專利名稱：耐缺損性優(yōu)異的金剛石包覆工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在碳化鎢基硬質(zhì)合金制的工具基體上包覆金剛石薄膜的金剛石包覆工具，尤其涉及一種在比強(qiáng)度、比剛性高于金屬材料的CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics :碳素纖維強(qiáng)化塑料)或熔敷性高的Al合金等的高速切削時，經(jīng)長期使用，維持鋒利的刀刃的同時產(chǎn)生毛刺少，并且發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性和優(yōu)異耐磨性的金剛
石包覆工具。
背景技術(shù)：
以往，公知有在碳化鎢基(WC基)硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基(TiCN基)金屬陶瓷等的工具基體上包覆金剛石薄膜的金剛石包覆工具，例如公知有根據(jù)在工具基體表面反復(fù)進(jìn)行成為金剛石的晶體生長起點(diǎn)的核附著工序及使金剛石晶體生長的晶體生長工序，從而包覆晶體粒徑微細(xì)的金剛石薄膜的金剛石包覆工具，并公知在使用該包覆工具的Al合金的切削加工中得到優(yōu)異的表面精度。并且，還公知有，著眼于金剛石薄膜的晶體取向性，并使金剛石薄膜表面的晶體面取向于<111>或<110>，從而提高耐熔敷性，耐缺損性及耐磨性。專利文獻(xiàn)1 日本專利第沈03257號公報專利文獻(xiàn)2 日本專利公開平9-71498號公報專利文獻(xiàn)3 日本專利公開2006-130578號公報近年來切削加工裝置的FA化顯著，另一方面強(qiáng)烈要求切削加工的節(jié)省勞力化和節(jié)能化以及低成本化，伴隨此，切削條件逐漸高速化。上述的以往金剛石包覆工具將此用于通常條件下的切削加工時沒有特別的問題，但在與一般的金屬材料相比比強(qiáng)度、比剛性更優(yōu)異的CFRP的高速切削中使用該工具時，由于CFRP是碳素纖維和環(huán)氧系樹脂的復(fù)合材料， 所以存在不僅工具磨損嚴(yán)重而且容易產(chǎn)生缺損，縮短工具壽命這樣的問題點(diǎn)。并且有如下問題點(diǎn)將以往金剛石包覆工具用于軟質(zhì)且熔敷性高的Al合金等的高速切削中時，因切削時的高熱產(chǎn)生，熔敷性高的被切削材料(Al合金)的切削粉末熔敷于工具刀刃，由此不僅難以維持鋒利的刀刃，而且容易產(chǎn)生缺損。其結(jié)果有如下問題點(diǎn)用于CFRP、Al合金等的高速切削加工時，不僅金剛石包覆工具的壽命短，而且因產(chǎn)生被切削材料的毛刺，所以精加工表面精度變粗，尺寸精度也差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明人們，從上述觀點(diǎn)出發(fā)，為了開發(fā)特別是難切削材料的CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削加工中維持鋒利刀刃的同時，抑制毛刺的產(chǎn)生，經(jīng)長期使用具備優(yōu)異的耐缺損性和耐磨性的金剛石包覆工具，進(jìn)行了深入研究的結(jié)果，得到了如下見解。S卩，發(fā)現(xiàn)如下內(nèi)容在工具基體的表面，例如，通過金剛石氣相合成法，在包含于燈絲溫度2050 2350°C、燈絲間隔10 30mm、
基板溫度750 950°C、反應(yīng)壓力2. 66 10. 64kPa(20 80Torr)、反應(yīng)氣體=CH4:1. 0 4. OvolH2 剩余的范圍的特定條件下形成金剛石薄膜時，該金剛石包覆工具維持鋒利刀刃的同時，產(chǎn)生毛刺少，經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性和耐磨性。并且，發(fā)現(xiàn)了如下內(nèi)容關(guān)于上述金剛石薄膜，使用電子背散射衍射裝置(EBSD) 對存在于表面研磨面的測定范圍內(nèi)的各個金剛石晶粒照射電子射線，測定所述晶粒的晶體方位<111>、<110>相對于所述表面研磨面的法線所成的傾斜角，對在所述測定傾斜角中與所述法線方向形成的角度在O 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角按0. 25度的間距進(jìn)行劃分，并且合計存在于各部分內(nèi)的度數(shù)，并且，同樣測定金剛石層的晶粒的晶體方位<111>、<110> 相對于與表面研磨面的法線正交的任意方向所成的傾斜角，對在所述測定傾斜角中，與所述法線正交的方向形成的角度在0 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角按0. 25度的間距進(jìn)行劃分，并且合計存在于各部分內(nèi)的度數(shù)，此時，晶體方位<111>、<110>相對于金剛石薄膜的表面研磨面的法線的測定傾斜角的分布在特定傾斜角部分中存在分布峰值，該峰值的半值寬度在10度以內(nèi)，并且，晶體方位<111>、<110>相對于與表面研磨面的法線正交的任意方向的測定傾斜角的分布也在某一特定傾斜角部分中存在分布峰值，該峰值的半值寬度在10 度以內(nèi)，而且同時滿足這種條件的寬度為0. 1 1 μ m的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20%以上。并且發(fā)現(xiàn)包覆形成具有這種雙軸取向疇的金剛石薄膜而成的金剛石包覆工具，在難切削材料CFRP或熔敷性高的Al合金等的高速切削加工中，維持鋒利刀刃的同時，抑制產(chǎn)生毛刺，經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性和耐磨性。該發(fā)明是基于上述見解而完成的，具有如下特征，一種金剛石包覆工具，該包覆工具在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體構(gòu)成的工具基體的表面包覆有膜厚為10 30 μ m的金剛石薄膜，其特征在于，使用電子背散射衍射裝置對每個金剛石晶粒的晶體方位進(jìn)行分析時，(a)測定所述晶粒的晶體方位<111>相對于表面研磨面的法線方向所成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<111>相對于與表面研磨面的法線正交的方向所成的傾斜角， 并求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值，并且，(b)測定所述晶粒的晶體方位<110>相對于表面研磨面的法線方向所成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<110>相對于與表面研磨面的法線正交的方向所成的傾斜角， 并求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值，同時滿足上述(a)、(b)的寬度為0. 1 1 μ m的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20%以上。接著，對該發(fā)明的金剛石包覆工具的包覆層進(jìn)行說明。具有晶體方位<111>的取向性的金剛石薄膜，例如能夠以燈絲溫度2200 2400 °C、燈絲-基板間隔10 30mm、
基板溫度850 1000°C、反應(yīng)壓力1.33 ~ 13. 3kPa(10 IOOTorr)、反應(yīng)氣體=CH40. 5 3. Ovol %、H2 剩余這種條件的化學(xué)蒸鍍而形成。并且，具有晶體方位<110>的取向性的金剛石薄膜，例如能夠以燈絲溫度2000 2200°C、燈絲-基板間隔10 30mm、基板溫度700 850°C、反應(yīng)壓力1.33 ~ 13. 3kPa(10 IOOTorr)、反應(yīng)氣體=CH4:2. 0 6. Ovol %、H2 剩余這種條件的化學(xué)蒸鍍而形成。但是，因本發(fā)明是形成如下金剛石薄膜的發(fā)明，S卩，在使用電子背散射衍射裝置對每個金剛石晶粒的晶體方位進(jìn)行分析時，(a)測定所述晶粒的晶體方位<111>相對于表面研磨面的法線方向形成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<111>相對于與表面研磨面的法線正交的方向形成的傾斜角， 求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值， 并且，(b)測定所述晶粒的晶體方位<110>相對于表面研磨面的法線方向形成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<110>相對于與表面研磨面的法線正交的方向形成的傾斜角， 求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值，并且，同時滿足上述(a)、(b)的寬度為0. 1 1 μ m的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20 %以上，因此，例如，只要是具有晶體方位<111>的取向性的薄膜，就能夠在燈絲溫度2250 2350°C、燈絲-基板間隔15 25mm、基板溫度850 950°C、反應(yīng)壓力2. 66 10. 64kPa(20 80Torr)、反應(yīng)氣體=CH4 1. 0 2. 5vol %、H2 剩余
這樣的限定條件下蒸鍍形成金剛石薄膜。并且，關(guān)于在上述特定條件下形成的金剛石薄膜，使用電子背散射衍射裝置 (EBSD)分析了各個晶粒的晶體方位。S卩，對存在于表面研磨面的測定范圍內(nèi)的各個晶粒照射電子射線，測定所述晶粒的晶體方位<111>相對于所述表面研磨面的法線形成的傾斜角，對在所述測定傾斜角中與所述法線方向形成的角度在O 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角按0. 25度的間距進(jìn)行劃分，并且合計存在于各部分內(nèi)的度數(shù)，并且，同樣測定所述金剛石晶粒的晶體方位<111>相對于與表面研磨面的法線正交的任意方向形成的傾斜角，對在所述測定傾斜角中與所述法線正交的任意方向所成的角度在0 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角按0. 25度的間距進(jìn)行劃分，并且合計存在于各部分內(nèi)的度數(shù)時，晶體方位<111>相對于金剛石晶粒的表面研磨面的法線的測定傾斜角的分布在特定傾斜角部分中存在分布峰值，且該分布峰值為半值寬度10度以內(nèi)，并且，晶體方位<111>相對于與表面研磨面的法線正交的方向的測定傾斜角的分布也在某一特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的分布峰值，而且表示這種測定傾斜角分布的寬度為0. 1 1 μ m的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20%以上。另外，關(guān)于上述金剛石薄膜，與所述<111>的情況相同，使用電子背散射衍射裝置 (EBSD)測定各晶粒的晶體方位<110>相對于表面研磨面的法線方向及與其正交的方向形成的傾斜角，結(jié)果可知，相對于表面研磨面的法線方向及與其正交的方向的測定傾斜角都在特定傾斜角部分中存在半值寬度在10度以內(nèi)的分布峰值，并且，表示這種測定傾斜角分布的寬度為0. 1 Iym的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20%以上。從該點(diǎn)可知，由于本發(fā)明的金剛石薄膜具有雙軸取向疇，所以具備優(yōu)異的韌性。在本發(fā)明中，將金剛石薄膜的膜厚設(shè)為10 30μπι，但金剛石薄膜的膜厚不到 10 μ m時，不僅無法確保經(jīng)長期使用的耐磨性，而且沒有被厚膜化，所以也無法謀求長壽命化，另一方面，若膜厚超過30 μ m，則金剛石薄膜的強(qiáng)度降低的同時，薄膜表面的平滑性也降低，所以容易產(chǎn)生刀刃的缺損或切削時的毛刺，從而將金剛石薄膜的膜厚定為10 30μπι。發(fā)明效果就該發(fā)明的金剛石包覆工具而言，具有金剛石晶粒的20%以上的雙軸取向疇，其結(jié)果，即使在CFRP、Al合金等的高速切削加工中使用時，也可以維持鋒利刀刃的同時，也不產(chǎn)生毛刺，經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性及耐磨性。
具體實(shí)施例方式接著，根據(jù)實(shí)施例對該發(fā)明的金剛石包覆工具進(jìn)行具體說明。在此，對將金剛石包覆工具應(yīng)用于立銑刀的情況進(jìn)行敘述，但本發(fā)明不限于此，可以應(yīng)用于刀片、鉆頭等的各種切削工具。[實(shí)施例]作為原料粉末準(zhǔn)備具有平均粒徑為5. 5 μ m的中粗粒WC粉末、平均粒徑為0. 8 μ m 的微粒WC粉末、平均粒徑為1. 3 μ m的TaC粉末、平均粒徑為1. 2 μ m的NbC粉末、平均粒徑為1. 2 μ m的ZrC粉末、平均粒徑為2. 3 μ m的Cr3C2粉末、平均粒徑為1. 5 μ m的VC粉末、平均粒徑為Ι.Ομπι的(Ti、W)C[以質(zhì)量比計，TiC/WC = 50/50]粉末、及平均粒徑為1.8μπι的 Co粉末，將這些原料粉末分別配合成表1所示的配合組成，并且加入蠟在丙酮中球磨混合 24小時，減壓干燥之后，以IOOMPa的壓力擠壓成型為預(yù)定形狀的各種壓粉體，將這些壓粉體在6 的真空氣氛中以7°C /分的升溫速度升溫至1370 1470°C的范圍內(nèi)的預(yù)定溫度， 在該溫度保持1小時后，以爐冷條件燒結(jié)，形成直徑為13mm的工具基體形成用圓棒燒結(jié)體， 進(jìn)一步從所述圓棒燒結(jié)體以磨削加工分別制造具有刀刃部的直徑X長度為IOmmX 22mm的尺寸、及螺旋角為30度的2刃方形形狀的WC基硬質(zhì)合金制的工具基體(立銑刀)C-1 C-IO接著，在丙酮中超聲波清洗這些工具基體(立銑刀)C-I C-IO的表面，干燥后， 進(jìn)行根據(jù)酸溶液的蝕刻及/或根據(jù)堿溶液的蝕刻處理，進(jìn)一步使用金剛石粉末漿液用超聲波清洗器進(jìn)行超聲波處理后，<111>取向的薄膜以燈絲溫度2250 2350°C、燈絲-基板間隔15 25mm、
基板溫度850 950°C、反應(yīng)壓力2. 66 10. 64kPa(20 80Torr)、反應(yīng)氣體=CH4 1. 0 2. 5vol %、H2 剩余；并且，<110>取向的薄膜以燈絲溫度2050 2150°C、燈絲-基板間隔15 25mm、基板溫度750 850°C、反應(yīng)壓力2. 66 10. 64kPa(20 80Torr)、反應(yīng)氣體=CH4:2. 0 4. Ovol %、H2 剩余這樣的條件，成膜表2所示的目標(biāo)膜厚的金剛石薄膜，由此分別制造了本發(fā)明的金剛石包覆立銑刀(以下稱為本發(fā)明立銑刀)1 10。以比較的目的，以在上述的工具基體(立銑刀)C-I C-5的表面上實(shí)施與上述相同的涂布前處理的狀態(tài)，在燈絲溫度2200 2400°C、燈絲-基板間隔10 30mm、基板溫度850 1000°C、反應(yīng)壓力1· 33 13. 3kPa(10 IOOTorr)、反應(yīng)氣體CH4 :0. 5 3. OvolH2 剩余的條件下，在上述工具基體(立銑刀)的表面成膜僅由表3所示的目標(biāo)膜厚及<111>取向的金剛石晶粒構(gòu)成的金剛石薄膜，由此分別制造了比較金剛石包覆立銑刀(以下稱為比較立銑刀)1 5。以比較的目的，進(jìn)一步以在上述的工具基體(立銑刀)C_6 C-IO的表面上實(shí)施與上述相同的涂布前處理的狀態(tài)，在燈絲溫度2000 2200°C、燈絲-基板間隔10 30mm、基板溫度700 850°C、反應(yīng)壓力1.33 ~ 13. 3kPa(10 IOOTorr)、反應(yīng)氣體=CH4 :2. 0 6. Ovol %、H2 剩余的條件下，在上述工具基體(立銑刀)的表面成膜僅由表3所示的目標(biāo)膜厚及<110>取向的金剛石晶粒構(gòu)成的金剛石薄膜，由此分別制造了比較金剛石包覆立銑刀(以下稱為比較立銑刀)6 10。接著，制作如下構(gòu)成的傾斜角度數(shù)分布圖，即，對上述本發(fā)明立銑刀1 10及上述比較立銑刀1 10的金剛石薄膜，使用場致發(fā)射型掃描電子顯微鏡，對存在于垂直于基體表面的薄膜截面研磨面的測定范圍內(nèi)的各個晶粒照射電子射線，測定所述晶粒的晶體方位 <111>及<110>相對于所述基體表面的法線及相對于與基體表面的法線正交的方向形成的傾斜角，對在所述測定傾斜角中處于ο 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角按0. 25度的間距進(jìn)行劃分的同時，合計存在于各部分內(nèi)的度數(shù)。并且，求出該分布峰值傾斜角部分和分布峰值的半值寬度，將這些值與雙軸取向疇的面積率一起示于表2、表3。接著，對上述本發(fā)明立銑刀1 10及上述比較立銑刀1 10，分別進(jìn)行在被切削材料-平面尺寸100mmX250mm、厚度5mm的、碳素纖維和熱固化型環(huán)氧系樹脂帶有正交層疊結(jié)構(gòu)的碳素纖維強(qiáng)化樹脂復(fù)合材料(CFRP)的板材、切削速度240m/min.、切削加工5mm、工作臺進(jìn)給速度1500mm/分、吹氣排屑的條件(切削條件A)下的上述CFRP的干式高速切削加工試驗(yàn)、及被切削材料-平面尺寸100_X250mm、厚度50_的、JIS · ADC12的板材、切削速度420m/min.、槽深(切深)直徑方向(ae)2.5mm、軸向(ap)8mm、工作臺進(jìn)給速度1200mm/分、吹氣排屑的條件(切削條件B)下的上述Al合金的干式高速側(cè)面切削加工試驗(yàn)， 在任何切削加工試驗(yàn)中都測定了在刀刃部產(chǎn)生缺損為止的切削槽長(側(cè)面加工時為切削長)、或在被切削材料產(chǎn)生毛刺為止的切削槽長(側(cè)面加工時為切削長)。將這些測定結(jié)果分別示于表4。[表1]
權(quán)利要求
1. 一種金剛石包覆工具，該包覆工具在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體構(gòu)成的工具基體的表面包覆有膜厚為10 30 μ m的金剛石薄膜，其特征在于，使用電子背散射衍射裝置對每個金剛石晶粒的晶體方位進(jìn)行分析時，(a)測定所述晶粒的晶體方位<111>相對于表面研磨面的法線方向所成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<111>相對于與表面研磨面的法線正交的方向所成的傾斜角，并求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值，并且，(b)測定所述晶粒的晶體方位<110>相對于表面研磨面的法線方向所成的傾斜角、及所述晶粒的晶體方位<110>相對于與表面研磨面的法線正交的方向所成的傾斜角，并求出各自的測定傾斜角的分布時，在特定傾斜角部分中存在半值寬度為10度以內(nèi)的峰值，同時滿足上述(a)、(b)的寬度為0. 1 1 μ m的雙軸取向疇存在金剛石晶粒整個面積的20%以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金剛石薄膜發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性的金剛石包覆工具。在由硬質(zhì)合金燒結(jié)體構(gòu)成的工具基體表面上形成金剛石薄膜的金剛石包覆工具中，關(guān)于金剛石晶粒的晶體方位，求出、相對于表面研磨面的法線方向所成的傾斜角的分布、及、相對于與表面研磨面的法線正交的方向所成的傾斜角的分布時，分別表示半值寬度為10度以內(nèi)的峰值的雙軸取向疇，存在金剛石晶粒整個面積的20％以上。
文檔編號B32B9/00GK102161107SQ201110009
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者大島秀夫, 松木竜一 申請人:三菱綜合材料株式會社