JP4127651B2 - プリント基板加工用ドリル - Google Patents
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Description
【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からなるプリント基板加工用ドリルに関し、特に銅配線を具備するプリント基板加工用ドリルとして好適に使用可能な超硬合金からなる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】
一方、プリント基板加工用ドリル等の切削工具としては、配線の高密度化、積層枚数の増加等によって加工位置精度が高く、かつプリント基板中の銅配線と溶着を起こすことのない材質が求められている。
【０００５】
かかる要求に対して、例えば特許文献２では、結合相としてコバルトを用いた炭化タングステンを主成分とする超硬合金の外周に結合相としてコバルトとニッケルを共存させた炭化タングステンを主成分とする超硬合金を配した押出成形によって作製した複合構造体からなるプリント基板穴開け加工用ドリルが記載され、プリント基板中の銅配線との溶着が防止できることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献３では、炭化タングステンを主成分とし、炭化クロムを微量添加するとともに、ニッケルをコバルトとの総量に対して０．４〜８０質量％の割合で置換することによって耐食性が要求されるニッケル基超硬合金等の切削において優れた切削性能を発揮することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２１３３３号公報
【特許文献３】
特開平１０−２９８６９９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２のようなドリルの外周部分のみにニッケル含有量の高い超硬合金を配した複合構造体からなるドリルでは、ドリルの先端においてはニッケルを含有しない結合相がコバルトのみからなる超硬合金が露出するために、露出部で銅の溶着が発生して切刃での切削抵抗が増大する結果、ドリルが早期に折損する場合があった。
【０００９】
また、特許文献３のドリルでは鋼やインコネル（ニッケル基合金）等の切削においては良好な切削性能を示すものの、プリント基板に穴開け加工をするような小径のドリルにおいては必ずしも良好な切削性能とはならず、むしろ硬度と抗折力のバランスが取れず耐折損性が低下したり耐摩耗性が低下するという問題があった。
【００１０】
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ドリルとして好適な硬度と抗折力を備え、プリント基板内部の銅配線と溶着することがない優れた加工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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討した結果、炭化タングステン−コバルト系において、プリント基板加工用ドリルとして耐折損性、耐摩耗性を両立しつつ、プリント基板中の銅配線との溶着を減じるためには、結合相および炭化タングステン粒子の結合相との界面部の強化を図ることが重要であることを知見し、結合相および炭化タングステン粒子の結合相との界面部分中に、所定量のクロムと極微量のニッケルと、所定量のタングステンとをともに固溶させるとともに、バナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することにより、耐折損性と耐摩耗性を損なうことなく両立でき、かつプリント基板中に存在する銅配線との溶着が発生することもなく安定した穴開け加工が可能となることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明のプリント基板加工用ドリルは、平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間をコバルトからなる結合相３〜１５質量％で結合してなる超硬合金であって、該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、クロムを２〜６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有する超硬合金からなるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のプリント基板加工用ドリルは、平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間をコバルトからなる結合相３〜１５質量％で結合してなる超硬合金であって、該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、クロムを２〜６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有する超硬合金からなるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散するものである。
【００１７】
本発明において、前記ろ液中には超硬合金の炭化タングステン粒子以外の大部分が含まれ、すなわち、主として結合相が含まれ、また、炭化タングステン粒子の結合相との界面部および第３相の一部または全部が溶出したものが含まれる。本発明によれば、結合相および炭化タングステン粒子や第３相の硬質相の界面部分に所定量のクロムおよびニッケルを含有せしめることにより、超硬合金の硬度と抗折力とのバランスがプリント基板加工用ドリルとして最適化でき、ドリルの耐折損性および耐摩耗性に優れるとともに、銅箔との反応性を低くして加工時の耐溶着性を高めることができることから、加工時の超硬工具の寿命を高めることができる。
【００１８】
すなわち、前記ろ液中のクロム含有量が２質量％より少ないと、銅箔に対する耐溶着性が不十分でドリル寿命が短くなり、逆に前記ろ液中のクロム含有量が６質量％を超えると超硬合金の焼結性が低下して合金強度の低下を招く。クロムの望ましい範囲は３〜４．５質量％である。
【００１９】
また、本発明によれば、結合相中のニッケル含有量が１０ｐｐｍより少ないと、銅箔等の銅配線に対する耐溶着性が不十分でドリルの先端や外周部に溶着が発生して工具寿命が短くなる場合がある。逆に、結合相中のニッケル含有量が１００ｐｐｍより多いと、焼成時の結合相の液相出現温度が高くなることにより超硬合金の焼結性が劣化して炭化タングステン粒子を０．９μｍ以下に制御すると粒子間の結合力が低下することにより超硬合金の強度が低下してしまうか、または炭化タングステン粒子を０．９μｍ以下に制御することができない。ニッケル含有量の望ましい範囲は２０〜６０ｐｐｍ、特に３０〜５０ｐｐｍである。
【００２０】
ここで、本発明によれば、超硬合金の硬度、抗折力を高める点で、前記超硬合金中の炭化タングステン粒子の平均粒径は、０．９μｍ以下、特に０．５μｍ以下、さらに０．１〜０．３５μｍであることも重要である。すなわち、炭化タングステン粒子の平均粒径が０．１μｍより小さくなると炭化タングステン粒子の凝集が生じやすく炭化タングステン粒子の粗大粒子が生じてしまうとともに合金を緻密化するために必要な結合相量が１５質量％を超えてしまい、逆に０．９μｍを超えると超硬合金の硬度が低下してドリルの耐摩耗性が劣化する。
【００２１】
また、本発明によれば、前記ろ液中にタングステンを１０〜２０質量％の割合で含有することが重要であり、これにより、炭化タングステン粒子と結合相との濡れ性が高く、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とともに、結合相の耐熱衝撃性を高めて耐欠損性を高めることができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有することが重要であり、これにより、炭化タングステン粒子の粒径をより最適に制御できるとともに超硬合金の耐熱性を高めてドリルを高い回転数で回転させて切削を行う場合でも高い切削特性を維持することができる。
【００２３】
また、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することが重要であり、これによってドリルの耐摩耗性を向上させることができる。
【００２４】
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、結合相の含有量は特に４〜１０質量％、さらには４〜８質量％であることが望ましい。
【００２５】
一方、本発明によれば、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、前記超硬合金中に含有される炭素量が健全合金域の低炭素側（炭化タングステン換算でＷ：Ｃ＝１：１−α（０．０３≦α≦０．０６）であること、特に、コバルトを７．８〜８．２質量％含有する組成の超硬合金である場合、総炭素量Ｃｔが５．６０〜５．７２質量％、特に、５．６０〜５．６６質量％の割合で含有されることが望ましい。
【００２６】
（製造方法）
また、上述したプリント基板加工用ドリルを製造するには、まず、例えばマイクロトラック法による平均粒径（ｄ50）が１．０μｍ以下、特に０．２μｍの炭化タングステン粉末を８５〜９７質量％、平均粒径（ｄ50）０．３〜１０μｍの上記β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０．２〜１μｍのコバルトを３〜１５質量％の割合で秤量し、これに、平均粒径１μｍ以下のカーボンブラック（Ｃ）を混合する。
【００２７】
ここで、本発明によれば、コバルト原料中にニッケルを１０〜１００ｐｐｍの割合で固溶せしめることが重要であり、かかる固溶体原料を用いることによって結合相および硬質相の結合相との界面の強化を図ることができる。
【００２８】
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２〜８ｍｍ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を添加して成形用の混合粉末を得る。
【００２９】
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の棒形状に成形した後、０．１〜３０Ｐａの真空中、室温から１１００℃までの第１の焼成領域を１〜２０℃／分で昇温し、１１００〜１４００℃、好ましくは１１００〜１３８０℃までの第２の焼成領域を１〜１０℃／分で昇温し、最高保持温度にて０．２〜５時間、特に０．５〜２時間保持した（第３の焼成領域）後、最高保持温度よりも５〜１００℃、特に１０〜５０℃低い温度にて０．２〜５時間ＳｉｎｔｅｒＨＩＰを施す（第４の焼成領域）ことによって上述した本発明の超硬合金を作製することができる。
【００３０】
ここで、上記工程のうち、第２の焼成領域の昇温速度が、２０℃／分より遅いと炭化タングステン粒子が粒成長してしまい、逆に第２の焼成領域の昇温速度が１℃／分より速いと結合相中に所定量の金属相成分を固溶させることができず焼結性が不均一になる。さらに、ＳｉｎｔｅｒＨＩＰ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部分的に過焼結となり焼結体が不均一となり、逆にＳｉｎｔｅｒＨＩＰ温度が最高保持温度と比較して１００℃より低いと部分的に焼結体の緻密化が不十分となり焼結体が不均一となる。
【００３１】
また、ＳｉｎｔｅｒＨＩＰ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より速すぎるとニッケルとクロムの結合相中への含有量が上記範囲から逸脱してしまう。冷却速度の望ましい範囲は４．０〜５．０℃／ｍｉｎである。
【００３２】
そして、上記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プリント基板加工用ドリルを作製できる。さらに、ドリルの少なくとも一部の表面に、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を成膜することもできる。
【００３３】
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。
【００３４】
【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、表１に示す割合のニッケルを含有する平均粒径０．４μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径０．６〜３．０μｍの他の金属炭化物（β金属炭化物）粉末、平均粒径０．１μｍのカーボンブラックを表１に示す比率で添加し、溶媒としてメタノールを、メディアとして超硬合金製ボールを加えて、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に示す条件で焼成して超硬合金を５０本ずつ作製した。
【００３５】
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。また、表中、真空焼成温度とｓｉｎｔｅｒＨＩＰ温度との温度差をΔＴ（℃）、ｓｉｎｔｅｒＨＩＰ後の冷却速度を冷却速度と表記した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
得られた超硬合金５０本を直径３．１７５ｍｍ×長さ３８ｍｍの丸棒形状に加工して３点曲げ強度を測定しワイブルプロットを行って、平均強度、ワイブル係数（ｍ）を算出した。また、ＪＩＳ規格に準じてビッカース硬度を測定した。
【００３８】
さらに、上記ドリルについて反射電子像を観察し、２０μｍ×２０μｍの任意領域について、炭化タングステン粒子の平均粒径を画像解析法（ルーゼックス法）にて測定した。
【００３９】
さらにまた、上記超硬合金を粉砕し＃２０メッシュを通した粉砕粉末１ｇに塩酸（ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：１）溶液を加え、スターラーにて攪拌し２４時間５０℃で加熱溶解した溶液をろ過した。この溶液に希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：１）溶液を加えて５０ｍｌ定容とし、このろ液について、ＩＣＰ法によってコバルト、ニッケル、クロム、タングステンの含有量を測定した。
【００４０】
また、前記超硬合金について、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孔あけ加工テストを行った。なお、テストに際してはドリルの寿命評価のために折損するまでの加工数を評価し、かつ、同じ条件で作成した別のドリルを用いて２０００穴加工した時点でテストを終了し、金属顕微鏡で刃先の摩耗量を評価するとともに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によっては先への銅の溶着の有無を観察した。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.
【００４１】
【表２】
【００４２】
表１、２の結果より、上記ろ液中のニッケルの含有量が１０ｐｐｍより少ない試料Ｎｏ．６および上記ろ液中のクロム含有量が２質量％より少ない試料Ｎｏ．８では２０００穴加工した時点で刃先に銅の溶着が見られドリル寿命も４０００穴、３０００穴と低いものであった。また、ニッケルの含有量が１００ｐｐｍを超える試料Ｎｏ．７では焼結性が低下する傾向にあり焼成温度を高くしたことにより炭化タングステン粒子が粒成長してドリルが早期に折損した。さらに、上記ろ液中のクロム含有量が６質量％を超える試料Ｎｏ．９では焼結性が低下して合金の抗折力が低下によりドリルが早期に折損した。
【００４３】
これに対して、本発明に従い、上記ろ液中にクロムを０．３〜０．６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有するとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散する試料Ｎｏ．２〜４ではいずれも刃先に銅が溶着することなく、かつ耐摩耗性に優れ、加工数８０００穴以上の高い穴開け特性を示した。
【００４４】
【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−コバルト系において、結合相中にクロムと極微量のニッケルと所定量のタングステンをともに固溶させるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することにより、耐折損性と耐摩耗性を損なうことなく両立でき、かつプリント基板中に存在する銅配線との溶着が発生することもなく安定した穴開け加工が可能となる。
【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からなるプリント基板加工用ドリルに関し、特に銅配線を具備するプリント基板加工用ドリルとして好適に使用可能な超硬合金からなる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】
一方、プリント基板加工用ドリル等の切削工具としては、配線の高密度化、積層枚数の増加等によって加工位置精度が高く、かつプリント基板中の銅配線と溶着を起こすことのない材質が求められている。
【０００５】
かかる要求に対して、例えば特許文献２では、結合相としてコバルトを用いた炭化タングステンを主成分とする超硬合金の外周に結合相としてコバルトとニッケルを共存させた炭化タングステンを主成分とする超硬合金を配した押出成形によって作製した複合構造体からなるプリント基板穴開け加工用ドリルが記載され、プリント基板中の銅配線との溶着が防止できることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献３では、炭化タングステンを主成分とし、炭化クロムを微量添加するとともに、ニッケルをコバルトとの総量に対して０．４〜８０質量％の割合で置換することによって耐食性が要求されるニッケル基超硬合金等の切削において優れた切削性能を発揮することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２１３３３号公報
【特許文献３】
特開平１０−２９８６９９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２のようなドリルの外周部分のみにニッケル含有量の高い超硬合金を配した複合構造体からなるドリルでは、ドリルの先端においてはニッケルを含有しない結合相がコバルトのみからなる超硬合金が露出するために、露出部で銅の溶着が発生して切刃での切削抵抗が増大する結果、ドリルが早期に折損する場合があった。
【０００９】
また、特許文献３のドリルでは鋼やインコネル（ニッケル基合金）等の切削においては良好な切削性能を示すものの、プリント基板に穴開け加工をするような小径のドリルにおいては必ずしも良好な切削性能とはならず、むしろ硬度と抗折力のバランスが取れず耐折損性が低下したり耐摩耗性が低下するという問題があった。
【００１０】
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ドリルとして好適な硬度と抗折力を備え、プリント基板内部の銅配線と溶着することがない優れた加工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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討した結果、炭化タングステン−コバルト系において、プリント基板加工用ドリルとして耐折損性、耐摩耗性を両立しつつ、プリント基板中の銅配線との溶着を減じるためには、結合相および炭化タングステン粒子の結合相との界面部の強化を図ることが重要であることを知見し、結合相および炭化タングステン粒子の結合相との界面部分中に、所定量のクロムと極微量のニッケルと、所定量のタングステンとをともに固溶させるとともに、バナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することにより、耐折損性と耐摩耗性を損なうことなく両立でき、かつプリント基板中に存在する銅配線との溶着が発生することもなく安定した穴開け加工が可能となることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明のプリント基板加工用ドリルは、平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間をコバルトからなる結合相３〜１５質量％で結合してなる超硬合金であって、該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、クロムを２〜６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有する超硬合金からなるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のプリント基板加工用ドリルは、平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間をコバルトからなる結合相３〜１５質量％で結合してなる超硬合金であって、該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、クロムを２〜６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有する超硬合金からなるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散するものである。
【００１７】
本発明において、前記ろ液中には超硬合金の炭化タングステン粒子以外の大部分が含まれ、すなわち、主として結合相が含まれ、また、炭化タングステン粒子の結合相との界面部および第３相の一部または全部が溶出したものが含まれる。本発明によれば、結合相および炭化タングステン粒子や第３相の硬質相の界面部分に所定量のクロムおよびニッケルを含有せしめることにより、超硬合金の硬度と抗折力とのバランスがプリント基板加工用ドリルとして最適化でき、ドリルの耐折損性および耐摩耗性に優れるとともに、銅箔との反応性を低くして加工時の耐溶着性を高めることができることから、加工時の超硬工具の寿命を高めることができる。
【００１８】
すなわち、前記ろ液中のクロム含有量が２質量％より少ないと、銅箔に対する耐溶着性が不十分でドリル寿命が短くなり、逆に前記ろ液中のクロム含有量が６質量％を超えると超硬合金の焼結性が低下して合金強度の低下を招く。クロムの望ましい範囲は３〜４．５質量％である。
【００１９】
また、本発明によれば、結合相中のニッケル含有量が１０ｐｐｍより少ないと、銅箔等の銅配線に対する耐溶着性が不十分でドリルの先端や外周部に溶着が発生して工具寿命が短くなる場合がある。逆に、結合相中のニッケル含有量が１００ｐｐｍより多いと、焼成時の結合相の液相出現温度が高くなることにより超硬合金の焼結性が劣化して炭化タングステン粒子を０．９μｍ以下に制御すると粒子間の結合力が低下することにより超硬合金の強度が低下してしまうか、または炭化タングステン粒子を０．９μｍ以下に制御することができない。ニッケル含有量の望ましい範囲は２０〜６０ｐｐｍ、特に３０〜５０ｐｐｍである。
【００２０】
ここで、本発明によれば、超硬合金の硬度、抗折力を高める点で、前記超硬合金中の炭化タングステン粒子の平均粒径は、０．９μｍ以下、特に０．５μｍ以下、さらに０．１〜０．３５μｍであることも重要である。すなわち、炭化タングステン粒子の平均粒径が０．１μｍより小さくなると炭化タングステン粒子の凝集が生じやすく炭化タングステン粒子の粗大粒子が生じてしまうとともに合金を緻密化するために必要な結合相量が１５質量％を超えてしまい、逆に０．９μｍを超えると超硬合金の硬度が低下してドリルの耐摩耗性が劣化する。
【００２１】
また、本発明によれば、前記ろ液中にタングステンを１０〜２０質量％の割合で含有することが重要であり、これにより、炭化タングステン粒子と結合相との濡れ性が高く、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とともに、結合相の耐熱衝撃性を高めて耐欠損性を高めることができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有することが重要であり、これにより、炭化タングステン粒子の粒径をより最適に制御できるとともに超硬合金の耐熱性を高めてドリルを高い回転数で回転させて切削を行う場合でも高い切削特性を維持することができる。
【００２３】
また、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することが重要であり、これによってドリルの耐摩耗性を向上させることができる。
【００２４】
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、結合相の含有量は特に４〜１０質量％、さらには４〜８質量％であることが望ましい。
【００２５】
一方、本発明によれば、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、前記超硬合金中に含有される炭素量が健全合金域の低炭素側（炭化タングステン換算でＷ：Ｃ＝１：１−α（０．０３≦α≦０．０６）であること、特に、コバルトを７．８〜８．２質量％含有する組成の超硬合金である場合、総炭素量Ｃｔが５．６０〜５．７２質量％、特に、５．６０〜５．６６質量％の割合で含有されることが望ましい。
【００２６】
（製造方法）
また、上述したプリント基板加工用ドリルを製造するには、まず、例えばマイクロトラック法による平均粒径（ｄ50）が１．０μｍ以下、特に０．２μｍの炭化タングステン粉末を８５〜９７質量％、平均粒径（ｄ50）０．３〜１０μｍの上記β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０．２〜１μｍのコバルトを３〜１５質量％の割合で秤量し、これに、平均粒径１μｍ以下のカーボンブラック（Ｃ）を混合する。
【００２７】
ここで、本発明によれば、コバルト原料中にニッケルを１０〜１００ｐｐｍの割合で固溶せしめることが重要であり、かかる固溶体原料を用いることによって結合相および硬質相の結合相との界面の強化を図ることができる。
【００２８】
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２〜８ｍｍ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を添加して成形用の混合粉末を得る。
【００２９】
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の棒形状に成形した後、０．１〜３０Ｐａの真空中、室温から１１００℃までの第１の焼成領域を１〜２０℃／分で昇温し、１１００〜１４００℃、好ましくは１１００〜１３８０℃までの第２の焼成領域を１〜１０℃／分で昇温し、最高保持温度にて０．２〜５時間、特に０．５〜２時間保持した（第３の焼成領域）後、最高保持温度よりも５〜１００℃、特に１０〜５０℃低い温度にて０．２〜５時間ＳｉｎｔｅｒＨＩＰを施す（第４の焼成領域）ことによって上述した本発明の超硬合金を作製することができる。
【００３０】
ここで、上記工程のうち、第２の焼成領域の昇温速度が、２０℃／分より遅いと炭化タングステン粒子が粒成長してしまい、逆に第２の焼成領域の昇温速度が１℃／分より速いと結合相中に所定量の金属相成分を固溶させることができず焼結性が不均一になる。さらに、ＳｉｎｔｅｒＨＩＰ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部分的に過焼結となり焼結体が不均一となり、逆にＳｉｎｔｅｒＨＩＰ温度が最高保持温度と比較して１００℃より低いと部分的に焼結体の緻密化が不十分となり焼結体が不均一となる。
【００３１】
また、ＳｉｎｔｅｒＨＩＰ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より速すぎるとニッケルとクロムの結合相中への含有量が上記範囲から逸脱してしまう。冷却速度の望ましい範囲は４．０〜５．０℃／ｍｉｎである。
【００３２】
そして、上記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プリント基板加工用ドリルを作製できる。さらに、ドリルの少なくとも一部の表面に、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を成膜することもできる。
【００３３】
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。
【００３４】
【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、表１に示す割合のニッケルを含有する平均粒径０．４μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径０．６〜３．０μｍの他の金属炭化物（β金属炭化物）粉末、平均粒径０．１μｍのカーボンブラックを表１に示す比率で添加し、溶媒としてメタノールを、メディアとして超硬合金製ボールを加えて、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に示す条件で焼成して超硬合金を５０本ずつ作製した。
【００３５】
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。また、表中、真空焼成温度とｓｉｎｔｅｒＨＩＰ温度との温度差をΔＴ（℃）、ｓｉｎｔｅｒＨＩＰ後の冷却速度を冷却速度と表記した。
【００３６】
【表１】
得られた超硬合金５０本を直径３．１７５ｍｍ×長さ３８ｍｍの丸棒形状に加工して３点曲げ強度を測定しワイブルプロットを行って、平均強度、ワイブル係数（ｍ）を算出した。また、ＪＩＳ規格に準じてビッカース硬度を測定した。
【００３８】
さらに、上記ドリルについて反射電子像を観察し、２０μｍ×２０μｍの任意領域について、炭化タングステン粒子の平均粒径を画像解析法（ルーゼックス法）にて測定した。
【００３９】
さらにまた、上記超硬合金を粉砕し＃２０メッシュを通した粉砕粉末１ｇに塩酸（ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：１）溶液を加え、スターラーにて攪拌し２４時間５０℃で加熱溶解した溶液をろ過した。この溶液に希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：１）溶液を加えて５０ｍｌ定容とし、このろ液について、ＩＣＰ法によってコバルト、ニッケル、クロム、タングステンの含有量を測定した。
【００４０】
また、前記超硬合金について、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孔あけ加工テストを行った。なお、テストに際してはドリルの寿命評価のために折損するまでの加工数を評価し、かつ、同じ条件で作成した別のドリルを用いて２０００穴加工した時点でテストを終了し、金属顕微鏡で刃先の摩耗量を評価するとともに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によっては先への銅の溶着の有無を観察した。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.
【００４１】
【表２】
表１、２の結果より、上記ろ液中のニッケルの含有量が１０ｐｐｍより少ない試料Ｎｏ．６および上記ろ液中のクロム含有量が２質量％より少ない試料Ｎｏ．８では２０００穴加工した時点で刃先に銅の溶着が見られドリル寿命も４０００穴、３０００穴と低いものであった。また、ニッケルの含有量が１００ｐｐｍを超える試料Ｎｏ．７では焼結性が低下する傾向にあり焼成温度を高くしたことにより炭化タングステン粒子が粒成長してドリルが早期に折損した。さらに、上記ろ液中のクロム含有量が６質量％を超える試料Ｎｏ．９では焼結性が低下して合金の抗折力が低下によりドリルが早期に折損した。
【００４３】
これに対して、本発明に従い、上記ろ液中にクロムを０．３〜０．６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有するとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散する試料Ｎｏ．２〜４ではいずれも刃先に銅が溶着することなく、かつ耐摩耗性に優れ、加工数８０００穴以上の高い穴開け特性を示した。
【００４４】
【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−コバルト系において、結合相中にクロムと極微量のニッケルと所定量のタングステンをともに固溶させるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散することにより、耐折損性と耐摩耗性を損なうことなく両立でき、かつプリント基板中に存在する銅配線との溶着が発生することもなく安定した穴開け加工が可能となる。
Claims (1)
- 平均粒径０．９μｍ以下の炭化タングステン粒子間をコバルトからなる結合相３〜１５質量％で結合してなる超硬合金であって、該超硬合金を粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、クロムを２〜６質量％と、ニッケルを１０〜１００ｐｐｍと、タングステンを１０〜２０質量％との割合で含有する超硬合金からなるとともに、前記超硬合金中に、さらにバナジウムおよび／またはタンタルを総量で０．２〜３．０質量％の割合で含有して、前記超硬合金組織中に、前記バナジウムおよび／またはタンタルとタングステンとの複合炭化物、複合窒化物または複合炭窒化物のいずれかが第３相として分散するプリント基板加工用ドリル。
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