耐摩耗性と切屑排出性に優れた表面被覆ドリル
【課題】高送り・乾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】ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリルの切屑排出溝のうち、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上である。
【解決手段】ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリルの切屑排出溝のうち、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上である。
【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長期に亘り優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。
【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、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。
【０００３】
例えば、特許文献１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。
【０００４】
また、特許文献２においては、５〜５０ｎｍの厚さの粒状ＴｉＮ層の上に１〜８μｍの厚さの柱状ＴｉＣＮ層を形成した表面被覆切削工具が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、切刃の外周端から後端側に向けて切刃の外径Ｄに対して３Ｄ以内の長さの範囲まで硬質被膜を被覆したドリルが開示されている。
【０００６】
また、特許文献４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。
【０００７】
また、特許文献５においては、硬質被覆層のうち、切屑排出溝の領域を研磨し母材を露出したドリルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１１３０１号パンフレット
【特許文献２】特開平６−１０８２５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２７５９０９号公報
【特許文献４】特開２００３−２７５９１０号公報
【特許文献５】特開平８−１７４３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、高送り・乾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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高送り・乾式の深穴用ドリル加工に用いられた場合にも優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、（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝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−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝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プラズマガンを利用したイオンプレーティング装置にドリル基体を装着し、例えば、
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：９〜１１ｋＷ、
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：７〜１２ｋＷ、
蒸発源３：金属Ｓｉ、
蒸発源３に対するプラズマガン放電電力：７〜１２ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７５〜８０ｓｃｃｍ、
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：−３〜＋６Ｖ、
という特定の条件下で、かつ、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着形成した場合、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、従来の表面被覆ドリルに比して、高速・乾式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）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２の断面斜視図に示すように、層厚方向の縦断面においては、ドリル先端部で、ドリル基体表面に対して直立方向に成長した柱状晶の結晶粒が形成され、また、結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端からドリル基体の長さ方向に沿ってドリル直径の５倍の長さまでの領域において、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを確認した。
（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、粒径制御層）で構成すると以下のような効果を発揮する。すなわち、ドリル先端部の逃げ面は高熱・高負荷がかかるため、柱状晶の皮膜にて構成し、高い耐摩耗性を実現する。さらに、切屑排出溝のうち、熱的・力学的負荷が大きい先端部には耐摩耗性を実現する柱状晶を、一方、切屑が送られにくくなる後方部には低すべり抵抗を長期間にわたり維持するため、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上とすることで長時間に亘り切屑を排出する機構を実現し、高速・乾式の深穴加工においても耐摩耗性を維持したまま切屑排出性を高めることができることを見出したのである。
【００１１】
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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜６．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、
前記ドリルの切屑排出溝のうち、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
（２） 前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加することを特徴とする（１）に記載の表面被覆ドリル。
（３） 前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＴｉとＡｌとＳｉからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層または前記硬質膜群から選ばれる積層構造を有し、層厚６μｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
本発明について、以下に説明する。
【００１３】
本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層を構成する粒径制御層において、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察した時、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶とする。ここで、幅が１０ｎｍ以下では強度維持が困難であり、１００ｎｍ以上では粗大になり欠損の原因となるため、幅は１０〜１００ｎｍと定めた。また、高さが０．２μｍ以下では耐摩耗性が足りず、６．０μｍ以上では残留応力による欠損が生じやすくなり、十分な工具性能を発揮できないため、高さは０．２〜６．０μｍと定めた。
【００１４】
また、結晶粒のアスペクト比が１００を超えると、結晶の異方性が大きくなり、せん断応力に対する結晶の抗斥力が低下し、所望の強度を得られず、また前記アスペクト比がドリル後端に向けて漸次減少し、かつ、先端から直径の０．０１倍の距離におけるアスペクト比が直径の５倍の位置におけるアスペクト比の２倍以上でないと、力学的負荷の高い先端部で十分な耐摩耗性を実現できず、すべり特性の要求される後端部で十分なすべり特性を実現できないため、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比を、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であるものと限定した。
【００１５】
また、中間層の層厚が６．０μｍを超えると、応力によるチッピングが生じるため、中間層の層厚を６．０μｍ以下と限定した。
【００１６】
また、組成を（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎとした時の組成比ｘ（但し、原子比）の値が０．２より小さいとＡｌ添加による強度の増加が小さく、所定の強度が得られず、また、組成比ｙ（但し、原子比）の値が０．１より小さいとＳｉの添加に伴う切削中の酸化物形成効果が低下するため好ましくなく、一方、ｘまたはｙ（但し、原子比）の値が０．６または０．３を超えると結晶構造が変化し所望の構造を得られない。したがって、ｘの値を０．２〜０．６、ｙの値を０．１〜０．３と定めた。
【００１７】
また、粒径制御層の層厚は、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加していることにより、ドリルの送りにしたがって、穴が漸次拡径しながら形成されるため、ドリルと被削材との引っかかりが少なく高速・乾式の深穴加工においても耐摩耗性を維持したまま切屑排出性を高めることができる。しかしながら、漸次増加の範囲が０．２〜６．０μｍの範囲の下限が０．２μｍを下回ると、粒径制御層の層厚が十分でなく、所望の耐摩耗性が得られない。一方、上限が６．０μｍを超えると粒径制御層の耐剥離性が低下するため好ましくない。そこで、粒径制御層の層厚は、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加すると定めた。
【００１８】
そして、本発明者らは、粒径制御層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、圧力勾配型プラズマガンを用いて、Ａｒプラズマを原料が入ったハースに照射して蒸発させ、基板上に皮膜を物理蒸着させる反応性蒸着法を用いて、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着を行うと、ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、図３に示す通り、ドリル先端部では、粒径制御層が、幅１０〜１００ｎｍ、高さが層厚相当となる高アスペクト比の柱状晶によって構成される一方で、例えば、ドリル基体の切屑排出溝のうち、ドリル先端から直径の５倍の位置においては、粒径制御層が、アスペクト比の低い粒状の結晶粒によって構成されており、かつ、その平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを見出した。
【００１９】
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である。
【００２０】
また、「先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
【００２１】
また、結晶粒の「幅」とは粒径制御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。
【００２２】
また、結晶粒の「高さ」とは粒径制御層を断面から観察した際に、ドリル基体と略平行な線分に対して垂直に、０．１μｍの間隔で引いた１０本の、長さ膜厚相当の線分が結晶粒界によって区分される、各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。
なお、「結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少する」とは、任意の点において前記内容により定義されたアスペクト比が、前記任意の点からドリル先端方向へ少なくとも５ｍｍを超えて離れた位置おいて定義されたアスペクト比よりも小さいことを指す。
【発明の効果】
【００２３】
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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリルに特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）を蒸着形成するための圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の平面概略図を示す。
【図２】図１に示した圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の正面概略図を示す。
【図３】本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）の断面斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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】
【００２６】
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×６４ｍｍ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。
【００２７】
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物理蒸着装置の１種である圧力勾配型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：９〜１１ｋＷ、
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：７〜１２ｋＷ、
蒸発源３：金属Ｓｉ、
蒸発源３に対するプラズマガン放電電力：７〜１２ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７５〜８０ｓｃｃｍ、
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：−３〜＋６Ｖ、
という表２に示される特定の条件下、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整する目的で、ドリル基体を、例えば、図１に示すように、ドリル基体の先端部を水平から上方に向け、かつ、ハース載置平面の鉛直方向の軸に対して、表３に示される所定の角度を保ったまま自転させると同時に、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２に示される組成、および表３に示される目標平均膜厚、平均アスペクト比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１〜１５をそれぞれ製造した。
【００２８】
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、ドリル基体を水平方向に倒した状態で保持し、ハース載置平面の鉛直方向の軸に対して、９０度の角度を保ったまま自転させると同時に、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、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表２に示される組成、および、表４に示される均一なアスペクト比、目標平均膜厚を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１５をそれぞれ製造した。
【００２９】
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１５および比較表面被覆ドリル１〜１５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３５）の板材、
切削速度： ５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ３２ｍｍ、
の条件での合金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、４２ｍ／ｍｉｎ．および０．１４ｍｍ／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３、４にそれぞれ示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
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改質粒径制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１５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。
【００３４】
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。
【００３５】
表３、４に示される結果から、本発明表面被覆ドリルは、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
【００３６】
これに対して、硬質被覆層を構成する結晶粒の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においては、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】
【００３７】
前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることから、優れた切屑排出性を備えており、そして、この優れた切屑排出性は、高送り・乾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。
【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長期に亘り優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。
【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、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。
【０００３】
例えば、特許文献１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。
【０００４】
また、特許文献２においては、５〜５０ｎｍの厚さの粒状ＴｉＮ層の上に１〜８μｍの厚さの柱状ＴｉＣＮ層を形成した表面被覆切削工具が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、切刃の外周端から後端側に向けて切刃の外径Ｄに対して３Ｄ以内の長さの範囲まで硬質被膜を被覆したドリルが開示されている。
【０００６】
また、特許文献４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。
【０００７】
また、特許文献５においては、硬質被覆層のうち、切屑排出溝の領域を研磨し母材を露出したドリルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１１３０１号パンフレット
【特許文献２】特開平６−１０８２５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２７５９０９号公報
【特許文献４】特開２００３−２７５９１０号公報
【特許文献５】特開平８−１７４３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、高送り・乾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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高送り・乾式の深穴用ドリル加工に用いられた場合にも優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、（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝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−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝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プラズマガンを利用したイオンプレーティング装置にドリル基体を装着し、例えば、
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：９〜１１ｋＷ、
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：７〜１２ｋＷ、
蒸発源３：金属Ｓｉ、
蒸発源３に対するプラズマガン放電電力：７〜１２ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７５〜８０ｓｃｃｍ、
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：−３〜＋６Ｖ、
という特定の条件下で、かつ、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着形成した場合、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、従来の表面被覆ドリルに比して、高速・乾式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）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２の断面斜視図に示すように、層厚方向の縦断面においては、ドリル先端部で、ドリル基体表面に対して直立方向に成長した柱状晶の結晶粒が形成され、また、結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端からドリル基体の長さ方向に沿ってドリル直径の５倍の長さまでの領域において、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを確認した。
（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、粒径制御層）で構成すると以下のような効果を発揮する。すなわち、ドリル先端部の逃げ面は高熱・高負荷がかかるため、柱状晶の皮膜にて構成し、高い耐摩耗性を実現する。さらに、切屑排出溝のうち、熱的・力学的負荷が大きい先端部には耐摩耗性を実現する柱状晶を、一方、切屑が送られにくくなる後方部には低すべり抵抗を長期間にわたり維持するため、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上とすることで長時間に亘り切屑を排出する機構を実現し、高速・乾式の深穴加工においても耐摩耗性を維持したまま切屑排出性を高めることができることを見出したのである。
【００１１】
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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜６．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、
前記ドリルの切屑排出溝のうち、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
（２） 前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加することを特徴とする（１）に記載の表面被覆ドリル。
（３） 前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＴｉとＡｌとＳｉからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層または前記硬質膜群から選ばれる積層構造を有し、層厚６μｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
本発明について、以下に説明する。
【００１３】
本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層を構成する粒径制御層において、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察した時、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶とする。ここで、幅が１０ｎｍ以下では強度維持が困難であり、１００ｎｍ以上では粗大になり欠損の原因となるため、幅は１０〜１００ｎｍと定めた。また、高さが０．２μｍ以下では耐摩耗性が足りず、６．０μｍ以上では残留応力による欠損が生じやすくなり、十分な工具性能を発揮できないため、高さは０．２〜６．０μｍと定めた。
【００１４】
また、結晶粒のアスペクト比が１００を超えると、結晶の異方性が大きくなり、せん断応力に対する結晶の抗斥力が低下し、所望の強度を得られず、また前記アスペクト比がドリル後端に向けて漸次減少し、かつ、先端から直径の０．０１倍の距離におけるアスペクト比が直径の５倍の位置におけるアスペクト比の２倍以上でないと、力学的負荷の高い先端部で十分な耐摩耗性を実現できず、すべり特性の要求される後端部で十分なすべり特性を実現できないため、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比を、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であるものと限定した。
【００１５】
また、中間層の層厚が６．０μｍを超えると、応力によるチッピングが生じるため、中間層の層厚を６．０μｍ以下と限定した。
【００１６】
また、組成を（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎとした時の組成比ｘ（但し、原子比）の値が０．２より小さいとＡｌ添加による強度の増加が小さく、所定の強度が得られず、また、組成比ｙ（但し、原子比）の値が０．１より小さいとＳｉの添加に伴う切削中の酸化物形成効果が低下するため好ましくなく、一方、ｘまたはｙ（但し、原子比）の値が０．６または０．３を超えると結晶構造が変化し所望の構造を得られない。したがって、ｘの値を０．２〜０．６、ｙの値を０．１〜０．３と定めた。
【００１７】
また、粒径制御層の層厚は、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加していることにより、ドリルの送りにしたがって、穴が漸次拡径しながら形成されるため、ドリルと被削材との引っかかりが少なく高速・乾式の深穴加工においても耐摩耗性を維持したまま切屑排出性を高めることができる。しかしながら、漸次増加の範囲が０．２〜６．０μｍの範囲の下限が０．２μｍを下回ると、粒径制御層の層厚が十分でなく、所望の耐摩耗性が得られない。一方、上限が６．０μｍを超えると粒径制御層の耐剥離性が低下するため好ましくない。そこで、粒径制御層の層厚は、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加すると定めた。
【００１８】
そして、本発明者らは、粒径制御層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、圧力勾配型プラズマガンを用いて、Ａｒプラズマを原料が入ったハースに照射して蒸発させ、基板上に皮膜を物理蒸着させる反応性蒸着法を用いて、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整された成膜条件で反応性蒸着を行うと、ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、図３に示す通り、ドリル先端部では、粒径制御層が、幅１０〜１００ｎｍ、高さが層厚相当となる高アスペクト比の柱状晶によって構成される一方で、例えば、ドリル基体の切屑排出溝のうち、ドリル先端から直径の５倍の位置においては、粒径制御層が、アスペクト比の低い粒状の結晶粒によって構成されており、かつ、その平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを見出した。
【００１９】
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である。
【００２０】
また、「先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
【００２１】
また、結晶粒の「幅」とは粒径制御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。
【００２２】
また、結晶粒の「高さ」とは粒径制御層を断面から観察した際に、ドリル基体と略平行な線分に対して垂直に、０．１μｍの間隔で引いた１０本の、長さ膜厚相当の線分が結晶粒界によって区分される、各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。
なお、「結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少する」とは、任意の点において前記内容により定義されたアスペクト比が、前記任意の点からドリル先端方向へ少なくとも５ｍｍを超えて離れた位置おいて定義されたアスペクト比よりも小さいことを指す。
【発明の効果】
【００２３】
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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリルに特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）を蒸着形成するための圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の平面概略図を示す。
【図２】図１に示した圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の正面概略図を示す。
【図３】本発明の表面被覆ドリルの硬質被覆層（粒径制御層）の断面斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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】
【００２６】
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×６４ｍｍ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。
【００２７】
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物理蒸着装置の１種である圧力勾配型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：９〜１１ｋＷ、
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：７〜１２ｋＷ、
蒸発源３：金属Ｓｉ、
蒸発源３に対するプラズマガン放電電力：７〜１２ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ７５〜８０ｓｃｃｍ、
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：−３〜＋６Ｖ、
という表２に示される特定の条件下、ドリル基体上での成膜速度がドリル基体の先端からの距離に沿って漸次増加するように調整する目的で、ドリル基体を、例えば、図１に示すように、ドリル基体の先端部を水平から上方に向け、かつ、ハース載置平面の鉛直方向の軸に対して、表３に示される所定の角度を保ったまま自転させると同時に、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２に示される組成、および表３に示される目標平均膜厚、平均アスペクト比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１〜１５をそれぞれ製造した。
【００２８】
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、ドリル基体を水平方向に倒した状態で保持し、ハース載置平面の鉛直方向の軸に対して、９０度の角度を保ったまま自転させると同時に、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、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表２に示される組成、および、表４に示される均一なアスペクト比、目標平均膜厚を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜１５をそれぞれ製造した。
【００２９】
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜１５および比較表面被覆ドリル１〜１５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３５）の板材、
切削速度： ５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ３２ｍｍ、
の条件での合金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、４２ｍ／ｍｉｎ．および０．１４ｍｍ／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３、４にそれぞれ示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
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改質粒径制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜１５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。
【００３４】
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。
【００３５】
表３、４に示される結果から、本発明表面被覆ドリルは、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
【００３６】
これに対して、硬質被覆層を構成する結晶粒の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においては、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】
【００３７】
前述のように、本発明の表面被覆ドリルは、ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、前記ドリルの切屑排出溝のうち、先端からドリル基体の長さに沿って直径の５倍の長さまでの領域において、被膜断面の結晶粒形状を観察した際、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることから、優れた切屑排出性を備えており、そして、この優れた切屑排出性は、高送り・乾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。
【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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜６．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、
前記ドリルの切屑排出溝のうち、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
【請求項２】
前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ドリル。
【請求項３】
前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、何れか一つの単層または複数から選ばれる積層構造を有し、層厚６μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２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、直接または中間層を介し、最表面に粒径制御層として（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＳｉｙ）Ｎ｛ｘ＝０．２〜０．６、ｙ＝０．１〜０．３｝の成分系からなる層厚０．２〜６．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
前記ドリル先端部の逃げ面の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒が幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜６．０μｍの柱状晶からなり、かつ、
前記ドリルの切屑排出溝のうち、前記ドリル先端部からドリル基体の長さに沿ってドリル径の５倍の長さまでの領域において、粒径制御層を構成する切れ刃の皮膜断面の結晶粒形状を観察したとき、粒径制御層を構成する結晶粒の平均アスペクト比が、ドリル先端から後方に向けて、１〜１００の範囲で漸次減少し、かつ、ドリル先端部から直径の０．０１倍の位置における平均アスペクト比が直径の５倍の位置における平均アスペクト比の２倍以上であることを特徴とする優れた耐摩耗性と切屑排出性を長期に亘り発揮する表面被覆ドリル。
【請求項２】
前記粒径制御層の層厚が、最もドリル先端に近い位置から後方にかけて、０．２〜６．０μｍの範囲で漸次増加することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ドリル。
【請求項３】
前記中間層が、Ｔｉの窒化物または炭化物、炭窒化物、またはＴｉとＡｌからなる複合窒化物、ＣｒとＡｌからなる複合窒化物のうち、何れか一つの単層または複数から選ばれる積層構造を有し、層厚６μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２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２０１２−１６６２９５（Ｐ２０１２−１６６２９５Ａ）
【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２０１１−２８４３９（Ｐ２０１１−２８４３９）
【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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