(57)【要約】【課題】プリント基板加工用のドリルとして最適な硬度、強度、剛性を備えた超硬合金とのその製造方法、およびそれを用い、小径化および高い穴位置加工精度が可能なプリント基板加工用ドリルを提供する。【解決手段】コバルトを主体とする結合相３〜１５質量％にて平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間を結合してなる超硬合金であって、前記結合相内にタングステンおよびバナジウムを含有するとともに、前記炭化タングステン粒子と前記結合相との間に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物を分散含有し、抗磁力４００〜６００Ｏｅ、ヤング率５３０〜６５０ＧＰａの超硬合金を作製する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルトを主体とする結合相３〜１５質量％にて平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間を結合してなる超硬合金であって、前記結合相内にタングステンおよびバナジウムを含有するとともに、前記炭化タングステン粒子と前記結合相との間に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物を分散含有し、抗磁力４００〜６００Ｏｅ、ヤング率５３０〜６００ＧＰａであることを特徴とする超硬合金。
【請求項２】
バナジウムの炭化物換算による総量が０．２乃至３．０質量％含有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】
結合相中にクロムおよび／またはタンタルを金属換算で５〜２０質量％の割合で含有することを特徴とする請求項１または２記載の超硬合金。
【請求項４】
平均粒径０．０５〜０．５μｍの炭化タングステン粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属コバルト粉末と、平均粒径０．１〜１μｍの炭化バナジウム粉末と、溶媒とを混合し、成形後、１３５０〜１３９０℃で真空焼成し、該焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で熱間静水圧処理した後、１０００℃までを３．０〜６．０℃／ｍｉｎの速度で冷却することを特徴とする超硬合金の製造方法。
【請求項５】
炭化バナジウム粉末を０．２乃至３．０質量％の割合で添加することを特徴とする請求項４記載の超硬合金の製造方法。
【請求項６】
炭化クロムおよび／または炭化タンタルを０．３〜２．０質量％の割合で添加することを特徴とする請求項４または請求項５記載の超硬合金の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか記載の超硬合金からなるプリント基板加工用ドリル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度かつ高靭性を有する超硬合金に関し、特にプリント基板加工用ドリルとして好適に使用可能な高強度、かつ高硬度であり、最適な剛性で高い穴位置加工精度を達成しうる超硬合金およびその製造方法並びにそれを用いたプリント基板加工用ドリルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の切削加工やプリント基板加工用として、炭化タングステン粒子を主体として、チタン、ニオブ、ジルコニウム、クロム、バナジウム、およびタンタル等のいわゆるβ相（β金属炭化物）を添加し、かつ結合相としてコバルトを含有せしめた超硬合金が広く用いられている。
【０００３】
かかる超硬合金として、特にプリント基板加工用ドリル等の小物加工用として、炭化タングステン粒子の粒径を１μｍ以下と小さくした、いわゆる超微粒子超硬合金が好適に用いられ、例えば、特許文献１では、超硬合金中にクロムとバナジウムを少量添加し、かつこれら金属成分を結合相中に固溶せしめることによって炭化タングステン粒子の粒成長を抑制して微粒化し、硬度および強度に優れるとともに、耐摩耗性と靭性に優れた超硬合金が作製できることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、ドリルの表面に硬質炭素皮膜をコーティングする際に、母材である超硬合金のヤング率を６００ＭＰａ以上とすることにより、硬質炭素皮膜を均一に、かつ密着性よくコーティングすることができることが記載されている。
【０００５】
一方、プリント基板加工用ドリル等の切削工具としては、近年配線の高密度化が進んでいることからドリルの小径化および高い穴位置加工精度が求められている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【特許文献２】
特開平１０−１３８０２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１、２のような従来の超微粒超硬合金では、ドリルの小径化および穴位置加工精度に限界があり、また、特許文献２の超硬合金のヤング率が６００ＭＰａと高いドリルでは、ドリルの径が０．３ｍｍ以下とさらに小径化した場合には折損の発生確率が急激に高くなる、特にドリル径が０．２ｍｍ以下となると、この傾向が非常に大きくなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記課題に対してなされたもので、その目的は、プリント基板加工用のドリルとして最適な硬度、強度、剛性を備えた超硬合金とその製造方法、およびそれを用いた小径化および高い穴位置加工精度が可能なプリント基板加工用ドリルを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、プリント基板加工用のドリルとして最適な超硬合金の構成について検討した結果、炭化タングステン粒子と結合相以外に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物を分散含有させ、かつ合金の抗磁力とヤング率とを所定の範囲内に制御することによって、プリント基板加工用のドリルとして最適な硬度、強度で、最適な剛性で高い穴位置加工精度を備えた超硬合金となることを知見した。
【００１０】
すなわち、本発明の超硬合金は、コバルトを主体とする結合相３〜１５質量％にて平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間を結合してなる超硬合金であって、前記結合相内にタングステンおよびバナジウムを含有するとともに、前記炭化タングステン粒子と前記結合相との間に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物を分散含有し、抗磁力４００〜６００Ｏｅ、ヤング率５３０〜６００ＧＰａであることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、バナジウムを炭化物換算による総量で０．２乃至３．０質量％含有すること、結合相中にクロムおよび／またはタンタルを金属換算で０．３〜２．０質量％含有することが望ましい。
【００１２】
また、本発明の超硬合金の製造方法は、平均粒径０．０５〜０．５μｍの炭化タングステン粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属コバルト粉末と、平均粒径０．１〜１μｍの炭化バナジウム粉末と、溶媒とを混合し、成形後、１３５０〜１３９０℃で真空焼成し、該焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で熱間静水圧処理した後、１０００℃までを３．０〜６．０℃／ｍｉｎの速度で冷却することを特徴とするものである。
【００１３】
また、炭化バナジウム粉末を０．２乃至３．０質量％の割合で添加すること、さらには炭化クロムおよび／または炭化タンタルを０．３〜２質量％の割合で添加することによって、さらに、超硬合金の組織が容易に制御できるとともに、耐酸化性、耐折損性を改善することができる。
【００１４】
さらに、上記超硬合金を用いることによりプリント基板加工用ドリルとして良好に使用可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の超硬合金は、コバルトを主体とする結合相３〜１５質量％にて炭化タングステン粒子間を結合してなるものであって、前記炭化タングステン粒子の平均粒径が０．９μｍ以下、特に０．５μｍ以下、さらに０．３５μｍ以下と微粒な粒子が分散したものである。
【００１６】
また、本発明によれば、前記超硬合金は、前記結合相内にタングステンおよびバナジウムを含有するとともに、前記炭化タングステン粒子と前記結合相との間に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物（以下、複合炭化物粒子と略す。）を分散含有することが重要である。これは、前記複合炭化物粒子が存在しないと合金の硬度が低下してしまい、ドリルの耐摩耗性が低下する。逆に、前記複合炭化物粒子の粒径が０．１μｍを超えると、合金の強度が低下してドリルの早期欠損につながるためである。特に複合炭化物粒子は、０．０７μｍ以下、特に０．０５μｍ以下であることが望ましい。
【００１７】
また、この超硬合金の抗磁力４００〜６００Ｏｅ、ヤング率５３０〜６００ＧＰａであることが大きな特徴である。これは、超硬合金の抗磁力が４００Ｏｅより小さいとドリルの耐摩耗性が低下してしまい、逆に抗磁力が６００Ｏｅを超えると合金の強度が低下してドリルの早期欠損につながる。抗磁力の望ましい範囲は、４５０〜５３０Ｏｅ、特に４５０〜５００Ｏｅである。
【００１８】
さらに、超硬合金のヤング率が５３０ＧＰａより小さいとドリルの穴位置加工精度が上がらず、逆にヤング率が６００ＧＰａを超えると合金の剛性が高くなりすぎて、特にドリルの直径が５０μｍ以下と小径になった場合に早期に折損する確率が高くなってしまう。ヤング率の望ましい範囲は５７０〜５９０ＧＰａである。
【００１９】
本発明によれば、上記の構成によって、プリント基板加工用のドリルとして最適な硬度、強度で、最適な剛性および高い穴位置加工精度を備えた超硬合金となる。
【００２０】
なお、合金中の炭化タングステン粒子の粒径を微粒化するとともに、結合相の強化の点で、超硬合金中に含有されるバナジウムを炭化物換算による総量で０．２〜３質量％、特に０．３〜１．０質量％含有することが望ましい。
【００２１】
また、本発明によれば、超硬合金中の炭化タングステン粒子の粒径を微粒化、超硬合金の酸化防止、結合相の強化の点で、クロム、チタン、ニオブ、ジルコニウムおよびタンタルの群から選ばれる少なくとも１種の金属成分を含有することが望ましいが、結合相の濡れ性を高めて炭化タングステン粒子間を強固に結合するためには、上記金属のうち、クロムおよび／またはタンタルを必須として含有することが望ましく、その含有比率は、炭化物による総量で０．３〜２質量％，特に、０．５〜１．５質量％であることが望ましい。
【００２２】
なお、超硬合金の硬度、強度を高め、優れた切削性能を有するドリル得るためには、前記超硬合金中における総炭素量が５．６０〜５．７２質量％、特に、合金の強度、硬度を高める上で、５．６０〜５．６６質量％の割合で含有されることが望ましい。
【００２３】
さらに、上記超硬合金においては過酷な切削条件においても塑性変形を起こさない点では、結合相の含有量は、３〜１５質量％、特に４〜１３質量％、さらには４〜９質量％であることが必要であるが、本発明においては、結合相中におけるクロムおよびタンタルの金属成分を金属換算量で５〜２０質量％、特に１０．０〜１７．０重量％の割合で含有せしめること、特に、タングステン、バナジウム、クロム、タンタルの金属成分を合計で１０〜４０質量％の割合で含有することによって炭化タングステン粒子との濡れ性が高く、結合相量が減じた場合においても硬度や強度が低下することがない。
【００２４】
また、上述した本発明の超硬合金は、金属または樹脂加工用の切削工具、特にスローアウェイ式切削工具としても有用に使用できるが、中でも使用本数が多く、かつ加工精度が要求される直径が０．３μｍ以下、特に０．２μｍ以下のプリント基板加工用ドリルとして特に有効である。
【００２５】
上述した超硬合金を製造するには、まず、平均粒径０．０５〜０．５μｍの炭化タングステン粉末と、平均粒径０．１〜０．８μｍの金属コバルト粉末と、平均粒径０．１〜１μｍの炭化バナジウム粉末と、溶媒とを混合する。
【００２６】
具体的には、原料粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察される写真から画像解析法にて求められる平均粒径が０．０５〜０．５μｍ、特に０．１〜０．３μｍの炭化タングステン粉末を８５〜９７質量％、平均粒径が０．１〜１μｍの炭化バナジウム粉末を０．２〜３質量％、所望により他金属の炭化物、窒化物および炭窒化物粉末もしくはこれら金属２種以上の固溶体粉末を総量で０．２〜３質量％、平均粒径０．１〜０．８μｍのコバルトを３〜１５質量％の割合で添加する。
【００２７】
また、炭素量調整のために、これに、平均粒径０．１μｍ以下のカーボンブラック（Ｃ）を０．１０〜０．２５重量％の割合で混合することが望ましい。
【００２８】
ここで、上記炭化タングステン、炭化バナジウム、金属コバルトの平均粒径が上記範囲から逸脱すると合金の抗磁力とヤング率とを両立させることができず合金のドリル性能が低下する。
【００２９】
次に、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３〜１０ｍｍの超硬合金製のボールを用いて１０〜８０時間振動ミル粉砕するか、あるいは１０〜６０時間アトライタ粉砕することにより混合粉末の均一化を図った後、混合粉末に有機バインダとしてパラフィンワックス等を１〜３質量％の割合で添加して成形用の混合粉末を得る。なお、粉砕メディアの超硬合金は、この工程によって得られる超硬合金（焼結体）と同じ方法によって作製したものが異常粒子混入を阻止する上で望ましい。
【００３０】
次に、上記混合粉末を用いて、所定形状に成形後、１３５０〜１３９０℃で真空焼成する。具体的には、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、１３５０〜１３９０℃まで１〜１０℃／ｍｉｎで昇温し、最高保持温度（焼成温度）にて０．２〜５時間、特に０．５〜２時間保持し、冷却する。
【００３１】
ここで、上記工程のうち、焼成温度が１３５０℃より低いと超硬合金の抗磁力が向上しすぎ、耐折損性が低下してしまい、逆に焼成温度が１３９０℃より高いと炭化タングステン粒子が粒成長してしまい硬度が低下する。焼成温度の望ましい範囲は１３６０〜１３８０℃である。
【００３２】
次に、上記焼成処理後に、上記焼成温度よりも５〜３０℃低い温度で０．２〜５時間程度、熱間静水圧処理した後、処理温度から１０００℃までの温度領域を３．０〜６．０℃／ｍｉｎの速度で冷却する。
【００３３】
これは、熱間静水圧処理温度が最高保持温度（焼成温度）より５℃以上低くないと焼結が進行しすぎて、合金の硬度が低下するとともに抗磁力が低くなりドリルが早期に摩耗しやすくなり、逆に熱間静水圧処理温度が最高保持温度と比較して３０℃より低いと合金のヤング率が低下してドリルの穴位置精度が悪くなる。熱間静水圧処理温度は最高保持温度より５〜１０℃低いことが望ましい。
【００３４】
また、熱間静水圧処理後、熱間静水圧処理温度から１０００℃までの冷却速度が３．０℃／ｍｉｎより遅いとヤング率が高くなる傾向にあり、またＷＣ粒子が粒成長しやすく硬度が低下して耐摩耗性が低下してしまう。逆に上記冷却速度が６．０℃／ｍｉｎより速すぎるとタングステンとバナジウムとの炭化物の析出が不十分で穴位置精度が劣化する。冷却速度の望ましい範囲は４．０〜５．０℃／ｍｉｎである。
【００３５】
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、信頼性の高い機械的特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。
【００３６】
さらに、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、熱間静水圧処理を施した後、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。
【００３９】
【実施例】
ＳＥＭ観察にて測定される平均粒径が表１の炭化タングステン（ＷＣ）粉末、金属コバルト（Ｃｏ）粉末および他金属炭化物粉末、平均粒径３０ｎｍのカーボンブラック（Ｃ）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５ｍｍの超硬合金（この工程によって得られる超硬合金（焼結体）と同じ方法によって作製したもの））製ボールを加えて、６８時間振動ミル混合し、乾燥して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に示す条件で焼成、および熱間静水圧処理を施し、超硬合金を作製した。
【００４０】
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。
【００４１】
【表１】
2004204259.tif 000002
【００４２】
得られた超硬合金について振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて室温における抗磁力を測定するとともに、直径３．１７５ｍｍφ×長さ１０ｍｍの円筒形状の試料を用いてＪＩＳＺ２２８０に従いレーザーパルス法にてヤング率を測定した。
【００４３】
さらに、上記ドリルの任意５点について透過型電子顕微鏡像を観察し、炭化タングステン粒子の平均粒径、およびタングステンとバナジウムの複合炭化物の有無およびその平均粒径を観察し、エネルギー分散分光分析（ＥＤＳ：energy dispersive spectroscopy）にて任意５箇所について結合相中に含有されるクロムおよびタンタルの総含有量（（Ｃｒ＋Ｔａ）重量％）を測定した。
【００４４】
また、各超硬合金を用いて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穴あけ加工テストを行い、２０００穴加工したときのドリルの穴位置加工精度（基板のドリル加工上面に対する下面の穴中心位置のずれ：平均ｄμｍ、バラツキ３σ）を測定するとともに、引き続き穴開け加工を続けて穴開け加工できた加工数を求めた。結果は表２に示した。
＜条件＞
被削材  ：ＦＲ４・６層板、１．６ｍｍ厚、３枚重ね
ドリル形状：φ０．３ｍｍアンダーカットタイプ
回転数：１２０ｋｒｐｍ
送り速度：２．４ｍ／ｍｉｎ．
【００４５】
【表２】
2004204259.tif 000003
【００４６】
表１、２の結果より、原料粉末の平均粒径が大きい試料Ｎｏ．８、１４、焼成条件が本発明の範囲から逸脱する試料Ｎｏ．９〜１３では、いずれも炭化タングステン粒子の平均粒径、複合炭化物粒子の平均粒径、抗磁力およびヤング率のいずれかが本発明の範囲から逸脱する結果、ドリルが加工中に折損して加工数が少なく、また、穴位置精度が悪いものであった。
【００４７】
これに対して、本発明に従い、原料粉末の平均粒径、焼成条件を制御して、組織、抗磁力、ヤング率を適正に制御した試料Ｎｏ．１〜７では、いずれも耐折損性が高く加工数を６０００本以上、特に８０００本以上とすることができるとともに、穴位置精度が高いものであった。
【００４８】
【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、炭化タングステン粒子と結合相以外に平均粒径０．１μｍ以下のタングステンとバナジウムとの炭化物を分散含有させ、かつ合金の抗磁力とヤング率とを所定の範囲内に制御することによって、プリント基板加工用のドリルとして最適な硬度、強度、剛性を備えた超硬合金となる。