JP3790449B2

JP3790449B2 - 薄型切断刃

Info

Publication number: JP3790449B2
Application number: JP2001209027A
Authority: JP
Inventors: 信昭浅田; 浩則堀端; 修青木; 斉大谷
Original assignee: ALMT Corp
Current assignee: ALMT Corp
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2002086387A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄型切断刃に関し、詳しくは、積層コンデンサーや積層セラミック基盤などやセラミックグリーンシート等の切断又は裁断に用いられる超硬合金製の切断刃の形状及び材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の、電子材料分野の軽薄短小化のスピードはすさましいものがあり、携帯電話、ディジタルスチルカメラが小型に向けて進んでいる。
【０００３】
そこに用いられるセラチップも、１６０８サイズのチップが１００５サイズのチップヘ、そしてさらに、０６０３あるいは０４０２サイズのチップへと進化しつつある。ここで、１６０８とは、１６ｍｍ×８ｍ×８ｍｍを意味する。つまり、０４０２は４ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍのサイズである。このようなサイズのセラミックチップを従来は，上下の切断刃を用いて切断したり、ギロチン方式において刃厚の厚い刃を用いて切断していた。また、材質としては、ステンレスがごく一般的に用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，１００５サイズのチップへ、そしてさらに、０６０３あるいは０４０２サイズヘ進化しつつあるセラミックチップを、従来のような切断刃あるいはステンレス材質で切断しようとすると問題がある。つまり、上下刃で切断する場合、上下の切断刃では刃厚を薄くすることが難しく、また、上下軸に対し切断刃を多数枚重ねて切断するには、精度の点で問題があった。
【０００５】
一方、ギロチン方式において切断する場合、刃厚が厚いために、従来のように１６０８サイズのチップに対しては、切断可能である。しかし、０４０２のような微細なサイズにおいては、もはや切断することが出来なくなる。
【０００６】
さらに、材質の点からは軽薄短小化が加速されることによって、セラミックシートのも高積層化が進み、その材料も複合材料となっている点からも、従来のようなステンレス材質では、摩耗が多くなり微細なサイズのチップを一回の切断刃のセッティングによって、多数個得るには問題がある。
【０００７】
そこで、被切断物の寸法精度を損なうことなく、切断を行うには厚さ０．１ｍｍ以下の極薄切断刃が必要となる。そして、そのような材質としては、超硬合金の使用が要望されている。
【０００８】
しかしながら、厚さ０．１ｍｍ以下の極薄切断刃では、板厚が薄い分摩耗速度も早く、また、チッピングにより寿命が短くなるという欠点を有した。
【０００９】
そこで、コーティング等で表面処理を施すことによって、切断刃の表面の硬さを増すことが考えられる。ここで、超硬合金製品へのコーティングはドリル、エンドミル、スローアウェイチップ等にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等をＣＶＤ，ＰＶＤで行う方法が一般的に行われている。
【００１０】
しかしながら、通常、厚さ０．１ｍｍ以下の超硬合金製極薄裁断刃に、ＣＶＤ，ＰＶＤ法でＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等の硬質層をコーティングすると、熱により反りや変形が生じ裁断刃として使用できなくなる。
【００１１】
また、膜厚のばらつきにより刃立ち性が損なわれ、切断精度が悪くなる。厚さ０．１ｍｍ以下の材料としては強度、耐摩耗性の面から超硬が求められるが、それでも寿命が短い等の問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の第１の技術的課題は、刃厚を薄くでき、微細なサイズにおいても切断精度を向上できる薄型切断刃を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の第２の技術的課題は、コーティングにより摩耗を少なくすることで寿命が長く、且つ安価に製造することができる薄型切断刃を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のような問題点を解決するために鋭意研究をした。その結果、平刃状の切断刃であって、その切断刃の厚さｔ（ｍｍ）について、ｔ≦０．１ｍｍ以下であり、その切断刃の長さｌ（ｍｍ）と高さｈ（ｍｍ）との間に３≦１／ｈ≦１１で、薄型切断刃において，その先端に位置する刃先は平刃の基部に対して対称であり、その先端角度θ（度）は１０≦θ≦２０なる薄型切断刃を製造できることを見出し本発明を為すに至ったものである。
【００１５】
即ち、本発明によれば、ＷＣ粒径が１．０μｍ以下で、１０ｍａｓｓ％Ｃｏ、０．８ｍａｓｓ％Ｃｒ _３Ｃ _２、０．２ｍａｓｓ％ＶＣ、１．０１ｍａｓｓ％ＴａＣからなる超硬合金を用いて作製した平板状の薄型切断刃であって、前記薄型切断刃の厚さｔ（ｍｍ）はｔ≦０．１ｍｍ以下であり、前記切断刃の長さｌ（ｍｍ）と高さｈ（ｍｍ）との間に３≦ｌ／ｈ≦１１なる関係を備え、且つ先端に位置する刃先は平刃の基部に対して対称であり、前記刃先の先端角度（θ）は１０≦θ≦２０の範囲であることを特徴とする薄型切断刃が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記薄型切断刃において、さらに、０．５≦Ｃｒ≦２．０、０．２≦Ｖ≦０．８、０．５≦Ｔａ≦２．０の範囲内（ｍａｓｓ％）を含有し、それらの全合計量が２．０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする薄型切断刃が得られる。
【００１７】
ここで、本発明において、上記のように数値限定した理由について説明する。
【００１８】
まず、本発明において、薄型切断刃の厚さ（ｔ）として、ｔ≦０．１ｍｍと限定したのは、０．１ｍｍを越えると１００５サイズのチップヘ、そしてさらに０６０３あるいは０４０２サイズヘ進化しつつあるセラミックチップを、精度良く切断することか不可能であること、また製品の歩留まりを考慮した場合、刃厚の薄い方が有利であることはいうまでもない。ただし、０．１ｍｍ以下では、現状では、０．０５ｍｍまでが薄く加工できる限界である。
【００１９】
また、本発明において、切断刃の長さ（ｌ）と高さ（ｈ）の比を３≦１／ｈ≦１１と限定したのは、以下の理由からである。
【００２０】
まず、切断刃の長さ（ｌ）と高さ（ｈ）の比を３以上としたのは、３以下の場合、切断した際の切断刃への座屈応力により、切断刃が撓み破壊に至るためである。
【００２１】
また、切断刃の長さ（ｌ）と高さ（ｈ）の比を１１以下としたのは，１１以上の場合、切断刃の反りが多くなり、取り付けが難しくかつ被切削物（セラミックチップ）の加工精度が出なくなるためである。
【００２２】
以上の点から、切断刃の長さ（ｌ）と高さ（ｈ）の比を３≦１／ｈ≦１１と限定した。
【００２３】
また、本発明において，先端角度を１０≦θ≦２０に限定したのは、以下の理由からである。
【００２４】
先端角度（θ）が１０以下の場合、その加工において、刃先に欠けが生じやすくなり、多数回切断出来なくなるためである。
【００２５】
一方、先端角度（θ）が２０以上の場合、切断時にその先端角度か大きいために、被切削物（セラミックチップ）が押し広げられて切断されるため、切断精度が出なくなるためである。以上の点から、先端角度を１０≦θ≦２０に限定した。
【００２６】
また、本発明者らは、超硬合金製薄型切断刃において、ＰＶＤによる低温成膜法を用いＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等硬質層をコーティングすることで長寿命化を図った。即ち、コーティングの幅、厚み等をコントロールすることで精度の問題を、低温スパッタの薄く広い面積に均一に成膜できる特長を生かし、１回の処理量を増加させコスト増の問題をも解決し、さらに、ＰＶＤによる低温成膜法の特長である密着性、高融点物質の成膜に向いていることを生かして、広い面積に均一に成膜を利用し、刃先先端部の幅０．２〜１．５ｍｍに、膜厚０．１〜１．０μｍのＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等の硬質層をコーティングすることで上記問題を解決したものである。
【００２７】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの薄型切断刃において、その切断刃の刃先にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの少なくとも一種からなる硬質層をコーティングしたことを特徴とする薄型切断刃が得られる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの薄型切断刃において、前記硬質層のコーティングは刃先０．２〜１．５ｍｍの幅に膜厚０．１〜１．０μｍを施したことを特徴とする薄型切断刃が得られる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの薄型切断刃において、セラミックグリーンシートの裁断又は切断に用いられることを特徴とする薄型切断刃が得られる。
【００３２】
ここで、本発明において、刃先角度により切断に使われる部分の長さが変化するが、コーティング幅を刃先先端部の幅０．２〜１．５ｍｍにしたのは、実際に切断に使われる部分に限定する事で、熱による反りや変形の防止を図るためである。
【００３３】
また、本発明において、コーティング層の厚みを０．１ｍｍ〜１．０μｍに限定したのは、膜厚０．１μｍ以下では耐摩耗性と欠けに効果が無く、１．０μｍ以上では刃立ち性が損なわれ、切断精度が悪くなるからである。さらに、コーティング後刃先部のみホ−ニング加工を施し、被切断物の寸法精度の向上が図られ、更なる長寿命化が可能となる。この場合コーティングは、膜厚１．０〜１０μｍで行い、ホ−ニング加工を施し、非切断物の寸法精度の向上が図られ、更なる、長寿命化が可能となる。この場合、ホーニング加工を施し、膜厚０．１〜１．０μｍとする。このように、本発明においては、コーティングを施す事で、刃先角度５°以上１０°未満のシャープエッジの裁断刃の作製も可能とするものである。
【００３８】
ここで、本発明において、基部の厚さを限定したのは以下の理由からである。基部の厚さ、つまり、取り付け部分の厚さであり、この部分は切断精度には関係なく、取り付けやすい方が作業性がよい。
【００３９】
よって、薄い刃でも、基部に同一材質あるいは異材質であっても、切断精度には問題か無く、取り付ける機械に合わせることが良い。
【００４０】
また、本発明において、ＷＣ粒径を１μｍ以下に限定したのは以下の理由からである。ＷＣ粒径が１ｍｍ未満の場合、その加工において、刃先における強度が下がること、また、切断時の摩耗に対して、十分効果を発揮することができなくなるためである。
【００４１】
但し、現状市販されているＷＣ粒径は、０．２μｍが限界である。
【００４２】
以上の点から、ＷＣ粒子径を１．０μｍ以下に限定した。
【００４３】
また、本発明において、結合相を８〜２０ｍａｓｓ％と限定したのは、以下の理由からである。結合相を８ｍａｓｓ％以下とすると、本切断刃のような使用においては切断刃が撓み破壊に至るためである。
【００４４】
一方、結合相を２０ｍａｓｓ％以上とすると、被切断物のような複合材料に対しては、摩耗量が多くなり、多数回切断することができなくなる。以上の点から、結合相を８〜２０ｍａｓｓ％と限定した。
【００４５】
また、本発明において、Ｃｒ，Ｖ，Ｔａを限定したのは、以下の理由からである。
【００４６】
薄型切断刃の場合、ＷＣ粒子の均−な制御は重要な問題で、粗大粒子が刃先にあると、その部分から欠けを生じて、切断刃が撓み破壊に至る。
【００４７】
そのため、粒成長抑制剤として、Ｃｒ、Ｖ，Ｔａの炭化物、炭窒化物そして窒化物を用いることによって、粗大粒子の成長を抑えることが出来る。
【００４８】
また、その効果は、それらの１種またはそれ以上を含有しても司様の効果か発揮できる。
【００４９】
さらに、それらの含有量については各Ｃｒ、Ｖ、Ｔａの下限値以下ではその粒成長用効果か発揮できない。
【００５０】
また、上限値以上では合金の炭素量や冷却速度によって第３相の析出することがあり、切断刃が欠けを起こし、破壊にいたる。
【００５１】
そして、全合計量が２．０ｍａｓｓ％以上になると同様に、第３相を生じさせ破壊に至る。以上の点から、Ｃｒ，Ｖ，Ｔａのそれらを限定した。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００５３】
図１（ａ）は本発明の実施の形態による超硬合金製薄型切断刃を示す正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図、図１（ｃ）は図１（ｃ）のＡ部分の拡大図である。
【００５４】
図１（ａ），（ｂ），及び（ｃ）を参照すると、切断刃１０は、基部１と、刃先部２とを備えた超硬合金からなる。超硬合金は、ＷＣ粒径１μｍ以下で、結合層としてＣｏを８〜２０ｍａｓｓ％の割合で含有する。また、焼結の際の粒成長抑制剤として、Ｃｒ，Ｖ．Ｔａの炭化物又は炭窒化物の内の少なくとも一種を含有している。この切断刃１０は、長さｌ，高さｈ、厚みｔを夫々備えている。
【００５５】
また、刃先部２の先端角度はθで示される。
【００５６】
図示の例においては、刃先部２に低温成膜によって、ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等の硬質層３のコーティングが施されている。このコーティングは、ダイヤモンドの砥石＃５０００を用いたホーニング加工され、加工後の膜厚０．１〜１．０ｍｍとなるように形成される。
【００５７】
母材が加熱により熱ひずみを生じさせない温度域で成膜することが重要であり、密着性、及び表面粗度が欠け、切断精度に影響し、寿命延長のポイントとなる。
【００５８】
（第１の実施の形態）
ＷＣ粒子径１．０μｍで、１０ｍａｓｓ％Ｃｏ−０．８ｍａｓｓ％Ｃｒ_３Ｃ_２−０．２ｍａｓｓ％ＶＣ−１．０１ｍａｓｓ％ＴａＣの超硬合金の素材を作り、切断刃の厚さ（ｔ）、長さ（ｌ）、高さ（ｈ）をそれそれ変化させて試作した切断刃を下記表１に示した。
【００５９】
また、被切断物としては、アルミナ、ホウケイ酸ガラス粉末とブチラール樹脂、可塑剤、溶剤を組み合わせたセラミックスグリーンシートを製作して行った。
【００６０】
切断テスト機は、０４０２が切断できるように切断刃を、昇降可能なツールホルダーに切断刃を取り付けて、切断刃を昇降と横方向の移動をさせてグリーンシートを切断した。
【００６１】
被切断物の評価は、切断物の寸法精度、及びバリの有無から評価を行い、その優劣をＯ×で示した。なお、寸法精度、バリに関しては顕微鏡を用いて評価を行った。
【００６２】
その結果を下記表２に示した。これからも判るように、本発明の切断刃はその被切断物の精度及びバリの発生具合からもわかるように従来の切断刃では切断できないサイズのセラチップの切断が可能になった。
【００６３】
【表１】

【００６４】
【表２】

【００６５】
（第２の実施の形態）
次に、第１の実施の形態に示した本発明合金４を用いて、下記表３に示した合金組成で切断テストをおこなった。切断回数は３０万回で全て終了し、刃先の摩耗量を計測し、テスト前の刃先位置から１００μｍ下がっていたり、欠けの有無についてその結果を表４に示した。なお、被切断物、切断サイズ、切断機は、第１の実施の形態と同じ物を用いた。
【００６６】
【表３】

【００６７】
【表４】

【００６８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、第１の実施の形態による極薄切断刃の組成で、切断刃の厚さ０．０７ｍｍ、長さ／高さが８の合金に、イオンプレーティングによりコーティングを行い、切断回数５０万回まで行い、下記表５および表６に示すような良好な結果が得られた。
【００６９】
【表５】

【００７０】
【表６】

【００７１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、上記第３の実施の形態に用いたものと同様の合金で刃先角度６゜と８°にＴｉＮをイオンプレーティングによりコーティングして、切断回数３０万回の試験を行った。その結果、下記表７および表８に示す。
【００７２】
【表７】

【００７３】
【表８】

【００７４】
上記表７および上記表８に示すように、刃先の角度を１０゜未満にしても、刃先部が硬質層でコーティングされているため、寿命が長く通常超硬合金の薄刃では困難なシャープエッジの刃先が製作可能である。
【００７５】
一般に、超硬合金製薄型切断刃においては、切断中に発生する微小チッピングが伝播して、刃全体を交換することがある。しかしながら、本発明の第３および第４の実施の形態に示すように、硬質層のコーティング処理を施す事で、その頻度を低減できる。
【００７６】
また、超硬合金製薄型切断刃の用途は、小さいチップ（１０ｍｍ以下）を裁断する時の使用が多いため、より薄く鋭角で長寿命なタイプが求められている。特に、カッテングマシンへの取付けにおいて、カッターの平行出しが難しく時間を要する。本発明の第３および第４の実施の形態に示すように、硬質層をコーティングすることで、耐摩耗性が向上し、平行出し回数が低減できコストダウンが図れる。
【００７７】
尚、処理量のチャージアップは、裁断刃と裁断刃の間にマスキングと接着防止を兼ねた、厚さ０．３ｍｍのアルミナシートを挟み、全体をホールドし、高さが一定に調整できる治具を作製し、この治具によりアルミチャージ量が従来の２倍にアップし、また、コーティング時の反りや変形の防止も可能となった。また、本発明の実施の形態において、コーティングはイオンプレーティングで実施したが、低温成膜であれば、どのような方法も用いることができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、刃厚を薄くでき、例えば、０４０２のような微細なサイズにおいても切断精度を向上できる極薄切断刃を提供することができる。
【００７９】
また、本発明によれば、摩耗が少ないために寿命が長く、特別な処理を施さなくとも所望する硬度が得られるので、安価に製造することができる極薄切断刃を提供することができる。
【００８０】
また、本発明によれば、硬質層のコーティングによる切断刃の寿命延長をすることができ、また、被切断物の寸法精度向上し、刃先角度１０°未満のシャープエッジの裁断刃の作製が可能になり、より小さな積層コンデンサーや、積層セラミックの製造が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態による超硬合金製薄型切断刃を示す正面図，（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部分の拡大図である。
【符号の説明】
１基部
２刃先部
３硬質層
１０切断刃

Claims

ＷＣ粒径が１．０μｍ以下で、１０ｍａｓｓ％Ｃｏ、０．８ｍａｓｓ％Ｃｒ _３Ｃ _２、０．２ｍａｓｓ％ＶＣ、１．０１ｍａｓｓ％ＴａＣからなる超硬合金を用いて作製した平板状の薄型切断刃であって、前記薄型切断刃の厚さｔ（ｍｍ）はｔ≦０．１ｍｍ以下であり、前記切断刃の長さｌ（ｍｍ）と高さｈ（ｍｍ）との間に３≦ｌ／ｈ≦１１なる関係を備え、且つ先端に位置する刃先は平刃の基部に対して対称であり、前記刃先の先端角度（θ）は１０≦θ≦２０の範囲であることを特徴とする薄型切断刃。
請求項１に記載の薄型切断刃において、さらに、０．５≦Ｃｒ≦２．０、０．２≦Ｖ≦０．８、０．５≦Ｔａ≦２．０の範囲内（ｍａｓｓ％）を含有し、それらの全合計量が２．０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする薄型切断刃。
請求項１又は２に記載の薄型切断刃において、その切断刃の刃先にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの少なくとも一種からなる硬質層をコーティングしたことを特徴とする薄型切断刃。
請求項１又は２に記載の薄型切断刃において、前記硬質層のコーティングは刃先０．２〜１．５ｍｍの幅に膜厚０．１〜１．０μｍを施したことを特徴とする薄型切断刃。
請求項１乃至４の内いずれか一つに記載の薄型切断刃において、セラミックグリーンシートの断裁又は切断に用いられることを特徴とする薄型切断刃。