專利名稱：耐磨損性和切屑排出性優(yōu)異的表面包覆鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在鉆頭主體的前端部外周形成切屑排出槽，同時(shí)在該切屑排出槽朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的內(nèi)周面的前端設(shè)置刀刃，主要用于對金屬材料構(gòu)成的加工物進(jìn)行鉆孔加工的鉆頭。
背景技術(shù)：
作為這種鉆頭，已知有以軸線為中心圍繞該軸線在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)的大致圓柱狀的鉆頭主體的前端側(cè)為刀刃部，在該刀刃部的外周螺旋狀地形成相對軸線互相對稱地沿著該刀刃部的前端面、即鉆頭主體的前端后刀面向后端側(cè)圍繞軸線向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的后方側(cè)扭轉(zhuǎn)的一對切屑排出槽，這些切屑排出槽的內(nèi)周面中朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的部分的前端側(cè)與上述前端后刀面的交叉棱線部形成刀刃的所謂兩刃的實(shí)心鉆頭。因此，在這種實(shí)心鉆頭中，上述切屑排出槽內(nèi)周面朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的部分的前端側(cè)為該刀刃的前刀面，由刀刃生成的切屑從該前刀面滑動(dòng)接觸切屑排出槽的內(nèi)周面，并通過該切屑排出槽的扭轉(zhuǎn)送出后端側(cè)并排出。而且，在這種鉆頭中為了提高鉆頭主體的耐磨損性，進(jìn)而采用了多種方法。例如，專利文獻(xiàn)1中公開了如下的表面包覆工具層壓兩層由通式(M，A1) (C,N) (Μ 表示從4、5、6族元素、Si和稀土類元素中選擇的至少一種金屬)表示的包覆層，前述包覆層中，包覆基體表面的第一包覆層由層厚為0. 1 1 μ m、平均結(jié)晶直徑為0. 01 1 μ m的粒狀結(jié)晶構(gòu)成，前述包覆層中，包覆第一包覆層表面的第二包覆層由層厚為0. 5 5μ m的相對前述基體在垂直方向上成長的柱狀晶構(gòu)成，該柱狀晶相對前述基體在平行方向的平均結(jié)晶寬度為0. 05 0. 3 μ m,且前述第二包覆層的平均結(jié)晶寬度大于前述第一包覆層的平均結(jié)晶直徑。此外，專利文獻(xiàn)2中公開了在5 50nm厚的粒狀TiN層上形成1 8μπι厚的柱狀TiCN層的表面包覆切削工具。此外，專利文獻(xiàn)3中公開了從刀刃的外周端向后端側(cè)相對刀刃的外徑D直至3D以內(nèi)的長度范圍內(nèi)包覆硬質(zhì)覆膜的鉆頭。此外，專利文獻(xiàn)4中公開了在鉆頭主體的前端部表面包覆硬質(zhì)覆膜，進(jìn)而在切屑排出槽的內(nèi)周面包覆硬質(zhì)覆膜后實(shí)施了研磨加工的鉆頭。此外，專利文獻(xiàn)5中公開了硬質(zhì)包覆層中研磨切屑排出槽的區(qū)域而露出母材的鉆頭。專利文獻(xiàn)1 國際公開第2007/111301號小冊子專利文獻(xiàn)2 日本特開平6-1082Μ號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2003-275909號公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特開2003-275910號公報(bào)專利文獻(xiàn)5 日本特開平8-174341號公報(bào)近年來鉆孔加工裝置的FA化非常顯著，在此基礎(chǔ)上，強(qiáng)烈要求鉆孔加工節(jié)省勞力化、節(jié)能化、低成本化以及效率化，與此相伴，存在要求高進(jìn)給、高切深等更高效的深孔用鉆孔加工的傾向，但現(xiàn)狀為在前述現(xiàn)有表面包覆鉆頭中，在一般條件下鉆孔加工各種鋼或鑄鐵時(shí)不會產(chǎn)生特別的問題，但在用于需要耐磨損性且切屑容易堵塞鉆頭的切屑排出槽的高進(jìn)給、干式深孔用鉆孔加工時(shí)，切屑容易堵塞切屑排出槽，由此原因，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明者們從如上述的觀點(diǎn)考慮，為了實(shí)現(xiàn)即使用于高進(jìn)給、干式深孔用鉆孔加工時(shí)也能表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性的表面包覆鉆頭的長壽命化，將鉆頭表面用例如由(TihAlx)NIx = O-O. 6}的成分類構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層構(gòu)成的同時(shí)，著眼于該硬質(zhì)包覆層的晶粒組織，進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得出了如下見解。(a)發(fā)現(xiàn)了作為硬質(zhì)包覆層，在例如圖1的簡圖表示的作為物理蒸鍍裝置的一種利用壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置安裝鉆頭基體，在例如以下的特定條件下，且沿著距鉆頭基體前端的距離逐漸增加地調(diào)整鉆頭基體上的成膜速度的成膜條件下反應(yīng)性蒸鍍形成例如(TihAlx)N {χ = 0 0. 6}的成分類構(gòu)成的層時(shí)，由此形成的具備硬質(zhì)包覆層的表面包覆鉆頭與現(xiàn)有的表面包覆鉆頭相比，在高速、干式深孔加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性。工具基體溫度360 450°C、蒸發(fā)源1:金屬Ti、對蒸發(fā)源1的等離子槍放電功率8 13kW、蒸發(fā)源2:金屬Al、對蒸發(fā)源2的等離子槍放電功率7 10kW、反應(yīng)氣體流量氮(N2)氣體80 lOOsccm、放電氣體氬(Ar)氣體40 50sccm、對鉆頭基體施加的直流偏壓+3 +10V。(b)用透射式電子顯微鏡觀察所述硬質(zhì)包覆層的截面組織后確認(rèn)如圖2的剖面立體圖所示，在層厚方向的縱截面上，鉆頭前端部形成相對鉆頭基體表面在豎直方向成長的柱狀晶的晶粒，此外，晶粒的平均長寬比在從鉆頭前端沿著鉆頭基體的長度方向至鉆頭5 倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，從鉆頭前端向后方在1 100的范圍內(nèi)逐漸減少，且距鉆頭前端部的 0. 01倍直徑的位置上的平均長寬比為5倍直徑的位置上的平均長寬比的2倍以上。(c)進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，若由具有所述晶粒組織的硬質(zhì)包覆層(以下，粒徑控制層)構(gòu)成表面包覆鉆頭的硬質(zhì)包覆層，則發(fā)揮如下效果。即，后刀面的前端部由于受高熱、高負(fù)荷的作用，所以由柱狀晶的薄膜構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)高耐磨損性。進(jìn)而，切屑排出槽中，在熱、力學(xué)上負(fù)荷大的前端部導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)耐磨損性的柱狀晶，另一方面在變得難以送入切屑的后方部導(dǎo)入經(jīng)長期間維持低滑動(dòng)阻力的粒狀結(jié)晶，且通過它們沿著切屑排出槽逐漸變化，實(shí)現(xiàn)在長時(shí)間內(nèi)排出切屑的機(jī)構(gòu)，從而在高速、干式深孔加工中能夠維持耐磨損性的狀態(tài)下提高切屑排出性。本發(fā)明是基于上述見解而完成的，具有如下特征—種長期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性的表面包覆鉆頭，在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體、立方晶氮化硼燒結(jié)體、金屬陶瓷或高速鋼構(gòu)成的鉆頭基體上，直接或通過中間層在最表
4面存在作為粒徑控制層的由(TihAlx)NIx = 0 0. 6}的成分類構(gòu)成的層厚0. 2 5 μ m的硬質(zhì)包覆層，其特征在于，觀察所述鉆頭前端部的后刀面的薄膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒由寬度10 lOOnm、高度0. 2 1.5μπι的柱狀晶構(gòu)成，且所述鉆頭的切屑排出槽中，在從前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，觀察覆膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒的平均長寬比從鉆頭前端向后方在1 100的范圍內(nèi)逐漸減少，且距鉆頭前端部的0. 01倍直徑的位置上的平均長寬比為5 倍直徑的位置上的平均長寬比的2倍以上。(2)根據(jù)(1)中記載的表面包覆鉆頭，其特征在于，所述粒徑控制層的層厚從最靠近鉆頭前端的位置向后方在0. 2 5. O μ m的范圍內(nèi)逐漸增加。(3)根據(jù)(1)或O)中記載的表面包覆鉆頭，其特征在于，所述中間層具有Ti的氮化物或碳化物、碳氮化物、或者Ti和Al構(gòu)成的復(fù)合氮化物、Ti、Al和Si構(gòu)成的復(fù)合氮化物、Cr和Al構(gòu)成的復(fù)合氮化物中的任意單層或者由多層構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)，層厚為5μπι以下。以下對本發(fā)明進(jìn)行說明。在構(gòu)成本發(fā)明的表面包覆鉆頭的硬質(zhì)包覆層的粒徑控制層中，觀察鉆頭前端部的后刀面的薄膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒為寬度10 lOOnm、高度0. 2 1.5μπι的柱狀晶。在此，寬度為IOnm以下時(shí)，難以維持強(qiáng)度，IOOnm以上時(shí)，變得粗大而成為缺損的原因，因而寬度定為10 lOOnm。此外，高度為0. 2 μ m以下時(shí)，耐磨損性不足，1. 5 μ m以上時(shí)，因殘余應(yīng)力而容易產(chǎn)生缺損，不能發(fā)揮充分的工具性能，因而高度定為 0. 2 1.5 μ m。此外，如果組成為(TihAlx)N時(shí)的組成比x(其中，為原子比)的值超出0. 6， 結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化而得不到期望的結(jié)構(gòu)，因而χ的值定為0. 6以下。進(jìn)而，本發(fā)明人為了蒸鍍形成粒徑控制層而進(jìn)行大量試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用壓力梯度型等離子槍照射放入原料的爐床并使Ar等離子體蒸發(fā)，用在基板上物理蒸鍍薄膜的反應(yīng)性蒸鍍法，沿著距鉆頭基體前端的距離逐漸增加地調(diào)整鉆頭基體上的成膜速度的成膜條件下進(jìn)行反應(yīng)性蒸鍍時(shí)，鉆頭的切屑排出槽中，在從前端沿著鉆頭基體的長度方向至5 倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，觀察覆膜截面的晶粒形狀時(shí)，如圖2所示，鉆頭前端部的粒徑控制層由寬度10 lOOnm、高度與層厚相當(dāng)?shù)拈L寬比高的柱狀晶構(gòu)成，另一方面，例如鉆頭基體的切屑排出槽中，在距鉆頭前端的5倍直徑的位置上，粒徑控制層由長寬比低的粒狀晶粒構(gòu)成，且其長寬比在從鉆頭前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，在1 100的范圍內(nèi)逐漸減少，且距鉆頭前端部的0. 01倍直徑的位置上的平均長寬比為5倍直徑的位置上的平均長寬比的2倍以上。而且，在此所謂的“長寬比”為測定每個(gè)晶粒的表示最大直徑的線段的長邊值除以表示相對長邊的垂直方向的最小直徑的短邊值的值。此外，“從前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域”是指以與鉆頭的中心軸平行的鉆頭刀刃部前端為起點(diǎn)，向后方、即桿的方向進(jìn)行計(jì)測，直至與鉆頭的中心軸垂直的平面內(nèi)的最大直徑的5倍長度的區(qū)域。此外，晶粒的“寬度”是指由截面觀察粒徑控制層時(shí)，與鉆頭基材幾乎平行地在膜厚二分之一的高度上劃出的長度IOym的線段被晶界劃分，且除去線段兩端的部分的各長度的平均值。此外，晶粒的“高度”是指由截面觀察粒徑控制層時(shí)，相對于與鉆頭基材幾乎平行的線段，垂直地以0. Ιμπι的間隔劃出的10根長度與膜厚相當(dāng)?shù)木€段被晶界劃分，且除去各線段兩端的部分的各長度的平均值。而且，“長寬比在從鉆頭前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，在 1 100的范圍內(nèi)逐漸減少”是指以特定位置為中心在寬度Imm的區(qū)域中的任意點(diǎn)上由前述內(nèi)容定義的數(shù)值小于以從特定位置向鉆頭前端方向離開至少超出5mm的位置為中心在寬度Imm的區(qū)域中的任意點(diǎn)上同樣被定義的數(shù)值。即，如果滿足前述條件，例如即使在前述寬度Imm的區(qū)域中的晶粒的長寬比并沒有逐漸減少，也沒有脫離本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的表面包覆鉆頭在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體、立方晶氮化硼燒結(jié)體、金屬陶瓷或高速鋼構(gòu)成的鉆頭基體上，直接或通過具有Ti的氮化物或碳化物、碳氮化物、或者Ti和Al 構(gòu)成的復(fù)合氮化物、Ti、A1和Si構(gòu)成的復(fù)合氮化物、Cr和Al構(gòu)成的復(fù)合氮化物中的任意單層或者由多層構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)的層厚為5μπι以下的中間層，在最表面存在作為粒徑控制層的由(TihAlx)NIx = O 0.6}的成分類構(gòu)成的層厚0.2 5μπι的硬質(zhì)包覆層，觀察鉆頭前端部的后刀面的薄膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒由寬度10 lOOnm、 高度0. 2 1. 5 μ m的柱狀晶構(gòu)成，且鉆頭的切屑排出槽中，在從前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)， 觀察覆膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒的平均長寬比從鉆頭前端向后方在 1 100的范圍內(nèi)逐漸減少，且距鉆頭前端部的0. 01倍直徑的位置上的平均長寬比為5倍直徑的位置上的平均長寬比的2倍以上，因而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性。


圖1是示出了利用用于蒸鍍形成本發(fā)明的表面包覆鉆頭的硬質(zhì)包覆層(粒徑控制層)的壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置簡圖。圖2是示出了本發(fā)明的表面包覆鉆頭的硬質(zhì)包覆層(粒徑控制層)的剖面立體圖。
具體實(shí)施例方式接著，通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明的表面包覆鉆頭。[實(shí)施例]作為原料粉末，準(zhǔn)備平均粒徑0. 8 μ m的WC粉末、平均粒徑2. 3 μ m的Cr3C2粉末、平均粒徑1. 5 μ m的VC粉末和平均粒徑1. 8 μ m的Co粉末，將這些原料粉末分別配合成表1所示的配合組成，進(jìn)而加入石蠟并在丙酮中進(jìn)行球磨混合M小時(shí)，減壓干燥之后，以IOOMPa 的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6 的真空氣氛中，以7°C/min的升溫速度升溫至1370 1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度，在該溫度下保持1小時(shí)后，在爐內(nèi)冷卻的條件下燒結(jié)并形成工具基體形成用圓桿燒結(jié)體，進(jìn)而通過磨削加工由前述的圓桿燒結(jié)體分別制造槽形成部具有直徑X長度為8mmX48mm的尺寸、以及扭轉(zhuǎn)角為30度的兩刃形狀的 WC基硬質(zhì)合金制的鉆頭基體D-I D-4。接著，對這些鉆頭基體D-I D-4的刀刃實(shí)施珩磨，在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，在干燥后的狀態(tài)下安裝于圖1的簡圖表示的作為物理蒸鍍裝置的一種利用壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置，在以下的特定條件(表幻下，以鉆頭基體上的成膜速度調(diào)整為沿著距鉆頭基體前端的距離逐漸增加的目的，例如如圖1所示，鉆頭基體的前端部從水平向上方且相對于爐床載置平面垂直方向的軸以保持25度的角度的狀態(tài)下使鉆頭基體自轉(zhuǎn)，同時(shí)以該垂直方向的軸為旋轉(zhuǎn)中心軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)并進(jìn)行反應(yīng)性蒸鍍，由此分別制造形成具有表 3所示的組成和組織的改性粒徑控制層的本發(fā)明表面包覆鉆頭1 13。工具基體溫度360 450 V、蒸發(fā)源1:金屬Ti、對蒸發(fā)源1的等離子槍放電功率8 13kW、蒸發(fā)源2:金屬Al、對蒸發(fā)源2的等離子槍放電功率7 10kW、反應(yīng)氣體流量氮(N2)氣體80 lOOsccm、放電氣體氬(Ar)氣體40 50sccm、對鉆頭基體施加的直流偏壓+3 +10V。此夕卜，出于比較目的，對這些鉆頭基體D-I D-4的表面實(shí)施珩磨，在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，在干燥后的狀態(tài)下同樣地安裝于圖1所示的利用壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置，出于對遍及鉆頭基體的整個(gè)區(qū)域形成均勻的硬質(zhì)包覆層的目的，在與爐床載置平面保持平行的狀態(tài)下使鉆頭基體自轉(zhuǎn)(未圖示)，同時(shí)以該垂直方向的軸為旋轉(zhuǎn)中心軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)并進(jìn)行反應(yīng)性蒸鍍，由此分別制造在鉆頭基體D-I D-4的表面形成具有表4所示的組成和組織的現(xiàn)有層的比較表面包覆鉆頭1 11。接著，對上述本發(fā)明表面包覆鉆頭1 13和比較表面包覆鉆頭1 11進(jìn)行以下的條件下的合金鋼的干式高速鉆孔切削加工試驗(yàn)(一般的切削速度及進(jìn)給速度分別為50m/ min、0. 12mm/reV)，測定直至前端刀刃面的后刀面磨損寬度達(dá)0. 3mm或者直至工具達(dá)到缺損的鉆孔加工數(shù)。該測定結(jié)果分別示于表3、4中。被切削材料平面尺寸IOOmmX 250mm 厚度50mm的SCMN439的板材、切削速度80m/min.、進(jìn)給速度0. 25mm/rev.、孔深20mm。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種長期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性的表面包覆鉆頭，在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體、立方晶氮化硼燒結(jié)體、金屬陶瓷或高速鋼構(gòu)成的鉆頭基體上，直接或通過中間層在最表面存在作為粒徑控制層的由(TihAlx)N的成分類構(gòu)成的層厚0. 2 5 μ m的硬質(zhì)包覆層，其中χ = 0 0.6，其特征在于，觀察所述鉆頭前端部的后刀面的薄膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒由寬度10 lOOnm、高度0. 2 1. 5 μ m的柱狀晶構(gòu)成，且所述鉆頭的切屑排出槽中，在從前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)， 觀察覆膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒的平均長寬比從鉆頭前端向后方在 1 100的范圍內(nèi)逐漸減少，且距鉆頭前端部的0. 01倍直徑的位置上的平均長寬比為5倍直徑的位置上的平均長寬比的2倍以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面包覆鉆頭，其特征在于，所述粒徑控制層的層厚從最靠近鉆頭前端的位置向后方在0. 2 5. Oym的范圍內(nèi)逐漸增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面包覆鉆頭，其特征在于，所述中間層具有Ti的氮化物或碳化物、碳氮化物、或者Ti和Al構(gòu)成的復(fù)合氮化物、 Ti、Al和Si構(gòu)成的復(fù)合氮化物、Cr和Al構(gòu)成的復(fù)合氮化物中的任意單層或者由多層構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)，層厚為5μπι以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種即使在高進(jìn)給、干式深孔用鉆孔加工條件下，硬質(zhì)包覆層也發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性和切屑排出性的表面包覆鉆頭。該表面包覆鉆頭在鉆頭基體上直接或通過中間層在最表面存在由(Ti1-xAlx)N{x＝0～0.6}的成分類構(gòu)成的粒徑控制層，所述鉆頭的切屑排出槽中，在從前端沿著鉆頭基體的長度至5倍直徑長度的區(qū)域內(nèi)，觀察覆膜截面的晶粒形狀時(shí)，構(gòu)成粒徑控制層的晶粒的平均長寬比從鉆頭前端向后方在1～100的范圍內(nèi)逐漸減少。
文檔編號C23C14/16GK102371379SQ20111019406
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者田中耕一, 田中裕介 申請人:三菱綜合材料株式會社