JP2003251503A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

表面被覆切削工具

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JP2003251503A JP2002235624A JP2002235624A JP2003251503A JP 2003251503 A JP2003251503 A JP 2003251503A JP 2002235624 A JP2002235624 A JP 2002235624A JP 2002235624 A JP2002235624 A JP 2002235624A JP 2003251503 A JP2003251503 A JP 2003251503A
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治世 福井
Tatsuro Fukuda
辰郎 福田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、特に集積回路や各種電子部品を実
装するプリント回路用基板の溝加工、切抜き加工や穴開
け加工に用いられる表面被覆切削工具を提供することを
主要な目的とする。 【解決手段】 炭化タングステンとコバルトとを含み、
コバルトの含有量が４質量％以上１２質量％以下である
超硬合金基材を備える。上記超硬合金基材の上に、チタ
ン、クロム、バナジウム、シリコンおよびアルミニウム
の群から選択される１種以上の元素と、炭素および窒素
から選択される１種以上の組合せからなる化合物薄膜が
被覆されている。該化合物薄膜は、少なくとも１層被覆
されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般に、表面被
覆切削工具に関するものであり、より特定的には、集積
回路や各種電子部品を実装するプリント回路用基板など
の溝加工、切抜き加工や穴開け加工などに用いられる表
面被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、プリント基板の外周形状の加
工においてはプレス加工が多く用いられてきた。しか
し、プリント回路基板はガラス繊維を含有したエポキシ
樹脂を銅箔で挟んだ構造であるので、プレス加工の際に
発生する粉体が作業環境上問題となっていた。そこで、
ルータカッターと呼ばれるプリント回路基板の溝加工や
切抜き加工を行なう切削工具が使用されている。このル
ータカッターを用いた加工機では、切り口を吸引しなが
ら加工を行なうので、外部に切り屑の粉体が飛散するお
それがないことが利点である。
【０００３】また、近年の電子機器においては、小型
化、軽量化が必須課題であり、実際の動作の中枢となる
プリント回路基板は、実装密度の高密度化や高精度化な
どの要求により、ルータ加工によって形成される溝がま
すます小寸法化されており、それに応じてルータカッタ
ーの直径は３．１７５ｍｍ以下となってきている。
【０００４】また、作業能力向上と製造コスト低減など
のために、一度に加工するプリント回路基板の重ね枚数
を増やしたり、加工速度を上げたりするので、ルータカ
ッターの強度が不足して加工中に折損したり、プリント
回路基板にバリなどを発生させて不良となることが問題
となってきた。
【０００５】そこで、たとえば特許３０６５５４７号に
示されたルータカッターでは、ルータカッターの刃部の
すくい面側に補強のリブを設けて刃部の剛性を高めて従
来問題となっていたルータカッターの強度を向上させて
切削加工中の折損事故に対する改善を図っている。
【０００６】一方、プリント回路基板における高密度化
や積層化が進められており、このプリント回路基板に小
径の穴を形成する場合には、ＰＣＢ（Print Circuit Bo
ard）加工用小径ドリルとよばれる切削工具が広く使わ
れている。また、実装密度の高密度化や高精度化などの
要求により、ＰＣＢ加工用小径ドリルによってプリント
回路基板に形成する穴は、ますます小寸法化しており、
それに応じてＰＣＢ加工用小径ドリルの直径は、０．３
ｍｍ以下となってきている。さらに、作業能率向上と製
造コスト低減などのために、加工速度が高速化してお
り、この場合にＰＣＢ加工用小径ドリルの強度が不足し
て加工中に折損したり、プリント回路基板にバリなどを
発生させて製品不良の原因となることが問題となってき
た。
【０００７】そこで、例えば特開平１０−１３８０２７
号に示されるＰＣＢ加工用小径ドリルでは、その素材と
して超硬合金を用いるとともに、表面に炭化水素ガス
（メタン）を使用して成膜した硬質炭素膜を被覆して、
耐折損性を向上させて改善を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ますま
すユーザから実装の高密度化や高精度化の要求が厳しく
なり、溝加工や切り抜き加工を行なうルータカッターの
直径は、従来の約半分の１．６ｍｍ以下となってきてお
り、上述の工具形状の改良だけでは加工時の折損不良を
防ぐことが難しくなってきた。
【０００９】一方、実装の高密度化や高精度化の要求が
厳しくなるにともない、穴開け加工を行なう、ＰＣＢ加
工用小径ドリルは、０．２ｍｍ以下のものが用いられて
おり、上述の炭化水素ガスを用いて成膜された硬質炭素
膜では、膜中に水素が混入してしまうので膜硬度が低
く、十分な性能のドリルを得ることができなかった。
【００１０】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、特に、集積回路や各種電子部
品を実装するプリント回路用基板の溝加工、切抜き加工
や穴開け加工に用いられる切削工具において、その工具
表面に被膜を被覆することで、刃部の剛性を高め、かつ
切り屑の排出性を良くすることで、耐欠損性および耐久
性を高めた切削工具を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明のある局面に従
う表面被覆切削工具は、炭化タングステンとコバルトと
を含み、コバルトの含有量が４質量％以上、１２質量％
以下である超硬合金基材を備える。上記超硬合金基材の
上に、チタン、クロム、バナジウム、シリコンおよびア
ルミニウムの群から選択される１種以上の元素と、炭
素、窒素から選択される１種以上の元素との組合せから
なる化合物薄膜が被覆されている。該化合物薄膜は、少
なくとも１層被覆されている。
【００１２】この発明の他の局面に従う表面被覆切削工
具は、炭化タングステンとコバルトとを含み、コバルト
の含有量が４質量％以上、１２質量％以下である超硬合
金基材を備える。上記超硬合金基材の上には、グラファ
イトを原料とした物理的蒸着法により実質的に炭素のみ
からなる硬質炭素薄膜が被覆されている。該硬質炭素薄
膜は、少なくとも１層被覆されている。
【００１３】この発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、上記化合物薄膜および硬質炭素薄膜のそれぞれの厚
みが、０．０５μｍ以上、３μｍ以下である。
【００１４】この発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、上記化合物薄膜および硬質炭素薄膜には、圧縮の残
留応力が、０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下付与されて
いることを特徴とする。
【００１５】この発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、上記化合物薄膜および硬質炭素薄膜の表面粗さが、
Ｒａ表示で０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下に調整さ
れていることを特徴とする。
【００１６】この発明のさらに好ましい実施態様によれ
ば、上記超硬合金基材の焼結前の炭化タングステンの結
晶粒径が、０．１μｍ以上、１．５μｍ以下であること
を特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下この発明に基づいた各実施の
形態における表面被覆切削工具について説明する。
【００１８】本発明の実施の形態の表面被覆切削工具の
基材に用いられるＷＣ基超硬合金は、Ｃｏを４〜１２重
量％含有し、タングステンカーバイドの平均粒径は、
０．１〜１．５μｍの範囲内にある。
【００１９】Ｃｏは、特に結合層形成のために含有させ
ているが、４重量％未満の場合には、靭性が低下して、
刃先こぼれが発生するので好ましくなく、逆に、１２重
量％を超えて含有すると基材の硬度が低下して、高速切
断時の耐摩耗性が低下するとともに、Ｃｏと化合物薄膜
および硬質炭素薄膜との親和性が低いため密着性が著し
く低下したり、刃先に強い外力が加わった場合に、基材
の変形に高硬度な薄膜が追随できずに、薄膜が超硬基材
との界面で剥離してしまうためである。したがって、Ｃ
ｏ含有量を４〜１２重量％とするのが好ましい。
【００２０】ここで、ＷＣ粒成長抑制効果があり、刃先
強度を高める効果があるＴａＣやＶＣなどを含有させて
もよい。
【００２１】また、ＷＣの平均結晶粒径が０．１μｍ以
下の場合には、現状の評価方法では粒径の判別が困難で
あり、平均結晶粒径が１．５μｍ以上であると膜が摩耗
した場合に、基材中の大きなＷＣ粒子が脱落して大欠損
を起こしてしまうので好ましくない。ＷＣの粒径は、基
材の靭性に非常に影響を与えるが、化合物薄膜および硬
質炭素薄膜の密着性の評価結果も加味して、ＷＣの平均
粒径を０．１〜１．５μｍとするのが好ましい。
【００２２】ここで、上記基材上には、化合物薄膜また
は、硬質炭素薄膜が被覆される。化合物薄膜は、チタ
ン、クロム、バナジウム、シリコンおよびアルミニウム
の群から選択される１種以上の元素と、炭素および窒素
の１種以上の元素との組合せにより構成される。この化
合物薄膜は極めて硬く、耐酸化性が高いため、耐摩耗性
が向上し、切削工具寿命を長くすることができるととも
に、ＷＣ表面に比べ、被削材との熱的・化学的な反応が
抑えられるので、切り屑の排出性が良くなることに加
え、被削材の溶着が抑えられることから、切削抵抗が下
がるとともに、切り刃の折損が抑えられる。
【００２３】また、硬質炭素薄膜は、非晶質炭素膜、非
晶質カーボン膜、ダイヤモンドダイクカーボン膜、ＤＬ
Ｃ膜、ａ−Ｃ：Ｈ、ｉ−カーボン膜などと呼ばれるもの
であるが、本実施の形態では、切削工具として優れた耐
摩耗性を示すべく、ダイヤモンドに匹敵する高い硬度を
得るために、グラファイトを出発原料とした物理的蒸着
法を用いることで、故意に反応ガスを入れない場合でも
成膜中に不可避的に含まれる不純物を除いて、炭素原子
のみで構成している。この場合には、いわゆる水素を含
む硬質炭素薄膜よりダイヤモンド構造に近い構造とな
り、硬度が高くなると同時に、耐酸化特性もダイヤモン
ドと同等の約６００°近くにまで改善される。
【００２４】硬質炭素薄膜をコーティングする公知の手
法は複数あるが、グラファイトを出発原料とした物理的
蒸着法の中でも、一般に工業的に用いられる、たとえば
陰極アークイオンプレーティング法、レーザアブレーシ
ョン法やスパッタリング法であれば、成膜速度が速く好
ましい。
【００２５】被膜の密着力、膜硬度の点で、陰極アーク
イオンプレーティング法による成膜が好ましい。この陰
極アークイオンプレーティング法は、原料のイオン化率
が高いため、主にカーボンイオンが基材に照射されるこ
とにより、硬質炭素薄膜が形成されるため、ｓｐ3結合
の比率が高く、緻密な膜が得られ、硬度が高くなるた
め、工具寿命を大きく向上させることができる。
【００２６】また、硬質炭素薄膜は低摩擦係数を持つ被
膜であることから、ＷＣ表面に比べて切り屑の排出性が
良くなることに加え、被削材の溶着も抑えられることか
ら、切削抵抗が下がるとともに、切れ刃の折損が抑えら
れる。
【００２７】本実施の形態で成膜された化合物薄膜およ
び硬質炭素薄膜は、その表面粗さが、ＪＩＳ規格Ｒａの
表示で、０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下となるよう
に形成されている。ここで、切削工具として見た場合に
は、切り屑の排出性や切削抵抗の観点から面粗さＲａは
できる限り小さいことが望ましいが、実際には０とする
ことはできないので、種々切削試験を行なった結果、Ｒ
ａが０．５μｍ以下であった場合には、切り屑の排出性
が改善され、切削性能が向上することを見出した。
【００２８】また、被膜の膜厚が、０．０５μｍ〜３μ
ｍとなるように形成したがその理由は、０．０５μｍ未
満の場合、耐摩耗性に問題があり、３μｍを超えると被
膜に蓄積される内部応力が大きくなって剥離しやすくな
ったり、被膜の欠けを生ずる問題があったからである。
さらに好ましくは、０．０５〜１．５μｍである。ま
た、膜厚を３μｍ以下とすることにより、被膜表面に発
生するマクロパーティクルの大きさと密度を小さくし、
表面粗さを前記のＲａ表示で０．５μｍ以下に抑えるこ
とができるという効果もある。
【００２９】本実施の形態では、化合物薄膜および硬質
炭素薄膜に、残留応力を０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以
下の圧縮圧力となるように付与している。超硬基材に対
して圧縮の残留応力を付与すると、ルータカッターの折
損性が著しく向上する。ここで、圧縮の残留応力が、
０．１ＧＰａ以下の場合には、耐欠損性に関する向上が
見られず、８ＧＰａ以上の場合には、膜の応力値が高い
ため、膜が剥離しやすくなる。
【００３０】ここで、化合物薄膜の残留応力の測定は、
「ＰＶＤ・ＣＶＤ被膜の基礎と応用：（社）表面技術協
会（１９９４）」ｐ．１５６に示されるＸ線を用いる方
法によって測定することが可能である。
【００３１】また、硬質炭素薄膜は非晶質であることか
ら、Ｘ線を用いて評価することはできないが、「ＰＶＤ
・ＣＶＤ被膜の基礎と応用：（社）表面技術協会（１９
９４）」ｐ．１６２に示されるとおり、同時に片面コー
ティングされた平板試験片の反り量から推定することが
可能である。
【００３２】次に、本実施の形態の表面被覆切削工具の
実施例について、具体的に説明する。ただし、表面被覆
切削工具のコーティングはここで用いたコーティング方
法に限られるものではなく、他の方法であってもよい。
【００３３】（第１〜１３実施例）この実施例おける表
面被覆切削工具は、ＰＣＢ加工用のルータカッターを構
成しており、それを図１に示す。ここで（ａ）は平面
図、（ｂ）は正面図である。
【００３４】図１に示すように、ルータカッター１は、
加工機のチャックに把持されるシャンク１１と刃部１２
を有している。
【００３５】基材として、ＪＩＳ規格Ｚ０１相当の刃部
１２の直径が０．８ｍｍで、刃長が６ｍｍの、炭化タン
グステンとコバルトとを含み、コバルトの含有量が４質
量％以上１２質量％以下であるＷＣ基超硬合金製ルータ
カッターを用意した。その表面に、金属蒸発源原料と窒
素ガスまたは／およびメタンガスを用いた公知のアーク
イオンプレーティング法によって化合物薄膜１３を形成
し、表１に示す、実施例１から１２の表面被覆ルータカ
ッター１を用意した。
【００３６】
【表１】
【００３７】また、前記ＷＣ基超硬合金製ルータカッタ
ー１の表面に、グラファイトを用いたアークイオンプレ
ーティング法により硬質炭素薄膜１３を形成し、実施例
１３の、表面被覆ルータカッター１を用意した。また、
比較のため、表１に示すノンコートルータカッター試料
も用意した（比較例１）。
【００３８】次に、上記のルータカッター１を用いて、
被削材として厚さ１．６ｍｍのエポキシ樹脂板ＦＲ−４
（両面Ｃｕ貼り付き）を３枚重ねたもので切削を行なっ
た。このとき、加工条件は、回転数５０，０００ｒｐ
ｍ、送り速度１．５ｍ／ｍｉｎとし、その切削試験の結
果を表１に示す。
【００３９】表１の結果から、比較例１のノンコートル
ータカッターは２ｍで折損したのに対して、本実施例１
から１３のルータカッター１では３０ｍ以上の切削が可
能となった。
【００４０】（第１４〜２６実施例）この実施例おける
表面被覆切削工具は、ＰＣＢ加工用小径ドリルを構成し
ている。
【００４１】基材として、ＪＩＳ規格Ｚ０１相当の刃部
の直径が０．２ｍｍで、刃長が３．５ｍｍのＷＣ基超硬
合金性ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意し、その表面に金
属蒸発源原料と窒素ガスまたは／およびメタンガスを用
いた公知のアークイオンプレーティング法によって化合
物薄膜を形成し、表２に示す実施例１４から２５の表面
被覆ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意した。このとき、成
膜条件は、金属蒸発源に供給するアーク電流を１００
Ａ、基板バイアス電圧を５０Ｖ、反応ガス圧を２．７Ｐ
ａとし、成膜前にアルゴンガスプラズマによる基材表面
クリーニングを行なった。
【００４２】
【表２】
【００４３】また、グラファイトを用いたアークイオン
プレーティング法により硬質炭素薄膜を形成して、実施
例２６の表面被覆ＰＣＢ加工用小径ドリルを用意した。
また、比較のために、表２に示すノンコートＰＣＢ加工
用小径ドリルも用意した（比較例２）。
【００４４】次にこれらのＰＣＢ加工用小径ドリルを用
いて、被削材として厚さ１．６ｍｍのエポキシ樹脂板Ｆ
Ｒ−４（両面Ｃｕ貼り付き）を３枚重ねたものの上に
０．１５ｍｍの厚さのアルミニウム板のあて板を重ね
て、穴開け加工を行なった。このとき、加工条件は、回
転数６０，０００ｒｐｍ、送り速度３ｍ／ｍｉｎとし
た。その切削試験の結果を表２に示す。
【００４５】表２の結果から、比較例２のノンコートＰ
ＣＢ加工用小径ドリルでは、５０，０００穴で折損した
のに対して、本実施例１４から２６のＰＣＢ加工用小径
ドリルでは、３００，０００穴以上の加工が可能であっ
た。
【００４６】本発明の切削工具としては、上述したＰＣ
Ｂ加工用のルータカッター、ドリルを含むＰＣＢ加工用
切削工具の他、他の一般的な用途のルータカッター、ド
リル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交
換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップな
どがある。
【００４７】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る表面
被覆切削工具によると、刃部の剛性を高め、かつ切り屑
の排出性を良くすることで耐欠損性および耐久性を高め
ることができる。ひいては、その切削・耐摩耗寿命を著
しく延長させるとともに加工精度を向上させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に基づいた実施の形態における表面
被覆切削工具（ルータカッター）の構造を示す（ａ）は
平面図、（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１ 表面被覆切削工具（ルータカッター）、１３ 化合
物薄膜、硬質炭素薄膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C037 AA09 CC01 CC09 3C046 FF03 FF10 FF16 FF19 FF25 FF32 FF52 4K029 BA34 BC00 BC02 BD05 CA03 EA01

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化タングステンとコバルトとを含み、
    コバルトの含有量が４質量％以上、１２質量％以下であ
    る超硬合金基材と、 前記超硬合金基材の上に被覆され、チタン、クロム、バ
    ナジウム、シリコンおよびアルミニウムの群から選択さ
    れる１種以上の元素と、炭素および窒素から選択される
    １種以上の元素との組合せからなる化合物薄膜と、を備
    え、 前記化合物薄膜は少なくとも１層被覆されている、表面
    被覆切削工具。
  2. 【請求項２】 前記化合物薄膜の厚みが、０．０５μｍ
    以上、３μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に
    記載の表面被覆切削工具。
  3. 【請求項３】 前記化合物薄膜には、圧縮の残留応力が
    ０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下付与されていることを
    特徴とする、請求項１または２に記載の表面被覆切削工
    具。
  4. 【請求項４】 前記化合物薄膜の表面粗さが、Ｒａ表示
    で、０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下に調整されてい
    ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に
    記載の表面被覆切削工具。
  5. 【請求項５】 炭化タングステンとコバルトとを含み、
    コバルトの含有量が４質量％以上、１２質量％以下であ
    る超硬合金基材と、 前記超硬合金基材の上にグラファイトを原料とした物理
    的蒸着法により被覆された実質的に炭素のみからなる硬
    質炭素薄膜と、を備え、 前記硬質炭素薄膜は、少なくとも１層被覆されている、
    表面被覆切削工具。
  6. 【請求項６】 前記硬質炭素薄膜の厚みが、０．０５μ
    ｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする、請求項５
    に記載の表面被覆切削工具。
  7. 【請求項７】 前記硬質炭素薄膜には、圧縮の残留応力
    が０．１ＧＰａ以上、８ＧＰａ以下付与されていること
    を特徴とする、請求項５または６記載の表面被覆切削工
    具。
  8. 【請求項８】 前記硬質炭素薄膜の表面粗さが、Ｒａ表
    示で、０．０１μｍ以上、０．５μｍ以下に調整されて
    いることを特徴とする、請求項５から７のいずれか１項
    に記載の表面被覆切削工具。
  9. 【請求項９】 前記超硬合金基材の焼結前の炭化タング
    ステンの結晶粒径が、０．１μｍ以上、１．５μｍ以下
    であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１
    項に記載の表面被覆切削工具。
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