JP5838858B2 - 耐摩耗性に優れたダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル - Google Patents

Description

この発明は、ＣＦＲＰとＡｌの重ね合わせ穿孔などにおいて、耐チッピング性に優れるばかりか、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に関する。

従来、炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金からなる基体に、ダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルが知られているが、従来のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいては、耐溶着性、耐摩耗性が十分でないため、これを改善するために種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、ダイヤモンド被覆切削工具において、切れ刃部の逃げ面におけるダイヤモンド層の平均層厚を、すくい面のダイヤモンド層のそれよりも厚くすることによって、工具寿命を延ばすとともに、難削材に対する加工品位を高めることが提案されている。

また、例えば、特許文献２に示すように、人工ダイヤモンド被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップにおいて、ダイヤモンド被覆層の厚さを、切刃のすくい面における角部を標準厚さとし、少なくとも切粉当接部分を含む他の部分を標準厚さより相対的に肉厚とすることによって、人工ダイヤモンド被覆層の剥離を抑制し、工具の長寿命化を図ることが提案されている。

特開２０１１−１０１９１０号公報 特開平５−１６２００７号公報

近年の切削加工の技術分野における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、また、切削ドリルの汎用性も求められてきているが、従来のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル（以下、単にダイヤモンド被覆ドリルという）を、ＣＦＲＰ単体、あるいは、ＣＦＲＰとＡｌ合金の複合材等の難削材のドリル加工に供した場合には、摩耗進行が早く、また、チゼルエッジ部での溶着発生等により、穴精度の劣化や切れ刃が欠損する、などの問題が生じていた。
また、例えば、上記特許文献1に示されるダイヤモンド被覆ドリルにおいては、逃げ面側のダイヤモンド被覆厚を厚くし、すくい面側の被覆厚を薄くしているため、エッジの鋭利さの確保という点での利点はあるものの、チゼルエッジ部の層厚が厚いために、その部分において溶着を発生し、穴精度確保が不十分であり、これが問題となっていた。
そこで、この発明は、エッジ部の鋭利さを保ち、溶着の発生を抑制し、穴精度確保や切れ刃の耐欠損性に優れたダイヤモンド被覆ドリルを提供することを目的とする。

本発明者らは、ＣＦＲＰ単体、あるいは、ＣＦＲＰとＡｌ合金の複合材等の難削材のドリル加工において、切れ刃の欠損やドリルの折損を生じにくくするとともに、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆工具を提供すべく鋭意検討を重ねたところ、次のような知見を得た。

即ち、熱フィラメントＣＶＤ装置内でダイヤモンドを成膜するにあたって、熱フィラメントをドリル外周刃に出来るだけ近づけ、ドリル本体はシャンク部を冷却することで、ドリル基体（ＷＣ超硬合金）には温度差が生じ、ダイヤモンド成膜のための活性種（メチルラジカル、原子状水素）の供給量の差を大きくすることができる。
それにより、チゼルエッジ部と切刃外周部とのダイヤモンド膜の膜厚差を大きくすることができ、さらに、成膜されるダイヤモンドの膜質差を大きくすることができる。
本発明者らは、上記の方法でダイヤモンドを成膜することによって、チゼルエッジ部ではダイヤモンドの膜厚を薄くするとともに、ダイヤモンドの結晶性を低下せしめることによって、被削材との溶着発生を抑制し得るとともに、チゼルエッジ部の鋭利さを保つことができるため、アルミ合金の切削においても食いつきよく加工することが可能であることを見出した。
一方、切刃外周部においては、ダイヤモンドの膜厚を厚くし、しかも、結晶性を高くすることができるから、耐摩耗性を向上し得ることを見出したのである。
つまり、チゼルエッジ部と切刃外周部のダイヤモンド膜の膜厚、結晶性を異ならしめることによって、穴位置精度を確保すると同時に、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ドリルを得られることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、３〜１５質量％のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金をドリル基体とし、該ドリル基体の先端の外周部上に平均膜厚５〜３０μｍのダイヤモンド膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、
上記ドリルの切刃外周部の膜厚をｈ１とし、チゼルエッジ部の膜厚をｈ２とした時に、ｈ１／ｈ２の値が１．２以上２．０以下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。
（２） 上記ドリルの切刃外周部とチゼルエッジ部をラマン分光測定した場合、ダイヤモンド由来の１３３３ｃｍ^−１を中心とするピークの半価幅を、それぞれｗ１、ｗ２とした時に、ｗ２の値が１５ｃｍ^-１〜２５ｃｍ^−１であり、かつｗ１／ｗ２の値が０．５以上０．９以下であることを特徴とする前記（１）に記載のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。
（３） 上記ドリルの切刃外周部とチゼルエッジ部の圧縮残留応力の値を、それぞれσ１、σ２とした時に、σ２の値が１．８ＧＰａ以下であり、かつσ２／σ１の値が０．６以上０．９以下であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の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、本発明について詳細に説明する。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルのドリル基体としては、硬質相成分としての炭化タングステン（ＷＣで示す）と結合相成分としてのＣｏを少なくとも含有し、かつ、Ｃｏ含有量は３〜１５質量％であるＷＣ基超硬合金を使用する。
Ｃｏ成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、ＷＣ基超硬合金中のＣｏ含有量が３質量％未満では、特に靭性の向上が望めず、一方、Ｃｏ含有量が１５質量％を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、ＷＣ基超硬合金中のＣｏ含有量は３〜１５質量％と定める。

また、基体表面に被覆するダイヤモンド膜は、その厚さが５μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、ダイヤモンド膜厚が３０μｍを超えると、チッピング、欠損、剥離が発生しやすくなることから、ダイヤモンド膜の膜厚は、５〜３０μｍと定めた。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルでは、図1に示すように、ドリルの切刃外周部の膜厚をｈ１とし、チゼルエッジ部の膜厚をｈ２とした時に、ｈ１／ｈ２の値が１．２以上２．０以下となるようにダイヤモンドの被覆厚を定めたが、その理由の一つは、チゼルエッジ部の膜厚を薄くすることによって、チゼルエッジ部の鋭利さを保持するということにあり、また、切刃外周部の膜厚を相対的に厚くすることにより、耐摩耗性を維持するということにある。
即ち、後記する成膜法によって、チゼルエッジ部ではダイヤモンドの膜厚を相対的に薄く成膜することによって、チゼルエッジ部の鋭利さを保つことができるため、アルミ合金切削時の食いつきを確保することができる。
ただ、ｈ１／ｈ２の値が１．２未満の場合には、アルミ合金切削時の食いつきの確保は可能となる場合はあるが、その反面、工具寿命延長効果が小さくなり、また、ｈ１／ｈ２の値が２．０を超えると、チゼルエッジ部付近の切れ刃の摩耗量が大きくなり早期に寿命に達することから、ｈ１／ｈ２の値は、１．２以上２．０以下と定めた。
切刃外周部、チゼルエッジ部におけるダイヤモンド膜厚の測定は、切れ刃部を切断してＳＥＭ観察を行い、対象部分の膜厚の３点測定を行い、その平均値をそれぞれの膜厚とする。
なお、本発明でいう「チゼルエッジ部」とは、「ドリルの中央先端部から１００μｍの範囲内」を指し、「切刃外周部」とは、「ドリルの外周部の肩部から１００μｍの範囲内」を指す。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルでは、ドリルの切刃外周部とチゼルエッジ部をＡｒレーザーによるラマン分光測定した場合、ダイヤモンド由来の１３３３ｃｍ^−１を中心とするピークの半価幅を、それぞれｗ１、ｗ２とした時に、ｗ２の値が１５ｃｍ^-１以上２５ｃｍ^-１以下であり、かつｗ１／ｗ２の値が０．５以上０．９以下であることが望ましい。
これは、チゼルエッジ部のダイヤモンド膜の結晶性をある程度低下させておくこととと、切刃外周部の結晶性に比して相対的に低下させておくことにより、チゼルエッジ部における被削材との溶着発生を抑制するとともに、切刃外周部においては、耐摩耗性を確保するという理由による。
即ち、ｗ２の値が１５ｃｍ^-１未満の場合には、被削材との溶着発生抑制効果が少なくなり、一方、２５ｃｍ^-１を超える場合には、耐摩耗性低下が顕著となるため、ｗ２の値は１５ｃｍ^-１以上２５ｃｍ^-１以下であることが望ましい。また、ｗ１／ｗ２の値が０．５未満の場合には、チゼルエッジ部付近における耐摩耗性低下が顕著となり、一方、ｗ１／ｗ２の値が０．９を超える場合には、被削材との溶着発生抑制効果が少なくなるため、ｗ１／ｗ２の値は０．５以上０．９以下であることが望ましい。
このようなｗ２の値およびｗ１／ｗ２の値は、ダイヤモンド膜の後記する成膜法によって、形成することができる。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルでは、切刃外周部とチゼルエッジ部の圧縮残留応力の値を、それぞれσ１、σ２とした時に、σ２の値が１．８ＧＰａ以下であり、かつσ２／σ１の値を０．６以上０．９以下とすることが好ましい。
これは、σ２の値が１．８ＧＰａを超えると被削材の溶着等に起因して膜剥離などを発生しやすくなるためである。σ２の下限値は技術的な意味からは特に設定はしないが、上記のｗ２の値が２５ｃｍ^−１程度である場合、製法上、１．２〜１．４ＧＰａあたりが下限値となる。また、σ２／σ１の値が０．６未満であるとチゼルエッジ部における摩耗が進行し易く、一方、この値が０．９を超えると、被削材の溶着等に起因するチッピングを発生しやすくなるからである。
なお、切刃外周部、チゼルエッジ部におけるダイヤモンド膜の圧縮残留応力は、Ｃｏを管球とするＸ線回折による２θ−ｓｉｎ^２φ法によって求めることができる。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルは、例えば、以下の方法によって製造することができる。
まず、ＷＣとＣｏを主成分とし、Ｃｏを３〜１５質量％含有する超硬合金焼結体からなるＷＣ基超硬合金ドリル基体を作製した後、該超硬合金ドリル基体の表面近傍のＣｏを化学的なエッチング（硫酸＋過酸化水素＋水）によって除去し、その後、熱フィラメントＣＶＤ装置に装入し、ドリル基体のシャンク部を水冷治具で冷却支持し、フィラメントをドリル外周部の近傍にセットし、フィラメントの位置を成膜するダイヤモンドの膜厚に応じて調整しながらダイヤモンドを成膜することによって製造することができる。
なお、ドリル径によってフィラメントの位置を調節することも必要であり、例えば、ドリル径が６ｍｍより細い場合には、フィラメント位置を下側に移動させ、また、ドリル径が１０ｍｍより太い場合には、フィラメント位置を上側に移動させて、所望の膜厚になるように調整することが必要である。
このようなダイヤモンド膜の成膜法により、ドリルの切刃外周部の膜厚とチゼルエッジ部の膜厚の比の値ｈ１／ｈ２が１．２以上２．０以下、また、ラマン分光測定における１３３３ｃｍ^−１を中心とするピークの半価幅の比の値ｗ１／ｗ２が０．５以上０．９以下、さらに、圧縮残留応力の比の値σ２／σ１が０．６以上０．９以下である本発明のダイヤモンド被覆ドリルを製造することができる。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルは、切刃外周部に比して、チゼルエッジ部のダイヤモンドの膜厚を相対的に薄くするとともに、ダイヤモンドの結晶性を低下せしめ、さらに、圧縮残留応力を適正な範囲に保つことによって、被削材との溶着発生を抑制し得るとともに、チゼルエッジ部の鋭利さを保つことができるため、穴位置精度を確保し得ることができるとともに、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

本発明のダイヤモンド被覆ドリルのドリル中央先端近傍の概略説明図である。

つぎに、本発明のダイヤモンド被覆ドリルについて、実施例により具体的に説明する。

（ａ） 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、直径が１０ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を、１Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１４５０℃の温度で１〜２ 時間保持後、炉冷の条件で焼結することにより、ＷＣ基超硬合金焼結体１〜５を製造した。
ついで、上記ＷＣ基超硬合金焼結体１〜５を、溝形成部の外径寸法が８ｍｍとなるように研削加工することにより、ＷＣ基超硬合金製ドリル基体（以下、単に「ドリル基体」という）１〜５を製造した。

（ｂ） ついで、上記ドリル基体１〜５を、硫酸と過酸化水素と水を１：１：１００（容積比）で混合したエッチング液に２〜４秒浸漬して、ドリル基体１〜５の表面近傍のＣｏを数ミクロンの深さまでエッチングで除去する。

（ｃ） ついで、このドリル基体１〜５を、熱フィラメントＣＶＤ装置に装入し、ドリル基体をシャンク部で水冷治具により冷却支持し、フィラメントをドリルの外周部から５ｍｍの位置にセットし、フィラメントに電流を流して２２００℃の温度とし、装置内に水素ガスとメタンガスを導入し、該雰囲気ガス中でドリル基体１〜５にダイヤモンド膜を成膜することにより、表２に示す本発明のダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル（以下、単に、「本発明ドリル」という）１〜１０を製造した。

比較のため、本発明ドリル１〜１０の上記製造工程における工程（ａ）〜（ｃ）により、表３に示す比較例のダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル（以下、単に、「比較例ドリル」という）１〜１０を製造した。
なお、比較例ドリル１〜１０の製法においては、ドリル基体を冷却する機構がないこと、そのため、ドリルとフィラメント間の距離は基板温度を適正に保つために、１０〜１５ｍｍの範囲としていること、の点で本発明の製法とは異なっている。

ついで、上記で製造した本発明ドリル１〜１０および比較例ドリル１〜１０について、ドリルの切れ刃部を切断して、チゼルエッジ部（ドリルの中央先端部から１００μｍの範囲内）と切刃外周部（ドリルの外周部の肩部から１００μｍの範囲内）をＳＥＭで観察し、それぞれの部分の３点について膜厚を測定し、測定値を平均することによって、切刃外周部の膜厚ｈ１およびチゼルエッジ部の膜厚ｈ２を求めた。
表２、３に、ｈ１，ｈ２，ｈ１／ｈ２の値を示す。

また、本発明ドリル１〜１０および比較例ドリル１〜１０の切刃外周部およびチゼルエッジ部について、Ａｒレーザーによるラマン分光測定を行い、ダイヤモンド由来の１３３３ｃｍ^−１を中心とするピークの半価幅ｗ１、ｗ２をそれぞれ求めた。
表２、３に、ｗ１を切刃外周部，ｗ２チゼルエッジ部，ｗ１／ｗ２の値を示す。

また、本発明ドリル１〜１０および比較例ドリル１〜１０のチゼルエッジ部および切刃外周部のダイヤモンド膜について、それぞれの圧縮残留応力の値を以下の測定法で測定（３点測定）し、その平均値から、切刃外周部の圧縮残留応力の値σ１、チゼルエッジ部の圧縮残留応力の値σ２を求めた。
即ち、Ｘ線回折装置にて、４０ｍＡ、２００ｋＶの電流と電圧にてＣｏ管球を用いて、Ｘ線を発生させ、ダイヤモンドの（３１１）のピークに関し、２θ−ｓｉｎ^２ψ法により、ψ角を０から３９度まで変化させることで、測定を行った。
表２、３に、σ１，σ２，σ２／σ１の値を示す。

つぎに、上記本発明ドリル１〜１０および比較例ドリル１〜１０を用いて、以下の条件で、ＣＦＲＰとＡｌ合金Ａ７０７５の複合材（入口側がＣＦＲＰ材：１５ｍｍ、出口側がＡｌ材：５ｍｍ）のドリル穴開け試験を行った。
切削速度： １１０ ｍ／ｍｉｎ，
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．，
穴深さ： ２０ ｍｍ（貫通穴），
上記の切削試験において、正常摩耗の場合は切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が、０．３ｍｍ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、チッピング、ドリル折損等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。
表４にこれらの測定結果を示す。

表２〜表４の結果からも明らかなように、本発明ドリル１〜１０は、切刃外周部に比して、チゼルエッジ部のダイヤモンドの膜厚を相対的に薄くするとともに、ダイヤモンドの結晶性を低下せしめ、さらに、圧縮残留応力を適正な範囲に保つことによって、被削材との溶着発生が抑制されるとともに、チゼルエッジ部の鋭利さを保つことができるため、Ａｌ合金への食いつきを維持し、そのために異常なチッピングなどの損傷の発生が比較的少なく、さらに、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮しているため、概して工具寿命が長くなっていることがわかる。
つまり、ｈ1/ｈ2，ｗ１/ｗ２，σ2/σ1のいずれもが請求項１〜３記載の所定数値範囲内である本発明ドリル１，３，５，６，９については、摩耗形態は正常摩耗であって、しかも、穴あけ加工数も全て１５６穴以上であって、工具寿命が非常に長い。
また、ｗ１/ｗ２，σ2/σ1のいずれか一方あるいは両方が、請求項２，３記載の所定数値範囲外となったものは、チッピング発生によって工具寿命となるものの、穴あけ加工数は１００個前後であって、耐摩耗性に優れることがわかる。
これに対して、比較例ドリル１〜１０は、本発明ドリルに比して、穴あけ加工数が少ない（最大でも３１個）ばかりか、溶着などが原因で切削の早期に切れ刃にチッピング等の異常損傷を発生し、工具寿命も非常に短いことが明らかである。

本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルは、ＣＦＲＰとＡｌの重ね合わせ穿孔などにおいて、耐チッピング性に優れるばかりか、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (3)

1. 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、３〜１５質量％のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金をドリル基体とし、該ドリル基体の先端の外周部上に平均膜厚５〜３０μｍのダイヤモンド膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルにおいて、
   上記ドリルの切刃外周部の膜厚をｈ１とし、チゼルエッジ部の膜厚をｈ２とした時に、ｈ１／ｈ２の値が１．２以上２．０以下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。
2. 上記ドリルの切刃外周部とチゼルエッジ部をラマン分光測定した場合、ダイヤモンド由来の１３３３ｃｍ^−１を中心とするピークの半価幅を、それぞれｗ１、ｗ２とした時に、ｗ２の値が１５ｃｍ^−１以上２５ｃｍ^-１以下であり、かつｗ１／ｗ２の値が０．５以上０．９以下であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。
3. 上記ドリルの切刃外周部とチゼルエッジ部の圧縮残留応力の値を、それぞれσ１、σ２とした時に、σ２の値が１．８ＧＰａ以下であり、かつσ２／σ１の値が０．６以上０．９以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル。