CN102198523A

CN102198523A - 金刚石包覆切削工具

Info

Publication number: CN102198523A
Application number: CN2011100430415A
Authority: CN
Inventors: 高冈秀充; 千叶一; 大岛知
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: JP2011200987A; CN102198523B; JP5282911B2

Abstract

本发明提供一种金刚石包覆切削工具，其在铝合金或石墨、CFRP材料等难切削材料的切削加工中粘附性优异，经长期使用中发挥优异的耐磨性。一种金刚石包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆有膜厚为5～30μm的金刚石薄膜，其中平均粒径为5～200nm的Co颗粒在上述工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧析出，Co颗粒的含有比例为0.1～20原子％。

Description

金刚石包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种，在由碳化钨(WC)基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体(以下，仅称为工具基体)的表面包覆有金刚石薄膜的金刚石包覆切削工具，尤其涉及一种，在CFRP材料、含有高Si铝合金、石墨等难切削材料的切削加工中，经长期使用中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

以往，公知有在工具基体表面包覆有金刚石薄膜的金刚石包覆工具，但在以往的金刚石包覆工具中存在如下问题：成膜金刚石时，因在成膜后的冷却过程中工具基体与金刚石薄膜的热膨胀系数之差，在金刚石薄膜产生较大压缩残留应力，因此，金刚石薄膜相对于工具基体的附着强度并不充分。

为了解决这样的问题，例如，如专利文献1所示，提出有如下技术：当成膜金刚石时，通过具有基体成分及碳成分的中间层向硬质合金等的基体上成膜金刚石薄膜来改善粘附性，但在该成膜技术中，存在如下问题：例如，首先在超硬基体上蒸镀基体成分之一的Co，之后进行金刚石的蒸镀，但是，若Co存在于超硬基体表面，则金刚石容易石墨化，所以得不到粘附性优异的金刚石包覆工具。另外，专利文献1中也提出有：在超硬基体上蒸镀基体成分之一的WC，之后蒸镀金刚石，但这时也得不到粘附性优异的金刚石包覆工具。

并且，作为试验金刚石薄膜的粘附性改善的其他技术，例如，如专利文献2所示，公开有形成SiC或SiNx作为中间层的技术，并且，如专利文献3所示，公开有设置金属Si作为中间层的技术，但是，任何情况下都存在金刚石薄膜的粘附性不充分的问题点。

专利文献1：日本专利公开昭61-106494号公报

专利文献2：日本专利公开平4-333577号公报

专利文献3：日本专利公开平5-125542号公报

现状为如下：近几年的切削装置的FA化非常显著，并且对切削加工的节省劳力化的要求强烈，伴随此，基于金刚石包覆工具的切削加工有高速化的倾向，在上述的以往包覆工具中，在一般的被切削材料的连续切削或断续切削中发挥优异的切削性能，但用于比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或者熔敷性高的含有高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削加工中时，作用于金刚石薄膜的应力、变形等在金刚石薄膜与工具基体的界面发挥作用，容易引起金刚石薄膜的剥离，较短时间内达到使用寿命。

因此，本发明人们为了开发即使用于CFRP、含有高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削中也不会产生金刚石薄膜的剥离的金刚石包覆工具而深入研究的结果，得到了如下见解：

当在由WC基硬质合金构成的工具基体表面成膜金刚石薄膜时，首先，以酸处理去除工具基体表面附近的Co成分，

对该工具基体进行金刚石核生成，

通过在核生成结束后提高工具基体的温度，促进从工具基体内部向表面侧的Co的扩散、持续进行金刚石的成膜，

从而，如图1所示，在工具基体与金刚石薄膜的界面的金刚石薄膜侧，析出形成基于扩散的Co的Co微颗粒，该Co微颗粒在难切削材料的切削加工时，具有缓和作用于金刚石薄膜的应力或变形的作用，所以金刚石薄膜与工具基体之间的粘附性提高，其结果，防止金刚石薄膜的剥离，经长期使用中发挥优异的耐磨性。

发明内容

该发明是基于上述见解而完成的，其特征为，

(1)一种金刚石包覆工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆有膜厚为5～30μm的金刚石薄膜，其特征在于，

在从上述工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧距基体表面400nm的范围内析出有平均粒径为5～200nm的Co颗粒。

(2)如上述(1)记载的金刚石包覆工具，其中，在上述工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧析出的Co颗粒的含有比例在距基体表面400nm的范围内为0.1～20原子％。

以下对本发明进行说明。

在本发明中，工具基体由将WC作为硬质成分的WC基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成，但通过对将上述各成分配合成所希望的配合组成的原料粉末进行成型、烧结来制造本发明的工具基体。

并且，析出有Co颗粒的范围优选距基体表面400nm的范围，在超过该范围的部位析出有Co颗粒，也不会有缓和金刚石膜的应力或变形的效果，反而有可能对耐磨性等带来负面影响。

在本发明中，首先，通过对由WC基硬质合金构成的工具基体表面，用例如由硫酸、过氧化氢及水构成的混合溶液进行短时间蚀刻的酸处理，从而去除存在于工具基体表面的Co。

之后，在分散有微粒(粒径为5～100nm)的金刚石颗粒的酒精中浸渍，并赋予超声波，从而使金刚石晶种附着在工具基体表面。

接着，将进行上述酸处理的工具基体例如装入热灯丝CVD方式的金刚石成膜炉中，以将工具基体温度维持在700℃的状态，在氢与甲烷(浓度为0.5～5％左右)的混合气体400Pa的气流中，将灯丝温度设为约2200℃，进行大致30分钟的初始金刚石核生成处理。

金刚石的核生成结束之后，将灯丝温度提高至约2350℃，由此将工具基体的温度升温至约1050℃，并进行约20～60分钟的成膜。

而且，进行已提高工具基体温度及灯丝温度的成膜处理时，工具基体维持在高温，从而促进作为从工具基体内部向工具基体表面的硬质合金成分Co的扩散，如图1所示，在工具基体与金刚石薄膜的界面生成微粒即Co颗粒的析出物。

在工具基体与金刚石薄膜的界面且金刚石薄膜侧生成的Co颗粒在难切削材料的切削加工时，具有使作用于金刚石薄膜的应力或变形缓和的作用，而且，Co颗粒并不是形成于金刚石薄膜表面的，所以在金刚石的成膜时，没有引起石墨化的危险性。

接着，将灯丝温度降低至约2200℃，从而将工具基体温度降低至约650～800℃的范围，并通过持续进行金刚石的成膜至变成所希望的膜厚，从而制作本发明的金刚石包覆工具。

另外，若成膜的金刚石薄膜的厚度不到5μm，则经长期使用中能够发挥优异的耐磨性，并能够谋求长寿命化，另一方面，若膜厚超过30μm，则无法保持成膜时的边缘部的锋利度，锐度下降，从而，在本发明中，将金刚石薄膜的膜厚定为5～30μm。

上述本发明的金刚石包覆工具中，在工具基体与金刚石薄膜的界面且金刚石薄膜侧生成的Co颗粒的大小其平均粒径若不到5nm，则在金刚石薄膜产生的应力、变形的缓和效果小，并且，若平均粒径超过200nm，则降低金刚石薄膜的强度，反而成为使膜剥离的原因，从而Co颗粒的平均粒径定为5～200nm。

另外，上述Co颗粒的平均粒径能够通过用透射型电子显微镜观察、测定金刚石包覆工具的纵截面来求出。

并且，在该发明中，将金刚石薄膜的膜厚定为5～30μm，但是膜厚脱离这个范围时，经长期使用中不能发挥优异的耐剥离性，并无法谋求长寿命化，以此为原因，在本发明中，将金刚石薄膜的膜厚定为5～30μm。

并且，在该发明中，将在工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧析出的Co颗粒的含有比例设为0.1～20原子％，但若Co颗粒的含有比例脱离0.1～20原子％的范围，则Co颗粒的析出就不能起到缓和金刚石膜的应力或变形的效果，从而将Co颗粒的含有比例定为0.1～20原子％。

Co颗粒的含有比例能够通过透射型电子显微镜观察金刚石薄膜截面的工具基体表面正上方，例如，能够通过由能量分散型X射线分析(EDX)测定任意400×400nm的区域来求出。

发明效果

该发明的金刚石包覆工具在金刚石薄膜与工具基体的界面部且金刚石薄膜侧析出有平均粒径为5～200nm的Co颗粒，并且，析出的Co颗粒的含有比例在距基体表面400nm的范围内为0.1～20原子％，切削加工时作用于金刚石薄膜的应力、变形通过上述Co颗粒的存在而被缓和，并抑制金刚石薄膜从工具基体剥离，从而，将该金刚石包覆工具用于比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或熔敷性高的含有高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削加工时，也防止金刚石薄膜的剥离的同时经长期使用中发挥优异的耐磨性，并且谋求工具的长寿命化。

附图说明

图1是在工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧距基体为400nm的范围内生成有微粒即Co颗粒的析出物的本发明的金刚石包覆工具的简要截面示意图。

具体实施方式

接着，根据实施例具体地说明该发明的金刚石包覆工具。

另外，在以下对金刚石包覆钻头进行说明，但对钻头无任何限定。

[实施例]

首先，准备表1所示的均具有1～3μm范围内的预定的平均粒径的原料粉末，制备配合成同表1所示的配合组成的混合粉末，用球磨机对此进行湿式混合72小时并干燥之后，以100MPa的压力冲压成型，形成为直径为10mm、8mm的圆棒压坯，烧结这些圆棒压坯而制造烧结体，另外，通过切削加工将槽形成部的外径加工成8mm、6mm的尺寸，此时，相对于外周边缘部及刀刃边缘部进行使用粒度为#600的SiC磨粒的空气喷射处理及使用粒度为#1200的金刚石磨刀石的30μm以上的精研磨加工处理，从而制造了外径为8mm的工具基体1～5及外径为6mm的工具基体6～10。

接着，用以1∶1∶1的比例混合硫酸、过氧化氢及水的溶液，在室温下对上述工具基体1～10实施30秒钟蚀刻的酸处理，接着，用分散有平均粒径为30～60nm的金刚石颗粒的IPA(异丙醇)溶液进行超声波清洗，从而进行来自工具基体1～10的表面的Co成分的去除及金刚石晶种的附着处理。

接着，将上述工具基体1～10装入热灯丝CVD方式的金刚石成膜炉中，在表2所示的条件下，进行金刚石核生成、Co颗粒析出物的生成的同时，进行预定膜厚的金刚石薄膜的成膜，由此制作了表3所示的本发明的金刚石包覆工具1～10(以下，称为本发明1～10)。

为了比较，在表4所示的条件下对上述工具基体1～10进行金刚石的成膜，制作了表5所示的比较例金刚石包覆工具1～10(称为比较例1～10)。

另外，对比较例1及比较例6没有进行工具基体的酸处理，因此，存在于工具基体表面的Co没有被去除。

对上述本发明1～10、比较例1～10用透射型显微镜观察工具基体与金刚石薄膜的界面部的纵切面，并在10处测定在工具基体与金刚石薄膜的界面部即金刚石薄膜侧距基体400nm的范围内析出的Co颗粒的粒径，并计算其平均值，由此求出Co颗粒的平均粒径。

并且，同样地对上述本发明1～10、比较例1～10用透射型显微镜观察金刚石薄膜截面的工具基体表面正上方，通过能量分散型X射线分析(EDX)测定任意的400×400nm的区域，并求出析出的Co颗粒的含有比例。

将这些测定值示于表3、表5。

接着，以以下条件A对上述本发明1～5及比较例1～5进行石墨板的干式钻孔切削加工试验。

切削条件A

被切削材料：厚度为10mm的石墨板

切削速度：150m/min.、

进给速度：0.2mm/rev.、

孔深：10mm(贯穿孔)、

并且，以以下条件B对上述本发明6～10及比较例6～10进行含有高Si铝板的干式钻孔切削加工试验。

切削条件B

被切削材料：厚度为50mm的含20％Si的铝合金板、

切削速度：350m/min.、

进给速度：0.2mm/rev.、

孔深：25mm、

吹气排屑

在任何钻孔切削加工试验中，都测定了钻孔加工数直到无法进行切削为止。

将这些测定结果示于表6。

[表6]

从表3、5、6所示的结果可知如下内容：工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧析出有平均粒径为5～200nm的Co颗粒，并且，Co颗粒的含有比例为0.1～20原子％的本发明1～10中，通过Co颗粒的存在而缓和作用于金刚石薄膜的切削加工时的应力、变形，由于与工具基体的粘附性优异，所以防止金刚石薄膜的剥离的同时经长期使用中发挥优异的耐磨性；

与此相反，在比较例1、6中，在工具基体表面存在Co成分，成膜时金刚石进行石墨化，所以粘附性差，并且，比较例2～5、7～10中在工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧很少存在Co、完全不存在、或者过多存在，所以在任何情况下，金刚石薄膜与工具基体之间的粘附性差，尤其因金刚石薄膜的剥离，短时间内达到使用寿命。

工业实用性

该发明的金刚石包覆工具是在比强度、比刚性高于金属材料的CFRP或者熔敷性高的Al合金、石墨等难切削材料的切削中，也不会产生金刚石薄膜的剥离，经长期使用中发挥优异的耐剥离性和耐磨性的工具，其并不限于钻头，也可作为刀片、铣刀工具、立铣刀、刀具等各种切削工具广泛利用。

Claims

1.一种金刚石包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆有膜厚为5～30μm的金刚石薄膜，其特征在于，

在上述工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧距基体为400nm的范围内析出有平均粒径为5～200nm的Co颗粒。

2.如权利要求1所述的金刚石包覆切削工具，其中，在上述工具基体与金刚石薄膜的界面部的金刚石薄膜侧析出的Co颗粒的含有比例在距基体表面400nm的范围内为0.1～20原子％。