CN102626853A - 金刚石包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供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结晶性金刚石层，在其上包覆以0.2～2.0μm的层叠间隔交替层叠有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2μm的结晶性金刚石膜的交替层叠膜，从切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离设为3～15μm，并且，在切削刃的上述纳米金刚石层的前刀面侧表层形成表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
Description
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(TiCN)基金属陶瓷构成的工具基体(以下简称为工具基体)的表面至少包覆有结晶性金刚石层的金刚石包覆切削工具，尤其涉及一种在CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)材料、含高Si的铝合金、石墨等难切削材料的切削加工中切屑排出性优异且在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，已知有在工具基体的表面包覆有金刚石皮膜的金刚石包覆工具，并且已知有为了提高皮膜的强度和韧性，作为结晶性较高的金刚石和微晶金刚石(或者非晶质金刚石)的层叠结构构成金刚石皮膜，并且以提高皮膜的表面平滑性、工件的精加工面精度为目的，作为粒径为2μm以下的微晶金刚石的多层结构构成金刚石皮膜。
例如，如专利文献1所示，已知有通过以层叠结构构成金刚石皮膜来提高强度和韧性的金刚石包覆工具，所述层叠结构包括：第1层，粒径为0.1～10μm的多晶金刚石层；以及第2层，粒径为0.05～8μm的双晶金刚石层或非晶质金刚石层。
并且，如专利文献2所示，已知有如下金刚石包覆工具：反复进行使成为金刚石结晶成长的起点的核附着于表面的核附着工序和以该核为起点通过CVD法使金刚石结晶成长的结晶成长工序，由此以结晶粒径为2μm以下的微晶金刚石的多层结构构成金刚石皮膜，从而提高皮膜的表面平滑性，并且，提高工件的精加工面精度。
并且，如专利文献3、4所示，已知有具备形成有切削刃的基体和包覆切削刃的金刚石包覆膜的金刚石包覆工具，该金刚石包覆工具通过磨削加工该包覆膜以使刀尖部分锋利，从而提高工件的精加工面精度。
另外，如专利文献5所示，已知有具备形成有切削刃的基体和包覆切削刃的金刚石包覆膜的金刚石包覆工具，该金刚石包覆工具通过向该包覆膜照射紫外线激光以使刀尖部分锋利，从而能够高精度地加工黑铅、铝合金等。
专利文献1：日本专利公开平4-236779号公报
专利文献2：日本专利第3477162号说明书
专利文献3：日本专利第3477182号说明书
专利文献4：日本专利第3477183号说明书
专利文献5：日本专利公开2009-6436号公报
近几年，在CFRP、含高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削加工中，一直要求加工精度，为了提高加工精度，需要使切削刃尖锐。
例如，在利用专利文献1、2所示的金刚石包覆工具的难切削材料的切削中，由于金刚石膜的磨损较快，所以需要增厚金刚石膜的膜厚，但相反，在增厚膜厚时难以形成尖锐的切削刃，因此产生造成加工精度降低之类的问题点。
并且，由金刚石烧结体构成的切削工具与金刚石包覆工具相比，虽然耐磨性优异，但难以形成尖锐的切削刃，因此还很难谋求提高加工精度。
在专利文献3～5所示的金刚石包覆工具中，由于形成有尖锐的切削刃，因此虽然能够期待加工精度的提高，但切削刃的金刚石膜脆弱并容易产生崩刀，因此存在使用寿命较短之类的问题点。
因此，本发明人等为了开发出即使在CFRP、含高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削中使用也不产生崩刀且加工精度、切屑排出性优异、在长期使用中发挥优异的耐磨性的金刚石包覆工具，进行深入研究的结果，得到了如下见解。
即，发现了如下内容：在由WC基硬质合金或TiCN基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆形成规定层厚的结晶性金刚石层，在其上进一步包覆形成由纳米金刚石和结晶性金刚石构成的交替层叠膜(或仅为纳米金刚石层)之后，例如对前刀面的表面照射紫外线激光以照射去除切削刃以外的上述交替层叠膜(或者纳米金刚石层)，由此形成由结晶性金刚石层和交替层叠膜包覆的尖锐的切削刃，并且，在切削刃的交替层叠膜(或者纳米金刚石层)的前刀面侧的表层形成纳米金刚石的局部通过紫外线激光改性的平滑的非晶质碳膜，由此金刚石包覆工具具备耐磨性、耐冲击性、韧性、耐崩刀性、润滑性、切屑排出性优异的切削刃，其结果，在CFRP等难切削材料的切削加工中，经长期使用而发挥优异的耐磨性，工具寿命大幅延长。另外，还发现了如下内容：进一步对后刀面的表面照射紫外线激光，以照射去除切削刃以外的上述交替层叠膜(或者纳米金刚石层)，由此形成由结晶性金刚石层和交替层叠膜(或者纳米金刚石层)包覆的尖锐的切削刃，并且，在切削刃的交替层叠膜(或者纳米金刚石层)的后刀面侧的表层形成金刚石的局部通过紫外线激光改性的平滑的非晶质碳膜，由此金刚石包覆工具具备耐磨性、耐冲击性、韧性、耐崩刀性、润滑性优异的切削刃和摩擦系数较低的后刀面，其结果，在CFRP等难切削材料的切削加工中，经长期使用而发挥进一步优异的耐磨性，工具寿命大幅延长。
另外，在由WC基硬质合金或TiCN基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆形成预定层厚的结晶性金刚石层的基础上，仅形成纳米金刚石层，这时也能够获得相同的效果。
发明内容
本发明是基于上述见解而完成的，具体如下。
(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3～30μm层厚的结晶性金刚石层，所述金刚石包覆切削工具的特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有以0.2～2.0μm的层叠间隔交替层叠有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2μm的结晶性金刚石膜的交替层叠膜，从由该交替层叠膜构成的切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离为3～15μm，并且，在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
(2)上述(1)所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的后刀面的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有以0.2～2.0μm的层叠间隔交替层叠有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2μm的结晶性金刚石膜的交替层叠膜。
(3)上述(1)所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的交替层叠膜的后刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
(4)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以3～30μm层厚包覆有结晶性金刚石层，所述金刚石包覆切削工具的特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石层，从切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离为3～15μm，并且，在切削刃的上述纳米金刚石层的前刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
(5)上述(4)所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的上述纳米金刚石层的后刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
以下，对本发明进行详细说明。
结晶性金刚石层：
在本发明中，将包覆于由WC基硬质合金(将配合组成的例子例如示于表1)或TiCN基金属陶瓷构成的工具基体表面的结晶性金刚石层的层厚规定为3～30μm，但层厚小于3μm时，在长期使用中无法发挥优异的耐磨性，另一方面，若结晶性金刚石层的层厚超过30μm，则不但晶粒容易粗大化，导致耐缺损性降低，而且还容易产生剥离，因此本发明中将结晶性金刚石层的层厚规定为3～30μm。
切削刃的交替层叠膜：
在本发明的金刚石包覆工具的切削刃中，在上述结晶性金刚石层的表面包覆形成交替层叠有纳米金刚石膜和结晶性金刚石膜的交替层叠膜。
切削刃的交替层叠膜的形成方法例如如下。
如图1所示，首先，在工具基体9的表面包覆形成3～30μm层厚的结晶性金刚石层1之后，在其上还包覆形成由平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2.0μm的结晶性金刚石膜构成的交替层叠膜2(将成膜条件的例子例如示于表2)。以交替层叠膜2的层叠间隔成为0.2～2.0μm的方式层叠。
接着，例如如图1所示，从切削刃的最前端4遍及A照射紫外线激光，照射去除如图2形成于切削刃以外的前刀面的交替层叠膜2，同时形成金刚石的局部改性的平滑的非晶质碳膜。并且，将从切削刃的交替层叠膜的最前端4至结晶性金刚石层的最短距离7设为3～15μm。
其中，在将前刀面的假设延长面与后刀面的假设延长面的交叉线设为假设前端时，将位于该假设前端的最近处的交替层叠膜的前端(即与假设前端的距离最短的交替层叠膜的前端)定义为本发明中所说的“最前端”。
即，通过照射紫外线激光，在切削刃构成由形成于结晶性金刚石上的交替层叠膜包覆的尖锐的切削刃，并且，在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧表层形成金刚石的局部通过紫外线激光改性的平滑的非晶质碳膜，构成耐磨性、耐冲击性、韧性、耐崩刀性、润滑性、切屑排出性优异的切削刃。
另外，如图3所示，从前刀面的切削刃的最前端4至露出于前刀面的结晶性金刚石层的距离5优选为5～25μm。
并且，关于切削刃的交替层叠膜的后刀面侧表层，也相同地形成金刚石的局部通过紫外线激光改性的平滑的非晶质碳膜，构成耐磨性、耐冲击性、韧性、耐崩刀性、润滑性、切屑排出性优异的切削刃，并且能够降低与工件的摩擦阻力，提高加工精度。
在此，构成上述交替层叠膜的纳米金刚石的平均粒径小于1nm时，降低耐磨性，另一方面，若超过50nm，则容易产生崩刀，因此纳米金刚石的平均粒径规定为1～50nm。
另外，若构成上述交替层叠膜的结晶性金刚石的平均粒径小于0.1μm，则耐磨性下降，另一方面，若超过2.0μm，则晶粒粗大化，容易产生崩刀和剥离，因此结晶性金刚石的平均粒径规定为0.1～2.0μm。
此外，交替层叠膜的层叠间隔小于0.2μm时，耐磨性变差，另一方面，若超过2.0μm，则容易产生崩刀，因此交替层叠膜的层叠间隔规定为0.2～2.0μm。
在使用金刚石包覆钻头的CFRP切削中，若切削刃由结晶性金刚石单层构成，则由于晶粒较大且韧性较低，因此容易在刀尖产生缺损及崩刀，锐度下降，成为提前在CFRP的工件上产生脱层(剥离、毛刺、飞边、挤裂等)的原因。并且，当为纳米金刚石单层时，虽然耐缺损性较高，但是由于无充分的耐磨性，因此刀尖磨耗而锐度下降，同样在CFRP材料上产生脱层。因此，通过将层叠纳米金刚石和结晶性金刚石的交替层叠膜设置于切削刃来提高切削刃的耐冲击性和韧性，不易产生缺损及崩刀，并且，在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧表层形成平滑的非晶质碳膜，提高润滑性和切屑排出性，由此能够在长期使用中维持充分的加工精度，并且发挥充分的耐磨性。
另外，在切削刃的交替层叠膜的后刀面侧表层也形成平滑的非晶质碳膜，由此提高润滑性和切屑排出性，并且，降低与工件的摩擦阻力，能够在长期使用中维持充分的加工精度，并且发挥充分的耐磨性。
通过上述激光照射去除暂时在前刀面的结晶性金刚石层上形成的交替层叠膜，但是尤其在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧的表层(或者，进一步在后刀面侧的表层)，使交替层膜的金刚石的局部改性，形成表面粗糙度为0.1μm以下、膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
在此，当上述非晶质碳膜的表面粗糙度Ra超过0.1μm时，切屑排出性下降，因此上述非晶质碳膜的表面粗糙度Ra规定为0.1μm以下。
并且，当上述非晶质碳膜的膜厚小于10nm时，无法维持经长期使用的润滑性，因此切屑排出性不充分。另一方面，若非晶质碳膜的膜厚超过200nm，则出现耐磨性下降的倾向，因此非晶质碳膜的膜厚规定为10～200nm。
粗加工中兼顾锐度和耐缺损性很重要，因此即使仅对切削刃的前刀面侧及后刀面侧进行激光加工也可获得提高锐度的效果，并可延长工具寿命。此外，如图3所示，例如从图1的最前端4遍及A及从最前端4遍及B通过紫外线激光照射去除形成于切削刃以外的前刀面和后刀面的交替层叠膜，从而如图3所示在切削刃形成由交替层叠膜包覆的更加尖锐的切削刃，并且在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧的表层及后刀面侧的表层形成金刚石的局部通过紫外线激光改性的平滑的非晶质碳膜。此时，从前刀面的切削刃的最前端4至露出于前刀面的结晶性金刚石层的距离5及从后刀面的切削刃的最前端4至露出于后刀面的结晶性金刚石层的距离8均优选为5～25μm。除了前刀面以外还激光加工后刀面，由此虽然刀尖的韧性稍微下降，但是锐度进一步提高，因此在CFRP的切削中不易产生毛刺或脱层，有时可以谋求进一步延长工具寿命。激光加工时在表层产生的非晶质碳膜有在前刀面中有助于提高切屑的排出性、在后刀面中降低与工件的摩擦阻力以提高加工精度的效果。
并且，如图2及图3所示，使形成于切削刃的交替层叠膜的形状及尺寸成为从切削刃的最前端4至结晶性金刚石膜的最短距离7，即，使交替层叠膜的膜厚成为3～15μm。
这是因为，当切削刃的交替层叠膜的膜厚较薄且从切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离小于3μm时，无法形成尖锐的切削刃，因此无法期待提高或维持长期使用中的加工精度，另一方面，当该距离超过15μm时，容易产生崩刀。
结晶性金刚石层在工具基体表面的成膜例如能够在以下条件下通过用热丝法蒸镀来进行：
灯丝温度：2300℃、
基板温度：800℃、
反应压力：30Torr、
反应气体流量：CH4：80sccm，H2：3000sccm。
并且，交替层叠膜的成膜例如在
灯丝温度：2200℃
基板温度：700℃
反应压力：8Torr
反应气体流量：CH4：60sccm，H2：1500sccm
的条件下通过热丝法将纳米金刚石膜蒸镀成规定膜厚之后，
在与上述结晶性金刚石膜的成膜条件相同的条件下蒸镀规定膜厚的结晶性金刚石膜，并将纳米金刚石膜的成膜和结晶性金刚石膜的成膜交替反复进行至成为规定的交替层叠膜的膜厚而能够进行成膜。
另一方面，当仅形成纳米金刚石层时，除了不在已形成的纳米金刚石膜上成膜结晶性金刚石膜以外，在与形成上述交替层叠膜的情况全部相同的条件下，如图3所示，将从切削刃的最前端至结晶性金刚石膜的最短距离设为3～15μm来形成在切削刃上形成的纳米金刚石层。
本发明的金刚石包覆工具具有如下效果：在工具基体表面包覆形成结晶性金刚石层，并且在切削刃上仅形成由纳米金刚石膜和结晶性金刚石膜构成的规定的形状或尺寸的交替层叠膜或者纳米金刚石层，并且，在由激光的加工后的切削刃的交替层叠膜的前刀面侧的表层上形成有规定的表面粗糙度、规定膜厚的平滑的非晶质碳膜，显现尖锐的切削刃和耐冲击性、润滑性、切屑排出性优异的特性。另外，对后刀面也实施激光加工，由此在切削刃的交替层叠膜的后刀面侧的表层也形成非晶质碳膜，显现尖锐的切削刃和优异的润滑性、切屑排出性，降低与工件的摩擦阻力，提高加工精度。
由此，即使在CFRP、含高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削中使用时，也不会产生崩刀，且加工精度、切屑排出性优异，在长期使用中发挥优异的耐磨性，可以谋求工具的长寿命化。
附图说明
图1表示由本发明的金刚石包覆工具的激光加工前的结晶性金刚石层和交替层叠膜构成的切削刃附近的膜结构的概要截面示意图。
图2表示激光加工本发明的金刚石包覆工具的前刀面之后，仅在前刀面侧的切削刃形成非晶质碳膜的切削刃附近的膜结构的概要截面示意图。
图3表示激光加工本发明的金刚石包覆工具的前刀面和后刀面之后，在切削刃的前刀面侧及后刀面侧双方形成非晶质碳膜的切削刃附近的膜结构的概要截面示意图。
符号说明
1-结晶性金刚石层，2-交替层叠膜，3-切削刃的前端部，4-最前端，5-从前刀面的最前端至结晶性金刚石层的距离，6-非晶质碳膜，7-从最前端至结晶性金刚石层的最短距离，8-从后刀面的最前端至结晶性金刚石层的距离，9-工具基体。
具体实施方式
接着，通过实施例具体说明本发明的金刚石包覆工具。
在此，对于交替层叠膜举出用作Al合金的切削用刀片时的例子和用作CFRP的切削用钻头时的例子进行说明，进一步，对于仅形成纳米金刚石层举出用作CFRP的切削用立铣刀时的例子来进行说明，但本发明并不限定于此，还能够应用于其他各种切削工具。尤其在使用金刚石包覆钻头的CFRP切削中，除了切削刃的尖锐度以外，还对切削刃要求韧性及耐磨性，因此本发明工具适合于CFRP切削用金刚石包覆钻头。
[实施例1]
(仅激光加工前刀面)
作为原料粉末，准备均具有1～3μm平均粒径的WC粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成如表1所示的配合组成，用球磨机湿式混合96小时，干燥之后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，在6Pa真空中以1400℃的温度保持1小时的条件下烧结该压坯，实施研磨加工，对切削刃的前刀面进行镜面精加工，由此制造均由WC基硬质合金构成且具有ISO标准为SPGN120308的刀片形状的硬质合金基体1～10。
(a)将上述硬质合金基体1～10装入CVD装置中，首先，在表2所示的条件下，在上述基体1～10的切削刃、前刀面、后刀面蒸镀形成规定的平均层厚、平均粒径的结晶性金刚石层，
(b)接着，相同地在表2所示的条件下，蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的纳米金刚石膜，在其上相同地在表2所示的条件下蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的结晶性金刚石膜，交替反复进行纳米金刚石膜的蒸镀和结晶性金刚石膜的蒸镀，由此在上述基体1～10的切削刃、前刀面、后刀面蒸镀形成规定的平均膜厚的交替层叠膜，
(c)接着，将蒸镀形成有上述结晶性金刚石层和交替层叠膜的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于切削刃，用电扫描仪对前刀面扫描激光，从而去除前刀面的切削刃以外的交替层叠膜，
(d)在切削刃上包覆形成表3所示的结晶性金刚石层和交替层叠膜，并且在交替层叠膜的前刀面侧的表层形成表6所示的非晶质碳膜。
(e)另外，对于基体1～5还通过研磨后刀面的切削刃来去除后刀面的切削刃以外的交替层叠膜。
以上，通过(a)～(e)制造出作为相应于权利要求1的本发明金刚石包覆工具的本发明包覆工具(刀片)1～5，即在前刀面侧的切削刃形成有非晶质碳膜，并且，研磨后刀面的切削刃，后刀面侧的切削刃由交替层叠膜形成，在除切削刃以外的后刀面仅包覆有结晶性金刚石层。
另外，通过(a)～(d)制造出相应于权利要求2的本发明包覆工具(刀片)6～10，即在前刀面侧的切削刃形成有非晶质碳膜，在后刀面包覆形成有结晶性金刚石层和交替层叠膜。
为了比较，
(a’)将上述硬质合金基体1～10装入CVD装置中，首先，在表4所示的条件下，在上述基体的切削刃、前刀面、后刀面蒸镀形成规定的平均层厚、平均粒径的结晶性金刚石层，
(b’)接着，相同地在表4所示的条件下，蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的纳米金刚石膜，在其上相同地在表4所示的条件下蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的结晶性金刚石膜，交替反复进行纳米金刚石膜的蒸镀和结晶性金刚石膜的蒸镀，由此在上述基体的切削刃、前刀面、后刀面蒸镀形成规定的平均膜厚的交替层叠膜，
(c’)接着，将蒸镀形成有上述结晶性金刚石层和交替层叠膜的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于切削刃，用电扫描仪对前刀面扫描激光，从而去除除了切削刃以外的交替层叠膜，
(d’)在前刀面的切削刃和后刀面包覆形成表5所示的结晶性金刚石层和交替层叠膜，并且在交替层叠膜的前刀面侧的表层形成表6所示的非晶质碳膜。
(e’)另外，对于在上述(a’)～(d’)中获得的部分基体，进一步研磨后刀面的切削刃，从而去除后刀面的除切削刃以外的交替层叠膜。
以上，通过(a’)～(e’)制造作为比较例金刚石包覆工具的比较包覆工具(刀片)1～6，即在前刀面侧的切削刃形成有非晶质碳膜，且后刀面的切削刃被研磨，后刀面侧的切削刃由交替层叠膜形成，在除了切削刃以外的后刀面仅包覆有结晶性金刚石层，并且，通过(a’)～(d’)制造出作为比较例金刚石包覆工具的比较包覆工具(刀片)8～15，即在前刀面侧的切削刃形成有非晶质碳膜，在后刀面包覆形成有结晶性金刚石层和交替层叠膜。
另外，对于比较包覆工具(刀片)7，未进行交替层叠膜的形成。
对于由该结果获得的本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～15，使用扫描型电子显微镜测定(纵截面测定)上述各膜的膜厚和结晶性金刚石层的层厚的结果，均显示出实际上与目标层厚相同的平均层厚(5点测定的平均值)。
另外，通过使用由Ar气体激光获得的可视光的拉曼光谱分析根据1333cm-1的拉曼峰值中的半峰宽评价切削刃的前刀面侧表层的膜的结晶性。切削刃的前刀面侧表层的膜的表面粗糙度Ra通过激光显微镜进行了测定。金刚石的平均粒径由与界面平行的线段除以线段中所占的金刚石颗粒的总数的值计算。并且，从交替层叠膜的最前端至结晶性金刚石层的最短距离在截面加工试料之后，通过显微镜进行测定。
在表3、5、6中示出这些结果。
[表1]
[表2]
[表3]
(注)“膜厚*”表示成膜时的膜厚。
[表4]
[表5]
(注)“膜厚*”表示成膜时的膜厚。
接着，在用固定夹具将上述的本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～15紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，将由JIS·A4032(组成：以质量％计为Al-12％Si)构成的圆棒作为工件，以表7所示的切削条件1、切削条件2进行了含高Si的Al合金的干式连续高速切削加工试验。
在任何切削加工试验中均测定了切削刃的后刀面磨损宽度。
表8中表示测定结果。
[表7]
[表8]
比较包覆工具的切削试验结果表示因崩刀或后刀面磨损(寿命判定基准：后刀面磨损宽度为0.2mm)达到寿命为止的切削时间(分钟)。
从表8所示的结果可知：本发明的金刚石包覆工具即使使用于难切削材料的切削中时，也不会产生崩刀，加工精度、切屑排出性优异，在长期使用中发挥优异的耐磨性，与此相对，比较包覆工具1～15的耐崩刀性、耐磨性差，无法满足切削性能。
接着，关于通过使用本发明的金刚石涂层钻头来抑制毛刺的效果进行调查。
采用下述规格的钻头，在表2及表4的成膜条件下将金刚石膜成膜于钻头，利用紫外线激光加工钻头的切削刃的前刀面。使用金刚石包覆工具调查直到产生毛刺为止的贯穿孔数量。
使用钻头：外径
双刃、Co6wt％硬质合金制钻头
切削条件：切削速度60m/min、进给速度0.05mm/rev
工件：CFRP(厚度20mm)
在表9中示出试验结果。
[表9]
从表9所示的结果表示：本发明包覆工具6～10与本发明包覆工具1～5相比，缺少切削刃的尖锐度，使切削寿命变短，但充分满足CFRP的切削性能。并且可知，本发明的金刚石包覆工具即使使用于CFRP的切削中时，也不会在长期使用中产生毛刺，加工精度、切屑排出性优异，发挥优异的耐磨性，与此相对，比较包覆工具7～15的耐崩刀性、耐磨性差，提前产生毛刺，因此无法满足切削性能。比较包覆工具1～6与比较包覆工具7～15相比由于刀尖尖锐，因此工具寿命延长，但由于崩刀等因素，无法满足切削性能。
[实施例2]
(激光加工前刀面及后刀面)
(a)将蒸镀形成有在实施例1中成膜的结晶性金刚石层和交替层叠膜的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于除切削刃以外的前刀面和后刀面，用电扫描仪扫描激光，从而去除前刀面和后刀面的除切削刃以外的表层的交替层叠膜，
(b)在切削刃上包覆形成表10所示的结晶性金刚石层和交替层叠膜，并且在交替层叠膜的前刀面侧的表层及后刀面侧的表层形成表11所示的非晶质碳膜。
以上，通过(a)～(b)制造出在前刀面及后刀面的切削刃的表面形成有非晶质碳膜的作为相应于权利要求3的本发明金刚石包覆工具的本发明包覆工具(刀片)11～20。
为了比较，
(a’)将表1的硬质合金基体装入CVD装置中，首先，在表4所示的条件下，蒸镀形成规定的平均层厚、平均粒径的结晶性金刚石层，
(b’)接着，相同地在表4所示的条件下，蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的纳米金刚石膜，在其上相同地在表4所示的条件下蒸镀规定的平均膜厚、平均粒径的结晶性金刚石膜，交替反复进行纳米金刚石膜的蒸镀和结晶性金刚石膜的蒸镀，由此蒸镀形成表12的平均膜厚的交替层叠膜，
(c’)将表12的蒸镀形成有结晶性金刚石层和交替层叠膜的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于除了切削刃以外的前刀面和后刀面，用电扫描仪扫描激光，从而去除除了切削刃以外的交替层叠膜，
(d’)在切削刃上包覆形成表12所示的结晶性金刚石层和交替层叠膜，并且在交替层叠膜的前刀面侧的表层及后刀面侧的表层形成表13所示的非晶质碳膜。
以上，通过(a’)～(d’)制造出在前刀面及后刀面的切削刃的表面形成有非晶质碳膜的作为比较例金刚石包覆工具的比较包覆工具(刀片)21～26、28～35。
另外，对于比较包覆工具(刀片)27，进行交替层叠膜的形成及使用激光的加工。
[表10]
(注)“膜厚*”表示成膜时的膜厚。
(注)“膜厚*”表示成膜时的膜厚。
[表13]
接着，在用固定夹具将上述的本发明包覆工具11～20紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，将由JIS·A4032(组成：以质量％为Al-12％Si)构成的圆棒作为工件，以表7所示的切削条件1、切削条件2进行了含高Si的Al合金的干式连续高速切削加工试验。
在任何切削加工试验中均测定了切削刃的后刀面磨损宽度。
表14中表示测定结果。
[表14]
比较包覆工具的切削试验结果表示因崩刀或后刀面磨损(寿命判定基准：后刀面磨损宽度为0.2mm)达到寿命为止的切削时间(分钟)。
接着，对通过使用本发明的金刚石涂层钻头来抑制毛刺的效果进行调查。
使用钻头：外径
双刃、Co6wt％硬质合金制钻头
切削条件：切削速度60m/min、进给速度0.05mm/rev
工件：CFRP(厚度20mm)
在表15中示出试验结果。
[表15]
从表14所示的结果可知：本发明的金刚石包覆工具即使使用于难切削材料的切削中时，也不会产生崩刀，加工精度、切屑排出性优异，在长期使用中发挥优异的耐磨性，与此相对，比较包覆工具21～35的耐崩刀性、耐磨性差，无法满足切削性能。
另外，从表15所示的结果可知：本发明的金刚石包覆工具，即钻头即使使用于CFRP的切削中时，在长期使用中不会产生毛刺，加工精度、切屑排出性优异，发挥优异的耐磨性，与此相对，比较包覆工具21～35的耐崩刀性、耐磨性差，提前产生毛刺，因此无法满足切削性能。
[实施例3]
(立铣刀)
作为原料粉末，准备均具有1～3μm平均粒径的WC粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机湿式混合96小时，干燥之后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，在6Pa真空中以温度1400℃保持1小时的条件下烧结该压坯，形成直径为13mm的工具基体形成用圆棒烧结体，并且，通过研削加工从所述圆棒烧结体分别制造出具有切削刃部的直径×长度为10mm×22mm的尺寸及螺旋角为10度的四刃角尺形状的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)1～10。
接着，在丙酮中超声波清洗这些硬质合金基体(立铣刀)1～15的表面，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，并且，使用金刚石粉末浆液用超声波清洗器进行超声波处理之后，
(a)将上述硬质合金基体1～15装入CVD装置中，首先，在表16所示的条件下，蒸镀形成表17的平均层厚、平均粒径的结晶性金刚石层，
(b)接着，在其上相同地在表16所示的条件下，蒸镀形成规定的平均层厚、平均粒径的纳米金刚石层，
(c)接着，将在上述结晶性金刚石层上蒸镀形成有纳米金刚石层的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于切削刃，用电扫描仪扫描激光，从而进行切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层及前刀面的结晶性金刚石层上的纳米金刚石层的去除，或者，进一步进行切削刃的后刀面侧的纳米金刚石层及后刀面的结晶性金刚石层上的纳米金刚石层的去除，
(d)在切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的表层或者进一步在切削刃的后刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表20所示的非晶质碳膜。
以上，通过(a)～(d)制造出作为本发明金刚石包覆工具的本发明包覆立铣刀1～15。
此外，对于本发明包覆立铣刀1～15中的本发明包覆立铣刀1～10，在切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表20所示的非晶质碳膜。另一方面，对于本发明包覆立铣刀11～15，在切削刃的前刀面侧及后刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表20所示的非晶质碳膜。
为了比较，
(a’)将上述硬质合金基体装入CVD装置中，首先，在表18所示的条件下，蒸镀形成表19的平均层厚、平均粒径的结晶性金刚石层，
(b’)接着，相同地在表18所示的条件下，蒸镀形成表19的平均层厚、平均粒径的纳米结晶性金刚石层，
(c’)接着，将蒸镀形成有上述结晶性金刚石层和纳米金刚石层的硬质合金基体装配于激光加工装置，驱动紫外线激光(波长：262nm)的激光光源，使聚焦透镜沿紫外线激光的光轴方向移动，使紫外线激光在与试料载物台的中心重叠的位置聚光，接着，使试料载物台移动，将紫外线激光照射于切削刃，用电扫描仪扫描激光，从而进行切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的去除，或者，进一步进行切削刃的后刀面侧的纳米金刚石层的去除，
(d’)在切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的表层及前刀面的结晶性金刚石层的表层，或者进一步在切削刃的后刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表16所示的非晶质碳膜。
以上，通过(a’)～(d’)制造出作为比较例金刚石包覆工具的比较包覆立铣刀1～15。
另外，对于比较包覆立铣刀1～15中比较包覆立铣刀1～6、8～10，在切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表20所示的非晶质碳膜。另一方面，对于比较包覆立铣刀11～15，在切削刃的前刀面侧及后刀面侧的纳米金刚石层的表层形成表20所示的非晶质碳膜。另外，对于比较包覆立铣刀7未进行纳米金刚石层的形成。
对于由该结果获得的本发明包覆立铣刀1～15及比较包覆立铣刀1～15，使用扫描型电子显微镜测定(纵截面测定)纳米金刚石层和结晶性金刚石层的层厚的结果，均显示出基本上与目标层厚相同的平均层厚(5点测定的平均值)。
并且，通过利用由Ar气体激光获得的可视光的拉曼光谱分析对形成于切削刃的前刀面侧的纳米金刚石层的表层、切削刃的后刀面侧的纳米金刚石层的表层的非晶质碳膜进行评价，确认了通过紫外线激光的照射，示出金刚石峰值的1333cm-1的峰值已消失。
并且，关于由非晶质碳膜构成的表层的表面粗糙度Ra，通过激光显微镜作为10处的10μm正方表面粗糙度测定值的平均值求出。
对于纳米金刚石的平均粒径，由与通过透射型电子显微镜观察的界面平行的100nm的线段除以100nm线段中所占的金刚石颗粒的总数的值计算。
此外，对于从切削刃的最前端至结晶性金刚石层的最短距离，在对试料进行截面加工之后，通过显微镜测定。
在表16、17、18、19、20中示出这些结果。
[表16]
[表17]
(注)“层厚*”表示成膜时的层厚。
[表18]
[表19]
(注)“层厚*”表示成膜时的层厚。
接着，对于上述的本发明包覆立铣刀1～15及比较包覆立铣刀1～15，进行CFRP的切削评价，对通过使用本发明包覆立铣刀来抑制毛刺的效果进行调查。
使用上述的本发明包覆立铣刀1～15及比较包覆立铣刀1～15将厚度为5mm的CFRP作为工件，在
切削速度：160m/min.；
进给速度：0.03mm/tooth；
工作台进给速度：600mm/min.；
吹气排屑及吸引
的条件下，进行干式高速切削加工试验，测定了产生毛刺为止的切削槽长。
在表21中示出试验结果。
[表21]
从表21所示的结果可知：本发明的金刚石包覆工具，即立铣刀即使在使用于CFRP的切削中时，耐冲击性也优异，经长期使用也不会产生毛刺，发挥优异的加工精度、切屑排出性、耐磨性，与此相对，比较包覆立铣刀的耐冲击性、耐崩刀性、耐磨性差，提前产生毛刺，因此无法满足切削性能。
产业上的可利用性
如上述，该发明的金刚石包覆工具为具备优异的润滑性、切屑排出性和优异的耐磨性的工具，在要求加工精度的CFRP、含高Si的Al合金、石墨等难切削材料的切削加工中，在长期使用中发挥优异的切削性能。
Claims (5)
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3～30μm层厚的结晶性金刚石层，所述金刚石包覆切削工具的特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有以0.2～2.0μm的层叠间隔交替层叠有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2μm的结晶性金刚石膜的交替层叠膜，从由该交替层叠膜构成的切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离为3～15μm，并且，在切削刃的交替层叠膜的前刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
2.如权利要求1所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的后刀面的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有以0.2～2.0μm的层叠间隔交替层叠有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石膜和平均粒径为0.1～2μm的结晶性金刚石膜的交替层叠膜。
3.如权利要求1所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的交替层叠膜的后刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
4.一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以3～30μm层厚包覆有结晶性金刚石层，所述金刚石包覆切削工具的特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的切削刃的上述结晶性金刚石层的表面包覆形成有平均粒径为1～50nm的纳米金刚石层，从切削刃的最前端至上述结晶性金刚石层的最短距离为3～15μm，并且，在切削刃的上述纳米金刚石层的前刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
5.如权利要求4所述的金刚石包覆切削工具，其特征在于，
在上述金刚石包覆切削工具的上述纳米金刚石层的后刀面侧表层形成有表面粗糙度Ra为0.1μm以下且膜厚为10～200nm的非晶质碳膜。
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| CN102626853B (zh) | 2015-11-25 |
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