JP5590326B2

JP5590326B2 - ダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル

Info

Publication number: JP5590326B2
Application number: JP2011000541A
Authority: JP
Inventors: 秀夫大島; 英彰高島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: CN102581350A; CN102581350B; JP2012139799A

Description

本発明は、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体（以下、単にドリル基体という）の表面に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルに関し、特に、ＣＦＲＰ材、高Ｓｉ含有アルミニウム合金、グラファイト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耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル（以下、ダイヤモンド被覆ドリルという）に関するものである。

従来、ドリル基体の表面に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆ドリルが知られているが、従来のダイヤモンド被覆ドリルにおいては、刃先よりシャンクまで比較的均一にダイヤモンドが成膜されている。このためドリルの先端部、フルート溝部、マージン部にも均質にダイヤモンドが成膜されている。また、ダイヤモンド被覆ドリルの性能向上のためにさまざまな手法が提案されている。

例えば、特許文献１に記載されたものは、結晶性ダイヤモンドとナノ結晶ダイヤモンドの成膜方法を開示しており、積層することにより切り屑排出性を向上させることが実施されている。

また、特許文献２に記載されたものは、切り屑排出性向上のため、ドリルの先端のみにダイヤモンド膜を被覆することが開示されている。

特許第３４７７１６２号公報特許第２９６４６６４号公報

近年の切削装置のＦＡ化はめざましく、かつ切削加工の省力化に対する要求も強く、これに伴い、ダイヤモンド被覆ドリルによる穴あけ加工は高速化する傾向にあるが、前記従来ダイヤモンド被覆ドリルにおいては、通常の被削材の連続穴あけや断続穴あけではすぐれた穴あけ性能を発揮するが、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高い高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の穴あけ加工に用いた場合には、結晶性ダイヤモンドを成膜したものは、耐摩耗性にすぐれるものの切り屑の排出抵抗が大きいため、切り屑が詰まりやすく、表面を平滑化したダイヤモンド（ナノ結晶）では、耐摩耗性に劣るため、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、ＣＦＲＰ、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の切削に用いても、ダイヤモンド皮膜の剥離が発生しないダイヤモンド被覆ドリルを開発すべく鋭意研究を行った結果、
炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体表面にダイヤモンド皮膜を成膜するにあたり、ドリル先端からシャンク方向に向けて均一なダイヤモンド構造を有する皮膜を成膜するのではなく、ドリル先端の結晶性を高め、先端から離れたフルート溝部において結晶性を低下させることにより、切り屑排出性が向上し、その結果、ダイヤモンド皮膜の剥離が防止され、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体表面に３〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、前記ダイヤモンド皮膜は、ラマン分光による１３３３ｃｍ^−１付近に見られるダイヤモンド構造起因のピークの半値幅の測定で、ドリル先端部分の半値幅が１５ｃｍ^−１以下であり、先端からドリル径相当分以上離れたフルート溝部における半値幅が３０〜８０ｃｍ^−１であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について説明する。

本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルは、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体表面に３〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜を被覆する。ここで、成膜するダイヤモンド皮膜の膜厚が、３μｍ未満では、長期の使用に亘ってすぐれた摩耗性を発揮し、長寿命化を図ることができなくなり、一方、膜厚が３０μｍを超えると、成膜の際にエッジ部での鋭利さを保つことが出来なくなり、切れ味が低下するとともに、チッピングが生じやすくなることから、本発明では、ダイヤモンド皮膜の膜厚を３〜３０μｍと定めた。

ラマン分光による１３３３ｃｍ^−１付近に見られるダイヤモンド構造起因のピークの半値幅の測定で、ドリル先端部分の半値幅が１５ｃｍ^−１を超えると耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、先端からドリル径相当分以上離れたフルート溝部における半値幅が３０ｃｍ^−１未満では、結晶性が高くなり、表面の凹凸が大きくなるため切り屑排出性が悪くなる。一方、半値幅が８０ｃｍ^−１を超えると潤滑性硬質膜の機能を保持できない。そのため、先端からドリル径相当分以上離れたフルート溝部における半値幅は、３０〜８０ｃｍ^−１と定めた。

本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルは、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体表面に３〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、ダイヤモンド皮膜は、ラマン分光による１３３３ｃｍ^−１付近に見られるダイヤモンド構造起因のピークの半値幅の測定で、ドリル先端部分の半値幅が１５ｃｍ^−１以下であり、先端からドリル径相当分以上離れたフルート溝部における半値幅が３０〜８０ｃｍ^−１であることによって、ドリル先端部は結晶性ダイヤモンド被膜が形成され、溝部分は切り屑排出性にすぐれるダイヤモンド被膜が形成されるため、耐摩耗性と切り屑排出性の両方にすぐれたダイヤモンド被覆ドリルを得ることが出来る。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルの被覆を形成するための化学蒸着装置の概念図である。図１に示した化学蒸着装置の正面図である。

つぎに、図１は、本発明のダイヤモンド被覆ドリルの被膜を形成するための化学蒸着装置であって、（ａ）が側面図であり、（ｂ）が上面図である。また、図２は、図１に示した化学蒸着装置の正面図である。ここで、図２からわかるように、Ｗフィラメントと超硬合金ドリルとの間には、Ｗフィラメントからの輻射熱を遮る熱遮蔽板（熱遮蔽板先端位置は、ドリルの外径相当分だけ、ドリル先端位置から下方にセットされるように熱遮蔽板が移動し調整される）が設置され、超硬合金ドリルの水冷に加えて冷却効果を高めて、ドリル先端からドリル径相当分下部の組織を低下させている。

本発明では、ドリル基体は、炭化タングステンを硬質成分とするＷＣ基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットから構成するが、前記各成分を所望配合組成となるように配合した原料粉末を、成形、焼結することにより、本発明のドリル基体を製造する。

まず、表１に示す、いずれも１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する原料粉末を用意し、同じく表１に示す配合組成となるように配合した混合粉末を調製し、これをボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、直径が１０ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を焼結して焼結体を製造し、さらに、研削加工にて溝形成部の外径を８ｍｍの寸法に加工し、その際に、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以上の仕上げ研削加工処理を行い、外径８ｍｍのドリル基体１〜１０を製造した。

ついで、前記ドリル基体１〜１０に、硫酸、過酸化水素および水を１：１：１の割合で混合した溶液にて、室温で３０秒間エッチングする化学的前処理を施した後、図１に示したようなドリル基体を垂直に保持し、ドリル基体先端から５〜１０ｍｍ離間させてフィラメントを垂直に張った化学蒸着装置に装着する。そして、成膜時は、ドリル固定台を水冷し、ドリル基体のシャンク側を冷却する。成膜条件を以下に示す。
フィラメントの温度：２，２００℃
反応ガス：ＣＨ_４
ガス圧：４ＫＰａ
成膜時間：２０時間
得られた本発明のダイヤモンド被覆ドリル１〜１０（以下、本発明１〜１０という）の膜厚、ラマン分光による測定結果を表２に示す。

比較のため、前記ドリル基体１〜１０に対して、通常の熱フィラメント化学蒸着装置を用いて、ドリル基体に熱勾配を与えないでダイヤモンドの成膜を行い、比較例のダイヤモンド被覆ドリル１〜１０（比較例１〜１０という）を作製した。比較例１〜１０の膜厚、ラマン分光による測定結果を表３に示す。

つぎに、前記本発明１〜１０および比較例１〜１０については、次の切削条件ＡでＣＦＲＰ板の乾式穴あけ切削加工試験を行った。
《切削条件Ａ》
被削材：厚さ１０ｍｍのＣＦＲＰ板、
回転速度：７５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ：１０ｍｍ（貫通穴）、
これらの測定結果を表４に示す。

表２〜４に示される結果から、本発明１〜１０は、ドリル先端部には、耐摩耗性にすぐれる結晶性ダイヤモンド膜が形成されており、溝部分は切り屑性にすぐれるダイヤモンド膜が形成されているため、耐摩耗性と切り屑排出性の両方にすぐれるため、ダイヤモンド皮膜の剥離が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。

これに対して、比較例１〜１０は、ドリル先端部から溝部分まで均一にダイヤモンド膜が形成されているため、耐摩耗性と切り屑排出性に劣り、ダイヤモンド皮膜の剥離により短時間で使用寿命に至ることは明らかである。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルは、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金、グラファイト等の難削材の切削においても、ダイヤモンド皮膜の剥離が生じることなく長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性と切り屑排出性を発揮するものであり、穴あけ加工のＦＡ化および省力化に十分満足に対応できるものである。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたドリル基体表面に３〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、前記ダイヤモンド皮膜は、ラマン分光による１３３３ｃｍ^−１付近に見られるダイヤモンド構造起因のピークの半値幅の測定で、ドリル先端部分の半値幅が１５ｃｍ^−１以下であり、先端からドリル径相当分以上離れたフルート溝部における半値幅が３０〜８０ｃｍ^−１であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。