JP2004076049A

JP2004076049A - 超微粒超硬合金

Info

Publication number: JP2004076049A
Application number: JP2002235339A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yukimura; 幸村　淳; Atsuhiro Takano; 高野　敦裕; Yutaka Kubo; 久保　裕
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】超微粒超硬合金材料のミクロ組織内における硬質相に分散されたＷＣ相の粒度分布に着目し、粗大粒子の存在を極力排除し、均一な微細粒子からなる焼結体とするような改善を図ることによって、折損までの寿命が長く、しかも高強度で良好な耐食性と耐摩耗性を示す切削工具が得られる超微粒超硬合金を提供する。
【解決手段】重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉが５〜１２％、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｉの少なくとも２種以上を含み合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有するとともに、焼結後のＷＣは平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦０．３５ｍで、粒径が０．７０ｍ以上の粗大粒子の含有割合Ｆが０＜Ｆ＜１０％となる粒度分布を有し、抗折力が４．５ＧＰａ以上を有する。
【選択図】無し

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、穴あけ加工やフライス加工等に使用される切削工具に適用される超微粒組織を有する超硬合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物粉末と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族金属で焼結結合した超硬合金の内、ＷＣ−Ｃｏ系合金は、機械的性質、特に高温での強度低下が少なくまた熱伝導率が高い、に優れ、切削工具に多用されている。切削工具の場合、特に、ＷＣ−Ｃｏ系合金でも、微細なＷＣ粉末を出発原料としかつ焼結過程でＷＣの粒成長を抑制する遷移金属の元素（例えば、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ。）を添加することにより、ＷＣの平均粒度が１μｍ以下の超微粒組織とした超硬合金（以下、超微粒超硬合金という。）が使用されている。超微粒超硬合金を使用した切削工具として、例えば、半導体のプリント基板の穴あけ加工や外縁部の加工に使用される外径が０．０５〜０．５ｍｍ程度のプリント基板用ドリルがあるが、この種のドリルは多数枚積層したプリント基板に対して高速回転させて使用されるので、折損し易い。工具寿命を延ばすために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特公昭６２−５６２２４号の訂正公報（以下、先行技術１という。）には、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ：５〜２０％及びＶ：０．１〜２．０％とＣｒ：０．１〜２．０％を含有し、かつＣｏ及び／又はＮｉにＶ及びＣｒが固溶している金属結合相と、平均粒径が０．７ｍ以下のＷＣ硬質相からなる２相組織とすることにより、強度を改善することが記載されている。特公平７−７６４０３号公報（以下、先行技術２という。）には、重量比で、Ｃｏ：４〜２０％、ＶＣ：０．２超〜２％、Ｃｒ_３Ｃ_２：０．４％超〜２％、ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２：０．１超〜０．６５未満とし、（ＴａＣ＋ＮｂＣ＋ＴｉＣ）：０．２％以下の組成を有すると共に、原料のＷＣ粉末の平均粒径を１μｍ以下とすることにより高硬度でかつ高靭性の超硬合金が得られることが記載されている。例えば、先行技術２の図２には、平均粒径０．３ｍのＷＣ粉末を用いた場合に、ＨＲＡ９２〜９３で、３．３〜４．４ＧＰａ程度の抗折力を有する超硬合金が記載されている。特許第３０１０８５９号公報（以下、先行技術３という。）には、重量比で、Ｃｏ：４〜２０％、Ｃｒ_３Ｃ_２：０．３〜３％、ＶＣ：０．１〜３．０％含有し、平均粒度が０．８ｍ以下であるＷＣ基超硬合金の素地中に、ＣｒとＶの複合炭化物相を分散させることにより、ＨＲＡ９１〜９４、２．９〜５．２ＧＰａ程度の抗折力を有する超硬合金が得られることが記載されている。特開平６−８１０７２号公報（以下、先行技術４という。）には、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ４〜４０％、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ及びＴｉのうちの１種以上０．１〜５％を含有する組成を有し、平均粒度が０．６ｍ以下でかつ最大粒径が３．０ｍ以下のＷＣ粒子が分散している合金素地中に、最大粒径が３．０ｍ以下の固溶体粒子（Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ及びＴｉのうち１種以上の炭化物又は炭窒化物）を分散することにより、従来よりも高硬度でかつ高い抗折力（例えば、ＨＲＡ８４〜９４でかつ４．６〜５．６ＧＰａ。）を有する超硬合金が得られることが記載されている。特開２０００−７１２号公報（以下、先行技術５という。）には、面積％で第１硬質分散相が６５〜９２．５％と、第２硬質分散相が０．５〜５％とＣｏからなる結合相組織を示し、第１硬質分散相はＷＣをＶとＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で全面及び／又は部分被覆してなる被覆ＷＣからなり、第２硬質分散相は結合相中に微細に分散分布したＶとＷとＣｒの析出複合炭化物からなり、かついずれも０．７ｍ以下の平均粒径を有し、重量比で、Ｃｏ：５〜１３％、Ｃｒ：０．２〜２％、Ｖ：０．２〜１．０％である超硬合金でプリント基板用ドリルを構成することにより、従来と比べて耐摩耗性は同等で、耐折損性が向上することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
先行技術１〜５に記載された組成及び組織を有する超微粒超硬合金によれば、従来よりも工具性能を向上することができるが、次に述べる通り、プリント基板用ドリルのような厳しい切削条件のもとで使用される工具に適用する場合には、改良すべき点が残されている。先行技術１に記載されているような２相組織の超硬合金をプリント基板用ドリルに適用すると、工具寿命の安定性に欠けるという問題がある。先行技術２は、硬度と靭性の低下を防止するために、ＴａＣ、ＮｂＣ及びＴｉＣの含有量を低くしているが、平均粒径が１ｍ以下のＷＣ粉末を使用することが記載されているのみで、硬質相に分散されているＷＣ粒子の粒度分布を考慮していないので、高い抗折力を得られない場合がある。先行技術３に記載された組織を有する超硬合金を作成するためには、焼結後の焼結温度から１０００℃までの冷却工程において、その冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上に制御する必要があるので、焼結炉に冷却手段を設けることと正確な温度制御が必要となり、生産性が低下するという問題がある。先行技術４の表３に記載された超硬合金は、粗大なＷＣ粒子、例えば、最大粒径が１．２〜２．９ｍのＷＣ粒子、を積極的に含んでいるので、緻密な組織が得られず、靭性が低下することがある。先行技術５に記載された超硬合金を得るためには、真空中において１３５０〜１４８０℃の条件で焼結したのち、加圧焼結し、ついで１２００℃までを５０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度で急冷することが必要であり、焼結炉に冷却手段を設けることと正確な温度制御が必要となり、生産性が低下するという問題がある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、超微粒超硬合金材料のミクロ組織における硬質分散相であるＷＣ相の粒度分布に着目し、この粗大粒子の存在を極力排除し、より均一な微細粒子からなる焼結体とするような改善を図ることによって、折損までの寿命が長く、しかも高強度で良好な耐摩耗性を示す切削工具が得られる超微粒超硬合金を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者等は、超微粒合金において、抗折力と合金組織中の合金組成、固溶形態等との関係に着目し、種々検討を行った。それらの検討において、合金組織中の硬質相の粒度及び粒度分布と抗折力との間に密接な関係があることを見出し、本発明に至った。即ち、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉが５〜１２％、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｉの少なくとも２種以上の合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有し、該ＷＣは平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦０．３５μｍで、粒径が０．７μｍ以上の粗大粒子の含有割合Ｆが０＜Ｆ＜１０％となる粒度分布を有し、抗折力が４．５ＧＰａ以上を有することを特徴とする超微粒超硬合金である。更に、本発明は、（ＶＣ＋Ｃｒ_３Ｃ_２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０７以上である組成を有することが好ましい。
本発明の超微粒超硬合金においては、狭い粒度分布を有するので、微細なＷＣが十分に分散される。ＷＣの粒径が微細になることによって金属結合層の厚みが薄くなる傾向がある。即ち、Ｃｏが５〜１２％の範囲で、Ｃｏ相の平均厚さ（以下、ｍｆｐと称する。）を小さくすることができるので、例えば、Ｃｏ：５〜９％の時に、ｍｆｐは０．０６μｍ以下となり、またＣｏ：９％超〜１２％以下の時にｍｆｐは０．０５μｍ以下となるため、高強度の超硬合金を得ることができ、更に、金属層が薄いことによって耐食性が向上するという効果がある。粗大粒子の含有割合Ｆが０＜Ｆ＜１０％となる狭い粒度分布領域で制御されることは、強度低下の原因となる破壊の起点箇所も減少することになり、強度の改善、向上に効果がある。しかも、ＷＣ、炭化物固溶体、Ｃｏ相からなる３相域の幅がη相や遊離炭素が生じないように調整されるので、高硬度で、高い強度、例えば４．５ＧＰａ以上の抗折力が得られる。本発明の超微粒超硬合金によ、小径のドリルに適用した場合に折損し難くなる。また、必要に応じＲｕを添加することにより、良好な耐摩耗性、耐食性を付与することができる。即ち、本発明の超微粒超硬合金で形成したプリント基板用ドリルで半導体のプリント基板の穴あけ加工や外縁部の加工を行っても、長期の使用に耐えることができる。
【０００６】
本発明の超微粒超硬合金における各成分範囲の限定理由は次の通りである。Ｃｏ及び／又はＮｉは、少ないと焼結性が低下し、結合相が形成しがたくなり、強度が低下するので５％以上が必要で、多いと耐摩耗性が低下し、また価格高を招来するので、１２％以下とする。Ｃｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｉは、結合相に固溶し、第３相を形成して、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止する効果を有するが、これらの合計が０．１％以下であるとＷＣの粒成長を防止する効果がなく、一方３％を越えると、疲労強度が低下するので、０．１〜３％の範囲とした。Ｃｒ_３Ｃ_２とＲｕの添加は、耐食性の向上に有効であり、湿式切削における切削液による腐食を有効に防止することができる。更に、これらのうちＣｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣの添加量は、次のようにすることが好ましい。即ち、Ｃｒ_３Ｃ_２は、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止し、またＷＣの表面に被覆薄層として析出するＣを形成するので、耐摩耗性を向上させるが、Ｃｒは０．２３％を越えると、強度が低下するので、０．２３％以下が好ましい。ＶＣは、少ないと焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止できないので、Ｖは０．３７％以上が好ましい。ＴａＣは、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止するが、多いと強度が低下するので、Ｔａは０．５％以下が好ましい。
次に、（ＶＣ＋Ｃｒ_３Ｃ_２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値が小さいと、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止できないことがあるので、０．０７以上が好ましい。上記組成は、製造上不可避の不純物を含んでいても差支えないが、焼戻し脆化を促進するＰ、Ｓ、Ｓｎ等の元素の含有量を少なくすることが好ましい。ＷＣの平均粒径は、０．１０μｍ未満となると工具刃先などからの粒子の脱落により急激な性能劣化、例えば耐磨耗性の低下等が発生するようになり、その一方で粒径が０．３５μｍを超えると強度及び靭性が低下するよになるため、平均粒径Ｄは０．１０≦Ｄ≦０．３５ｍが好ましい。更に、粗大粒子は強度低下の原因となる破壊の起点箇所となるため、可能な限り含有割合を小さく制御する必要がある。そこで、０．７μｍ以上の粗大粒子の含有割合Ｆが０＜Ｆ＜１０％となる粒度分布であることが好ましい。粗大粒子が１０％を超えて存在する場合には、抗折力の低下が顕著となり、この影響で工具寿命の低下を引き起こすことになるからである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の超微粒超硬合金は、例えば、次のような工程に従って製造することができる。平均粒径０．７μｍ以下のＷＣ粉末及び平均粒径１〜２ｍのＣｏ粉末と、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴａＣ粉末、Ｍｏ粉末、Ｒｕ粉末及びＳｉ粉末を準備し、これらを所定組成になるように配合し、ボールミルで湿式混合し、減圧乾燥後５〜１０ＭＰａの圧力でプレス成形する。この成形体を１０^−３ｔｏｒｒ程度の真空中で、ＷＣとＣｏ及び／又はＮｉとの共晶温度以上例えば、１３００〜１５００℃、に０．５〜２ｈ保持して、焼結を行えばよい。また必要に応じ、焼結後Ａｒガス雰囲気中でＨＩＰ処理を行ってもよい。以下、実施例について説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、適宜変更することは本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０００８】
（実施例１）
平均粒径０．３〜０．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、平均粒径１．２ｍのＴａＣ粉末を準備し、これらを表１に示す組成になるように配合し、アトライターで湿式混合し、減圧乾燥後９．８×１０^７Ｐａでプレス成形した。この成形体を真空中で、１４００℃に１時間保持して焼結を行い、得られた焼結体を加工して、全長３８．１ｍｍ、シャンク径３．１７５ｍｍ、刃径０．２ｍｍ、溝長４．０ｍｍのプリント基板用ドリルを作製した。本発明例１〜７では、ボールミルによる湿式混合を９〜１０時間行い、従来例８〜１２では、ボールミルによる湿式混合を３〜４時間行った。
【０００９】
【表１】

【００１０】
抗折力は、表１に示す各組成のＪＩＳ抗折試験片（Ａ号）を作成し、３点曲げ試験を行うことにより測定した。本発明例及び従来例の超微粒超硬合金について、ＷＣの平均粒径は、試料の表面を鏡面研磨した後、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと呼ぶ。）によるミクロ組織写真より、フルマンの式を用いて算出した。更に、粒度分布は組織写真視野内の各粒子径を測定することにより求めた。表１に示す超微粒超硬合金のＷＣの平均粒径と抗折力を測定した結果を表２に示す。
【００１１】
【表２】

【００１２】
本発明例及び従来例の超微粒超硬合金のプリント基板用ドリルを用いて、次の諸元で切削テストを行い、ドリル寿命を測定した。切削諸元は、被削材：ガラスエポキシ樹脂からなるプリント基板（厚さ１．６ｍｍ）を２枚積層し、回転速度：４００００ｍｉｎ^−１、送り：８０ｍｍ／ｍｉｎで実施した。ドリル寿命は切削不能に至るまでの加工穴数により評価した。その結果を同じく表２に示す。
【００１３】
表２から、合金組織について比較すると、本発明例１〜７の超微粒超硬合金は、従来例８〜１２の超微粒超硬合金よりも粗大粒子の含有割合が小さく、全てが１０％未満となっており、このことが、本発明例１〜７の方が高い抗折力をもった超微粒超硬合金材料となっている要因と考えられる。この超微粒超硬合金材料を用いた本発明例１〜７は、従来例８〜１２のドリル工具よりも長寿命となっている。これは、切削中の刃先の摩耗が少なく、更に刃先の欠損による異常発生の頻度が少なくなっているためである。更に、刃先欠損等の異常発生の頻度の減少は、工具の寿命の安定性を実現している。また、本発明例１と従来例８とは、配合組成がほぼ同様であるにもかかわらず、焼結体でのＷＣ平均粒径、０．７μｍ以上の粗大粒子の含有割合の両者において、本発明例１のほうが小さい値となり、抗折力と工具寿命に差が見られる。これは、混合プロセスにおける処理条件の相違が焼結体の粒度分布に影響しているものと考えられる。
【００１４】
（実施例２）
平均粒径０．３〜０．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、平均粒径１．２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．２μｍのＭｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＲｕ粉末、平均粒径１．２μｍのＳｉ粉末を準備し、これらを表３に示す組成になるように配合し、ボールミルで湿式混合し、減圧乾燥後９．８×１０^７Ｐａの圧力でプレス成形した。この成形体を真空中で、１４００℃に１ｈ保持して、焼結を行い、得られた焼結体を加工して、全長３８．１ｍｍ、シャンク径３．１７５ｍｍ、刃径０．２ｍｍ、溝長４．０ｍｍのプリント基板用ドリルを作製した。本発明例１３〜１９では、ボールミルによる湿式混合を９〜１０ｈ行い、従来例２０〜２４では、ボールミルによる湿式混合を３〜４ｈ行った。
【００１５】
【表３】

【００１６】
表３に示す組成の超微粒超硬合金について、ＳＥＭによるミクロ組織写真よりＷＣの平均粒径を求め、更に、抗折力を測定した結果を表４に示す。本発明例及び従来例のプリント基板用ドリルを用いて、次の条件で切削テストを行い、その結果を同じく表４に示す。切削諸元は、被削材：ガラスエポキシ樹脂からなるプリント基板（厚さ１．２ｍｍ）を３枚積層し、回転速度：１６０００ｍｉｎ^−１、送り：３０００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００１７】
【表４】

【００１８】
表４から、本発明例１３〜１９は、従来例２０〜２４の超微粒超硬合金よりも高い抗折力を有し、本発明例１３〜１９は、従来例２０〜２４よりも工具寿命を長くできることがわかる。本発明例１９はＲｕ、Ｓｉ、Ｍｏの３種類全ての元素を含むのに対し、従来例２２はＲｕ、Ｓｉ、Ｍｏを全く含まない組成となっている。混合プロセスにおける処理条件の相違と添加元素の有無により、ＷＣの平均粒径と粗大粒子の含有割合に有意差が見られ、本発明例１９の方が抗折力で２８％優っている。更に、工具寿命でも２．４倍の長寿命となった。使用後の刃先を観察した結果、刃先の摩耗量が従来例２２よりも優り、折損状態も従来例２２と比較して軽微であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明を適用した超微粒超硬合金を用いた切削工具によれば、硬質相に分散されたＷＣの粒径が微細でかつ狭い粒度分布を有することにより切削条件が高速化、及び重切削化となっても優れた耐摩耗性、耐欠損性を示し、長寿命の切削工具を得ることができる。

Claims

重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉが５〜１２％、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｉの少なくとも２種以上の合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有し、該ＷＣは平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦０．３５μｍで、粒径が０．７μｍ以上の粗大粒子の含有割合Ｆが０＜Ｆ＜１０％となる粒度分布を有し、抗折力が４．５ＧＰａ以上を有することを特徴とする超微粒超硬合金。
請求項１記載の超微粒超硬合金において、（ＶＣ＋Ｃｒ_３Ｃ_２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、である組成を有することを特徴とする超微粒超硬合金。