專利名稱：金剛石包覆切削工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在由碳化鎢(WC)基硬質合金構成的工具基體(以下，僅稱為工具基體)的表面包覆金剛石皮膜的立銑刀、鉆頭等金剛石包覆切削工具，尤其涉及一種在碳纖維增強復合材料(CFRP材)、含高Si的鋁合金、石墨等難切削材的切削加工中經長期使用而發揮優異的耐磨性的金剛石包覆切削工具(以下，稱為金剛石包覆工具)。
背景技術：
以往，已知有在工具基體的表面包覆金剛石皮膜的金剛石包覆工具，且已知有為了提高皮膜的強度及韌性而設為高結晶性金剛石和微晶金剛石(或非晶質金剛石)的層疊結構來構成金剛石皮膜，并且以提高皮膜的表面平滑性及工件的精加工面精度為目的設為粒徑2 μm以下的微晶金剛石的多層結構來構成金剛石皮膜。例如，已知有如專利文獻1所示，通過由第1層包括粒徑0. 1 10 μ m的多晶金剛石層、第2層包括粒徑0. 05 8 μ m的雙晶金剛石層或非晶質金剛石層的層疊結構構成金剛石皮膜來提高強度和韌性的金剛石包覆工具。并且，已知有如專利文獻2所示，通過重復使成為金剛石的結晶成長的起點的核附著于表面的核附著工序和以該核為起點通過CVD法使金剛石結晶成長的結晶成長工序， 從而通過由結晶粒徑2 μ m以下的微晶金剛石的多層結構構成金剛石皮膜來提高皮膜的表面平滑性且提高工件的精加工面精度的金剛石包覆工具。并且，雖然不是金剛石包覆工具，但是如專利文獻3所示，已知有例如蒸鍍形成 TiCN、TiN、(Ti，Al)N、(Al，Cr)N* (Al，Cr) CN等的硬質被膜的包覆工具，其通過在硬質被膜內形成如從被膜表面至被膜的中間點為止壓縮應力連續減少而在中間點顯示極小點、從中間點至被膜底面為止壓縮應力連續增加的壓縮應力分布來改善韌性、耐崩刀性和耐磨性。專利文獻1 日本專利公開平4-236779號公報專利文獻2 日本專利公開2002-79406號公報專利文獻3 日本專利公開2006-62074號公報上述以往的金剛石包覆工具中，由層疊結構構成金剛石，因此在Si含量較少的Al 合金等的連續切削或斷續切削中顯示優異的強度、韌性和精加工面精度等，但是當使用于比強度、比剛性高于金屬材料的CFRP或熔敷性較高的含高Si的Al合金、石墨等難切削材的切削加工時，由于金剛石膜表面的耐磨性不充分，因此現狀為在比較短時間內達到使用
壽命ο因此，本發明人等為了開發即使使用于CFRP、含高Si的Al合金和石墨等難切削材的切削中也發揮優異的耐磨性的金剛石包覆工具而深入研究的結果，發現了如下情況在包覆由結晶性金剛石膜構成的下部層和由微晶納米金剛石膜構成的上部層的金剛石包覆切削工具中，例如通過濕式噴砂處理去除刀尖棱線部的上部層，使下部層露出于刀尖棱線部，通過在刀尖棱線部的下部層形成將該露出的下部層的表面中的壓縮殘余應力σ s設為 1. 5 3GPa、且將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為ο 1/2時σ s/ σ 1/2值成為0. 8 1. 0這樣的膜厚方向的壓縮殘余應力分布來格外提高金剛石膜的耐磨性，并且作為其結果使金剛石包覆切削工具的工具壽命大幅度長壽命化。
發明內容
該發明是基于上述見解完成的，其特征如下一種金剛石包覆切削工具，其特征在于，其在由碳化鎢基硬質合金構成的工具基體表面包覆由5 30 μ m膜厚的結晶性金剛石膜構成的下部層和由0. 2 3 μ m膜厚的微晶納米金剛石膜構成的上部層，刀尖棱線部去除上部層而露出下部層，當從下部層截面方向用拉曼光譜對露出于上述刀尖棱線部的下部層的上述結晶性金剛石膜測定其膜厚方向的壓縮殘余應力分布時，上述露出的下部層的表面的殘余應力值σ s為1. 5 3GPa，并且將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為σ 1/2時，σ s/ σ 1/2值為0. 8 1. 0。以下，對本發明進行詳細說明。該發明中，將由結晶性金剛石膜構成的下部層的膜厚規定為5 30μπι，下部層的膜厚小于5 μ m時，經長期使用而無法發揮優異的耐磨性，另一方面，若下部層的膜厚超過 30 μ m，則晶粒容易粗大化，例如即使在其上包覆微晶納米金剛石膜，也會導致表面粗糙度下降，耐缺損性下降，從這種理由考慮，本發明中將下部層的膜厚規定為5 30μπι。并且，對由微晶納米金剛石膜構成的上部層(其中，關于刀尖棱線部由于去除上部層，因此刀尖棱線部中不存在上部層)的膜厚規定為0. 2 3 μ m，上部層的膜厚小于
0.2 μ m時，尤其無法保持前刀面的表面平滑性，容易產生熔敷、崩刀，另一方面，若上部層的膜厚超過3 μ m,則耐磨性下降，因此上部層的膜厚規定為0. 2 3 μ m。在本發明中，去除刀尖棱線部的上部層，使下部層露出于刀尖棱線部。并且，使如下敘述的壓縮殘余應力分布形成于該露出的刀尖棱線部的下部層中。S卩，當從下部層截面方向用拉曼光譜對構成刀尖棱線部的下部層的結晶性金剛石膜測定其膜厚方向的壓縮殘余應力分布時，上述露出的下部層的表面的殘余應力值ο s為
1.5 3GPa，并且將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為 σ 1/2時形成σ s/ σ 1/2值為0. 8 1. 0這樣的壓縮殘余應力分布。在此，對通過拉曼光譜法測定金剛石膜的殘余應力的方法進行簡單說明。拉曼光譜裝置使用波數分辨率為0. IcnT1左右的裝置。作為標準樣品使用天然金剛石，對1333CHT1 附近的Sp3結構起因的峰值，若將根據天然金剛石的拉曼光譜帶的位移量設為Δν，則所計算的應力由以下計算式得到。σ (GPa) = 1. 08Χ Δν (1)本申請中通過計算式(1)計算殘余應力。由于露出的下部層的表面的壓縮殘余應力值σ s小于1. 5GPa時，耐磨性不充分， 因此在比較短時間內達到使用壽命，另一方面，當壓縮殘余應力值σ s超過時，殘余應力較高，因此顯示容易產生剝離或破壞等損傷的傾向，因此將下部層的表面的壓縮殘余應力值σ s規定為1. 5 3GPa。并且，即使下部層的表面的壓縮殘余應力值QS在上述范圍內，將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為01/2時，如果0S/0l/2值小于0.8，則無法得到耐磨性提高的效果，另一方面，當σ s/ σ 1/2值超過1. 0時，發現在膜與基體的界面附近產生剝離的舉動，結果縮短工具壽命，因此σ s/ σ 1/2值規定為0. 8 1. 0。S卩，當形成QS值及os/σ1/2值在上述數值范圍內的壓縮殘余應力分布時，進一步提高刀尖棱線部的耐磨性，可謀求金剛石包覆工具的工具壽命的長壽命化。如下敘述形成上述壓縮殘余應力分布的本發明的金剛石包覆切削工具的制造方法的一例。(a)首先，對由所期望組成的WC基硬質合金構成的工具基體的表面附近進行酸處理并進行Co的蝕刻，去除最表面的Co之后，將此浸漬于使5 IOOnm平均粒徑的金剛石顆粒分散的異丙醇(以下，IPA)溶液中并賦予超聲波進行金剛石晶種的附著處理。(b)接著，將進行金剛石晶種的附著處理的工具基體裝入熱絲CVD裝置內，例如在下述(i)條件下成膜5 30μπι膜厚的結晶性金剛石膜作為下部層，并且，例如在下述(ii) 條件下成膜0. 2 3 μ m膜厚的微晶納米金剛石膜作為上部層。(i)結晶性金剛石膜的成膜條件燈絲溫度2300°C、基板溫度800°C、反應壓力2kPa、反應氣體CH4 1. 5vol%, H2 殘余；(ii)微晶納米金剛石膜的成膜條件燈絲溫度2200°C、基板溫度700°C、反應壓力4kPa、反應氣體CH4 5vol %，H2 殘余，(c)接著，朝向刀尖棱線部實施濕式噴砂處理(吐出壓力1. 2MPa，介質平均粒徑 40 μ m的氧化鋁)，去除包覆于刀尖棱線部的上部層，使下部層露出。通過上述(a) (c)工序，能夠制作刀尖棱線部的下部層具有本發明中規定的壓縮殘余應力分布的本發明的金剛石包覆工具。圖1中表示本發明的金剛石包覆工具的膜結構的概要示意圖。并且，圖2中表示形成于本發明的金剛石包覆工具的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布的一例。金剛石包覆工具的金剛石膜上通常產生因與工具基體的熱脹差而引起的壓縮殘余應力，而且，其殘余應力值在金剛石皮膜與工具基體的界面處最大，朝向膜的表面逐漸緩和。因此，金剛石膜的表面有耐磨性相對下降的傾向，但是本發明中能夠通過去除刀尖棱線部的由微晶納米金剛石膜構成的上部層并使由結晶性金剛石膜構成的下部層露出來使形成于刀尖棱線部的金剛石膜表面具有更大的壓縮殘余應力，作為其結果能夠提高刀尖棱線部的耐磨性。并且，當通過實施濕式噴砂處理來去除刀尖棱線部的微晶納米金剛石膜(上部層)時，能夠在露出下部層時進一步提高下部層表面的壓縮殘余應力，并且還能夠同時進行前刀面的微晶納米金剛石膜(上部層)的表面平滑化，因此能夠改善切屑排出性、耐熔敷性，并能夠進一步謀求工具壽命的長壽命化。
朝向刀尖棱線部(即，相對于前刀面大致45度的噴射角度)以平均粒徑40μπι的氧化鋁、吐出壓力1.2MPa實施濕式噴砂處理，進行去除約Iym的上部層時，對刀尖棱線部的下部層表面賦予大致1200MPa的壓縮殘余應力，并且與此同時前刀面表面平滑化至表面粗糙度Ra為0. 05 μ m (濕式噴砂處理前的前刀面表面粗糙度Ra為0. 3 μ m)。該發明的金剛石包覆工具包覆結晶性金剛石膜作為下部層，包覆微晶納米金剛石膜作為上部層，只有刀尖棱線部通過濕式噴砂處理等露出下部層，并且在刀尖棱線部的下部層形成在刀尖棱線部形成的下部層的露出表面的殘余應力值Os為1.5 且該Os 與形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值σ1/2的比值ο s/ ο 1/2為 0. 8 1. 0這樣的壓縮殘余應力分布，從而在比強度、比剛性高于金屬材料的CFRP或熔敷性較高的含高Si的Al合金、石墨等難切削材的切削加工中使用時，金剛石皮膜發揮更加優異的耐磨性，并可以謀求工具的長壽命化。
圖1表示本發明的金剛石包覆工具的膜結構的概要示意圖。圖2表示形成于本發明的金剛石包覆工具的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布的一例。圖3表示形成于比較例的金剛石包覆工具的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布的一例。
具體實施例方式接著，根據實施例對該發明的金剛石包覆工具進行具體說明。另外，以下對金剛石包覆鉆頭進行說明，但是并不對鉆頭進行任何限定。[實施例]首先，準備表1所示的均具有1 3μπι范圍內的預定平均粒徑的原料粉末，配制配合成同樣表1所示的配合組成的混合粉末，將此用球磨機濕式混合72小時，干燥之后，由 IOOMPa的壓力沖壓成型，形成直徑為10mm、8mm的圓棒壓坯，燒結這些圓棒壓坯來制造燒結體，另外，利用磨削加工將槽形成部的外徑加工成8mm、6mm的尺寸，此時，相對于外周邊緣部及切削刃邊緣部進行使用粒度#600的SiC磨粒的氣體噴砂處理及使用粒度#1200的金剛石砂輪的30 μ m以上的精加工磨削加工處理，制造出外徑8mm的工具基體1 5及外徑 6mm的工具基體6 10。(a)接著，在上述工具基體1 10上，用以1 1 1比例混合硫酸、過氧化氫及水的溶液實施室溫下蝕刻30秒的酸處理，接著用使平均粒徑為30 60nm的金剛石顆粒分散的IPA溶液進行超聲波清洗，從而進行了從工具基體1 10的表面的Co成分的去除及金剛石晶種的附著處理。(b)接著，將進行金剛石晶種的附著處理的工具基體裝入熱絲CVD裝置內，在表2 所示的條件下，首先將結晶性金剛石膜(下部層)成膜為預定膜厚，接著，同樣在表2所示的條件下，將微晶納米金剛石膜(上部層)成膜為預定膜厚。(c)之后，在表3所示的條件下，朝向刀尖棱線部以預定的壓力從噴砂槍噴吹氧化鋁懸浮液來實施濕式噴砂，從刀尖棱線部去除上述成膜的微晶納米金剛石膜(上部層)。
根據上述(a) (C)工序制作出具有圖1所示的膜結構的本發明的金剛石包覆工具1 10 (以下，稱為本發明1 10)。并且，關于上述本發明1 10，使用拉曼光譜裝置對刀尖棱線部的下部層測定Sp3 峰值的位移量，從其數值計算出刀尖棱線部的下部層表面的殘余應力值ο s及刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值σ 1/2。另外，上述σ S、σ 1/2使用根據5點測定的平均值。表4示出本發明1 10中下部層的膜厚、上部層的膜厚、前刀面的表面粗糙度Ra 及上述 σ S、0 1/2
σ s/ σ 1/2 的值。圖2表示本發明例1的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布圖表。為了比較，制作出以所述(a)、(b)的工序對上述工具基體1 7形成預定膜厚的結晶性金剛石膜(下部層)和微晶納米金剛石膜(上部層)之后，在表3所示的各種條件下實施濕式噴砂處理，從刀尖棱線部去除微晶納米金剛石膜(上部層)的一部分或全部，在刀尖棱線部的結晶性金剛石膜(下部層)形成各種壓縮殘余應力分布的比較例的金剛石包覆工具1 7(以下，稱為比較例1 7)。另外，制作出以所述(a)工序對上述工具基體8 10進行Co成分的去除及金剛石晶種的附著處理之后，以所述(b)工序在表2所示的條件下形成預定膜厚的結晶性金剛石膜(下部層)和微晶納米金剛石膜(上部層)的參考例的金剛石包覆工具8 10(以下， 稱為參考例8 10)。(即，在參考例8 10中不進行刀尖棱線部的上部層的去除。)并且，關于上述比較例1 7、參考例8 10，與本發明1 10相同地使用拉曼光譜裝置對刀尖棱線部的下部層測定Sp3峰值的位移量，從其數值計算出刀尖棱線部的下部層表面的殘余應力值O S及刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值σ 1/2。另外，上述σ S、σ 1/2使用通過5點測定得到的平均值。表5示出比較例1 7、參考例8 10中下部層的膜厚、上部層的膜厚、前刀面的表面粗糙度Ra及上述σ s、
σ 1/2 及 ο s/ ο 1/2 的值。圖3表示比較例1的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布圖表。[表 1]
權利要求
1. 一種金剛石包覆切削工具，其特征在于，該金剛石包覆切削工具在由碳化鎢基硬質合金構成的工具基體表面包覆由5 30μπι膜厚的結晶性金剛石膜構成的下部層和由 0.2 3μπι膜厚的微晶納米金剛石膜構成的上部層，刀尖棱線部去除上部層而露出下部層，當從下部層截面方向用拉曼光譜對露出于上述刀尖棱線部的下部層的上述結晶性金剛石膜測定該結晶性金剛石膜的膜厚方向的壓縮殘余應力分布時，上述露出的下部層表面的殘余應力值 s為1.5 3GPa，并且將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為σ 1/2時，σ s/ σ 1/2值為0. 8 1. 0。
全文摘要
本發明提供了一種金剛石包覆切削工具，其在CFRP材、含高Si的鋁合金、石墨等難切削材的鉆孔加工及立銑刀加工中發揮優異的耐磨性。本發明的金剛石包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質合金構成的工具基體表面包覆結晶性金剛石膜作為下部層，包覆微晶納米金剛石膜作為上部層，只有刀尖棱線部通過濕式噴砂處理等使下部層露出，其中，當測定形成于工具的刀尖棱線部的下部層的壓縮殘余應力分布時，下部層的露出表面的殘余應力值σs為1.5～3GPa，并且將形成于刀尖棱線部的下部層的膜厚的1/2位置處的殘余應力值設為σ1/2時，σs/σ1/2值為0.8～1.0。
文檔編號B23C5/00GK102554318SQ20111037552
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月30日
發明者長田晃, 高岡秀充, 高島英彰 申請人:三菱綜合材料株式會社