專(zhuān)利名稱(chēng)：金剛石包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種，在由碳化鎢(WC)基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體(以下，僅稱(chēng)為工具基體)的表面包覆有金剛石薄膜的金剛石包覆切削工具，尤其涉及一種，在CFRP材料、含有高Si鋁合金、石墨等難切削材料的切削加工中，經(jīng)長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的金剛石包覆切削工具(以下，稱(chēng)為金剛石包覆工具)。
背景技術(shù)：
以往，公知有在工具基體表面包覆有金剛石薄膜的金剛石包覆工具，但在以往的金剛石包覆工具中存在如下問(wèn)題成膜金剛石時(shí)，因在成膜后的冷卻過(guò)程中工具基體與金剛石薄膜的熱膨脹系數(shù)之差，在金剛石薄膜產(chǎn)生較大壓縮殘留應(yīng)力，因此，金剛石薄膜相對(duì)于工具基體的附著強(qiáng)度并不充分。為了解決這樣的問(wèn)題，例如，如專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示，提出有如下技術(shù)當(dāng)成膜金剛石時(shí)，通過(guò)具有基體成分及碳成分的中間層向硬質(zhì)合金等的基體上成膜金剛石薄膜來(lái)改善粘附性，但在該成膜技術(shù)中，存在如下問(wèn)題例如，首先在超硬基體上蒸鍍基體成分之一的 Co,之后進(jìn)行金剛石的蒸鍍，但是，若Co存在于超硬基體表面，則金剛石容易石墨化，所以得不到粘附性?xún)?yōu)異的金剛石包覆工具。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中也提出有在超硬基體上蒸鍍基體成分之一的WC，之后蒸鍍金剛石，但這時(shí)也得不到粘附性?xún)?yōu)異的金剛石包覆工具。并且，作為試驗(yàn)金剛石薄膜的粘附性改善的其他技術(shù)，例如，如專(zhuān)利文獻(xiàn)2所示， 公開(kāi)有形成SiC或SiNx作為中間層的技術(shù)，并且，如專(zhuān)利文獻(xiàn)3所示，公開(kāi)有設(shè)置金屬Si 作為中間層的技術(shù)，但是，任何情況下都存在金剛石薄膜的粘附性不充分的問(wèn)題點(diǎn)。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本專(zhuān)利公開(kāi)昭61-106494號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本專(zhuān)利公開(kāi)平4-333577號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 日本專(zhuān)利公開(kāi)平5-125542號(hào)公報(bào)現(xiàn)狀為如下近幾年的切削裝置的FA化非常顯著，并且對(duì)切削加工的節(jié)省勞力化的要求強(qiáng)烈，伴隨此，基于金剛石包覆工具的切削加工有高速化的傾向，在上述的以往包覆工具中，在一般的被切削材料的連續(xù)切削或斷續(xù)切削中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能，但用于比強(qiáng)度、比剛性高于金屬材料的CFRP或者熔敷性高的含有高Si的Al合金、石墨等難切削材料的切削加工中時(shí)，作用于金剛石薄膜的應(yīng)力、變形等在金剛石薄膜與工具基體的界面發(fā)揮作用，容易引起金剛石薄膜的剝離，較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。因此，本發(fā)明人們?yōu)榱碎_(kāi)發(fā)即使用于CFRP、含有高Si的Al合金、石墨等難切削材料的切削中也不會(huì)產(chǎn)生金剛石薄膜的剝離的金剛石包覆工具而深入研究的結(jié)果，得到了如下見(jiàn)解當(dāng)在由WC基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面成膜金剛石薄膜時(shí)，首先，以酸處理去除工具基體表面附近的CO成分，對(duì)該工具基體進(jìn)行金剛石核生成，通過(guò)在核生成結(jié)束后提高工具基體的溫度，促進(jìn)從工具基體內(nèi)部向表面?zhèn)鹊腃o的擴(kuò)散、持續(xù)進(jìn)行金剛石的成膜，從而，如圖1所示，在工具基體與金剛石薄膜的界面的金剛石薄膜側(cè)，析出形成基于擴(kuò)散的Co的Co微顆粒，該Co微顆粒在難切削材料的切削加工時(shí)，具有緩和作用于金剛石薄膜的應(yīng)力或變形的作用，所以金剛石薄膜與工具基體之間的粘附性提高，其結(jié)果，防止金剛石薄膜的剝離，經(jīng)長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而完成的，其特征為，(1) 一種金剛石包覆工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面包覆有膜厚為5 30 μ m的金剛石薄膜，其特征在于，在從上述工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)距基體表面400nm的范圍內(nèi)析出有平均粒徑為5 200nm的Co顆粒。(2)如上述(1)記載的金剛石包覆工具，其中，在上述工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)析出的Co顆粒的含有比例在距基體表面400nm的范圍內(nèi)為0. 1 20
原子％。以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明中，工具基體由將WC作為硬質(zhì)成分的WC基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成，但通過(guò)對(duì)將上述各成分配合成所希望的配合組成的原料粉末進(jìn)行成型、燒結(jié)來(lái)制造本發(fā)明的工具基體。并且，析出有Co顆粒的范圍優(yōu)選距基體表面400nm的范圍，在超過(guò)該范圍的部位析出有Co顆粒，也不會(huì)有緩和金剛石膜的應(yīng)力或變形的效果，反而有可能對(duì)耐磨性等帶來(lái)負(fù)面影響。在本發(fā)明中，首先，通過(guò)對(duì)由WC基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面，用例如由硫酸、 過(guò)氧化氫及水構(gòu)成的混合溶液進(jìn)行短時(shí)間蝕刻的酸處理，從而去除存在于工具基體表面的 Co0之后，在分散有微粒(粒徑為5 IOOnm)的金剛石顆粒的酒精中浸漬，并賦予超聲波，從而使金剛石晶種附著在工具基體表面。接著，將進(jìn)行上述酸處理的工具基體例如裝入熱燈絲CVD方式的金剛石成膜爐中，以將工具基體溫度維持在700°C的狀態(tài)，在氫與甲烷(濃度為0.5 5%左右)的混合氣體400 的氣流中，將燈絲溫度設(shè)為約2200°C，進(jìn)行大致30分鐘的初始金剛石核生成處理。金剛石的核生成結(jié)束之后，將燈絲溫度提高至約2350°C，由此將工具基體的溫度升溫至約1050°C，并進(jìn)行約20 60分鐘的成膜。而且，進(jìn)行已提高工具基體溫度及燈絲溫度的成膜處理時(shí)，工具基體維持在高溫， 從而促進(jìn)作為從工具基體內(nèi)部向工具基體表面的硬質(zhì)合金成分Co的擴(kuò)散，如圖1所示，在工具基體與金剛石薄膜的界面生成微粒即Co顆粒的析出物。在工具基體與金剛石薄膜的界面且金剛石薄膜側(cè)生成的Co顆粒在難切削材料的切削加工時(shí)，具有使作用于金剛石薄膜的應(yīng)力或變形緩和的作用，而且，Co顆粒并不是形成于金剛石薄膜表面的，所以在金剛石的成膜時(shí)，沒(méi)有引起石墨化的危險(xiǎn)性。
接著，將燈絲溫度降低至約2200°C，從而將工具基體溫度降低至約650 800°C的范圍，并通過(guò)持續(xù)進(jìn)行金剛石的成膜至變成所希望的膜厚，從而制作本發(fā)明的金剛石包覆工具。另外，若成膜的金剛石薄膜的厚度不到5 μ m，則經(jīng)長(zhǎng)期使用中能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，并能夠謀求長(zhǎng)壽命化，另一方面，若膜厚超過(guò)30 μ m，則無(wú)法保持成膜時(shí)的邊緣部的鋒利度，銳度下降，從而，在本發(fā)明中，將金剛石薄膜的膜厚定為5 30μπι。上述本發(fā)明的金剛石包覆工具中，在工具基體與金剛石薄膜的界面且金剛石薄膜側(cè)生成的Co顆粒的大小其平均粒徑若不到5nm，則在金剛石薄膜產(chǎn)生的應(yīng)力、變形的緩和效果小，并且，若平均粒徑超過(guò)200nm，則降低金剛石薄膜的強(qiáng)度，反而成為使膜剝離的原因，從而Co顆粒的平均粒徑定為5 200nm。另外，上述Co顆粒的平均粒徑能夠通過(guò)用透射型電子顯微鏡觀察、測(cè)定金剛石包覆工具的縱截面來(lái)求出。并且，在該發(fā)明中，將金剛石薄膜的膜厚定為5 30 μ m，但是膜厚脫離這個(gè)范圍時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)期使用中不能發(fā)揮優(yōu)異的耐剝離性，并無(wú)法謀求長(zhǎng)壽命化，以此為原因，在本發(fā)明中，將金剛石薄膜的膜厚定為5 30 μ m。并且，在該發(fā)明中，將在工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)析出的 Co顆粒的含有比例設(shè)為0. 1 20原子％，但若Co顆粒的含有比例脫離0. 1 20原子％的范圍，則Co顆粒的析出就不能起到緩和金剛石膜的應(yīng)力或變形的效果，從而將Co顆粒的含有比例定為0. 1 20原子％。Co顆粒的含有比例能夠通過(guò)透射型電子顯微鏡觀察金剛石薄膜截面的工具基體表面正上方，例如，能夠通過(guò)由能量分散型X射線(xiàn)分析(EDX)測(cè)定任意400X400nm的區(qū)域來(lái)求出。發(fā)明效果該發(fā)明的金剛石包覆工具在金剛石薄膜與工具基體的界面部且金剛石薄膜側(cè)析出有平均粒徑為5 200nm的Co顆粒，并且，析出的Co顆粒的含有比例在距基體表面400nm 的范圍內(nèi)為0. 1 20原子％，切削加工時(shí)作用于金剛石薄膜的應(yīng)力、變形通過(guò)上述Co顆粒的存在而被緩和，并抑制金剛石薄膜從工具基體剝離，從而，將該金剛石包覆工具用于比強(qiáng)度、比剛性高于金屬材料的CFRP或熔敷性高的含有高Si的Al合金、石墨等難切削材料的切削加工時(shí)，也防止金剛石薄膜的剝離的同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，并且謀求工具的長(zhǎng)壽命化。


圖1是在工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)距基體為400nm的范圍內(nèi)生成有微粒即Co顆粒的析出物的本發(fā)明的金剛石包覆工具的簡(jiǎn)要截面示意圖。
具體實(shí)施例方式接著，根據(jù)實(shí)施例具體地說(shuō)明該發(fā)明的金剛石包覆工具。另外，在以下對(duì)金剛石包覆鉆頭進(jìn)行說(shuō)明，但對(duì)鉆頭無(wú)任何限定。[實(shí)施例]
首先，準(zhǔn)備表1所示的均具有1 3μπι范圍內(nèi)的預(yù)定的平均粒徑的原料粉末，制備配合成同表1所示的配合組成的混合粉末，用球磨機(jī)對(duì)此進(jìn)行濕式混合72小時(shí)并干燥之后，以IOOMPa的壓力沖壓成型，形成為直徑為10mm、8mm的圓棒壓坯，燒結(jié)這些圓棒壓坯而制造燒結(jié)體，另外，通過(guò)切削加工將槽形成部的外徑加工成8mm、6mm的尺寸，此時(shí)，相對(duì)于外周邊緣部及刀刃邊緣部進(jìn)行使用粒度為#600的SiC磨粒的空氣噴射處理及使用粒度為 #1200的金剛石磨刀石的30 μ m以上的精研磨加工處理，從而制造了外徑為8mm的工具基體 1 5及外徑為6mm的工具基體6 10。接著，用以1 1 1的比例混合硫酸、過(guò)氧化氫及水的溶液，在室溫下對(duì)上述工具基體1 10實(shí)施30秒鐘蝕刻的酸處理，接著，用分散有平均粒徑為30 60nm的金剛石顆粒的IPA (異丙醇)溶液進(jìn)行超聲波清洗，從而進(jìn)行來(lái)自工具基體1 10的表面的Co成分的去除及金剛石晶種的附著處理。接著，將上述工具基體1 10裝入熱燈絲CVD方式的金剛石成膜爐中，在表2所示的條件下，進(jìn)行金剛石核生成、Co顆粒析出物的生成的同時(shí)，進(jìn)行預(yù)定膜厚的金剛石薄膜的成膜，由此制作了表3所示的本發(fā)明的金剛石包覆工具1 10 (以下，稱(chēng)為本發(fā)明1 10)。為了比較，在表4所示的條件下對(duì)上述工具基體1 10進(jìn)行金剛石的成膜，制作了表5所示的比較例金剛石包覆工具1 10 (稱(chēng)為比較例1 10)。另外，對(duì)比較例1及比較例6沒(méi)有進(jìn)行工具基體的酸處理，因此，存在于工具基體表面的Co沒(méi)有被去除。對(duì)上述本發(fā)明1 10、比較例1 10用透射型顯微鏡觀察工具基體與金剛石薄膜的界面部的縱切面，并在10處測(cè)定在工具基體與金剛石薄膜的界面部即金剛石薄膜側(cè)距基體400nm的范圍內(nèi)析出的Co顆粒的粒徑，并計(jì)算其平均值，由此求出Co顆粒的平均粒徑。并且，同樣地對(duì)上述本發(fā)明1 10、比較例1 10用透射型顯微鏡觀察金剛石薄膜截面的工具基體表面正上方，通過(guò)能量分散型X射線(xiàn)分析(EDX)測(cè)定任意的400X400nm 的區(qū)域，并求出析出的Co顆粒的含有比例。將這些測(cè)定值示于表3、表5。
權(quán)利要求
1.一種金剛石包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面包覆有膜厚為5 30 μ m的金剛石薄膜，其特征在于，在上述工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)距基體為400nm的范圍內(nèi)析出有平均粒徑為5 200nm的Co顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的金剛石包覆切削工具，其中，在上述工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)析出的Co顆粒的含有比例在距基體表面400nm的范圍內(nèi)為0. 1 20原子％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金剛石包覆切削工具，其在鋁合金或石墨、CFRP材料等難切削材料的切削加工中粘附性?xún)?yōu)異，經(jīng)長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。一種金剛石包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面包覆有膜厚為5～30μm的金剛石薄膜，其中平均粒徑為5～200nm的Co顆粒在上述工具基體與金剛石薄膜的界面部的金剛石薄膜側(cè)析出，Co顆粒的含有比例為0.1～20原子％。
文檔編號(hào)C23C16/27GK102198523SQ20111004304
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者千葉一, 大島知, 高岡秀充 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社