CN102189279A - 金刚石包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金刚石包覆切削工具，其在难切削材料的切削加工中，切削阻力低且耐磨性优异。在金刚石包覆切削工具中，在取与金刚石薄膜的膜厚方向垂直的平面内的金刚石晶粒的粒径分布时，在平均粒径为0.05～0.5μm的位置和平均粒径为0.8～5μm的位置存在粒径分布的峰值，并且由平均粒径为0.05～0.5μm的颗粒的面积比例占整体的20～40％且平均粒径为0.8～5μm的颗粒的面积比例占整体的40～80％的金刚石晶粒构成金刚石薄膜，由此提高薄膜的平滑性的同时提高耐磨性。

Description

金刚石包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种金刚石包覆切削工具，例如涉及一种在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics。碳素纤维强化塑料)或者熔敷性高的Al合金等的切削加工中使用时，通过提高金刚石薄膜的表面平滑性来降低切削阻力，并且使其经长期使用发挥优异的耐磨性的金刚石包覆切削工具(以下称为金刚石包覆工具)。

背景技术

金刚石包覆部件利用于工具部件、耐磨部件以及滑动部件等多方面的用途。一直以来由于与基体的粘附性不充分，所以为了改善此现象提出有各种方案。

例如已知有如下金刚石包覆工具(以下，成为以往金刚石包覆工具)：对基体撞击粒径为0.1～100μm的金刚石颗粒来划伤表面，并且，使金刚石颗粒进入到所形成的凹坑内，以这些伤痕及金刚石颗粒为成长核，通过气相合成法形成金刚石膜，由此，在某些程度上改善了薄膜粘附性，但是，将这种以往金刚石包覆工具部件作为CFRP或Al合金等难切削材料的切削工具中使用时，存在以下问题点：切削阻力大，或者由于金刚石薄膜的粘附性不充分，所以产生缺损或剥离，或者经过长期使用无法确保充分的耐磨性，工具寿命缩短等。

专利文献1：日本专利公开平4-129622号公报

近几年的切削加工装置的FA化显著，另一方面对于切削加工的节省劳力化及节能化、以及低成本化的要求强烈，另外，切削条件变得越来越严峻。即使在将上述的以往金刚石包覆工具使用于通常条件下的切削加工时不产生特别问题的情况下，在将此工具使用于与一般的金属材料相比比强度、比刚性优异的CFRP的切削、以及软质且熔敷性高的Al合金等的切削时，由于CFRP为碳素纤维和环氧系树脂的复合材料，所以不仅工具磨损强烈而且容易产生缺损，另外，Al合金等不仅因切削时的高热发生容易产生向刀片的熔敷，很难维持锋利的刀片，而且容易产生缺损，工具寿命缩短，因此，在CFRP、Al合金等难切削材料的切削中，也要求不产生缺损或剥离等，且具备优异的耐磨性的金刚石包覆工具。

因此，从如上述的观点考虑，本发明人们为了开发在尤其作为难切削材料的CFRP或熔敷性高的Al合金等的切削加工中，切削阻力低且经长期使用显示优异的耐磨性的金刚石包覆工具，进行深入研究的结果，得到以下见解。

本发明人们的见解为如下：图1为表示本发明的金刚石包覆工具的金刚石薄膜的成膜阶段的示意图，在图1的(a)中，于初始阶段中在工具基体(母材)表面生成大小不同的初始核，在图1的(b)所示的成膜阶段中，从不同大小的初始核分别成长金刚石颗粒时，通过微粒金刚石晶粒及粗粒金刚石晶粒之类的颗粒大小不同的金刚石晶粒构成金刚石薄膜，但通过将微粒金刚石晶粒及粗粒金刚石晶粒在金刚石薄膜整体中所占的含有比例分别规定成预定的比例，包覆这种金刚石薄膜的金刚石包覆工具显示低切削阻力的同时，经过长期使用发挥优异的耐磨性。

发明内容

该发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征：

一种金刚石包覆切削工具，其在切削工具基体表面包覆形成金刚石薄膜，其特征在于，

取与上述金刚石薄膜的膜厚方向垂直的平面内的金刚石晶粒的粒径分布时，在平均粒径为0.05～0.5μm的位置和平均粒径为0.8～5μm的位置存在2个粒径分布的峰值，并且，由平均粒径为0.05～0.5μm的颗粒的面积比例占整体的20～40％且平均粒径为0.8～5μm的颗粒的面积比例占整体的40～80％的金刚石晶粒构成金刚石薄膜。

接着，对该发明的金刚石包覆工具的包覆层进行详细说明。

初始核的生成：

本发明的金刚石薄膜的形成通过初始核的生成及金刚石颗粒的成长这样的2个阶段进行，但在成膜初期阶段的初始核的生成中，首先，在工具基体表面生成大小不同的2种初始核。具体而言，首先，在分散中心粒径不同的金刚石颗粒的泥浆中超声波处理基板，从而形成大小不同的核生成位置。例如，在包含中心粒径为5～20nm和0.1～3.0μm的2种金刚石颗粒的泥浆中超声波处理之后，在预定的合成条件下合成金刚石膜，从而使大小为10～80nm的微细初始核和大小为100～500nm的粗大初始核的2种不同大小的初始核生成于工具基体表面。

另外，在本发明中所说的大小、粒径是指与膜厚方向垂直的面内的各个初始核、颗粒的最大直径，膜厚方向的初始核、颗粒的各个最大直径称为“长度”。

若初始核的层厚增大，则在初始核层与工具母材表面的界面处产生的应力增大，使膜的粘附性下降，从这一点考虑，优选初始核的层厚为粗大初始核形成单层程度的厚度(即，最大也在500nm以下)。另外，根据微细初始核的长度，微细初始核有时不形成单层而是形成多层，但在微细初始核层与工具母材表面不产生空隙而形成强固的界面，从这点来看，优选微细初始核为10层为止的多层，更优选微细初始核以3～7层形成。

金刚石颗粒的成长：

以形成于工具基体表面正上方的不同大小的初始核(微细初始核和粗大初始核)为颗粒成长的核，成膜金刚石薄膜。

金刚石薄膜例如通过以下条件的热灯丝法形成。

成膜压力：10～50Torr

灯丝温度：2000～2400℃

反应气体CH₄：0.5～5.0vol％  剩余H₂

灯丝基板间隔：10～30mm

基体温度：750～950℃

根据上述成膜条件，分别以微细初始核和粗大初始核为颗粒成长的核，金刚石颗粒成长，且形成以粒径为0.05～0.5μm的金刚石颗粒(称为微细颗粒)和粒径为0.8～5μm的金刚石颗粒(称为粗大颗粒)为主体的金刚石薄膜。

该金刚石薄膜的膜厚(与初始核的层厚的合计)若不到5μm，则在难切削材料的切削加工中无法经长期使用而充分地发挥优异的耐磨性，并且，若膜厚超过50μm，则薄膜表面的平滑性下降，容易发生缺损等，由此金刚石薄膜的膜厚(与初始核的层厚的合计)优选设成5～50μm。

关于以上述微细颗粒和粗大颗粒为主体的金刚石薄膜，通过SEM(扫描型电子显微镜)观察薄膜表面并测定其粒径分布，可知如下内容：在平均粒径为0.05～0.5μm的位置和平均粒径为0.8～5μm的位置存在2个粒径分布的峰值，并且，平均粒径为0.05～0.5μm的颗粒的面积比例(即，微细颗粒所占的面积比例)为整体的20～40％，并且，平均粒径为0.8～5μm的颗粒的面积比例(即，粗大颗粒所占的面积比例)为整体的40～80％。

上述微细颗粒所占的面积比例若超过40％，或者，粗大颗粒所占的面积比例若不到40％，则在难切削材料的切削加工中耐磨性不充分，所以无法经长期使用而维持优异的耐磨性，另一方面，微细颗粒所占的面积比例若不到20％，或者，粗大颗粒所占的面积比例若超过80％，则金刚石薄膜的表面平滑性下降，在难切削材料的切削加工中，切削初期的切削阻力尤其增加，容易发生缺损或剥离等，由此微细颗粒及粗大颗粒的粒径面积比例分别规定为20～40％、40～80％。

上述微细颗粒、粗大颗粒的粒径面积比例受工具基体表面的超声波处理条件和金刚石膜成长条件的影响，因此为了设成预定的粒径面积比例，必须将在基体的超声波处理中使用的金刚石泥浆中的金刚石平均粒径调整为5～20μm和0.1～3.0μm 2种，并且，必须将金刚石颗粒的成长中的成膜条件中的灯丝温度和合成气体中的CH₄气体比例分别调整到2000～2400℃、0.5～5.0vol％的范围。

发明效果

就该发明的金刚石包覆工具而言，金刚石薄膜分别将预定比例的微细颗粒和粗大颗粒作为主体而构成，由此薄膜表面具备优异的平滑性，并且兼备优异的耐磨性，从这点来看，在比强度、比刚性高的CFRP或熔敷性高的Al合金等难切削材料的切削加工中，不会产生缺损或剥离等，经长期使用能够发挥优异的耐磨性。

附图说明

图1是表示本发明的金刚石包覆工具的金刚石薄膜的成膜阶段的示意图，其中(a)表示初始核形成阶段，在成长初期的母材/膜界面附近生成大小不同的初始核，成立膜。(b)表示颗粒的成长阶段，通过从这些大小不同的核成长颗粒，形成颗粒大小不同的(具有2个以上的粒度分布峰值)膜。

具体实施方式

接着，根据实施例具体说明该发明的金刚石包覆工具。

在此，关于将金刚石包覆工具应用于钻头的情况进行叙述，但本发明不限于此，可应用于各种切削工具。

[实施例]

准备如下材料作为原料粉末：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，另外，加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，在100MPa的压力下冲压成型为预定形状的各种压坯，将这些压坯在6Pa的真空气氛中，以7℃/分钟的升温速度升温至1370～1470℃范围内的预定温度，在该温度保持1小时后，在炉冷条件下烧结，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研磨加工分别制造槽形成部的直径×长度为10mm×22mm大小、并且具有螺旋角30度的2片刀形状的WC基硬质合金制的工具基体(钻头)D-1～D-8。

接着，对这些工具基体(钻头)D-1～D-8的刀刃施行珩磨，在丙酮中对其表面进行超声波清洗，干燥之后，进行基于酸溶液的蚀刻和/或基于碱溶液的蚀刻处理，另外，使用金刚石粉末泥浆液用超声波清洗器进行超声波处理之后，在

成膜压力：10～50Torr、

灯丝温度：2000～2400℃、

反应气体CH₄：0.5～5.0vol％  剩余H₂、

灯丝基板间隔：10～30mm、

基体温度：750～950℃范围内的条件下，进行初始核(微细初始核和粗大初始核)的生成。将包含于在超声波处理中使用的金刚石泥浆的金刚石的平均粒径示于表2。

接着，在表3所示的条件下进行金刚石薄膜的成膜，由此分别制造表4所示的本发明的金刚石包覆钻头(以下称为本发明钻头)1～8。

将形成于金刚石薄膜中的微细颗粒和粗大颗粒的粒径面积比例示于表4。

以比较为目的，在上述工具基体(钻头)D-1～D-4的表面以表3所示的条件进行金刚石薄膜的成膜，从而分别制造表5所示的比较例的金刚石包覆钻头(以下，称为比较钻头)1～8。

本发明钻头1～8的初始核大小的测定通过基体表面的SEM观察来进行。

并且，有关本发明钻头1～8及比较例钻头1～8的金刚石薄膜的微细颗粒和粗大颗粒的粒径分布测定，通过金刚石薄膜形成后的钻头表面的SEM观察来进行。

接着，对上述本发明钻头1～8及比较钻头1～8的每一个，分别进行

[切削条件1]

被切削材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：8mm的、碳素纤维和热固化型环氧系树脂具有正交层叠结构的碳素纤维强化树脂复合材料(CFRP)板材、

切削速度：200m/min.、

进给速度：0.06mm/rev、

贯穿孔：(8mm)

条件下的上述CFRP的干式钻孔切削加工试验，以及

[切削条件2]

被切削材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：15mm的、JIS·ADC12的板材、

切削速度：220m/min.、

进给速度：0.09mm/rev、

贯穿孔：(15mm)

条件下的上述Al合金的干式钻孔切削加工试验，在任一种切削加工试验中都测定了加工孔尺寸精度超过0.04mm为止的钻孔加工数。

在表6分别表示该测定结果。

[表1]

[表2]

[表3]

灯丝基体间隔以20mm为固定

[表4]

[表5]

[表6]

比较钻头栏的*记号表示因缺损或剥离等达到使用寿命为止的钻孔加工数。

从表4所示的结果来看，本发明金刚石包覆工具以预定比例的微细颗粒和粗大颗粒为主体构成金刚石薄膜，薄膜表面具有优异的平滑性的同时具有优异的耐磨性，由此进行比强度、比刚性高的CFRP或者熔敷性高的Al合金等的难切削材料的切削加工时，切削阻力少，经长期使用能够发挥优异的耐磨性。

与此相反，以大致均匀的粒径的金刚石颗粒构成金刚石薄膜的比较钻头1～8，由于切削初期的切削阻力尤其高，所以容易发生缺损或剥离等，或者，由于耐磨性不充分，所以工具寿命缩短。工业实用性

如上所述，该发明的金刚石包覆工具为如下工具：在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或者熔敷性高的Al合金等的难切削材料的切削加工中，切削阻力小，经长期使用发挥优异的耐磨性，但是，当然在通常条件下的切削加工中也能使用，并且，能够充分满足对应切削加工装置的FA化、及切削加工的节省劳力化及省能化、以及低成本化。

Claims (1)

1.一种金刚石包覆切削工具，在切削工具基体表面包覆形成金刚石薄膜，其特征在于，

取与上述金刚石薄膜的膜厚方向垂直的平面内的金刚石晶粒的粒径分布时，在平均粒径为0.05～0.5μm的位置和平均粒径为0.8～5μm的位置存在2个粒径分布的峰值，并且，由平均粒径为0.05～0.5μm的颗粒的面积比例占整体的20～40％且平均粒径为0.8～5μm的颗粒的面积比例占整体的40～80％的金刚石晶粒构成金刚石薄膜。

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