JPH0788713A

JPH0788713A - 炭素膜被覆ドリル及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0788713A
Application number: JP23657793A
Authority: JP
Inventors: Seiji Kameoka; 誠司亀岡; Tsutomu Ikeda; 孜池田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-09-22
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】炭素膜を被覆したドリル、特に超硬合金系ド
リルやセラミックス系ドリルにおける耐折損性の低さを
改善する。【構成】炭素膜被覆ドリルを刃先部を除く位置（軸径
長さに相当する位置）より根元側の全表面または一部表
面にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれか一種以上を含む物質を
膜状あるいは島状に存在せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンドや非晶質炭
素等の硬質炭素膜を被覆したドリル並びにその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】穴開け加工用ドリルとしては、従来から
超硬合金や各種セラミックスを母材としたドリル、ある
いはそれらの作用部にＴｉＮやＴｉＣ等の高硬度セラミ
ックス膜を被覆したドリル等が実用化されている。しか
しながら、近年切削加工の分野では被削材の高硬度化、
難削化の傾向が急速に高まっており、これら従来の工具
では対応することが困難な状況になりつつある。例え
ば、電子集積回路積層基板（プリント基板）の加工分野
では、プリント基板の多層化や基板の強度増大、例え
ば、種々のガラス繊維による樹脂強化がもたらす難削化
が進んでおり、これらの状況に対応し得る耐摩耗性，耐
折損性に優れた小径ドリル（ミニチュアドリル）が切に
望まれている。そこで穴開け加工時の切削条件を工夫し
たり、ミニチュアドリルの一般的な母材である超硬合金
の組成を調整するといった対策がとられているが、これ
らの手段によっても満足する寿命は達成されていないの
が現状である。

【０００３】これらの問題を解決する手段の一つとし
て、ドリル表面に上記ＴｉＮやＴｉＣに優る硬質膜を被
覆することが検討されている。中でも、ダイヤモンドを
代表とする硬質炭素膜気相合成の研究、並びにその切削
工具や耐摩摺動部材等への応用開発は近年特に活発化し
ている。これは、ダイヤモンドがＴｉＮ等の従来の化合
物系硬質膜と比較して高硬度，高熱伝導率を有し、切削
時の耐摩耗性と放熱性に優れた特性を示すことによるも
のであって、従来の硬質膜被覆工具では遂行・達成でき
なかった様な難削材加工，高速加工並びに精密加工を可
能にすることができる技術として注目されている。しか
しながら、これまでに開発されている技術を用いて作製
された硬質炭素膜被覆ドリルには、以下の如き技術的課
題が残されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ドリルの表面にダイヤ
モンド等の硬質膜を被覆することによって耐摩耗性を著
しく向上させようとする試みは、例えば特公昭６１−５
０７２４号公報，特開昭６１−１４６４１０号公報，特
開平２−４８１０６号公報あるいは特開平４−２１０３
１５号公報等にその技術が開発されている。これらに開
示されている技術は一応の目的を達成しているが、ドリ
ルの折損については、なお重大な技術的課題を残してい
る。特に、ドリル径が１ｍｍ以下のミニチュアドリルの
場合には折損の問題が顕著である。例えば特開平４−１
３５０６号公報等で記載されている如く、靭性のないセ
ラミックスを母材に用いた場合は耐折損性がより低下す
るのは勿論のこと、特開平４−２７５８１２号公報に記
載されている如く、被覆部位を刃先に限定する等の手段
を用いた場合でも耐折損性を改善するには至らない。そ
こで本発明はダイヤモンド等の硬質膜による優れた耐摩
耗性が発揮される以前の問題として、ドリルの折損防止
という技術的課題を設定してなされたものであって、硬
質炭素膜被覆ドリルの耐折損性を著しく改善し、長期に
亘り優れた切削性を維持し得るドリルを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の炭素膜被覆ドリルとは、少なくともドリル先端部
表面に炭素膜を被覆してなるドリルにおいて、ドリル最
先端から測って軸径長さに相当する位置と、該位置から
測ってドリル刃長の１／２長さに相当する位置との間の
刃形成領域の表面の全部または少なくとも切溝表面の一
部に、VIII族元素を含有する物質が膜状あるいは島状に
存在することに要旨を有するものである。ここで軸径と
は、切刃を構成する部分の軸の径であり、チャッキング
される部分の軸の径でないことは言うまでもない。この
場合、膜状あるいは島状に存在するVIII族元素の上層に
更に炭素膜が存在しても構わない。即ち、本発明の別の
形態としては、ドリル最先端から測って軸径長さに相当
する位置と、該位置から測ってドリル刃長の１／２長さ
に相当する位置との間の刃形成領域の表面に被覆された
炭素膜の下層の全部または少なくとも切溝表面の一部に
VIII族元素を含有する物質が膜状あるいは島状に存在す
るものが示される。尚VIII族元素含有物質の膜状あるい
は島状形成部の下層側に炭素膜が存在しないもの、更に
は下層側・上層側のいずれにも炭素膜が存在しないもの
も本発明に含まれる。

【０００６】そして、このような形態を実現するための
具体的手段の一例としては、VIII族元素を含有する超硬
合金からなり、且つ少なくともドリル先端部表面に硬質
炭素膜を被覆してなるドリルの刃形成部を熱処理するこ
とにより、ドリル最先端から測って軸径長さに相当する
位置と、該位置から測ってドリル刃長の１／２長さに相
当する位置との間の刃形成領域の表面の全部または切溝
表面の一部にVIII族元素を含有する物質を膜状あるいは
島状に存在させることが挙げられ、この熱処理方法とし
ては、少なくともＨ，Ｎ，Ｆ，Ｃ及び希ガスの少なくと
も１種類の元素を含む物質を励起したプラズマ中での被
曝によって８００℃以上に加熱することであることが望
ましい。

【０００７】

【作用】本発明者らは、種々の被削材を用いて硬質炭素
膜被覆ドリルの折損原因について検討した結果、ドリル
の折損の主たる原因は被削材の切り屑排出性の低下にあ
り、更に金属を含む被削材を切削した場合にはとりわけ
折損が顕著になることが判明した。例えば硬質炭素膜で
被覆したミニチュアドリルを用いてプリント基板の穴開
け加工を行なう場合でも、折損の原因は、ガラス繊維の
切り屑の排出性の低さにあるというよりも、多くの場
合、基板を構成する銅やエントリーボードとしてしばし
ば用いられているアルミニウム等の金属の切り屑の排出
性の低下が大きな要因となっていることを見いだした。
これを被覆工具の場合について説明すれば、切刃の鋭利
性が硬質炭素膜の存在によって低下し金属の切り屑がし
ばしば連続的につながって溝部に巻き込まれる状態にな
ると、この巻き込まれた金属の切溝の中での滑り、即
ち、切り溝表面に存在する物質との親和性の大小が切り
屑詰まりの発生に大きく影響しているものと推察され
る。

【０００８】そこで本発明者らは、これらの知見に基づ
きさらに検討を重ねた結果、ドリル最先端から測って軸
径長さに相当する位置と、該位置から測ってドリル刃長
の１／２長さに相当する位置との間の刃形成領域の表面
の全部または少なくとも切溝表面の一部に、ある特定の
元素を含有する物質を膜状あるいは島状に存在させたと
ころ、被削材に含まれる多くの金属、例えば前記アルミ
ニウムや銅との親和性が減少し、従って切り屑の詰まり
による折損も大幅に改善されることを見いだした。これ
ら特定の元素とは周期律表でVIII族に属する元素であ
り、鉄，ニッケル，コバルトに代表される。これらの元
素はいかなる状態で存在しても本発明の効果達成に寄与
し、単体はもちろん、一部あるいはその全部が化合物や
固溶体を構成したものであっても構わない。また、これ
らの元素は少なくともその１種類が含有されておれば良
く、勿論、複数の元素を含有することも可能である。こ
の場合、膜状あるいは島状に存在するVIII族元素の上層
に炭素膜が存在しても本発明の効果は同様に得られる。
これは、VIII族元素の上に炭素膜を被覆した場合には、
通常、十分な付着力が得られず、切削中に剥離除去され
るためである。また、本発明において、VIII族元素を含
有する物質の存在領域をドリル最先端から測って軸径長
さに相当する位置と、該位置から測ってドリル刃長の１
／２長さに相当する位置との間の刃形成領域（以下本発
明特定領域と言うことがある）に限定したのは、軸径長
さに相当する位置よりもドリル先端側にVIII族元素が存
在すると、硬質炭素膜被覆を形成する時にVIII族元素の
蒸気が発生し切れ刃部に被覆される膜密着性が該蒸気に
よって阻害されることがあるためであり、刃長の１／２
長さに相当する位置より下部のみにVIII族元素を含有す
る物質が存在しても十分な効果が得られないためであ
る。尚、本発明の効果はVIII族元素を含有する物質の厚
みによって特に左右されるものではないが、例えば薄す
ぎた場合には切削時に切り屑との擦過によって剥離し、
効果の持続が短縮され、また厚すぎた場合には軸径が変
化して加工精度に影響を及ぼすため、通常は０．１μｍ
から２０μｍ程度が適当であると言える。

【０００９】このような本発明のドリルを製造するため
の具体的手段としては、種々の手段が挙げられる。例え
ば、VIII族元素を含有する超硬合金からなるドリルの刃
形成部、特に好ましくは先端部のみを熱処理することに
より、本発明特定領域の表面の全部または一部にVIII族
元素を含有する物質を膜状あるいは島状に存在させるこ
とが挙げられる。このような熱処理を施すことによっ
て、ドリル先端部表面に存在するVIII族元素、例えば一
般的な超硬合金の場合にはコバルトやニッケルが蒸発
し、前記本発明特定領域に再析出させることができる。
この場合、この熱処理方法は、Ｈ，Ｎ，Ｆ，Ｃ及び希ガ
スの少なくとも１種類の元素を含む物質を励起したプラ
ズマ中で被曝させることによって８００℃以上に加熱す
る工程を含むものでものであることが特に望ましい。こ
れは、プラズマへの被曝がVIII族元素のエッチングに最
も効果的であるだけでなく、プラズマ空間中へのドリル
の配置を適切に選択することによって、ドリルの最先端
部のみを集中的に熱処理することが可能となるからであ
る。尚、適切な熱処理条件は母材成分，母材形状，プラ
ズマ成分等によって異なるが、通常は８００〜１５００
℃で１時間以内の処理で十分である。またこの時、プラ
ズマを励起する手段としては、ＲＦ，マイクロ波，ＥＣ
Ｒ，ＤＣアーク，熱フィラメント，パルス放電等が挙げ
られる。尚、本発明の実施態様はこのような超硬合金の
熱処理法に限定されるものではない。例えば、ドリルの
先端のみをマスキングした後、VIII族元素を含有する物
質を通常のＣＶＤ，ＰＶＤあるいは種々の化学メッキ法
によって本発明特定領域の表面の全部または一部にのみ
膜状あるいは島状に存在させることもできる。この手法
によれば、ドリルの母材材種は問わない。

【００１０】このように、本発明のドリルを製造するた
めには種々の手法を用いることができるが、いずれの場
合も、本発明特定領域の表面の全部または一部にVIII族
元素を含有する物質を膜状あるいは島状に存在させた後
にドリル先端部に硬質炭素膜を被覆することが望まし
い。これは、通常の気相合成法で炭素膜を被覆した場
合、本発明特定領域を含むドリル下部にも密着力の弱い
炭素膜が被覆されることとなり、このような炭素膜が被
覆された上に本発明に係る上記物質が存在することにな
る結果、使用条件によっては炭素膜の剥離とともにこれ
らの物質が除去され、本発明の効果が早期に消失する場
合があるためである。但し、炭素膜被覆工程を、VIII族
元素含有物質を膜状あるいは島状に存在させる工程より
も先に行なった場合でも、炭素膜を被覆する領域が軸先
端部分に限定されているならば、本発明の効果を早期に
消失させる恐れがないことは言うまでもない。

【００１１】本発明に係る炭素膜を構成する粒子とは、
通常の走査型電子顕微鏡，透過型電子顕微鏡，Ｘ線回折
或は電子線回折等の機器分析手法で確認し得る粒子であ
り、その結晶構造はダイヤモンド構造を有するものであ
る。しかしながら、本発明に係る炭素膜は実質的に該粒
子のみから構成される必要はなく、非ダイヤモンド成
分、即ち、非結晶性ダイヤモンドやグラファイトとの混
合物、或は実質的に構成物質たり得ない他の微量添加金
属成分等を含む構成となる場合も本発明に含まれる。こ
れら炭素膜の被覆厚さは用途によって異なり、特に限定
されるべきではないが、通常５〜３０μｍ程度が適当で
ある。また、被覆する炭素膜の形成方法についても特に
限定するものではない。例えば、マイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法，熱フィラメント法，高周波プラズマＣＶＤ法，
イオンビーム法等、公知のＣＶＤ，ＰＶＤ法を適用する
ことができる。また、合成に用いる原料ガスとしては、
メタン，エタン等の炭化水素系ガスの他、メタノール，
エタノール等のアルコール系ガス、或は一酸化炭素等の
酸化炭素系ガスを用いることができ、通常はこれら炭素
含有ガスと水素との混合ガスを用いる。尚、本発明にお
けるドリルの大きさ、構造、構成、素材等は特に制限し
ないが、代表的なものとしてはミニチュアドリルが示さ
れ、また素材としては、超硬合金の他、各種セラミック
スを用いることができる。

【００１２】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術範囲に含まれるものである。

【００１３】

【実施例】

実施例１Ｋ種超硬合金（バインダ成分：Ｃｏ，ＴａＣ）を母材と
するφ１．０５ｍｍ，軸長７ｍｍのミニチュアドリル
と、窒化珪素を母材とする同一形状のミニチュアドリル
を用い、表１に示す種々の前処理を施した後、炭素膜被
覆ドリルを作製した。ここで、Ｎo.１とＮo.４は超硬母
材、Ｎo.２とＮo.３は窒化珪素母材である。このとき、
炭素膜の被覆はマイクロ波プラズマＣＶＤ法で励起した
メタン−水素混合ガスをドリルの軸に接触させることに
より行ない、メタン濃度，ガス圧力及び反応時間はそれ
ぞれ２％，３０Ｔｏｒｒ及び１０時間とした。尚、いず
れの場合も炭素膜被覆前にはダイヤモンド砥粒（平均粒
径約０．５μｍ）を含むエタノール懸濁液中で超音波処
理を施した。炭素膜被覆後のＳＥＭ並びにラマン分光分
析の結果、いずれのドリルの場合も炭素膜は軸先端から
約５ｍｍの領域まで被覆されており、軸先端部の膜並び
に軸先端部から２ｍｍ以下の部分の膜はそれぞれ非結晶
性ダイヤモンドと結晶性ダイヤモンドの混合物並びにグ
ラファイトと非結晶性ダイヤモンドの混合物から構成さ
れていた。また、レーザーによる軸径測定の結果、被覆
膜の膜厚は軸先端部で約１１μｍであった。

【００１４】

【表１】

【００１５】次に、これら４種類のミニチュアドリルを
用い、プリント基板の穴明け試験を行なった。このと
き、被削材として厚み１．５ｍｍのエポキシ樹脂製基板
（４層板，Ｃｕ厚み：内層７０μｍ，外層１８μｍ）を
３枚重ねにした合板を用い、エントリーボードとして厚
さ０．２５ｍｍのＡｌ板を使用した。また、加工条件は
回転数７５万ｒｐｍ，送り速度３ｍ／ｍｉｎとした。そ
の結果、表２に示す様に、Ｎo.１及びＮo.２では折損が
なく、加工精度も良好であったのに対し、Ｎo.４ではド
リルが早期に折損した。Ｎo.４において折損後の状態を
調べた結果、折損は切り屑、特にアルミニウムと銅の溝
部への詰まりが原因であり、Ｎo.１，Ｎo.２との差異は
切り屑の排出性の違いであると推察された。尚、Ｎo.１
及びＮo.２のドリルでは、０．２万穴加工後の時点で既
に軸先端から約２ｍｍ以下の炭素膜は消失しており、前
処理によって生成された物質（表１）のみが露出してい
た。また、Ｎo.３では折損に対する効果が認められたも
のの、Ｎo.１，Ｎo.２に比べて劣っていた。これは炭素
膜の剥離に伴って、その上層に生成した物質（表１）も
消失したためであると推察される。

【００１６】

【表２】

【００１７】実施例２Ｋ種超硬合金（バインダ成分：Ｃｏ，Ｃｒ₂ Ｃ₃ ，Ｖ
Ｃ）を母材とするφ０．４５ｍｍ，軸長６ｍｍのミニチ
ュアドリルを用い、表３に示す種々の前処理を施した
後、炭素膜被覆ドリルを作製した。このとき、炭素膜の
被覆はマイクロ波プラズマＣＶＤ法で励起したメタン−
水素混合ガスをドリルの軸先端部のみに接触させること
により行ない、メタン濃度，ガス圧力及び反応時間はそ
れぞれ１％，３５Ｔｏｒｒ及び１２時間とした。尚、い
ずれの場合も炭素膜被覆前にはダイヤモンド砥粒（平均
粒径約０．５μｍ）を含むエタノール懸濁液中で超音波
処理を施した。炭素膜被覆後のＳＥＭ並びにラマン分光
分析の結果、いずれのドリルの場合も炭素膜の被覆領域
は軸先端から約１ｍｍであった。また、軸先端部の膜は
結晶性ダイヤモンドから構成されており、レーザーによ
る軸径測定の結果、被覆膜の膜厚は軸先端部で約９μｍ
であった。

【００１８】

【表３】

【００１９】次に、これら４種類のミニチュアドリルを
用い、プリント基板の穴明け試験を行なった。このと
き、被削材として厚み１．６ｍｍのエポキシ樹脂製基板
（両面板，Ｃｕ厚み：３６μｍ）を２枚重ねにした合板
を用い、エントリーボードとして厚さ０．２０ｍｍのＡ
ｌ板を使用した。また、加工条件は回転数８万ｒｐｍ，
送り速度２ｍ／ｍｉｎとした。その結果、表４に示す様
に、Ｎo.１〜３では折損がなく、加工精度も良好であっ
たのに対し、Ｎo.４ではドリルが早期に折損した。Ｎo.
４において折損後の状態を調べた結果、折損は切り屑、
特にアルミニウムと銅の溝部への詰まりが原因であり、
Ｎo.１〜３との差異は切り屑の排出性の違いであると推
察された。

【００２０】

【表４】

【００２１】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、硬質炭
素膜被覆ドリルの耐折損性を著しく改善し、長期に亘り
優れた切削性能を維持し得るミニチュアドリルを提供す
ることができ、その工業的価値は極めて大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともドリル先端部表面に硬質炭素
膜を被覆してなるドリルにおいて、該ドリル最先端から
測って軸径長さに相当する位置と、該位置から測ってド
リル刃長の１／２長さに相当する位置との間の刃形成領
域の表面の全部または少なくとも切溝表面の一部に、VI
II族元素を含有する物質が膜状あるいは島状に存在する
ことを特徴とするドリル。
【請求項２】ドリル先端部表面に硬質炭素膜を被覆し
てなるドリルにおいて、該ドリル最先端から測って軸径
長さに相当する位置と、該位置から測ってドリル刃長の
１／２長さに相当する位置との間の刃形成領域の表面に
被覆されている前記炭素膜の下層の全部または少なくと
も切溝表面の一部に、VIII族元素を含有する物質が膜状
あるいは島状に存在することを特徴とするドリル。
【請求項３】 VIII族元素を含有する超硬合金からなり
かつ少なくともドリル先端部表面に硬質炭素膜を被覆し
てなるドリルの刃形成部を熱処理することにより、該ド
リル最先端から測って軸径長さに相当する位置と、該位
置から測ってドリル刃長の１／２長さに相当する位置と
の間の刃形成領域の表面の全部または少なくとも切溝表
面の一部に、VIII族元素を含有する物質を膜状あるいは
島状に存在させることを特徴とする請求項１または２に
記載のドリルの製造方法。
【請求項４】請求項３における熱処理方法が、少なく
ともＨ，Ｎ，Ｆ，Ｃ及び希ガスの少なくとも１種類の元
素を含む物質を励起したプラズマ中での被曝によって８
００℃以上に加熱することであるドリルの製造方法。