JP2005052938A

JP2005052938A - 炭化タングステン基超硬合金製小径ドリル

Info

Publication number: JP2005052938A
Application number: JP2003286882A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kubo; 裕久保
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】高い折損寿命をもつφ０．１ｍｍ以下の極小径の炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルであって、プリント基板穴開け用に適したドリルを提供する。
【解決手段】Ｃｏ及びＮｉのうちの１種又は２種が重量％で１３％〜２５％、ＶＣが０．１〜２．０％、Ｃｒ_３Ｃ_２が０．１〜２．０％、ＴａＣが０．０１％以上、０．４％未満、を含有し、残り：炭化タングステン及び不可避不純物、からなる組成を有し、炭化タングステンの平均粒径が０．６μｍ以下であり、（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、Ｃｒ_３Ｃ_２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．０５７、ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＞０．６５、である炭化タングステン基超硬合金製からなり、更に該ドリル径がφ０．１ｍｍ以下の径であることを特徴とする炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルである。
【選択図】なし

Description

本発明は、平均粒径が０．６μｍ以下の炭化タングステン粒子からなる超微粒超硬合金製のφ０．１ｍｍ以下のプリント基板穴明用ドリルに関する。

平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粒子を含有する超微粒超硬合金は、硬さとともに靭性も高いのでエンドミル、プリント基板用ドリル、各種せん断刃などに広範囲に用いられている。近年、微細加工が増加する傾向とともに超微粒合金のＷＣ粒子の平均粒径も益々小さいものの要求が大となってきている。そこで特許文献１から特許文献３のような種々の提案がなされている。特許文献１は、重量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが３〜３０％とＶが０．０５〜１．０％、Ｃｒが０．０５〜１．５％と、残りが平均粒径１．０μｍ以下のＷＣからなり、かつ（ＶＣ＋Ｃｒ_３Ｃ_２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０３〜０．０７とすることにより、Ｃｏ及び／又はＮｉ中にＶＣと炭化Ｃｒとを固溶させてＷＣの粒成長を抑止すること及びＣｏ及び／又はＮｉを主体とした結合相の塑性変形から生ずる強度低下を防止することが記載されている。特許文献２は、Ｃｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相、並びにＷＣ相を有する超硬合金であって、重量％でＣｏ及び／又はＮｉが４〜２５％、Ｖ、Ｃｒを重量比でＶ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０１〜０．１、Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０５〜０．２含有し、残部がＷＣ及び不可避不純物からなる化学組成を有し、かつ上記金属結合相とＷＣの粒界に、ＶとＷを含む複合炭化物を第三相として有する高硬度、高靭性の超硬合金が記載されている。特許文献３は、重量％でＣｏが４〜２０％、ＶＣが０．２〜２％、Ｃｒが０．４〜２％、０．１＜ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＜０．６５を満足し、残部が平均粒径１μｍ以下のＷＣ及び不可避不純物からなる高硬度、高靭性の超硬合金が記載されている。特許文献４には、小径回転工具のシャンクとボデーの境界周辺に球状の投射材を衝突させるショットピーニング処理を施し、超硬合金の抗折力を高める技術が開示されている。

特公平４−５０３７４号公報特許第３００８５３２号公報特許第２１３７３０２号公報特開平９−１７４４３５号公報

ドリルによる穴開けを行う場合、折損までの寿命が短いという大きな問題点があるが、この小径ドリルの折損性は、靭性と大きく関係しており、折損寿命の向上のためには素材の抗折強度を高める必要がある。そこで、本発明は、高い折損寿命をもつφ０．１ｍｍ以下の極小径の炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルであって、プリント基板穴開け用に適したドリルを提供する。

本発明は、Ｃｏ及びＮｉのうちの１種又は２種が重量％で１３％〜２５％、ＶＣが０．１〜２．０％、Ｃｒ_３Ｃ_２が０．１〜２．０％、ＴａＣが０．０１％以上、０．４％未満、を含有し、残り：炭化タングステン及び不可避不純物、からなる組成を有し、炭化タングステンの平均粒径が０．６μｍ以下であり、（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、Ｃｒ_３Ｃ_２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．０５７、ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＞０．６５、である炭化タングステン基超硬合金製からなり、更に該ドリル径がφ０．１ｍｍ以下の径であることを特徴とする炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルを提供することができる。本構成を採用することによって、高い折損寿命をもつφ０．１ｍｍ以下の極小径を持つ炭化タングステン基超硬合金製のプリント基板穴開け用ドリルを得る事ができる。

更に、本発明の炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルは、該ドリルの研削加工表面の１部又は全部に、具体的には切れ刃及びすくい面、逃げ面、マージン部、溝部、溝の切り上がり部からシャンクに至る部分等々に物理的な処理を施す事によって、該表面に圧縮応力を印加したことを特徴する。研削加工部分の表面に圧縮応力を印加することによって、切削加工時に生じる微細なクラックが成長するのことを抑制し、刃先の欠損や工具の折損に対する耐久性を向上させることができる。

本発明によって、φ０．１ｍｍ以下の径を持つプリント基板穴開け用ドリルは、素材とする超硬合金のＷＣの粒径が極めて小さく、高い抗折力を有し、更に切刃表面に圧縮応力を有するので、折損寿命を大幅に向上した炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルを提供することができる。

超微粒超硬合金素材としての抗折強度を高める方法としては、焼結体のＷＣ粒径を微粒化する方法がある。ＷＣ粒子は焼結中に粒成長をするので、合金中のＷＣ粒子の粒径は焼結前よりも大きい。そのため粒成長抑制材を添加してＷＣの粒成長を抑制する方法の研究が進められ、Ｖが最も有効で、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏも効果のあることが分っている。平均粒径は０．６μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であり、これを得るためには多量の粒成長抑制材、特にＶを添加すればよいと考えられる。しかし、Ｖを多量に添加すると合金の靭性が急激に低下する。そのためＶの添加量を減らし、その結果生じる粒成長抑制効果の減少分をＣｒやＴａで補填する試み、即ち粒成長抑制材の複合添加が行われてきた。しかし、上記の先行技術を含め発明者らが鋭意検討した結果、ＶとＣｒの組合せでは、焼結後の冷却中に結合相やＷＣ相とは別の第３相が析出し、それが靭性を低下させることが明らかとなった。そのため第３相が析出しない程度に粒成長抑制材の添加量を少なくすると、粒成長抑制効果が希薄になる。一方、ＶとＴａの組合せは第３相の出現がよりし易くなり、靭性の低下が著しい。そこで平均粒径が０．６μｍ以下、好ましくは０．５μｍとした高靭性の超硬合金を得ようとするために、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａの３種類の添加が考えられる。しかし、上述の先行技術を追試した結果、Ｔａの添加はＶとＴａの組合せ同様、靭性の低下が大きな障害となることが分った。本発明者らは、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａの３種類の添加が、粒成長抑制効果については良好であるものの、靭性の著しい低下が起きる理由について種々検討を行った。その結果、結合相やＷＣ相とは明らかに異なる別の相が合金全体に広がっていることを見出した。この別の相（以後、これを出現相と記す。）はＴａＣ添加量の増加と伴に増加すること、同じＴａＣ量では低カーボン合金程少なく、また焼結終了後から液相消失温度までの冷却速度が速い程減少し、場合によっては出現しなくなることを見出した。また、この出現相の量の増加に伴って抗折力値で評価される靭性が急激に低下することが明らかとなった。そこで、ＴａＣの適正量について厳密な調査を行った結果、０．４％を超えると出現相が過多となり、ＶＣ添加量が０．１〜２．０％の範囲において充分な靭性が保てないことが明らかとなった。更に、ＶＣが０．１〜２．０％、且つ、Ｃｒ_３Ｃ_２が０．１〜２．０％の範囲においては、いかに合金カーボン量を調整したとしても、また実用範囲で冷却速度を大きくしたとしても、出現相量が多くなりすぎるため、十分に靭性があり、しかもＷＣの平均粒径が０．６μｍ以下となる合金が得られなかった。

また、ＴａＣが０．４％未満とした場合にも（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、且つＣｒ_３Ｃ_２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．０５７を満たさない場合には、ＶＣ量が相対的に少なくなり、粒成長抑制効果が不十分となり、平均粒径０．６μｍ以下の十分に靭性のある超硬合金が得られなかった。更にこれらの条件を満たしたものでもＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＞０．６５を満たさない場合には、ＶＣ量が相対的に少なくなり、粒成長抑制効果が十分に得られらなくなる。上記の条件を満たすことにより初めて靭性の高い平均粒径０．６μｍである炭化タングステン基超硬合金をえることができることを見出し、また本合金はφ０．１以下の径を持つプリント基板穴開け用ドリルに特に好適であることを確認し、本発明に至った。

ここで数値の限定理由について述べる。本願発明のφ０．１ｍｍ以下の径を持つプリント基板穴開け用ドリル用であって、これに用いる炭化タングステン基超硬合金は、ＶＣが重量％で０．１〜２．０％とする。０．１％未満では充分な粒成長抑制効果が得られず、本願発明の趣旨に反する。２．０％を超えると充分な靭性が得られず、抗折力が実用範囲以下に低下する。ここで抗折力の実用範囲は３０００ＭＰａ以上としたが、用途により、３０００ＭＰａ未満でも使用可能な場合もあり、厳格に規定するものではない。Ｃｒ_３Ｃ_２は０．１〜２．０％とする。０．１％未満では充分な粒成長抑制効果が得られず、本願発明の趣旨に反する。２．０％を超えると充分な靭性が得られず、抗折力が実用範囲以下に低下する。ＴａＣは０．０１％以上、０．４％未満とする。０．０１％未満ではＶ、Ｃｒ、Ｔａを加えたことによる粒成長抑制としての充分な相乗効果が得られず、本願発明の趣旨に反する。０．４％以上では充分な靭性が得られず、抗折力が実用範囲以下に低下する。また、ＶＣ及びＣｒ_３Ｃ_２量については（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、且つＣｒ３Ｃ２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．０５７である。（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０７以下である場合及びＣｒ_３Ｃ_２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０５７以上である場合には、相対的にＶＣの量が少なくなり、粒成長抑制効果が十分でなくなり本発明の趣旨に反する。更に、ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＞０．６５であることが必須である。ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２が０．６５以下の場合、相対的にＶＣ量が少なくなるため、粒成長抑制効果が十分でなくなり、抗折力が実用範囲以下に低下し、上記と同じく本発明の趣旨に反する。Ｃｏ及び／又はＮｉは１３〜２５％の範囲とする。１３％未満ではφ０．１ｍｍ以下のプリント基板穴開け用ドリルに用いた場合、充分な靭性が得られず折損寿命が短くなり、２５％を超えると切削工具用の超硬合金に基本的に要求される特性である硬さの低下が著しく、摩耗量が極めて大きくなるため、摩耗により切削抵抗が大きくなり折損寿命の低下が著しくなる。

本発明のφ０．１ｍｍ以下の径を持つプリント基板穴開け用ドリル用にもちいる炭化タングステン基超硬合金のミクロ組織は、金属相とＷＣ相の２相が基本であるが、製造条件によりその他の相が出現する場合がある。しかも、その出現相は１つの場合も複数の場合も条件により観察される。出現相はＣｒ、Ｔａ、Ｖのうちの１つ又は２つ以上の金属とＣを主体とするもので、その他、時によりＣｏやＷをその構成要素とする。該出現相は製造条件により構成元素も組成比も種々変化するものなので、厳密に化学組成を規定するものではない。本発明者らが鋭意検討をした結果、該出現相が所定の量以上に増加すると靭性が著しく低下する。従って、本発明におけるφ０．１ｍｍ以下の径を持つプリント基板穴開け用ドリル用にもちいる炭化タングステン基超硬合金のもう１つの特徴は、Ｔａの量を規定することで該出現相の量に制限を与え、結果として靭性のあるＷＣの平均粒径が０．６μｍ以下好ましくは０．５μｍ以下の超微粒合金を得る所にある。

本発明の炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルは、切刃部分を含む研削加工表面の１部又は全部に、更に物理的な処理を施す事によって、該表面に圧縮応力を印加したことを特徴する。ここで、物理的な処理方法としては、第１の方法として、真空容器内で発生させたプラズマ雰囲気中に切刃部分を含む研削加工表面の１部又は全部を曝し、プラズマ放電のエネルギーで励起されたガスイオンを切刃部分等に照射する方法、第２の方法として、スパッタリング現象やアーク放電現象によって励起された金属イオンを照射する方法、第３の方法として、励起された該金属イオンのエネルギーで励起されたガスイオンを照射する方法、がある。これらの物理的な処理を単独、或いは複数組み合わせることによって、切刃部分の表面に圧縮応力を印加することができる。この圧縮応力は、切削加工時に生じる微細なクラックが成長するのを抑制し、刃先の欠損や工具の折損に対する耐久性を向上させることができる。更に、上記の様に物理的な処理を施した材料は、圧縮応力の増加によって、未処理の材料よりも表面硬さを増加させることができる。これは、市販の微小押し込み硬さ試験機による微小領域の硬度測定により確認することができる。また、透過電子顕微鏡装置に附属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いた組成分析などにより、未処理の材料と比較して、処理品を施した材料には、表面近傍に照射された元素を検出することができる。以下、本願発明を実施例によって詳細に説明する。

（実施例１）
平均粒径０．６μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径１．４μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、平均粒径１．３μｍのＴａＣ粉末、平均粒径０．８μｍのＣｏ粉末を原料粉末とし、これらの粉末を表１に示した組成に配合し、アトライタにてアルコールを溶媒として６時間混合した。混合した後、乾燥を行い、乾燥粉の一部を用いて、ＪＩＳ試験片をプレス成形した。得られた成形体を１３５０〜１４５０℃の所定の焼結温度にて、最初に６．６５Ｐａの真空度にて３０分間焼結した後、３０分間、４．９ＭＰａのＡｒ雰囲気下でシンターＨＩＰ処理を行った。各組成条件の試験片を１０本用いて、研削後抗折力試験を行い、抗折力値の評価を行った。また、併せて走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により焼結体の粒径を求めた。評価結果を表１に併せて示す。

（実施例２）
実施例１で用いた乾燥粉に溶剤及びワックスを添加して混練し、焼結後のサイズがφ３．４ｍｍとなるように押出し成形にて丸棒成形体を作製した。脱ワックス処理を行い、実施例１と同じ条件にて焼結を行った。この丸棒素材を加工し、外径がφ０．０８ｍｍのプリント基板用ドリルを作製した。更に、該ドリルの研削加工表面に物理的な処理を施したものを作成した。例えば、プラズマ放電のエネルギーで励起されたガスイオンを切刃部分等に照射する方法では、真空容器内にドリルを設置し、容器内を２．７×１０Ｅ^−３Ｐａまで真空に排気した。そして、容器内にアルゴンガスを４．０Ｐａまで導入し、ドリルに−８００から−２００Ｖの範囲内のバイアス電圧を印加し、陰極にアーク放電またはグロー放電を励起させて、ドリル表面の処理を行なった。同様に、アーク放電現象によって励起された金属イオンを照射する方法では、陰極にＴｉの金属イオンを用い、ドリル側に負のバイアス電圧を印加することにより処理を行なった。また、励起された金属イオンのエネルギーで励起されたガスイオンを照射する方法では、Ｔｉの金属イオンのエネルギーでアルゴンガスを励起、活性化させ、ドリル側に負のバイアス電圧を印加することにより処理を行なった。これらのドリルを用いて、以下に示す穴開け加工条件において、厚さが０．４ｍｍのガラスエポキシ基板を２枚重ねて穴開け加工を行い、折損寿命の評価を行った。結果を表１に併せて示す。ここで評価本数は各３本とし、折損寿命はそれらの平均値で示した。
（穴開け加工条件）
スピンドル回転数：１６０，０００回転／分
送り速度：１５μｍ／ｒｅｖ

表１より、本発明例１から２０の炭化タングステン基超硬合金は、いずれも平均粒径が０．６μｍ以下の微粒となる。また、本発明例の組成の超硬合金は、比較例２１から３３の超硬合金に比べ抗折力が明らかに高く、いずれも平均値が４５００ＭＰａ以上を示し、最大値、最小値の差も少なかった。更に、表１に示す通り、本発明例１から２０に示すφ０．１ｍｍ以下の径のプリント基板穴開け用ドリルは、比較例２１から３３のドリルに比べ、折損寿命までの穴開け数が多いことが明らかである。また、本発明例２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０に示す、切刃部分に各種物理的処理を施したものについては、本発明例内の無処理のものと比較して、材料の表面硬さが増加していることを確認した。更に、透過電子顕微鏡装置に附属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いた組成分析により、物理的処理を施した材料には、ドリル表面に照射された元素を検出した。その結果、物理的処理品は未処理品と比較して、１．２〜１．４倍の長寿命化を図る事ができた。

Claims

Ｃｏ又はＮｉが重量％で１３％〜２５％、ＶＣが０．１〜２．０％、Ｃｒ_３Ｃ_２が０．１〜２．０％、ＴａＣが０．０１〜０．４％未満、を含有し、残り：炭化タングステン及び不可避不純物、からなる組成を有し、炭化タングステンの平均粒径が０．６μｍ以下であり、（Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、Ｃｒ_３Ｃ_２／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．０５７、ＶＣ／Ｃｒ_３Ｃ_２＞０．６５、である炭化タングステン基超硬合金製からなり、更に該ドリル径がφ０．１ｍｍ以下の径であることを特徴とする炭化タングステン基超硬合金製小径ドリル。
請求項１記載の炭化タングステン基超硬合金製小径ドリルにおいて、該ドリルの研削加工表面の１部又は全部に、更に物理的な処理を施す事によって、該表面に圧縮応力を印加したことを特徴とする炭化タングステン基超硬合金製小径ドリル。