(57)【要約】【課題】Ｃｒ系皮膜の欠点である硬度を高めることにより耐摩耗性を改善し、優れた工具寿命を発揮する被覆超硬ドリルを提供することを目的とする。【解決手段】被覆超硬ドリルにおいて、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０＜γ≦０．２５、回折強度Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５以上、６以下、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲にＣｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上と酸素との結合エネルギーを有し、該ドリルの基体は超硬合金からなり、Ｃｏ及び／又はＮｉの和が２≦（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１４の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリルである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆超硬ドリルにおいて、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０＜γ≦０．２５からなり、該硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時に、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５以上、６以下からなり、該硬質皮膜のＸ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上と酸素との結合エネルギーを有する硬質皮膜であり、該ドリル基体は超硬合金からなり、該超硬合金中のＣｏ及び／又はＮｉ量の和が、重量％で２≦（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１４の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項２】
請求項１記載の被覆超硬ドリルにおいて、該硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、１度以下であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の硬質皮膜被覆摺動部材において、該硬質皮膜はナノインデンテーションによる硬度測定により求められる弾性回復率Ｅが、３０％≦Ｅ＜４０％であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の被覆超硬ドリルにおいて、該硬質皮膜のＸ線回折により、該硬質皮膜に含まれるＣｒの立方晶系化合物とＡｌの六方晶系化合物のピークが検出され、該Ｃｒの立方晶系化合物の（２００）面ピーク強度をＱ１、Ａｌの六方晶系化合物の（００１）面ピーク強度をＱ２とした時、ピーク強度比Ｑ２／Ｑ１の値が、０≦Ｑ２／Ｑ１≦０．１となることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の被覆超硬ドリルにおいて、該硬質皮膜表面の凸部を機械的処理により、平滑にしたことを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項６】
請求項１記載の被覆超硬ドリルにおいて、該超硬合金のＷＣの平均粒径が０．２μｍ以上、０．８μｍ未満の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項７】
請求項１記載の被覆超硬ドリルにおいて、該超硬合金のＷＣの平均粒径が０．８μｍ以上、１．５μｍ未満の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【請求項８】
請求項１記載の被覆超硬ドリルにおいて、該超硬合金のＷＣの平均粒径が１．５μｍ以上、４．５μｍ未満の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本願発明は、穴あけ加工に使用されるドリルの表面被覆材として有用な硬質皮膜を被覆することにより、優れた耐摩耗性を発揮する被覆超硬ドリルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＣｒ系皮膜は、耐高温酸化特性に優れた硬質皮膜材として、下記に示す特許文献１から３が開示されている。
【特許文献１】特許第３０２７５０２号公報（第６頁、図１）
【特許文献２】特許第３０３９３８１号公報（第４頁、図１）
【特許文献３】特開平２００２−１６０１２９号公報（第３頁、図１）
【０００３】
特許文献１は金属成分としてＡｌＣｒとＣ、Ｎ、Ｏの１種より選択されるＡｌＣｒ系硬質膜において、高硬度を有する非晶質膜に関する事例が開示されている。しかしこの非晶質膜の硬度は最大でもヌープ硬さ２１ＧＰａ程度であり、耐摩耗効果は期待できず、密着性に関しても十分ではない。特許文献２及び特許文献３に開示されている硬質皮膜はＡｌＣｒの窒化物であり、約１０００℃の耐高温酸化特性を有しているが、１０００℃以上の耐酸化特性の検討は行われていない。硬度はＨＶ２１ＧＰａ程度で硬度の改善が不十分であり耐摩耗性に乏しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、上記の問題点を改善し、Ｃｒ系皮膜の欠点である硬度を高めることにより耐摩耗性を改善し、皮膜表面が優れた潤滑性を有することにより溝部の切り屑排出性を改善し、基体との優れた密着性を有し、その結果優れた工具寿命を発揮する被覆超硬ドリルを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するために手段】
本願発明は、被覆超硬ドリルにおいて、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０＜γ≦０．２５からなり、該硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時に、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５以上、６以下からなり、該硬質皮膜のＸ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上と酸素との結合エネルギーを有する硬質皮膜であり、該ドリル基体は超硬合金からなり、該超硬合金中のＣｏ及び／又はＮｉ量の和が、重量％で２≦（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１４の範囲であることを特徴とする被覆超硬ドリルである。これにより、基体と硬質皮膜との密着性に優れ、更に硬質皮膜を高硬度化することが可能となり、その結果優れた耐摩耗性を発揮する本発明の被覆超硬ドリルを完成させた。
【０００６】
本発明硬質皮膜は、Ｘ線回折における（２００）面回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、１度以下の広がりを有する場合、皮膜硬度並びに耐酸化性改善への寄与が大きい。また、ナノインデンテーションによる硬度測定法により接触深さと最大荷重時の最大変位量が求められる（Ｗ．  Ｃ．  Ｏｌｉｖｅｒ  ａｎｄ  Ｇ．  Ｍ．  Ｐｈａｒｒ：  Ｊ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｒｅｓ．，  Ｖｏｌ．７，  Ｎｏ．６，  Ｊｕｎｅ、  １９９２、１５６４−１５８３）。この数値を用いて、Ｅ＝１００−｛（接触深さ）／（最大荷重時の最大変位量）｝
の数式で、弾性回復率Ｅを定義し、３０％≦Ｅ＜４０％とすることにより、耐摩耗性と密着性のバランスが最適となる。更に、Ｘ線回折によるＣｒの立方晶系化合物とＡｌの六方晶系化合物のピークが検出され、該Ｃｒの立方晶系化合物の（２００）面ピーク強度をＱ１、Ａｌの六方晶系化合物の（００１）面ピーク強度をＱ２とした時、ピーク強度比Ｑ２／Ｑ１の値が、０≦Ｑ２／Ｑ１≦０．３とすることは、皮膜硬度を向上させることに有効である。また、本願発明の硬質皮膜は、硬質皮膜表面の凸部を機械的処理により平滑にすると、表面の摩擦係数が低減しこれによって切屑排出性が改善される。本発明に用いる超硬合金は、硬さがＨＲＡ９０以上、ＨＲＡ９４．５未満であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の硬質皮膜を構成する金属元素の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）において、ｘが０．４５＜ｘ＜０．７５、ｙが０≦ｙ＜０．２を満足する必要がある。ｘの値が０．４５以下では皮膜硬度並びに耐高温酸化特性の改善効果が十分ではなく、ｘの値が０．７５以上、ｙの値が０．２以上では、残留圧縮応力が過大になり、被覆直後に自己破壊を誘発する場合がある。非金属元素の組成は、（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）において、αは０．１２以上では皮膜が脆化し、好ましいαの上限値は０．０８である。硼素の添加は被加工物との耐溶着性と高温環境下での摩擦係数を低減し、潤滑性を向上させる効果がある。次に、βは、０．２以上で皮膜は脆化する。好ましいβの上限値は０．１６である。炭素の添加は硬質皮膜の硬度を高め、室温での摩擦係数の低減し、潤滑性を向上させる効果がある。γは０を超えて大きく、０．２５以下にすることが必要である。γが０の場合、耐高温酸化特性並びに皮膜硬度が充分ではなく耐摩耗性に乏しい。０．２５を超えて大きいと皮膜硬度が低下し、耐摩耗性に乏しくなる。酸素の添加は、基体と皮膜との密着性向上、皮膜が緻密化することによる高硬度化、酸化物形成により耐高温酸化性の改善と、酸化物による表面潤滑性の改善に効果的である。金属元素のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉに対する非金属元素のＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏの比は、化学量論的に（Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏ）／（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）＞１．１がより好ましい。
【０００８】
本発明のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５以上、６以下としたのは、皮膜の密着性は残留圧縮応力に強く依存し、この残留圧縮応力は成膜条件であるイオンエネルギーに強く依存している。即ち、イオンエネルギーが低い条件下では皮膜の残留圧縮応力は低い結果となる。逆に、イオンエネルギーが高い条件下では皮膜の残留圧縮応力は高い結果となる。ここで、イオンエネルギーを決定する要素は、具体的には成膜条件であるバイアス電圧、反応ガス圧力であり、これによって制御することができる。本発明は、残留圧縮応力が高い場合、Ｘ線回折において皮膜は（１１１）面に強く配向し、皮膜の硬度も、この高い残留圧縮応力の影響を受けて高硬度とする事が可能となる。一方、皮膜の密着性に着目すると、硬質皮膜内の残留圧縮応力を高くすると、皮膜の高硬度化を達成できるが、基体と皮膜界面とのせん断応力が増大する方向に作用するため、密着性を損なうこととなり、好ましくない。従って、基体と皮膜との密着性及び皮膜硬度とのバランスを最適に制御することが重要となる。本発明では、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値を０．５以上、６以下とすることにより、両者のバランスを最適に制御することを可能にした。Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５未満となると、皮膜の残留圧縮応力が大きくなりすぎて、密着性が急激に低下し、ドリルに適用する硬質皮膜としては満足な性能を得ることが出来ないのである。Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が６を超えて大きくなると、皮膜の硬度が急激に低下し、ドリルに適用する硬質皮膜としては満足な性能を得ることが出来ないのである。更に、皮膜の潤滑性に影響を与える皮膜表面の面粗さに着目すると、面粗さが小さいことが好ましい。そのため、皮膜を可能な限り（１１１）面に結晶配向させ、柱状結晶構造における結晶粒を膜厚方向に細長い構造とすることによって皮膜表面の面粗さを低減させることが、皮膜の潤滑性能を増加させる事に効果的である。皮膜の潤滑性の改善に有効な結晶粒の構造を考慮して、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値を６以下とすることにより、適正に維持することを可能にした。そこで、０．５以上、６以下の値に限定した。
【０００９】
該硬質皮膜はＸ線光電子分光分析にて、５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上と酸素との結合エネルギーを有することが必要であり、皮膜が緻密化し、酸化雰囲気において酸素の拡散経路となる結晶粒界が不明瞭となり、内向拡散し難くする機能を有する。Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上が窒化物、酸化物もしくは酸窒化物の状態で存在しているため、硬質皮膜が緻密化し高硬度を有する。本発明皮膜の特徴である、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれた１種又は２種以上と酸素との結合状態を形成するには、一定以上の酸素を含有させることが必要である。基体にバイアス電圧を印加すると、密着性を一段と高めることができる。成膜条件は、ガス圧を１．５〜５．０Ｐａ、被覆基体温度を３５０〜７００℃、バイアス電圧を−１５〜−３００Ｖのバイアス電圧とすることが好ましく、この範囲において皮膜の密着性と皮膜硬度とのバランスが最適となり、皮膜の摩擦係数低減による潤滑性の改善に効果的であり、優れた緻密な硬質皮膜が得られる。
【００１０】
本発明の被覆超硬ドリルに用いる超硬合金は、Ｃｏ及び／又はＮｉ量の和が、重量％で２≦（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１４であることが好ましく、３≦（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１３の範囲であることが更に好ましい。ＷＣの平均粒径が０．２μｍ以上、４．５μｍ未満の範囲とする時、ドリルの優れた性能を最小限保証することが可能である。基体中のＣｏ及び／又はＮｉ量、ＷＣ粒径は超硬合金の硬度及び耐熱強度を決定するが、Ｃｏ及び／又はＮｉ量の和が２重量％未満の場合は、基体靭性が十分ではなく、工具寿命は不安定である。Ｃｏ及び／又はＮｉ量の和が１４重量％を越える場合は、基体の剛性が不足し、切刃の変形が発生し、短寿命を招く。基体中に１部Ｎｉを含有することは、耐蝕性向上効果があり用途によっては時には好ましい。本発明の硬質皮膜の密着性に及ぼす影響を考慮した結果、基体中のＣｏ及び／又はＮｉの含有量を上記範囲内に決定した。この範囲内であれば、上記硬質皮膜内に発生する残留圧縮応力に対して、基体内部で緩和することが可能であり密着性に優れ、該硬質皮膜の優れた潤滑性、耐酸化性と高硬度である特性を充分に発揮することができる。これらの構成により、ドリルによる穴あけ加工の切り屑排出性を改善し、高速化並びに長寿命化を達成することが可能となる。本発明の硬質皮膜をドリル基体へ適用し、密着性に及ぼす影響を考慮した結果、基体中のＷＣの他に含んでも良い物質は、従来から知られている周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物などでその含有量が合計で３０重量％以下の範囲であれば、用途に応じ適宜含有させてもよい。上記硬質皮膜内に発生する残留圧縮応力に対して、基体が充分に剛性と耐熱性を有し、使用時の応力や熱に対し充分な耐変形性を有し、その結果、該硬質皮膜に対する充分な密着性を発現し、該皮膜の優れた耐酸化性と高硬度である特性を充分に発揮することができる。また、基体中のＣｏ及び／又はＮｉ量の和が上記範囲を満足する場合、超硬合金の耐熱強度も優れる。超硬合金の物性を左右するもう一つの要素はＷＣの粒径である。本発明者は種々の平均粒子径を持つ超硬合金を基体とし、該皮膜を被覆すると、それぞれ著しい効果があることを見出した。すなわちＷＣの平均粒径が０．２μｍ以上、０．８μｍ未満の範囲にある、高硬度、高強度の超微粒超硬合金を基体に用いた被覆超硬ドリルにおいても、ＷＣの平均粒径が０．８μｍ以上、１．５μｍ未満の範囲である硬度と靭性のバランス性に優れる中粒領域の超硬合金を基体に用いた被覆超硬ドリルにおいても、ＷＣの平均粒径が１．５μｍ以上、４．５μｍ未満の優れた靭性を有する粗粒領域の超硬合金を基体に用いた被覆超硬ドリルにおいても、それぞれ優れた特性を発揮する。プリント基板穴あけ用ドリルに代表される極細径ドリルにおいて、その超硬合金素材に関しＷＣ平均粒径の選定は折損、安定性、寿命を左右するため細心の注意が必要である。本発明者が鋭意検討した結果、本発明に関る被覆を基体に施す場合、基体のＷＣの平均粒径が０．２μｍ以上、０．８μｍ未満の範囲で優れた特性を示すことを見出した。０．２μｍ未満では安定性に欠け、０．８μｍを超えると欠損事故が多発する。アルミニウム、鋳物、鋼などの金属加工用のドリルにおいて本発明に関る被覆を基体に施す場合、基体のＷＣの平均粒径が０．８μｍ以上、１．５μｍ未満の範囲で、特に優れた特性を示すことを見出した。０．８μｍ未満ではチッピングが多発するため安定性に欠け、１．５μｍを超えると刃先の摩耗が激しく工具寿命に劣る。鉱山土木用、コンクリート用などに用いるドリルに本発明に関る被覆を基体に施す場合、基体のＷＣの平均粒径が１．５μｍ以上、４．５μｍ未満の範囲で優れた特性を示すことを見出した。１．５μｍ未満では安定性に欠け、４．５μｍ以上では摩耗欠損事故が多発する。もちろん穴加工が施される材料は単一の材質だけで構成されるとは限らず、２種材料以上の複合材料で構成される場合もある。そのような場合、ＷＣの平均粒径をどう選定するかが問題となるが、本発明者は概して平均粒径が０．２μｍ〜４．５μｍの範囲であれば、従来既知のものに比較して優れた特性を示すとの知見を得た。よってこれらの構成により、被覆超硬ドリルによる穴あけ加工の高速化並びに長寿命化を達成することが可能となる。
【００１１】
結晶粒のアスペクト比について述べる。本発明の柱状結晶構造をした皮膜破断面の膜厚Ｔについて、Ｔの２５％から５０％の厚みであるＴ１に相当する上下膜厚方向の上端位置と下端位置を求める。この時、上端位置と下端位置は、Ｔ／２に相当する基準位置より上下膜厚方向に略均等となる様に割り振る。各上下端位置における水平方向の上端側粒径Ｋと下端側粒径Ｌを求める。そこで、アスペクト比をＴ１／（（Ｋ＋Ｌ）／２）とすると、柱状結晶構造からなる該硬質皮膜の結晶粒のアスペクト比が、１．２から５であることが好ましい。アスペクト比が５を超えて大きくなると、結晶粒が膜厚方向に細長くなり、皮膜の靭性が低下し好ましくない。１．２未満では粒状結晶が増加する傾向となり、皮膜硬度が低下し好ましくない。更に該硬質皮膜に残留する残留圧縮応力が、１ＧＰａ以上、５ＧＰａ以下であることが、硬質皮膜に靭性を持たせ、皮膜硬度と基体密着性とのバランスに適した範囲となり、性能の改善に効果的である。
【００１２】
ナノインデンテーションによる硬度測定法によるＥは、３０％≦Ｅ＜４０％であり、皮膜の成膜条件であるバイアス電圧、反応ガス圧やその分圧比、成膜時の基体温度を最適に制御することにより達成できる。Ｅが４０％以上の場合、硬質皮膜内に残留圧縮応力が高くなり過ぎて靭性に乏しくなり密着性を劣化させる。３０％未満の場合は強度不足による異常摩耗等により耐摩耗性が十分でない。好ましいＥの値は３２％〜３８％である。
【００１３】
該硬質皮膜のＣｒの立方晶系化合物ピーク強度をＱ１、Ａｌの六方晶系化合物のピーク強度をＱ２とした時、ピーク強度比Ｑ２／Ｑ１の値が０．３を超えて大きくなると、硬度が急激に低下するとともに、潤滑性を有するＣｒの立方晶系化合物が減少し、皮膜のもつ潤滑性が低下する。そこで、Ｑ２／Ｑ１の値が０．３以下とすることは、必要な皮膜硬度を得ることと、潤滑性を維持することに有効であり好ましい。
【００１４】
本発明の皮膜を被覆し被覆基体表面の研磨面や研削面に沿った硬質皮膜表面の凸部や、被覆中に発生したマクロ粒子等の付着により凸部が形成される場合があるため、その凸部を機械的処理により平滑にすることにより、切屑除去効果に更に優れ望ましい。更に、被覆後に切刃エッジに機械的処理を施すことにより、なじみ効果も確認され、耐欠損、耐チッピング特性を改善することができ、より好ましい硬質皮膜を得ることができる。
【００１５】
本発明のドリル基体の硬さは、ＨＲＡ９０以上、ＨＲＡ９４．５未満である。基体がＨＲＡ９０未満となる場合、過酷な穴あけ加工環境下において切刃が塑性変形を伴った摩耗進行も確認され、刃先強度が十分ではなく好ましくない。また、ＨＲＡ９４．５以上となる場合は、切刃のチッピングや欠けを生じる場合があり、好ましくない。更に、本発明の硬質皮膜において金属成分の４原子％未満を周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属成分の１種以上で置き換えた場合、また本発明に関わる硬質皮膜を１層以上含有する複層構造においても、同様な効果が確認され好ましく、本発明の技術的範囲に含まれるものである。以下、実施例に基づき、本発明を具体的に説明する。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
成膜には酸素含有の合金ターゲットを用い、反応ガスを真空装置内に導入し全圧を３．０Ｐａ、バイアス電圧を−１００Ｖ、被覆温度を４５０℃とし、膜厚を約５μｍとし、（Ａｌ０．６Ｃｒ０．４）（Ｎ０．８０Ｃ０．０８Ｏ０．１０Ｂ０．０２）を成膜し、本発明例１とした。皮膜組成は、電子プローブＸ線マイクロアナリシス及びオージェ電子分光法により決定した。Ｘ線光電子分光分析は、ＰＨＩ社製１６００Ｓ型Ｘ線光電子分光分析装置を用いて分析した。本発明例１のＸ線光電子分光分析結果を図１に示す。図１は結合エネルギーが５３０ｅＶ近傍のナロースペクトル示し、Ｃｒ−Ｏ及びＡｌ−Ｏの結合の存在を示す。図２はＣｒ−Ｎ及びＣｒ−Ｏの結合の存在を示す。図３はＡｌ−Ｎ及びＡｌ−Ｏの結合の存在を示す。図４のＸ線回折結果は、硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時に、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が０．５以上、６以下であることを示す。
【００１７】
（実施例２）
実施例１と同様に、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ０．９５Ｏ０．０５）を成膜し、比較例２、ｘ＝０．２０、ｙ＝０、比較例３、ｘ＝０．３０、ｙ＝０、本発明例４、ｘ＝０．５０、ｙ＝０、本発明例５、ｘ＝０．６０、ｙ＝０、本発明例６、ｘ＝０．７０、ｙ＝０、比較例７、ｘ＝０．８０、ｙ＝０、及び（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎ系の従来例９、ｘ＝０．２０、従来例１０、ｘ＝０．５０、従来例１１、ｘ＝０．７０、を製作し、押込硬さを測定した。試験機は微小押込み硬さ試験機を用い、圧子はダイヤモンド製の対稜角１１５度の三角錐圧子を用い、最大荷重を４９ｍＮ、荷重負荷ステップ４．９ｍＮ／ｓｅｃ、最大荷重時の保持時間は１秒とした。測定値は１０点測定の平均値を示した。図５より、本発明例４〜６、Ａｌ添加量、４５〜７５原子％の範囲で、酸素を含有しない系より高硬度を示した。本発明の硬質皮膜は、酸素を含有することにより高硬度となり、４０ＧＰａ以上を得ることが出来る。これによって密着性並びに耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られる。
【００１８】
（実施例３）
超硬合金を基体に用い、表１に示す皮膜組成の、本発明例１２〜２０、比較例２１〜２６及び従来例１０を製作した。アークイオンプレーティング法による被覆条件は、被覆基体温度４５０℃、反応圧は３．５Ｐａでバイアス電圧を−１５０Ｖの条件で被覆処理を行なった。表１に皮膜組成等を示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１の試料を用いて、大気中１１００℃の酸化条件で処理した皮膜の酸化層、実施例２同様に微小押込み硬さ、薄板の変形量より算出した残留圧縮応力、弾性回復率を測定した。先ず、酸化層厚さは、本発明例１２〜２０は、殆ど酸化進行が無く、耐高温酸化特性に優れていることが確認された。従来例１０は酸化進行が著しく硬質皮膜は殆ど酸化物となり、酸素の内向拡散が基体まで達していた。次に、押込み硬さもＣ、Ｂを含有させることにより、更に高硬度となる。残留圧縮応力は、本発明例１２〜２０は低く、更に、図６に示す、本発明例１２及び従来例１０の荷重変位曲線より、本発明例１２は、最大荷重時における最大変位量が大きく、塑性変形量が小さく、同一応力が硬質皮膜に作用した際、弾性回復する割合が大きく塑性変形し難いことを示す。この荷重変位曲線よりＥを求めた。Ｅが大きい程弾性回復特性に優れる。表１より、本発明例１２〜２０は弾性回復特性に優れ、硬質皮膜の剥離やクラックの低減が可能となり、密着性に優れた硬質皮膜を得ることができる。これは、皮膜硬度差よりも大きな効果がある。
【００２１】
次に、表１の試料を用いて圧痕試験による皮膜剥離状況を併記する。測定はロックウェル硬度計により１４７０Ｎの荷重で圧痕を形成し、光学顕微鏡により観察した。本発明例１２〜２０は剥離が無く、優れた密着性を示した。これは本発明例が適正なＥ値の範囲内にあるためである。比較例２１〜２６、従来例１０は被覆基体の塑性変形に追従することができず、圧痕周辺部に膜剥離が発生した。
【００２２】
（実施例４）
Ｃｏ：８ｗｔ％、Ｃｒ炭化物０．８ｗｔ％、残ＷＣ及び不可避不純物からなる刃径８ｍｍの２枚刃の超硬合金製ドリルを用い工具表面を脱脂するためにアルカリ洗浄液中で６分間洗浄し、純水で中和洗浄した。各組成からなるターゲットを配置したアークイオンプレーティング装置内に工具をセットし、真空中４５０℃で１時間の脱ガス加熱工程を実施し、Ａｒイオンによる被覆基体のクリーニング処理を行なった。実施例３と同じ方法でドリル表面に表１に示す組成からなる硬質皮膜を３μｍの厚さで被覆した。表１に示す本発明例１２から２０、比較例２１から２６及び従来例１０の被覆超硬ドリルを用いて、下記条件の穴あけ加工試験を行いドリルが加工不能に至るまでの時間を表１に併記する。
（加工条件）
加工方法：穴加工
被削材：ＳＫＤ１１（硬さＨＢ２１９）
穴深さ：２４ｍｍ止まり穴
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
切削油：無し（乾式エアーブロー）
【００２３】
表１の結果から、本発明例１２から２０の超硬合金を基体とした被覆超硬ドリルは、従来例１０と比較して穴あけ加工不能に至るまでの穴あけ加工数が多く、耐摩耗性に優れている。また本発明例１８は本発明皮膜被覆後にダイヤモンド粒子を含有した粒子を工具すくい面に投射することにより、硬質皮膜表面を平滑にした本発明例を示すが、本発明例１２と比較しても、より穴あけ加工寿命が延長している。比較例２１は被覆条件をバイアス電圧−５００Ｖで被覆した硬質皮膜のＸ線回折による最強強度面指数が（２２０）面を示し、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が６．４となり、本発明皮膜に比べて穴あけ加工数が少ない。比較例２２はターゲットに含有する酸素濃度が１８００ｐｐｍからなるターゲットを使用した場合を示すが、Ｘ線光電子分光分析により酸化物としての結合状態が確認されない場合を示し、本発明例に比べて穴あけ加工数が少ない。比較例２３はＡｌ含有量が２０原子％の場合であり、弾性回復率は３０％以下となり、穴あけ加工数が少なく、耐摩耗性が十分ではない。比較例２４はＡｌ含有量が８０原子％の場合であり、穴あけ加工数が少なく耐摩耗性に劣る。比較例２５は酸素含有量が５５原子％の場合であるが耐摩耗性がＡｌの六方晶系化合物の（００１）面ピーク強度十分ではない。比較例２６はＳｉ含有量が３４原子％の場合であり、耐摩耗性が十分ではない。
【００２４】
更に表１に示したように、本発明の硬質皮膜は、Ｘ線回折における（２００）面回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、１度以下の範囲にあるが、比較例２４、２６は１度以上となり、耐摩耗性が十分ではなく、工具寿命が短い。また、結晶粒径のアスペクト比についても、比較例２４、２６が５を超えて大きくなっている。これらは、皮膜の（１１１）面配向が強い為、残留圧縮応力も高くなって皮膜の密着性が低下したことが短寿命となった原因と考えられる。更に比較例２４はピーク強度比Ｑ２／Ｑ１の値が、０．１を超えて大きい値を示した。このことは、膜組成におけるＡｌ含有量の多いため、Ａｌの六方晶系化合物の含有割合が増加したためである。これによって、皮膜の硬度が低下し、十分な耐摩耗性が得られなかった。
【００２５】
（実施例５）
表２に示す種々の超硬合金製のドリルを用い、実施例４と同様の方法で表１の本発明例１２の皮膜を被覆した。下記加工条件Ａ、Ｂの穴あけ加工試験を行い被覆超硬ドリルが穴あけ加工不能に至るまでの加工穴数を表２に併記する。基体の超硬合金のＣｏ量が２％未満の場合、１４％を超える場合、ＷＣの平均粒径が０．２μｍ未満の場合、４．５μｍ以上の場合、添加物が３０重量％を超える場合、いずれも本発明例に比べて加工穴数が少ない。本発明例はいずれも優れた特性を示す。
（穴あけ加工条件Ａ）
被削材：ＳＣＭ材（硬さＨＢ２６０）
穴深さ：２０ｍｍ貫通穴
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
切削油：水溶性エマルジョン型切削油
（穴あけ加工条件Ｂ）
被削材：ＳＫＤ１１（硬さＨＢ２１１）
穴深さ：２４ｍｍ止まり穴
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切削油：水溶性エマルジョン型切削油
【００２６】
【表２】
2004314185.tif 000004
【００２７】
（実施例６）
表２における本発明例３４に示す超硬合金素材を用い刃径０．１ｍｍ、ねじれ角３５°、ウエブテーパー０．０３のドリルを作成し、実施例４の同様の方法により、表１の本発明例１７の膜組成のコーティングを行ったものを本発明例５０、比較例２１の膜組成のコーティングを行ったものを比較例５１として、穴あけ加工性能を調べた。
（穴あけ加工条件）
被削材：プリント基板ＢＴ両面板厚み０．２０ｍｍ（１０枚重ね）
あて板：アルミニウム材厚み０．１５ｍｍ
すて板：ペーパーフェノール
回転数：１５０、０００／分
送り：１２μｍ／回転
加工不能になるまでの加工穴数は、本発明例５０が１２５００穴、比較例５１が３８４０穴であり、本発明の良好性が実証された。
【００２８】
【発明の効果】
本願発明の被覆超硬ドリルを適用することにより、穴あけ加工に用いても十分な耐摩耗性を有し、基体表面とその直上の硬質皮膜とが密着性の改善を図り、更に耐高温酸化特性に優れ、皮膜の潤滑性も改善された被覆超硬ドリルを得ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＣｒ−Ｏ及びＡｌ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図２】図２は、本発明例のＣｒ−Ｎ及びＣｒ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図３】図３は、本発明例のＡｌ−Ｎ及びＡｌ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図４】図４は、本発明例のＸ線回折結果を示す。
【図５】図５は、本発明例と従来例のＡｌ添加量と皮膜硬度の関係を示す。
【図６】図６は、本発明例１２及び従来例１０の荷重変位曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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