JP5397677B2

JP5397677B2 - 耐折損性に優れた超硬合金製ドリル

Info

Publication number: JP5397677B2
Application number: JP2009056146A
Authority: JP
Inventors: 俊之谷内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010209398A

Description

この発明は、超硬合金製ドリルの、特に、Ｃｏを主成分とする結合相が、ドリル部位に応じて優れた靭性と耐クラック性を有し、例えば、金属部品の高速穴あけ加工に用いた場合に、優れた耐折損性を発揮する超硬合金製ドリルに関するものである。

従来、一般に、金属部品の穴あけ加工に用いられる超硬合金製ドリルとして、例えば図１に概略拡大正面図で示される通り、先端面を切れ刃面以下、先端切れ刃面というとし、かつ、２〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部と、シャンク部とからなり、さらに前記溝形成部は、図２に示される先端形状を有すると共に、少なくとも溝形成部は、結合相形成成分としてのＣｏを３〜１４質量％以下、単に％で示す含有し、あるいは、さらにＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３％含有し、また、硬質相形成成分としての炭化タングステン以下、ＷＣで示すを含有した微細組織の超硬合金からなるドリルが知られている。
さらに、上記の超硬合金製ドリルは、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、炭化クロム以下、Ｃｒ_３Ｃ_２で示す粉末、炭化バナジウム以下、ＶＣで示す粉末、炭化タンタル以下、ＴａＣで示す粉末、炭化ニオブ以下、ＮｂＣで示す粉末、炭化ジルコニウム以下、ＺｒＣで示す粉末、およびＣｏ粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合割合に配合し、湿式混合し、乾燥した後、所定の直径を有する丸棒成形体に押出し成形またはプレス成形し、この丸棒成形体を、例えば１３．３Ｐａ以下の真空度の真空雰囲気中、５〜１０℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この所定温度に１〜２時間保持後、炉冷の条件で焼結することにより、所定の直径を有する超硬合金で構成された長尺状の微粒組織焼結体を形成し、この微粒組織焼結体から図1に示される形状に研削加工することにより製造されることも知られている。

特開平６−８１０７２号公報特開２００１−１７９５１６号公報

一方、近年の穴あけ加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、マシニングセンタなどの高性能化と相俟って、穴あけ加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来超硬合金製ドリルにおいては、これが十分な靭性および耐クラック性を具備するものでないために、これを穴あけ加工を高速で行う場合に用いると、溝形成部での折損が発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、特に、高速穴あけ加工を行う際に発生しやすい超硬合金製ドリルの折損について、鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

（ａ）超硬合金製ドリルの折損は、まず、切れ刃エッジ部にチッピングが発生し、その結果、穴あけ加工時のドリル回転抵抗が高まり、その後、外周マージン部にクラックが導入・進展することにより、ねじ切れるように起こること。

（ｂ）超硬合金の結合相を構成するＣｏ相は、その結晶構造として、面心立方構造以下、ｆｃｃで示すのＣｏ以下、Ｃｏ・ｆｃｃで示すおよび稠密六方構造以下、ｈｃｐで示すのＣｏ以下、Ｃｏ・ｈｃｐで示すという二つの結晶構造を有するが、超硬合金製ドリルの切れ刃エッジ部のチッピングの発生は、結合相の構成成分であるＣｏ・ｈｃｐの含有割合以下、ｈｃｐ変態率というを一定値以下に低く抑えることにより抑制され、これとは逆に、外周マージン部のクラックの導入・進展はｈｃｐ変態率を一定値以上に高くコントロールすることにより抑制できること。

（ｃ）結合相のＣｏのｈｃｐ変態率は、その部位を加工する砥石の粒度、加工条件、取り代、あるいはブラスト処理等で調整できること。

（ｄ）通常、焼結後の超硬中のＣｏ相はｆｃｃ単相を示すが、これは高温準安定相であって、粗研削により表面は安定相のｈｃｐ相に変態する。
ところで、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、圧縮残留応力が誘起されるようになり、その結果として、クラックの導入・進展が抑制され、耐折損性が向上するようになる。

（ｅ）しかし、その一方、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、耐食性が劣化するようになるため、耐チッピング性の向上を図るためには、湿式研削やその後の洗浄で、特に切れ刃エッジ部が、腐食を受けないようにすることが重要であるが、ｆｃｃ相はｈｃｐ相に比して耐食性に優れた相であることから、耐チッピング性を向上させるためには、粗研削を行わない、あるいは、粗研削後に仕上げ研削を十分に行うこと等によって、ｈｃｐ相を形成させずに、ｆｃｃ相をそのまま維持することが重要である。
この場合、仮に、湿式研削、その後の洗浄を施したとしても、ｆｃｃ相からなる箇所は耐食性に優れるため、チッピングの発生が大きく低減される。

（ｆ）上記のとおり、ｆｃｃ相によるチッピング発生の低減、さらに、ｈｃｐ相によるクラックの導入・進展の抑制が相俟って、超硬合金製ドリルの耐折損性が大幅に改善されることを新たに見出した。
以上、（ａ）〜（ｆ）に示される知見を得たのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部と、シャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部は、結合相形成成分としてＣｏ：３〜１４質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製ドリルにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、外周マージン部、切れ刃エッジ部を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造Ｃｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、さらに、面心立方構造のＣｏとの含量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率=Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝で表した時に、
外周マージン部については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
また、切れ刃エッジ部については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
をそれぞれ満たすことを特徴とする、耐折損性に優れた超硬合金製ドリル。
（２）前記溝形成部が、結合相形成成分および硬質相形成成分として、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３質量％さらに含有する、前記（１）記載の耐折損性に優れた超硬合金製ドリル。」
を特徴とするものである。

本発明の超硬合金製ドリルは、従来から知られている、４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部と、シャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部は、結合相形成成分としてＣｏ：３〜１４質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製ドリルに対して、その切れ刃エッジ部および外周マージン部のｈｃｐ変態率を部位により異ならしめている超硬合金製ドリルであるといえるが、このような超硬合金製ドリルは、例えば、以下のような処理を施すことによって、切れ刃エッジ部、外周マージン部のｈｃｐ変態率が本願発明で規定する数値範囲内となるようにｈｃｐ変態率を調整することができる。

まず、ドリル径外周加工終了後で、フルート溝加工前のドリルを準備する。このドリルの外周を回転させながら、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いてエアーブラスト処理を施す。
その後、フルート加工と先端切れ刃加工を施すが、切れ刃エッジ部の仕上げ加工にあたっては、粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を使用して、３０μｍ以上の取代を確保するようにする。
上記のような処理を行うことによって、切れ刃エッジ部のｈｃｐ変態率が０．１以下、また、外周マージン部のｈｃｐ変態率が０．２以上である超硬合金製ドリルを得ることができる。
なお、切れ刃エッジ部、外周マージン部のｈｃｐ変態率は、その表面をＣｕＫα線を用いた微小部Ｘ線回折によって求めることができる。

本発明の超硬合金製ドリルは、少なくとも溝形成部の結合相を構成するＣｏの結晶構造を、外周マージン部についてはｈｃｐ変態率が０．２以上、また、切れ刃エッジ部についてはｈｃｐ変態率が０．１以下の結晶構造のもので形成しているので、切れ刃エッジ部は耐チッピング性が高められ、また、外周マージン部はクラックの導入と進展が抑えられるため、優れた耐折損性を長期に亘って発揮することができる。

本発明の超硬合金製ドリルの長手方向外観概略説明図である。本発明の超硬合金製ドリルをＩ方向から見た外観概略説明図である。

つぎに、本発明の超硬合金製ドリルについて、実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末およびＺｒＣ粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤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、いずれも１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、それぞれ直径が５ｍｍ、１０ｍｍ、および２０ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を、６．７Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３８０〜１４８０℃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、微粒組織焼結体を製造した。

これらの微粒組織焼結体から研削加工にて溝形成部の外径がそれぞれ表１に示される寸法に加工する際に、外周マージン部および切れ刃エッジ部に対しては、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いたエアーブラスト処理および粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を用いた３０μｍ以上の仕上研削加工処理を行い、図１、図２に示される形状をもった本発明の超硬合金製ドリル１〜９以下、実施例１〜９というを製造した。

比較のため、前記の微粒組織焼結体から研削加工して溝形成部の外径がそれぞれ表１に示される寸法に加工することにより、図１、図２に示される形状をもった比較例の超硬合金製ドリル１〜６以下、比較例１〜６というを製造した。

ついで、上記実施例１〜９および比較例１〜６の超硬合金製ドリルの切れ刃エッジ部表面および外周マージン部表面の結合相のＣｏに対し、ＣｕＫα線を用いて微小部Ｘ線回折を実施したところ、いずれも回折角：２θで、４４〜４５度（（１１１）面）にＣｏ・ｆｃｃを示すピークが現れると共に、４１〜４２度（（１０１）面）にもＣｏ・ｈｃｐを示すピークが現れた。
それぞれの結晶格子面のピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１）およびＩｈｃｐ（１０１）を測定し、これらの値から、それぞれについてのｈｃｐ変態率を求めた。
この値を表２に示す。

つぎに、上記の各種ドリルのうち、
（ａ）溝形成部の外径が４ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃ（ＨＢ２００）の厚さ１８ｍｍの板材、
回転数：４８００r.p.m.、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件での炭素鋼の湿式水溶性切削油使用高速穴あけ加工試験、
（ｂ）また、溝形成部が８ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１５０）の厚さ３５ｍｍの板材、
回転数：１８００r.p.m.、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件でステンレス鋼の湿式水溶性切削油使用高速穴あけ加工試験、
（ｃ）さらに、溝形成部の外径が１６ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４０）の厚さ５０ｍｍの板材、
回転数：８００r.p.m.、
送り：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件でのダイス鋼の湿式水溶性切削油使用高速穴あけ加工試験、
を行い、穴あけ加工数：５０個毎に先端切れ刃面の摩耗状態を観察し、
正常摩耗の場合は切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が、それぞれ溝形成部外径が４ｍｍでは０．２ｍｍ、同８ｍｍでは０．３ｍｍ、そして、１６ｍｍでは０．３５ｍｍを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、ドリル折損が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
これらの測定結果を表３にそれぞれ試験数：１０本の平均値として示した。

表２、表３の結果からも明らかなように、切れ刃エッジ部および外周マージン部のｈｃｐ変態率が所定の数値範囲内にある本発明の超硬合金製ドリルである実施例１〜９は、耐折損性に非常に優れているのに対して、切れ刃エッジ部のｈｃｐ変態率が１を越える比較例１、２、また、外周マージン部のｈｃｐ変態率が２未満である比較例３、４、さらに、切れ刃エッジ部および外周マージン部のｈｃｐ変態率のいずれもが本発明で規定する範囲を外れる比較例５、６では、チッピングの発生により耐折損性の劣るものであることは明らかである。

本発明の超硬合金製ドリルは、少なくとも溝形成部の結合相を構成するＣｏの結晶構造を、外周マージン部についてはｈｃｐ変態率が０．２以上、また、切れ刃エッジ部についてはｈｃｐ変態率が０．１以下の結晶構造のもので形成しているので、切れ刃エッジ部は耐チッピング性が高められ、また、外周マージン部はクラックの導入と進展が抑えられるため、例えば金属部品の高速穴あけ加工に用いた場合にも、優れた耐折損性を長期に亘って発揮するのであるから、穴あけ加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応することができるものである。

Claims

４〜１６ｍｍの外径を有する溝形成部と、シャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部は、結合相形成成分としてＣｏ：３〜１４質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製ドリルにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、外周マージン部、切れ刃エッジ部を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造Ｃｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、さらに、面心立方構造のＣｏとの含量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率
=Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
で表した時に、
外周マージン部については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
また、切れ刃エッジ部については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
をそれぞれ満たすことを特徴とする、耐折損性に優れた超硬合金製ドリル。
前記溝形成部が、結合相形成成分および硬質相形成成分として、
Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３質量％さらに含有する、請求項１記載の耐折損性に優れた超硬合金製ドリル。