| 【発明の名称】 |
複合材製ドリル |
| 【発明者】 |
【氏名】桑原 光雄
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| 【要約】 |
【課題】表面が硬く耐摩耗性を有する一方、内部が高靱性を有する複合材製ドリルを提供することを可能にする。
【解決手段】ドリル１０を構成する刃部１２は、刃先先端１６から複数の切刃１８を有している。この刃部１２のドリル内部に金属リッチな金属部２０が設けられ、ドリル表面にセラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられ、これらの間にドリル内部からドリル表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が形成されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、ドリル内部からドリル表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減することを特徴とする複合材製ドリル。
【請求項２】請求項１記載のドリルにおいて、前記金属成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合材製ドリル。
【請求項３】請求項１または２記載のドリルにおいて、前記複合材中の前記金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族のＦｅ、ＮｉまたはＣｏの中から選択される少なくとも一種以上の金属成分であり、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｍｏ2 Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ3 Ｃ2 またはＶＣの中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス成分であり、かつ、セラミックス量が、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ2 Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ3 Ｃ2＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定されることを特徴とする複合材製ドリル。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドリルにおいて、前記ドリル表面の硬度がＨＲＡ８８以上であることを特徴とする複合材製ドリル。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製ドリルに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、各種の機械加工分野において、ドリルを用いた穿孔加工が行われている。この種の加工作業中には、ドリルに対して種々の応力が作用している。例えば、切削材に押し付け力を付与する際の圧縮応力、食い付き部や切削部に作用する引っ張り応力、さらに加工を行う部分と加工に使用されない部分との間の引っ張り応力等が挙げられる。このため、ドリルによる切削加工が、実際上、不安定となり易く、刃先チッピングや欠損、折損、あるいは、加工穴の寸法精度の低下が惹起されるおそれがあり、高硬度、高強度および高靱性を有するドリルが要求されている。そこで、通常、ドリルの材質として、高速度鋼や超硬等が広く採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速度鋼は、高強度および高靱性を有するものの、耐摩耗性や圧縮強度および剛性に問題がある一方、超硬は、高剛性、高硬度および高圧縮強度を有するものの、靱性に問題がある。言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させようとすると靱性や強度が劣化する一方、強度や靱性を向上させようとすると剛性や硬度が低下してしまい、特に高速加工および高負荷に耐え得るドリルを製作することは、現実的には極めて困難なものとなっている。
【０００４】その際、超硬材や高速度鋼に硬質被膜コーティング等の表面処理を施す工夫がなされているが、ドリル刃先の精度が低下するとともに、高負荷応力下や高温下では被膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に供することができなかった。
【０００５】そこで、実際に切削加工を行うドリル表層近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、ドリル内部が高強度を有するドリルの開発を検討したところ、本出願人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用することを見い出した。
【０００６】すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機能を有する複合材製ドリルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る複合材製ドリルでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、ドリル内部からドリル表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減している。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬度、強度および靱性とには相関があり、金属成分の割合が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、硬度、耐摩耗性および剛性等が向上するものの脆くなってしまう。一方、この脆さを改善するために、金属成分の割合を多くすると、強度および靱性は向上するものの、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。
【０００８】そこで、実際に加工を行うドリル表面側を高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、内部を高靱性で高強度を有する物性とするとともに、前記表面側と前記内部側との間の組成や物性が緩やかに変化するようにすれば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えつつ、寸法精度の高い鋭利な刃先を有するドリルを得ることができる。
【０００９】このため、ドリル表面近傍のセラミックス粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部に向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成長に伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、実際に加工を行うドリル表面部分の組成がセラミックスリッチで高耐摩耗性を有し、ドリル内部が金属リッチで高強度および高靱性を有するとともに、ドリル内部における応力集中を有効に減少させることが可能になる。
【００１０】また、実際に切削を行うドリル表面近傍をセラミックスリッチとし、粒子を粗大化しているために、切削加工時にこのドリル表面近傍に発生する熱の伝達および拡散性が向上する。従って、熱に伴うマイクロクラックの発生を防止して、これにより生ずるチッピングや構成刃先を改善したため、切削性能が大きく向上することになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材製ドリル１０の一部断面側面図であり、図２は、前記ドリル１０の縦断面正面図である。
【００１２】ドリル１０は、ツイストドリルを構成しており、刃部１２とシャンク部１４とを一体的に備えている。刃部１２には、刃先先端１６から複数、例えば、２つの切刃１８が所定のねじれ角を有して軸方向（矢印Ａ方向）に設けられている。ドリル１０は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されており、ドリル内部に金属リッチな金属部２０が設けられるとともに、ドリル表面にはセラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２との間には、ドリル内部からドリル表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられている。
【００１３】金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じてクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等が混入される。複合材中の金属成分の割合は、３ｗｔ％〜１５ｗｔ％、より好ましくは、５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内に設定される。
【００１４】金属成分が３ｗｔ％未満では、金属量が少なくなり過ぎてドリル１０が脆くなり、現実的に使用することができないものとなってしまう。金属成分が３ｗｔ％以上であると、ドリル１０の表面側の金属成分の割合を１ｗｔ％以下とすることができ、ドリル内部には相対的に８ｗｔ％程度の金属成分を集積することが可能になり、実用に供することができる。なお、素材を焼結した後、刃付け等の加工を施してドリル１０を製造する際には、その刃先強度をも考慮する必要があり、金属成分の割合を５ｗｔ％以上にすることが望ましい。
【００１５】ここで、セラミックス粒子として２μｍ前後の粉末原料を用いた場合、ドリル表面近傍の粒子は、添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等により変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長する。ドリル１０において、切刃１８の強度が要求される際には、３倍〜６倍程度まで成長させる一方、主に耐摩耗性が要求される際には、１０倍〜２０倍程度まで成長させる。このとき、ドリル１０の表面近傍の金属成分の割合は１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度であり、このドリル１０の内部の金属成分の割合は成長度合いや傾斜部２４の厚み等により変化し、例えば、表面近傍で５ｗｔ％の場合、内部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至はそれ以上となる。
【００１６】金属成分の割合は、上限が１５ｗｔ％、より好ましくは１０ｗｔ％に設定される。例えば、ブローチ盤等における加工や深穴加工では、ガンドリルや長尺なドリル１０が用いられ、高剛性と高強度が要求されるとともに、特に、大きな引っ張り強度が要求される。この場合、含有する金属成分の量を増加して折損等を回避しようとする際、金属成分の割合が１５ｗｔ％以上になると、耐摩耗性が劣化するおそれがある。
【００１７】また、金属成分の割合が１５ｗｔ％に設定され、表面近傍で金属成分が５ｗｔ％程度のドリル１０において、ＨＲＡ９３程度の硬度を確保しようとした場合、前記ドリル１０の直径が２５ｍｍ程度の大きさであれば、ドリル中央部の金属成分が２０ｗｔ％以上程度となって、高速度鋼に近い靱性を有して機能的には十分である。
【００１８】なお、直径が１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度のドリル１０において、上記のようにドリル中央部の金属成分の量を２０ｗｔ％以上程度にするためには、複合材中の前記金属成分の割合を１０ｗｔ％に設定すればよく、これ以上の割合で金属成分を添加しても強度や靱性に寄与することがなく、ドリル１０全体の剛性が低下してしまう。
【００１９】ドリル１０の傾斜部２４の厚さは、数１００μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。ドリル１０では、金属成分の量と熱伝導および粒子の大きさと熱伝導に相関があり、発生する熱応力が熱伝達の勾配になるため、傾斜部２４の厚さが変化することにより熱応力そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが数μｍ〜数１０μｍでは、発生する熱応力や加工時の応力の緩和量が小さく、金属成分の割合を好適にコントロールしたとしても所望の効果を得ることができない。
【００２０】一方、傾斜部２４の厚さを大きく設定することが考えられるが、ドリル１０が大径なものとなってしまう。実用上のドリル１０の直径が２５ｍｍ程度以下であるため、傾斜部２４の厚さの上限を１０ｍｍに設定する。
【００２１】ドリル１０を構成する複合材中のセラミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ2 Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ3 Ｃ2 ）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から選択される少なくとも一種以上を主体とするものであり、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種々のものをその一部に添加してもよい。
【００２２】セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ2 Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ3 Ｃ2 ＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定される。これらのセラミックス成分は、ドリル１０による切削時に実際に切削を行う切刃１８を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐蝕性等の性質を備えている。セラミックス量が９７ｗｔ％を超えると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は十分であるものの、強度および靱性が低くなって実用に供することが難しい。
【００２３】一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％未満では、金属成分が多くなりすぎ、ドリル１０のドレス後の使用等においては、耐摩耗性が著しく劣化する場合がある。ドリル１０の表面硬度は、ＨＲＡ８８以上である。この値未満では、ドリル１０の切刃１８に金属成分の露出割合が多くなり、被削材との摩擦係数（μ）が高くなって発熱の増大を招き、前記被削材の加工表面が粗くなるとともに、前記ドリル１０の切刃１８自体の損耗が大きくなってしまう。
【００２４】このように、第１の実施形態に係るドリル１０では、高速度鋼に比べて物性的にも有利であり、加工精度および加工面が有効に向上することになる。しかも、ドリル１０の交換頻度が少なくなり、長期間にわたって良好に使用することが可能になる。また、ドリル１０では、粒成長剤を適宜選択することにより、例えば、金属成分としてニッケルが使用される場合、前記ドリル１０の表面硬度がＨＲＡ９４、さらにＨＲＡ９８になり、硬質セラミックス被膜コーティングを施した以上の値が得られる。
【００２５】図３は、本発明の第２の実施形態に係る複合材製ドリル（油穴付ドリル）１０ａの一部断面側面図であり、図４は、本発明の第３の実施形態に係る複合材製ドリル１０ｂの一部断面側面図である。なお、第１の実施形態に係るドリル１０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ａおよびｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】ドリル１０ａ、１０ｂでは、ドリル内部に金属部２０ａ、２０ｂを有するとともに、ドリル表面にセラミックス部２２ａ、２２ｂを設け、これらの間に傾斜部２４ａ、２４ｂが構成されている。従って、高速度鋼や超硬で構成されるドリルに比べ、高速加工が容易に遂行される等、第１の実施形態に係るドリル１０と同様の効果が得られる。
実施例１実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を８９ｗｔ％、平均粒径が２μｍの炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、および、コバルト（Ｃｏ）粉末を８ｗｔ％の割合で、有機溶媒を媒液としてボールミルを用いて７２時間十分に混合した。この混合物を液分が９％になるように調製した後、成形用バインダの影響を回避するためにバインダレスで、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形圧力にて外接円がφ２５ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を成形した。
【００２７】成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時における崩壊を防止した。さらに、仮焼成体の均質性を向上させるため、焼成後にφ１５ｍｍになるように切削加工が施された。次いで、１０％濃度のＮｉ塩水溶液中に仮焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風乾燥炉で乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ濃度の傾斜化を図った。
【００２８】一方、上記の基礎物性において、Ｎｉ濃度を同一としながら、コバルト量を炭化タングステン量の制御によって増減させ、仮焼成体をＮｉ塩水溶液中に浸漬するとともに、粉体中に埋設して乾燥させることにより均質体を得た。
【００２９】これらを十分乾燥させた後、窒素流通下で５０Ｐａ、１４００℃の温度で１時間保持して焼結処理を施した。その際、基礎物性として、焼結体の表面からの距離と硬度および靱性との関係が図５に示されている。
【００３０】ここで、傾斜機能領域は約７ｍｍであり、表面の高硬度均質層の厚さは約０．３ｍｍであり、硬度はＨＲＡ９３であった。図５に示す市販材の同等製品では、硬度がＨＲＡ９０．５程度であり、この市販材に比べて、実施例１の硬度が非常に高い値となった。また、靱性は、同一試験条件下の測定において市販品の７ＭＰａｍ1/2 に比べ、内部がその２倍近い値となった。
【００３１】さらに、実施例１で得られた焼結体の断面を顕微鏡を用いて観察し、その粒子の大きさを測定したところ、図６に示す結果が得られた。これにより、焼結体の表面近傍の粒子は、内部に比べて３〜４倍程度の大きさに成長していることが判った。
【００３２】図７は、均質体組成としたときのコバルト量と強度の関係を、粒成長剤の含浸の有無により比較したものである。これによれば、含浸操作を行うことにより、含浸物がセラミックス粒子の成長を促進するとともに、バインダの役割を担うコバルトと密接に結合し、強度の改善が見られた。すなわち、セラミックス粒子と金属とが従来以上に密接に結合し、強度の改善効果が高くなった。これにより、実施例１で得られた焼結体の各性質は、超硬を凌ぐものであり、ドリルとしての性能が飛躍的に向上するという効果が得られる。
実施例２実施例２では、実施例１に従って成形された焼結体を用いて、図８に示すドリル４０が製造された。このドリル４０は、直刃型の形状を有している。具体的には、実施例１と同様の組成の複合材を用いて成形体を成形し、この成形体を仮焼成した後、仮加工しておき、１０％濃度のＮｉ塩水溶液に浸漬し、乾燥後に同一条件で焼成処理を施した。焼成処理後、刃付け加工等を行ってドリル４０を製作した。比較工具として、市販の超微粒子超硬材を同一加工条件および同一刃付け条件にて製作し、アルミ加工ラインでそれぞれの性能を比較する実験を行った。被削材は、高シリコン含有のアルミニウム合金ＡＤＣ１２相当材であった。
【００３３】そのテスト結果が、図９に示されている。市販超硬材では、耐摩耗性および強度等が高いにもかかわらず、５０００穴を経過した時点で既に構成刃先の形成が見られ、１００００穴ではチッピングにより刃先の欠け等も確認された。そして、この時点で加工された穴精度は相当に劣化しており、その後は摩耗によって刃先に欠けが発生してしまった。これに対して、ドリル４０では、ドリル内部からドリル表面に向けて金属成分が漸減しており、構成刃先の形成も見られず、しかも加工された穴精度も良好であるという結果が得られた。
【００３４】図９に示すように、ＶＢ（逃げ面摩耗幅）摩耗量は市販超硬材の１／２となるが、実際の加工ラインでは、市販超硬材の摩耗量に至るまでに１０００００穴以上となり、３倍以上の耐用性が得られた。これにより、生産ラインの連続性が向上し、高速加工や超高速加工にも適するという利点が得られる。
【００３５】
【発明の効果】本発明に係る複合材製ドリルでは、ドリル内部からドリル表面に向かうに従って、複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行う切刃部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、ドリル内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、高速加工に適するとともに、耐用性が大幅に向上することになる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月１３日（１９９９．４．１３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７７６６５
【弁理士】
【氏名又は名称】千葉 剛宏 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９６４０５（Ｐ２０００−２９６４０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２４日（２０００．１０．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０５５５６ |
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