本发明涉及一种聚晶金刚石烧结体工具，例如，涉及一种用于有色金属的切削或石油、天然气、地热井挖掘等的、硬质合金基材与聚晶金刚石层的界面接合强度优异的聚晶金刚石烧结体(以下，有时以“pcd”来表示。)工具及其制造方法。
本申请主张基于2015年11月19日于日本申请的专利申请2015-226537号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术：
以往，作为有色金属的切削或石油、天然气、地热挖掘用工具，为了经受其严酷的使用条件，使用硬度、化学稳定性、耐磨性及耐缺损性优异的pcd工具。
而且，在以往的pcd工具中，通常，通过调整金刚石烧结体内的co等金属催化剂的含量，从而得到了其优异的耐磨性及耐缺损性。
另外，由于金刚石粒子之间的间隙与烧结时的其外侧的压力存在差异，因此所熔解的co等金属催化剂以将压差作为驱动力而填埋金刚石粒子的间隙的方式移动，由此产生co等金属催化剂向金刚石烧结体内的渗透。
作为以往的pcd的制造方法，例如，专利文献1中提出有浸渗法，并且，专利文献2中提出有预混合法。在这些技术中，通过改变金刚石烧结体内的co等金属催化剂的含量，从而调整pcd的耐磨性及耐缺损性。
但是，pcd工具的性能不仅取决于pcd的耐磨性及耐缺损性，还大受pcd与硬质合金基材的界面接合强度的优劣的影响。
若上述界面接合强度低，则当高负荷作用于pcd工具时，因pcd与硬质合金基材的界面中的龟裂发生等而发生pcd的剥离、缺损。
于是，为了维持硬质合金基材与金刚石烧结体的界面的强度，如专利文献3所示，提出有使用“非平面(non-planar)”的界面技术的内容，并且，如非专利文献1所示，提出有在界面附近预添加w粒子以免硬质合金基材的wc粒子进行粒子生长的方法。
专利文献1：美国专利第3745623号说明书
专利文献2：美国专利第4604106号说明书
专利文献3：美国专利第6042463号说明书
非专利文献1：“controlofexaggeratedtungstencarbidegraingrowthatthediamond-substrateinterfaceofpolycrystallinediamondcutters(pdc)”int.journalofrefractoryandhardmaterials，29(2011)361-364
专利文献1、2中所提出的基于浸渗法或预混合法的pcd的制作主要为了调整金刚石层内的co等金属催化剂的含量及催化剂分布的均匀性而进行。但是，在进行烧结时，由co等构成的金属催化剂从硬质合金基材向金刚石层移动，因此在硬质合金基材与金刚石层的界面形成富含金属催化剂层，而且，伴随金属催化剂的移动，wc粒子也一部分移动，并且出现wc粒子的异常生长。
当将pcd工具用作切削工具或挖掘工具时，有时因使用环境而要求高耐热性，但若在硬质合金基材与金刚石层的界面存在富含金属催化剂层，则硬质合金基体与金刚石层之间的界面接合强度下降，从而出现高负荷作用时发生自界面的龟裂及发生剥离等问题。
技术实现要素：
于是，本发明人等，为了解决所述以往的pcd工具的问题，对提高硬质合金基材与金刚石层的界面接合强度的对策进行了深入研究。硬质合金是指将用fe、co、ni等铁系金属烧结了周期表iva、va、via族金属的碳化物的复合材料总称为硬质合金(hartmetalle,hardmetals,cementedcarbide)。在本申请中，硬质合金基材是指以wc为主体且包含co的硬质合金基材，有时也称为“wc基硬质合金基材”。wc基硬质合金基材的wc及co的含量为wc基硬质合金基材的总重量的95重量％以上且根据用途还包含小于5重量％的cr等微量元素。
其结果，发现当在层叠有硬质合金基材和金刚石层的状态下在超高压高温装置内进行烧结时，通过预先适当化混合于金刚石粉末中的由co构成的金属催化剂粉末的混合量，能够抑制形成于硬质合金基材与金刚石层的界面的富含co层的厚度，并且能够抑制界面中的wc粒子的异常生长。
而且，发现通过抑制过厚的富含co层的形成，并且抑制wc粒子的异常生长，本发明的pcd工具除了提高耐热性以外，还提高界面接合强度，由此提高从工具侧面对冲击性负荷的耐冲击性，从而能够抑制界面中的龟裂的发生、剥离的发生。
本发明是根据所述见解而完成的，其特征在于，如下所述。
(1)一种聚晶金刚石烧结体工具，其在硬质合金基材上设置有金刚石层，所述硬质合金基材以wc为主体且包含co，所述金刚石层含有由co构成的金属催化剂，所述聚晶金刚石烧结体工具的特征在于，
形成于硬质合金基材与金刚石层的界面上的富含co层的平均层厚为30μm以下。
(2)根据(1)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，当将所述金刚石层中所含有的co的平均含量设为cdia，并且将所述富含co层中的co含量的峰值设为cmax时，cmax/cdia值为2以下。
(3)根据(1)或(2)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，当将从所述硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的wc粒子的平均粒径设为d，并且将硬质合金基材的内部中的wc粒子的平均粒径设为do时，d/do值小于2。
(4)根据(1)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，从烧结前混合于所述金刚石层的co混合量减去所述硬质合金基材的co平均含量的值为1质量％至30质量％。
(5)根据(4)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，从烧结前混合于所述金刚石层的co混合量减去所述硬质合金基材的co平均含量的值为10质量％至30质量％。
(6)根据(5)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，从烧结前混合于所述金刚石层的co混合量减去所述硬质合金基材的co平均含量的值为16质量％至28质量％。
(7)根据(4)至(6)中任一项所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，在所述富含co层与所述硬质合金基材的界面具备平均层厚为5μm以上且15μm以下的缓冲层。
(8)根据(4)至(6)中任一项所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，在所述富含co层与所述硬质合金基材的界面具备平均层厚为8μm以上且15μm以下的缓冲层。
(9)根据(8)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，所述富含co层的平均层厚为21μm以上。
(10)根据(7)所述的聚晶金刚石烧结体工具，其特征在于，所述金刚石层的平均层厚为0.5mm至15mm，所述金刚石层形成于所述富含co层的正上方，所述富含co层形成于所述缓冲层的正上方，所述缓冲层形成于所述硬质合金基材的正上方。
(11)一种聚晶金刚石烧结体工具的制造方法，其特征在于，其为制造所述(1)至(10)中任一项所述的聚晶金刚石烧结体工具的方法，在含有9～18质量％的co且含有平均粒径为0.5～4μm的wc粒子的硬质合金基材上，层叠在平均粒径为1～11μm的金刚石粉末中混合了15～33质量％的co粉末的金刚石原料粉末，并在热力学上金刚石稳定的区域、即烧结压力为5gpa以上且烧结温度为1400℃以上的超高压高温装置内进行烧结。
以下，对本发明进行详细说明。
在图1中示出用于制造本发明的聚晶金刚石烧结体(pcd)工具的超高压高温装置的概略示意图。
如图1所示，例如，从ta容器(capsule)9的底部向上方依次层叠在规定平均粒径的金刚石粉末中混合了规定量的co粉末的金刚石原料粉末8、含有规定量的co且含有规定平均粒径的wc粒子的硬质合金基材1、ta箔6及石墨盘2，进一步在其上层叠ta箔6、硬质合金基材1及金刚石原料粉末8，在ta容器内如此层叠了烧结用原料的状态下，热力学上金刚石稳定的区域即压力为5gpa～10gpa且烧结温度为1400℃～2200℃以上的条件下进行超高压高温烧结，由此能够制作本发明的pcd工具。
在基于所述超高压高温装置的烧结中，若烧结压力小于5gpa，则在规定烧结温度下，不是金刚石的稳定区域，因此金刚石逆转化为石墨(グラファイト)，无法获得高硬度的烧结体，由此烧结压力需要设为5gpa以上，但其效果只要是10gpa以下便充分，若超过该值则装置成本变高，因此加压压力优选设为5～10gpa。
并且，若烧结温度小于1400℃，则金属催化剂即co等不会充分熔解，而成为未烧结或烧结反应不充分，从而无法实现烧结体的致密化，因此烧结温度需要设为1400℃以上，另一方面，若烧结温度超过2200℃，则在规定烧结压力下，不是金刚石的稳定区域，因此成为过度烧结状态，不仅出现金刚石粒子石墨化的现象，而且硬质合金基材与金刚石层的界面中的富含co层的层厚过度变厚，并且出现wc粒子的异常生长，因此烧结温度设为1400℃以上且2500℃以下，优选设为1450℃以上且2000℃以下。
硬质合金基材与金刚石层的界面的富含co层：
图6表示本发明的一实施方式的pcd工具的示意性纵剖视图。在本发明中，将形成于硬质合金基材17与金刚石层18的界面的富含co层19的厚度抑制在适当范围内，而且，为了抑制界面中的wc粒子的异常生长，重要的是，将硬质合金基材中所含有的co含量、事先混合于金刚石粉末中的co含量、金刚石粉末的平均粒径及硬质合金基材中的wc粒子的平均粒径设在规定范围内。
金刚石层18的优选平均层厚为0.5mm～15mm。若金刚石层18的平均层厚小于0.5mm，则金刚石层的厚度不充分，当用作工具时，在短期间内磨损到达硬质合金基材，而磨损急速进行。其结果，工具寿命减少。另一方面，若金刚石层18的平均层厚超过15mm，则没有与制造成本相应的效果的提高。金刚石层18的更优选的平均层厚为1.0mm～10mm，进一步更优选为2.0mm～8.0mm。
图7表示本发明的另一实施方式的pcd工具的示意性纵剖视图。在该情况下，在富含co层19与硬质合金基材17的界面进一步形成有缓冲层20。
在图7所示的本发明的另一实施方式的pcd工具中，从烧结前混合于金刚石层18的co混合量减去硬质合金基材17的co平均含量的值设定在1质量％至30质量％的范围内。若该值小于1质量％，则不会形成缓冲层，若超过30质量％，则金刚石层中所含有的co的含量过度变多，因此磨损性能显著下降，当用作工具时，性能下降。
缓冲层20的边界线如下定义。如上所述，缓冲层20形成于富含co层19与硬质合金基材17的界面。富含co层19与缓冲层20之间的边界线为在富含co层19中一度上升至cmax值的co含量向硬质合金基材17侧减少且成为co含量小于1.1×cdia值的位置。缓冲层20与硬质合金基材17之间的边界线为在缓冲层20中co含量向硬质合金基材17侧减少且成为硬质合金基材17中所含有的co的平均含量cwc的位置。
能够在多个点上以层厚方向测量上述边界线之间的距离来获得缓冲层20的平均层厚。
因此，从金刚石层18与硬质合金基材17的界面向硬质合金基材17的co含量的变化不会急剧减少，而是以与缓冲层20的厚度方向的距离大致成正比的方式缓慢地单向减少。在此，单向减少是指从缓冲层的富含co层18侧遍及硬质合金基材17侧，co含量不会增加而持续减少(作为基于微观的局部噪声的增加除外)。
通过在物理特性不同的金刚石层18与wc硬质合金基材17之间co含量从金刚石层18向wc硬质合金基材17缓慢减少，也能够将由组织/组成不同而引起的物理特性的变化程度设为缓慢。
通过在富含co层19与硬质合金基材17的界面进一步形成缓冲层20，能够进一步提高金刚石层18与wc硬质合金基材17的界面接合强度。例如，能够抑制由瞬间冲击而引起的金刚石层17的剥离的发生。
由该瞬间冲击而引起的金刚石层17的剥离的发生能够使用图8中示出的试样并通过图9及图10中示出的冲击剪切强度试验来进行评价。
从烧结前混合于金刚石层18的co混合量减去硬质合金基材17的co平均含量的值的更优选范围为10质量％至30质量％。进一步更优选为16质量％至28质量％。
若进行烧结，则烧结前混合于金刚石层18的co混合量发生变化。从烧结前混合于金刚石层18的co混合量减去硬质合金基材17的co平均含量的值设定在1质量％至30质量％的范围内，例如，在上述烧结条件下进行烧结时，从烧结后的金刚石层18的质量％时的co含量减去烧结后的硬质合金基材17的质量％时的co含量的值成为-5质量％至25质量％。
缓冲层20的优选平均层厚为5μm至15μm。更优选为8μm～15μm。进一步更优选为8μm～10μm。若缓冲层20的平均层厚小于5μm，则冲击性能下降，缓冲层所具有的耐冲击性提高的效果会消失。另一方面，若缓冲层20的平均层厚超过15μm，则需要使从烧结前混合于金刚石层18的co混合量减去硬质合金基材17的co平均含量的值超过30质量％，从而金刚石层中所含有的co含量变得过量，其结果耐磨性能下降。
缓冲层20中的co含量减少的梯度在1质量％/μm～10质量％/μm的范围内。更优选在1.5质量％/μm～7.5质量％/μm的范围内。进一步更优选在2质量％/μm～5质量％/μm的范围内。
若形成于硬质合金基材17与金刚石层18的界面的富含co层19的平均层厚其厚度超过30μm，则界面强度下降，其结果，出现界面中的龟裂发生、剥离发生等问题，富含co层19的平均层厚设为30μm以下，优选设为20μm以下。
在此，富含co层19的平均层厚如下定义：当将作为烧结后的金刚石层中所含有的金属催化剂而残留的除了富含co层以外的区域中的平均co含量设为cdia时，从硬质合金基材17与金刚石层18的界面向硬质合金基材和金刚石层的内部方向分别遍及至50μm(金刚石层和硬质基材层共计100μm)测量co含量，在测量位置不同的多个部位，测量所测量的co含量的值成为1.1×cdia以上的硬质合金基材与金刚石层的界面的距离，通过对这些值进行平均而求出富含co层的层厚。
并且，在本发明中，当将所述富含co层19中的co含量的峰值设为cmax时，与金刚石层18中所含有的co的平均含量cdia的比值cmax/cdia优选为2以下。这是因为，即使在富含co层19的层厚较薄的情况下(平均层厚为30μm以下)，当所述cmax/cdia值超过2时，硬质合金基材17与金刚石层18的界面中的co含量的浓度变化率也会急剧变大，因此因将富含co层19设为较薄而界面强度的提高效果降低。因此，富含co层19中的cmax/cdia值优选设为2以下。
另外，从金刚石层18向硬质合金基材17与金刚石层18的界面的co含量(即，cmax、cdia)的测量，例如能够通过epma(电子射线显微分析仪)的线分析来进行。例如，如图3、图4所示，以20μm射束直径且以0.5μm测量间隔来对从金刚石层向硬质基材约100μm(将金刚石层和硬质基材层分别约50μm)的距离进行扫描，检测通过由epma照射的加速电子射线产生的co特性x射线，将各位置上的co含量作为计数数(单位：cps。countpersecond、每秒的x射线的计数数)来求出，由此能够测量cmax、cdia的值。
另外，金刚石层18中所含有的co的平均含量cdia值为co含量不会因富含co层19的存在而发生较大变化且视为co含量(计数数)在±6％的范围内为大致恒定值来进行测量的值。
该cdia值作为从超过了富含co层19的位置向金刚石层18侧，在金刚石层18的层方向上以0.5μm测量间隔且在不同的至少200个点上进行测量的值的平均值来定义。
例如，在图3所示的本发明pcd工具(h)的线分析中，从金刚石层与硬质合金基材的界面大致分离30μm以上的金刚石层中的co含量的计数数表示一定值为5914±6％，因此本发明pcd工具(h)中的cdia值成为5914。
另一方面，在图4所示的比较例pcd工具(g)的线分析中，从金刚石层与硬质合金基材的界面大致分离50μm以上的金刚石层中的co含量大致一定为3907±6％计数，因此比较例pcd工具(g)中的cdia值成为3907。
硬质合金基材的cwc值为超过富含co层19而进一步从50μm处向硬质合金基材17侧在硬质合金基材17的层方向上以0.5μm测量间隔且在不同的至少200个点上进行测量的值的平均值来定义。
另外，硬质合金基材17中所含有的co的平均含量cwc值为co含量不会因缓冲层20的存在而发生较大变化且视为co含量(计数数)在±6％的范围内大致一定值来进行测量的值。
硬质合金基材与金刚石层的界面的wc晶粒：
当将形成于硬质合金基材17与金刚石层18的界面的所述富含co层区域中的wc粒子的平均粒径设为d，并且，将硬质合金基材内部中的wc粒子的平均粒径设为do时，若d/do值成为2以上，则因界面附近的富含co层区域中的wc粒子的异常生长而硬质合金基材17与金刚石层18的界面强度下降，当高负荷作用时，容易发生龟裂/剥离，因此将d/do值设为小于2。
另外，所述wc粒子的粒径的测量通过以500倍～3000倍来观察的sem(扫描型电子显微镜)照片的图像处理(应用软件，美国国立卫生研究所制imagejver：1.49)来进行，并通过对这些多个部位中的测量值进行平均而能够求出wc粒子的平均粒径。
富含co层19的平均层厚为30μm以下、富含co层19中的co含量的峰值cmax与金刚石层的平均co含量cdia的比值cmax/cdia为2以下且富含co层中的wc粒子的平均粒径d满足d/do＜2的本发明的pcd工具能够通过如下制作，即，将含有9～18质量％的co且含有平均粒径为0.5～4μm的wc粒子的硬质合金设为基材，将在平均粒径为1～11μm的金刚石粉末中作为金属催化剂混合了15～33质量％的co粉末的金刚石原料粉末进行层叠，并在超高压高温装置内进行烧结。
若硬质合金基材17中的co含量小于9质量％，则结合相成分少，因此硬质合金的烧结性差且硬质合金基材17本身的韧性下降，另一方面，若co含量超过18质量％，则导致形成于硬质合金基材17与金刚石层18的界面的富含co层19的层厚超过30μm，因此硬质合金基材17与金刚石层18之间的界面接合强度下降，当高负荷作用时，出现来自界面的龟裂的发生、剥离的发生等。
因此，将硬质合金基材17中的co含量设为9～18质量％。
并且，若硬质合金基材17中的wc粒子的平均粒径小于0.5μm，则硬质基材内的wc粒子容易粒子生长，以断裂韧性值为代表的力学性能下降，从而pcd本身变得容易发生破裂(龟裂)。
另一方面，若平均粒径超过4μm，则能够提高断裂韧性值，但硬度下降，因此pcd烧结时变得容易发生变形(翘曲)，因此将硬质合金基材17中的wc粒子的平均粒径设为0.5～4μm。
若形成金刚石层18的金刚石粉末的平均粒径小于1μm，则金刚石粒子容易异常粒子生长，且耐磨性下降，另一方面，若平均粒径超过11μm，则当高负荷作用时，变得容易发生金刚石粒子的脱落，并且，工件的表面粗糙度变差，因此将金刚石粉末的平均粒径设为1～11μm。
而且，在金刚石原料粉末中混合作为金属催化剂的co粉末，但若co混合量小于15质量％，则在超高压高温装置内进行烧结时，co从硬质合金基材17向金刚石层18的扩散速度变快，其结果，导致在wc硬质合金基材17与金刚石层18的界面形成过厚的富含co层19，从而劣化界面特性。另一方面，若co混合量超过33质量％，则在金刚石层内局部形成co基质，从而阻碍金刚石粉末彼此的直接接合，并且金刚石层的耐磨性、耐缺损性下降。
因此，将事先混合于金刚石粉末中的co粉末的混合量设为15～33质量％。
在ta制容器(capsule)内装入并层叠所述硬质合金基体1和金刚石原料粉末8，并通过在热力学上金刚石稳定的区域、即烧结压力为5gpa以上且烧结温度为1400～2200℃以上这一条件的超高压高温装置内进行烧结，能够制作本发明的pcd工具。
本发明的pcd工具能够适用于各种形状及用途的工具。例如能够从平面状层叠体切出并焊接在工具基体中来使用。并且，也能够用作在前端部为半球形状的圆筒形状的工具基体的前端部层叠并烧结金刚石层而制造的挖掘镶式钻头。而且，也能够用于钻头或立铣刀等呈复杂形状的旋转工具的刀尖部分。
本发明的pcd工具除了通常的pcd工具所具有的优异的硬度、化学稳定性以外，还抑制形成于硬质合金基材与金刚石层的界面的富含co层的平均层厚，并且抑制富含co层中的wc粒子的异常生长，由此界面的接合强度得到提高。
因此，当将本发明的pcd工具用作有色金属的切削用工具或石油、天然气、地热井挖掘用工具等时，通过提高界面接合强度，提高相对于来自工具侧面的冲击性负荷的耐冲击性，并且抑制界面中的龟裂的发生、剥离的发生，从而实现工具寿命的延长。
并且，根据本发明，通过调整硬质合金基材的co含量、wc粒子的平均粒径、在金刚石原料粉末中作为金属催化剂来混合的co混合量及金刚石粉末的平均粒径并在超高压高温装置中进行烧结这一简单的操作，能够提高硬质合金基材与金刚石层的界面强度，提高耐冲击性，并且能够制造界面中的龟裂发生、剥离发生少的pcd工具。
并且，根据本发明，即便在烧结时在金刚石层与硬质合金基材之间不层叠物理性具有中间性质的中间层，而直接层叠硬质合金基材中所需的金刚石最外层来制造烧结工具，也能够获得具备优异的耐磨性、耐缺损性及硬质合金基体与金刚石层之间的高界面接合强度的烧结体工具。
附图说明
图1表示用于制造pcd工具的超高压高温装置的概略示意图。
图2是表示pcd工具中的硬质合金基材与金刚石层的界面附近的sem像的一例，图2的(a)～图2的(d)表示比较例的pcd工具，图2的(e)、图2的(f)表示本发明的pcd工具。
图3表示对本发明pcd工具(h)实施的co含量的线分析的概略说明图及分析结果。
图4表示对比较例pcd工具(g)实施的co含量的线分析的概略说明图及分析结果。
图5表示对pcd工具实施热处理试验之后的金刚石层(上段)、硬质合金基材及金刚石层的界面附近(下段)的sem像，图5的(c)、图5的(d)表示比较例pcd工具(c)、比较例pcd工具(d)及在750℃下实施热处理之后的sem像，图5的(f)表示在850℃下对本发明的pcd工具(f)实施热处理之后的sem像。
图6表示本发明的一实施方式的pcd工具的示意性纵剖视图。
图7表示本发明的另一实施方式的pcd工具的示意性纵剖视图。
图8表示用于冲击剪切强度的评价的试样的主视图及侧视图。
图9表示用于冲击剪切强度的评价的测量装置的示意性剖视图。表示落下重锤之前的状态。
图10表示用于冲击剪切强度的评价的测量装置的示意性剖视图。表示落下重锤之后的状态。
具体实施方式
以下，利用实施例对本发明进行详细说明。
实施例
在表1中示出实施例中所使用的硬质合金和金刚石原料粉末的组合。作为本发明的代表例，制作了由表1中的(e)、(f)及(h)所示的硬质合金和金刚石原料粉末的组合构成的本发明的pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)。
具体而言，关于pcd工具(e)，将在平均粒径为9μm的金刚石粉末中混合了17质量％的co粉末的金刚石原料粉末和由co含量为16质量％且平均粒径为2.2μm的wc粒子构成的硬质合金基材(参考表1的(e))，如图1所示那样层叠在ta容器内的状态进行填充，并通过在烧结压力5.8gpa、烧结温度1500℃的超高压高温装置内进行烧结来制作。
关于pcd工具(f)，将在平均粒径9μm的金刚石粉末中混合了31质量％的co粉末的金刚石原料粉末和由co含量为16质量％且平均粒径为2.2μm的wc粒子构成的硬质合金基材(参考表1的(f))，同样如图1所示那样层叠在ta容器内的状态进行装入，并通过在烧结压力5.8gpa、烧结温度1500℃的超高压高温装置内进行烧结来制作。
并且，关于pcd工具(h)，将在平均粒径3μm的金刚石粉末中混合了33质量％的co粉末的金刚石原料粉末和由co含量为10质量％且平均粒径为2.2μm的wc粒子构成的硬质合金基材(参考表1的(h))，同样如图1所示那样层叠在ta容器内的状态进行装入，并通过在烧结压力5.8gpa、烧结温度1500℃的超高压高温装置内进行烧结来制作。
并且，关于pcd工具(i)，将在平均粒径6μm的金刚石粉末中混合了33质量％的co粉末的金刚石原料粉末和由co含量为10质量％且平均粒径为2.2μm的wc粒子构成的硬质合金基材(参考表1的i)，同样如图1所示那样层叠在ta容器内的状态进行装入，并通过在烧结压力5.8gpa、烧结温度1500℃的超高压高温装置内进行烧结来制作。
并且，关于pcd工具(j)，将在平均粒径9μm的金刚石粉末中混合了33质量％的co粉末的金刚石原料粉末和由co含量为10质量％且平均粒径为2.2μm的wc粒子构成的硬质合金基材(参考表1的j)，同样如图1所示那样层叠在ta容器内的状态进行装入，并通过在烧结压力5.8gpa、烧结温度1500℃的超高压高温装置内进行烧结来制作。
[表1]
在上述中制作的本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)中，关于pcd工具(e)、(f)，用扫描型电子显微镜(sem)观察硬质合金基材与金刚石层的界面附近，将所得到的sem像分别示于图1的(e)及图1的(f)中。
从图1的(e)及图1的(f)也明确可知，在本发明的pcd工具(e)中，形成于硬质合金基材与金刚石层的界面的富含co层的平均层厚为10μm以下，并且，在本发明的pcd工具(f)中，在硬质合金基材与金刚石层的界面未确认到富含co层的存在。
在表2中示出关于本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)进行测量的富含co层的平均层厚的值。
如图3(这是与本发明pcd工具(h)相关的图)所示，富含co层的平均层厚例如以20μm射束直径且以0.5μm测量间隔对从金刚石层向硬质基材约100μm(将金刚石层和硬质基材层分别约50μm)的距离进行epma(电子射线显微分析仪)的线分析而测量co含量(cdia)，将所测量的co含量的值为1.1×cdia以上的区域设为富含co层，并测量该区域的层厚，对在多个部位中测量的富含co层的层厚进行平均，由此能够求出富含co层的平均层厚。
另外，cdia为作为烧结后的金刚石层中的金属催化剂而残留的co含量。并且，测量富含co层中的co含量的峰值cmax，计算出与金刚石层的平均co含量cdia的比值cmax/cdia。
从表2可知，关于所有本发明pcd工具(e)、(f)及(h)，富含co层的平均层厚为30μm以下，并且cmax/cdia值为2以下，并且，根据图3，可知富含co层的层厚为约28μm，cmax/cdia值为1.7。
并且，示出对本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)测量的金刚石层的平均层厚的值。
在多个点上以层厚方向测量从金刚石层与富含co层的边界线至金刚石层的最外表面的距离，从这些测量值计算平均值而获得金刚石层的平均层厚。
本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)的金刚石层的平均层厚在5.0mm～8.0mm的范围内。
并且，示出对本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)测量的缓冲层的平均层厚的值。
在多个点上以层厚方向测量缓冲层的边界线之间的距离，从这些测量值计算平均值而获得缓冲层的平均层厚。
本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)的缓冲层的平均层厚在5μm～9μm的范围内。
并且，关于上述本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)，用倍率500倍～3000倍的sem(扫描型电子显微镜)观察从各自的硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域，通过所观察的sem照片的图像处理(应用软件，美国国立卫生研究所制imagejver：1.49)测量该区域中的wc粒子的粒径，并通过对这些多个部位中的测量值进行平均，而求出从所述界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的wc粒子的平均粒径d。
并且，关于硬质合金基材内部中的wc粒子的平均粒径do，也以相同的方法求出，并计算出d/do值。
在表2中示出关于本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)求出的从各自的硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的wc粒子的平均粒径d值、硬质合金基材内部中的wc粒子的平均粒径do值及d/do值。
从表2可知，关于所有本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)，d/do值均小于2。
为了比较，根据以表1的(a)～(d)及(g)来表示的硬质合金和金刚石原料粉末的组合，制作了比较例的pcd工具(a)～(d)及(g)。
另外，制作比较例的pcd工具(a)～(d)及(g)时的基于超高压高温装置的烧结压力为5.8gpa，烧结温度为1500℃，且烧结条件与本发明pcd工具(e)、(f)及(h)相同。
在上述中制作的比较例pcd工具(a)～(d)及(g)中，关于pcd工具(a)～(d)，用扫描型电子显微镜(sem)观察硬质合金基材与金刚石层的界面附近，将所得到的sem像分别以图1的(a)～(d)来表示。
从图1的(a)～(d)可知，在事先未在金刚石粉末中混合co粉末的比较例pcd工具(a)～(d)中，在硬质合金基材与金刚石层的界面形成有50μm以上的平均层厚的富含co层(图1的(a)、(b))或形成有超过30μm的平均层厚的富含co层(图1的(c)、(d))。
而且，在从上述比较例pcd工具(a)～(d)及(g)的硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中，也观察到粒径异常生长为较大的wc粒子。
另外，当比较图2的(a)～(d)时可知，所使用的金刚石粉末的平均粒径相对小(3μm)的pcd工具(a)～(c)与金刚石粉末的平均粒径相对大(9μm)的pcd工具(d)相比，富含co层的层厚变厚，引起wc粒子的异常生长，并且，所使用的硬质合金基材中的co含量相对少(10质量％)的pcd工具(a)、(b)与硬质合金基材中的co含量相对多(16质量％)的pcd工具(c)、(d)相比，富含co层的平均层厚变厚。
在表2中示出以与本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)相同的方式测量而求出的比较例pcd工具(a)～(d)及(g)的金刚石层的平均层厚、富含co层的平均层厚、从硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的wc粒子的平均粒径d值、硬质合金基材内部中的wc粒子的平均粒径do值、d/do值及缓冲层的平均层厚。
另外，表1的试料(a)～(d)及(g)中的金刚石原料粉末中的co含量为零，但通过烧结，co从硬质合金熔浸于金刚石层，由此成为金刚石层中含有表2中以cdia来表示的量的co。
并且，在图4中示出对比较例pcd工具(g)实施的线分析的概略说明及分析结果，可知富含co层的层厚为约50μm，cmax/cdia的值为4.3。
根据表2，在比较例pcd工具(a)～(d)及(g)中，富含co层的平均层厚均超过30μm，并且，从硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的d/do为3～12。并且，在比较例pcd工具(a)～(d)及(g)中，金刚石层的平均层厚均为0.8mm以下，并且，不存在缓冲层。
[表2]
(注)“富含co层”是指从金刚石层与wc基硬质合金的界面向金刚石层的内部co含量为1.1×cdia以上的区域。
接着，关于本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)和比较例pcd工具(a)～(d)及(g)，为了检验耐热特性及耐龟裂性/耐剥离性，实施了750～850℃×60分钟的热处理试验。
关于比较例pcd工具(a)～(d)及(g)，通过750℃×60分钟的热处理，在硬质合金基材与金刚石层的界面观察到龟裂的发生/剥离的发生。
相反，在本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)中，通过750℃×60分钟的热处理，在硬质合金基材与金刚石层的界面没有龟裂发生。
在本发明pcd工具(e)、(h)、(i)及(j)中，通过800℃×60分钟的热处理，初次在硬质合金基材与金刚石层的界面观察到龟裂的发生。
在本发明pcd工具(f)中，即便在850℃×60分钟的热处理中，在硬质合金基材与金刚石层的界面也未发生龟裂，但在金刚石层中观察到微小的龟裂的发生。
本发明pcd工具(f)中的微小的龟裂发生的原因可推测为，由于耐热试验温度高于(a)～(d)、(g)及(e)、(h)～(j)，因此co的热应力超过金刚石粒子之间的结合强度，结果在金刚石层本身的内部发生微小龟裂。
而且，关于本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)和比较例pcd工具(a)～(d)及(g)，为了检验相对于由瞬间冲击而引起的金刚石层剥离的耐性，实施了冲击剪切强度试验。将其结果示于表2中。
以图8所示的尺寸制作与本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)和比较例pcd工具(a)～(d)及(g)对应的试样并用于冲击剪切强度的评价。
在图9所示的试样固定夹具25中利用wc-co层侧经由夹紧装置24固定试样。锤子21设置成其下端与试样的金刚石层18抵接。而且，向锤子21上端从规定高度落下规定质量(kg)的重锤22。图10表示通过重锤22的落下而破断了金刚石层18的状态。
当金刚石层18没有破断(从硬质合金基材17剥离)时，提高重锤22的落下高度，并再次进行试验。当破断时，将此时的落锤能量(j)设为冲击剪切强度。
落锤能量由落锤能量(j)＝重锤的质量(kg)×重力常数(ms-2)×高度(m)的式获得。
剪切强度(j/cm2)由剪切强度(j/cm2)＝破断时的落锤能量(j)/试样截面积(cm2)的式获得。
从表2可知，本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)的冲击剪切强度为7.3j/cm2～12.1j/cm2。在具备平均层厚为5μm以上且15μm以下的缓冲层的pcd工具(h)、(i)及(j)中，表示冲击剪切强度为约10j/cm2以上的值，尤其(i)、(j)的冲击剪切强度高。
另一方面，在比较例pcd工具(a)～(d)及(g)中，相对于由瞬间冲击而引起的金刚石层17剥离的冲击剪切强度(j/cm2)为2.9j/cm2～5.1j/cm2，可知冲击剪切强度明显低于本发明pcd工具(e)、(f)、(h)、(i)及(j)。
在图3中示出关于进行所述热处理试验之后的比较例pcd工具(c)、(d)及本发明pcd工具(f)求出的sem像。
也从图3所示的结果明确可知，将形成于硬质合金基材与金刚石层的界面的富含co层的平均层厚抑制为30μm以下，并且，从硬质合金基材与金刚石层的界面向金刚石层的内部至50μm的区域中的wc粒子的平均粒径d相对于硬质合金基材的内部中的wc粒子的平均粒径do满足d/do＜2的本发明pcd工具(e)、(f)及(h)的耐热性/耐冲击性优异，并且耐龟裂性/耐剥离性优异。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的pcd工具除了通常的pcd工具所具有的优异的硬度、导热性及化学稳定性以外，还具有优异的界面接合强度及优异的耐热性/耐冲击性，因此在有色金属、硬质合金及陶瓷等的切削或石油、天然气及地热井等的挖掘等中，用作长寿命的pcd工具。
符号说明
1-wc-co基材(硬质合金基材)，2-石墨盘，3-石墨，4-加热器，5-钢环，6-ta箔，7-nacl-10质量％zro2，8-金刚石粉末或(金刚石+co)混合粉末，9-ta容器，10-富含co层，11-wc粒子(白色)，12-co(灰色)，13-金刚石粒子(黑色)，14-分析方向，15-界面龟裂，16-金刚石层内龟裂，17-硬质合金基材，18-金刚石层，19-富含co层，20-缓冲层(buffer层)，21-锤子，22-重锤，23-落下，24-夹紧装置，25-试样固定用夹具。