(57)【要約】【課題】長寿命で耐折損性に優れた超硬合金製の小径ドリルを提供することである。【解決手段】ＷＣ粒子の平均粒径が０．４μｍ以下であり、結合相がＣｏであるＷＣ基超硬合金を基体とする小径ドリルであって、波長分散型Ｘ線プローブマイクロアナライザーを用いて求めたＣｏ濃度比をＰａｖとしたとき、０．７５≦Ｐａｖ＜１．００であることを特徴とする小径ドリルである。該ＷＣ基超硬合金は、Ｃｏ含有量が質量％で９．５〜１３．５％であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ粒子の平均粒径が０．４μｍ以下であり、結合相がＣｏであるＷＣ基超硬合金を基体とする小径ドリルであって、波長分散型Ｘ線プローブマイクロアナライザーを用いて求めたＣｏ濃度比をＰａｖとしたとき、０．７５≦Ｐａｖ＜１．００であることを特徴とする小径ドリル。
【請求項２】
請求項１記載の小径ドリルにおいて、Ｃｏ含有量が質量％で９．５〜１３．５％であることを特徴とする小径ドリル。
【請求項３】
請求項１または２記載の小径ドリルにおいて、直径が０．３ｍｍ以下であることを特徴とする小径ドリル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、長寿命で耐折損性に優れた超硬合金製の小径ドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１は、超微粒超硬合金材料のミクロ組織内における金属成分の偏析による欠陥を波長分散型Ｘ線プローブマイクロアナライザー（以下、ＥＰＭＡと記す。）を用いて線分析により定量的に捉えることによって抗折力を改善する技術を開示している。特許文献１は、金属成分の偏析と抗折力に相関関係を示す記載や、超微粒超硬合金で形成したプリント基板穴あけ用ドリルは、穴あけ加工や外縁部の加工において有効である旨を記載している。特許文献１に記載の技術は、線分析を行う際のビーム径が１μｍとなっており、金属成分の偏析状態を測定するには不十分であり、その方法で測定、規定された超微粒超硬合金材料では、現在使用されているプリント基板穴あけ用ドリルの穴あけ加工や外縁部の加工の条件下において、有効性があるかは不明瞭である。
特許文献２は、ＥＰＭＡを用いて、超硬合金に含まれるＶ、Ｗ、Ｃｒを含む複炭化物相の面積率の測定方法に関する技術を開示している。特許文献２に記載の測定方法は、単にミクロ組織を解析したにとどまり、本発明に係る技術的思想を何ら開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５９９４６号公報
【特許文献２】特開２００７−９３２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明の目的は、長寿命で耐折損性に優れた超硬合金製の小径ドリルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明の小径ドリルは、ＷＣ粒子の平均粒径が０．４μｍ以下であり、結合相がＣｏであるＷＣ基超硬合金を基体とする小径ドリルであって、波長分散型Ｘ線プローブマイクロアナライザーを用いて求めたＣｏ濃度比をＰａｖとしたとき、０．７５≦Ｐａｖ＜１．００であることを特徴とする小径ドリルである。上記構成を採用することによって、長寿命で耐折損性に優れた小径ドリルを得ることができる。
また該小径ドリルの基体である該ＷＣ基超硬合金は、Ｃｏ含有量が質量％で９．５〜１３．５％であることが好ましい。
また、該小径ドリルの直径は０．３ｍｍ以下であり、小径ドリルとしてきわめて実用性に富み、好ましい。
【発明の効果】
【０００６】  長寿命で耐折損性に優れた超硬合金製の小径ドリルを提供することができた。特に、直径が０．３ｍｍ以下のプリント基板穴あけ用の超硬合金製の小径ドリルに適用すると、使用時の耐折損性に優れ、工具寿命を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明例３のＣｏ濃度の度数分布を表示した図である。
【図２】本発明例３のＣｏ濃度とその微分値の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】  本発明の超硬合金製の小径ドリルは、基体である超硬合金のＣｏを均一に分散分布させた組織を有するので、その分散分布状態をＥＰＭＡ装置により測定し、Ｃｏ濃度比をＰａｖ値として規定することによって、長寿命で耐折損性に優れた新規な小径ドリルとして実用に供することができる。
本発明の小径ドリルでは、超硬合金の微小領域において、Ｐａｖ値によりＣｏの分散分布状態を厳密に管理する基準を設けたものである。即ち、ＥＰＭＡ装置による分析で求めたＰａｖ値により、超硬合金におけるＣｏ量の分散分布状態を適正に管理することができる。一方、Ｃｏ量の少ない領域もＰａｖ値によって定量化されるので、分散分布状態の改善の目安となる。
本発明の小径ドリルの場合、Ｐａｖ値とドリルの折損寿命及び突発的な折損の発生率に大きな相関関係があり、Ｐａｖ値が０．７５≦Ｐａｖ＜１．００を満たすときに、長寿命で突破的な折損が発生し難い超硬合金製の小径ドリルが得られることがわかった。Ｐａｖ値が、０．７５≦Ｐａｖ＜１．００の範囲で耐折損性が優れる理由は、ＣｏがＷＣ粒子間の細部にまで均一に分散した組織を有し、局所的な硬度差が減少するからである。このＰａｖの範囲内にある本発明の小径ドリルは、刃先部の摩耗が定常的であり、安定して摩耗して刃先の異常摩耗が原因で起こる急激なトルク上昇を抑制することができる。即ち、Ｐａｖ値が０．７５以上、１．００未満の範囲では、超硬合金のミクロ組織において、Ｃｏが均一に分散分布することを示し、ＣｏがＷＣ粒子間の細部にまで均一に分散する。そして、ＷＣ粒子同士の接触界面の割合が減少し、ＷＣ粒子が局所的に凝集した箇所が減少する。一方、Ｐａｖ値が０．７５未満に減少すると、Ｃｏの分散分布状態が不均一になり、ＷＣ粒子同士の接触界面やＷＣ粒子が局所的に凝集した箇所が多く存在するようになる。このとき、不均一な組織を有する超硬合金となり、局所的な硬度差が大きくなる。加えて、疲労強度やクリープ強度等が低下する。そのため、満足のいく折損寿命が得られない。本発明の小径ドリルによれば、プリント基板穴あけ加工における折損寿命が７０００穴以上、突発的な折損の発生率は１０％未満という高性能な加工性能（目標性能）を実現することができる。
【０００９】  本発明のＷＣ粒子の平均粒径は、小径ドリルのシャンク部を鏡面研磨した後、村上試薬で０．５分、王水で３分間エッチングすることによりＷＣ粒子以外の相を除去し、ＷＣ粒子の結晶粒界を明確にした後、走査型電子顕微鏡にて１万倍の写真を撮影し、次の数１に示すフルマンの式により算出する。
【００１０】
【数１】
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【００１１】  上記の数１において、Ｎｌ値は、単位長さ当たりの直線が横断したＷＣ粒子の数、Ｎｓ値は、単位面積内に存在するＷＣ粒子の数を示す。本発明では、ＷＣの平均粒径を０．４μｍ以下とし、０．１〜０．４μｍとするのが好ましい。ＷＣの平均粒径が０．４μｍを超えて大きいと、例えば、０．３ｍｍ以下の小径ドリルにおいて、微細な刃先を形成するのが困難となる。また、ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ未満のものは工業生産性に乏しく、実用的ではない。
【００１２】  本発明の超硬合金製の小径ドリルにおいて、特にドリルの心厚におけるＣｏの分散分布状態に着目し、Ｐａｖ値を測定する。その測定において、ＥＰＭＡ装置によりドリルの心厚の研磨面を実効ビーム径０．４μｍ、電圧２０ｋＶの条件において、６０μｍ×６０μｍの範囲を対象に、Ｃｏについて分析した。得られた分析結果から、以下のＰａｖの算出方法によりＰａｖを算出する。（１）まず、Ｃｏ平均濃度であるＰ値を測定する。このＰ値とは、Ｃｏ濃度を測定したデータの全数を対象にしたとき、Ｃｏ濃度値の最小値から順番に数えて、データ全数の５％に相当するデータ数から平均濃度を算出した値である。（２）次に、このＰ値を超硬合金のＣｏ配合値（質量％）で除算することによって、Ｐａｖ値を算出する。
具体的には、ドリルの心厚の断面積に略相当する６０ｍ×６０μｍの範囲を対象に、測定スポットを０．４μｍずつ移動させて２２５００回について組成分析し、各測定スポットのＣｏ濃度を測定した。このとき、２２５００がＣｏ濃度を測定したデータの全数となる。そこで該Ｐ値は、これらを度数分布表示した際、Ｃｏ濃度の最小値から、データの全数２２５００の５％にあたる１１２５番目までの値を平均することで得られる値である。求めたＰ値をＣｏ配合値で除算することによって、Ｐａｖ値を算出した。
【００１３】  本発明の小径ドリルを作製する際、焼結過程（本発明では焼結とＨＩＰ処理を同一焼結炉で行う）でＣｏが完全に液相となる焼結温度域で一定時間保持し、その後、室温までの冷却を行うことなく、Ｃｏが一部液相である温度域でＨＩＰ処理を一定時間行う。これらの処理によりＰａｖ値を制御することができる。
焼結温度は、Ｃｏ量により調節する必要があるが、１３５０〜１４５０℃の焼結温度が適切である。
ＨＩＰ処理は、焼結温度よりも低い温度で行う。例えば、焼結温度から５０〜１００℃低い温度に設定し、アルゴン雰囲気中でＨＩＰ処理を行う。このとき、焼結温度からＨＩＰ処理を行う温度への冷却速度や、アルゴンガス導入のタイミング等を最適な条件に調整することによって、本発明の超硬合金製小径ドリルを作製することができる。これにより従来の超硬合金では不可能であった超硬合金中のＣｏを均一に分散分布させることが可能となった。
また、本発明において、Ｐａｖ値と折損寿命との間に密接な関係があることに加え、突発的な折損の発生率にも密接な関係があることがわかった。
【００１４】  結合相がＣｏであるＷＣ基超硬合金を基体とする本発明の小径ドリルは、Ｃｏ含有量が９．５〜１３．５質量％であることが好ましい。Ｃｏ含有量が９．５質量％未満では超硬合金の靭性が不十分である。従って、小径ドリルとして使用した際、本発明が目標とする折損寿命を得ることができない。また、１３．５質量％を超えると硬度が不十分となり耐摩耗性が低下する。従って、切刃部の摩耗が著しく、本発明が目標とする折損寿命を得ることができない。Ｃｏ含有量は１０〜１３質量％であることがより好ましい。
【００１５】  以下、本発明の小径ドリルを実施例により詳細に説明するが、下記の実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】  平均粒径が０．４μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１．２μｍのＣｏ原料粉末、平均粒径が０．５〜１．５μｍのＣｒ、Ｖの化合物粉末を用いて各組成に配合した。ここで、Ｃｒは０．６％、Ｖは０．３％を配合した。各原料粉末をアルコール中、アトライターで５〜１５時間混合し、更に成形用バインダーを添加し、スプレードライヤーで造粒した。押出成形機にて焼結後の直径が２．２ｍｍとなるように長尺成形体を作製した。
これらの長尺成形体を脱脂の後、１０Ｐａの真空雰囲気中、１３５０〜１４５０℃の範囲内の焼結温度に６０分間保持後、５〜２０℃／ｍｉｎで冷却し、焼結温度から５０〜１００℃低い温度において、アルゴン雰囲気中でＨＩＰ処理を３０分間行った後に冷却した。
上記の工程によって本発明例１から１４を作製した。表１に各組成の原料の配合量、焼結温度とＨＩＰ処理の温度を示す。【００１７】
【表１】
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【００１８】  図１には、本発明例３について超硬合金の研磨面を分析した結果を示す。図１は、Ｃｏ濃度の度数分布を表示している。本発明例３のＰ値は、図１に示された度数分布表示において、Ｃｏ濃度の最小値から測定データ数の５％までのＣｏ濃度を平均した値であり、Ｐ値は、９．２％であった。
図２はＣｏ濃度の最小値からＸ％までの測定データ数を用いて、算出したＰ値とＸ値との関係をプロットし、その曲線の傾きを示す微分値をＸ値との関係で図示したものである。例えば、Ｃｏ濃度の最小値から測定データ全数の５％までデータ数を用いた場合、横軸のＸ値が５％となる。本発明において、Ｃｏの低濃度領域がミクロ組織中に多数存在しないことが特に重要である。そのため、Ｘ値はなるべく小さく取る方が好ましい。しかし、一方、Ｐ値のバラツキを押さえるため、Ｘ値によりＰ値の変化が少ない方が好まれる。そこで、図２を見ると、Ｘ値が５％以上で微分値の変化量が少なくなった。よって本発明は、この対象データ数が、全データ数の割合で５％としたときの平均濃度を用いるものとした。【００１９】  得られた丸棒を加工して、直径φ２．０×長さ３１．８ｍｍの丸棒から直径がφ０．２ｍｍ、溝長が３．５ｍｍのプリント基板穴あけ用小径ドリルを作製した。この小径ドリルを用いて下記の試験条件にて穴あけ加工を実施し、小径ドリルの折損寿命を求めた。使用した被削材は、上下面１２μｍ銅箔付のガラスエポキシ材からなるプリント基板である。折損寿命試験に使用した小径ドリルの試験本数は１００本とした。これより平均折損寿命、突発的な折損の発生率を測定した。ここで、突発的な折損とは、それぞれの加工穴数を折損寿命として、１００本の小径ドリルから平均折損寿命を算出した。この平均折損寿命を基準値とし、この基準値の５０％未満の加工穴数で折損したものを、突発的な折損によるものとしてカウントした。突発的な折損が使用中に発生すると、基板そのものの品質が不良となってしまうため、最も発生してはならない現象である。
また、Ｐａｖ値の測定に使用したドリルは、１００本の試験の結果をもとに、折損寿命の短かった方から順番にならべた時、５０番目の折損寿命を示したドリルをＰａｖ値の測定に使用した。ここで選択されたドリルは、折損箇所近傍の半径方向断面を鏡面研磨し、半径方向断面の中心部をＥＰＭＡ装置によって面分析を実施した。評価結果を表１に併記した。
（試験条件）
加工方法：貫通穴あけ加工
被削材：ガラスエポキシ材、基板厚さ、０．２ｍｍを４枚重ね
回転数：２５０ｋ回転／分
送り量：１５μｍ／回転【００２０】  本発明例１〜１４は何れも０．７５≦Ｐａｖ＜１．００の範囲であり、平均折損寿命及び突発的な折損の発生率において良好な結果を示した。特に、本発明例の中でも、本発明例５のＰａｖ値は、０．９３と最も高い値を示し、折損寿命が優れていた。また、突発的な折損の発生も見られなかった。これは、超硬合金のＣｏが均一に分散分布したためである。本発明例６は、本発明例５と同じ配合組成であるが、焼結温度、ＨＩＰ処理温度共に本発明例５の場合よりも低温度であった。そのため、Ｐａｖ値は０．８４２となり、折損寿命は本発明例５よりも劣る結果となった。
本発明例１〜４は、Ｐａｖ値に及ぼすＨＩＰ処理温度の影響を見た場合である。Ｃｏ配合量と焼結温度は同じ条件とした。この場合、Ｐａｖ値は、ＨＩＰ処理温度の上昇に伴って大きくなる傾向を示した。この理由は、ＨＩＰ処理温度の上昇に伴って、超硬合金のミクロ組織のＣｏが均一に分散分布し、ＣｏがＷＣ粒子間の細部にまで均一に分散したことによるものと考えられる。本発明例７〜１１は、Ｐａｖ値に及ぼすＣｏ量の影響を見た場合である。ここで、焼結温度、ＨＩＰ処理温度は、Ｃｏ量によって適正な条件とした。そのため、焼結温度は１３５０℃から１４２０℃の範囲内で、Ｃｏ量に合わせて適正な処理条件とした。またＨＩＰ処理温度は、焼結温度よりも６０℃低い条件に設定した。本発明例７〜１４のＰａｖ値は、０．８１７から０．８４８の範囲で略同様な値を示した。そして本発明が目標とする性能である、穴あけ加工における折損寿命が７０００穴以上、突発的な折損の発生率は１０％未満の性能を満足することができた。【００２１】  一方、比較例１５〜１８はＰａｖ値が０．７５未満となり、平均折損寿命が短寿命であり、突発的な折損の発生率も高い値を示した。比較例１６は、焼結温度とＨＩＰ処理温度が同じ温度条件であったため、Ｐａｖ値が０．７４３となってしまった。また、比較例１７は、焼結温度とＨＩＰ処理温度の差が１２０℃と大きかったため、Ｐａｖ値が０．６９３となってしまった。比較例１５は、１４６０℃、比較例１８は、焼結温度が１２８０℃であり、１３５０〜１４５０℃の範囲内の焼結温度でなかったため、Ｐａｖ値が低い値となり、満足の行く結果が得られなかった。上記の様に、本発明によって、長寿命で折損が発生しにくい小径ドリルの提供が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  金属、非鉄金属加工用、非金属加工用の小径ドリルおよび小径回転工具としても好適である。
【図１】
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【図２】
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