(57)【要約】【課題】高能率で行われる過酷な穴あけ加工環境下においても、優れた耐摩耗性、並びに切り屑排出性を発揮できる被覆ドリルを提供することである。【解決手段】被覆ドリルにおいて、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迄、耐摩耗層が被覆され、前記耐摩耗層の最外層の硬さが２０〜８０ＧＰａを有し、前記溝長部の残りに、最外層が摩擦係数０．６以下の潤滑層を被覆したことを特徴とする被覆ドリルである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆ドリルにおいて、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迄、耐摩耗層が被覆され、前記耐摩耗層の最外層の硬さが２０〜８０ＧＰａを有し、前記溝長部の残りに、最外層が摩擦係数０．６以下の潤滑層を被覆したことを特徴とする被覆ドリル。
【請求項２】
請求項１記載の被覆ドリルにおいて、前記被覆ドリルの直径をＤ（ｍｍ）としたとき、前記耐摩耗層は、前記外周コーナー部から軸方向にＤ／２以下の長さ被覆したことを特徴とする被覆ドリル。
【請求項３】
請求項１又は２記載の被覆ドリルにおいて、前記潤滑層の直下に、前記耐摩耗層が被覆されたことを特徴とする被覆ドリル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、優れた耐摩耗性と切り屑排出性を発揮する被覆ドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドリルによる穴加工の高能率化、長寿命化を達成するために、耐摩耗性、耐熱性と潤滑性などを改善する種々の硬質皮膜層を被覆した被覆ドリルが以下の特許文献１から６に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６６３５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１２２２９５号公報
【特許文献３】特開２００２−１１３６０４号公報
【特許文献４】特開２００５−８８１４９号公報
【特許文献５】特開２００６−８２２０６号公報
【特許文献６】特開平７−８８７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２は、硬質皮膜及び／又は潤滑性皮膜を施した被覆ドリルに関する技術が開示されている。しかし、硬質皮膜と潤滑層の層間の密着強度についての検討、改善が不十分である。特許文献３は、耐摩耗性皮膜の上に接するように硬質炭素皮膜と、非炭素膜とが交互に積層された潤滑皮膜を備えた切削工具が開示されている。しかし、工具切れ刃には多くの切削負荷が掛かかるため、耐摩耗層上に硬質炭素皮膜や非炭素膜が積層されていると、層間にて剥離が生じ、刃先の異常摩耗等を起こし易いという不都合がある。特許文献４、５は、硬質被膜を被覆したドリルが記載され、先端切れ刃部の被覆領域を規定する技術が開示されている。しかし、切り屑排出性についての検討、改善が不十分である。特許文献６は、被覆部位を規定することにより耐欠損性を高めようとするものであるが、刃先に被覆されている皮膜が硬質炭素膜であるため耐熱性に劣り、特に鋼の高速切削では刃先部が高温に達することから十分な耐摩耗性が得られない。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高能率で行われる過酷な穴あけ加工環境下においても、優れた耐摩耗性、並びに切り屑排出性を発揮できる被覆ドリルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、被覆ドリルにおいて、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迄、耐摩耗層が被覆され、前記耐摩耗層の最外層の硬さが２０〜８０ＧＰａを有し、前記溝長部の残りに、最外層が摩擦係数０．６以下の潤滑層を被覆したことを特徴とする被覆ドリルである。上記の構成を採用することによって、被覆ドリルの先端切れ刃部の最外層は耐摩耗層であるため、耐摩耗層上に潤滑層を積層させることにより生じる剥離等の現象は起こらず十分にその耐摩耗性を発揮できる。また、せん断した後に生成する切り屑は、潤滑層が被覆された内溝を円滑に流動して排出され、耐摩耗性と良好な切り屑排出性の相乗効果により優れた工具寿命を発揮できる。
【０００６】
本願発明の被覆ドリルは、前記被覆ドリルの直径をＤ（ｍｍ）としたとき、前記耐摩耗層は、前記外周コーナー部から軸方向にＤ／２以下の長さＬ（ｍｍ）被覆被覆されていても良い。更には、前記潤滑層の直下に、前記耐摩耗層が被覆されていても良い。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明により、高能率で行われる過酷な穴あけ加工環境下においても、優れた耐摩耗性並びに切り屑排出性を発揮できる被覆ドリルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明において、耐摩耗層の最外層の硬さは、２０〜８０ＧＰａの範囲である。これは、硬さが２０ＧＰａ未満であると充分な耐摩耗性が得られない。一方、８０ＧＰａを超えて大きいと高硬度化に伴う圧縮応力の増大により、基体との剥離や刃欠けを起こしてしまう。本願発明において、上記硬さを有する耐摩耗層としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂのうち少なくとも２種以上より選ばれた元素の窒化物、炭窒化物からなる皮膜が好ましく、少なくとも１層以上被覆した場合、優れた耐摩耗性や耐熱性を備えた耐摩耗層が得られる。
本願発明において、潤滑層の摩擦係数は、０．６以下である。摩擦係数が０．６以下である場合、刃溝部の溶着が抑制され充分な切り屑排出性が得られる。一方、特に溝長部が３Ｄ以上の様な場合、０．６を超えて大きいいと良好な切り屑排出性が得られない不都合が生じる。潤滑層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１種以上より選ばれた元素の酸化物、炭窒化物、硼化物からなる皮膜、又は硬質炭素皮膜が好ましく、耐溶着性が向上し切り屑排出性に優れる。
【０００９】
図１より、耐摩耗部１は、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迄の領域である。切れ刃部直径をＤとしたとき、刃先外周コーナーから軸方向にＤ／２以下の長さであるＬの位置までの位置から先端切れ刃までの領域を耐摩耗部１とし、ここに耐摩耗層が被覆されることが好ましい。潤滑部２は、溝長部から耐摩耗部１を除いた範囲に潤滑層を被覆した場合、優れた切り屑排出性を発揮でき好ましい。これは耐摩耗層の被覆範囲が溝長方向にＤ／２を超えて拡がってしまうと、潤滑層上を移動する切り屑の移動距離が短くなってしまい、十分な切り屑排出性が発揮できないためである。
【００１０】
本願発明の被覆ドリルは様々な方法により製造することができる。例えば、ドリルの耐摩耗部１に耐摩耗層を被覆させた後、前記耐摩耗層を被覆した先端部をマスキングし、残り溝長部に潤滑層を被覆する方法が挙げられる。この方法によって、ドリルの耐摩耗部１に耐摩耗層の単層が被覆され、軸方向の後方の潤滑部には潤滑層の単層が被覆されている形態となる。別の方法として、先端切れ刃部を含み、溝長の全部に耐摩耗層と潤滑層を連続して被覆し、その後エアーブラスト等でドリル先端切れ刃部の潤滑層のみを除去し耐摩耗層を露出することが挙げられる。この方法では、マスキング処理が不要になり耐摩耗層と潤滑層を同一プロセスで成膜できるため、短時間で本願発明の被覆ドリルが製造でき好ましい。この場合、潤滑層直下に耐摩耗層が存在することになるが、その部位は内溝やマージン部であることから被削材をせん断する刃先部に掛かるような大きなせん断力は掛からず、潤滑層が耐摩耗層上に留まることから十分な切り屑排出性を維持できる。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
複数のアーク蒸発源及びスパッタ蒸発源を備えた装置を用いて、各種組成の合金製ターゲット及びＮ２ガス、Ｃ２Ｈ２ガス、Ａｒガスの中から目的に合わせた反応ガスを選択し、いずれも超硬合金製の、Ｄが６ｍｍのツイストドリル、ＪＩＳ規格試験片及び直径６ｍｍのボールに、以下の手順により耐摩耗層及び潤滑層を被覆した。
まず、装置容器内圧が５×１０−３Ｐａになるまで真空排気を行い、排気を維持しつつ被覆基体が５００℃に達するまで加熱し、被覆基体に所定の負のバイアス電圧を印加させ、Ａｒイオンによるスパッタリングを行い基体表面のクリーニングを行った。次に、目的に合わせた反応ガスを導入し、アーク蒸発源に設置した各種ターゲット材にアーク放電を発生させ、被覆基体に所定の負のバイアス電圧を印加させ耐摩耗層を被覆した。この時、耐摩耗層はいずれもアークイオンプレーティング法により成膜した。また、装置内には複数のアーク蒸発源が設置されていることから、組成の異なる複数の皮膜を連続して被覆することが可能である。ここで、予め耐摩耗部１を除く潤滑部２、シャンク部３をステンレス製のパイプによりマスキングすることにより、耐摩耗部１のみに耐摩耗層を被覆することができる。耐摩耗層を被覆した後、ツイストドリル等を装置から取り出し、耐摩耗層が被覆された耐摩耗部１、シャンク部３にマスキング処理を施し、再び装置に配置し、排気、加熱及び基体洗浄を行い、耐摩耗部１を除く潤滑部２に潤滑層を被覆した。上記方法により表１に示す本発明例１、２を製作した。また、比較例３として耐摩耗層を被覆し、比較例４として、潤滑部２に耐摩耗層を被覆し、その直上に潤滑層を被覆した。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
上記各試料のＪＩＳ規格試験片を用いて、耐摩耗層部の硬度測定を行った。まず、試験片の被覆部を鏡面加工した後、ナノインデンター測定器にて、４９ｍＮの荷重で各試験片につき１０点測定を行い、その平均値を硬さとした。これらの結果を合わせて表１に記した。
被覆したボールを用いて、摩擦係数の測定を行った。ボールオンディスク方式の装置を用い、相手材として硬さがＨＲＣ３０のＳＣＭ４４０材のディスクを用意し、室温、大気中の環境下、周速度：５０ｍｍ／ｓｅｃ、摺動距離：５０ｍ、荷重：５Ｎにて測定を行った。これらの結果を合わせて表１に示した。
本発明例及び比較例の被覆ドリルを用い切削試験を行った。評価は、２００穴毎に刃先逃げ面部の摩耗幅を観察し、その最大摩耗幅が０．２ｍｍに達した時点、若しくは折損した時点を寿命と判定した。また、切削試験を行った後に走査型電子顕微鏡にて耐摩耗部１の膜厚を測定した。その結果を合わせて表１に記した。切削条件を以下に示す。
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４４０相当材、ＨＲＣ３０
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ
送り量：０．１５ｍｍ／回転
加工穴深さ：３０ｍｍ、貫通穴
冷却：エアーブローのみ。
本発明例１、２は、比較例３、４と比べ、工具寿命が向上しており、優れた耐摩耗性と切り屑排出性を発揮できたことが分かる。比較例４は、寿命時に刃先部を観察したところ、逃げ面の１部が異常摩耗しており、これは耐摩耗層と潤滑層との密着性不足に伴う突発的な刃先損傷が起きたのではないかと推測される。
【００１４】
（実施例２）
耐摩耗層の硬さ及び潤滑層の摩擦係数を変化させた場合の切削特性について調べた。実施例１と同一の装置及び方法を用いて、Ｄが６ｍｍの超硬合金製ツイストドリルに、表２に示す夫々組成の異なる耐摩耗層及び潤滑層を被覆し、本発明例５から８、比較例９から１１を得た。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
表２より、本発明例６から８の耐摩耗層を２層被覆したものは、第１層を最外層、第２層を基体直上の皮膜として記した。また、同じ組成の皮膜においても被覆時のバイアス電圧を変化させることにより硬さを変化させた。実施例１と同条件にて皮膜の硬さと摩擦係数の測定及び切削試験を行った。その結果を合わせて表２に記した。本発明例５から８は、耐摩耗層の硬さ及び潤滑層の摩擦係数の値が上記範囲外である比較例９〜１１と比べ寿命が長かった。また、組成の異なる耐摩耗層を２層被覆した場合、更なる長寿命化が達成できることが分かった。
【００１７】
（実施例３）
耐摩耗層の被覆範囲を変化させた場合の切削特性について調べた。実施例１と同一の装置及び方法を用いて、表３で示す被覆範囲に耐摩耗層を被覆し本発明例１２、比較例１３、１４を得た。皮膜の硬さと摩擦係数の測定及び切削試験を行い、その結果を表３に記した。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
本発明例１２は、刃先先端からＤ／２以下の範囲に耐摩耗層を形成したが、刃先先端からＤを超えた範囲に耐摩耗層を形成した比較例１３、１４と比べ工具寿命が長かった。このことから耐摩耗層の被覆範囲は軸方向に対し拡がらない方が好ましいことが分かった。
【００２０】
（実施例４）
２つの異なる方法により本発明の被覆ドリルを作製し、潤滑層直下に耐摩耗層が存在する場合の切削特性について調べた。第１の方法は、先の実施例１と同一方法である。即ち、耐摩耗層を被覆した後、被覆基体を１度装置内から取り出し、今度は耐摩耗層が被覆された耐摩耗部１にマスキング処理を施し、その後再び装置内に配置し、耐摩耗層を被覆する同条件にて排気、加熱及び基体洗浄を行い、耐摩耗部１を除く残部刃長部に潤滑層を被覆した。第２の方法は、先端切れ刃部、溝長部に耐摩耗層と潤滑層を連続して被覆し、装置内から取り出した後、エアーブラストにより耐摩耗部１の潤滑層のみを除去した。
実施例１と同一の装置を用いて、上記２つの方法により、Ｄが６ｍｍの超硬合金製ツイストドリルに、表４に示す被覆範囲に耐摩耗層を被覆した。本発明例１５は第１の方法を、本発明例１６は第２の方法を用いた。比較例１７は、潤滑部２に耐摩耗層を被覆し、その直上に潤滑層を被覆した。皮膜の硬さと摩擦係数の測定及び切削試験を行い、その結果を表４に記した。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
本発明例１６は潤滑層の直下に耐摩耗層が存在する試料であるが、潤滑層直下に耐摩耗層が存在しない本発明例１５より寿命が劣る結果となった。これは、本発明例１６の場合、ブラスト処理により潤滑層を除去する過程で、耐摩耗層が何かしらのダメージを受けたのではないかと推測される。しかし、本発明例１６は、製法が容易であり、更に比較例１７よりは寿命が長いことから、本願発明の効果を発揮できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明に係わる被覆ドリルの１例を示す。
【符号の説明】
【００２４】
１：耐摩耗部
２：潤滑部
３：シャンク部
【図１】
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