切削工具用金刚石被膜 【技术领域】
本发明涉及切削工具用金刚石被膜，该切削工具用金刚石被膜被覆在对高硬度非铁系被切削材料进行切削加工等时所使用的工具上。
背景技术
近年来，为了提高超硬合金制的切削工具的耐磨损性，使用一种在超硬合金母材上被覆了TiN或TiAlN等硬质膜的切削工具。
此外，最近，为了加工硬质碳材料或含Si铝合金等非铁系高硬度被切削材料，也使用一种在超硬合金母材上利用CVD(化学气相沉积)法被覆了金刚石被膜的切削工具(参考专利文献1等)。
专利文献1：日本特开2003‑25117号公报
然而，金刚石被膜和超硬合金母材的密合性未必高，存在切削时容易发生被膜剥离的问题。并且，现状是，以往的金刚石被膜中除了纯金刚石之外还混合有石墨成分，该石墨成分部分与纯金刚石部分相比硬度差，因此对非铁系高硬度被切削材料未必表现出充分的耐磨损性。
【发明内容】
鉴于上述现状，发明人对金刚石被膜的被膜组织和被膜层构成进行了研究，结果得到了通过对该被膜组织和被膜构成进行研究能够解决上述问题这一认识，从而完成了本发明。本发明提供一种切削工具用金刚石被膜，该切削工具用金刚石被膜与超硬合金母材的密合性优异，而且因其硬度高而对非铁系高硬度被切削材料具有充分的耐磨损性，能大幅度延长切削工具的工具寿命，实用性极其优异。
下面对本发明的要点进行说明。
本发明的第1方案涉及一种切削工具用金刚石被膜，该切削工具用金刚石被膜是形成在基材上的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，该金刚石被膜包含至少一层以上的多层被膜层，该多层被膜层是交替层积具有0.3μm～3μm的平均结晶粒径的第一被膜层和平均结晶粒径比该第一被膜层的平均结晶粒径大的第二被膜层各一层以上而形成的；在上述基材上紧邻所述基材以1μm～10μm的膜厚形成有上述第一被膜层。
此外，本发明的第2方案涉及第1方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，对上述第一被膜层和上述第二被膜层分别使用波长532nm的激光进行拉曼散射光谱分析时，上述第一被膜层的拉曼位移1333cm
‑1附近的峰强度I
D和拉曼位移1450cm
‑1～1600cm
‑1附近的峰强度I
G的比[I
D/I
G]在0.9～1.5的范围，并且上述第二被膜层的[I
D/I
G]大于上述第一被膜层的[I
D/I
G]。
此外，本发明的第3方案涉及第1方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，在最表层以0.5μm～10μm的膜厚形成有第三被膜层，该第三被膜层的平均结晶粒径比上述第一被膜层的平均结晶粒径小。
此外，本发明的第4方案涉及第2方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，在最表层以0.5μm～10μm的膜厚形成有第三被膜层，该第三被膜层的平均结晶粒径比上述第一被膜层的平均结晶粒径小。
此外，本发明的第5方案涉及第3方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，对上述第一被膜层和上述第三被膜层分别使用波长532nm的激光进行拉曼散射光谱分析时，上述第一被膜层的拉曼位移1333cm
‑1附近的峰强度I
D和拉曼位移1450cm
‑1～1600cm
‑1附近的峰强度I
G的比[I
D/I
G]大于上述第三被膜层的[I
D/I
G]。
此外，本发明的第6方案涉及第4方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，对上述第一被膜层和上述第三被膜层分别使用波长532nm的激光进行拉曼散射光谱分析时，上述第一被膜层的拉曼位移1333cm
‑1附近的峰强度I
D和拉曼位移1450cm
‑1～1600cm
‑1附近的峰强度I
G的比[I
D/I
G]大于上述第三被膜层的[I
D/I
G]。
此外，本发明的第7方案涉及第1～第6方案任一方案所述的切削工具用金刚石被膜，其特征在于，上述基材是由以WC为主成分的硬质粒子和以Co为主成分的结合材料构成的超硬合金，上述WC粒子的平均粒径被设定为0.3μm～3μm，上述Co的含量以重量％计被设定为3％～15％。
由于本发明具有如上构成，因此成为一种与超硬合金母材的密合性优异，而且因硬度高而对非铁系高硬度被切削材料具有充分的耐磨损性，能大幅度延长切削工具的工具寿命的实用性极其优异的切削工具用金刚石被膜。
【附图说明】
图1是本实施例的第一被膜层的表面放大照片。
图2是本实施例的第二被膜层的表面放大照片。
图3是本实施例的第三被膜层的表面放大照片。
图4是本实施例的第一被膜层的拉曼光谱图。
图5是本实施例的第二被膜层的拉曼光谱图。
图6是本实施例的第三被膜层的拉曼光谱图。
【具体实施方式】
下面简单地对本发明的优选的实施方式进行说明，并给出本发明的作用。
利用形成有金刚石被膜(该金刚石被膜包含交替层积第一被膜层和第二被膜层而成的多层被膜层)的切削工具，对例如非铁系高硬度被切削材料进行切削加工。
此时，紧邻基材形成在基材上的第一被膜层由于具有预定的平均结晶粒径和膜厚，因此密合性优异，此外，由于包含至少一层以上的多层被膜层(该多层被膜层是将平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径大的第二被膜层和第一被膜层交替层积而形成的)，从而与第一被膜层单层膜相比硬度高。
因此，本发明在切削时难以剥离且对非铁系高硬度被切削材料的耐磨损性也良好，能大幅度延长切削工具的工具寿命。
实施例
下面基于附图对本发明的具体的实施例进行说明。
本实施例是形成在基材上的切削工具用金刚石被膜，该金刚石被膜包含至少一层以上的多层被膜层，该多层被膜层是交替层积第一被膜层和平均结晶粒径比该第一被膜层的平均结晶粒径大的第二被膜层各一层以上而形成的，该多层被膜层以上述第一被膜层紧邻上述基材而形成在该基材上的方式构成。
下面具体地对各部进行说明。
本实施例中，作为基材，采用由以WC为主成分的硬质粒子和以Co为主成分的结合材料构成的超硬合金制的基材，并且WC粒子的平均粒径被设定为0.3μm～3μm，Co的含量以重量％计被设定为3％～15％。
此外，本实施例的多层被膜层交替层积有第一被膜层和第二被膜层各一层。此外，如后所述，通过不改变总厚度来交替层积第一被膜层和第二被膜层各2层以上，而成为硬度更优异的金刚石被膜。
此外，本实施例中，在金刚石被膜的最表层(多层被膜层的最表层)设置有第三被膜层。形成该第三被膜层，使得该第三被膜层的平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径小。
因此，平均结晶粒径以第三被膜层＜第一被膜层＜第二被膜层的顺序变大。
第一被膜层的平均结晶粒径优选设定为0.3μm～3μm。
首先，说明将第一被膜层的平均结晶粒径和超硬合金的WC粒子的平均粒径设定为上述数值范围的理由。本发明人使用各种平均结晶粒径的金刚石被膜和各种改变了WC粒子的平均粒径的超硬合金进行研究，结果发现，在金刚石被膜的平均结晶粒径为接近WC粒子的平均直径的大小时，超硬合金基材和金刚石被膜的密合性变高。此外，还发现，超硬合金的WC粒子的平均粒径过大或过小时，与金刚石被膜的密合性都降低，优选超硬合金的WC粒子的平均粒径为0.3μm～3μm。于是，根据超硬合金的WC粒子的平均粒径，将金刚石被膜的平均结晶粒径也设定为0.3μm～3μm。对得到上述结果的原因有待于今后的研究，但对于金刚石被膜的平均结晶粒径和超硬合金的WC粒子的平均粒径的关系、超硬合金的WC粒子的大小，认为金刚石被膜和超硬合金的接合界面的面积对其有影响。若紧邻超硬合金基材而配置在该超硬合金基材上的第一被膜层的膜厚过薄，则密合性降低，因此优选第一被膜层的膜厚为1μm以上。此外，紧邻超硬合金基材而配置在超硬合金基材上的第一被膜层是以确保密合性为目的而成膜的，因此即使过厚，也没有太大意义，10μm以下即可。
接下来，说明将第二被膜层的平均结晶粒径设定为上述范围的理由。发明人分别改变金刚石被膜的平均结晶粒径进行实验，结果发现，通过增大金刚石晶粒，能提高被膜的硬度。通常，在金刚石被膜中除了纯金刚石之外还混合有石墨成分，若该石墨成分的比例高，则金刚石被膜的硬度降低。若增大金刚石晶粒，则晶界面积变少。由于考虑到石墨成分容易偏在于晶界，因此认为晶界面积的降低也许有助于提高被膜硬度。第二被膜层的平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径大即可，但若第二被膜层的平均结晶粒径过大，则被膜层界面或表面的粗糙度变大，因此更优选的是，第二被膜层的平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径大，并且第二被膜层的平均结晶粒径以0.6μm～6μm为宜。
接下来，说明将第三被膜层的平均结晶粒径设定为上述范围的理由。发明人分别改变金刚石被膜的平均结晶粒径进行实验，结果确认到，通过减小金刚石晶粒，能降低被膜表面的粗糙度。第三被膜层的平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径小即可，但若第三被膜层的平均结晶粒径过小，则被膜的硬度变低，因此更优选的是，第三被膜层的平均结晶粒径比第一被膜层的平均结晶粒径小，并且第三被膜层的平均结晶粒径以0.01μm～0.5μm为宜。若第三被膜层的膜厚过薄，则减小被膜表面的粗糙度的效果降低，因此优选第三被膜层的膜厚为0.5μm以上。此外，若第三被膜层的膜厚过厚，则被膜(从基材上的紧邻基材的第一被膜层到最表层的层积被膜整体)的平均硬度降低，因此优选第三被膜层的膜厚为10μm以下。
本实施例中，如图1～3所示，分别将第一被膜层的平均结晶粒径设定为约1.5μm、将第二被膜层的平均结晶粒径设定为约3μm、将第三被膜层的平均结晶粒径设定为约0.1μm。
此外，利用CVD法(例如，热CVD法)形成第一被膜层、第二被膜层和第三被膜层，使得在用波长532nm的激光对第一被膜层、第二被膜层和第三被膜层分别进行拉曼散射光谱分析时，根据所得到的拉曼光谱算出的拉曼位移1333cm
‑1附近的峰强度ID和拉曼位移1450cm
‑1～1600cm
‑1附近的峰强度I
G的比[I
D/I
G]，对于第一被膜层、第二被膜层和第三被膜层，第二被膜层的[I
D/I
G]大于第一被膜层的[I
D/I
G]，第一被膜层的[I
D/I
G]大于第三被膜层的[I
D/I
G]。
因此，[I
D/I
G]以第三被膜层＜第一被膜层＜第二被膜层的顺序变大。
此处，拉曼位移1333cm
‑1附近的峰为金刚石成分所引起的峰，拉曼位移1450cm
‑1～1600cm
‑1附近的峰是作为非金刚石成分的石墨成分所引起的峰。通常，利用CVD法形成的金刚石被膜中除了纯金刚石成分以外还混合有石墨成分，因此，[I
D/I
G]的值越大意味着是纯金刚石成分的比例越多的被膜。若[I
D/I
G]的值大，则纯金刚石成分的比例多，因此被膜硬度变高，但若石墨成分的比例过少，则金刚石晶粒之间的结合力变弱，被膜的韧性降低而变脆。考虑硬度和韧性的平衡，第一被膜层的[I
D/I
G]的值设定为0.9～1.5的范围。对于第二被膜层，由于通过与第一被膜层的层积就能够确保韧性，因此优先提高硬度，优选设定第二被膜层的[I
D/I
G]的值比第一被膜层的[I
D/I
G]大。但是，若第二被膜层的[I
D/I
G]的值过大，则有可能发生第二被膜层内的裂缝，因此更优选的是，第二被膜层的[I
D/I
G]的值比第一被膜层的[I
D/I
G]大，并且第二被膜层的[I
D/I
G]的值设定在5以下即可。由于第三被膜层是配置在最表层的被膜，所以第三被膜层是对被膜(从基材上的紧邻基材的第一被膜层到最表层的层积被膜整体)的韧性起主导影响的被膜层。因此，对第三被膜层来说，优先考虑韧性而非硬度，以设定第三被膜层的[I
D/I
G]的值小于第一被膜层的[I
D/I
G]的值为宜。但是，若第三被膜层的[I
D/I
G]的值过小，则石墨成分的比例变得过多，硬度降低，因此更优选的是，第三被膜层的[I
D/I
G]的值小于第一被膜层的[I
D/I
G]的值，而且设定在0.6以上即可。
此外，在本实施例中，将构成多层被膜层的第一被膜层紧邻基材而形成在基材上，但不限于构成多层被膜层的第一被膜层，也可以在基材上紧邻基材另外形成第一被膜层，在该另外形成的第一被膜层和多层被膜层之间形成其他被膜层。
本实施例具有如上构成，因此利用形成有金刚石被膜(该金刚石被膜在基材上紧邻基材形成有交替层积第一被膜层和第二被膜层而成的多层被膜层并在最表层形成有第三被膜层)的切削工具，对例如非铁系高硬度被切削材料进行切削加工时能够发挥优异的密合性和耐磨损性，大幅度延长切削工具的工具寿命。
因此，本实施例形成了一种与超硬合金母材的密合性优异，而且因硬度高而对非铁系高硬度被切削材料具有充分的耐磨损性，能大幅度延长切削工具的工具寿命的实用性极其优异的切削工具用金刚石被膜。
以下，对证实本实施例效果的实验例进行说明。
[实验例1]
用热丝型CVD装置，将母材温度调整为650℃～750℃，一边导入H
2气、CH
4气体和O
2气以使气体压力达到500Pa，一边将具有与上述第一被膜层相同构成的第一被膜、具有与上述第二被膜层相同构成的第二被膜、具有与上述第三被膜层相同构成的第三被膜各自成膜在超硬合金母材(φ3超硬圆棒、WC粒子的平均粒径：1μm、Co含量：6重量％)上，并使膜厚为7μm～8μm。此外，对于气体流量比，按照H
2∶CH
4∶O
2，第一被膜为100∶1∶0，第二被膜为100∶1∶1，第三被膜为100∶3∶1。
接下来，为了综合评价各被膜的硬度以及被膜与母材的密合性，测定各被膜的喷砂(blast)寿命。表1列出该实验例1的实验结果。
此外，喷砂寿命是以下述条件进行喷砂喷射(照射)时喷嘴正下方的被膜被除去而出现母材为止的时间。此外，若喷射喷砂，则金刚石被膜被缓慢除去，若被膜厚度被某种程度地减薄，则该部分发生剥离而出现母材。若被膜和母材的密合性低，则残留的被膜在较厚时发生剥离，若密合性高，则残留的被膜直到变得较薄的程度也不发生剥离。
·喷砂条件
喷射角度：垂直于被膜的方向
喷嘴直径：φ0.8
磨粒：SiC#180
空气压：在t3钠钙玻璃上以20秒穿洞的压力
从表1可知，在被膜厚度为7μm～8μm这样较薄的条件的情况下，第一被膜的喷砂寿命最长。在膜厚较薄的情况下，由于主要是被膜和母材的密合性影响喷砂寿命(需要说明的是，在膜厚较厚的情况下，被膜硬度对喷砂寿命的影响程度变大)，因此，可以认为，这意味着在被膜和母材的密合性方面，第一被膜最好。从以上可以认为在母材上并紧邻母材配置第一被膜为宜。
[实验例2]
用热丝型CVD装置，以与实验例1相同的母材温度、气体种、气体压力和气体流量比，将第一被膜、第二被膜和第三被膜分别以下述的层积构成成膜在超硬合金母材(2刃方形的φ10超硬立铣刀、WC粒子的平均粒径：1μm、Co含量：6重量％)上，并使得总厚度为11μm～12μm，从而形成多层膜A、多层膜B和多层膜C，对多层膜A、多层膜B和多层膜C以与实验例1的喷砂条件相同的条件对立铣刀的切削刃后面进行喷砂喷射，测定各膜的喷砂寿命。表2列出该实验例2的实验结果。需要说明的是，表2中的第一被膜(单层膜)为，以与实验例1相同条件，以11μm～12μm的厚度在母材上仅进行第一被膜的成膜的比较例。
·多层膜A：母材/第一被膜/第二被膜/第三被膜
(膜厚比1∶2∶2)
·多层膜B：母材/第一被膜/第二被膜/第一被膜/第二被膜
(膜厚比1∶1∶1∶1)
·多层膜C：母材/第一被膜/第二被膜/第一被膜/第二被膜/第三被膜
(膜厚比8∶7∶6∶7∶12)
从表2可以确认到，与第一被膜(单层膜)相比，组合了金刚石成分的比例高的第二被膜的多层膜表现出高的喷砂寿命。因此，可以确认到，通过在母材上并紧邻母材配置密合性优异的第一被膜并组合第二被膜，可以使高硬度和良好的密合性并存。
此外，如多层膜B和多层膜C，通过交替层积第一被膜和第二被膜各2层，可以得到比交替层积第一被膜和第二被膜各1层的多层膜A更好的喷砂寿命。可以认为这是因为，第二被膜因金刚石成分的比例高而硬度高，但另一方面可以推测出，石墨成分的比例少导致金刚石晶粒间的结合强度较弱，若第二被膜过厚，则具有在金刚石晶粒间容易产生龟裂的危险性，因此，可以认为与配置较厚的第二被膜仅一层的多层膜A相比，配置2层以上的较薄的第二被膜的多层膜B和多层膜C的喷砂寿命变长。
表1
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表2
被膜种 喷砂寿命(分钟) 备注
第一被膜(单层膜) 11 比较例
多层膜A 20.4 实施例
多层膜B 65.5 实施例
多层膜C 75.4 实施例