JP2000296405A

JP2000296405A - 複合材製ドリル

Info

Publication number: JP2000296405A
Application number: JP11105556A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】表面が硬く耐摩耗性を有する一方、内部が高靱
性を有する複合材製ドリルを提供することを可能にす
る。【解決手段】ドリル１０を構成する刃部１２は、刃先先
端１６から複数の切刃１８を有している。この刃部１２
のドリル内部に金属リッチな金属部２０が設けられ、ド
リル表面にセラミックスリッチなセラミックス部２２が
設けられ、これらの間にドリル内部からドリル表面に向
かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス成分
と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製ドリル
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種の機械加工分野において、
ドリルを用いた穿孔加工が行われている。この種の加工
作業中には、ドリルに対して種々の応力が作用してい
る。例えば、切削材に押し付け力を付与する際の圧縮応
力、食い付き部や切削部に作用する引っ張り応力、さら
に加工を行う部分と加工に使用されない部分との間の引
っ張り応力等が挙げられる。このため、ドリルによる切
削加工が、実際上、不安定となり易く、刃先チッピング
や欠損、折損、あるいは、加工穴の寸法精度の低下が惹
起されるおそれがあり、高硬度、高強度および高靱性を
有するドリルが要求されている。そこで、通常、ドリル
の材質として、高速度鋼や超硬等が広く採用されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速度
鋼は、高強度および高靱性を有するものの、耐摩耗性や
圧縮強度および剛性に問題がある一方、超硬は、高剛
性、高硬度および高圧縮強度を有するものの、靱性に問
題がある。言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させよ
うとすると靱性や強度が劣化する一方、強度や靱性を向
上させようとすると剛性や硬度が低下してしまい、特に
高速加工および高負荷に耐え得るドリルを製作すること
は、現実的には極めて困難なものとなっている。

【０００４】その際、超硬材や高速度鋼に硬質被膜コー
ティング等の表面処理を施す工夫がなされているが、ド
リル刃先の精度が低下するとともに、高負荷応力下や高
温下では被膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に供す
ることができなかった。

【０００５】そこで、実際に切削加工を行うドリル表層
近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、ドリル
内部が高強度を有するドリルの開発を検討したところ、
本出願人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１
２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉
末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用
することを見い出した。

【０００６】すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部
に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機
能を有する複合材製ドリルを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る複合材製ド
リルでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材
で構成されるとともに、ドリル内部からドリル表面に向
かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸
減している。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬
度、強度および靱性とには相関があり、金属成分の割合
が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、
硬度、耐摩耗性および剛性等が向上するものの脆くなっ
てしまう。一方、この脆さを改善するために、金属成分
の割合を多くすると、強度および靱性は向上するもの
の、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。

【０００８】そこで、実際に加工を行うドリル表面側を
高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、内部を高靱性で高
強度を有する物性とするとともに、前記表面側と前記内
部側との間の組成や物性が緩やかに変化するようにすれ
ば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えつつ、寸法
精度の高い鋭利な刃先を有するドリルを得ることができ
る。

【０００９】このため、ドリル表面近傍のセラミックス
粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部
に向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成長に
伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、
実際に加工を行うドリル表面部分の組成がセラミックス
リッチで高耐摩耗性を有し、ドリル内部が金属リッチで
高強度および高靱性を有するとともに、ドリル内部にお
ける応力集中を有効に減少させることが可能になる。

【００１０】また、実際に切削を行うドリル表面近傍を
セラミックスリッチとし、粒子を粗大化しているため
に、切削加工時にこのドリル表面近傍に発生する熱の伝
達および拡散性が向上する。従って、熱に伴うマイクロ
クラックの発生を防止して、これにより生ずるチッピン
グや構成刃先を改善したため、切削性能が大きく向上す
ることになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る複合材製ドリル１０の一部断面側面図であり、図
２は、前記ドリル１０の縦断面正面図である。

【００１２】ドリル１０は、ツイストドリルを構成して
おり、刃部１２とシャンク部１４とを一体的に備えてい
る。刃部１２には、刃先先端１６から複数、例えば、２
つの切刃１８が所定のねじれ角を有して軸方向（矢印Ａ
方向）に設けられている。ドリル１０は、セラミックス
成分と金属成分とを含む複合材で構成されており、ドリ
ル内部に金属リッチな金属部２０が設けられるととも
に、ドリル表面にはセラミックスリッチなセラミックス
部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２
との間には、ドリル内部からドリル表面に向かうに従っ
て金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられてい
る。

【００１３】金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の
中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じ
てクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍ
ｎ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等
が混入される。複合材中の金属成分の割合は、３ｗｔ％
〜１５ｗｔ％、より好ましくは、５ｗｔ％〜１０ｗｔ％
の範囲内に設定される。

【００１４】金属成分が３ｗｔ％未満では、金属量が少
なくなり過ぎてドリル１０が脆くなり、現実的に使用す
ることができないものとなってしまう。金属成分が３ｗ
ｔ％以上であると、ドリル１０の表面側の金属成分の割
合を１ｗｔ％以下とすることができ、ドリル内部には相
対的に８ｗｔ％程度の金属成分を集積することが可能に
なり、実用に供することができる。なお、素材を焼結し
た後、刃付け等の加工を施してドリル１０を製造する際
には、その刃先強度をも考慮する必要があり、金属成分
の割合を５ｗｔ％以上にすることが望ましい。

【００１５】ここで、セラミックス粒子として２μｍ前
後の粉末原料を用いた場合、ドリル表面近傍の粒子は、
添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等
により変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長する。
ドリル１０において、切刃１８の強度が要求される際に
は、３倍〜６倍程度まで成長させる一方、主に耐摩耗性
が要求される際には、１０倍〜２０倍程度まで成長させ
る。このとき、ドリル１０の表面近傍の金属成分の割合
は１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度であり、このドリル１０の内
部の金属成分の割合は成長度合いや傾斜部２４の厚み等
により変化し、例えば、表面近傍で５ｗｔ％の場合、内
部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至はそれ以上となる。

【００１６】金属成分の割合は、上限が１５ｗｔ％、よ
り好ましくは１０ｗｔ％に設定される。例えば、ブロー
チ盤等における加工や深穴加工では、ガンドリルや長尺
なドリル１０が用いられ、高剛性と高強度が要求される
とともに、特に、大きな引っ張り強度が要求される。こ
の場合、含有する金属成分の量を増加して折損等を回避
しようとする際、金属成分の割合が１５ｗｔ％以上にな
ると、耐摩耗性が劣化するおそれがある。

【００１７】また、金属成分の割合が１５ｗｔ％に設定
され、表面近傍で金属成分が５ｗｔ％程度のドリル１０
において、ＨＲＡ９３程度の硬度を確保しようとした場
合、前記ドリル１０の直径が２５ｍｍ程度の大きさであ
れば、ドリル中央部の金属成分が２０ｗｔ％以上程度と
なって、高速度鋼に近い靱性を有して機能的には十分で
ある。

【００１８】なお、直径が１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度のド
リル１０において、上記のようにドリル中央部の金属成
分の量を２０ｗｔ％以上程度にするためには、複合材中
の前記金属成分の割合を１０ｗｔ％に設定すればよく、
これ以上の割合で金属成分を添加しても強度や靱性に寄
与することがなく、ドリル１０全体の剛性が低下してし
まう。

【００１９】ドリル１０の傾斜部２４の厚さは、数１０
０μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。ドリ
ル１０では、金属成分の量と熱伝導および粒子の大きさ
と熱伝導に相関があり、発生する熱応力が熱伝達の勾配
になるため、傾斜部２４の厚さが変化することにより熱
応力そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが数μｍ〜
数１０μｍでは、発生する熱応力や加工時の応力の緩和
量が小さく、金属成分の割合を好適にコントロールした
としても所望の効果を得ることができない。

【００２０】一方、傾斜部２４の厚さを大きく設定する
ことが考えられるが、ドリル１０が大径なものとなって
しまう。実用上のドリル１０の直径が２５ｍｍ程度以下
であるため、傾斜部２４の厚さの上限を１０ｍｍに設定
する。

【００２１】ドリル１０を構成する複合材中のセラミッ
クス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン
（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ₂Ｃ）、炭化タン
タル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム
（Ｃｒ₃Ｃ₂）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から
選択される少なくとも一種以上を主体とするものであ
り、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種
々のものをその一部に添加してもよい。

【００２２】セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋Ｔ
ｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦
９７ｗｔ％に設定される。これらのセラミックス成分
は、ドリル１０による切削時に実際に切削を行う切刃１
８を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐蝕性等の
性質を備えている。セラミックス量が９７ｗｔ％を超え
ると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は十分
であるものの、強度および靱性が低くなって実用に供す
ることが難しい。

【００２３】一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％未満
では、金属成分が多くなりすぎ、ドリル１０のドレス後
の使用等においては、耐摩耗性が著しく劣化する場合が
ある。ドリル１０の表面硬度は、ＨＲＡ８８以上であ
る。この値未満では、ドリル１０の切刃１８に金属成分
の露出割合が多くなり、被削材との摩擦係数（μ）が高
くなって発熱の増大を招き、前記被削材の加工表面が粗
くなるとともに、前記ドリル１０の切刃１８自体の損耗
が大きくなってしまう。

【００２４】このように、第１の実施形態に係るドリル
１０では、高速度鋼に比べて物性的にも有利であり、加
工精度および加工面が有効に向上することになる。しか
も、ドリル１０の交換頻度が少なくなり、長期間にわた
って良好に使用することが可能になる。また、ドリル１
０では、粒成長剤を適宜選択することにより、例えば、
金属成分としてニッケルが使用される場合、前記ドリル
１０の表面硬度がＨＲＡ９４、さらにＨＲＡ９８にな
り、硬質セラミックス被膜コーティングを施した以上の
値が得られる。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施形態に係る複
合材製ドリル（油穴付ドリル）１０ａの一部断面側面図
であり、図４は、本発明の第３の実施形態に係る複合材
製ドリル１０ｂの一部断面側面図である。なお、第１の
実施形態に係るドリル１０と同一の構成要素には同一の
参照数字に符号ａおよびｂを付して、その詳細な説明は
省略する。

【００２６】ドリル１０ａ、１０ｂでは、ドリル内部に
金属部２０ａ、２０ｂを有するとともに、ドリル表面に
セラミックス部２２ａ、２２ｂを設け、これらの間に傾
斜部２４ａ、２４ｂが構成されている。従って、高速度
鋼や超硬で構成されるドリルに比べ、高速加工が容易に
遂行される等、第１の実施形態に係るドリル１０と同様
の効果が得られる。実施例１実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タング
ステン（ＷＣ）粉末を８９ｗｔ％、平均粒径が２μｍの
炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．
４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、およ
び、コバルト（Ｃｏ）粉末を８ｗｔ％の割合で、有機溶
媒を媒液としてボールミルを用いて７２時間十分に混合
した。この混合物を液分が９％になるように調製した
後、成形用バインダの影響を回避するためにバインダレ
スで、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成
形圧力にて外接円がφ２５ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を
成形した。

【００２７】成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐ
ａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃
で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時にお
ける崩壊を防止した。さらに、仮焼成体の均質性を向上
させるため、焼成後にφ１５ｍｍになるように切削加工
が施された。次いで、１０％濃度のＮｉ塩水溶液中に仮
焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風乾燥炉
で乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ濃度の傾斜
化を図った。

【００２８】一方、上記の基礎物性において、Ｎｉ濃度
を同一としながら、コバルト量を炭化タングステン量の
制御によって増減させ、仮焼成体をＮｉ塩水溶液中に浸
漬するとともに、粉体中に埋設して乾燥させることによ
り均質体を得た。

【００２９】これらを十分乾燥させた後、窒素流通下で
５０Ｐａ、１４００℃の温度で１時間保持して焼結処理
を施した。その際、基礎物性として、焼結体の表面から
の距離と硬度および靱性との関係が図５に示されてい
る。

【００３０】ここで、傾斜機能領域は約７ｍｍであり、
表面の高硬度均質層の厚さは約０．３ｍｍであり、硬度
はＨＲＡ９３であった。図５に示す市販材の同等製品で
は、硬度がＨＲＡ９０．５程度であり、この市販材に比
べて、実施例１の硬度が非常に高い値となった。また、
靱性は、同一試験条件下の測定において市販品の７ＭＰ
ａｍ^1/2に比べ、内部がその２倍近い値となった。

【００３１】さらに、実施例１で得られた焼結体の断面
を顕微鏡を用いて観察し、その粒子の大きさを測定した
ところ、図６に示す結果が得られた。これにより、焼結
体の表面近傍の粒子は、内部に比べて３〜４倍程度の大
きさに成長していることが判った。

【００３２】図７は、均質体組成としたときのコバルト
量と強度の関係を、粒成長剤の含浸の有無により比較し
たものである。これによれば、含浸操作を行うことによ
り、含浸物がセラミックス粒子の成長を促進するととも
に、バインダの役割を担うコバルトと密接に結合し、強
度の改善が見られた。すなわち、セラミックス粒子と金
属とが従来以上に密接に結合し、強度の改善効果が高く
なった。これにより、実施例１で得られた焼結体の各性
質は、超硬を凌ぐものであり、ドリルとしての性能が飛
躍的に向上するという効果が得られる。実施例２実施例２では、実施例１に従って成形された焼結体を用
いて、図８に示すドリル４０が製造された。このドリル
４０は、直刃型の形状を有している。具体的には、実施
例１と同様の組成の複合材を用いて成形体を成形し、こ
の成形体を仮焼成した後、仮加工しておき、１０％濃度
のＮｉ塩水溶液に浸漬し、乾燥後に同一条件で焼成処理
を施した。焼成処理後、刃付け加工等を行ってドリル４
０を製作した。比較工具として、市販の超微粒子超硬材
を同一加工条件および同一刃付け条件にて製作し、アル
ミ加工ラインでそれぞれの性能を比較する実験を行っ
た。被削材は、高シリコン含有のアルミニウム合金ＡＤ
Ｃ１２相当材であった。

【００３３】そのテスト結果が、図９に示されている。
市販超硬材では、耐摩耗性および強度等が高いにもかか
わらず、５０００穴を経過した時点で既に構成刃先の形
成が見られ、１００００穴ではチッピングにより刃先の
欠け等も確認された。そして、この時点で加工された穴
精度は相当に劣化しており、その後は摩耗によって刃先
に欠けが発生してしまった。これに対して、ドリル４０
では、ドリル内部からドリル表面に向けて金属成分が漸
減しており、構成刃先の形成も見られず、しかも加工さ
れた穴精度も良好であるという結果が得られた。

【００３４】図９に示すように、ＶＢ（逃げ面摩耗幅）
摩耗量は市販超硬材の１／２となるが、実際の加工ライ
ンでは、市販超硬材の摩耗量に至るまでに１０００００
穴以上となり、３倍以上の耐用性が得られた。これによ
り、生産ラインの連続性が向上し、高速加工や超高速加
工にも適するという利点が得られる。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る複合材製ドリルでは、ドリ
ル内部からドリル表面に向かうに従って、複合材中の金
属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行う切刃部
分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、ドリル内部が
高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物
性が緩やかに変化する。これにより、高速加工に適する
とともに、耐用性が大幅に向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製ドリル
の一部断面側面図である。

【図２】前記ドリルの縦断面正面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製ドリル
の一部断面側面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る複合材製ドリル
の一部断面側面図である。

【図５】ドリル表面からの硬度と靱性の関係説明図であ
る。

【図６】ニッケル添加による炭化タングステン粒子の成
長状態の説明図である。

【図７】コバルト量と強度の関係説明図である。

【図８】試供ドリルの側面説明図である。

【図９】実加工ラインテストの結果説明図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ、１０ｂ、４０…ドリル１２…刃部１４…シャンク部１６…刃先先端１８…切刃２０、２０ａ、２０ｂ…金属部２２、２２ａ、２２ｂ…セラミックス部２４、２４ａ、２４ｂ…傾斜部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス成分と金属成分とを含む複合
材で構成されるとともに、ドリル内部からドリル表面に向かうに従って、前記複合
材中の前記金属成分の割合が漸減することを特徴とする
複合材製ドリル。
【請求項２】請求項１記載のドリルにおいて、前記金属
成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．３ｍｍ〜１
０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合材製
ドリル。
【請求項３】請求項１または２記載のドリルにおいて、
前記複合材中の前記金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族の
Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏの中から選択される少なくとも一
種以上の金属成分であり、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、Ｔｉ
Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＶＣ
の中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス
成分であり、かつ、セラミックス量が、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ
＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定されることを特徴とする複合材製ドリル。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載のド
リルにおいて、前記ドリル表面の硬度がＨＲＡ８８以上
であることを特徴とする複合材製ドリル。