CN102886552A

CN102886552A - 润滑特性和耐磨性优异的表面包覆钻头

Info

Publication number: CN102886552A
Application number: CN2012102533923A
Authority: CN
Inventors: 田中耕一; 田中裕介
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: CN102886552B

Abstract

本发明提供一种即使在湿式高速深孔用钻头加工条件下也长时间维持较高耐磨性的润滑特性和耐磨性优异的表面包覆钻头。本发明的表面包覆钻头，由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且平均层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层直接或经中间层存在于由硬质合金烧结体或高速钢构成的钻头基体上的最表面，其中，（a）Al在钻头边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x的值在0.1以上0.6以下的范围内，存在x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，且（b）高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，且（c）高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70。

Description

润滑特性和耐磨性优异的表面包覆钻头

技术领域

本发明涉及一种长时间维持优异的润滑特性和耐磨性的表面包覆钻头，其在钻头主体的前端部外周形成排屑槽，并且在该排屑槽的朝向钻头旋转方向的内周面的前端设置切削刃，主要用于对由金属材组成的加工件进行钻孔加工。

背景技术

作为这种钻头已知有如下所谓的双刃整体式钻头：以轴线为中心绕该轴线向钻头旋转方向旋转的大致圆柱状钻头主体的前端侧成为切削刃部，1对排屑槽在该切削刃部的外周以关于轴线相互对称的方式形成为随着从该切削刃部的前端面即钻头主体的前端后刀面朝向后端侧绕轴线向钻头旋转方向的后方侧扭曲的螺旋状，并在这些排屑槽的内周面中朝向钻头旋转方向的部分的前端侧的与所述前端后刀面的交叉棱线部形成有切削刃。因此，在这种整体式钻头中，所述排屑槽内周面的朝向钻头旋转方向的部分的前端侧成为该切削刃的前刀面，通过切削刃生成的切屑从该前刀面滑动接触排屑槽的内周面的同时，通过该排屑槽的扭曲送出至后端侧并被排出。而且，在这种钻头中为了提高钻头主体的耐磨性进一步采用各种方法。

例如，专利文献1中公开有通过形成具有如下成分浓度分布结构的硬质包覆层来提高耐磨性的表面包覆钻头：在厚度方向上隔着规定间隔交替反复存在Al最高含有点（Ti最低含有点）和Al最低含有点（Ti最高含有点），且Al（Ti）含量从所述Al最高含有点向Al最低含有点、从所述Al最低含有点向Al最高含有点连续发生变化。

并且，专利文献2中公开有如下表面包覆钻头：通过从切削刃的外周端朝向后端侧相对切削刃的外径D将硬质包覆层包覆至3×D以内的长度M的范围，来防止产生切屑堵塞而不会产生折损等。

并且，专利文献3中公开有如下表面包覆钻头：通过在排屑槽的内周面包覆硬质包覆层之后实施抛光加工，来防止产生切屑堵塞而不会产生折损等。

并且，专利文献4中公开有如下表面包覆钻头：在基材表面具备由最外层和内层构成的包覆层，最外层由氮化铝或碳氮化铝构成，最外层中含有大于0且0.5原子%以下的氯，从而具有优异的润滑性且使用寿命较长。

并且，专利文献5中公开有如下表面包覆钻头：通过具备最表层由CrOy（以原子比计为0.3≤y≤1.5）构成且膜厚为0.01～2.0μm的硬质包覆层，来提高耐凝结性或耐熔敷性。

并且，专利文献6中公开有一种表面包覆切削工具，所述表面包覆切削工具在工具基体的表面蒸镀形成有层厚为0.8～5.0μm的由Cr与Al的复合氮化物构成的硬质包覆层，其特征在于，该硬质包覆层构成为由Cr与Al的复合氮化物的粒状晶组织构成的薄层A和由柱状晶组织构成的薄层B的交替层叠结构，薄层A及薄层B分别具有0.1～2μm的层厚，并且，构成上述薄层A的粒状晶的平均晶粒径为30nm以下，而且构成上述薄层B的柱状晶的平均晶粒径为50～500nm，并且还公开这样一种表面包覆工具，由组成式（Cr_1-XAl_X）N表示上述Cr与Al的复合氮化物时，满足0.55≤X≤0.75（其中X为原子比）。

专利文献1：日本专利公开2003-326402号公报

专利文献2：日本专利公开2003-275909号公报

专利文献3：日本专利公开2003-275910号公报

专利文献4：日本专利公开2005-297144号公报

专利文献5：日本专利公开平8-132310号公报

专利文献6：日本专利公开2010-94744号公报

近年来钻头加工装置的自动化显著，并且对钻头加工的节省劳力化、节能化、低成本化以及效率化的要求也强烈，伴随此存在要求高进给、高切深量等方面更高效的深孔用钻头加工的趋势，但是现状为如下：在所述以往表面包覆钻头中，在通常条件下对各种钢或铸铁进行钻头加工时不会产生特别的问题，但是在需要润滑特性和耐磨性且切屑易堵塞钻头的排屑槽的湿式高速深孔用钻头加工中使用时，因切屑易堵塞排屑槽而在比较短时间内达到使用寿命。

因此，本发明人等从如上述的观点考虑，为了提供即使在湿式高速深孔用钻头加工中使用时也长时间维持优异的润滑特性和耐磨性的表面包覆钻头，着眼于由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且层厚为0.3～5μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层存在于钻头的最表面层的表面包覆钻头的粒径组成控制层的结构进行深入研究的结果，得到了如下见解。

（a）就Al在钻头边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x而言，x的值在0.1～0.6的范围内，在所述粒径组成控制层中分别包含至少1层以上x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，

（b）高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，

（c）高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70时，发现与以往的表面包覆钻头相比，具备这种硬质包覆层的表面包覆钻头在湿式高速深孔加工中表现出优异的润滑特性/耐磨性及耐崩刀性。

并且发现当如下构成时，进一步提高润滑特性、耐磨性及耐崩刀性，即，高含Cr区域的平均层厚X_Cr在30～200nm的范围内，且高含Al区域的平均层厚X_Al在30～200nm的范围内，并且，钻头边缘部的X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且钻头边缘部的X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少。

如前述的硬质包覆层能够通过如下形成，即将钻头基体安装在图1的概要说明图中所示的作为物理蒸镀装置的1种的利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置中，在

钻头基体温度：400～430℃、

蒸发源1：金属Cr、

对蒸发源1的等离子枪放电电力：9～11kW、

蒸发源2：金属Al、

对蒸发源2的等离子枪放电电力：7～8kW、

反应气体流量：氮（N₂）气80～100sccm、

放电气体：氩（Ar）气30～35sccm、

外加于钻头基体的直流偏压：-15～-10V

这样的特定条件下，并且以朝向旋转中心的方向固定钻头基体的前端，从炉床装载面的法线倾斜0度或35～55度来设置旋转轴，在公转的钻头基体所通过的圆周与Cr炉床的距离比公转的工具基体所通过的圆周与Al炉床的距离还短、即在空间中的Cr量相对较高的区域中调整为较快的成膜速度、在Al量相对较高的区域中调整为较慢的成膜速度的状态下，并且，按照X_Cr及X_Al的目标层厚，设为其公转速度在最接近Cr炉床的位置最大且在最接近Al炉床的位置最小的三角波状的速度控制模式。其结果，发现具备已形成的硬质包覆层的表面包覆钻头与以往的表面包覆钻头相比，在湿式高速深孔加工中显示出优异的润滑特性及耐磨性。

发明内容

本发明是根据上述见解而完成的，其具有如下特征：

“（1）一种长时间维持高耐磨性的表面包覆钻头，由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层直接或经中间层存在于由硬质合金烧结体或高速钢构成的钻头基体上的最表面，其特征在于，

（a）Al在所述钻头的边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x的值在0.1以上0.6以下的范围内，在所述粒径组成控制层中分别包含至少1层以上x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，

（b）所述高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，并且，

（c）所述高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70。

（2）如（1）所述的表面包覆钻头，其特征在于，所述高含Cr区域的平均层厚X_Cr在30～200nm的范围内，并且，所述高含Al区域的平均层厚X_Al在30～200nm的范围内，并且钻头边缘部的X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且钻头边缘部的X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少。”

以下对本发明进行说明。

在本发明的表面包覆钻头的钻头基体上直接或者经中间层形成由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层。其中，若硬质包覆层的层厚小于0.3μm，则无法维持所希望的耐磨性，另一方面，若超过5μm，则产生皮膜的崩刀等。因此，硬质包覆层的层厚规定为0.3～5.0μm。

并且，在硬质包覆层的组成（Cr_1-XAl_X）N中，若Al的含有比率x的值小于0.1，则Al的耐磨性不充分，若超过0.6，则变成六方晶组织，因此无法维持NaCl型结晶所具有的强度。因此，Al的含有比率x的值规定为0.1～0.6。

并且，高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A的值若超过5，则无法实现粒状组织所具有的稳定的切削性能。另一方面，由于平均纵横尺寸比A的值为各晶粒的长边除以短边的值的平均值，因此不会小于1。因此，平均纵横尺寸比A的值规定为1～5。

并且，高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B的值若小于10，则无法实现柱状组织所具有的耐磨性。另一方面，平均纵横尺寸比B的值若超过70，则无法维持相对于剪切力的抗弯强度。因此，纵横尺寸比B的值规定为10～70。

高含Cr区域的平均层厚X_Cr及高含Al区域的平均层厚X_Al的值若小于30nm，则无法发挥各自所具有的润滑特性及耐磨性。另一方面，若X_Cr超过200nm，则与高含Al区域相比，耐磨性较差的高含Cr区域的比例相对变大，容易在高含Cr区域中产生破坏，因此无法维持所希望的工具性能，并且，若X_Al超过200nm，则导入于高含Al区域的压缩应力的累计值变得过大，成为皮膜崩刀的原因。因此，X_Cr及X_Al的值规定为30～200nm。

另外，本发明中所说的“纵横尺寸比”是指作为表示各个晶粒的经测定的最大径的线段的长边值除以相对于长边表示垂直方向的最大径的短边值的值。而且，平均纵横尺寸比是经测定的5个晶粒的纵横尺寸比的平均值。

并且，“从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域”是指与钻头的中心轴平行地以钻头切削刃部前端为起点向后方即刀柄的方向计量时，与钻头中心轴垂直的平面内的最大直径的5倍长度的区域。

并且，在同一测定区域中在膜厚方向上存在多个高含Cr区域或多个高含Al区域时，将各自的平均值设为X_Cr、X_Al。

本发明的表面包覆钻头具有如下特征：一种表面包覆外头，由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层直接或经中间层存在于由硬质合金烧结体或高速钢构成的钻头基体上的最表面，其中，（a）Al在所述钻头的边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x的值在0.1以上0.6以下的范围内，存在x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，（b）所述高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，并且，（c）所述高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70，从而长时间维持较高的润滑特性、耐崩刀性及耐磨性。

并且，本发明能够通过如下形成来更进一步提高耐磨性：高含Cr区域的平均层厚X_Cr在30～200nm的范围内，且高含Al区域的平均层厚X_Al在30～200nm的范围内，并且，钻头边缘部的X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且钻头边缘部的X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少。

即，一般的深孔加工中，在力学负载较大且同时要求较高的耐热性的前端部，相对于高含Cr区域以较大的比例，以柱状组织构成具有较高的Al含有比率的高含Al区域，从而长时间维持较高的耐磨性。另一方面，在比力学负载更要求滑动特性或稳定的磨损形态的排屑槽或钻头后方的边缘部，为了进一步发挥CrN所具有的润滑特性而以纵横尺寸比较低的粒状组织构成具有较高Cr含有比率的高含Cr区域，从而能够以维持最低限度的耐磨性的状态长时间维持较高的润滑特性。并且同时通过向膜厚方向层状层叠这些区域，从而主要在以柱状组织构成的高含Al区域产生的向膜厚方向进展的龟裂的进展方向通过高含Cr区域的微细粒状组织分散，能够提高皮膜的耐冲击性。并且，X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少，从而从要求耐磨性的前端部附近遍及要求润滑特性的工具后方均衡地显现两者的效果，进而能够延长工具寿命。

并且，根据本发明，组成比率和纵横尺寸比向膜厚方向连续发生变化，或者X_Al、X_Cr向钻头轴向逐渐发生变化，从而实现比由喷砂后处理或掩模方式进行非连续性处理的以往技术更加极其稳定的切削，且实现长寿命化。根据一般的制造方法，即使改变Al的含有比率x，粒状组织或柱状组织也不会因Al的含有比率x被支配性地发生变化，但根据本制法，将基体旋转机构及Cr蒸发源、Al蒸发源设为极其特别的配置，且实现特定成膜速度分布及成膜时在基体表面的Cr离子或Al离子的特定密度分布，从而能够以能够控制的状态制造本发明的表面包覆钻头。

附图说明

图1表示用于蒸镀形成本发明的表面包覆钻头的硬质包覆层（粒径组成控制层）的利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置的概要图。

图2表示本发明的表面包覆钻头的硬质包覆层（粒径组成控制层）的截面示意图。

图3表示用于蒸镀形成以往包覆钻头的电弧离子镀装置的概要图。

具体实施方式

接着，通过实施例对本发明的表面包覆钻头进行具体说明。

[实施例]

作为原料粉末，准备平均粒径0.8μm的WC粉末、平均粒径2.3μm的Cr₃C₂粉末、平均粒径1.5μm的VC粉末及平均粒径1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别配合成表1所示的配合组成，另外加入石蜡并在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，在100MPa压力下冲压成型为规定形状的各种压坯，在6Pa的真空气氛中，以7℃/分钟的升温速度将这些压坯升温至1370～1470℃范围内的规定温度，在该温度下保持1小时之后，在炉冷条件下进行烧结来形成钻头基体形成用圆棒烧结体，进而通过磨削加工从所述圆棒烧结体分别制造出具有槽形成部的直径×长度为10mm×80mm的尺寸以及扭曲角为30度的双刃形状的WC基硬质合金制钻头基体D-1～D-4。

接着，对这些钻头基体D-1～D-4的切削刃实施刃口修麿，在丙酮中超声波清洗，在干燥的状态下安装在图1概要图所示的作为物理蒸镀装置的1种的利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置，在

钻头基体温度：400～430℃、

蒸发源1：金属Cr、

对蒸发源1的等离子枪放电电力：9～11kW、

蒸发源2：金属Al、

对蒸发源2的等离子枪放电电力：7～8kW、

反应气体流量：氮（N₂）气80～100sccm、

放电气体：氩（Ar）气30～35sccm、

外加于钻头基体的直流偏压：-15～-10V

这样的表2所示的特定条件下，以朝向旋转中心的方向固定钻头基体前端，针对本发明包覆钻头1～15，使其以公转旋转轴从炉床装载面的法线倾斜0度的状态进行旋转，针对本发明包覆钻头16～30，使其以倾斜35～55度的状态进行旋转，并以转速在最接近Cr炉床的位置最大且在最接近Al炉床的位置最小的三角波状的速度控制形式进行反应性蒸镀，从而分别制造出形成有具有表2所示的组成及表4、5所示的目标层厚、平均纵横尺寸比的粒径组成控制层的本发明表面包覆钻头1～30。

并且，以比较为目的，对所述钻头基体D-1～D-4的表面实施刃口修麿，在丙酮中超声波清洗，在干燥状态下，在如图3所示的将Cr-Al合金作为靶安装的电弧离子镀装置内将钻头基体以在垂直方向固定的状态保持并使其自转，同时使其以该铅垂方向的轴为旋转中心轴公转，并且在

钻头基体温度：410～420℃、

靶1：Cr-Al合金、

对靶1的电弧放电电流：80～140A、

靶2：Cr-Al合金、

对靶2的电弧放电电流：60～120A、

反应气体压力：氮（N₂）气6～10Pa、

外加于钻头基体的直流偏压：-25～-5V

这样的条件下，蒸镀形成以往包覆层，分别制造出在钻头基体D-1～D-4的表面形成有具有表3所示的组成及表6所示的目标层厚、平均纵横尺寸比的以往层的比较表面包覆钻头1～8。

接着，对所述本发明表面包覆钻头1～30及比较表面包覆钻头1～8进行

工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：80mm的JIS·SC55（HB260）的板材、

切削速度：130m/min.、

进给速度：0.30mm/rev.、

孔深度：50mm

的条件下的合金钢的湿式高速钻深孔切削加工试验（通常，加工孔深度5D的切削速度及进给速度分别为110m/min.及0.20mm/rev.），对前端切削刃面的后刀面摩损宽度达到0.3mm或达到工具缺损为止的钻孔加工数进行了测定。该测定结果分别示出于表4、5、6。

[表1]

其结果，利用扫描型电子显微镜对构成所得到的本发明表面包覆钻头1～30的硬质包覆层的粒径组成控制层以及构成比较表面包覆钻头1～8的硬质包覆层的以往层的平均层厚进行截面测定，结果均显示出实际上与目标层厚相同的平均值（5处的平均值）。

并且，通过聚焦离子束加工装置将本发明表面包覆钻头1～30、比较表面包覆钻头1～8向层厚方向加工成高度：相当于层厚的2倍×宽度：5μm×厚度：100nm的薄片之后，在观察加速电压200kV的条件下，利用透射式电子显微镜（JEM-2010F）观测构成本发明表面包覆钻头1～30的硬质包覆层的粒径组成控制层及构成比较表面包覆钻头1～8的硬质包覆层的以往层的粒径组织之后，从薄片的宽度方向上的中心线与钻头基体的交叉点与钻头基体大致垂直地朝向皮膜表面的方向，以10nm的间隔测定组成，确认在各点的组成具有实际上与表2、3所示的目标组成范围相同的组成范围，并且进一步测定Al的含有比率x为0.1以上0.2以下的高含Cr区域的平均层厚X_Cr及高含Cr区域中所含的由（Cr_1-xAl_x）N的成分系构成的各晶粒的长边及短边，计算平均纵横尺寸比A，同样测定Al的含有比率x为0.3以上0.6以下的高含Al区域的平均层厚X_Al及高含Al区域中所含的由（Cr_1-xAl_x）N的成分系构成的各晶粒的长边及短边，计算平均纵横尺寸比B，将各个结果示于表4、5、6。另外，这里所说的长边是指表示晶粒中的最大长度的线段的长度，短边表示与长边垂直的线段中具有最大长度的线段的长度，纵横尺寸比为所述长边除以所述短边的值。

从表2、4、5所示的结果可知，本发明表面包覆钻头在最表面形成有由（Cr_1-xAl_x）N的成分系构成的粒径组成控制层，其平均层厚为0.3～5μm，Al在钻头边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x在0.1～0.6的范围内，存在x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，且高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70，由此可得到长时间维持优异的润滑特性和耐磨性的表面包覆钻头。

另外，高含Cr区域的平均层厚X_Cr在30～200nm的范围内，并且，高含Al区域的平均层厚X_Al在30～200nm的范围内，钻头边缘部的X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且钻头边缘部的X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少，由此可得到进一步长时间维持优异的润滑特性和耐磨性的表面包覆钻头。

与此相对，从表3、6所示的结果可知，在没有硬质包覆层的Cr和Al各自的高含区域或者具有Cr和Al各自的高含区域的平均纵横尺寸比及平均层厚未被控制在规定范围内的以往层的比较表面包覆钻头中，由于润滑特性及耐磨性不充分，所以因崩刀、缺损、剥离的产生等，在较短时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

如前述，本发明的表面包覆钻头中，由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且平均层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层直接或经中间层存在于由硬质合金烧结体或高速钢构成的钻头基体上的最表面，Al在钻头边缘部的粒径组成控制层的膜截面中的含有比率x的值在0.1以上0.6以下的范围内，在粒径组成控制层中分别包含至少1层以上x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，且高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70，从而具备有优异的润滑特性，并且，该优异的润滑特性即使在湿式高速深孔用钻头加工条件下也长时间维持较高的耐磨性。

Claims

1.一种长时间维持高耐磨性的表面包覆钻头，由（Cr_1-XAl_X）N的成分系构成且平均层厚为0.3～5.0μm的硬质包覆层作为粒径组成控制层直接或经中间层存在于由硬质合金烧结体或高速钢构成的钻头基体上的最表面，其特征在于，

a）所述钻头的边缘部的粒径组成控制层的Al含有比率x的值在0.1以上0.6以下的范围内，在所述粒径组成控制层中分别包含至少1层以上x的值为0.2以下的层状高含Cr区域和x的值为0.3以上的层状高含Al区域，并且，

b）所述高含Cr区域中的晶粒的平均纵横尺寸比A为1～5，并且，

c）所述高含Al区域中的晶粒的平均纵横尺寸比B为10～70。

2.如权利要求1所述的表面包覆钻头，其特征在于，

所述高含Cr区域的平均层厚X_Cr在30～200nm的范围内，且所述高含Al区域的平均层厚X_Al在30～200nm的范围内，并且，钻头边缘部的X_Cr在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐增加，且钻头边缘部的X_Al在从钻头前端至钻头外径的5倍距离的区域中逐渐减少。