CN102161107B - 耐缺损性优异的金刚石包覆工具 - Google Patents
耐缺损性优异的金刚石包覆工具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种金刚石薄膜发挥优异的耐缺损性的金刚石包覆工具。在由硬质合金烧结体构成的工具基体表面上形成金刚石薄膜的金刚石包覆工具中，关于金刚石晶粒的晶体方位，求出<111>、<110>相对于表面研磨面的法线方向所成的倾斜角的分布、及<111>、<110>相对于与表面研磨面的法线正交的方向所成的倾斜角的分布时，分别表示半值宽度为10度以内的峰值的双轴取向畴，存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种在碳化钨基硬质合金制的工具基体上包覆金刚石薄膜的金刚石包覆工具，尤其涉及一种在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics：碳素纤维强化塑料)或熔敷性高的A1合金等的高速切削时，经长期使用，维持锋利的刀刃的同时产生毛刺少，并且发挥优异的耐缺损性和优异耐磨性的金刚石包覆工具。
背景技术
以往，公知有在碳化钨基(WC基)硬质合金或碳氮化钛基(TiCN基)金属陶瓷等的工具基体上包覆金刚石薄膜的金刚石包覆工具，例如公知有根据在工具基体表面反复进行成为金刚石的晶体生长起点的核附着工序及使金刚石晶体生长的晶体生长工序，从而包覆晶体粒径微细的金刚石薄膜的金刚石包覆工具，并公知在使用该包覆工具的Al合金的切削加工中得到优异的表面精度。
并且，还公知有，着眼于金刚石薄膜的晶体取向性，并使金刚石薄膜表面的晶体面取向于<111>或<110>，从而提高耐熔敷性，耐缺损性及耐磨性。
专利文献1：日本专利第2603257号公报
专利文献2：日本专利公开平9-71498号公报
专利文献3：日本专利公开2006-130578号公报
近年来切削加工装置的FA化显著，另一方面强烈要求切削加工的节省劳力化和节能化以及低成本化，伴随此，切削条件逐渐高速化。上述的以往金刚石包覆工具将此用于通常条件下的切削加工时没有特别的问题，但在与一般的金属材料相比比强度、比刚性更优异的CFRP的高速切削中使用该工具时，由于CFRP是碳素纤维和环氧系树脂的复合材料，所以存在不仅工具磨损严重而且容易产生缺损，缩短工具寿命这样的问题点。
并且有如下问题点：将以往金刚石包覆工具用于软质且熔敷性高的Al合金等的高速切削中时，因切削时的高热产生，熔敷性高的被切削材料(Al合金)的切削粉末熔敷于工具刀刃，由此不仅难以维持锋利的刀刃，而且容易产生缺损。
其结果有如下问题点：用于CFRP、Al合金等的高速切削加工时，不仅金刚石包覆工具的寿命短，而且因产生被切削材料的毛刺，所以精加工表面精度变粗，尺寸精度也差。
发明内容
因此，本发明人们，从上述观点出发，为了开发特别是难切削材料的CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削加工中维持锋利刀刃的同时，抑制毛刺的产生，经长期使用具备优异的耐缺损性和耐磨性的金刚石包覆工具，进行了深入研究的结果，得到了如下见解。
即，发现如下内容：在工具基体的表面，例如，通过金刚石气相合成法，在包含于
灯丝温度：2050～2350℃、
灯丝间隔：10～30mm、
基板温度：750～950℃、
反应压力：2.66～10.64kPa(20～80Torr)、
反应气体：CH4：1.0～4.0vol％、H2：剩余
的范围的特定条件下形成金刚石薄膜时，该金刚石包覆工具维持锋利刀刃的同时，产生毛刺少，经长期使用发挥优异的耐缺损性和耐磨性。
并且，发现了如下内容：关于上述金刚石薄膜，使用电子背散射衍射装置(EBSD)对存在于表面研磨面的测定范围内的各个金刚石晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的晶体方位<111>、<110>相对于所述表面研磨面的法线所成的倾斜角，对在所述测定倾斜角中与所述法线方向形成的角度在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分，并且合计存在于各部分内的度数，并且，同样测定金刚石层的晶粒的晶体方位<111>、<110>相对于与表面研磨面的法线正交的任意方向所成的倾斜角，对在所述测定倾斜角中，与所述法线正交的方向形成的角度在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分，并且合计存在于各部分内的度数，此时，晶体方位<111>、<110>相对于金刚石薄膜的表面研磨面的法线的测定倾斜角的分布在特定倾斜角部分中存在分布峰值，该峰值的半值宽度在10度以内，并且，晶体方位<111>、<110>相对于与表面研磨面的法线正交的任意方向的测定倾斜角的分布也在某一特定倾斜角部分中存在分布峰值，该峰值的半值宽度在10度以内，而且同时满足这种条件的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
并且发现包覆形成具有这种双轴取向畴的金刚石薄膜而成的金刚石包覆工具，在难切削材料CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削加工中，维持锋利刀刃的同时，抑制产生毛刺，经长期使用发挥优异的耐缺损性和耐磨性。
该发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征，
一种金刚石包覆工具，该包覆工具在由硬质合金烧结体构成的工具基体的表面包覆有膜厚为10～30μm的金刚石薄膜，其特征在于，
使用电子背散射衍射装置对每个金刚石晶粒的晶体方位进行分析时，
(a)测定所述晶粒的晶体方位<111>相对于表面研磨面的法线方向所成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<111>相对于与表面研磨面的法线正交的方向所成的倾斜角，并求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，并且，
(b)测定所述晶粒的晶体方位<110>相对于表面研磨面的法线方向所成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<110>相对于与表面研磨面的法线正交的方向所成的倾斜角，并求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，
同时满足上述(a)、(b)的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
接着，对该发明的金刚石包覆工具的包覆层进行说明。
具有晶体方位<111>的取向性的金刚石薄膜，例如能够以
灯丝温度：2200～2400℃、
灯丝-基板间隔：10～30mm、
基板温度：850～1000℃、
反应压力：1.33～13.3kPa(10～100Torr)、
反应气体：CH4：0.5～3.0vol％、H2：剩余
这种条件的化学蒸镀而形成。
并且，具有晶体方位<110>的取向性的金刚石薄膜，例如能够以
灯丝温度：2000～2200℃、
灯丝-基板间隔：10～30mm、
基板温度：700～850℃、
反应压力：1.33～13.3kPa(10～100Torr)、
反应气体：CH4：2.0～6.0vol％、H2：剩余
这种条件的化学蒸镀而形成。
但是，因本发明是形成如下金刚石薄膜的发明，即，在使用电子背散射衍射装置对每个金刚石晶粒的晶体方位进行分析时，
(a)测定所述晶粒的晶体方位<111>相对于表面研磨面的法线方向形成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<111>相对于与表面研磨面的法线正交的方向形成的倾斜角，求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，并且，
(b)测定所述晶粒的晶体方位<110>相对于表面研磨面的法线方向形成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<110>相对于与表面研磨面的法线正交的方向形成的倾斜角，求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，
并且，同时满足上述(a)、(b)的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上，因此，例如，
只要是具有晶体方位<111>的取向性的薄膜，就能够在
灯丝温度：2250～2350℃、
灯丝-基板间隔：15～25mm、
基板温度：850～950℃、
反应压力：2.66～10.64kPa(20～80Torr)、
反应气体：CH4：1.0～2.5vol％、H2：剩余
这样的限定条件下蒸镀形成金刚石薄膜。
并且，关于在上述特定条件下形成的金刚石薄膜，使用电子背散射衍射装置(EBSD)分析了各个晶粒的晶体方位。
即，对存在于表面研磨面的测定范围内的各个晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的晶体方位<111>相对于所述表面研磨面的法线形成的倾斜角，对在所述测定倾斜角中与所述法线方向形成的角度在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分，并且合计存在于各部分内的度数，并且，同样测定所述金刚石晶粒的晶体方位<111>相对于与表面研磨面的法线正交的任意方向形成的倾斜角，对在所述测定倾斜角中与所述法线正交的任意方向所成的角度在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分，并且合计存在于各部分内的度数时，晶体方位<111>相对于金刚石晶粒的表面研磨面的法线的测定倾斜角的分布在特定倾斜角部分中存在分布峰值，且该分布峰值为半值宽度10度以内，并且，晶体方位<111>相对于与表面研磨面的法线正交的方向的测定倾斜角的分布也在某一特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的分布峰值，而且表示这种测定倾斜角分布的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
另外，关于上述金刚石薄膜，与所述<111>的情况相同，使用电子背散射衍射装置(EBSD)测定各晶粒的晶体方位<110>相对于表面研磨面的法线方向及与其正交的方向形成的倾斜角，结果可知，相对于表面研磨面的法线方向及与其正交的方向的测定倾斜角都在特定倾斜角部分中存在半值宽度在10度以内的分布峰值，并且，表示这种测定倾斜角分布的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
从该点可知，由于本发明的金刚石薄膜具有双轴取向畴，所以具备优异的韧性。
在本发明中，将金刚石薄膜的膜厚设为10～30μm，但金刚石薄膜的膜厚不到10μm时，不仅无法确保经长期使用的耐磨性，而且没有被厚膜化，所以也无法谋求长寿命化，另一方面，若膜厚超过30μm，则金刚石薄膜的强度降低的同时，薄膜表面的平滑性也降低，所以容易产生刀刃的缺损或切削时的毛刺，从而将金刚石薄膜的膜厚定为10～30μm。
发明效果
就该发明的金刚石包覆工具而言，具有金刚石晶粒的20％以上的双轴取向畴，其结果，即使在CFRP、Al合金等的高速切削加工中使用时，也可以维持锋利刀刃的同时，也不产生毛刺，经长期使用发挥优异的耐缺损性及耐磨性。
具体实施方式
接着，根据实施例对该发明的金刚石包覆工具进行具体说明。
在此，对将金刚石包覆工具应用于立铣刀的情况进行叙述，但本发明不限于此，可以应用于刀片、钻头等的各种切削工具。
[实施例]
作为原料粉末准备具有平均粒径为5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径为0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径为1.3μm的TaC粉末、平均粒径为1.2μm的NbC粉末、平均粒径为1.2μm的ZrC粉末、平均粒径为2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径为1.5μm的VC粉末、平均粒径为1.0μm的(Ti、W)C[以质量比计，TiC/WC＝50/50]粉末、及平均粒径为1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别配合成表1所示的配合组成，并且加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，以100MPa的压力挤压成型为预定形状的各种压粉体，将这些压粉体在6Pa的真空气氛中以7℃/分的升温速度升温至1370～1470℃的范围内的预定温度，在该温度保持1小时后，以炉冷条件烧结，形成直径为13mm的工具基体形成用圆棒烧结体，进一步从所述圆棒烧结体以磨削加工分别制造具有刀刃部的直径×长度为10mm×22mm的尺寸、及螺旋角为30度的2刃方形形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)C-1～C-10
接着，在丙酮中超声波清洗这些工具基体(立铣刀)C-1～C-10的表面，干燥后，进行根据酸溶液的蚀刻及/或根据碱溶液的蚀刻处理，进一步使用金刚石粉末浆液用超声波清洗器进行超声波处理后，<111>取向的薄膜以
灯丝温度：2250～2350℃、
灯丝-基板间隔：15～25mm、
基板温度：850～950℃、
反应压力：2.66～10.64kPa(20～80Torr)、
反应气体：CH4：1.0～2.5vol％、H2：剩余；
并且，<110>取向的薄膜以
灯丝温度：2050～2150℃、
灯丝-基板间隔：15～25mm、
基板温度：750～850℃、
反应压力：2.66～10.64kPa(20～80Torr)、
反应气体：CH4：2.0～4.0vol％、H2：剩余
这样的条件，成膜表2所示的目标膜厚的金刚石薄膜，由此分别制造了本发明的金刚石包覆立铣刀(以下称为本发明立铣刀)1～10。
以比较的目的，以在上述的工具基体(立铣刀)C-1～C-5的表面上实施与上述相同的涂布前处理的状态，在
灯丝温度：2200～2400℃、
灯丝-基板间隔：10～30mm、
基板温度：850～1000℃、
反应压力：1.33～13.3kPa(10～100Torr)、
反应气体：CH4：0.5～3.0vol％、H2：剩余的条件下，
在上述工具基体(立铣刀)的表面成膜仅由表3所示的目标膜厚及<111>取向的金刚石晶粒构成的金刚石薄膜，由此分别制造了比较金刚石包覆立铣刀(以下称为比较立铣刀)1～5。
以比较的目的，进一步以在上述的工具基体(立铣刀)C-6～C-10的表面上实施与上述相同的涂布前处理的状态，在
灯丝温度：2000～2200℃、
灯丝-基板间隔：10～30mm、
基板温度：700～850℃、
反应压力：1.33～13.3kPa(10～100Torr)、
反应气体：CH4：2.0～6.0vol％、H2：剩余的条件下，
在上述工具基体(立铣刀)的表面成膜仅由表3所示的目标膜厚及<110>取向的金刚石晶粒构成的金刚石薄膜，由此分别制造了比较金刚石包覆立铣刀(以下称为比较立铣刀)6～10。
接着，制作如下构成的倾斜角度数分布图，即，对上述本发明立铣刀1～10及上述比较立铣刀1～10的金刚石薄膜，使用场致发射型扫描电子显微镜，对存在于垂直于基体表面的薄膜截面研磨面的测定范围内的各个晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的晶体方位<111>及<110>相对于所述基体表面的法线及相对于与基体表面的法线正交的方向形成的倾斜角，对在所述测定倾斜角中处于0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分的同时，合计存在于各部分内的度数。并且，求出该分布峰值倾斜角部分和分布峰值的半值宽度，将这些值与双轴取向畴的面积率一起示于表2、表3。
接着，对上述本发明立铣刀1～10及上述比较立铣刀1～10，分别进行在被切削材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：5mm的、碳素纤维和热固化型环氧系树脂带有正交层叠结构的碳素纤维强化树脂复合材料(CFRP)的板材、
切削速度：240m/min.、
切削加工：5mm、
工作台进给速度：1500mm/分、
吹气排屑的条件(切削条件A)下的上述CFRP的干式高速切削加工试验、及
被切削材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的、JIS·ADC12的板材、
切削速度：420m/min.、
槽深(切深)：直径方向(ae)2.5mm、轴向(ap)8mm、
工作台进给速度：1200mm/分、
吹气排屑的条件(切削条件B)下的上述Al合金的干式高速侧面切削加工试验，在任何切削加工试验中都测定了在刀刃部产生缺损为止的切削槽长(侧面加工时为切削长)、或在被切削材料产生毛刺为止的切削槽长(侧面加工时为切削长)。
将这些测定结果分别示于表4。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
另外，比较立铣刀栏中的*符号表示因产生缺损、产生毛刺而达到寿命为止的切削槽长(m)。
从表2～表4所示的结果可知，就作为本发明金刚石包覆工具的本发明立铣刀1～10而言，由于具有金刚石晶粒的20％以上的双轴取向畴，所以作为金刚石薄膜整体的硬度、强度上升，并且可以实现厚膜化，其结果，在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削时，经长期使用维持锋利刀刃的同时，产生毛刺少，发挥优异的耐缺损性和优异耐磨性，与此相反，在包覆仅向<111>的取向金刚石薄膜或仅向<110>的取向金刚石薄膜的比较立铣刀1～10中，由于强度低劣且无法实现厚膜化，所以产生刀刃劣化、毛刺的产生等的同时，因缺损的产生、耐磨性的劣化而工具寿命缩短。
工业实用性
如上所述，该发明的金刚石包覆工具，在通常条件下的切削加工是不必说，在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削中也防止刀刃的劣化、毛刺的产生，且经长期使用发挥优异的耐缺损性和耐磨性，从而可以充分满足地对应切削加工装置的FA化及切削加工的节省劳力化和节能化、以及低成本化。
Claims (1)
1.一种金刚石包覆工具，该包覆工具在由硬质合金烧结体构成的工具基体的表面包覆有膜厚为10～30μm的金刚石薄膜，其特征在于，
使用电子背散射衍射装置对每个金刚石晶粒的晶体方位进行分析时，
(a)测定所述晶粒的晶体方位<111>相对于表面研磨面的法线方向所成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<111>相对于与表面研磨面的法线正交的方向所成的倾斜角，并求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，或者，
(b)测定所述晶粒的晶体方位<110>相对于表面研磨面的法线方向所成的倾斜角、及所述晶粒的晶体方位<110>相对于与表面研磨面的法线正交的方向所成的倾斜角，并求出各自的测定倾斜角的分布时，在特定倾斜角部分中存在半值宽度为10度以内的峰值，
满足上述(a)或(b)的宽度为0.1～1μm的双轴取向畴存在金刚石晶粒整个面积的20％以上。
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