KR20160042049A

KR20160042049A - 절삭 공구 및 절삭 가공물의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160042049A
Application number: KR1020167006128A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 와키; 마리 이마자토; 탄 카
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-04-18
Also published as: EP3053682A4; US10081065B2; WO2015046573A1; KR101995284B1; CN105555447A; EP3053682A1; JP2018027616A; JPWO2015046573A1; KR20180122754A; EP3053682B1; JP6499258B2; US20160243625A1; CN105555447B

Abstract

기체의 선단부에 절삭날을 설치한 절삭 공구에 있어서, 절삭날 및 절삭 부스러기 배출부에 요구되는 피복층의 성능을 모두 만족시키는 절삭 공구를 제공한다. 적어도 선단부(A)에 설치되는 절삭날(2)과, 절삭날(2)에 인접함과 아울러 선단부(A)로부터 후방[후단(B) 방향]을 향해서 형성된 절삭 부스러기 배출부(4)를 구비하는 막대 형상의 기체(5)의 표면에, 다이아몬드와 그래파이트의 혼합상으로 이루어지고, 선단부(A)보다 선단으로부터 10㎜ 후방의 후방부(B) 쪽이 다이아몬드의 함유 비율이 낮은 피복층(6)을 형성한 드릴(1) 등의 절삭 공구이다.

Description

절삭 공구 및 절삭 가공물의 제조 방법{CUTTING TOOL AND METHOD FOR MANUFACTURING CUT PRODUCT USING SAME}

본 발명은 막대 형상의 기체의 표면에 피복층을 형성한 절삭 공구 및 절삭 가공물의 제조 방법에 관한 것이다.

기체의 표면에 다이아몬드로 이루어지는 피복층을 성막한 절삭 공구가 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는 막대 형상의 기체의 표면에 다이아몬드층을 성막한 드릴이나 엔드 밀 등이 알려져 있다. 또한, 특허문헌 2에서는 기체의 표면에 Si 함유 다이아몬드 라이크 카본막을 성막하고, Si 함유 비율을 피복층의 두께 방향에서 변화시킨 경사 조성으로 한 내마모성 공구 부재가 기재되어 있다.

일본 특허 공개 평 11-058106호 공보 일본 특허 공개 2010-194628호 공보

그러나, 다이아몬드층을 피복한 상기 특허문헌 1의 드릴에 있어서, 드릴 선단부측의 절삭날에서는 피복층이 마모되기 쉽고, 한편 선단보다 후방의 절삭 부스러기 배출 홈에서는 절삭 부스러기 배출성을 높이고 싶다고 하는 요구가 있었다. 또한, 두께 방향으로 경사 조성으로 한 다이아몬드 라이크 카본막을 성막한 특허문헌 2의 피복층을 채용해도 상기 요구를 모두 만족시킬 수는 없었다.

그래서, 본 발명은 드릴이나 엔드 밀 등의 막대 형상의 기체의 선단부에 절삭날을 설치한 절삭 공구에 있어서, 절삭날 및 절삭 부스러기 배출부에 요구되는 피복층의 성능을 모두 만족시키는 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제 1 절삭 공구는 적어도 선단부에 설치되는 절삭날과,

그 절삭날에 인접함과 아울러 상기 선단부로부터 후방을 향해서 설치된 절삭 부스러기 배출부를 구비하는 막대 형상으로서,

기체와,

그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드와 그래파이트의 혼합상으로 이루어지는 피복층을 구비하고,

선단으로부터 10㎜ 후방의 후방부에 있어서의 상기 피복층 중의 다이아몬드의 함유 비율이 상기 선단부에 있어서의 상기 피복층 중의 다이아몬드의 함유 비율보다 낮은 것이다.

본 발명의 제 2 절삭 공구는 막대 형상이며, 적어도 선단부에 설치되는 절삭날과, 그 절삭날에 인접하여 선단으로부터 후방을 향해서 형성된 절삭 부스러기 배출 홈을 구비하고, 경질상과 결합상을 함유하는 경질 합금으로 이루어지는 기체와, 그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드를 함유하는 피복층을 구비하고, 상기 선단부의 상기 절삭날을 갖는 부위는 상기 기체의 표면부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율이 상기 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9배보다 적고, 또한 상기 기체의 표면에 상기 피복층을 갖고 있고, 상기 절삭 부스러기 배출 홈을 갖는 부위는 상기 기체의 표면부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율이 상기 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9∼1.1배이며, 또한 상기 기체의 표면이 외부로 노출되거나 또는 상기 기체의 표면의 적어도 일부에 상기 피복층을 갖고 있는 것이다.

본 발명의 제 3 절삭 공구는 회전 중심축을 갖고, 적어도 선단측으로부터 보아서 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 설치되는 절삭날을 구비하고, 기체와, 그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드를 함유하는 피복층을 갖고,

상기 다이아몬드층의 표면에 대한 라만 분광 분석에 있어서, 상기 다이아몬드로부터 유래되는 피크의 총 피크 강도에 대한 SP3 피크의 피크 강도비를 구했을 때에,

상기 중심부에 있어서의 SP3 피크 강도비가 상기 외주부에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮은 것이다.

(발명의 효과)

본 발명의 제 1 절삭 공구에 의하면, 기체의 선단부의 절삭날에 있어서는 다이아몬드의 함유 비율이 높으므로 피복층의 경도가 높고, 절삭날에 있어서의 피복층의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 기체의 선단부보다 후방측(이하, 단순히 후방측이라고 약기하는 경우가 있음)에서는 그래파이트의 함유 비율이 높다. 다이아몬드 입자는 다면체로 성장하기 때문에, 다이아몬드 입자의 존재 비율이 많아지면 피복층의 표면에 요철이 발생한다. 한편, 그래파이트가 성막되어도 피복층의 평활성은 손상되지 않는다. 그 때문에, 그래파이트의 함유 비율이 많은 기체의 후방측에서는 피복층의 표면이 평활하며 절삭 부스러기 배출성이 향상된다.

본 발명의 제 2 절삭 공구에 의하면, 절삭날에 있어서는 다이아몬드층의 성장을 저해하는 결합상의 함유 비율이 기체의 내부에 비해서 표면이 낮으므로 다이아몬드층이 성장하기 쉽고, 다이아몬드층의 밀착성이 높다. 그 때문에, 절삭날에 있어서의 마모의 진행을 억제할 수 있다. 한편, 고경도의 다이아몬드 입자를 함유하는 다이아몬드층은 다이아몬드 입자는 다면체로 성장하기 때문에, 입성장한 다이아몬드 입자가 다이아몬드층의 표면으로 돌출되어, 다이아몬드층의 표면에 요철이 발생한다. 그러나, 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서는 절삭 부스러기 배출성을 높이는 것이 요구되기 때문에, 절삭 부스러기 배출 홈에서는 오히려 다이아몬드층이 존재하지 않는 편이 절삭 성능은 좋아진다. 그 때문에, 절삭 부스러기 배출 홈에서는 다이아몬드층의 밀착성을 악화시켜서 다이아몬드층이 성막되지 않거나, 또는 다이아몬드층을 조기에 박리시키고 절삭 부스러기 배출 홈의 표면을 평활하게 하여 절삭 부스러기 배출성을 높인다.

본 발명의 제 3 절삭 공구에 의하면, 선단측으로부터 본 중심부(이하, 중심부라고 하는 경우가 있음)에 있어서는 SP3 강도비가 낮은, 즉 ㎛ 오더의 다이아몬드의 함유 비율이 낮으므로, 다각형 형상으로 입성장한 다이아몬드가 다이아몬드층의 표면으로부터 돌출되어서 다이아몬드층의 표면이 거칠어질 일도 없다. 그 때문에, 중심부에 있어서의 다이아몬드층의 표면을 평탄하게 할 수 있다. 또한, 중심부에 있어서의 다이아몬드층의 경도가 낮으므로, 절삭 초기 직후에 절삭날의 중심부에 있어서의 다이아몬드층의 표면이 더욱 평탄해진다. 그 결과, 중심부에 있어서의 절삭 저항이 낮아져서 공구의 절손을 억제할 수 있다. 한편, 선단측으로부터 본 외주부(이하, 외주부라고 하는 경우가 있음)에 있어서는 SP3 강도비가 높은, 즉 ㎛ 오더의 다이아몬드의 함유 비율이 높으므로, 다이아몬드층의 내마모성이 높다.

즉, 본 발명의 절삭 공구는 내마모성이 요구되는 절삭날, 특히 절삭날의 외주부에서는 다이아몬드의 함유 비율을 높여서 내마모성을 높인다. 이에 대하여, 절삭 부스러기 배출성이나 슬라이딩성이 요구되는 기체의 후방측, 절삭 부스러기 배출 홈 및 선단측으로부터 본 중앙부에서는 다이아몬드의 함유 비율을 낮추어서 절삭 부스러기 배출성이나 슬라이딩성을 높인다. 그 결과, 장기간에 걸쳐서 절삭 가공이 가능한 절삭 공구가 된다.

도 1은 본 발명의 절삭 공구의 일실시형태인 드릴의 일례에 대한 측면도이다.
도 2는 도 1의 드릴의 a-a 단면도이다.
도 3은 본 발명의 절삭 공구의 일실시형태인 다른 드릴의 일례에 대한 a-a 단면도이다.
도 4는 도 1의 드릴에 대해서, 피복층의 성막 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 제 2 실시형태의 드릴에 있어서, 기체의 에칭 처리 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 제 3 실시형태의 드릴에 있어서, 기체의 에칭 처리 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시형태에 있어서의 절삭 가공물의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 7A, 도 7B, 도 7C는 본 제조 방법 중 어느 하나의 공정을 나타내는 개략도이다.

본 발명의 절삭 공구의 제 1 실시형태인 솔리드 타입의 드릴에 대해서, 도면을 기초로 설명한다. 드릴(1)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 회전축(O)을 갖는 막대 형상이며, 선단부(A)에 형성된 절삭날(2)과, 절삭날(2)을 따라서 절삭날(2)의 회전 방향측에 형성되고, 후방[후단(B) 방향]을 향해서 나선상으로 형성된 절삭 부스러기 배출 홈(4)을 구비한다. 또한, 드릴(1)의 후단(B)측에는 섕크부(3)가 형성되고, 섕크부(3)가 가공 장치(도시하지 않음)에 파지되어서 드릴(1)이 가공 장치에 장착된다. 여기에서, 본 발명에 있어서의 선단이란 막대 형상의 드릴(1)(절삭 공구)의 절삭날(2)을 갖는 측으로 정의되고, 선단부(A)란 드릴(1)(절삭 공구)을 선단으로부터 보아서 절삭날이 보이는 범위의 길이로 정의한다. 본 실시형태에서는 선단부(A)는 도 1의 선단으로부터 점(p)까지의 길이의 범위가 된다.

본 실시형태에 의하면, 드릴(1)은 기체(5)의 표면에 다이아몬드와 그래파이트의 혼합상으로 이루어지는 피복층(6)이 형성되어 있다. 또한, 도 1에 의하면 피복층(6)은 드릴(1)의 선단부(A)로부터 절삭 부스러기 배출 홈(4)이 형성된 종단 부근까지 형성되고, 그것보다 후방은 기체(5)가 노출된 상태로 되어 있다.

그리고, 본 실시형태에 의하면 피복층(6)은 선단부(A)보다 선단으로부터 10㎜ 후방의 후방부(C) 쪽이 다이아몬드의 함유 비율이 낮다. 이것에 의해, 기체(5)의 선단부(A)에 위치하는 절삭날(2)에 있어서는 다이아몬드의 함유 비율이 높으므로 피복층(6)의 경도가 높고, 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 기체(5)의 선단부(A)보다 후방측에서는 그래파이트의 함유 비율이 높으므로 피복층(6)의 표면이 평활하고, 절삭 부스러기 배출 홈(4)은 평활해지기 때문에 절삭 부스러기 배출성이 향상된다. 또한, 본 실시형태에 의하면 선단부(A)로부터 후방[후단(B) 방향]을 향해서 다이아몬드의 함유 비율이 저하되고 있다. 여기에서, 본 발명에 있어서의 후방부(C)란 선단으로부터 10㎜ 후방의 점을 중심으로 하는 영역을 가리키고, 영역의 크기는 각 분석에 있어서의 스폿 지름에 따라서 결정된다.

또한, 드릴(1)의 선단부측은 브러시 가공이나 블래스트 가공 등의 연마 가공에 의해 피복층(6)의 표면을 평활하게 해도 좋다. 이 경우에도 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면은 연마되기 어렵고, 피복층(6)의 표면은 평활해지기 어렵다.

본 실시형태에 의하면, 후방부(C)에 있어서의 다이아몬드의 평균 입경이 선단부(A)에 있어서의 다이아몬드의 평균 입경보다 작다. 이것에 의해, 후방측의 피복층(6)의 표면이 보다 평활해지고, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 절삭 부스러기 배출성이 향상된다. 또한, 피복층(6) 중의 다이아몬드의 평균 입경은 피복층(6)의 표면으로부터 주사형 전자현미경에 의해 조직을 관찰하고, 루젝스 화상 해석법에 의해 산출할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 의하면 선단부(A)로부터 후방을 향해서 다이아몬드의 평균 입경이 작아지고 있다.

본 실시형태에 의하면, 후방부(C)에 있어서의 피복층(6)의 두께가 선단부(A)에 있어서의 피복층(6)의 두께보다 얇다. 이것에 의해, 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 두께가 두껍기 때문에, 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 내마모성이 향상된다. 한편, 선단부(A)로부터 후방을 향하는 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서는 성막 속도가 느리고, 치밀하고 평활한 피복층(6)이 되는 결과, 피복층(6)의 표면 상태를 악화시킬 일이 없다. 또한, 본 실시형태에 있어서 피복층(6)의 두께는 특정하지 않는 한 도 2에 나타내는 바와 같이 절삭 부스러기 배출 홈(4)보다 외측의 외주면에서 측정한 두께(t)로 한다. 또한, 드릴 이외의 형상의 경우에도 선단부(A)의 두께와 후방측의 두께를 비교할 때에는 길이 방향에 수직인 단면에 있어서 측정하면 좋다. 또한, 본 실시형태에 의하면 선단부(A)로부터 후방을 향해서 피복층(6)의 두께가 얇아지고 있다.

본 실시형태에 의하면, 후방부(C)에 있어서의 피복층(6)의 두께가 선단부(A)에 있어서의 피복층(6)의 두께(도시하지 않음)보다 얇다. 이것에 의해, 절삭날(2)에 있어서 피복층(6)이 마멸되는 것을 억제할 수 있음과 아울러, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서 피복층(6)의 평활성을 유지하기 쉬워진다. 여기에서, 선단부(A)에 있어서의 피복층(6)의 막 두께(t_A)(도시하지 않음)와 선단으로부터 10㎜ 후방의 후방부에 있어서의 피복층(6)의 막 두께(t_B)의 비(t_B/t_A)의 바람직한 범위는 0.2∼0.8이며, 특히 바람직한 범위는 0.4∼0.8이다. 막 두께(t_A)의 바람직한 범위는 5∼12㎛이다.

또한, 피복층(6) 중의 다이아몬드 및 그래파이트의 함유 비율은 라만 분광 분석법을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 1333㎝^-1 부근의 다이아몬드 피크(SP3)와, 1400∼1600㎝^-1에 그래파이트 피크(SP2)의 피크 강도를 측정함으로써 구할 수 있다. 라만 분광 분석하기 위한 레이저 빔을 스폿 지름이 1∼100㎛이며, 피복층(6)의 표면에 대하여 수직으로 조사해서 측정한다. 피크 강도의 국소적인 불균형을 고려하여, 스폿 지름이 10㎛ 이하인 경우에는 임의의 3개소 이상에 대해서 측정하고, 그 평균값을 취한다.

또한, 상기 다이아몬드 및 그래파이트의 혼정으로 이루어지는 피복층(6)과 기체(5) 사이에 다른 피복층(도시하지 않음)이 적층된 것이라도 좋다.

또한, 기체(5)로서는 탄화텅스텐이나, 탄질화티탄을 주성분으로 하는 경질상과 코발트, 니켈 등의 철족 금속을 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 초경합금이나 서멧 이외에, 질화규소나, 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스 등의 경질 재료가 바람직하게 사용되지만, 그 중에서도 내결손성이 뛰어난 초경합금이 최적이다.

또한, 본 발명의 절삭 공구는 상기 실시형태의 드릴에 한정되는 것은 아니고, 공구 본체가 막대 형상이며, 선단에 앞날을 갖고, 외주의 선단측에 외주날을 가짐과 아울러, 앞날과 외주날에 인접하여 선단부로부터 후방을 향해서 절삭 부스러기 배출 홈(4)을 갖는 엔드 밀이라도 좋다. 그 외에도 절삭날을 포함하는 부분을 별체로 하고, 홀더의 선단부의 소정의 위치에 부착해서 사용하는 날끝 교환형의 드릴이나 엔드 밀에 대해서도 바람직하게 사용 가능하다. 또한, 막대 형상의 공구 본체의 선단부로부터 측면의 선단부측에 걸쳐서 절삭날을 갖고, 절삭날에 인접하여 절삭 부스러기 배출부가 되는 경사면을 갖는 내경 가공 공구라도 좋다. 내경 가공 공구의 경우에는 절삭 부스러기 배출부는 나선상의 절삭 부스러기 배출 홈이 아니고, 선단부(A)로부터 후방의 일부에 걸쳐서 설치되는 브레이커 곡면이라도 좋다.

본 발명의 절삭 공구의 일례인 솔리드 타입의 드릴의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 같은 구성에 대해서는 설명을 일부 생략한다. 드릴(10)은 제 1 실시형태와 같이, 도 1에 나타내는 바와 같이 회전 중심축(O)을 갖는 막대 형상이며, 절삭날(2)과, 절삭 부스러기 배출 홈(4)과, 섕크부(3)를 갖는다.

드릴(10)에 있어서는 절삭날(2)의 선단부(A)측으로부터 본 중심부(12)[이하, 중심부(12)라고 하는 경우가 있음]에서는 절삭 속도가 제로이거나 절삭날(2)의 선단부(A)측으로부터 본 외주부(13)[이하, 외주부(13)라고 하는 경우가 있음]에 비해서 느리기 때문에, 마찰 마모의 상태가 된다. 그 때문에, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서는 절삭 저항이 높아지기 때문에 드릴(10)의 절손을 야기할 경우가 있다. 이에 대하여, 절삭날(2)의 외주부(13)에 있어서는 절삭 속도가 절삭날(2)의 중심부(12)에 비해서 빠르기 때문에, 절삭날(2)의 외주부(13)에서는 마모가 진행되기 쉬운 경향이 있다.

본 실시형태에 의하면, 피복층(6)의 표면에 있어서의 라만 분광 분석에 있어서 다이아몬드로부터 유래되는 전체 피크에 대한 SP3 피크의 피크 강도비를 구했을 때에, 선단부(A)의 회전 중심축(O) 및 그 근방인 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮은 것이다. 이것에 의해, 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 슬라이딩성을 향상시킬 수 있음과 아울러, 피복층(6)을 구성하는 상의 입경을 작게 하여 피복층(6)의 표면을 평탄하게 할 수 있다. 또한, 중심부(12)에 있어서는 SP3 강도비가 낮고, 피복층(6)의 경도가 낮기 때문에, 절삭 초기 직후에 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 표면이 더욱 평탄해진다. 그 때문에, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 절삭 저항이 낮아져서 드릴(10)의 절손을 억제할 수 있다. 즉, SP3 피크 강도비는 ㎛ 오더의 다이아몬드의 존재 비율이 높아질수록 높아진다. 그 때문에, 중심부(12)에 있어서는 ㎛ 오더의 다이아몬드의 존재 비율이 낮아지고, SP3 피크 강도비를 낮추는 나노다이아몬드 및 그래파이트의 존재 비율이 높아지고 있다.

한편, 절삭날(2)의 외주부(13)에 있어서는 SP3 강도비가 높으므로, 피복층(6)의 내마모성이 높다. 그 결과, 장기간에 걸쳐서 절삭 가공이 가능한 절삭 공구가 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 중심부(12)란 도 1에 나타내는 드릴을 선단으로부터 본 도 3B에 나타내는 바와 같이, 원(c)으로 나타내어지는 심 두께의 내측의 영역을 가리키고, 측정할 때에는 회전 중심축(O)을 포함한 영역에서 측정한다. 외주부(13)란 원(c)의 외측의 영역을 가리키고, 측정할 때에는 도 3B에 나타내는 바와 같이 선단부(A)측으로부터 본 절삭날(2)의 최외 위치에 가능한 한 가까운 파선 영역에서 측정한다.

여기에서, 라만 분광 분석에 있어서의 SP3 피크 강도비의 측정은 ㎛ 오더의 다이아몬드로부터 유래되는 1333㎝^-1 부근의 SP3 피크의 피크 강도, ㎚ 오더의 다이아몬드로부터 유래되는 1145㎝^-1 부근의 나노다이아몬드 피크의 피크 강도, 다이아몬드의 결정 구조가 붕괴된 그래파이트로부터 유래되는 1400∼1600㎝^-1 부근의 SP2 피크의 피크 강도를 측정한다. 또한, 피크 강도는 각 피크의 최고값으로서 측정한다. 3개의 피크 강도의 총 합계에 대한 SP3 피크의 피크 강도의 비율을 SP3 피크 강도비라고 한다. 또한, ㎛ 오더의 다이아몬드의 입경의 바람직한 범위는 0.5㎛∼20㎛이며, ㎛ 오더의 다이아몬드의 평균 입경의 바람직한 범위는 0.8㎛∼3㎛이다. 나노다이아몬드의 입경의 바람직한 범위는 1㎚∼200㎚이며, 나노다이아몬드의 평균 입경의 바람직한 범위는 10㎚∼100㎚이다.

또한, 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비를 외주부(13)에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮추는 형태로서, 2가지 형태를 들 수 있다. 첫번째 형태는 중심부(12)에 있어서의 나노다이아몬드로부터 유래되는 나노다이아몬드 피크의 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 나노다이아몬드 피크의 피크 강도비보다 높은 형태, 즉 중심부(12)에 있어서의 다이아몬드의 평균 입경이 외주부(13)에 있어서의 다이아몬드의 평균 입경보다 작은 형태이다.

㎛ 오더의 다이아몬드에 비해서 나노다이아몬드는 슬라이딩성이 높으므로, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 작게 할 수 있다. 또한, 다이아몬드는 입성장함에 따라서 다각형 형상으로 성장하는 경향이 있지만, 다이아몬드의 평균 입경이 작으면 피복층(6)의 표면으로부터 다이아몬드가 돌출되는 비율도 낮고, 피복층(6)의 표면 조도가 작아 평활한 표면이 되기 때문에, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 다이아몬드는 입성장함에 따라서 경도가 높아지기 때문에 다이아몬드의 평균 입경이 작으면 피복층(6)의 경도가 저하되고, 절삭 초기 직후에 피복층(6)의 표면이 더욱 평활해지고, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 더욱 작게 할 수 있다. 한편, 외주부(13)에 있어서는 다이아몬드의 평균 입경이 크기 때문에 다이아몬드의 경도가 높고, 피복층(6)의 경도 및 내마모성이 향상된다. 또한, 피복층(6) 중의 다이아몬드의 평균 입경은 피복층(6)의 표면 또는 단면을 주사형 전자현미경 또는 투과형 전자현미경에 의해 조직을 관찰하고, 루젝스 화상 해석법에 의해 산출할 수 있다.

중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비를 외주부(13)에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 저하시키는 두번째 형태는 중심부(12)에 있어서의 그래파이트로부터 유래되는 SP2 피크의 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 SP2 피크의 피크 강도비보다 큰 형태이다. 즉, SP2 피크는 다이아몬드의 결정 구조가 붕괴된 그래파이트로부터 유래되는 피크이며, 중심부(12)에 있어서의 그래파이트의 존재 비율이 외주부(13)에 있어서의 그래파이트의 존재 비율보다 많은 형태이다.

그래파이트는 다이아몬드에 비해서 슬라이딩성이 좋기 때문에, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 작게 할 수 있다. 또한, 그래파이트는 입성장할 일이 없으므로, 그래파이트의 함유 비율이 높아지면 피복층(6)의 표면 조도가 작고, 평활한 표면이 되어 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 그래파이트는 다이아몬드에 비해서 경도가 낮기 때문에 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 경도가 저하되고, 절삭 초기 직후에 피복층(6)의 표면이 더욱 평활해지고, 절삭날(2)의 중심부(12)에 있어서의 피복층(6)의 절삭 저항을 더욱 작게 할 수 있다. 한편, 외주부(13)에 있어서는 피복층(6) 중의 ㎛ 오더의 다이아몬드의 함유 비율이 높으므로 피복층(6)의 경도가 향상되고, 피복층(6)의 내마모성이 향상된다.

또한, 피복층(6)은 단층이라도 좋지만, SP3 강도비가 다른 2층 이상의 층의 적층이라도 좋다. 이때에 있어서도 피복층(6)의 표면에 있어서는 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮다. 이것을 달성하는 일례로서, 예를 들면 중심부(12)에 있어서의 나노다이아몬드의 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 나노다이아몬드의 피크 강도비보다 높게 하는 방법을 들 수 있다. 구체적으로는, 나노다이아몬드를 함유하는 1층째가 중심부(12) 및 외주부(13)를 포함하는 드릴(10)의 선단부(A)의 전체에 형성되고, 2층째는 중심부(12)를 제외하고 ㎛ 오더의 다이아몬드를 함유하는 층으로서 형성된 구성으로 한다. 반대로, ㎛ 오더의 다이아몬드를 함유하는 1층째가 중심부(12) 및 외주부(13)를 포함하는 드릴(10)의 선단부(A)의 전체에 형성되고, 2층째는 외주부(13)를 제외하고 중심부(12)에만 나노다이아몬드를 함유하는 층으로서 형성된 구성이라도 좋다. 이것들의 구성이면, 피복층(6)의 표면은 중심부(12)에 있어서는 나노다이아몬드를 함유하는 1층째가 되고, 외주부(13)에 있어서는 ㎛ 오더의 피복층(6)을 함유하는 2층째가 되기 때문에, 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비가 외주부(13)에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮아진다.

본 발명의 절삭 공구의 일례인 솔리드 타입의 드릴의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태와 같은 구성에 대해서는 설명을 일부 생략한다. 드릴(20)은 제 1 실시형태와 같이, 도 1에 나타내는 바와 같이 회전 중심축(O)을 갖는 막대 형상이며, 절삭날(2)과, 절삭 부스러기 배출 홈(4)과, 섕크부(3)를 갖는다.

기체(5)는 경질상과 결합상을 함유하는 경질 합금으로 이루어진다. 경질 합금으로서는 결합상이 철족 금속으로 이루어짐과 아울러, 경질상이 탄화텅스텐으로 이루어지는 초경합금이나, 경질상이 탄질화티탄으로 이루어지는 서멧을 들 수 있다. 본 실시형태에 의하면, 결합상의 함유량은 5∼15질량%, 특히 6∼8질량%이다.

본 실시형태에 의하면, 선단부(A)의 절삭날(2)을 갖는 부위에서는 상기 부위의 기체(5)의 표면부에 있어서의 결합상의 함유 비율이 상기 부위의 기체(5)의 내부에 있어서의 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9배보다 적고, 또한 상기 부위의 기체(5)의 표면에 피복층(6)을 갖고 있다. 즉, 절삭날(2)에 있어서는 기체(5)의 표면이 피복층(6)으로 피복되어 있다. 본 실시형태에서는 절삭날(2)의 기체(5)의 표면부에 있어서의 결합상의 함유 비율은 기체(5)의 내부에 있어서의 결합상의 함유 비율에 대하여 0.1∼0.3배이다.

한편, 절삭 부스러기 배출 홈(4)을 갖는 부위에서는 상기 부위의 기체(5)의 표면부에 있어서의 결합상의 함유 비율이 상기 부위의 기체(5)의 내부에 있어서의 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9∼1.1배이며, 또한 상기 부위의 기체(5)의 표면이 외부에 노출되어 있거나, 또는 기체(5)의 표면에 피복층(6)을 갖고 있다. 즉, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에서는 기체(5)의 표면이 피복층(6)으로 피복되어 있거나 또는 기체(5)가 표면에 노출되어 있다. 이것에 의해, 절삭날(2)에 있어서는 피복층(6)의 밀착성이 높아, 절삭날(2)에 있어서의 마모의 진행을 억제할 수 있다. 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서는 피복층(6)이 성막되지 않거나, 또는 피복층(6)의 밀착성이 나빠서 피복층(6)이 조기에 박리된다. 그 때문에, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면이 평활해져 절삭 부스러기 배출성이 향상된다.

여기에서, 도 3B에 있어서 경사면(22)은 보이지 않지만, 괄호 기재로 경사면(22)의 위치를 나타낸다. 본 발명에 있어서의 절삭날(2)을 갖는 부위란, 도 3B의 선단으로부터 보이는 플랭크면(23)(점선부)의 능선(21)으로부터 100㎛의 두께의 범위를 포함함과 아울러, 도 1의 측면으로부터 보아서 기체(5)의 선단부에 형성된 능선(21)을 포함해서 능선(21)으로부터 경사면(22)측에 폭 100㎛[선단의 능선(21)으로부터 100㎛ 후방까지]의 범위를 가리킨다. 도 1의 측면으로부터 보아서, 드릴(20)의 선단부측의 삼각형 부분에는 선단부측에 절삭날(2)이 존재하고, 그 후방에 경사면(22)이 존재한다. 절삭 부스러기 배출 홈(4)을 갖는 부위는 경사면(22)의 종단으로부터 후방에 위치하고, 오목 형상의 홈 부분을 가리킨다. 즉, 기체(5)의 절삭날(2)의 후방에는 경사면(22)에 연결되는 절삭 부스러기 배출 홈(4)과, 절삭날(2)의 능선(21)에 연결되는 측방 능선부(24)와, 플랭크면(23)에 연결되는 랜드부(25)가 존재한다. 또한, 본 발명에 있어서의 기체(5)의 내부란 기체(5)의 표면으로부터의 깊이가 5㎛ 이상 깊은 회전축(O)측의 위치를 가리키고, 가능하면 회전축(O)을 포함하는 영역을 가리킨다. 또한, 결합상의 함유 비율이란 경질 합금 중의 총 금속 함유량에 대한 결합상의 함유량의 비율을 가리킨다. 선단부(A)의 절삭날(2)을 갖는 부위에 있어서, 기체(5)의 표면에 있어서의 결합상의 함유 비율과 기체(5)의 내부에 있어서의 결합상의 함유 비율을 비교하기 위해서는, 절삭날(2)에 대하여 수직인 단면에 있어서 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의해 금속 성분의 분포를 확인함으로써 측정할 수 있다.

또한, 피복층(6)은 드릴(20)의 선단부(A)로부터 절삭 부스러기 배출 홈(4)이 형성된 종단 부근까지 형성되고, 그것보다 후방은 기체(5)가 노출된 상태로 되어 있다. 또한, 드릴(20)의 선단부측을 브러시 가공이나 블래스트 가공 등의 연마 가공을 실시하여, 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 표면을 평활하게 해도 좋다. 이 경우, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면에서는 피복층(6)이 성막되어 있어도 밀착성이 나쁘므로, 피복층(6)이 박리되어서 기체(5)가 노출되는 경우도 있다. 이때, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면은 연마되기 어려운 위치에 있기 때문에, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면이 과잉으로 연마 가공되지 않아, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 기체(5)의 표면에 있어서의 평활함은 손상되기 어렵다. 또한, 피복층(6)을 성막하기 전의 기체의 선단부측을 브러시 가공이나 블래스트 가공 등의 연마 가공을 실시하여, 절삭날(2)에 있어서의 기체(5)의 표면 조도를 조정해도 좋다.

여기에서, 본 실시형태에서는 절삭날(2)에 있어서 피복층(6) 중의 다이아몬드 입자의 평균 입경이 0.4∼3㎛이다. 이것에 의해 피복층(6)의 경도가 높고, 또한 피복층(6)의 표면이 과잉으로 거칠어지지 않고, 절삭날(2)에 있어서의 절삭 저항이 높아서 드릴(20)이 절손되는 것을 억제한다. 또한, 본 실시형태에 의하면 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 피복층(6)이 피복되어 있을 경우에는, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6) 중의 다이아몬드의 평균 입경이 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6) 중의 다이아몬드의 평균 입경보다 작게 되어 있다. 이것에 의해, 후방측의 피복층(6)의 표면이 보다 평활해지고, 절삭 가공 초기에도 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 절삭 부스러기 배출성이 향상된다. 또한, 피복층(6) 중의 다이아몬드의 평균 입경은 피복층(6)의 표면으로부터 주사형 전자현미경에 의해 조직을 관찰하고, 루젝스 화상 해석법에 의해 산출할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 절삭날(2)에 있어서의 기체(5)의 표면에 있어서의 계면 조도가 0.12∼1.5㎛이며, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 기체(5)의 표면에 있어서의 계면 조도가 0.01∼0.1㎛이다. 이것에 의해, 절삭날(2) 및 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6)의 밀착성을 최적화할 수 있다. 계면 조도는 기체(5)의 피복층(6)과의 계면을 포함하는 단면에 대한 SEM 관찰로부터 기체(5)와 피복층(6)의 계면을 덧그리고, 그 궤적으로부터 JISB0601에 의거하는 최대 높이(Ry)를 산출하여, 이것을 계면 조도로서 측정할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6) 쪽이 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6)보다 피복층(6) 중에 존재하는 다이아몬드와 그래파이트 중 다이아몬드의 함유 비율이 높다. 또한, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6) 쪽이 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)보다 피복층(6)의 두께가 얇게 되어 있다. 이것에 의해, 절삭 가공 전의 절삭날(2) 및 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6)의 표면 조도를 적정화하여, 절삭 초기에 있어서도 과잉으로 절삭 저항이 가해지는 것을 억제한다. 또한, 본 실시형태에서는 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면에 피복층(6)이 없고, 절삭 부스러기 배출 홈(4)의 표면은 기체(5)가 노출되어도 좋다.

절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 두께는 드릴(20)의 선단부[회전축(O)의 위치]에 있어서의 피복층(6)의 두께를 가리킨다. 절삭 부스러기 배출 홈(4)이 피복층(6)으로 피복되어 있을 경우, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6)의 두께는 회전축(O)과 수직인 횡단면에 있어서의 절삭 부스러기 배출 홈(4) 내의 최심부에서의 피복층(6)의 두께를 가리킨다. 절삭 부스러기 배출 홈(4) 내의 최심부는 기체(1)의 표면 중, 회전축(O)으로부터 가장 짧은 거리에 있는 위치를 가리킨다. 회전축(O)을 중심으로 하여 상기 가장 짧은 거리에 있는 위치를 통과하는 원, 즉 드릴(20) 내에 그릴 수 있는 최대의 원(c)의 직경이 심 두께이다.

본 실시형태에 의하면, 절삭날(2)에 있어서의 피복층(6)의 막 두께(t₁)(도시하지 않음)와 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서의 피복층(6)의 막 두께(t₂)의 비(t₂/t₁)가 0.2∼0.8이다. 이것에 의해, 절삭날(2)에 있어서 피복층(6)이 마멸되는 것을 억제할 수 있음과 아울러, 절삭 부스러기 배출 홈(4)에 있어서 피복층(6)의 평활성을 유지할 수 있다. 또한, 피복층(6) 중의 다이아몬드 및 그래파이트의 함유 비율은 라만 분광 분석법을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 1333㎝^-1 부근의 다이아몬드 피크(SP3)와, 1400∼1600㎝^-1에 그래파이트 피크(SP2)의 피크 강도를 측정함으로써 구할 수 있다.

또한, 본 발명의 절삭 공구는 상기 실시형태의 드릴에 한정되는 것은 아니고, 공구 본체가 막대 형상이며, 선단에 앞날을 갖고, 외주의 선단측에 외주날을 가짐과 아울러, 앞날과 외주날에 인접하여 선단부로부터 후방을 향해서 절삭 부스러기 배출 홈을 갖는 엔드 밀이라도 좋다. 이 경우, 외주날에는 능선으로부터 경사면측으로 50㎛ 이하의 범위가 상기 절삭날의 구성인 것이 바람직하다.

(제조 방법)

상술한 제 1 실시형태인 드릴의 제조 방법에 대하여 설명한다.

우선, 원기둥 형상의 기체의 표면에 센터리스 가공을 실시한 후, 날 형성 가공을 하여 드릴 형상의 기체를 제작한다. 소망에 의해, 기체의 절삭날측에 연마 가공을 실시한다. 이어서, 기체의 표면에 산 처리 및 알칼리 처리의 에칭 처리를 하여 드릴 형상의 기체를 제작한다.

이어서, 기체의 표면에 피복층을 성막한다. 피복층의 성막 방법으로서, 열 필라멘트 방식의 CVD법이 바람직하게 적용 가능하다. 성막 방법의 일례에 대한 상세에 대해서 설명하면, 성막 장치(30)는 챔버(31)를 갖고, 챔버(31) 내에는 시료(에칭한 기체)(32)를 세팅하는 시료대(33)가 설치되어 있다. 본 실시형태에 의하면, 막대 형상의 기체(32)는 선단부가 상방을 향하도록 상하로 세운 상태로 세팅된다. 도 4에서는 기체(32)의 날 형성부(절삭날 및 절삭 부스러기 배출 홈을 포함하는 부분)를 생략해서 기재하고 있다.

그리고, 기체(32)의 주위에는 필라멘트 등의 히터(34)를 배치한다. 히터(34)는 챔버(31) 밖에 배치된 전원(35)에 접속된다. 여기에서, 본 실시형태에 의하면 복수의 히터(34)를 사용하고, 이것들의 배치, 및 각 히터(34)에 공급하는 전류값을 조정함으로써 시료대(33)에 세팅한 막대 형상의 기체(32)의 온도가 기체(32)의 길이 방향에서 변화되도록 조정한다. 구체적으로는, 기체(32)의 선단부에 있어서의 온도가 가장 높고, 기체(32)의 후방측에서는 온도가 점차 낮아지도록 조정한다. 또한, 히터(34)는 지지체(39)에 의해 지지되어 있다.

챔버(31)에는 원료 가스 공급구(36)와, 가스 배기구(37)가 형성된다. 진공으로 한 챔버(31) 내에 원료 가스 공급구(36)로부터 수소가스와 메탄가스를 공급하여 기체(32)에 분사함으로써, 다이아몬드와 그래파이트의 혼합 비율이 기체(32)의 길이 방향에서 다른 절삭 공구를 얻을 수 있다.

상술한 제 2 실시형태의 드릴의 제조 방법을 예로서 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 같은 구성에 대해서는 설명을 일부 생략한다. 우선, 드릴 형상의 기체를 제작한다. 본 실시형태에서는 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비를 낮추는 제 1 방법으로서, 연마 가공 후에 기체의 표면을 에칭 처리할 때에 중심부(12)에 수지 등의 마스킹제를 도포한 상태에서 에칭 처리하는 방법을 적용할 수 있다. 이 방법에 의하면, 중심부(12)에 있어서, 기체의 표면에 있어서의 결합상의 함유 비율을 저하시키지 않도록 제어할 수 있다. 그 결과, 그 후에 성막되는 다이아몬드를 함유하는 피복층에 있어서, 중심부(12)에 있어서의 다이아몬드의 입성장이 억제되어 그래파이트의 함유 비율이 높아진다.

중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비를 낮추는 제 2 방법으로서, 에칭 처리 공정 후에, 도 5에 나타내는 바와 같이 주로 중심부(12)만이 코발트를 함유하는 용액(40)에 잠기도록 기체(5)의 소정 부분만을 침지시켜서 중심부(12)에만 코발트 성분을 다시 함유시킨다. 이것에 의해, 그 후에 성막되는 피복층에 있어서, 중심부(12)에 있어서의 다이아몬드의 입성장이 억제되어 그래파이트의 함유 비율이 높아진다. 에칭한 기체는 물 등으로 세정하고, 건조시킨다.

그 후에 피복층을 성막한다. 중심부(12)에 있어서의 SP3 피크 강도비를 낮추는 제 3 방법으로서, 드릴(10)의 선단부(A)의 전체에 나노다이아몬드를 함유하는 1층째를 성막한 후, 드릴(10)의 중심부(12)에 카본 슬러리를 도포하는 등에 의해 마스크를 부착하고, ㎛ 오더의 다이아몬드를 함유하는 2층째를 성막하는 방법을 들 수 있다. 이 방법으로 성막된 중심부(12)의 2층째는 성막 종료 후, 마스크와 함께 박리된다. 본 실시형태에서는 1층째의 성막 온도와 2층째의 성막 온도가 같은 상태로, 1층째를 성막할 때의 진공도 0.5∼2㎪, 2층째를 성막할 때의 진공도가 3∼5㎪가 되도록 조정한다. 또한, 1층째를 성막할 때의 메탄의 혼합비(체적%)에 대하여, 2층째를 성막할 때의 메탄의 혼합비가 낮아지도록 조정한다. 이것에 의해, 라만 분광 분석에 있어서 1층째에는 나노다이아몬드 피크가 출현하고, 2층째에는 SP3 피크가 출현하지 않는다. 그리고, 1층째를 구성하는 다이아몬드의 평균 입경이 2층째를 구성하는 다이아몬드의 평균 입경보다 1자리수 이상 작아진다.

이어서, 상술한 제 3 실시형태의 드릴의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태와 같은 구성에 대해서는 설명을 일부 생략한다. 우선, 드릴 형상의 기체를 제작한다. 본 실시형태에서는 에칭 처리시, 그 중에서도 산 처리시에 도 6에 나타내는 바와 같이, 주로 절삭날(2)만이 산 용액(41)에 잠기도록 산 용액(41)에 기체(5)의 소정 부분만을 침지시키고, 기체(5)의 길이 방향을 회전축으로서 회전시키면서 에칭한다. 이것에 의해, 기체의 표면에 있어서의 결합상의 함유 비율을 제어할 수 있다. 이때, 산 용액(41)의 농도 및 침지 시간을 조정함으로써, 절삭날에 있어서의 결합상의 함유 비율을 조정할 수 있다. 에칭한 기체는 물 등으로 세정하고, 건조시키고, 그 후에 피복층을 성막한다.

(절삭 가공물의 제조 방법)

본 실시형태에 있어서의 절삭 가공물의 제조 방법에 대해서, 상술한 드릴(1)을 사용할 경우를 예로 들어, 도 7을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 7A는 드릴(1)을 피삭재(50)를 향해서 Y방향에 근접시키는 공정을 나타내는 도면이다. 도 7B는 드릴(1)을 피삭재(50)에 접촉시키는 공정을 나타내는 도면이다. 도 7C는 드릴(1)을 피삭재(50)로부터 Z방향으로 분리하는 공정을 나타내는 도면이다.

본 실시형태에 있어서의 절삭 가공물의 제조 방법은 이하의 (i)∼(iV)의 공정을 구비한다. (i) 준비된 피삭재(50)의 상방에 드릴(1)을 배치하는 공정(도 7A).

(ii) 드릴(1)을 회전축(O)을 중심으로 화살표(r) 방향으로 회전시키고, 피삭재(50)를 향해서 화살표(Y) 방향으로 드릴(1)을 근접시키는 공정(도 7A, 도 7B). 본 공정은, 예를 들면 드릴(1)을 부착한 공작 기계의 테이블 상에 피삭재(50)를 고정하고, 드릴(1)을 회전시킨 상태에서 피삭재(50)에 근접시킴으로써 행할 수 있다. 또한, 본 공정에서는 피삭재(50)와 드릴(1)이 상대적으로 근접하면 좋고, 예를 들면 드릴(1)을 고정하고 피삭재(50)를 드릴(1)에 근접시켜도 좋다.

(iii) 드릴(1)을 더욱 피삭재(50)에 근접시킴으로써, 회전하고 있는 드릴(1)의 절삭날(2)을 피삭재(50)의 표면의 소정의 위치에 접촉시키고, 도 7C의 피삭재(50)에 가공 구멍(관통 구멍)(51)을 형성하는 공정(도 7B).

(iv) 드릴(1)을 화살표(Z) 방향으로 이동시킴으로써 드릴(1)을 피삭재(50)의 관통 구멍(51)으로부터 분리하는 공정(도 7C). 본 공정에 있어서도 상기 (ii) 공정과 마찬가지로, 피삭재(50)와 드릴(1)은 상대적으로 격리하면 좋고, 예를 들면 드릴(1)을 고정하고 피삭재(50)를 드릴(1)로부터 분리해도 좋다.

이상의 공정에 의해, 뛰어난 구멍 가공성을 발휘할 수 있다. 또한, 구멍 가공을 반복하여 행할 경우에는 드릴(1)의 회전을 유지한 상태에서 피삭재(50)의 다른 개소에 드릴(1)의 절삭날(2)을 접촉시키는 공정을 반복하면 좋다.

실시예 1

평균 입경 0.5㎛의 탄화텅스텐(WC) 분말에 대하여, 금속 코발트(Co) 분말을 10질량%, 탄화티탄(TiC) 분말을 0.2질량%, 탄화크롬(Cr₃C₂) 분말을 0.8질량%의 비율로 첨가, 혼합하고, 원기둥 형상으로 성형해서 소성했다. 그리고, 연삭 공정을 거쳐서 드릴 형상으로 한 후, 알칼리, 산, 증류수의 순서에 의해 표면을 세정해서 드릴 기체(직경 6㎜, 날 길이 10㎜, 심 두께 3㎜, 2매 칼날)를 제작했다.

그 기체를 도 4에 나타내는 성막 장치에 세팅하고, 열 필라멘트 CVD법에 의해 기체의 표면이 다이아몬드와 그래파이트의 혼정으로 이루어지는 피복층을 성막했다. 성막 장치는 직경 25㎝φ, 높이 20㎝의 반응 챔버 내에 굵기 0.4㎜φ의 텅스텐 필라멘트가 기체의 선단부측에 1개, 기체를 사이에 두도록 측면에 2개, 합계 3개를 배치했다. 드릴 형상의 기체는 선단부가 상방을 향하도록 상하로 세운 상태로 세팅되었다. 또한, 텅스텐 필라멘트에 공급하는 전류값을 조정함으로써, 기체의 선단 및 선단으로부터 3㎜, 5㎜, 10㎜ 후방의 위치에 있어서의 온도를 표 1에 나타내는 온도로 했다.

그리고, 진공 중에서 반응 가스 조성: 수소(97용량%)+메탄(3용량%)을 공급구로부터 반응로에 도입하고, 피복층을 성막했다. 성막된 피복층에 대해서, 드릴의 선단 및 선단으로부터 5㎜, 10㎜ 후방의 위치에 있어서의 결정 상태를 라만 산란 분광으로 측정하고, 1333㎝^-1 부근의 다이아몬드 피크(SP3)와, 1400∼1600㎝^-1에 그래파이트 피크(SP2)의 피크 강도로부터 다이아몬드 피크(SP3)의 함유 비율[SP3/(SP3+SP2)]을 견적했다.

또한, 드릴의 표면에 성막된 피복층을 SEM 관찰하고, 루젝스 해석법을 이용하여 다이아몬드 입자의 평균 입경을 구했다. 또한, 드릴의 선단 및 선단으로부터 5㎜, 10㎜ 후방의 위치에 있어서의 피복층의 단면을 SEM 관찰하고, 피복층의 두께를 측정했다. 결과는 표 1에 나타냈다.

또한, 얻어진 드릴을 이용하여 이하의 절삭 조건으로 절삭 시험을 행하고, 절삭 성능을 평가했다. 결과는 표 2에 기재했다.

절삭 방법: 구멍 형성(관통 구멍)

피삭재: CFRP

절삭 속도(이송): 100㎜/분

이송: 0.075㎜/칼날

절개: 깊이 8㎜, 가공 지름 φ6㎜

절삭 상태: 건식

평가 방법: 1500공 가공 후의 절삭날의 선단 마모폭(표 중, 마모폭으로 기재), 버(burr)가 발생한 가공 구멍수를 측정함과 아울러, 가공 불능이 된 시점에서의 드릴의 상태를 확인.

표 1, 2로부터, 다이아몬드의 함유 비율이 기체의 선단과 10㎜ 후방의 위치에서 같은 시료 No.4에서는 절삭 부스러기 처리성이 나빠서 절삭 부스러기가 막히기 쉽고, 드릴에 부하가 걸려서 절손되어 버리고, 시료 No.5에서는 절삭날의 내마모성이 나쁘고，아울러 가공 구멍수가 적어졌다.

이에 대하여, 기체의 선단보다 10㎜ 후방의 위치 쪽이 다이아몬드의 함유 비율이 낮은 시료 No.1∼3에서는 모두 절삭날의 내마모성이 좋고, 또한 절삭 부스러기 배출성도 양호하며, 가공 구멍수가 많아졌다.

실시예 2

실시예 1과 마찬가지로 해서 드릴 기체를 제작했다. 또한, 시료 No.II-1∼II-3에 대해서는 에칭 처리한 후에 드릴 기체의 중심부만을 염화코발트(CoCl₂)의 메탄올 용액에 침지한 후, 인상해서 증류수로 세정했다. 시료 No.II-4에 대해서는 산 처리 전에 드릴의 중심부에 마스크를 부착해서 산 처리를 실시했다. 시료 No.II-7에 대해서는 산 처리한 후에 드릴 기체의 선단부측의 전체를 염화코발트(CoCl₂)의 메탄올 용액에 침지한 후, 인상해서 증류수로 세정했다. 이것들의 조건에 대해서는 표 3의 처리의 항목에서 기재했다.

그 기체에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 피복층을 성막했다. 시료 No.II-5에 대해서는 상기 피복층의 성막에 앞서, 선단부에서 820℃, 드릴 기체의 선단으로부터 3㎜ 후방의 위치에서 650℃의 성막 온도에서, 진공도 0.8㎪, 반응 가스 조성: 수소(94용량%)+메탄(6용량%)을 공급구로부터 반응로에 도입하고, 나노다이아몬드를 함유하는 1층째를 성막했다. 그리고, 중심부에 마스크를 부착하고, 2층째로서 상기 피복층을 성막했다.

성막된 피복층에 대해서, 드릴 선단부의 중앙부 및 외주부에 있어서의 결정 상태를 라만 산란 분광 분석으로 측정했다. 중심부의 측정에는 회전 중심축(O)을 포함한 영역에서 측정하고, 외주부(13)의 측정에는 선단측으로부터 본 절삭날의 최외 위치에 가능한 한 근접한 도 3B의 파선 부분 영역에서 측정했다. 측정 데이터로부터, 1333㎝^-1 부근의 다이아몬드 피크(SP3)와, 1400∼1600㎝^-1에 그래파이트 피크(SP2)와, 1145㎝^-1의 나노다이아몬드 피크 강도로부터 다이아몬드 피크(SP3)의 함유 비율{SP3/[SP3+SP2+나노다이아몬드(nano)]}을 견적했다. 표 3, 4에 외주부의 SP3의 함유 비율(SP3비)에 대한 중앙부의 SP3의 함유 비율(SP3비)의 비율을 SP3비의 비율(중앙부/외주부)로서 기재했다.

또한, 드릴의 표면에 성막된 피복층을 SEM 관찰 또는 TEM 관찰한 후, 루젝스 해석법을 이용하여 다이아몬드 입자의 평균 입경을 구했다. 또한, 드릴의 선단으로부터 본 외주부의 최외주[도 1에 나타내는 점(p)] 및 선단으로부터 3㎜ 후방의 최외주[도 1에 나타내는 점(q)]에 있어서의 피복층의 단면을 SEM 관찰하여 피복층의 두께[표 중, 선단부(t_A), 후방(t_B)으로 기재]를 측정했다. 결과는 표 5에 나타냈다.

또한, 얻어진 드릴을 이용하여 이하의 절삭 조건으로 절삭 시험을 행하고, 절삭 성능을 평가했다. 결과는 표 5에 기재했다.

절삭 방법: 구멍 형성(관통 구멍) 가공 지름 φ6㎜

피삭재: CFRP 깊이 8㎜

절삭 속도(이송 속도): 200㎜/분

이송: 0.075㎜/rev

절삭 상태: 건식

평가 방법: 드릴 100개에 대해서 평가하고, 100공 가공할 때까지 절손된 초기 절손된 드릴의 개수를 측정했다. 또한, 초기 절손되지 않은 드릴에 대해서 1500공 가공 후의 절삭날의 선단 마모폭을 측정하고, 그 평균값을 산출했다(표 중, 마모폭으로 기재). 또한, 버가 발생해서 가공 불능이 될 때까지의 가공 구멍수를 측정하고, 그 평균값을 산출했다(표 중, 가공 구멍수로 기재).

표 3∼5로부터, 중심부만을 CoCl₂ 용액에 침지하거나, 중심부에 마스크를 부착해서 에칭 처리를 하거나 하지 않고, 중심부에 있어서의 SP3 피크 강도비와 외주부에 있어서의 SP3 피크 강도비가 같아진 시료 No.II-6, 9에서는 선단부의 중앙부에 있어서의 절삭 저항이 높아지고, 절손되는 드릴의 개수가 많고, 가공 구멍수도 적은 것이었다. 또한, 에칭 처리시에 기체 전체를 CoCl₂ 용액에 침지한 시료 No.II-7, 10에서는 외주부에 있어서의 내마모성이 나빴다.

이에 대하여, 중심부에 있어서의 SP3 피크 강도비가 외주부에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮은 시료 No.II-1∼II-5, II-8에서는 모두 절손되지 않고, 외주부에 있어서의 내마모성이 좋고, 가공 구멍수가 많아졌다.

실시예 3

금속 코발트(Co) 분말을 7.0질량%, 탄화크롬(Cr₃C₂) 분말을 0.8질량%, 잔부가 평균 입경 0.5㎛인 탄화텅스텐(WC) 분말을 이용하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 드릴 기체를 제작했다.

그 후에, 도 2에 나타내는 바와 같이 기체의 회전축을 산 용액 및 알칼리 용액의 액체 표면에 대하여 30° 기울인 상태로 회전시키는 방법으로, 기체를 0.5㎜의 깊이로 산 용액(표 1의 농도의 염산에 15분간), 알칼리 용액(무라카미 시약에 5∼30초)의 순서로 침지해서 에칭 처리를 했다. 그 후에, 증류수에 의해 표면을 세정하고, 드릴 기체를 제작했다. 또한, 시료 No.III-5에 대해서는 기체의 회전축이 산 용액 및 알칼리 용액의 액면에 대하여 수직이 되도록 해서 1㎜의 깊이로 침지했다. 시료 No.III-7에 대해서는 기체의 회전축이 산 용액 및 알칼리 용액의 액면에 대하여 수직이 되도록 해서 10㎜의 깊이로 침지했다. 시료 No.III-6에 대해서는 에칭 처리를 하지 않았다. 그 기체에, 실시예 1과 마찬가지로 해서 피복층을 성막했다. 또한, 표 6에 나타내는 후방의 기체 온도란 드릴 기체의 선단으로부터 3㎜ 후방의 위치에 있어서의 온도를 나타낸다.

성막된 피복층에 대해서, 드릴의 선단 및 선단으로부터 3㎜, 5㎜, 10㎜ 후방의 위치에 있어서의 결정 상태를 라만 산란 분광으로 측정하고, 1333㎝^-1 부근의 다이아몬드 피크(SP3)와, 1400∼1600㎝^-1에 그래파이트 피크(SP2)의 피크 강도로부터 다이아몬드의 비율인 SP3비[SP3/(SP3+SP2)]를 견적했다. 또한, 드릴의 표면에 성막된 피복층을 SEM 관찰하고, 루젝스 해석법을 이용하여 다이아몬드 입자의 평균 입경을 구했다. 또한, 드릴의 선단부(절삭날), 및 선단으로부터 3㎜ 후방의 절삭 부스러기 배출 홈의 위치에 있어서의 피복층의 단면을 SEM 관찰하여 피복층의 두께를 측정했다. 절삭날에 있어서의 두께를 t₁, 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서의 두께를 t₂로서 표기했다. 또한, 이 SEM 관찰로부터 기체와 피복층의 계면을 덧그리고, 그 궤적을 JISB0601에 의거하는 최대 높이(Ry)를 산출하여 계면 조도로 했다. 또한, EPMA 분석으로부터 드릴 선단의 절삭날에 있어서의 기체의 표면[표 중, 절삭날(e)로 기재], 절삭 부스러기 배출 홈(드릴 선단으로부터 3㎜ 후방의 위치)에 있어서의 기체의 표면[표 중, 절삭 부스러기 배출 홈(g)으로 기재]과 그 중앙부[표 중, 내부(i)로 기재]에 대해서, 초경합금 중의 총 금속 성분에 대한 결합상(Co)의 함유 비율을 측정했다. 결과는 표 6∼8에 나타냈다.

또한, 얻어진 드릴을 이용하여 이하의 절삭 조건으로 절삭 시험을 행하고, 절삭 성능을 평가했다. 결과는 표 8에 기재했다.

절삭 방법: 구멍 형성(관통 구멍)

피삭재: CFRP

절삭 속도(이송): 120㎜/분

이송: 0.075㎜/칼날

절개: 깊이 8㎜, 가공 지름 φ6㎜

절삭 상태: 건식

평가 방법: 1000공 가공 후(가공 불능이 된 가공수가 1000공 미만인 시료에 대해서는 가공 종료 시점)의 절삭날의 선단 마모폭(표 중, 마모폭으로 기재), 버가 발생한 가공 구멍수를 측정함과 아울러, 가공 불능이 된 시점에서의 드릴의 상태를 확인.

표 6∼8로부터, 기체에 대하여 에칭 처리를 하지 않고, 절삭날에 있어서, 기체의 표면부에 있어서의 결합상의 함유 비율이 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9배 이상인 시료 No.III-6에서는 절삭날에 있어서 피복층이 조기에 박리되어 버리고, 절삭날의 내마모성이 나쁘고, 가공 구멍수가 적어졌다. 절삭날도 절삭 부스러기 배출 홈도 산 용액에 침지해서 에칭 처리하고, 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서, 기체의 표면부에 있어서의 결합상의 함유 비율이 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9배보다 적은 시료 No.III-7에서는 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서의 표면이 거칠어지고, 절삭 부스러기 처리성이 나빠서 절삭 부스러기가 막히기 쉽고, 드릴에 부하가 걸려서 절손되어 버렸다.

이에 대하여, 절삭날에서는 결합상의 함유 비율의 비(e/i)가 0.9보다 적고, 절삭 부스러기 배출 홈에서는 결합상의 함유 비율의 비(g/i)가 0.9∼1.1인 시료 No.III-1∼III-5, III-8에서는 모두 절삭날의 내마모성이 좋고, 또한 절삭 부스러기 배출성도 양호하며, 가공 구멍수가 많아졌다. 또한, 시료 No.III-5에 대해서는 절삭 부스러기 배출 홈의 표면에 있어서 피복층이 부분적으로 박리되어, 기체가 노출되어 있었다.

1, 10, 20 : 드릴 2 : 절삭날
3 : 섕크부 4 : 절삭 부스러기 배출 홈
5 : 기체 6 : 피복층
12 : 중심부 13 : 외주부
21 : 능선 22 : 경사면
23 : 플랭크면 24 : 측방 능선부
25 : 랜드부 A : 선단부
B : 후단 O : 중심 회전축

Claims

적어도 선단부에 설치되는 절삭날과,
그 절삭날에 인접함과 아울러 상기 선단부로부터 후방을 향해서 형성된 절삭 부스러기 배출부를 구비하는 막대 형상의 절삭 공구로서,
기체와,
그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드와 그래파이트의 혼합상으로 이루어지는 피복층을 구비하고,
선단으로부터 10㎜ 후방의 후방부에 있어서의 상기 피복층 중의 다이아몬드의 함유 비율은 상기 선단부에 있어서의 상기 피복층 중의 다이아몬드의 함유 비율보다 낮은 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 피복층은 상기 선단으로부터 상기 후방을 향해서 다이아몬드의 함유 비율이 저하되고 있는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피복층은 상기 선단부에 있어서의 상기 다이아몬드의 평균 입경보다 상기 후방부에 있어서의 상기 다이아몬드의 평균 입경이 작은 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 피복층은 상기 선단부로부터 상기 후방부를 향해서 상기 다이아몬드의 평균 입경이 작아지고 있는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선단부에 있어서의 상기 피복층의 두께보다 상기 후방부에 있어서의 상기 피복층의 두께가 얇은 절삭 공구.
제 5 항에 있어서,
상기 선단부에 있어서의 상기 피복층의 막 두께(t_A)와 상기 선단부로부터 10㎜ 후방의 위치에 있어서의 피복층의 막 두께(t_B)의 비(t_B/t_A)는 0.2∼0.8인 절삭 공구.
제 6 항에 있어서,
상기 선단부로부터 상기 후방부를 향해서 상기 피복층의 두께가 얇아지고 있는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복층은 상기 선단부에 있어서의 다이아몬드의 함유 비율(Pt)과, 상기 후방부에 있어서의 다이아몬드의 함유 비율(Pb)의 비(Pt/Pb)가 1.2∼2.0인 절삭 공구.
막대 형상이며, 적어도 선단부에 설치되는 절삭날과, 그 절삭날에 인접하여 선단으로부터 후방을 향해서 형성된 절삭 부스러기 배출 홈을 구비하는 절삭 공구로서, 경질상과 결합상을 함유하는 경질 합금으로 이루어지는 기체와, 그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드를 함유하는 피복층을 구비하고, 상기 선단부의 상기 절삭날을 갖는 부위는 상기 기체의 표면부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율이 상기 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9배보다 적고, 또한 상기 기체의 표면에 상기 피복층을 갖고 있고, 상기 절삭 부스러기 배출 홈을 갖는 부위는 상기 기체의 표면부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율이 상기 기체의 내부에 있어서의 상기 결합상의 함유 비율에 대하여 0.9∼1.1배이며, 또한 상기 기체의 표면이 외부에 노출되거나 또는 상기 기체의 표면의 적어도 일부에 상기 피복층을 갖고 있는 절삭 공구.
제 9 항에 있어서,
상기 절삭날에 있어서 상기 피복층 중의 다이아몬드 입자의 평균 입경은 0.4∼3㎛인 절삭 공구.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 절삭날에 있어서의 상기 기체의 표면에 있어서의 계면 조도가 0.12∼1.5㎛이며, 상기 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서의 상기 기체의 표면에 있어서의 계면 조도가 0.01∼0.1㎛인 절삭 공구.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 부스러기 배출 홈을 갖는 부위가 상기 기체의 표면에 상기 피복층을 갖고 있고, 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층이 상기 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서의 상기 피복층보다 다이아몬드의 함유 비율이 높은 절삭 공구.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 부스러기 배출 홈을 갖는 부위가 상기 기체의 표면에 상기 피복층을 갖고 있고, 상기 절삭 부스러기 배출 홈에 있어서의 상기 피복층의 두께가 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층의 두께보다 얇게 되어 있는 절삭 공구.
회전 중심축을 갖고, 적어도 선단측으로부터 보아서 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 설치되는 절삭날을 구비하는 절삭 공구로서, 기체와, 그 기체의 표면에 형성된 다이아몬드를 함유하는 피복층을 갖고,
상기 다이아몬드층의 표면에 대한 라만 분광 분석에 있어서, 상기 다이아몬드로부터 유래되는 피크의 총 피크 강도에 대한 SP3 피크의 피크 강도비를 구했을 때에,
상기 중심부에 있어서의 SP3 피크 강도비는 상기 외주부에 있어서의 SP3 피크 강도비보다 낮은 절삭 공구.
제 14 항에 있어서,
상기 다이아몬드로부터 유래되는 피크로서 나노다이아몬드로부터 유래되는 나노다이아몬드 피크가 적어도 상기 중심부에 존재하고, 상기 중심부에 있어서의 상기 나노다이아몬드의 피크 강도비가 상기 외주부에 있어서의 상기 나노다이아몬드의 피크 강도비보다 높은 절삭 공구.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
상기 다이아몬드로부터 유래되는 피크로서 그래파이트로부터 유래되는 SP2 피크가 적어도 상기 중심부에 존재하고, 상기 중심부에 있어서의 상기 SP2 피크의 피크 강도비가 상기 외주부에 있어서의 상기 SP2 피크의 피크 강도비보다 높은 절삭 공구.
제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선단에 있어서의 상기 다이아몬드층의 두께는 후방에 있어서의 상기 다이아몬드층의 두께보다 얇은 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 절삭 공구를 회전축 둘레로 회전시키는 공정과, 회전하고 있는 상기 절삭 공구의 상기 절삭날을 상기 피삭재에 접촉시키는 공정과, 상기 절삭 공구를 상기 피삭재로부터 분리하는 공정을 구비한 절삭 가공물의 제조 방법.