專利名稱：：金剛石燒結(jié)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種耐磨性高、耐碎裂性高的金剛石燒結(jié)體，該金剛石燒結(jié)體非常適合用作切削工具(以旋削工具、銑刀、端銑刀為代表)的切削刃、耐磨工具(以拉絲模為代表)的材料以及電子材料(如電極元件)。
背景技術(shù)：
：金剛石是地球上最硬的物質(zhì)，并且使用金剛石晶粒作為起始物料而人工制造的金剛石燒結(jié)體被用作(例如)切削工具和耐磨工具。例如，日本專利公開No.S39-20483和S52-12126公開了通過使用鐵族金屬(例如，鈷)作為粘結(jié)劑對金剛石晶粒進行燒結(jié)而獲得的金剛石燒結(jié)體。日本專利公開No.S39-20483和S52-12126中所公開的金剛石燒結(jié)體由于對由解理性(其是單晶金剛石的缺點)引起的碎裂具有耐受性而被廣泛用作非鐵金屬(如A1-Si合金)切削用工具的切削刃材料。在這些金剛石燒結(jié)體中，金剛石平均粒徑較大(例如，平均粒徑為至少2C^ni，但不超過lOO(im)的金剛石燒結(jié)體具有較高的金剛石含量，因此其具有優(yōu)異的耐磨性。另一方面，金剛石平均粒徑較小的金剛石燒結(jié)體(例如，由平均粒徑小于5pm的金剛石微粒構(gòu)成的金剛石燒結(jié)體)具有優(yōu)異的耐碎裂性。在這種金剛石燒結(jié)體中，由平均粒徑不大于ljim的金剛石超微粒構(gòu)成的金剛石燒結(jié)體具有特別優(yōu)異的耐碎裂性。因此，改善金剛石燒結(jié)體的性能的途徑局限于通過減小起始金剛石晶粒的粒度來提高耐碎裂性，或者通過增加起始金剛石晶粒的粒度來提高耐磨性。此后，如日本專利3,327,080中所披露，人們想出在金剛石微粒上涂敷粘結(jié)劑的辦法。這種使用粘結(jié)劑進行涂敷的方法使得可以進行幾乎不存在粘結(jié)劑池、空隙和雜質(zhì)的高密度燒結(jié)。該方法使得金剛石燒結(jié)體的耐磨性得到改善(缺少耐磨性是微粒金剛石燒結(jié)體的缺點)，而且這種金剛石燒結(jié)體已經(jīng)實現(xiàn)商品化，并且進入實際應(yīng)用中。然而，即使在粘結(jié)劑池、空隙和雜質(zhì)減少的情況下，為了將金剛石微粒燒結(jié)至與耐磨性高的粗粒金剛石燒結(jié)體具有相同的高金剛石含量，也需要較高的溫度和壓力(即使在該燒結(jié)條件下可以制造金剛石的情況中也是如此)，以便克服由晶粒表面積的增加所引起的晶粒間摩擦力增加的問題。在這些情況下，對金剛石超微粒而言，由于其具有高活性而易于發(fā)生金剛石晶粒的異常生長情況。包含晶粒異常生長區(qū)域的金剛石燒結(jié)體不能使用線放電加工機(WEDM)進行切削，并且金剛石的機械強度也降低。由于在對由粒徑不大于lpm的金剛石超微粒和鐵族金屬(如鈷或碳化鎢(WC)-Co)構(gòu)成的起始物料進行燒結(jié)時，晶粒異常生長是不可避免的，因此很難以高產(chǎn)率獲得具有均勻結(jié)構(gòu)、且粒徑不大于l(im的金剛石燒結(jié)體。結(jié)果，實際上不能將粒度不大于lpm的金剛石超微粒燒結(jié)至與平均粒徑為20pm到30pm的金剛石粗粒具有相同的金剛石含量，因此，由粒度不大于lpm的金剛石超微粒構(gòu)成的金剛石燒結(jié)體的耐磨性比由平均粒徑為20)am至30pm的金剛石晶粒構(gòu)成的金剛石燒結(jié)體的耐磨性要差。日本專利3,391,231批露到，通過將平均粒徑為20pm至30pm的金剛石晶粒與平均粒徑為2pm至4pm的金剛石晶?；旌蟻砀纳颇退榱研?缺乏耐碎裂性是粗粒金剛石燒結(jié)體的缺點)。然而，這種金剛石燒結(jié)體由于含有平均粒徑為20|im至30pm的金剛石晶粒，因此，其強度低于由粒度不大于lpm的金剛石超微粒構(gòu)成的金剛石燒結(jié)體的強度，并且從實用角度上來說其可靠性也不足。日本專利申請待審公開No.2005-239472公開這樣一種金剛石燒結(jié)體，在該金剛石燒結(jié)體中，金剛石晶粒是使用包含Co和(例如)元素周期表中4、5或6族元素的碳化物的粘結(jié)劑互相結(jié)合的。為了在燒結(jié)過程中通過抑制晶粒異常生長以及增強金剛石晶粒之間的直接結(jié)合作用，來獲得具有優(yōu)異的耐磨性、耐碎裂性、抗沖擊性等的金剛石燒結(jié)體，所公開的金剛石燒結(jié)體具有特定的金剛石粒徑和含量，并且在粘結(jié)劑中具有特定含量的(例如)Co，而且含有特定形式的碳化物。然而，由于缺乏針對金剛石燒結(jié)體和硬質(zhì)合金基材之間的界面的策略，因此，拉伸應(yīng)力作用于硬質(zhì)合金基材和金剛石燒結(jié)體之間的結(jié)合部，并且該金剛石燒結(jié)體發(fā)生強度降低和/或?qū)与x的問題，因此，不可能進行穩(wěn)定的生產(chǎn)。關(guān)于金剛石燒結(jié)體中的殘余應(yīng)力，具有特定尺寸的金剛石哮結(jié)體與金剛石燒結(jié)體中殘余應(yīng)力之間的關(guān)系在文獻/.Ceraw.77[6],1562-68(1994)中有所報道。對金剛石燒結(jié)體中的殘余應(yīng)力進行測定，并且將其作為金剛石燒結(jié)體直徑、硬質(zhì)合金基材厚度和硬質(zhì)合金基材形狀的函數(shù)進行計算。結(jié)果，獲得的最大殘余壓應(yīng)力為1.5GPa。這表明，使用現(xiàn)有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)(在現(xiàn)有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)中，對包含金剛石晶粒和鐵族金屬(如，Co或WC-Co)的起始物料進行燒結(jié))不可能穩(wěn)定地制造具有1.5GPa或更高的殘余壓應(yīng)力的金剛石燒結(jié)體。此外，即使可以制造這種金剛石燒結(jié)體，在硬質(zhì)合金基材和獲得高殘余壓應(yīng)力的金剛石層之間也會產(chǎn)生大的應(yīng)變，并且由于界面處發(fā)生層離而不能進行穩(wěn)定的生產(chǎn)。專利文獻l:日本專利公開No.39-20483專利文獻2:日本專利公開No.52-12126專利文獻3:日本專利No.3327080專利文獻4:日本專利No.3391231專利文獻5:日本專利公開No.2005-239472非專利文獻1:J.Am.Ceram.Soc.，77[6]1562-68(1994)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題如上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的金剛石燒結(jié)體的耐磨性和耐碎裂性是由用作起始物料的金剛石晶粒的粒徑?jīng)Q定的，并且不可能獲得同時具有優(yōu)異的耐碎裂性和優(yōu)異的耐磨性的金剛石燒結(jié)體。本發(fā)明的目的是在具有作為微粒金剛石燒結(jié)體特性的優(yōu)異耐碎裂性的同時，提高金剛石燒結(jié)體的耐磨性。解決問題的手段為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明包含這樣一種金剛石燒結(jié)體，該金剛石燒結(jié)體具有硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層，并且該金剛石燒結(jié)體是通過在硬質(zhì)合金基材上對金剛石晶粒和粘結(jié)劑進行燒結(jié)而獲得的，其中所述燒結(jié)金剛石層包含主金剛石層和富Co金剛石層，所述富Co金剛石層的鈷含量比所述主金剛石層的鈷含量高，并且其位于所述主金剛石層和所述硬質(zhì)合金基材之間，其中所述主金剛石層的殘余壓應(yīng)力為1.5GPa至3GPa。作為探索提高耐磨性、同時又產(chǎn)生耐碎裂性(其是微粒金剛石燒結(jié)體的特性)的措施而進行的大量研究的結(jié)果，本專利申請的發(fā)明人由此發(fā)現(xiàn)通過將主金剛石層中的殘余壓應(yīng)力控制為1.5GPa至3GPa，可以顯著提高耐磨性以及耐碎裂性，其中，如日本專利3,327,080中第0004段所述，該殘余壓應(yīng)力由于產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)變導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體的強度降低而曾被認(rèn)為在實用方面可靠性不足。為了防止在硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層之間的結(jié)合部產(chǎn)生較大的應(yīng)變，在本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體中，將Co含量比主金剛石層高的富Co金剛石層沉積在硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層的主金剛石層之間所述主金剛石層的楊氏模量與所述硬質(zhì)合金基材的楊氏模量之差為該富Co金剛石層所吸收。優(yōu)選的是，本發(fā)明金剛石燒結(jié)體中的主金剛石層含有由選自碳、氮和氧中的至少一種元素與選自鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉻(Cr)和鉬(Mo)中的至少一種元素形成的化合物，該化合物的量使得選自鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬中的至少一種元素的含量為至少0.1重量％，但不超過8重量%。更優(yōu)選的是，選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的元素為Ti。所述化合物優(yōu)選為碳化鈦(TiC)和/或碳氮化鈦(TiCN)。對于該化合物而言，含有Co-Ti合金和/或Co-W-Ti合金以及微量的選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物是優(yōu)選的，這是因為這可以提高金剛石晶粒之間的結(jié)合強度。富Co金剛石層中的Co含量與主金剛石層中的Co含量之差優(yōu)選為1體積％至30體積％，更優(yōu)選為10體積％至20體積％，而富Co金剛石層的厚度優(yōu)選為至少O.Olmm，但不超過0.07mm，更優(yōu)選為至少0.02mm，但不超過0.055mm。主金剛石層中的金剛石晶粒的平均粒徑優(yōu)選為不大于10pm，更優(yōu)選為不大于5pm，甚至更優(yōu)選為不大于lpm。優(yōu)選的是，在本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體中使用的硬質(zhì)合金基材是這樣一種基材其楊氏模量為550GPa至650GPa，并且鈷含量為5.0重量％至15.0重量％;或者是這樣一種基材其含有至少0.1重量％、但不超過8重量°/。的含有鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物。據(jù)認(rèn)為，鈦以TiC、TiCN等形式存在，但是任何形式的鈦都是可以接受的，并且TiC是優(yōu)選的。主金剛石層中值為1.5GPa至3GPa的殘佘應(yīng)力是通過以下(1)至(3)的三種方法中的任意一種方法所測定的殘余應(yīng)力。(1)使用X射線衍射裝置(其采用經(jīng)Ni過濾的Cu-KcxX射線)，在40kV和45mA的激發(fā)條件下通過sin2x^法(側(cè)傾法)測定主金剛石層的(111)晶格面的X射線衍射圖譜，并且采用楊氏模量為1071GPa、泊松比為0.20的條件算出殘余壓應(yīng)力。(2)使用與上述(1)相同的方法和條件測定主金剛石層中鈷的(200)晶格面的X射線衍射圖譜，并且采用楊氏模量為lOOGPa、泊松比為0.30的條件算出殘余壓應(yīng)力。(3)使用與上述(1)中相同的方法和條件，測定主金剛石層中TiC的(200)晶格面的X射線衍射圖譜，并且采用楊氏模量為450GPa、泊松比為0.30的條件算出殘余壓應(yīng)力。本發(fā)明還提供一種切削工具用可轉(zhuǎn)位刀頭，其中，所述可轉(zhuǎn)位刀頭角部的切削刃是通過具有上述結(jié)構(gòu)的金剛石燒結(jié)體形成的。本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體在耐磨性方面以及耐碎裂性方面均具有顯著提高，這是因為本發(fā)明使金剛石燒結(jié)體內(nèi)殘留有較高的壓應(yīng)力，同時又抑制了硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層之間的結(jié)合部發(fā)生層離。據(jù)信，其具體的原因如下。通過使所述金剛石燒結(jié)體殘留有較高的壓應(yīng)力，因此，由于金剛石晶粒本身的機械強度增加并且由于金剛石晶粒之間的結(jié)合強度和金剛石晶粒-粘結(jié)劑之間的結(jié)合強度提高能夠抑制晶粒脫落，耐磨性得到顯著提高。此外，除了由于上述機械強度的提高以外，由于還可以抑制燒結(jié)金剛石層中龜裂的產(chǎn)生及其蔓延，因此，本發(fā)明金剛石燒結(jié)體的耐碎裂性也得到顯著提高。對基材而言，使用具有較高線膨脹系數(shù)的硬質(zhì)合金對產(chǎn)生高殘余壓應(yīng)力是有效的。當(dāng)同時與燒結(jié)金剛石層進行燒結(jié)的硬質(zhì)合金基材具有較高的線膨脹系數(shù)時，由于當(dāng)溫度從高燒結(jié)溫度降至常溫時，硬質(zhì)合金基材發(fā)生較多收縮而引起大的體積變化，因此壓應(yīng)力被賦予主金剛石層。另一方面，當(dāng)使用具有低楊氏模量的硬質(zhì)合金基材時，由于當(dāng)燒結(jié)過程中所用的高壓被解除時，硬質(zhì)合金基材發(fā)生較多膨脹而引起較大的體積變化，因此拉伸應(yīng)力被賦予主金剛石層。因此，通過使用具有高楊氏模量的硬質(zhì)合金基材，來使施加于主金剛石層中的拉伸應(yīng)力盡可能的小，這對產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力是有效的。然而，具有高線膨脹系數(shù)的硬質(zhì)合金具有低的楊氏模量，因此，當(dāng)不經(jīng)任何改變就使用這種硬質(zhì)合金基材時，其作用使得拉伸應(yīng)力施加于硬質(zhì)合金基材和金剛石燒結(jié)體之間的結(jié)合部，從而導(dǎo)致燒結(jié)金剛石層的強度容易發(fā)生降低的情況和/或燒結(jié)金剛石層發(fā)生層離的情況。為了避免產(chǎn)生此類問題，將富Co金剛石層沉積在硬質(zhì)合金基材和主金剛石層之間，其中，所述富Co金剛石層中的鈷含量高于主金剛石層中的鈷含量。當(dāng)該富Co金剛石層存在時，主金剛石層的楊氏模量與硬質(zhì)合金基材的楊氏模量之差被吸收，并且楊氏模量的變化得到緩解，結(jié)果賦予金剛石燒結(jié)體較高的殘余壓應(yīng)力，而不在燒結(jié)金剛石層和硬質(zhì)合金基材之間產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。這進而又能夠完全地顯現(xiàn)出提高耐磨性和耐碎裂性的效果。在以下的段落中對金剛石燒結(jié)體中的殘余壓應(yīng)力的大小、富Co金剛石層中的鈷含量以及富Co金剛石層的厚度進行限定的原因進行說明。本發(fā)明的效果本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體在耐磨性方面以及耐碎裂性方面均可達到顯著提高。這通過在主金剛石層和硬質(zhì)合金基材之間設(shè)置富Co金剛石層、并使主金剛石層中的殘余壓應(yīng)力為1.5GPa至3GPa而實現(xiàn)，其中所述富Co金剛石層中的鈷含量高于主金剛石層中的鈷含量。這能夠在金剛石燒結(jié)體內(nèi)產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，同時又能抑制硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層之間的結(jié)合部發(fā)生層離，從而使其耐磨性和耐碎裂性均得到顯著提高。因此，可以提高耐磨性，同時又具有高耐碎裂性微粒金剛石燒結(jié)體的特征。附圖簡要說明圖1為示意性示出本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體的層結(jié)構(gòu)的橫截面以及圖2為示出使用本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體作為切削刃的可轉(zhuǎn)位刀頭的例子的斜視圖。附圖標(biāo)記說明1金剛石燒結(jié)體2硬質(zhì)合金基材3燒結(jié)金剛石層4主金剛石層5富Co金剛石層6基體金屬7切削用燒結(jié)體刀頭實施本發(fā)明的最佳方式以下對本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體的實施方案進行說明。圖1示意性地示出金剛石燒結(jié)體1的層結(jié)構(gòu)。圖中的標(biāo)記2表示硬質(zhì)合金基材，而3表示在硬質(zhì)合金基材2上形成的燒結(jié)金剛石層。燒結(jié)金剛石層3由主金剛石層4和富Co金剛石層5構(gòu)成，其中，所述富Co金剛石層中的鈷含量高于主金剛石層4中的鈷含量。優(yōu)選的是，主金剛石層中的殘余應(yīng)力是值為1.5GPa至3GPa的殘余壓應(yīng)力。當(dāng)殘余壓應(yīng)力小于1.5GPa時，主金剛石層的耐磨性和耐碎裂性由用作起始物料的金剛石晶粒的粒徑?jīng)Q定，并且不能提供優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的耐碎裂性。另外，當(dāng)殘余壓應(yīng)力大于3GPa時，在結(jié)合相部分會產(chǎn)生自發(fā)斷裂，并且成為內(nèi)部缺陷的主要原因，從而導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體強度的降低以及從實用角度上來說無法滿意的可靠性。主金剛石層包含金剛石晶粒和粘結(jié)劑。主金剛石層中金剛石晶粒的尺寸優(yōu)選不太大。例如，粒徑超過20(im的金剛石晶粒會由于晶粒本身的解理而發(fā)生碎裂，因此，具有包含大于20pm的金剛石晶粒的主金剛石層的金剛石燒結(jié)體具有較差的耐碎裂性。結(jié)果，主金剛石層中的金剛石晶粒的平均粒徑優(yōu)選不大于10pm，更優(yōu)選不大于5pm，甚至更優(yōu)選不大于lpm。金剛石晶粒和粘結(jié)劑的比例為(例如)金剛石晶粒占80體積％至99體積％，而粘結(jié)劑構(gòu)成其余部分。粘結(jié)劑可以是任何含有含鈷的溶劑金屬的公知粘結(jié)劑。更優(yōu)選的是，所述粘結(jié)劑為(例如)包含由鈷、選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一種元素與選自碳、氮和氧中的至少一種元素形成的化合物的溶劑金屬。為了在主金剛石層4中施加高殘余壓應(yīng)力，主金剛石層優(yōu)選含有由選自碳、氮和氧中的至少一種元素與選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一種元素形成的化合物。通過使用含有此類化合物的粘結(jié)劑而使主金剛石層4中含有此類化合物，可以施加高殘余壓應(yīng)力。其原因如下由于這些化合物的楊氏模量高于Co的楊氏模量，因此，可通過在主金剛石層中含有這些化合物來控制主金剛石層4的楊氏模量，從而更容易使應(yīng)變保持在較小程度，并在其內(nèi)產(chǎn)生高殘余壓應(yīng)力。當(dāng)溫度由較高的燒結(jié)溫度降至常溫時，具有較高線膨脹系數(shù)的CO會經(jīng)歷較大的體積變化并變得過小，結(jié)果可以在所得的燒結(jié)金剛石層中的金剛石晶粒之間產(chǎn)生空隙。與此形成對比的是，上述的化合物具有較低的線膨脹系數(shù)，使這種化合物存在于主金剛石層4中作為一部分鈷的替代物會使體積變化較小、金剛石晶粒間的空隙較少，并且產(chǎn)生高密度燒結(jié)體。這能夠在主金剛石層內(nèi)產(chǎn)生高的殘余壓應(yīng)力。優(yōu)選的是，主金剛石層中上述選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一種元素的含量為至少0.1重量％，但不超過8重量％。在上述元素的含量小于0.1重量％時，無法充分達到在主金剛石層中產(chǎn)生引起高殘余壓應(yīng)力的效果。在上述元素的加入量超過8重量％時，以充分提供粘結(jié)劑效果的量加入Co會導(dǎo)致金剛石的含量較低，并且還會從實質(zhì)上妨礙金剛石晶粒之間的結(jié)合作用；結(jié)果，會同時降低耐磨性和耐碎裂性。更優(yōu)選的是，上述元素的含量為至少l重量％，但不超過7重量％。優(yōu)選的是，選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr禾IlMo中的元素為Ti。這是因為，在鈦化合物的情況下，其很少妨礙金剛石晶粒之間的結(jié)合作用，并且使降低主金剛石層的耐磨性和耐碎裂性的因素保持在最低程度。對此類鈦化合物而言，TiC、TiCN等是可接受的，并且TiC是優(yōu)選的。含有Co-Ti合金和/或Co-W-Ti合金以及微量的選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物也是優(yōu)選的。其原因如下上述化合物表現(xiàn)出對金剛石晶粒之間的結(jié)合作用幾乎沒有妨礙；另外，通過使用耐熱性比鈷更高的化合物來取代一部分Co粘結(jié)劑成分，可以提高所述金剛石燒結(jié)體的耐熱性，并且可以抑制由熱引起的磨耗。此外，和與金剛石過度發(fā)生反應(yīng)的粘結(jié)劑(如，純鉆)不同，上述化合物具有合適的反應(yīng)性，因此可以抑制晶粒的異常生長。主金剛石層的厚度優(yōu)選為O.lmm至1.5mm，尤其優(yōu)選為0.25mm至0.35mm。提供以下(i)至(iii)的方法作為用于在硬質(zhì)合金基材和主金剛石層之間沉積富Co金剛石層的方法的例子，但是可以采用任何的方法。(i)在該方法中，將通過向金剛石粉末中混合30重量％至60重量％的Co粉末而制得的糊狀物涂敷在硬質(zhì)合金基材上；該糊狀物被主金剛石層起始物料(通過將金剛石晶粒與粘結(jié)劑混合而獲得)覆蓋并與其接觸；然后在其上進行燒結(jié)。(ii)在該方法中，在主金剛石層用起始物料處于硬質(zhì)合金基材上并與之接觸的狀態(tài)下，通過在(CO+C02)的還原氣氛(其中CO的濃度為2%至15%)中進行熱處理(在130(TC下進行約IO分鐘)將鈷沉積在硬質(zhì)合金基材和主金剛石層起始材料之間的界面處。(iii)該方法使用含鈷的超合金基材作為硬質(zhì)合金基材。以如下的方式將高度為約lpm至100|Lim、直徑約5pm至50pm的硬質(zhì)合金突出物設(shè)置或模制到將要與主金剛石層起始物料接觸的上述超合金基材的界面上，所述方式使得突出物端面與將要層積燒結(jié)體起始物料的硬質(zhì)合金面的面積比不大于50%。雖然燒結(jié)時由于金剛石燒結(jié)體層中的溶解作用而不存在毛細管效應(yīng)，但是如此設(shè)置硬質(zhì)合金基材使得在高溫高壓燒結(jié)步驟之后能夠?qū)o控制在這些突出物周圍(硬質(zhì)合金基材和金剛石層之間的界面)，并且將主金剛石層起始粉末層積到上述硬質(zhì)合金基材上。為了充分發(fā)揮吸收硬質(zhì)合金基材2的楊氏模量與主金剛石層4的楊氏模量之差的效果，優(yōu)選的是，使富Co金剛石層5中的鈷含量高出主金剛石層4中鈷含量的1體積％至30體積％，更優(yōu)選的是，使富Co金剛石層5中的鈷含量高出10體積％至20體積％。當(dāng)富Co金剛石層5中的鈷含量高出主金剛石層4中的鈷含量的值小于1體積％時，楊氏模量幾乎沒有發(fā)生變化，那么，這就不能吸收硬質(zhì)合金基材2的楊氏模量和主金剛石層4的楊氏模量之差。結(jié)果，殘余應(yīng)變變大，并且金剛石燒結(jié)體的強度降低。當(dāng)上述Co含量之差超過30體積％時，富Co金剛石層5中的金剛石含量會下降而達到這樣的程度該層具有較低的強度，由此主金剛石層4傾向于從硬質(zhì)合金基材2上發(fā)生層離。富Co金剛石層5的厚度優(yōu)選為至少0.01mm，但不超過0.07mm，更優(yōu)選為至少0.02mm，但不超過0.055mm。當(dāng)富Co金剛石層5薄于O.Olmm時，富Co金剛石層幾乎不具有吸收楊氏模量之差的效果，結(jié)果金剛石燒結(jié)體的強度降低。當(dāng)上述厚度大于0.07mm時，主金剛石層4易于從硬質(zhì)合金基材2上發(fā)生層離。(例如)可通過改變上述方法(i)中的金剛石粉末和Co粉末的混合比例來調(diào)節(jié)富Co金剛石層的厚度?？?例如)通過測定鈷分布(例如，通過EDS分析測定)來確定富Co金剛石層的厚度。硬質(zhì)合金基材2是主成分為WC的合金基材，其中，優(yōu)選這樣的基材該基材的楊氏模量為550GPa至650GPa，并且鈷含量為5.0重量％至15.0重量％;或者優(yōu)選這樣的基材該基材含有至少0.1重量％到8重量％、包含鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物。該化合物更優(yōu)選為TiC。當(dāng)上述硬質(zhì)合金基材2的楊氏模量小于550GPa時，金剛石燒結(jié)體中的楊氏模量之差會變得過大，并且即使在設(shè)置富Co金剛石層時，這種差別也不能被吸收，而且向金剛石燒結(jié)體中施加拉伸應(yīng)力的效應(yīng)占有優(yōu)勢，從而導(dǎo)致主金剛石層易于發(fā)生層離。當(dāng)所述楊氏模量超過650GPa時，施加高壓時在硬質(zhì)合金基材中容易產(chǎn)生龜裂和裂隙，因此，燒結(jié)體的均勻性會降低，并且產(chǎn)率下降。因此，硬質(zhì)合金基材2的楊氏模量優(yōu)選為550GPa至650GPa。當(dāng)上述硬質(zhì)合金基材2的鈷含量小于5.0重量％時，滲入金剛石層中的Co容易發(fā)生量不足的情況。由于在這種粘結(jié)劑量不足的情況下金剛石晶粒之間不會充分進行結(jié)合，因此，金剛石層的耐磨性和耐碎裂性都會降低(因晶粒脫落和龜裂蔓延造成)。因此，硬質(zhì)合金基材2的鈷含量優(yōu)選為至少5.0重量％。當(dāng)上述鈷含量大于15.0重量％時，硬質(zhì)合金基材2的楊氏模量下降，并且燒結(jié)時基材中容易發(fā)生大量變形。這些變形使金剛石燒結(jié)體的均勻性降低，并且很可能造成產(chǎn)率下降。因此，硬質(zhì)合金基材2的鈷含量的上限優(yōu)選為15.0重量％。向硬質(zhì)合金基材中加入含有鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物(所述化合物的線膨脹系數(shù)高于WC的線膨脹系數(shù))使得可以控制該硬質(zhì)合金基材的線膨脹系數(shù)。雖然通過增加硬質(zhì)合金基材的鈷含量也可以提高硬質(zhì)合金基材的線膨脹系數(shù)，但是增加鈷的量會使富Co金剛石層的厚度和/或鈷含量變得過大，這易于造成金剛石燒結(jié)體在切削加工時發(fā)生層離或碎裂。另外，硬質(zhì)合金基材的楊氏模量發(fā)生下降，并且在燒結(jié)時該基材中容易發(fā)生大量變形。這些變形導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體的均勻性降低，并且很可能造成產(chǎn)率下降。因此，通過向硬質(zhì)合金基材中加入包含鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物，可以使高的內(nèi)部殘余壓應(yīng)力以較高的值存在。包含鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物在上述硬質(zhì)合金基材中的含量優(yōu)選為0.1重量％至8重量％。當(dāng)這種化合物的含量小于0.1重量％時，該含量不足以顯現(xiàn)出提高線膨脹系數(shù)的效果。當(dāng)這種化合物的含量超過8重量％時，具有高楊氏模量的WC含量的降低使金剛石燒結(jié)體的楊氏模量過低，從而導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體在切削加工時易于發(fā)生層離。這種化合物含量的更優(yōu)選的范圍為1重量％至7重量％。通過在高溫、高壓條件下(在該條件下，金剛石在熱動力學(xué)上是穩(wěn)定的)在上述硬質(zhì)合金基材2上燒結(jié)金剛石晶粒和粘結(jié)劑，來制造本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體。此處所提到的在熱動力學(xué)上穩(wěn)定的高溫和高壓條件具體是指壓力至少為5GPa，但不超過8GPa;溫度為至少約120CTC，但不超過1900。C。以下提供本發(fā)明的例子。例1使用具有表1中所示組成的硬質(zhì)合金基材制造金剛石燒結(jié)體(其被標(biāo)記為樣品No.11至20)。測定主金剛石層中的殘余壓應(yīng)力。當(dāng)將所得的金剛石燒結(jié)體用作切削工具的切削刃時，還測定切削工具的后刀面磨耗量。具體而言，如下所述制造金剛石燒結(jié)體。首先，將平均粒徑為5pm的金剛石晶粒(金剛石粉末)和粘結(jié)劑(Co粉末)進行干式混合，混合比例為80重量％的金剛石晶粒和20重量％的Co粉末。用于樣品No.16的粘結(jié)劑是16重量％的Co粉末和4重量％的鈦粉末的混合物，而用于樣品No.17的粘結(jié)劑是12重量％的Co粉末和8重量混合物填充到鉭容器中，使得該混合物接觸基材(盤狀物)；該基材由具有表1中所示的特定組成的硬質(zhì)合金構(gòu)成，并涂敷有通過向金剛石粉末中混合50重量％的Co粉末而制得的糊狀物。然后使用帶式超高壓裝置將金剛石在壓力為6.0GPa、溫度為155(TC的條件下進行燒結(jié)，燒結(jié)保持時間為IO分鐘。所用硬質(zhì)合金基材的厚度為0.3mm，并且所得主金剛石層的厚度和富Co金剛石層的厚度之和為0.4mm。通過SEM(掃描電子顯微鏡)二次電子成像法確定所得主金剛石層中的金剛石晶粒的粒徑，所得的平均粒徑為8mhi。通過以下方法對各金剛石燒結(jié)體的殘余應(yīng)力進行測定。-測定殘余應(yīng)力的方法-使用X射線衍射裝置(其采用經(jīng)Ni過濾的Cu-KaX射線)，在40kV和45mA的激發(fā)條件下通過sin2m/法(側(cè)傾法)測定主金剛石層的(lll)晶格面的X射線衍射圖譜，并且采用楊氏模量為1071GPa、泊松比為0.20的條件算出殘余壓應(yīng)力。將各金剛石燒結(jié)體加工成尺寸為長6mmx寬3mmx厚0.7mm的板狀試驗片，并且使用三點彎曲試驗法(跨距為4mm)測定各試驗片的橫向斷裂強度。制造燒結(jié)體切削用刀頭7(可轉(zhuǎn)位刀頭，IS0標(biāo)準(zhǔn)TPGN160304)，其中相對于各特定樣品的金剛石燒結(jié)體1被固定在具有圖2所示的形狀(即，主面具有等邊三角形的形狀)的基體金屬6的角部。在以下給出的條件下進行切削試驗。測定除樣品No.11和18之外(因為這些金剛石燒結(jié)體在試驗過程中發(fā)生層離)的各樣品的后刀面磨損量。將所得結(jié)果示于表1中。-切削條件-切削工件含有16重量％硅的Al合金棒切削條件外周旋削，切削速度=800m/分鐘，切削深度=0.5mm，進給速度二0.12mmZ轉(zhuǎn)，濕式切削，切削時間二5分鐘。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由表1可知，硬質(zhì)合金基材的組成的變化導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體中的殘余應(yīng)力發(fā)生較大變化，并且還導(dǎo)致金剛石燒結(jié)體的橫向斷裂強度和用作切削工具的切削刃時的后刀面磨損量發(fā)生較大變化。在樣品No.11(其在硬質(zhì)合金基材中具有最大的鈷含量，并且還具有較大的線膨脹系數(shù))的情況下，其殘余應(yīng)力也是最大的，并且超過3GPa，由于硬質(zhì)合金基材的楊氏模量低于550GPa，因此，雖然存在富Co金剛石層，但是主金剛石層與硬質(zhì)合金基材的楊氏模量之差也不能被吸收，并且主金剛石層在切削試驗中發(fā)生層離。此外，樣品No.ll的橫向斷裂強度也低于樣品No.12和13的橫向斷裂強度，這表明當(dāng)殘余壓應(yīng)力超過3GPa時，金剛石燒結(jié)體的強度降低。在樣品No.15的情況下，殘余壓應(yīng)力小于1.5GPa，結(jié)果，其在用作切削工具的切削刃時具有較大的后刀面磨損量，并且橫向斷裂強度也較低。與此形成對比的是，在樣品No.12至14以及16、17、19和20(本發(fā)明的所有產(chǎn)品，它們中的每一個的殘余壓應(yīng)力都為至少1.5GPa)的情況下，其用作切削工具的切削刃時的后刀面磨損量明顯低于樣品No.15，并且橫向斷裂強度也明顯大于樣品No.15。這表明，當(dāng)確保殘余壓應(yīng)力為1.5GPa或更大時，耐磨性和耐碎裂性得到顯著提高。即使對使用相同的硬質(zhì)合金基材而言，在樣品No.16和17(其在用于主金剛石層的粘結(jié)劑中含有鈦)的情況下，也會獲得較高的殘余壓應(yīng)力，由此耐磨性和耐碎裂性同時得到提高。然而，樣品No.17(其含有8重量％的鈦)的耐磨性和耐碎裂性比樣品No.16(其含有4重量％的鈦)要低，這表明鈦含量不超過8重量％是優(yōu)選的。另外，在硬質(zhì)合金基材中含有TiC的樣品(即TiC含量為8重量%的樣品No.19和TiC含量為4重量％的樣品No.20)同時具有得到提高的耐磨性和耐碎裂性。然而，樣品No.18(其TiC含量為12重量％)的情況下，楊氏模量降至550GPa以下，并且金剛石燒結(jié)體在切削加工時發(fā)生層離。因此，這表明，硬質(zhì)合金基材中的TiC含量優(yōu)選不超過8重量％。例2對于制成用于涂敷在硬質(zhì)合金基材上的糊狀物的金剛石粉末和Co粉末的混合量，使用表2所示的比例制造金剛石燒結(jié)體(其被標(biāo)記為樣品No.21至28)。為了比較的目的，在不施加金剛石粉和Co粉末的糊狀混合物的條件下，制造標(biāo)為樣品No.29的金剛石燒結(jié)體。對所得金剛石燒結(jié)體測定以下方面殘余壓應(yīng)力、主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差、富Co金剛石層的厚度以及在金剛石燒結(jié)體被用作切削工具的切削刃時，切削工具的后刀面磨損在本例中使用與例l相同的制造方法和制造條件制備樣品No.21至28的金剛石燒結(jié)體，同時使用具有WC-7%Co-0.1%TiC這樣組成的基材(該基材涂有通過將金剛石粉和Co粉末以表2所示的比例混合而制得的糊狀物)，并且對于用作起始物料的金剛石晶粒和粘結(jié)劑(Co粉末)的混合比例使用85重量％的金剛石粉末和15重量％的Co粉末。使用相同的起始物料制造樣品No.29:將該起始物料填充到鉭制容器中，使得其與具有WC-5%Co這樣組成的基材(其被用作硬質(zhì)合金基材)接觸；使用與例1相同的制造條件進行制造。通過SEM(掃描電子顯微鏡)二次電子成像法測定所得主金剛石層中的金剛石晶粒的粒徑，得到的平均粒徑為8pm。還使用與例1相同的測定方法測定所得金剛石燒結(jié)體的殘余壓應(yīng)力、富Co金剛石層的厚度以及其用作切削工具時，切削工具的后刀面磨損量。通過下列方法測定主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差。將所得結(jié)果收集于表2中。-測定主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差-切出尺寸約為長3mmx寬3mmx厚0.3mm的平坦正方形試驗片。對各樣品都制得兩種類型的試驗片主金剛石層處于最外層的試驗片和富Co金剛石層處于最外層的試驗片。通過將這些試驗片浸入密閉容器中的Co溶解液來進行Co溶解處理。使用Co溶解液氟硝酸，在120。C至15(TC的溫度下進行溶解處理3小時，其中所述Co溶解液氟硝酸是通過將40mL濃度為至少60%但小于65%的硝酸的2倍稀釋液與10mL濃度為至少45%但小于50。/。的氫氟酸混合而制得的。然后，對于經(jīng)處理的試驗片的主金剛石層表面和經(jīng)處理的試驗片的富Co金剛石層表面，將溶解處理所產(chǎn)生的孔隙區(qū)域的面積比計算為各層中的Co含量，并且測定這些計算值之差。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>在樣品No.21的情況下，富Co金剛石層的厚度較小，其值為0.009mm，而在樣品No.22的情況下，主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的Co含量之差不大于1體積％。結(jié)果，金剛石燒結(jié)體中的殘余壓應(yīng)力超過3GPa，并且樣品No.21和22在切削試驗(其中，這些樣品已形成切削工具的切削刃)中都發(fā)生碎裂。在樣品No.23的情況下，富Co金剛石層的厚度為0.010mm，并且主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差為1體積％，并且在這種情況下，不產(chǎn)生碎裂，而且，后刀面磨損量也低于樣品No.29(現(xiàn)有技術(shù)的金剛石燒結(jié)體)的后刀面磨損量。在樣品No.24的情況下，主金剛石層的鈷含量與富Co金剛石層的Co含量之差為10.5體積％，并且富Co金剛石層的厚度為0.020mm，此時，其后刀面磨損量低于樣品No.23的后刀面磨損量，并且觀察到最佳的耐磨性。這些結(jié)果表明當(dāng)富Co金剛石層的厚度小于0.01mm時，或者當(dāng)主金剛石層和富Co金剛石層之間的鈷含量之差小于1體積％時，通過富Co金剛石層對楊氏模量之差進行吸收幾乎不具有效果；結(jié)果，在金剛石燒結(jié)體中存在較大的殘余應(yīng)變，并且耐碎裂性不足。因此，主金剛石層中的鈷含量與富CO金剛石層中的CO含量之差優(yōu)選為至少1體積％，并且富Co金剛石層的厚度優(yōu)選為至少O.Olmm。更優(yōu)選的是，主金剛石層中的Co含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差為至少10體積％，并且富Co金剛石層的厚度為至少0.020mm。由于具有較高的Co混合比率，因此，在樣品No.27中，富Co金剛石層的厚度超過0.07mm，并且在樣品No.28中，主金剛石層中的鈷含量與富Co金剛石層中的鈷含量之差超過30體積y。。結(jié)果，富Co金剛石層不能承受切削阻力，并且主金剛石層發(fā)生層離。與之相反，在樣品No.26(其富Co金剛石層的厚度為0.070mm)的情況下，可以給金剛石燒結(jié)體賦予較高的殘余壓應(yīng)力，這使其后刀面磨損量低于樣品No.29的后刀面磨損量，并且產(chǎn)生能夠進行正常加工的效果。此外，樣品No.25(其內(nèi)的主金剛石層的Co含量與富Co金剛石層的Co含量之差為19.8體積％，并且富Co金剛石層的厚度為0.055mm)與樣品No.24—樣具有最小的后刀面磨損量，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。以上表明，當(dāng)主金剛石層中的Co含量與富Co金剛石層中的Co含量之差超過30體積。/。時，或者當(dāng)富Co金剛石層的厚度大于0.07mm時，主金剛石層和硬質(zhì)合金基材之間的結(jié)合強度降低。因此，主金剛石層中的Co含量與富Co金剛石層中的Co含量之差優(yōu)選不超過30體積％，并且富Co金剛石層的厚度優(yōu)選不大于0.07mm。更優(yōu)選的是，上述的Co含量之差不超過20體積％，并且富Co金剛石層的厚度不大于0.055mm。例3制造標(biāo)記為樣品No.31至34的金剛石燒結(jié)體，其中主金剛石層包含金剛石粒徑如表3所示的金剛石晶粒。當(dāng)所得的金剛石燒結(jié)體用作切削工具的切削刃時，測定切削工具的后刀面磨損量。還測定所得的金剛石燒結(jié)體的金剛石含量和橫向斷裂強度。通過以下方法制造金剛石燒結(jié)體將包含金剛石晶粒和粘結(jié)劑的混合物的起始物料(Co-W-Ti合金(Co:80重量％，W:5重量％，Ti:5重量％))填充到鉭制容器中，從而使得該起始物料與具有WC-10Co這樣組成的硬質(zhì)合金基材(圓盤)接觸。為了制備具有富Co金剛石層的金剛石燒結(jié)體，在1300'C下、CO濃度為4%的(CO+C02)還原氣氛中進行熱處理10分鐘，以使Co沉積在硬質(zhì)合金基材的界面處。然后，通過在壓力為6.0GPa、溫度為1550。C的條件下保持10分鐘對金剛石進行燒結(jié)。改變起始物料中使用的金剛石晶粒的粒度。通過與例1相同的測定方法來測定所得金剛石燒結(jié)體中的殘余壓應(yīng)力、其內(nèi)富Co金剛石層的厚度、橫向斷裂強度、用作切削工具時的切削工具的后刀面磨損量以及橫向斷裂強度。通過使用電感耦合等離子體(ICP)光譜分析對燒結(jié)體中存在的各元素進行定量分析來計算金剛石含量。結(jié)果示于表3中。表3中示出的金剛石平均粒徑是通過SEM二次電子成像法測定的主金剛石層中的金剛石粒徑。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>本試驗所獲得的全部樣品No.31至34中都存在厚度為約0.05mm的富Co金剛石層。此外，各樣品的主金剛石層中的殘余壓應(yīng)力約2.3GPa。樣品No.31、32和33(其中，主金剛石層含有平均粒徑不大于10pm的金剛石晶粒)中每一個的橫向斷裂強度都為至少2GPa，而與此相反，樣品No.34(其含有較大平均粒徑的金剛石晶粒)的橫向斷裂強度卻降低。由此表明，隨著所含有的金剛石晶粒的平均粒徑表現(xiàn)為較大的值，橫向斷裂強度發(fā)生明顯降低。此外，在所有樣品中，雖然金剛石含量以及平均粒徑均發(fā)生變化，但是其耐磨性幾乎沒有差別。這些實驗結(jié)果表明，本發(fā)明使得可以確保上述金剛石燒結(jié)體的耐磨性與主金剛石層含有平均粒徑為20pm至30pm的金剛石晶粒時的耐磨性相媲美，同時由于主金剛石層含有平均粒徑不大于10pm的金剛石晶粒而可以確保優(yōu)異的耐碎裂性。因此，對于主金剛石層中存在的金剛石晶粒而言，平均粒徑不大于10pm的金剛石晶粒是優(yōu)選的，同時，金剛石平均粒徑更優(yōu)選為不大于5pm，甚至更優(yōu)選為不大于1,。權(quán)利要求1.一種金剛石燒結(jié)體，該金剛石燒結(jié)體具有硬質(zhì)合金基材和燒結(jié)金剛石層，并且該金剛石燒結(jié)體是通過在所述硬質(zhì)合金基材上對金剛石晶粒和粘結(jié)劑進行燒結(jié)而獲得的，其中所述燒結(jié)金剛石層包含主金剛石層和富鈷金剛石層，所述富鈷金剛石層被設(shè)置在所述主金剛石層和所述硬質(zhì)合金基材之間，并且該富Co金剛石層的鈷含量高于所述主金剛石層的鈷含量，其中所述主金剛石層的殘余壓應(yīng)力為1.5GPa至3GPa。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述主金剛石層存在含有選自鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬中的至少一種元素和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物，所述化合物的量使得選自鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬中的至少一種元素的含量為至少0.1重量％、但不超過8重量％。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述的選自鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬中的元素為鈦。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述主金剛石層的所述鈷含量(體積％)與所述富鈷金剛石層的所述鈷含量(體積％)之差為1體積％至30體積％。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述富鈷金剛石層的厚度為至少0.01mm，但不大于0.07mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述硬質(zhì)合金基材是楊氏模量為550GPa至650GPa、Co含量為5.0重量％至15.0重量o/。的基材。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述硬質(zhì)合金基材含有包含鈦和選自碳、氮和氧中的至少一種元素的化合物，其中該化合物的含量為0.1重量％至8重量％。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述化合物為碳化鈦。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體，其中，所述主金剛石層的金剛石晶粒的平均粒徑不大于10^m。10.—種切削工具用可轉(zhuǎn)位刀頭，其中該可轉(zhuǎn)位刀頭的角部的切削刃是通過根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的金剛石燒結(jié)體形成的。全文摘要本發(fā)明的目的是在具有耐碎裂性高的微粒金剛石燒結(jié)體的特性的同時，提高金剛石燒結(jié)體的耐磨性和耐碎裂性。通過在硬質(zhì)合金基材2上燒結(jié)金剛石晶粒和粘結(jié)劑而形成燒結(jié)金剛石層3。該燒結(jié)金剛石層3包含主金剛石層4和富Co金剛石層5，所述富Co金剛石層5位于所述主金剛石層4和所述硬質(zhì)合金基材2之間，并且所述富Co金剛石層5中的Co含量高于所述主金剛石層4中的鈷含量；所述主金剛石層的殘余壓應(yīng)力為1.5GPa至3GPa。文檔編號C04B35/52GK101321714SQ200780000450公開日2008年12月10日申請日期2007年2月2日優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日發(fā)明者久木野曉,深谷朋弘,黑田善弘申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社