자비(이하 동일)에서 0.30미만으로는 목적하는 내마모성을 확보할 수 없다. 한편, 상기 값이 0.70을 넘으면, 절삭날에 칩 또는 치핑이 발생하기 쉬워진다. 그래서, 본 발명에서는, X값을 0.30∼0.70으로 정했다. 또한 이 X값은, 바람직하게는, 0.35∼0.65로 한다.
또한, 상기 (Ti, Al)CN층과 (Ti, Al, Ta)CN층에 있어서의 C성분에는, 경도를 향상시키는 작용이 있기 때문에, (Ti, Al)CN층과 (Ti, Al, Ta)CN층은, 상기 (Ti, Al)N층과 (Ti, Al, Ta)N층에 비해 각각 상대적으로 높은 경도를 가진다. 그러나, 상기 조성식에 있어서의 C성분의 비율이 0.01미만, 즉 m값이 0.99를 넘으면, 소정의 경도 향상 효과가 얻어지지 않고, 한편, C성분의 비율이 0.4를 넘으면, 즉, m값이 0.6미만이 되면, 인성이 급격하게 저하한다. 그래서, 본 발명에서는, m값을 0.6∼0.99로 정했다. 또한 이 m값은, 바람직하게는, 0.8∼0.9로 한다.
또한, 제 2박층을 구성하는 (Ti, Al, Ta)N층과 (Ti, Al, Ta)CN층은, Ta의 작용에 의해, 제 1박층의 (Ti, Al)N층과 (Ti, Al)CN층에 대해 우수한 절삭분윤활성을 가진다. 그러나, 상기 조성식에 있어서의 Y값이 0.01미만이 되면, Ta의 함유량이 불충분하게 되고, 소정의 절삭분윤활성 향상 효과를 경질피복층에 가져올 수 없다. 한편, Y값이 0.35를 넘으면, 경질피복층 전체에 있어서, 급격하게 인성이 저하한다. 그래서, 본 발명에서는, Y값을 0.01∼0.35로 정했다. 또한, 이 Y값은, 바람직하게는, 0.07∼0.30으로 한다.
또한, 경질피복층의 전체 평균 층두께를 2㎛∼15㎛로 한 것은, 층두께 2㎛로는 목적하는 우수한 내마모성을 확보할 수 없고, 한편, 층두께가 15㎛를 넘으면, 절삭날에 칩 또는 치핑이 발생하기 쉬워진다는 이유에 의한 것이다. 또한, 이 층두께는, 바람직하게는, 3㎛∼10㎛로 한다.
[제 1 실시예]
본 발명의 기어 절삭공구를, 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.
모두 300mm의 외경을 가진, 일본공업규격 JIS·SKH55, JIS·SKH56, 및 JIS·SKH57에 정해진 3종류의 고속도 공구강 잉곳을 준비하고, 각각의 잉곳을 1130℃의 온도로 가열시킨 상태에서, 각각의 잉곳에 열간단조를 행하여, 직경 150mm의 봉재로 만든다. 이어서, 이들 봉재를, 880℃로 30분간 유지시켜 완전담금질한 후, 각각 길이 100mm로 절단하고, 밀링가공을 행하여, 모두 도 1에 도시된 최종형상에 대응한 형상의 공구소재로 조가공한다. 또한, 이들 공구소재를, 질소분위기중에서, 1250℃에서 20분간 가열유지시킨 후, 질소가압가스를 불어넣는 비율을 조정함으로써 냉각속도를 40℃/분으로 유지하면서 냉각하여, 담금질처리를 행함으로써, 공구소재의 조직을 마르텐사이트화 한다. 또한, 담금질처리 후 공구소재에 있어서의 마르텐사이트화 된 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 비율을 X선회절장치를 이용하여 측정한다.
이어서, 담금질처리 후의 공구소재에, 액체질소를 가스상태로 불어넣고, 이 불어넣는 비율을 조정함으로써, 공구소재를 각각 표 1에 도시된 소정의 냉각속도로, 마찬가지로 표 1에 도시된 소정의 냉각온도까지 냉각하고, 이 냉각온도에서 1시간 유지한다. 또한, 히터에 의한 가열조건을 조정함으로써, 이들 공구소재에, 마찬가지로 표 1에 도시된 소정의 승온속도로, 승온의 서브제로처리를 행한 후, 공구소재에 있어서의 마르텐사이트화 된 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 비율을 X선회절장치를 이용하여 측정한다.
이어서, 서브제로처리 후의 공구소재를, 550℃에서 1.5시간 유지시켜 공구소재에 템퍼링처리를 행한 후, 공구소재에 있어서의 마르텐사이트화 된 기재중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 비율을 X선회절장치를 이용하여 측정한다. 마지막으로, 템퍼링처리 후의 공구소재를 각각 숫돌연마함으로써, 외경 80mm, 길이 120mm의 전체 치수를 가지고, 표면에 오른쪽으로 비틀린 3조×20개의 홈을 가진, 도 1에 도시된 형상의 기어 절삭공구를, 표 1의 「본 발명의 방법 1∼9」에 해당하는 제조방법으로 각각 제조한다.
또한, 비교의 목적으로, 도 1에 도시된 형상의 기어 절삭공구를, 표 1의 「종래 방법 1∼3」에 해당하는 제조방법(상기 서브제로처리를 행하지 않는 것 외에는 본 발명의 방법과 동일한 제조방법)으로 각각 제조한다.
상기 본 발명의 방법 1∼9 및 종래방법 1∼3으로 제조한 기어 절삭공구를 이용하여, 재질이 JIS·SCr420H인 저합금강에 대해, 모듈:1.75, 압력각:17.5도, 잇수:33개, 비틀림각:36도 왼쪽비틈, 이의 높이: 5.86mm, 잇폭:15.5mm의 치수 및 형상을 가진 기어의 가공을, 절삭속도(회전속도):150m/min, 이송률:2mm/rev, 가공형태:하향절삭(climb cutting), 시프트(shift)없음, 건식(송풍;air blow),
의 고속기어절삭가공조건으로 행하고, 측면의 마모폭이 0.10mm(사용수명)에 이를 때까지 기어가공수를 측정하여, 측정결과를 표 1에 나타내었다.
또한, 표 1에는 상기 담금질 처리 후, 서브제로처리 후, 및 템퍼링처리 후에 있어서의 마르텐사이트화된 기재중에 있어서의 잔류 오스테나이트의 측정결과도 나타내었다.
또한, 표 1에 나타낸 결과로부터, 본 발명의 방법 1∼9에 의해 제조된 기어 절삭공구에서는, 모두 마르텐사이트화 된 기재중에 잔류 오스테나이트가 존재하지 않고, 또 존재해도 그 비율이 0.5%이하에 불과한 것을 알 수 있다. 또한, 표 1에는 나타나있지 않지만, 본 발명의 방법 1∼9에 의해 제조된 기어 절삭공구에서는, 잔류 오스테나이트의 형상도 극히 미립이고 또한 입자 직경도 균일하다. 그 결과, 본 발명의 방법 1∼9에 의해 제조된 기어 절삭공구에서는, 특히 절삭날의 능선부에 있어서의 치핑의 발생이 없고, 우수한 내마모성을 장기간에 걸쳐 발휘한다.
이에 대해, 종래방법 1∼3에 의해 제조된 기어 절삭공구에서는, 마르텐사이트화 된 기재중에 있어서의 잔류 오스테나이트의 비율이 상대적으로 많고, 그 입자 직경이 거칠고, 또한 불균일하며, 이것이 고속기어절삭가공시 치핑의 기점이 되기 때문에, 절삭날 능선부에 있어서의 치핑의 발생을 피할 수 없고, 그 결과, 비교적 단시간에 사용수명에 이르게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 기어 절삭공구의 제조방법에 의하면, 저합금강 등으로 이루어진 기어를 통상의 조건에서 기어절삭가공하는 경우는 물론이고, 고경도강 등으로 이루어진 기어를 고속기어절삭가공하는 경우에 있어서도, 우수한 내치핑성을 발휘하고, 내마모성을 장기간에 걸쳐 발휘하는 기어 절삭공구가 제조가능하다. 따라서, 본 발명의 기어 절삭공구의 제조방법은, 기어절삭가공의 고속화, 노동절약화 및 에너지절약화, 그리고 저비용화에 기여한다.
[제 2 실시예]
다음으로, 본 발명의 피복기어 절삭공구를, 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.
고속도 공구강으로 이루어진 기체로서, 재질이 JIS·SKH55로 이루어지고, JIS·B4354로 정한 외경 60mm, 전장 60mm의 치수(모듈수:2)를 가진 기어용 1조 호브와, 동일한 재질이 JIS·SKH55로 구성된, JIS·B4356으로 정한 잇수 50개, 피치원직경 100mm (모듈수:2)의 피니언커터를 준비하고, 이들 기체를, 아세톤중에서 초음파 세정(洗淨)후, 건조한 상태로, 각각 도 2에 예시된 통상의 아크이온도금장치내에 설치한다. 한편, 음극(증발원)으로서, 표 2에 나타낸 다양한 성분조성을 가진 제 1박층 형성용 Ti-Al합금과 제 2박층 형성용 Ti-Al-Ta합금중에서, 각각 소정의 성분조성의 합금을 소정의 조합으로 골라내어, 이것들을 회전원판상에 회전축을 중심으로 하여 각각 대향하는 위치에 장착한다. 그리고, 장치내를 배기하여 0.5Pa의 진공으로 유지하면서, 히터로 장치내를 500℃로 가열한 후, Ar가스를 장치내에 도입하여 10Pa의 Ar분위기로 만들고, 이 상태에서 회전축을 형성하는 층두께에 대응하는 소정시간 경과시 마다 단속적으로 회전시킨다. 한편, 기체에는 -800v의 바이어스전압을 인가하고, 기체표면을 Ar가스로 충격(bombardment)세정한다. 이어서, 장치내에 반응가스로서 질소가스, 또는 질소가스와 메탄가스를 도입하여 6Pa의 반응분위기로 만들고, 기체에 인가하는 바이어스전압을 -200v로 낮춰서, 상기 음극(상기 회전원판상의 한쪽 합금)과 양극 사이에 아크방전을 발생시킨다. 그리고, 상기 조작에 기초하여, 기체의 표면에 표 2에 나타낸 목표 조성 및 목표 두께를 가지는 제 1박층과 제 2박층을 표 3에 나타낸 조합으로 만들어, 마찬가지로 표 3에 나타낸 적층수만큼 서로 증착, 적층하고, 경질피복층을 형성함으로써, 표 3의 「본 발명의 피복절삭공구 1∼13」에 해당하는 피복기어 절삭공구를 각각 제조한다.
또한, 비교의 목적으로, 상기 아크이온도금장치에서 음극(증발원)으로서, 다양한 성분조성을 가진 Ti-Al합금중 소정의 1종류를 장착하는 것 외에는 동일한 조건으로, 상기 기체의 표면에 표 4에 나타낸대로의 목표 조성 및 목표 층두께의 (Ti, Al)N층 및/또는 (Ti, Al)CN층으로 구성된 경질피복층을 형성함으로써, 표 4의 「종래의 피복절삭공구 1∼12」에 해당하는 기어 절삭공구를 각각 제조한다.
또한, 상기 본 발명의 피복기어 절삭공구 1∼13 및 종래의 피복절삭공구 1∼12를 구성하는 각각의 경질피복층에 대해, 이 구성층 각각의 두께방향 중앙부의 조성을 오제분광분석장치를 이용하여 측정하고, 또한 그 층두께를 주사형전자현미 경을 이용하여 측정한 바, 어느 경우도 목표 조성 및 목표 층두께와 실질적으로 동일한 조성 및 층두께를 나타내었다.
이어서, 상기 본 발명의 피복기어 절삭공구 1∼13 및 종래의 피복기어 절삭공구 1∼12 중, 호브에 대해서는,
절삭속도(회전속도): 200m/min(1062rpm), 및
이송률: 2.0mm/rev
의 고속절삭 조건으로, 외경 100mm, 길이 25mm, 잇수 48개의 치수를 가지고, 또한 재질이 JIS·SCr420인 저합금강으로 이루어진 기어의 기어절삭을 행한다.
또한, 피니언커터에 대해서는,
스트로크수: 750스트로크/min,
원주이송률: 4mm/스트로크, 및
반경이송률: 0.01mm/스트로크
의 고속절삭조건으로, 외경 66mm, 길이 25mm, 잇수 31개의 치수를 가지고, 또한 재질이 JIS·SCr420인 저합금강으로 이루어진 기어의 기어절삭가공을 행한다.
그리고, 각각의 기어절삭가공에 있어서, 절삭날의 최대 측면마모가 0.02mm(사용수명)에 이를 때까지의 기어가공수를 측정한다. 이 측정결과는 각각 표 3 및 표 4에 나타내었다. 또한, 표 3 및 표 4의 기어가공수란에 대한 ※표시는 습식(wet)가공 (절삭유사용)의 결과를 나타내고, 무표시는 건식(dry)가공 (송풍)의 결과를 나타낸다.
표 3 및 표 4에 나타낸 결과로부터, 경질피복층이 제 1박층과 제 2박층의 교번다중적층으로 이루어진 본 발명의 피복기어 절삭공구 1∼13에서는, 저합금강의 기어절삭가공을 높은 발열을 수반하는 고속으로 행하여도, 제 2박층에 의한 절삭분윤활성의 현저한 향상에 의해, 경질피복층과 고온으로 가열된 절삭분의 친화성이 극히 낮아지고, 그 결과, 경질피복층으로의 절삭분의 용착이 방지되고, 절삭날의 표면윤활성이 유지된다. 따라서, 절삭날로의 절삭분의 용착에 기인하는 절삭날의 치핑이 발생하지 않고, 우수한 내마모성을 발휘한다.
이에 대해, 실질적으로 경질피복층이 상기 제 1박층과 동일한 조성인 단일층으로 이루어진 종래의 피복기어 절삭공구 1∼12에서는, 절삭분이 경질피복층에 용착되기 쉽고, 이것이 원인으로 경질피복층이 국부적으로 벗겨진다. 그 결과, 절삭날에 치핑이 발생하고, 비교적 단시간에 사용수명에 이르게 된다.
본 발명의 범위는 상기 기재 내용에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서의 다양한 변형도 본 발명에 포함된다.
본 발명의 피복기어 절삭공구는, 탄소강 또는 주철 등으로 이루어진 기어를 통상의 조건에서 기어절삭가공하는 경우는 물론이고, 특히, 점성이 높고, 절삭분이 절삭날 표면에 용착되기 쉬운 저합금강이나 연강 등으로 이루어진 기어를 고속기어절삭가공하는 경우에 있어서도, 절삭분에 대해 우수한 표면윤활성을 발휘하고, 범용성이 있는 절삭성능을 보인다. 따라서, 본 발명의 피복기어 절삭공구는 기어 절삭가공의 고속화, 노동절약화, 및 에너지절약화, 그리고 저비용화에 기여한다.
Figure 112001028201402-pat00001
Figure 112001028201402-pat00002
Figure 112001028201402-pat00010
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Claims (4)

  1. 삭제
  2. 절삭날에 있어서의 칩 또는 치핑의 발생을 방지하는 가공이 행하여진 고속도 공구강제 기어 절삭공구를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 고속도 공구강으로 구성되고, 또한 최종의 기어 절삭공구 형상에 대응한 형상으로 조가공된 공구소재에, 담금질처리를 행하여 공구소재의 조직을 마르텐사이트화 하는 공정,
    상기 담금질처리 후의 공구소재에, -150℃ 이하의 온도로 냉각유지하는 서브제로처리를 행하여, 상기 담금질처리로 형성된 마르텐사이트화 조직의 기재 중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화를 도모함으로써, 상기 잔류 오스테나이트의 양을 5중량% 이하로 저감하는 공정,
    상기 서브제로처리 후의 상기 공구소재에 탬퍼링처리를 행하여, 상기 서브제로처리 후의 마르텐사이트화 조직의 기재 중에 분산분포하는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화 하여, 탬퍼링처리 후의 공구소재의 조직을, 고속기어절삭가공시에 치핑의 기점으로 되는 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트의 기재 중에 존재하지 않는 조직으로 하는 공정, 및
    템퍼링처리후의 상기 공구소재를 최종형상으로 다듬질가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강제 기어 절삭공구의 제조방법.
  3. 절삭날에 있어서의 칩 또는 치핑의 발생을 방지하는 가공이 행하여진 고속도 공구강제 기어 절삭공구로서, 고속도 공구강제 기체의 표면에, 2㎛∼15㎛의 전체 평균 층두께로 물리증착한 경질피복을, 평균 층두께가 각각 0.005㎛∼0.2㎛인 제 1박층과 제 2박층을 적층함으로써 형성하고,
    상기 제 1박층을,
    조성식: [Ti1-XAlX]N 및
    조성식: [Ti1-XAlX]C1-mNm
    으로 표현한 경우, 두께방향 중앙부의 오제분광분석장치를 이용한 측정에 의한 원자비가, X:0.30∼0.70, m:0.6∼0.99를 만족시키는 (Ti, Al)N층 및 (Ti, Al)CN층 중 어느 하나, 또는 양쪽으로 구성하고,
    상기 제 2박층을,
    조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]N 및
    조성식: [Ti1-(X+Y)AlXTaY]C1-mNm
    으로 표현한 경우, 두께방향 중앙부의 상기 오제분광분석장치를 이용한 측정에 의한 원자비가, X:0.30∼0.70, Y:0.01∼0.35, m:0.6∼0.99를 만족시키는 (Ti, Al, Ta)N층 및 (Ti, Al, Ta)CN층 중 어느 하나, 또는, 양쪽으로 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강제 기어 절삭공구.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 서브제로처리에 있어서, 상기 담금질처리 후의 공구소재를 1~10℃/분의 범위 내인 소정의 냉각속도로 -150~-200℃의 범위 내인 소정의 온도로 냉각하고, 상기 온도에서 1~5시간의 범위 내로 소정시간 유지한 후, 1~10℃/분의 범위 내인 소정의 승온속도로 승온하는, 고속도 공구강제 기어 절삭공구의 제조방법.
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