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
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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:O2ガス1〜10vol%、残りN2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。
「(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(Ti1−x−yAlxSiy)(N1−zOz){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O1D及び区間LDの平均酸素含有量OLDがそれぞれO1D≦5at%、OLD= 15〜20at%であり 、かつ、平均酸素量変化率をα=(OLD−O1D)/(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αND=(OND−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αND/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C1D及び区間LDの平均長径CLDがそれぞれC1D=50〜250nm、CLD=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、C1D<C1<CLD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A1D及び区間LDの平均アスペクト比ALDがそれぞれA1D=1.0〜2.0、ALD=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Ra1D及び区間LDの平均表面粗さRaLDがそれぞれRa1D=0.35〜0.45μm、RaLD=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、Ra1D>Ra1>RaLD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。
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、TiO2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OLD、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、TiO2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αND/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、ドリルの先端側の区間1Dにおける平均アスペクト比A1D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ALD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。
そして、ドリルの先端側の区間1Dにおける平均表面粗さRa1D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RaLD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。
(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(Ti1−x−yAlxSiy)(N1−zOz){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O1D及び区間LDの平均酸素含有量OLDがそれぞれO1D≦5at%、OLD= 15〜20at%であり 、かつ、平均酸素量変化率をα=(OLD−O1D)/(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αND=(OND−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αND/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C1D及び区間LDの平均長径CLDがそれぞれC1D=50〜250nm、CLD=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、C1D<C1<CLD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A1D及び区間LDの平均アスペクト比ALDがそれぞれA1D=1.0〜2.0、ALD=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Ra1D及び区間LDの平均表面粗さRaLDがそれぞれRa1D=0.35〜0.45μm、RaLD=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、Ra1D>Ra1>RaLD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。
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。
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。
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。
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。
Claims (3)
- 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(Ti1−x−yAlxSiy)(N1−zOz){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O1D及び区間LDの平均酸素含有量OLDがそれぞれO1D≦5at%、OLD=15〜20at%であり、かつ、平均酸素量変化率をα=(OLD−O1D)/(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αND=(OND−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αND/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。 - 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C1D及び区間LDの平均長径CLDがそれぞれC1D=50〜250nm、CLD=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、C1D<C1<CLD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A1D及び区間LDの平均アスペクト比ALDがそれぞれA1D=1.0〜2.0、ALD=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、
ことを特徴とする請求項1に記載の表面被覆ドリル。 - 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Ra1D及び区間LDの平均表面粗さRaLDがそれぞれRa1D=0.35〜0.45μm、RaLD=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、Ra1D>Ra1>RaLD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。
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