JPH0349813A - 焼結硬質合金製ドリル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、主として鋼の穿孔加工に供されるドリルの
構造に関し、特に耐摩耗性や靭性に優れ、高い品質を有
する焼結硬質合金製ドリルの構造に関するものである。

［従来の技術］ ドリルは、鋼材などの穿孔加工に用いられる切削工具の
１つである。その−例としてツイストドリルの構造が第
４図に示されている。ツイストドリルは、穿孔加工に供
される切刃部１と、切削に関与せず、主として切屑の排
出と、ボール盤などの切削機械のチャック部などに装着
するためのシャンク部２とから構成される。

従来より、一般的にドリルの材質は高速度鋼（ハイス）
および超硬合金である。高速度鋼は、靭性に富むが、耐
摩耗性が低く、高速切削に不適である。一方、超硬合金
は耐摩耗性や工具としての精度特性に優れる半面、脆い
性質を有し、たとえば剛性の低い工作機械に使用される
と折損する場合があった。

これらの改良として、高速度鋼の切刃部に硬質のＴｉＮ
をコーティングする構造、あるいは切刃部を超硬合金に
し、ろう付けする構造などが考えられてきた。

さらに近年では、耐摩耗性および靭性の向上などを意図
して、異なる材質の超硬合金同士（Ｐ２ＯとＤ３０）を
ろう付けした構造（実開昭５８−１４３１１５号）ある
いは冶金学的に一体化接合した構造（実公昭６２−４６
４８９号）、さらに、ドリルの中心部と外周部との要求
される特性の違いに若目し、その中心部と外周部との超
硬合金の材質を異ならせた二重構造に成形したもの（特
開昭６２−２１８０１０号）、あるいはこの二重構造を
射出成形で形成する方法（特開昭６３−３８５０１号、
３８５０２号）などが考案されている。

また、ドリルの耐凝着性の向上のために、ドリルの材質
をサーメットで構成した構造（特開昭６２−２９２３０
７号）などがある。

［発明が解決しようとする課題］ ドリルの切刃部およびシャンク部は各々異なった負荷状
態で使用される。そのため、ドリルの各部に要求される
特性は異なる。たとえば、切刃部の刃先部では耐摩耗性
や耐凝着性などが要求され、シャンク部では工具として
の強度を保持するための靭性が要求される。また、切刃
部の刃先部についても、その中心部と外周部とでは切削
速度が大きく異なるため、要求される特性も異なる。

このようなドリルに備えられるべき特性に対する複雑な
要求に応えるため、その対策として切刃部にコーティン
グを施したものは、通常使用されるようにドリルの再研
削を実施すると、少なくとも前退面側のコーティング層
が除去されてしまい、コーティングの効果の大半が失わ
れてしまうという欠点を有していた。また、切刃部に超
硬合金をろう付けする構造のものは、ろう付は自体が本
質的に熱的強度や機械的強度に劣る方法であり、難削材
の深穴加工には適用できないという欠点を有していた。

さらに、近年、ドリルのシャンク部の靭性を向上させる
目的で、超硬合金の粗粒化や高結合相化を行なったもの
は、逆に材料の強度を低下させたり、あるいは弾性限界
の歪を低下させ、被削材のブレや切削機械の不安定な回
転などにより、穴あけ加工中においてシャンク部が折損
してしまうという問題があった。

そこで、この発明は上記のような問題点を解決するため
になされたもので、ドリルの切刃部において優れた耐摩
耗性、耐凝着性を有し、かつシャンク部は耐折損性とし
ての必要十分な靭性を有する焼結硬質合金で構成される
ドリルを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に従った焼結硬質合金製ドリルは、被削物を切
削するための（ａ）切刃部と、切削機械の所定位置に取
付けるための（ｂ）シャンク部とを備える。

（ａ）　　切刃部 切刃部は、サーメットより構成される。このサーメット
は、第１の硬質分散相と、第１の結合金属相とからなる
。第１の硬質分散相は、チタンと、チタンを除く周期律
表第ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族金属の１社以上の炭化
物、窒化物および複炭窒化物のいずれかを主成分とする
。第１の結合金属相は、ニッケルとコバルトとを主成分
とする。第１の硬質分散相の組成は、（Ｔ　ｉ　ａＭｂ
）（Ｃｃ　Ｎ　ｄ）で表わされる。ＭはＴｉを除く周期
律表第ＴＶ　ａ　。

ＶａおよびＶＩａ族金属の１種以上である。ａ、ｂ、ｃ
Ｓｄはモル分率を示す。ａ、ｂ、ｃ、ｄは、以下の関係
式で規定される。

ａ十り■１ ｃ＋ｄ−１ ０，５≦ａ≦０．９５ ０．１≦ｄ≦０．７ 第１の硬質分散相は、微粒子群と、粗粒子群とを少なく
とも備える。微粒子群の平均粒径は０゜２μｍ以上０．
６μｍ以下である。粗粒子群の平均粒径は１μｍ以上３
μｍ以下である。微粒子群の前記粗粒子群に対する体積
比は０．３以上３以下である。第１の結合金属相は、サ
ーメット中に占める割合が５重量％以上３０重量％以下
である。

（ｂ）　　シャンク部 シャンク部は、切刃部と分離可能に機械的に接合される
。シャンク部は、超硬合金より構成される。超硬合金は
、ＷＣ粒子の第２の硬質分散相とＣｏを含有する第２の
結合金属相とからなる。第２の硬質分散相の平均粒径は
、０．７μｍ以下である。第２の結合金属相は、超硬合
金中に占める割合が１３体積％以上３０体積％以下であ
る。

（ｃ）　　切刃部とシャンク部の接合方式切刃部とシャ
ンク部の接合には、分離可能なように機械的に接合する
、いわゆるスローアウェイ式を採用する。

一般的な２枚刃のスローアウェイ式ドリルとしては、第
１Ａ図〜第１Ｃ図に示すようなものがある。このドリル
では、刃先の外周部にチップ３１ａが、内周部にチップ
３１ｂがそれぞれねじ止めによって固定されている。い
ずれのチップにも、その切刃の先端には切屑分断処理用
のチップブレーカ（図示せず）が形成されている。

また１枚刃のスローアウェイ式ドリルの典型的な構成を
第２図に示す。同図に示すドリルは、チップ部１１がシ
ャンク部１２に矢印のように嵌め込まれ、ビス１３によ
ってねじ穴１４に固定される。クーラント供給穴１５か
らはチップ部１１の刃先に直接クーラントが供給され、
高速加工を可能にするとともに刃の寿命を向上させてい
る。

１枚刃のスローアウェイ式ドリルには、いわゆるセルフ
グリップと言われる差込式のものも考えられる。このセ
ルフグリップは、ねじ止めが不要になるために、第１図
の方式に比べてさらに小径のドリルに適用できるという
可能性がある。

以上述べたようなスローアウェイ式ドリルは、いずれも
、比較的損傷が多く寿命の短いチップ部を使い捨てでき
るため、一体物に比べて低コスト化を図ることができる
。

また、チップに容品にチップブレーカを形成できるので
、高速切削や深穴加工が可能になる。

［作用］ ドリルに要求される特性は、切刃部の耐摩耗性および耐
凝着性と、シャンク部の靭性に代表される耐折損性とに
大別される。これらのドリルに要求される特性のうち、
特に耐摩耗性および耐凝着性の向上に着目して、本願発
明者等はチタン（Ｔｉ）を主成分とした窒素含有サーメ
ットを刃先部に適用することが必須であると着想した。

そこで種々のサーメットの組成に対し実験を行ない、多
くの有効な知見を得た。また、一方、靭性および強度が
要求されるドリルのシャンク部にＷ系計超硬合金を適用
することが好ましいとの知見も得た。

本願発明は、これらの知見に基づいてなされたもので、
ドリルの切刃部に対して耐摩耗性、耐凝芒性の優れたサ
ーメットを適用し、さらにシャンク部に対しては靭性に
優れたＷＣ系超硬合金を適用し、これらの両者を分離可
能に機械的に接合した構造を有するドリルを提供するも
のである。以下、本発明に従った焼結硬質合金製ドリル
における組成、粒径等の限定理由について説明する。

（ａ）　　切刃部 ドリルにおける代表的な損傷部位を第８図に示す。３は
ドリル内周部の凝着摩耗が発生する部位（すくい面）を
示す。被削材とドリル材質の凝着によるすくい面の摩耗
が進行すると、切屑が付着し、ドリルが寿命に至る。４
はドリル外周刃の摩耗部位（マージン）、５は刃先のチ
ッピング発生部位（前透面）を示す。この発明において
は耐摩耗性および耐凝着性を向上させるために、硬質分
散相の組成および粒径が限定されている。

硬質分散相に含まれる金属原子群中のチタンの量はモル
分率で０．　５〜０．９５の範囲に限定される。０．５
未満では、耐摩耗性および耐凝着性が低下する。また、
０，９５を越えると、サーメット自体の焼結性が劣化す
る。

このような高いチタンの含有により、鉄との親和性が低
くなるため、鉄を含む被加工物の仕上面が良好になる。

硬質分散相に含まれる非金属原子群中の窒素の割合がモ
ル分率で０．１〜０．７の範囲に限定される。０．１未
満では、窒素がサーメットの焼結時において硬質分散相
の粒成長を抑制するという効果が見られなくなる。また
、０．７を越えると、サーメット自体の焼結性が劣化す
る。

硬質分散相は、０．２〜０．６μｍの粒径を有する微粒
子群と、１〜３μｍの粒径を有する粗粒子群との混合体
からなる。微粒子群の粗粒子群に対する体積比は０．３
〜３の範囲に限定される。

この体積比率が０．３未満においては、サーメット自体
の靭性が劣化し、ドリルの刃先部に、チッピングが発生
する。また、この体積比率が３．　０を越えると、ドリ
ルの刃先に熱亀裂が発生する。

結合金属相の量は５〜３０重量％の範囲に限定される。

１ｍ％未満においては、サーメット自体の靭性が不足し
、ドリルの刃先にチッピングが発生する。また、３０重
置火を越えると、耐摩耗性が不足し、刃先の透面やマー
ジン部に大きな摩耗が発生する。

（ｂ）　　シャンク部 この発明のドリルのシャンク部には、硬質分散相として
平均粒径が０．７μｍ以下のＷＣ粒子を含むＷＣ系超硬
合金が用いられる。高速度鋼等を用いると、その熱膨張
係数が大きいため、切刃部のサーメットとの熱膨張差に
起因した切刃部の切刃部が発生しやすい。また、高速度
鋼のヤング率はＷＣ系超硬合金の約１／３であり、切削
時の耐振性が悪いため、切刃部の摩耗、欠損を助長する
ことになる。

硬質分散相の平均粒径が０．７μｍを越えると、ドリル
のシャンク部としての強度が耐折損性を満足し得るよう
には発揮されない。結合金属相の量が１３体積％以下に
なると、靭性が低下し、３０体積％を越えると、塑性変
形を示し、好ましくない。

［実施例］ 以下、この発明の実施例について説明する。

本発明における焼結硬質合金製ドリルは、切刃部にサー
メット合金を用い、シャンク部にＷＣ超硬合金を用いて
、両者を分離可能なように機械的に接合することにより
形成される。切刃部を構成するサーメット合金は、硬質
分散相の組成、結合相の組成および硬質分散相の粒度存
在比が、焼結後において第１表に示される数値となるよ
うに、各種粉末を調合することによって作製された。シ
ャンク部を構成する超硬合金は、平均粒径０．　５μｍ
のＷＣ粉末およびＣｏ粉末を、結合金属（体積％）、硬
質分散相平均粒径（μｍ）が、焼結後において第１表に
示される数値となるように調合することによって作製さ
れた。このとき、粒成長抑制成分としてＶＣ粉末を少量
配合した。

なお第３図は、ドリルの切刃部を構成するサーメット合
金において、硬質分散相の粒度分布を示す。Ａは微粒子
の存在度数分布を示し、Ｂは粗粒子の存在度数分布を示
す。微粒子群の粗粒子群に対する体積比はＡ／Ｂで第１
表に表わされている。

以下の実施例に示す本発明品および比較量は、第２図に
示す接合方式によって得た直径１６ｍｍの焼結硬質合金
製ドリルを用いたものである。

第１表には、本発明の焼結硬質合金製ドリルおよび比較
のために作製されたドリルの硬質合金の組成および粒度
分布などが示されている。第１表において、比較量Ｃは
、本で示されるように切刃部の硬質分散相の非金属原子
比および粒度存在比が本発明の範囲から外れるように作
製されたものである。また、比較量りは、シャンク部を
構成する硬質相の平均粒径が本発明の範囲を外れるよう
に作製されたものである。さらに、比較量Ｅは、シャン
ク部を構成する結合金属相の体積％が本発明の範囲を外
れるように作製されたものである。

比較量Ｆは、切刃部の結合金属相の量が本発明の範囲を
外れるように作製されたものである。比較量Ｇは、シャ
ンク部として、本発明の範囲を外れる鋼を用いたもので
ある。

それぞれ本発明の範囲から外れている数字には＊が付さ
れている。

（以下余白） ドリルの性能評価テストは以下に示される条件で行なわ
れた。

テスト条件 被削材：　５５０Ｃ（Ｈａ　＝２３０）切削速度：１２
０ｍ／分、湿式（水溶性切削油）送り速度：　０．　１
５ｍｍ／　ｒ　ｅ　ｖ。

深さ：３５ｍｍ 判定基準：寿命まで加工後、その刃先状況などを観察す
る。

寿命：通常、外周面送画の摩耗量が０．　２ｍｍ以上に
なったときとする。

上記のドリル性能評価テストの結果は第２表に示される
。第２表を参照して、まず、本発明品ＡおよびＢと比較
量ＣおよびＤとの比較において、比較量Ｃは、切刃部を
構成するサーメットの靭性が劣化し、刃先部に欠けが生
じた。

また、本発明品ＡおよびＢと比較量りおよびＥとの比較
において、比較量りおよびＥはシャンク強度に劣り、シ
ャンク部か折損した。

本発明品ＡおよびＢと比較量Ｆ、　Ｇとの比較において
、比較量Ｆ、　Ｇはサーメットの靭性が不足し、ドリル
の刃先が欠けた。

さらに、参考のために現在使用されているコーティング
ハイスあるいはコーティング超硬ドリルも併せて本性能
試験が行なわれた。これらのドリルと本発明品Ａ、　　
Ｂのドリルとの比較において、本発明品のドリルの性能
が優れていることは明らかである。

なお上記実施例の本発明品および比較量の接合方式は、
いずれも第２図の方式によったものであるが、第１Ａ図
〜第１Ｃ図に示す方式でも同じ傾向の結果が得られるこ
とが実験的に確認されている。

（以下余白） ［発明の効果］ 以上のように、本発明においては、ドリルの刃先部に耐
摩耗性、耐凝着性あるいは耐熱亀裂性（耐チッピング性
）に優れる特定の組成を有するサーメット合金を用い、
ドリルのシャンク部に靭性に富むＷＣ超硬合金を用いて
、これらの両者を機械的に接合させることによってドリ
ルを形成している。したかって、突発的な折損などが発
生することのない高い信頼性、長い寿命および高い品質
を有する焼結硬質合金製ドリルが折代され得る。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は２枚刃のスローアウェイ式ドリルの一例を示
す正面図、第１Ｂ図はその右側面図、第１Ｃ図はそのチ
ップを拡大して示す斜視図である。 第２図は、本発明の焼結硬質合金製ドリルに適用した、
１枚刃のねじ止め式スローアウェイドリルの分解斜視図
である。 第３図は、この発明に従ったドリルの切刃部を構成する
サーメット合金において硬質分散層の粒度分布を示す分
布図である。 第４図は、一般的なツイストドリルを示す構藏図である
。 第５図は、ドリルの代表的な損傷部位を示すしである。 図において、１，１１，３１ａ、３１ｂは切ヲ部、２，
１２．３２はシャンク部である。 く ワ 第１Ａ図 第１巳図 第 １０図 第 図 １２　二　；７・τ・ン２ｑ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被削物を切削するための切刃部と、切削機械の所定位置
   に取付けるためのシャンク部とを備えた焼結硬質合金製
   ドリルにおいて、 前記切刃部は、 チタンと、チタンを除く周期律表第IVａ、ＶａおよびV
   Iａ族金属の１種以上の炭化物、窒化物および複炭窒化
   物のいずれかを主成分とする第１の硬質分散相と、ニッ
   ケルとコバルトとを主成分とする第１の結合金属相とか
   らなるサーメットより構成され、 前記第１の硬質分散相の組成が、（ＴｉａＭｂ）（Ｃｃ
   Ｎｄ）［但し、ＭはＴｉを除く周期律表第IVａ、Ｖａお
   よびVIａ族金属の１種以上であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモ
   ル分率を示し、ａ＋ｂ＝１、ｃ＋ｄ＝１、０．５≦ａ≦
   ０．９５、０．１≦ｄ≦０．７］で表わされ、前記第１
   の硬質分散相は、その平均粒径が０．２μｍ以上０．６
   μｍ以下の微粒子群と、その平均粒径が１μｍ以上３μ
   ｍ以下の粗粒子群とを少なくとも備え、前記微粒子群の
   前記粗粒子群に対する体積比が０．３以上３以下であり
   、 前記第１の結合金属相は、前記サーメット中に占める割
   合が５重量％以上３０重量％以下であり、前記シャンク
   部は、 前記切刃部と分離可能に機械的に接合されるとともに、
   ＷＣ粒子の第２の硬質分散相とＣｏを含有する第２の結
   合金属相とからなる超硬合金より構成され、 前記第２の硬質分散相の平均粒径は、０．７μｍ以下で
   あり、前記第２の結合金属相は、前記超硬合金中に占め
   る割合が１３体積％以上３０体積％以下であることを特
   徴とする、焼結硬質合金製ドリル。