JP3906476B2

JP3906476B2 - 表面被覆層が超微粒組織およびすぐれた密着性を有する超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆超硬合金製ドリル

Info

Publication number: JP3906476B2
Application number: JP34615099A
Authority: JP
Inventors: 安彦田代; 和則佐藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2019-12-06
Also published as: JP2001162418A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面被覆層が超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成され、前記超硬合金スパッタ蒸着皮膜は超微粒組織およびすぐれた密着性を有することから、特に穴あけ加工を高速で行った場合にも、切刃面にチッピング（微小欠け）の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する表面被覆超硬合金製ドリル（以下、被覆超硬ドリルと云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、被覆超硬ドリルとして、例えば図１（ａ）に概略拡大正面図で示される通り先端面を切刃面とし、かつ４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部と、シャンク部とからなり、さらに前記溝形成部が図１（ｂ）に長さ方向中央部におけるドリル中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図で示される構造をもち、かつ結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金（以下、単に超硬合金と云う）の焼結体で構成されたドリル本体（以下、超硬ドリル本体と云う）の少なくとも前記先端面切刃面を含む溝形成部の表面に、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種の単層または２種以上の複層からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）層で構成されたセラミック硬質層からなる表面被覆層を１〜１０μｍの平均厚さで化学蒸着および／または物理蒸着してなる被覆超硬ドリルが知られている。
また、上記の超硬ドリル本体が、原料粉末として、いずれも０．５〜６μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、Ｃｏ粉末、およびＣｒ粉末などを用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、湿式混合し、乾燥した後、所定径を有する丸棒圧粉体にプレス成形し、この丸棒圧粉体を、１０^-1Ｔｏｒｒ以上の真空度の真空雰囲気中、５〜１０℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に１〜２時間保持後、炉冷の条件で焼結して、結合相形成成分としてのＣｏ含有量を焼結性および靭性（強度）付与の目的で５〜１６重量％含有した超硬合金で構成された丸棒焼結体素材を形成し、この丸棒焼結体素材から図１に示される形状に研削加工することにより製造されることも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の穴あけ加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、ボール盤などの高性能化と相俟って、穴あけ加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬ドリルにおいては、これの表面被覆層を構成するセラミック硬質層の超硬ドリル本体表面に対する密着性が十分でなく、かつこれ自体高硬度を有するが、靭性のきわめて低いものであることから、前記セラミック硬質層にチッピング発生の原因となる剥離が発生し易い状態となり、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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、被覆超硬ドリルにおいて、超硬ドリル本体の表面に対する密着性にすぐれ、かつ特に高速穴あけ加工でも切刃面にチッピングの発生のない靭性を有する表面被覆層を開発すべく研究を行った結果、通常のスパッタリング装置、例えば図２に概略説明図で示されるスパッタリング装置の基板に、先端面切刃面を含む溝形成部が例えば図１に示される形状に研削加工され、かつ結合相形成成分として所定量のＣｏを含有する超硬ドリル本体を、前記溝形成部を下側にして垂下した状態で装着し、またターゲットとして同じく所定量のＣｏを含有する超硬合金を用い、装置内をヒーターで３００〜６００℃に加熱した状態で、圧力：２〜５×１０^-3ＴｏｒｒのＡｒ反応雰囲気中、前記基板には例えば−１００Ｖ、前記ターゲットには例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記基板とターゲット間にプラズマを発生させた条件でスパッタを行うと、上記超硬ドリル本体の表面に、表面被覆層として前記ターゲットを構成する超硬合金と同種の組成を有する超硬スパッタ蒸着皮膜を形成することができるようになり、この場合上記超硬ドリル本体として結合相形成成分であるＣｏの含有量を上記の従来超硬ドリル本体と同じく５〜１６重量％とした超硬ドリル本体を用いて、十分な靭性を具備せしめ、かつ上記ターゲットの結合相形成成分であるＣｏの含有量を前記超硬ドリル本体に比して相対的に少ない１〜４重量％とした超硬合金を用いて、前記超硬ドリル本体に比して相対的に硬質とした超硬合金スパッタ蒸着皮膜を表面被覆層として１〜１０μｍの平均厚さで形成すると、この結果の被覆超硬ドリルにおいては、
（ａ）表面被覆層としての上記超硬合金スパッタ蒸着皮膜が超硬ドリル本体と同種の超硬合金からなるので、前記超硬ドリル本体表面に対する密着性が著しく高いものとなり、この結果高速穴あけ加工でも剥離の発生なく、チッピングの発生が著しく抑制されるようになること。
（ｂ）上記超硬合スパッタ蒸着皮膜は、結合相形成成分としてのＣｏの含有量が１〜４重量％と上記超硬ドリル本体の５〜１６重量％に比して相対的に低いので、前記超硬ドリル本体に比して硬質となることから、耐摩耗性の向上が図れること。
（ｃ）一般に超硬合金の焼結体では、原料粉末として平均粒径で１μｍ以下の微細なＷＣ粉末を用い、かつＷＣ粒成長抑制あるいはＷＣ粒微細化の目的でＣｒ₃Ｃ₂粉末やＣｒ粉末を配合しても、走査型電子顕微鏡による断面組織観察で、ＷＣ粒の平均粒径を０．５μｍ以下にすることはきわめて困難であるが、上記の超硬合金スパッタ蒸着皮膜は、ＷＣ粒が、上記ターゲットを構成する超硬合金のＷＣ粒の粒径にかかわらず、平均粒径で０．０５μｍ以下の超微粒組織をもつようになり、これによって耐摩耗性の一段の向上がもたらされること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される特性を具備するようになるという研究結果が得られたのである。
【０００５】
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、
シャンク部と、先端面を切刃面とし、かつ４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部とからなると共に、結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する超硬ドリル本体の少なくとも前記先端面切刃面を含む溝形成部の表面に、結合相形成成分としてＣｏ：１〜４重量％を含有する超硬合金からなり、かつ超微粒組織を有する超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆層を１〜１０μｍの平均厚さで形成してなる、表面被覆層が超微粒組織およびすぐれた密着性を有する超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成された被覆超硬ドリルに特徴を有するものである。
【０００６】
以下に、この発明の被覆超硬ドリルにおいて、これを構成する超硬ドリル本体および超硬合金スパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量、並びに超硬合金スパッタ蒸着皮膜の平均厚さを上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）超硬ドリル本体のＣｏ含有量
その含有量が５重量％未満では、特に穴あけ加工を高速で行った場合に要求される靭性、すなわち先端面切刃面にチッピングが発生することのない十分な靭性を確保することができず、一方その含有量が１６重量％を越えると、特に先端面切刃面に熱塑性変形が起り易くなり、これが偏摩耗の原因となって急速な摩耗進行をきたすようになることから、その含有量を５〜１６重量％と定めた。
【０００７】
（２）超硬合金スパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量
その含有量が１重量％未満では、超硬ドリル本体表面への密着性が不充分となるばかりでなく、十分な皮膜強度が得られず、一方その含有量が４重量％を越えると、特に高速で穴あけ加工を行った場合の摩耗が急速に進行するようになることから、その含有量を１〜４重量％と定めた。
【０００８】
（３）超硬合金スパッタ蒸着皮膜の平均厚さ
その平均厚さが１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均厚さが１０μｍを越えると、先端面切刃面にチッピングが発生し易くなることから、その平均厚さを１〜１０μｍと定めた。
【０００９】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の被覆超硬ドリルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、同１．８μｍのＣｏ粉末、および同１．２μｍの炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、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、減圧乾燥した後、いずれも１ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成形して、それぞれ直径が５ｍｍ、１０ｍｍ、および２０ｍｍの丸棒圧粉体とし、この丸棒圧粉体を、０．０５Ｔｏｒｒの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、丸棒焼結体素材とし、さらにこれらの丸棒焼結体素材から研削加工にて溝形成部をそれぞれ表１に示される寸法とした超硬ドリル本体Ａ〜Ｈを製造した。
【００１０】
また、上記の原料粉末を用い、これら原料粉末を表２に示される配合組成に配合し、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、減圧乾燥した後、１ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、０．０５Ｔｏｒｒの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、いずれも直径：１００ｍｍ×厚さ：１６ｍｍの寸法をもった超硬合金スパッタ蒸着皮膜形成用ターゲットａ〜ｈをそれぞれ製造した。
【００１１】
ついで、この結果得られた超硬ドリル本体Ａ〜Ｈおよびターゲットａ〜ｈを、それぞれ表３に示される組合せで、図２に示される構造のスパッタリング装置に装着し（この場合前記超硬ドリル本体は装置内の基板に垂下状態で装着される）、まず、装置内を排気して１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０℃に加熱した後、Ａｒガス、（Ａｒ＋５容量％Ｘｅ）ガス、および（Ａｒ＋１容量％ＣＨ₄）ガスのうちのいずれかを装置内に導入して圧力：１×１０^-3Ｔｏｒｒの雰囲気とし、この状態で前記基板（超硬ドリル本体）に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記超硬ドリル本体の表面をボンバード洗浄し、引き続いて装置内を圧力：３×１０^-3ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気とすると共に、前記基板（超硬ドリル本体）には−１００Ｖ、前記ターゲットには−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記ターゲットａ〜ｈを構成する超硬合金からなる超硬合金スパッタ蒸着皮膜を、同じく表３に示される目標厚さで前記超硬ドリル本体Ａ〜Ｈの表面全体に形成することにより本発明被覆超硬ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００１２】
また、比較の目的で、上記の超硬ドリル本体Ａ〜Ｈの表面全体に、通常の化学蒸着装置を用い、表４に示される条件（表中、ｌ−ＴｉＣＮは、例えば特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもったＴｉＣＮ層に相当するものであり、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつものである。また、α−Ａｌ₂Ｏ₃層はα型結晶構造をもつもの、κ−Ａｌ₂Ｏ₃層はκ型結晶構造をもつものを示す）にて、表５に示される組成および目標厚さのセラミック硬質層を形成することにより従来被覆超硬ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００１３】
なお、上記の本発明被覆超硬ドリル１〜８および従来被覆超硬ドリル１〜８を構成する超硬ドリル本体Ａ〜Ｈ、並びに前記本発明被覆超硬ドリル１〜８の超硬合金スパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量およびＷＣ粒の平均粒径、さらに前記超硬合金スパッタ蒸着皮膜のＣ含有量をオージェ分析装置および走査型電子顕微鏡を用いての断面組織観察により測定したところ、表３に示される結果を示し、また前記本発明被覆超硬ドリル１〜８の超硬合金スパッタ蒸着皮膜および従来被覆超硬ドリル１〜８のセラミック硬質層の厚さを測定したところ、それぞれ表３および表５に示される目標厚さと実質的に同じ平均厚さを示した。
【００１４】
この結果得られた各種の被覆超硬ドリルのうち、溝形成部の外径が４ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃ（硬さ：ＨＢ２２０）の厚さ：１８ｍｍの板材、
回転数：６０００ｒ．ｐ．ｍ．、
送り：０．２６ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件での炭素鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速穴あけ加工試験、また溝形成部の外径が８ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（硬さ：ＨＢ１５０）の厚さ：３５ｍｍの板材、
回転数：３３００ｒ．ｐ．ｍ．、
送り：０．２４ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件でのステンレス鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速穴あけ加工試験、さらに溝形成部の外径が１６ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ４０）の厚さ：５０ｍｍの板材、
回転数：２７００ｒ．ｐ．ｍ．、
送り：０．３１ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件でのダイス鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速穴あけ加工試験を行い、穴あけ加工数：５００個毎に先端面切刃面における逃げ面摩耗幅を測定すると共に、その摩耗状況を観察した。これらの測定結果を表６、７にそれぞれ示した。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【表２】

【００１７】
【表３】

【００１８】
【表４】

【００１９】
【表５】

【００２０】
【表６】

【００２１】
【表７】

【００２２】
【発明の効果】
表３〜７に示される結果から、本発明被覆超硬ドリル１〜８は、いずれもこれを構成する超硬合金スパッタ蒸着皮膜が超硬ドリル本体と同種の超硬合金からなるので、超硬ドリル本体表面に対する密着性にすぐれたものとなり、かつ１〜４重量％の低いＣｏ含有量とＷＣ粒の平均粒径が０．０５μｍ以下の超微粒組織を有するので、相対的に高い硬さおよび強度を具備するようになることから、高速穴あけ加工にもかかわらず、先端面切刃面における前記超硬合金スパッタ蒸着皮膜に剥離の発生がなく、これによってチッピング発生が実質的になくなり、この結果すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになるのに対して、従来被覆超硬ドリル１〜８においては、いずれもこれを構成するセラミック硬質層の剥離によるチッピング発生が早期に発生し、これが原因で先端面切刃面の摩耗が急速に進行するようにな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ドリルは、これの表面被覆層を構成する超硬合金スパッタ蒸着皮膜が超微粒組織およびすぐれた密着性を有することから、通常の条件での穴あけ加工は勿論のこと、これを高速で行った場合にもすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになるものであり、したがって穴あけ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することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は被覆超硬ドリルを例示する概略拡大正面図、（ｂ）は溝形成部の長さ方向中央部におけるドリル中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図である。
【図２】スパッタリング装置を例示する概略説明図である。

Claims

シャンク部と、先端面を切刃面とし、かつ４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部とからなると共に、結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金の焼結体で構成されたドリル本体の少なくとも前記先端面切刃面を含む溝形成部の表面に、結合相形成成分としてＣｏ：１〜４重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金からなり、かつ超微粒組織を有する超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆層を１〜１０μｍの平均厚さで形成してなる、表面被覆層が超硬合金スパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆超硬合金製ドリル。