專利名稱：金剛石包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石包覆切削工具，例如涉及一種在比強(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)或者熔敷性高的 Al合金等的切削加工中使用時(shí)，通過提高金剛石薄膜的表面平滑性來降低切削阻力，并且使其經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)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(shù)：
金剛石包覆部件利用于工具部件、耐磨部件以及滑動(dòng)部件等多方面的用途。一直以來由于與基體的粘附性不充分，所以為了改善此現(xiàn)象提出有各種方案。例如已知有如下金剛石包覆工具(以下，成為以往金剛石包覆工具)對基體撞擊粒徑為0. 1 100 μ m的金剛石顆粒來劃傷表面，并且，使金剛石顆粒進(jìn)入到所形成的凹坑內(nèi)，以這些傷痕及金剛石顆粒為成長核，通過氣相合成法形成金剛石膜，由此，在某些程度上改善了薄膜粘附性，但是，將這種以往金剛石包覆工具部件作為CFRP或Al合金等難切削材料的切削工具中使用時(shí)，存在以下問題點(diǎn)切削阻力大，或者由于金剛石薄膜的粘附性不充分，所以產(chǎn)生缺損或剝離，或者經(jīng)過長期使用無法確保充分的耐磨性，工具壽命縮短等。專利文獻(xiàn)1 日本專利公開平4-129622號公報(bào)近幾年的切削加工裝置的FA化顯著，另一方面對于切削加工的節(jié)省勞力化及節(jié)能化、以及低成本化的要求強(qiáng)烈，另外，切削條件變得越來越嚴(yán)峻。即使在將上述的以往金剛石包覆工具使用于通常條件下的切削加工時(shí)不產(chǎn)生特別問題的情況下，在將此工具使用于與一般的金屬材料相比比強(qiáng)度、比剛性優(yōu)異的CFRP的切削、以及軟質(zhì)且熔敷性高的Al合金等的切削時(shí)，由于CFRP為碳素纖維和環(huán)氧系樹脂的復(fù)合材料，所以不僅工具磨損強(qiáng)烈而且容易產(chǎn)生缺損，另外，Al合金等不僅因切削時(shí)的高熱發(fā)生容易產(chǎn)生向刀片的熔敷，很難維持鋒利的刀片，而且容易產(chǎn)生缺損，工具壽命縮短，因此，在CFRP、Al合金等難切削材料的切削中，也要求不產(chǎn)生缺損或剝離等，且具備優(yōu)異的耐磨性的金剛石包覆工具。因此，從如上述的觀點(diǎn)考慮，本發(fā)明人們?yōu)榱碎_發(fā)在尤其作為難切削材料的CFRP 或熔敷性高的Al合金等的切削加工中，切削阻力低且經(jīng)長期使用顯示優(yōu)異的耐磨性的金剛石包覆工具，進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得到以下見解。本發(fā)明人們的見解為如下圖1為表示本發(fā)明的金剛石包覆工具的金剛石薄膜的成膜階段的示意圖，在圖1的(a)中，于初始階段中在工具基體(母材)表面生成大小不同的初始核，在圖1的(b)所示的成膜階段中，從不同大小的初始核分別成長金剛石顆粒時(shí)， 通過微粒金剛石晶粒及粗粒金剛石晶粒之類的顆粒大小不同的金剛石晶粒構(gòu)成金剛石薄膜，但通過將微粒金剛石晶粒及粗粒金剛石晶粒在金剛石薄膜整體中所占的含有比例分別規(guī)定成預(yù)定的比例，包覆這種金剛石薄膜的金剛石包覆工具顯示低切削阻力的同時(shí)，經(jīng)過長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性
發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明是基于上述見解而完成的，其具有如下特征一種金剛石包覆切削工具，其在切削工具基體表面包覆形成金剛石薄膜，其特征在于，取與上述金剛石薄膜的膜厚方向垂直的平面內(nèi)的金剛石晶粒的粒徑分布時(shí)，在平均粒徑為0. 05 0. 5 μ m的位置和平均粒徑為0. 8 5 μ m的位置存在2個(gè)粒徑分布的峰值，并且，由平均粒徑為0. 05 0. 5 μ m的顆粒的面積比例占整體的20 40%且平均粒徑為0. 8 5 μ m的顆粒的面積比例占整體的40 80%的金剛石晶粒構(gòu)成金剛石薄膜。接著，對該發(fā)明的金剛石包覆工具的包覆層進(jìn)行詳細(xì)說明。初始核的生成本發(fā)明的金剛石薄膜的形成通過初始核的生成及金剛石顆粒的成長這樣的2個(gè)階段進(jìn)行，但在成膜初期階段的初始核的生成中，首先，在工具基體表面生成大小不同的2 種初始核。具體而言，首先，在分散中心粒徑不同的金剛石顆粒的泥漿中超聲波處理基板， 從而形成大小不同的核生成位置。例如，在包含中心粒徑為5 20nm和0. 1 3. 0 μ m的 2種金剛石顆粒的泥漿中超聲波處理之后，在預(yù)定的合成條件下合成金剛石膜，從而使大小為10 80nm的微細(xì)初始核和大小為100 500nm的粗大初始核的2種不同大小的初始核生成于工具基體表面。另外，在本發(fā)明中所說的大小、粒徑是指與膜厚方向垂直的面內(nèi)的各個(gè)初始核、顆粒的最大直徑，膜厚方向的初始核、顆粒的各個(gè)最大直徑稱為“長度”。若初始核的層厚增大，則在初始核層與工具母材表面的界面處產(chǎn)生的應(yīng)力增大， 使膜的粘附性下降，從這一點(diǎn)考慮，優(yōu)選初始核的層厚為粗大初始核形成單層程度的厚度 (即，最大也在500nm以下)。另外，根據(jù)微細(xì)初始核的長度，微細(xì)初始核有時(shí)不形成單層而是形成多層，但在微細(xì)初始核層與工具母材表面不產(chǎn)生空隙而形成強(qiáng)固的界面，從這點(diǎn)來看，優(yōu)選微細(xì)初始核為10層為止的多層，更優(yōu)選微細(xì)初始核以3 7層形成。金剛石顆粒的成長以形成于工具基體表面正上方的不同大小的初始核(微細(xì)初始核和粗大初始核) 為顆粒成長的核，成膜金剛石薄膜。金剛石薄膜例如通過以下條件的熱燈絲法形成。成膜壓力10 5(ΧΓοη·燈絲溫度2000 MOO °C反應(yīng)氣體CH4 0. 5 5. Ovol % 剩余 H2燈絲基板間隔10 30mm基體溫度750 950°C根據(jù)上述成膜條件，分別以微細(xì)初始核和粗大初始核為顆粒成長的核，金剛石顆粒成長，且形成以粒徑為0. 05 0. 5 μ m的金剛石顆粒(稱為微細(xì)顆粒)和粒徑為0. 8 5μπι的金剛石顆粒(稱為粗大顆粒)為主體的金剛石薄膜。該金剛石薄膜的膜厚(與初始核的層厚的合計(jì))若不到5 μ m,則在難切削材料的切削加工中無法經(jīng)長期使用而充分地發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，并且，若膜厚超過50 μ m,則薄膜表面的平滑性下降，容易發(fā)生缺損等，由此金剛石薄膜的膜厚(與初始核的層厚的合計(jì))優(yōu)選設(shè)成5 50 μ m。
關(guān)于以上述微細(xì)顆粒和粗大顆粒為主體的金剛石薄膜，通過SEM(掃描型電子顯微鏡)觀察薄膜表面并測定其粒徑分布，可知如下內(nèi)容在平均粒徑為0. 05 0. 5μπι的位置和平均粒徑為0. 8 5 μ m的位置存在2個(gè)粒徑分布的峰值，并且，平均粒徑為0. 05 0.5μπι的顆粒的面積比例(即，微細(xì)顆粒所占的面積比例)為整體的20 40%，并且，平均粒徑為0.8 5μπι的顆粒的面積比例(即，粗大顆粒所占的面積比例)為整體的40 80%。上述微細(xì)顆粒所占的面積比例若超過40 %，或者，粗大顆粒所占的面積比例若不到40%，則在難切削材料的切削加工中耐磨性不充分，所以無法經(jīng)長期使用而維持優(yōu)異的耐磨性，另一方面，微細(xì)顆粒所占的面積比例若不到20%，或者，粗大顆粒所占的面積比例若超過80%，則金剛石薄膜的表面平滑性下降，在難切削材料的切削加工中，切削初期的切削阻力尤其增加，容易發(fā)生缺損或剝離等，由此微細(xì)顆粒及粗大顆粒的粒徑面積比例分別規(guī)定為20 40%、40 80%。上述微細(xì)顆粒、粗大顆粒的粒徑面積比例受工具基體表面的超聲波處理?xiàng)l件和金剛石膜成長條件的影響，因此為了設(shè)成預(yù)定的粒徑面積比例，必須將在基體的超聲波處理中使用的金剛石泥漿中的金剛石平均粒徑調(diào)整為5 20 μ m和0. 1 3. 0 μ m 2種，并且， 必須將金剛石顆粒的成長中的成膜條件中的燈絲溫度和合成氣體中的CH4氣體比例分別調(diào)整到 2000 24000C >0. 5 5. Ovol % 的范圍。發(fā)明效果就該發(fā)明的金剛石包覆工具而言，金剛石薄膜分別將預(yù)定比例的微細(xì)顆粒和粗大顆粒作為主體而構(gòu)成，由此薄膜表面具備優(yōu)異的平滑性，并且兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐磨性，從這點(diǎn)來看，在比強(qiáng)度、比剛性高的CFRP或熔敷性高的Al合金等難切削材料的切削加工中，不會(huì)產(chǎn)生缺損或剝離等，經(jīng)長期使用能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。


圖1是表示本發(fā)明的金剛石包覆工具的金剛石薄膜的成膜階段的示意圖，其中 (a)表示初始核形成階段，在成長初期的母材/膜界面附近生成大小不同的初始核，成立膜。(b)表示顆粒的成長階段，通過從這些大小不同的核成長顆粒，形成顆粒大小不同的 (具有2個(gè)以上的粒度分布峰值)膜。
具體實(shí)施例方式接著，根據(jù)實(shí)施例具體說明該發(fā)明的金剛石包覆工具。在此，關(guān)于將金剛石包覆工具應(yīng)用于鉆頭的情況進(jìn)行敘述，但本發(fā)明不限于此，可應(yīng)用于各種切削工具。[實(shí)施例]準(zhǔn)備如下材料作為原料粉末具有平均粒徑為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LOymW (Ti，W)C[以質(zhì)量比計(jì)，TiC/WC = 50/50]粉末、及平均粒徑為1. 8 μ m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，另外，加入蠟在丙酮中球磨混合M小時(shí)，減壓干燥之后，在IOOMI^的壓力下沖壓成型為預(yù)定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6 的真空氣氛中，以7°C /分鐘的升溫速度升溫至1370 1470°C范圍內(nèi)的預(yù)定溫度，在該溫度保持1小時(shí)后，在爐冷條件下燒結(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)體以研磨加工分別制造槽形成部的直徑X長度為 IOmmX 22mm大小、并且具有螺旋角30度的2片刀形狀的WC基硬質(zhì)合金制的工具基體(鉆頭)D-I D-8。接著，對這些工具基體(鉆頭)D_1 D-8的刀刃施行珩磨，在丙酮中對其表面進(jìn)行超聲波清洗，干燥之后，進(jìn)行基于酸溶液的蝕刻和/或基于堿溶液的蝕刻處理，另外，使用金剛石粉末泥漿液用超聲波清洗器進(jìn)行超聲波處理之后，在成膜壓力10 50Torr、燈絲溫度2000 2400 V、反應(yīng)氣體CH4 0. 5 5. Ovol % 剩余 H2、燈絲基板間隔10 30mm、基體溫度750 950°C范圍內(nèi)的條件下，進(jìn)行初始核(微細(xì)初始核和粗大初始核)的生成。將包含于在超聲波處理中使用的金剛石泥漿的金剛石的平均粒徑示于表2。接著，在表3所示的條件下進(jìn)行金剛石薄膜的成膜，由此分別制造表4所示的本發(fā)明的金剛石包覆鉆頭(以下稱為本發(fā)明鉆頭)1 8。將形成于金剛石薄膜中的微細(xì)顆粒和粗大顆粒的粒徑面積比例示于表4。以比較為目的，在上述工具基體(鉆頭)D-I D-4的表面以表3所示的條件進(jìn)行金剛石薄膜的成膜，從而分別制造表5所示的比較例的金剛石包覆鉆頭(以下，稱為比較鉆頭)1 8。本發(fā)明鉆頭1 8的初始核大小的測定通過基體表面的SEM觀察來進(jìn)行。并且，有關(guān)本發(fā)明鉆頭1 8及比較例鉆頭1 8的金剛石薄膜的微細(xì)顆粒和粗大顆粒的粒徑分布測定，通過金剛石薄膜形成后的鉆頭表面的SEM觀察來進(jìn)行。接著，對上述本發(fā)明鉆頭1 8及比較鉆頭1 8的每一個(gè)，分別進(jìn)行[切削條件1]被切削材料-平面尺寸100mmX 250mm、厚度8mm的、碳素纖維和熱固化型環(huán)氧系樹脂具有正交層疊結(jié)構(gòu)的碳素纖維強(qiáng)化樹脂復(fù)合材料(CFRP)板材、切削速度200m/min.、進(jìn)給速度0. 06mm/rev>貫穿孔(8mm)條件下的上述CFRP的干式鉆孔切削加工試驗(yàn)，以及[切削條件2]被切削材料-平面尺寸100_X250mm、厚度15_的、JIS · ADC12的板材、切削速度220m/min.、進(jìn)給速度0. 09mm/rev>貫穿孔(15mm)條件下的上述Al合金的干式鉆孔切削加工試驗(yàn)，在任一種切削加工試驗(yàn)中都測定了加工孔尺寸精度超過0. 04mm為止的鉆孔加工數(shù)。
在表6分別表示該測定結(jié)果。[表1]
權(quán)利要求
1. 一種金剛石包覆切削工具，在切削工具基體表面包覆形成金剛石薄膜，其特征在于， 取與上述金剛石薄膜的膜厚方向垂直的平面內(nèi)的金剛石晶粒的粒徑分布時(shí)，在平均粒徑為0. 05 0. 5 μ m的位置和平均粒徑為0. 8 5 μ m的位置存在2個(gè)粒徑分布的峰值， 并且，由平均粒徑為0. 05 0. 5μπι的顆粒的面積比例占整體的20 40%且平均粒徑為 0. 8 5 μ m的顆粒的面積比例占整體的40 80%的金剛石晶粒構(gòu)成金剛石薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金剛石包覆切削工具，其在難切削材料的切削加工中，切削阻力低且耐磨性優(yōu)異。在金剛石包覆切削工具中，在取與金剛石薄膜的膜厚方向垂直的平面內(nèi)的金剛石晶粒的粒徑分布時(shí)，在平均粒徑為0.05～0.5μm的位置和平均粒徑為0.8～5μm的位置存在粒徑分布的峰值，并且由平均粒徑為0.05～0.5μm的顆粒的面積比例占整體的20～40％且平均粒徑為0.8～5μm的顆粒的面積比例占整體的40～80％的金剛石晶粒構(gòu)成金剛石薄膜，由此提高薄膜的平滑性的同時(shí)提高耐磨性。
文檔編號B23P15/28GK102189279SQ20111003238
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26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(huì)社