TW201718135A - 棒狀體及切削工具 - Google Patents

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松下滋
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京瓷股份有限公司
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本發明之一態樣之棒狀體，係由含有WC粒子、Co、Cr及V之超硬合金所構成，且在長度方向具有第一端部及第二端部之長形物，第一端部中的Co的含量比第二端部中的Co的含量少，第一端部中的V的含量比第二端部中的V的含量少，且從第一端部往第二端部，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化，且斜率SCr比斜率SV小。

Description

棒狀體及切削工具
本發明係關於棒狀體以及鑽頭(drill)及端銑刀(end mill)等之切削工具。
長形的棒狀體，係作為構造件而使用。例如，由長形的圓柱形狀的棒狀體所構成之坯料(blank)，經過形成鋒刃之加工就成為鑽頭及端銑刀等之切削工具。使用於開孔加工之鑽頭，為人熟知的是具有位於前端之切刃及從切刃開始延伸的排屑溝槽(flute)之整體式鑽頭(soild drill)。鑽頭係用於要搭載例如電子零件之基板的開孔加工中。日本特開2012-526664號公報(專利文獻1)中揭示的坯料為棒狀體的一例，該坯料的組成在徑向或長度方向並不相同。
坯料一般係採用具有以含有Co(鈷)之結合相結合有WC(碳化鎢)粒子的構成之超硬合金。超硬合金的組成，已知的有例如日本特開平8-218145號公報(專利文獻2)中記載的。專利文獻2中有：藉由減小WC粒子的粒徑等來提高硬度之記載。
近年來，對於坯料有更加提高其耐磨耗性及 耐折損性之需求。
本發明之一態樣，係為由含有WC(碳化鎢)粒子、Co(鈷)、Cr(鉻)及V(釩)之超硬合金所構成，且在長度方向具有第一端部及第二端部之長形的棒狀體，其中，前述第一端部中的Co的含量比前述第二端部中的Co的含量少，前述第一端部中的V的含量比前述第二端部中的V的含量少，且從前述第一端部往前述第二端部，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化，且斜率SCr比斜率SV小。
1‧‧‧鑽頭(切削工具)
2‧‧‧坯料(切削工具用坯料)
3‧‧‧柄部
5‧‧‧切刃
6‧‧‧溝槽
7‧‧‧頸部
8‧‧‧鑽體
11‧‧‧第一區域
12‧‧‧第二區域
13‧‧‧第三區域
14‧‧‧第四區域
15‧‧‧突起部
20‧‧‧模具
21‧‧‧壓鑄模
22‧‧‧模穴
23‧‧‧下衝桿
24‧‧‧上衝桿
25‧‧‧WC粒子
27‧‧‧晶粒邊界
29‧‧‧區域
第1圖係由第1A至1D圖所構成，第1A圖係關於作為本實施形態之棒狀體的一例之坯料的側面圖，第1B圖係顯示第1A圖之坯料中的Co的含量的分佈之圖，第1C圖係顯示第1A圖之坯料中的Cr的含量的分佈之圖，第1D圖係顯示第1A圖之坯料中的V的含量的分佈之圖。
第2圖係關於第1A圖之坯料中的超硬合金的一例之穿透式電子顯微鏡照片。
第3圖係顯示第2圖的P線上的Co濃度的分佈狀態之EDX分析資料。
第4圖係由第4A及4B圖所構成，第4A圖係關於第1A圖之坯料的變形例之側面圖，第4B圖係顯示第4A圖之坯料中的Co的含量的分佈之圖。
第5圖係用來針對第1圖之坯料的製造方法的一例說明其模具的構成之模式圖。
第6圖係關於本實施形態之鑽頭的一例之側面圖。
關於棒狀體，將根據圖式而說明如下。本實施形態之切削工具用的坯料(以下簡稱為坯料)為棒狀體的一例。第1A圖為坯料的側面圖，第1B至1D圖分別為顯示坯料中的Co的含量、Cr的含量、V的含量的分佈之圖。第1圖中以虛線描繪的部分係表示使用坯料而形成之切削工具(鑽頭1)的一例。
第1圖之鑽頭1(切削工具的一例)所使用的坯料2，係為由含有WC粒子、Co、Cr及V之超硬合金所構成之長形的圓柱形狀，且在長度方向具有位於第一端部側之端部(以下將此記為端部A)、及位於第二端部側之端部(以下將此記為端部B)。在將本實施形態之坯料2用於鑽頭1之情況，係在位於第一端部側之端部(以下將此記為端部X)形成切刃5，然後將坯料2的端部B接合至位於鑽頭1的第二端部側的端部(以下將此記為端部Y)之柄部(shank)3。坯料2可直接接合至柄部3，亦可透過別的構件而接合至柄部3。
在本實施形態中，係藉由研磨坯料2的端部A來形成切刃5，所以坯料2的端部A要比鑽頭1之形成切刃5的端部X還要位於第一端部側。
坯料2除了含有WC、Co、Cr及V之外，亦 可含有W、Co、Cr、V以外之週期表IV、V、VI族金屬的碳化物。坯料2因為含有Cr而耐蝕性高。因為含有Co及Cr而可提高耐熱性。另外，Cr及V可抑制WC粒子的異常粒成長，所以可穩定地製作出強度高的超硬合金。例如，可製作出WC粒子的平均粒徑小於1μm之超硬合金。
根據本實施形態，坯料2的狀態係端部A中的Co的含量CoA比端部B中的Co的含量CoB少。亦即，鑽頭1的狀態係端部X中的Co的含量比端部Y中的Co的含量少。因此，不僅可提高在具有切刃5之端部X側的耐磨耗性，而且在鑽頭1及端銑刀等之切削工具可使在端部Y側的耐折損性比容易折損的中央部高。本實施形態中所謂的「含量」並不是指絕對的量之值，而是指含有比率(質量%)之值。
又，坯料2的狀態係端部A中的V的含量VA比端部B中的V的含量VB少。換句話說，鑽頭1的狀態係端部X中的Co的含量比端部Y中的Co的含量少。在端部A，VA相對較少，所以在端部A側較難抑制WC粒子之晶粒成長，WC粒子的平均粒徑會較大。
因而，在端部A側，超硬合金的耐崩刃(chipping)性會提高。另一方面，在端部B，V元素的含量相對較多，所以在端部B側較會抑制WC粒子之晶粒成長，WC粒子的平均粒徑會較小。因而，在端部Y側，超硬合金的強度會較高，鑽頭1的耐折損性會提高。
本實施形態之坯料2，係具有從端部A往端 部B，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化之區域，換句話說，鑽頭1係具有從端部X往端部Y，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化之區域。
如此的話，使斜率SCr比斜率SV小，坯料2就會整體的耐蝕性都很良好。而且，使斜率SV比斜率SCr大，不僅在端部A側的硬度會變高且耐崩刃性會提高，而且在端部B側的硬度也會變高且耐折損性會提高。
本實施形態中，所謂的端部A及端部B係指坯料2的端部，但具體而言，係指可用EPMA分析分析坯料2的組成之範圍。在確認坯料2的長度方向的組成變化上，係利用EPMA分析來測定及確認坯料2的長度方向的各金屬元素的含量的分佈。在第1C及1D圖中，省略了在坯料2的EPMA分析中無法測出正確的組成之端部的測定值之記載。
在Co的含量方面，在CoA為0~10質量%，CoB為2~16質量%之情況，可維持坯料2有高耐磨耗性及耐缺損性。CoA及CoB的更理想的範圍雖會隨著加工條件而變，但在例如將坯料2用作為印刷電路基板加工用的鑽頭1之情況，可使CoA為1~4.9質量%，使CoB為5~10質量%。
在CoB在5質量%以上之情況，在通常的均勻的組成中使端部B緻密化會很容易，且在燒結後的坯料2中不易出現Co的凝聚部。因此，Co的分佈中不易出現不均勻的情形。此可想成是因為在CoB在5質量%以上之情況，Co會因為Co的毛細管現象而擴散，所以不易出現Co 的凝聚部，容易成為均勻的分佈狀態之緣故。因而，即使在端部A側CoA相對較少，也會為緻密的超硬合金。
又，在CoA與CoB之比率(CoA/CoB)為0.2~0.7之情況，可使在端部A之硬度提高，而且可提高坯料2的耐折損性。
又，在VA與VB之比率(VA/VB)為0.3~0.9，而且CrA與CrB之比率(CrA/CrB)為0.8~1.1之情況，可提高坯料2的耐蝕性、耐熱性及強度。
又，在表示端部A中的Cr的含量之CrA為0.05~2質量%、表示端部B中的Cr的含量之CrB為0.1~3質量%、表示端部A中的V的含量之VA為0~1質量%、表示端部B中的V的含量之VB為0.05~2質量%之情況，可更加提高坯料2的耐蝕性、耐熱性及強度。
Cr其至少一部分會以金屬形態固溶在結合相中，而且會以Cr3C2或與其他金屬的複合碳化物等之形態存在。V其至少一部分會以金屬形態固溶在結合相中，而且也能夠以VC或與其他金屬的複合碳化物等之形態存在，但與Cr相比，V溶入到結合相中之固溶量較少。在本實施形態中，CrA、CrB係將Cr的含量換算為Cr3C2後之值，VA、VB係將V的含量換算為VC後之值。
在SCr為0~0.1質量%/mm，SV為0.1~0.5質量%/mm之情況，坯料2的耐蝕性、耐熱性，在端部A側的耐磨耗性及耐崩刃性，在端部B側的耐折損性都很高。
CoA、CoB、CrA、CrB、VA、VB的測定方法， 可在沿著長度方向將坯料2分割成兩半的狀態下，利用EPMA分析分別測定端部A及端部B中的組成而進行。坯料2之從端部A一直到端部B之組成分析，係在斷面之與長度方向平行的中心軸上進行測定。利用EPMA分析來測定坯料2的長度方向的Cr含量及V含量的分佈，然後算出以最小平方法使坯料2的整體的分佈驅似於直線之際的斜率，來作為SCr、SV。
本實施形態中之端部A，係具有外周部、以及位於距外周部100μm以上的內部之中央部。此時，在外周部中的Cr的含量比中央部中的Cr的含量多之情況，可使坯料2的耐蝕性更加提高。所謂的外周部，係指在外周之可利用EPMA分析分析坯料2的組成之範圍。在本實施形態中，係以在沿著長度方向將坯料2分割為兩半之斷面中的端部A側的角部作為A外周部，而測定此A外周部中的Cr的含量。
在端部A中的WC粒子的平均粒徑aA比端部B中的WC粒子的平均粒徑aB大之情況，可改善硬度高但容易發生缺損之端部A的耐磨耗性。此外，因為可提高端部B的剛性所以棒狀體不易撓曲。因此在使坯料2用於在端部X側具有切刃5在端部Y側具有柄部3之切削工具之際，不僅切刃5的耐磨耗性及端部A的耐崩刃性會更加提高，端部B的耐折損性也會更加提高。
WC粒子的平均粒徑係以LUZEX解析法從掃描式電子顯微鏡(SEM)照片算出。亦可採用以下的方法來 作為確認WC粒子的平均粒徑之其他的方法。
首先，針對坯料2的斷面，以使用掛載有背散射電子繞射像系統之SEM(亦即SEM-EBSD)而進行之背散射電子繞射(Electron BackScatter Diffraction：EBSD)法來觀察WC粒子的定向方向。藉由確認各WC粒子的定向方向，來決定出各WC粒子的輪廓。然後，根據各WC粒子的輪廓來算出各WC粒子的面積，再以將該面積換算為圓時的直徑作為粒徑。然後，以各WC粒子的粒徑的平均值作為平均粒徑。
端部A中的WC粒子的平均粒徑aA的範圍可設定為例如0.3~1.5μm，端部B中的WC粒子的平均粒徑aB的範圍可設定為0.1~0.9μm。在平均粒徑aA及平均粒徑aB為上述的值之情況，不僅端部A的耐崩刃性會更加提高，端部B的耐折損性也會更加提高。將坯料2用於鑽頭1之情況，端部A中的WC粒子的平均粒徑的理想的範圍為0.4~0.7μm，端部B中的WC粒子的平均粒徑的理想的範圍為0.15~0.5μm。
坯料2可具有：從端部A往端部B，Co的含量以斜率S1Co變化之第一區域11；以及位於比第一區域11還要靠端部B側，從端部A往端部B，Co的含量以斜率S2Co變化之第二區域12。此時，在S1Co比S2Co大之情況，可在仍舊維持住端部A側的高耐磨耗性的狀況下，提高端部B側的廣範圍的韌性而提高坯料2的耐折損性。
在第一區域11，Cr的含量可以斜率S1Cr變 化，V的含量可以斜率S1V變化。此外，在第二區域12，Cr的含量可以斜率S2Cr變化，V的含量可以斜率S2V變化。
所謂的斜率(S1Co、S2C0、S1Cr、S2Cr、S1V、S2V)，係指坯料2的長度方向的各金屬元素(Co、Cr、V)的含量的變化率。可透過在坯料2的長度方向的Co的含量之分佈來確認第一區域11及第二區域12之存在。然後，量測出在第一區域11及第二區域12之Cr的含量、V的含量，再算出以最小平方法來驅近各區域中的分佈之際的斜率，以之作為S1Co、S1Cr、S1V、S2Co、S2Cr、S2V。斜率係以從端部A往端部B逐漸變低之方向為正向，以從端部A往端部B逐漸變高之方向為負向。
在斜率S1Co為0.2~1質量%/mm，S2Co為0~0.2質量%/mm之情況，可提高在端部A側的硬度，而且可提高坯料2的耐折損性。在第一區域11內的斜率S1Co可為在區域內並不是保持一定的。尤其，在第一區域11之中使端部A側的斜率較大之情況，在端部A側的耐磨耗性也會變高，且坯料2的耐折損性會變更高。
在要於坯料2的表面被覆有鑽石被覆層(未圖示)之際，在第二區域12中含有的Co的含量很少之情況，因為妨害鑽石結晶的成長之Co的含量很少，所以在第二區域12鑽石被覆層的結晶度會變高，因而鑽石被覆層的硬度及密著性會提高。
第1A圖之坯料2，在超硬合金的組成方面，係如第2圖之穿透式電子顯微鏡(TEM)照片所示具有複數 個WC粒子25。在此等WC粒子25之中鄰接的兩個WC粒子25之間，存在有含有Co之晶粒邊界27。藉由晶粒邊界27可使鄰接的WC粒子25相結合。
以鄰接的兩個WC粒子25、及位於該兩個WC粒子25之間的晶粒邊界27作為一組時，本實施形態之坯料2具有其中有複數個如此的組之區域。針對此區域中的如第2圖所示的一個視野中之10個以上的組的每一組分別測定晶粒邊界27中的Co的濃度、以及隔著此晶粒邊界而鄰接的WC粒子25中的Co濃度時，Co的含量係都在1~7質量%的範圍內，且晶粒邊界27中的Co的濃度為鄰接的WC粒子25中的Co的濃度的1.2倍以上之組係佔50%以上。
在坯料2具有上述的區域之情況，即使Co含量為1~7質量%之少的情況也可得到硬度及強度良好之鑽頭1。此可想成是因為在晶粒邊界27擴散存在有成為結合相之Co而可結合WC粒子25之緣故。晶粒邊界27中的Co的濃度為鄰接的WC粒子25中的Co濃度的1.2倍以上之組的百分率佔50%以上，也可說成是確認了構成晶粒邊界27中的結合相之Co的相分散度。
將第2圖中之以線P表示之在鄰接的兩個WX粒子25及在橫跨位於此兩個WX粒子25之間的晶粒邊界27之部分的Co的濃度分佈的變化顯示於第3圖中。第3圖中，在兩條虛線內線形隆起的部分為相當於晶粒邊界27之部分，線P中的晶粒邊界27具有WC粒子25的1.2倍以上的Co濃度。
在區域29是否存在的判定上，係利用TEM在可確認有10個以上的WC粒子25之一個視野內進行觀察。在此一個視野內測定從一個WC粒子25的晶粒內橫切過晶粒邊界27到鄰接的WC粒子25的晶粒內之Co的濃度分佈。在上述的「組」的設定時，係只要鄰接的WC粒子25的組合不同就可將之設定為「組」。
例如，觀察10個WC粒子25a~25j時，利用25a及25b、25a及25c、25a及25h、25a及25f、25b及25c、25b及25d、25c及25e、25f及25g、25i及25h、25i及25j、25h及25j，與各兩粒子間的晶粒邊界27來設定出10個以上的「組」。
然後，針對各個組，首先從Co的濃度分佈算出WC粒子25的晶粒內的Co的含量的平均值Coa。接著，確認晶粒邊界27中的Co的含量的最大值Comax。然後，根據Comax/Coa在1.2以上之組是否在50%以上，就可確認區域29是否存在。區域29可為在坯料2的全體都存在者，亦可只有至少特定的位置由區域29所構成。
在區域29中，WC粒子25的平均粒徑為0.1~1.5μm之情況，雖然是微粒但WC粒子25緊實地相結合，所以坯料2的硬度、韌性及強度會更加提高。
再者，在區域29中，WC粒子25的粒徑分佈的標準偏差在0.5μm以下之情況，因為WC粒子25的不均勻度很小，所以可更加提高坯料2的強度。
又，在CoA與CoB的比率(CoA/CoB)為0.2~0.7 之情況，可使端部A的硬度提高，而且可提高坯料2的耐折損性。
將具有CoA與CoB的中間值之位置稱為中間部時，在構成中間部及端部A之超硬合金係由區域29所構成之情況，可提高鑽頭1的切刃5的耐磨耗性及耐缺損性。
在第一區域11與第二區域12之間，可有Co的含量從端部A往端部B以斜率S3Co變化之第三區域13。此時，在斜率S3Co比斜率S2Co大之情況，控制第一區域11與第二區域12的斜率S1Co、S2Co很容易，可更加提高容易發生折損之端部B側的耐折損性。斜率S3Co為2~50質量%/mm的話，就可既提高端部A側的耐磨耗性也提高端部B側的耐折損性。
第1D圖顯示V元素的含量對應於Co元素的含量的變化而變化的樣子。亦即，在第1D圖中，第一區域11中的V元素的斜率S1V比第二區域12中的V元素的斜率S2V大。而且，第三區域13中的V元素的斜率S3V比第一區域11中的V元素的斜率S1V大。
另一方面，在第1C圖中，Cr元素的含量並沒有對應於Co元素的含量的變化而變化，其原因不明，但在鄰接的位置之Cr的含量的值有很大的變動，不過整體而言係以很小的斜率變化。
坯料2可如第4圖所示，在比第一區域11還要靠端部A之側具有Co含量以斜率S4Co變化之第四區域 14。此時，在斜率S4Co比斜率S1Co小之情況，容易使端部A側的耐磨耗性高的範圍擴大。
又，在斜率S4Co為0~0.5質量%/mm而且第四區域14中的Co的含量為0~0.6質量%之情況，在坯料2的表面塗覆鑽石被覆層之際，因為第四區域14中含有的Co含量很少，所以可更加提高在第四區域14的表面之鑽石被覆層的結晶化度。因此，鑽石被覆層的硬度及密著性會提高。在第一區域與11與第四區域14的交界，可有Co含量的分佈的彎折點存在。
假設第一區域11的長度為L1、第二區域12的長度為L2、第三區域13的長度為L3、第四區域14的長度為L4時，在L1/L2=0.3~3之情況，可使端部A之硬度提高而且可提高坯料2的耐折損性。在L3/L2=0.01~0.1之情況，在第二區域12及第一區域11中的Co的含量之調整會很容易。在L4/L2=0~0.05之情況，可更穩定地促進端部A之超硬合金的緻密化。在L4/L2比0.05大且在第四區域14有並未緻密化的部分存在之情況，可在製作鑽頭1之際將第四區域14的一部分研磨去除掉。
第一區域11、第二區域12、第三區域13及第四區域14的組成，可在各區域的坯料2的寬度方向的中央部進行測定。
在端部A的外周部的Co的含量CoAO比端部A的中央部的Co的含量CoA少之情況，可在鑽頭或端銑刀等之旋轉工具提高切刃5之中最容易磨耗之外周部的耐磨 耗性。
在第1、4圖中，坯料2具有位於端部A之突起部15。突起部15與位於比突起部15還要靠第二端部側的部分相比較係形成為直徑較小之形狀。亦即，突起部15的直徑dc與位於比突起部15還要靠第二端部側之部分的直徑dA相比較較小。因為突起部15可容易形成而且(雖未圖示)也可在突起部15形成經過形成鋒刃之加工後的鑽頭1的前端部，所以加工費用平白浪費之情形較少。
在如第1、4圖所示突起部15為半球形之情況，即使在任意將坯料2投入接合裝置內之際坯料2相互碰撞，也可抑制突起部15缺損，以及抑制突起部15損傷其他的坯料2之情形。在本實施形態中，突起部15連結至端部A之根部側，從斷面圖看係以R面連結。因此，會抑制在成形體35的成形時負荷集中在下衝桿(lower punch)23的端部而導致下衝桿23缺損之情形。
此處，使端部A的直徑dA及端部B的直徑dB都在2mm以下，且使長度方向的長度為L時，在L與dA的比率(L/dA)在3以上之情況，容易將燒結後的坯料2中的CoA及CoB調整到預定的值。亦即，在比率(L/dA)為大值之情況，即使在燒結中Co擴散了，也容易充分地確保坯料2中的CoA及CoB之差。比率(L/dA)的更理想的範圍為4~10。
坯料2在燒結後即使是未經研磨的狀態也無妨，但為了在將坯料2接合至柄部3之工序中在把持坯料 2之際提高坯料2的位置精度，可對於燒結後的坯料2的外周面進行無心(centerless)加工。
又，坯料2的較佳的尺寸，在要用作為印刷電路基板加工用的鑽頭1之情況，dA、dB係為0.2~2mm，長度L係為3~20mm。dA的更理想的範圍為0.3~1.7mm。在其他的用途，也有dA超過2mm之情況，如此的情況的dA的理想的範圍為0.2~20mm，L=3~50mm。
在本實施形態中，在切削工具方面揭示的雖然是用於印刷電路基板的開孔加工之鑽頭1，但本發明並不限定於此，只要是具有長形的本體部者即可。例如，可應用作為金屬加工用鑽頭或醫療用鑽頭、端銑刀、內徑加工用的不重磨刀片(throw away chip)等之車削加工用的切削工具。又，坯料2等之棒狀體除了用作為切削工具之外，亦可用作為耐磨材、滑動構件。棒狀體即使在用作為切削工具以外的材料或構件之情況，也是較適合用於要加工至預定的形狀，且在將端部B固定住的狀態使包含端部A之區域與對象材料接觸而使用之用途。
(坯料之製造方法)
以下，針對製作具有突起部15之坯料2的方法進行說明，來作為製作坯料之方法的一例。首先，調合用來製作超硬合金(此超硬合金將成為坯料及切削工具(鑽頭1))之WC粉末等的原料粉末。在本實施形態中，係調合兩種類的原料粉末。
調合用來製作坯料2之包含突起部15所在的 端部A之部位所需之第一原料粉末30、及用來製作端部B之側的部位所需之第二原料粉末33。第一原料粉末30可包含Cr3C2粉末、VC粉末、Co粉末來作為原料粉末。
第二原料粉末33係包含WC粉末、Cr3C2粉末、VC粉末、Co粉末來作為原料粉末。第一原料粉末30中的Cr3C2粉末、VC粉末及Co粉末的含量係比第二原料粉末33中的Cr3C2粉末、VC粉末及Co粉末的含量少。第一原料粉末30中的Co粉末的含量與第二原料粉末33中的Co粉末的含量之質量比率為0~0.5，尤其是0~0.3。
第一原料粉末30及第二原料粉末33兩者除了上述的粉末之外，還可含有WC、Cr3C2、VC以外之週期表第IV、V、VI族金屬的碳化物、氮化物及碳氮化物粉末的任一者之添加物。
例如，第一原料粉末30中的WC粉末的調合量為90~100質量%、Co粉末的調合量為0~8質量%，添加物的調合量的總量為0~5質量%。第二原料粉末33中的WC粉末的調合量為65~95質量%、Co粉末的調合量為5~30質量%，添加物的調合量的總量為0~10質量%。另外，還可藉由使第一原料粉末30中的WC粉末的平均粒徑與第二原料粉末33中的WC粉末的平均粒徑不同，來調整燒結後的坯料2之從端部A到端部B之Co、Cr及V的分佈狀態、硬度及韌性等之特性。
在經上述的調合後的粉末添加黏結劑(binder)及溶劑而製作出漿料(slurry)。然後進行造粒而使該漿料成 為顆粒，做出成形用粉末。
如第5圖所示，準備模壓成形模具(以下簡稱為模具)20，在模具20的壓鑄模(dies)21的模穴(cavity)22內投入上述顆粒。然後，使上衝桿24從投入到壓鑄模21的模穴22內之顆粒的上方降下進行加壓來製作出成形體。在本實施形態中，作為模穴22的底部之下衝桿23的成為衝壓面之頂面，具有用來形成突起部15之凹部25。
本實施形態中之成形方法，係具備有：將第一原料粉末30投入到模穴22內之包含有凹部25的區域之工序；將第二原料粉末33投入模穴22之工序；使上衝桿24從上方降下而對於投入模穴22內之第一原料粉末30及第二原料粉末33的積層體進行加壓之工序；以及從模具20將由該積層體所構成之成形體35取出之工序。
成形體35為圓柱形狀，且端部A中的Co的含量比端部B中的Co的含量少。因而，在坯料2要將Co的含量的分佈調整到預定的形態會變容易。
又，在凹部25的底面為曲面之情況，可在成形體35抑制剛成形的突起部32之缺損，而且可抑制燒結後的坯料2的突起部15內的Co的含量的不均勻，所以容易避免局部的燒結不良。又，亦可將凹部25及突起部15予以省略。
在要得到直徑在2mm以下的燒結體之情況，可例如：施加額外負荷至上衝桿24來使上衝桿24的位置從加壓時的上衝桿24的保持位置多下降0.1~2mm(亦 即相對於成形體的長度多下降0.1%~20%的長度)並且使下衝桿23的負荷減小。成形條件如上述之情況，會改善施加於成形體35之壓力的不均勻，所以容易避免將成形體35拔出之際破損的情形，可使將成形體35燒結後的坯料2的形狀為預定的形狀。
此時，如第5圖所示，可使成形體35的下衝桿23側的直徑DA比上衝桿24側的直徑DB小。本實施形態中之比率DA/DB的理想的範圍為0.8~0.99。
另外，雖未特別圖示，但可例如在第一原料粉末30與第二原料粉末33之間存在有具有比第一原料粉末30中的Co粉末的含量少，且比第二原料粉末33中的Co粉末的含量多的Co粉末的含量之第三原料粉末等其他的原料粉末。
將加壓成形後的成形體從模具取出，然後以1300~1500℃花0.5~2小時加以燒結後，再使之接受真空熱均壓燒結(sinter-HIP)處理就成為坯料2。燒結溫度係依Co的含量及WC粒子的平均粒徑而調整。此時，本實施形態係使燒結時之從1000℃到燒結溫度之昇溫速度為4~7℃/分，使在燒結溫度之減壓壓力為50~200Pa。而且，sinter-HIP係在比燒結溫度低5~20℃之溫度，以5~10MPa之壓力進行處理。如此，就可容易地調整端部A、端部B、第二區域12、第一區域11、第三區域13及第四區域14的Co含量。
又，因為第一原料粉末30及第二原料粉末 33的燒結性不同，所以在燒結中端部A及端部B的收縮率不同而會使成形體變形，端部B的收縮率會比端部A的收縮率大。亦即，燒結會使得端部B中的Co的一部分向端部A擴散，所以端部B會比端部A還要收縮。因此，燒結體的形狀會有端部B的直徑比端部A的直徑小之傾向。
此處，在昇溫速度比4℃/分快之情況，因為避免了在燒結中Co的擴散進行得太過頭，所以可使燒結後的坯料2中的Co濃度的差加大，容易使SV比SCr大，以及容易使CoA比CoB少。在昇溫速度比7℃/分慢之情況，容易使SCr比SV小，容易在端部A使WC粒子緻密化。
另外，在燒結溫度之減壓壓力在50Pa以上之情況，因為避免了在燒結中Co的擴散進行得太過頭，所以可使燒結後的坯料2中的Co濃度的差加大，以及容易使SV比SCr大，容易使CoA比CoB少。在燒結溫度之減壓壓力在200Pa以下之情況，容易使SCr比SV小，容易在端部A使WC粒子緻密化。而且，在要形成區域29之情況，藉由使減壓壓力在50~200Pa，容易使Co的擴散變均勻，所以區域29之形成會變容易。
再者，在sinter-HIP的處理溫度與燒結溫度之差比5℃大之情況，容易使SV比SCr大，容易使CoA比CoB少。此時，在要形成區域29之情況，由於上述的燒結溫度之差比5℃大，因此容易避免在燒結中Co的擴散進行得太過頭，所以Co不易凝聚在晶粒邊界27的三重點，區域29之形成會變容易。
在sinter-HIP的處理溫度與燒結溫度之差在20℃以下之情況，容易使SCr比SV小，容易在端部A使WC粒子緻密化。而且，在要形成區域29之情況，由於上述之燒結溫度之差在20℃以下，因此坯料2之收縮容易進行，所以可使Co良好地擴散。
本實施形態之成形工序並不限定於上述實施形態所揭示之成形，亦可藉由冷均壓成形(cold isostatic pressing)、乾袋法等均壓成形(dry bag isostatic pressing)、射出成形等來進行成形。
(切削工具的製造方法)
以下，針對使用經上述工序而得到之坯料2來製造印刷電路基板用的鑽頭1之方法的一例進行說明。首先，將數十根或數百根坯料2任意地投入接合裝置內。在接合裝置內使坯料2以長度方向相對齊之狀態排列。在具有突起部15之情況，利用圖像資料等來確認突起部15，以辨認出坯料2的端部A及端部B。根據辨認結果，可自動地使端部A及端部B在一定的方向排列。
然後，自動地使並排的坯料2之抵接於另外準備的由柄部3及頸部7所構成構件後，利用雷射等使兩者相接合。然後，對於接上的坯料2進行行形成鋒刃之加工。此時，鑽頭1的構成係如第1圖所示，端部X在鑽頭1的切刃5側，端部Y在鑽頭1的柄部3側。
(切削工具)
對於上述坯料2進行形成鋒刃之加工，來製 作出鑽頭1等之切削工具。第6圖之鑽頭1係由：經形成鋒刃之加工後的坯料2(加工部)、接合至加工部之頸部7、及位於頸部7的後端側(第6圖中的上側)之柄部3所構成。加工部具備有位於端部X之切刃5，且具有接在切刃5後之溝槽6。加工部及頸部7構成鑽體(body)8。因此也可說柄部3係位於鑽體8的後端側。加工部的最大直徑係設定在例如2mm以下。
切刃5係具有中心軸且在旋轉的狀態下最初與被削材接觸的部分，在性能上要求要有高耐崩刃性及耐磨耗性。溝槽6具有將加工產生的切屑往後方排出之機能，頸部7係銜接直徑互不相同的加工部與柄部3之部分。加工部的最大直徑係設定在例如2mm以下。柄部3可用作為將鑽頭1固定至加工機之部分。
雖未特別圖示，但在鑽頭1的表面可有被覆層。被覆層可為例如：以PVD法形成為膜狀之TiN、TiCN、TiAlN、鑽石、類鑽石碳(diamond like carbon)、以及以CVD法形成為膜狀之鑽石等。
鑽頭1可為利用鋼、合金鋼或不銹鋼等之較便宜的材質來構成頸部7及柄部3，然後將坯料2接合在頸部7的前端而成之構造。此外，鑽頭1全體亦可都由坯料2所構成。再者，頸部7並非必要的，鑽頭1亦可為將坯料2與柄部3直接接合而成之構造。
【實施例1】
將金屬鈷(Co)粉末、碳化鉻(Cr3C2)粉末、碳化 釩(VC)粉末、以及剩餘比率的平均粒徑0.3μm的碳化鎢(WC)粉末，以表1所示之比率調合而調製出表1所示之第一原料粉末及第二原料粉末這兩種混合粉末。在各混合粉末中添加及混合入黏結劑及溶劑而製作出漿料，然後利用噴霧乾燥器(spray dryer)製作出平均粒徑70μm之顆粒。
準備具備有144個貫通孔之如第5圖所示之模具。先將表1之第一原料粉末投入該模具，然後充填入表1之第二原料粉末而進行模壓成形。利用模壓成形來成形出層壓有第一原料粉末及第二原料粉末之成形體，然後將之從模具取出。此時，假設下衝桿側的直徑為DA、上衝桿側的直徑為DB、成形體下部的長度為HA、成形體上部的長度為HB，則成形體的形狀係如表1所示。
以表2所示的昇溫速度從1000℃開始昇溫，在表2所示的環境及燒結溫度下對成形物進行一個小時的燒結後，改變到表2所示的sinter-HIP(表2中記載為HIP)溫度，且在5MPa的壓力下進行30分鐘的sinter-HIP處理，然後以10℃/分之降溫速度冷卻到1200℃以下，再放任冷卻到200℃以下而得到坯料。
針對所得到的坯料，量測其直徑DA、及直徑為DB並將之記載於表2。另外，沿著長度方向將坯料分割為兩半，再以EPMA分析來測定從端部A到端部B之Co的含量、Cr的含量、V的含量的變化，確認第一區域到第四區域之有無、斜率、長度。再針對坯料的端部A，測定在外周部中之Co的含量。結果顯示於表2~5中。此外， 以EBSD法測定A中央部、A外周部、B中央部中的WC粒子的平均粒徑。
再來，針對所得到的坯料的一部分進行研磨來作出研磨面，且以Co的含量係在端部A中的Co的含量與端部B中的Co的含量的中間之位置作為中間部，在可確認有10個以上的WC粒子之視野進行觀察。
首先，利用TEM求出該視野內的Co的含量。在該視野內，以EDX確認從一個WC粒子的晶粒內橫切過晶粒邊界到鄰接的WC粒子的晶粒內之Co的濃度分佈。然後，以鄰接的兩個WC粒子、與位於其間的晶粒邊界為一組，從各組的Co濃度的分佈圖，首先求出WC粒子的晶粒內的Co含量的平均值Coa、及晶粒邊界中的Co含量的最大值Comax。
然後，找出具有Comax/Coa在1.2以上的晶粒邊界之組，求出晶粒邊界的Co濃度為WC粒子的晶粒內的1.2倍以上之組的百分率。其中，關於試料22，因為沒有Co含量為1~7質量%之位置所以未進行測定。
然後，在對該坯料的外周部進行無心加工後，任意地將之投入接合裝置，在接合裝置內辨認出坯料的突起部的方向，將各坯料的端部A及端部B排列在相同方向，且使坯料的端部B抵接於柄部而加以接合，然後對於坯料之包含端部A之部位施加形成鋒刃之加工，而製作出鑽頭。
針對所得到的鑽頭，以下述條件進行鑽孔加 工測試。結果顯示於表5中。
(鑽孔加工測試條件)
被削材：FR4，0.8mm厚，三片重疊
鑽孔形狀：ψ 0.25mm
轉速：160krpm
進給速度：3.2m/分.
評估項目：可開孔加工之製品的個數(個)及測試後的鑽頭的餘隙面磨耗寬度(width of flank wear)(μm)
從表1~5可知，CoA與CoB相同之試料I-13的餘隙面磨耗寬度很大，試料I-15則是燒結不足且鑽第一孔就發生了缺損(初期缺損)。另外，SCr與SV相同或SCr比SV大之試料I-15~I-21的耐熱性及耐折損性較低，且加工個數較少。
相對於此，CoA比CoB少且VA比VB少而且SCr比SV小之試料I-1~I-12，則是餘隙面磨耗寬度較小，且加工個數較多。
尤其，比率(CoA/CoB)為0.2~0.7之試料I-1、I-2、I-6、I-7、I-9~I-12的加工個數很多。以及，比率(VA/VB)為0.3~0.9且比率(CrA/CrB)為0.8~1.1之試料I-1~I-3、I-6~I-12的加工個數很多。
另外，試料I-1~I-12都具有斜率S2Co之第二區域、及比斜率S2Co大的斜率S1Co之第一區域，且餘隙面磨耗寬度較小，加工個數較多。尤其，斜率S1Co為0.2~1質量%/mm、斜率S2Co為0~0.2質量%/mm之試料I-1、I-2、I-6~I-12的加工個數很多。又，端部A中的WC粒子的平均粒徑比端部B中的WC粒子的平均粒徑大之試料I-1~I-4、I-6~I-12，其餘隙面磨耗寬度較小，加工個數較多，且其端部A中的WC粒子的平均粒徑都在0.3~1.5μm之範圍內，其端部B中的WC粒子的平均粒徑都在0.1~0.9μm之範圍內。
另外，CrAO比CrA高之試料I-1、I-2、I-5~I-12，其耐蝕性較高，長時間保存也不會生銹，雖然表中並無記載此點。
【實施例2】
使用實施例1中所用的原料粉末來製作出表6之成形體，且以表7之條件加以燒結。然後，使用此坯料來製作出鑽頭。針對所得到的鑽頭，以下述條件進行 鑽孔加工測試。結果顯示於表7~10中。
(鑽孔加工測試條件)
被削材：FR4材，24層板，3.2mm厚，一片鑽孔形狀：ψ 0.25mm
轉速：160krpm
進給速度：3.2m/分
評估項目：可開孔加工之製品的個數(個)及測試後的鑽頭的餘隙面磨耗寬度(μm)
從表6~10可知，CoA比CoB少且VA比VB少而且SCr比SV小之試料II-1~II-4，其餘隙面磨耗寬度較小，且加工個數較多。
【實施例3】
使用實施例1中所用的原料粉末來製作出 表11之成形體，且以表12之條件加以燒結。然後，使用此坯料來製作出鑽頭。針對所得到的鑽頭，以下述條件進行鑽孔加工測試。結果顯示於表12~15中。
(鑽孔加工測試條件)
被削材：FR4材，0.06mm厚，10片重疊
鑽孔形狀：ψ 0.105mm
轉速：300krpm
進給速度：1.8m/分
評估項目：可開孔加工之製品的個數(個)及測試後的鑽頭的餘隙面磨耗寬度(μm)
從表11~15可知，CoA比CoB少且VA比VB少而且SCr比SV小之試料III-1~III-3，其餘隙面磨耗寬度較小，且加工個數較多。
另外，針對試料I-1、I-3~I-6、I-13~I-21、II-1~II-5、III-1、III-2及III-4，研磨各試料的表面來作出研磨面，且以Co的含量係在端部A中的Co的含量與端部B中的Co的含量的中間之位置作為中間部，在可確認有10個以上的WC粒子之視野進行觀察。
首先，利用TEM求出該視野內的Co的含量。在該視野內，以EDX確認從一個WC粒子的晶粒內橫切過晶粒邊界到鄰接的WC粒子的晶粒內之Co的濃度分佈。然後，以鄰接的兩個WC粒子、與位於其間的晶粒邊界為一組，從各組的Co濃度的分佈圖，首先求出WC粒子的晶粒內的Co含量的平均值Coa、及晶粒邊界中的Co含量的最大值Comax。
然後，找出具有Comax/Coa在1.2以上的晶 粒邊界之組，求出晶粒邊界的Co濃度為WC粒子的晶粒內的1.2倍以上之組的百分率。其中，關於試料22，因為沒有Co含量為1~7質量%之位置所以未進行測定。
從表16可知，試料I-13~I-20、II-5及III-4其餘隙面磨耗寬度較大，且加工個數較少。
相對於此，Co含量為1~7質量%，且以鄰接的兩個WC粒子、與位於其間的晶粒邊界為一組，針對一視野中的10個以上的組的各個組測定橫跨夾著晶粒邊界而鄰接的WC粒子之Co的濃度分佈時，具有晶粒邊界的Co濃度為WC粒子的晶粒內的1.2倍以上之組佔50%以上的區域之試料I-1、I-3~I-6、I-21、II-1~II-4、III-1及III-2，其餘隙面磨耗寬度較小，且加工個數較多。
1‧‧‧鑽頭(切削工具)
2‧‧‧坯料(切削工具用坯料)
3‧‧‧柄部
5‧‧‧切刃
6‧‧‧溝槽
7‧‧‧頸部
8‧‧‧鑽體
15‧‧‧突起部

Claims (12)

  1. 一種棒狀體，係為由含有WC粒子、Co、Cr及V之超硬合金所構成，且在長度方向具有第一端部及第二端部之長形的棒狀體，其中，前述第一端部中的Co的含量比前述第二端部中的Co的含量少，前述第一端部中的V的含量比前述第二端部中的V的含量少，且從前述第一端部往前述第二端部，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化，且前述斜率SCr比前述斜率SV小。
  2. 如申請專利範圍第1項之棒狀體，其中，前述第二端部中的Co的含量與前述第一端部中的Co的含量之比率為0.2~0.7。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之棒狀體，其中，前述第二端部中的V的含量與前述第一端部中的V的含量之比率為0.3~0.9，前述第二端部中的Cr的含量與前述第一端部中的Cr的含量之比率為0.8~1.1。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之棒狀體，其中，前述棒狀體係具有：位於前述第一端部之側，前述Co的含量以斜率S1Co變化之第一區域；以及位於前述第二端部之側，前述Co的含量以斜率S2Co變化之第二區域， 且前述斜率S1Co係比前述斜率S2Co大。
  5. 如申請專利範圍第4項之棒狀體，其中，前述斜率S1Co為0.2~1質量%/mm，前述斜率S2Co係小於0.2質量%/mm。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之棒狀體，其中，前述第一端部中之前述WC粒子的平均粒徑係比前述第二端部中之前述WC粒子的平均粒徑大。
  7. 如申請專利範圍第6項之棒狀體，其中，前述第一端部中之前述WC粒子的平均粒徑為0.3~1.5μm，前述第二端部中之前述WC粒子的平均粒徑為0.1~0.9μm。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之棒狀體，其中，前述第一端部係具有：外周部、以及位於距該外周部100μm以上之內部之中央部，前述外周部中的Cr的含量係比前述中央部中的Cr的含量多。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之棒狀體，其中，具有：以由鄰接的兩個前述WC粒子構成之鄰接WC粒子、與位於該鄰接WC粒子之間之晶粒邊界為一組時，有複數個該組位於其中之區域，在該區域的一視野中的10個以上的前述組的每一個，分別測定前述晶粒邊界中的Co的濃度、與前述鄰接WC粒子中的Co的濃度時，Co的含量係在1~7質量%的範圍內， 且前述晶粒邊界中的Co的濃度為前述鄰接WC粒子中的Co的濃度的1.2倍以上之組，係在50%以上。
  10. 如申請專利範圍第9項之棒狀體，其中，前述區域中的前述WC粒子的平均粒徑為0.1~0.8μm。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之棒狀體，其中，前述區域中的前述WC粒子的粒徑分佈的標準偏差係在0.5μm以下。
  12. 一種切削工具，係為由含有WC粒子、Co、Cr及V之超硬合金所構成，且在長度方向具有：具有切刃之端部X、及位於柄部側之端部Y之長形的切削工具，其中，前述端部X中的Co的含量比前述端部Y中的Co的含量少，前述端部X中的V的含量比前述端部Y中的V的含量少，且從前述端部X往前述端部Y，Cr的含量以斜率SCr變化，V的含量以斜率SV變化，且前述斜率SCr比前述斜率SV小。
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