CN105555447A - 切削工具以及切削加工物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在基体的前端部设有切削刃的切削工具中，均满足切削刃以及切屑排出部所要求的被覆层的性能的切削工具。该切削工具具备至少设置在前端部A的切削刃(2)；以及与切削刃(2)邻接且从前端部(A)朝向后方(后端(B)方向)地设置的切屑排出部(4)，该切削工具是钻头(1)等切削工具，在其棒状的基体(5)的表面设有由金刚石与石墨的混合相构成的被覆层(6)，该被覆层(6)的从前端向后方10mm的后方部(B)处的金刚石的含有比率比前端部(A)低。

Description

切削工具以及切削加工物的制造方法
技术领域
本发明涉及在棒状的基体的表面上设有被覆层的切削工具以及切削加工物的制造方法。
背景技术
已知有在基体的表面上成膜有由金刚石构成的被覆层而得到的切削工具。例如，在专利文献1中，已知有在棒状的基体的表面成膜有金刚石层而得到的钻头、端铣刀等。另外，在专利文献2中，记载有使含有Si的类金刚石碳膜在基体的表面上成膜、并成为Si含有比例沿被覆层的厚度方向变化的倾斜组成的耐磨损性工具构件。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-058106号公报
专利文献2：日本特开2010-194628号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在被覆了金刚石层的上述专利文献1的钻头中，在钻头前端部侧的切削刃处被覆层容易磨损，另一方面，对于比前端靠后方的切屑排出槽具有欲提高切屑排出性这样的要求。另外，即便采用成膜有在厚度方向上成为倾斜组成的类金刚石碳膜而得到的专利文献2的被覆层，也都无法满足上述要求。
于是，本发明提供一种在钻头、端铣刀等棒状的基体的前端部设有切削刃的切削工具中，均满足切削刃以及切屑排出部所要求的被覆层的性能的切削工具。
用于解决技术问题的手段
本发明的第一切削工具是具备切削刃和切屑排出部的棒状的切削工具，所述切削刃至少设置在前端部，所述切屑排出部与该切削刃邻接且从所述前端部朝向后方地设置，其中，
所述切削工具具备：
基体；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且由金刚石和石墨的混合相构成，
从前端向后方10mm的后方部的所述被覆层中的金刚石的含有比率低于所述前端部的所述被覆层中的金刚石的含有比率。
本发明的第二切削工具呈棒状且具备切削刃和切屑排出槽，所述切削刃至少设置在前端部，所述切屑排出槽与该切削刃邻接且从前端朝向后方地设置，其中，
所述切削工具具备：
基体，其由含有硬质相和粘结相的硬质合金构成；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且含有金刚石，
在所述前端部的具有所述切削刃的部位处，所述基体的表面部的所述粘结相的含有比率相对于所述基体的内部的所述粘结相的含有比率小于0.9倍，并且，在所述基体的表面具有所述被覆层，在具有所述切屑排出槽的部位处，所述基体的表面部的所述粘结相的含有比率相对于所述基体的内部的所述粘结相的含有比率为0.9～1.1倍，并且，所述基体的表面向外部露出、或者在所述基体的表面的至少一部分上具有所述被覆层。
本发明的第三切削工具具有旋转中心轴，且具备至少从前端侧观察时从中心部朝向外周部而设置的切削刃，
所述切削工具具有：
基体；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且含有金刚石，
在针对所述金刚石层的表面的拉曼光谱分析中，在求出来源于所述金刚石的峰值的相对于总峰值强度的SP3峰值的峰值强度比时，
所述中心部的SP3峰值强度比低于所述外周部的SP3峰值强度比。
发明效果
根据本发明的第一切削工具，由于在基体的前端部的切削刃中金刚石的含有比率较高，因此被覆层的硬度较高，能够抑制切削刃中的被覆层的磨损。另外，在基体的比前端部靠后方侧的位置处(以下，有时仅简称为后方侧。)，石墨的含有比率较高。由于金刚石粒子成长为多面体，因此，若金刚石粒子的存在比率增多，则在被覆层的表面上产生凹凸。另一方面，即便石墨被成膜也不会损害被覆层的平滑性。因此，在石墨的含有比率较多的基体的后方侧，被覆层的表面平滑，切屑排出性提高。
根据本发明的第二切削工具，对于切削刃中阻碍金刚石层的成长的粘结相的含有比率而言，表面比基体的内部低，因此，金刚石层容易成长，金刚石层的密接性高。因此，能够抑制切削刃中的磨损的进行。另一方面，由于含有高硬度的金刚石粒子的金刚石层的金刚石粒子成长为多面体，因此粒成长后的金刚石粒子在金刚石层的表面突出，在金刚石层的表面上产生凹凸。然而，要求在切屑排出槽中提高切屑排出性，因此，在切屑排出槽中，不存在金刚石层则切削性能变得更好。因此，在切屑排出槽中，使金刚石层的密接性变差、金刚石层不被成膜、或者使金刚石层提前剥离，从而使切屑排出槽的表面变得平滑，提高切屑排出性。
根据本发明的第三切削工具，从前端侧观察到的中心部(以下有时称为中心部。)的SP3强度比低，也就是说，由于μm量级的金刚石的含有比率较低，因此，粒成长为多边形形状的金刚石不会从金刚石层的表面突出而导致金刚石层的表面变粗。因此，能够使中心部的金刚石层的表面变得平坦。另外，由于中心部的金刚石层的硬度较低，因此在切削初期，切削刃的中心部的金刚石层的表面迅速变得更加平坦。其结果是，中心部的切削阻力变低，能够抑制工具的折损。另一方面，从前端侧观察到的外周部(以下有时称为外周部。)的SP3强度比高，也就是说，由于μm量级的金刚石的含有比率较高，因此金刚石层的耐磨损性高。
即，本发明的切削工具在要求耐磨损性的切削刃、尤其是切削刃的外周部，通过提高金刚石的含有比率而提高耐磨损性。与此相对，在要求切屑排出性、滑动性的基体的后方侧、切屑排出槽以及从前端侧观察到的中央部，通过降低金刚石的含有比率而提高切屑排出性、滑动性。其结果是，获得能够长期进行切削加工的切削工具。
附图说明
图1是关于作为本发明的切削工具的一实施方式的钻头的一例的侧视图。
图2是图1的钻头的a-a剖视图。
图3是关于作为本发明的切削工具的一实施方式的另一钻头的一例的a-a剖视图。
图4是用于针对图1的钻头来说明被覆层的成膜工序的示意图。
图5是用于说明第二实施方式的钻头中的基体的蚀刻处理工序的示意图。
图6是用于说明第三实施方式的钻头中的基体的蚀刻处理工序的示意图。
图7是用于说明本发明的一实施方式中的切削加工物的制造方法的图，图7A、图7B、图7C是示出该制造方法的任一工序的概要图。
具体实施方式
基于附图，对作为本发明的切削工具的第一实施方式的实心式钻头进行说明。如图1所示，钻头1具备：呈具有旋转轴O的棒状且形成在前端部A的切削刃2；以及沿着切削刃2形成在切削刃2的旋转方向侧、且随着朝向后方(后端B方向)形成为螺旋状的切屑排出槽4。另外，在钻头1的后端B侧设有刀柄部3，通过由加工装置(未图示)把持刀柄部3而将钻头1安装于加工装置。在此，本发明中的前端定义为，棒状的钻头1(切削工具)的具有切削刃2的一侧，前端部A定义为，从前端观察钻头1(切削工具)时，可看到切削刃的范围内的长度。在本实施方式中，前端部A为从图1的前端到点p为止的长度的范围。
根据本实施方式，在钻头1的基体5的表面上设有由金刚石和石墨的混合相构成的被覆层6。需要说明的是，根据图1，被覆层6从钻头1的前端部A形成到设有切屑排出槽4的末端附近为止，比其靠后方成为基体5露出的状态。
而且，根据本实施方式，被覆层6中，从前端向后方10mm处的后方部C的金刚石的含有比率比前端部A低。由此，在位于基体5的前端部A的切削刃2中，金刚石的含有比率较高，因此，被覆层6的硬度较高，能够抑制切削刃2中的被覆层6的磨损。另外，在比基体5的前端部A靠后方侧的位置处，石墨的含有比率较高，因此，被覆层6的表面平滑且切屑排出槽4变得平滑，因此切屑排出性提高。此外，根据本实施方式，金刚石的含有比率从前端部A朝向后方(后端B方向)而下降。在此，本发明中的后方部C是指，将从前端向后方10mm的点作为中心的区域，区域的大小根据各分析中的点径来确定。
需要说明的是，钻头1的前端部侧也可以通过抛光加工、喷丸加工等磨削加工，使被覆层6的表面变得平滑。在该情况下，难以对切屑排出槽4的表面进行磨削，从而被覆层6的表面难以变得平滑。
根据本实施方式，后方部C的金刚石的平均粒径小于前端部A的金刚石的平均粒径。由此，后方侧的被覆层6的表面更加平滑，切屑排出槽4中的切屑排出性提高。需要说明的是，对于被覆层6中的金刚石的平均粒径而言，能够利用扫描型电子显微镜从被覆层6的表面观察组织并通过Luzex图像解析法进行计算。此外，根据本实施方式，金刚石的平均粒径随着从前端部A朝向后方变小。
根据本实施方式，后方部C的被覆层6的厚度比前端部A的被覆层6的厚度薄。由此，由于切削刃2的被覆层6的厚度较厚，因此，切削刃2中的被覆层6的耐磨损性变高。另一方面，在从前端部A朝向后方的切屑排出槽4中，成膜速度慢而成为致密且平滑的被覆层6，其结果是，不会使被覆层6的表面状态变差。需要说明的是，在本实施方式中，在没有特别限定的情况下，被覆层6的厚度为如图2所示那样在比切屑排出槽4靠外侧的外周面测定出的厚度t。需要说明的是，即便在钻头以外的形状的情况下，当对前端部A的厚度与后方侧的厚度进行比较时，在与长度方向垂直的剖面中进行测定即可。此外，根据本实施方式，被覆层6的厚度随着从前端部A朝向后方变薄。
根据本实施方式，后方部C的被覆层6的厚度比前端部A的被覆层6的厚度(未图示)薄。由此，能够抑制在切削刃2中被覆层6磨损，并且在切屑排出槽4中能够易于保持被覆层6的平滑性。在此，前端部A的被覆层6的膜厚tA(未图示)与从前端向后方10mm的后方部的被覆层6的膜厚tB之比(tB/tA)的优选范围是0.2～0.8，进一步优选的范围是0.4～0.8。膜厚tA的优选范围是5～12μm。
需要说明的是，被覆层6中的金刚石以及石墨的含有比率能够使用拉曼光谱分析法来测定。具体而言，能够通过对1333cm-1附近的金刚石峰值SP3的峰值强度、以及1400～1600cm-1处的石墨峰值SP2的峰值强度进行测定，来求出被覆层6中的金刚石以及石墨的含有比率。将用于进行拉曼光谱分析的激光束以点径为1～100μm的方式向被覆层6的表面垂直地照射来进行测定。考虑到峰值强度的局部偏差，在点径为10μm以下的情况下，对任意的三处位置以上进行测定并获取其平均值。
另外，在由上述金刚石以及石墨的混晶构成的被覆层6与基体5之间，也可以层叠其他被覆层(未图示)。
此外，作为基体5，优选使用由以碳化钨、碳氮化钛为主要成分的硬质相与以钴、镍等铁族金属为主要成分的粘结相构成的超硬合金、金属陶瓷，或者以氮化硅、氧化铝为主要成分的陶瓷等硬质材料，但耐缺损性优良的超硬合金尤为适合。
另外，本发明的切削工具并不局限于上述实施方式的钻头，也可以采用工具主体为棒状，前端具有底刃，外周的前端侧具有外周刃，并且与底刃和外周刃邻接地从前端部朝向后方而具有切屑排出槽4的端铣刀。此外，也可以适当使用将包含切削刃的部分作为独立构件而安装于刀架的前端部的规定位置而使用的刃尖更换型的钻头、端铣刀。此外，也可以采用从棒状的工具主体的前端部到侧面的前端部侧而具有切削刃，且与切削刃邻接地具有成为切屑排出部的前刀面的内径加工工具。在内径加工工具的情况下，切屑排出部也可以不是螺旋状的切屑排出槽，而是从前端部A设置到后方的一部分的断屑(breaker)曲面。
对作为本发明的切削工具的一例的实心式钻头的第二实施方式进行说明。需要说明的是，针对与第一实施方式相同的结构省略部分说明。如图1所示，与第一实施方式相同，钻头10呈具有旋转中心轴O的棒状且具有切削刃2、切屑排出槽4以及刀柄部3。
在钻头10中，在从切削刃2的前端部A侧观察到的中心部12(以下有时称为中心部12。)，切削速度为零、或者比从切削刃2的前端部A侧观察到的外周部13(以下有时称为外周部13。)慢，因此，成为摩擦磨损的状态。因此，切削刃2的中心部12的切削阻力变高，所以有时引起钻头10的折损。与此相对，由于切削刃2的外周部13的切削速度比切削刃2的中心部12快，因此，在切削刃2的外周部13，具有容易进行磨损的趋势。
根据本实施方式，在被覆层6的表面上的拉曼光谱分析中，当求出来源于金刚石的SP3峰值相对于整个峰值的峰值强度比时，前端部A的旋转中心轴O及其附近的中心部12的SP3峰值强度比低于外周部13的SP3峰值强度比。由此，能够提高中心部12的被覆层6的滑动性，并且能够减小构成被覆层6的相的粒径，使被覆层6的表面变得平坦。需要说明的是，由于中心部12的SP3强度比较低且被覆层6的硬度较低，因此，在切削初期，中心部12的被覆层6的表面迅速变得更加平坦。因此，切削刃2的中心部12的切削阻力变低，能够抑制钻头10的折损。即，μm量级的金刚石的存在比率越高，SP3峰值强度比越高。因此，在中心部12，μm量级的金刚石的存在比率变低，降低SP3峰值强度比的纳米金刚石以及石墨的存在比率变高。
另一方面，由于切削刃2的外周部13的SP3强度比较高，因此被覆层6的耐磨损性高。其结果是，成为能够长时间进行切削加工的切削工具。需要说明的是，本发明中的中心部12是指，如从前端观察图1所示的钻头时的图3B所示那样，由圆c表示的芯厚的内侧的区域，在测定时，在包含旋转中心轴O的区域内进行测定。外周部13是指圆c的外侧的区域，在测定时，如图3B所示，在尽可能靠近从前端部A侧观察到的切削刃2的最外位置的虚线区域中进行测定。
在此，拉曼光谱分析中的SP3峰值强度比的测定中，对来源于μm量级的金刚石的1333cm-1附近的SP3峰值的峰值强度、来源于nm量级的金刚石的1145cm-1附近的纳米金刚石峰值的峰值强度、来源于金刚石的结晶构造瓦解的石墨的1400～1600cm-1附近的SP2峰值的峰值强度进行测定。需要说明的是，以各峰值的最高值来测定峰值强度。将SP3峰值的峰值强度相对于三个峰值强度的总和的比率设为SP3峰值强度比。需要说明的是，μm量级的金刚石的粒径的优选范围是0.5μm～20μm，μm量级的金刚石的平均粒径的优选范围是0.8μm～3μm。纳米金刚石的粒径的优选范围是1nm～200nm，纳米金刚石的平均粒径的优选范围是10nm～100nm。
另外，作为使中心部12的SP3峰值强度比低于外周部13的SP3峰值强度比的方式，举出两种方式。第一种方式是，中心部12的来源于纳米金刚石的纳米金刚石峰值的峰值强度比高于外周部13的纳米金刚石峰值的峰值强度比的方式，即，中心部12的金刚石的平均粒径小于外周部13的金刚石的平均粒径的方式。
由于纳米金刚石的滑动性比μm量级的金刚石高，因此，能够减小切削刃2的中心部12处的被覆层6的切削阻力。另外，金刚石具有随着粒成长而成长为多边形形状的趋势，但若金刚石的平均粒径较小，则金刚石从被覆层6的表面突出的比例也较低，被覆层6的表面粗糙度较小而成为平滑的表面，因此，能够进一步减小切削刃2的中心部12的被覆层6的切削阻力。此外，由于金刚石随着粒成长而硬度变高，因此，若金刚石的平均粒径较小，则被覆层6的硬度下降，在切削初期，被覆层6的表面迅速变得更加平滑，能够进一步减小切削刃2的中心部12的被覆层6的切削阻力。另一方面，由于外周部13的金刚石的平均粒径较大，因此，金刚石的硬度较高，被覆层6的硬度以及耐磨损性提高。需要说明的是，对于被覆层6中的金刚石的平均粒径而言，能够利用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜观察被覆层6的表面或剖面的组织，并通过Luzex图像解析法进行计算。
使中心部12的SP3峰值强度比低于外周部13的SP3峰值强度比的第二种方式是，中心部12的来源于石墨的SP2峰值的峰值强度比大于外周部13的SP2峰值的峰值强度比的方式。即，SP2峰值是来源于金刚石的结晶构造瓦解的石墨的峰值，是中心部12的石墨的存在比例比外周部13的石墨的存在比例多的方式。
由于石墨的滑动性比金刚石好，因此，能够减小切削刃2的中心部12的被覆层6的切削阻力。另外，由于石墨不会进行粒成长，因此，若石墨的含有比例变高，则被覆层6的表面粗糙度变小而成为平滑的表面，能够进一步减小切削刃2的中心部12的被覆层6的切削阻力。此外，由于石墨的硬度比金刚石低，因此，中心部12的被覆层6的硬度下降，在切削初期，被覆层6的表面迅速变得更加平滑，能够进一步减小切削刃2的中心部12的被覆层6的切削阻力。另一方面，由于外周部13的被覆层6中的μm量级的金刚石的含有比例较高，因此，被覆层6的硬度提高，被覆层6的耐磨损性提高。
需要说明的是，被覆层6也可以是单层，但还可以是SP3强度比不同的两层以上的层的层叠。此时，在被覆层6的表面上，中心部12的SP3峰值强度比低于外周部13的SP3峰值强度比。作为实现该结构的一例，例如举出使中心部12的纳米金刚石的峰值强度比高于外周部13的纳米金刚石的峰值强度比的方法。具体而言构成为，含有纳米金刚石的第一层形成于包含中心部12以及外周部13在内的钻头10的前端部A的整体，第二层在除了中心部12的部位形成为含有μm量级的金刚石的层。相反，也可以构成为，含有μm量级的金刚石的第一层形成于包含中心部12以及外周部13在内的钻头10的前端部A的整体，第二层仅在除了外周部13的中心部12形成为含有纳米金刚石的层。根据上述结构，被覆层6的表面在中心部12成为含有纳米金刚石的第一层，在外周部13成为含有μm量级的被覆层6的第二层，因此，中心部12的SP3峰值强度比变得比外周部13的SP3峰值强度比低。
对作为本发明的切削工具的一例的实心式钻头的第三实施方式进行说明。需要说明的是，针对与第一实施方式或第二实施方式相同的结构，省略部分说明。如图1所示，与第一实施方式相同，钻头20呈具有旋转中心轴O的棒状且具有切削刃2、切屑排出槽4以及刀柄部3。
基体5由含有硬质相和粘结相的硬质合金构成。作为硬质合金，举出粘结相由铁族金属构成且硬质相由碳化钨构成的超硬合金、硬质相由碳氮化钛构成的金属陶瓷。根据本实施方式，粘结相的含有量为5～15质量％，尤其为6～8质量％。
根据本实施方式，在前端部A的具有切削刃2的部位，该部位的基体5的表面部的粘结相的含有比率相对于该部位的基体5的内部的粘结相的含有比率小于0.9倍，并且，在该部位的基体5的表面具有被覆层6。即，在切削刃2处，基体5的表面被被覆层6覆盖。在本实施方式中，切削刃2的基体5的表面部的粘结相的含有比率相对于基体5的内部的粘结相的含有比率为0.1～0.3倍。
另一方面，在具有切屑排出槽4的部位，该部位的基体5的表面部的粘结相的含有比率相对于该部位的基体5的内部的粘结相的含有比率为0.9～1.1倍，并且，该部位的基体5的表面在外部露出、或者在基体5的表面上具有被覆层6。即，在切屑排出槽4中，基体5的表面由被覆层6覆盖或者基体5在表面露出。由此，在切削刃2中，被覆层6的密接性较高，能够抑制切削刃2中的磨损的进行。在切屑排出槽4中，被覆层6未成膜或者被覆层6的密接性差，被覆层6提前剥离。因此，切屑排出槽4的表面变得平滑，切屑排出性提高。
在此，在图3B中观察不到前刀面22，但以括弧示出前刀面22的位置。本发明中的具有切削刃2的部位包括从由图3B的前端能够观察到的后刀面23(虚线部)的棱线21起厚度为100μm的范围，并且是指，包含从图1的侧面观察时设于基体5的前端部的棱线21在内从棱线21向前刀面22侧宽度为100μm(从前端的棱线21向后方100μm为止)的范围。从图1的侧面观察时，在钻头20的前端部侧的三角形的部分处，前端部侧存在切削刃2，其后方存在前刀面22。具有切屑排出槽4的部位是指位于前刀面22的末端至后方的凹状的槽的部分。即，在基体5的切削刃2的后方，存在与前刀面22相接的切屑排出槽4、与切削刃2的棱线21相接的侧方棱线部24、以及与后刀面23相接的刃背部25。需要说明的是，本发明中的基体5的内部是指，从基体5的表面起的深度为5μm以上的深度的旋转轴O侧的位置，有可能还指包含旋转轴O的区域。另外，粘结相的含有比率是指，粘结相的含有量相对于硬质合金中的总金属含有量的比率。在前端部A的具有切削刃2的部位处，在对基体5的表面上的粘结相的含有比率与基体5的内部的粘结相的含有比率进行比较时，能够通过在与切削刃2垂直的剖面中，利用电子束微分析器(EPMA)确认金属成分的分布来进行测定。
需要说明的是，被覆层6从钻头20的前端部A形成到设有切屑排出槽4的末端附近，比其靠后方成为基体5露出的状态。另外，也可以对钻头20的前端部侧实施抛光加工、喷丸加工等磨削加工，使切削刃2的被覆层6的表面变得平滑。在该情况下，在切屑排出槽4的表面上，即便使被覆层6成膜，密接性也较差，因此，也有时被覆层6剥离而露出基体5。此时，由于切屑排出槽4的表面处于难以磨削的位置，因此，切屑排出槽4的表面不会被过度进行磨削加工，切屑排出槽4的基体5的表面中的平滑度不容易受损。另外，也可以对使被覆层6成膜前的基体的前端部侧实施抛光加工、喷丸加工等磨削加工，来调整切削刃2中的基体5的表面粗糙度。
在此，在本实施方式中，切削刃2的被覆层6中的金刚石粒子的平均粒径为0.4～3μm。由此，被覆层6的硬度较高，且被覆层6的表面不会过于变粗，能够抑制切削刃2中的切削阻力增高而磨损钻头20。此外，根据本实施方式，在切屑排出槽4上被覆有被覆层6的情况下，切屑排出槽4的被覆层6中的金刚石的平均粒径小于切削刃2的被覆层6中的金刚石的平均粒径。由此，后方侧的被覆层6的表面变得更加平滑，在切削加工初期也能够提高切屑排出槽4中的切屑排出性。需要说明的是，对于被覆层6中的金刚石的平均粒径而言，能够利用扫描型电子显微镜从被覆层6的表面观察组织并通过Luzex图像解析法进行计算。
另外，在本实施方式中，切削刃2中的基体5的表面的界面粗糙度为0.12～1.5μm，切屑排出槽4中的基体5的表面的界面粗糙度为0.01～0.1μm。由此，能够使切削刃2以及切屑排出槽4中的被覆层6的密接性最佳化。对于界面粗糙度而言，能够根据针对包含基体5与被覆层6的界面在内的剖面的SEM观察，描绘基体5与被覆层6的界面，并根据其轨迹计算基于JISB0601的最大高度Ry，将计算结果作为界面粗糙度进行测定。
此外，在本实施方式中，切削刃2中的被覆层6与切屑排出槽4中的被覆层6相比，被覆层6中存在的金刚石与石墨中的金刚石的含有比率高。另外，切屑排出槽4中的被覆层6与切削刃2中的被覆层6相比，被覆层6的厚度薄。由此优化切削加工前的切削刃2以及切屑排出槽4中的被覆层6的表面粗糙度，在切削初期也能够抑制过度地施加切削阻力。需要说明的是，在本实施方式中，也可以是，在切屑排出槽4的表面不具有被覆层6，切屑排出槽4的表面露出基体5。
切削刃2中的被覆层6的厚度是指，钻头20的前端部(旋转轴O的位置)处的被覆层6的厚度。在切屑排出槽4由被覆层6覆盖的情况下，切屑排出槽4中的被覆层6的厚度是指，与旋转轴O垂直的横截面中的切屑排出槽4内的最深部的被覆层6的厚度。切屑排出槽4内的最深部是指，基体1的表面中的位于距旋转轴O最短的距离的位置。以旋转轴O为中心而穿过位于所述最短距离的位置的圆、即、钻头20内描绘的最大的圆c的直径为芯厚。
根据本实施方式，切削刃2中的被覆层6的膜厚t1(未图示)与切屑排出槽4中的被覆层6的膜厚t2之比(t2/t1)是0.2～0.8。由此，能够抑制切削刃2中的被覆层6磨损，并且保持切屑排出槽4中的被覆层6的平滑性。另外，能够使用拉曼光谱分析法来测定被覆层6中的金刚石以及石墨的含有比率。具体而言，能够通过对1333cm-1附近的金刚石峰值SP3的峰值强度、以及1400～1600cm-1处的石墨峰值SP2的峰值强度进行测定来求出被覆层6中的金刚石以及石墨的含有比率。
另外，本发明的切削工具并不局限于上述实施方式的钻头，也可以采用工具主体为棒状，前端具有底刃，外周的前端侧具有外周刃，并且与底刃和外周刃邻接地从前端部朝向后方具有切屑排出槽的端铣刀。在该情况下，优选外周刃的从棱线向前刀面侧50μm以下的范围为上述切削刃的结构。
(制造方法)
对作为上述第一实施方式的钻头的制造方法进行说明。
首先，在圆柱状的基体的表面上实施无芯加工之后进行刃化加工来制作钻头形状的基体。根据需求，在基体的切削刃侧实施磨削加工。接着，在基体的表面上进行酸处理以及碱处理的蚀刻处理来制作钻头形状的基体。
其次，使被覆层在基体的表面成膜。作为被覆层的成膜方法，能够优选应用热丝方式的CVD法。针对成膜方法的一例详细进行说明的话，成膜装置30具有腔室31，在腔室31内设有用于设置试料(蚀刻后的基体)32的试料台33。根据本实施方式，棒状的基体32以前端部朝向上方而上下竖立的状态被设置。图4中省略基体32的带刃部(包含切削刃以及切屑排出槽的部分)的记载。
然后，在基体32的周围配置灯丝等加热器34。加热器34与配置于腔室31外的电源35连接。在此，根据本实施方式，使用多个加热器34来调整上述配置、以及向各加热器34供给的电流值，由此调整为设于试料台33的棒状的基体32的温度沿基体32的长度方向发生变化。具体而言，调整为，基体32的前端部的温度最高，基体32的后方侧的温度逐渐变低。需要说明的是，加热器34被支承体39支承。
在腔室31内设有原料气体供给口36和气体排气口37。在真空的腔室31内从原料气体供给口36供给氢气和甲烷气体并吹向基体32，由此能够获得金刚石与石墨的混合比率在基体32的长度方向上不同的切削工具。
以上述第二实施方式的钻头的制造方法为例进行说明。需要说明的是，针对与第一实施方式相同的结构，省略部分说明。首先，制作钻头形状的基体。在本实施方式中，作为降低中心部12的SP3峰值强度比的第一方法，能够应用在磨削加工后对基体的表面进行蚀刻处理时，在中心部12涂敷了树脂等掩蔽剂的状态下进行蚀刻处理的方法。根据该方法，能够控制为，不使中心部12的基体的表面的粘结相的含有比率下降。其结果是，在之后成膜的含有金刚石的被覆层中，抑制了中心部12的金刚石的粒成长，石墨的含有比率变高。
作为降低中心部12的SP3峰值强度比的第二方法，在蚀刻处理工序之后，如图5所示，主要以仅将中心部12浸入含有钴的溶液40的方式，仅使基体5的规定部分浸渍，从而仅使中心部12再次含有钴成分。由此，在之后成膜的被覆层中，抑制了中心部12的金刚石的粒成长，石墨的含有比率变高。利用水等对蚀刻后的基体进行清洗并干燥。
然后，使被覆层成膜。作为降低中心部12的SP3峰值强度比的第三方法，举出如下方法：使含有纳米金刚石的第一层在钻头10的前端部A的整体上成膜之后，通过在钻头10的中心部12涂敷碳料浆等而形成掩膜，使含有μm量级的金刚石的第二层成膜。利用该方法成膜的中心部12的第二层在成膜结束后，与掩膜一起剥离。在本实施方式中，在保持第一层的成膜温度与第二层的成膜温度相同的状态下，将第一层成膜时的真空度调整为0.5～2kPa，第二层成膜时的真空度调整为3～5kPa。另外调整为，使第二层成膜时的甲烷的混合比低于第一层成膜时的甲烷的混合比(体积％)。由此，在拉曼光谱分析中，在第一层中出现纳米金刚石峰值，在第二层中不出现SP3峰值。而且，构成第一层的金刚石的平均粒径比构成第二层的金刚石的平均粒径小1位数以上。
接着，对上述第三实施方式的钻头的制造方法的一例进行说明。需要说明的是，针对与第一实施方式或第二实施方式相同的结构，省略部分说明。首先，制作钻头形状的基体。在本实施方式中，在蚀刻处理时，尤其是在酸处理时，如图6所示，主要以仅将切削刃2浸入酸溶液41的方式，仅使基体5的规定部分浸渍于酸溶液41，以基体5的长度方向作为旋转轴一边旋转一边蚀刻。由此，能够控制基体的表面上的粘结相的含有比率。此时，通过调整酸溶液41的浓度以及浸渍时间，能够调整切削刃中的粘结相的含有比率。利用水等对蚀刻后的基体进行清洗并干燥，然后使被覆层成膜。
(切削加工物的制造方法)
关于本实施方式中的切削加工物的制造方法，以使用上述钻头1的情况为例，参照图7详细地进行说明。图7A是示出使钻头1朝向被切削件50并向Y方向接近的工序的图。图7B是示出使钻头1与被切削件50接触的工序的图。图7C是示出使钻头1沿Z方向离开被切削件50的工序的图。
本实施方式中的切削加工物的制造方法具备以下的(i)～(iV)的工序。(i)在准备好的被切削件50的上方配置钻头1的工序(图7A)。
(ii)以旋转轴O作为中心而使钻头1沿箭头r方向旋转，并且使钻头1朝向被切削件50且向箭头Y方向接近的工序(图7A，图7B)。本工序能够通过如下步骤进行：例如，将被切削件50固定在安装有钻头1的工作设备的工作台上，在使钻头1旋转的状态下接近被切削件50。需要说明的是，在本工序中，被切削件50与钻头1相对接近即可，例如，也可以固定钻头1而使被切削件50接近钻头1。
(iii)通过使钻头1进一步靠近被切削件50，使旋转的钻头1的切削刃2与被切削件50的表面的规定位置接触，从而在图7C的被切削件50上形成加工孔(贯通孔)51的工序(图7B)。
(iv)通过使钻头1向箭头Z的方向移动而使钻头1从被切削件50的贯通孔51离开的工序(图7C)。在本工序中也与上述(ii)工序相同，被切削件50与钻头1相对离开即可，例如也可以固定钻头1而使被切削件50从钻头1离开。
通过以上工序，能够发挥优良的孔加工性。需要说明的是，在反复进行孔加工的情况下，在保持着钻头1的旋转的状态下，在被切削件50的不同位置处重复使钻头1的切削刃2接触的工序即可。
【实施例1】
向平均粒径为0.5μm的碳化钨(WC)粉末中以10质量％的比例添加金属钴(Co)粉末，以0.2质量％的比例添加碳化钛(TiC)粉末，以0.8质量％的比例添加碳化铬(Cr3C2)粉末并进行混合，由此以圆柱形状成型并烧结。并且，在经由研磨工序而形成钻头形状之后，按照碱、酸、蒸馏水的顺序对表面进行清洗，制作出钻头基体(直径6mm、刃长10mm、芯厚3mm、2片刃)。
将该基体设于图4所示的成膜装置，并利用热丝CVD法，使由金刚石与石墨的混晶构成的被覆层在基体的表面上成膜。在成膜装置的直径高度20cm的反应腔室内，在基体的前端部侧配置有一根粗细度的钨丝，以夹着基体的方式在侧面配置两根粗细度的钨丝，合计配置有三根粗细度的钨丝。钻头形状的基体以前端部朝向上方而上下竖立的状态被设置。需要说明的是，通过调整向钨丝供给的电流值，从而将基体的前端以及从前端向后方3mm、5mm、10mm的位置处的温度设为表1所示的温度。
然后，在真空中，将反应气体组成为氢(97容量％)+甲烷(3容量％)的物质从供给口导入到反应炉，使被覆层成膜。针对成膜后的被覆层，利用拉曼散射光谱对钻头的前端以及从前端向后方5mm、10mm的位置处的结晶状态进行测定，根据1333cm-1附近的金刚石峰值SP3的峰值强度、以及1400～1600cm-1处的石墨峰值SP2的峰值强度来估算金刚石峰值SP3的含有比率(SP3/(SP3+SP2))。
另外，对钻头的表面成膜的被覆层进行SEM观察，使用Luzex解析法来求出金刚石粒子的平均粒径。此外，对钻头的前端以及从前端向后方5mm、10mm的位置处的被覆层的剖面进行SEM观察，测定出被覆层的厚度。结果示于表1。
此外，使用所得到的钻头并按照以下的切削条件进行切削试验，评价出切削性能。结果记载于表2。
切削方法：开孔(通孔)
被切削件：CFRP
切削速度(进给)：100mm/分
进给：0.075mm/刃
切深：深度8mm，加工直径
切削状态：干式
评价方法：测定1500孔加工后的切削刃的前端磨损幅度(表中记载为磨损幅度)、产生毛刺的加工孔数，并且确认在无法加工的时刻的钻头的状态。
【表1】
【表2】
根据表1、2可知，在基体的前端和向后方10mm的位置处金刚石的含有比率相同的试料No.4中，切屑处理性变差且切屑容易堵塞，向钻头施加负荷而导致其折损，在试料No.5中，切削刃的耐磨损性变差，试料No.4和试料No.5的加工孔数都变少。
与此相对，在比基体的前端靠后方10mm的位置处金刚石的含有比率较低的试料No.1～3中，切削刃的耐磨损性均较好，并且切屑排出性也良好，加工孔数增多。
【实施例2】
与实施例1相同地制作出钻头基体。需要说明的是，关于试料No.II-1～II-3，在蚀刻处理之后仅将钻头基体的中心部浸渍于氯化钴(CoCl2)的甲醇溶液后，将其提起并用蒸馏水进行清洗。关于试料No.II-4，在酸处理前，在钻头的中心部形成掩膜并实施了酸处理。关于试料No.II-7，在酸处理之后将钻头基体的前端部侧的整体浸渍于氯化钴(CoCl2)的甲醇溶液后，将其提起并用蒸馏水进行清洗。关于这些条件，在表3的处理项目中进行了记载。
针对该基体，与实施例1相同地使被覆层成膜。关于试料No.II-5，在上述被覆层的成膜之前，以前端部为820℃、从钻头基体的前端向后方3mm的位置处为650℃的成膜温度，在真空度为0.8kPa的条件下，将反应气体组成为氢(94容量％)+甲烷(6容量％)的物质从供给口导入到反应炉，使含有纳米金刚石的第一层成膜。然后，在中心部形成掩膜，并使上述被覆层成膜来作为第二层。
针对成膜后的被覆层，通过拉曼散射光谱分析而测定出钻头前端部的中央部以及外周部的结晶状态。在中心部的测定中，在包含旋转中心轴O的区域内进行测定，在外周部13的测定中，在尽可能靠近从前端侧观察到的切削刃的最外位置的图3B的虚线部分区域内进行测定。根据测定数据可估算金刚石峰值SP3在1333cm-1附近的金刚石峰值SP3、1400～1600cm-1处的石墨峰值SP2、以及1145cm-1的纳米金刚石峰值强度的总计中的含有比率(SP3/(SP3+SP2+纳米金刚石(nano)))。在表3、4中，将中央部的SP3的含有比率(SP3比)相对于外周部的SP3的含有比率(SP3比)的比率设为SP3比的比率(中央部/外周部)而记载。
另外，在对钻头的表面上成膜的被覆层进行SEM观察或TEM观察之后，使用Luzex解析法来求出金刚石粒子的平均粒径。此外，对从钻头的前端观察到的外周部的最外周(图1所示的点p)以及从前端向后方3mm的最外周(图1所示的点q)的被覆层的剖面进行SEM观察，测定出被覆层的厚度(表中记载为前端部tA、后方tB)。结果示于表5。
此外，使用所得到的钻头并按照以下的切削条件进行切削试验，评价出切削性能。结果记载于表5。
切削方法：开孔(通孔)加工直径
被切削件：CFRP深度8mm
切削速度(进给速度)：200mm/分
进给：0.075mm/rev
切削状态：干式
评价方法：针对100根钻头进行了评价，测定出加工到100孔为止折损或开始折损的钻头的根数。另外，针对未开始折损的钻头，测定加工1500孔之后的切削刃的前端磨损幅度，并计算出其平均值(表中记载为磨损幅度)。此外，测定到产生毛刺而无法加工为止的加工孔数，计算出其平均值(表中记载为加工孔数)。
【表3】
【表4】
【表5】
根据表3～5可知，在仅将中心部浸渍于CoCl2溶液或在中心部形成掩膜而不进行蚀刻处理且中心部的SP3峰值强度与外周部的SP3峰值强度比相同的试料No.II-6、9中，前端部的中央部的切削阻力变高，折损的钻头的根数增多，加工孔数也较少。另外，在蚀刻处理时将基体整体浸渍于CoCl2溶液的试料No.II-7、10中，外周部的耐磨损性变差。
与此相对，在中心部的SP3峰值强度比低于外周部的SP3峰值强度比的试料No.II-1～II-5、II-8中，均未发生折损，外周部的耐磨损性好，加工孔数增多。
【实施例3】
使用金属钴(Co)粉末为7.0质量％，碳化铬(Cr3C2)粉末为0.8质量％，剩余部分的平均粒径为0.5μm的碳化钨(WC)粉末，利用与实施例1相同的方法制作出钻头基体。
然后，通过如图2所示那样使基体的旋转轴在相对于酸溶液以及碱溶液的液面倾斜30°的状态下进行旋转的方法，将基体以0.5mm的深度依次浸渍于酸溶液(表1的浓度的盐酸中15分钟)、碱溶液(村上试药中5～30秒)而进行蚀刻处理。然后，利用蒸馏水对表面进行清洗，制作出钻头基体。需要说明的是，关于试料No.III-5，按照基体的旋转轴与酸溶液以及碱溶液的液面垂直的方式以1mm的深度进行了浸渍。关于试料No.III-7，按照基体的旋转轴与酸溶液以及碱溶液的液面垂直的方式以10mm的深度进行了浸渍。关于试料No.III-6，未进行蚀刻处理。与实施例1相同地使被覆层在该基体上成膜。需要说明的是，表6所示的后方的基体温度表示从钻头基体的前端向后方3mm的位置处的温度。
针对成膜后的被覆层，利用拉曼散射光谱对钻头的前端以及从前端向后方3mm、5mm、10mm的位置处的结晶状态进行测定，根据1333cm-1附近的金刚石峰值SP3的峰值强度、以及1400～1600cm-1处的石墨峰值SP2的峰值强度，估算出金刚石的比率即SP3比(SP3/(SP3+SP2))。另外，对钻头的表面成膜的被覆层进行SEM观察，使用Luzex解析法求出金刚石粒子的平均粒径。此外，对钻头的前端部(切削刃)、以及从前端向后方3mm的切屑排出槽的位置处的被覆层的剖面进行SEM观察，测定出被覆层的厚度。将切削刃中的厚度表记为t1，将切屑排出槽中的厚度表记为t2。另外，根据该SEM观察，描绘基体与被覆层的界面，并根据其轨迹计算基于JISB0601的最大高度Ry，将计算结果作为界面粗糙度。此外，根据EPMA分析，对钻头前端的切削刃中的基体的表面(表中记载为切削刃e)、切屑排出槽(从钻头前端向后方3mm的位置)中的基体的表面(表中记载为切屑排出槽g)与其中央部(表中记载为内部i)测定出超硬合金中的粘结相(Co)相对于总金属成分的含有比率。结果示于表6～8。
此外，使用所得到的钻头并按照以下的切削条件进行切削试验，评价出切削性能。结果记载于表8。
切削方法：开孔(通孔)
被切削件：CFRP
切削速度(进给)：120mm/分
进给：0.075mm/刃
切深：深度8mm，加工直径
切削状态：干式
评价方法：测定加工1000孔之后(针对直到无法加工的加工数小于1000孔的试料是在加工结束时刻)的切削刃的前端磨损幅度(表中记载为磨损幅度)、产生毛刺的加工孔数，并且确认在无法加工的时刻的钻头的状态。
【表6】
【表7】
【表8】
根据表6～8可知，对基体不进行蚀刻处理，在切削刃中基体的表面部的粘结相的含有比率相对于基体的内部的所述粘结相的含有比率为0.9倍以上的试料No.III-6中，切削刃中的被覆层会提前剥离，切削刃的耐磨损性变差，加工孔数变少。在切削刃和切屑排出槽均浸渍于酸溶液进行蚀刻处理、且切屑排出槽中基体的表面部的粘结相的含有比率相对于基体的内部的所述粘结相的含有比率小于0.9倍的试料No.III-7中，切屑排出槽中的表面皲裂，切屑处理性变差且切屑容易堵塞，对钻头施加负荷而导致折损。
与此相对，在切削刃中粘结相的含有比率的比e/i比0.9少、且切屑排出槽中粘结相的含有比率的比g/i为0.9～1.1的试料No.III-1～III-5、III-8中，切削刃的耐磨损性均较好，并且切屑排出性也良好，且加工孔数增多。需要说明的是，关于试料No.III-5，在切屑排出槽的表面上被覆层局部剥离，基体露出。
附图标号说明：
1、10、20钻头
2切削刃
3刀柄部
4切屑排出槽
5基体
6被覆层
12中心部
13外周部
21棱线
22前刀面
23后刀面
24侧方棱线部
25刃背部
A前端部
B后端
O中心旋转轴

Claims (18)

1.一种切削工具，该切削工具是具备切削刃和切屑排出部的棒状的切削工具，所述切削刃至少设置在前端部，所述切屑排出部与该切削刃邻接且从所述前端部朝向后方地设置，其中，
所述切削工具具备：
基体；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且由金刚石和石墨的混合相构成，
从前端向后方10mm的后方部的所述被覆层中的金刚石的含有比率低于所述前端部的所述被覆层中的金刚石的含有比率。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，
所述被覆层的金刚石的含有比率随着从所述前端朝向所述后方而降低。
3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其中，
所述被覆层中，所述后方部的所述金刚石的平均粒径小于所述前端部的所述金刚石的平均粒径。
4.根据权利要求3所述的切削工具，其中，
所述被覆层的所述金刚石的平均粒径随着从所述前端部朝向所述后方部而减小。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的切削工具，其中，
所述后方部的所述被覆层的厚度比所述前端部的所述被覆层的厚度薄。
6.根据权利要求5所述的切削工具，其中，
所述前端部的所述被覆层的膜厚tA与从所述前端部向后方10mm的位置处的被覆层的膜厚tB之比(tB/tA)为0.2～0.8。
7.根据权利要求6所述的切削工具，其中，
所述被覆层的厚度随着从所述前端部朝向所述后方部而变薄。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的切削工具，其中，
所述被覆层中，所述前端部的金刚石的含有比率Pt与所述后方部的金刚石的含有比率Pb之比(Pt/Pb)为1.2～2.0。
9.一种切削工具，该切削工具呈棒状且具备切削刃和切屑排出槽，所述切削刃至少设置在前端部，所述切屑排出槽与该切削刃邻接且从前端朝向后方地设置，其中，
所述切削工具具备：
基体，其由含有硬质相和粘结相的硬质合金构成；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且含有金刚石，
在所述前端部的具有所述切削刃的部位处，所述基体的表面部的所述粘结相的含有比率相对于所述基体的内部的所述粘结相的含有比率小于0.9倍，并且，在所述基体的表面具有所述被覆层，
在具有所述切屑排出槽的部位处，所述基体的表面部的所述粘结相的含有比率相对于所述基体的内部的所述粘结相的含有比率为0.9～1.1倍，并且，所述基体的表面向外部露出、或者在所述基体的表面的至少一部分上具有所述被覆层。
10.根据权利要求9所述的切削工具，其中，
在所述切削刃中，所述被覆层中的金刚石粒子的平均粒径为0.4～3μm。
11.根据权利要求9或10所述的切削工具，其中，
所述切削刃中的所述基体的表面的界面粗糙度为0.12～1.5μm，所述切屑排出槽中的所述基体的表面的界面粗糙度为0.01～0.1μm。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的切削工具，其中，
具有所述切屑排出槽的部位在所述基体的表面具有所述被覆层，所述切削刃处的所述被覆层的金刚石的含有比率高于所述切屑排出槽处的所述被覆层的金刚石的含有比率。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的切削工具，其中，
具有所述切屑排出槽的部位在所述基体的表面具有所述被覆层，所述切屑排出槽处的所述被覆层的厚度比所述切削刃处的所述被覆层的厚度薄。
14.一种切削工具，该切削工具具有旋转中心轴，且具备至少从前端侧观察时从中心部朝向外周部而设置的切削刃，其中，
所述切削工具具有：
基体；以及
被覆层，其设置于该基体的表面且含有金刚石，
在针对所述金刚石层的表面的拉曼光谱分析中，在求出来源于所述金刚石的峰值的相对于总峰值强度的SP3峰值的峰值强度比时，
所述中心部的SP3峰值强度比低于所述外周部的SP3峰值强度比。
15.根据权利要求14所述的切削工具，其中，
作为来源于所述金刚石的峰值而来源于纳米金刚石的纳米金刚石峰值至少存在于所述中心部，所述中心部的所述纳米金刚石的峰值强度比高于所述外周部的所述纳米金刚石的峰值强度比。
16.根据权利要求14或15所述的切削工具，其中，
作为来源于所述金刚石的峰值而来源于石墨的SP2峰值至少存在于所述中心部，所述中心部的所述SP2峰值的峰值强度比高于所述外周部的所述SP2峰值的峰值强度比。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的切削工具，其中，
所述前端处的所述金刚石层的厚度比后方的所述金刚石层的厚度薄。
18.一种切削加工物的制造方法，其包括：
使权利要求1至17中任一项所述的切削工具绕旋转轴旋转的工序；
使旋转的所述切削工具的所述切削刃与所述被切削件接触的工序；以及
使所述切削工具从所述被切削件离开的工序。
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