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B3Materials

アクアREVOドリルマイクロ専用超硬合金の開発
Development of Cemented Carbide for AquaREVO Drills Micro
キーワード

超硬合金・超々微粒系合金・マイクロドリル・高強度粒成長抑制技術

マテリアル事業部／材料開発部

竹村 真人 Makoto Takemura

17Materials

アクアREVOドリルマイクロ専用超硬合金の開発

要 旨

1. 本材種の特徴

NACHIでは、2018年より工具の基本要素である“材料”、マイクロドリルは刃先径が非常に細く1mm未満に“形状”、“コーティング”の全てを一新した「アクアREVOシリーズ」なるものも存在する。その細さゆえに切削条件や切りの販売を開始し、超硬ドリル・エンドミルなどを多数市場投入

くず排出状況により突発 折れが起きやすいことがしている。

課題となっている。そのため、切れ刃の摩耗抑制に今般、工業製品の小型化や高精度化がすすむ中、より小さく必要な高い硬度と、切削中の突発折れやチッピングにより複雑な部品を加工できる小径工具が求められている。

耐えることのできる高い強度（抗折力）の両立が求め穴あけ加工用工具としては、マイクロドリルがその一つである。

られる。

マイクロドリルは刃先径が1mm以下となる場合もあり、その本開発材は、超々微 粒 系のWC粉 末をベースに母材としては細くても簡単には折れない高強度な材料である合金成分の最適化を行ない、抗折力と硬さを高い次元でことが要求される。

両立させることを狙った。

NACHIでは「アクアREVOシリーズ」としてこれまでラインナップされていなかった刃先径2mm未満のマイクロドリル「アクアREVOドリルマイクロ」を開発することとなり、マテリアル部門
ではその専用母材となる超硬合金の開発にとり組んだ。
本稿では、本開発材の主な特徴を、その開発経緯とともに紹介する。

Abstract
In 2018, NACHI started selling“AquaREVOseries”which renewed the tool’s entire basic factors,
material, geometry and coating. Since then, NACHI has
been marketing many carbide drills, end mills and others.
Recently, a small-diameter tool that allows thedrilling of smaller and complicated parts has been
demanded because of the advancement of smaller industrial
and high-precision products. A micro drill is one ofsuch drills.
The cutting edge diameter of the micro drill could
have 1 mm or less in some cases. Thus the base material
has to be highly rigid so that the tiny cutting edge does
not easily break.
NACHI has decided to develop“AquaREVO
Drills Micro”, a micro drill with a cutting edge diameter
being below 2 mm, which will be added to the lineup of“AquaREVO series”. Thus Materials Division has
worked on developing a cemented carbide material as
an exclusive base material.
The article introduces the main characteristics ofthe developed material and its development history.

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 40 B3182. 超硬合金の概要と高強度化
超硬合金の定義は、周期律表第Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族

これに対して、WC粒度を細かくしていくと、図1の（4、5、6族）の9種類の金属であるTi、Zr、Hf、V、Nb、模式図に示すようにWC同士のすきまを埋めるCo相のTa、Cr、Mo、Wの炭化物の1種または2種以上の粉末と、平均厚みが薄くなり、塑性変形に対する抵抗が増す

鉄族金属であるFe、Co、Niの粉末をいずれか1種以上をため、その硬さは高硬度側へ遷移する。すなわち、Co量を用いて焼結結合した合金である。この定義からすると、増やすと同時にWCを微細化させることで、抗折力をTiCやTiNを主成分とするサーメットなどの合金も超硬上げると同時に、硬度も維持させることが可能となる。

合金と呼べるが、WC-Co系合金が最も機械的性質に（図2）
破壊靭性については、タップや掘削用ビットなどの優れるため、一般的に超硬合 金といえばWC-Co系強い衝撃が加わる工具において重視されている。Co量合金を指している。
切削工具用超硬合金において、一般的に重視されが多いほど、また、WC粒度が粗いほど高くなる傾向にている機械的特性として、抗折力・硬度・破壊靭性があるため、これら用途向けの超硬合金は、切削工具ある。超硬合金は粘り強さのあるCo金属相の割合を向けのものに反して低い硬度となっている。

増加させると抗折力が向上するが、一方で、セラミックス

本開発材においては、マイクロドリルに求められるである硬質相のWCの割合は相対的に減少すること耐折損性に繋がる高い抗折力と、切削性能や長寿命化になるため、硬度は低下する傾向にある。に繋がる高い硬度を両立させることを追求した。

超硬度

々微
粒

超①微粒化

微粒

Co

②微粒化＋Co増

硬さ
抗折力
靭性

硬さ
抗折力
靭性

③Co増
硬さ
抗折力
靭性

WC

Co量

図1

WC粒度とCo厚み（模式図）

図2

19WC粒度・Co量・機械的特性の関係

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 40 B3

Materials

アクアREVOドリルマイクロ専用超硬合金の開発

3. 方策
まず超硬合金は、粉末冶金法でつくられる材料で広く適用されている。ただし、VCの添加に伴い耐食あり、その製法には焼結というプロセスが存在する。

性が低下することがあるため、耐食性向上効果のある焼結とは、粉体を融点以下の高温に加熱したときに、Cr3C（炭化クロム）との併用が基本となる。Cr3C2も2粉体の粒子が相互に結合し緻密な多結晶体となる焼結時の粒成長抑制効果を有しており、その効果はことである。このとき、粉体の粒子が相互かつ緻密に添加炭化物が融液中で飽和する条件下においては結合するには、何らかの物質移動が必要となる。

1）
VC、Mo2Cに次いで高い（ただしMo2Cでの粒成長抑制

超 硬 合 金の場 合、溶融したCoを介して、WCのには多量添加が必要なことや、析出相が著しく粗大化

固溶－析出過程を物質拡散の移動経路とする“液相することによって合金強度の低下を引き起こすため、焼結”により緻密化がすすむ。このとき、Co中に固溶

超硬合金へはあまり添加されない）。

した微細WCは、未固溶の大きなWC粒子を核として本開発材についても、VCを軸に粒成長抑制剤を表面に析出することで粗大化していく。さらに、その粗大化複合添加しており、これらの添加割合を調整、さらには傾向はWC粒度が細かいほど顕著である。粗大化し製造工程を見直すことにより、適切なWC粒度を実現

過ぎたWCは、前項の理由により、硬度を低下させるさせている。

要因となり、同時に、強い曲げの力が作用した際に図3に、開発時の初期試作品と開発材それぞれの応力集中しやすい組織欠陥となってしまうため抗折力がSEM組織写真を示す。図中灰色に見える部分がWC、低下する。これらの機械的性質の低下を防止するため、すきまの黒く見える部分がCoである。粒成長抑制剤の粒成長抑制剤と呼ばれる炭化物がしばしば添加される。

少ない初期試作品よりも、粒成長抑制剤を一定量添加VC（炭化バナジウム）は焼結中のWC粒 成長抑制

した開発材の方が微細かつ緻密な組織になっている

効 果が最も高く、WC粒 径1µm以下の超 硬 合 金に初期試作品ことが分かる。

開発材※開発当初 粒成長抑制剤少図3

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 40 B3

初期試作材と開発材のWC粒度比較

20※粒成長抑制剤 増加・調整済

4. 材質特性
開発過程をステップごとに簡単に説明する。
（表1）

表1

開発ステップ概要
結果（目標値比）

内容

抗折力

硬度

STEP-1

既存材種（超々微粒系WCにVC添加）をベースに、Co量と粒成長抑制剤を増加○△

STEP-2

STEP-1に対し、VCの添加量を大幅増加（狙い：WC微細化促進による硬度UP）

×○

STEP-3

STEP-1,2の結果から、VC含む粒成長抑制剤の添加量を調整○○

STEP-1
まずは、超々微粒系WCにVCを添加した既存材種をベースに、高Co化したものを試作した（Co量に対する20 %UP粒成長抑制剤の添加割合は変更せず）。結果、抗折力
抗折力は向上したが、一方で、硬度は目標に対し低い値を示した（これを初期試作品とする）。
STEP-2
この初期試作品に対し、VCの添加量を大きく増加し、アクアREVOドリル

WCの微細化をさらに促進させて硬度の向上を狙った。
結果、硬度の向上は確認できたが、抗折力は著しく

図4「アクアREVOドリルマイクロ」

既存製品母材との抗折力比較低下した。
この原因として、炭化物の析出相の出現が考えられる。
VCなどの粒成長抑制剤はWCと同じく、焼結中に液相となっているCoに一旦固溶するのだが、このときの固溶可能量には上限がある。結果として、STEP-2におけるVC添加量はCo量に対して過多であり、固溶しきれなかった分が組織中に晶出した結果、組織欠陥として作用したのではないかと考えた。
STEP-3
その後、粒成長抑制剤のバランス調整と試作を繰り返し、最終的に抗折力・硬度ともに狙い通りの性能を示す「アクアREVOドリルマイクロ」専用材種の成分設計が完成した。
とくに、抗折力は既存の「アクアREVOドリル」用材種に対し20%向上させることに成功した。
（図4）

21

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 40 B3

Materials

アクアREVOドリルマイクロ専用超硬合金の開発

5. 切削性能
図5、図6に本開発材を用いて炭素鋼（S50C）を加工200µmとしたとき、従来材および、初期試作品の寿命がした事例を紹介する。試験材種は開発材と前項の初期平均500穴であるのに対し、開発材の寿命は平均700

試作品、および、従来マイクロドリル用材種の3種。母材穴となり、従来比約1.4倍の加工長となった。
（図6）そのものの性能差を評価するため、刃先形状および、この開発材に対し、NACHI工具部門にて剛性を十分にコーティングは従来マイクロドリルと同条件とし、刃先径確保しながらも切削性・切りくず排出性に優れた溝形状

1.1mmで深さ5.5mm（5D）の止まり穴加工を切削速度を設計、さらには、マイクロドリル専用REVO-Dコート

60m/min、送り量0.020mm/revで0.22mステップ加工と表面超平滑化処理も施した。こうして開発されたにて実施した。

「アクアREVOドリルマイクロ」のS50C切削平均寿命は

図5に加工穴数毎のコーナー摩耗量を示す。この従来品比5倍以上、SUS304切削においては2倍となってグラフから、コーナー摩耗の進行は開発材が最も小さいいる。

ことが分かる。また、寿命の判定基準をコーナー摩耗

200
150

1,000100
従来材
初期試作品
開発材

500

寿命穴数（穴）

コーナー摩耗量（μm）

2500.55
100

1.1
200

2.2
400

1.4 倍

800600

従来材

初期試作品

2000

炭素鋼
（S50C）穴あけ加工 コーナー摩耗量（性能評価は従来品の形状にて比較）

平均500

400

切削長（m）／穴数

図5

平均500

平均700

図6

開発材

炭素鋼
（S50C）穴あけ加工 工具寿命比較（性能評価は従来品の形状にて比較）

6. まとめと今後の展開「アクアREVOドリルマイクロ」は“材料”、“形状”、“コーティング”の全てを一新。その中でマテリアル部門
では“材料”の面にこだわり、抗折力と硬さを両立させた超硬合金を開発し、工具の性能を飛躍的に向上させることに成功した。
当部門ではこれまで多様な材料の切削に幅広く対応可能な汎用性の高い超硬材種の開発にとり組んできたが、今後も工具部門と連携し、特定の用途に強い材種など、新たな用途開拓も見据えた材種開発を展開

参考文献

していきたい。

1）林 宏爾・福家 康矩・鈴木 寿：粉体および粉末冶金 19［2］（1972）,67

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