切削工具用硬质覆膜和钻头的制作方法

本发明涉及被覆在立铣刀或钻头等切削工具上的切削工具用硬质覆膜、以及被覆有该覆膜的钻头。

背景技术：

以往，作为被覆在切削加工用工具上的硬质耐磨耗覆膜，使用了tin、ticn或tialn。特别是在以专利文献1和专利文献2代表的tialn系覆膜中，通过在tin中添加al而改良了硬度和耐热性，因而耐磨耗性优异、得到了广泛应用。

另外还有人提出了如在专利文献3等中公开的alcrn覆膜，其通过以crn为基础物来代替tin而使该覆膜的耐热性高于tialn覆膜。

另外，如在专利文献4中所公开，近年来，印刷电路板推进小型化、薄型化和轻量化，为了提高可靠性而推进了高耐热化和高刚性化，随着含玻璃纤维印刷电路板(以下称为“pcb”)中包含的玻璃纤维树脂的强度提高和密度增加以及填料的填充量增加，pcb变得难以切削。

因此，即使使用被覆有alcrn覆膜的钻孔工具，也未能避免孔位置精度变差，迫切希望对pcb的耐磨耗性的进一步提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-56565号公报

专利文献2：日本特开平2-194159号公报

专利文献3：日本专利第3039381号公报

专利文献4：日本特开2014-213414号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在本发明中，鉴于上述这样的现状，本发明人对于切削工具用硬质覆膜中的覆膜层构成进行了研究，获得并完成了可通过在alcrn覆膜中添加第三元素来解决上述课题这一技术思想，据此提供了一种极为实用的切削工具用硬质覆膜，与现有的alcrn覆膜相比，其对pcb的耐磨耗性提高、能够抑制孔位置精度的劣化；本发明还提供了钻头。

解决课题的手段

对本发明的要点进行说明。

本发明的第一方式涉及一种切削工具用硬质覆膜，其是在基材上形成的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，该硬质覆膜具有表面覆膜层，该表面覆膜层中，金属成分以原子％计由al(100-x-y)cr(x)cu(y)(其中，30≤x≤67，0<y≤5)表示，作为非金属元素至少包含n，并且包含不可避免的杂质。

另外，本发明的第二方式涉及上述第一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，该硬质覆膜由基底膜层和在该基底膜层上形成的上述表面覆膜层构成，所述基底膜层在上述基材的表面形成，由选自由第4a族、第5a族、第6a族、al和si组成的组中的1种以上的元素的氮化物、碳氮化物或碳化物构成，厚度为0.1μm以上1.0μm以下。

另外，本发明的第三方式涉及上述第一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，该硬质覆膜由基底膜层和在该基底膜层上形成的上述表面覆膜层构成，所述基底膜层中，金属成分以原子％计由al(100-z)cr(z)(其中，30≤z≤70)表示，作为非金属元素至少包含n，并且包含不可避免的杂质。

另外，本发明的第四方式涉及上述第二、第三任一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，上述基底膜层具有nacl型结晶结构。

另外，本发明的第五方式涉及上述第一～第四任一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，从上述表面覆膜层的断裂面观察的结晶组织具有柱状晶。

另外，本发明的第六方式涉及上述第一～第五任一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，所述硬质覆膜的总膜厚为1μm以上10μm以下。

另外，本发明的第七方式涉及上述第一～第六任一方式中的切削工具用硬质覆膜，其特征在于，上述基材为由包含碳化钨(wc)的硬质粒子和包含钴(co)的结合材构成的超硬合金。

另外，本发明的第八方式涉及一种钻头，其为具有切屑排出槽的含玻璃纤维印刷电路板加工用的钻头，其特征在于，其被覆有上述第一～第七任一方式的切削工具用硬质覆膜，该硬质覆膜未设置在钻头的尖端面和切屑排出槽的内面。

发明的效果

本发明由于按上述方式构成，因而可成为极为实用的切削工具用硬质覆膜和钻头，与现有的alcrn覆膜相比，该硬质覆膜对pcb的耐磨耗性提高、能够抑制孔位置精度的劣化。

附图说明

图1是示出alcrn覆膜对pcb的耐磨耗性和孔位置精度与cr量的关系的图。

图2是al/(al+cr)＝0.6的alcrcun覆膜的断裂面的电子显微镜照片，其示出了该覆膜的结晶组织的cu量依赖性。

图3是示出al/(al+cr)＝0.6的alcrcun覆膜对pcb的耐磨耗性和孔位置精度与cu量的关系的图。

具体实施方式

对于被认为是适宜的本发明的实施方式，示出本发明的作用来进行简单说明。

通过在alcrn覆膜中添加规定量的cu，能够兼顾硬度和韧性这两种性质，能够抑制被覆有该硬质覆膜的切削工具(钻头)在pcb切削加工时的损伤。从而，切削工具对pcb的耐磨耗性提高，并且能够抑制孔位置精度的劣化。

实施例

基于附图对本发明的具体实施例进行说明。

本实施例为在基材上形成的切削工具用硬质覆膜，其中，该硬质覆膜具有表面覆膜层，该表面覆膜层中，作为金属成分至少包含al、cr和cu，作为非金属元素至少包含n，并且包含不可避免的杂质。

对各部分进行具体说明。

基材采用由含有wc的硬质粒子和含有co的结合材构成的超硬合金制造的基材。具体地说，采用上述wc粒子的平均粒径被设定为0.1μm以上2.0μm以下、上述co含量以质量％计被设定为5％以上15％以下的基材。

在该基材上并紧邻该基材(基材表面)设置基底膜层，该基底膜层由选自由第4a族、第5a族、第6a族、al和si组成的组中的1种以上的元素的氮化物、碳氮化物或碳化物构成，厚度0.1μm以上1.0μm以下。需要说明的是，在本实施例中，上述第4a族元素为钛(ti)、锆(zr)或铪(hf)，第5a族元素为钒(v)、铌(nb)或钽(ta)，第6a族元素为铬(cr)、钼(mo)或钨(w)。

在该基底膜层上设有表面覆膜层，该表面覆膜层中，金属成分以原子％计由al(100-x-y)cr(x)cu(y)(其中，30≤x≤67，0<y≤5)表示，作为非金属元素至少包含n，并且包含不可避免的杂质。

以下说明采用上述构成的理由和基于上述构成的作用效果。

首先，对于表面覆膜层(alcrcun覆膜)，叙述将其组成设定为上述范围的理由。

本发明人对于金属成分比不同的alcrn覆膜进行了研究，发现其cr量(cr与al的含有比例)在针对pcb的加工中对孔位置精度和耐磨耗性的影响较大(参照图1)。

因此，本发明人认为，在alcr系覆膜中，al量的增加示出了硬度的提高和韧性的降低、cr量的增加示出了硬度的降低和韧性的提高。即认为，在利用被覆有alcrn覆膜的工具对pcb进行钻孔加工时，该覆膜的韧性有助于耐磨耗性的提高，硬度有助于孔位置精度的提高。

但是，上述这样的关系在依赖于覆膜的硬度与韧性时，孔位置精度与耐磨耗性处于此消彼长的关系，只要使用alcrn覆膜就难以同时提高这两者。因此，本发明人尝试了通过在该覆膜中添加第3元素而控制其晶粒间界来实现硬度和韧性的提高。

即，尝试了通过在晶粒间界中配置韧性值高的材料而使体系整体的韧性提高，并且通过利用该晶粒间界抑制母相的结晶生长而进行微结晶化来实现硬度的提高。

具体地说，通过添加不具有nacl型结晶结构并且在实用的金属中最难氮化的cu而观察到了很高的耐磨耗性提高效果。更具体地说，对于所添加的cu，通过以仅金属的原子％计添加0.1％以上，体现出了耐磨耗性提高效果。但是，若添加量过多，则耐磨耗性有时会急剧降低。

即，根据al和cr的含有比例的不同，耐磨耗性急剧降低时的cu添加量稍有不同，但若cu添加量超过10％，则在al和cr的任意含有比例下，耐磨耗性均降低。可以考虑这主要是因为，cu的添加量过多时作为母相的nacl结构体的应力松弛、以及其结构从nacl型相转变成纤锌矿型(参照图2、图3)。具体地说，如图2中图示出，在cu添加量超过10at.％时，结晶结构发生变化，观察不到在3at.％和5at.％时所观察到的柱状晶，直径减少量和孔位置精度均显著劣化。由此，将cu的含量设为5原子％以下。优选为1原子％以上4原子％以下。

另外，在施有alcrcun覆膜的pcb钻头的加工中，该覆膜中的cr以仅金属的原子％计低于30％时，耐磨耗性和孔位置精度急剧变差(参照后述的实验例)。据信这是由于向crn中的al的添加量超出了其固溶限度所致的，cr包含30原子％以上为宜。但是，金属元素仅为cr和cu而不包含al时，其硬度过分降低，得不到良好的孔位置精度。从而，设cr的含量为30原子％以上67原子％以下。

接下来叙述设置基底膜层的理由及其选择理由。

尽管根据所添加的cu量不同，其程度会不同，但在基材上并紧邻基材设置上述的alcrcun覆膜时，或许由于密合性差，而与现有的alcrn覆膜相比，耐磨耗性、孔位置精度有时均变差。与之相对，若在基材上紧邻基材形成具有相同的nacl型结构的氮化膜或碳化膜或炭氮化膜作为基底膜层、在其上设置alcrcun覆膜，则观察到了改善倾向(参照后述的实验例)。

但是，根据所选择的基底膜层的不同，适当的膜厚也不同，但其膜厚若过薄，则或许因为密合性得不到改善，而与无基底膜层时同样地，其耐磨耗性和孔位置精度有时劣于现有的alcrn覆膜。反之，若膜厚过厚，则显著地表现出基底膜层的特征，而观察不到上述那样的alcrcun覆膜的特征。特别是在膜厚相对于硬质覆膜的总膜厚超过50％时，无论所选择的是哪种膜，均显著地表现出基底膜层的特征，而观察不到兼顾硬度和韧性这样的特征。从而，例如在设硬质覆膜的总膜厚为1μm～10μm的情况下，使表面覆膜层的厚度为0.9μm～9.9μm、使基底膜层的厚度为0.1μm以上1.0μm以下且将其设定为不超过硬质覆膜的层厚度的50％的值为宜。

另外，在将alcrn作为基底膜时，尽管有最佳组成比的组合，但在最宽泛的区域内得到了良好的耐磨耗性和孔位置精度。但是，alcrn中的cr量以金属原子比计低于30％时，或许因为无法维持nacl型结构，因而无论alcrcun覆膜为哪种组成比，耐磨耗性和孔位置精度均劣化。进而，alcrn中的cr量以金属原子比计高于70％时，或许因为硬度过分降低，因而除非基底膜的膜厚变得极薄，否则得不到良好的孔位置精度。从而，基底膜层的alcrn覆膜中的cr量以金属原子比计为30％以上70％以下较好。

接下来叙述在钻头上的被覆形态。

本实施例的基材为钻头，在进行含玻璃纤维印刷电路板的加工时，对于其孔位置精度，咬合在盖板(当て板)上时的孔位置精度起到很大作用。因此，通过不覆盖在工具尖端的后刀面(逃げ面)与前刀面(すくい面)的交叉脊线部存在的切削刃而保持刃物角锐利、提高咬合性，而使咬合在盖板上时的孔位置精度提高(参照日本专利第5702431号)。即，优选硬质覆膜不设置在作为基材的钻头的尖端面(后刀面)和切屑排出槽的内面、而仅设置在钻头外周面。

本实施例由于按上述方式构成，因而能够兼顾硬度和韧性，能够抑制被覆有该硬质覆膜的切削工具(钻头)在pcb切削加工时的损伤。从而，切削工具对pcb的耐磨耗性提高、并且能够抑制孔位置精度的劣化。

从而，与现有的alcrn覆膜相比，本实施例对pcb的耐磨耗性提高、能够抑制孔位置精度的劣化，是极为实用的构成。

以下对证实本实施例的效果的实验例进行说明。

作为成膜装置使用电弧放电式离子镀装置，将作为金属的蒸发源的具有规定组成的靶材安装在成膜装置内，将作为反应气体的n2气导入到成膜装置内，制作在超硬合金制钻头上形成有alcrcun覆膜的样品，设其总膜厚为约5.0μm。

在测定了钻头的直径后，利用以下所示的切削条件对pcb进行钻孔加工。其后，再次测定加工后的钻头的直径，通过计算出其直径变化量而对耐磨耗性(直径减少量)进行评价，通过在最下基板背面侧测定钻孔程序上设定的机械坐标与实际孔位置的偏差量而对孔位置精度进行评价。在表1中未设置基底膜层的情况下的试验结果，在表2中示出设有基底膜层的情况下的试验结果。

关于是否良好的判定，将直径减少量为2.00μm以上、或直径减少量为0.90μm以上且孔位置精度为50μm以上的情况设为×，将与现有例相比直径减少量或孔位置精度中的一者为同等程度而另一者改善的情况、或两者改善的情况设为〇，将到不了×和〇的情况设为△，将〇中特别优选的情况设为◎。

[切削条件]

钻头：直径0.25mm，槽长4.7mm

被切削材料(pcb)：fr-4无卤素材料厚度1.2mm6层铜箔

重叠片数：2片

盖板：铝板(厚度0.15mm)

底板(捨て板)：胶木板(厚度1.5mm)

转速：120,000min^-1

进给速度：1.8m/min

轴的上升速度：25.4m/min

孔数：2,500hits

【表1】

由表1确认到，与现有的alcrn覆膜(现有例)和比较例相比，本实施例的表面覆膜层的构成(覆膜组成)的各实验例实现了兼顾直径减少量和孔位置精度。

【表2】

由表2确认到，通过使基底膜层的膜厚(基底膜膜厚)为上述的数值范围内，无论是哪种膜(基底膜组成)，均特别确认到了直径减少量的改善。另外，无论表面覆膜层是哪种覆膜组成，均确认到了因基底膜层所致的改善。