TW202231387A - 鑽石工具 - Google Patents

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原田高志
久木野暁
渡部直樹
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日商住友電工硬質合金股份有限公司
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Abstract

本發明之鑽石工具至少於刀尖具有鑽石，上述鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子，上述鑽石粒子包含鑽石相與石墨相，上述鑽石相由鑽石之結晶結構構成，上述石墨相由石墨之結晶結構構成，於藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法對上述鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自石墨相中之碳之π鍵的π *峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及鑽石相中之碳之σ鍵的σ *峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，刀尖之表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*為0.1～2，並且從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向為0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*為0.001～0.1。

Description

鑽石工具
本發明係關於一種鑽石工具。
於加工以鋁合金為代表之非鐵金屬、碳纖維強化塑膠(CFRP)、玻璃纖維強化塑膠(GFRP)、陶瓷、陶瓷基質複合材料(CMC)及超硬合金等難切削性之被切削材料之情形時，先前廣泛使用刀尖實質上包含鑽石之鑽石工具。然而，對於該種被切削材料，加工時無法使用切削油(以下，亦記為「冷卻劑」)之情形較多。於該情形時，因加工時刀尖之磨耗變得嚴重，故需要提高鑽石工具之耐磨耗性。
對於上述需求，日本專利特開2005-088178號公報(專利文獻1)揭示了一種藉由放電加工而於後隙面積極析出石墨層之鑽石燒結體工具。關於該鑽石燒結體工具，後隙面之耐磨耗性因上述石墨層具有之潤滑性而提高。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-088178號公報
[發明所欲解決之問題] 上述專利文獻1中揭示之鑽石燒結體工具因鑽石在刀尖表面所占之比率降低，故刀尖強度不足以切削超硬合金等難削材，從而有頻繁發生缺損之傾向，在此點上存在改良之餘地。因此，尚未實現維持基於石墨層之潤滑性的優異之耐磨耗性，同時憑藉充分地具備切削難削材所需要之刀尖強度而耐缺損性亦優異之鑽石工具，其開發備受期待。
鑒於上述實際情況，本發明之目的在於提供一種尤其耐缺損性得到提高之鑽石工具。
本發明之鑽石工具係至少於刀尖具有鑽石者，上述鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子，上述鑽石粒子包含鑽石相與石墨相，上述鑽石相由鑽石之結晶結構構成，上述石墨相由石墨之結晶結構構成，於藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法對上述鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自上述石墨相中之碳之π鍵的π*峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及上述鑽石相中之碳之σ鍵的σ*峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。
[發明之效果] 根據本發明，可提供一種尤其耐缺損性得到提高之鑽石工具。
[本發明之實施方式之說明] 本發明者等為解決上述問題而反覆進行潛心研究，達成了本發明。具體而言，著眼於在使用雷射將鑽石(例如單晶鑽石或無黏結劑多晶鑽石)形成工具形狀，並且對刀尖形狀進行精加工之步驟中，使位於刀尖表面之鑽石粒子之鑽石相中生成不會對其強度造成不良影響之適量之石墨相。於該情形時，本發明者等人發現工具之滑動性藉由上述石墨相之潤滑效果而得到改善，從而完成與鑽石粒子原本具備之硬度相結合，耐缺損性顯著提高之鑽石工具。
首先列舉本發明之實施態樣進行說明。 [1]本發明之一態樣之鑽石工具係至少於刀尖具有鑽石者，上述鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子，上述鑽石粒子包含鑽石相與石墨相，該鑽石相由鑽石之結晶結構構成，該石墨相由石墨之結晶結構構成，於藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法對上述鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自上述石墨相中之碳之π鍵的π*峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及上述鑽石相中之碳之σ鍵的σ*峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。具有此種特徵之鑽石工具可提高耐缺損性。
[2]從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置處之上述鑽石粒子的上述比I π*/I σ*較佳為0.001～0.1。藉此，可進一步提高鑽石工具之耐缺損性。
[3]上述鑽石較佳為單晶鑽石、無黏結劑多晶鑽石或多晶燒結鑽石。藉此，可進一步提高於刀尖具備單晶鑽石、無黏結劑多晶鑽石或多晶燒結鑽石之鑽石工具之耐缺損性。
[4]上述鑽石工具較佳為包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線，上述切削面經由上述稜線連接至上述後隙面，上述鑽石工具係以上述切削面之一部分、上述後隙面之一部分及上述稜線構成刀尖，上述刀尖之表面為上述刀尖之至少一部分之表面。藉此，可提高鑽石工具之刀尖之耐缺損性。
[本發明之實施方式之詳情] 以下，對本發明之實施方式(以下，亦記為「本實施方式」)進行詳細說明。以下說明中「A～B」之形式之記法意指範圍之上限下限(即A以上B以下)，於A未記載單位，僅B記載單位之情形時，A之單位與B之單位相同。
[鑽石工具] 本實施方式之鑽石工具係至少於刀尖具有鑽石者。基於刀尖具有之鑽石中之鑽石粒子之特徵，上述鑽石工具與該種先前公知之鑽石工具相比，可顯著提高耐缺損性。因此，本實施方式之鑽石工具例如作為切削工具適合用於以下用途：鑽孔器、端銑刀、鑽孔器用刀尖更換型切削刀片、端銑刀用刀尖更換型切削刀片、銑削加工用刀尖更換型切削刀片、車削加工用刀尖更換型切削刀片、金屬用鋸、齒輪切製工具、鉸刀、螺絲攻等。進而，上述鑽石工具亦適合用作研削工具，如模具、刻劃器、刀輪、修整器等耐磨工具、以及研削磨石等。
本說明書中「刀尖」意指鑽石工具所具有之切削刃中直接參與被切削材料之加工之部分。進而，將上述「刀尖」之表面定義為「刀尖表面」。該「刀尖表面」之位置係從該刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0 μm之深度位置。本說明書中「切削面」意指切削時將從上述被切削材料削去之切削屑排出之面，「後隙面」意指切削時與上述被切削材料之切削面對向之面。上述鑽石工具較佳為包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線。於該情形時，上述切削面經由上述稜線連接至上述後隙面。進而，上述鑽石工具較佳為以上述切削面之一部分、上述後隙面之一部分及上述稜線構成刀尖，上述刀尖之表面為上述刀尖之至少一部分之表面(切削面之一部分之表面、後隙面之一部分之表面及稜線上之至少任一者)。本實施方式之鑽石工具存在以下情形：以上述稜線、以及於切削面側及後隙面側分別距該稜線500 μm之區域構成刀尖。
此處，上述刀尖之形狀具有銳邊(切削面與後隙面交叉之稜)、搪磨(賦予銳邊曲線而成者)、負刃帶(進行倒角而成者)、組合搪磨與負刃帶而成之形狀等。因此，於刀尖為銳邊形狀之情形時，於切削面及後隙面交叉之交界處具有稜線，但於具有搪磨形狀之情形及具有負刃帶形狀之情形時，不具有上述稜線。然而，本說明書中，即便於該等情形時，亦視為於搪磨之形狀部及負刃帶之形狀部存在將鑽石工具之切削面延長所得之假想之切削面、將後隙面延長所得之假想之後隙面、及該等假想之切削面及後隙面交叉之假想之稜線，於後文進行說明。
本實施方式之鑽石工具如上所述至少於刀尖具有鑽石。上述鑽石工具較佳為具有藉由接著層將鑽石與母材結合而一體化之構造。關於母材，可使用任意先前公知之用於該種工具之基材。此種母材之素材較佳為例如超硬合金(例如WC基超硬合金、除WC以外亦含有Co者、或者亦含有添加Ti、Ta、Nb等之碳氮化物者)、金屬陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等為主成分者)、及高速鋼及陶瓷(碳化鈦、碳化矽、氮化矽、氮化鋁、氧化鋁等)中之任一者。
作為母材之素材，較佳為於其中選擇超硬合金(尤其是WC基超硬合金)或金屬陶瓷(尤其是TiCN基金屬陶瓷)。該等素材由於在高溫下之硬度與強度之平衡優異，具有適於使用鑽石工具之用途之特性。於使用WC基超硬合金作為母材之情形時，其組織中可包含游離碳、以及被稱為η相或ε相之異常層等。進而，母材亦可為其表面經改質而成者。例如為超硬合金之情形時，可於其表面形成脫β層，或者為金屬陶瓷之情形時，可形成表面硬化層。母材即便表面經過改質，亦可呈現所期望之效果。於鑽石工具為鑽孔器或端銑刀等之情形時，母材有時被稱為柄等。進而於鑽石工具為刀尖更換型切削刀片等之情形時，母材包含具有斷屑器者，亦包含無斷屑器者。又，本實施方式之鑽石工具可為不包含母材之態樣，例如可具有僅由鑽石所構成之態樣。上述鑽石工具亦可包含下述覆膜，該覆膜覆蓋包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線的刀尖之至少一部分。
＜鑽石＞ 如上所述，本實施方式之鑽石工具至少於刀尖具有鑽石。上述鑽石具體而言較佳為單晶鑽石(以下，亦稱為「SCD」)、無黏結劑多晶鑽石(以下，亦稱為「BLPCD」)或多晶燒結鑽石(以下，亦稱為「PCD」)。
例如於鑽石為SCD之情形時，該SCD可藉由執行高溫高壓合成(HPHT)法、化學氣相蒸鍍(CVD)法等先前公知之製造方法來準備。
於鑽石為BLPCD之情形時，該BLPCD可藉由以下操作來準備：藉由上述HPHT法以石墨為起始材料轉換為鑽石粒子，同時在不使用結合材料的情況下燒結上述鑽石粒子，而使其等結合。例如BLPCD可藉由將石墨於1800～2500℃及15～25 GPa之高溫高壓下直接轉換為鑽石粒子，同時燒結上述鑽石粒子而製作。即，BLPCD係鑽石粒子彼此不經由黏合劑(結合材料)而相互結合之多晶鑽石。
於鑽石為PCD之情形時，該PCD可藉由燒結將鑽石粒子與結合材料混合所得之混合物來準備。於該情形時，上述PCD中之鑽石粒子之含量相對於PCD之總量(100體積%)，較佳為80體積%以上99體積%以下，結合材料與不可避免之雜質之合計含量較佳為1體積%以上20體積%以下。
於鑽石粒子之含量相對於PCD之總量為80體積%以上之情形時，基於鑽石粒子之物性，PCD之強度維持得較高，因此耐缺損性提高。另一方面，於鑽石粒子之含量相對於PCD之總量為99體積%以下之情形時，可確保鑽石粒子彼此之結合所需之結合材料之量，因此可抑制缺陷之增加。藉此，可防止產生以缺陷為起點之缺損，從而提高耐缺損性。PCD中之鑽石粒子之含量更佳為相對於PCD之總量為85體積%以上97體積%以下。
上述結合材料較佳為包含選自週期表中之第8、9及10族元素(鐵族元素：Fe、Co、Ni)中之至少1種元素、以及其等之相互固溶體中之任一者。結合材料具體而言為Co、Co-Fe、Ni-Co等。
此處，上述SCD及BLPCD中碳之含量除去雜質元素後實質上為100體積%。上述雜質元素之含有率更佳為5質量%以下。雜質元素有時為選自由稀土類元素、鹼土類金屬、Co、Fe、Ni、Ti、W、Ta、Cr及V所組成之群中之1種以上之金屬元素。進而，雜質元素有時亦為選自由氮、氧、硼、矽及氫所組成之群中之1種以上之非金屬元素或半金屬元素。上述SCD及BLPCD中雜質元素之含有率亦可為0質量%。雜質元素之種類及含量例如可藉由使用二次離子質譜法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)而求得。
進而，於鑽石為BLPCD或PCD之情形時，構成BLPCD或PCD之鑽石粒子之D 50(平均粒徑)並無特別限定，例如可為0.005～100 μm。通常情況下，D 50越小，則越存在BLPCD或PCD之硬度提高之傾向，粒徑之差異越小，則越存在BLPCD或PCD之性質變為均質之傾向。
構成BLPCD或PCD之鑽石粒子之D 50可藉由使用市售之圖像解析軟體(商品名：「WinROOF」，三谷商事股份有限公司製造)，對利用掃描式電子顯微鏡(SEM，商品名：「JSM-7800F」，日本電子股份有限公司製造)拍攝之BLPCD之組織照片進行解析而求得。更具體而言，首先從基於下述製造方法製造之鑽石工具之刀尖採取BLPCD或PCD之樣品，對上述BLPCD或PCD之樣品之表面進行鏡面研磨。繼而，藉由使用上述SEM於5000～20000倍之倍率下觀察上述樣品之鏡面研磨面之反射電子像，從反射電子像中特定出複數個鑽石粒子，進而使用上述圖像解析軟體算出上述反射電子像中之各鑽石粒子之圓相當徑。較佳為藉由觀察5視野以上來算出100個以上鑽石粒子之圓相當徑。
其次，將各圓相當徑從最小值至最大值按照升序排列，求得累積分佈。累積分佈中累積面積為50%之粒徑為D 50。再者，圓相當徑意指具有與測量所得之鑽石粒子之面積相同之面積之圓的直徑。
(鑽石粒子中之石墨之存在比率(比I π*/I σ*)) 如上所述，本實施方式之鑽石工具中位於刀尖之鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子。上述鑽石粒子包含鑽石相與石墨相，上述鑽石相由鑽石之結晶結構構成，上述石墨相由石墨之結晶結構構成。對於上述鑽石粒子，藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法(以下，亦稱為「TEM-EELS法」)來測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自上述石墨相中之碳之π鍵的π*峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及上述鑽石相中之碳之σ鍵的σ*峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。藉此，鑽石工具可提高耐缺損性。
如上所述，關於本實施方式之鑽石工具，刀尖表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*為0.1～2，並且從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。藉此，上述鑽石工具可於刀尖中以不會對其強度造成不良影響之適度之比率具有石墨。於該情形時，刀尖表面之石墨基於其軟質性而發揮如潤滑劑之作用，藉此可改善工具之滑動性，從而提高耐缺損性。尤其是，從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置處之比I π*/I σ*較佳為0.001～0.1。於該情形時，可進一步提高鑽石工具之耐缺損性。
此處，使用圖1對位於刀尖表面之鑽石粒子進行說明。圖1係說明藉由將本實施方式之鑽石工具之位於刀尖表面之鑽石粒子沿著與上述刀尖之表面之法線方向平行之面切斷所得之剖面之一部分的說明圖。圖1中鑽石粒子係SCD。即，圖1所示之剖面係藉由將構成上述SCD之1粒鑽石粒子沿著與刀尖表面之法線方向平行之面切斷所得者。圖1之鑽石粒子20從刀尖之表面向刀尖內部區域13依序具有第1區域11及第2區域12。第1區域11係從刀尖表面至沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a之區域。第2區域12係從與上述深度位置11a之界面，至從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a之區域。
鑽石粒子20具有一體不可分之第1區域11、第2區域12及刀尖內部區域13。於本說明書中「一體不可分」意指構成鑽石粒子20之晶格分別於第1區域11與第2區域12之界面處、及第2區域12與刀尖內部區域13之界面處連續，並且上述晶格於第1區域11與第2區域12之界面處、及第2區域12與刀尖內部區域13之界面處未劈開。即於本說明書中，第1區域11與第2區域12之界面處、及第2區域12與刀尖內部區域13之界面處之兩者意指以下界面，即在上述鑽石粒子20中，為了於從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a、及從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a處分別測定表示石墨存在比率之比I π*/I σ*，而方便起見於鑽石粒子20之剖面上設置的界面。以下，對使用TEM-EELS法測定表示石墨存在比率之比I π*/I σ*之方法進行說明。
(使用TEM-EELS法之石墨之存在比率(比I π*/I σ*)之測定方法) 首先，基於下述之製造方法製造鑽石工具。繼而，從上述鑽石工具之刀尖採取鑽石(SCD、BLPCD或PCD，圖1中為SCD)之樣品，使用氬離子切片機將上述樣品沿著與刀尖表面之法線方向平行之面切斷，藉此製作厚度為3～100 nm之切片。進而，使用透射電子顯微鏡(TEM，商品名：「JEM-2100F/Cs」，日本電子股份有限公司製造)以10萬～100萬倍觀察上述切片，藉此得到上述樣品中之位於刀尖表面之鑽石粒子20之剖面透射像。
其次，於上述剖面透射像中，分別特定出上述鑽石粒子20中之刀尖之表面位置、鑽石粒子20中之從刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a、及鑽石粒子20中之從刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a。進而，應用電子能量損失光譜法(EELS法)，於鑽石粒子20中之刀尖之表面位置、從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a、及從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a處，於與刀尖之表面平行之方向上掃描1 nm之觀測點，例如掃描10 nm，藉此觀測碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失(K邊緣)。藉由以上操作，分別繪製於鑽石粒子20之刀尖之表面位置、從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a、及從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a處的碳之K殼層電子之激發所伴隨之300 eV左右之能量損失曲線。
最後，根據藉由觀測鑽石粒子20之刀尖之表面位置而繪製出之上述能量損失曲線，得到源自石墨相中之碳之π鍵的π *峰之強度(I π*)、源自石墨相中之碳之σ鍵及鑽石相中之碳之σ鍵的σ *峰之強度(I σ*)。繼而，藉由將I π*除以I σ**可求得比I π*/I σ*。根據藉由觀測從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a而繪製出之上述能量損失曲線、及觀測從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a而繪製出之上述能量損失曲線，亦可分別以相同之要領求得比I π*/I σ*。
於該情形時，關於本實施方式之鑽石工具，上述刀尖之表面之鑽石粒子20之比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a處的鑽石粒子20之比I π*/I σ*為0.001～0.1。尤其是，從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a處之鑽石粒子20之比I π*/I σ*較佳為0.001～0.1。
進而，上述刀尖之表面之鑽石粒子20之比I π*/I σ*較佳為0.6～1，從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置12a處之鑽石粒子20之比I π*/I σ*較佳為0.002～0.01。從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置11a處之鑽石粒子20之比I π*/I σ*更佳為0.002～0.01。
此處，於上述測定方法中，準備刀尖之切削面側及後隙面側各自位於刀尖表面之鑽石粒子之剖面透射照片各1張(合計2張)。在基於上述2張鑽石粒子之剖面透射照片，求得上述刀尖之表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*、及從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*之情形時，藉由至少任一張剖面透射照片滿足上述比率，可提高作為測定對象之鑽石工具之耐缺損性。於上述鑽石工具之上述2張剖面透射照片兩者均滿足上述比率之情形時，可進一步顯著提高耐缺損性。上述比I π*/I σ*意指π *峰之峰值與σ *峰之峰值之比。又，π *峰及σ *峰可藉由下述操作得到：於刀尖之表面位置、從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置、及從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置之測定部位，於與刀尖之表面平行之方向上掃描1 nm之觀測點，例如掃描10 nm，將測定所得之結果進行累計，並且將其繪製成能量損失曲線。此處，作為上述掃描長度之10 nm可於1～100 nm之間任意變更。
再者，於本實施方式之鑽石工具中刀尖之鑽石為BLPCD或PCD之情形時，亦可藉由上文所述之與上述鑽石為SCD之情形時相同之方式，求得鑽石粒子之刀尖之表面位置、從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置、及從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之各比I π*/I σ*之值。
又，本實施方式之鑽石工具有時於從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置、或者從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置，存在與位於刀尖表面之鑽石粒子不同之其他鑽石粒子。但是即便於該情形時，只要測定出表示石墨存在比率之比I π*/I σ*，亦可將上述其他鑽石粒子視為位於刀尖表面之鑽石粒子而應用上述TEM-EELS法，求得該等深度位置處之比I π*/I σ*。
＜作用效果＞ 如上所述，本實施方式之鑽石工具刀尖之表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*為0.001～0.1。藉此，位於刀尖之鑽石粒子中可具有不會對其強度造成不良影響之適量之石墨相。於該情形時，上述石墨相基於其軟質性而發揮如潤滑劑之作用，藉此可改善工具之滑動性，從而提高耐缺損性。本實施方式之鑽石工具之耐磨耗性亦藉由上述石墨相之如潤滑劑之作用而提高。進而，本實施方式之鑽石工具之從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置處的鑽石粒子之比I π*/I σ*較佳為0.001～0.1。於該情形時，可進一步提高耐缺損性。
[鑽石工具之製造方法] 本實施方式之鑽石工具除了對刀尖執行之下述對刀尖進行精加工的步驟以外，可藉由進行先前公知之鑽石工具之製造方法而製造。例如，較佳為藉由使用以下製造方法來製造本實施方式之鑽石工具。
本實施方式之鑽石工具之製造方法較佳為至少包括：準備上述鑽石工具中位於刀尖之鑽石之步驟(第1步驟)；將上述鑽石切割為規定之工具形狀之步驟(第2步驟)；藉由硬焊將上述切割為工具形狀之鑽石與母材接合之步驟(第3步驟)；藉由對與母材接合之鑽石進行雷射加工來對鑽石工具之刀尖進行精加工之步驟(第4步驟)。再者，於鑽石工具僅由鑽石所構成之態樣之情形時，由於不使用母材，故不需要進行上述第3步驟，有時會對在上述第2步驟中切割為規定之工具形狀之鑽石直接執行雷射加工，藉此進行上述第4步驟。
＜第1步驟＞ 第1步驟係準備上述鑽石工具中位於刀尖之鑽石之步驟。於第1步驟中，具體而言，準備SCD、BLPCD或PCD作為上述鑽石。SCD、BLPCD及PCD之三者均可藉由使用用以獲得其之先前公知之製造方法來準備。例如SCD可藉由使用先前公知之HTHP法、CVD法等來準備。進而，BLPCD可藉由下述操作來準備：藉由以石墨為起始材料使用先前公知之HTHP法進行燒結而轉換為鑽石粒子，同時使上述鑽石粒子彼此結合。PCD可藉由燒結將結合材料、及藉由先前公知之HTHP法等製造之鑽石粒子混合而成之混合物來準備。
＜第2步驟＞ 第2步驟係將上述鑽石(SCD或BLPCD)切割為規定之工具形狀之步驟。第2步驟亦可藉由先前公知之方法進行。例如藉由先前公知之使用放電加工機之放電加工、使用研削加工機之研削加工及使用雷射加工機之雷射加工中之至少任一者，可將上述鑽石切割為規定之工具形狀。換言之，第2步驟係藉由使用規定之手段對鑽石進行粗加工及精密加工，而將其切割為規定之工具形狀之步驟。例如於鑽石工具為車削加工用刀尖更換型切削刀片之情形時，較佳為將上述鑽石切割為長度為2～6 mm、寬度為1～6 mm、厚度為0.3～2 mm之小片狀。例如於鑽石工具為鑽孔器之情形時，較佳為將上述鑽石切割為長度為0.5～5 mm、直徑為0.5～5 mm之圓柱體形狀。
＜第3步驟＞ 第3步驟係藉由硬焊將上述切割為工具形狀之鑽石與母材接合之步驟。第3步驟亦可藉由先前公知之方法進行。具體而言，可藉由硬焊將母材接合於上述切割為工具形狀之鑽石中與形成刀尖之側為相反側之端面。如上所述，母材可利用超硬合金等先前公知之材料來準備。例如作為上述母材之材料，可適合使用住友電氣工業股份有限公司製造之IGETALLOY(註冊商標，材料種類：G10E、AFU等)。母材之形狀可以與上述鑽石之形狀對應之方式形成。進而，作為硬焊，例如使用銀蠟之硬焊較適宜。藉此，於後續步驟(第4步驟)中，朝向上述鑽石照射雷射變得方便，容易將上述鑽石之刀尖供至精加工。
＜第4步驟＞ 第4步驟係藉由對與母材接合之鑽石執行雷射加工來對鑽石工具之刀尖進行精加工之步驟。藉由第4步驟，可在位於刀尖之鑽石粒子形成具有上述特徵之石墨相。於第4步驟中，對於位於刀尖之鑽石粒子，例如可於以下說明之條件下進行雷射加工。
例如於第4步驟中，較佳為使用微微秒雷射，於下述雷射照射條件下對鑽石工具之刀尖進行精加工：雷射波長為532 nm以上1064 nm以下，雷射點徑以半值寬計為5 μm以上70 μm以下，雷射焦點深度為0.5 mm以上20 mm以下，雷射輸出於加工點處為1 W以上20 W以下，雷射掃描速度為5 mm/秒以上100 mm/秒以下。於該情形時，為了避免刀尖之表面發生過熱，較佳為將壓縮空氣吹送至加工部使其冷卻。例如於使用渦流管(虹技股份有限公司製造)，將壓縮空氣吹送至加工部情形時，可藉由渦流效應獲得與室溫相比溫度較低之冷風，而更加有效地進行冷卻。藉此，可將刀尖之表面(表面附近區域，例如距表面0.5 μm以內，較佳為0.2 μm以內)之鑽石粒子之從鑽石之結晶結構向石墨之結晶結構的變態，控制在不會對刀尖之強度造成不良影響之適度之量。併用上述雷射加工之冷卻條件可藉由適當調整渦流管之動作條件而設定。
進而，作為上述雷射照射條件，較佳為視需要規定1 f(飛)秒以上1 μ秒以下之雷射脈衝寬度、10 Hz以上1 MHz以下之雷射重複頻率。
上述雷射照射條件中，於雷射點徑以半值寬計未達5 μm之情形時，由於雷射功率較低而存在刀尖之精加工變得困難之傾向。於雷射點徑以半值寬計超過70 μm之情形時，由於雷射功率較高而存在鑽石破裂之傾向。於雷射焦點深度未達0.5 mm之情形時，由於散焦而存在刀尖之精加工變得困難之傾向。於雷射輸出在加工點處未達1 W之情形時，由於雷射功率較低而存在刀尖之精加工變得困難之傾向。於雷射輸出在加工點處超過20 W之情形時，由於雷射功率較高而存在鑽石破裂之傾向。
於雷射掃描速度未達5 mm/秒之情形時，存在雷射過於深入刀尖內部而使鑽石破裂之傾向，於超過100 mm/秒之情形時，存在利用雷射所進行之加工基本不再進行之傾向。於雷射脈衝寬度未達1 f秒之情形時，存在利用雷射所進行之加工耗費過多時間之傾向，並且存在雷射裝置價格極其高昂之傾向。於雷射脈衝寬度超過1 μ秒之情形時，存在熱加工成為主導，從鑽石之結晶結構向石墨之結晶結構之變態變得過多之傾向。於雷射重複頻率未達10 Hz之情形時，存在熱加工成為主導，從鑽石之結晶結構向石墨之結晶結構之變態變得過多之傾向。於雷射重複頻率超過1 MHz之情形時，由於下一個雷射脈衝會在所照射之雷射脈衝之能量於加工點處消耗之前到達，故存在加工點之熱負載增大，從鑽石之結晶結構向石墨之結晶結構之變態變得過多之傾向。
＜其他步驟＞ 本實施方式之鑽石工具可包含覆膜，該覆膜覆蓋包括切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線之刀尖之至少一部分。於該情形時，作為本實施方式之鑽石工具之製造方法，較佳為包括利用覆膜被覆上述鑽石工具之步驟。該步驟可使用先前公知之方法。例如可例舉離子鍍覆法、電弧離子鍍覆法、濺鍍法及離子混合法等物理蒸鍍法。進而，亦可藉由化學蒸鍍法以覆膜被覆上述鑽石工具。
＜作用效果＞ 藉由以上，可製造本實施方式之鑽石工具。上述鑽石工具於對刀尖進行精加工時，刀尖表面之鑽石粒子之從鑽石之結晶結構向石墨之結晶結構之變態得到抑制。因此，關於上述鑽石工具，藉由TEM-EELS法對位於刀尖表面之鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，藉此求得源自石墨相中之碳之π鍵的π *峰之強度、與源自石墨相中之碳之σ鍵及鑽石相中之碳之σ鍵的σ *峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面之鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。因此，藉由上述製造方法，可得到耐缺損性提高之鑽石工具。
[附記] 以上之說明包含以下附記之實施方式。
＜附記1＞ 一種鑽石工具，其係至少於刀尖具有鑽石者， 上述鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子， 上述鑽石粒子包含鑽石相與石墨相，上述鑽石相由鑽石之結晶結構構成，上述石墨相由石墨之結晶結構構成， 於藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法對上述鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自上述石墨相中之碳之π鍵的π*峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及上述鑽石相中之碳之σ鍵的σ*峰之強度之比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。
＜附記2＞ 如附記1所記載之鑽石工具，其中上述刀尖之表面之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.6～1，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之上述鑽石粒子的上述比I π*/I σ*為0.002～0.01。
＜附記3＞ 如附記1或附記2所記載之鑽石工具，其中從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置處之上述鑽石粒子的上述比I π*/I σ*為0.002～0.01。 [實施例]
以下，例舉實施例更詳細地說明本發明，但本發明並不限定於其等。於以下之說明中，試樣1～試樣9為實施例，試樣10為比較例。
[鑽石工具之製造] ＜試樣1＞ (第1步驟) 為了製造目錄編號「NF-DNMA150408」(住友電氣工業股份有限公司)所規定之車削用刀具，藉由使用先前公知之HTHP法(於壓力6 GPa、溫度1500℃下燒結15分鐘)來準備鑽石燒結體(PCD)。構成該PCD之鑽石粒子之粒徑(D 50)為10 μm。
(第2步驟) 藉由使用市售之線放電加工機，將上述PCD切割為頂角為55°之等腰三角形(底邊6.5 mm×高度5 mm)。再者，上述車削用刀具形狀包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線，上述切削面經由上述稜線連接至上述後隙面。進而，關於上述車削用刀具形狀，係以上述切削面之一部分、上述後隙面之一部分及上述稜線構成刀尖。具體而言，關於上述車削用刀具形狀，係以上述稜線、及於切削面側及後隙面側分別距該稜線0.5 mm之區域構成刀尖。
(第3步驟) 藉由對住友電氣工業股份有限公司製造之超硬合金IGETALLOY(註冊商標，材料種類：G10E)進行加工來準備母材。藉由硬焊將該母材與上述切割為等腰三角形之PCD接合。
(第4步驟) 藉由對與上述母材接合之PCD進行研削加工而形成刀尖後，於以下照射條件下，僅對刀尖中之後隙面側執行雷射加工，藉此對上述刀尖進行精加工。
〈照射條件〉 雷射波長：1064 nm 雷射點徑：40 μm(半值寬) 雷射焦點深度：1.5 mm 雷射輸出：5 W(加工點) 雷射掃描速度：10 mm/min 雷射脈衝寬度：10 ps(微微秒) 雷射重複頻率：200 kHz。
藉由以上，得到試樣1之車削用刀具(鑽石工具)。試樣1之車削用刀具至少於刀尖具有鑽石(PCD)。上述鑽石(PCD)包含2個以上之鑽石粒子。在位於刀尖表面之上述鑽石粒子中，藉由上述第4步驟而形成由鑽石之結晶結構構成之鑽石相、及由石墨之結晶結構構成之石墨相。
＜試樣2＞ 於第4步驟中，除了僅對包含鑽石(PCD)之刀尖之切削面側執行與試樣1相同條件之雷射加工以外，藉由使用與試樣1相同之方法得到試樣2之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣3＞ 於第4步驟中，除了對包含鑽石(PCD)之刀尖中之後隙面側及切削面側之兩者均執行與試樣1相同條件之雷射加工以外，藉由使用與試樣1相同之方法得到試樣3之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣4＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之後隙面側進行雷射加工時，於上述刀尖之後隙面側，使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為10 W，除此以外，藉由使用與試樣1相同之方法得到試樣4之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣5＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之切削面側進行雷射加工時，於上述刀尖之切削面側，使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為10 W，除此以外，藉由使用與試樣2相同之方法得到試樣5之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣6＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之後隙面側及切削面側之兩者均進行雷射加工時，於上述刀尖之後隙面側及切削面側之兩者，均使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為10 W，除此以外，藉由使用與試樣3相同之方法得到試樣6之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣7＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之後隙面側進行雷射加工時，於上述刀尖之後隙面側，使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為3 W，除此以外，藉由使用與試樣1相同之方法得到試樣7之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣8＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之切削面側進行雷射加工時，於上述刀尖之切削面側，使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為3 W，除此以外，藉由使用與試樣2相同之方法得到試樣8之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣9＞ 於第4步驟中，在對包含鑽石(PCD)之刀尖之後隙面側及切削面側之兩者進行雷射加工時，於上述刀尖之後隙面側及切削面側之兩者，均使用渦流管(虹技股份有限公司製造)將壓縮空氣吹送至加工部而使其冷卻，並且將雷射輸出設為3 W，除此以外，藉由使用與試樣3相同之方法得到試樣9之車削用刀具(鑽石工具)。
＜試樣10＞ 於第4步驟中，對包含鑽石(PCD)之刀尖之後隙面側及切削面側之兩者使用磨石進行研削加工來代替雷射加工，除此以外，藉由使用與試樣3相同之方法得到試樣10之車削用刀具(鑽石工具)。
[石墨之存在比率(比I π*/I σ*)之測定] 對於位於試樣1～試樣10之車削用刀具之刀尖(後隙面側及切削面側之兩者)之表面之各鑽石粒子，分別執行上述使用TEM-EELS法之測定方法，藉此分別求得刀尖表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*、從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.2 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*、及從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*。將結果示於表1。
[切削試驗(耐缺損性試驗)] 使用試樣1～試樣10之車削用刀具，準備超硬合金(VM-40(尺寸：直徑ϕ60 mm×長度100 mm)，硬度：HRA88)作為被切削材料，於以下切削條件下切削該被切削材料。於本切削試驗中，在藉由切削上述被切削材料而於刀尖之缺損及切削屑之任一者之尺寸超過0.1 mm之時間點中止切削，對從試驗開始至該時間點之時間(單位為分鐘)進行評價。可作以下評價：上述時間越長，耐缺損性越得到提高。將結果示於表1中之「耐缺損性(min)」之項目。
＜切削條件＞ 加工機：車床 切削速度Vc：10 m/min 進給速度f：0.05 mm/rev 切削深度ap：0.05 mm/rev 切削油(冷卻劑)：無。
[表1]
   切削面側(比I π*/I σ*) 後隙面側(比I π*/I σ*) 性能
表面 深度 0.2 μm 深度 0.5 μm 表面 深度 0.2 μm 深度 0.5 μm 耐缺損性(min)
試樣1 0.005 0.005 0.005 0.9 0.5 0.005 15
試樣2 0.8 0.5 0.006 0.006 0.006 0.006 16
試樣3 1 0.5 0.005 1 0.5 0.005 19
試樣4 0.006 0.006 0.006 0.7 0.2 0.006 21
試樣5 0.7 0.2 0.005 0.005 0.005 0.005 20
試樣6 0.6 0.2 0.005 0.6 0.2 0.005 28
試樣7 0.005 0.005 0.005 0.6 0.005 0.005 31
試樣8 0.7 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 30
試樣9 0.6 0.005 0.005 0.6 0.005 0.005 41
試樣10 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 10
[探討] 試樣1、試樣2、試樣4、試樣5、試樣7及試樣8之車削用刀具係藉由上述第4步驟來製造以下鑽石工具之例：在位於刀尖之切削面側及後隙面側之表面之各鑽石粒子之任一者中，刀尖表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*均為0.1～2，並且從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*均為0.001～0.1。試樣3、試樣6及試樣9之端銑刀係藉由上述第4步驟來製造以下鑽石工具之例：在位於刀尖之切削面側及後隙面側之表面之各鑽石粒子之兩者中，刀尖表面之鑽石粒子之比I π*/I σ*均為0.1～2，並且從刀尖表面沿刀尖表面之法線方向0.5 μm之深度位置處之鑽石粒子之比I π*/I σ*均為0.001～0.1。試樣10之車削用刀具係利用先前之使用磨石之研削加工來製造鑽石工具之例。
根據表1可知，試樣1～試樣9之車削用刀具與試樣10之車削用刀具相比，耐缺損性均提高。根據以上，可作以下評價：試樣1～試樣9之車削用刀具(鑽石工具)與先前相比，耐缺損性提高。再者，根據表1亦可知，試樣3之車削用刀具與試樣1～試樣2相比，耐缺損性提高，試樣6之車削用刀具與試樣4～試樣5相比，耐缺損性進一步提高，試樣9之車削用刀具與試樣7～試樣8相比，耐缺損性進一步提高。
進而，鑒於試樣1～試樣10之結果可知，關於本發明之鑽石工具，即便於刀尖具有SCD之情形時、及具有BLPCD之情形時，藉由以與試樣1～試樣9相同之方式製作，與藉由先前之使用磨石之研削加工而製作之鑽石工具相比，耐缺損性亦提高。
如上所述，對本發明之實施方式及實施例進行了說明，但從起初便預定對上述各實施方式及實施例之構成進行適當組合或加以各種變化。
此次揭示之實施方式及實施例應被視為於所有方面均為例示，而非限制性者。本發明之範圍由申請專利範圍而非上述實施方式及實施例來表示，並且意圖包含與申請專利範圍均等之含義、及範圍內之所有變更。
11:第1區域 11a:從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置 12:第2區域 12a:從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置 13:刀尖內部區域 20:鑽石粒子
圖1係說明藉由將本實施方式之鑽石工具之位於刀尖表面之鑽石粒子沿著與上述刀尖之表面之法線方向平行之面切斷所得之剖面之一部分的說明圖。
11:第1區域
11a:從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.2μm之深度位置
12:第2區域
12a:從刀尖之表面沿刀尖之表面之法線方向0.5μm之深度位置
13:刀尖內部區域
20:鑽石粒子

Claims (5)

  1. 一種鑽石工具，其係至少於刀尖具有鑽石者， 上述鑽石含有1個或2個以上之鑽石粒子， 上述鑽石粒子包含鑽石相及石墨相，該鑽石相由鑽石之結晶結構構成，該石墨相由石墨之結晶結構構成， 於藉由使用透射電子顯微鏡之電子能量損失光譜法對上述鑽石粒子測定碳之K殼層電子之激發所伴隨之能量損失，而求得源自上述石墨相中之碳之π鍵的π*峰之強度、與源自上述石墨相中之碳之σ鍵及上述鑽石相中之碳之σ鍵的σ*峰之強度的比I π*/I σ*之情形時，上述刀尖之表面中之上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.1～2，並且從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.5 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。
  2. 如請求項1之鑽石工具，其中從上述刀尖之表面沿上述刀尖之表面之法線方向0.2 μm之深度位置處的上述鑽石粒子之上述比I π*/I σ*為0.001～0.1。
  3. 如請求項1或2之鑽石工具，其中上述鑽石係單晶鑽石、無黏結劑多晶鑽石或多晶燒結鑽石。
  4. 如請求項1或2之鑽石工具，其中上述鑽石工具包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線， 上述切削面經由上述稜線連接至上述後隙面， 上述鑽石工具係以上述切削面之一部分、上述後隙面之一部分及上述稜線構成刀尖， 上述刀尖之表面係上述刀尖之至少一部分之表面。
  5. 如請求項3之鑽石工具，其中上述鑽石工具包含切削面、後隙面、及上述切削面與上述後隙面交叉之稜線， 上述切削面經由上述稜線連接至上述後隙面， 上述鑽石工具係以上述切削面之一部分、上述後隙面之一部分及上述稜線構成刀尖， 上述刀尖之表面係上述刀尖之至少一部分之表面。
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