CN101321714B - 金刚石烧结体 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是在具有耐碎裂性高的微粒金刚石烧结体的特性的同时，提高金刚石烧结体的耐磨性和耐碎裂性。通过在硬质合金基材2上烧结金刚石晶粒和粘结剂而形成烧结金刚石层3。该烧结金刚石层3包含主金刚石层4和富Co金刚石层5，所述富Co金刚石层5位于所述主金刚石层4和所述硬质合金基材2之间，并且所述富Co金刚石层5中的Co含量高于所述主金刚石层4中的钴含量；所述主金刚石层的残余压应力为1.5GPa至3GPa。

Description

金刚石烧结体
技术领域
本发明涉及一种耐磨性高、耐碎裂性高的金刚石烧结体，该金刚石烧结体非常适合用作切削工具(以旋削工具、铣刀、端铣刀为代表)的切削刃、耐磨工具(以拉丝模为代表)的材料以及电子材料(如电极元件)。
背景技术
金刚石是地球上最硬的物质，并且使用金刚石晶粒作为起始物料而人工制造的金刚石烧结体被用作(例如)切削工具和耐磨工具。例如，日本专利公开No.S39-20483和S52-12126公开了通过使用铁族金属(例如，钴)作为粘结剂对金刚石晶粒进行烧结而获得的金刚石烧结体。日本专利公开No.S39-20483和S52-12126中所公开的金刚石烧结体由于对由解理性(其是单晶金刚石的缺点)引起的碎裂具有耐受性而被广泛用作非铁金属(如Al-Si合金)切削用工具的切削刃材料。
在这些金刚石烧结体中，金刚石平均粒径较大(例如，平均粒径为至少20μm，但不超过100μm)的金刚石烧结体具有较高的金刚石含量，因此其具有优异的耐磨性。另一方面，金刚石平均粒径较小的金刚石烧结体(例如，由平均粒径小于5μm的金刚石微粒构成的金刚石烧结体)具有优异的耐碎裂性。在这种金刚石烧结体中，由平均粒径不大于1μm的金刚石超微粒构成的金刚石烧结体具有特别优异的耐碎裂性。
因此，改善金刚石烧结体的性能的途径局限于通过减小起始金刚石晶粒的粒度来提高耐碎裂性，或者通过增加起始金刚石晶粒的粒度来提高耐磨性。
此后，如日本专利3,327,080中所披露，人们想出在金刚石微粒上涂敷粘结剂的办法。这种使用粘结剂进行涂敷的方法使得可以进行几乎不存在粘结剂池、空隙和杂质的高密度烧结。该方法使得金刚石烧结体的耐磨性得到改善(缺少耐磨性是微粒金刚石烧结体的缺点)，而且这种金刚石烧结体已经实现商品化，并且进入实际应用中。
然而，即使在粘结剂池、空隙和杂质减少的情况下，为了将金刚石微粒烧结至与耐磨性高的粗粒金刚石烧结体具有相同的高金刚石含量，也需要较高的温度和压力(即使在该烧结条件下可以制造金刚石的情况中也是如此)，以便克服由晶粒表面积的增加所引起的晶粒间摩擦力增加的问题。在这些情况下，对金刚石超微粒而言，由于其具有高活性而易于发生金刚石晶粒的异常生长情况。包含晶粒异常生长区域的金刚石烧结体不能使用线放电加工机(WEDM)进行切削，并且金刚石的机械强度也降低。由于在对由粒径不大于1μm的金刚石超微粒和铁族金属(如钴或碳化钨(WC)-Co)构成的起始物料进行烧结时，晶粒异常生长是不可避免的，因此很难以高产率获得具有均匀结构、且粒径不大于1μm的金刚石烧结体。
结果，实际上不能将粒度不大于1μm的金刚石超微粒烧结至与平均粒径为20μm到30μm的金刚石粗粒具有相同的金刚石含量，因此，由粒度不大于1μm的金刚石超微粒构成的金刚石烧结体的耐磨性比由平均粒径为20μm至30μm的金刚石晶粒构成的金刚石烧结体的耐磨性要差。
日本专利3,391,231批露到，通过将平均粒径为20μm至30μm的金刚石晶粒与平均粒径为2μm至4μm的金刚石晶粒混合来改善耐碎裂性(缺乏耐碎裂性是粗粒金刚石烧结体的缺点)。然而，这种金刚石烧结体由于含有平均粒径为20μm至30μm的金刚石晶粒，因此，其强度低于由粒度不大于1μm的金刚石超微粒构成的金刚石烧结体的强度，并且从实用角度上来说其可靠性也不足。
日本专利申请待审公开No.2005-239472公开这样一种金刚石烧结体，在该金刚石烧结体中，金刚石晶粒是使用包含Co和(例如)元素周期表中4、5或6族元素的碳化物的粘结剂互相结合的。为了在烧结过程中通过抑制晶粒异常生长以及增强金刚石晶粒之间的直接结合作用，来获得具有优异的耐磨性、耐碎裂性、抗冲击性等的金刚石烧结体，所公开的金刚石烧结体具有特定的金刚石粒径和含量，并且在粘结剂中具有特定含量的(例如)Co，而且含有特定形式的碳化物。然而，由于缺乏针对金刚石烧结体和硬质合金基材之间的界面的策略，因此，拉伸应力作用于硬质合金基材和金刚石烧结体之间的结合部，并且该金刚石烧结体发生强度降低和/或层离的问题，因此，不可能进行稳定的生产。
关于金刚石烧结体中的残余应力，具有特定尺寸的金刚石烧结体与金刚石烧结体中残余应力之间的关系在文献J.Am.Ceram.Soc.，77[6]，1562-68(1994)中有所报道。对金刚石烧结体中的残余应力进行测定，并且将其作为金刚石烧结体直径、硬质合金基材厚度和硬质合金基材形状的函数进行计算。结果，获得的最大残余压应力为1.5GPa。这表明，使用现有技术中的结构(在现有技术中的结构中，对包含金刚石晶粒和铁族金属(如，Co或WC-Co)的起始物料进行烧结)不可能稳定地制造具有1.5GPa或更高的残余压应力的金刚石烧结体。此外，即使可以制造这种金刚石烧结体，在硬质合金基材和获得高残余压应力的金刚石层之间也会产生大的应变，并且由于界面处发生层离而不能进行稳定的生产。
专利文献1：日本专利公开No.39-20483
专利文献2：日本专利公开No.52-12126
专利文献3：日本专利No.3327080
专利文献4：日本专利No.3391231
专利文献5：日本专利公开No.2005-239472
非专利文献1：J.Am.Ceram.Soc.，77[6]1562-68(1994)
发明内容
本发明要解决的问题
如上所述，现有技术中的金刚石烧结体的耐磨性和耐碎裂性是由用作起始物料的金刚石晶粒的粒径决定的，并且不可能获得同时具有优异的耐碎裂性和优异的耐磨性的金刚石烧结体。本发明的目的是在具有作为微粒金刚石烧结体特性的优异耐碎裂性的同时，提高金刚石烧结体的耐磨性。
解决问题的手段
为了实现该目的，本发明包含这样一种金刚石烧结体，该金刚石烧结体具有硬质合金基材和烧结金刚石层，并且该金刚石烧结体是通过在硬质合金基材上对金刚石晶粒和粘结剂进行烧结而获得的，其中所述烧结金刚石层包含主金刚石层和富Co金刚石层，所述富Co金刚石层的钴含量比所述主金刚石层的钴含量高，并且其位于所述主金刚石层和所述硬质合金基材之间，其中所述主金刚石层的残余压应力为1.5GPa至3GPa。
作为探索提高耐磨性、同时又产生耐碎裂性(其是微粒金刚石烧结体的特性)的措施而进行的大量研究的结果，本专利申请的发明人由此发现：通过将主金刚石层中的残余压应力控制为1.5GPa至3GPa，可以显著提高耐磨性以及耐碎裂性，其中，如日本专利3,327,080中第0004段所述，该残余压应力由于产生较大的残余应变导致金刚石烧结体的强度降低而曾被认为在实用方面可靠性不足。
为了防止在硬质合金基材和烧结金刚石层之间的结合部产生较大的应变，在本发明的金刚石烧结体中，将Co含量比主金刚石层高的富Co金刚石层沉积在硬质合金基材和烧结金刚石层的主金刚石层之间：所述主金刚石层的杨氏模量与所述硬质合金基材的杨氏模量之差为该富Co金刚石层所吸收。
优选的是，本发明金刚石烧结体中的主金刚石层含有由选自碳、氮和氧中的至少一种元素与选自钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)和钼(Mo)中的至少一种元素形成的化合物，该化合物的量使得选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼中的至少一种元素的含量为至少0.1重量％，但不超过8重量％。更优选的是，选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的元素为Ti。所述化合物优选为碳化钛(TiC)和/或碳氮化钛(TiCN)。对于该化合物而言，含有Co-Ti合金和/或Co-W-Ti合金以及微量的选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物是优选的，这是因为这可以提高金刚石晶粒之间的结合强度。
富Co金刚石层中的Co含量与主金刚石层中的Co含量之差优选为1体积％至30体积％，更优选为10体积％至20体积％，而富Co金刚石层的厚度优选为至少0.01mm，但不超过0.07mm，更优选为至少0.02mm，但不超过0.055mm。
主金刚石层中的金刚石晶粒的平均粒径优选为不大于10μm，更优选为不大于5μm，甚至更优选为不大于1μm。
优选的是，在本发明的金刚石烧结体中使用的硬质合金基材是这样一种基材：其杨氏模量为550GPa至650GPa，并且钴含量为5.0重量％至15.0重量％；或者是这样一种基材：其含有至少0.1重量％、但不超过8重量％的含有钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物。据认为，钛以TiC、TiCN等形式存在，但是任何形式的钛都是可以接受的，并且TiC是优选的。
主金刚石层中值为1.5GPa至3GPa的残余应力是通过以下(1)至(3)的三种方法中的任意一种方法所测定的残余应力。
(1)使用X射线衍射装置(其采用经Ni过滤的Cu-Kα X射线)，在40kV和45mA的激发条件下通过sin2ψ法(侧倾法)测定主金刚石层的(111)晶格面的X射线衍射图谱，并且采用杨氏模量为1071GPa、泊松比为0.20的条件算出残余压应力。
(2)使用与上述(1)相同的方法和条件测定主金刚石层中钴的(200)晶格面的X射线衍射图谱，并且采用杨氏模量为100GPa、泊松比为0.30的条件算出残余压应力。
(3)使用与上述(1)中相同的方法和条件，测定主金刚石层中TiC的(200)晶格面的X射线衍射图谱，并且采用杨氏模量为450GPa、泊松比为0.30的条件算出残余压应力。
本发明还提供一种切削工具用可转位刀头，其中，所述可转位刀头角部的切削刃是通过具有上述结构的金刚石烧结体形成的。
本发明的金刚石烧结体在耐磨性方面以及耐碎裂性方面均具有显著提高，这是因为本发明使金刚石烧结体内残留有较高的压应力，同时又抑制了硬质合金基材和烧结金刚石层之间的结合部发生层离。
据信，其具体的原因如下。通过使所述金刚石烧结体残留有较高的压应力，因此，由于金刚石晶粒本身的机械强度增加并且由于金刚石晶粒之间的结合强度和金刚石晶粒-粘结剂之间的结合强度提高能够抑制晶粒脱落，耐磨性得到显著提高。此外，除了由于上述机械强度的提高以外，由于还可以抑制烧结金刚石层中龟裂的产生及其蔓延，因此，本发明金刚石烧结体的耐碎裂性也得到显著提高。
对基材而言，使用具有较高线膨胀系数的硬质合金对产生高残余压应力是有效的。当同时与烧结金刚石层进行烧结的硬质合金基材具有较高的线膨胀系数时，由于当温度从高烧结温度降至常温时，硬质合金基材发生较多收缩而引起大的体积变化，因此压应力被赋予主金刚石层。另一方面，当使用具有低杨氏模量的硬质合金基材时，由于当烧结过程中所用的高压被解除时，硬质合金基材发生较多膨胀而引起较大的体积变化，因此拉伸应力被赋予主金刚石层。因此，通过使用具有高杨氏模量的硬质合金基材，来使施加于主金刚石层中的拉伸应力尽可能的小，这对产生较高的残余压应力是有效的。然而，具有高线膨胀系数的硬质合金具有低的杨氏模量，因此，当不经任何改变就使用这种硬质合金基材时，其作用使得拉伸应力施加于硬质合金基材和金刚石烧结体之间的结合部，从而导致烧结金刚石层的强度容易发生降低的情况和/或烧结金刚石层发生层离的情况。
为了避免产生此类问题，将富Co金刚石层沉积在硬质合金基材和主金刚石层之间，其中，所述富Co金刚石层中的钴含量高于主金刚石层中的钴含量。当该富Co金刚石层存在时，主金刚石层的杨氏模量与硬质合金基材的杨氏模量之差被吸收，并且杨氏模量的变化得到缓解，结果赋予金刚石烧结体较高的残余压应力，而不在烧结金刚石层和硬质合金基材之间产生拉伸应力。这进而又能够完全地显现出提高耐磨性和耐碎裂性的效果。
在以下的段落中对金刚石烧结体中的残余压应力的大小、富Co金刚石层中的钴含量以及富Co金刚石层的厚度进行限定的原因进行说明。
本发明的效果
本发明的金刚石烧结体在耐磨性方面以及耐碎裂性方面均可达到显著提高。这通过在主金刚石层和硬质合金基材之间设置富Co金刚石层、并使主金刚石层中的残余压应力为1.5GPa至3GPa而实现，其中所述富Co金刚石层中的钴含量高于主金刚石层中的钴含量。这能够在金刚石烧结体内产生较高的残余压应力，同时又能抑制硬质合金基材和烧结金刚石层之间的结合部发生层离，从而使其耐磨性和耐碎裂性均得到显著提高。因此，可以提高耐磨性，同时又具有高耐碎裂性微粒金刚石烧结体的特征。
附图简要说明
图1为示意性示出本发明的金刚石烧结体的层结构的横截面图；以及
图2为示出使用本发明的金刚石烧结体作为切削刃的可转位刀头的例子的斜视图。
附图标记说明
1金刚石烧结体
2硬质合金基材
3烧结金刚石层
4主金刚石层
5富Co金刚石层
6基体金属
7切削用烧结体刀头
实施本发明的最佳方式
以下对本发明的金刚石烧结体的实施方案进行说明。图1示意性地示出金刚石烧结体1的层结构。图中的标记2表示硬质合金基材，而3表示在硬质合金基材2上形成的烧结金刚石层。烧结金刚石层3由主金刚石层4和富Co金刚石层5构成，其中，所述富Co金刚石层中的钴含量高于主金刚石层4中的钴含量。
优选的是，主金刚石层中的残余应力是值为1.5GPa至3GPa的残余压应力。当残余压应力小于1.5GPa时，主金刚石层的耐磨性和耐碎裂性由用作起始物料的金刚石晶粒的粒径决定，并且不能提供优异的耐磨性和优异的耐碎裂性。另外，当残余压应力大于3GPa时，在结合相部分会产生自发断裂，并且成为内部缺陷的主要原因，从而导致金刚石烧结体强度的降低以及从实用角度上来说无法满意的可靠性。
主金刚石层包含金刚石晶粒和粘结剂。
主金刚石层中金刚石晶粒的尺寸优选不太大。例如，粒径超过20μm的金刚石晶粒会由于晶粒本身的解理而发生碎裂，因此，具有包含大于20μm的金刚石晶粒的主金刚石层的金刚石烧结体具有较差的耐碎裂性。结果，主金刚石层中的金刚石晶粒的平均粒径优选不大于10μm，更优选不大于5μm，甚至更优选不大于1μm。金刚石晶粒和粘结剂的比例为：(例如)金刚石晶粒占80体积％至99体积％，而粘结剂构成其余部分。
粘结剂可以是任何含有含钴的溶剂金属的公知粘结剂。更优选的是，所述粘结剂为(例如)包含由钴、选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一种元素与选自碳、氮和氧中的至少一种元素形成的化合物的溶剂金属。
为了在主金刚石层4中施加高残余压应力，主金刚石层优选含有由选自碳、氮和氧中的至少一种元素与选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一种元素形成的化合物。
通过使用含有此类化合物的粘结剂而使主金刚石层4中含有此类化合物，可以施加高残余压应力。其原因如下：由于这些化合物的杨氏模量高于Co的杨氏模量，因此，可通过在主金刚石层中含有这些化合物来控制主金刚石层4的杨氏模量，从而更容易使应变保持在较小程度，并在其内产生高残余压应力。
当温度由较高的烧结温度降至常温时，具有较高线膨胀系数的Co会经历较大的体积变化并变得过小，结果可以在所得的烧结金刚石层中的金刚石晶粒之间产生空隙。与此形成对比的是，上述的化合物具有较低的线膨胀系数，使这种化合物存在于主金刚石层4中作为一部分钴的替代物会使体积变化较小、金刚石晶粒间的空隙较少，并且产生高密度烧结体。这能够在主金刚石层内产生高的残余压应力。
优选的是，主金刚石层中上述选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的至少一种元素的含量为至少0.1重量％，但不超过8重量％。在上述元素的含量小于0.1重量％时，无法充分达到在主金刚石层中产生引起高残余压应力的效果。在上述元素的加入量超过8重量％时，以充分提供粘结剂效果的量加入Co会导致金刚石的含量较低，并且还会从实质上妨碍金刚石晶粒之间的结合作用；结果，会同时降低耐磨性和耐碎裂性。更优选的是，上述元素的含量为至少1重量％，但不超过7重量％。
优选的是，选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo中的元素为Ti。这是因为，在钛化合物的情况下，其很少妨碍金刚石晶粒之间的结合作用，并且使降低主金刚石层的耐磨性和耐碎裂性的因素保持在最低程度。
对此类钛化合物而言，TiC、TiCN等是可接受的，并且TiC是优选的。含有Co-Ti合金和/或Co-W-Ti合金以及微量的选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物也是优选的。其原因如下：上述化合物表现出对金刚石晶粒之间的结合作用几乎没有妨碍；另外，通过使用耐热性比钴更高的化合物来取代一部分Co粘结剂成分，可以提高所述金刚石烧结体的耐热性，并且可以抑制由热引起的磨耗。此外，和与金刚石过度发生反应的粘结剂(如，纯钴)不同，上述化合物具有合适的反应性，因此可以抑制晶粒的异常生长。
主金刚石层的厚度优选为0.1mm至1.5mm，尤其优选为0.25mm至0.35mm。
提供以下(i)至(iii)的方法作为用于在硬质合金基材和主金刚石层之间沉积富Co金刚石层的方法的例子，但是可以采用任何的方法。
(i)在该方法中，将通过向金刚石粉末中混合30重量％至60重量％的Co粉末而制得的糊状物涂敷在硬质合金基材上；该糊状物被主金刚石层起始物料(通过将金刚石晶粒与粘结剂混合而获得)覆盖并与其接触；然后在其上进行烧结。
(ii)在该方法中，在主金刚石层用起始物料处于硬质合金基材上并与之接触的状态下，通过在(C0+CO2)的还原气氛(其中CO的浓度为2％至15％)中进行热处理(在1300℃下进行约10分钟)将钴沉积在硬质合金基材和主金刚石层起始材料之间的界面处。
(iii)该方法使用含钴的超合金基材作为硬质合金基材。以如下的方式将高度为约1μm至100μm、直径约5μm至50μm的硬质合金突出物设置或模制到将要与主金刚石层起始物料接触的上述超合金基材的界面上，所述方式使得突出物端面与将要层积烧结体起始物料的硬质合金面的面积比不大于50％。虽然烧结时由于金刚石烧结体层中的溶解作用而不存在毛细管效应，但是如此设置硬质合金基材使得在高温高压烧结步骤之后能够将Co控制在这些突出物周围(硬质合金基材和金刚石层之间的界面)，并且将主金刚石层起始粉末层积到上述硬质合金基材上。
为了充分发挥吸收硬质合金基材2的杨氏模量与主金刚石层4的杨氏模量之差的效果，优选的是，使富Co金刚石层5中的钴含量高出主金刚石层4中钴含量的1体积％至30体积％，更优选的是，使富Co金刚石层5中的钴含量高出10体积％至20体积％。当富Co金刚石层5中的钴含量高出主金刚石层4中的钴含量的值小于1体积％时，杨氏模量几乎没有发生变化，那么，这就不能吸收硬质合金基材2的杨氏模量和主金刚石层4的杨氏模量之差。结果，残余应变变大，并且金刚石烧结体的强度降低。当上述Co含量之差超过30体积％时，富Co金刚石层5中的金刚石含量会下降而达到这样的程度：该层具有较低的强度，由此主金刚石层4倾向于从硬质合金基材2上发生层离。
富Co金刚石层5的厚度优选为至少0.01mm，但不超过0.07mm，更优选为至少0.02mm，但不超过0.055mm。当富Co金刚石层5薄于0.01mm时，富Co金刚石层几乎不具有吸收杨氏模量之差的效果，结果金刚石烧结体的强度降低。当上述厚度大于0.07mm时，主金刚石层4易于从硬质合金基材2上发生层离。(例如)可通过改变上述方法(i)中的金刚石粉末和Co粉末的混合比例来调节富Co金刚石层的厚度。
可(例如)通过测定钴分布(例如，通过EDS分析测定)来确定富Co金刚石层的厚度。
硬质合金基材2是主成分为WC的合金基材，其中，优选这样的基材：该基材的杨氏模量为550GPa至650GPa，并且钴含量为5.0重量％至15.0重量％；或者优选这样的基材：该基材含有至少0.1重量％到8重量％、包含钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物。该化合物更优选为TiC。当上述硬质合金基材2的杨氏模量小于550GPa时，金刚石烧结体中的杨氏模量之差会变得过大，并且即使在设置富Co金刚石层时，这种差别也不能被吸收，而且向金刚石烧结体中施加拉伸应力的效应占有优势，从而导致主金刚石层易于发生层离。当所述杨氏模量超过650GPa时，施加高压时在硬质合金基材中容易产生龟裂和裂隙，因此，烧结体的均匀性会降低，并且产率下降。因此，硬质合金基材2的杨氏模量优选为550GPa至650GPa。
当上述硬质合金基材2的钴含量小于5.0重量％时，渗入金刚石层中的Co容易发生量不足的情况。由于在这种粘结剂量不足的情况下金刚石晶粒之间不会充分进行结合，因此，金刚石层的耐磨性和耐碎裂性都会降低(因晶粒脱落和龟裂蔓延造成)。因此，硬质合金基材2的钴含量优选为至少5.0重量％。当上述钴含量大于15.0重量％时，硬质合金基材2的杨氏模量下降，并且烧结时基材中容易发生大量变形。这些变形使金刚石烧结体的均匀性降低，并且很可能造成产率下降。因此，硬质合金基材2的钴含量的上限优选为15.0重量％。
向硬质合金基材中加入含有钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物(所述化合物的线膨胀系数高于WC的线膨胀系数)使得可以控制该硬质合金基材的线膨胀系数。虽然通过增加硬质合金基材的钴含量也可以提高硬质合金基材的线膨胀系数，但是增加钴的量会使富Co金刚石层的厚度和/或钴含量变得过大，这易于造成金刚石烧结体在切削加工时发生层离或碎裂。另外，硬质合金基材的杨氏模量发生下降，并且在烧结时该基材中容易发生大量变形。这些变形导致金刚石烧结体的均匀性降低，并且很可能造成产率下降。因此，通过向硬质合金基材中加入包含钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物，可以使高的内部残余压应力以较高的值存在。
包含钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物在上述硬质合金基材中的含量优选为0.1重量％至8重量％。当这种化合物的含量小于0.1重量％时，该含量不足以显现出提高线膨胀系数的效果。当这种化合物的含量超过8重量％时，具有高杨氏模量的WC含量的降低使金刚石烧结体的杨氏模量过低，从而导致金刚石烧结体在切削加工时易于发生层离。这种化合物含量的更优选的范围为1重量％至7重量％。
通过在高温、高压条件下(在该条件下，金刚石在热动力学上是稳定的)在上述硬质合金基材2上烧结金刚石晶粒和粘结剂，来制造本发明的金刚石烧结体。此处所提到的在热动力学上稳定的高温和高压条件具体是指：压力至少为5GPa，但不超过8GPa；温度为至少约1200℃，但不超过1900℃。
以下提供本发明的例子。
例1
使用具有表1中所示组成的硬质合金基材制造金刚石烧结体(其被标记为样品No.11至20)。测定主金刚石层中的残余压应力。当将所得的金刚石烧结体用作切削工具的切削刃时，还测定切削工具的后刀面磨耗量。
具体而言，如下所述制造金刚石烧结体。首先，将平均粒径为5μm的金刚石晶粒(金刚石粉末)和粘结剂(Co粉末)进行干式混合，混合比例为80重量％的金刚石晶粒和20重量％的Co粉末。用于样品No.16的粘结剂是16重量％的Co粉末和4重量％的钛粉末的混合物，而用于样品No.17的粘结剂是12重量％的Co粉末和8重量％的钛粉末的混合物。
将金刚石晶粒和粘结剂的初始混合物填充到钽容器中，使得该混合物接触基材(盘状物)；该基材由具有表1中所示的特定组成的硬质合金构成，并涂敷有通过向金刚石粉末中混合50重量％的Co粉末而制得的糊状物。然后使用带式超高压装置将金刚石在压力为6.0GPa、温度为1550℃的条件下进行烧结，烧结保持时间为10分钟。所用硬质合金基材的厚度为0.3mm，并且所得主金刚石层的厚度和富Co金刚石层的厚度之和为0.4mm。通过SEM(扫描电子显微镜)二次电子成像法确定所得主金刚石层中的金刚石晶粒的粒径，所得的平均粒径为8μm。
通过以下方法对各金刚石烧结体的残余应力进行测定。
-测定残余应力的方法-
使用X射线衍射装置(其采用经Ni过滤的Cu-KαX射线)，在40kV和45mA的激发条件下通过sin2ψ法(侧倾法)测定主金刚石层的(111)晶格面的X射线衍射图谱，并且采用杨氏模量为1071GPa、泊松比为0.20的条件算出残余压应力。
将各金刚石烧结体加工成尺寸为长6mm×宽3mm×厚0.7mm的板状试验片，并且使用三点弯曲试验法(跨距为4mm)测定各试验片的横向断裂强度。
制造烧结体切削用刀头7(可转位刀头，ISO标准：TPGN160304)，其中相对于各特定样品的金刚石烧结体1被固定在具有图2所示的形状(即，主面具有等边三角形的形状)的基体金属6的角部。在以下给出的条件下进行切削试验。测定除样品No.11和18之外(因为这些金刚石烧结体在试验过程中发生层离)的各样品的后刀面磨损量。将所得结果示于表1中。
-切削条件-
切削工件：含有16重量％硅的Al合金棒
切削条件：外周旋削，切削速度＝800m/分钟，切削深度＝0.5mm，进给速度＝0.12mm/转，湿式切削，切削时间＝5分钟。
表1
样品No.                硬质合金基材                                   烧结金刚石层 注释
组成(重量％) 杨氏模量(GPa) 线膨胀系数 粘结剂组成(重量％)   富Co金刚石层的厚度(mm   主金刚石层中的残余压应力(GPa) 后刀面磨耗量(μm) 横向断裂强度(GPa)
11 WC-20％Co 530 6.0 20％Co 0.063 3.043 发生层离 1.98 对比产品
12 WC-15％Co 550 5.5 20％Co 0.059 2.641 34 2.47 本发明产品
13 WC-10％Co 580 5.1 20％Co 0.055 2.495 35 2.38 本发明产品
14 WC-5％Co 630 5.0 20％Co 0.049 2.559 34 2.39 本发明产品
15 WC-3％Co 630 4.5 20％Co 0.032 1.404 59 1.79 对比产品
16 WC-3％Co 630 4.5 16％Co-4％Ti 0.047 2.518 32 2.57 本发明产品
17 WC-3％Co 630 4.5 12％Co-8％Ti 0.038 2.495 34 2.49 本发明产品
18 WC-10％Co-12％TiC 530 5.9 20％Co 0.054 3.027 发生层离 1.86 对比产品
19 WC-10％Co-8％TiC 550 5.7 20％Co 0.055 2.692 33 2.53 本发明产品
20 WC-10％Co-4％TiC 575 5.6 20％Co 0.051 2.765 32 2.61 本发明产品
由表1可知，硬质合金基材的组成的变化导致金刚石烧结体中的残余应力发生较大变化，并且还导致金刚石烧结体的横向断裂强度和用作切削工具的切削刃时的后刀面磨损量发生较大变化。在样品No.11(其在硬质合金基材中具有最大的钴含量，并且还具有较大的线膨胀系数)的情况下，其残余应力也是最大的，并且超过3GPa，由于硬质合金基材的杨氏模量低于550GPa，因此，虽然存在富Co金刚石层，但是主金刚石层与硬质合金基材的杨氏模量之差也不能被吸收，并且主金刚石层在切削试验中发生层离。此外，样品No.11的横向断裂强度也低于样品No.12和13的横向断裂强度，这表明当残余压应力超过3GPa时，金刚石烧结体的强度降低。
在样品No.15的情况下，残余压应力小于1.5GPa，结果，其在用作切削工具的切削刃时具有较大的后刀面磨损量，并且横向断裂强度也较低。与此形成对比的是，在样品No.12至14以及16、17、19和20(本发明的所有产品，它们中的每一个的残余压应力都为至少1.5GPa)的情况下，其用作切削工具的切削刃时的后刀面磨损量明显低于样品No.15，并且横向断裂强度也明显大于样品No.15。这表明，当确保残余压应力为1.5GPa或更大时，耐磨性和耐碎裂性得到显著提高。
即使对使用相同的硬质合金基材而言，在样品No.16和17(其在用于主金刚石层的粘结剂中含有钛)的情况下，也会获得较高的残余压应力，由此耐磨性和耐碎裂性同时得到提高。然而，样品No.17(其含有8重量％的钛)的耐磨性和耐碎裂性比样品No.16(其含有4重量％的钛)要低，这表明钛含量不超过8重量％是优选的。
另外，在硬质合金基材中含有TiC的样品(即TiC含量为8重量％的样品No.19和TiC含量为4重量％的样品No.20)同时具有得到提高的耐磨性和耐碎裂性。然而，样品No.18(其TiC含量为12重量％)的情况下，杨氏模量降至550 GPa以下，并且金刚石烧结体在切削加工时发生层离。因此，这表明，硬质合金基材中的TiC含量优选不超过8重量％。
例2
对于制成用于涂敷在硬质合金基材上的糊状物的金刚石粉末和Co粉末的混合量，使用表2所示的比例制造金刚石烧结体(其被标记为样品No.21至28)。为了比较的目的，在不施加金刚石粉和Co粉末的糊状混合物的条件下，制造标为样品No.29的金刚石烧结体。对所得金刚石烧结体测定以下方面：残余压应力、主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的钴含量之差、富Co金刚石层的厚度以及在金刚石烧结体被用作切削工具的切削刃时，切削工具的后刀面磨损量。
在本例中使用与例1相同的制造方法和制造条件制备样品No.21至28的金刚石烧结体，同时使用具有WC-7％Co-0.1％TiC这样组成的基材(该基材涂有通过将金刚石粉和Co粉末以表2所示的比例混合而制得的糊状物)，并且对于用作起始物料的金刚石晶粒和粘结剂(Co粉末)的混合比例使用85重量％的金刚石粉末和15重量％的Co粉末。使用相同的起始物料制造样品No.29：将该起始物料填充到钽制容器中，使得其与具有WC-5％Co这样组成的基材(其被用作硬质合金基材)接触；使用与例1相同的制造条件进行制造。通过SEM(扫描电子显微镜)二次电子成像法测定所得主金刚石层中的金刚石晶粒的粒径，得到的平均粒径为8μm。
还使用与例1相同的测定方法测定所得金刚石烧结体的残余压应力、富Co金刚石层的厚度以及其用作切削工具时，切削工具的后刀面磨损量。通过下列方法测定主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的钴含量之差。将所得结果收集于表2中。
-测定主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的钴含量之差-
切出尺寸约为长3mm×宽3mm×厚0.3mm的平坦正方形试验片。对各样品都制得两种类型的试验片：主金刚石层处于最外层的试验片和富Co金刚石层处于最外层的试验片。通过将这些试验片浸入密闭容器中的Co溶解液来进行Co溶解处理。使用Co溶解液氟硝酸，在120℃至150℃的温度下进行溶解处理3小时，其中所述Co溶解液氟硝酸是通过将40mL浓度为至少60％但小于65％的硝酸的2倍稀释液与10mL浓度为至少45％但小于50％的氢氟酸混合而制得的。然后，对于经处理的试验片的主金刚石层表面和经处理的试验片的富Co金刚石层表面，将溶解处理所产生的孔隙区域的面积比计算为各层中的Co含量，并且测定这些计算值之差。
表2
样品No.     金刚石晶粒和Co粉末之间的混合比率(重量％) Co含量之差(体积％)     富Co金刚石层的厚度(mm)     主金刚石层中的残余压应力(GPa) 后刀面磨损量(μm) 注释
    21     80∶20     1.1     0.009     3.208 发生破裂 对比产品
    22     75∶25     0.6     0.012     3.007 发生破裂 对比产品
    23     70∶30     1.0     0.010     2.885 34 本发明产品
    24     60∶40     10.5     0.020     2.738 32 本发明产品
    25     50∶50     19.8     0.055     2.497 32 本发明产品
    26     40∶60     28.9     0.070     2.159 36 本发明产品
    27     35∶65     29.4     0.073     1.442 发生层离 对比产品
    28     30∶70     30.3     0.069     1.494 发生层离 对比产品
    29     -     -     -     0.826 58 对比产品
在样品No.21的情况下，富Co金刚石层的厚度较小，其值为0.009mm，而在样品No.22的情况下，主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的Co含量之差不大于1体积％。结果，金刚石烧结体中的残余压应力超过3GPa，并且样品No.21和22在切削试验(其中，这些样品已形成切削工具的切削刃)中都发生碎裂。在样品No.23的情况下，富Co金刚石层的厚度为0.010mm，并且主金刚石层中的钴含量与富C0金刚石层中的钴含量之差为1体积％，并且在这种情况下，不产生碎裂，而且，后刀面磨损量也低于样品No.29(现有技术的金刚石烧结体)的后刀面磨损量。在样品No.24的情况下，主金刚石层的钴含量与富Co金刚石层的Co含量之差为10.5体积％，并且富Co金刚石层的厚度为0.020mm，此时，其后刀面磨损量低于样品No.23的后刀面磨损量，并且观察到最佳的耐磨性。
这些结果表明：当富Co金刚石层的厚度小于0.01mm时，或者当主金刚石层和富Co金刚石层之间的钴含量之差小于1体积％时，通过富Co金刚石层对杨氏模量之差进行吸收几乎不具有效果；结果，在金刚石烧结体中存在较大的残余应变，并且耐碎裂性不足。因此，主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的Co含量之差优选为至少1体积％，并且富Co金刚石层的厚度优选为至少0.01mm。更优选的是，主金刚石层中的Co含量与富Co金刚石层中的钴含量之差为至少10体积％，并且富Co金刚石层的厚度为至少0.020mm。
由于具有较高的Co混合比率，因此，在样品No.27中，富Co金刚石层的厚度超过0.07mm，并且在样品No.28中，主金刚石层中的钴含量与富Co金刚石层中的钴含量之差超过30体积％。结果，富Co金刚石层不能承受切削阻力，并且主金刚石层发生层离。与之相反，在样品No.26(其富Co金刚石层的厚度为0.070mm)的情况下，可以给金刚石烧结体赋予较高的残余压应力，这使其后刀面磨损量低于样品No.29的后刀面磨损量，并且产生能够进行正常加工的效果。此外，样品No.25(其内的主金刚石层的Co含量与富Co金刚石层的Co含量之差为19.8体积％，并且富Co金刚石层的厚度为0.055mm)与样品No.24一样具有最小的后刀面磨损量，并且表现出优异的耐磨性。
以上表明，当主金刚石层中的Co含量与富Co金刚石层中的Co含量之差超过30体积％时，或者当富Co金刚石层的厚度大于0.07mm时，主金刚石层和硬质合金基材之间的结合强度降低。因此，主金刚石层中的Co含量与富Co金刚石层中的Co含量之差优选不超过30体积％，并且富Co金刚石层的厚度优选不大于0.07mm。更优选的是，上述的Co含量之差不超过20体积％，并且富Co金刚石层的厚度不大于0.055mm。
例3
制造标记为样品No.31至34的金刚石烧结体，其中主金刚石层包含金刚石粒径如表3所示的金刚石晶粒。当所得的金刚石烧结体用作切削工具的切削刃时，测定切削工具的后刀面磨损量。还测定所得的金刚石烧结体的金刚石含量和横向断裂强度。
通过以下方法制造金刚石烧结体：将包含金刚石晶粒和粘结剂的混合物的起始物料(Co-W-Ti合金(Co：80重量％，W：5重量％，Ti：5重量％))填充到钽制容器中，从而使得该起始物料与具有WC-10％Co这样组成的硬质合金基材(圆盘)接触。为了制备具有富Co金刚石层的金刚石烧结体，在1300℃下、CO浓度为4％的(CO+CO2)还原气氛中进行热处理10分钟，以使Co沉积在硬质合金基材的界面处。然后，通过在压力为6.0GPa、温度为1550℃的条件下保持10分钟对金刚石进行烧结。改变起始物料中使用的金刚石晶粒的粒度。通过与例1相同的测定方法来测定所得金刚石烧结体中的残余压应力、其内富Co金刚石层的厚度、横向断裂强度、用作切削工具时的切削工具的后刀面磨损量以及横向断裂强度。通过使用电感耦合等离子体(ICP)光谱分析对烧结体中存在的各元素进行定量分析来计算金刚石含量。结果示于表3中。
表3中示出的金刚石平均粒径是通过SEM二次电子成像法测定的主金刚石层中的金刚石粒径。
表3
样品No. 金刚石晶粒的平均粒径(μm) 金刚石含量(体积％)     主金刚石层中的残余压应力(GPa)     富Co金刚石层的厚度(mm)   横向断裂强度(GPa) 后刀面磨损量(μm) 注释
31 1     88.2     2.32     0.045   2.63     32 本发明产品
32 5 90.3 2.29 0.054 2.21 31 本发明产品
33 10     92.1     2.36     0.049   2.01     31 本发明产品
34 20     93.8     2.35     0.048   1.58     32 本发明产品
本试验所获得的全部样品No.31至34中都存在厚度为约0.05mm的富Co金刚石层。此外，各样品的主金刚石层中的残余压应力约2.3GPa。
样品No.31、32和33(其中，主金刚石层含有平均粒径不大于10μm的金刚石晶粒)中每一个的横向断裂强度都为至少2GPa，而与此相反，样品No.34(其含有较大平均粒径的金刚石晶粒)的横向断裂强度却降低。由此表明，随着所含有的金刚石晶粒的平均粒径表现为较大的值，横向断裂强度发生明显降低。此外，在所有样品中，虽然金刚石含量以及平均粒径均发生变化，但是其耐磨性几乎没有差别。这些实验结果表明，本发明使得可以确保上述金刚石烧结体的耐磨性与主金刚石层含有平均粒径为20μm至30μm的金刚石晶粒时的耐磨性相媲美，同时由于主金刚石层含有平均粒径不大于10μm的金刚石晶粒而可以确保优异的耐碎裂性。因此，对于主金刚石层中存在的金刚石晶粒而言，平均粒径不大于10μm的金刚石晶粒是优选的，同时，金刚石平均粒径更优选为不大于5μm，甚至更优选为不大于1μm。

Claims (10)

1.一种金刚石烧结体，该金刚石烧结体具有硬质合金基材和烧结金刚石层，并且该金刚石烧结体是通过在所述硬质合金基材上对金刚石晶粒和粘结剂进行烧结而获得的，其中所述烧结金刚石层包含主金刚石层和富钴金刚石层，所述富钴金刚石层被设置在所述主金刚石层和所述硬质合金基材之间，并且该富Co金刚石层的钴含量高于所述主金刚石层的钴含量，其中所述主金刚石层的残余压应力为1.5GPa至3GPa。
2.根据权利要求1所述的金刚石烧结体，其中，所述主金刚石层存在含有选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼中的至少一种元素和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物，所述化合物的量使得选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼中的至少一种元素的含量为至少0.1重量％、但不超过8重量％。
3.根据权利要求2所述的金刚石烧结体，其中，所述的选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼中的元素为钛。
4.根据权利要求1所述的金刚石烧结体，其中，所述主金刚石层的所述钴含量与所述富钴金刚石层的所述钴含量之差为1体积％至30体积％。
5.根据权利要求1所述的金刚石烧结体，其中，所述富钴金刚石层的厚度为至少0.01mm，但不大于0.07mm。
6.根据权利要求1所述的金刚石烧结体，其中，所述硬质合金基材是杨氏模量为550GPa至650GPa、Co含量为5.0重量％至15.0重量％的基材。
7.根据权利要求1所述的金刚石烧结体，其中，所述硬质合金基材含有包含钛和选自碳、氮和氧中的至少一种元素的化合物，其中该化合物的含量为0.1重量％至8重量％。
8.根据权利要求7所述的金刚石烧结体，其中，所述化合物为碳化钛。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的金刚石烧结体，其中，所述主金刚石层的金刚石晶粒的平均粒径不大于10μm。
10.一种切削工具用可转位刀头，其中该可转位刀头的角部的切削刃是通过根据权利要求1至9中任意一项所述的金刚石烧结体形成的。
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