(57)【要約】【課題】ドリルの小径化や高速切削化においても耐摩耗性に優れ、長寿命の切削が可能な超硬合金製回転工具を提供する。【解決手段】シャンク部２、フルート部３および切刃部４を備えたドリル１等の超硬合金製回転工具において、前記超硬合金が平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を５〜１５質量％のコバルトを主体とする結合相にて結合した組織からなるとともに、前記回転工具を大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量を０．２ｍｇ／ｍｍ２以下とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャンク部、フルート部および切刃部を備えた超硬合金製回転工具であって、前記超硬合金が平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を５〜１５質量％のコバルトを主体とする結合相にて結合した組織からなるとともに、前記回転工具を大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とする超硬合金製回転工具。
【請求項２】
前記超硬合金の表面における酸素含有量が前記超硬合金の内部における酸素含有量に比べて多いことを特徴とする請求項１記載の超硬合金製回転工具。
【請求項３】
前記超硬合金の表面における硬度が前記超硬合金の内部における硬度に比べて高いことを特徴とする請求項１または２記載の超硬合金製回転工具。
【請求項４】
前記超硬合金中に、Ｖ、Ｃｒ、ＴａおよびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種を炭化物換算による総量で０．２〜３質量％の割合で含有せしめ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製回転工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超硬合金製回転工具に関するものである。
【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、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】
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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
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、および穴開け加工効率を高めるために、ドリルの回転速度を１００，０００ｒｐｍ以上に高めた高速切削化が要求されている（例えば特許文献２参照）。また、エンドミル加工等の他の回転工具においても同様な傾向にあり、高速切削化による加工効率の向上が求められている。
【０００５】
〔特許文献１〕
特開昭６１−１２８４７号公報
〔特許文献２〕
特開２００１−２３９４１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近のドリル径の小径化および高速切削化の要求に対して、上記従来の超微粒超硬合金では、ドリル先端が切削によって高温となり、そのためにドリル先端がプリント基板中の銅配線と溶着しやすくなったり、加工くずの排出性が悪くなる影響で先端刃先がさらに摩耗しやすくなってしまい、刃先の摩耗に伴って切削抵抗が高くなり工具寿命が短くなる傾向にあるという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、ドリルの小径化や高速切削化においても耐摩耗性に優れ、長寿命の切削が可能な超硬合金製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、工具の原料粉末の性状および焼成条件を制御するとともにドリル形状等の工具形状に加工した後にこの工具の表面を所定条件で酸化処理または酸素イオン注入処理などの方法にて酸素濃度の高い状態とすることによって、平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子とコバルトからなるとともに高温における酸化増量が少ない超硬合金にて工具を作製できる結果、コーティングを施すことなく工具表面の耐熱性、耐酸化性を高めることができ、かつ、耐摩耗性に優れた超硬合金製回転工具となることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の超硬合金製回転工具は、シャンク部、フルート部および切刃部を備えた超硬合金製回転工具であって、前記超硬合金が平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を５〜１５質量％のコバルトを主体とする結合相にて結合した組織からなるとともに、前記回転工具を大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記超硬合金の表面における酸素含有量が前記超硬合金内部における酸素含有量に比べて多いこと、前記超硬合金の表面における硬度が前記超硬合金内部における硬度に比べて高いことによって、高温における耐酸化性、耐溶着性および耐摩耗性をより高めることができる。
【００１１】
また、前記超硬合金中に、バナジウム、クロム、タンタルおよびニオブを炭化物換算による総量で０．２〜３質量％の割合で含有せしめることにより、酸化増量を上記所定量以下にせしめることができるとともに、合金中の炭化タングステン粒子の粒径を微細化して合金の抗折強度を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の超硬合金製回転工具について、その一例であるドリルの概略側面図である図１を基に説明する。
【００１３】
図１のドリル１は、シャンク部２、フルート部３および切刃部４を備えた超硬合金からなり、本発明によれば、この超硬合金が平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子間を３〜１３質量％のコバルトを主体とする結合相にて結合した組織からなるものである。
【００１４】
本発明によれば、ドリル１を大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２以下、特に０．１５ｍｇ／ｍｍ２以下、０．１２ｍｇ／ｍｍ２以下であることが大きな特徴であり、これによって、ドリル１の先端が高温となった場合でもドリルの先端がプリント基板中の銅配線と溶着しやすくなったり、加工くずの影響によって摩耗しやすくなることなく、耐摩耗性に優れ、微細で高精度な穴開け加工が行えるドリルとなる。
【００１５】
すなわち、従来の超微粒超硬合金からなるドリルのように、酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２を超えると、ドリルが高温となったときの耐溶着性および耐摩耗性が低下する恐れがある。
【００１６】
なお、上記のように、高温における酸化増量を低減する好適な方法としては、ドリル１の形状に加工した後、後述する所定の条件で酸化処理または酸素イオン注入処理を施す方法が挙げられる。
【００１７】
ここで、本発明によれば、ＷＣ粒子の平均粒径は０．５μｍ以下、特に０．１〜０．４μｍ、さらに０．２〜０．３μｍとすることが重要であり、これにより超硬合金の硬度および抗折強度を向上させることができ、耐摩耗性および耐折損性の高いドリルとなる。
【００１８】
また、本発明によれば、上記超硬合金においては、結合相をなすコバルトの含有量は５〜１５質量％であることがドリルとして必要な硬度および強度を満足するために必要であるが、小径化、穴位置精度の向上のためにドリルの変形を起こさない点では、結合相をなすコバルトの含有量は特に６〜１０質量％、さらには６〜８質量％であることが望ましい。
【００１９】
また、本発明によれば、上記表面処理によってドリル１の表面における酸素含有量がドリル１の内部における酸素含有量に比べて多くなるように制御することが望ましく、これによって、従来公知のコーティングのような高コスト化を招く手法を用いることなく、上述した高温における耐酸化性、耐溶着性および耐摩耗性の高いドリルとなる。
【００２０】
さらに、本発明によれば、上記表面処理によって、ドリル１の表面における硬度がドリル１の内部における硬度に比べて高くなることが望ましく、これによってドリル１の耐摩耗性をさらに高めることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、超硬合金中にＶ、Ｃｒ、ＴａおよびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種の高融点金属を炭化物換算による総量で０．２〜３質量％、特に０．２〜２質量％の割合で含有せしめることが望ましく、これによって、上記条件での酸化増量をより低減することができるとともに、ＷＣ粒子を微粒化して合金の硬度、抗折強度を高め、かつ耐衝撃性を向上する効果がある。
【００２２】
さらに、本発明によれば、前記超硬合金の高温における酸化増量を低減するために、合金組織中、ＷＣ粒子の平均粒径に対して１／５以下の粒径である微粒ＷＣ粒子の数をＷＣ粒子全体の数に対して１０％以下、かつＷＣ粒子の平均粒径に対して３倍以上の粒径を有する粗粒の数がＷＣ粒子全体の数に対して１０％以下であることが望ましい。
【００２３】
（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０．０５〜０．５μｍのＷＣ粉末を８０〜９０質量％、平均粒径０．２〜０．８μｍの金属Ｃｏ粉末を３〜１５質量％に加えて、平均粒径０．３〜１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径０．８〜２．０μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、平均粒径１．０〜２．５μｍのＴａＣ粉末、および平均粒径０．８〜２．０μｍのＮｂＣ粉末を炭化物換算による総量で０．５〜３．０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。
【００２４】
本発明によれば、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ＷＣ平均粒径が０．２〜０．５μｍの超硬合金からなる粉砕ボール（φ３ｍｍ〜φ６ｍｍ）を用いて、５０〜８０時間振動ミル粉砕するか、あるいは４０〜６０時間アトライタ粉砕することが合金中のＷＣ粒子の粒径を制御する点で望ましい。
【００２５】
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、１３２０〜１３８０℃で０．５〜１時間真空焼成し、該焼成温度よりも５〜５０℃低い温度で０．５〜１時間熱間静水圧プレス焼成（Ｓｉｎｔｅｒ  ＨＩＰ）をして３〜６℃／分にて冷却する。
【００２６】
ここで、上記工程のうち、焼成温度が１３２０℃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１３８０℃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とともに、酸化増量が規定値を超えてしまい、工具が高温になった場合の耐酸化性、耐溶着性および耐摩耗性が低下する。また、熱間静水圧プレス焼成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酸化増量が規定値を超えてしまい、逆に熱間静水圧プレス焼成温度が最高保持温度と比較して５０℃より低い場合、酸化増量が増して焼結性が低下してドリル寿命が低下する。
【００２７】
そして、本発明によれば、上記超硬合金をドリル等所定の工具形状に加工した後、２００℃〜４００℃で、大気中１時間保持の条件で酸化処理をするか、もしくは、エネルギー１００〜２００ＫｅＶ、注入量１×１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２〜１×１０１７ｉｏｎ／ｃｍ２の条件で酸素イオン注入処理などを施すことにより、上述した超硬合金製回転工具を得ることができる。
【００２８】
また、上述した本発明の超硬合金製回転工具は、高硬度、高強度に優れるとともに、優れた耐摩耗性を有することから、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が、金属加工用のドリルやエンドミル等としても好適である。
【００２９】
【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０．７μｍのＶＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、平均粒径２．０μｍのＴａＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＮｂＣ粉末を表１に示す比率で添加し、溶媒としてメタノールを、粉砕メディアとして、平均粒径０．３μｍのＷＣ粒子を主体とする超微粒子超硬合金からなる直径５ｍｍのボールを加えて振動ミル混合し、乾燥した後、プレス成形により丸棒形状に成形し、焼成温度より５００℃以上低い温度から１０℃／分の速度で昇温して、表１に示す条件で焼成して超硬合金を作製した。
【００３０】
得られた超硬合金を２枚刃形状のドリル形状に加工し、一部の試料については、
大気雰囲気中、３００℃で１時間の酸化処理（昇降温速度  １０℃／分）、またはエネルギー１５０ＫｅＶ、注入量１×１０１７ｉｏｎ／ｃｍ２の条件で酸素イオン注入を施した（試料Ｎｏ．１〜４、７）。
【００３１】
得られたドリルに対して、大気中、昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持する熱処理を施し、処理前後での重量差から酸化増量を算出した。なお、酸化増量の算出に当たりドリルの比表面積は図面形状から算出して求めた。また、上記ドリルのシャンク部の表面およびシャンク部を２分割した内部におけるビッカース硬度を測定した。さらに、オージェ分析によってドリルの表面から内部に向かって酸素濃度の変化を測定した。結果は表１に示した。
【００３２】
また、前記超硬合金製ドリル形状にて、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、テスト後、ＳＥＭ観察によって摩耗量を測定した。
【００３３】
＜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／分
穴あけ数：３，０００ｈｉｔｓ
【表１】
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【００３４】
表１の結果より、表面処理を施さなかった試料Ｎｏ．５、６では酸化増量が０．２ｍｇ／ｍ２より多く、耐摩耗性が低下した。また、焼成条件が所定の条件から外れる試料Ｎｏ．７においても酸化増量が０．２ｍｇ／ｍ２より多く、耐摩耗性が低下した。
【００３５】
これに対して、本発明に従い、所定の原料を用い所定の条件にて焼成して表面処理を施すことによって、大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２以下である試料Ｎｏ．１〜４では、摩耗量５０μｍ以下の優れた耐摩耗性を示すものであった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の超硬合金製回転工具によれば、工具の原料粉末の性状および焼成条件を制御するとともにドリル形状等の工具形状に加工した後にこの工具の表面を所定条件で酸化処理または酸素イオン注入処理などの方法にて酸素濃度の高い状態とする方法等によって、平均粒径０．５μｍ以下のＷＣ粒子とコバルトからなり、大気中、室温から昇温速度１０℃／分で７００℃まで昇温して１時間保持した時の酸化増量が０．２ｍｇ／ｍｍ２以下に制御した本発明の超硬合金製回転工具は、コーティングを施すことなく工具表面の耐熱性、耐酸化性を高めることができ、かつ、耐摩耗性に優れた性能を発揮する超硬合金製回転工具である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超硬合金製回転工具の一例であるドリルの概略側面図である。
【符号の説明】
１      ドリル
２      シャンク部
３      フルート部
４      切刃部
【図１】
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