(57)【要約】【課題】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定量的に捉えることによって抗折力の改善を図り、折損までの寿命が長く、しかも高強度で良好な耐磨耗性を示す切削工具が得られる超微粒超硬合金を提供する。【解決手段】重量比でＣｏ及び／又はＮｉ：５〜１２％、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｒｕ、Ｓｉのうちから選ばれる２種以上の合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有し、研磨面上を直径１μｍのビーム径においてＣｏのＥＰＭＡ線分析をした時に、線分析におけるＣｏ成分強度の平均値の１．５倍をこえるＣｏのピークが単位長さ１００μｍ当りで無く、飽和磁化の値がＣｏ１％当り１．６２μＴｍ３／ｋｇ以下、保磁力が２７．８〜５１．７ｋＡ／ｍ、であることを特徴とする超微粒超硬合金である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でＣｏ及び／又はＮｉ：５〜１２％、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｒｕ、Ｓｉのうちから選ばれる２種以上の合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有し、研磨面上を直径１μｍのビーム径においてＣｏのＥＰＭＡ線分析をした時に、線分析におけるＣｏ成分強度の平均値の１．５倍をこえるＣｏのピークが単位長さ１００μｍ当りで無く、飽和磁化の値がＣｏ１％当り１．６２μＴｍ３／ｋｇ以下、保磁力が２７．８〜５１．７ｋＡ／ｍ、であることを特徴とする超微粒超硬合金。
【請求項２】
該Ｃｏピーク数が、１個／１００μｍ、以下であることを特徴とする請求項１記載の超微粒超硬合金。
【請求項３】
該（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、である組成を有することを特徴とする請求項１又は２記載の超微粒超硬合金。
【請求項４】
Ｃｏ中に固溶するＣｒの量が１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３記載の超微粒超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、穴あけ加工やフライス加工等に使用される切削工具に適用される超微粒組織を有する超硬合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物粉末と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族金属で焼結結合した超硬合金の内ＷＣ−Ｃｏ系合金は、機械的性質（高温での強度低下が少なくまた熱伝導率が高い）に優れ、切削工具に多用されている。切削工具の場合、特に、ＷＣ−Ｃｏ系合金でも、微細なＷＣ粉末を出発原料とし、かつ焼結過程でＷＣの粒成長を抑制する遷移元素（例えばＣｒ、Ｖ、Ｔａ）を添加することにより、ＷＣの平均粒度が０．７μｍ以下の超微粒組織とした超硬合金（以下、超微粒超硬合金という。）が使用されている。超微粒超硬合金を使用した切削工具として、例えば半導体のプリント基板の穴あけ加工や外縁部の加工に使用される外径が０．０５〜０．５ｍｍ程度のプリント基板用ドリルがあるが、この種のドリルは多数枚積層したプリント基板に対して高速回転させて使用されるので、折損し易いという問題がある。そこで工具寿命を延ばすために、従来から種々の提案がなされている。例えば特公昭６２−５６２２４号の訂正公報（以下、先行技術１という。）には、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ：５〜４０％及びＶ：０．１〜２．０％とＣｒ：０．１〜２．０％を含有し、かつＣｏ及び／又はＮｉにＶ及びＣｒが固溶している金属結合相と、平均粒径が０．７μｍ以下のＷＣ硬質相からなる２相組織とすることにより、強度（靭性）を改善することが記載されている。特公昭６２−５６９４４号公報（以下、先行技術２という。）には、合金中に平均粒径が０．６μｍ以下のＷＣを含有した超硬合金において、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ：４〜４０％及びＶ：０．１〜２．０％とＣｒ：０．１〜２．０％とＴａＣ又は（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ：０．５〜８．０％を含有することにより、エンドミルで軟らかい被削材を加工する場合の耐溶着性を改善することが記載されている。特公平４−５０３７４号公報（以下、先行技術３という。）には、重量比で、ＶＣ：０．０５〜１．０％とＣｒ３Ｃ２：０．０５〜１．５％を複合添加し、かつ（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：０．０３〜０．０７とすることにより、Ｃｏ及び／又はＮｉ中にＶＣと炭化クロムとを固溶させてＷＣの粒成長を抑止すること及びＣｏ及び／又はＮｉからなる結合相の塑性変形から生ずる強度低下を防止することが記載されている。特許第３００８５３２号公報（以下、先行技術４という。）には、重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ：４〜２５％、Ｖ及びＣｒを、それぞれＶ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：０．０１〜０．１、Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：０．０５〜０．２を満足するように含有し、Ｃｏ及び／又はＮｉを成分とする金属結合相とＷＣ相の粒界に、ＶとＷを含む複合炭化物を第３相として有することにより、強度（靭性）を改善することが記載されている。特開２０００−７１２号公報（以下、先行技術５という）には、質量比で、Ｖ：０．２〜１．０％とＣｒ：０．２〜２％を複合添加すると共に硬質分散相が７０〜９３面積％を占め、残りがＣｏの結合相からなる組織を示し、硬質分散相はＷＣをＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で全面及び／又は部分被覆してなる被覆ＷＣからなる第１硬質分散相６５〜９２．５面積％と、ＶとＷとＣｒの析出複合炭化物が結合相中に微細に分散した第２硬質分散相０．５〜５面積％からなる超硬合金でプリント基板用ドリルを構成することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先行技術１〜５に記載された組成及び組織を有する超微粒超硬合金によれば、従来よりも工具性能を向上することができるが、次に述べる通り、プリント基板用ドリルのような厳しい切削条件のもとで使用される工具に適用する場合には、改良すべき点が残されている。先行技術１に記載されているような２相組織の超硬合金をプリント基板用ドリルに適用すると、工具寿命の安定性に欠けるという問題がある。先行技術２に記載された組成は、ＴａＣ又は（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃが合金素地中に析出するので、靭性が低下するという問題がある。先行技術３に記載された組成は、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が少ないので、製造条件によってはＷＣの粒成長を十分に抑制できないことがある。先行技術４に記載された超硬合金は、第３相を有するため、第３相の析出を制御するのが困難となり、第３相が粗大化し、不均一に析出した場合には高い抗折力を得られないという問題がある。先行技術５に記載された超硬合金は、Ｃｒが多いので、強度が低下するという問題がある。しかし、この原因と考えられる金属成分等の偏析による欠陥に関して定量化はされてはいない。
本発明の目的は、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定量的に捉えることによって抗折力の改善を図り、折損までの寿命が長く、しかも高強度で良好な耐磨耗性を示す切削工具が得られる超微粒超硬合金を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者等は、超微粒超硬合金について、抗折力と合金組成、結合相中へのＣｒ固溶量、磁気特性との関係に注目し、種々検討を行なった。それらの検討の中で、上記の合金組成、磁気特性などに加え、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　ａｎａｌｙｓｅｒ（以下、ＥＰＭＡという。）によるＣｏの面分析を行なったときの、Ｃｏの成分強度の平均値に対して、ある比率以上のＣｏのピークの個数と抗折力の間に密接な関係があることを見出し本発明に至った。即ち、本発明の超微粒超硬合金は、重量比でＣｏ及び／又はＮｉ：５〜１２％、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｒｕ、Ｓｉのうちから選ばれる２種以上の合計量が０．１〜３％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有し、研磨面上を直径１μｍのビーム径においてＣｏのＥＰＭＡ線分析をした時に、線分析におけるＣｏ成分強度の平均値の１．５倍をこえるＣｏのピークが単位長さ１００μｍ当りで無く、飽和磁化の値がＣｏ１％当り１．６２μＴｍ３／ｋｇ以下、保磁力が２７．８〜５１．７ｋＡ／ｍ、であることを特徴とする超微粒超硬合金である。また上記に加え更に、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０７を超える組成を有することが好ましい。また更に、Ｃｏ中に固溶するＣｒ量が１０％以下であることが好ましい。
【０００５】
本発明者らはこれまで超硬合金の解析にあまり用いられることがなかったＥＰＭＡ線分析法による評価を試みた。そして直径１μｍという比較的大きいビーム径を用いて、研磨面の線分析を行なうことによって、Ｃｏの偏析を定量的に捉えることを可能とした。更に、線分析におけるＣｏの平均値に対して１．５倍をこえるピークの個数と抗折力の間に顕著な相関関係があることを見出した。即ち、線分析におけるＣｏの平均値に対して１．５倍をこえるピークが無いことであり、その許容範囲は、１００μｍの線分析を行なった時に１個以下であれば高い抗折力が得られ、２個以上の場合には、抗折力が大幅に低下することが判明した。また、４．０ＧＰａ以上の抗折力を有する超微粒超硬合金を得るためには、飽和磁化の値がＣｏ１％当り１．６２μＴｍ３／ｋｇ以下であることが必要である。これは飽和磁化の値を上記値にすることにより、結合相中のＷ、Ｃｒなどの固溶量を多くすることが可能になり、固溶強化により高抗折力を得ることができるからである。また保磁力については、４．０ＧＰａ以上の高強度を得るためには２７．８〜５１．７ｋＡ／ｍの範囲にあることが必要であることが判明した。保磁力が低すぎることは、ＷＣの粒径が大きくなることに相当し、高い抗折力を得ることが出来なくなる。また保磁力を５１．７ｋＡ／ｍを超える値とするためには、粒成長抑制剤の量を極めて多くする必要があり、またＣｏ量を少なくする必要があり、高い抗折力を得ることは出来なくなる。
【０００６】
本発明の超微粒超硬合金は、上記の組成、組織及び磁気特性とを有することにより、例えば平均粒径が０．３５μｍ以下でかつ粒径が０．７μｍ以上の粗大粒子の含有量が１０％未満といった狭い粒度分布を有するＷＣが硬質相に均一に分散され、しかもＷＣ、炭化物固溶体、Ｃｏ相からなる３相域の幅がη相や遊離炭素が生じないように調整されるので、高硬度で、かつ高い強度、例えば４．０ＧＰａ以上の抗折力が得られる。従って、本発明の超微粒超硬合金で形成したプリント基板用ドリルで半導体のプリント基板の穴あけ加工や外縁部の加工を行っても、折損し難くなり、長期の使用に耐えることができる。
【０００７】
本発明における各成分範囲の限定理由は次の通りである。Ｃｏ及び／又はＮｉは、少な過ぎると焼結性が低下し、強度が低下するので５％以上が必要で、多過ぎると硬さが低くなり耐摩耗性が低下し、また価格高を招来するので、１２％以下とする。Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＴａＣ、Ｒｕ、Ｓｉは液相焼結時に結合相に溶解し、ＷＣの粒成長を防止する効果を有するので、本発明の超微粒超硬合金にはこれらの元素のうち少なくとも２種以上が含有されるが、これらの元素の合計が０．１％以下であるとＷＣの粒成長を防止する効果がなく、一方、３％を越えると、焼結後の冷却過程において、粗大な化合物として晶出又は析出するので著しい強度の低下をもたらすので、０．１〜３％の範囲が好ましい。また、Ｃｒ及びＲｕの少なくとも一方を含有することにより、耐食性を向上させることが可能であり、工具研削時の研削液による腐食及び湿式切削における切削液による腐食を有効に防止することができる。更に、均一微細なＷＣを有する組織とするために、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ及びＣｏを次の範囲で含有させることが好ましい。即ち、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が小さいと、焼結過程におけるＷＣの粒成長を十分に抑制することが出来なくなるため、０．０７を超えることとする。Ｃｏ中のＣｒの固溶量が１０％を超えるとＣｒを成分とする粗大な析出炭化物が形成されやすくなるのでＣｏ中のＣｒの量は１０％以下とする。上記組成は、製造上不可避の不純物を含んでいても差支えないが、焼結後に脆化相を形成するＰ、Ｓ、Ｓｎ等の元素の含有量は極力少なくすることが好ましい。
【０００８】
本発明の超微粒超硬合金は、上記の組成を有するものであり、微細な組織を得るために従来のように複雑な製造工程によらず、例えば次のような工程に従って製造することができる。平均粒径０．３５μｍ以下のＷＣ粉末及び平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末と、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴａＣ粉末、Ｒｕ粉末及びＳｉ粉末の２種以上を準備し、これらを所定組成になるように配合し、ボールミルで湿式混合し、減圧乾燥後５〜１０ＭＰａの圧力を印加して、プレス成形する。この成形体を１０−３ｔｏｒｒ程度の真空中で、ＷＣとＣｏ及び／又はＮｉとの共晶温度以上（例えば１３００〜１５００℃）に０．５〜２ｈ保持して、焼結を行えばよい。また必要に応じ、焼結中又は焼結後にＡｒガス雰囲気中で加圧するシンターＨＩＰ又はＨＩＰ処理を行なうことにより更に特性を向上させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。平均粒径０．３５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、平均粒径１．２μｍのＴａＣ粉末及び平均粒径２．０μｍのＲｕ粉末、平均粒径１．５μｍのＳｉ粉末を準備し、これらを表１に示す組成になるように配合し、アトライタで湿式混合し、減圧乾燥後９．８×１０７Ｐａの圧力を印加して、プレス成形した。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
この成形体を真空中で、１４００〜１４５０℃に１時間保持して焼結を行い、得られた焼結体を加工して、全長３８．１ｍｍ、シャンク径３．１７５ｍｍ、刃径０．２ｍｍ、溝長４．０ｍｍのプリント基板用ドリルを作製した。また、本発明例７〜９、比較例１４、１５においては混合時間とＣ添加量を調整することにより、保磁力及び飽和磁化を変化させた。
本発明例及び比較例の超微粒超硬合金につき、ＷＣの平均粒径をミクロ組織写真よりフルマンの式を用いて算出した。抗折力、保磁力、飽和磁化（Ｃｏ量１％当り）、ＥＰＭＡによるＣｏの平均値に対し１．５倍を超えるピークの数をもとめた。Ｃｏ中のＣｒ固溶量の値は、酸によりＣｏのみを溶解し、その溶液をＩＣＰ分析することによりを求めた。これらの結果を表２に示す。
【００１２】
【表２】
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【００１３】
表２には、ＥＰＭＡによるＣｏピークの数は、各試料の表面を鏡面研磨した後、直径１μｍのビームで１００μｍの長さを走査して行った。本発明例１に示す超微粒超硬合金のＥＰＭＡによる解析結果を図１に、比較例１０に示す超微粒超硬合金の同解析結果を図２に示す。
図１より、本発明例１の超微粒超硬合金は、平均値の１．５倍以上のＣｏピークが無いのに対し、図２より、比較例１０の超微粒超硬合金はＣｏのピークが２個／１００μｍ、現出していることがわかる。比較例１０の抗折力は本発明例１よりも低下し、工具寿命も短い。
【００１４】
表１の本発明例１〜９及び比較例１０〜１５のプリント基板用ドリルを用いて、次の諸元で切削テストを行い、ドリル寿命を測定した。その結果も表２に示す。切削諸元は、被削材：ガラスエポキシ樹脂からなるプリント基板（厚さ１．６ｍｍ）を２枚積層し、回転速度：７００００ｍｉｎ−１、送り：２１００ｍｍ／ｍｉｎで実施した。
【００１５】
表１、表２から、本発明例１〜９は、４．０ＧＰａ以上の高い抗折力が得られると共に、プリント基板穴あけでも４９００〜５８００穴が加工でき、比較例１０〜１５では、抗折力が低下し、プリント基板用ドリルとしても折損までの穴あけ数が１６００〜３５００穴となった。
【００１６】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明を適用することにより、複雑な製造工程によることなく、高い抗折力が得られ更にプリント基板用ドリルとしての長い折損寿命が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＥＰＭＡ線分析結果を示す図である。
【図２】図２は、比較例のＥＰＭＡ線分析結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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