JP3620456B2 - 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製ドリル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高熱発生を伴なう鋼などの高速切削に用いた場合に、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製ドリル（以下、被覆超硬ドリルという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、鋼や鋳鉄などの被削材の穴あけ切削加工などに、例えば図１（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に溝形成部の概略横断面図で例示される形状を有するドリルや、さらにミニチュアドリルなどとして各種の被覆超硬ドリルが用いられており、また前記被覆超硬ドリルとして、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層およびＴｉとＡｌの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちのいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を０．８〜１０μｍの平均層厚で形成してなる被覆超硬ドリルが知られている。
【０００３】
さらに、上記の被覆超硬ドリルの硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置を用い、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を３Ｐａの真空として、７００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方超硬基体には、例えばー２００Ｖのバイアス電圧を印加する条件で形成されることも良く知られるところである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の穴あけ切削加工などの切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は切削機械の高性能化とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬ドリルにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での穴あけ切削加工に用いた場合には問題はないが、これを高速切削条件で用いると、穴あけ切削加工時に発生する高熱によって、特に切刃面を含む先端部および溝形成部の薄肉部に偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し、この結果切刃面の摩耗進行が促進し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆超硬ドリルに着目し、これの耐熱塑性変形性の向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）例えば原料粉末として、Ｔｉ粉末およびＡｌ粉末、さらに酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合割合に配合し、混合した後、圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、通常の条件、例えば真空雰囲気中、５００〜６００℃の範囲内の所定の温度に所定時間保持の条件で焼結して、所定の組成をもった焼結体を形成し、この焼結体をカソード電極（蒸発源）として用いて、例えばアークイオンプレーティング装置にて、反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入して、上記超硬基体表面に硬質被覆層を形成すると、形成された硬質被覆層は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎまたは（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮからなる素地にＡｌ₂Ｏ₃相が分散分布した組織をもつものとなること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）の素地を、組成式：［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｎおよび同［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｃ_1-mＮ_mで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０、ｍ：０．７０〜０．９９を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮに特定し、かつこの素地に分散分布するＡｌ₂Ｏ₃相の割合を走査型電子顕微鏡による組織観察で１０〜３０面積％とすると、この結果の混合相組織層は、前記素地によるすぐれた靭性と共に、前記Ａｌ₂Ｏ₃相による高硬度とすぐれた耐熱性を具備するようになること。
【０００７】
（ｃ）上記の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層からなる単一相組織層のうちのいずれか、または両方と、上記（ｂ）の混合相組織層のうちのいずれか、または両方との交互積層とすると共に、これらの個々の層厚を平均層厚で０．０１〜０．１μｍのきわめて薄い薄層とした状態で、０．８〜１０μｍの全体平均層厚の硬質被覆層を構成すると、この硬質被覆層は前記両薄層による薄膜化交互積層構造によってそれぞれの薄層のもつ特性、すなわち上記単一相組織層（以下、第１薄層という）によるすぐれた靭性（耐欠損性）、上記混合相組織層（以下、第２薄層という）による高硬度とすぐれた耐熱性（耐熱塑性変形性）を具備するようになることから、この結果の被覆超硬ドリルは、これを特に鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴なう高速切削加工に用いても、切刃面を含む先端部および溝形成部の薄肉部に欠けやチッピングの発生がなく、かつ偏摩耗の原因となる熱塑性変形の発生も著しく抑制されるようになることから、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
超硬基体の表面に、０．８〜１０μｍの全体平均層厚で物理蒸着した硬質被覆層が、個々の平均層厚が０．０１〜０．１μｍの第１薄層と第２薄層の交互積層からなり、
上記第１薄層を、アークイオンプレーティング装置でカソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用いて形成され、かつ組成式：［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｎおよび同［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｃ_1-mＮ_mで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０、ｍ：０．７０〜０．９９を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層からなる単一相組織層のうちのいずれか、または両方で構成し、
上記第２薄層を、同じくアークイオンプレーティング装置でカソード電極（蒸発源）としてＴｉとＡｌとＡｌ₂Ｏ₃の焼結体を用いて形成され、かつ、
（ａ）組成式：［Ｔｉ _1-X Ａｌ _X ］Ｎで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる素地に、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 相が、走査型電子顕微鏡による組織観察で１０〜３０面積％の割合で分散分布した組織を有する混合相組織層、
（ｂ）組成式：［Ｔｉ _1-X Ａｌ _X ］Ｃ _1-m Ｎ _m で表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０、ｍ：０．７０〜０．９９を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮからなる素地に、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 相が、走査型電子顕微鏡による組織観察で１０〜３０面積％の割合で分散分布した組織を有する混合相組織層、
以上（ａ）および（ｂ）の混合相組織層のうちのいずれか、または両方で構成してなる、高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬ドリルに特徴を有するものである。
【０００９】
なお、この発明の被覆超硬ドリルにおいて、硬質被覆層の交互積層を構成する第１薄層および第２薄層の個々の平均層厚をそれぞれ０．０１〜０．１μｍとしたのは、いずれの薄層においても、その平均層厚が０．０１μｍ未満になると、それぞれの薄層のもつ特性、すなわち第１薄層によるすぐれた靭性、第２薄層による高硬度とすぐれた耐熱性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚がそれぞれ０．１μｍを越えると、それぞれの薄層のもつ問題点、すなわち第１薄層による熱塑性変形および第２薄層による耐欠損性低下が硬質被覆層に現われるようになるという理由によるものである。
【００１０】
また、この発明の被覆超硬ドリルにおいて、硬質被覆層の第１薄層の単一相組織層および第２薄層の混合相組織層の素地を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮにおけるＡｌはＴｉＮおよびＴｉＣＮに対して硬さを高め、もって耐摩耗性を向上させるために固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｃ_1-mＮ_m、のＸ値が原子比（以下同じ）で、０．５０未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その値が０．７０を越えると、切刃面を含む先端部や溝形成部の薄肉部に欠けやチッピングが発生し易くなると云う理由によりＸ値を０．５０〜０．７０と定めた。
【００１１】
上記の（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮにおけるＣ成分には、硬さを向上させる作用があるので、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮは上記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎに比して相対的に高い硬さをもつが、この場合上記の組成式におけるＣ成分の割合が０．０１未満、すなわちｍ値が０．９９を越えると所定の硬さ向上効果が得られず、一方Ｃ成分の割合が０．７０を越える、すなわちｍ値が０．３０未満になると靭性が急激に低下するようになることから、ｍ値を０．７０〜０．９９と定めた。
【００１２】
さらに、上記の硬質被覆層の第２薄層の混合相組織層の素地に分散分布するＡｌ₂Ｏ₃相には、上記の通り高硬度とすぐれた耐熱性を付与し、もって高い発熱を伴なう、高速切削でも切刃面を含む先端部や溝形成部の薄肉部に偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生するのを著しく抑制する作用があるが、第２薄層の混合相組織層におけるＡｌ₂Ｏ₃相の割合が、走査型電子顕微鏡による組織観察で１０面積％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方同割合が３０面積％を超えると素地によってもたらされる靭性が低下するよになることから、Ａｌ₂Ｏ₃相の割合を１０〜３０面積％と定めた。
【００１３】
また、硬質被覆層の全体平均層厚を０．８〜１０μｍとしたのは、その層厚が０．８μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が１０μｍを越えると、切刃面を含む先端部や溝形成部の薄肉部にに欠けやチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬ドリルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、表１に示されるＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用い、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表１に示される組合せで、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ、８ｍｍ×２２ｍｍ、および１６ｍｍ×４５ｍｍの寸法をもった超硬基体Ａ−４、Ａ−５、Ａ−７、Ａ−９、およびＡ−１０をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、原料粉末として、Ｔｉ粉末およびＡｌ粉末、さらにＡｌ₂Ｏ₃粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、５００〜６００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、およびＡｌ₂Ｏ₃の含有割合を所定の含有割合とした種々の第２薄層形成用焼結体を製造した。
さらに、別途第１薄層形成用としてＴｉとＡｌの含有割合が異なる各種のＴｉ−Ａｌ合金も用意した。
【００１６】
ついで、上記の超硬基体のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図２に例示される通常のアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に装着し、一方カソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもった第１薄層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金と第２薄層形成用焼結体を装置内の所定位置に装着し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず装置内を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を７００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で回転する超硬基体に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加して、カソード電極の前記金属Ｔｉとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって超硬基体表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入して４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を、第１薄層形成時には−１００Ｖ、第２薄層形成時には−３００ｖとする条件で行い、かつ前記第１薄層形成と第２薄層形成の間には反応ガス排出のための真空引きを１０秒間行う条件で、前記カソード電極(第１薄層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金または第２薄層形成用焼結体)とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の第１薄層と第２薄層とを表４に示される組み合わせで、かつ同じく表４に示される交互積層数からなる硬質被覆層を蒸着することにより、図１（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有する本発明被覆超硬ドリル１〜６をそれぞれ製造した。
【００１７】
また、比較の目的で、同じく上記のアークイオンプレーティング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着する以外は同一の条件で、上記超硬基体の表面に表５に示される通りの目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層または（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層で構成された硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬ドリル１〜６をそれぞれ製造した。
【００１８】
さらに、この結果得られた各種の被覆超硬ドリルについて、これを構成する各種硬質被覆層の組成および層厚を、エネルギー分散型Ｘ線測定装置およびオージェ分光分析装置、さらに走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、表２〜５の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚（任意５ヶ所測定の平均値との比較）を示した。
【００１９】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜６よび従来被覆超硬ドリル１〜６のうち、本発明被覆超硬ドリル１および従来被覆超硬ドリル１については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１４ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル２〜４および従来被覆超硬ドリル２〜４については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２３ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル５，６および従来被覆超硬ドリル５，６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：７５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２３ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの湿式（水溶性切削油使用）高速穴あけ切削加工試験でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表４、５にそれぞれ示した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【表３】

【００２３】
【表４】

【００２４】
【表５】

【００２５】
【発明の効果】
表４、５に示される結果から、硬質被覆層が第１薄層と第２薄層の交互多重積層からなる本発明被覆超硬ドリル１〜６は、いずれも鋼の穴あけ加工を高い発熱を伴う高速で行っても、高硬度とすぐれた耐熱性を有する前記第２薄層による作用で耐熱塑性変形性の著しい向上によって、切刃面を含む先端部や溝形成部の薄肉部に偏摩耗の原因となる熱塑性変形の発生がなく、すぐれた靭性（耐欠損性）を有する前記第１薄層の作用とも相俟って、欠けやチッピングなどの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の組成が実質的に前記第１薄層と同じ従来被覆超硬ドリル１〜６においては、いずれも高速切削時に発生する高熱によって偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し、このため摩耗進行が著しく促進し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆超硬ドリルは、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での穴あけ切削加工は勿論のこと、特に高速穴あけ切削加工においてもすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、穴あけ切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は被覆超硬ドリルを例示する概略正面図、（ｂ）は同溝形成部の概略横断面図である。
【図２】アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、０．８〜１０μｍの全体平均層厚で物理蒸着した硬質被覆層が、個々の平均層厚が０．０１〜０．１μｍの第１薄層と第２薄層の交互積層からなり、
   上記第１薄層を、アークイオンプレーティング装置でカソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用いて形成され、かつ組成式：［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｎおよび同［Ｔｉ_1-XＡｌ_X］Ｃ_1-mＮ_mで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０、ｍ：０．７０〜０．９９を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物およびＴｉとＡｌの複合炭窒化物からなる単一相組織層のうちのいずれか、または両方で構成し、
   上記第２薄層を、同じくアークイオンプレーティング装置でカソード電極（蒸発源）としてＴｉとＡｌと酸化アルミニウムの焼結体を用いて形成され、かつ、
   （ａ）組成式：［Ｔｉ _1-X Ａｌ _X ］Ｎで表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物からなる素地に、酸化アルミニウム相が、走査型電子顕微鏡による組織観察で１０〜３０面積％の割合で分散分布した組織を有する混合相組織層、
   （ｂ）組成式：［Ｔｉ _1-X Ａｌ _X ］Ｃ _1-m Ｎ _m で表わした場合、厚さ方向中央部のオージェ分光分析装置による測定で、原子比で、Ｘ：０．５０〜０．７０、ｍ：０．７０〜０．９９を満足するＴｉとＡｌの複合炭窒化物からなる素地に、酸化アルミニウム相が、走査型電子顕微鏡による組織観察で１０〜３０面積％の割合で分散分布した組織を有する混合相組織層、
   以上（ａ）および（ｂ）の混合相組織層のうちのいずれか、または両方で構成したこと、
   を特徴とする高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製ドリル。

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