JP2010012552A

JP2010012552A - 耐折損性に優れた超硬合金製ミニチュアドリル

Info

Publication number: JP2010012552A
Application number: JP2008174410A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Taniuchi; 俊之谷内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP5170836B2

Abstract

【課題】半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工等に用いた場合にも、すぐれた耐折損性を発揮する超硬合金製ミニチュアドリルを提供する。
【解決手段】超硬合金製ミニチュアドリルにおいて、面心立方構造のＣｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）、また、稠密立方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とした時、上記Ｉｈｃｐ（１０１）およびＩｆｃｃ（１１１）によって定まるｈｃｐ変態率が、外周マージン部は、ｈｃｐ変態率≧０．２、また、切刃エッジ部は、ｈｃｐ変態率≦０．１をそれぞれ満たす。
【選択図】図１

Description

この発明は、超硬合金製ミニチュアドリルの、特に、Ｃｏを主成分とする結合相が、ドリル部位に応じて優れた靭性と耐クラック性を有し、例えば、半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工に用いた場合に、優れた耐欠損性を発揮する超硬合金製ミニチュアドリルに関するものである。

従来、一般に、半導体装置のプリント基板の穴あけ加工等に用いられる超硬合金製ミニチュアドリルとして、例えば図１に概略拡大正面図で示される通り先端面を切刃面（以下、先端切刃面という）とし、かつ０．１〜１．２ｍｍ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は、図２に示される断面形状を有すると共に、少なくとも溝形成部は、結合相形成成分としてのＣｏを４〜１６質量％（以下、単に％で示す）含有し、あるいは、さらにＣｒ，Ｖ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３％含有し、また、硬質相形成成分としての炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）を含有した微細組織の超硬合金からなるミニチュアドリルが知られている。

さらに、上記の超硬合金製ミニチュアドリルは、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、炭化クロム（以下、Ｃｒ₃Ｃ₂で示す）粉末、炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）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、１３５０〜１４８０℃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℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却することにより、Ｃｒ（Ｃｒ₃Ｃ₂）および／またはＶ（ＶＣ）がＣｏ中に固溶してなる結合相とＷＣ相の硬質相を主たる構成相とする超硬合金からなる所定の直径の長尺状加圧焼結体を形成し、この加圧焼結体から図１、図２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。
特開昭６１−１２８４７号公報特開平６−８１０７２号公報特許第４０１９３６５号明細書

近年、電子機器の小型軽量化等に伴ってプリント基板の穴径が極小化しており、それに対応できる極細径の超硬合金製ミニチュアドリルが求められている。さらに、穴あけ加工の省力化、低コスト化に対する要求から、穴あけ機の高性能化と相俟って、穴あけ加工が高速で行われる傾向にある。
しかし、従来の超硬合金製ミニチュアドリル、特に、ドリル径がφ０．３ｍｍ以下のミニチュアドリルを高速穴あけ加工に用いると、靭性および耐クラック性不足が原因で、ドリルの折損が発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、特に、高速穴あけ加工を行う際に発生しやすい超硬合金製ミニチュアドリルの折損について、鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

（ａ）超硬合金製ミニチュアドリルの折損は、まず、切刃エッジ部にチッピングが発生し、その結果、穴あけ加工時のドリル回転抵抗が高まり、その後、外周マージン部にクラックが導入・進展することにより、ねじ切れるように折損が発生すること。

（ｂ）超硬合金の結合相を構成するＣｏ相は、その結晶構造として、面心立方結晶構造（以下、ｆｃｃで示す）のＣｏ（以下、Ｃｏ・ｆｃｃで示す）および稠密六方結晶構造（以下、ｈｃｐで示す）のＣｏ（以下、Ｃｏ・ｈｃｐで示す）という二つの結晶構造を有するが、超硬合金製ミニチュアドリルの切刃エッジ部のチッピングの発生は、結合相の構成成分であるＣｏの、Ｃｏ・ｈｃｐの含有割合（以下、ｈｃｐ変態率という）を一定値以下に低く抑えることにより抑制され、これとは逆に、外周マージン部のクラックの導入・進展は、ｈｃｐ変態率を一定値以上に高くコントロールすることにより抑制できること。

（ｃ）結合相のＣｏのｈｃｐ変態率は、その部位を加工する砥石の粒度、加工条件、取り代あるいはブラスト処理等で調整できること。

（ｄ）通常、焼結後の超硬合金中のＣｏ相はｆｃｃ単相を示すが、これは高温準安定相であって、粗研削により表面は安定相のｈｃｐ相に変態する。
ところで、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、圧縮残留応力が誘起されるようになり、その結果として、クラックの導入・進展が抑制され、耐欠損性が向上するようになる。
しかし、その一方、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、耐食性が劣化するようになるため、耐チッピング性の向上を図るためには、湿式研削やその後の洗浄で、特に、切刃エッジ部が、腐食を受けないようにすることが重要であるが、ｆｃｃ相はｈｃｐ相に比して耐食性に優れた相であることから、耐チッピング性を向上させるためには、粗研削を行わない、あるいは、粗研削後に仕上げ研削を充分に行うこと等によって、ｈｃｐ相を形成させずに、ｆｃｃ相をそのまま維持することが重要である。
この場合、仮に、湿式研削、その後の洗浄を施したとしても、ｆｃｃ相からなる箇所は、耐食性に優れるためチッピングの発生が大きく低減される。
上記のとおり、ｆｃｃ相によるチッピングの発生の低減、さらに、ｈｃｐ相によるクラックの導入・進展の抑制が相俟って、超硬合金製ミニチュアドリルの耐欠損性が大幅に改善されることを新たに見出した。
以上、（ａ）〜（ｄ）に示される知見を得たのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）溝形成部とシャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部は、結合相形成成分としてＣｏ４〜１６質量％および硬質相形成成分として炭化タングステンを含有する超硬合金製ミニチュアドリルにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、外周マージン部、切刃エッジ部を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造のＣｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、
さらに、面心立方構造のＣｏとの合量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率＝
Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
で表した時に、
外周マージン部については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
また、切刃エッジ部については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
をそれぞれ満たすことを特徴とする、耐折損性に優れた超硬合金製ミニチュアドリル。
（２）前記溝形成部が、結合相および硬質相形成成分として、
Ｃｒ，Ｖ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３質量％さらに含有する、前記（１）記載の耐折損性に優れた超硬合金製ミニチュアドリル。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について詳細に説明する。

（１）Ｃｏ
結合相形成成分としてのＣｏ含有量が４％未満では所望の強度および靭性を確保することができず、一方Ｃｏ含有量が１６％を超えると急激に軟化し、細径のものではねじれ切れが発生し易くなることから、Ｃｏ含有量を４〜１６％と定めた。

（２）Ｃｒ，Ｖ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ
結合相あるいは硬質相形成成分として、上記の各成分を添加含有させることができるが、結合相を形成するＣｏ中に固溶した状態で硬質相を形成するＷＣ相の成長を著しく抑制して、ＷＣ相の粒径を微細化し、超硬合金を微粒組織とする作用があるが、この作用は、Ｃｒ，Ｖ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上の合計含有量が０．１％未満では不充分となり、一方、その合計含有量が３％を超えると、これらの成分が粗大な炭化物として析出し、強度および靭性を低下させるようになる。
また、上記の各成分は、含有量合計が０．１〜３％の場合には、その一部が、硬質相形成成分であるＷと複合炭化物を形成し、あるいはさらに、それぞれの成分の炭化物からなる微細な硬質相を均一に分散析出させ、強度および靭性の向上に寄与する。
したがって、上記各成分の１種または２種以上の含有量合計を０．１〜３％と定めた。

（３）切刃エッジ部、外周マージン部のＸ線回折ピークの強度比（ｈｃｐ変態率）
本発明では、超硬合金製ミニチュアドリルの折損が、切刃エッジ部におけるチッピングの発生及びこれに続く外周マージン部へのクラックの導入とクラックの進展により発生するとの知見に基づき、微小部Ｘ線回折装置により、超硬合金製ミニチュアドリルについてのＸ線回折パターンを測定し、面心立方構造のＣｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、
さらに、面心立方構造のＣｏとの合量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率＝
Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
で表した時に、
切刃エッジ部については、ｈｃｐ変態率≦０．１を満足するようにＣｏの結晶構造を定め、Ｃｏ・ｈｃｐの含有割合（ｈｃｐ変態率）を低く抑えることによりチッピングの発生を防止している。ｈｃｐ変態率が、０．１を超えると、耐食性に劣るｈｃｐ相により切刃エッジ部にチッピングが生じるようになることから、ｈｃｐ変態率を０．１以下とすることが必要であり、好ましくは、０≦ｈｃｐ変態率≦０．０８である。
また、外周マージン部については、ｈｃｐ変態率≧０．２を満足するようにＣｏの結晶構造を定め、Ｃｏ・ｈｃｐの含有割合（ｈｃｐ変態率）を一定値以上に高くコントロールして、クラックの導入とクラックの進展を抑制した。ｈｃｐ変態率が、０．２未満であると、変態に伴う圧縮残留応力の誘起が不十分なため、クラックが導入・進展しやすくなることから、ｈｃｐ変態率を０．２以上とすることが必要であり、好ましくは、０．３≦ｈｃｐ変態率≦０．５である。

超硬合金製ミニチュアドリルに対して、例えば、以下のような処理を施すことにより、切刃エッジ部、外周マージン部のｈｃｐ変態率が上記数値範囲内の超硬合金製ミニチュアドリルを得ることができる。
まず、ドリル径加工終了後で、フルート・リリーフ加工前のミニチュアドリルを準備する。このミニチュアドリルのドリル部外周を回転させながら、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いてエアーブラスト処理を施す。その後、十分に洗浄した後、フルート・リリーフ加工とポイント加工を施すが、切刃エッジ部の仕上加工にあたっては、粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を使用して、３０μｍ以上の取代を確保するようにする。

また、切刃エッジ部、外周マージン部のｈｃｐ変態率は、その表面を、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折によって求めることができる。
例えば、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル５の切刃エッジ部のＸ線回折パターンを図３に、また、外周マージン部のＸ線回折パターンを図４に示すが、図３において、回折角２θ４４度の位置にＣｏ・ｆｃｃ（１１１）のピーク（ピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１））が現れ、また、回折角２θ４１〜４２度の位置にＣｏ・ｈｃｐ（１０１）のピーク（ピーク強度Ｉｈｃｐ（１０１））が現れていないことがわかる。
そして、上記ピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１）およびＩｈｃｐ（１０１）の値から、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル５の切刃エッジ部のｈｃｐ変態率を計算すると、
ｈｃｐ変態率＝
Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
＝０／{５７１＋０}
＝０
となり、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル５の切刃エッジ部は、ｈｃｐ変態率は小さい値（＝０）であり、耐チッピング性が高められたものとなっている。

また、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル５の外周マージン部のＸ線回折パターンを示す図４において、回折角２θ４４〜４５度の位置にＣｏ・ｆｃｃ（１１１）のピーク（ピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１））が現れ、また、回折角２θ４１〜４２度の位置にＣｏ・ｈｃｐ（１０１）のピーク（ピーク強度Ｉｈｃｐ（１０１））が現れており、これらのピーク強度から、外周マージン部のｈｃｐ変態率を計算すると、
ｈｃｐ変態率＝
Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（２００）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
＝１５１／{４５３＋１５１}
＝０．２５
となり、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル５の外周マージン部は、ｈｃｐ変態率は高い数値を示し、圧縮残留応力の作用によって、クラックの導入と進展が抑えられていることがわかる。

本発明の超硬合金製ミニチュアドリルは、少なくとも溝形成部の結合相を構成するＣｏの結晶構造を、外周マージン部についてはｈｃｐ変態率が０．２以上、また、切刃エッジ部についてはｈｃｐ変態率が０．１以下の結晶構造のもので形成しているので、切刃エッジ部は耐チッピング性が高められ、また、外周マージン部はクラックの導入と進展が抑えられるため、その結果、例えば、半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工に用いた場合にも、優れた耐欠損性を長期に亘って発揮するのであるから、穴あけ加工の省エネ化、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。

つぎに、本発明の超硬合金製ミニチュアドリルについて、実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜６・高フ範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末およびＺｒＣ粉末を、表１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^-2Ｔｏｒｒ）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を製造した。

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１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）に成形する際に、切刃エッジ部および外周マージン部に対しては、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いたエアーブラスト処理および粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を用いた３０μｍ以上の仕上研削加工処理を行い、図１、図２に示される形状をもった本発明の超硬合金製ミニチュアドリル１〜９（以下、実施例１〜９という）を製造した。

比較のため、前記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１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）に成形することにより、図１、図２に示される形状をもった比較例の超硬合金製ミニチュアドリル１〜６（以下、比較例１〜６という）を製造した。

ついで、上記実施例１〜９および比較例１〜６の超硬合金製ミニチュアドリルの、それぞれの切刃エッジ部および外周マージン部の組成を分析したところ、表２に示される結果を示した。
さらに上記各超硬合金製ミニチュアドリルの切刃エッジ部表面および外周マージン部表面の結合相のＣｏをＣｕＫα線を用いてＸ線回折したところ、いずれも回折角：２θで、４４〜４５度（（１１１)面）にＣｏ・ｆｃｃを示すピークが現れると共に、４１〜４２度（（１０１)面）にもＣｏ・ｈｃｐを示すピークが現れた。
それぞれの結晶格子面のピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１）およびＩｈｃｐ（１０１）を測定し、これらの値から、それぞれについてのｈｃｐ変態率を求めた。この値を同じく表２に示す。
なお、実施例５について測定した切刃エッジ部表面のＸ線回折パターンを図３に、また、同じく測定した外周マージン部表面のＸ線回折パターンを図４に示す。

つぎに、上記実施例１〜９および比較例１〜６の超硬合金製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８層積層板からなる厚さ：１．６ｍｍのプリント基板を６枚重ねたものに表３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１０％の摩耗が生じるまでの穴あけ加工数を測定した。これらの測定結果を表３にそれぞれ平均値で示した。

表３の結果から明らかなように、本発明の超硬合金製ミニチュアドリル(実施例１〜９)は、少なくとも溝形成部の結合相を構成するＣｏのｈｃｐ変態率を、外周マージン部は０．２以上、また、切刃エッジ部は０．１以下としているので、耐チッピング性が高められると同時にクラックの導入と進展が抑えられ、優れた耐欠損性を長期に亘って発揮するものである。
しかるに、比較例の超硬合金製ミニチュアドリル(比較例１〜６)では、外周マージン部のｈｃｐ変態率が０．２未満あるいは切刃エッジ部のｈｃｐ変態率が０．１を超えているため、チッピング発生あるいはクラックの進展によって、超硬合金製ミニチュアドリルがねじ切れるように折損を発生し、使用寿命が極めて短いものとなっている。

以上のとおり、本発明の超硬合金製ミニチュアドリルは、例えば、半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工に用いた場合にも、優れた耐欠損性を長期に亘って発揮するのであるから、穴あけ加工の省エネ化、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。

ミニチュアドリルの概略拡大正面図を示す。ミニチュアドリル先端部をＩ方向から見た拡大図である。実施例５について測定した切刃エッジ部表面のＸ線回折パターンを示す。実施例５について測定した外周マージン部表面のＸ線回折パターンを示す。

Claims

溝形成部とシャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部は、結合相形成成分としてＣｏ４〜１６質量％および硬質相形成成分として炭化タングステンを含有する超硬合金製ミニチュアドリルにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、外周マージン部、切刃エッジ部を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造のＣｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、
さらに、面心立方構造のＣｏとの合量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率＝
Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
で表した時に、
外周マージン部については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
また、切刃エッジ部については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
をそれぞれ満たすことを特徴とする、耐折損性に優れた超硬合金製ミニチュアドリル。
前記溝形成部が、結合相および硬質相形成成分として、
Ｃｒ，Ｖ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜３質量％さらに含有する、請求項１記載の耐折損性に優れた超硬合金製ミニチュアドリル。