耐摩耗性と切屑排出性に優れた表面被覆ドリル
【課題】高速・湿式の深穴用ドリル加工条件においても硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性と切屑排出性を発揮する表面被覆ドリルを提供する。
【解決手段】超硬合金焼結体、サーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成の単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅２０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなる単層構造を有し、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する。
【解決手段】超硬合金焼結体、サーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成の単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅２０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなる単層構造を有し、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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明け加工をするのに用いられるドリルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、深穴加工時のドリル本体の耐摩耗性および切屑排出性の向上のために種々の方法が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、ドリルの切れ刃および溝部をＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮなどの高融点硬質物質を物理蒸着（ＰＶＤ）によりコーティングした後、溝部２表面にＷＡ砥粒をショット粒子として加圧気体で吹きつけなどにより溝部２表面の微細突起部を除去した深穴加工用ドリルが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、図３に示すように、少なくとも先端切れ刃の先端部から外周コーナー部と溝長部の一部まで、耐摩耗層が被覆（耐摩耗部１）され、前記耐摩耗層の最外層の硬さが１０〜８０ＧＰａを有し、前記溝長部の残りに、最外層が摩耗係数０．６以下の潤滑層を被覆（潤滑部２）したことを特徴とする被覆ドリルが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、該硬質被覆層は、粒状晶（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ａと柱状晶（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ｂの交互積層構造として構成され、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．１〜２μｍの層厚を有し、さらに、前記粒状晶の結晶粒径は５〜３０ｎｍ、また、前記柱状晶の結晶粒径は５０〜５００ｎｍである表面被覆切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−５２１１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２９００５１号公報
【特許文献３】特開２０１０−９４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年のドリル加工装置のＦＡ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、耐摩耗性が必要とされるとともに切屑がドリルの切屑排出溝につまり易い、軟鋼またはアルミ合金等の高速・湿式の深穴用ドリル加工に用いた場合には、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。
【０００８】
特許文献２に記載の表面被覆切削工具では、目的とする構造を得るために、成膜後の硬質皮膜のブラスト処理、あるいは、工具のマスキング処理が必要となる。ブラスト処理により先端部から外周部の潤滑層の一部を除去する方法では、ブラスト処理により与えられる機械的な衝撃により皮膜の平滑性が損なわれるため十分な耐摩耗性を維持することが出来ず、また、ブラスト処理による微細な傷が発生することも特許文献２にも記載されている通り、工具寿命の低下に繋がる。合金鋼の穴あけ加工においては前記の傷が特段の問題となることはないが、特に、軟鋼等の高速・高送りの条件においては、フルート溝の強度が十分に維持出来ていないことから早期に寿命に至ることが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高速・湿式の深穴用ドリル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、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成からなる硬質被覆層で構成するとともに、該硬質被膜層の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、例えば（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ｛ｘ＝０〜０．６｝の成分系からなる層の形成を、例えば、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置にドリル基体を装着し、成膜条件を変えることによって成膜速度を制御し、柱状組織を有するＡ層と、粒状組織を有するＢ層を所定の構造となるように形成させる。
（ｂ）前記硬質被覆層の縦断面組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、ドリルのフルート溝部においてはアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織からなる単層構造を有しており、かかる硬質被覆層は、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができることを確認した。
（ｃ）さらに、成膜速度を制御することによって、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層と、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織を含むＢ層からなる交互積層構造を有し、ドリルのフルート溝部においてはアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有している膜構造を形成することができ、かかる硬質被覆層は、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の一層高い耐摩耗性と、フルート溝部の一層高い切屑排出性を長期に亘って実現することができることを確認した。
【００１０】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
（２） 超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなるＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
（３） 前記交互積層構造において、各層の一層平均層厚が０．１〜１．０μｍ、全体平均層厚が１．０〜５．０μｍであることを特徴とする（２）に記載の表面被覆ドリル。
（４） 前記フルート溝部の残留圧縮応力が、２．０〜５．０ＧＰａであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
【００１１】
本発明について、以下に説明する。
【００１２】
本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層の組成のうち、金属成分のうちＡｌの含有比率を表すｘの値が０．５を超えると、ＮａＣｌ型結晶構造を維持できなくなり、所望の強度を具備することができず、また、非金属成分のうち炭素の含有比率を示すｙのちが０．７を超えると窒素のもつ耐熱性が低下し、所望の耐熱性を具備することができないため、ｘの値を０〜０．５、ｙの値を０〜０．７とそれぞれ定めた。
また、本発明の表面被覆ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、単層または交互積層構造としたときの一方の層（Ａ層）を、結晶粒のアスペクト比が１０〜１００、幅が１０〜１００ｎｍの柱状組織と限定した理由は、アスペクト比が１０〜１００であると、鉛直方向からの負荷に対して柱状組織の高い耐摩耗性が実現するからであり、幅が１０〜１００ｎｍであると、大きなクラックの進展を抑え、耐チッピング性を向上させるからである。
【００１３】
また、交互積層構造としたときの他方の層（Ｂ層）を、結晶粒のアスペクト比が５以下、幅が１０〜５０ｎｍの粒状組織と限定した理由は、アスペクト比が５以下であると、層内での異方性を低減し平滑化を図るとともに、鉛直方向・面内方向、双方の負荷に対し高い抗析力を維持するからであり、幅が１０〜５０ｎｍであると、表面を平滑化し、良好なすべり特性が得られるためである。
また、交互積層構造における各層の一層平均層厚の望ましい値として０．１〜１．０μｍと特定した理由は、各層の一層平均層厚が０．１μｍより小さいと粒状組織が持つ所望の平滑化による切削抵抗の低減と柱状組織が持つ耐摩耗性を十分に発揮することが出来ず、１．０μｍを超えると皮膜中の残留応力による歪みエネルギーが大きくなるため界面剥離の原因となるためである。また、交互積層構造における全体平均層厚を１．０〜５．０μｍと限定した理由は、１．０μｍより小さいと、交互積層構造が持つ平滑性・耐摩耗性が長時間に亘って発揮できず、また５．０μｍを超えると皮膜の残留応力による歪みエネルギーが大きくなるためチッピングがおきやすくなるためである。
【００１４】
さらに、フルート溝部の残留圧縮応力の望ましい値として２．０〜５．０ＧＰａに特定した理由は、残留圧縮応力が適切に存在することで、耐塑性変形性が向上するからである。残留圧縮応力の付与には、通常、成膜後の後処理としてブラスト処理を行うことが一般的であるが、本発明においては、後述する金属メッシュを用いることによって、残留圧縮応力の付与を実現した。これにより、成膜後にブラスト処理を行わないため、硬質被覆層の平滑性が向上し、切屑排出性の向上が実現でき、また、ブラスト粒子が衝突することに起因するクラックの発生などを抑え、強度を十分に保つことが出来る。
【００１５】
そして、本発明者らは、硬質被覆層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置に目的に合わせた反応ガスを導入し、Ａｒプラズマを原料が入ったハースに照射して蒸発させ、ドリル基体に所定の負のバイアス電圧を印加させドリル基体上に皮膜を物理蒸着させる反応性蒸着法を用いて、硬質被覆層を被覆した。このとき、図２に示すように、ドリル基体にマージン部に沿って、適当な大きさおよび形状を有しドリル基体およびドリル基体を保持する治具等と電気的に絶縁された金属メッシュを配置し、金属メッシュに印加する負バイアス電圧Ｖ２を制御することによって、イオンの透過性を制御することで成膜速度を制御することにより、柱状組織からなるＡ層と、粒状組織からなるＢ層を目的の構造になるように形成させることができた。
【００１６】
なお、ここでいう「柱状組織」とは、層を構成する主たる結晶粒が、柱状晶である組織を意味し、「粒状組織」とは、層を構成する主たる結晶粒が粒状晶である組織を意味している。
【００１７】
また、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辺の値を、長辺に対して垂直方向の最小径を示す短辺の値で除した値を、幅１μｍ×高さ膜厚相当の領域で平均した値を指す。
【００１８】
また、結晶粒の「幅」とは硬質被覆層を断面から観察した際に、ドリル基体と略平行に、膜厚の２分の１の高さに引いた長さ１０μｍの線分が結晶粒界によって区分される、線分の両端を除いた区分のそれぞれの長さの平均値を指す。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の表面被覆ドリルは、超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成の単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有することによって、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができる。
【００２０】
また、本発明の別の態様の表面被覆ドリルは、超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織を含むＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有することによって、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができる。
前記特許文献２に示す従来技術では、マスキングや成膜後のブラスト処理等で耐摩耗部１と潤滑部２の皮膜構造を制御することが可能であるが、ブラスト処理によっては皮膜の傷によって十分な強度を維持することが出来ない。また、マスキングによる方法では、特許文献２に示すように先端部からＤ／２まで領域の皮膜組織形状を制御することが出来るものの、直径１０ｍｍ以下の小径ドリルのマージン部のみを選択的にマスキングするのが困難であるとともに、マスキングされた部分の成膜速度が著しく低下し制御することが不可能であることから、微粒層や柱状晶の構造を制御するための効率的手法であるとは決していえない。
【００２１】
それに対して、本発明で使用する方法によれば、金属メッシュに印加するバイアス電圧により成膜速度を制御することでドリルのマージン部の皮膜組織形状を選択的に制御することが可能であり、その効果は絶大である。
また、本発明における、金属メッシュに印加するバイアス電圧により成膜速度を制御する方法は、圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置だけでなく、スパッタリング装置、アーク式イオンプレーティング装置、プラズマ支援ＣＶＤ装置など、プラズマを発生させる機構を備えた様々な成膜装置に利用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置の概略図。
【図２】金属メッシュとドリル基体の配置例を示す平面図。
【図３】従来技術に係わる被覆ドリルの一例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【実施例】
【００２４】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２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１３７０〜１４７０℃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、工具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、溝形成部の直径×長さが８ｍｍ×４８ｍｍの寸法、並びにねじれ角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。
【００２５】
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の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置に装着し、
工具基体温度：３８０〜４２０℃
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１１〜１３ｋＷ
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：１０〜１２ｋＷ
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７０〜１００ｓｃｃｍ
メタン（ＣＨ４）ガス ３０〜８０ｓｃｃｍ
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４５〜５０ｓｃｃｍ
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−５Ｖ
マスキング用金属メッシュに印加する直流バイアス電圧：＋３Ｖ〜−１５Ｖ
という表２および表３に示される特定の条件下、ドリル基体を、例えば、図２に示すように、ドリル基体にマージン部に沿って、適当な大きさおよび形状を有しドリル基体およびドリル基体を保持する治具等と電気的に絶縁された金属メッシュを配置し、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、表５および表６に示されるドリル基体の部位ごとに異なる粒径幅、アスペクト比、組織、構造および目標層厚を有する改質粒径制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜１８をそれぞれ製造した。交互積層膜は、金属メッシュに印加するバイアス電圧を＋３Ｖと−１０Ｖ、あるいは＋３Ｖと−１５Ｖ、を交互に変化させることによって形成することができる。
【００２６】
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に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に金属メッシュを取り付けない状態のまま保持し、表４に示される特定の条件下、ドリル基体を該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、表７に示されるドリル基体の部位ごとに異なる粒径幅、アスペクト比、組織、構造および目標層厚を有さない従来粒径制御層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１２をそれぞれ製造した。
【００２７】
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１８および比較表面被覆ドリル１〜１２について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・ＳＳ４００（ＨＢ１１０）の板材、
切削速度： １００ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ３２ｍｍ
の条件での軟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０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表５、６、７にそれぞれ示した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】
【表４】
【００３２】
【表５】
【００３３】
【表６】
【００３４】
【表７】
この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜１８の硬質被覆層を構成する改質粒径制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１２の硬質被覆層を構成する従来層の組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００３５】
また、前記の硬質被覆層の平均層厚を走査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（５ヶ所の平均値）を示した。
【００３６】
また、前記の硬質被覆層のフルート溝部の残留圧縮応力をＸ線回折測定による２θ−ｓｉｎ２ψ法によって測定した。その結果を、表５、６、７に示す。
【００３７】
表５、６、７に示される結果から、本発明表面被覆ドリル１〜９は、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなる単層構造を有しているので、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性が長期に亘って実現できる。
【００３８】
また、本発明表面被覆ドリル１０〜１８は、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織を含むＢ層からなる交互積層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部において、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有しているので、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部のより高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性が長期に亘って実現できる。
【００３９】
これに対して、硬質被覆層の組織がドリルのマージン部、先端切れ刃、逃げ面およびフルート溝において変化しない従来層を有する比較表面被覆ドリル１〜１２は、切屑排出性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、硬質被覆層（粒径制御層）を構成する組織が、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において柱状組織であり、ドリルのフルート溝部において粒状組織であることなどから、すぐれた切屑排出性を備えており、そして、このすぐれた切屑排出性は、高速・湿式の深穴用ドリル加工条件においても、長期間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・耐摩耗部
２・・・潤滑部
３・・・シャンク部
【技術分野】
【０００１】
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明け加工をするのに用いられるドリルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、深穴加工時のドリル本体の耐摩耗性および切屑排出性の向上のために種々の方法が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、ドリルの切れ刃および溝部をＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮなどの高融点硬質物質を物理蒸着（ＰＶＤ）によりコーティングした後、溝部２表面にＷＡ砥粒をショット粒子として加圧気体で吹きつけなどにより溝部２表面の微細突起部を除去した深穴加工用ドリルが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、図３に示すように、少なくとも先端切れ刃の先端部から外周コーナー部と溝長部の一部まで、耐摩耗層が被覆（耐摩耗部１）され、前記耐摩耗層の最外層の硬さが１０〜８０ＧＰａを有し、前記溝長部の残りに、最外層が摩耗係数０．６以下の潤滑層を被覆（潤滑部２）したことを特徴とする被覆ドリルが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、該硬質被覆層は、粒状晶（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ａと柱状晶（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ｂの交互積層構造として構成され、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．１〜２μｍの層厚を有し、さらに、前記粒状晶の結晶粒径は５〜３０ｎｍ、また、前記柱状晶の結晶粒径は５０〜５００ｎｍである表面被覆切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−５２１１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２９００５１号公報
【特許文献３】特開２０１０−９４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年のドリル加工装置のＦＡ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、耐摩耗性が必要とされるとともに切屑がドリルの切屑排出溝につまり易い、軟鋼またはアルミ合金等の高速・湿式の深穴用ドリル加工に用いた場合には、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。
【０００８】
特許文献２に記載の表面被覆切削工具では、目的とする構造を得るために、成膜後の硬質皮膜のブラスト処理、あるいは、工具のマスキング処理が必要となる。ブラスト処理により先端部から外周部の潤滑層の一部を除去する方法では、ブラスト処理により与えられる機械的な衝撃により皮膜の平滑性が損なわれるため十分な耐摩耗性を維持することが出来ず、また、ブラスト処理による微細な傷が発生することも特許文献２にも記載されている通り、工具寿命の低下に繋がる。合金鋼の穴あけ加工においては前記の傷が特段の問題となることはないが、特に、軟鋼等の高速・高送りの条件においては、フルート溝の強度が十分に維持出来ていないことから早期に寿命に至ることが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高速・湿式の深穴用ドリル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、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成からなる硬質被覆層で構成するとともに、該硬質被膜層の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、例えば（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ｛ｘ＝０〜０．６｝の成分系からなる層の形成を、例えば、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置にドリル基体を装着し、成膜条件を変えることによって成膜速度を制御し、柱状組織を有するＡ層と、粒状組織を有するＢ層を所定の構造となるように形成させる。
（ｂ）前記硬質被覆層の縦断面組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、ドリルのフルート溝部においてはアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織からなる単層構造を有しており、かかる硬質被覆層は、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができることを確認した。
（ｃ）さらに、成膜速度を制御することによって、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層と、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織を含むＢ層からなる交互積層構造を有し、ドリルのフルート溝部においてはアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有している膜構造を形成することができ、かかる硬質被覆層は、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の一層高い耐摩耗性と、フルート溝部の一層高い切屑排出性を長期に亘って実現することができることを確認した。
【００１０】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
（２） 超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなるＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
（３） 前記交互積層構造において、各層の一層平均層厚が０．１〜１．０μｍ、全体平均層厚が１．０〜５．０μｍであることを特徴とする（２）に記載の表面被覆ドリル。
（４） 前記フルート溝部の残留圧縮応力が、２．０〜５．０ＧＰａであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
【００１１】
本発明について、以下に説明する。
【００１２】
本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層の組成のうち、金属成分のうちＡｌの含有比率を表すｘの値が０．５を超えると、ＮａＣｌ型結晶構造を維持できなくなり、所望の強度を具備することができず、また、非金属成分のうち炭素の含有比率を示すｙのちが０．７を超えると窒素のもつ耐熱性が低下し、所望の耐熱性を具備することができないため、ｘの値を０〜０．５、ｙの値を０〜０．７とそれぞれ定めた。
また、本発明の表面被覆ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、単層または交互積層構造としたときの一方の層（Ａ層）を、結晶粒のアスペクト比が１０〜１００、幅が１０〜１００ｎｍの柱状組織と限定した理由は、アスペクト比が１０〜１００であると、鉛直方向からの負荷に対して柱状組織の高い耐摩耗性が実現するからであり、幅が１０〜１００ｎｍであると、大きなクラックの進展を抑え、耐チッピング性を向上させるからである。
【００１３】
また、交互積層構造としたときの他方の層（Ｂ層）を、結晶粒のアスペクト比が５以下、幅が１０〜５０ｎｍの粒状組織と限定した理由は、アスペクト比が５以下であると、層内での異方性を低減し平滑化を図るとともに、鉛直方向・面内方向、双方の負荷に対し高い抗析力を維持するからであり、幅が１０〜５０ｎｍであると、表面を平滑化し、良好なすべり特性が得られるためである。
また、交互積層構造における各層の一層平均層厚の望ましい値として０．１〜１．０μｍと特定した理由は、各層の一層平均層厚が０．１μｍより小さいと粒状組織が持つ所望の平滑化による切削抵抗の低減と柱状組織が持つ耐摩耗性を十分に発揮することが出来ず、１．０μｍを超えると皮膜中の残留応力による歪みエネルギーが大きくなるため界面剥離の原因となるためである。また、交互積層構造における全体平均層厚を１．０〜５．０μｍと限定した理由は、１．０μｍより小さいと、交互積層構造が持つ平滑性・耐摩耗性が長時間に亘って発揮できず、また５．０μｍを超えると皮膜の残留応力による歪みエネルギーが大きくなるためチッピングがおきやすくなるためである。
【００１４】
さらに、フルート溝部の残留圧縮応力の望ましい値として２．０〜５．０ＧＰａに特定した理由は、残留圧縮応力が適切に存在することで、耐塑性変形性が向上するからである。残留圧縮応力の付与には、通常、成膜後の後処理としてブラスト処理を行うことが一般的であるが、本発明においては、後述する金属メッシュを用いることによって、残留圧縮応力の付与を実現した。これにより、成膜後にブラスト処理を行わないため、硬質被覆層の平滑性が向上し、切屑排出性の向上が実現でき、また、ブラスト粒子が衝突することに起因するクラックの発生などを抑え、強度を十分に保つことが出来る。
【００１５】
そして、本発明者らは、硬質被覆層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置に目的に合わせた反応ガスを導入し、Ａｒプラズマを原料が入ったハースに照射して蒸発させ、ドリル基体に所定の負のバイアス電圧を印加させドリル基体上に皮膜を物理蒸着させる反応性蒸着法を用いて、硬質被覆層を被覆した。このとき、図２に示すように、ドリル基体にマージン部に沿って、適当な大きさおよび形状を有しドリル基体およびドリル基体を保持する治具等と電気的に絶縁された金属メッシュを配置し、金属メッシュに印加する負バイアス電圧Ｖ２を制御することによって、イオンの透過性を制御することで成膜速度を制御することにより、柱状組織からなるＡ層と、粒状組織からなるＢ層を目的の構造になるように形成させることができた。
【００１６】
なお、ここでいう「柱状組織」とは、層を構成する主たる結晶粒が、柱状晶である組織を意味し、「粒状組織」とは、層を構成する主たる結晶粒が粒状晶である組織を意味している。
【００１７】
また、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辺の値を、長辺に対して垂直方向の最小径を示す短辺の値で除した値を、幅１μｍ×高さ膜厚相当の領域で平均した値を指す。
【００１８】
また、結晶粒の「幅」とは硬質被覆層を断面から観察した際に、ドリル基体と略平行に、膜厚の２分の１の高さに引いた長さ１０μｍの線分が結晶粒界によって区分される、線分の両端を除いた区分のそれぞれの長さの平均値を指す。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の表面被覆ドリルは、超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成の単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有することによって、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができる。
【００２０】
また、本発明の別の態様の表面被覆ドリルは、超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、Ｔｉの窒化物、炭化物または炭窒化物、あるいはＴｉとＡｌからなる複合窒化物のいずれかの組成からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織を含むＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有することによって、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現することができる。
前記特許文献２に示す従来技術では、マスキングや成膜後のブラスト処理等で耐摩耗部１と潤滑部２の皮膜構造を制御することが可能であるが、ブラスト処理によっては皮膜の傷によって十分な強度を維持することが出来ない。また、マスキングによる方法では、特許文献２に示すように先端部からＤ／２まで領域の皮膜組織形状を制御することが出来るものの、直径１０ｍｍ以下の小径ドリルのマージン部のみを選択的にマスキングするのが困難であるとともに、マスキングされた部分の成膜速度が著しく低下し制御することが不可能であることから、微粒層や柱状晶の構造を制御するための効率的手法であるとは決していえない。
【００２１】
それに対して、本発明で使用する方法によれば、金属メッシュに印加するバイアス電圧により成膜速度を制御することでドリルのマージン部の皮膜組織形状を選択的に制御することが可能であり、その効果は絶大である。
また、本発明における、金属メッシュに印加するバイアス電圧により成膜速度を制御する方法は、圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置だけでなく、スパッタリング装置、アーク式イオンプレーティング装置、プラズマ支援ＣＶＤ装置など、プラズマを発生させる機構を備えた様々な成膜装置に利用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置の概略図。
【図２】金属メッシュとドリル基体の配置例を示す平面図。
【図３】従来技術に係わる被覆ドリルの一例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【実施例】
【００２４】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２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１３７０〜１４７０℃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、工具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、溝形成部の直径×長さが８ｍｍ×４８ｍｍの寸法、並びにねじれ角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。
【００２５】
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の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガン装置に装着し、
工具基体温度：３８０〜４２０℃
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１１〜１３ｋＷ
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：１０〜１２ｋＷ
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７０〜１００ｓｃｃｍ
メタン（ＣＨ４）ガス ３０〜８０ｓｃｃｍ
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４５〜５０ｓｃｃｍ
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−５Ｖ
マスキング用金属メッシュに印加する直流バイアス電圧：＋３Ｖ〜−１５Ｖ
という表２および表３に示される特定の条件下、ドリル基体を、例えば、図２に示すように、ドリル基体にマージン部に沿って、適当な大きさおよび形状を有しドリル基体およびドリル基体を保持する治具等と電気的に絶縁された金属メッシュを配置し、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、表５および表６に示されるドリル基体の部位ごとに異なる粒径幅、アスペクト比、組織、構造および目標層厚を有する改質粒径制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜１８をそれぞれ製造した。交互積層膜は、金属メッシュに印加するバイアス電圧を＋３Ｖと−１０Ｖ、あるいは＋３Ｖと−１５Ｖ、を交互に変化させることによって形成することができる。
【００２６】
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に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に金属メッシュを取り付けない状態のまま保持し、表４に示される特定の条件下、ドリル基体を該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら反応性蒸着をして、表７に示されるドリル基体の部位ごとに異なる粒径幅、アスペクト比、組織、構造および目標層厚を有さない従来粒径制御層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１２をそれぞれ製造した。
【００２７】
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１８および比較表面被覆ドリル１〜１２について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・ＳＳ４００（ＨＢ１１０）の板材、
切削速度： １００ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ３２ｍｍ
の条件での軟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０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表５、６、７にそれぞれ示した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】
【表４】
【００３２】
【表５】
【００３３】
【表６】
【００３４】
【表７】
この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜１８の硬質被覆層を構成する改質粒径制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１２の硬質被覆層を構成する従来層の組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００３５】
また、前記の硬質被覆層の平均層厚を走査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（５ヶ所の平均値）を示した。
【００３６】
また、前記の硬質被覆層のフルート溝部の残留圧縮応力をＸ線回折測定による２θ−ｓｉｎ２ψ法によって測定した。その結果を、表５、６、７に示す。
【００３７】
表５、６、７に示される結果から、本発明表面被覆ドリル１〜９は、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなる単層構造を有しているので、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性が長期に亘って実現できる。
【００３８】
また、本発明表面被覆ドリル１０〜１８は、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において、硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍ以下の粒状組織を含むＢ層からなる交互積層構造を有し、かつ、ドリルのフルート溝部において、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有しているので、加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部のより高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性が長期に亘って実現できる。
【００３９】
これに対して、硬質被覆層の組織がドリルのマージン部、先端切れ刃、逃げ面およびフルート溝において変化しない従来層を有する比較表面被覆ドリル１〜１２は、切屑排出性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、硬質被覆層（粒径制御層）を構成する組織が、ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面において柱状組織であり、ドリルのフルート溝部において粒状組織であることなどから、すぐれた切屑排出性を備えており、そして、このすぐれた切屑排出性は、高速・湿式の深穴用ドリル加工条件においても、長期間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・耐摩耗部
２・・・潤滑部
３・・・シャンク部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
【請求項２】
超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有するる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状晶からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなるＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
【請求項３】
前記交互積層構造において、各層の一層平均層厚が０．１〜１．０μｍ、全体平均層厚が１．０〜５．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の表面被覆ドリル。
【請求項４】
前記フルート溝部の残留圧縮応力が、２．０〜５．０ＧＰａであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面被覆ドリル。
【請求項１】
超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有する単層構造からなる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状組織からなる単層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、アスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
【請求項２】
超硬合金焼結体あるいはサーメットあるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、（Ｔｉ１−ｘ，Ａｌｘ）（Ｎ１−ｙ，Ｃｙ）｛ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０〜０．７｝の組成を有するる硬質被覆層が形成された表面被覆ドリルにおいて、
前記硬質被覆層の縦断面組織を観察した際に、
ドリルのマージン部、先端切れ刃および逃げ面においては、前記硬質被覆層が、アスペクト比が１０〜１００、幅１０〜１００ｎｍの柱状晶からなるＡ層とアスペクト比が５以下、幅１０〜５０ｎｍの粒状組織からなるＢ層とからなる交互積層構造を有し、かつ、
ドリルのフルート溝部においては、粒状組織からなるＢ層のみによる単層構造を有し、
加工長さＬ、直径ＤとしたときＬ／Ｄが３を超える深穴加工においてもマージン部の高い耐摩耗性と、フルート溝部の高い切屑排出性を長期に亘って実現する表面被覆ドリル。
【請求項３】
前記交互積層構造において、各層の一層平均層厚が０．１〜１．０μｍ、全体平均層厚が１．０〜５．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の表面被覆ドリル。
【請求項４】
前記フルート溝部の残留圧縮応力が、２．０〜５．０ＧＰａであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面被覆ドリル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１６６２９４（Ｐ２０１２−１６６２９４Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８４３８（Ｐ２０１１−２８４３８）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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