(57)【要約】【課題】折損寿命が長く、しかも良好な耐食性を示すとともに、低コストの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】少なくともＣｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相並びにＷＣ相を有する超硬合金であり、質量比で、０＜Ｃｏ及び／又はＮｉ＜８％、０＜Ｃｒ＜０．２％、Ｖ＞０．３％、ＴａＣ、ＮｂＣのうち１種又は２種の合計量は０．５％未満、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有するとともに、Ｃｏ及び／又はＮｉにＷ、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を主体とする硬質相と、ＷＣ、Ｃｒ、Ｖのうちの２種以上を含む複合炭化物相を有することを特徴とする超微粒超硬合金。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＣｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相並びにＷＣ相を有する超硬合金であり、質量比で、０＜Ｃｏ及び／又はＮｉ＜８％、０＜Ｃｒ＜０．２％、Ｖ＞０．３％、ＴａＣ、ＮｂＣのうち１種又は２種の合計量は０．５％未満、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有するとともに、Ｃｏ及び／又はＮｉにＷ、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を主体とする硬質相と、ＷＣ、Ｃｒ、Ｖのうちの２種以上を含む複合炭化物相を有することを特徴とする超微粒超硬合金。
【請求項２】
少なくともＣｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相並びにＷＣ相を有する超硬合金であり、質量比で、前記Ｃｏ及び／又はＮｉ：８％未満（０を含まず）、０＜Ｃｒ＜０．２％、Ｖ＞０．３％、ＴａＣ、ＮｂＣのうち１種又は２種の合計量は０．５％未満、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、０．００１＜Ｒｕ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．１、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有することを特徴とする超微粒超硬合金。
【請求項３】
請求項１又は２記載の超微粒超硬合金において、ＥＰＭＡによる組織観察で、倍率を１０００倍にてマッピング分析した時に、ＴａとＶとからなる化合物の出現相を面積比で５％以下に存在させたことを特徴とする超微粒超硬合金。
【請求項４】
請求項１又は２記載の超微粒超硬合金において、ＥＰＭＡによる組織観察で、倍率を１０００倍にてマッピング分析した時に、ＴａとＶとからなる化合物の出現相の平均粒径を３μｍ以下としたことを特徴とする超微粒超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　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。
【背景技術】
【０００２】
　周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物粉末と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄系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金属元素（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、特許文献１から特許文献６のような種々の提案がなされている。
　特許文献１には、質量比で、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を主体とする硬質相からなる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。しかし特許文献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。
　特許文献２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、質量比で、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。しかし、特許文献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。
　特許文献３には、質量比で、Ｖ：０．０５〜１．０％とＣｒ：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を主体とした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。しかし、特許文献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。
　特許文献４には、ＷＣ粉末及びＣｏ粉末の代わりに、酸化タングステンを含む特定の原料粉末を使用することにより、質量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉを８〜１３％含有し、ＷＣ素地中に粒径が１００ｎｍ以下のＣｏ基合金超微粒子を存在させると共に、Ｖ：０．１〜２．０％とＣｒ：０．１〜２％を複合添加することにより、エンドミルで重切削を行った場合の耐チッピング性を向上させることが記載されている。しかし、特許文献４に記載された超硬合金は、特殊な原料と多量のＣｏを使用するので、製造コストが増大するという問題がある。
　特許文献５には、質量比で、Ｃｏ：５〜１３％を含有し、Ｖ：０．０５〜０．３％とＣｒ：０．２〜２％を複合添加すると共に、焼結過程の途中で真空雰囲気を加圧雰囲気に変え、所定時間保持後急冷することにより、硬質分散相が７０〜９３面積％を占め、残りがＣｏを主体とする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および／又は部分被覆してなる被覆ＷＣ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。しかし、特許文献５に記載された超硬合金は、Ｖが少なくかつＣｒが多いので、ＷＣの粒成長を十分に抑制できず、また強度が低下し、更に焼結工程が複雑になるので、製造コストの増大を招来するという問題がある。
　特許文献６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を主体とする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および／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。しかし、特許文献６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。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６２−５６２２４号の訂正公報
【特許文献２】特公昭６２−５６９４４号公報
【特許文献３】特公平４−５０３７４号公報
【特許文献４】特許第３２１４３８５号公報
【特許文献５】特開平１１−３５００６１号公報
【特許文献６】特開２０００−７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　上記の特許文献１〜６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、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。本発明の目的は、折損までの寿命が長く、しかも良好な耐食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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　上記課題を達成するために、本願の第１の発明は、少なくともＣｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相並びにＷＣ相を有する超硬合金であり、質量比で、０＜Ｃｏ及び／又はＮｉ＜８％、０＜Ｃｒ＜０．２％、Ｖ＞０．３％、ＴａＣ、ＮｂＣのうち１種又は２種の合計量は０．５％未満、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有するとともに、Ｃｏ及び／又はＮｉにＷ、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を主体とする硬質相と、ＷＣ、Ｃｒ、Ｖのうちの２種以上を含む複合炭化物相を有することを特徴とする超微粒超硬合金であり、本発明の超微粒超硬合金は、Ｃｏ及び／又はＮｉの含有量が少ないので、低コストで製造することができることに加えて、ＣｒとＴａＣ、ＮｂＣの含有量が少ないので、靭性の低下を防止し、Ｖの含有量を多くして、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止し、更に３相以上の組織とすることにより、耐摩耗性が向上することができる。
【０００６】
　本願の第２の発明は、少なくともＣｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相並びにＷＣ相を有する超硬合金であり、質量比で、前記Ｃｏ及び／又はＮｉ：８％未満（０を含まず）、０＜Ｃｒ＜０．２％、Ｖ＞０．３％、ＴａＣ、ＮｂＣのうち１種又は２種の合計量は０．５％未満、（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＞０．０７、０．００１＜Ｒｕ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．１、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる組成を有することを特徴とする超微粒超硬合金である。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を行った場合、長期の使用に耐えることができる。
【０００７】
　第１、第２の発明の超微粒超硬合金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、多いと耐摩耗性が低下し、摩耗による切削抵抗増加による折損を引き起こし、また価格高を招来するので、８％未満とする。Ｃｒは焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止し、またＷＣの表面に被覆薄層として析出炭化物相を形成するので、耐摩耗性を向上させるが、０．２％を越えると、析出相が粗大化し強度が低下するので、０．２％以下とする。Ｖは少ないと焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止できないので、０．３％を超える量とする。ＴａＣ、ＮｂＣは、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止するが、多いと強度が低下するので、０．５％未満とする。（ＶＣ＋Ｃｒ３Ｃ２）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が少ないと、焼結過程におけるＷＣの粒成長を防止出来ないので、０．０７を超えることとする。第２の発明に用いたＲｕは、耐蝕性、耐熱性、靭性の向上に顕著な効果があることを見出した。その添加量は、０．００１＜Ｒｕ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．１の範囲とした。０．００１未満では効果が把握できず、０．００１以上と０．１付近でその効果が飽和するため０．１以上は除外した。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、焼戻し脆化を促進するＰ、Ｓ、Ｓｎ等の元素の含有量を少なくすることが好ましい。
【０００８】
　第１、第２の発明の超微粒超硬合金についてのＥＰＭＡによる組織観察で、倍率を１０００倍にてマッピング分析した時に、ＴａとＶとからなる化合物の出現相を面積比で５％以下に存在させた超微粒超硬合金であり、また、前記出現相の平均粒径を３μｍ以下とした超微粒超硬合金であることが好ましい。ここで、面積比を規定した理由は、ＴａとＶとからなる化合物の出現相が面積比で５％を超えて存在すると、超硬合金の強度が急激に低下するからである。より好ましくは、面積比で３％以下である。また、出現相の平均粒径を３μｍ以下とした理由は、３μｍ以下であれば、面積比も小さく、強度に及ぼす影響がほとんど無い為である。
【発明の効果】
【０００９】
　本発明の超微粒超硬合金によれば、切削工具の寿命を延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
　本発明の超微粒超硬合金は、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０．７μｍ以下のＷＣ粉末と、平均粒径１〜２μｍのＣｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末及びＴａＣ粉末、Ｒｕ粉末を準備し、これらを所定組成になるように配合し、ボールミル、アトライターなどで湿式混合し、減圧乾燥後５〜１０ＭＰａの圧力を印加して、プレス成形する。この成形体を真空中で、ＷＣとＣｏ及び／又はＮｉとの共晶温度以上（例えば、１３５０〜１５００℃。）に０．５〜２時間保持して、焼結を行えばよい。また必要に応じ、焼結中又は焼結後Ａｒガス雰囲気中で加圧することにより更に特性を向上することも可能である。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
　以下、本発明の実施の形態を説明する。平均粒径０．７μｍ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Ｒｕ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、ボールミルで湿式混合し、減圧乾燥後９．８×１０７Ｐａの圧力を印加して、プレス成形した。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、切刃径０．２ｍｍ、切刃長２．０ｍｍのプリント基板用ドリルを製作した。
【００１２】
【表１】
2004052110.tif 000002
【００１３】
　表１に示す超微粒超硬合金の各組成及びそのミクロ組織写真よりフルマンの式を用いて算出したＷＣの平均粒径と抗折力を測定した結果を表２に示す。
【００１４】
【表２】
2004052110.tif 000003
【００１５】
　表１の本発明例１〜８及び比較例９〜１４のミニチュアドリルを用いて、次の条件で切削テストを行い、ドリル寿命を測定した結果を同じく表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。
【００１６】
　表２より、本発明例１〜８の超微粒超硬合金は、比較例９〜１４の超微粒超硬合金よりも高い抗折力を有することがわかる。また、本発明例１〜８の超微粒超硬合金は、比較例９〜１４の超微粒超硬合金よりも工具寿命を長くできることがわかる。Ｒｕを添加する第２の発明の本発明例８は、Ｒｕ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）比を０．０８で試験し、高い抗折力３８５０ＭＰａが得られる超硬合金となり、更に比較例１４よりも工具寿命を長くなる。比較例１４のＲｕ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）比が０．１では、抗折力が低下し、工具寿命も短い。
【００１７】
　（実施例２）
　実施例１と同様な方法で、超硬合金の焼結体を作成し、ＥＰＭＡによる分析試料を準備した。作成した本発明例１５の超微粒超硬合金についての組織観察は、ＥＰＭＡ分析装置（島津製作所社製、ＥＰＭ―１６１０型）を用い、観察倍率を１０００倍として行なった。観察前の試料準備としては、試料表面を鏡面研磨面の状態とし、観察前にはドライエッチング処理を施して清浄面の観察を行なった。本発明例１５の合金組成は、質量比で、Ｃｏ：７．９％、Ｃｒ：０．１７％、Ｖ：０．４％、ＴａＣ：０．２５％、残部がＷＣ及び不可避の不純物からなる超微粒超硬合金であった。ＥＰＭＡ分析装置を用いて、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒの各元素についてマッピングを行い、存在形態の確認を行なった所、ＶとＴａ元素に関して出現相の存在が認められ、解析の結果、両者は同一の場所に化合物として存在していることを確認した。更に、前記出現相が存在する面積比が３．１％であり、平均粒径は２．８μｍであることを確認した。同様な方法によって、比較例１０の試料を解析した結果、面積比が５．５％、平均粒径は３．５μｍであり、本発明例１５の抗折力３９３５ＭＰａよりも小さい値であった。更に、本発明例１５の解析を進めたところ、ＶとＴａからなる出現相は、金属間化合物であることを確認した。一方、Ｃｒの析出相は見られず、Ｃｏ結合相内に固溶した状態で存在していることを確認した。