JP2001239411A

JP2001239411A - 高速穴あけ加工ですぐれた耐折損性および耐摩耗性を発揮する微粒組織加圧焼結体製ミニチュアドリル

Info

Publication number: JP2001239411A
Application number: JP2000050881A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Yanai; 俊之谷内; Satoshi Takahashi; 高橋　　慧; Kazuki Okada; 一樹岡田; Atsushi Kishino; 淳岸野; Kazuhiro Akiyama; 和裕秋山
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP3811938B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高速穴あけ加工ですぐれた耐折損性および耐
摩耗性を発揮する微粒組織加圧焼結体製ミニチュアドリ
ルを提供する。【解決手段】外径０．１〜１．６ｍｍのミニチュアド
リルが、微粒組織の分散相が平均値で８０〜９５面積％
を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる微粒組織
を有する加圧焼結体からなり、さらに上記加圧焼結体を
構成する分散相を、実質的にＷＣにＣｏとＣｒが固溶含
有する割合が分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜
３質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％であるＣ単一相で構
成し、同じく上記結合相を、Ｃｒを結合相に占める平均
値で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相で構成
し、かつ上記加圧焼結体は、Ｖを加圧焼結体全体に占め
る割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前記Ｖが
上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高強度を有し、
特に高速穴あけ加工で、すぐれた耐折損性および耐摩耗
性を発揮する微粒組織加圧焼結体製ミニチュアドリル
（以下、微粒組織ミニチュアドリルと云う）に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、微粒組織ミニチュアドリ
ルとして、例えば図１（ａ）に概略拡大正面図で示され
る通り先端面を切刃面とし、かつ０．１〜１．６ｍｍの
外径を有する溝形成部と、シャンク部とからなり、さら
に前記溝形成部が図１（ｂ）に長さ方向中央部における
中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図で示さ
れる形状を有すると共に、Ｃｒによる粒成長抑制効果で
望ましくは０．８μｍ以下の平均粒径の微粒組織とした
分散相が走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均
値で８０〜９５面積％を占め、残りが結合相と不可避不
純物からなる微粒組織の超硬合金で構成された加圧焼結
体（ホットプレス焼結体または熱間静水圧プレス焼結体
を云う）からなり、さらに前記加圧焼結体を構成する分
散相が、透過型電子顕微鏡による組織観察で、実質的に
炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）の単一相からな
り、同じく上記の結合相が、同じく透過型電子顕微鏡お
よびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定で、ＷＣ
粒の成長を抑制する目的でＣｒを結合相に占める平均値
で、１〜８質量％含有したＣｏ基合金単一相（焼結時に
Ｃｒの他に微量のＷとＣ成分が固溶する）からなる微粒
組織ミニチュアドリルが知られている。

【０００３】また、上記の微粒組織ミニチュアドリル
が、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内
の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、お
よびＣｏ粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合組成
に配合し、湿式混合し、乾燥した後、押出しプレスにて
所定の直径の長尺状成形体とし、この長尺状成形体を、
１．３〜１３．３Ｐａの真空雰囲気中、１３５０〜１４
８０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に
１〜２時間保持後、雰囲気を、例えばＡｒを導入して
４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気とし、前記昇温温
度および加圧雰囲気の条件下に１５〜６０分間保持した
後、少なくとも１２００℃までを５０〜１００℃／ｍｉ
ｎの冷却速度で冷却することにより、所定の直径を有す
る超硬合金で構成された長尺状の加圧焼結体を形成し、
この加圧焼結体から図１に示される形状に研削加工する
ことにより製造されることも知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の穴あけ加
工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する
要求は強く、これに伴い、ボール盤などの高性能化と相
俟って、穴あけ加工は高速で行われる傾向にある。例え
ば半導体装置のプリント基板などの多層積層板では、こ
れを複数枚積み重ねた状態（加工抵抗の大きい状態）
で、高速で穴あけ加工が行われることになる。しかし、
上記の従来微粒組織ミニチュアドリルにおいては、これ
が十分な強度（靭性）および耐熱塑性変形性を具備する
ものでなく、一方ミニチュアドリルの場合、その穴あけ
加工形態から、穴あけ加工速度が速く、かつ穴あけ加工
抵抗が大きくなればなるほど、その外径が０．２〜２ｍ
ｍと細径であることと相俟って、「ねじれ」や「たわ
み」が大きくなるばかりでなく、高い発熱を伴なうもの
となり、したがってこれを前記のようなきわめて苛酷な
穴あけ加工条件で用いると、ミニチュアドリル自体に発
生する大きな「ねじれ」や「たわみ」によって強度（靭
性）不足から折損が発生し易く、かつ高い発熱によって
ミニチュアドリル先端面（切刃面）の切刃に塑性変形が
発生し、これが偏摩耗の原因となって摩耗を促進するこ
とから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状であ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような観点から、特に高速で、かつ大きい加工抵
抗を伴なう穴あけ加工でミニチュアドリル自体に発生す
る大きな「ねじれ」や「たわみ」に十分に耐えることの
できる高強度並びにミニチュアドリル先端面（切刃面）
の切刃がすぐれた耐熱塑性変形性を有する微粒組織ミニ
チュアドリルを開発すべく研究を行った結果、（ａ）まず、１次原料粉末として、いずれも望ましくは
１μｍ以下の平均粒径を有する金属タングステン（以
下、Ｗで示す）粉末、酸化コバルト（以下、Ｃｏ ₂Ｏ₅で
示す）粉末、酸化クロム(以下、Ｃｒ₂Ｏ₃で示す)粉末、
および黒鉛(以下、Ｃで示す)粉末を用意し、これら原料
粉末を所定の割合に配合し、十分に混合した後、カーボ
ンボートに充填し、これを水素含有雰囲気中、１３００
〜１５００℃の温度に加熱保持の条件で共還元処理（前
記原料粉末のＣ粉末による還元炭化処理）を施すと、Ｗ
Ｃに所定割合のＣｏとＣｒが固溶含有してなるＷとＣｏ
とＣｒの複合炭化物固溶体［以下、（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）
Ｃで示す］粉末を製造することができること。

【０００６】（ｂ）上記の従来微粒組織ミニチュアドリ
ルの製造に際して原料粉末として用いていたＷＣ粉末に
代って、上記（ａ）で製造した（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ粉
末を、これに固溶含有するＣｏとＣｒの含有量を、Ｃ
ｏ：０．１〜３質量％およびＣｒ：０．１〜２質量％と
なるように調整すると共に、その平均粒径を１μｍ以下
とした状態で原料粉末として用い、さらに原料粉末とし
てＶＣ粉末を、Ｖが加圧焼結体全体に占める割合で、
０．１〜１質量％含有するようになる割合で用い、これ
以外の条件は、上記の従来微粒組織ミニチュアドリルを
構成する加圧焼結体の製造条件と同一の条件で加圧焼結
体を製造すると、分散相が走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平
均値（任意複数個所、望ましくは任意５ヶ所以上の測定
結果の平均値、以下に示す平均値も同じ）で８０〜９５
面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる微
粒組織を有し、さらに上記分散相が、以下いずれも透過型電子顕微鏡
およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定で、実
質的に分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３質量
％、Ｃｒ：０．１〜２質量％を含有する（Ｗ，Ｃｏ，Ｃ
ｒ）Ｃ単一相からなり、同じく上記の結合相が、Ｃｒを結合相に占める平均値
で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相（上記の従
来微粒組織ミニチュアドリルと同様に焼結時にＣｒの他
に微量のＷとＶとＣ成分が固溶する）からなり、かつＶを加圧焼結体全体に占める割合で、０．１〜１
質量％含有すると共に、前記Ｖが上記分散相と上記結合
相の界面部に凝集した組織を有する加圧焼結体が得られ
ること。

【０００７】（ｃ）上記（ｂ）の加圧焼結体において
は、特にこれの分散相を構成する（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ
単一相が、Ｃｒの作用で上記の従来微粒組織ミニチュア
ドリルを構成する超硬合金の分散相であるＷＣ相と同等
の硬さを保持したままで、かつＣｏの作用で前記ＷＣ相
に比して一段と強靭性に富んだものとなると共に、これ
の結合相を構成するＣｏ基合金単一相が、Ｃｒの作用で
すぐれた耐熱性を有し、高い発熱に対してすぐれた耐熱
塑性変形性を発揮し、しかも上記分散相と上記結合相の
界面部に凝集したＶが、前記分散相および結合相のそれ
ぞれの構成成分が焼結時に相互に拡散移動するのを抑制
する、すなわち焼結前後の前記分散相の構成成分含有量
に実質的変化が起らないように作用する（この結果結合
相の構成成分含有量も安定する）ことから、あらかじめ
原料粉末のＣｏおよびＣｒの含有量を調製して定めた特
性がそのまま焼結後も保持されると共に、ＷＣ粒の成長
が著しく抑制されるようになって、平均粒径で０．８μ
ｍ以下の微粒組織をもつようになり、したがってこの結
果の加圧焼結体で構成されたミニチュアドリルは、特に
高強度が要求される高速穴あけ加工で折損の発生なく、
しかも高い加工抵抗を伴なう高速穴あけ加工でもすぐれ
た耐摩耗性を長期に亘って発揮すること。以上（ａ）〜
（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

【０００８】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、シャンク部と、先端面を切刃面と
し、かつ０．１〜１．６ｍｍの外径を有する溝形成部と
からなるミニチュアドリルを、微粒組織の分散相が走査
型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値で８０〜９
５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる
微粒組織を有する加圧焼結体で構成し、さらに上記加圧
焼結体を構成する分散相が、以下、いずれも透過型電子
顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定
で、実質的にＷＣにＣｏとＣｒが固溶含有し、かつその
含有割合が分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３
質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％である（Ｗ，Ｃｏ，Ｃ
ｒ）Ｃ単一相からなり、同じく上記の結合相が、Ｃｒを
結合相に占める平均値で、１〜８質量％含有するＣｏ基
合金単一相（微量のＷ，Ｖ，およびＣを固溶含有する）
からなり、かつ上記加圧焼結体は、Ｖを加圧焼結体全体
に占める割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前
記Ｖが上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織
を有する、高速穴あけ加工ですぐれた耐折損性および耐
摩耗性を発揮する微粒組織ミニチュアドリルに特徴を有
するものである。

【０００９】以下に、この発明の微粒組織ミニチュアド
リルにおいて、これを構成する加圧焼結体の成分組成を
上記の通りに限定した理由を説明する。（１）加圧焼結体の分散相の割合その割合が平均値で８０面積％未満では、相対的に軟質
の結合相の割合が多くなり過ぎて、先端面切刃面の摩耗
進行が速まるようになり、一方その割合が同９５面積％
を越えると、靭性不足をきたし、先端面切刃面に欠けや
チッピング（微小欠け）が発生し易くなるばかりでな
く、ミニチュアドリル自体にも折損が発生するようにな
ることから、その割合を平均値で８０〜９５面積％、望
ましくは８４〜９１面積％と定めた。

【００１０】（２）分散相におけるＣｏおよびＣｒ成
分の含有割合分散相に固溶含有するＣｏ成分には、分散相の強度（靭
性）を向上させる作用があるが、その含有割合が平均値
で０．１質量％未満では前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方その含有割合が同３質量％を越えると、分散相
の硬さが急激に低下するようになって、摩耗進行を早め
る原因となることから、その含有割合を平均値で０．１
〜３質量％、望ましくは０．５〜２質量％と定めた。ま
た、同じく分散相に固溶含有するＣｒ成分には、Ｃｏ含
有による硬さ低下を補って、分散相の硬さを上記の従来
微粒組織ミニチュアドリルを構成する超硬合金の分散相
であるＷＣ相と同等の硬さに保持する作用をもつが、そ
の含有割合が平均値で０．１質量％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方その含有割合が同２質量％
を越えると、分散相中に微細な炭化クロムとして析出
し、これが分散相自体の強度低下の原因となることか
ら、その含有割合を平均値で０．１〜２質量％、望まし
くは０．５〜１質量％と定めた。

【００１１】（３）結合相におけるＣｒ成分の含有割
合結合相に固溶含有するＣｒ成分には、上記の通り結合相
の耐熱性を著しく向上させる作用があり、この結果ミニ
チュアドリルの耐熱塑性変形性が向上して、偏摩耗の発
生が抑制されるようになるが、その含有割合が平均値で
１質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方その含有割合が同８質量％を越えると、結合相中に微
細な炭化クロムなどとして析出し、結合相のもつ靭性が
損なわれるようになることから、その含有割合を平均値
で１〜８質量％、望ましくは２〜６質量％と定めた。

【００１２】（４）分散相と結合相の界面部に凝集す
るＶ成分の含有割合Ｖ成分には、分散相と結合相の界面部に凝集して、焼結
時に分散相および結合相のそれぞれの構成成分が相互に
拡散移動するのを抑制し、もって前記分散相および結合
相に特性変化が起らないようにすると共に、前記分散相
の粒成長も抑制して、その粒径を平均粒径で０．８μｍ
以下に保持する作用があるが、その含有割合がで０．１
質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
その含有割合が１質量％を越えると、微細な炭化バナジ
ウムなどとして析出し、ミニチュアドリルの強度を低下
させる原因となることから、その含有割合をで０．１〜
１質量％、望ましくは０．２〜０．５質量％と定めた。

【００１３】

【発明の実施の態様】つぎに、この発明の微粒組織ミニ
チュアドリルを実施例により具体的に説明する。原料粉
末として、平均粒径：０．５μｍを有するＷ粉末、同
０．６μｍのＣｏ ₂Ｏ₅粉末、同０．６μｍのＣｒ₂Ｏ₃粉
末、および同０．４μｍのＣ粉末を用意し、まずこれら
原料粉末のうちのＣｏ₂Ｏ₅粉末、Ｃｒ₂Ｏ₃粉末、および
Ｃ粉末を所定の割合に配合し、湿式ボールミルでアセト
ンを加えて３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐし
た状態でこれに所定割合のＷ粉末を配合して、さらに１
時間乾式混合し、カーボンボートに充てんした後、水素
雰囲気中、１３００〜１５００℃の範囲内の所定の温度
に２０分保持の条件で還元炭化処理を施し、還元炭化処
理後粒度調整を行うことにより、それぞれ表１に示され
るＣｏおよびＣｒ含有量にして、平均粒径を有する本発
明微粒組織ミニチュアドリルを構成する加圧焼結体の分
散相形成用（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ粉末（以下、本発明分
散相用原料粉末と云う）Ａ〜Ｌをそれぞれ製造した。

【００１４】ついで、上記の本発明分散相用原料粉末Ａ
〜Ｌのそれぞれに、平均粒径：１．２μｍのＣｏ粉末お
よび同１．８μｍのＶＣ粉末、さらに必要に応じて同
２．３μｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末を表２に示される割合に配合
し、ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥し、さ
らにワックスと溶剤を加えて１時間混和した後、押出し
プレスにて直径：４．４ｍｍの長尺状成形体とし、これ
らの長尺状成形体を、１．３Ｐａ（１×１０^-2Ｔｏｒ
ｒ）の真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３８０〜
１４８０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に
１時間保持して焼結した後、前記昇温温度に保持したま
ま、Ａｒを導入して雰囲気を圧力：６ＭＰａの加圧雰囲
気として１時間保持し、その後６０℃／分の冷却速度で
急冷するＨＩＰ処理を施すことにより、いずれも直径が
３．５ｍｍの長尺状の加圧焼結体とし、さらにこれらの
加圧焼結体から研削加工にて溝形成部の外径がそれぞれ
表２に示される寸法（この場合いずれもシャンク部の外
径は３．２ｍｍ、全長は３８ｍｍ）を有し、かついずれ
も図１に示される形状をもった本発明微粒組織ミニチュ
アドリル（以下、本発明ミニチュアドリルと云う）１〜
１２それぞれを製造した。

【００１５】また、比較の目的で、原料粉末として、上
記のＣｏ粉末およびＣｒ₃Ｃ₂粉末、さらに平均粒径：
０．８μｍのＷＣ粉末を用い、これら原料粉末を表３に
示される配合組成に配合する以外は、上記の本発明ミニ
チュアドリル１〜１２の製造条件と同一の条件で、混合
混和し、長尺状成形体を成形し、真空燒結し、さらにＨ
ＩＰ処理を施して加圧焼結体とし、これに研削加工を施
して同じく表３に示される溝形成部外径に仕上げること
により従来微粒組織ミニチュアドリル（以下、従来ミニ
チュアドリルと云う）１〜８それぞれを製造した。

【００１６】この結果得られた本発明ミニチュアドリル
１〜１２よび従来ミニチュアドリル１〜８について、こ
れの任意断面を走査型電子顕微鏡、並びに透過型電子顕
微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて組織
観察し、分散相の平均粒径を測定すると共に、分散相の
全体割合、Ｃｏ含有量、およびＣｒ含有量、さらに結合
相のＣｒ含有量をそれぞれ任意５ヶ所について測定し、
その測定結果をそれぞれ表２、３に平均値で示した。ま
た、前記分散相と結合相の界面部に凝集して存在するＶ
成分の含有量についても測定し、その測定結果を表２に
示した。なお、表２、３の分散相および結合相のＣｏ平
均含有量およびＣｒ平均含有量はそれぞれ分散相および
結合相に占める割合を示すものである。

【００１７】つぎに、上記の各種のミニチュアドリルに
ついて、ガラス層とエポキシ樹脂層の交互６層積層板か
らなる厚さ：１．６ｍｍのプリント基板を４枚重ねたも
のに表４に示される条件および試験本数：２０本にて高
速穴あけ加工試験を行い、ミニチュアドリルの溝形成部
外径寸法に５％の摩耗が生じるまでの穴あけ加工数を測
定すると共に、使用寿命原因を観察した。これらの測定
結果を表４にそれぞれ平均値で示した。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】

【発明の効果】表２〜４に示される結果から、本発明ミ
ニチュアドリル１〜１２は、いずれもこれを構成する加
圧焼結体の分散相が従来ミニチュアドリルを構成する超
硬合金の分散相であるＷＣ相と同等の硬さを保持したま
まで、これより一段と強靭性に富んだ（Ｗ，Ｃｏ，Ｃ
ｒ）Ｃ単一相からなり、また同結合相が耐熱塑性変形性
のすぐれたＣｏ基合金単一相からなり、しかも前記分散
相と結合相の界面部に凝集して存在するＶ成分が、前記
分散相および結合相のそれぞれの構成成分が焼結時に相
互に拡散移動するのを抑制するように作用し、前記分散
相および結合相のもつ特性がそのまま焼結後も保持され
ると共に、分散相の成長が著しく抑制されるようになっ
て、平均粒径で０．８μｍ以下の微粒組織が確保される
ことから、ことによって高強度およびすぐれた耐熱塑性
変形性を具備するようになるので、高い加工抵抗を伴な
う高速穴あけ加工でも、折損の発生がなく、すぐれた耐
摩耗性を長期に亘って発揮するのに対して、加圧焼結体
の分散相がＷＣ単一相からなる従来ミニチュアドリル１
〜８においては、いずれも強度不足が原因で、大きな
「ねじれ」や「たわみ」が生じ、かつ高い加工抵抗も加
わる高速穴あけ加工では折損が発生し易く、比較的短時
間で使用寿命に至ることが明らかである。上述のよう
に、この発明の微粒組織ミニチュアドリルは、自体の
「たわみ」や「ねじれ」が大きい高速穴あけ加工は勿論
のこと、高い加工抵抗を伴なう高速穴あけ加工でもすぐ
れた性能を長期に亘って発揮するものであるから、穴あ
け加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十
分満足に対応することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は微粒組織ミニチュアドリルを例示する
概略拡大正面図、（ｂ）は溝形成部の長さ方向中央部に
おける中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田一樹茨城県結城郡石下町大字古間木1511番地三菱マテリアル株式会社筑波製作所内 (72)発明者岸野淳茨城県結城郡石下町大字古間木1511番地三菱マテリアル株式会社筑波製作所内 (72)発明者秋山和裕埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリアル株式会社総合研究所内Ｆターム(参考） 3C037 AA02 CC08 FF06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）シャンク部と、先端面を切刃面と
し、かつ０．１〜１．６ｍｍの外径を有する溝形成部と
からなるミニチュアドリルを、微粒組織の分散相が走査
型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値で８０〜９
５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる
組織を有する加圧焼結体で構成し、（ｂ）上記加圧焼結体を構成する分散相が、実質的に炭
化タングステンにＣｏとＣｒが固溶含有し、かつその含
有割合が分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３質
量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％であるＷとＣｏとＣｒの
複合炭化物固溶体単一相からなり、（ｃ）同じく上記の結合相が、Ｃｒを結合相に占める平
均値で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相からな
り、（ｄ）さらに上記加圧焼結体は、Ｖを加圧焼結体全体に
占める割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前記
Ｖが上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織を
有し、（ｅ）以上の（ｂ）〜（ｄ）の成分含有量および組織は
いずれも透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線
分析装置による測定結果のものであること、を特徴とす
る高速穴あけ加工ですぐれた耐折損性および耐摩耗性を
発揮する微粒組織加圧焼結体製ミニチュアドリル。