提高了刀尖強度的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供提高刀尖強度的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，提高金剛石膜與工具基體之間的耐剝離性、提高刀尖強度，并且提高耐崩刀性及耐磨損性。該金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，具有從碳化鎢基硬質(zhì)合金制的工具基體和金剛石膜的界面向工具基體內(nèi)部最深至8μm的深度的金屬結(jié)合相的一部分通過化學(xué)處理被去除的部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域，通過從刀尖附近（從刀尖前端最大不超過100μm的區(qū)域）的后刀面的直角截面觀察，在除部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域內(nèi)的碳化鎢之間及碳化鎢與其他碳化物之間的結(jié)合晶界以外的碳化鎢晶界，10～300nm厚度的金屬結(jié)合相以碳化鎢晶界長度的50%以上的比例存在，且存在于碳化鎢晶界中的金屬結(jié)合相的鉻相對于鈷的質(zhì)量比例為0.21以上0.40以下。
【專利說明】提高了刀尖強度的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過在碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP:Carbon Fiber ReinforcedPolymer)等難切削材料的高速切削加工中具備優(yōu)異的韌性及強度，從而使刀尖發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性的金剛石包覆碳化鎢基硬質(zhì)合金制切削工具。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，在由碳化鎢基(WC基)硬質(zhì)合金(以下僅稱為“硬質(zhì)合金”)構(gòu)成的基體中已知有包覆有金剛石膜的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，但在現(xiàn)有的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具中，由于硬質(zhì)合金基體和金剛石膜的粘附性不充分，因此為了改善這一點提出了在硬質(zhì)合金基體上形成金剛石膜時，在去除阻礙金剛石的形成的鈷的基體上進行成膜等各種方案。
[0003]例如，如專利文獻I所示，提出有在金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具中，將從該硬質(zhì)合金的表面至100 μ m為止之間的結(jié)合相與該硬質(zhì)合金內(nèi)部的結(jié)合相進行比較而使其減少，另一方面，使存在于從硬質(zhì)合金表面至5?100 μ m之間的結(jié)合相富集層的結(jié)合相的量相對于合金內(nèi)部的結(jié)合相的量富化至1.2?5倍的方案，由此，使金剛石膜與硬質(zhì)合金基體的粘附性得到改善的方案。
[0004]并且，如專利文獻2所示，提出有在金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具中，通過熱處理，使從硬質(zhì)合金的表面朝向其內(nèi)部至少I μ m(優(yōu)選3?100 μ m、尤其優(yōu)選10?50 μ m)的表面層的平均結(jié)合相的量比該合金內(nèi)部的平均結(jié)合相的量減少，將該表面層的結(jié)合相的量設(shè)為在該合金的表面最小，并且使該表面層的結(jié)合相的量朝向該合金的內(nèi)部遞增而使其達到內(nèi)部的平均結(jié)合相的量，由此實現(xiàn)改善金剛石膜與硬質(zhì)合金的粘附性的方案。
[0005]另外，例如，如專利文獻3所示，提出有以金剛石包覆WC基硬質(zhì)合金制工具基體時,將其表面在村上(Murakami )試劑中進行蝕刻，接著，通過在硫酸與過氧化氫的溶液中進行蝕刻來改善工具基體與金剛石膜的粘附性。
[0006]專利文獻1:日本專利第2539922號說明書
[0007]專利文獻2:日本專利公開平3-115571號公報
[0008]專利文獻3:日本專利第3504675號說明書
[0009]近幾年在切削工具的【技術(shù)領(lǐng)域】中對節(jié)省勞力化、節(jié)能化及進一步低成本化的要求強烈，隨此，切削加工存在日益高速化的趨勢，但將所述現(xiàn)有金剛石包覆合金制切削工具(以下僅稱為“金剛石包覆工具”)例如用于要求CFRP等難切削材料的鉆頭加工的各種銳利的刀尖的切削加工時，硬質(zhì)合金制工具基體的韌性不夠充分，因此容易產(chǎn)生崩刀，存在提前達到壽命的情況。并且，對CFRP等難切削材料進行高速切削時，要求特別高的刀尖強度，但現(xiàn)有金剛石包覆工具，刀尖強度不夠充分，并且容易產(chǎn)生金剛石膜的剝離，因此經(jīng)長期使用無法發(fā)揮令人滿意的耐崩刀性及耐磨損性，其結(jié)果，大多在較短時間內(nèi)達到使用壽命。
[0010]本發(fā)明人等對于如上述的金剛石包覆工具的課題進行深入研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在金剛石包覆工具中，為了如上述提高金剛石膜與工具基體的粘附性，會進行去除存在于工具基體的最表面的金屬結(jié)合相中的鈷的處理，但其結(jié)果，導(dǎo)致刀尖的韌性的降低，成為刀尖強度下降的原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)性課題，即本發(fā)明的目的在于提供一種在金剛石包覆工具中，提高金剛石膜與工具基體的粘附性的同時提高刀尖的韌性，由此提高刀尖強度、耐崩刀性及耐磨損性的金剛石包覆工具。
[0012]因此，本發(fā)明人等為提供例如如CFRP的高速鉆孔加工和高速切削這種即使在高負荷作用于切削刃的切削條件中使用時，刀尖附近(從刀尖前端最大不超過100 μ m的區(qū)域)也具備優(yōu)異的韌性，并且經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性的金剛石包覆工具而反復(fù)進行深入研究的結(jié)果得到了如下見解。
[0013]本發(fā)明中得到如下見解，S卩(I)將硬質(zhì)合金基體的表面附近的金屬結(jié)合相(主要為Co及Co合金)通過化學(xué)蝕刻(硫酸+過氧化氫)去除。(2)若進行在工具基體表面附近(從基體表面向內(nèi)部最深至8 μ m)的WC晶界(其中，除WC之間及WC與其他碳化物的接合晶界)使金屬結(jié)合相中的Cr濃度變濃的燒結(jié)(預(yù)定的冷卻速度，例如以I?5°C /min進行燒結(jié)后控制流經(jīng)加熱器的電流而進行冷卻，進行所謂通電致冷)，則緩慢冷卻時WC粒子生長，同時在WC的生長界面Cr濃度變濃。(3)通過所述工序獲得的燒結(jié)體在工具基體表面附近區(qū)域的WC晶界附近的金屬結(jié)合相變得難以被蝕刻，在刀尖附近的金屬結(jié)合相被去除的區(qū)域(以下稱為“部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域”)構(gòu)成硬質(zhì)合金的WC晶界(其中，除WC之間及WC與其他碳化物的接合晶界以外)為Cr濃度較高的金屬結(jié)合相，通過Co-W-Cr合金被強化。(4)由于工具最表面的Co被去除，因此不會阻礙在該基體上形成金剛石膜，并且能夠獲得會因金屬結(jié)合相被去除而降低的工具刀尖的韌性和強度通過殘留在WC晶界附近而不被蝕刻的Co-W-Cr合金被強化的金剛石包覆工具。
[0014]本發(fā)明是基于上述見解而完成的，具有如下特征:
[0015]一種金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，其以碳化鎢和鈷為主成分，在至少含有3?15質(zhì)量％的鈷及0.2?3質(zhì)量％的鉻的碳化鎢基硬質(zhì)合金基體包覆形成有金剛石膜，其中，
[0016]所述金剛石膜具有平均膜厚3?30 μ m的層厚，
[0017]且具有部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域，該部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域通過化學(xué)處理去除從所述碳化鎢基硬質(zhì)合金制基體和金剛石膜的界面向基體內(nèi)部方向最深至8 μ m的深度的金屬結(jié)合相的一部分而形成，
[0018]通過從該工具的刀尖附近的后刀面的直角截面觀察，在除所述部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域內(nèi)的碳化鎢之間及碳化鎢與其他碳化物之間的結(jié)合晶界以外的碳化鎢晶界中，IO?300nm厚度的金屬結(jié)合相以所述碳化鎢晶界長度的50%以上的比例存在，
[0019]且存在于所述碳化鎢晶界中的金屬結(jié)合相的鉻相對于鈷的質(zhì)量比例為0.21以上0.40以下。
[0020]以下對本發(fā)明進行詳細說明。
[0021]部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域的深度:
[0022]去除基體表面的金屬結(jié)合相(主要為鈷/鈷合金)的目的是為了在基體上形成金剛石膜，但對于其深度并無特別限定，但若低于I μ m則殘留的鈷/鈷合金的影響仍然較大且耐剝離性不充分，故不優(yōu)選。另一方面，若超過8 μ m,則大量的結(jié)合金屬從基體表面被去除，從而使硬質(zhì)合金的韌性大大降低，其結(jié)果，耐崩刀性降低。因此，部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域的深度定為向基體內(nèi)部方向最深至8 μ m。
[0023]通過化學(xué)處理去除的金屬結(jié)合相的一部分:
[0024]本發(fā)明中，“通過化學(xué)處理去除的金屬結(jié)合相的一部分”主要指鈷和/或鈷合金，但根據(jù)硬質(zhì)合金，有時為增加耐熱性而在金屬結(jié)合相中混合碳化鈦(TiC)和碳化鉭鈮((TaNb) C)，或為增加耐蝕性而將鈷的一部分置換為鎳(Ni)，這種情況下，“通過化學(xué)處理去除的金屬結(jié)合相的一部分”中除鈷和/或鈷合金之外，還包含碳化鈦(TiC)、碳化鉭鈮((TaNb) C)及 Ni 等。
[0025]工具基體的組成:
[0026]本發(fā)明的金剛石包覆工具的工具基體至少含有作為硬質(zhì)相成分的碳化鎢(以WC表不)和作為金屬結(jié)合相成分的Co,并且,將Co含量設(shè)為3?15質(zhì)量％。
[0027]Co成分具有形成金屬結(jié)合相而提高基體的強度及韌性的作用，但WC基硬質(zhì)合金中的Co含量低于3質(zhì)量％時，不特別期待韌性的提高，另一方面，若Co含量超過15質(zhì)量％，則變得容易引起塑性變形而加快偏磨損的進行，因此將WC基硬質(zhì)合金中的Co含量定為3?15質(zhì)量％。
[0028]金剛石膜的平均膜厚:
[0029]包覆在工具基體表面的金剛石膜，若其厚度低于3 μ m,則無法經(jīng)長期使用發(fā)揮充分的耐磨損性，另一方面，若金剛石膜厚超過30 μ m，則變得容易產(chǎn)生崩刀、缺損及剝離，因此將金剛石膜的平均膜厚定為3?30 μ m。
[0030]本發(fā)明的金剛石包覆工具的工具基體，使用如下燒結(jié)體:通過進行在WC顆粒附近使金屬結(jié)合相中的Cr濃度變濃的燒結(jié)(預(yù)定的冷卻速度，例如以I?5°C /min在燒結(jié)后進行通電致冷)，從而在獲得的WC顆粒附近生成富含Cr結(jié)合相的燒結(jié)體。接著，通過化學(xué)蝕刻(硫酸+過氧化氫)去除基體表面附近(從最表面到內(nèi)部最深至8 μ m)的金屬結(jié)合相，主要去除Co及Co合金。所述燒結(jié)體根據(jù)WC顆粒附近的富含Cr結(jié)合相的效果通過Co-W-Cr合金強化刀尖附近(從刀尖前端最大不超過100 μ m的區(qū)域)的部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域(Co去除層)的WC晶界。
[0031]因此，由于工具基體表面附近的Co被去除，因此不會阻礙向該工具基體上形成金剛石膜，并且如前述的刀尖附近的金屬結(jié)合相的一部分去除區(qū)域(主要為Co及Co合金去除相)的WC晶界通過Co-W-Cr合金被強化，由此能夠獲得刀尖強度較高的金剛石包覆工具。
[0032]S卩，試圖通過在存在于部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域的WC晶界設(shè)置包含預(yù)定厚度的鉻及鈷的金屬結(jié)合相這種新穎的技術(shù)思想解決如下問題，即若為了提高基體工具與金剛石膜的接合強度(粘附性)而去除基體工具表面的金屬結(jié)合相(主要為Co及Co合金)，則刀尖強度下降，換言之為處于權(quán)衡關(guān)系的金剛石包覆工具的膜的粘附性和刀尖強度的問題。
[0033]殘留于WC晶界的金屬結(jié)合相(殘留金屬結(jié)合相)的厚度及相對于WC晶界長度的存在比例:
[0034]通過所述制造方法成膜時，所述殘留金屬結(jié)合相的厚度成為大致10?300nm的范圍。其中，若低于10nm，則當(dāng)想要通過如后述的測定方法進行測定時，難以進行測定，并且，在如此薄的殘留金屬結(jié)合相中，不足以確保如前述般的強度。另一方面，超過300nm的殘留金屬結(jié)合相，難以進行與原本的母材的金屬結(jié)合相的區(qū)分，當(dāng)存在這種殘留金屬結(jié)合相時，與設(shè)置于工具基體上的金剛石膜的粘附性下降，故不優(yōu)選。
[0035]另外，金屬結(jié)合相相對于WC晶界長度的比例小于50%時，WC晶界的結(jié)合強度降低，刀尖強度降低。
[0036]殘留金屬結(jié)合相中的鉻相對于鈷的質(zhì)量比:
[0037]在所述金屬結(jié)合相中，鉻相對于鈷的質(zhì)量比低于0.21時，相對于酸的耐蝕性不夠充分，因此即使殘留于WC晶界的界面，由于其量不充分而無法獲得能夠承受高速切削的刀尖強度。另一方面，若超過0.40則因金屬結(jié)合相本身的強度下降而脆化，且刀尖變得容易產(chǎn)生崩刀，故不優(yōu)選。因此，殘留金屬結(jié)合相中的鉻相對于鈷的質(zhì)量比定為0.21?0.40。
[0038]本發(fā)明的金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，其以碳化鎢和鈷為主成分，在至少含有3?15質(zhì)量％的鈷及0.2?3質(zhì)量％的鉻的碳化鎢基硬質(zhì)合金基體上包覆形成有金剛石膜，其中，金剛石膜具有平均膜厚3?30 μ m的層厚，且具有部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域，該部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域通過化學(xué)處理去除從碳化鎢基硬質(zhì)合金制基體和金剛石膜的界面向基體內(nèi)部方向最深至8μπι的深度的金屬結(jié)合相的一部分而形成，通過從工具的刀尖附近的后刀面的直角截面觀察，在除部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域內(nèi)的碳化鎢之間及碳化鎢與其他碳化物之間的結(jié)合晶界以外的碳化鎢晶界中，10?300nm厚度的金屬結(jié)合相以碳化鎢晶界長度的50%以上的比例存在，且存在于碳化鎢晶界中的金屬結(jié)合相的鉻相對于鈷的質(zhì)量比例為0.21以上0.40以下，由此提高了工具基體與金剛石膜的粘附性，還提高了刀尖強度，在CFRP等的切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、刀尖強度及耐磨損性，其效果極大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1是示意地表示本發(fā)明的金剛石包覆膜的截面的膜結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0040]接著，根據(jù)實施例對本發(fā)明的金剛石包覆工具進行更具體地說明。
[0041]另外，其中，作為金剛石包覆工具的具體例子，對金剛石包覆硬質(zhì)合金制鉆頭進行說明，但本發(fā)明不限定于此，也可適用于金剛石包覆硬質(zhì)合金制刀片、金剛石包覆硬質(zhì)合金制立銑刀等各種金剛石包覆工具。
[0042]實施例
[0043](a)作為原料粉末，準備均具有0.5?3 μ m的范圍內(nèi)的預(yù)定平均粒徑的WC粉末、Co粉末、Cr3C2粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末及ZrC粉末，將這些原料粉末配合成表I所示的比例，進一步加入粘合劑和溶劑而在丙酮中球磨混合24小時，進行減壓干燥之后，均以IOOMPa的壓力沖壓成型而成型為直徑IOmm的圓棒壓還,將該圓棒壓還在IPa的真空氣氛中，以在1380?1500°C的范圍內(nèi)的溫度下保持I?2小時之后，通過I?5°C /h的冷卻速度緩慢冷卻至1200°C以下而獲得燒結(jié)體之后，對該燒結(jié)體進行研磨加工而制造WC基硬質(zhì)合金燒結(jié)體I?6。
[0044]接著，通過將所述WC基硬質(zhì)合金燒結(jié)體I?6研磨加工至槽形成部的外徑尺寸成為8mm而制造WC基硬質(zhì)合金制鉆頭基體(以下僅稱為“鉆頭基體”)I?6。其中，鉆頭基體6僅使用于后述的比較例鉆頭中。
[0045](b)接著，將所述鉆頭基體I?5在將硫酸、過氧化氫及水以2:1:100 (容積比)混合的蝕刻液中浸潰3?10秒，對鉆頭基體I?6的表面附近的以Co作為主成分的金屬結(jié)合相的一部分進行蝕刻至數(shù)微米的深度而去除。
[0046](c)另外，將該鉆頭基體I?5裝入熱絲CVD裝置，并以熱絲溫度2200°C，氫氣與甲烷氣體以100:1的流量比流過，并將基體溫度維持在900°C而形成3?30 μ m的膜厚的金剛石膜。
[0047]通過所述制造工序制造表2中示出的本發(fā)明的金剛石包覆WC基硬質(zhì)合金制鉆頭(以下僅稱為“本發(fā)明鉆頭”)I?5。
[0048]根據(jù)所述制造工序，Ca)工序的緩慢冷卻時產(chǎn)生的硬質(zhì)合金基體內(nèi)部的鉻濃度的組成變動，通過形成所述金剛石膜時的擴散幾乎消失，并且除在(b)工序產(chǎn)生的基體表面附近的金屬結(jié)合相被去除的區(qū)域(部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域)中存在的WC顆粒之間及WC顆粒和其他碳化物顆粒的晶界外，在WC晶界以該晶界長度的50%以上的比例，以10?300nm厚度的鉻富含相而殘留。
[0049]為了比較，不進行本發(fā)明鉆頭I?5的所述制造工序中的工序(a)中的緩慢冷卻工序，而通過自然冷卻制造鉆頭基體I?6，并制造表3中示出的比較例的金剛石包覆WC基硬質(zhì)合金制鉆頭(以下，僅稱為“比較例鉆頭”)I?6。
[0050]接著，對于如上述制造的本發(fā)明鉆頭I?5及比較例鉆頭I?6，將金剛石膜和鉆頭基體界面附近通過截面拋光機相對于表面以直角進行截面研磨，在金剛石膜和鉆頭基體界面附近，金屬結(jié)合相的一部分通過化學(xué)處理被去除的區(qū)域，即部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域的平均厚度設(shè)為X ( μ m)時，在所述部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域隨機選定3處0.5X(μπι)ΧΟ.5Χ ( μ m)的區(qū)域，通過基于俄歇電子光譜的元素映射及定量分析，測定鉻與鈷的質(zhì)量比、殘留金屬結(jié)合相的厚度及所述殘留金屬結(jié)合相相對于WC界面長度的占有率。另夕卜，測定值設(shè)為3處的平均值。并且，對于部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域的平均厚度X，在上述工具直角截面，在基體表面的10微米以上呈大致直線的部位中對結(jié)合相的一部分被去除的區(qū)域的寬度進行3個點測定，并將此設(shè)為平均厚度X。
[0051]對本發(fā)明鉆頭I?5及比較例鉆頭I?6的金剛石膜的膜厚，使用掃描型電子顯微鏡(倍率5000倍)進行測定，并測定觀察視場內(nèi)的5個點的層厚取平均來測定平均膜厚。
[0052]在表2、3中示出它們的值。
[0053][表 I]
[0054]
【權(quán)利要求】
1.一種金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具，其以碳化鎢和鈷為主成分，在至少含有3?15質(zhì)量％的鈷及0.2?3質(zhì)量％的鉻的碳化鎢基硬質(zhì)合金基體包覆形成有金剛石膜，所述金剛石包覆硬質(zhì)合金制切削工具的特征在于， 所述金剛石膜具有平均膜厚3?30 μ m的層厚， 且具有部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域，該部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域通過化學(xué)處理去除從所述碳化鶴基硬質(zhì)合金制基體和金剛石膜的界面向基體內(nèi)部方向最深至8 μ m的深度的金屬結(jié)合相的一部分而形成， 通過從該工具的刀尖附近的后刀面的直角截面觀察，在除所述部分去除金屬結(jié)合相區(qū)域內(nèi)的碳化鎢之間及碳化鎢與其他碳化物之間的結(jié)合晶界以外的碳化鎢晶界中，10?300nm厚度的金屬結(jié)合相以所述碳化鎢晶界長度的50%以上的比例存在， 且存在于所述碳化鎢晶界中的金屬結(jié)合相的鉻相對于鈷的質(zhì)量比例為0.21以上0.40以下。
【文檔編號】B23B51/00GK104002537SQ201410057543
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月25日
【發(fā)明者】高岡秀充, 高島英彰, 大島秀夫 申請人:三菱綜合材料株式會社