JP5682217B2 - 耐摩耗性と切屑排出性に優れた表面被覆ドリル - Google Patents

Description

本発明は、ドリル本体の先端部外周に切屑排出溝が形成されるとともに、この切屑排出溝のドリル回転方向を向く内周面の先端に切刃が設けられ、主として金属材よりなる加工物に穴明け加工をするのに用いられるドリルに関するものである。

このようなドリルとしては、軸線を中心として該軸線回りにドリル回転方向に回転される概略円柱状のドリル本体の先端側が切刃部とされ、この切刃部の外周に一対の切屑排出溝が、軸線に関して互いに対称となるように、該切刃部の先端面、すなわちドリル本体の先端逃げ面から後端側に向かうに従い軸線回りにドリル回転方向の後方側に捩れる螺旋状に形成され、これらの切屑排出溝の内周面のうちドリル回転方向を向く部分の先端側の前記先端逃げ面との交差稜線部に切刃が形成された、いわゆる２枚刃のソリッドドリルが知られている。従って、このようなソリッドドリルでは、前記切屑排出溝内周面のドリル回転方向を向く部分の先端側がこの切刃のすくい面となり、切刃によって生成された切屑は、このすくい面から切屑排出溝の内周面を摺接しつつ、該切屑排出溝の捩れによって後端側に送り出されて排出されることとなる。そして、さらにこのようなドリルでは、ドリル本体の耐摩耗性の向上のために種々の方法が採用されている。

例えば、特許文献１においては、一般式（Ｍ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）（Ｍは、４，５，６族元素、Ｓｉおよび希土類元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素を示す。）で表される被覆層を２層積層し、前記被覆層のうち、基体表面に被覆された第１被覆層は、層厚が０．１〜１μｍで平均結晶径が０．０１〜０．１μｍの粒状結晶にて構成され、前記被覆層のうち、第１被覆層の表面に被覆された第２被覆層は、層厚が０．５〜５μｍで前記基体に対して垂直な方向に成長した柱状結晶からなり、該柱状結晶の前記基体に対して平行な方向の平均結晶幅が０．０５〜０．３μｍであり、かつ、前記第２被覆層の平均結晶幅が前記第１被覆層の平均結晶径より大きい表面被覆工具が開示されている。

また、特許文献２においては、５〜５０ｎｍの厚さの粒状ＴｉＮ層の上に１〜８μｍの厚さの柱状ＴｉＣＮ層を形成した表面被覆切削工具が開示されている。

また、特許文献３においては、切刃の外周端から後端側に向けて切刃の外径Ｄに対して３Ｄ以内の長さの範囲まで硬質被膜を被覆したドリルが開示されている。

また、特許文献４においては、ドリル本体の先端部の表面には硬質被膜を被覆し、さらに切屑排出溝の内周面には、硬質被膜を被覆した後にポリッシュ加工を施したドリルが開示されている。

また、特許文献５においては、硬質被覆層のうち、切屑排出溝の領域を研磨し母材を露出したドリルが開示されている。

国際公開第２００７／１１１３０１号パンフレット 特開平６−１０８２５４号公報 特開２００３−２７５９０９号公報 特開２００３−２７５９１０号公報 特開平８−１７４３４１号公報

近年のドリル加工装置のＦＡ化はめざましく、加えてドリル加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどより高効率の深穴用ドリル加工が要求される傾向にあるが、前記従来表面被覆ドリルにおいては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下でドリル加工した場合に特段の問題は生じないが、耐摩耗性が必要とされるとともに切屑がドリルの切屑排出溝につまり易い、高送り・乾式の深穴用ドリル加工に用いた場合には、切屑排出溝に切屑がつまり易く、これが原因で、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高送り・乾式の深穴用ドリル加工に用いられた場合にも優れた耐摩耗性と切屑排出性を示し表面被覆ドリルの長寿命化を図るべく、ドリル表面を、例えば、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ｛但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．６｝の成分系からなる硬質被覆層で構成するとともに、該硬質被膜層の結晶粒組織に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

（ａ）硬質被覆層として、例えば（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ｛但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．６｝の成分系からなる層の形成を、例えば、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置にドリル基体を装着し、例えば、
工具基体温度：３６０℃以上４５０℃以下、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ以上１３ｋＷ以下、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：７ｋＷ以上１０ｋＷ以下、
反応ガス流量：窒素（Ｎ_２）ガス ８０ｓｃｃｍ以上１００ｓｃｃｍ以下、
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：＋３Ｖ以上＋１０Ｖ以下、
という特定の条件下で、かつ、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着形成した場合、この結果形成された硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、高速・乾式の深穴加工において、すぐれた耐摩耗性および切屑排出性を示すことを見出した。

（ｂ）前記硬質被覆層の断面組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図２の断面斜視図に示すように、層厚方向の縦断面においては、ドリル先端部で、ドリル基体表面に対して直立方向に成長した柱状晶の結晶粒が形成され、また、結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端からドリル基体の長さ方向に沿ってドリル直径の５倍の長さまでの領域において、ドリル先端から後方に向けて、１以上１００以下の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを確認した。

（ｃ）そして、表面被覆ドリルの硬質被覆層を、前記結晶粒組織を持つ硬質被覆層（以下、粒径制御層）で構成すると以下のような効果を発揮する。すなわち、逃げ面の先端部は高熱・高負荷がかかるため、柱状晶の皮膜にて構成し、高い耐摩耗性を実現する。さらに、切屑排出溝のうち、熱的・力学的負荷が大きい先端部には耐摩耗性を実現する柱状晶を、一方、切屑が送られにくくなる後方部には低すべり抵抗を長期間にわたり維持する粒状晶を導入し、かつ、それらが切屑排出溝に沿って漸次変化することで長時間に亘り切屑を排出する機構を実現し、高速・乾式の深穴加工においても耐摩耗性を維持したまま切屑排出性を高めることができることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）超硬合金焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ｛但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．６｝の成分系からなる層厚０．２μｍ以上５μｍ以下の硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、高さ０．２μｍ以上１．５μｍ以下の柱状晶からなり、かつ、
前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１以上１００以下の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
（２）前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２μｍ以上５．０μｍ以下の範囲で漸次増加することを特徴とする（１）に記載の表面被覆ドリル。
（３）前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＴｉとＡｌとＳｉからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層または複数の層からなる積層構造を有し、層厚５μｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に説明する。
なお、以下の説明においては、「α以上β以下」という表現を、「α〜β」と略記する。

本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層を構成する粒径制御層において、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察した時、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜１．５μｍの柱状晶とする。ここで、幅が１０ｎｍ未満では強度維持が困難であり、１００ｎｍを超えると粗大になり欠損の原因となるため、幅は１０〜１００ｎｍと定めた。また、高さが０．２μｍ未満では耐摩耗性が足りず、１．５μｍを超えると残留応力による欠損が生じやすくなり、十分な工具性能を発揮できないため、高さは０．２〜１．５μｍと定めた。また、組成を（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎとした時の組成比ｘ（但し、原子比）の値が０．６を超えると結晶構造が変化し所望の構造を得られないため、ｘの値を０．６以下と定めた。
そして、本発明者らは、粒径制御層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、圧力勾配型プラズマガンを用いて、Ａｒプラズマを原料が入ったハースに照射して蒸発させ、基板上に皮膜を物理蒸着させる反応性蒸着法を用いて、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着を行うと、ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、図２に示す通り、ドリル先端部では、粒径制御層が、幅１０〜１００ｎｍ、高さが層厚相当となる高アスペクト比の柱状晶によって構成される一方で、例えば、ドリル基体の切屑排出溝のうち、ドリル先端から直径の５倍の位置においては、粒径制御層が、アスペクト比の低い粒状の結晶粒によって構成されており、かつ、そのアスペクト比がドリル先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを見出した。

なお、ここでいう「アスペクト比」とは、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、長辺に対して垂直方向の最小径を示す短辺の値で除した値である。
また、「先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
また、結晶粒の「幅」とは粒径制御層を断面から観察した際に、ドリル基材と略平行に、膜厚の２分の１の高さに引いた長さ１０μｍの線分が結晶粒界によって区分される、線分の両端を除いた区分のそれぞれの長さの平均値を指す。
また、結晶粒の「高さ」とは粒径制御層を断面から観察した際に、ドリル基材と略平行な線分に対して垂直に、０．１μｍの間隔で引いた１０本の、長さ膜厚相当の線分が結晶粒界によって区分される、各線分の両端を除いた区分のそれぞれの長さの平均値を指す。
なお、「アスペクト比がドリル先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、１〜１００の範囲で漸次減少する」とは、特定位置を中心として幅１ｍｍの領域の中の任意の点において前記内容により定義された数値が、特定位置からドリル先端方向へ少なくとも５ｍｍを超えて離れた位置を中心として幅１ｍｍの領域の中の任意の点において同様に定義された数値よりも小さいこと、を指す。すなわち、前記条件を満たすならば、例えば、前記幅１ｍｍの領域中で結晶粒のアスペクト比が漸次減少していなくとも、本発明の範囲を外れるものではない。

本発明の表面被覆ドリルは、超硬合金焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に直接またはＴｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＴｉとＡｌとＳｉからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層または複数の層からなる積層構造を有する層厚５μｍ以下の中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ｛但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．６｝の成分系からなる層厚０．２〜５μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルであって、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜１．５μｍの柱状晶からなり、かつ、
ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることから、優れた耐摩耗性と切屑排出性が実現できる。

本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）を蒸着形成するための圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の概略図を示す。 本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）の断面斜視図を示す。

つぎに、本発明の表面被覆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０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末および同１．８μｍのＣｏ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、１００ＭＰａ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、６Ｐａ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、工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが８ｍｍ×４８ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４をそれぞれ製造した。

ついで、これらのドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に装着し、
工具基体温度：３６０〜４５０℃、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜１３ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：７〜１０ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ_２）ガス ８０〜１００ｓｃｃｍ、
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０〜５０ｓｃｃｍ、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：＋３〜＋１０Ｖ、
という特定の条件（表２）下、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整する目的で、ドリル基体を、例えば、図１に示すように、ドリル基体の先端部を水平から上方に向け、かつ、ハース載置平面の鉛直方向の軸に対して、２５度の角度を保ったまま自転させると同時に、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、表３に示される組成および組織を有する改質粒径制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜１３をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置にドリル基体の全域に亘って均一な硬質被覆層が形成する目的で、ドリル基体を、ハース載置平面と平行を保ったまま自転させる（図示せず）と同時に、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表４に示される均一な組成および組織を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１１をそれぞれ製造した。

つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１３および比較表面被覆ドリル１〜１１について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＳＣＭＮ４３９の板材、
切削速度： ８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ２０ｍｍ、
の条件での合金鋼の乾式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、５０ｍ／ｍｉｎ．および０．１２ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表３、４にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜１３の硬質被覆層を構成する改質粒径制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１１の硬質被覆層を構成する従来層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、前記の硬質被覆層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表３、４に示される結果から、本発明表面被覆ドリルは、ドリル先端部の逃げ面の被膜断面の結晶粒形状を観察した時、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜１．５μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることから、優れた耐摩耗性と切屑排出性が実現できる。
これに対して、硬質被覆層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて変化しない従来層を有する比較表面被覆ドリルにおいては、切屑排出性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、硬質被覆層（粒径制御層）を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることから、優れた切屑排出性を備えており、そして、この優れた切屑排出性は、高送り・乾式の深穴用ドリル加工条件においても、長期間にわたり高い耐摩耗性を維持するものである。

Claims (3)

1. 超硬合金焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ｛但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．６｝の成分系からなる層厚０．２μｍ以上５μｍ以下の硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
   前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、高さ０．２μｍ以上１．５μｍ以下の柱状晶からなり、かつ、
   前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１以上１００以下の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
2. 前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２μｍ以上５．０μｍ以下の範囲で漸次増加することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ドリル。
3. 前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＴｉとＡｌとＳｉからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層または複数の層からなる積層構造を有し、層厚５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆ドリル。
   

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