(57)【要約】【課題】耐欠損性および耐摩耗性に優れるとともに、耐折損性に優れた回転工具として好適な超硬合金を提供する。【解決手段】平均粒径が０．５μｍ以下のＷＣ粒子２間を、鉄属金属を主体とする結合相５にて結合するとともに、ＴａおよびＣｒを含有してなる超硬合金１の透過型電子顕微鏡観察において、前記ＷＣ粒子２が概略多角形形状で、かつ、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以上の丸みを呈する粒子７の数が粒子２全体に対して５０面積％以上の割合で含まれていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を鉄属金属を主体とする結合相にて結合するとともに、ＴａおよびＣｒを含有してなる超硬合金であって、該超硬合金の透過型電子顕微鏡観察において、前記ＷＣ粒子が概略多角形形状で、かつ、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以上の丸みを呈する粒子が粒子全体に対して５０面積％以上の割合で含まれていることを特徴とする超硬合金。
【請求項２】
前記ＴａおよびＣｒの総含有量が前記超硬合金総量に対して０．７〜３質量％であることを特徴とする請求項１記載の超硬合金。
【請求項３】
平均粒径０．２μｍ以下のＴａＣ粒子を含むことを特徴とする請求項１記載の超硬合金。
【請求項４】
前記超硬合金の走査型電子顕微鏡観察において、前記ＴａＣ粒子の面積が前記超硬合金全体の面積に対して０．１〜３面積％の割合で分散していることを特徴とする請求項３記載の超硬合金。
【請求項５】
前記超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、Ｗ、ＴａおよびＣｒの総量が３〜３０質量％の割合で含まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の超硬合金。
【請求項６】
平均粒径０．０５〜０．５μｍのＷＣ粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属Ｃｏ粉末と、平均粒径０．１〜１μｍのＴａＣ粉末と、平均粒径０．３〜１μｍのＣｒ３Ｃ２粉末と、溶媒とを混合し、成形後、１３８０〜１４３０℃で０．５〜１時間真空焼成し、該焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で０．５〜１時間ＳｉｎｔｅｒＨＩＰして３〜６℃／ｍｉｎにて冷却することを特徴とする超硬合金の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の超硬合金からなる回転工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具等に使用される高強度かつ高靭性を有し、プリント基板穴開け用のマイクロドリル等においても、耐折損性、耐摩耗性に優れ高精度で長寿命の穴開けが可能な優れた性能を発揮する超硬合金およびその製造方法、並びにその超硬合金を用いた回転工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の切削加工に広く用いられている超硬合金は、六方晶形からなり、断面が三角形や四角形等の多角形形状をなす角ばったＷＣ粒子を主体とする硬質相と、Ｃｏ等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくは上記ＷＣ−Ｃｏ系に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の固溶体相を分散せしめた系が知られている。
【０００３】
これらの超硬合金は、切削工具として、主に鋳鉄や炭素鋼等の切削に利用されているが、最近ではステンレス鋼といった難削材の加工やプリント基板の小径穴あけ加工等、切削の更なる効率化を求めて高速切削・高送り切削への利用も進められている。
【０００４】
一方、プリント基板加工用の素材としては、Ｃｒ（クロム）やＶ（バナジウム）等の粒成長抑制剤を添加したＷＣ粒子の粒径が１μｍより小さい、いわゆる超微粒超硬合金が主として用いられ、高硬度、高強度であることを活かして、耐欠損性および耐摩耗性に優れ、かつ穴位置精度の高いドリルが公用されている。
【０００５】
かかるプリント基板加工用のドリルについては、最近、プリント基板の高密度化に伴って加工される穴径が微細化する傾向にあり、ドリル径も小径化することが要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の超微粒超硬合金では、ドリル径が小径化するにしたがってドリルの強度が低下し、ドリル先端の刃先が摩耗する前にドリルの根元から折損する結果、安定して穴開けできる加工数が減じ工具寿命が短くなり頻繁にドリル交換をしなければならないという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、小径ドリル等に用いる場合においても耐折損性に優れた超硬合金を提供すること、かつこれを用いて、小径の穴あけ加工や高送り切削に対しても優れた耐折損性を有する回転工具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して検討した結果、平均粒径が０．５μｍ以下のＷＣ粒子とコバルトからなる超硬合金中に、ＴａおよびＣｒを添加、含有せしめての所定条件で焼成することによって、ＷＣ粒子が角部のない丸みのある形状となりやすく、この微粒で丸いＷＣ粒子を所定量超硬合金中に分散せしめた組織とすることによって、合金中に衝撃がかかった際ＷＣ粒子の角部に応力が集中して角部にクラックが生じ、折損してしまうことなく耐折損性に優れた超硬合金となることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の超硬合金は、平均粒径が０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を鉄属金属を主体とする結合相にて結合するとともに、ＴａおよびＣｒを含有してなる超硬合金であって、該超硬合金の透過型電子顕微鏡観察において、前記ＷＣ粒子が概略多角形形状で、かつ、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以上の丸みを呈する粒子の数が粒子全体に対して５０面積％以上の割合で含まれていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記ＴａおよびＣｒの含有量が前記超硬合金総量に対して０．７〜３質量％であることにより、超硬合金中に前記丸いＷＣ粒子を上記所定の割合で含有せしめることができる。
【００１１】
また、平均粒径０．２μｍ以下のＴａＣ粒子を含むこと、前記超硬合金の走査型電子顕微鏡観察において、前記ＴａＣ粒子の面積が前記超硬合金全体の面積に対して０．１〜３体積％の割合で分散していることによって、超硬合金の高温特性を維持することができる。
【００１２】
さらに、前記該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、Ｗ、ＴａおよびＣｒの総量が３〜３０質量％の割合で含まれていることによって、結合相の硬度を高めて、超硬合金全体としての硬度および強度を高めることができる。
【００１３】
さらに、本発明の超硬合金の製造方法は、平均粒径０．０５〜０．５μｍのＷＣ粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属Ｃｏ粉末と、平均粒径０．１〜１μｍのＴａＣ粉末と、平均粒径０．３〜１μｍのＣｒ３Ｃ２粉末と、溶媒とを混合し、成形後、１３８０〜１４３０℃で０．５〜１時間真空焼成し、該焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で０．５〜１時間ＳｉｎｔｅｒＨＩＰして３〜６℃／ｍｉｎにて冷却することを特徴とする。
【００１４】
また、上記記載の超硬合金からなる回転工具は耐欠損性、耐摩耗性に優れるとともに、小径化しても耐折損性が高く、微細で高精度な穴を長寿命に加工できるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の超硬合金について、その内部の透過型電子顕微鏡写真である図１を基に説明する。
図１によれば、超硬合金１は、ＷＣ相２と、少なくとも１種の鉄属金属を主成分として含有する結合相５とから構成されている。
【００１６】
本発明によれば、超硬合金１内部断面の透過型電子顕微鏡観察において、ＷＣ粒子を平均粒径０．５μｍ以下、特に０．１〜０．４μｍ、さらに０．２〜０．３μｍの概略多角形形状とすることにより、超硬合金１の硬度を向上させることができ、耐摩耗性の高いドリルとなる。また、長径（ＷＣ粒子の外周２点間の最大長さ）に対してなす２つの角部の曲率半径ｒ１、ｒ２の平均値が５０ｎｍ以上、特に７０ｎｍ以上、さらには０．１μｍ以上の丸みを呈する粒子（以下、角部が丸い粒子と略す。）８がＷＣ粒子２全体に対して５０体積％以上、特に７０体積％以上、さらに８０体積％以上であることが大きな特徴であり、これによって超硬合金１の抗折強度を高めることができ、さらに耐折損性の優れた回転工具となる。
【００１７】
ここで、角部が丸い粒子８は、前記角部の曲率半径が０．１μｍ以上である粒子がＷＣ粒子２全体に対して２０体積％以上、特に３０体積％以上、さらに５０体積％以上であることが超硬合金１の耐折損性を高める上で望ましい。
【００１８】
また、ＷＣ粒子２のうち、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以上の丸みを呈する角部が丸い粒子８がＷＣ粒子２全体に対して５０体積％より少ないと、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以下の先端部からなる角部が鋭利なＷＣ粒子（以下、角状粒子と呼ぶ）での応力集中が起こりやすく、切削中にクラックの起点となり折損を生じやすくなり超硬合金１の耐折損性が低下する恐れがある。
【００１９】
なお、本発明において、図２に示すように長径とは超硬合金１の内部断面の透過型電子顕微鏡観察において、ＷＣ粒子２の内部に引き得る最も長い線分Ｌの長さ（２点間最大長さ）を指し、また、長径に対してなす２つの角部の曲率半径とは、上記線分Ｌの端部、すなわち２つの角部におけるそれぞれの曲率半径ｒの平均値を指す。ここで、該曲率半径ｒが５０ｎｍより小さくなると急激に耐折損性が低下する。
【００２０】
また、本発明によれば、超硬合金１中にＣｒとＴａをともに含有することが重要であり、これによって、ＷＣ粒子２のうち、長径に対してなす２つの角部の曲率半径が５０ｎｍ以上の丸みを呈する角部が丸い粒子８の割合をＷＣ粒子２全体に対して５０体積％以上とすることができる。すなわち、ＣｒおよびＴａのいずれかが所定の範囲から外れると所定の丸みを呈するＷＣ粒子の割合が５０体積％より少なくなって直径が０．２ｍｍφ以下の極小径ドリルについての耐折損性が低下してしまう。なお、ＣｒとＴａとの望ましい含有割合はＷＣ粒子２の形状を制御し、かつ合金１の強度を損なわない点で、Ｃｒを０．２〜１．５質量％、Ｔａを０．５〜１．５質量％である。
【００２１】
また、本発明によれば、超硬合金１中にＴａＣ粒子３が存在することが、超硬合金１の高温特性、特に高温における耐酸化性を維持する点で望ましく、またＴａＣ粒子３はＢ−１型であるため結晶は粒状になり、本発明における応力集中による耐折損性の低下は起こしにくいが、ＴａＣ粒子３が破壊源となり、合金１の強度が低下して耐折損性が低下することを防ぐため、ＴａＣ粒子３の平均粒径は０．０１〜０．２μｍ、特に０．０３〜０．１μｍであることが望ましい。
【００２２】
また、ＴａＣ粒子３の含有量は、高温における耐酸化性と超硬合金１の強度および硬度を両立させるという点で、超硬合金１の任意５箇所においての走査型電子顕微鏡観察の面積比率で０．１〜３面積％、特に０．３〜１面積％であることが望ましい。なお、走査型電子顕微鏡観察における面積比率は公知の画像解析法を用いて行うことができる。
【００２３】
さらに、結合相５の硬度を高めて、合金１全体の硬度および強度を高めるために、前記該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、Ｗ、ＴａおよびＣｒの総量が３〜３０質量％の割合で含まれていることが望ましい。
【００２４】
前記ろ液中には超硬合金の炭化タングステン粒子以外の大部分が含まれ、すなわち、主として結合相が含まれ、また、炭化タングステン粒子の結合相との界面部および第３相の一部または全部が溶出したものが含まれる。本発明によれば、結合相および炭化タングステン粒子や第３相の硬質相の界面部分に所定量のＷ、ＴａおよびＣｒを含有せしめることにより、超硬合金の硬度と抗折力とを両立させて、加工時の工具の寿命を高めることができる。
【００２５】
（製造方法）
また、上述した超硬合金を製造するには、まず、例えば平均粒径０．０５〜０．７μｍの炭化タングステン粉末を８０〜９０質量％、平均粒径０．１〜２μｍのＴａＣ粉末を０．５〜２質量％、平均粒径０．１〜２μｍのＣｒ３Ｃ２粉末を０．２〜１質量％、平均粒径０．５〜１μｍの鉄族金属を５〜１５質量％、さらには所望により、金属タングステン（Ｗ）粉末、あるいはカーボンブラック（Ｃ）を混合する。
【００２６】
本発明によれば、上記原料組成とともに、上記混合に際して、メタノール等の有機溶媒を加え、粉砕メディアとして平均粒径が２〜６μｍの超硬合金からなるボールを用いて、５０〜８０時間振動ミル粉砕すること、あるいは４０〜６０時間アトライタ粉砕することが重要であり、さらに後述する工程を経ることによって、上述した所定の大きさを有するとともに、角の丸い粒子を所定量分散させることができる。
【００２７】
次に、上記混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形した後、１３８０〜１４３０℃で０．５〜１時間真空焼成し、該焼成温度よりも５〜１００℃低い温度で０．５〜１時間熱間静水圧プレス処理をして３〜６℃／ｍｉｎにて冷却することにより上述した超硬合金を得ることができる。
【００２８】
ここで、上記工程のうち、焼成温度が１３８０℃より低いと超硬合金の焼結性が低下してしまい、逆に焼成温度が１４３０℃より高いと炭化タングステン粒子が粒成長してしまい強度が低下する。さらに、ＳｉｎｔｅｒＨＩＰ温度が最高保持温度より５℃以上低くないと焼結が進行しすぎて、合金のヤング率および抗磁力が高くなりすぎてドリルが早期に折損しやすくなり、逆にＳｉｎｔｅｒＨＩＰ温度が最高保持温度と比較して１００℃より低いと焼結性が低下してドリル寿命が低下する。
【００２９】
また、上述した本発明の超硬合金は、高硬度、高強度に優れるとともに、優れた耐折損性を有することから、回転工具、特にプリント基板加工用ドリルとして好適に使用可能である。
【００３０】
また、本発明の切削工具は、上述した超硬合金の表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＺｒＮ、ダイヤモンドおよびＡｌ２Ｏ３の群から選ばれる少なくとも１種の被覆層を単層または複数層形成したものであってもよい。
【００３１】
なお、超硬合金に前記被覆層を形成するには、所望により、超硬合金の表面を研磨、洗浄した後、従来公知のＰＶＤ法やＣＶＤ法等の薄膜形成法を用いればよい。また、被覆層の厚みは０．１〜２０μｍであることが望ましい。
【００３２】
また、上記超硬合金を用いてプリント基板加工用ドリルを作製するには、上述した原料および成形用混合粉末を用いて棒状成形体を作製し、上述した焼成方法に従って焼成した後、焼結体に加工を施して所望のドリル形状に加工することによって作製できる。さらに、ドリルの少なくとも一部に上述したコーティング膜を成膜してもよい。
【００３３】
【実施例】
（実施例）
表１に示す平均粒径の炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径０．６μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径１．０μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．１μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、平均粒径０．５μｍのＶＣ粒子を表１に示す比率で添加し、溶媒としてメタノールを、メディアとしてメディア径４ｍｍでＷＣ粒子の平均粒径０．３μｍの超硬合金製ボールを加えて、６８時間振動ミル混合し、混合粉末を作製した後、有機バインダとしてパラフィンワックス１．６質量％添加し、金型プレス成形し、表１に示す条件で真空焼成およびそれに引き続いてｓｉｎｔｅｒＨＩＰ処理して超硬合金を５０本ずつ作製した。
【００３４】
なお、焼成温度までの昇温速度：５℃／ｍｉｎ、焼成時間：１時間、熱間静水圧処理の条件はアルゴン圧力６ＭＰａ、時間：０．５時間で一定とした。また、表中、真空焼成温度とｓｉｎｔｅｒＨＩＰ温度との温度差をΔＴ（℃）、ｓｉｎｔｅｒＨＩＰ後の冷却速度を冷却速度と表記した。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
得られた超硬合金の任意断面５箇所について、透過型電子顕微鏡により図１に示すような６４０００倍の反射電子像を観察し、２μｍ×２μｍの任意領域について、ＷＣ粒子の形状（ＷＣ粒子の平均粒径、ＷＣ粒子の長径をなす線分Ｌの角部について曲率半径５０ｎｍ以上の丸い粒子の比率）を測定し、また、ＷＣ粒子および結合相の含有面積比率、固溶体相の平均粒径をルーゼックス画像解析法によって算出した。結果を表２に示す。
【００３７】
また、前記超硬合金について、２枚刃形状のドリル形状に加工し、下記条件によってプリント基板の孔あけ加工テストを行い、試料が折損するまでの加工穴数を測定した。
＜条件＞
被削材  ：ＦＲ４・６層板、１．６ｍｍ厚、３枚重ね
ドリル形状：φ０．１５ｍｍアンダーカットタイプ
回転数：１２０ｋｒ．ｐ．ｍ．
送り速度：２．４ｍ／ｍｉｎ．
【００３８】
【表２】
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【００３９】
表１，２の結果より、ＣｒとＴａをともには添加しない試料Ｎｏ．６，７は、ＷＣ粒子中、角部が丸い粒子の割合が５０体積％より少なくほとんどが角ばった形状からなり、耐折損性が低下した。また、焼成温度が１４３０℃を超える試料Ｎｏ．４およびｓｉｎｔｅｒＨＩＰ後の冷却速度が３℃／分より遅い試料Ｎｏ．８でもＷＣ粒子中、角部が丸い粒子の割合が５０体積％より少なくほとんどが角ばった形状からなり、耐折損性が低下した。
【００４０】
これに対して、本発明に従い、ＣｒとＴａをともに添加するとともに所定の条件にて製造した試料Ｎｏ．１〜３では、いずれもＷＣ粒子中、角部が丸い粒子の割合が５０体積％より高くなり、かつ極小径である直径が０．１５ｍｍφのドリルについての穴開け試験にて加工穴数２０００穴以上の優れた耐折損性を示すものであった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の超硬合金によれば、ＷＣ粒子の平均粒径を０．５μｍ以下とし、かつ、角部のない丸みのあるＷＣ粒子を所定量超硬合金中に分散せしめた組織とすることによって、衝撃がかかった際でも角部にクラックが生じることなく、衝撃を粒子全体で吸収することができることから、耐折損性に優れた超硬合金となり、これを回転工具として用いることによって、小径穴あけ加工や高送り切削等の過酷な切削条件に対しても優れた耐折損性を有する回転工具を得ることができる。
【００４２】
また、本発明の超硬合金の製造方法によれば、平均粒径０．０５〜０．５μｍのＷＣ粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属Ｃｏ粉末と、平均粒径０．１〜１μｍのＴａＣ粉末と、平均粒径０．３〜１μｍのＣｒ３Ｃ２粉末と、溶媒とを混合し、成形後、１３８０〜１４３０℃で０．５〜１時間真空焼成し、該焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で０．５〜１時間ＳｉｎｔｅｒＨＩＰして３〜６℃／ｍｉｎにて冷却することから、角部のない丸みのあるＷＣ粒子を所定量超硬合金中に分散せしめた組織とすることができ、もって衝撃がかかった際でも角部にクラックが生じることなく、衝撃を粒子全体で吸収することができることから、耐折損性に優れた超硬合金を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリント基板加工用超硬合金の一例を示す図面代用透過電子顕微鏡写真である。
【図２】従来のプリント基板加工用超硬合金の一例を示す図面代用透過電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１：超硬合金
２：炭化タングステン粒子
３：ＴａＣ粒子
５：結合相
７：角状粗粒子
８：角部が丸い粒子
９：角部
Ｌ：長径２μｍ以上の炭化タングステン粒子の内部に引きうる最も長い線分
ｒ：線分Ｌに対してなす角部の曲率半径
【図１】
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【図２】
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