JP5892329B2 - 耐摩耗性と切屑排出性にすぐれた表面被覆ドリル - Google Patents

Description

本発明は、ドリル本体の先端部外周に切屑排出溝が形成されるとともに、この切屑排出溝のドリル回転方向を向く内周面の先端に切刃が設けられ、主として金属材よりなる加工物に穴あけ加工をするのに用いられる長期に亘りすぐれた耐摩耗性と切屑排出性を維持する表面被覆ドリルに関するものである。

このようなドリルとしては、軸線を中心として該軸線回りにドリル回転方向に回転される概略円柱状のドリル本体の先端側が切刃部とされ、この切刃部の外周に一対の切屑排出溝が、軸線に関して互いに対称となるように、該切刃部の先端面、すなわちドリル本体の先端逃げ面から後端側に向かうに従い軸線回りにドリル回転方向の後方側に捩れる螺旋状に形成され、これらの切屑排出溝の内周面のうちドリル回転方向を向く部分の先端側の前記先端逃げ面との交差稜線部に切刃が形成された、いわゆる２枚刃のソリッドドリルが知られている。従って、このようなソリッドドリルでは、前記切屑排出溝内周面のドリル回転方向を向く部分の先端側がこの切刃のすくい面となり、切刃によって生成された切屑は、このすくい面から切屑排出溝の内周面を摺接しつつ、該切屑排出溝の捩れによって後端側に送り出されて排出されることとなる。そして、さらにこのようなドリルでは、ドリル本体の耐摩耗性の向上のために種々の方法が採用されている。

例えば、特許文献１においては、超硬基体の表面に、ＡｌとＴｉとＳｉの複合酸窒化物層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着してなり、かつ前記硬質被覆層が、層厚方向に沿って、Ａｌおよび酸素の最高含有点とＴｉおよび窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、前記両点間でＡｌと酸素およびＴｉと窒素の含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらにＡｌおよび酸素が特定の最高含有点を有し、Ｔｉと窒素が特定の最高含有点を有するとともに、隣り合うＡｌおよび酸素の最高含有点とＴｉおよび窒素の最高含有点の間隔を０．０１〜０．１μｍとすることにより、特に粘性の高いステンレスや軟鋼などの高速切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具が開示されている。

また、特許文献２においては、ドリル本体の先端部の表面には硬質被膜を被覆し、さらに切屑排出溝の内周面には、硬質被膜を被覆した後にポリッシュ加工を施したドリルが開示されている。

また、特許文献３においては、一般式（Ｍ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）（Ｍは、４，５，６族元素、Ｓｉおよび希土類元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素を示す。）で表される被覆層を２層積層し、前記被覆層のうち、基体表面に被覆された第１被覆層は、層厚が０．１〜１μｍで平均結晶径が０．０１〜０．１μｍの粒状結晶にて構成され、前記被覆層のうち、第１被覆層の表面に被覆された第２被覆層は、層厚が０．５〜５μｍで前記基体に対して垂直な方向に成長した柱状結晶からなり、該柱状結晶の前記基体に対して平行な方向の平均結晶幅が０．０５〜０．３μｍであり、かつ、前記第２被覆層の平均結晶幅が前記第１被覆層の平均結晶径より大きい表面被覆工具が開示されている。

特開２００４−３０６１６６号公報 特開２００３−２７５９１０号公報 国際公開第２００７／１１１３０１号パンフレット

近年のドリル加工装置の自動化はめざましく、加えてドリル加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどより高効率の深穴用ドリル加工が要求される傾向にあるが、前記従来表面被覆ドリルにおいては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下でドリル加工した場合に特段の問題は生じないが、刃溝部中途での切屑詰まりによるドリルの折損及び切屑滞留による穴あけ精度低下などの起こりやすい炭素鋼の深穴加工条件においては、切屑排出溝に切屑がつまり易く、これが原因で、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、前述のような観点から、炭素鋼の深穴加工に用いられた場合にもすぐれた耐摩耗性と切屑排出性を示し表面被覆ドリルの長寿命化を図るべく、ドリル表面を、例えば、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝の成分系からなる硬質被覆層で構成するとともに、該硬質被覆層の結晶組成及び結晶粒組織に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

（ａ）硬質被覆層として、（（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝の成分系からなる層の形成を、図１および図２の概略図に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にドリル基体を装着し、
ドリル基体温度：７００〜８００℃、
蒸発源１：ＴｉＡｌＳｉ合金、
蒸発源２：ＴｉＡｌＳｉ合金、
バイアス電圧：−３５〜−２０Ｖ
アーク放電電流：１００〜１２０Ａ
反応ガス組成：Ｏ_２ガス１〜１０ｖｏｌ％、残りＮ_２ガス
圧力：２．６６Ｐａ
という条件下で、かつ、ドリル基体のシャンク側からドリル先端に向けて所定流量割合の酸素ガスを吹き付けながら成膜した場合、この結果形成された硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、酸素含有量がドリル先端側からシャンク軸方向に滑らかに漸次増加しており、従来の表面被覆ドリルに比して、炭素鋼の深穴加工において、すぐれた耐摩耗性および切屑排出性を示すことを見出した。

（ｂ）さらに、前記硬質被覆層の断面組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図３の断面模式図に示すように、層厚方向の縦断面においては、ドリル先端部近傍では、結晶粒の長径が５０〜２５０ｎｍであり、アスペクト比が１．０〜２．０、表面粗さＲａが０．３５〜０．４５μｍの微細粒状晶であるとともに、ドリル後端において長径が０．６〜５．０μｍ、アスペクト比が１５〜２０になるよう漸次増加し、表面粗さＲａが０．１５〜０．２５μｍの柱状晶組織へと連続的に変化している。

（ｃ）そして、表面被覆ドリルの硬質被覆層を、前記結晶粒組織を持つ硬質被覆層（以下、酸素含有量制御層）で構成すると以下のような効果を発揮する。すなわち、ドリル先端部は高熱・高負荷がかかるため、微細粒状晶組織の皮膜にて構成することにより、高い耐摩耗性を実現する。また、刃のシャンクに近い後方部分は低い表面粗さＲａを有し、酸素を所定割合含有した潤滑性を有する柱状晶組織の皮膜にて構成することにより、高い切屑排出性を実現することができる。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に硬質被覆層として（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝の成分系からなる平均層厚０．８〜５．０μｍを有するＴｉ、Ａｌ、Ｓｉの複合酸窒化物層を被覆してなる表面被覆ドリルにおいて、ドリルの直径をＤとし、ドリルを先端から軸方向に沿って、距離Ｄごとに区分けした際に、シャンクと刃の境界部を含む区間及びそれ以降を除いた各区間を先端から区間１Ｄ、区間２Ｄ、・・・区間ＬＤ（但し、Ｌは整数かつ３≦Ｌ≦８を満たす。）と表した場合に、
区間１Ｄの平均酸素含有量Ｏ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤがそれぞれＯ_１Ｄ≦５ａｔ％、Ｏ_ＬＤ＝ １５〜２０ａｔ％であり 、かつ、平均酸素量変化率をα＝（Ｏ_ＬＤ−Ｏ_１Ｄ）／（ＬＤ−Ｄ）、区間（Ｎ−１）Ｄから区間ＮＤ間での区間内酸素量変化率をα_ＮＤ＝（Ｏ_ＮＤ−Ｏ_{（Ｎ−１）Ｄ}）／Ｄと表した場合、平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０以下（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）である、
ことを特徴とする耐摩耗性と切屑排出性にすぐれた表面被覆ドリル。
（２）前記硬質被覆層組織の平均長径は漸次増加しており、区間１Ｄの平均長径Ｃ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均長径Ｃ_ＬＤがそれぞれＣ_１Ｄ＝５０〜２５０ｎｍ、Ｃ_ＬＤ＝０．６〜５．０μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ₁が０．５〜２．５μｍ（但し、Ｃ_１Ｄ＜Ｃ₁＜Ｃ_ＬＤを満たす。）であり、かつ、前記硬質被覆層組織の平均アスペクト比は漸次増加しており、区間１Ｄの平均アスペクト比Ａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤがそれぞれＡ_１Ｄ＝１．０〜２．０、Ａ_LＤ＝１５〜２０であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ₁が８．０〜１２．０である、
ことを特徴とする（１）に記載の表面被覆ドリル。
（３）前記硬質被覆層組織の平均表面粗さＲａは漸次減少しており、区間１Ｄの平均表面粗さＲａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均表面粗さＲａ_ＬＤがそれぞれＲａ_１Ｄ＝０．３５〜０．４５μｍ、Ｒａ_LＤ＝０．１５〜０．２５μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ₁が０．２５〜０．３０μｍ（但し、Ｒａ_１Ｄ＞Ｒａ₁＞Ｒａ_ＬＤを満たす。）である、
ことを特徴とする（１）又は（２）に記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に説明する。

本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層を構成する酸素含有量制御層は、組成を（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝とした時のＴｉとＡｌとＳｉの合量に占めるＡｌの含有割合（原子比）ｘの値が０．４０より小さいとＴｉＮ格子中ＴｉサイトへのＡｌ置換が与える格子歪みに起因する高い硬度や、酸化保護膜による耐酸化性が得られず、０．７０を超えると、十分な硬さを示さない六方晶構造窒化物が形成し、所望の高温靭性、高温強度が得られない。また、ＴｉとＡｌとＳｉの合量に占めるＳｉの含有割合（原子比）ｙの値が０．０１より小さいとすぐれた硬さを有する格子歪みに起因する微細結晶組織を形成できないと共に、酸化保護膜の形成による耐酸化性が低下するため好ましくなく、一方、ｙの値が０．１０を超えるとＳｉＯ_２の形成により、所望の高温靭性、高温強度が得られない。したがって、ｘの値を０．４０〜０．７０、ｙの値を０．０１〜０．１０と定めた。
また、複合窒酸化物の酸素と窒素の合量に占める酸素の含有割合（原子比）ｚの値が０．４を超えると過剰な酸素供給による格子ひずみの増大による脆弱化および局所的な歪みを引き起こす。また、ＴｉＯ_２等の結晶性酸化物の形成により性能が低下し短寿命にいたる。したがって、ｚの値をｚ≦０．４と定めた。
また、硬質被覆層の平均層厚は、０．８μｍよりも小さいと耐摩耗性が十分でなく、５．０μｍよりも大きいとチッピングしやすくなる。そこで、硬質被覆層の平均層厚は、０．８〜５．０μｍと定めた。
さらに、本発明の表面被覆ドリルの酸素含有量はドリルの刃の先端から軸方向に沿って、滑らかに漸次増加しており、区間１Ｄの平均酸素含有量が５ａｔ％よりも大きいと潤滑性はある程度有するものの、粗大な柱状晶組織となってしまい、先端に必要な耐摩耗性が十分でなくなり、区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤ、つまり後端の平均酸素含有量が１５ａｔ％未満であると切屑排出に必要な潤滑性が十分でなく、２０ａｔ％よりも多いと過剰な酸素供給による格子ひずみの増大による脆弱化および局所的な歪みを引き起こす。また、ＴｉＯ_２等の結晶性酸化物の形成により性能が低下し短寿命にいたる。また、各区間間での平均酸素量変化率からのずれを示す平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０より大きいと（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）、耐摩耗性微細粒状組織と潤滑性酸素含有柱状組織の界面がドリル軸方向に沿って存在することになる、つまり、軸方向に沿って熱特性や機械特性が極端に変化する界面が存在することになるため、切削衝撃により該界面においてクラックが誘発されてしまう。また、層厚方向にも酸素含有量の変化は少ない方がクラック抑制の点から望ましい。

また、硬質被覆層の断面ＴＥＭ観察を実施し、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分を長径、長径に対して垂直方向の最大径を短径とする。この時、ドリルの先端側の区間１Ｄにおける平均長径Ｃ_１Ｄが５０ｎｍ以下は作製することが困難であり、２５０ｎｍ以上であると、結晶粒粗大化により、転位の阻害要因となる粒界が十分でないために耐摩耗性が十分でない。また、Ｃ_ＬＤが０．６μｍ未満であるとすぐれた潤滑性を有する組織とならないとともに、５．０μｍより大きいものは結晶粒粗大化により、転位の阻害要因となる粒界が十分でないために硬さが向上せず、耐摩耗性が十分でない。また、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ₁が０．５〜２．５μｍの範囲にないと、組織が極端に変化する界面が存在してしまう。
また、ドリルの先端側の区間１Ｄにおける平均アスペクト比Ａ_１Ｄが２．０よりも大きいとすぐれた硬さを持つ微細結晶粒組織とならず、区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤが１５未満であるとすぐれた潤滑性を有する柱状組織とならず、２０よりも大きいものは作製が困難であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ₁が８．０〜１２．０の範囲にないと、組織が極端に変化する界面が存在してしまう。

また、表面被覆ドリルの硬質被覆層を、高熱・高負荷がかかるドリル先端部のすくい面及び逃げ面は、すぐれた硬さを有する微細粒状晶組織の皮膜にて構成することにより、高い耐摩耗性を実現する。また、刃のシャンクに近い後方部分は低い表面粗さＲａに起因する潤滑性を有する柱状晶組織の皮膜にて構成することにより、高い切屑排出性を実現する。
そして、ドリルの先端側の区間１Ｄにおける平均表面粗さＲａ_１Ｄは０．３５μｍ未満では切り屑と硬質皮膜との接触面積が大きくなるため、切り屑離れしにくく、０．４５μｍよりも大きいと切削時のドリル先端硬質皮膜にかかる応力は不均一な分布となり、異常損傷が発生する。また、区間ＬＤにおける平均表面粗さＲａ_ＬＤは０．１５μｍ未満は作製することが難しく、０．２５μｍよりも大きいと切屑排出時に、ビビリ振動や摩擦熱が発生しやすくなるため、精度低下、溶着などが起きやすくなる。また、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ₁が０．２５〜０．３０μｍの範囲にない場合、表面性状が極端に異なる界面が存在することになり、界面両端で切屑排出時の表面被覆硬質皮膜と切り屑との擦れや被削材側面での摩耗の際の衝撃が異なることにより、クラックが誘発される。

さらに、本発明の表面被覆ドリルは、硬質被覆層が、ドリル先端から、シャンクに向けてすぐれた耐摩耗性を有する微細粒状晶組織からすぐれた潤滑性を有する柱状晶組織へと連続的に変化していることにより、クラックなどを誘発するような熱特性、機械特性、表面性状の異なる組織間の界面が存在しないために、異常損傷や刃溝部中途で切屑詰まりによるドリルの折損、切屑滞留による穴あけ精度低下などなく、長寿命を示す表面被覆ドリルが得られる。

なお、ここでいう「アスペクト比」とは、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長径の値を、長径に対して垂直方向の最大径を示す短径の値で除した値である。

本発明の表面被覆ドリルは、
（１）炭化タングステン基超硬合金からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に硬質被覆層として（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝の成分系からなる平均層厚０．８〜５．０μｍを有するＴｉ、Ａｌ、Ｓｉの複合酸窒化物層を被覆してなる表面被覆ドリルにおいて、硬質被覆層が、ドリルの直径をＤとし、ドリルを先端から軸方向に沿って、距離Ｄごとに区分けした際に、シャンクと刃の境界部を含む区間及びそれ以降を除いた各区間を先端から区間１Ｄ、区間２Ｄ、・・・区間ＬＤ（但し、Ｌは整数かつ３≦Ｌ≦８を満たす。）と表した場合に、区間１Ｄの平均酸素含有量Ｏ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤがそれぞれＯ_１Ｄ≦５ａｔ％、Ｏ_ＬＤ＝ １５〜２０ａｔ％であり 、かつ、平均酸素量変化率をα＝（Ｏ_ＬＤ−Ｏ_１Ｄ）／（ＬＤ−Ｄ）、区間（Ｎ−１）Ｄから区間ＮＤ間での区間内酸素量変化率をα_ＮＤ＝（Ｏ_ＮＤ−Ｏ_{（Ｎ−１）Ｄ}）／Ｄと表した場合、平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０以下（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）であり、
（２）前記硬質被覆層組織の平均長径は漸次増加しており、区間１Ｄの平均長径Ｃ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均長径Ｃ_ＬＤがそれぞれＣ_１Ｄ＝５０〜２５０ｎｍ、Ｃ_ＬＤ＝０．６〜５．０μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ₁が０．５〜２．５μｍ（但し、Ｃ_１Ｄ＜Ｃ₁＜Ｃ_ＬＤを満たす。）であり、かつ、該硬質被覆層組織の平均アスペクト比は漸次増加しており、区間１Ｄの平均アスペクト比Ａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤがそれぞれＡ_１Ｄ＝１．０〜２．０、Ａ_LＤ＝１５〜２０であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ₁が８．０〜１２．０、であり、
（３）前記硬質被覆層組織の平均表面粗さＲａは漸次減少しており、区間１Ｄの平均表面粗さＲａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均表面粗さＲａ_ＬＤがそれぞれＲａ_１Ｄ＝０．３５〜０．４５μｍ、Ｒａ_LＤ＝０．１５〜０．２５μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ₁が０．２５〜０．３０μｍ（但し、Ｒａ_１Ｄ＞Ｒａ₁＞Ｒａ_ＬＤを満たす。）であることにより、炭素鋼の深穴加工切削条件において、高い潤滑性と耐摩耗性を有し、高能率の深穴加工が可能となるという効果を奏する。

本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図を示す。 図１に示したアークイオンプレーティング装置の概略図を示す。 本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層の断面図を示す。

つぎに、本発明の表面被覆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、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、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１４００℃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、ドリル基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、表１に示される溝形成部の直径及び溝長、ねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４をそれぞれ製造した。

ついで、これらのドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１および図２の概略図に示されるアークイオンプレーティング装置内に挿入し、
ドリル基体温度：７００〜８００℃、
蒸発源１：ＴｉＡｌＳｉ合金、
蒸発源２：ＴｉＡｌＳｉ合金、
バイアス電圧：−３５〜−２０Ｖ
アーク放電電流：１００〜１２０Ａ
圧力：２．６６Ｐａ
という表２に示される特定の条件下、ドリル基体のシャンク側からドリル基体先端に向けて表２に示される所定流量割合の酸素ガスを吹き付けながら成膜して、表２に示される組成、および表４に示される目標層厚、結晶粒形状、平均アスペクト比を有する酸素含有量制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜１５をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１および図２に示されるアークイオンプレーティング装置にドリル基体の全域に亘って均一な硬質被覆層が形成する目的で、酸素ガスの吹き付けを行うことなく、チャンバー内に導入する窒素ガス及び酸素ガスを調整することにより、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表３に示される成膜条件、および、表５に示される結晶粒形状、平均アスペクト比、目標層厚を有する、層厚方向に沿って、Ａｌおよび酸素の最高含有点とＴｉおよび窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１１を、また、参考として、酸素ガスの吹き付けを行ったが、本発明表面被覆ドリル１〜１５とは異なる成膜条件にて成膜した参考表面被覆ドリル１２〜１５を、それぞれ製造した。

つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１５、比較表面被覆ドリル１〜１１および参考表面被覆ドリル１２〜１５について、
被削材：Ｓ５５Ｃ 、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ：２４ｍｍ（Ｄ−１、Ｄ−２）、３５ｍｍ（Ｄ−３、Ｄ−４）
の条件での炭素鋼の湿式高速深穴あけ切削加工試験（通常の、加工穴深さ４Ｄの切削速度および送りは、それぞれ、８０ｍ／ｍｉｎ．および ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは切り屑詰まりにより切削が不可となるまでの穴あけ切削長を測定した。この測定結果を表４、５にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜１５の硬質被覆層を構成する酸素含有量制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１１および参考表面被覆ドリル１２〜１５の硬質被覆層を構成する従来層について、区間１Ｄでの酸素の最高含有点における酸素量を、区間１Ｄをそれぞれ４等分し、両端、及び真ん中、更にその間の５ヶ所について、透過電子顕微鏡により縦断面観察を行い、硬質皮膜の最表面から基体方向に向かって該酸素含有量制御層及び従来層を測定対象範囲として、膜厚方向に、エネルギー分散Ｘ線分析法による元素線分析を行い、酸素の最高含有点における酸素量を算出し、各５ヶ所について平均した値として求めた。なお、区間１Ｄでの窒素の最高含有点における酸素量、区間ＬＤでの酸素の最高含有点における酸素量、区間ＬＤでの窒素の最高含有点における酸素量も区間１Ｄでの酸素の最高含有点における酸素量の測定方法と同様に求めた。

また、前記硬質被覆層について各区間を４等分し、両端、及び真ん中、更にその間の５ヶ所について、層厚、酸素含有量、長径、表面粗さＲａを各々測定し、平均値を求めた。平均層厚については透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値を示した。
また、平均酸素含有量は前記透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散Ｘ線分析法による測定による元素線分析の平均値を採用した。平均長径は透過電子顕微鏡により、２万倍にて断面観察し、断面組織観察視野内の任意の超硬基体表面を始点とする膜厚方向に平均層厚長さと等しい線分及び膜厚方向に垂直な５μｍの線分からなる観察視野内の平均層厚×５μｍの範囲における個々の結晶粒について測定された最大径を示す線分とし、平均アスペクト比は該長径を有する結晶粒に対して垂直方向の最大径を示す値を短径として、長径の値を短径の値で除した値とした。
さらに、平均表面粗さＲａの測定はレーザー顕微鏡を用い、ドリル被覆硬質膜を表面から見た際に５μｍ×５μｍの範囲に存在する被覆硬質膜の表面粗さＲａを測定した値の平均値を採用した。

表４、５に示される結果から、本発明表面被覆ドリルは、先端から軸方向に沿って、皮膜組成及び断面の結晶粒形状を観察したとき、ドリルの直径をＤとし、ドリルを先端から軸方向に沿って、距離Ｄごとに区分けした際に、シャンクと刃の境界部を含む区間及びそれ以降を除いた各区間を先端から区間１Ｄ、区間２Ｄ、・・・区間ＬＤ（但し、Ｌは整数かつ３≦Ｌ≦８を満たす。）と表した場合に、区間１Ｄの平均酸素含有量Ｏ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤがそれぞれＯ_１Ｄ≦５ａｔ％、Ｏ_ＬＤ＝ １５〜２０ａｔ％であり 、かつ、平均酸素量変化率をα＝（Ｏ_ＬＤ−Ｏ_１Ｄ）／（ＬＤ−Ｄ）、区間（Ｎ−１）Ｄから区間ＮＤ間での区間内酸素量変化率をα_ＮＤ＝（Ｏ_ＮＤ−Ｏ_{（Ｎ−１）Ｄ}）／Ｄと表した場合、平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０以下（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）であり、平均長径は漸次増加しており、区間１Ｄの平均長径Ｃ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均長径Ｃ_ＬＤがそれぞれＣ_１Ｄ＝５０〜２５０ｎｍ、Ｃ_ＬＤ＝０．６〜５．０μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ₁が０．５〜２．５μｍ（但し、Ｃ_１Ｄ＜Ｃ_１＜Ｃ_ＬＤを満たす。）、平均アスペクト比は漸次増加しており、区間１Ｄの平均アスペクト比Ａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤがそれぞれＡ_１Ｄ＝１．０〜２．０、Ａ_ＬＤ＝１５〜２０であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ₁が８．０〜１２．０、平均表面粗さＲａは漸次減少しており、区間１Ｄの平均表面粗さＲａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均表面粗さＲａ_ＬＤがそれぞれＲａ_１Ｄ＝０．３５〜０．４５、Ｒａ_LＤ＝０．１５〜０．２５であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ₁が０．２５〜０．３０（但し、Ｒａ_１Ｄ＞Ｒａ₁＞Ｒａ_ＬＤを満たす。）であることを特徴とする表面被覆ドリルであることが確認できた。
これに対して、硬質被覆層の酸素含有量及び表面粗さＲａ、硬質被覆層を構成する結晶粒の平均長径、平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて変化しない従来層を有する比較表面被覆ドリルおよび参考表面被覆ドリルにおいては、耐摩耗性、切屑排出性が十分でないために、チッピングや切り屑詰まりが起きやすく、折損等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、ドリル先端部の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、皮膜組成及び断面の結晶粒形状を観察したとき、ドリルの直径をＤとし、ドリルを先端から軸方向に沿って、距離Ｄごとに区分けした際に、シャンクと刃の境界部を含む区間及びそれ以降を除いた各区間を先端から区間１Ｄ、区間２Ｄ、・・・区間ＬＤ（但し、Ｌは整数かつ３≦Ｌ≦８を満たす。）と表した場合に、区間１Ｄの平均酸素含有量Ｏ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤがそれぞれＯ_１Ｄ≦５ａｔ％、Ｏ_ＬＤ＝ １５〜２０ａｔ％であり 、かつ、平均酸素量変化率をα＝（Ｏ_ＬＤ−Ｏ_１Ｄ）／（ＬＤ−Ｄ）、区間（Ｎ−１）Ｄから区間ＮＤ間での区間内酸素量変化率をα_ＮＤ＝（Ｏ_ＮＤ−Ｏ_{（Ｎ−１）Ｄ}）／Ｄと表した場合、平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０以下（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）であり、平均長径は漸次増加しており、区間１Ｄの平均長径Ｃ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均長径Ｃ_ＬＤがそれぞれＣ_１Ｄ＝５０〜２５０ｎｍ、Ｃ_ＬＤ＝０．６〜５．０μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ_１が０．５〜２．５μｍ（但し、Ｃ_１Ｄ＜Ｃ_１＜Ｃ_ＬＤを満たす。）、平均アスペクト比は漸次増加しており、区間１Ｄの平均アスペクト比Ａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤがそれぞれＡ_１Ｄ＝１．０〜２．０、Ａ_ＬＤ＝１５〜２０であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ_１が８．０〜１２．０、平均表面粗さＲａは漸次減少しており、区間１Ｄの平均表面粗さＲａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均表面粗さＲａ_ＬＤがそれぞれＲａ_１Ｄ＝０．３５〜０．４５、Ｒａ_ＬＤ＝０．１５〜０．２５であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ₁が０．２５〜０．３０（但し、Ｒａ_１Ｄ＞Ｒａ₁＞Ｒａ_ＬＤを満たす。）であることから、すぐれた耐摩耗性と切屑排出性を備えており、そして、このすぐれた耐摩耗性と切屑排出性は、高送り・湿式の深穴用ドリル加工条件においても、長期間にわたり高い耐摩耗性を維持するものである。

Claims (3)

1. 炭化タングステン基超硬合金からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に硬質被覆層として（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｎ_１−ｚＯ_ｚ）｛ただし、原子比で、ｘ＝０．４０〜０．７０、ｙ＝０．０１〜０．１０、Ｚ≦０．４｝の成分系からなる平均層厚０．８〜５．０μｍを有するＴｉ、Ａｌ、Ｓｉの複合酸窒化物層を被覆してなる表面被覆ドリルにおいて、
   ドリルの直径をＤとし、ドリルを先端から軸方向に沿って、距離Ｄごとに区分けした際に、シャンクと刃の境界部を含む区間及びそれ以降を除いた各区間を先端から区間１Ｄ、区間２Ｄ、・・・区間ＬＤ（但し、Ｌは整数かつ３≦Ｌ≦８を満たす。）と表した場合に、
   区間１Ｄの平均酸素含有量Ｏ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均酸素含有量Ｏ_ＬＤがそれぞれＯ_１Ｄ≦５ａｔ％、Ｏ_ＬＤ＝１５〜２０ａｔ％であり、かつ、平均酸素量変化率をα＝（Ｏ_ＬＤ−Ｏ_１Ｄ）／（ＬＤ−Ｄ）、区間（Ｎ−１）Ｄから区間ＮＤ間での区間内酸素量変化率をα_ＮＤ＝（Ｏ_ＮＤ−Ｏ_{（Ｎ−１）Ｄ}）／Ｄと表した場合、平均酸素量変化率と区間内酸素量変化率との比α_ＮＤ／αが２．０以下（但し、Ｎは３≦Ｎ≦Ｌを満たす全ての整数。）である、
   ことを特徴とする耐摩耗性と切屑排出性にすぐれた表面被覆ドリル。
2. 前記硬質被覆層組織の平均長径は漸次増加しており、区間１Ｄの平均長径Ｃ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均長径Ｃ_ＬＤがそれぞれＣ_１Ｄ＝５０〜２５０ｎｍ、Ｃ_ＬＤ＝０．６〜５．０μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均長径Ｃ_１が０．５〜２．５μｍ（但し、Ｃ_１Ｄ＜Ｃ_１＜Ｃ_ＬＤを満たす。）であり、かつ、前記硬質被覆層組織の平均アスペクト比は漸次増加しており、区間１Ｄの平均アスペクト比Ａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均アスペクト比Ａ_ＬＤがそれぞれＡ_１Ｄ＝１．０〜２．０、Ａ_ＬＤ＝１５〜２０であるとともに、刃長の中点を含む区間での平均アスペクト比Ａ_１が８．０〜１２．０である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ドリル。
3. 前記硬質被覆層組織の平均表面粗さＲａは漸次減少しており、区間１Ｄの平均表面粗さＲａ_１Ｄ及び区間ＬＤの平均表面粗さＲａ_ＬＤがそれぞれＲａ_１Ｄ＝０．３５〜０．４５μｍ、Ｒａ_ＬＤ＝０．１５〜０．２５μｍであるとともに、刃長の中点を含む区間での平均表面粗さＲａ_１が０．２５〜０．３０μｍ（但し、Ｒａ_１Ｄ＞Ｒａ_１＞Ｒａ_ＬＤを満たす。）である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面被覆ドリル。