JP2013136144A - Ｐｃｄドリル - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス等の難削材の切削加工において、高強度を備えるとともにすぐれた耐摩耗性を発揮するＰＣＤドリルを提供する。
【解決手段】ドリル本体と、前記ドリル本体の刃先先端に取り付けられた切れ刃チップ３７を備えるＰＣＤドリル３１であって、前記切れ刃チップは、ダイヤモンド粉末を超高圧で焼結した多結晶ダイヤモンド基焼結体であり、前記切れ刃チップは、前記切れ刃チップ中心部からその外周部にかけて少なくとも複数の異なった焼結組織から構成され、前記異なった焼結組織の界面によって区画される切れ刃チップ中心部３５Ｂは微粒組織、一方、切れ刃チップ外周部３５Ａは前記微粒組織よりも平均粒径の大きい粗粒組織からなり、前記ＰＣＤドリルの切れ刃稜線３６と、前記切れ刃稜線と交わる前記焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角が９０度未満であることを特徴とするＰＣＤドリル。
【選択図】図４

Description

本発明は、ドリル本体の刃先先端に、多結晶ダイヤモンド基焼結体が取付けられたドリル（以下、「ＰＣＤドリル」という）に関し、特に、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）等の難削材の高能率穴あけ加工において、欠損の発生がなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するＰＣＤドリルに関する。
本願は、２０１１年１１月２８日に、日本に出願された特願２０１１−２５８４７８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

先ず、一般的なドリルについて以下に説明する。
図１Ａから図１Ｃに示すように、ドリルは、通常、超硬合金、高速度鋼等で作製されたドリル本体の長手方向に、螺旋状にマージン部と溝部が形成される。

一般的なドリル本体１は、超硬合金等の硬質材料によって軸線Ｏを中心とする外形略円柱状に形成されており、その後端側（図１Ａにおいて右側）がシャンク部２とされて、このシャンク部２が工作機械の回転軸に取り付けられることにより、図中に符号Ｔで示すドリル回転方向に回転させられて穴あけ加工に使用される。

また、ドリル本体１の先端部（図１Ａにおいて左側部分）は刃先部３とされ、この刃先部３の外周には、軸線Ｏを挟んで互いに反対側に一対の切屑排出溝４、４が、ドリル本体１の先端逃げ面３Ｂから刃先部３の全長に亘って軸線Ｏに対して対称となるように形成されている。なお、この刃先部３は、切屑排出溝４、４も含めて軸線Ｏに関して対称となるように形成されている。

切屑排出溝４、４は、軸線Ｏに直交する断面において、図１Ｃに示すように、ドリル回転方向Ｔ前方側を向く壁面４Ａと、この壁面４Ａに滑らかに接続され、ドリル回転方向Ｔ後方側を向いて、ドリル回転方向Ｔ前方側に凸となる断面曲線状をなす壁面４Ｂとから構成されている。また、これら切屑排出溝４、４は、先端逃げ面３Ｂから基端側に向けてドリル回転方向Ｔの後方側に一定のねじれ角でねじれる螺旋状をなしている。

一方、先端逃げ面３Ｂは、軸線Ｏからドリル本体外周側へ向かって軸線Ｏ方向の基端側に向かうように傾斜する２つの平面によって構成されているとともに、これら２つの平面により、切屑排出溝４、４の開口部から軸線Ｏ回りにドリル回転方向Ｔの後方側に向かうにしたがい二段階に後退して、二段の逃げが与えられている。さらに、この先端逃げ面３Ｂと両切屑排出溝４、４のドリル回転方向Ｔ前方側を向く壁面４Ａ、４Ａとの交差稜線部、すなわち壁面４Ａ、４Ａの先端縁には、先端逃げ面３Ｂ上における軸線Ｏ周辺の先端中心部Ｃから外周側に向けて延びる略直線状の先端切刃６、６がそれぞれ形成されている。

また、先端逃げ面３Ｂが、軸線Ｏからドリル本体外周側へ向かって軸線Ｏ方向の基端側へ向かうような傾斜が与えられていることにより、先端切刃６、６は、先端逃げ面３Ｂ上の先端中心部Ｃから外周側に向かうにしたがい略直線状に基端側に向かうように傾斜させられ、これによって両先端切刃６、６には所定の先端角が与えられる。

次に、一般的なＰＣＤドリルについて以下に説明する。
従来から、ダイヤモンド粉末を超高圧で焼結した多結晶ダイヤモンド基焼結体（以下、「ＰＣＤ」という）を、ドリル本体の刃先先端に取り付け、そのＰＣＤの角部の稜線を切れ刃とするＰＣＤドリルが知られている。このＰＣＤドリルは、難削材等の穴あけ加工において、優れた耐摩耗性を示す。
例えば、特許文献１および２に示すように、超硬合金等からなるドリル本体の刃先先端に、ろう付け等によりＰＣＤを取付けたＰＣＤドリルが知られており、ＰＣＤドリルは耐摩耗性に優れることから、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ等の難削材の穴あけ加工に好適であるとされている。

従来のＰＣＤドリルにおいては、通常、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、切れ刃チップ１７が、ろう付け等によりドリルの刃先先端に取り付けられる。
図２Ａおよび図２Ｂは、従来のＰＣＤドリルの切れ刃チップ１７が取り付けられた刃先先端の拡大概略を示す。従来のＰＣＤドリル２１は、その先端に切れ刃チップが取り付けられている点で、前記従来のドリルと異なっている。
前記切れ刃チップ１７は、金属や超硬合金などからなり、適切な形状に成形された後、ドリル本体の先端に形成されたスリットにはめ込まれる（図２Ａ参照）。その後、切削、研削、研磨等の処理により、従来のＰＣＤドリルの先端は、ドリル先端形状に成形される（図２Ｂ参照）。

この場合の、切れ刃チップ１７の作製は、図３Ａから図３Ｄにその概略を示すように行われる。例えば、まず、超硬合金等の台座にダイヤモンド粉末成形体を所定の厚さで一体に焼結したＰＣＤ（図３Ａ参照）を作製する。図３Ａは、従来のＰＣＤドリル作製に使用される焼結体を示す。焼結体は、例えば円筒形状のものを用いることができる。この焼結体は平面に形成されたＰＣＤ層１８とその上下に形成された金属または超硬合金層１９、１９を有する。
次に、中心部から刃先先端に合うように台形形状で素材を切出す（図３Ｂ参照）。さらに、必要に応じて上下の余分な金属または超硬部を削り落すことで所定の形状の焼結体片２０を得る（図３Ｃ参照）。焼結体片２０は厚み方向で、三つの層からなる。具体的には、ＰＣＤ層１８と、その両面に形成された金属または超硬合金層１９、１９とからなる。
そして、この焼結体片２０を、図３Ｄに示すようにドリルの刃先先端に形成されたスリットへ差し込み、取り付ける。その後、切削、研削、研磨等の処理により、従来のＰＣＤドリルの先端は、ドリル先端形状に成形される（図２Ｂ参照）。
従来のＰＣＤドリルの先端の二組の先端刃先１６、１６は、焼結体片２０を加工することで、切れ刃チップの端面１５と壁面４Ａとの稜線に形成されている。

特開昭６１−９５８０８号公報 米国特許第４７１３２８６号明細書

しかし、前記従来のＰＣＤドリルを、難削材の高能率穴あけ加工に用いた場合には、刃先の欠損等によって工具寿命が短命であるという問題点がある。特に、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ等の難削材或いはこれらの複合材料等の高能率穴あけ加工においては、この問題点が深刻であり、工具寿命の長寿命化が望まれていた。
これは、ドリル刃先中心では、被削材に対する押し付け力が大きいため、刃先中心には強度・靭性が求められる一方、ドリル刃先外周では、切削速度が速くなるため摩耗が進行しやすく、耐摩耗性が求められるところ、強度・靭性および耐摩耗性を同時に満足する刃先が得られていないということがその要因の一つであるといえる。
また、従来のＰＣＤドリルにおいては、摩耗の進行とともに溶着が激しくなるため、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を維持することができないという問題点があった。

そこで、本発明者等は、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ等の難削材或いはこれらの複合材料の高能率穴あけ加工に用いた場合に、刃先の欠損等の異常損傷を生じることなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するＰＣＤドリルについて鋭意研究を行った結果、以下のことを見出した。
ＰＣＤドリルの刃先先端を構成するＰＣＤからからなる切れ刃チップについて、その焼結組織を切れ刃チップの部位に応じた異なる組織とし、例えば、切れ刃チップ中心部については、強度・靭性に優れたＣｏ含有量の相対的に多い微粒組織として形成し、一方、切れ刃チップ外周部については、耐摩耗性の優れたＣｏ含有量が相対的に少ない粗粒組織として形成することにより、強度・靭性にすぐれ、かつ、耐摩耗性に優れるＰＣＤドリルを得られる。
ＰＣＤドリルの刃先先端に切れ刃チップを取り付けるにあたり、ドリルの切れ刃稜線と、前記切れ刃稜線と交わる前記切れ刃チップに形成された異なる焼結組織相互の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角を９０度未満とすることによって、より一段と強度・靭性、耐摩耗性に優れたＰＣＤドリルを得られる。

この発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有している。
（１）ドリル本体と、前記ドリル本体の刃先先端に取り付けられた切れ刃チップを備えるＰＣＤドリルであって、前記切れ刃チップは、ダイヤモンド粉末を超高圧で焼結した多結晶ダイヤモンド基焼結体であり、前記切れ刃チップは、前記切れ刃チップ中心部からその外周部にかけて少なくとも複数の異なった焼結組織から構成され、前記異なった焼結組織の界面によって区画される切れ刃チップ中心部は微粒組織、一方、切れ刃チップ外周部は前記微粒組織よりも平均粒径の大きい粗粒組織からなり、前記ＰＣＤドリルの切れ刃稜線と、前記切れ刃稜線と交わる前記焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角が９０度未満であることを特徴とするＰＣＤドリル。
（２）前記切れ刃チップ中心部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のＣｏ含有量は１８面積％以上であり、前記切れ刃チップ外周部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のＣｏ含有量は１５面積％以下である前記（１）に記載のＰＣＤドリル。
（３）前記切れ刃チップ中心部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のダイヤモンド粒子の平均粒径は５μｍ未満であり、前記切れ刃チップ外周部のダイヤモンド粒子の平均粒径は５μｍ以上である前記（１）または（２）記載のＰＣＤドリル。
（４）前記切れ刃チップ内部の前記結晶組織の界面は、ＰＣＤドリルの軸方向に対して平行である前記（１）または（２）記載のＰＣＤドリル。

本発明のＰＣＤドリルは、ＰＣＤドリルの刃先先端を構成する切れ刃チップについて、その焼結組織を切れ刃チップの部位に応じた異なる組織としている。切れ刃チップ中心部については、強度・靭性に優れたＣｏ含有量の相対的に多い微粒組織として形成し、一方、切れ刃チップ外周部については、耐摩耗性の優れたＣｏ含有量が相対的に少ない粗粒組織として形成している。これらにより、強度・靭性にすぐれ、かつ、耐摩耗性に優れるＰＣＤドリルを得ることができる。
さらに、ＰＣＤドリルの刃先先端に切れ刃チップを取り付けるにあたり、ドリルの切れ刃稜線と、前記切れ刃チップに形成された異なる焼結組織相互の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角を９０度未満とすることによって、より一段と強度・靭性、耐摩耗性に優れたＰＣＤドリルを得ることができる。

（Ａ）は、一般的なドリルの側面図であり、（Ｂ）は、一般的なドリルを、ドリル先端方向から見た刃先先端の正面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）の拡大図である。 （Ａ）は、刃先先端に切れ刃チップが取り付けられた、従来のＰＣＤドリル拡大正面図であり、（Ｂ）は、刃先先端に切れ刃チップが取り付けられた、従来のＰＣＤドリルの刃先先端の拡大側面図である。 （Ａ）は、従来のＰＣＤドリルを作製するために使用される多層焼結体を示す図であり、（Ｂ）は、従来のＰＣＤドリルを作製するために、台形に切断される多層焼結体を示す図であり、（Ｃ）は、従来のＰＣＤドリルを作製するために、多層焼結体から切り出された台形の焼結体片を示す図であり、（Ｄ）は、従来のＰＣＤドリルを作製するために、ドリル先端に形成されたスリットに差し込まれた台形の焼結体片を示す図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルの刃先先端の拡大正面図を示し、（Ｂ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルの刃先部の拡大側面図を示す。 （Ａ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルを作製するために使用される多層ダイヤモンド焼結体であり、（Ｂ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルを作製するために行う、異なるＰＣＤ層の界面に対して斜め向きに行う、焼結体片の切断を示す図であり、（Ｃ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルを作製するために、多層ダイヤモンド焼結体から斜めに切り出された焼結体片を示す正面図であり、（Ｄ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルを作製するために、多層ダイヤモンド焼結体から斜めに切り出された焼結体片から、さらに切り出された台形の焼結体片を示す斜視図であり、（Ｅ）は、本発明の実施形態のＰＣＤドリルを作製するために、ドリル先端に形成されたスリットに差し込まれた台形の焼結体片を示す図である。

従来のＰＣＤドリルにおいては、Ｃｏ含有量が少なく粗粒組織を示す高耐摩耗性ＰＣＤを用いた場合には、刃先先端のドリル中心部に大きな押し付け力が作用するため、欠損等の異常損傷を発生し、工具寿命は短命であった。
一方、Ｃｏ含有量が多く微粒組織を示す高強度・高靭性ＰＣＤを用いた場合には、欠損等の発生は減少するものの耐摩耗性が十分でないため、やはり工具寿命は短命であった。

そこで、この発明では、難削材の高能率穴あけ切削加工に応えるべく、以下に説明するＰＣＤドリルの切れ刃チップの改良を行った。その結果、高強度・高靭性と耐摩耗性を兼ね備えるとともに、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するＰＣＤドリルを得た。

以下、図面に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、一般的なドリルおよび従来のＰＣＤドリルと同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図４Ａは、本発明の態様の実施形態であるＰＣＤドリル３１の刃先先端の拡大正面図を示す。図４Ｂは本実施形態のＰＣＤドリル３１の刃先部の拡大側面図を示す。このＰＣＤドリル３１の先端には切れ刃チップ３７が取り付けられている。
本発明の態様であるＰＣＤドリル３１は、はめ込まれる切れ刃チップが複数の異なった多結晶ダイヤモンド焼結組織から構成される点で、従来のＰＣＤドリルと異なっている。切れ刃チップ３７の先端面３５は、切れ刃チップ中心部３５Ｂおよび切れ刃チップ外周部３５Ａからなる。前記異なった焼結組織の界面によって区画される切れ刃チップ中心部３５Ｂは微粒組織、一方、切れ刃チップ外周部３５Ａは前記微粒組織よりも平均粒径の大きい粗粒組織からなっている。そして、前記ＰＣＤドリルの切れ刃稜線３６と、前記切れ刃稜線と交わる前記焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角θが９０度未満である。

図５Ａから図５Ｅに本発明の切れ刃チップの作製手順の概要を示す。まず、特性の異なる複数種類のダイヤモンド粉末成形体を積層し、これを所定の厚さに一体に焼結した複層ＰＣＤ（図５Ａ参照）を作製する。
図５Ａは、本発明のＰＣＤドリル作製に使用される複層ＰＣＤ基焼結体を示す。この複層ＰＣＤ基焼結体は、例えば図５Ａに示したように円筒形状を持つ。この複層ＰＣＤ基焼結体は、平面に形成された高靱性のＰＣＤ層３８と、その上下に形成された高耐摩耗性ＰＣＤ層３９、３９を有する。
この複層ＰＣＤ基焼結体を厚さ斜め方向にほぼ平行にスライスして、例えば０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ厚程度のチップ素材を作製し（図５Ｂおよび図５Ｃ参照）する。そして、このチップ素材から所定の形状、例えば台形形状、の焼結体片４０を切り出す（図５Ｄ参照）ことによって、複数の特性を相兼ね備えた複層ＰＣＤからなる切れ刃チップを作製する。
つまり、種類の異なるＰＣＤの焼結組織が相隣接することで形成される界面を境として、切れ刃チップの中心部３５Ｂと外周部３５Ａでは、それぞれ異なった焼結組織・特性を備える複層ＰＣＤからなる切れ刃チップ３７を作製する。
この切れ刃チップ３７は、図５Ｅに示すように、ドリル先端部に形成されたスリットに取り付けられる。その後、切削、研削、研磨等の処理により、本発明のＰＣＤドリル３１の先端は、ドリル先端形状に成形される（図４Ａおよび図４Ｂ参照）。
この切れ刃チップを、図４Ａに示すように、ドリルの切れ刃稜線と、前記切れ刃稜線と交わる前記焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角θが９０度未満となるようにドリルの刃先先端に取り付けることによって、本発明のＰＣＤドリル３１を作製する。
また、本願発明の態様であるＰＣＤドリルでは、切れ刃チップ内部に形成されている前記結晶組織の界面は、ＰＣＤドリル３１の軸方向に対して平行となるようにドリルの刃先先端に取り付けられている。

複層ＰＣＤとしては、例えば、図５Ａに示すように、２種類のダイヤモンド粉末成形体を用い、内側のダイヤモンド粉末成形体としては、Ｃｏ含有量が多く（例えば、焼結体中で１８面積％以上を占める）、焼結後の組織が微粒組織となるダイヤモンド粉末成形体を用い、一方、内側のダイヤモンド粉末成形体を挟み込んでいる外側のダイヤモンド粉末成形体としては、Ｃｏ含有量が少なく（例えば、焼結体中で１５面積％以下である）、焼結後の組織が粗粒組織となるダイヤモンド粉末成形体を用いる。
このような積層構造の複層ＰＣＤから切れ刃チップを用いてＰＣＤドリル３１を作製した場合には、穴あけ加工時に大きな押し付け力が作用する切れ刃チップの中心部３５Ｂにおいては高強度・高靭性が発揮され、一方、切削速度が大きく摩耗が進行し易い切れ刃チップの外周部３５Ａでは、すぐれた耐摩耗性が発揮されることによって、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ等の難削材或いはこれらの複合材料の高能率穴あけ加工に用いた場合でも、刃先の欠損等の異常損傷を生じることなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。

切れ刃チップの中心部における焼結組織を微粒組織、また、Ｃｏ含有量を１８面積％以上としたのは、Ｃｏ含有量を１８面積％以上とすることでダイヤモンド粒子より靭性の高いＣｏが焼結組織中に連続的にネットワーク状に存在することが可能になり、焼結体全体の靭性を改善する効果を得ることができるという理由による。さらに微粒にすることでＣｏのネットワークが複雑になり、靭性が改善する。粗粒であると刃先に衝撃が加わった時にダイヤモンド粒子自体が破損して切削加工に問題が生じる程度のチッピング（刃こぼれ）が発生するが、微粒になると仮にダイヤモンド粒子が脱落しても刃先を鋭利に保つことが可能になる。
一方、切れ刃チップの外周部における焼結組織を粗粒組織、また、Ｃｏ含有量を１５面積％以下としたのは、以下の理由による。まず、粗粒にすることでダイヤモンド粒子自身のもつ高い耐摩耗性を発揮することが可能になる。また、Ｃｏ含有量を１５面積％以下とすることでダイヤモンド粒子同士のネッキングが発達し、ダイヤモンド粒子の脱落を防止することが可能になる。その結果、シャープな刃先を長期に保つことが可能なるので、ＣＦＲＰの切削においてデラミネーションを防止でき、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、セラミックス等の難削材の切削において切削抵抗を下げることが可能になる。
なお、本発明の「微粒」とは、ダイヤモンド粒子の平均粒径が５μｍ未満のものをいい、一方、「粗粒」とは、ダイヤモンド粒子の平均粒径が５μｍ以上であることをいう。

さらに、本発明の態様のＰＣＤドリルでは、切れ刃チップを刃先先端に取り付ける際に、ドリルの切れ刃稜線と、この切れ刃稜線と交わる、種類の異なるＰＣＤの焼結組織が相隣接することで形成された界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角θが９０度未満としている。これは、複層ＰＣＤをスライス加工する際に、図５Ｃに示されるように、複層ＰＣＤの水平面に対して、所定の傾斜角度をもって斜めにスライスし、平行四辺形形状の切れ刃チップを得るようにすればよい。斜めにスライスした際の傾斜角度が、本発明の態様のＰＣＤドリルでいう前記交差角θに相当する。
本発明で、複層ＰＣＤの水平面に対して、斜めにスライスして平行四辺形形状の切れ刃チップを作製する（即ち、本発明でいう前記交差角θを９０度未満とする）のは、交差角θが９０度であると摩耗が進行した場合に異なる組織の境界で段差が発生し、境界からの異常損傷の原因となるためである。一方、交差角θを鋭角とするのは、摩耗が進行しても境界の位置が変化するだけで段差は発生しないため、異常損傷が発生しないという理由による。
なお、前記交差角θは、好ましくは１０〜６０度であり、さらに好ましくは、１０〜３０度である。これは、１０度未満になると摩耗進行によって複層ＰＣＤ構造を維持することができず、６０度を超えると境界で段差が発生する可能性が高くなるという理由による。

複層ＰＣＤからなる切れ刃チップ３７をドリル刃先先端に取り付けるには、例えば、Ｔｉ入り活性金属ろう材（６０Ａｇ−２４Ｃｕ−１４Ｉｎ−２Ｔｉ）を用いてろう付けすればよいが、これに限らず、従来知られている接合手段を用いることもできる。

ドリル刃先先端に取り付けた複層ＰＣＤからなる切れ刃チップ３７を、所定のドリル形状に加工するためには、例えば、ダイヤモンド砥石を用いて加工することができるが、複層ＰＣＤは加工性が非常に悪いため、加工効率改善を図る上では、放電機構のついた研削装置を使用することも可能である。

高靱性のＰＣＤ層３８に含まれるダイヤモンド粒子は微粒組織を有し、その平均粒径は例えば５μｍ未満である。より好適な高靱性のＰＣＤ層３８に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径の範囲は、０．５μｍから５μｍ未満である。さらにより好適な範囲は１μｍから３μｍである。
また、高靱性のＰＣＤ層３８に含まれるＣｏ含有量は高く、研磨面でのＣｏ含有量は、例えば１８面積％以上である。より好適な高靱性のＰＣＤ層３８に含まれるＣｏ含有量の範囲は、１８面積％から３０面積％である。さらにより好適な範囲は、１８面積％から２５面積％である。

高耐摩耗性のＰＣＤ層３９に含まれるダイヤモンド粒子は、前記高靱性のＰＣＤ層３８よりも粗い粗粒組織を有する。その平均粒径は例えば５μｍ以上である。より好適な高耐摩耗性のＰＣＤ層３９に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径の範囲は、５μｍから３０μｍである。さらにより好適な範囲は１０μｍから２０μｍである。
また、高耐摩耗性のＰＣＤ層３９に含まれるＣｏ含有量は低く、研磨面でのＣｏ含有量は、例えば１５面積％以下である。より好適な高耐摩耗性のＰＣＤ層３９に含まれるＣｏ含有量の範囲は、５面積％から１５面積％である。さらにより好適な範囲は、８面積％から１２面積％である。

複層ＰＣＤ基焼結体に含まれる高靱性のＰＣＤ層３８および高耐摩耗性ＰＣＤ層３９の平均粒径およびＣｏ含有量は以下の方法で測定することができる。
まず、ワイヤ放電加工機により複層ＰＣＤ基焼結体または切れ刃チップを切断する。次に、得られた切断面をダイヤモンド砥石で研磨加工し仕上げ前研磨面を得る。次に、得られた仕上げ前研磨面を＃５０００の砥石を用いて仕上げ加工し、仕上げ後研磨面を得る。測定には少なくとも、縦０．５ｍｍ、横０．７ｍｍの仕上げ後研磨面が必要とされる。

次に、この仕上げ後研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の反射電子像で観察して組織図を得る。分析は、試料の表面の反射電子像を得るために必要とされる一般的な条件で行うことができる。例えば、電子ビームの出力は１５ｋＶ、１×１０^−８Ａ、観察領域の面積は０．３５ｍｍ^２、検出器には電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いる条件で行うことができる。次に、得られた組織図を画像処理して二値化処理し、白黒の組織図を得る。
ＳＥＭで得られる反射電子像は、原子量によってコントラストがつくため、ＰＣＤのように原子量の小さいダイヤモンドと、原子量の大きいＣｏの識別には二次電子像よりも適している。

複層ＰＣＤ基焼結体に含まれる高靱性のＰＣＤ層３８および高耐摩耗性ＰＣＤ層３９に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径は、この白黒の組織図に長さ１００μｍの直線を引き、この直線内にいくつのダイヤモンド粒子が含まれているかを数えることで求める。１００μｍをダイヤモンド粒子の個数で除算することで、ダイヤモンド粒子の平均粒径が得られる。

複層ＰＣＤ基焼結体に含まれる高靱性のＰＣＤ層３８および高耐摩耗性ＰＣＤ層３９に含まれるＣｏ含有量は、白黒の組織図中の２００μｍ×３００μｍの領域内のＣｏに相当する部分（白色部）の面積を求め、観察領域の面積に対する、Ｃｏに相当する部分の面積の割合を求めることで、得られる。

切れ刃稜線部３６と、異なる焼結組織の界面とがなす交差角θの測定は、ＰＣＤドリルの先端部を、ＰＣＤドリル先端部側から、ＰＣＤドリルの軸方向で、光学顕微鏡を用いて観察することで行うことができる。この光学顕微鏡には、一般的な光学顕微鏡を用いれば良い。測定条件は、ドリル先端部の正面全域が視野に入る条件であれば良い。倍率は例えば、２００倍である。異なる焼結組織の界面は、ダイヤモンド粒子径の違いとＣｏ含有量の違いから光沢等の違いで容易に識別でき、略直線を引くことが可能であるので、光学顕微鏡による観察で特定することができる。特定された焼結組織の界面と、その界面に交わる切れ刃稜線３６とがなす交差角のうち、切れ刃チップ中心部側の交差角を測定することで、交差角θの値を得ることができる。

つぎに、本発明の態様のＰＣＤドリルを実施例により具体的に説明する。

まず、以下の（ａ）〜（ｇ）の工程に従って、本発明ＰＣＤドリル１〜１０を作製した。
（ａ）表１に示す平均粒径及び配合割合のダイヤモンド粉末とＣｏ粉末を原料粉末として、溶媒としてアセトンを使用し、超硬合金製のポットに装入し、同じく超硬合金製のボールにて、湿式法で２４時間混合する。
（ｂ）前記で得られた混合粉末を真空中で乾燥し、その後、成形型中で２００ＭＰａで加圧し、円板状の成形体Ａを作製する。
（ｃ）表１に示す平均粒径のダイヤモンド粉末とＣｏ粉末からなる原料粉末を、前記（ａ）〜（ｂ）と同様にして、成形体ＡとＣｏ含有量の異なる成形体Ｂを作製する。
（ｄ）成形体Ａの上下に成形体Ｂを配置し、成形体Ａを成形体Ｂでサンドイッチ状態にして挟み込み、Ｔａカプセルに封入し、圧力５．５ＧＰａ、温度１６００℃、保持時間１０分の条件で超高圧高温処理して、円板状の複層ＰＣＤ１〜１０を作製する。（図５Ａ参照）
表２に、前記で得られた複層ＰＣＤにおける成形体Ａ部分の厚さおよび成形体Ｂ部分の厚さを示す。
（ｅ）前記円板状の複層ＰＣＤについて、その厚さ方向に対して傾斜するようにワイヤ放電加工機でスライスすることにより、平行四辺形の短冊状焼結体片（切れ刃チップ）を作製する。（図５Ｂ、および図５Ｃ参照）
（ｆ）得られた前記平行四辺形の短冊状焼結体片（切れ刃チップ）を、超硬合金製ドリル本体あるいは高速度鋼製ドリル本体の先端に予め形成しておいたスリットに差し込み、Ｔｉ入り活性金属ろう材（６０Ａｇ−２４Ｃｕ−１４Ｉｎ−２Ｔｉ）でろう付けする（図５Ｄおよび図５Ｅ参照）。
なお、スリット形状によっては、スリットへの差し込み時に焼結体片にクラックが入ることがあるが、その場合には、Ｃｕ薄板をろう付け部に配して内部応力の発生を緩和することにより、焼結体片のクラックの発生を防止すれば良い。
（ｇ）ドリル刃先先端をダイヤモンド砥石で所定ドリル形状に加工することにより、切れ刃チップ中心部からその外周部にかけて異なった焼結組織を備え、かつ、切れ刃稜線部に対して焼結組織の界面がなす角度が９０度未満である切れ刃チップが刃先先端に取り付けられた本発明ＰＣＤドリル１〜１０を作製した。

表３に、本発明ＰＣＤドリル１〜１０について測定した、切れ刃チップ中心部と外周部の焼結組織を示す。また、切れ刃稜線部と、この切れ刃稜線部と交わる焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角をそれぞれ示す。
焼結組織としてのダイヤモンド粒径、Ｃｏ含有量の測定は、以下のようにして行った。ワイヤ放電加工機により切断した面をダイヤモンド砥石で研磨加工し研磨面を得た。仕上げには＃５０００の砥石を用いた。研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の反射電子像で観察して組織図を得た。さらに画像処理ソフトを使用して二値化処理し、白黒の組織図を得た。反射電子像は、原子量によってコントラストがつくため、ＰＣＤのように原子量の小さいダイヤモンドと大きいＣｏの識別には二次電子像より適している。ダイヤモンド粒径は組織図に直線を引き、長さ１００μｍの直線にいくつの粒子が含まれるか数えることで求めた。Ｃｏ含有量は、組織図中のＣｏ部（白色部）の面積を測定することで求めた。
また、切れ刃稜線部に対して焼結組織の界面がなす交差角の測定は、以下のように行った。傾斜切断したＰＣＤ素材断面を光学顕微鏡観察し、得られた図で角度の測定を行った。

比較のため、表４に示すように円板状成形体Ａ、円板状成形体Ｂの配合割合、組合せ等を変更し、また、切れ刃稜線部と焼結組織の界面とがなす交差角を変更し、前記（ａ）〜（ｇ）の工程に従って、表５に示す比較例ＰＣＤドリル１〜１０を作製した。

本発明ＰＣＤドリル１〜１０と同様にして、切れ刃チップ中心部と外周部の焼結組織、切れ刃稜線部と焼結組織の界面とがなす交差角を測定した。
表５にそれぞれの測定結果を示す。

ついで、前記本発明ＰＣＤドリル１〜１０、比較例ＰＣＤドリル１〜１０について、以下の切削条件１、２で、高能率穴あけ切削加工試験を実施した。
［切削条件１］
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１５ｍｍの、Ａｌ−３０％ＳｉＣ複合材の板材、
ドリル径： ６．４ ｍｍ、
回転速度： ４９７６ ｍｉｎ^−１、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．０６ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削油剤： 水溶性切削油、
の条件でのＡｌ−３０％ＳｉＣ複合板材の湿式穴あけ切削加工試験、
［切削条件２］
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８ｍｍの、アルミナ半焼体板材、
ドリル径： ５ ｍｍ、
回転速度： １５９２ ｍｉｎ^−１、
切削速度： ２５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．０５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削油剤： 水溶性切削油、
の条件でのアルミナ半焼体板材の湿式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの切削加工試験でも穴あけ加工数（穴）を求めた。
表６に、試験結果を示す。

表３、５、６に示される結果から、本発明のＰＣＤドリルは、ＰＣＤドリルの刃先先端を構成する切れ刃チップについて、その焼結組織を切れ刃チップの部位に応じた異なる組織とし、切れ刃チップ中心部については、強度・靭性に優れたＣｏ含有量の相対的に多い微粒組織として形成し、一方、切れ刃チップ外周部については、耐摩耗性の優れたＣｏ含有量が相対的に少ない粗粒組織として形成することにより、強度・靭性にすぐれ、かつ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
加えて、ＰＣＤドリルの刃先先端に切れ刃チップを取り付けるにあたり、ドリルの切れ刃稜線に対して、前記切れ刃チップに形成された異なる焼結組織相互の界面がなす傾斜角を９０度未満とすることによって、より一段と強度・靭性、耐摩耗性が向上する。
これに対して、本発明で規定する範囲から外れた比較例ＰＣＤドリルでは、刃先先端の切れ刃チップの欠損発生、耐摩耗性不足等により、短時間で使用寿命に至ることは明らかである。

この発明のＰＣＤドリルは、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、Ｃｕ合金、セラミックス、ＣＦＲＰ等の難削材の穴あけ加工において、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。

Ｏ 軸線
Ｔ ドリル回転方向
Ｃ 先端中心部
θ 交差角
１ ドリル本体
２ シャンク部
３ 刃先部
３Ｂ 先端逃げ面
４ 切屑排出溝
４Ａ 壁面
４Ｂ 壁面
６ 先端切刃
１５ 端面
１６ 先端刃先
１７ 切れ刃チップ
１８ ＰＣＤ層
１９ 金属または超硬合金層
２０ 焼結体片
２１ 従来のＰＣＤドリル
３１ 本発明のＰＣＤドリル
３５ 先端面
３５Ａ 切れ刃チップ外周部
３５Ｂ 切れ刃チップ中心部
３６ 切れ刃稜線
３７ 切れ刃チップ
３８ 高靱性のＰＣＤ層
３９ 高耐摩耗性ＰＣＤ層
４０ 焼結体片

Claims (4)

1. ドリル本体と、前記ドリル本体の刃先先端に取り付けられた切れ刃チップを備えるＰＣＤドリルであって、
   前記切れ刃チップは、ダイヤモンド粉末を超高圧で焼結した多結晶ダイヤモンド基焼結体であり、
   前記切れ刃チップは、前記切れ刃チップ中心部からその外周部にかけて少なくとも複数の異なった焼結組織から構成され、前記異なった焼結組織の界面によって区画される切れ刃チップ中心部は微粒組織、一方、切れ刃チップ外周部は前記微粒組織よりも平均粒径の大きい粗粒組織からなり、
   前記ＰＣＤドリルの切れ刃稜線と、前記切れ刃稜線と交わる前記焼結組織の界面とがなす交差角のうち、前記切れ刃チップ中心部側の交差角が９０度未満であることを特徴とするＰＣＤドリル。
2. 前記切れ刃チップ中心部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のＣｏ含有量は１８面積％以上であり、前記切れ刃チップ外周部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のＣｏ含有量は１５面積％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＰＣＤドリル。
3. 前記切れ刃チップ中心部の多結晶ダイヤモンド基焼結組織のダイヤモンド粒子の平均粒径は５μｍ未満であり、前記切れ刃チップ外周部のダイヤモンド粒子の平均粒径は５μｍ以上である請求項１または２記載のＰＣＤドリル。
4. 前記切れ刃チップ内部の前記結晶組織の界面は、ＰＣＤドリルの軸方向に対して平行である請求項１または２記載のＰＣＤドリル。