JP2017148895A - 耐折損性にすぐれたｗｃ基超硬合金製ドリル - Google Patents

Abstract

【課題】硬さと剛性を低下させることなく靱性を向上させ、耐欠損性を高めたＷＣ基超硬合金製ドリルを提供する。【解決手段】ＷＣ基超硬合金製ドリルであって、ＷＣ基超硬合金は、その成分組成を、ＷＣ−ｘ質量％Ｃｏ−ｙ質量％Ｃｒ３Ｃ２−ｚ質量％ＶＣで表したとき、６≦ｘ≦１４、０．４≦ｙ≦０．８、０≦ｚ≦０．６、（ｙ＋ｚ）≦０．１ｘを満足し、また、前記ＷＣ基超硬合金のＷＣ接着度Ｃを、Ｃ＝１−Ｖｂα・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）で表したとき、この式におけるＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖｂは０．１１≦Ｖｂ≦０．２５、また、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌは０．３≦Ｌ≦０．７の範囲内であって、さらに、係数αが０．３≦α≦０．５５の値を満足するＷＣ接着度Ｃを有するＷＣ基超硬合金製ドリル。【選択図】図１

Description

本発明は、高送り穴あけ加工等の重切削加工条件において、すぐれた耐折損性を発揮するＷＣ基超硬合金製ドリル（単に、「ドリル」という場合もある）に関する。

ＷＣ基超硬合金は硬さが高く、すぐれた耐摩耗性を発揮することから、従来から、各種切削工具、治工具、機械部品などに広く用いられている。
近年では、電子機器の小型軽量化等に伴ってプリント基板の穴径が極小化しており、それに対応できる極細径の穴あけ加工用のＷＣ基超硬合金製ドリルが求められており、さらに、穴あけ加工の省力化、低コスト化に対する要求から、また、穴あけ機の高性能化と相俟って、高送り穴あけ加工が行われるようになってきている。
しかし、従来のＷＣ基超硬合金製ドリルで高送り穴あけ加工を行うと、ＷＣ基超硬合金の靱性不足が原因で、ドリルの折損が発生し易くなるという問題が発生している。
そこで、ＷＣ基超硬合金製ドリルの靱性向上、耐折損性改善を目的として、例えば、特許文献1に記載されるような提案がなされている。

特許文献１には、「硬質物質として炭化タングステンを含有し、さらに結合相としてＣｏを含有する炭化タングステン基超硬合金を製造するに際して、上記の硬質物質粉末の表面にＣｏを被覆した被覆粉末のみを原料として使用することによるコバルト偏析に起因する空孔欠陥寸法の小さい切削工具用炭化タングステン基超硬合金の製造法」が開示されており、ＷＣ基超硬合金中の結合相量を変えることなく、ＷＣ粉末表面にＣｏを被覆した粉末を使用することで、Ｃｏ偏析に起因する空孔欠陥を低減し、焼結性を改善し、その結果として、ＷＣ基超硬合金の靭性向上を図ることが提案されている。

特開平２−２００７４４号公報

「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５−６（２００３）ｐ．２４１−２４４「Ｃｏｎｔｉｇｕｉｔｙ Ａｎｄ Ｔｈｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｏｆ ＷＣ−Ｃｏ Ａｌｌｏｙｓ」 「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」Ｖｏｌ．２４（２００６）ｐ．７５−７９「Ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｇｕｉｔｙ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｐｈａｓｅ ｉｎ ＷＣ−Ｃｏ ｈａｒｄｍｅｔａｌｓ」

しかし、上記特許文献１で提案されている方法では合金の空孔欠陥の低減化は図られるものの、空孔欠陥が改善された状態からさらに靭性を向上させるまでには至っていない。
つまり、ＷＣ基超硬合金中の結合相成分であるＣｏ量を増加させることで靭性が改善されるとしても剛性が低下するため、たわみを起因とする折損が発生したり、穴位置精度が低下するという問題があった。
これはＷＣ粉末表面が酸化されやすいため、ＷＣの周囲にバインダをコーティングしたとしてもＷＣ−結合相界面の親和性向上ができなかったことが原因と考えられる。
したがって、上記特許文献１で提案されているＷＣ基超硬合金から構成されたドリルを、高送り穴あけ加工などの重切削加工に供した場合には、切れ刃に大きな機械的負荷がかかるため、依然として靭性不足であって、折損を発生し易いという問題点があった。

そこで、本発明者らは、高送り穴あけ加工等の重切削加工条件に供した場合でも、すぐれた耐欠損性を発揮するＷＣ基超硬合金製ドリルを提供すべく、ＷＣ基超硬合金における硬質成分であるＷＣ粒子−ＷＣ粒子相互の接着度（以下、単に、「ＷＣ接着度」という）について着目し、鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

前記非特許文献１に示されるように、ＷＣ基超硬合金中のＷＣ接着度Ｃは、一般的に、
Ｃ＝２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}／（２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}＋Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}）
という理論式で定義されている。
ここで、
Ｃ：ＷＣ基超硬合金組織中でＷＣ同士が接着している頻度の指標。
Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}：ＷＣ基超硬合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引いた時、その線上にあるＷＣ粒子とＷＣ粒子の界面数。
Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}：合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引いた時、その線上にあるＷＣ粒子と結合相の界面数。
つまり、前記理論式によれば、ＷＣ粒子と結合相との界面を増やすためには、前記のＷＣ接着度Ｃの値を小さくすれば良いことがわかる。

また、前記非特許文献２によれば、ＷＣ接着度を計算する理論式に、過去の種々のデータを当てはめた場合に、
Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）
というＷＣ接着度の実験式を導き出すことができる。
ここで、
Ｃ：前記理論式の場合と同様、ＷＣ基超硬合金組織中でＷＣ同士が接着している頻度の指標
Ｖ_ｂ：ＷＣ基超硬合金の結合相体積率。
例えば、結合相がＣｏからなる場合、Ｃｏの体積率。
α：実験的に求めた係数であり、前記実験式では、α＝０．６４４。
Ｌ：ＷＣ基超硬合金組織中ＷＣ粒子の粒度分布により変わるパラメーターであり、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）に依存する。

前記非特許文献２に記載される実験式によれば、例えば、ＷＣ粒子が均粒であるとＬは小さい値となり、一方、一部粗大なＷＣが含まれる場合や、微粒と粗粒が同量混在している場合にはＬは大きな値となる。
そして、Ｌの数値の大小によるＷＣ基超硬合金の組織の違いを、模式図として示すと、例えば、図１、図２となる。
即ち、図１は、ＷＣ粒子が均粒からなる均粒組織を有し、Ｌが０．７未満であって、ＷＣ接着度Ｃが大であり、一方、図２は、粗粒と微粒の混粒からなる混粒組織を有し、Ｌが０．７を超えるため、ＷＣ接着度Ｃが小さな値となっている。

本発明者は、前記非特許文献２の実験式に着目し、ＷＣ基超硬合金の組織とドリルの耐折損性の関係を調査したところ、Ｌの値を小さくすれば、例えば、図１に示されるようにＷＣ接着度Ｃは大きくなるため、ＷＣ粒子−ＷＣ粒子相互の界面での破壊が生じやすくなり、満足できる耐欠損性は得られないこと、一方で、Ｌの値を大きくすれば、例えば、図２に示されるようにＷＣ接着度Ｃは小さくなり、ＷＣ粒子−結合相間の結合割合は高くなるものの、粗粒のＷＣ粒子の存在が破壊の起点となるため、やはり耐折損性は十分でないことを確認した。
そこで、ＷＣ粒子を均粒にすることによってＬの値を相対的に小さな値にすると同時にＷＣ接着度Ｃを小さな値に維持し、結合相がＷＣ粒子周囲に十分に回り込むようにすることでＷＣ粒子−結合相間の結合割合を高めることができれば、ＷＣ基超硬合金の硬さと剛性を低下させることなく靱性を向上させ、ドリルの耐欠損性を高めることができるとの結論を得たのである。
そして、前記Ｌの値、ＷＣ接着度Ｃの値を共に小さくするための方策として、本発明者らは、焼結原料としてのＷＣ原料粉末の選定、ＷＣ原料粉末の混合条件の調整、焼結条件の調整によって、従来のＷＣ基超硬合金の結合相体積率Ｖ_ｂと同量の結合相体積率Ｖ_ｂのＷＣ基超硬合金において、前記ＷＣ接着度Ｃを小さな値となし得ることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） ＷＣ基超硬合金製ドリルであって、
前記ＷＣ基超硬合金は、その成分組成を、
ＷＣ−ｘ質量％Ｃｏ−ｙ質量％Ｃｒ_３Ｃ_２−ｚ質量％ＶＣ
で表したとき、６≦ｘ≦１４、０．４≦ｙ≦０．８、０≦ｚ≦０．６、（ｙ＋ｚ）≦０．１ｘを満足し、
また、前記ＷＣ基超硬合金のＷＣ接着度Ｃを、
Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）で表したとき、
上記の式におけるＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖ_ｂは０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５、また、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌは０．３≦Ｌ≦０．７の範囲内であって、さらに、係数αが０．３０≦α≦０．５５の値を満足するＷＣ接着度Ｃを有することを特徴とするＷＣ基超硬合金製ドリル。
（２） 前記ＷＣ基超硬合金が、ＴａＣおよびＮｂＣのうちのいずれか１種または２種を、合計量で０．２質量％以下含有することを特徴とする前記（１）に記載のＷＣ基超硬合金製ドリル。
（３） 前記（１）または（２）に記載のＷＣ基超硬合金製ドリルにおいて、少なくとも先端切れ刃面の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について詳細に説明する。

Ｃｏ：
Ｃｏは、ＷＣ基超硬合金の結合相形成成分として含有させるが、Ｃｏ含有量ｘが６質量％未満では十分な靱性を保持することはできず、一方、Ｃｏ含有量ｘが１４質量％を超えると急激に軟化し、切削工具として必要とされる所望の硬さが得られず、変形および摩耗進行が顕著になることから、ＷＣ基超硬合金中のＣｏ含有量ｘを６〜１４質量％と定めた。

Ｃｒ_３Ｃ_２：
Ｃｒ_３Ｃ_２は、結合相を形成するＣｏ中にＣｒが固溶し、硬質相を形成するＷＣ相の成長を抑制して、ＷＣ相の粒径を微細化させ、ＷＣ基超硬合金を微粒・均粒組織とし、靱性を高める。しかし、この作用は、Ｃｒ_３Ｃ_２含有量ｙが、０．４質量％未満では不充分であり、一方、その含有量ｙが０．８質量％を超えると、ＣｒとＷの複合炭化物を析出し、靱性が低下し、また、欠損発生の起点となる。
したがって、ＷＣ基超硬合金中のＣｒ_３Ｃ_２含有量ｙは、０．４〜０．８質量％と定めた。

ＶＣ：
ＶＣは、Ｃｒ_３Ｃ_２と同様、Ｖ成分を含有させることによってＷＣ基超硬合金を微粒組織とすることで靱性を高めることから、ＷＣ基超硬合金中へＶＣを含有させることができるが、ＶＣの含有量ｚが、０．６質量％を超えると、ＷＣと結合相の密着力を弱める効果が強くなり、また、ＶＣの析出により靱性を低下させ、欠損発生の起点となる。
したがって、ＷＣ基超硬合金中の成分としてＶＣを含有させる場合には、その含有量ｚは、０．６質量％以下とする。

Ｃｒ_３Ｃ_２とＶＣの合計含有量（ｙ＋ｚ）：
ＷＣ基超硬合金中の含有成分であるＣｒ_３Ｃ_２とＶＣは、いずれも靱性の向上に寄与する成分であるが、Ｃｏ含有量ｘに対するＣｒ_３Ｃ_２とＶＣの合計含有量（ｙ＋ｚ）の比の値が０．１を超えると、過剰の炭化物が生成し、靱性を低下させるとともに、欠損を発生しやすくなるので、（ｙ＋ｚ）≦０．１ｘとすることが必要である。

ＴａＣ、ＮｂＣ：
本発明のＷＣ基超硬合金は、その成分として、さらに、ＴａＣおよびＮｂＣのうちのいずれか１種または２種を、合計で０．２質量％以下含有することができる。
Ｔａ、Ｎｂはいずれも、結合相を形成するＣｏ中に固溶して硬さを高める効果を有するが、その合計含有量が０．２質量％を超えると、炭化物析出により靱性を低下させ、欠損発生の起点となる。
したがって、ＷＣ基超硬合金中の成分としてＴａＣ、ＮｂＣを含有させる場合には、その合計含有量は、０．２質量％以下とすることが望ましい。
なお、前記したＣｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣ、ＮｂＣの含有量は、ＷＣ基超硬合金について蛍光Ｘ線分析によって測定したＣｒ量、Ｖ量、Ｔａ量、Ｎｂ量を、いずれも炭化物換算した数値である

ＷＣ接着度Ｃ：
前記非特許文献２に示されるように、従来のＷＣ基超硬合金おけるＷＣ接着度Ｃは、
実験式：Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）
により求めることができた。
ここで、Ｖ_ｂは、ＷＣ基超硬合金の結合相体積率（例えば、結合相がＣｏからなる場合、Ｃｏの体積率）であり、Ｌは、ＷＣ基超硬合金組織中ＷＣ粒子の粒度分布により依存するパラメーターＬ（例えば、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度））であり、上記式における係数αは、α＝０．６４４であった。
つまり、従来のＷＣ基超硬合金においては、ＷＣ接着度Ｃは、Ｖ_ｂとＬの値によって、一義的に決定されるものであって、ＷＣ接着度をさらに小さくすることはできなかった。
しかし、本発明では、焼結原料としてのＷＣ原料粉末の選定、ＷＣ原料粉末の混合条件の調整、焼結条件の調整を行うことによって、係数αの値を小さくすることにより、ＷＣ接着度Ｃを従来よりもさらに小さい値とし得ることを見出した。
言い換えれば、Ｖ_ｂとＬの値が従来のＷＣ基超硬合金と同じであっても、係数αの値を小さくすることによりＷＣ接着度の小さいＷＣ基超硬合金を作製し得ることを見出したのである。
そして、上記係数αの値が小さく、ＷＣ接着度が小さいＷＣ基超硬合金によってドリルを構成することにより、硬さと剛性の低下がなく、すぐれた靱性を有するＷＣ基超硬合金製ドリルを得ることができるのである。

図１（ａ）に、従来のＷＣ基超硬合金が有する組織の模式図を示し、図１（ｂ）に、本発明によって得られるＷＣ基超硬合金の組織の模式図を示す。
図１において、従来のＷＣ基超硬合金（図１（ａ））ではＶ_ｂ＝０．１４．６、Ｌ=０．５４であり、また、本発明のＷＣ基超硬合金（図１（ｂ））ではＶ_ｂ＝０．１５．６、Ｌ＝０．５１であって、両者のＶ_ｂ値とＬ値に大きな違いはないが、従来のＷＣ基超硬合金（図１（ａ））におけるα値、ＷＣ接着度Ｃは、それぞれ、０．６６、０．６７であり、一方、本発明のＷＣ基超硬合金（図１（ｂ））におけるα値、ＷＣ接着度Ｃは、それぞれ、０．３７、０．４２であって、本発明のＷＣ基超硬合金のＷＣ接着度Ｃは、従来のＷＣ基超硬合金の接着度より低いため、硬さと剛性を低下させることなく高靭性を備える。

本発明におけるＷＣ基超硬合金の製造においては、ＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖ_ｂを０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５、また、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌを０．３≦Ｌ≦０．７の範囲内とした場合、係数αは０．３≦α≦０．５５の範囲内の値となることから、ＷＣ接着度Ｃが０．２〜０．５５の範囲のＷＣ基超硬合金を得ることができる。
ＷＣ接着度Ｃが０．２未満であっても技術的な不都合はないが、製作コストが高くなり、一方、ＷＣ接着度Ｃが０．５５を超えると、ＷＣ−ＷＣ界面を起点とする折損の頻度が増加するから、本発明では、ＷＣ接着度Ｃを０．３〜０．５５の範囲内とするが、より好ましい範囲は、０．３５〜０．５である。

本発明において、ＷＣ基超硬合金の結合相体積率Ｖ_ｂが０．１１未満であると衝撃を吸収する結合相の不足のため、欠損の頻度が増加する。一方、Ｖ_ｂが０．２５を超えると結合相の体積率が相対的に増加するため、硬さ、剛性が低下することから、上記Ｖ_ｂの値を０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５と定めた。

また、本発明において、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値ＬをＬ＞０．７とした場合には、粗粒と微粒の混粒からなる混粒組織となり、粗粒ＷＣを起点とする欠損の頻度が増加するから、組織を均粒組織とするためにＬを０．７以下とする。
一方、Ｌの値が０．３未満であっても不具合はないが、後記する方法により技術的な困難なくＷＣ接着度を低減させうる現時点での最小のＬが０．３であることから０．３≦Ｌ≦０．７と定めた。
また、上記範囲内のＬとするためには、ＷＣ基超硬合金の製造に際し、例えば、素原料ＷＣの粒度分布を０．３≦Ｌ≦０．７とすることが望ましい。

また、本発明において、α値０．５５を超えると、均粒ＷＣかつＷＣ接着度を低減させることが困難であるから、αは０．５５以下とする。なお、α値に下限はないが、後記する方法により技術的な困難性なくＷＣ接着度を低減させ得る現時点での最小のα値が０．３０であることから、０．３０≦α≦０．５５と定めた。

ここで、前記ＷＣ接着度Ｃ、結合相体積率Ｖ_ｂ、α、Ｌの値は、次のような測定法により求めることができる。
ＷＣ接着度Ｃ：
Ｃ＝２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}／（２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}＋Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}）の式から求めることができるが、「Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}」は、「ＷＣ基超硬合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引いた時、その線上にあるＷＣ粒子とＷＣ粒子の測定された界面数」であり、また、「Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}」は、「ＷＣ基超硬合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引いた時、その線上にあるＷＣ粒子と結合相（Ｃｏ）の測定された界面数」である。
結合相体積率Ｖ_ｂ：
ＷＣ基超硬合金のＳＥＭ写真を撮影し、画像解析することにより測定・算出することができる。
（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）Ｌ：
ＷＣ基超硬合金中のＷＣ粒子の面積をＥＢＳＤ分析により数値化し、その後、各面積を球状近似してＷＣ粒度分布を算出し、算出した粒度分布より平均ＷＣ粒度と標準偏差を求めることができる。
α：
後記する本発明のＷＣ基超硬合金の製造方法によって実験的に得られた係数であり、上記で求めたＣ，Ｖｂ，Ｌの数値をＣ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）の式に代入し、最小二乗法で算出した実験値から求まる係数である。

焼結原料としてのＷＣ原料粉末：
焼結原料としてのＷＣ原料粉末は、焼結時に容易に解砕し新生面が得られる粉末であることが必要である。
つまり、ＷＣ接着度Ｃの値を下げるための方策として、ＷＣ−Ｃｏ界面の濡れ性を出来るだけ邪魔しないようにして、ＷＣ−Ｃｏ（結合相）の界面をできるだけ多く形成することが必要であり、そのためには、ＷＣ−Ｃｏ（結合相）界面に酸化物等が介在しないようにすることが必要である。
焼結原料としてのＷＣ原料粉末は、通常、納入の段階から既に最表面は薄い酸化膜で覆われており、また混合時の粉砕で新生面を形成してしまうと、表面は容易に酸化されてしまうことから、ＷＣ接着度Ｃを下げる為には、新生面の酸化を防ぐことが重要である。
そして、焼結時には、炉内雰囲気は非酸化性もしくは真空中であるから、焼結時に新生面が形成されるようにすれば、酸化は生じにくいということになり、その結果として、同一結合相量Ｖｂ、同一粒度分布Ｌであっても、ＷＣ接着度Ｃを下げることができる。

上記で述べたように、焼結時に新生面が形成されるようにするためには、ＷＣ原料粉末としては、結晶性が悪く、ポリ粒子の様な多量に粒界や転位等の欠陥を含んだものを使うことが好適である。
ＷＣ原料粉末の結晶性の悪さは、ＸＲＤピーク（１０１）の半価幅ｒ（度）から求めることができるが、半価幅ｒ（度）は、ＷＣ原料粉末の粒度、ＷＣ原料粉末中の微粉量等によっても影響を受けるので、任意の平均ＷＣ原料粉末粒度における結晶性の悪さを評価するためには、ＷＣの平均粒径（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ）ｑ（μｍ）とＸＲＤピーク（１０１）の半価幅ｒ（度）の関係がｒ＞−０．０１ｌｎ（ｑ）＋０．１７５を満たす粉末を使用する。

ＷＣ原料粉末の混合条件：
ＷＣ原料粉末は、溶媒中で混合され、その後乾燥されるが、この乾燥工程では、混合粉末は大気中にさらされ、形成された新生面は酸化されることになるので、ＷＣ原料粉末の混合工程では、新生面を形成させないこと、また、新生面の酸化を防ぐような混合条件の調整が必要であり、例えばビーズミルなどにより、粉砕エネルギーが弱く、新生面を出さないような方法で混合を行う。
より具体的にいえば、直径０．８ｍｍの超硬合金製メディアを用い、メディアの総重量は、スラリー２Ｌに対して２ｋｇとし、ローター回転数１５００ｒｐｍ、混合時間は１時間とすることによって、ＷＣ原料粉末が新生面を出さないような混合を行うことができる。

焼結条件：
前記のとおり選定し、また、前記の混合を行ったＷＣ原料粉末を含む焼結原料を、必要に応じて、成形体とし、これを焼結することによって、ＷＣ基超硬合金を作製するが、焼結過程ではＷＣ粒子に対して引張の応力がかかるよう焼結条件を調整する。
つまり、焼結時の雰囲気は、真空もしくは非酸化性雰囲気であるため、焼結過程でＷＣ原料粉末に亀裂を入れて新生面を出せば新生面が酸化されない。そして、これによって、焼結時にＷＣ−Ｃｏ界面の濡れを妨げる酸化物がなくなり、ＣｏのＷＣ周囲への回り込みが向上し、ＷＣ接着度Ｃが下がることになる。
例えば、焼結に際し、一度固相反応が起こる１２００℃の温度で保持した後、３０℃／ｍｉｎ以上で急冷し、その後、液相焼結が起こる温度（例えば、１４００℃）に昇温・保持し、冷却することによって、焼結時に新生面を形成することができ、ＷＣ接着度の小さい本発明のＷＣ基超硬合金を作製することができる 。

本発明では、前記の製造方法でＷＣ基超硬合金を作製することによって、
Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）
の式において、ＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖ_ｂは０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５、また、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌは０．３≦Ｌ≦０．７の範囲内であって、さらに、係数αが０．３≦α≦０．５５の値を満足するＷＣ接着度Ｃが０．２〜０．５５、好ましくは、０．３５〜０．５である硬さ、剛性、靱性にすぐれたＷＣ基超硬合金を作製することができる。

本発明では、上記で得たＷＣ基超硬合金でドリルを構成することによって、硬さ、剛性、靱性にすぐれ、ドリルの耐欠損性を向上させたＷＣ基超硬合金製ドリルを得ることができるが、ＷＣ基超硬合金製ドリルの少なくとも刃先表面に、例えば、硬質被覆層を設けることによって、さらに、耐摩耗性にすぐれた表面被覆ＷＣ基超硬合金製ドリルを得ることができる。
なお、前記の硬質被覆層としては、例えば、ＴｉとＡｌの複合窒化物からなり、ＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合が０．１〜０．６（ただし、原子比）である硬質被覆層を、０．５〜６μｍの平均層厚で形成することが好ましい。

本発明のＷＣ基超硬合金製ドリルは、その成分である、Ｃｏ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、あるいはさらに、ＴａＣ、ＮｂＣが特定の組成範囲を有し、また、本発明のＷＣ基超硬合金製ドリルは、ＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖ_ｂと、係数αと、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌによって、
Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）
（但し、０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５、０．３≦α≦０．５５、０．３≦Ｌ≦０．７を満足する）で定まる小さなＷＣ接着度Ｃを有するものであるから、硬さと剛性の低下が抑制されるとともに靱性にすぐれるため、高送り穴あけ加工等の重切削加工に供した場合でも、すぐれた耐欠損性を発揮するのである。

本発明のＷＣ超硬合金組織と従来のＷＣ超硬合金組織とを比較した模式図であり、（ａ）は、均粒組織からなり、ＷＣ接着度Ｃが０．６７である従来のＷＣ超硬合金組織、（ｂ）は、均粒組織からなり、ＷＣ接着度Ｃが０．４２である本発明のＷＣ超硬合金組織を示す。

本発明のＷＣ基超硬合金製ドリルについて、実施例により具体的に説明する。

まず、焼結用の粉末として、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を用意する。
このうち、ＷＣ粉末については、結晶性が悪く、粒界や転位等の欠陥を多量に含んだＷＣ粉末を使用する。
結晶性の良否は、ＷＣ粉末のＸＲＤピーク（１０１）の半価幅ｒ（度）および半価幅ｒ（度）に影響を与えるＷＣの平均粒径（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）ｑ（μｍ）によって影響を受けるため、本発明では、結晶性が悪く、粒界や転位等の欠陥を多量に含んだＷＣ粉末として、ｒ＞−０．０１ｌｎ（ｑ）＋０．１７５の関係を満足するＷＣ粉末を使用した。
このＷＣ粉末を、表１に示す配合組成となるように配合して、焼結用粉末を作製した。
表１には、各種粉末の配合組成（質量％）を示すとともに、ＷＣ粉末の平均粒径（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）ｑ（μｍ）、ＸＲＤピーク（１０１）の半価幅ｒ（度）の値を示す。
なお、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末の平均粒径（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）は、いずれも、０．５〜７μｍの範囲内である。

表１に示す配合組成に配合した焼結用粉末を、ビーズミル内に投入し、直径０．８ｍｍの超硬合金製メディアを用い、メディアの総重量は、スラリー２Ｌに対して２ｋｇとし、ローター回転数１５００ｒｐｍ、混合時間は１時間とすることによって、ＷＣ原料粉末が新生面を出さないようなビーズミル混合を行って混合粉末を作製し、ついで、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、直径が５ｍｍの丸棒圧粉体を作製した。

ついで、これらの丸棒圧粉体を、３Ｐａ以下の真空雰囲気中、固相反応がおこる１１５０〜１２５０℃の温度範囲に昇温し、該温度で０．５〜１時間保持後、ＷＣ粒子に引張応力を付与するため２０〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で７００〜８００℃の温度範囲まで急冷し、ついで、液相焼結が起こる１３８０〜１４５０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持し炉冷する焼結を行うことにより、本発明のＷＣ基超硬合金焼結体を作製した。

ついで、これらのＷＣ基超硬合金焼結体を研削加工し、溝形成部の外径をそれぞれ４ｍｍとすることにより、表３に示す本発明のＷＣ基超硬合金製ドリル１〜９(以下、本発明ドリル１〜９という)を製造した。

比較のために、比較例のＷＣ基超硬合金製ドリル１〜９(以下、比較例ドリル１〜９という)を製造した。
その製造手順は、次のとおりである。
まず、表２に示されるＸＲＤピーク（１０１）の半価幅ｒ（度）および平均粒径（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）ｑ（μｍ）を有し、同じく表２に示す配合割合のＷＣ粉末を用意し、これをＣｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末と配合して、表２に示す配合組成の焼結用粉末を作製した。
ついで、表２に示す配合組成に配合した焼結用粉末を、ボールミルにて１５時間湿式混合することによって混合粉末を作製し、ついで、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、直径が６ｍｍの丸棒圧粉体を作製した。
ついで、上記の丸棒圧紛体を、３Ｐａ以下の真空雰囲気中で１３８０〜１４５０℃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、ＷＣ基超硬合金からなる焼結体を作製した。
ついで、これらのＷＣ基超硬合金焼結体を研削加工し、溝形成部の外径をそれぞれ５ｍｍとすることにより、表４に示す比較例ドリル１〜９を製造した。

本発明ドリル１〜９及び比較例ドリル1〜９について、ＷＣ接着度の値Ｃ，結合相体積率の値Ｖ_ｂ，係数α，（ＷＣ粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌを測定した。
まず、ＷＣ接着度の値Ｃは、Ｃ＝２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}／（２Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}＋Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}）の式から求めるが、この式における「Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}」は、ＷＣ基超硬合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引き、その線上にあるＷＣ粒子とＷＣ粒子の界面数を測定することによって求め、また、「Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}」は、ＷＣ基超硬合金組織のＳＥＭ像上に任意の直線を引き、その線上にあるＷＣ粒子と結合相（Ｃｏ）の界面数を測定することによって求め、求められた「Ｎ_{ＷＣ−ＷＣ}」と「Ｎ_{ＷＣ−Ｃｏ}」から、ＷＣ接着度の値Ｃを求めた。
また、結合相体積率の値Ｖ_ｂは、ＷＣ基超硬合金のＳＥＭ写真を撮影し、画像解析することにより測定・算出した。
また、（ＷＣ粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌは、ＷＣ基超硬合金中のＷＣ粒子の面積をＥＢＳＤ分析により数値化し、その後、各面積を球状近似してＷＣ粒度分布を算出し、算出した粒度分布より平均ＷＣ粒度と標準偏差を求め、（ＷＣ粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値を算出した。
係数αは、Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）の式に、求めたＣ，Ｖ_ｂ，Ｌを代入することによって求めた。
表３、表４に、その結果を示す。

上記本発明ドリル、比較例ドリルのうち、本発明ドリル３、４、９および比較例ドリル８、９，１０について、以下の高送り穴あけ加工試験を行った。
≪高送り穴あけ加工試験≫
被削材：ＡＤＣ１２の厚さ１５０ｍｍの板材、
回転速度：５１００ｒｐｍ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．
湿式水溶性切削油使用高送り穴あけ加工試験、

前記穴あけ加工試験において、３０００穴を上限として穴あけ加工数５０個毎に先端切れ刃面の摩耗状況等を観察した。
正常摩耗の場合には、切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が、０．２ｍｍを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、ドリル折損が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
表５に、それぞれの穴あけ加工試験Ａ〜Ｃの結果を示す。

また、前記本発明ドリル３、４、９および比較例ドリル８、９，１０について、アークイオンプレーティングにより、表６に示す硬質被覆層を形成することにより、本発明被覆ドリル３、４、９および比較例被覆ドリル８、９、１０を作製した。

本発明被覆ドリル３、４、９および比較例被覆ドリル８、９、１０について、以下の高送り穴あけ加工試験を行った。
≪高送り穴あけ加工試験≫
被削材：Ｓ５０Ｃの厚さ１５０ｍｍの板材、
回転速度：５１００ｒｐｍ、
送り：０．５０ｍｍ／ｒｅｖ．
湿式水溶性切削油使用高送り穴あけ加工試験、
前記穴あけ加工試験において、１０００穴を上限として穴あけ加工数５０個毎に先端切れ刃面の摩耗状況等を観察した。
正常摩耗の場合には、切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が、０．２ｍｍを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、ドリル折損が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
表６に、その結果を示す。

表５、表６に示される試験結果によれば、本発明ドリル、本発明被覆ドリルは、折損が発生することもなく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、比較例ドリル、比較例被覆ドリルは、折損の発生あるいは切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が短時間で増加し寿命に至る、もしくは摩耗量増加に起因したチッピングが発生し使用寿命に至ることは明らかである。

以上のとおり、本発明ドリル、本発明被覆ドリルは、高硬度を備えるとともに、すぐれた靱性を有することから、高送り穴あけ加工に供した場合、すぐれた耐摩耗性に加え、すぐれた耐折損性を備え、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、工具の長寿命化を図ることができるものと期待される。

Claims (3)

1. ＷＣ基超硬合金製ドリルであって、
   前記ＷＣ基超硬合金は、その成分組成を、
   ＷＣ−ｘ質量％Ｃｏ−ｙ質量％Ｃｒ_３Ｃ_２−ｚ質量％ＶＣ
   で表したとき、６≦ｘ≦１４、０．４≦ｙ≦０．８、０≦ｚ≦０．６、（ｙ＋ｚ）≦０．１ｘを満足し、
   また、前記ＷＣ基超硬合金のＷＣ接着度Ｃを、
   Ｃ＝１−Ｖ_ｂ ^α・ｅｘｐ（０．３９１・Ｌ）で表したとき、
   上記の式におけるＷＣ基超硬合金の結合相体積率の値Ｖ_ｂは０．１１≦Ｖ_ｂ≦０．２５、また、（ＷＣ粒子の粒度分布の標準偏差）／（平均ＷＣ粒度）の値Ｌは０．３≦Ｌ≦０．７の範囲内であって、さらに、係数αが０．３０≦α≦０．５５の値を満足するＷＣ接着度Ｃを有することを特徴とするＷＣ基超硬合金製ドリル。
2. 前記ＷＣ基超硬合金が、ＴａＣおよびＮｂＣのうちのいずれか１種または２種を、合計量で０．２質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のＷＣ基超硬合金製ドリル。
3. 請求項１または２に記載のＷＣ基超硬合金製ドリルにおいて、少なくとも先端切れ刃面の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル。