JP2007229917A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特に集積回路や各種電子部品を実装するプリント回路用基板の溝加工、切抜き加工や穴開け加工に用いられる表面被覆切削工具を提供することを主要な目的とする。
【解決手段】炭化タングステンとコバルトとを含み、コバルトの含有量が４質量％以上１２質量％以下である超硬合金基材を備える。超硬合金基材の上にグラファイトを原料とした物理的蒸着法により被覆された実質的に炭素のみからなる硬質炭素薄膜が被覆されている。硬質炭素薄膜は、少なくとも１層被覆されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般に、表面被覆切削工具に関するものであり、より特定的には、集積回路や各種電子部品を実装するプリント回路用基板などの溝加工、切抜き加工や穴開け加工などに用いられる表面被覆切削工具に関するものである。

従来から、プリント基板の外周形状の加工においてはプレス加工が多く用いられてきた。しかし、プリント回路基板はガラス繊維を含有したエポキシ樹脂を銅箔で挟んだ構造であるので、プレス加工の際に発生する粉体が作業環境上問題となっていた。そこで、ルータカッターと呼ばれるプリント回路基板の溝加工や切抜き加工を行なう切削工具が使用されている。このルータカッターを用いた加工機では、切り口を吸引しながら加工を行なうので、外部に切り屑の粉体が飛散するおそれがないことが利点である。

また、近年の電子機器においては、小型化、軽量化が必須課題であり、実際の動作の中枢となるプリント回路基板は、実装密度の高密度化や高精度化などの要求により、ルータ加工によって形成される溝がますます小寸法化されており、それに応じてルータカッターの直径は３．１７５ｍｍ以下となってきている。

また、作業能力向上と製造コスト低減などのために、一度に加工するプリント回路基板の重ね枚数を増やしたり、加工速度を上げたりするので、ルータカッターの強度が不足して加工中に折損したり、プリント回路基板にバリなどを発生させて不良となることが問題となってきた。

そこで、たとえば特許３０６５５４７号に示されたルータカッターでは、ルータカッターの刃部のすくい面側に補強のリブを設けて刃部の剛性を高めて従来問題となっていたルータカッターの強度を向上させて切削加工中の折損事故に対する改善を図っている。

一方、プリント回路基板における高密度化や積層化が進められており、このプリント回路基板に小径の穴を形成する場合には、ＰＣＢ（Print Circuit Board）加工用小径ドリルとよばれる切削工具が広く使われている。また、実装密度の高密度化や高精度化などの要求により、ＰＣＢ加工用小径ドリルによってプリント回路基板に形成する穴は、ますます小寸法化しており、それに応じてＰＣＢ加工用小径ドリルの直径は、０．３ｍｍ以下となってきている。さらに、作業能率向上と製造コスト低減などのために、加工速度が高速化しており、この場合にＰＣＢ加工用小径ドリルの強度が不足して加工中に折損したり、プリント回路基板にバリなどを発生させて製品不良の原因となることが問題となってきた。

そこで、例えば特開平１０−１３８０２７号に示されるＰＣＢ加工用小径ドリルでは、その素材として超硬合金を用いるとともに、表面に炭化水素ガス（メタン）を使用して成膜した硬質炭素膜を被覆して、耐折損性を向上させて改善を図っている。

しかしながら、ますますユーザから実装の高密度化や高精度化の要求が厳しくなり、溝加工や切り抜き加工を行なうルータカッターの直径は、従来の約半分の１．６ｍｍ以下となってきており、上述の工具形状の改良だけでは加工時の折損不良を防ぐことが難しくなってきた。

一方、実装の高密度化や高精度化の要求が厳しくなるにともない、穴開け加工を行なう、ＰＣＢ加工用小径ドリルは、０．２ｍｍ以下のものが用いられており、上述の炭化水素ガスを用いて成膜された硬質炭素膜では、膜中に水素が混入してしまうので膜硬度が低く、十分な性能のドリルを得ることができなかった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、特に、集積回路や各種電子部品を実装するプリント回路用基板の溝加工、切抜き加工や穴開け加工に用いられる切削工具において、その工具表面に被膜を被覆することで、刃部の剛性を高め、かつ切り屑の排出性を良くすることで、耐欠損性および耐久性を高めた切削工具を提供することを目的とする。

この発明に従う表面被覆切削工具は、炭化タングステンとコバルトとを含み、コバルトの含有量が４質量％以上、１２質量％以下である超硬合金基材を備える。上記超硬合金基材の上には、グラファイトを原料とした物理的蒸着法により実質的に炭素のみからなる硬質炭素薄膜が被覆されている。該硬質炭素薄膜は、少なくとも１層被覆されている。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記硬質炭素薄膜の厚みが、０．０５μｍ以上、３μｍ以下である。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記硬質炭素薄膜には、圧縮の残留応力が、０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下付与されていることを特徴とする。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記硬質炭素薄膜の表面粗さが、Ｒａ表示で０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下に調整されていることを特徴とする。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記超硬合金基材の焼結前の炭化タングステンの結晶粒径が、０．１μｍ以上、１．５μｍ以下であることを特徴とする。

以上説明したとおり、本発明に係る表面被覆切削工具によると、刃部の剛性を高め、かつ切り屑の排出性を良くすることで耐欠損性および耐久性を高めることができる。ひいては、その切削・耐摩耗寿命を著しく延長させるとともに加工精度を向上させることができる。

以下この発明に基づいた各実施の形態における表面被覆切削工具について説明する。
本発明の実施の形態の表面被覆切削工具の基材に用いられるＷＣ基超硬合金は、Ｃｏを４〜１２重量％含有し、タングステンカーバイドの平均粒径は、０．１〜１．５μｍの範囲内にある。

Ｃｏは、特に結合層形成のために含有させているが、４重量％未満の場合には、靭性が低下して、刃先こぼれが発生するので好ましくなく、逆に、１２重量％を超えて含有すると基材の硬度が低下して、高速切断時の耐摩耗性が低下するとともに、Ｃｏと化合物薄膜および硬質炭素薄膜との親和性が低いため密着性が著しく低下したり、刃先に強い外力が加わった場合に、基材の変形に高硬度な薄膜が追随できずに、薄膜が超硬基材との界面で剥離してしまうためである。したがって、Ｃｏ含有量を４〜１２重量％とするのが好ましい。

ここで、ＷＣ粒成長抑制効果があり、刃先強度を高める効果があるＴａＣやＶＣなどを含有させてもよい。

また、ＷＣの平均結晶粒径が０．１μｍ以下の場合には、現状の評価方法では粒径の判別が困難であり、平均結晶粒径が１．５μｍ以上であると膜が摩耗した場合に、基材中の大きなＷＣ粒子が脱落して大欠損を起こしてしまうので好ましくない。ＷＣの粒径は、基材の靭性に非常に影響を与えるが、化合物薄膜および硬質炭素薄膜の密着性の評価結果も加味して、ＷＣの平均粒径を０．１〜１．５μｍとするのが好ましい。

ここで、上記基材上には、化合物薄膜または、硬質炭素薄膜が被覆される。化合物薄膜は、チタン、クロム、バナジウム、シリコンおよびアルミニウムの群から選択される１種以上の元素と、炭素および窒素の１種以上の元素との組合せにより構成される。この化合物薄膜は極めて硬く、耐酸化性が高いため、耐摩耗性が向上し、切削工具寿命を長くすることができるとともに、ＷＣ表面に比べ、被削材との熱的・化学的な反応が抑えられるので、切り屑の排出性が良くなることに加え、被削材の溶着が抑えられることから、切削抵抗が下がるとともに、切り刃の折損が抑えられる。

また、硬質炭素薄膜は、非晶質炭素膜、非晶質カーボン膜、ダイヤモンドダイクカーボン膜、ＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：Ｈ、ｉ−カーボン膜などと呼ばれるものであるが、本実施の形態では、切削工具として優れた耐摩耗性を示すべく、ダイヤモンドに匹敵する高い硬度を得るために、グラファイトを出発原料とした物理的蒸着法を用いることで、故意に反応ガスを入れない場合でも成膜中に不可避的に含まれる不純物を除いて、炭素原子のみで構成している。この場合には、いわゆる水素を含む硬質炭素薄膜よりダイヤモンド構造に近い構造となり、硬度が高くなると同時に、耐酸化特性もダイヤモンドと同等の約６００°近くにまで改善される。

硬質炭素薄膜をコーティングする公知の手法は複数あるが、グラファイトを出発原料とした物理的蒸着法の中でも、一般に工業的に用いられる、たとえば陰極アークイオンプレーティング法、レーザアブレーション法やスパッタリング法であれば、成膜速度が速く好ましい。

被膜の密着力、膜硬度の点で、陰極アークイオンプレーティング法による成膜が好ましい。この陰極アークイオンプレーティング法は、原料のイオン化率が高いため、主にカーボンイオンが基材に照射されることにより、硬質炭素薄膜が形成されるため、ｓｐ3結合の比率が高く、緻密な膜が得られ、硬度が高くなるため、工具寿命を大きく向上させることができる。

また、硬質炭素薄膜は低摩擦係数を持つ被膜であることから、ＷＣ表面に比べて切り屑の排出性が良くなることに加え、被削材の溶着も抑えられることから、切削抵抗が下がるとともに、切れ刃の折損が抑えられる。

本実施の形態で成膜された化合物薄膜および硬質炭素薄膜は、その表面粗さが、ＪＩＳ規格Ｒａの表示で、０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下となるように形成されている。ここで、切削工具として見た場合には、切り屑の排出性や切削抵抗の観点から面粗さＲａはできる限り小さいことが望ましいが、実際には０とすることはできないので、種々切削試験を行なった結果、Ｒａが０．５μｍ以下であった場合には、切り屑の排出性が改善され、切削性能が向上することを見出した。

また、被膜の膜厚が、０．０５μｍ〜３μｍとなるように形成したがその理由は、０．０５μｍ未満の場合、耐摩耗性に問題があり、３μｍを超えると被膜に蓄積される内部応力が大きくなって剥離しやすくなったり、被膜の欠けを生ずる問題があったからである。さらに好ましくは、０．０５〜１．５μｍである。また、膜厚を３μｍ以下とすることにより、被膜表面に発生するマクロパーティクルの大きさと密度を小さくし、表面粗さを前記のＲａ表示で０．５μｍ以下に抑えることができるという効果もある。

本実施の形態では、化合物薄膜および硬質炭素薄膜に、残留応力を０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下の圧縮圧力となるように付与している。超硬基材に対して圧縮の残留応力を付与すると、ルータカッターの折損性が著しく向上する。ここで、圧縮の残留応力が、０．１ＧＰａ以下の場合には、耐欠損性に関する向上が見られず、８ＧＰａ以上の場合には、膜の応力値が高いため、膜が剥離しやすくなる。

ここで、化合物薄膜の残留応力の測定は、「ＰＶＤ・ＣＶＤ被膜の基礎と応用：（社）表面技術協会（１９９４）」ｐ．１５６に示されるＸ線を用いる方法によって測定することが可能である。

また、硬質炭素薄膜は非晶質であることから、Ｘ線を用いて評価することはできないが、「ＰＶＤ・ＣＶＤ被膜の基礎と応用：（社）表面技術協会（１９９４）」ｐ．１６２に示されるとおり、同時に片面コーティングされた平板試験片の反り量から推定することが可能である。

次に、本実施の形態の表面被覆切削工具の実施例について、具体的に説明する。ただし、表面被覆切削工具のコーティングはここで用いたコーティング方法に限られるものではなく、他の方法であってもよい。

（第１〜１３実施例）
この実施例おける表面被覆切削工具は、ＰＣＢ加工用のルータカッターを構成しており、それを図１に示す。ここで（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

図１に示すように、ルータカッター１は、加工機のチャックに把持されるシャンク１１と刃部１２を有している。

基材として、ＪＩＳ規格Ｚ０１相当の刃部１２の直径が０．８ｍｍで、刃長が６ｍｍの、炭化タングステンとコバルトとを含み、コバルトの含有量が４質量％以上１２質量％以下であるＷＣ基超硬合金製ルータカッターを用意した。その表面に、金属蒸発源原料と窒素ガスまたは／およびメタンガスを用いた公知のアークイオンプレーティング法によって化合物薄膜１３を形成し、表１に示す、実施例１から１２の表面被覆ルータカッター１を用意した。

また、前記ＷＣ基超硬合金製ルータカッター１の表面に、グラファイトを用いたアークイオンプレーティング法により硬質炭素薄膜１３を形成し、実施例１３の、表面被覆ルータカッター１を用意した。また、比較のため、表１に示すノンコートルータカッター試料も用意した（比較例１）。

次に、上記のルータカッター１を用いて、被削材として厚さ１．６ｍｍのエポキシ樹脂板ＦＲ−４（両面Ｃｕ貼り付き）を３枚重ねたもので切削を行なった。このとき、加工条件は、回転数５０，０００ｒｐｍ、送り速度１．５ｍ／ｍｉｎとし、その切削試験の結果を表１に示す。

表１の結果から、比較例１のノンコートルータカッターは２ｍで折損したのに対して、本実施例１から１３のルータカッター１では３０ｍ以上の切削が可能となった。

（第１４〜２６実施例）
この実施例おける表面被覆切削工具は、ＰＣＢ加工用小径ドリルを構成している。

基材として、ＪＩＳ規格Ｚ０１相当の刃部の直径が０．２ｍｍで、刃長が３．５ｍｍのＷＣ基超硬合金性ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意し、その表面に金属蒸発源原料と窒素ガスまたは／およびメタンガスを用いた公知のアークイオンプレーティング法によって化合物薄膜を形成し、表２に示す実施例１４から２５の表面被覆ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意した。このとき、成膜条件は、金属蒸発源に供給するアーク電流を１００Ａ、基板バイアス電圧を５０Ｖ、反応ガス圧を２．７Ｐａとし、成膜前にアルゴンガスプラズマによる基材表面クリーニングを行なった。

また、グラファイトを用いたアークイオンプレーティング法により硬質炭素薄膜を形成して、実施例２６の表面被覆ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意した。また、比較のために、表２に示すノンコートＰＣＢ加工用小径ドリルも用意した（比較例２）。

次にこれらのＰＣＢ加工用小径ドリルを用いて、被削材として厚さ１．６ｍｍのエポキシ樹脂板ＦＲ−４（両面Ｃｕ貼り付き）を３枚重ねたものの上に０．１５ｍｍの厚さのアルミニウム板のあて板を重ねて、穴開け加工を行なった。このとき、加工条件は、回転数６０，０００ｒｐｍ、送り速度３ｍ／ｍｉｎとした。その切削試験の結果を表２に示す。

表２の結果から、比較例２のノンコートＰＣＢ加工用小径ドリルでは、５０，０００穴で折損したのに対して、本実施例１４から２６のＰＣＢ加工用小径ドリルでは、３００，０００穴以上の加工が可能であった。

本発明の切削工具としては、上述したＰＣＢ加工用のルータカッター、ドリルを含むＰＣＢ加工用切削工具の他、他の一般的な用途のルータカッター、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどがある。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明に基づいた実施の形態における表面被覆切削工具（ルータカッター）の構造を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

符号の説明

１ 表面被覆切削工具（ルータカッター）、１３ 化合物薄膜、硬質炭素薄膜。

Claims (5)

1. 炭化タングステンとコバルトとを含み、コバルトの含有量が４質量％以上、１２質量％以下である超硬合金基材と、
   前記超硬合金基材の上にグラファイトを原料とした物理的蒸着法により被覆された実質的に炭素のみからなる硬質炭素薄膜と、を備え、
   前記硬質炭素薄膜は、少なくとも１層被覆されている、表面被覆切削工具。
2. 前記硬質炭素薄膜の厚みが、０．０５μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記硬質炭素薄膜には、圧縮の残留応力が０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下付与されていることを特徴とする、請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
4. 前記硬質炭素薄膜の表面粗さが、Ｒａ表示で、０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下に調整されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記超硬合金基材の焼結前の炭化タングステンの結晶粒径が、０．１μｍ以上、１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。

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