JP6722410B2

JP6722410B2 - ドリル

Info

Publication number: JP6722410B2
Application number: JP2018108401A
Authority: JP
Inventors: 隆雄片桐
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: US20190375029A1; DE102019003976B4; JP2019209439A; DE102019003976A1; US10850333B2

Description

本発明は、ドリルに関するものである。

従来、穴あけ加工用のドリルにおいて、切刃にホーニングを施すことによって、その欠損を生じにくくすることが知られている。

例えば、特許文献１では、軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面と刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切刃が形成され、かつ、切屑排出溝の内壁面の先端側に、切刃の内周端側に連なるシンニング部が形成されていることによって、切刃の内周端側がシンニング切刃部とされたドリルにおいて、切刃にはホーニングが施されていて、シンニング切刃部でのホーニング幅が、このシンニング切刃部の全長に亘って一定とされているとともに、シンニング切刃部の外周側に連なる外周切刃部の外周端でのホーニング幅が、シンニング切刃部でのホーニング幅の１．５倍以上に設定されていることを特徴とするドリルが提案されている。

また、例えば、特許文献２では、軸線回りに回転されるドリル本体の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域であるすくい面とドリル本体の先端面との交差稜線部に切刃が形成されたドリルであって、すくい面に交差して外周側を向く外周マージン部とドリル本体の先端面との交差稜線部であるとともに、切刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部に、ホーニングが施されており、肩部に施されたホーニングのホーニング幅が、切刃に施されたホーニングのホーニング幅以下に設定されていることを特徴とするドリルが提案されている。

特開２００４−２６８２３０号公報特許第４６０８９３３号

穴あけ加工用のドリルにおいて、加工能率を上げるため従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでより工具寿命を延長することが求められている。特に薄板の穴あけ加工用のドリルにおいては、肩部において欠損が生じやすいという問題がある。これにより、ドリルの寿命を長くすることが困難となっている。

以上の理由により、特許文献１に記載のドリルでは、単に外周切れ刃の外周端でのホーニング幅をシンニング切れ刃のホーニング幅より大きくしたとしても、切削抵抗が大きくなるため、折損しやすいという問題が生じる。また、切削抵抗が大きくなるため、加工面品位（加工精度）が低下するという別の問題も生じる。この結果、工具寿命が短くなるという問題がある。

また、特許文献２に記載のドリルでは、肩部のホーニング幅が切れ刃の幅よりも小さいので、肩部の強度不足により、欠損しやすく、工具寿命を長くできないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができるドリルを提供することを目的とする。

本発明者は、ドリルの工具寿命の延長について研究を重ねたところ、ドリルの各部位におけるホーニング幅を特定の範囲とすることによって、ドリルの耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、ドリルの工具寿命を延長することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、該切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃が形成されたドリルであって、
前記すくい面に交差して外周側を向くマージン部と、
前記マージン部と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部であるとともに、前記切れ刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部と、
前記切屑排出溝の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部と、を有し、
前記切れ刃が、回転中心から順に、前記シンニング部に形成された第１の切れ刃部、前記第１の切れ刃から更に外周側に形成された第２の切れ刃部、前記肩部に形成された肩切れ刃部、及び、前記マージン部に形成されたマージン切れ刃部を有し、
前記第２の切れ刃、前記マージン切れ刃部、及び、前記肩切れ刃部に、ホーニングが施されており、
前記各部位のホーニング幅が、下記式（１）で表される関係を満たす、ドリル。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）
［２］
前記肩切れ刃部のホーニング幅が８０μｍ以上２００μｍ以下である、［１］に記載のドリル。
［３］
前記マージン切れ刃部のホーニング幅が６０μｍ以上１８０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載のドリル。
［４］
前記第２の切れ刃部のホーニング幅が３０μｍ以上１５０μｍ以下である、［１］〜［３］のいずれかに記載のドリル。
［５］
表面に被覆層が形成された被覆ドリルであって、
軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、該切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃が形成され、
前記すくい面に交差して外周側を向くマージン部と、
前記マージン部と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部であるとともに、前記切れ刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部と、
前記切屑排出溝の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部と、を有し、
前記切れ刃が、回転中心から順に、前記シンニング部に形成された第１の切れ刃部、前記第１の切れ刃から更に外周側に形成された第２の切れ刃部、前記肩部に形成された肩切れ刃部、及び、前記マージン部に形成されたマージン切れ刃部を有し、
前記第２の切れ刃、前記マージン切れ刃部、及び、前記肩切れ刃部に、ホーニングが施されており、
前記各部位のホーニング幅が、下記式（１）で表される関係を満たす、被覆ドリル。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）
［６］
前記被覆層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含有する化合物層を含む、［５］に記載の被覆ドリル。
［７］
前記被覆層が、下記式（２）
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（２）
（式中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を示し、０．１０≦ｘ≦０．５０を満足する。）
で表される組成を有する化合物を含有する複合化合物層を含む、［５］又は［６］に記載の被覆ドリル。
［８］
前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上８．０μｍ以下である、［５］〜［７］のいずれかに記載の被覆ドリル。

本発明によると、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができるドリルを提供することができる。

本発明のドリルに用いるインサート本体の側面図の一例である。本発明のドリルに用いるインサート本体の正面図の一例である。本発明のドリルに用いるインサート本体の斜視図の一例である。図３に示す斜視図において点線で囲まれた部分の拡大図である。本発明のドリルの模式図の一例である。本発明のドリルの切れ刃の断面を拡大したときの模式図の一例である。本発明の被覆ドリルの断面組織の模式図の一例である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

［ドリル］
本実施形態のドリルは、軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃が形成されたドリルであって、すくい面に交差して外周側を向くマージン部と、マージン部と刃先部の先端逃げ面との交差稜線部であるとともに、切れ刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部と、切屑排出溝の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部と、を有し、切れ刃が、回転中心から順に、シンニング部に形成された第１の切れ刃部、第１の切れ刃から更に外周側に形成された第２の切れ刃部、肩部に形成された肩切れ刃部、及び、マージン部に形成されたマージン切れ刃部を有し、第２の切れ刃、マージン切れ刃部、及び、肩切れ刃部に、ホーニングが施されており、各部位のホーニング幅が、下記式（１）で表される関係を満たす、ドリル。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）

なお、本実施形態において、ホーニングが施されている第２の切れ刃部、肩切れ刃部及びマージン切れ刃部は、順に、例えば、図４の拡大図における１０、１１及１２の部位をいう。また、ホーニング幅は、図６に示す切れ刃部の断面において、ドリル回転方向Ｔに直交する方向に沿った長さＨとなる。

本実施形態のドリルは、上記のとおり各部位におけるホーニング幅を特定の範囲とすることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、工具寿命を延長することができる。本実施形態のドリルの耐摩耗性及び耐欠損性が向上する要因は、以下のように考えられる。但し、本発明は以下の要因により何ら限定されない。すなわち、まず、ドリルにおいて、各部位のホーニング幅のうち最も欠けやすい肩切れ刃部のホーニング幅を最も大きくしたことにより、耐欠損性が向上する。また、ドリルにおいて、マージン切れ刃部のホーニング幅を、肩切れ刃部のホーニング幅よりも小さくすることで、加工面の粗さが小さくなり、加工面品位が向上する。一方、ドリルにおいて、マージン切れ刃部のホーニング幅を、第２の切れ刃部のホーニング幅以上とすることで、耐欠損性が向上する。さらに、ドリルにおいて、第２の切れ刃部のホーニング幅を、マージン切れ刃部のホーニング幅以下とすることで、切削抵抗が小さくなり、穴精度が向上し、また、ビビリの発生を抑制でき、折損を抑制することができる。
そして、これらの構成が組み合わされることにより、本実施形態のドリルは、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスに優れ、その結果、工具寿命を延長することができ、さらには、切削抵抗を小さくすることで、ビビリの発生の抑制、加工面品位（加工精度）の向上等の切削性能の向上を達成できると考えられる。

また、本実施形態のドリルは、肩切れ刃部のホーニング幅が８０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以上１９０μｍ以下であることがより好ましい。本実施形態のドリルは、肩切れ刃部のホーニング幅が、前記下限値以上であると、刃先が強化されるため、耐欠損性が一層向上し、前記上限値以下であると、切削抵抗が小さくなるため、耐摩耗性が一層向上する。

また、本実施形態のドリルは、マージン切れ刃部のホーニング幅が６０μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上１４０μｍ以下であることがより好ましい。マージン切れ刃部のホーニング幅が、前記下限値以上であると、刃先が強化されるため、耐欠損性が一層向上し、前記上限値以下であると、切削抵抗が小さくなるため、耐摩耗性が一層向上する。

また、本実施形態のドリルは、第２の切れ刃部のホーニング幅が３０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以上９０μｍ以下であることがより好ましい。第２の切れ刃部のホーニング幅が、前記下限値以上であると、刃先が強化されるため、耐欠損性が一層向上し、前記上限値以下であると、切削抵抗が小さくなるため、耐摩耗性が一層向上する。

本実施形態のドリルを形成する基材としては、特に限定はされないが、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、及び高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体からなる群より選ばれる１種以上であると、耐欠損性に一層優れるので、さらに好ましい。

本実施形態のドリルは、ホーニング幅が式（１）で表される関係を満たすこと以外は、従来のドリルと同様の形状を有していてもよい。

また、本実施形態において、ホーニングとしては、特に限定されず、例えば、チャンファホーニング、Ｒホーニング、コンビネーションホーニングが挙げられる。

図１〜図３に本実施形態のドリルに用いるインサート本体の一例を示す。このインサート本体１は、シンニング部２、肩部３、切屑排出溝４、チゼル５、逃げ面６、マージン部７及び切れ刃全体８を有している。このようなインサート本体は、例えば、図５に示すようにドリル本体１３に組み込まれる。

図５に示すように、ドリル本体１３は、例えば、軸線（図５中の一点鎖線）を中心とした略円柱状に形成されたものであり、その後端側部分が工作機械の回転軸に把持されるシャンク部とされる一方、先端側部分がインサート本体１（刃先部）とされている。
また、図１〜３に示すように、インサート本体１（刃先部）の外周には、先端逃げ面６から軸線方向の後端側に向かうにしたがい一定のねじれ角でドリル回転方向Ｔ後方側にねじれる一対の切屑排出溝４が軸線に対して対称に形成されていて、これら切屑排出溝４におけるドリル回転方向Ｔ前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃８が形成されている。

また、図１に示すように、切屑排出溝４の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部２が形成されている。

本実施形態のドリルは、図４に示す第２の切れ刃部１０、肩切れ刃部１１及びマージン切れ刃部１２において、式（１）で表される関係を満たすようにホーニングが施されている。本実施形態のドリルは、このようにホーニングが施されていることにより、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスに優れ、その結果、工具寿命を延長することができる。

上述したような構成とされた本実施形態のドリルは、例えば、そのドリル本体１３が、軸線回りに回転されながら軸線方向の先端側へ向かって送られ、シンニング切れ刃部９の内周端から徐々に被削材に食い付いていくことによって、この被削材に穴あけ加工を施していくものであり、切れ刃８にて生成される切屑を、切屑排出溝４内の後端側へ向けて排出していくことで、この穴あけ加工が継続されていく。

［被覆ドリル］
本実施形態の被覆ドリルは、表面に被覆層が形成されたこと以外は、上述のドリルと同様の形状を有しており、各部位のホーニング幅も、下記式（１）で表される関係を満たす。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）
本実施形態の被覆ドリルは、上記のとおり各部位におけるホーニング幅を特定の範囲とすることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、工具寿命を延長することができる。

また、本実施形態の被覆ドリルにおいて、被覆層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含有する化合物層を含むことが好ましい。また、化合物層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。本実施形態の被覆ドリルは、被覆層が上述のような化合物層を含むと耐摩耗性が一層向上する傾向にある。

また、本実施形態の被覆ドリルにおいて、被覆層は、下記式（２）
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（２）
（式中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を示し、０．１０≦ｘ≦０．５０を満足する。）
で表される組成を有する化合物を含有する複合化合物層を含むことがより好ましい。

本実施形態の被覆ドリルは、被覆層としてこのような複合化合物層を含ませると、高温硬さが大きくなり、摩擦係数が小さくなるため、耐摩耗性がより一層向上する傾向にある。さらに、本実施形態の被覆ドリルは、被覆層としてこのような複合化合物層を含ませると、肩部のホーニング幅を大きくしても、肩部の摩耗の進行を抑制できるため、肩部の強度が維持され、欠損し難くなる傾向があり、結果として、工具寿命を延長することができる。

また、本実施形態の被覆ドリルは、被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上８．０μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態の被覆ドリルにおいて、被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向がある。一方、被覆層全体の平均厚さが８．０μｍ以下であると、耐欠損性が一層向上する傾向がある。そのため、被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上８．０μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態に用いる被覆層は、組成の異なる２種又は３種以上の層を交互に積層した交互積層構造を有することが好ましい。その交互積層構造における少なくとも１層は、上述したような式（２）で表される組成を有する化合物を含有する複合化合物層（以下、「第１複合窒化物層」という。）を含むことが好ましい。

本実施形態に用いる第１複合窒化物層において上記式（２）で表される組成を有する化合物は、立方晶、又は立方晶と六方晶とを含むと好ましい。なお、上記式（２）において、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、０．１０≦ｘ≦０．５０を満足する。Ｃｒ元素の原子比ｘは、０．１０以上であると、六方晶のＡｌの窒化物が形成されるのを抑制することができ、その結果、本実施形態の被覆ドリルは、摩擦係数が小さくなり、耐摩耗性がより一層向上する。一方、Ｃｒ元素の原子比ｘは、０．５０以下であると、Ｃｒの窒化物が形成されるのを抑制することができるため、本実施形態の被覆ドリルは、高温硬さが向上し、耐摩耗性に優れるとともに、第１複合窒化物層の残留応力が低下するのを抑制できるため、耐欠損性に優れる。その中でも、ｘが０．１５以上０．５０以下であると、本実施形態の被覆ドリルは、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスにより優れるため好ましい。

本実施形態に用いる被覆層の交互積層構造における少なくとも１層は、以下に説明する特定の層（以下、「第２複合窒化物層」という。）を含むことが好ましい。本実施形態に用いる第２複合窒化物層は、下記式（３）：
（Ｔｉ_1-yＳｉ_y）Ｎ・・・（３）
で表される組成を有する化合物を含有することが好ましい。本実施形態に用いる第２複合窒化物層において上記式（３）で表される組成を有する化合物は、立方晶を含むと好ましい。ｙはＴｉ元素とＳｉ元素との合計に対するＳｉ元素の原子比を示し、０．００＜ｙ＜１．００を満足し、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５０を満足し、より好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３０を満足する。Ｓｉ元素の原子比ｙが０．００を超えると、硬度が向上する傾向にあり、特に原子比ｙが０．０１以上、より好ましくは０．０５以上であると、硬度が更に向上するため、本実施形態の被覆ドリルは、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。一方、Ｓｉ元素の原子比ｙは、１．００未満であると、アモルファス相が形成されるのを抑制することができるため、本実施形態の被覆ドリルは、耐摩耗性に優れるとともに、被覆層中の残留圧縮応力を抑制することができるため密着性に優れる傾向にある。同様の観点から、原子比ｙは０．５０以下であると好ましく、０．３０以下であるとより好ましい。その中でも、ｙが０．１０以上０．２５以下であると、本実施形態の被覆ドリルは、耐摩耗性と密着性とのバランスにより優れるため好ましい。

なお、本実施形態において、各複合窒化物層の組成を（Ａｌ_0.70Ｃｒ_0.30）Ｎと表記する場合は、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比が０．７０、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比が０．３０であることを意味する。すなわち、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の量が７０原子％、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の量が３０原子％であることを意味する。

本実施形態の被覆ドリルにおいて、被覆層を上述のような交互積層構造とする場合、第１複合窒化物層及び第２複合窒化物層の１層当たりの平均厚さが、それぞれ７０ｎｍ以上であると、被覆層の内部応力が高くなるのを抑えることができるため耐欠損性が向上する傾向にある。一方、第１複合窒化物層及び第２複合窒化物層の１層当たりの平均厚さが、それぞれ３００ｎｍ以下であると、基材に向かって亀裂が進展するのを抑制する効果が得られるため耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、第１複合窒化物層及び第２複合窒化物層の１層当たりの平均厚さは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、１２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態において、第１複合窒化物層と、第２複合窒化物層とを１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回であり、本実施形態に用いる交互積層構造は、繰り返し数が１回である形態も含む。図７は本実施形態の被覆ドリルの断面組織の一例を示す模式図であるが、以下、これを利用して繰り返し数について説明する。この被覆ドリル２８は、基材２１と、基材２１の表面に形成された被覆層２７とを備える。被覆層２７は、基材２１側から順に、後述の下部層２２と、交互積層構造２６と、後述の上部層２５とを積層してなる。交互積層構造２６は、下部層２２側から上部層２５側に向かって順に、第１複合窒化物層２３と、第２複合窒化物層２４とを交互に積層してなり、第１複合窒化物層２３及び第２複合窒化物層２４をそれぞれ４層ずつ有する。この場合、繰り返し数は、４回となる。また、例えば、第１複合窒化物層２３及び第２複合窒化物層層２４を、下部層２２側から上部層２５側に向かって順に、第１複合窒化物層２３、第２複合窒化物層２４、第１複合窒化物層２３、第２複合窒化物層２４、第１複合窒化物層２３、第２複合窒化物層２４、第１複合窒化物層２３、第２複合窒化物層２４、第１複合窒化物層２３、第２複合窒化物層２４と、第１複合窒化物層を５層、第２複合窒化物層を５層それぞれ形成した場合、繰り返し数は、５回となる。また、図７において、被覆層２７は下部層２２及び上部層２５の両方を備えるが、被覆層が下部層２２及び上部層２５のいずれかのみを備えてもよく、両方備えていなくてもよい。

本実施形態の被覆ドリルにおいて、交互積層構造の平均厚さは、０．５μｍ以上であると耐摩耗性が一層向上し、８．０μｍ以下であると耐欠損性が一層向上する傾向にある。

本実施形態に用いる被覆層は、上述のような化合物層、あるいは各複合窒化物層の交互積層構造だけで構成されてもよいが、基材と交互積層構造との間（すなわち、交互積層構造の下層）に下部層を有すると、基材と交互積層構造との密着性が更に向上するため、好ましい。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましい。また、下部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、下部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向を示すため、好ましい。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

本実施形態に用いる被覆層は、交互積層構造の基材とは反対側（すなわち、交互積層構造の上層）、好ましくは交互積層構造の表面、に上部層を有してもよい。上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましい。また、上部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、上部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、耐摩耗性により優れる傾向を示すため好ましい。同様の観点から、上部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

本実施形態の被覆ドリルに用いる被覆層の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。

本実施形態の被覆ドリルの製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆ドリルの製造方法は、当該被覆ドリルの構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。

まず、上述したようなドリル形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に収容し、金属蒸発源を反応容器内に設置する。その後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きし、反応容器内のヒーターにより基材をその温度が２００℃〜７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。圧力０．５Ｐａ〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−５００Ｖ〜−３５０Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａ〜５０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を施す。基材の表面にイオンボンバードメント処理を施した後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。

本実施形態に用いる化合物層を形成する場合、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、化合物層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、化合物層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５〜８５：１５であってもよい。次いで、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ〜２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて化合物層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第１複合窒化物層を形成する場合、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を０．５〜５．０Ｐａにする。その後、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、第１複合窒化物層の金属成分に応じた金属蒸発源を１００Ａ〜２００Ａとするアーク放電により蒸発させて、第１複合窒化物層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第２複合窒化物層を形成する場合、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるように制御する。なお、その基材の温度を、第１複合窒化物層を形成する際の基材の温度と同じにすると、第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とを連続して形成することができるので好ましい。温度を制御した後、反応容器内にＮ₂ガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。次いで、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流１００Ａ〜２００Ａのアーク放電により第２複合窒化物層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、第２複合窒化物層を形成するとよい。

第１複合窒化物層と第２複合窒化物層との交互積層構造を形成するには、２種類以上の金属蒸発源を上述した条件にて、交互にアーク放電により蒸発させることによって、各複合窒化物層を交互に形成するとよい。金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、交互積層構造を構成する各複合窒化物層の厚さを制御することができる。

本実施形態に用いる下部層及び／又は上部層を形成する場合、上述した化合物層と同様の製造条件により形成するとよい。すなわち、まず、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、下部層及び／又は上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、下部層及び／又は上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５〜８５：１５であってもよい。次いで、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ〜２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、下部層及び／又は下部層を形成するとよい。

本実施形態の被覆ドリルにおける被覆層を構成する各層の厚さは、被覆ドリルの断面組織から、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本実施形態の被覆ドリルにおける各層の平均厚さは、肩部からチゼルに向かい、切れ刃稜線に沿って、１ｍｍまでの範囲で、且つ、切れ刃稜線から逃げ面に向かい５０μｍの範囲における３箇所以上の断面から各層の厚さを測定して、その平均値（相加平均値）を計算することで求めることができる。

また、本実施形態の被覆ドリルにおける被覆層を構成する各層の組成は、被覆ドリルの断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。

本実施形態の被覆ドリルは、主に耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることに起因して、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏すると考えられる（ただし、工具寿命を延長できる要因は上記に限定されない）。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
基材として、ＤＭＰ１２０のインサート形状（株式会社タンガロイ製）のヘッド交換式のドリルに加工し、９０．２％ＷＣ−９．０％Ｃｏ−０．８％Ｃｒ₃Ｃ₂（以上質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。また、インサートにおける各部位のホーニング幅を表１に示すとおりとした。
アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、被覆層が（Ｔｉ_0.55Ａｌ_0.45）Ｎの組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が４５０℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が２．７ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力２．７ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４００Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。

発明品１〜６及び比較品１〜５については、真空引き後、基材をその温度が４５０℃（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を３．０Ｐａの圧力とするガス条件に調整した。その後、発明品１〜６及び比較品１〜５については、基材に−４０Ｖのバイアス電圧を印加して、（Ｔｉ_0.55Ａｌ_0.45）Ｎの組成の被覆層の金属蒸発源を、１５０Ａのアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面に被覆層を形成した。このとき反応容器内のガス条件と圧力は上述した条件を維持するよう制御した。また、被覆層の厚さは、３．０μｍとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

基材の表面に被覆層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の被覆層の平均厚さは、被覆ドリルの肩部からチゼルに向かい、切れ刃稜線に沿って、１ｍｍまでの範囲で、且つ、切れ刃稜線から逃げ面に向かい５０μｍの範囲において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、被覆層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。

得られた試料の被覆層の組成は、被覆ドリルの肩部からチゼルに向かい、切れ刃稜線に沿って、１ｍｍまでの範囲で、且つ、切れ刃稜線から逃げ面に向かい５０μｍの範囲において、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。

得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。

［切削試験］
被削材：Ｓ５５Ｃ（２００ＨＢ）、
被削材形状：１５０ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍの直方体ブロック、
加工形態：通り穴、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
１回転当たりの送り量：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
クーラント：水溶性（内部給油方式）、
評価項目：チゼルエッジが欠損（チゼルエッジに欠けが生じる）したとき、マージン部に送りマークが生じたとき、又は逃げ面摩耗が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長を測定した。得られた測定結果を表１に示す。

（実施例２）
基材として、ＤＭＰ１２０のインサート形状（株式会社タンガロイ製）のヘッド交換式のドリルに加工し、９０．２％ＷＣ−９．０％Ｃｏ−０．８％Ｃｒ₃Ｃ₂（以上質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。また、インサートにおける各部位のホーニング幅は発明品１と同様とした。
アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表２及び表３に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。

発明品７〜１７については、真空引き後、基材をその温度が４５０℃（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を３．０Ｐａの圧力とするガス条件に調整した。その後、基材に−４０Ｖのバイアス電圧を印加して、発明品７〜１５及び１７については、表２に示す組成の第１層、必要に応じて第２層の金属蒸発源を１５０Ａのアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面に第１層、必要に応じて第２層を形成し、発明品１６については、表３に示す組成の第１複合窒化物層と第２複合窒化物層の金属蒸発源を交互に、１５０Ａのアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面に第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とを交互に形成した。このとき反応容器内のガス条件と圧力は上述した条件を維持するよう制御した。また、各層の厚さは、表２及び３に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

基材の表面に表２及び表３に示す所定の平均厚さまで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均厚さは、被覆ドリルの肩部からチゼルに向かい、切れ刃稜線に沿って、１ｍｍまでの範囲で、且つ、切れ刃稜線から逃げ面に向かい５０μｍの範囲において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。それらの結果も、表２及び表３に併せて示す。

得られた試料の各層の組成は、被覆ドリルの肩部からチゼルに向かい、切れ刃稜線に沿って、１ｍｍまでの範囲で、且つ、切れ刃稜線から逃げ面に向かい５０μｍの範囲において、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。それらの結果も、表２及び表３に併せて示す。なお、表２及び表３の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

［切削試験］
被削材：Ｓ５５Ｃ（２００ＨＢ）、
被削材形状：１５０ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍの直方体ブロック、
加工形態：通り穴、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
１回転当たりの送り量：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
クーラント：水溶性（内部給油方式）、
評価項目：チゼルエッジが欠損（チゼルエッジに欠けが生じる）したとき、マージン部に送りマークが生じたとき、又は逃げ面摩耗が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長を測定した。得られた測定結果を表４に示す。

以上の結果より、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させたことにより、発明品の工具寿命が長くなっていることが分かる。

本発明のドリルは、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、その点で産業上の利用可能性が高い。

１…インサート本体、２…シンニング部、３…肩部、４…切屑排出溝、５…チゼル、６…逃げ面、７…マージン部、８…切れ刃全体（二重太線の箇所）、９…第１の切れ刃部、１０…第２の切れ刃部、１１…肩切れ刃部、１２…マージン切れ刃部、１３…ドリル本体、Ｈ…ホーニング幅、Ｔ…ドリルの回転方向、２１…基材、２２…下部層、２３…第１複合窒化物層、２４…第２複合窒化物層、２５…上部層、２６…交互積層構造、２７…被覆層、２８…被覆ドリル。

Claims

軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、該切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃が形成されたドリルであって、
前記すくい面に交差して外周側を向くマージン部と、
前記マージン部と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部であるとともに、前記切れ刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部と、
前記切屑排出溝の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部と、を有し、
前記切れ刃が、回転中心から順に、前記シンニング部に形成された第１の切れ刃部、前記第１の切れ刃から更に外周側に形成された第２の切れ刃部、前記肩部に形成された肩切れ刃部、及び、前記マージン部に形成されたマージン切れ刃部を有し、
前記第２の切れ刃、前記マージン切れ刃部、及び、前記肩切れ刃部に、ホーニングが施されており、
前記各部位のホーニング幅が、下記式（１）で表される関係を満たす、ドリル。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）
前記肩切れ刃部のホーニング幅が８０μｍ以上２００μｍ以下である、請求項１に記載のドリル。
前記マージン切れ刃部のホーニング幅が６０μｍ以上１８０μｍ以下である、請求項１又は２に記載のドリル。
前記第２の切れ刃部のホーニング幅が３０μｍ以上１５０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のドリル。
表面に被覆層が形成された被覆ドリルであって、
軸線回りに回転されるドリル本体の先端側部分である刃先部の外周に後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、該切屑排出溝のドリル回転方向前方側を向く内壁面の先端側領域のすくい面と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部に切れ刃が形成され、
前記すくい面に交差して外周側を向くマージン部と、
前記マージン部と前記刃先部の先端逃げ面との交差稜線部であるとともに、前記切れ刃の外周端からドリル回転方向後方側に延びる肩部と、
前記切屑排出溝の内壁面の先端側に向けて延びるシンニング部と、を有し、
前記切れ刃が、回転中心から順に、前記シンニング部に形成された第１の切れ刃部、前記第１の切れ刃から更に外周側に形成された第２の切れ刃部、前記肩部に形成された肩切れ刃部、及び、前記マージン部に形成されたマージン切れ刃部を有し、
前記第２の切れ刃、前記マージン切れ刃部、及び、前記肩切れ刃部に、ホーニングが施されており、
前記各部位のホーニング幅が、下記式（１）で表される関係を満たす、被覆ドリル。
肩切れ刃部のホーニング幅＞マージン切れ刃部のホーニング幅≧第２の切れ刃部のホーニング幅・・・（１）
前記被覆層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含有する化合物層を含む、請求項５に記載の被覆ドリル。
前記被覆層が、下記式（２）
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（２）
（式中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を示し、０．１０≦ｘ≦０．５０を満足する。）
で表される組成を有する化合物を含有する複合化合物層を含む、請求項５又は６に記載の被覆ドリル。
前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上８．０μｍ以下である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の被覆ドリル。