CN102105248A

CN102105248A - 切削刀片和切削刀具

Info

Publication number: CN102105248A
Application number: CN2009801289548A
Authority: CN
Inventors: 虻川宏平; 浦岛和浩; 铃木友辅; 伊藤达也; 丰田亮二; 上川弘二
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-06-22
Also published as: KR20110033293A; US20110182682A1; WO2010010648A1; JPWO2010010648A1; EP2308620A1

Abstract

提供了一种能长时间保持切削性能的切削刀片和切削刀具。所述切削刀片具有由陶瓷制成的切削刃，并包括彼此一体形成的刀片座和切削刃，其中所述刀片座具有大于切削刃所具有的第二热膨胀系数的第一热膨胀系数；以及所述第一系数与所述第二系数之差大于0ppm且不大于3ppm。

Description

切削刀片和切削刀具

技术领域

本发明涉及一种切削刀片和切削刀具，更具体而言是涉及一种能长时间保持切削性能的切削刀片和装配有该切削刀片的切削刀具。

背景技术

专利文献1公开了一种具有切削刃部分以及由Al₂O₃微粒材料制成的其它部分的Al₂O₃-SiC晶须切削刀具，所述切削刃部分具有大于等于2mm且小于等于4mm的厚度并由Al₂O₃-SiC晶须材料制成，以此提供SiC加固的Al₂O₃晶须切削刀具，该切削刀具具有足以切削例如灰口铁和球墨铸铁的含铁材料的成本性能比，并包含减少量的昂贵SiC晶须，。(参见专利文献1的第[0004]段、权利要求1和图1)。

专利文献1总体上公开了所形成的切削刃中包含的SiC晶须的量按体积为7％～40％，而实施示例中采用的是按体积25％或32％的SiC晶须，且采用仅这些量的SiC晶须才被证实是有利的。(参见专利文献1的第[0009]段、第[0015]段、第[0019]段和第[0020]段)。

专利文献1中没有指出具有包括按体积25％到32％，例如7％～25％的量，的范围以外的量的SiC晶须的切削刃的切削刀具能够具有足以切削例如灰口铁和球墨铸铁的含铁材料的成本性能比。一般而言，切削刀具的切削刃的特性主要取决于切削刃中包含的成分的量；切削刃的特性被认为是随量的多少而急剧变化。

专利文献2公开了一种由陶瓷烧结体制成的切削刀具，该陶瓷烧结体具有分层结构，其包括刀片座和层叠在刀片座表面的至少部分上的外层，其中，外层表面的至少部分被用作切削刀具的侧面，且外层的热膨胀系数小于刀片座的热膨胀系数(参见专利文献2的权利要求1和图3)。

专利文献2讲到：“刀片座的热膨胀系数与外层的热膨胀系数之差应优选为0.1×10^-6～3.0×10^-6/K，该差值为25℃～100℃温度下的平均值。当差值小于0.1×10^-6/K时，足以形成抗裂性优良的切削刀具的残余压应力可不发生。”(参见专利文献2的第[0021]段)。

下面将参考此文献的实施示例。试验示例1-11中，切削刃由Si₃N₄-Yb₂O₃-Al₂O₃和Si₃N₄-Yb₂O₃-Al₂O₃-WC制成，且刀片座的热膨胀系数与作为切削刃的外层的热膨胀系数之差为0.3～3.3ppm。试验示例14中，切削刃由Al₂O₃-SiC制成，且外层，即切削刃的热膨胀系数与刀片座的热膨胀系数之差为2ppm。(参见专利文献2的表1)。试验示例14中所使用的SiC为细粒形式的粉。

专利文献2讲授了可通过一种方法来制造切削刀具，该方法包括：通过多级加压、层压法、热压等等以预定形状将粉末状原料压制成模制品；通过气压烧结、热等静压烧结或热压烧结来烧结模制品以制备烧结体；以及将获得的烧结体加工成预定形状(参见专利文献2的第[0028]段)。

现在参考此文献的实施示例。实施示例中，通过“将用于刀片座的粉末混合物和用于外层的粉末混合物依此顺序加入模子内，并利用单轴压力机通过多级加压或层压将混合物压制成模制品”来制造切削刀具；“通过冷等静压增加获得的模制品的密度”以制备最终的模制品；以及以预定形状将最终的模制品加工成成品。(参见专利文献2的第[0028]段、第[0029]段、第[0030]段和第[0031]段)。如理解的，实施示例证实通过多级加压和冷等静压来制造专利文献2中公开的发明申明已经实现的抗裂性和耐磨性很好的切削刀具。然而，从专利文献2的公开所不清楚的是，通过片材层压法和气压烧结制造的切削刀具的抗裂性和耐磨性是否很好。

另外，专利文献2中公开的发明涉及由不包括晶须的陶瓷制成的切削刀片。专利文献2对制造包括晶须的陶瓷的方法只字未提，且难以利用让陶瓷中产生残余应力的技术来烧结晶须。

近年来，对于切削刀具已经期望诸如抗热冲击性、耐磨性和抗裂性等性质的改良。一般而言，耐磨性趋向于随着切削刃中包含的晶须量的增加而减弱。因此，已经期望获得在切削刃中的晶须量减少时不会减弱耐磨性的切削刀片以及装配有此类切削刀片的切削刀具，且这些切削刀片的抗裂性和进一步诸如抗热冲击性的其它特性都很好。

现有技术文献

专利文献1：JP H11(1999)-10409A

专利文献2：JP 2003-231005A

发明内容

本发明要解决的问题

本发明的目的是提供一种切削刀片和切削刀具，所述切削刀片的耐磨性、抗裂性和抗热冲击性都很好，而且能长时间保持切削性能。本发明目的还在于提供一种包括减少量的晶须的切削刀片。

本发明的另一目的是提供一种装配有上述切削刀片的切削刀具。

解决问题的手段

解决上述问题的手段是：

(1)一种切削刀片，包括刀片座以及由包含晶须的陶瓷制成的切削刃，刀片座和切削刃彼此一体形成，其中刀片座具有大于切削刃所具有的第二热膨胀系数的第一热膨胀系数；以及第一系数与第二系数之差大于0ppm且不大于3ppm。

手段(1)的优选实施例为：

(2)根据手段(1)所述的切削刀片，其中切削刃具有主要由氧化铝制成的基质，晶须由碳化硅制成，且切削刃的表面内存在大于0MPa且不大于200MPa的残余应力。

(3)根据手段(1)或(2)所述的切削刀片，其中刀片座由具有多个相的复合材料制成。

(4)根据手段(1)至(3)中任一手段所述的切削刀片，其中刀片座由金属陶瓷制成。

(5)根据手段(1)至(3)中任一手段所述的切削刀片，其中刀片座由包括碳化硅粒子的陶瓷制成，这些碳化硅粒子具有1μm～5μm的平均粒径。

(6)根据手段(1)至(5)中任一手段所述的切削刀片，其中切削刃的厚度W1与刀片座的厚度W2之比W1/W2大于0.1且不大于0.7。

(7)根据手段(1)至(6)中任一手段所述的切削刀片，其中切削刃与刀片座通过热压烧结或通过利用钎料的钎焊一体形成。

上述手段还提供：

(8)一种装配有根据手段(1)至(7)中任一手段所述的切削刀片的切削刀具。

本发明的优势

根据本发明，刀片座的热膨胀系数大于切削刃的热膨胀系数的事实导致产生残余应力，这使得即便切削刀片中包含的晶须量小也可能提供维持长时间切削性能的切削刃。

另外，本发明的发明人发现，切削刃上的裂缝和切削刃的磨损中的任何一者或二者导致切削刀片不能再切削工件的情况。为使切削刃上不出现裂缝，就必须提高抗裂性，而为了不磨损切削刃，就必须增强耐磨性。然而，陶瓷模制品抗裂性的提高趋向于降低其耐磨性，而陶瓷模制品耐磨性的提高趋向于降低其抗裂性。传统技术不能同时提高陶瓷模制品的抗裂性和耐磨性。让本发明的切削刀片成功具备更长时间的切削性能意味着本发明还成功提高了耐磨性和抗裂性，而且还加强了抗热冲击性，该抗热冲击性用于抵御由于刀片座与切削刃的热膨胀系数之差引起的残余应力而在切削期间对切削刀片反复施加的热负载。由于切削刃包括作为主要成分的晶须，且切削刃内存在残余应力的创新，本发明能基于抗裂性、耐磨性和抗热冲击性同时提高的新成果提供传统切削刀片不可能实现的且使用寿命更长的切削刀片。

本发明还提供了一种具有热膨胀系数能够容易调整的刀片座的切削刀片。

本发明还提供了一种使用寿命长的切削刀具，该切削刀具因其装配有上述切削刀片而具有优良的耐磨性、抗裂性和抗热冲击性。

附图说明

[图1]图1是示出了根据本发明的切削刃的示例的图。

[图2]图2是示出了根据本发明的切削刃的另一示例的图。

[图3]图3是示出了根据本发明的切削刀具的示例的图。

[图4]图4是根据本发明的切削刃的示例的背散射电子图像。

[图5]图5是图4的放大图。

具体实施方式

为同时提高抗裂性和耐磨性，本发明的发明人以独到的见解实现了本发明的切削刃，下面将对其进行说明。

为制造由抗裂性优良的陶瓷制成的切削刃，必须使陶瓷包括晶须。因此，我们研究了具有切削刃的切削刀片，所述切削刃由加入了SiC晶须的陶瓷而非包含上述专利文献2公开的示例中制备的切削刃所包含的SiC细粉的陶瓷制成。

在用包含大量晶须的陶瓷制成的切削刀片来研磨铁材料时，晶须自身磨损。因此，为提高切削刀片的耐磨性，必须减少晶须的量。另一方面，在出于耐磨性目的减少晶须的量时，晶须减少的量降低了抗裂性，并致使使用寿命短的切削刀片。此外，如果切削刀片不包括晶须，则抗裂性较之包括晶须的切削刀片明显降低。因此通常认为，包含不少于一定量的晶须对切削刀片来说是不可或缺的。由于耐磨性的提高导致抗裂性的降低，而抗裂性的提高导致耐磨性的降低，所以我们得出的结论是，通过调整晶须的量和陶瓷类型的选择来同时实现抗裂性和耐磨性的提高不是几乎不可能的。本发明设法同时实现抗裂性和耐磨性的提高并延长切削刀片的使用寿命的基本思想是切削刃包括晶须，且晶须的量不致于降低抗裂性和耐磨性，并防止抗裂性因切削刀片中产生的残余应力而降低。将切削刀片中的刀片座的热膨胀系数相对于切削刃的热膨胀系数调整到预定范围能实现在切削刀片中产生残余应力，所述切削刀片包括由包含晶须的陶瓷制成的切削刃以及由陶瓷和/或金属陶瓷制成的刀片座，所述陶瓷和/或金属陶瓷不包含晶须或包含数量小于切削刃中所包含的晶须的量的晶须，其中切削刃和刀片座彼此一体形成。

切削刃中包含的晶须的示例可包括石墨晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须、莫来石晶须、碳化钛晶须和硼化钛晶须。优选的是碳化硅晶须。由于晶须有时可以与工件发生反应，因此，应根据工件的种类适当选择晶须的种类。晶须的尺寸优选为平均直径介于0.1μm到1μm之间，沿纵轴的长度介于2μm到100μm之间。用具有优选尺寸的碳化硅晶须来提高根据本发明的切削刀片的抗裂性将更容易。

对用以制造切削刃的陶瓷来说，可选择不与工件发生反应的各种陶瓷，这与晶须一样。陶瓷的示例可包括由氧化铝、碳化硅、碳化钛和氧化铝与碳化硅和/或碳化钛的化合物制成的陶瓷。

制成切削刃的陶瓷应当是平均粒径为0.1μm～2μm的粉末形式。采用此类粉末陶瓷能更容易地在陶瓷内分散晶须和烧结即将获得的模制品。

应当用适当的混合装置，如球磨机，通过干燥混合或湿法混合来混合陶瓷和晶须。在通过湿法混合来混合陶瓷和晶须时，可将丙酮、甲醇、乙醇等等用作溶剂。应当根据诸如预期工件的种类的因素和本发明的切削刀片将被使用的情形来决定切削刃的形状和尺寸。

化学成分分析表明，切削刃中包含的晶须的量与包含到其中的陶瓷的量的比率和混合到用于切削刃的原料中的晶须的量与混合到原料中的陶瓷的量的比率基本相同。就混合到原料中的晶须的量而言，切削刃的晶须含量按体积应优选地介于切削刃整个体积的25％到40％之间。晶须的量小于该范围下限的切削刃倾向于抗裂性降低，而晶须的量大于上限的切削刃倾向于表现出晶须大量损耗。当刀片座的热膨胀系数比切削刃的热膨胀系数大预定范围内的值时，具有上述范围内的量的晶须的切削刃还能提供切削性能维持长很多时间的切削刀片。

如果同时加压烧结用于切削刃的原料与用于刀片座的原料，则能将切削刃形成为刀片座的整体部分，以下将对其进行说明。而且，可以分开制造即将成为切削刃的切削刃前躯体和即将成为刀片座的刀片座前躯体。接着，可将这些前躯体钎焊成切削刀片。

刀片座应具有大于切削刃所具有的第二热膨胀系数的第一热膨胀系数。第一系数与第二系数之间的差优选为大于0ppm且不大于3ppm。

当刀片座的第一系数与切削刃的第二系数之间的差处于范围内时，在由于已经通过烧结制成切削刃和刀片座的事实而形成本发明的切削刀片时，切削刃与刀片座之间产生残余应力。切削刃与刀片座之间的残余应力使得本发明的切削刀片具有提高的抗裂性。由于抗裂性的提高，本发明的切削刀片能保持更长时间的切削性能。此外，由于调整热膨胀系数使得切削刀片具备持久的切削性能，所以这使得切削刃可包括较少量的晶须，这有助于减少将使用的昂贵的晶须的量。

刀片座的第一热膨胀系数与切削刃的第二热膨胀系数之差为0ppm时，切削刃与刀片座之间不产生残余应力，这意味着不能提高根据本发明的切削刀片的抗裂性。而且，当第一系数大于第二系数超过3ppm时，产生过大的残余应力，这可能会导致刀片座的破裂。刀片座的破裂降低了根据本发明的切削刀片的抗裂性。除此以外，当刀片座的第一热膨胀系数小于切削刃的第二热膨胀系数时，与当第一系数以大于0ppm且不大于3ppm的值大于第二系数时行进的残余应力相比，残余应力在相反方向上行进，并且从而降低根据本发明的切削刀片的抗裂性。

切削刃由包括晶须的陶瓷制成。尽管对于陶瓷和晶须的合成没有特定限制，但优选的是用于基质主要部分的氧化铝和碳化硅晶须的合成。这样的合成以很好的均衡方式提高了切削刀片的耐磨性和其抗裂性。

当切削刃表面内的应力大于0MPa且不大于200MPa时，在切削刃基质主要由氧化铝制成且晶须由碳化硅制成的切削刃中产生的残余应力能提高抗裂性，而不会破坏耐磨性。残余应力还能防止发生破裂。即便发生破裂，它们也缓慢地增加。因此，该切削刃适用于能长时间使用的切削刀具。此外，切削刃的表面内大于0MPa且不大于200MPa的残余应力能稳定切削刀片的切削性能。意味着切削刃与刀片座之间不存在残余应力的0MPa残余应力不能提高本发明的切削刀片的抗裂性。

调整刀片座的第一热膨胀系数与切削刃的第二热膨胀系数之差可实现残余应力的调整。用于调整残余应力的其它方法包括选择使用和不使用钎料；以及烧结温度、热压的压力、切削刃的厚度、切削刃的形状、材料的弹性模量、材料的泊松比、组织的各向异性、切削刃与刀片座之间的湿润性及其它因素的调整。

例如可通过根据JIS R 1618，名为“通过热力学分析的的精细陶瓷热膨胀测量方法”所说明的方法来测量刀片座和切削刃的热膨胀系数。

可通过日本材料学会出版的“通过X射线测量应力的标准方法-陶瓷版-”(JMSM-SD1-00)中说明的方法来测量切削刃的残余应力。

只要刀片座具有以上述范围内的值不同于切削刃的热膨胀系数，用于根据本发明的切削刀片的刀片座的材料就可以是与用于切削刃的相同或相似的陶瓷。切削刃的陶瓷和刀片座的陶瓷可以相同或相互不同。金属陶瓷可与陶瓷一同用于刀片座的材料，或替代陶瓷。金属陶瓷的示例可包括TiCN-Ni-Co金属陶瓷和TiCN-Ni金属陶瓷，所述TiCN-Ni-Co金属陶瓷和TiCN-Ni金属陶瓷由主要由Ni或Ni和Co的合成物制成的粘结相以及主要由碳氮化物相制成的硬质相形成，所述碳氮化物相包括作为主要金属成分的Ti，还包括V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的至少一种。适于形成刀片座的陶瓷和/或金属陶瓷通常为粉末形式，且粉末的粒子具有0.1μm到2μm之间的平均粒径。

只要刀片座的热膨胀系数以上述范围内的值大于切削刃的热膨胀系数，则该刀片座可包括晶须和/或粉末。从另一角度出发，为使刀片座的热膨胀系数不同于切削刃的热膨胀系数，刀片座可由不同于切削刃的陶瓷的金属陶瓷和/或陶瓷、包括数量小于切削刃中包含的晶须的量的晶须的陶瓷和/或金属陶瓷、包括粉末而非晶须的陶瓷和/或金属陶瓷或者与切削刃的陶瓷完全不同的材料制成。

刀片座的优选示例为由具有多个相的复合材料所制成的刀片座。在刀片座由复合材料制成时，多种陶瓷和/或金属陶瓷中的每一种的量的调整更容易地控制热膨胀系数。由此，调整根据本发明的切削刀片的刀片座的热膨胀系数与切削刃的热膨胀系数之差变得更容易。

用于刀片座的特别优选的材料是由陶瓷与金属陶瓷或加入到陶瓷中的碳化硅粒子组成的复合陶瓷。

将加入到陶瓷中的碳化硅粒子应具有1μm～5μm的粒径。如果发生破裂，具有1μm～5μm粒径的碳化硅粒子能检验裂缝的扩展，并能提供优良的可烧结性。因此，加入此类碳化硅粒子是优选的。陶瓷刀片座的主相优选地应由氧化铝制成，因为易于调整氧化铝的热膨胀系数和残余应力。可用光学显微镜或电子显微镜来测量碳化硅粒子的平均粒径。

金属陶瓷的示例可包括TiCN-Ni-Co金属陶瓷和TiCN-Ni金属陶瓷，所述TiCN-Ni-Co金属陶瓷和TiCN-Ni金属陶瓷由主要由Ni或Ni和Co的合成物制成的粘结相以及主要由碳氮化物相制成的硬质相形成，所述碳氮化物相包括作为主要金属成分的Ti，还包括V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的至少一种。

本发明的切削刀片具有彼此一体形成的刀片座和切削刃。

两层结构或三层结构可用于本发明的切削刀片。由于本发明的切削刀片的切削刃用于切削工件，因此，将刀片形成为使得切削刃暴露。采用两层结构时，可将切削刃简单地叠放在刀片座上。采用三层结构时，可将板状刀片座夹在两个切削刃之间。

在制备切削刀片期间用于将切削刃接合至刀片座的方法可以是热等静压烧结、热压烧结、钎焊等等。用于将切削刃接合至刀片座的优选方法是热压烧结。另一优选方法是用钎料进行钎焊，其中，用钎料来钎焊切削刃的前躯体和刀片座的前躯体。热压烧结通常具有包括将形成刀片座所必需的刀片座原料粉末放到模子中的过程；将形成切削刃所必需的切削刃原料粉末放在模子内的刀片座原料粉末的表面上，以使切削刃原料粉末覆盖刀片座原料粉末；以及单轴地对原料粉末施压，同时将粉末加热至预定温度。热压烧结期间的施压为切削刃和刀片座提供牢固的化学粘结。更确切地说，例如，将刀片座中包含的氧化铝成分和(多个)切削刃中包含的氧化铝成分烧结以形成桥接刀片座和(多个)切削刃的交联。因此，具有通过热压烧结形成的彼此一体形成的刀片座和(多个)切削刃的切削刀片具备大的粘附强度，而且(多个)切削刃在切削操作期间不会与刀片座分离。而且，较之由刀片座前躯体和用树脂胶粘剂胶黏至刀片座前躯体的(多个)切削刃前躯体形成的切削刀片，具有通过用钎料钎焊形成的彼此一体形成的刀片座和(多个)切削刃的切削刀片具备大的粘附强度，且(多个)切削刃在切削操作期间不会与刀片座分离。这是因为切削刃和刀片座通过钎料具备牢固的化学粘结。

当刀片座由陶瓷制成时，由于与刀片座的陶瓷例如氧化铝烧结的切削刃的陶瓷例如氧化铝的原因，热压烧结在刀片座与切削刃之间提供由交联实现的化学粘结。当刀片座由金属陶瓷制成时，热压烧结提供由固溶体实现的化学粘结，该固溶体中，切削刃中的陶瓷例如氧化铝与刀片座的金属陶瓷中包含的金属互溶，例如过渡金属，如铁、镍和钴。除此以外，钎焊提供陶瓷，例如具有包括在刀片座中的过渡金属及其它金属的氧化铝和/或金属陶瓷，与金属，例如包括在钎料中的钛，之间的化学粘结，这使得切削刃与刀片座牢固粘结。从而，用于优选的钎焊的钎料应当是包括钛等等的活性钎料。

如理解的，无论通过热压烧结还是钎焊形成本发明的切削刀片，切削刃中包含的金属粒子和刀片座中的金属粒子之间的化学粘结，或者切削刃中包含的金属粒子、刀片座中的金属粒子和钎料中的金属粒子之间的化学粘结都实现了牢固粘附状态。根据本发明的含有晶须的切削刀增强了抗裂性。热压烧结或钎焊进一步增强了抗裂性。

根据本发明的切削刀片的切削刃的厚度或者切削刃横跨叠层的距离通常为不小于0.8mm且不大于2mm。切削刃的厚度小于该范围的下限时，尽管有利地降低了切削刃中所使用的昂贵的晶须的量，但切削或研磨期间在切削刃内出现的裂缝可能会在短时间内到达切削刃与刀片座之间的交界面。另一方面，厚度超过该范围的上限时，制造切削刀片的成本增加，且切削刃中的残余应力倾向于随着刀片座横跨叠层的距离增大而减小。

本发明的切削刀片中，切削刃的厚度W1与刀片座的厚度W2之比W1/W2应优选地大于0.1且不大于0.7。比率W1/W2大于0.1且不大于0.7时，切削刃中出现的裂缝要很长时间才会扩展到刀片座。另一个优点是指定的比率使得所使用的晶须的量减少到期望的范围。此外，该比率使得刀片座与切削刃之间产生的残余应力有效发挥作用，并顺利地得到保持。

根据本发明的切削刀片具有优良的耐磨性、抗裂性和抗热冲击性，而且能长时间维持其切削性能。这些性质使得切削刀片能容易操作各个机械部件，尤其是用于飞行器的部件。更具体而言，许多飞行器部件由耐热合金制成，而耐热合金因其高强度和高熔点而难以切削。在切削此类部件时，有时会产生热量，这会将切削刀片的温度升高到高水平。然后，切削刀片交替而重复地经受极高温度的热接触和冷却过热刀片的冷却处理。耐热合金的示例可包括超级合金，如INCONEL 718、WASPALOY和RENE。这些耐热合金可用于在高温应用中常用的部件，例如飞行器的喷气发动机、蒸汽涡轮和燃气涡轮的部件。由于本发明的切削刀片具有切削刃和刀片座，其中前者的热膨胀系数不同于后者的热膨胀系数，这样的差异致使切削刀片在切削期间因高温而产生残余应力，因此，本发明的切削刀片将能轻易地切削通常难以切削而且倾向于产生热量而使切削刀片暴露于高温的工件。

将参照附图说明根据本发明的切削刀片和切削刀具的实施例。

图1示出了本发明的实施例的切削刀片1。切削刀片1为具有彼此一体形成的切削刃2和刀片座3的烧结体。如图1所示，切削刀片1具有三层结构，该三层结构由夹在一对切削刃2、2之间并与它们一体形成的刀片座3组成。切削刃2的热膨胀系数与刀片座3的热膨胀系数之差为切削刀片1提供残余应力，残余应力发挥作用以使刀片座3吸附切削刃2到它本身。在将本发明的切削刀片用作负型切削刀片时，该切削刀片应优选地具有图1所示的三层结构。图2示出了本发明另一实施例的切削刀片11。切削刀片11在层数上不同于切削刀片1。具体而言，切削刀片11具有两层结构，如图2所示。除了层数以外，如切削刀片11的原材料、制造过程和形状的性质都与切削刀片1的相同或相似。如果需要正型切削刀片，则切削刀片应具有由刀片座3组成的两层结构，刀片座3的一面与切削刃2接合，并与其一体形成。

图3示出了本发明的实施例的切削刀具4。切削刀具4具有切削刀片1、刀柄5和紧固件6。刀柄5具有位于其一端的凹槽，该凹槽的形状互补于切削刀片1的平面形状，从而容纳切削刀片1。紧固件6为用以对布置在刀柄5的凹槽中的切削刀片1施压的构件，从而避免刀片1在切削期间脱离刀柄5。

示例

下面将示出本发明的实施示例和比较示例。以下将示出刀片座通过热压烧结与切削刃结合的示例和刀片座通过钎焊与切削刃接合的示例。

(i)热压烧结

制备用于切削刃和刀片座的原料粉末，以使切削刃和刀片座具有表1所示的成分。名为A至D、H至Q、S和U的粉末为用于以下示例中的刀片座的粉末，而名为E至G、K、R、T和V的粉末为用于切削刃的粉末。

表1所示的氧化铝为具有0.4μm平均粒径的商用粉末。碳化硅为具有0.5μm～6.0μm平均粒径的商用粉末。碳化硅晶须为商业产品，其平均直径为0.8μm，而其沿纵轴的平均长度为10μm～50μm。另外，氧化钇采用平均粒径为1.0μm的商用粉末，而且氧化锆采用平均粒径为2.0μm的商用粉末。表1中，金属陶瓷A、金属陶瓷B和金属陶瓷C分别为全部由NGK SPARK PLUG有限公司制造的“C7X”产品、“T15”产品和“N40”产品。而且，Al₂O₃-TiCN陶瓷和Al₂O₃陶瓷分别为同一公司制造的“HC2”产品和“HC1”产品。

制备好切削刀片之后，测量切削刃和刀片座的热膨胀系数。

[表1]

接着制备切削刀片。表2中示出切削刃的热膨胀系数和刀片座的热膨胀系数之差，以及制备的切削刀片的切削刃的厚度与刀片座的厚度之比。切削试验的结果同样在表2中示出。制备的切削刀片是只具有包括晶须的切削刃的切削刀片和具有彼此一体形成的切削刃和刀片座的切削刀片。

表2的“刀片号”列中的“I”表示只使用表1中名为“E”的原料粉末的切削刀片。“II”表示只使用表1中名为“G”的原料粉末的切削刀片。用以下说明的方法来制备切削刀片“I”和“II”。

以表1所示的预定成分来结合氧化铝粉末和碳化硅晶须。用球磨机将合成物与作为溶剂的丙酮一起混合24小时。然后，除去丙酮。所得到的刀片座粉末被热压烧结。确切地说，用刀片座粉末填满石墨模子，并且单轴地以19.6MPa的压力对具有刀片座粉末的模子加压，并以1800℃的温度，并且在20.0KPa压力下的氩气环境中保持此状态1小时。用钻石砂轮切削由此获得的平面烧结体，这使得烧结体具有与切削刀片的成品相类似的形状。此外，以使得受到单轴加压的烧结体的面将成为前刀面的方式，将烧结体研磨成具有符合ISO标准的SNGN-120408形状的预期切削刀片。

用以下方法来制备表2中除名为“I”和“II”以外的切削刀片或由彼此一体形成的切削刃和刀片座组成的切削刀片。

用表中的用于每个陶瓷层的刀片座粉末和用于对应刀片座的刀片座粉末填满石墨模子。调整用于陶瓷层的刀片座粉末的量和用于刀片座的刀片座粉末的量，以使得陶瓷层与刀片座的厚度之比为表2所示的值。在与制备切削刀片I和II的相同条件下进行热压烧结。在与切削和研磨切削刀片I和II相同的条件下切削和研磨所得到的平面烧结体，并获得具有相同形状的切削刀片。烧结之后，切削刀片在中间位置被切削，而且用5000放大倍数的扫描电子显微镜来观测切削刃和刀片座在断面上的接合。这样的观测确保烧结的刀片处于以下状态，即，刀片座和切削刃牢固接合而不存在未接合部分，且刀片座中包含的氧化铝粒子和切削刃中包含的氧化铝粒子化学地粘结以形成联接刀片座和切削刃的桥接。

除此以外，测量获得的每个切削刀片的热膨胀系数。用下列方式进行测量：将每个切削刀片研磨并且形成为具有5mm×5mm×10mm三维尺寸的测试件，并根据JIS R1618在室温到1000℃的温度下，在惰性气体环境中测量测试件的平均热膨胀系数。

然后，通过对前刀面中心部分的表面的分析来测量每个切削刀片的残余应力。该方法依照日本材料学会出版的“通过X射线测量应力的标准方法-陶瓷版-”(JMSM-SD1-00)。利用来自氧化铝的(220)平面的具有Cr-Kα放射的X射线的衍射线来测量该表面(2θ＝148.73°)，上述氧化铝的(220)平面具有2mm的焦点直径。

随后，在下列条件下对获得的每个切削刀片进行间歇切削测试。根据切削刀片切削的工件中形成的突起的数目对性能进行分级。测试开始于进刀速度：f＝0.6mm/rev.。进刀速度以每五个突起增加0.05mm/rev.。用三个切削刀片来进行测试，并按切削的突起的平均数对性能进行分级。

工件：FC200

切削刀片的形状：ISO SNGN120408-TN

切削条件：V＝150m/min.，f＝0.6-0.8mm/rev.，d＝2.0mm，干燥

[表2]

注：

^*1)“差值”是指刀片座的热膨胀系数与切削刃的热膨胀系数之差，前者减去后者的结果。

^*2)压缩应力。

^*3)″No.″是三个切削刀片切削突起的平均数。

表2中，1-17号刀片是实施示例，而I-VIII号刀片是比较示例。VI、VII和VIII号刀片是根据专利文献1的“实施示例1”、“实施示例2”和“实施示例3”分别制备的比较示例。

表2中将对1-17号刀片的性质和I-VIII号刀片的性质进行比较。在刀片座的热膨胀系数以大于0ppm且不大于3ppm范围内的值大于切削刃的热膨胀系数时，切削突起的平均数很大。换言之，热膨胀系数的差异使得切削刀片保持切削性能的时间更长。再换句话说，此类切削刀片被认为是具有增强的抗裂性。另一方面，刀片座的热膨胀系数与切削刃的热膨胀系数不同的切削刀片VI-VIII中不存在残余应力。通过这些切削刀片切削的突起的平均数与通过仅由材料E或G组成的切削刀片I和II切削的突起的平均数几乎相同。换句话说，被制作成为彼此一体部件的切削刃和刀片座不具备优点。

切削刀片I和II与包括晶须的传统切削刀片几乎相同。因此，切削刀片1-17和切削刀片I-II之间的比较表明，本发明的切削刀片表现出比所有包括晶须的传统切削刀片更长时间的切削性能。

切削刀片10和11与切削刀片3之间的比较表明，刀片座由金属陶瓷制成的切削刀片具有较大的切削突起平均数。这个事实表示采用金属陶瓷用于刀片座使得切削刀片能保持甚至更长时间的切削性能。

根据表2中总结出的切削刀片2-4与切削刀片1和5之间的比较，应理解，刀片座的厚度与切削刃的厚度之比W1/W2在大于0.1且不大于0.7的范围以内时，切削突起的平均数甚至更大。这意味着指定范围内的比率使得切削刀片能进一步延长确保切削性能的时间段。

(ii)钎焊

以与上述(i)项同样的方式来制备切削刀片，所述切削刀片的切削刃和刀片座一体形成。所制备的刀片的数量介于18到22个之间。还制备仅由包括晶须的陶瓷制成的切削刀片，并命名为“IX”和“X”。

用下列方式来制备每个切削刀片18-22：以与上述(i)项中的I和II号刀片相同的方式来制备用于由包括晶须的陶瓷形成的切削刃的平面烧结体。通过研磨将包括晶须的陶瓷的厚度调整到预定值。然后，将包括化学活性钛且由TOKYO BRAZE有限公司制造的产品名称为TB629T的糊状活性银钎焊料施加到具有ISO 120412形状的刀片座的上表面。将钎料加热至800℃，从而将包括晶须的陶瓷接合至刀片座。此外，以使得烧结体已经受到单轴加压的面将成为前刀面的方式将生成物研磨成具有符合ISO标准的SNGN-120412形状的期望切削刀片。接合之后，切削刀片在中间位置被切削，而且用500放大倍数的显微镜来观测切削刃和刀片座在断面上的接合。这样的观测确保了获得的刀片处于刀片座和切削刃牢固接合而不存在未接合部分的状态。

IX和X号刀片中的每一个由烧结体组成，所述烧结体仅由包括晶须的陶瓷通过热压烧结制成。以使得烧结体已经受到单轴加压的面将成为前刀面的方式将烧结体研磨成具有符合ISO标准的SNGN-120412形状的非创造性切削刀片。注意，切削刀片IX和X分别与切削刀片I和II相同。

用与上述(i)项中的相同方法来测量每个切削刀片的热膨胀系数。用下列方式进行切削测试：对每个切削刀片进行开槽处理，并因此而进行机械加载。还通过重复开槽处理对刀片进行热加载。在这些条件下，根据切削刀片直到切削刃断裂在工件中切削的凹槽数量而对性能进行定级。测试开始于进刀速度：f＝0.3mm/rev.。进刀速度以每五个突起增加0.05mm/rev.。用三个切削刀片来进行测试，并按形成的凹槽的平均数对性能进行分级。

工件：INCONEL718

切削刀片的形状：ISO SNGN120412-TN

切削条件：V＝200m/min.，f＝0.3-0.45mm/rev.，d＝1.5mm

[表3]

注：

^*2)压缩应力。

^*3)″No.″是三个切削刀片切削的槽的平均数。

表3中，18-22号刀片是实施示例，而IX-X号刀片是比较示例。

表3中将对18-22号刀片的性质和IX-X号刀片的性质进行比较。在刀片座的热膨胀系数以大于0ppm且不大于3ppm范围内的值大于切削刃的热膨胀系数时，切削凹槽的平均数很大。换句话说，实施示例的结果表明，本发明的切削刀片即使反复经受机械冲击和大的温度变化也不易破裂。再换句话说，这些结果表明本发明的切削刀片抗裂性、耐磨性和抗热冲击性都很好，这意味着切削刀片能保持更长时间的切削性能。

通过SEM形成的切削刀片12的切削刃与刀片座之间的叠层交界面的背散射电子图像，在下文中有时称之为合成图像，在图4和图5中示出。图4所示合成图像的上半部分为切削刃2的图像，而且图像的下半部分为刀片座3的图像。图4所示的合成图像是通过利用扫描电子显微镜以2000放大倍数观测切削刀片12的切削刃与刀片座的横截面所获得的图像。根据图4中的合成图像可清楚地理解，切削刃2与刀片座3层叠。

图5所示的合成图像为图4的部分的放大图像。图5所示的图像为通过以5000放大倍数观测切削刀片12获得的图像。基于图4的合成图像所示的切削刃2和刀片座3的叠层交界面中的粒子状态如何变化来确定图5中的切削刃2与刀片座3之间的叠层交界面7。而且，图5中的白色圆圈表示切削刃2中包含的氧化铝粒子与刀片座3中包含的氧化铝粒子交联所在的位置。由于图5示出了氧化铝粒子是交联的，因此能理解的是，切削刀片12具有彼此牢固粘结的切削刃2和刀片座3。还能理解的是，该牢固粘结使切削刀片12的使用寿命长，抗裂性、耐磨性和抗热冲击性也很好。根据本发明的切削刀片的其它实施示例的合成图像确保了金属粒子在叠层交界面交联，尽管此专利申请中不包括这些图像。

只要能实现本发明的目的，本发明的切削刀片并不限于附图和实施示例中所示的实施例，但可根据情况适当地修改。

附图标记说明

1、11…切削刀片

2…切削刃

3…刀片座

4…切削刀具

5…刀柄

6…紧固件

7…叠层交界面

Claims

1.一种切削刀片，包括刀片座和由包括晶须的陶瓷制成的切削刃，所述刀片座和所述切削刃彼此一体形成，其中所述刀片座具有第一热膨胀系数，所述第一热膨胀系数大于所述切削刃所具有的第二热膨胀系数；并且所述第一系数与所述第二系数之差大于0ppm且不大于3ppm。

2.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述切削刃具有主要由氧化铝制成的基质，所述晶须由碳化硅制成，且在所述切削刃的表面内存在大于0MPa且不大于200MPa的残余应力。

3.根据权利要求1或2所述的切削刀片，其中所述刀片座由具有多个相的复合材料制成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀片，其中所述刀片座由金属陶瓷制成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀片，其中所述刀片座由包括碳化硅粒子的陶瓷制成，所述碳化硅粒子具有1μm～5μm的平均粒径。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的切削刀片，其中所述切削刃的厚度W1与所述刀片座的厚度W2之比W1/W2大于0.1且不大于0.7。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的切削刀片，其中所述切削刃与所述刀片座通过热压烧结或通过利用钎料的钎焊一体形成。

8.一种切削刀具，装配有根据权利要求1至7中任一项所述的切削刀片。