JP2019072818A - 切削工具用硬質皮膜及びドリル - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、ＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し穴位置精度の悪化を抑制できる切削工具用硬質皮膜の提供。【解決手段】基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、Ａｌ(100-X-Y)Ｃｒ(X)Ｃｕ(Y)ただし、30≦Ｘ≦67，０＜Ｙ≦５と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む表面皮膜層を有するもの。【選択図】なし

Description

本発明は、エンドミルやドリル等の切削工具に被覆される切削工具用硬質皮膜及び当該皮膜を被覆したドリルに関するものである。

従来、切削加工用工具に被覆する硬質耐摩耗皮膜としてＴｉＮ，ＴｉＣＮ若しくはＴｉＡｌＮが使用されてきた。特に、特許文献１及び特許文献２に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜はＴｉＮにＡｌを添加することで硬度と耐熱性を改良したもので、耐摩耗性に優れ広く用いられている。

また、ＴｉＮの代わりにＣｒＮをベースとすることでＴｉＡｌＮ皮膜よりも耐熱性を向上させた特許文献３等に開示されるようなＡｌＣｒＮ皮膜も提案されている。

ところで、特許文献４に開示されるように、近年、プリント配線板は、小型化，薄型化及び軽量化が進み、信頼性向上のために高耐熱化及び高剛性化が進んでおり、ガラス繊維含有プリント配線板（以下、「ＰＣＢ」という。）に含まれるガラス繊維樹脂の強度向上や密度の増加及びフィラーの充填量増加に伴い、ＰＣＢが難削化している。

そのため、ＡｌＣｒＮ皮膜を被覆した穴明け工具を用いても穴位置精度の悪化は避けられず、ＰＣＢに対する耐摩耗性の更なる向上が要望されている。

特開昭６２−５６５６５号公報 特開平２−１９４１５９号公報 特許第３０３９３８１号公報 特開２０１４−２１３４１４号公報

本発明は、上述のような現状に鑑み、本発明者等が切削工具用硬質皮膜における皮膜層構成について研究し、ＡｌＣｒＮ皮膜に第三元素を添加することにより上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、ＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し穴位置精度の悪化を抑制できる極めて実用的な切削工具用硬質皮膜及びドリルを提供するものである。

本発明の要旨を説明する。

基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、
Ａｌ_(100-X-Y)Ｃｒ_(X)Ｃｕ_(Y)
ただし、30≦Ｘ≦67，０＜Ｙ≦５
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む表面皮膜層を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材の表面に形成され、第４Ａ族，第５Ａ族，第６Ａ族，Ａｌ及びＳｉからなる群から選択される１種以上の元素の窒化物，炭窒化物若しくは炭化物からなり、厚さ0.1μｍ以上1.0μｍ以下である下地膜層と、この下地膜層の上に形成される前記表面皮膜層とで構成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、金属成分が原子％で、
Ａｌ_(100-z)Ｃｒ_(z)
ただし、30≦Ｚ≦70
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む下地膜層と、この下地膜層の上に形成される前記表面皮膜層とで構成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項２，３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記下地膜層がＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記表面皮膜層の破断面から観察される結晶組織が柱状晶を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、総膜厚が１μｍ以上10μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はタングステンカーバイド（ＷＣ）を含む硬質粒子とコバルト（Ｃｏ）を含む結合材とから成る超硬合金であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。

また、切り屑排出溝を有するガラス繊維含有プリント配線板加工用のドリルであって、請求項１〜７いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜が被覆されており、この硬質皮膜はドリルの先端面及び切り屑排出溝の内面には設けられていないことを特徴とするドリルに係るものである。

本発明は上述のように構成したから、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、ＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し穴位置精度の悪化を抑制できる極めて実用的な切削工具用硬質皮膜及びドリルとなる。

ＡｌＣｒＮ皮膜のＰＣＢに対する耐摩耗性及び穴位置精度のＣｒ量との関係を示すグラフである。 Ａｌ／（Ａｌ＋Ｃｒ）＝0.6のＡｌＣｒＣｕＮ皮膜の結晶組織のＣｕ量依存性を示す当該皮膜の破断面の電子顕微鏡写真である。 Ａｌ／（Ａｌ＋Ｃｒ）＝0.6のＡｌＣｒＣｕＮ皮膜のＰＣＢに対する耐摩耗性及び穴位置精度のＣｕ量との関係を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

ＡｌＣｒＮ皮膜に所定量のＣｕを添加することで、硬度と靱性の両立が可能となり、当該硬質皮膜を被覆した切削工具（ドリル）のＰＣＢ切削加工時の損傷を抑制することができる。従って、切削工具のＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し、また、穴位置精度の悪化を抑制できる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分として少なくともＡｌとＣｒとＣｕを含み、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む表面皮膜層を有するものである。

各部を具体的に説明する。

基材は、ＷＣを含有する硬質粒子とＣｏを含有する結合材から成る超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ以上２．０μｍ以下に設定され、前記Ｃｏ含有量が質量％で５以上１５％以下に設定されたものが採用されている。

この基材直上（基材表面）には、第４Ａ族，第５Ａ族，第６Ａ族，Ａｌ及びＳｉからなる群から選択される１種以上の元素の窒化物，炭窒化物若しくは炭化物からなり、厚さ0.1μｍ以上1.0μｍ以下である下地膜層を設けている。なお、本実施例における前記第４Ａ族の元素はチタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）若しくはハフニウム（Ｈｆ）であり、第５Ａ族の元素はバナジウム（Ｖ），ニオブ（Ｎｂ）若しくはタンタル（Ｔａ）であり、第６Ａ族の元素はクロム（Ｃｒ），モリブデン（Ｍｏ）若しくはタングステン（Ｗ）である。

この下地膜層の上には、金属成分が原子％で、
Ａｌ_(100-X-Y)Ｃｒ_(X)Ｃｕ_(Y)
ただし、30≦Ｘ≦67，０＜Ｙ≦５
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み、不可避不純物を含む表面皮膜層が設けられている。

上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。

先ず、表面皮膜層（ＡｌＣｒＣｕＮ皮膜）について、その組成を上述の範囲に設定した理由を述べる。

本発明者等は、金属成分比の異なるＡｌＣｒＮ皮膜を研究し、そのＣｒ量（ＣｒとＡｌの含有比率）がＰＣＢに対する加工において穴位置精度及び耐摩耗性に大きく影響することを発見した（図１参照）。

そこで、本発明者等は、ＡｌＣｒ系の皮膜においては、Ａｌ量の増加は硬度の向上と靱性の低下を、Ｃｒ量の増加は硬度の低下と靱性の向上を示していると考えた。即ち、ＰＣＢをＡｌＣｒＮ皮膜が被覆された工具で穴明け加工するにあたり、当該皮膜の靱性は耐摩耗性向上に寄与し、硬度は穴位置精度向上に寄与していると考えた。

しかし、上述のような関係が、皮膜の硬度と靱性に依存しているのであれば，穴位置精度と耐摩耗性はトレードオフの関係にあり、ＡｌＣｒＮ皮膜を用いる限り両者を同時に向上させることは難しい。そこで、本発明者等は、当該皮膜に第３元素を添加し、その粒界を制御することで、硬度と靱性の向上を試みた。

即ち、靱性値の高い材料を粒界に配することで、系全体の靱性を向上させるとともに、この粒界により、母相の結晶成長を抑制し微結晶化させることで硬度の向上を試みた。

具体的には、ＮａＣｌ型結晶構造を持たず、且つ、実用的な金属の中で最も窒化が難しいＣｕの添加によって、高い耐摩耗性向上効果が見られた。より具体的には、添加されるＣｕが、金属のみの原子％で0.1％以上添加することで耐摩耗性向上効果が表れた。しかし、添加量が多すぎると、耐摩耗性が急激に低下することがある。

即ち、ＡｌとＣｒの含有比率により耐摩耗性が急激に低下するときのＣｕ添加量は少し異なるが、Ｃｕ添加量が10％を超えると、いずれのＡｌとＣｒの含有比率であっても耐摩耗性が低下した。これは、Ｃｕの添加量が多すぎて、母相となるＮａＣｌ構造体の応力緩和およびＮａＣｌ型からウルツ鉱型へ、その構造が変態してしまうことが要因と考えられる（図２，３参照）。具体的には、図２に図示したように、Ｃｕ添加量が10at.％を超えると結晶構造が変化し、３at.％及び５at.％で見られた柱状晶が見られなくなり、径減量及び穴位置精度はともに大きく劣化する。よって、Ｃｕの含有量は５原子％以下とした。好ましくは１原子％以上４原子％以下である。

また、ＡｌＣｒＣｕＮ皮膜を施したＰＣＢドリルの加工において、当該皮膜中のＣｒが、金属のみの原子％で30％を下回ると、急激に耐摩耗性および穴位置精度が悪化した（後述の実験例参照）。これは、ＣｒＮ中へのＡｌの添加量が、その固溶限を超えてしまったためであると考えられ、Ｃｒは30原子％以上含まれている方が良い。ただし、金属元素がＣｒ及びＣｕのみとなりＡｌが含まれないと、その硬度が低下しすぎてしまい良好な穴位置精度が得られない。よって、Ｃｒの含有量は30原子％以上67原子％以下とした。

次に、下地膜層を設けた理由及びその選定理由について述べる。

添加したＣｕ量により、その程度は異なるが、基材直上に上述のＡｌＣｒＣｕＮ皮膜を設けると、密着性が悪いためか、耐摩耗性・穴位置精度共に従来のＡｌＣｒＮ皮膜より悪化する場合がある。これに対し、同じＮａＣｌ型構造を有する窒化膜や炭化膜または炭窒化膜を基材直上に下地膜層として成膜し、その上にＡｌＣｒＣｕＮ皮膜を設けると、改善傾向が見られた（後述の実験例参照）。

ただし、選択された下地膜層により適切な膜厚は異なるが、その膜厚が薄すぎると密着性が改善されないためか、下地膜層が無い時同様、その耐摩耗性および穴位置精度が、従来のＡｌＣｒＮ皮膜より劣る場合がある。逆に膜厚が厚過ぎると、下地膜層の特徴が色濃く表れるようになり、上述のようなＡｌＣｒＣｕＮ皮膜の特徴が見られなくなった。特に、硬質皮膜の総膜厚に対し50％を超える膜厚では、選択したどの膜種であっても、下地膜層の特徴が色濃く表れ、硬度と靱性を両立するような特徴は見られなくなった。よって、例えば硬質皮膜の総膜厚を１μｍ〜10μｍとする場合、表面皮膜層の厚さを0.9μｍ〜9.9μｍとし、下地膜層の厚さを0.1μｍ以上1.0μｍ以下で且つ硬質皮膜の層厚さの50％を超えない値に設定すると良い。

また、ＡｌＣｒＮを下地膜とした際、最適な組成比の組み合わせがあるものの、もっとも幅広い領域にて良好な耐摩耗性と穴位置精度が得られた。ただし、ＡｌＣｒＮ中のＣｒ量が、金属原子比にて30％を下回ると、ＮａＣｌ型構造を維持できないためか、ＡｌＣｒＣｕＮ皮膜がいずれの組成比であったとしても、耐摩耗性および穴位置精度共に悪化した。さらには、ＡｌＣｒＮ中のＣｒ量が、金属原子比にて70％を上回ると硬度が低下しすぎるためか、下地膜の膜厚を極端に薄くしない限り、良好な穴位置精度が得られなくなった。よって、下地膜層のＡｌＣｒＮ皮膜中のＣｒ量は、金属原子比にて30％以上70％以下が良い。

次に、ドリルへの被覆形態について述べる。

本実施例の基材はドリルであって、ガラス繊維含有プリント配線板を加工するに際し、その穴位置精度は、当て板への食いつき時の穴位置精度が大きく寄与する。そこで、工具先端の逃げ面とすくい面との交差稜線部に存在する切れ刃を被覆せず、刃物角を鋭利に保ち食いつき性を向上させることで、当て板への食いつき時の穴位置精度を向上させた（特許第5702431号参照）。即ち、硬質皮膜は、基材であるドリルの先端面（逃げ面）及び切り屑排出溝の内面には設けず、ドリル外周面にのみ設けるのが好ましい。

本実施例は、上述のように構成したから、硬度と靱性の両立が可能となり、当該硬質皮膜を被覆した切削工具（ドリル）のＰＣＢ切削加工時の損傷を抑制することができる。従って、切削工具のＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し、また、穴位置精度の悪化を抑制できる。

よって、本実施例は、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、ＰＣＢに対する耐摩耗性が向上し穴位置精度の悪化を抑制できる極めて実用的なものとなる。

以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。

成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属の蒸発源として所定の組成を有するターゲットを成膜装置内に取り付け、反応ガスとしてＮ_２ガスを成膜装置内に導入して，超硬合金製ドリルにＡｌＣｒＣｕＮ皮膜を形成したサンプルを作製し、その総膜厚を約5.0μｍとした。

ドリルの直径を測定した後、以下に示す切削条件にてＰＣＢに穴明け加工を行った。その後、加工後のドリルの直径を再度測定し、その径変化量を算出することで耐摩耗性（径減量）を評価し、穴明けプログラム上設定された機械座標と実際の穴位置とのズレ量を最下基板裏側にて測定することで、穴位置精度を評価した。表１に下地膜層を設けない場合、表２に下地膜層を設けた場合の試験結果を示す。

良否判定は、径減量が2.00μｍ以上か、または径減量が0.90μｍ以上で且つ穴位置精度が50μｍ以上のものは×、従来例に比し径減量若しくは穴位置精度の一方が同程度で他方が良化しているものか、または双方が良化しているものは〇、×及び〇に当たらないものは△、〇の中で特に好ましいものを◎とした。

［切削条件］
ドリル ：直径0.25ｍｍ，溝長4.7ｍｍ
被削材（ＰＣＢ） ：ＦＲ−４ハロゲンフリー材 厚さ1.2ｍｍ ６層銅箔
重ね枚数 ：２枚
当て板 ：アルミ板（厚さ0.15ｍｍ）
捨て板 ：ベーク板（厚さ1.5ｍｍ）
回転数 ：120,000ｍｉｎ^−１
送り速度 ：1.8ｍ／ｍｉｎ
スピンドルの上昇速度：25.4ｍ／ｍｉｎ
穴数 ：2,500ｈｉｔｓ

表１から、本実施例の表面皮膜層の構成（皮膜組成）に係る各実験例は、従来のＡｌＣｒＮ皮膜（従来例）及び比較例に比し、径減量と穴位置精度の両立が図られていることが認められる。

表２から、下地膜層は膜厚（下地膜膜厚）を上述の数値範囲内とすることで、いずれの膜種（下地膜組成）であっても特に径減量の良化が認められる。また、表面皮膜層がいずれの皮膜組成であっても下地膜層による良化が認められる。

Claims (8)

1. 基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、
   Ａｌ_(100-X-Y)Ｃｒ_(X)Ｃｕ_(Y)
   ただし、30≦Ｘ≦67，０＜Ｙ≦５
   と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む表面皮膜層を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
2. 請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材の表面に形成され、第４Ａ族，第５Ａ族，第６Ａ族，Ａｌ及びＳｉからなる群から選択される１種以上の元素の窒化物，炭窒化物若しくは炭化物からなり、厚さ0.1μｍ以上1.0μｍ以下である下地膜層と、この下地膜層の上に形成される前記表面皮膜層とで構成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
3. 請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、金属成分が原子％で、
   Ａｌ_(100-z)Ｃｒ_(z)
   ただし、30≦Ｚ≦70
   と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む下地膜層と、この下地膜層の上に形成される前記表面皮膜層とで構成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
4. 請求項２，３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記下地膜層がＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記表面皮膜層の破断面から観察される結晶組織が柱状晶を有することを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
6. 請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、総膜厚が１μｍ以上10μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
7. 請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はタングステンカーバイド（ＷＣ）を含む硬質粒子とコバルト（Ｃｏ）を含む結合材とから成る超硬合金であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
8. 切り屑排出溝を有するガラス繊維含有プリント配線板加工用のドリルであって、請求項１〜７いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜が被覆されており、この硬質皮膜はドリルの先端面及び切り屑排出溝の内面には設けられていないことを特徴とするドリル。