JP6040698B2 - ダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル - Google Patents
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「(1) 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、3〜15質量%のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなるドリル基体に平均膜厚5〜30μmのダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、
ドリル先端の外周刃部の結晶粒の膜平面方向の平均粒径が0.2〜0.8μmであり、かつ、ラマン分光測定によるダイヤモンド由来の1333±20cm−1のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm−1のピーク強度に対する比が6〜100であり、さらに、ドリル先端のチゼルエッジにおけるラマン分光測定によるダイヤモンド由来の1333±20cm −1 のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm −1 のピーク強度に対する比が前記ドリル先端の外周刃部における比の0.5〜0.9倍であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。」
を特徴とするものである。
本発明のダイヤモンド被覆ドリルのドリル基体としては、硬質相成分としての炭化タングステン(WCで示す)と結合相成分としてのCoを少なくとも含有し、かつ、Co含有量は3〜15質量%であるWC基超硬合金を使用した。
Co成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、WC基超硬合金中のCo含有量が3質量%未満では、特に靭性の向上が望めず、一方、Co含有量が15質量%を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、WC基超硬合金中のCo含有量は3〜15質量%と定めた。
基体表面に被覆するダイヤモンド膜は、その平均膜厚が5μm未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、ダイヤモンドの平均膜厚が30μmを超えると、チッピング、欠損、剥離が発生しやすくなることから、ダイヤモンド膜の平均膜厚は、5〜30μmと定めた。
なお、ダイヤモンド膜の平均膜厚の測定は、切れ刃部を切断して走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行い、軸方向に膜厚の5点測定を行い、その平均値を平均膜厚とした。
さらに、本発明のダイヤモンド被覆ドリルでは、ドリル先端の外周刃部の結晶粒の膜平面方向の平均粒径を0.2〜0.8μmとする。その理由は、0.2μm未満では工具の摩耗進行が早く、工具寿命が短くなる。一方、0.8μmを超えると膜の靭性が低下するため、チッピングが生じやすい。そのため、ドリル先端の外周刃部の結晶粒の膜平面方向の平均粒径を0.2〜0.8μmと定めた。
なお、結晶粒の膜平面方向の平均粒径は、ダイヤモンド膜の断面方向で膜の最表面から2μmまでの領域において透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行い、直線交差線分法に基づき、5μmの長さで3本の直線を用いて、平均粒径を求めた。
さらに、結晶粒をラマン分光測定したとき、ダイヤモンド由来の1333±20cm−1のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm−1のピーク強度に対する比(ダイヤモンド比)を6〜100とした。その理由は、前記比の値が、6未満では粒界強度が低いために、結晶粒界から摩耗が進行しやすくなって耐摩耗性が低下し、100を超える場合、そもそも成膜することが困難であるばかりか、たとえ成膜できても成膜後の熱収縮による残留応力が大きくなる傾向があり、膜の剥離が生じやすくなる。そのため、前記比の値を6〜100と定めた。
ドリル先端のチゼルエッジにおけるラマン分光測定によるダイヤモンド由来の1333±20cm−1のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm−1のピーク強度に対する比(ダイヤモンド比)を前記ドリル先端の外周刃部における比の0.5〜0.9倍とすることによって、一層、耐摩耗性を改善することが可能になる。その理由は、チゼルエッジのダイヤモンド膜の結晶性を、ある程度低下させておくことと、外周刃部の結晶性に比して相対的に低下させておくことにより、チゼルエッジにおける被削材との溶着発生を抑制することが可能になるという理由による。
すなわち、前記比の値が0.5未満の場合には、チゼルエッジ付近における耐摩耗性低下が顕著となり、一方、0.9を超える場合には、被削材との溶着発生抑制効果が少なくなるため、前記比の値は0.5〜0.9であることが望ましい。
まず、WCとCoを主成分とし、Coを3〜15質量%含有する超硬合金焼結体からなるWC基超硬合金ドリル基体を作製した後、該超硬合金ドリル基体の表面近傍のCoを化学的なエッチング(硫酸+過酸化水素+水)によって除去する。その後、熱フィラメントCVD装置に装入し、ドリル基体のシャンク部を水冷治具で冷却支持し、フィラメントをドリル外周部の近傍にセットし、前述のメタン濃度を高めにした工程と低めにした工程を繰り返すことと、フィラメント電流値などの調整によって工具基体温度を適切に制御することによって製造することができる。
なお、ドリル径によってフィラメントの位置を調節することも必要であり、例えば、ドリル径が6mmより細い場合には、フィラメント位置を下側に移動させ、また、ドリル径が10mmより太い場合には、フィラメント位置を上側に移動させて、チゼルエッジ部と外周刃部のそれぞれの膜質の制御や所望の膜厚になるように調整することが必要である。
このようなダイヤモンド膜の成膜法により、ドリル基体上に平均膜厚5〜30μmのダイヤモンド膜を被膜することが出来るとともに、ドリル先端の外周刃部におけるダイヤモンド膜のラマン分光測定によるダイヤモンド比が6〜100、ドリル先端の外周刃部の結晶粒の膜平面方向の平均粒径が0.2〜0.8μm、ドリル先端のチゼルエッジ部におけるダイヤモンド膜のダイヤモンド比が0.5〜0.9である本発明のダイヤモンド被覆ドリルを製造することができる。
なお、比較例ドリル1〜10の製法においては、メタン濃度を低濃度とする工程を行わないことに加え、ドリル基体を冷却しない。そのため、ドリルとフィラメント間の距離は基体温度を適正に保つために、15〜20mmの範囲である点で本発明の製法とは異なっている。
切削速度: 110 m/min,
送り: 0.15 mm/rev,
穴深さ: 20 mm(貫通穴),
前記切削試験において、正常摩耗の場合は被削材の入口側もしくは出口側でのバリが0.5mmを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、チッピング、ドリル折損等が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
表3にこれらの測定結果を示す。
これに対して、比較例ドリル1〜10は、本発明ドリルに比して、穴あけ加工数が少ない(最大でも31個)ばかりか、溶着などが原因で切削の早期に切れ刃にチッピング等の異常損傷を発生し、工具寿命も非常に短いことが明らかである。
Claims (1)
- 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、3〜15質量%のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなるドリル基体に平均膜厚5〜30μmのダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、
ドリル先端の外周刃部において膜平面方向の結晶の平均粒径が0.2〜0.8μmであり、ラマン分光測定によるダイヤモンド由来の1333±20cm−1のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm−1のピーク強度に対する比が6〜100であり、さらに、ドリル先端のチゼルエッジにおけるラマン分光測定によるダイヤモンド由来の1333±20cm −1 のピーク強度の非ダイヤモンド成分由来の1560±30cm −1 のピーク強度に対する比が前記ドリル先端の外周刃部における比の0.5〜0.9倍であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。
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