CN105764637B - 金刚石包覆硬质合金制切削工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上包覆形成有金刚石膜，该碳化钨基硬质合金包括3～15质量％的Co、总量为0.1～3.0质量％的TaC和NbC中的一种或两种，剩余部分由WC构成，所述工具基体表面存在多个凸部，该凸部的上部位由TaC、NbC中的一种或两种构成，位于上述上部位下方的所述凸部的下部位由WC和Co构成。

Description

金刚石包覆硬质合金制切削工具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石包覆碳化钨基硬质合金制切削工具，其在CFRP(碳纤维增强塑料)等难切削材料的高速切削加工中，具备优异的耐冲击性及粘附性，由此发挥优异的耐崩刀性及耐剥离性。
本申请主张基于2013年11月29日于日本申请的专利申请2013-247280号及2014年11月26日于日本申请的专利申请2014-238392号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
以往，已知有在由碳化钨(WC)基硬质合金(以下，称为“硬质合金”)构成的工具基体上包覆金刚石膜的金刚石包覆硬质合金制切削工具(以下，称为“金刚石包覆工具”)。以往的金刚石包覆工具中，由于工具基体与金刚石膜的粘附性不充分，因此为了改善该问题而提出了各种方案，如在形成金刚石膜之前，从硬质合金制工具基体表面去除阻碍形成金刚石的钴，并在工具基体上形成金刚石膜等。
例如，专利文献1中公开了在金刚石包覆工具中，通过对硬质合金基体分步骤地进行蚀刻处理来去除基体表面的Co(钴)，并在硬质合金基体上形成WC粒子程度的凹凸，包覆金刚石膜，由此改善金刚石膜与硬质合金制工具基体的粘附性。
并且，专利文献2中公开了在金刚石包覆工具中，在通过电解蚀刻处理而形成凹凸的硬质合金基体上包覆W(钨)等的中间层，通过在中间层上包覆金刚石膜，改善金刚石膜与工具基体的粘附性。
并且，例如，专利文献3中公开了利用金刚石包覆硬质合金制工具基体时，在硬质合金工具基体表面埋入元素周期表IVa族、Va族、VIa族的金属碳化物、碳化硅或氧化铝等的陶瓷粒子。专利文献3中，通过在这种硬质合金工具基体表面实施电解蚀刻处理而在基体表面形成凹凸，由此改善工具基体与金刚石膜的粘附性。
专利文献1：欧洲专利第519587号说明书
专利文献2：日本专利公开2000-144451号公报
专利文献3：日本专利平8-92741号公报
随着在近几年的切削加工的技术领域中强烈要求节省劳动力及节能且低成本化，切削加工越来越趋向于高速化。另一方面，将以往的金刚石包覆工具用于例如以较高的加工精度对CFRP等难切削材料进行高速切削时，要求钻头具有锋利的刀尖，因此尤其需要较高的刀尖强度，但以往的金刚石包覆工具的刀尖强度不充分，并且金刚石膜容易产生剥离。因此，在长期使用时无法发挥满意的耐崩刀性及耐磨性，其结果，大多在较短的时间达到使用寿命。
例如，如专利文献1所公开，即使在通过减少工具基体表面附近的结合相的量即Co量而进行提高金刚石膜与工具基体的粘附性的处理的情况下，也存在如下问题，由于在CFRP等的高速切削加工中对刀尖反复施加冲击，因此刀尖附近的强度不充分，发生崩刀或剥离而导致较快的达到作为切削工具的寿命。
并且，进行如专利文献2所示的预处理时，WC和Co由电解蚀刻同时溶出，因此很难维持凸部的强度，W中间层与硬质合金基体之间的粘附性也存在问题。专利文献3中，将SiC粒子埋入硬质合金基体，SiC粒子发挥阻碍蚀刻的掩蔽功能，将凸形状形成在硬质合金基体上，但WC粒子间没有间隙而难以埋入SiC粒子，也很难将作为硬质陶瓷的SiC粒子埋入于较硬的硬质合金基体。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术课题，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，并且提高金刚石包覆工具的刀尖强度，耐崩刀性及耐剥离性得到提高的切削寿命较长的金刚石包覆工具。
本发明人等对如前述的金刚石包覆工具的课题反复进行了深入研究和实验。其结果，本发明人等发现了在以往的金刚石包覆工具中，如前述为了提高金刚石膜与工具基体的粘附性而进行去除存在于工具基体的最表面的金属结合相中的Co的处理，但该Co的去除成为导致刀尖的韧性降低且刀尖强度降低的原因。
因此，为了提供例如如CFRP等的高速开孔加工或高速立铣刀加工那样，即使在切削刃上作用有高负载的切削条件中使用时，也具备优异的刀尖强度，并且长期使用时可发挥优异的耐磨性的金刚石包覆工具，针对存在于工具基体表面附近的金属结合相中的Co反复进行了深入研究。其结果，本发明人等得到了以下见解。
即，
(1)硬质合金基体含有TaC(碳化钽)、NbC(碳化铌)时，根据烧结条件，烧结时TaC、NbC在WC粒子间晶粒生长，由此WC粒子间无间隙地形成TaC、NbC晶粒。
(2)因此，存在于形成有TaC、NbC晶粒的WC粒子间的Co结合相在烧结时向TaC、NbC与WC粒子间的外侧被推出。
(3)对所述(1)、(2)的基体进行基于酸溶液(酸混合溶液)的第1预处理工序，即化学性蚀刻(稀硫酸+过氧化氢溶液)，则在基体表面附近存在TaC、NbC的部位没有进行Co蚀刻。
(4)存在于基体表面附近的TaC、NbC的紧下方存在通过酸处理(第1预处理工序)没有被去除的Co。并且，通过使用含有NaOH的碱蚀刻溶液的电解蚀刻处理(第2预处理工序)，去除TaC、NbC周围的WC粒子。并且，通过利用酸去除基体表面的Co的工序(第3预处理工序)，形成上部残留有TaC、NbC的凸部。
(5)之后，在该硬质合金基体上形成金刚石膜时，上部残留有TaC、NbC的凸部以如楔子那样陷入金刚石膜内部的形式存在，因此通过外形作用，金刚石膜的粘附性变强，崩刀及剥离得到抑制。
本发明是基于所述见解而完成的，具有以下特征。
[1]一种金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上包覆形成有金刚石膜，该碳化钨基硬质合金包括3～15质量％的Co、总量为0.1～3.0质量％的TaC和NbC中的一种或两种，剩余部分由WC构成，其中，
所述工具基体表面存在多个凸部，所述多个凸部的高度的平均值为1.0～3.0μm，宽度的平均值为0.5～6.0μm，并且以所述高度与所述宽度之比定义的纵横比的平均值为0.5～3.0，
该凸部的上部位由TaC和NbC中的一种或两种构成，位于上述上部位的下方的所述凸部的下部位由WC和Co构成。
[2]根据[1]所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，所述凸部的每单位面积的数量为500～10000个/mm2。
[3]根据[1]或[2]所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，所述金刚石膜平均膜厚为3～30μm。
[4]根据[1]至[3]中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，所述金刚石膜的表面形成有多个隆起部，所述多个隆起部的高度的平均值为1.0～3.0μm、宽度的平均值为3.0～20.0μm。
[5]根据[4]所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其特征在于，所述隆起部的每单位面积的数量为500～10000个/mm2。
[6]根据[1]至[5]中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，所述下部位中Co的含量为2～13质量％。
[7]根据[1]至[6]中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
[8]一种金刚石包覆硬质合金制切削工具的制造方法，其为[1]至[7]中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具的制造方法，所述制造方法具备：
造粒工序，使用喷雾干燥器将TaC粉末及NbC粉末中的至少一种、Co粉末和WC粉末在190～210℃下进行造粒；
烧结工序，通过对经过所述造粒工序的所述TaC粉末及NbC粉末中的至少一种、和所述Co粉末所述WC粉末进行混合，并在0.1～10Pa、1380～1500℃下保持1～2小时来进行烧结，从而形成所述工具基体；
第1预处理工序，将所述工具基体浸泡在含有稀硫酸和过氧化氢溶液的酸溶液中；
第2预处理工序，将实施了所述第1预处理工序的所述工具基体以流通1.5～2.5A/dm2的电流的状态浸泡在含有氢氧化钠的浓度5～15体积％的碱性蚀刻液中30～60分钟来进行电解蚀刻处理；
第3预处理工序，将实施了所述第2预处理工序的所述工具基体浸泡在含有稀硫酸和过氧化氢溶液的酸溶液中；及
在实施了所述第3预处理工序的所述工具基体上包覆金刚石膜的工序。
在此，本发明的“凸部的上部位”表示蚀刻的结果没有被去除而残留在凸部的金刚石膜侧的由TaC、NbC中的一种或两种构成的部分。“凸部的下部位”表示位于前述上部位的下方(凸部的工具基体侧)，且由于上方存在TaC、NbC，因此通过蚀刻没有被去除而残留的由Co和WC粒子构成的部分。另外，凸部仅由上部位和下部位构成。
本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具，在包括Co为3～15质量％、TaC、NbC中的一种或两种的总量为0.1～3.0质量％、剩余部分由WC构成的碳化钨基硬质合金的工具基体上包覆形成金刚石膜，其中，工具基体表面存在多个凸部，所述多个凸部的高度平均值为1.0～3.0μm、宽度平均值为0.5～6.0μm、及以所述高度与所述宽度之比定义的纵横比为0.5～3.0，该凸部的上部位由TaC、NbC中的一种或两种构成，位于所述上部位下方的凸部的下部位由WC和Co构成，由此提高工具基体与金刚石膜的粘附性并且提高刀尖强度。根据本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具，在CFRP等的切削加工中，能够发挥优异的刀尖强度及耐磨性，其效果巨大。并且，通过将凸部的每单位面积的数量设为500～10000个/mm2，能够进一步提高工具基体与金刚石膜的粘附性或刀尖强度，能够得到更高的效果。
附图说明
图1是示意地表示本发明的实施方式所涉及的金刚石包覆膜的剖面的膜结构示意图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。
本实施方式所涉及的金刚石包覆硬质合金制切削工具为在包括Co为3～15质量％、TaC、NbC中的一种或两种的总量为0.1～3.0质量％、剩余部分由WC构成的碳化钨基硬质合金的工具基体12上包覆形成金刚石膜5的金刚石包覆硬质合金制切削工具。如图1中示意性地表示的那样，本实施方式的金刚石包覆硬质合金制切削工具100中，工具基体12的表面存在多个凸部13，多个凸部13的高度7平均值为1.0～3.0μm、宽度6平均值为0.5～6.0μm、及以所述高度7与所述宽度6之比定义的纵横比的平均值为0.5～3.0。并且，凸部13的上部位8由TaC、NbC(符号1)中的一种或两种构成，位于上述上部位8下方的凸部13的下部位9由WC(符号2)和Co(Co结合相4)构成。
接着，对如上述规定各结构的理由、及优选结构进行说明。
(构成工具基体的硬质合金中的Co含有比例：3～15质量％)
构成工具基体12的硬质合金的Co含量小于3质量％时，工具基体12的韧性降低，切削时容易发生缺损，因此不优选。另一方面，若超过15质量％，则蚀刻处理后，在Co被去除的区域中，空隙(空孔)3所占的体积比例增加且Co被去除的区域变得脆弱，因此金刚石膜5与工具基体12的表面的界面强度降低，因此不优选。因此，将硬质合金中的Co含量设定为3～15质量％。硬质合金中的Co的含量优选为5～7质量％，但并不限定于此。
(构成工具基体的硬质合金中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含有比例：0.1～3.0质量％)
构成工具基体12的硬质合金中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含有比例小于0.1质量％时，凸部13的密度(每单位面积的数量)低于500个/mm2，无法得到所希望的凸部13的效果。另一方面，若作为硬质粒子的TaC、NbC的含有比例超过3.0质量％，则工具基体12的韧性降低且容易发生缺损。因此，将构成工具基体12的硬质合金中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含有比例设定为0.1～3.0质量％。硬质合金中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含有比例优选为0.5～1.5质量％，但并不限定于此。
(形成于工具基体表面的多个凸部的高度平均值：1.0～3.0μm)
形成于工具基体12的表面的多个凸部13的高度7平均值小于1.0μm时，凸部13的起伏较小，无法得到与金刚石膜5的充分的粘附性。另一方面，若多个凸部13的高度7平均值超过3.0μm，则有可能切削时金刚石膜5以凸部13为起点而产生剥离。因此，将形成于工具基体12的表面的多个凸部13的高度7平均值设定为1.0～3.0μm。多个凸部13的高度7平均值优选为1.5～2.0μm，但并不限定于此。
(形成于工具基体表面的多个凸部的宽度平均值：0.5～6.0μm)
形成于工具基体12的表面的多个凸部13的宽度6平均值小于0.5μm时，构成凸部13的WC成为几个粒子左右，凸部13的强度较低，无法得到与金刚石膜5的充分的粘附性。另一方面，若多个凸部13的宽度6平均值超过6.0μm，则有可能在切削时金刚石膜5以凸部13为起点而产生剥离。因此，将形成于工具基体12的表面的多个凸部13的宽度6平均值设定为0.5～6.0μm。多个凸部13的宽度6平均值优选为1.5～3.0μm，但并不限定于此。
(以形成于工具基体表面的凸部的高度与宽度之比定义的纵横比平均值：0.5～3.0)
以形成于工具基体12的表面的凸部13的高度7与宽度6之比(高度/宽度)定义的纵横比平均值小于0.5时，凸部13的起伏较小，无法得到与金刚石膜5的充分的粘附性。另一方面，凸部13的纵横比平均值超过3.0时，凸部13的强度变弱，无法得到与金刚石膜5的充分的粘附性。因此，将以形成于工具基体12的表面的凸部13的高度7与宽度6之比定义的纵横比平均值设定为0.5～3.0。纵横比平均值优选为0.7～1.3，但并不限定于此。
(凸部的每单位面积的数量：500～10000个/mm2)
形成于工具基体12表面的凸部13的每单位面积的数量优选为500～10000个/mm2。若该数量低于500个/mm2，则无法得到充分的与金刚石膜5的粘附性。另一方面、该数量超过10000个/mm2时，构成工具基体12的硬质合金中的TaC、NbC中的一种或两种的总量的比例较高、因此工具基体12的韧性降低，有可能发生缺损。因此，形成于工具基体12表面的凸部13的每单位面积的数量优选为500～10000个/mm2。凸部13的每单位面积的数量更优选为4000～7000个/mm2，但并不限定于此。
(凸部的下部位中Co的含量：2～13质量％)
形成于工具基体12的表面的凸部13的下部位9仅由WC(图1的符号2)和Co(Co结合相4)构成，下部位9中Co的含量优选为2～13质量％。此时，凸部13的下部位9的强度与工具基体12内部相比不会显著降低。因此，金刚石膜5很难以凸部13为起点而产生剥离，因此能够进一步提高与金刚石膜5的粘附性。凸部13的下部位9中Co的含量更优选为2～13质量％，但并不限定于此。
(凸部的上部位中TaC、NbC中的一种或两种的合计含量：95～100质量％)
形成于工具基体12的表面的凸部13的上部位8以TaC或NbC中的一种或两种作为主成分，上部位8中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含量优选为95～100质量％。图1的例中，仅由包括TaC或NbC的一个晶粒1构成上部位8。通过将上部位8中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含量设为上述范围，上部位中Co量减少，因此能够阻碍向下部位的蚀刻。凸部13的上部位8中的TaC、NbC中的一种或两种的合计含量更优选为95～100质量％，但并不限定于此。
(金刚石膜的平均膜厚：3～30μm)
本实施方式中，包覆工具基体12的表面的金刚石膜5的平均膜厚优选为3～30μm。若小于3μm，则长期使用时无法发挥充分的耐磨性和耐剥离性。另一方面，若金刚石膜5的平均膜厚超过30μm，则容易发生崩刀、缺损、剥离，且加工精度也降低。因此，金刚石膜5的平均膜厚优选设为3～30μm。为了兼顾工具的耐磨性和加工精度，平均膜厚更优选为10～15μm，但并不限定于此。
(形成于金刚石膜表面的隆起部的每单位面积的数量：500～10000个/mm2)
因形成于工具基体12的表面的凸部13而在金刚石膜5的表面形成有多个隆起部14时，隆起部14的每单位面积的数量优选为500～10000个/mm2。若低于500个/mm2，则由于每单位面积的凸部13的数量较少，因此无法得到与金刚石膜5的充分的粘附性。另一方面，每单位面积的隆起部14的数量超过10000个/mm2时，即凸部13的数量超过10000个/mm2时，构成工具基体12的硬质合金中TaC、NbC中的一种或两种的总量的比例较高，因此工具基体12的韧性降低，有可能发生缺损。因此，形成于金刚石膜5的表面的隆起部14的每单位面积的数量优选设为500～10000个/mm2。隆起部14的每单位面积的数量更优选为4000～7000个/mm2，但并不限定于此。
(形成于金刚石膜表面的多个隆起部的高度平均值：1.0～3.0μm)
形成于金刚石膜5表面的隆起部14的高度11平均值优选为1.0～3.0μm。此时，可得到提高金刚石膜与基体的粘附力的效果。多个隆起部14的高度11平均值优选为1.5～2.0μm，但并不限定于此。
(形成于金刚石膜的表面的多个隆起部的宽度平均值：3.0～20.0μm)
形成于金刚石膜5的表面的隆起部14的宽度10平均值优选为3.0～20.0μm。此时，切削时能够减小与被切削材的接触面积，因此能够降低切削阻力，并且提高切屑的排出性。多个隆起部14的宽度10平均值优选为8～15μm，但并不限定于此。
在此，通过在金刚石膜5的表面形成隆起部14，能够提高切削时的摩擦学特性。尤其在将金属作为对象的切削加工中，能够提高金刚石包覆硬质合金制切削工具的摩擦学特性。另一方面，没有在金刚石膜5表面设置隆起部14时(例如，通过研磨等去除由于凸部而形成的隆起部14时)，能够提高包括加工精度在内的加工特性。
(测量方法)
关于工具基体12的表面的凸部13的高度7、宽度6、以高度7与宽度6之比定义的纵横比的值及每单位面积的凸部13的数量、以及金刚石膜5的表面的隆起部14的高度11、宽度10及每单位面积的隆起部14的数量、及金刚石膜5的膜厚，优选通过如下方法确定。
首先，通过扫描式电子显微镜观察工具基体12的表面附近且与工具基体12的表面垂直的剖面。对从金刚石膜5与硬质合金基体(工具基体12)的界面(工具基体12的表面)向膜厚方向10μm、向与工具基体12的表面平行的方向100μm的观察区域得到的图像内观察到的多个凸部13及隆起部14进行测量。
测量凸部13的高度7及宽度6时，通过俄歇电子能谱法确定上述观察区域中由TaC或NbC的晶粒(图1的符号1)构成的区域，即上部位8。并且，将与工具基体12的表面平行的方向上的上部位8的宽度的最大值设为凸部13的宽度6。并且，将距离工具基体12的表面最远的上部位8上的点作为一端点，将沿膜厚方向进行线分析而检测出WC或Co为止的点作为另一端点，将两端点间的距离作为凸部13的高度7。
并且，将各自的凸部13的高度7除以宽度6，通过计算算术平均来求出各自的凸部13的纵横比。
并且，针对隆起部14的高度11，将金刚石膜5表面作为基准面，将距离基准面最远的隆起部14上的点作为一端点，将从基准面至一端点的距离作为隆起部14的高度11，利用扫描式电子显微镜进行测量。针对隆起部14的宽度10，利用激光显微镜观察金刚石膜5表面，将自基准面的高低差超过1μm的区域作为隆起部，将隆起部的轮廓(成为隆起部起点的点的集合)的最大直径作为隆起部14的宽度10。
针对金刚石膜5的平均膜厚，利用扫描式电子显微镜测量在工具的刀尖的剖面中没有形成凸部13的区域的任意5点的膜厚，计算算术平均而作为平均膜厚。
针对隆起部14的每单位面积的数量，通过扫描式电子显微镜观察金刚石膜5表面上的任意的正方形边长100μm的三个视场并进行测量。计算各视场的形成于金刚石膜5的隆起部14的每单位面积的隆起部14的数量，计算三个视场的算术平均并作为隆起部14的每单位面积的数量。
在金刚石膜5的表面形成由于形成于工具基体12表面的凸部13而产生的多个隆起部14时，将隆起部14的每单位面积的数量设为凸部13的每单位面积的数量。另一方面，没有形成由于形成于工具基体12表面的凸部13而产生的多个隆起部14时，通过采用了共焦光学系统的共焦显微拉曼光谱仪，将共焦点对准自基体表面向膜厚方向1μm的金刚石侧，扫描任意的正方形边长100μm的三个视场，进一步将表示sp3键合的峰的信号强度二维图像化。在所得到的图像中，将没有得到表示sp3键合的峰的信号强度的部位作为凸部13，计算每单位面积的凸部13的数量，计算三个视场的算术平均而作为凸部13的每单位面积的数量。
(制造方法)
能够利用如下制造方法制造前述本实施方式的金刚石包覆工具100、及其工具基体12。
(1)首先，对含有Co粉末、TaC粉末及NbC粉末中的至少一种的WC基硬质合金进行烧结。WC基硬质合金中各成分的含有比例为，Co为3～15质量％、TaC、NbC中的一种或两种的总量为0.1～3.0质量％、剩余部分为WC。在此，为了进行TaC、NbC的晶粒生长，TaC、NbC粉末粒子的粒径优选为1μm左右(详细而言为0.8～1.3μm)，更优选为1μm以下的微粒。通过烧结，TaC、NbC的晶粒生长，在WC粒子间无间隙地形成TaC、NbC的晶粒。Co粉末的粒径优选为1～2μm，WC粉末的粒径优选为0.5～1.5μm。另外，优选利用喷雾干燥器在200℃左右(190～210℃)将这些粉末进行造粒。
优选将这种粉末进行压粉，在真空气氛(0.1～10Pa)中，1380～1500℃温度下保持1～2小时后进行烧结，从而制造烧结体。
(2)接着，对所述烧结体进行研磨加工而形成硬质合金制工具基体12。
(3)作为第1预处理工序，在室温(23℃)下，在由稀硫酸(1.0体积％)和过氧化氢溶液(3体积％)组成的酸性混合溶液1L中浸泡15～25秒钟，利用蚀刻去除硬质合金基体表面附近的Co。在酸性混合溶液中，稀硫酸优选为0.4～1.0体积％，过氧化氢溶液优选为2～5体积％。并且，浸泡温度优选为20～25℃。优选通过第1预处理工序，将Co结合相的一部分去除至5～6μm深度。
(4)接着，作为第2预处理工序，在含有NaOH(50～150g)的蚀刻溶液1L(浓度5～15体积％)中以每单位面积的电流量成为1.5～2.5A/dm2的方式接通电流的状态进行30～60分钟电解蚀刻，去除基体表面的WC。通过第2预处理工序形成的凸部的形状由如下来控制：蚀刻时施加的电流量和碱性蚀刻溶液的浓度、蚀刻时间、构成硬质合金基体的TaC或NbC的量、制造基体时的TaC或NbC的原料粉的粒径、造粒工序及烧结工序。
(5)接着，作为第3预处理工序，在室温(20～25℃)下，在稀硫酸0.4～1.0体积％与过氧化氢溶液2～5体积％的酸性混合溶液1L中浸泡8～15秒钟。由此，将Co结合相的一部分去除至5～6μm深度。
(6)接着，在热丝CVD工艺中，在工具基体12上包覆平均膜厚3～30μm的金刚石膜5。
在图1中示出由上述方法制造的本实施方式的金刚石包覆工具的金刚石膜与基体的界面的剖面的示意图。利用扫描电子显微镜观察通过上述方法制造的本实施方式的金刚石包覆工具的剖面，结果确认到金刚石膜5与硬质合金工具基体12的界面存在多个凸部13，凸部13的高度7平均值为1～3μm，宽度6平均值为0.5～6μm，高度与宽度的纵横比平均值为0.5～3.0，在工具基体12的表面以陷入金刚石膜5的方式形成有凸部13。并且，在金刚石膜5的表面确认有高度为1～3μm的隆起部14。利用俄歇电子能谱法分析凸部13的剖面的组成，结果可知凸部13的上部(上部位8)由TaC和NbC1构成，凸部的下部(下部位9)由WC粒子2和Co(Co结合相4)构成。并且，在本实施方式的表面观察的试料表面的任意的正方形边长100μm的三个视场中，确认到宽度10为3～20μm的隆起部14为每单位面积500～10000个/mm2。由这种结果可知，上述制造方法起到如下作用。
即，在第1预处理工序中，工具基体12的表面的Co(Co结合相4)被去除，而存在于工具基体12表面的TaC、NbC1紧下方的Co因TaC、NbC1而被切断与酸蚀刻液的接触，因此没有被去除而残留。其结果，在TaC、NbC1紧下方通过残留的Co结合相4维持WC粒子2间的结合力。因此，即使在第2预处理工序中通过电解蚀刻去除工具基体12表面的WC2，凸部13中所含的WC粒子2也不会被去除而残留。由此，上部位8由TaC或NbC构成且下部位9由WC粒子和Co构成的凸部13形成于工具基体12上。并且，若对该工具基体12的表面进行CVD工艺，则凸部13以如楔形陷入金刚石膜5中的状态形成金刚石膜5，因此工具基体12与金刚石膜5的粘附性提高。
如上所述，金刚石包覆工具的膜的粘附性与刀尖强度之间为所谓的权衡关系，即，为了提高工具基体12与金刚石膜5的接合强度(粘附性)而去除工具基体12的表面的金属结合相(主要为Co及Co合金)，则刀尖强度降低。相反，在本实施方式中，在工具基体12表面以规定比例形成上部(上部位8)由TaC或NbC构成且下部(下部位9)由WC和Co构成的凸部13，通过这种本实施方式特有的结构来提高工具基体12表面与金刚石膜5的粘附性。本实施方式中，通过这种新颖的技术思想，解决上述粘附性与刀尖强度的问题。
接着，根据实施例对本实施方式的金刚石包覆工具进行具体说明。
另外，在此作为金刚石包覆工具的具体例，对金刚石包覆硬质合金制钻头进行了叙述，但本发明并不限定于此，当然也可以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中。
实施例
(a)作为原料粉末，将具有均为0.5～1.0μm范围内的规定平均粒径的WC粉末、Co粉末、TaC粉末、NbC粉末按表1所示的比例配合，进一步添加粘合剂(具体而言为石蜡)和溶剂(具体而言为甲苯、二甲苯、均三甲苯、四氢化萘、萘烷等)后，在丙酮中球磨混合24小时并减压干燥。之后，均推出后冲压成型，制成直径为10mm、长度为150mm的圆棒压坯，将这些圆棒压坯按照表2所示的条件，即，在1Pa的真空气氛中，1380～1500℃温度下保持1～2小时的烧结条件进行烧结，从而得到烧结体。之后，通过对该烧结体进行研磨加工来制造WC基硬质合金烧结体。
接着，通过将所述WC基硬质合金烧结体研磨加工成槽形成部的外径尺寸为φ6.5mm、长度为80mm，由此制造WC基硬质合金制钻头基体(以下，简称为“钻头基体”)。
(b)接着，在室温(23℃)下，将所述钻头基体在稀硫酸(0.5体积％)与过氧化氢溶液(3体积％)的酸性混合溶液1L中浸泡8～15秒钟，通过蚀刻将钻头基体表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分去除至5～6μm深度(第1预处理工序)
(c)另外，在以每单位面积的电流量成为1.5～2.5A/dm2的方式接通电流的状态下，将这些钻头基体在含有NaOH(80～120g)的蚀刻溶液1L中进行30分钟电解蚀刻，从而去除基体表面的WC。(第2预处理工序)
(d)接着，在室温(23℃)下，将所述钻头基体在稀硫酸(0.5体积％)与过氧化氢溶液(3体积％)的酸性混合溶液1L中浸泡8～15秒钟，通过蚀刻将钻头基体表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分去除至5～6μm深度。(第3预处理工序)
(e)接着，在配合具有0.1μm以下的一次粒径的金刚石粉末的乙醇中进行基于超声波处理的损伤处理，接着，将金刚石粉末装入热丝CVD装置中。并且，将灯丝的温度设为2200℃，使氢气与沼气以100:1的流量比流动的同时将工具基体温度维持在900℃，由此形成3～30μm膜厚的金刚石膜。
通过进行上述(a)～(e)的制造工序，制造表3所述的本实施方式的金刚石包覆WC基硬质合金制钻头(以下，简称为“本发明钻头”)1～9。另外，上述(b)～(d)的工序以表2所示的条件进行。
所述制造工序中，进行(a)工序时，根据构成硬质合金基体的TaC或NbC原料粉的量及原料粉的粒径、硬质合金的烧结温度、烧结时间、及进行(c)工序时施加的电流量与蚀刻溶液的浓度、蚀刻时间，控制形成于工具基体表面的凸部形状。
为了比较，使用按照表1所示的比例配合的原料粉末，通过与上述(a)相同的方法制造钻头基体。按照表2所示的处理时间(10～20秒钟)、室温(23℃)将钻头基体浸泡在稀硫酸(0.5体积％)与过氧化氢溶液(3体积％)的酸性混合溶液1L中，通过蚀刻将钻头基体表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分去除至5～6μm深度(第1预处理工序)。接着，以表2所示的条件，即在以每单位面积的电流量成为0.5～3.5A/dm2的方式接通电流的状态下，在含有NaOH(100g)的混合碱性溶液1L中以20～60分钟的条件进行电解蚀刻(第2预处理工序)。之后，将与本发明钻头相同的第3预处理工序进行表2的处理时间(第3预处理工序)。由此，制造表3所示的比较例的金刚石包覆WC基硬质合金制钻头(以下，简称为“比较例钻头”)1～11。
为了供参考，使用按照表1所示的比例配合的原料粉末，通过与上述(a)相同的方法，制造钻头基体。按照表2所示的处理时间(8～15秒钟)、室温(23℃)将钻头基体浸泡在稀硫酸(0.5体积％)与过氧化氢溶液(3体积％)的酸性混合溶液1L中，通过蚀刻将钻头基体表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分去除至5～6μm深度(第1预处理工序)。接着，以表2所示的条件，即，在45℃下，在铁氰化钾(100g)与NaOH(100g)的混合碱性溶液1L中浸泡30～60分钟(第2预处理工序)。并且，以表2所示的处理时间(12～15秒钟)、室温(23℃)浸泡在稀硫酸(0.5体积％)与过氧化氢溶液(3体积％)的酸性混合溶液1L中，去除钻头基体表面附近的以Co作为主成分的金属结合相的一部分(第3预处理工序)。制造表3所示的参考例的金刚石包覆WC基硬质合金制钻头(以下，简称为“参考例钻头”)1～6。
[表1]
(注)栏中的“※”表示本发明范围外。
[表2]
通过使用前述扫描式电子显微镜对本发明钻头1～9、比较例钻头1～11及参考例钻头1～6的金刚石膜的膜厚进行剖面观察，由此测量观察视场内的未形成凸部的5点的膜厚，并计算平均膜厚。
在表3中示出这些值。
并且，针对本发明钻头1～9、比较例钻头1～11及参考例钻头1～6，通过前述扫描式电子显微镜进行了剖面观察，测量形成于工具基体表面的凸部的高度、宽度及以高度与宽度之比定义的纵横比以及形成于金刚石膜的表面的隆起部的高度及宽度，求出各自的算术平均。其结果确认到，本发明钻头1～9中观察到的凸部均为，高度平均值为1.0～3.0μm、宽度平均值为0.5～6.0μm及以所述高度与宽度定义的纵横比为0.5～3.0，隆起部均为，高度平均值为1.0～3.0μm、宽度平均值为3.0～20.0μm。
并且，针对本发明钻头1～9及比较例钻头1～11及参考例钻头1～6，利用扫描式电子显微镜进行了表面观察，测量出每单位面积的隆起部的数量(表3中凸部的每单位面积的数量)。将其结果示于表3。
另外、针对未形成凸部的例子，由于未能测量这些值，因此在表3中标记为“-”。
[表3]
(注)栏中的“※”表示本发明范围外。
接着，使用所述本发明钻头1～9、比较例钻头1～11及参考例钻头1～6(钻头直径均为φ6.5mm)，按照以下条件，进行CFRP的高速钻头开孔试验。另外，以下条件中所记载的通常的切削速度为使用现有的包覆工具时的效率(一般，可加工至达到工具寿命为止的部件数量等)为最佳时的切削速度。
工件：厚度15mm的CFRP，
切削速度：240m/min(通常的切削速度为100m/min)，
进给速度：0.23mm/rev，
孔深度：15mm(贯穿孔)，
在所述切削试验中，切削的异常噪音及切削时荷载显示异常时，停止试验，并确认有无剥离、缺损。确认到剥离、缺损等时，将至今为止的开孔加工数量作为加工寿命。
并且，将直至100孔没有缺损且切削刃的中央的后刀面的磨损形态正常(没有缺损、崩刀)的情况作为本发明钻头的合格条件。
在表4中示出这些评价结果。
[表4]
由表3、4的结果明确可知，本发明钻头1～9中，在工具基体表面存在高度为1.0～3.0μm、宽度为0.5～6.0μm及以所述高度与宽度之比定义的纵横比为0.5～3.0的多个凸部，该凸部的上部位由TaC、NbC中的一种或两种构成，位于所述上部位下方的凸部的下部位由WC和Co构成。并且，由于所述凸部而形成于金刚石膜表面的隆起部的高度为1.0～3.0μm、宽度为3.0～20.0μm，且所述隆起部的每单位面积的数量为500～10000个/mm2。由此，在CFRP等的难切削材料的高速钻头开孔切削加工中，示出优异的刀尖强度，并且长期使用时发挥优异的耐磨性。
相对于此，明确可知，在如本发明钻头的工具基体表面未形成规定凸部的比较例钻头1～11及参考例钻头1～6，粘附性较差且较快达到寿命。
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中。因此，本发明的金刚石包覆硬质合金制切削工具发挥优异的刀尖强度和耐磨性，所以能够充分满足切削加工的节能化、低成本化，其产业上的可利用性极大。
符号说明
1-TaC或NbC，2-WC，3-空孔，4-Co结合相，5-金刚石膜，6-形成于基体表面的凸部的宽度，7-形成于基体表面的凸部的高度，8-上部位，9-下部位，10-形成于金刚石膜表面的隆起部的宽度，11-形成于金刚石膜表面的隆起部的高度，12-工具基体，13-凸部，14-隆起部，100-金刚石包覆硬质合金制切削工具。

Claims (16)

1.一种金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上包覆形成有金刚石膜，该碳化钨基硬质合金包括3～15质量％的Co、总量为0.1～3.0质量％的TaC和NbC中的一种或两种，剩余部分由WC构成，
所述工具基体表面存在多个凸部，所述多个凸部的高度的平均值为1.0～3.0μm，宽度的平均值为0.5～6.0μm，并且以所述高度与所述宽度之比定义的纵横比的平均值为0.5～3.0，
该凸部的上部位由TaC和NbC中的一种或两种构成，位于上述上部位的下方的所述凸部的下部位由WC和Co构成。
2.根据权利要求1所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述凸部的每单位面积的数量为500～10000个/mm2。
3.根据权利要求1所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述金刚石膜的平均膜厚为3～30μm。
4.根据权利要求2所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述金刚石膜的平均膜厚为3～30μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述金刚石膜的表面形成有多个隆起部，所述多个隆起部的高度的平均值为1.0～3.0μm，宽度的平均值为3.0～20.0μm。
6.根据权利要求5所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其特征在于，
所述隆起部的每单位面积的数量为500～10000个/mm2。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述下部位中Co的含量为2～13质量％。
8.根据权利要求5所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述下部位中Co的含量为2～13质量％。
9.根据权利要求6所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述下部位中Co的含量为2～13质量％。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
11.根据权利要求5所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
12.根据权利要求6所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
13.根据权利要求7所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
14.根据权利要求8所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
15.根据权利要求9所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具，其中，
所述上部位中，TaC和NbC中的一种或两种的合计含量为95～100质量％。
16.一种金刚石包覆硬质合金制切削工具的制造方法，其为权利要求1至15中任一项所述的金刚石包覆硬质合金制切削工具的制造方法，所述制造方法具备：
造粒工序，使用喷雾干燥器将TaC粉末及NbC粉末中的至少一种、Co粉末和WC粉末在190～210℃下进行造粒；
烧结工序，通过对经过所述造粒工序的所述TaC粉末及NbC粉末中的至少一种、所述Co粉末和所述WC粉末进行混合，并在0.1～10Pa、1380～1500℃下保持1～2小时来进行烧结，从而形成所述工具基体；
第1预处理工序，将所述工具基体浸泡在含有稀硫酸和过氧化氢溶液的酸溶液中；
第2预处理工序，将实施了所述第1预处理工序的所述工具基体以流通1.5～2.5A/dm2的电流的状态浸泡在含有氢氧化钠的浓度5～15体积％的碱性蚀刻液中30～60分钟来进行电解蚀刻处理；
第3预处理工序，将实施了所述第2预处理工序的所述工具基体浸泡在含有稀硫酸和过氧化氢溶液的酸溶液中；及
在实施了所述第3预处理工序的所述工具基体上包覆金刚石膜的工序。
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