CN104002537B - 提高了刀尖强度的金刚石包覆硬质合金制切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供提高刀尖强度的金刚石包覆硬质合金制切削工具，提高金刚石膜与工具基体之间的耐剥离性、提高刀尖强度，并且提高耐崩刀性及耐磨损性。该金刚石包覆硬质合金制切削工具，具有从碳化钨基硬质合金制的工具基体和金刚石膜的界面向工具基体内部最深至8μm的深度的金属结合相的一部分通过化学处理被去除的部分去除金属结合相区域，通过从刀尖附近（从刀尖前端最大不超过100μm的区域）的后刀面的直角截面观察，在除部分去除金属结合相区域内的碳化钨之间及碳化钨与其他碳化物之间的结合晶界以外的碳化钨晶界，10～300nm厚度的金属结合相以碳化钨晶界长度的50%以上的比例存在，且存在于碳化钨晶界中的金属结合相的铬相对于钴的质量比例为0.21以上0.40以下。

Description

提高了刀尖强度的金刚石包覆硬质合金制切削工具

技术领域

本发明涉及一种通过在碳纤维增强复合材料(CFRP：Carbon Fiber ReinforcedPolymer)等难切削材料的高速切削加工中具备优异的韧性及强度，从而使刀尖发挥优异的耐缺损性的金刚石包覆碳化钨基硬质合金制切削工具。

背景技术

以往，在由碳化钨基（WC基）硬质合金（以下仅称为“硬质合金”）构成的基体中已知有包覆有金刚石膜的金刚石包覆硬质合金制切削工具，但在现有的金刚石包覆硬质合金制切削工具中，由于硬质合金基体和金刚石膜的粘附性不充分，因此为了改善这一点提出了在硬质合金基体上形成金刚石膜时，在去除阻碍金刚石的形成的钴的基体上进行成膜等各种方案。

例如，如专利文献1所示，提出有在金刚石包覆硬质合金制切削工具中，将从该硬质合金的表面至100μm为止之间的结合相与该硬质合金内部的结合相进行比较而使其减少，另一方面，使存在于从硬质合金表面至5～100μm之间的结合相富集层的结合相的量相对于合金内部的结合相的量富化至1.2～5倍的方案，由此，使金刚石膜与硬质合金基体的粘附性得到改善的方案。

并且，如专利文献2所示，提出有在金刚石包覆硬质合金制切削工具中，通过热处理，使从硬质合金的表面朝向其内部至少1μm（优选3～100μm、尤其优选10～50μm）的表面层的平均结合相的量比该合金内部的平均结合相的量减少，将该表面层的结合相的量设为在该合金的表面最小，并且使该表面层的结合相的量朝向该合金的内部递增而使其达到内部的平均结合相的量，由此实现改善金刚石膜与硬质合金的粘附性的方案。

另外，例如，如专利文献3所示，提出有以金刚石包覆WC基硬质合金制工具基体时，将其表面在村上（Murakami）试剂中进行蚀刻，接着，通过在硫酸与过氧化氢的溶液中进行蚀刻来改善工具基体与金刚石膜的粘附性。

专利文献1：日本专利第2539922号说明书

专利文献2：日本专利公开平3-115571号公报

专利文献3：日本专利第3504675号说明书

近几年在切削工具的技术领域中对节省劳力化、节能化及进一步低成本化的要求强烈，随此，切削加工存在日益高速化的趋势，但将所述现有金刚石包覆合金制切削工具（以下仅称为“金刚石包覆工具”）例如用于要求CFRP等难切削材料的钻头加工的各种锐利的刀尖的切削加工时，硬质合金制工具基体的韧性不够充分，因此容易产生崩刀，存在提前达到寿命的情况。并且，对CFRP等难切削材料进行高速切削时，要求特别高的刀尖强度，但现有金刚石包覆工具，刀尖强度不够充分，并且容易产生金刚石膜的剥离，因此经长期使用无法发挥令人满意的耐崩刀性及耐磨损性，其结果，大多在较短时间内达到使用寿命。

本发明人等对于如上述的金刚石包覆工具的课题进行深入研究的结果，发现在金刚石包覆工具中，为了如上述提高金刚石膜与工具基体的粘附性，会进行去除存在于工具基体的最表面的金属结合相中的钴的处理，但其结果，导致刀尖的韧性的降低，成为刀尖强度下降的原因。

发明内容

因此，本发明要解决的技术性课题，即本发明的目的在于提供一种在金刚石包覆工具中，提高金刚石膜与工具基体的粘附性的同时提高刀尖的韧性，由此提高刀尖强度、耐崩刀性及耐磨损性的金刚石包覆工具。

因此，本发明人等为提供例如如CFRP的高速钻孔加工和高速切削这种即使在高负荷作用于切削刃的切削条件中使用时，刀尖附近（从刀尖前端最大不超过100μm的区域）也具备优异的韧性，并且经长期使用发挥优异的耐磨损性的金刚石包覆工具而反复进行深入研究的结果得到了如下见解。

本发明中得到如下见解，即（1）将硬质合金基体的表面附近的金属结合相（主要为Co及Co合金）通过化学蚀刻（硫酸+过氧化氢）去除。（2）若进行在工具基体表面附近（从基体表面向内部最深至8μm）的WC晶界（其中，除WC之间及WC与其他碳化物的接合晶界）使金属结合相中的Cr浓度变浓的烧结（预定的冷却速度，例如以1～5℃/min进行烧结后控制流经加热器的电流而进行冷却，进行所谓通电致冷），则缓慢冷却时WC粒子生长，同时在WC的生长界面Cr浓度变浓。（3）通过所述工序获得的烧结体在工具基体表面附近区域的WC晶界附近的金属结合相变得难以被蚀刻，在刀尖附近的金属结合相被去除的区域（以下称为“部分去除金属结合相区域”）构成硬质合金的WC晶界（其中，除WC之间及WC与其他碳化物的接合晶界以外）为Cr浓度较高的金属结合相，通过Co-W-Cr合金被强化。（4）由于工具最表面的Co被去除，因此不会阻碍在该基体上形成金刚石膜，并且能够获得会因金属结合相被去除而降低的工具刀尖的韧性和强度通过残留在WC晶界附近而不被蚀刻的Co-W-Cr合金被强化的金刚石包覆工具。

本发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征：

一种金刚石包覆硬质合金制切削工具，其以碳化钨和钴为主成分，在至少含有3～15质量%的钴及0.2～3质量%的铬的碳化钨基硬质合金基体包覆形成有金刚石膜，其中，

所述金刚石膜具有平均膜厚3～30μm的层厚，

且具有部分去除金属结合相区域，该部分去除金属结合相区域通过化学处理去除从所述碳化钨基硬质合金制基体和金刚石膜的界面向基体内部方向最深至8μm的深度的金属结合相的一部分而形成，

通过从该工具的刀尖附近的后刀面的直角截面观察，在除所述部分去除金属结合相区域内的碳化钨之间及碳化钨与其他碳化物之间的结合晶界以外的碳化钨晶界中，10～300nm厚度的金属结合相以所述碳化钨晶界长度的50%以上的比例存在，

且存在于所述碳化钨晶界中的金属结合相的铬相对于钴的质量比例为0.21以上0.40以下。

以下对本发明进行详细说明。

部分去除金属结合相区域的深度：

去除基体表面的金属结合相（主要为钴/钴合金）的目的是为了在基体上形成金刚石膜，但对于其深度并无特别限定，但若低于1μm则残留的钴/钴合金的影响仍然较大且耐剥离性不充分，故不优选。另一方面，若超过8μm，则大量的结合金属从基体表面被去除，从而使硬质合金的韧性大大降低，其结果，耐崩刀性降低。因此，部分去除金属结合相区域的深度定为向基体内部方向最深至8μm。

通过化学处理去除的金属结合相的一部分：

本发明中，“通过化学处理去除的金属结合相的一部分”主要指钴和/或钴合金，但根据硬质合金，有时为增加耐热性而在金属结合相中混合碳化钛（TiC）和碳化钽铌（（TaNb）C），或为增加耐蚀性而将钴的一部分置换为镍（Ni），这种情况下，“通过化学处理去除的金属结合相的一部分”中除钴和/或钴合金之外，还包含碳化钛（TiC）、碳化钽铌（（TaNb）C）及Ni等。

工具基体的组成：

本发明的金刚石包覆工具的工具基体至少含有作为硬质相成分的碳化钨（以WC表示）和作为金属结合相成分的Co，并且，将Co含量设为3～15质量%。

Co成分具有形成金属结合相而提高基体的强度及韧性的作用，但WC基硬质合金中的Co含量低于3质量%时，不特别期待韧性的提高，另一方面，若Co含量超过15质量%，则变得容易引起塑性变形而加快偏磨损的进行，因此将WC基硬质合金中的Co含量定为3～15质量%。

金刚石膜的平均膜厚：

包覆在工具基体表面的金刚石膜，若其厚度低于3μm，则无法经长期使用发挥充分的耐磨损性，另一方面，若金刚石膜厚超过30μm，则变得容易产生崩刀、缺损及剥离，因此将金刚石膜的平均膜厚定为3～30μm。

本发明的金刚石包覆工具的工具基体，使用如下烧结体：通过进行在WC颗粒附近使金属结合相中的Cr浓度变浓的烧结（预定的冷却速度，例如以1～5℃/min在烧结后进行通电致冷），从而在获得的WC颗粒附近生成富含Cr结合相的烧结体。接着，通过化学蚀刻（硫酸+过氧化氢）去除基体表面附近（从最表面到内部最深至8μm）的金属结合相，主要去除Co及Co合金。所述烧结体根据WC颗粒附近的富含Cr结合相的效果通过Co-W-Cr合金强化刀尖附近（从刀尖前端最大不超过100μm的区域）的部分去除金属结合相区域（Co去除层）的WC晶界。

因此，由于工具基体表面附近的Co被去除，因此不会阻碍向该工具基体上形成金刚石膜，并且如前述的刀尖附近的金属结合相的一部分去除区域（主要为Co及Co合金去除相）的WC晶界通过Co-W-Cr合金被强化，由此能够获得刀尖强度较高的金刚石包覆工具。

即，试图通过在存在于部分去除金属结合相区域的WC晶界设置包含预定厚度的铬及钴的金属结合相这种新颖的技术思想解决如下问题，即若为了提高基体工具与金刚石膜的接合强度（粘附性）而去除基体工具表面的金属结合相（主要为Co及Co合金），则刀尖强度下降，换言之为处于权衡关系的金刚石包覆工具的膜的粘附性和刀尖强度的问题。

残留于WC晶界的金属结合相（残留金属结合相）的厚度及相对于WC晶界长度的存在比例：

通过所述制造方法成膜时，所述残留金属结合相的厚度成为大致10～300nm的范围。其中，若低于10nm，则当想要通过如后述的测定方法进行测定时，难以进行测定，并且，在如此薄的残留金属结合相中，不足以确保如前述般的强度。另一方面，超过300nm的残留金属结合相，难以进行与原本的母材的金属结合相的区分，当存在这种残留金属结合相时，与设置于工具基体上的金刚石膜的粘附性下降，故不优选。

另外，金属结合相相对于WC晶界长度的比例小于50%时，WC晶界的结合强度降低，刀尖强度降低。

残留金属结合相中的铬相对于钴的质量比：

在所述金属结合相中，铬相对于钴的质量比低于0.21时，相对于酸的耐蚀性不够充分，因此即使残留于WC晶界的界面，由于其量不充分而无法获得能够承受高速切削的刀尖强度。另一方面，若超过0.40则因金属结合相本身的强度下降而脆化，且刀尖变得容易产生崩刀，故不优选。因此，残留金属结合相中的铬相对于钴的质量比定为0.21～0.40。

本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其以碳化钨和钴为主成分，在至少含有3～15质量%的钴及0.2～3质量%的铬的碳化钨基硬质合金基体上包覆形成有金刚石膜，其中，金刚石膜具有平均膜厚3～30μm的层厚，且具有部分去除金属结合相区域，该部分去除金属结合相区域通过化学处理去除从碳化钨基硬质合金制基体和金刚石膜的界面向基体内部方向最深至8μm的深度的金属结合相的一部分而形成，通过从工具的刀尖附近的后刀面的直角截面观察，在除部分去除金属结合相区域内的碳化钨之间及碳化钨与其他碳化物之间的结合晶界以外的碳化钨晶界中，10～300nm厚度的金属结合相以碳化钨晶界长度的50%以上的比例存在，且存在于碳化钨晶界中的金属结合相的铬相对于钴的质量比例为0.21以上0.40以下，由此提高了工具基体与金刚石膜的粘附性，还提高了刀尖强度，在CFRP等的切削加工中发挥优异的耐崩刀性、刀尖强度及耐磨损性，其效果极大。

附图说明

图1是示意地表示本发明的金刚石包覆膜的截面的膜结构示意图。

具体实施方式

接着，根据实施例对本发明的金刚石包覆工具进行更具体地说明。

另外，其中，作为金刚石包覆工具的具体例子，对金刚石包覆硬质合金制钻头进行说明，但本发明不限定于此，也可适用于金刚石包覆硬质合金制刀片、金刚石包覆硬质合金制立铣刀等各种金刚石包覆工具。

实施例

（a）作为原料粉末，准备均具有0.5～3μm的范围内的预定平均粒径的WC粉末、Co粉末、Cr3C2粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末及ZrC粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的比例，进一步加入粘合剂和溶剂而在丙酮中球磨混合24小时，进行减压干燥之后，均以100MPa的压力冲压成型而成型为直径10mm的圆棒压坯，将该圆棒压坯在1Pa的真空气氛中，以在1380～1500℃的范围内的温度下保持1～2小时之后，通过1～5℃/h的冷却速度缓慢冷却至1200℃以下而获得烧结体之后，对该烧结体进行研磨加工而制造WC基硬质合金烧结体1～6。

接着，通过将所述WC基硬质合金烧结体1～6研磨加工至槽形成部的外径尺寸成为8mm而制造WC基硬质合金制钻头基体（以下仅称为“钻头基体”）1～6。其中，钻头基体6仅使用于后述的比较例钻头中。

（b）接着，将所述钻头基体1～5在将硫酸、过氧化氢及水以2:1:100（容积比）混合的蚀刻液中浸渍3～10秒，对钻头基体1～6的表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分进行蚀刻至数微米的深度而去除。

（c）另外，将该钻头基体1～5装入热丝CVD装置，并以热丝温度2200℃，氢气与甲烷气体以100:1的流量比流过，并将基体温度维持在900℃而形成3～30μm的膜厚的金刚石膜。

通过所述制造工序制造表2中示出的本发明的金刚石包覆WC基硬质合金制钻头（以下仅称为“本发明钻头”）1～5。

根据所述制造工序，（a）工序的缓慢冷却时产生的硬质合金基体内部的铬浓度的组成变动，通过形成所述金刚石膜时的扩散几乎消失，并且除在（b）工序产生的基体表面附近的金属结合相被去除的区域（部分去除金属结合相区域）中存在的WC颗粒之间及WC颗粒和其他碳化物颗粒的晶界外，在WC晶界以该晶界长度的50%以上的比例，以10～300nm厚度的铬富含相而残留。

为了比较，不进行本发明钻头1～5的所述制造工序中的工序（a）中的缓慢冷却工序，而通过自然冷却制造钻头基体1～6，并制造表3中示出的比较例的金刚石包覆WC基硬质合金制钻头（以下，仅称为“比较例钻头”）1～6。

接着，对于如上述制造的本发明钻头1～5及比较例钻头1～6，将金刚石膜和钻头基体界面附近通过截面抛光机相对于表面以直角进行截面研磨，在金刚石膜和钻头基体界面附近，金属结合相的一部分通过化学处理被去除的区域，即部分去除金属结合相区域的平均厚度设为X（μm）时，在所述部分去除金属结合相区域随机选定3处0.5X（μm）×0.5X（μm）的区域，通过基于俄歇电子光谱的元素映射及定量分析，测定铬与钴的质量比、残留金属结合相的厚度及所述残留金属结合相相对于WC界面长度的占有率。另外，测定值设为3处的平均值。并且，对于部分去除金属结合相区域的平均厚度X，在上述工具直角截面，在基体表面的10微米以上呈大致直线的部位中对结合相的一部分被去除的区域的宽度进行3个点测定，并将此设为平均厚度X。

对本发明钻头1～5及比较例钻头1～6的金刚石膜的膜厚，使用扫描型电子显微镜（倍率5000倍）进行测定，并测定观察视场内的5个点的层厚取平均来测定平均膜厚。

在表2、3中示出它们的值。

[表1]

[表2]

[表3]

接着，使用上述本发明钻头1～5及比较例钻头1～6，通过以下条件进行CFRP的高速钻头钻孔试验。

切削速度：260m/min、

进给量：0.12mm/rev、

孔深：10mm，

在所述切削试验中，将正常磨损时在工件的孔的入口侧或出口侧产生的毛刺超过0.5mm时作为使用寿命，测定到此为止的钻孔加工数。

并且，由于钻头折损等原因而达到使用寿命时，测定到此为止的钻孔加工数。

在表4中示出该测定结果。

[表4]

如从表2～4的结果可知，本发明钻头1～5具有金刚石膜的平均膜厚为3～30μm的层厚，并具有从碳化钨基硬质合金基体和金刚石膜的界面向基体内部方向最深至8μm的深度的金属结合相的一部分通过化学处理被去除的部分去除金属结合相区域，且通过在工具的刀尖附近（从刀尖前端最大不超过100μm的区域）的后刀面的直角截面的观察，在除部分去除金属结合相区域内的碳化钨之间及碳化钨与其他碳化物之间的结合晶界以外的碳化钨晶界中，10～300nm厚度的金属结合相以碳化钨晶界长度的50%以上的比例存在，且由于存在于碳化钨晶界中的金属结合相中的铬相对于钴的质量比例为0.21以上0.40以下，因此在CFRP等难切削材料的高速钻头钻孔切削加工中，显示优异的刀尖强度，并且经长期使用发挥优异的耐磨损性。

相对于此，在如本发明钻头的部分去除金属结合相区域内不具有预定的残留金属结合相的比较例钻头1～6中可知，刀尖强度较差，在短期内达到寿命。

产业上的可利用性

本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具，不仅能够适用于金刚石包覆硬质合金制钻头，还能够适用于金刚石包覆硬质合金制刀片、金刚石包覆硬质合金制立铣刀等各种金刚石包覆工具，且发挥优异的刀尖强度和耐磨损性，因此能够十分满意地应对切削加工的节能化及低成本化。

Claims (1)

1.一种金刚石包覆硬质合金制切削工具，其以碳化钨和钴为主成分，在至少含有3～15质量%的钴及0.2～3质量%的铬的碳化钨基硬质合金基体包覆形成有金刚石膜，所述金刚石包覆硬质合金制切削工具的特征在于，

所述金刚石膜具有平均膜厚3～30μm的层厚，

且具有部分去除金属结合相区域，该部分去除金属结合相区域通过化学处理去除从所述碳化钨基硬质合金制基体和金刚石膜的界面向基体内部方向最深至8μm的深度的金属结合相的一部分而形成，

通过从该工具的刀尖附近的后刀面的直角截面观察，在除所述部分去除金属结合相区域内的碳化钨之间及碳化钨与其他碳化物之间的结合晶界以外的碳化钨晶界中，10～300nm厚度的金属结合相以所述碳化钨晶界长度的50%以上的比例存在，

且存在于所述碳化钨晶界中的金属结合相的铬相对于钴的质量比例为0.21以上0.40以下。