CN104057094B

CN104057094B - 多层梯度功能性金刚石复合烧结体

Info

Publication number: CN104057094B
Application number: CN201410105537.4A
Authority: CN
Inventors: 瓦多约·阿罕默迪·埃科; 松尾俊彦; 寺仓稚晃; 福长修
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP6020967B2; AU2014201686B2; CN104057094A; AU2014201686A1; JP2014184509A

Abstract

本发明提供一种多层梯度功能性金刚石复合烧结体，在最外层的金刚石烧结体（PCD）与硬质合金基体之间设置多个中间层的结构中，中间层包括金刚石粒子、cBN粒子和金属粘结剂，该金属粘结剂作为第1组成分为Co、Ni、Fe中的任一种或它们的合金，作为第2组成分为Cr、V、Mo中的任一种或它们的合金，以及作为第3组成分为Al、Mg中的任一种或它们的合金，中间层的金属粘结剂中必须包含第1组、第2组、第3组的成分，以及在金刚石粒子的含有比率高的层中，第1组成分的含有比例相对高于第2组、第3组成分的含有比例，在cBN粒子的含有比率高于金刚石粒子的含有比率的层中，第2组成分的含有比例相对高于第1组、第3组成分的含有比例。

Description

多层梯度功能性金刚石复合烧结体

技术领域

本发明涉及在硬质合金基体与金刚石烧结体（以下用“PCD”表示）层的中间配置包括金刚石粒子、立方氮化硼（以下用“cBN”表示）粒子、以及特定的组成的金属粘结剂的多个中间层的梯度功能性金刚石复合烧结体。

背景技术

本发明设想对于圆锥形PCD镶齿刀片（ボタンチップ）的应用，该圆锥形PCD镶齿刀片被安装在车床用切削工具、使用铣床等的加工工具或者应用于矿山挖掘、石油挖掘井的穿孔等的锤式钻头（ハンマービット）、旋转钻头等上。硬质合金（WC-Co合金）制镶齿刀片也被使用在挖掘钻头上，但在1970年代开发出了利用具有更优异的耐磨损性的PCD的方法。凿岩钻头需要将凿岩孔的直径保持一定，而PCD的优异的耐磨损性与该要求对应。但是，最初开发出的原料存在与硬质合金基体的附着性、刀片前端部分的韧性不足导致PCD刀片破损等的问题。

为了处理PCD镶齿刀片的上述问题，例如在专利文献1中公开了对于向上凸状的圆锥形硬质合金基体配置两层的中间层，在其上接合PCD层的方法。在该文献中，作为与硬质合金基体相接的中间层，例如使47体积%的金刚石粒子、3体积%的金属钴（Co）和50体积%的碳化钨粒子（WC）的混合物形成为380μm的层，在其上作为PCD侧中间层，使70.5体积%的金刚石粒子、4.5体积%的钴、25体积%的碳化钨的混合物形成为250μm的层，进而在最外层形成混合了6体积%的钴的金刚石粒子的层。

实际上，在由锆和钼箔制作的特殊形状容器中依次成型装填PCD层、PCD侧中间层、硬质合金侧中间层、硬质合金基体，在密闭了容器之后，用带状装置、立方砧装置等可实现金刚石稳定的温度压力条件的超高压发生装置，在约5-6GPa、约1300-1500℃的条件下，制作上述PCD层、PCD侧中间层、硬质合金侧中间层、硬质合金基体成为一体的复合烧结体。

在专利文献2中，同样设计了与硬质合金基体接触的内部区域、与内部区域接触的第一中间区域、与该第一中间区域相接的第二中间区域、以及与第二中间区域相接的研磨性硬质粒子（ultra-hard abrasive particle，具体说明为金刚石粒子或cBN粒子，优选为金刚石粒子）构成的最外层。即，在专利文献2中，包含被称为内部区域的层在内有三层被形成在硬质合金基体与最外层即优选金刚石粒子构成的层之间。

内部区域为包括比中间层少的研磨性硬质粒子、耐热性粒子、以及金属结合剂的区域，这里所说的耐热性粒子选自硅、铪、钛、锆、钒和铌的碳化物、氧化物、氮化物、铝的氧化物、氮化物、cBN、以及钨、钽和钼的碳化物。另外，记载了在内部区域中包括金刚石粒子等的研磨性硬质粒子20-30体积%、80-70体积%的耐热性粒子和8-10体积%的金属结合剂。此外，记载了含有1种以上的这里所说的镍、钴、铁或这些金属的合金。

在专利文献2中，描述了第一中间区域为包括研磨性硬质粒子55-45体积%、耐热性粒子45-55体积%、再加上5-12体积%的金属结合剂的层。

在专利文献2中，描述了第二中间区域为包括研磨性硬质粒子70-80体积%、耐热性粒子30-20体积%、再加上3-7体积%的金属结合剂的层。另外，在专利文献2中记载了外部区域中的研磨性硬质粒子使用以25-75重量%的平均粒径20-25μm的粒子、15-30重量%的平均粒径15-24μm的粒子、5-45重量%的平均粒径8-14μm的粒子、最小限度5重量%的平均粒径8μ以下的粒子的比例混合的物质。另外，记载了该区域中的金属结合剂为约2体积%。

另外，在专利文献2中，作为耐热性粒子的一例记载了cBN粒子。另外，在专利文献2中引用了由cBN与金属粘结剂的混合物制造烧结体的公知技术，但该内容为在1GPa以下的cBN粒子在热力学上不稳定、hBN稳定的温度下合成烧结体的内容，指出了与本件专利中记载的中间层为金刚石粒子与cBN粒子，制造约5GPa×1300-1500℃烧结体的内容完全不同。

在专利文献3中，记载了在硬质合金基体与最外层的PCD层之间夹着一层区域的例子以及夹着两层区域的例子。这种情况下，与基体相接的中间层存在分散在连续的金属粘结剂基质中的碳化钨、碳化钽、碳化钛粒子的任意一种，在此基础上同样在连续的金属粘结剂中还混合有金刚石粒子。另外，记载了金属粘结剂为钴或钴基合金、镍或镍基合金、铁或铁基合金。

在专利文献3中，作为在硬质合金基体与最外层的PCD层之间夹着两层区域的例子，记载了在最外PCD层配合75体积%的金刚石粒子、在靠近最外层的中间区域配合50体积%的金刚石粒子、在靠近硬质合金基体的中间层配合25体积%的金刚石粒子的例子。

在专利文献4中示出了在硬质合金基体与最外层的PCD层之间配置两层的包括金刚石粒子与碳化钨粒子以及金属粘结剂的中间区域的例子，具体示出了各层的厚度、各层金刚石粒子与碳化钨粒子的体积%。即，最外层的PCD层的厚度为最大1000μm、最小400μm，按照PCD层的厚度，最外层和中间层的金刚石与碳化钨比率不同，该最外层中的碳化钨的体积%在前者中为3-7体积%，在后者中为1体积%以下。一般而言，最外层的厚度少时PCD层的硬度高而韧性相对低。最外层的厚度大时，硬度相对低而富于韧性。

在专利文献5中，示出了配置包括金刚石粒子与碳化钨粒子以及金属粘结剂的中间区域的例子。另外，描述了最外层的PCD层的金刚石粒子的粒径在2-3μm至20μm的范围内选择适当的配合，并随此调节中间层的金刚石粒子和碳化钨粒子的粒度以及添加的金属粘结剂量，一般而言，作为对象的层的金刚石粒子和碳化钨粒子的粒径越小粘结剂量越多。例如，公开了最外层PCD中的平均粒径为5μm，粘结剂添加量为7体积%，碳化钨量为8体积%，第2、第3、第4中间层的平均粒径为12μm，碳化钨体积%从外侧开始为5、40、55体积%，则靠近内部的硬质合金基体的碳化钨的比例增多，中间各层的粘结剂量在5-9体积%之间调整。

专利文献1：美国专利第4694918号（B）说明书

专利文献2：日本专利第4676700号（B）公报

专利文献3：美国专利申请公开第2011/0017517号（A）说明书

专利文献4：美国专利申请公开第2011/0031032号（A）说明书

专利文献5：美国专利申请公开第2011/0031033号（A）说明书

在以上专利文献1-5中，公开了在圆锥形的镶齿刀片的最外层的PCD层与硬质合金基体之间配置多个中间层的例子。在专利文献2中并未公开最外层与中间层的具体的组成等，但示出了最外层PCD层优选添加金刚石粒子与少量的碳化钨（或者还包括钽、钛等的碳化物）以及镍、钴、铁或它们的合金构成的粘结剂。另外，中间层的组成也不变，调节金刚石粒子与碳化钨粒子以及粘结剂的比例，目的在于强化硬质合金基体与PCD层的结合。

如上所述，在涉及圆锥形的镶齿刀片的结构的现有技术中的PCD层与硬质合金基体之间的中间层由金刚石粒子、碳化钨粒子、以及以钴为中心的金属粘结剂构成。其理由在于硬质合金为碳化钨粒子与钴构成的烧结体，另一方面，PCD为金刚石粒子与钴构成的烧结体，因此为了连接两者，由金刚石粒子、碳化钨粒子以及钴构成中间层是最自然的方法。但是，即使能够确保组成的连续性，由于金刚石与碳化钨具有的性质（例如，硬度、热传导率、热膨胀率等）存在很大不同，因此这也成为梯度功能性金刚石复合烧结体的弱点。

发明内容

本发明涉及在硬质合金基体与PCD层的中间配置包括金刚石粒子、cBN粒子、以及特定的组成的金属粘结剂的多个中间层的梯度功能性金刚石复合烧结体。在涉及圆锥形的镶齿刀片的结构的专利文献等中示出的现有技术为在该中间层中，调节金刚石粒子、碳化钨（或者钽、钛等的碳化物）粒子以及镍、钴、铁或它们的合金构成的粘结剂粒子的混合比例，形成各层，并在超高压条件（约5GPa、1300-1500℃）下一体烧结硬质合金基体、中间层、PCD层。

本来形成这种中间层的目的在于，相对于硬质合金基体的努氏硬度为约15GPa，若PCD层的硬度为约40GPa，则使存在的大的差距平均化。另外，可以考虑由于混合在金刚石粒子中的碳化钨粒子的耐热性优于金刚石，因此在作业时中间层破损的概率少也成为选择的依据。

但是，在硬质合金基体中设置了中间层的PCD中，重要的观点还在于，构成粒子的热膨胀率的均等化不能欠缺。如果将热膨胀率显著不同的粒子配置在同一层，则因热膨胀的差造成的较大的应力而在作业中产生破损。另外，金刚石粒子的热膨胀率在约750℃时为4.5×10^-6/℃左右，在相同温度区域中的碳化钨粒子的热膨胀率约为6×10^-6/℃。

另外，考察中间层中的碳化钨粒子与金刚石粒子的附近的情况时，两者都通过钴等金属粘结剂保持结合，在金刚石粒子附近变为接近PCD的硬度，在碳化钨粒子附近变为接近硬质合金的硬度，可以认为在同一层内产生硬度分布。

从以上的观点来看，在中间层中对金刚石粒子添加的理想粒子优选为硬度比金刚石粒子稍低，而热膨胀率几乎同等的物质粒子。从该观点出发，粒子的热膨胀率在750℃附近为约4.3×10^-6/℃，包括金属粘结剂的硬度为28-30GPa的cBN最合适。即，在本发明中，将在硬质合金基体与PCD层之间设置多个中间层的多层梯度功能性金刚石复合烧结体的中间层的粒子成分限定为限于金刚石与cBN粒子。此外，本发明所涉及的多层梯度功能性金刚石复合烧结体不仅适用于圆锥形镶齿刀片，还能够适用于一般的多层PCD烧结体。即，如后述的本发明的实施例中说明所示，还能够应用于在硬质合金基板之上层压包括金刚石粒子、cBN粒子与金属粘结剂的层，在其上重叠PCD层并一体烧结的梯度功能性金刚石烧结工具。

将多层梯度功能性金刚石复合烧结体的最外层的PCD层与硬质合金基体之间的中间层的构成粒子设为金刚石粒子与cBN粒子时，选择对于金刚石粒子间、cBN粒子间、金刚石粒子与cBN粒子间的结合中的任何一种都以同等的强度作用的金属粘结剂变得重要。为了金刚石粒子的结合，在烧结条件下粘结剂需要变为液相，碳在其中溶解一些并再次结晶为金刚石。即，粘结剂为碳的溶剂，且必须为再析出金刚石的所谓的催化剂。同样的情况也可以描述cBN粒子的结合。即，cBN粒子的结合需要作为cBN的溶剂，且向cBN的转换催化剂的液相。为了使金刚石与cBN粒子结合，需要作为共通的金刚石和cBN转换催化剂发挥作用的粘结剂。

作为金刚石与粘结剂液相共存时从金刚石中溶解碳，再次作为金刚石再析出的催化剂性溶剂的代表性的物质为铁、钴、镍、铬、锰等金属及它们的合金。而且，用于制造PCD的粘结剂的代表性的物质为钴。钴从金刚石中溶解碳时，在约5.3GPa、1320℃产生液相。例如，由于在5.8GPa约1320℃-1560℃之间，溶解的碳结晶为金刚石，因此对于合成PCD烧结体为合适的条件。

假设使液相的钴作用于金刚石粒子与cBN粒子的混合物时，在某种程度能够达到金刚石粒子之间的结合，但在cBN粒子间、金刚石与cBN粒子间不会产生牢固的结合。钴量多时，从cBN中仅有硼成分溶解于钴，其在再析出的过程中易于产生向hBN的逆变换，有可能析出对于cBN粒子间结合有害的低压相hBN。另外，即使不产生逆变换，由于在结合cBN粒子间的液相成分中仅存在极少量的氮，因此cBN粒子的结合变弱。

含有一些铝的钴粘结剂对于cBN粒子的烧结是有效的，这一见解对于本领域技术人员来说是公知的技术（例如，参照专利文献6：美国专利第3918219号说明书）。另外，记载了在以钴等过渡金属元素为中心的粘结剂的主成分中添加的铝在专利文献6中为约1重量%至约33重量%。

使这种公知的包括对cBN烧结体制作有效的铝的钴粘结剂作用于金刚石、cBN粒子混合体时，在铝量少的范围内，仅金刚石粒子结合，在cBN粒子间不产生强的结合。粘结剂中的铝量为5-6重量%以上时，cBN粒子间的结合得到强化，但金刚石粒子难以产生结合。这大概可以认为是由于存在大量的铝时，溶解的碳与铝反应，生成碳化铝等，引起妨碍再次转换为金刚石的催化剂作用的下降。

本发明中，作为在金刚石粒子、cBN粒子及其混合粒子系中也能确保几乎同等的粒子间的结合的金属粘结剂的组成，将钴、镍、铁中的任一种或它们的合金选择为第1组成分，将铬、钒、钼中的任一种或它们的合金选择为第2组成分，将铝、镁中的任一种或它们的合金选择为第3组成分。特别是在金刚石粒子的重量%为cBN粒子的重量%的约2倍以上时，需要重视金刚石粒子间的结合，扩大第1组成分的组成比，相对地减少第2组成分和第3组成分的组成比。相对于第1组成分，第2组成分和第3组成分的组成比变大时，无法得到具有强硬的金刚石粒子间的结合的烧结体，cBN粒子的溶解、再析出反应优先进行，在金刚石粒子中与铝反应，变为碳化铝。

相反重视cBN粒子间的结合，cBN粒子的质量%为金刚石粒子的质量%的约2倍以上时，相对于第1组成分，扩大第2、第3组成分的相对组成比。相对于第2组成分和第3组成分，第1组成分的组成比变大时，cBN粒子的再析出反应不进行，易于产生向hBN的逆变换，有可能析出对cBN粒子间结合有害的低压相hBN。另外，即使不产生逆变换，由于在结合cBN粒子间的液相成分中仅存在极少量的氮，因此cBN粒子的结合变弱。

本发明根据上述见解而完成，涉及在硬质合金基体与PCD层的中间配置包括金刚石粒子、cBN粒子及特定的组成的金属粘结剂的一层或多个中间层的梯度功能性金刚石复合烧结体，具有以下的方案。

（1）一种多层梯度功能性金刚石复合烧结体，具备：硬质合金制的基体；多晶金刚石烧结体层，形成在上述基体上，烧结金刚石粒子和粘结剂而成；以及中间层，形成在上述基体与上述多晶金刚石烧结体层之间，包括二层以上的子中间层，其特征在于，上述多晶金刚石烧结体层所包含的上述粘结剂为Co、Ni、Fe中的任一种或它们的合金，上述子中间层烧结包括金刚石粒子、cBN粒子和金属粘结剂的混合物而成，上述子中间层中含有的上述金属粘结剂包括Co、Ni、Fe中的任一种或它们的合金构成的第1组成分、Cr、V、Mo中的任一种或它们的合金构成的第2组成分、以及Al、Mg中的任一种或它们的合金构成的第3组成分。

（2）根据上述（1）所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，从靠近上述多晶金刚石烧结体层的层开始按顺序设为第1子中间层、第2子中间层、……、第N子中间层（其中，N≥2）时，子中间层的层数编号越增加，越使位于各层内的金刚石粒子相对于cBN粒子的含有比率连续下降。

（3）根据上述（1）所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，作为上述子中间层的金刚石粒子相对于cBN粒子的质量比的含有比率，在与上述多晶金刚石烧结体层相接的子中间层中最高，在与上述硬质合金基体相接的子中间层中最低，且在层厚方向上低于在上述多晶金刚石烧结体层侧相接的子中间层，高于在上述基体侧相接的子中间层。

（4）根据上述（2）或（3）所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，在上述子中间层之中的、作为上述金刚石粒子相对于上述金刚石粒子和上述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率高于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，上述第1组成分的含有比例分别高于上述第2组成分和上述第3组成分的含有比例，在上述子中间层之中的、作为上述金刚石粒子相对于上述金刚石粒子和上述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率低于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，上述第2组成分的含有比例分别高于上述第1组成分和上述第3组成分的含有比例。

（5）根据上述（2）或（3）所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，在上述子中间层之中的、作为上述金刚石粒子相对于上述金刚石粒子和上述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率高于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，上述第1组成分的含量为3.2～6.0质量%，上述第2组成分的含量为0.6～1.7质量%，上述第3组成分的含量为0.04～0.15质量%，在上述子中间层之中的、作为上述金刚石粒子相对于上述金刚石粒子和上述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率低于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，上述第1组成分的含量为4.1～4.6质量%，上述第2组成分的含量为2.3～2.7质量%，上述第3组成分的含量为0.04～0.15质量%。

（6）根据上述（1）至（3）中所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，上述子中间层的上述金属粘结剂中的上述第1组成分、第2组成分和上述第3组成分各自的比例为，上述第1组成分为40质量%以上小于90质量%，上述第2组成分为8质量%以上小于60质量%，上述第3组成分为1质量%以上小于10质量%。

（7）根据上述（1）至（3）中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，相对于上述子中间层的上述金刚石粒子与上述cBN粒子的合计含量，上述金属粘结剂的合计含量的质量比为3/100～18/100的范围。

（8）根据上述（1）至（3）中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，相对于上述子中间层的上述金刚石粒子与上述cBN粒子的合计含量，上述金属粘结剂的合计含量的质量比为5/100～12/100的范围。

（9）根据上述（1）至（4）中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，上述多晶金刚石烧结体层的平均层厚为200μm至1000μm，上述中间层的平均层厚为200μm至1000μm。

（10）根据上述（1）至（3）中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，上述多晶金刚石烧结体层的上述金刚石粒子包括粒子尺寸为4μm至20μm的第一金刚石粒子与粒子尺寸为0.5μm至4μm的第二金刚石粒子，上述第一金刚石粒子与上述第二金刚石粒子的质量比为100:0至50:50。

（11）根据上述（1）至（3）中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，上述子中间层的上述金刚石粒子包括粒子尺寸为0.5μm至20μm的第三金刚石粒子，上述子中间层的上述cBN粒子的粒子尺寸为0.5μm至20μm。

下面，对本发明进行说明。

图1是作为本发明的梯度功能性金刚石复合烧结体的一个方式的多层构成的圆锥形镶齿刀片的剖面示意图。在图1中，1为外侧的PCD层(第1层)，2A为第1子中间层，2B为第2子中间层，2C为第3子中间层。3为硬质合金基体。4为使用锆、钽、钛、钼等金属箔的内侧为圆锥形状的样品容器。

图2是作为本发明的梯度功能性金刚石复合烧结体的其他方式的多层PCD烧结体的概观图。在图2中，在PCD层与硬质合金基板之间设置一层中间层，但当然也可以进一步增加中间层的层数，设置多层中间层。

在本发明中，在图1的钻头结构的多层梯度功能性金刚石复合烧结体中，从最外层的PCD层1开始向内部配置第1子中间层2A、第2子中间层2B、第3子中间层2C的三层的中间层2，优选例如将cBN粒子相对于(金刚石+cBN)质量的质量%(即，100×cBN粒子的质量/(金刚石+cBN)质量)在第1子中间层2A中设为8-20%，在第2子中间层2B中设为20-60%，在第3子中间层2C中设为70-90%时，、各中间层的金属粘结剂的组成比在第1子中间层2A中为第1组成分80-90质量%，第2组成分8-20质量%，第3组成分1-2质量%左右。

在第2子中间层2B中第1组成分60-70质量%，第2组成分26-36质量%，第3组成分2-4质量%，在第3子中间层2C中第1组成分40-50质量%，第2组成分40-60质量%，第3组成分2-5质量%左右。如此，为了使包括金刚石粒子与cBN粒子这两者的粒子系的烧结均等地进行，选择调整了第1组成分、第2组成分、第3组成分的组成比的金属粘结剂。

将第1组成分设为小于40质量%时，烧结金刚石粒子时所需要的量不足，第1组成分催化剂并未分布在整个区域，强硬的金刚石粒子之间的结合组织变得不均匀的可能性高。另一方面，第1组成分超过90质量%时，由于仅有cBN中的硼成分优先溶解，cBN粒子之间的结合反应所需要的氮成分变得极少，因此只能得到弱的cBN的结合。

第2组成分小于8质量%，则cBN的溶解·再析出反应变慢，cBN粒子之间的结合组织变得不均匀。相反，第2组成分超过60质量%时，催化剂(粘结剂)整体的熔点上升，金刚石和cBN变得难以烧结。

第3组成分小于1质量%，则不进行cBN的再析出，相反，第3组成分超过5质量%时，金刚石与铝反应，变为碳化铝。其结果是妨碍了金刚石粒子之间的结合所需要的反应。

另外，将金刚石和cBN的粒子成分的合计质量%(G)与金属粘结剂的合计质量%(B)之比设为G:B时，G:B值的范围为100:3至100:18，优选在100:5-100:12的范围。B的比小于3，则使烧结体整体烧结所需要的粘结剂量不足，发生未烧结部分，成为具有不均匀的组织的弱的烧结体。另一方面，B的比超过18时，由于粘结剂量过多，部分地以金属粘结剂完全包围金刚石粒子或cBN粒子的形式存在，妨碍金刚石和cBN粒子之间的结合。其结果是与金刚石或cBN粒子的结合力减弱，只能得到没有硬度的烧结体。

金属粘结剂优选使用5-10μm左右的尺寸的各金属的粉末，将这些用振动球磨机等混合机充分混合粉碎，使整体成为5μm以下的混合粉末而使用。进而，在第1组和第2组中使用多种金属时，进一步优选将这些调整为熔融雾化的合金粉末，并将这些同样混合粉碎。

在该中间层中使用的金刚石粉末、cBN粉末的平均粒度大概在0.5～20μm之间选择，为了提高成型时的填充密度、调整烧结体的粒度分布，有效的是混合粗粒与细粒。此外，各中间层的厚度最大也为约1000μm左右，薄时为150μm左右，因此中间层的厚度薄时，与此相应地，金刚石粒子和cBN粒子的平均粒度应大概为0.5～20μm。

进行称量以使与各中间层相应的、金刚石粒子、cBN粒子、以及金属粘结剂粉末为预先设定的组成，通过最佳的混合器充分混合，这种情况下，为了如所设计那样成型薄的中间层，能够添加石蜡、樟脑系的成型后可加热去除的成型粘结剂。

在使用锆、钽、钛、钼等金属箔的内侧为圆锥形状的样品容器中按照PCD层(第1层)、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、…、第N子中间层的顺序成型各种粉末，最终填充硬质合金基体之后，密闭容器，装填到超高压烧结装置中。

通过上述中间层的层数编号越增加，越使位于各层内的金刚石粒子相对于cBN粒子的含有比率连续下降，减少金刚石粒子间的结合，从而越靠近硬质合金基体侧越使中间层的硬度连续降低。如此，一边将烧结体整体的热膨胀率的变化控制在最小限度，一边进行各中间层的硬度和韧性的调整。

换言之，作为上述子中间层的金刚石粒子与cBN粒子的质量比的含有比率，在与上述多晶金刚石烧结体层相接的子中间层中最高，在与上述硬质合金基体相接的子中间层中最低，且在层厚方向上低于与上述多晶金刚石烧结体层侧相接的层，高于与上述基体侧相接的层。

各中间层中的金刚石粒子的含有率固定或越靠近硬质合金基体侧金刚石粒子的含有率越增加时，越靠近硬质合金基体侧，则中间层的硬度越高，会在作业中发生破损等。另外，通过增加金刚石粒子之间的结合，从而烧结体中的残余应力升高，有可能以沿着各中间层的界面的形状发生裂纹。

使用的超高压烧结装置能够使用带状装置、立方砧装置等金刚石粉末合成用装置。超高压烧结条件为在约5GPa、1300-1500℃，一体烧结填充到图1所示的样品容器中的硬质合金基体、中间层、PCD层。

本发明的特征在于选定cBN粒子作为在PCD层与硬质合金基体的中间层的金刚石粒子中添加的粒子。据此，通过在基体与PCD层的中间混合与金刚石粒子具有几乎相同的热膨胀系数的cBN粒子，从而对于在作业时发生的热应力的降低有效。另外，通过在PCD层相接的区域中添加cBN粒子，从而具有防止PCD层的金刚石粒子的异常粒子生长的效果。

在本发明的多层梯度功能性金刚石复合烧结体中，在作业时发生的热应力的降低对于本工具的破损和工具表面的磨损宽度的下降有效。另外，在多层复合烧结体的各层的界面发生金刚石粒子等的异常粒子生长时，导致界面结合强度的显著下降，产生界面的剥离等不令人满意的工具的破损。在比较例中使用的包括金刚石粒子与碳化钨粒子以及金属粘结剂的多层梯度功能性金刚石复合烧结体中，具有如下缺点，即易于出现远远大于本发明例的热应力的发生和界面附近的金刚石粒子或碳化钨粒子异常粒子生长造成的界面强度劣化。

附图说明

图1是作为本发明的一个方式，表示PCD镶齿刀片的剖面概略示意图。

图2是作为本发明的其他方式，表示多层PCD烧结体的剖面概略示意图。

图3是表示本发明例2的第2子中间层的微细结构的SEM(BSE)像。

图4是在本发明例6的硬质合金基板与PCD层之间插入的、包括金刚石粒子和cBN粒子的中间层的边界附近的SEM(BSE)像。

图5是表示比较例1的第2子中间层的微细结构的SEM(BSE)像。

图6是比较例2的多层PCD烧结体的硬质合金基板与包括金刚石粒子与WC粒子以及Co粘结剂的中间层的边界附近的SEM(BSE)像。

【符号说明】

1 外侧的PCD层(第一层)

2 中间层

2A 第1子中间层

2B 第2子中间层

2C 第3子中间层

3 硬质合金基体

4 使用高熔点金属箔(Zr、Ta、Ti、Mo等)的样品容器

具体实施方式

下面，对于适于多层PCD烧结工具和锤式钻头、旋转钻头等的本发明的梯度功能性金刚石复合烧结体、即在硬质合金基体与PCD层之间设置以金刚石粒子与cBN粒子为主体的中间层的本发明的梯度功能性金刚石复合烧结体，根据实施例进行具体说明。

【实施例】

本发明例1:

作为硬质合金基体，使用一端具有圆锥面的直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表1所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表1中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表1】

其中，金属粘结剂的添加比例＝[100×(金属粘结剂质量)/(金刚石粒子质量+cBN粒子质量)]

本发明例2:

如图1所示，在包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的结构中，对于各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等进行显示。

作为硬质合金基体，使用直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表2所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表2中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表2】

图3是本发明例2的样品的第2子中间层(金刚石粒子重量/cBN粒子重量=65/35)的研磨面的SEM(BSE)像(二次反射电子像)。在BSE像中，黑色部分为金刚石与cBN粒子，白色部分为金属粘结剂。可知金属粘结剂几乎均等地分布在金刚石粒子与cBN粒子的间隙中，形成良好的中间层。

本发明例3:

作为硬质合金基体，使用直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表3所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表3中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表3】

本发明例4:

作为硬质合金基体，使用直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表4所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表4中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

在本发明例4中，通过使cBN粒子尺寸微细、以及增加第3子中间层cBN粒子的比例，从而未看到在第3子中间层与硬质合金基体的边界附近观察到的WC粒子的异常粒子生长。

【表4】

其中，金属粘结剂的添加剂比例＝[100×(金属粘结剂质量）/(金刚石粒子质量+cBN粒子质量)]

本发明例5:

作为硬质合金基体，使用直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表5所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表5中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

在本发明例5中，作为第2组成分，通过与铬一起添加钼、选择cBN粒子的尺寸为10～20μm的较粗粒，从而能够形成韧性提高的中间层。

【表5】

其中，金属粘结剂的添加剂比例＝100×(金属粘结剂质量)/(金刚石粒子质量+cBN粒子质量)]

本发明例6:

作为多层PCD烧结工具的一例，如图2所示，对于中间层为金刚石粒子65重量%、cBN粒子35重量%的中间层粒子成分，选择粒子总重量(G):粘结剂总重量(B)之比为100比5的条件的、中间层的层数为一层的烧结工具原料，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制造包括PCD层、(第1)中间层、硬质合金基体的图2所示的一体的烧结体构成的多层PCD烧结体。

表6中示出该PCD烧结体的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表6】

图4示出在本发明例6的硬质合金基板与PCD层之间插入的、包括金刚石粒子和cBN粒子的中间层的边界附近的SEM(BSE)像。图中白色部分主要为硬质合金和金属粘结剂部分。另外，黑色部分为金刚石和cBN粒子。本发明例6中的硬质合金基板与包括金刚石粒子和cBN粒子的中间层的边界非常平坦，在边界附近未看到在中间层中异常粒子生长的金刚石粒子。这是与使中间层成分为金刚石粒子与碳化钨粒子时很大的不同点。可知cBN粒子相对于抑制金刚石粒子的异常粒子生长提高界面强度有效地发挥作用。

比较例1:

为了与本发明例进行比较，在圆锥形状结构样品中，代替cBN粒子而使用WC粒子。

作为硬质合金基体，使用直径13mm长度约8mm的硬质合金(JISV60)基体，在如表7所示的条件下，在层压了锆、钽的样品容器中填充粉末和硬质合金基体，在真空中焊接密闭粉末容器。样品容器通过带状装置，在5.8GPa1450℃保持10分钟并烧结，从而制作包括PCD层、第1子中间层、第2子中间层、第3子中间层、硬质合金基体的图1所示的一体的烧结体构成的多层PCD镶齿刀片。

表7中示出该多层PCD镶齿刀片的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表7】

其中，金属粘结剂的添加比例=[100×(金属粘结剂质量)/(金刚石粒子质量+WC粒子质量)]

图5是比较例1的第2子中间层(金刚石粒子重量/WC粒子重量=75/25)的研磨面的SEM(BSE)像(二次反射电子像)，在BSE像中，黑色部分为金刚石粒子，白色部分主要为碳化钨粒子，一部分为钴粘结剂。比金刚石粒子稀疏的WC一部分引入添加的金属粘结剂，与金刚石粒子结合。但是，熔融状态的钴的作用复杂，不能说在金刚石粒子间和WC粒子间或金刚石与WC粒子的间隙中均等地分布而形成没有偏差的结合。

比较例2:

为了与本发明例6进行比较，对于多层PCD烧结工具的中间层为金刚石粒子75重量%、碳化钨粒子25重量%的中间层粒子成分，选择粒子总重量(G):粘结剂总重量(B)之比为100比5的条件的、中间层的层数为一层的烧结工具原料，在5.8GPa、1450℃保持10分钟并烧结，从而制造包括PCD层、(第1)中间层、硬质合金基体的图2所示的一体的烧结体构成的多层PCD烧结体。

表8中示出该PCD烧结体的、各层的平均厚度、各层的粒子尺寸与配合组成、金属粘结剂组成以及混合比例等。

【表8】

其中，金属粘结剂的添加比例＝[100×(金属粘结剂质量)/(金刚石粒子质量+WC粒子质量)]

图6是比较例2的多层PCD烧结体的硬质合金基板与包括金刚石粒子与WC粒子以及Co粘结剂的中间层的边界附近的SEM(BSE)像，在BSE像中，硬质合金基板与中间层的边界复杂，边界层的金刚石粒子(在BSE像中为白色部分)与碳化钨粒子(在BSE像中为黑色部分)的分布不规则，可看到异常粒子生长的WC粒子。因此，可知边界层的金刚石粒子与碳化钨粒子的结合并未带来什么效果。

Claims

1.一种多层梯度功能性金刚石复合烧结体，具备：

硬质合金制的基体；

多晶金刚石烧结体层，形成在所述基体上，烧结金刚石粒子和粘结剂而成；以及

中间层，形成在所述基体与所述多晶金刚石烧结体层之间，包括二层以上的子中间层，其特征在于，

所述多晶金刚石烧结体层中所包含的所述粘结剂为Co、Ni、Fe中的任一种或它们的合金，

所述子中间层是烧结包括金刚石粒子、cBN粒子和金属粘结剂的混合物而成，

所述子中间层中含有的所述金属粘结剂包括Co、Ni、Fe中的任一种或它们的合金构成的第1组成分、Cr、V、Mo中的任一种或它们的合金构成的第2组成分、以及Al、Mg中的任一种或它们的合金构成的第3组成分。

2.根据权利要求1所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，从靠近所述多晶金刚石烧结体层的层开始按顺序设为第1子中间层、第2子中间层、……、第N子中间层时，子中间层的层数编号越增加，越使位于各层内的金刚石粒子相对于cBN粒子的含有比率连续下降，其中，N≥2。

3.根据权利要求1所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，作为所述子中间层的金刚石粒子相对于cBN粒子的质量比的含有比率，在与所述多晶金刚石烧结体层相接的子中间层中最高，在与所述硬质合金基体相接的子中间层中最低，且在层厚方向上低于在所述多晶金刚石烧结体层侧相接的子中间层，高于在所述基体侧相接的子中间层。

4.根据权利要求2或3所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，在所述子中间层之中的、作为所述金刚石粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率高于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，所述第1组成分的含有比例分别高于所述第2组成分和所述第3组成分的含有比例，

在所述子中间层之中的、作为所述金刚石粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率低于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，所述第2组成分的含有比例分别高于所述第1组成分和所述第3组成分的含有比例。

5.根据权利要求2或3所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，在所述子中间层之中的、在作为所述金刚石粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率高于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，所述第1组成分的含量为3.2～6.0质量％，所述第2组成分的含量为0.6～1.7质量％，所述第3组成分的含量为0.04～0.15质量％，

所述子中间层之中，在作为所述金刚石粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率低于作为所述cBN粒子相对于所述金刚石粒子和所述cBN粒子的总质量的质量比的含有比率的子中间层中，所述第1组成分的含量为4.1～4.6质量％，所述第2组成分的含量为2.3～2.7质量％，所述第3组成分的含量为0.04～0.15质量％。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，所述子中间层的所述金属粘结剂中的所述第1组成分、所述第2组成分和所述第3组成分各自的比例为，所述第1组成分为40质量％以上且小于90质量％，所述第2组成分为8质量％以上且小于60质量％，所述第3组成分为1质量％以上且小于10质量％。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，相对于所述子中间层的所述金刚石粒子与所述cBN粒子的合计含量，所述金属粘结剂的合计含量的质量比为3/100～18/100的范围。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，相对于所述子中间层的所述金刚石粒子与所述cBN粒子的合计含量，所述金属粘结剂的合计含量的质量比为5/100～12/100的范围。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，所述多晶金刚石烧结体层的平均层厚为200μm至1000μm，

所述中间层的平均层厚为200μm至1000μm。

10.根据权利要求4所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，所述多晶金刚石烧结体层的平均层厚为200μm至1000μm，

所述中间层的平均层厚为200μm至1000μm。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，所述多晶金刚石烧结体层的所述金刚石粒子包括粒子尺寸为4μm至20μm的第一金刚石粒子与粒子尺寸为0.5μm至4μm的第二金刚石粒子，

所述第一金刚石粒子与所述第二金刚石粒子的质量比为100:0至50:50。

12.根据权利要求1至3中的任一项所述的多层梯度功能性金刚石复合烧结体，其特征在于，所述子中间层的所述金刚石粒子包括粒子尺寸为0.5μm至20μm的第三金刚石粒子，

所述子中间层的所述cBN粒子的粒子尺寸为0.5μm至20μm。