專利名稱：：切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種精密加工用切削工具，尤其涉及一種用于對鋁合金、銅合金、無電解鍍鎳、樹脂或玻璃、碳、MMC等硬脆材料或難切削材料等進(jìn)行精密加工的精密加工用切削工具。
背景技術(shù)：
：目前在各種材料的精密加工用切削工具中，使用天然單晶金剛石(diamond)、或者合成單晶金剛石。但是，在將單晶金剛石用作切削工具的情況下，存在著在刀尖上產(chǎn)生碎屑(chipping)，或使用中在刀尖部產(chǎn)生偏磨損，從而不能進(jìn)行精密加工的問題。金剛石單晶的結(jié)晶格子面的間隔因方位而不同，此外，因各格子面的不同而面內(nèi)的原子密度不同。因此，具有裂開性，對硬度、耐磨損性具有顯著的方向依存性，產(chǎn)生如上述那樣的缺陷?，F(xiàn)在，工具用出售的多晶金剛石，作為燒結(jié)助劑或者粘結(jié)劑全都使用Co、Ni、Fe等鐵族金屬或SiC等陶瓷。通過將金剛石粉末與燒結(jié)助劑、粘結(jié)劑一起在熱力學(xué)穩(wěn)定的高壓高溫條件下(通常，壓力56GPa，溫度13001500°C)燒結(jié)從而得到金剛石。但是，由于含有10體積％前后的燒結(jié)助劑或者粘結(jié)劑，所以不能得到高精度的刀尖、作用面，從而無法適用于精密加工工具。還公知有天然產(chǎn)生的多晶金剛石(黑金剛石(carbonado)、半剛石(ballas))，雖然一部分可作為鉆頭使用，但由于缺陷多，并且材質(zhì)的差異也大，所以不用于這些用途。另一方面，使石墨(Graphite)或玻璃碳(glassycarbon)、無定形碳(amorphouscarbon)等非金剛石碳在超高壓高溫下，在沒有催化劑或溶劑的情況下直接變換為金剛石，同時(shí)燒結(jié)而可以得到無結(jié)合材料的金剛石單相的多晶體。作為這樣的多晶體，例如，在J.Chem.Phys.,38(1963)631-643[F.P.Bundy](非專利文獻(xiàn)1)或Japan丄Appl.Phys.,U(1972)578-590[M.Wakatsuki，K.IcWnose,T.Aoki](非專利文獻(xiàn)2)、Nature259(1976)38[S.Naka,K.Horii，Y.Takeda,T.Hanawa](非專利文獻(xiàn)3)中，公開了將石墨作為起始物料(startingmaterial)并通過14一18GPa、3000K以上的超高壓高溫下的直接變換而可以得到多晶金剛石。此外，在日本特開2002—66302號公報(bào)(專利文獻(xiàn)l)中，記載著將碳納米管(carbonnano-tube)加熱到10GPa以上、1600。C以上，從而合成微細(xì)的金剛石的方法。進(jìn)而，在NewDiamondandFrontierCarbonTechnology,14(2004)313[T.Irifime，H.Sumiya](非專利文獻(xiàn)4)、SEI技術(shù)雜志165(2004)68[角谷、入船](非專利文獻(xiàn)5)中，公開了將高純度石墨作為起始物料，在12GPa以上、220(TC以上的超高壓高溫下，通過基于間接加熱的直接變換燒結(jié)從而得到細(xì)致且高純度的多晶金剛石的方法。專利文獻(xiàn)l:日本特開2002—66302號公報(bào)非專利文獻(xiàn)hJ.Chem.Phys.,38(1963)631-643[F.P.Bundy]非專利文獻(xiàn)2:Japan.J.Appl.Phys.，ll(1972)578-590[M.Wakatsuki,K.Ichinose，T.Aoki]非專禾!J文獻(xiàn)3:Nature259(1976)38[S.Naka,K.Horii，Y.Takeda，T,Hanawa]非專利文獻(xiàn)4:NewDiamondandFrontierCarbonTechnology,14(2004)313[T.Irifime,H.Sumiya]非專利文獻(xiàn)5:SEI技術(shù)雜志165(2004)68[角谷、入艙]但是，由于非專利文獻(xiàn)1或非專利文獻(xiàn)2、非專利文獻(xiàn)3中所述的多晶金剛石，都利用通過對石墨等具有導(dǎo)電性的非金剛石碳直接流通電流來加熱的直接通電加熱法，所以無法避免未變換石墨殘留。此外，金剛石粒子徑不均勻，并且部分燒結(jié)容易變得不充分。因此，由于硬度、強(qiáng)度等機(jī)械特性不夠，并且只得到碎片狀的多晶體，所以無法得到可作為切削工具而使用的物質(zhì)。此外，專利文獻(xiàn)l公開的方法，由于通過金剛石砧(diamondanvil)對碳納米管加壓，并且用二氧化碳激光器聚光加熱，所以無法制造能適用4于切削工具的尺寸的均質(zhì)的多晶金剛石。進(jìn)而，由非專利文獻(xiàn)4或非專利文獻(xiàn)5公開的方法得到的金剛石雖然有時(shí)具有非常高的硬度，但其再現(xiàn)性不夠，并且機(jī)械特性不穩(wěn)定，因此，當(dāng)作為切削工具使用時(shí)，因試料的原因存在性能有差異的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)而提出，其目的在于提供一種切削工具，使通過直接變換燒結(jié)得到的多晶金剛石的特性最適合用于切削工具中，不存在現(xiàn)有的單晶金剛石的偏磨損或分裂碎片的問題，并且具有與現(xiàn)有出售的含有粘結(jié)材的多晶金剛石相比更高的強(qiáng)度、耐熱性更優(yōu)良的性能。本發(fā)明人調(diào)査了上述問題點(diǎn)的原因，詳細(xì)調(diào)查了通過直接變換得到的多晶金剛石的微細(xì)構(gòu)造與機(jī)械特性、耐磨損特性之間的關(guān)系，達(dá)縣存在具有層狀構(gòu)造和微細(xì)的均質(zhì)構(gòu)造混合的復(fù)合組織的情況，知道了它們以適當(dāng)?shù)谋壤植嫉慕Y(jié)構(gòu)具有高硬度且耐磨損性優(yōu)良。此外，在現(xiàn)有的方法中，層狀構(gòu)造和微細(xì)的均質(zhì)構(gòu)造的比率，因起始物料的石墨的狀態(tài)或升溫時(shí)間、壓力條件的微妙差別而有差異，知道了這是機(jī)械特性、耐磨特性的不穩(wěn)定的原因。因此，本發(fā)明人為了解決上述那樣的問題，在超高壓高溫下使非金剛石碳直接變換為金剛石的方法中，在比較粗的板狀石墨或者比較粗的金剛石中添加非石墨型碳物質(zhì)或者低結(jié)晶性或者微粒的石墨，將添加后的物質(zhì)作為起始物料，從而可以得到在微粒的金剛石的基體(matrix)中分散有層狀的或者比較粗的金剛石結(jié)晶的組織的多晶金剛石，通過基于該層狀或者粗粒金剛石的對塑性變形、微細(xì)裂縫(cmck)的進(jìn)展阻止效果，發(fā)現(xiàn)可以極其穩(wěn)定地得到非常硬且強(qiáng)韌的多晶金剛石。此外，即使用石墨也可以通過升溫時(shí)間、壓力條件進(jìn)行微細(xì)構(gòu)造的控制，從而也發(fā)現(xiàn)了如上述那樣的適當(dāng)?shù)慕M織。并且，由于使用該素材在工具或部件上形成適當(dāng)?shù)男螤?，所以判明根?jù)起始物料或合成條件可以得到耐磨損性高、偏磨損或分裂碎片也少的切削工具，通過起始物料的最適化將多晶金剛石的微細(xì)構(gòu)造最適化，從而發(fā)現(xiàn)可以得到具有現(xiàn)有材質(zhì)的2倍以上的耐久性的非常優(yōu)異的切削工具，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。艮口，本發(fā)明的特征在于，使用一種多晶金剛石，將非金剛石型碳物質(zhì)作為起始物料，并以在超高壓高溫下不添加燒結(jié)助劑或催化劑而直接變換燒結(jié)為金剛石的、實(shí)質(zhì)上僅由金剛石形成，并且多晶金剛石具有金剛石最大粒徑為100nm以下且平均粒徑為50nm以下的微粒的金剛石和最小粒徑為50nm以上且最大粒徑10000nm以下的板狀或者粒狀的粗粒金剛石的混合組織，制成將所述多晶金剛石作為切削刃的切削工具。并且，其特征在于在這些工具上形成適當(dāng)?shù)男螤?。并且，以微粒的金剛石的最大粒徑?0nm以下，平均粒徑為30nm以下為優(yōu)選，以粗粒的金剛石的最小粒徑為50nm以上，最大粒徑為1000nm以下為優(yōu)選。在將該多晶金剛石作為切削工具使用的情況下，以在形成切削工具的切削刃的前傾面和后隙面的邊界部上形成有圓角為優(yōu)選，該圓角的大小以R1002000nm為優(yōu)選。此外，切削刃當(dāng)形成為成形(forming)形狀的切削刃時(shí)有效。例如，在具有圓弧、橢圓、拋物線等任意形狀的成形形狀的切削刃的情況下，由于與加工材料在各個(gè)方向上產(chǎn)生摩擦，所以在單晶金剛石的情況下，由于因該方向磨損量有很大不同，所以很難均勻磨損，從而壽命變短。在本發(fā)明的將多晶金剛石作為切削刃使用的切削工具的情況下，由于可以精密切削加工，所以可以進(jìn)行由現(xiàn)有的多晶金剛石無法加工的精密加工，并且與使用現(xiàn)有的多晶金剛石或單晶金剛石的切削工具相比，可以將壽命大幅度延長。發(fā)明效果本發(fā)明的切削工具，由于使用通過直接變換得到的金剛石單相的、非常高的硬度且耐磨損性高的多晶金剛石，所以具有現(xiàn)有的切削工具的2倍以上的壽命。具體實(shí)施例方式在粒徑50nm以上的板狀石墨或者金剛石中添加適當(dāng)量的非石墨型碳物質(zhì)，將其作為起始物料，當(dāng)在對金剛石來說熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力條件下直接使其變換燒結(jié)為金剛石時(shí)，可以得到在平均粒徑例如10—20nm的非常微細(xì)的金剛石的基體中分散有例如100—200nm的較粗的金剛石的組織的多晶金剛石。由于塑性變形或裂縫的進(jìn)展被較粗的金剛石部分阻止，所以顯示出非常強(qiáng)韌且高的硬度特性，因試料引起的特性差異也大幅度變小。在此，在粒徑50nm以上的板狀石墨或者金剛石中添加的非石墨型碳物質(zhì)的添加量優(yōu)選10體積％以上、95體積％以下。由于當(dāng)比10體積％少時(shí)，層狀或者粗粒的金剛石彼此接觸，而在其界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生破裂或裂痕，所以不優(yōu)選。此外，當(dāng)超過95體積％時(shí)，基于層狀或者粗粒的金剛石的對塑性變形或微細(xì)裂縫的進(jìn)展阻止效果就變得不夠。此外，作為上述非石墨型碳物質(zhì)，有玻璃碳、無定形碳、富勒烯(flillerene)、碳納米管等。此外，也可以使用由行星球磨機(jī)(ballmill)等機(jī)械粉碎石墨后的粒徑50nrn以下的微細(xì)的碳。將以上的混合物填充到Mo等的金屬容器(capsule)中。在使用被粉碎了的微細(xì)碳的情況下，需要在高純度的惰性氣體中進(jìn)行填充作業(yè)。接著，使用多砧(multi-anvil)型超高壓裝置或帶型超高壓裝置等可進(jìn)行各向同性加壓或靜水壓加壓的超高壓高溫產(chǎn)生裝置，在1500'C以上的溫度下，并且以對金剛石來說熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力，保持規(guī)定時(shí)間。非石墨型碳直接變換為金剛石，同時(shí)被燒結(jié)。在使用粒徑50nm的板狀石墨的情況下，為了使其完全變換為金剛石，需要在200(TC以上的高溫下進(jìn)行處理。這樣，能夠穩(wěn)定得到在微粒的金剛石的基體中分散有層狀或者比較粗的金剛石結(jié)晶的組織的多晶金剛石。此外，將石墨作為起始物料，在上述的高壓高溫處理時(shí)，即使加熱速度為100100(TC/分，也可以得到相同組織的多晶金剛石。通過用該層狀或者粗粒金剛石對塑性變形、微細(xì)裂縫的進(jìn)展阻止效果，多晶體的硬度非常高，在120GPa以上，因此耐磨性非常優(yōu)良，特性的差異也少。使用該多晶金剛石，在與切削工具的工具主體接合后，通過激光等形成粗略的形狀，拋光多晶金剛石的面。拋光后的面的面粗糙度以Ra計(jì)算為0.1um以下。當(dāng)形成這樣的面粗糙度時(shí)，在切削工具的情況下，可以抑制被切削材的附著等，能夠得到可繼續(xù)穩(wěn)定的切削，壽命穩(wěn)定的效果。此外，在形成切削刃的前傾面和后隙面的邊界部上形成圓角，該圓角的大小以R1002000nm為優(yōu)選。這樣通過在本發(fā)明的多晶金剛石的切削刃上設(shè)置圓角，消除在初期的切削刃上線狀排列的金剛石粒子的結(jié)晶方位的差別引起的不穩(wěn)定磨損區(qū)域，通過利用穩(wěn)定磨損區(qū)域來使用，由于切削刃的凹凸變得更小，所以可以得到加工面粗糙度提高的效果。該切削工具，適合于鋁合金、銅合金、無電解鍍鎳、樹脂或玻璃、碳、MMC(金屬基復(fù)合材料)等硬脆材料、難削材料的精密切削加工。實(shí)施例在粒徑0.0510lim、純度99.95%以上的結(jié)晶性好的石墨粉末或者粒徑0.053um的合成石墨粉末中，添加將石墨進(jìn)行了超微細(xì)粉碎后的粉末或玻璃碳粉末、C60粉末、碳納米管粉末等各種非石墨型碳材料，將其填充到Mo容器中并密封，使用超高壓產(chǎn)生裝置，在各種壓力、溫度條件下將其處理30分鐘。通過X射線衍射來鑒別得到的試料的生成相，通過TEM觀察研究構(gòu)成粒子的粒徑。此外，將得到的試料的表面鏡面拋光，用顯微努普(microKnoop)硬度計(jì)測量在其拋光面的硬度。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表l所示。表18<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從該結(jié)果來看，在平均粒徑50nm以上的石墨或者金剛石中，添加IO體積％以上、95體積％以下的微粒粉碎石墨或者非石墨型碳物質(zhì)，將添加后的物質(zhì)作為起始物料，當(dāng)在超高壓高溫下直接變換燒結(jié)時(shí)，能夠穩(wěn)定地得到在平均粒徑50nm以下的微粒的金剛石的基體中分散有粒徑50nm以上的層狀金剛石或者比較粗的金剛石結(jié)晶的組織的多晶金剛石。得到的多晶體的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的Co粘合劑(binder)的燒結(jié)體(6080GPa)，此外，判明了在將石墨作為起始物料的多晶體中所看到的硬度特性的差異也不存在。由該結(jié)果來看，認(rèn)為當(dāng)將實(shí)施例110的多晶金剛石用于切削工具或耐磨部件時(shí)，壽命大幅度提高。因此，使用由實(shí)施例1得到的多晶金剛石來制作切削工具(本工具AE、F、G)，進(jìn)行切削試驗(yàn)。為了比較，也制作了使用現(xiàn)有的單晶金剛石的切削工具(比較工具A)，以及使用現(xiàn)有的含有Co粘合劑的燒結(jié)金剛石的工具(比較工具B)。工具形狀、被切削材料、切削條件如下所述。(試驗(yàn)例1)(1)工具(共同規(guī)格)拐角半徑0.8mm后角7°前角0°(工具其他規(guī)格)本工具A:切削刃的圓角R100nm本工具B:切削刃的圓角R1000nm本工具C:切削刃的圓角R2000nm本工具D:切削刃的圓角R50nm本工具E:切削刃的圓角R3000nm(2)被切削材料鋁合金AC4B0>150Xl卯mm(3)加工方式圓筒外周車削濕式切削(水溶性乳劑2%)(4)切削條件主軸轉(zhuǎn)速1,700rpm(轉(zhuǎn)速固定)進(jìn)給速度0.1mm/rev加工余量①0.2mm/徑切削距離30km在上述的條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)的結(jié)果是1)作為用本工具AE和比較工具A切削30km后的工具壽命的比較確認(rèn)了后隙面的磨損量，發(fā)現(xiàn)本工具A、D的后隙面磨損為6um，本工具B為6.5um，本工具C為7^m，相對于此，比較工具A(單晶金剛石切削工具)有725%的大磨損，為7.5nm，從而本工具AD的壽命好。本工具E的后隙面磨損為8um，與比較工具A相比磨損更大。2)此外，比較本工具AC和比較工具A的表面粗糙度，都是1.5um，刀痕(toolmark)都是相同的剖面形狀，本工具AC可以得到與單晶金剛石切削工具即比較工具A相同的加工面粗糙度。3)另一方面，本工具D在切削刃上產(chǎn)生200500nm程度的微小缺損，在加工面上在刀痕中轉(zhuǎn)印出該缺損引起的切削刃的凹凸，與本工具A及比較工具A相比，加工面質(zhì)量惡化。4)進(jìn)而，本工具E在刀痕中觀察到稍微的顫痕。(試驗(yàn)例2)此外，在下述的條件下也實(shí)施切削試驗(yàn)。(1)工具(共同規(guī)格)拐角半徑0.8mm后角7°前角0°(工具其他規(guī)格)本工具F:切削刃的圓角R500nm比較工具B:切削刃的圓角R500nm(2)被切削材料鋁合金AC4B0150mmX190mm4溝斷續(xù)(3)加工方式圓筒外周車削濕式切削(水溶性乳劑2%)(4)切削條件主軸轉(zhuǎn)速1，700rpm(轉(zhuǎn)速固定)進(jìn)給速度0.04mm/rev加工余量OO.lmm/徑切削距離10km在上述的條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)的結(jié)果是1)作為由本工具F和比較工具B切削10km后的工具壽命的比較，確認(rèn)了后隙面的磨損量，發(fā)現(xiàn)本工具F的后隙面磨損為l.Oum，相對于此，比較工具B(燒結(jié)金剛石切削工具)為3.5nm，是3.5倍大的磨損，本工具F的壽命好。2)此外，進(jìn)行本工具F和比較工具B的切削阻力(背向力)的比較，本工具F為0.8N，相對于此，比較工具B為1.6N，是其2倍，從而確認(rèn)了本工具與現(xiàn)有的燒結(jié)金剛石切削工具相比銳度好。(試驗(yàn)例3)使用由實(shí)施例1得到的多晶金剛石，進(jìn)行下述規(guī)格的凹圓角切削刃形狀的成形切削工具即本工具G的制作。為了比較，制作使用了單晶金剛石的比較工具B。工具的制作工序如以下這樣進(jìn)行。首先，將粗成形的金剛石焊接到基底金屬上，然后，在將后隙面加工為凸圓角形狀的銅圓盤的外周上涂敷金剛石微粒子，然后按壓，在金剛石的后隙面上通過配研拋光來轉(zhuǎn)印凹圓角的形狀。此時(shí)，本工具G被整面均勻地拋光，但比較工具B在從圓角中心向兩側(cè)大概圓弧5。10°的位置處，產(chǎn)生結(jié)晶的各向異性引起的拋光面粗的不均一的部位。(1)工具規(guī)格后角7°前角0°切削刃形狀凹圓角圓角的半徑2mm，圓弧區(qū)域30。心高10mm，全長100mm，寬度10mm根據(jù)該結(jié)果，本發(fā)明的工具，由于不存在現(xiàn)有的單晶金剛石切削工具那樣的結(jié)晶的各向異性，所以均勻加工變得容易，在制作的情況下通過X線設(shè)定結(jié)晶方位，不需要用于確定方向的高精度定位焊接，從而大幅度削減了工具制作工序、時(shí)間。(試驗(yàn)例4)使用由試驗(yàn)例3得到的本工具G，為了比較而制作使用了單晶金剛石的比較工具A，使用它們進(jìn)行碳的加工。(1)工具(工具規(guī)格)拐角半徑0.8mm后角7°前角0°切削刃的圓角500nm(2)被切削材料碳0)50mmX30mm12溝斷續(xù)(3)加工方式圓筒外周車削干式切削(4)切削條件主軸轉(zhuǎn)速2,000rpm(轉(zhuǎn)速固定)進(jìn)給速度0.1mm/rev加工余量①0.2mm/徑加工個(gè)數(shù)20個(gè)在上述的條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)的結(jié)果是比較工具A的單晶金剛石切削工具產(chǎn)生了認(rèn)為是結(jié)晶裂開的20um大的碎片，但本工具G僅產(chǎn)生1Um程度的碎片，并且可以得到規(guī)定的3.2S以下的表面粗糙度。由以上的試驗(yàn)結(jié)果可知與使用現(xiàn)有的材料的工具相比，本發(fā)明的切削工具在耐磨性、耐缺損性、銳度(切削阻力)或切削后的被切削材料的表面粗糙度方面優(yōu)異，并且知道工具的制作也容易。權(quán)利要求1.一種切削工具，其將多晶金剛石作為切削刃，所述多晶金剛石是以非金剛石型碳物質(zhì)作為起始物料，并是在超高壓高溫下不添加燒結(jié)助劑或催化劑而直接變換燒結(jié)為金剛石的、實(shí)質(zhì)上僅由金剛石形成的多晶金剛石，所述多晶金剛石具有最大粒徑為100nm以下且平均粒徑為50nm以下的微粒的金剛石和最小粒徑為50nm以上且最大粒徑為10000nm以下的板狀或者粒狀的粗粒金剛石的混合組織。2.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其中，所述微粒的金剛石的最大粒徑為50nm以下，平均粒徑為30nm以下。3.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其中，所述粗粒的金剛石的最小粒徑為50nm以上，最大粒徑為1000nm以下。4.如權(quán)利要求l所述的切削工具，其中，在形成所述切削刃的前傾面和后隙面的邊界部上形成有圓角。5.如權(quán)利要求4所述的切削工具，其中，所述圓角的大小為R1002000nm。6.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其中，所述切削刃為成形形狀的切削刃。全文摘要本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度或耐磨損性優(yōu)異的切削工具。切削工具的切削刃部分使用將含有非金剛石型碳物質(zhì)的原料組成物，在超高壓高溫下不添加燒結(jié)助劑或催化劑而直接變換燒結(jié)為金剛石的、實(shí)質(zhì)上僅由金剛石形成的多晶體，使用高硬度金剛石多晶體，其具有多晶體最大粒徑為100nm以下，并且平均粒徑為50nm以下的微粒金剛石結(jié)晶以及最小粒徑為50nm以上，并且最大粒徑為10000nm以下的板狀或者粒狀的粗粒金剛石結(jié)晶的混合組織。文檔編號C04B35/52GK101583450SQ20088000226公開日2009年11月18日申請日期2008年1月18日優(yōu)先權(quán)日2007年1月19日發(fā)明者吉永實(shí)樹,小畠一志,角谷均申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社;聯(lián)合材料公司;住友電工硬質(zhì)合金株式會(huì)社