CN104169029A - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

一种切削工具，包括由金属陶瓷形成的基材。该金属陶瓷由硬质相、结合相和不可避免的杂质形成，其中该硬质相由Ti、除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属、以及含有碳和氮中的至少一种元素的化合物形成；所述结合相的主要成分为铁族金属。在所述基材的切削面上散布有平均粒径为0.5μm以上5μm以下的氧化铝颗粒和氧化锆颗粒中的至少一种颗粒，并且该表面中铝和锆中的至少一种元素的浓度为0.5原子％以上5原子％以下。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及包括由金属陶瓷构成的基材的切削工具。更具体而言，本发明涉及具有优异的抗熔接性和抗断裂性并且能够在长期使用过程中表现出稳定切削性能的切削工具。
背景技术
烧结金属(例如，金属陶瓷和硬质合金)被用作为切削工具的基材，其中在烧结金属中，碳化物、碳氮化物等的硬质颗粒(硬质相)与钴(Co)或镍(Ni)等铁族金属(结合相)结合在一起。通常，在金属陶瓷中，主硬质相由诸如碳化钛(TiC)或碳氮化钛(TiCN)之类的Ti化合物颗粒构成。另一方面，在硬质合金中，主硬质相由碳化钨(WC)颗粒构成。相比于包括由硬质合金构成的基材的切削工具，包括由金属陶瓷构成的基材的切削工具具有如下优点：
(1)耐磨性优异，
(2)钢加工中的表面质量高，
(3)能够进行高速切削，
(4)质量轻，以及
(5)原料丰富且价格低廉。
在(例如)专利文献1至4中描述了对由烧结金属构成的切削工具基材表面进行喷砂处理以改善表面性能的技术。
专利文献1至3描述了：在对钻头或可转位刀片(indexable insert)的基材进行涂层处理之前，通过在基材表面上进行喷砂处理，可除去基材表面上的不需要的物质，由此提高了覆层的密着性。专利文献4描述了：通过对由金属陶瓷构成的刀片基材的前刀面的表面进行喷砂处理，用作磨粒的陶瓷颗粒(如氧化铝颗粒)被嵌入并散布在前刀面的表面中，由此能够提高抗熔接性。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开(PCT申请译文)No.2002-536194
专利文献2：日本未审查专利申请公开No.2007-007780
专利文献3：日本未审查专利申请公开No.9-241826
专利文献4：日本未审查专利申请公开No.2010-194669
发明内容
技术问题
在专利文献1至3中描述的技术中，通过利用喷砂处理清洁基材表面从而提高了覆层的密着性。尽管可在这些文献中所描述的喷砂处理条件下获得基材表面的清洁效果，但是没有进一步的效果可以预期。
另一方面，在专利文献4中描述的技术中，通过利用喷砂处理在基材的前刀面的表面中嵌入并散布平均粒径为5μm至100μm的陶瓷颗粒，从而改变了表面状态。然而，由于散布的陶瓷颗粒较构成基材硬质相的硬质颗粒更为粗大，因此容易发生源于粗颗粒的剥落，这可能会造成断裂等。
本发明在这些背景下实现，本发明的目的是提供具有优异的抗熔接性和抗断裂性并且能够在长期使用过程中表现出稳定切削性能的切削工具。
问题的解决手段
本发明的切削工具包括由金属陶瓷构成的基材。金属陶瓷包括：硬质相，该硬质相包含含有Ti、除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属、以及碳和氮中的至少一种元素的化合物；结合相，该结合相包含铁族金属作为主要成分；以及不可避免的杂质。该切削工具的特征在于：在基材前刀面的表面上散布有平均粒径为0.5μm以上5μm以下的氧化铝颗粒和氧化锆颗粒中的至少一种颗粒，并且该表面中铝和锆中的至少一种元素的浓度为0.5原子％以上5原子％以下。
在本发明的切削工具中，具有预定的平均粒径的氧化铝颗粒或氧化锆颗粒(下文中可简称为“氧化铝颗粒等”)散布于基材的前刀面的表面，并且构成这些颗粒的铝或锆(下文中可简称为“铝等”)的浓度在预定范围内。由于形成了散布有这种氧化铝细颗粒等的表面状态，因此可抑制在切削过程中工件(包括切屑)与前刀面接触时熔接的发生，并能够防止发生工具的剥落和断裂。因此，可防止切削工具的切削性能发生劣化，并能够在长期使用过程中表现出稳定的切削性能。
在本发明中，在切削过程中工件与散布有氧化铝颗粒等的部分发生接触的情况下，除了前刀面以外，例如在后刀面上也可与前刀面一样进一步抑制在工具上的熔接。然而，在氧化铝颗粒等散布于刃(切削刃)表面的情况下，人们担心可能会对工件的表面质量构成不利的影响。因此，优选进行刃处理，例如珩磨处理。另一方面，在不涉及切削的部分中，例如，待固定于支架上的支持面(seating surface)或安装孔附近，由于无需抑制熔接，因此氧化铝颗粒等可不用散布在其表面中。即，氧化铝颗粒等优选散布在除刃以外的涉及切削性能的部分中。
当氧化铝颗粒等的平均粒径小于0.5μm时，可能无法获得抗熔接性效果，并且易于发生因熔接所致的剥落和断裂。另一方面，当平均粒径大于5μm时，颗粒可作为剥落的起点，并且在切削过程中易于发生断裂。此外，当平均粒径大于5μm时，颗粒会将基材损坏，从而导致强度降低以及耐磨性劣化。平均粒径优选为1μm以上4μm以下。
诸如铝等元素来自于氧化铝颗粒等的成分。当铝等的元素浓度小于0.5原子％时，可能无法获得抗熔接性效果，并且易于发生因熔接所致的剥落和断裂。另一方面，当元素浓度大于5原子％时，尽管可获得足够的抗熔接性，但是耐磨性会因大量的该成分而趋于劣化。优选的是，元素浓度为1原子％以上2.5原子％以下。
通过如下方法获得基材(前刀面)的表面中的氧化铝颗粒等的平均粒径以及铝等的元素浓度。首先，用扫描电镜(SEM)观察基材表面中的150μm×150μm的区域，在该区域内利用能量色散X射线分析(EDX)进行定量分析，并将所得值定义为元素浓度。测量该区域内被EDX检测到的所有氧化铝颗粒中每个氧化铝颗粒的最长直径，并将其平均值定义为平均粒径。
此外，在本发明的切削工具中，优选的是，从基材表面的烧结面至50μm深度的区域内的平均硬度比深度范围为150μm至200μm的区域内的平均硬度高10％以上。
在金属陶瓷基材的表面部分的硬度高于内部硬度的情况中，耐磨性改善，而韧性趋于降低。因此，当因工件熔接于前刀面而使切削质量劣化且切削力增加时，可能会造成断裂。在本发明中，可抑制前刀面上的熔接，并且根据上述结构，能够有效实现本发明的效果。
术语“烧结面”是指被烧结的表面。
本发明的切削工具基本上可由如下步骤制得：制备原料粉末、混合并成形、烧结、以及进行喷砂处理。
在制备原料粉末的步骤中，准备如下粉末作为原料粉末：含有Ti、除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属、以及碳和氮中的至少一种元素的化合物的粉末；以及铁族金属的粉末。
化合物的例子包括上述金属的碳化物、氮化物和碳氮化物、及其固溶体。Ti化合物的例子包括TiC、TiN和TiCN。除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属的例子包括W、Mo、Cr、V、Nb、Ta和Zr，这种金属的化合物的例子包括WC、Mo2C、Cr3C2、VC、NbC、TaC和ZrC。此外，该化合物可包括含有Ti以及除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属的Ti化合物。其例子包括包含Ti和W的碳氮化物(TiWCN)。这些化合物构成了硬质相。根据本发明，在金属陶瓷中，Ti化合物为硬质相的主要成分(其占总硬质相的50质量％以上，硬质相中Ti化合物的量最大)。优选的是，硬质相的量为整个金属陶瓷的75质量％至95质量％。此外，该化合物粉末的平均粒径优选为0.5μm至2μm。
铁族金属的例子包括Co和Ni。铁族金属构成了结合相。在本发明中，铁族金属为结合相的主要成分(占总结合相的65％以上，结合相中铁族金属的量最大)。此外，铁族金属粉末的平均粒径优选为0.3μm以上4μm以下。
在混合成形步骤中，将原料粉末混合，然后将所得混合物成形为工具形状，由此获得成形体。例如，可通过球磨机进行混合。成形可通过(例如)压制成形法进行。
在烧结步骤中，将成形体加热并烧结，然后将其冷却以获得由金属陶瓷构成的基材。烧结步骤包括加热步骤和冷却步骤。
在加热步骤中，例如，在100Pa以下的真空中，以5℃/分钟以上15℃/分钟以下的升温速率进行加热(一次加热)至1,250℃。随后，在100Pa以上2,000Pa以下的氮气气氛中，以1℃/分钟以上5℃/分钟以下的升温速率进行加热(二次加热)至1,450℃以上1,550℃以下(该温度为烧结保持温度)，然后将烧结保持温度维持一定时间。烧结保持时间为(例如)30分钟以上1.5小时以下。在二次加热中，通过以1℃/分钟以上5℃/分钟以下的低升温速率进行加热，可使金属陶瓷致密化。
在冷却步骤中，(例如)在压力为500Pa以上500kPa以下的Ar或CO气氛中进行冷却。在加热步骤中，尤其是在二次加热中，通过在预定压力的氮气气氛中加热并保持该温度，抑制了氮从金属陶瓷成分中除去。此外，在冷却步骤中，通过设定脱氮和脱碳条件(例如，在Ar气氛中冷却)，可获得表面硬度高于内部硬度的金属陶瓷基材。
在喷砂处理步骤中，使用选自氧化铝磨粒和氧化锆磨粒(下文中可简称为“氧化铝磨粒等”)中的至少一种磨粒对金属陶瓷基材表面中的前刀面进行喷砂处理。使氧化铝磨粒等撞击基材(前刀面)的表面，并且使部分氧化铝磨粒保留在基材表面中。由此，氧化铝细颗粒等散布于基材表面上，由此形成了本发明的表面状态。喷砂处理可为湿式或干式。然而，在湿式喷砂处理中，可效率地对基材表面进行局部喷砂处理，是优选的。
可通过改变喷砂处理的条件从而改变基材(前刀面)的表面状态。喷砂处理条件的例子包括氧化铝磨粒等的平均粒径、氧化铝磨粒等的浓度、喷砂压力、喷砂角度和喷砂时间。这些条件优选设定在如下范围内：氧化铝磨粒等的平均粒径为10μm以上50μm以下，氧化铝磨粒等的浓度为5体积％以上15体积％以下，喷砂压力为0.5MPa以上2.5MPa以下，喷砂角度(相对于垂直于基材(前刀面)表面的方向的角度)为15°以上60°以下，喷砂时间为5秒以上20秒以下。更优选的是，氧化铝磨粒等的浓度为大于5体积％，喷砂压力小于2.5MPa，喷砂时间为15秒以下。需要注意的是，在表面状态中，这些条件彼此影响。因此，即使当一些条件不在上述的优选范围内时，在某些情况下依靠其他的条件，也可获得本发明的表面状态。这些条件不必局限于上述优选范围。
氧化铝磨粒等优选为球形，其球度优选为1.5以下。更优选的是，其球度为1.2以下。术语“球度”是指磨粒中最大直径与最小直径的比值(最大直径/最小直径)。由于球形磨粒不易破碎，因此当其撞击于基材表面上时，小部分的磨粒表面会剥落，其碎片残留在基材表面中。因此，基材(前刀面)的表面中的氧化铝颗粒等的平均粒径易于降低。相反，在多角形磨粒的情况中，由于存在边角，因此磨粒可能会刺入基材表面中，并且在某些情况下会以原样残留在基材表面中。此外，由于多角形磨粒易于破碎，因此如果其粒径较大，则当其撞击于基材表面或者当磨粒相互撞击时，在某些情况中，尖锐的大碎片会刺入基材表面中。因此，基材(前刀面)表面中氧化铝颗粒等的平均粒径易于升高。
此外，关于由喷砂处理形成的基材(前刀面)的表面状态，随着氧化铝磨粒等的浓度降低，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于降低，并且铝等的元素浓度趋于下降。随着氧化铝磨粒等的浓度升高，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于升高，并且铝等的元素浓度趋于增加。此外，随着喷砂压力降低，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于降低，并且铝等的元素浓度趋于下降。随着喷砂压力升高，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于增加，并且铝等的元素浓度趋于升高。此外，随着喷砂角度减小，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于增加，并且铝等的元素浓度趋于升高。随着喷砂角度增加，残留在基材表面的氧化铝颗粒等的平均粒径趋于降低，并且铝等的元素浓度趋于降低。此外，随着喷砂时间缩短，铝等的元素浓度趋于降低。随着喷砂时间延长，铝等的元素浓度趋于增加。
具体而言，通过将喷砂角度设定为15°以上60°以下、并沿着与垂直于基材(前刀面)表面的方向之间的倾斜角为15°至60°的倾斜方向进行湿式喷砂处理，能够容易地获得本发明的表面状态。此外，在其中前刀面和后刀面基本彼此垂直的可转位刀片的基材的情况中，通过沿着相对于与前刀面表面垂直的方向向刃侧倾斜的倾斜方向由前刀面侧至后刀面侧进行喷砂处理，不仅能够对前刀面进行喷砂处理，而且还能够对后刀面进行喷砂处理。在这种情况中，通过将喷砂角度设定为45℃，则能够以同样的方式在前刀面和后刀面上进行喷砂处理。
无需在不涉及切削的部分(例如，将固定于支架的支持面)进行喷砂处理，并且烧结面可不经处理。由此，可实现制造成本的降低和制造时间的缩短。
此外，在氧化铝颗粒等散布于刃(切削刃)表面的情况中，人们担心可能会对工件的表面质量构成不利影响。因此，在对刃表面进行喷砂处理的情况中，优选通过对刃进行珩磨从而单独进行刃处理。
发明效果
在本发明的切削工具中，形成了氧化铝微细颗粒等散布于前刀面表面的表面状态，因此该切削工具具有出色的抗熔接性和抗断裂性并且能够在长期使用过程中表现出稳定切削性能。
具体实施方式
[试验例1]
制造本发明的切削工具，并进行分析评价。
作为原料，准备了如下粉末：平均粒径为1μm的TiCN粉末；平均粒径均为0.5μm至2μm的WC粉末、TaC粉末、NbC粉末、ZrC粉末和Mo2C粉末；以及平均粒径均为1μm的Ni粉末和Co粉末。将这些粉末配合在一起以满足表I中所示的组成，由此获得原料粉末。术语“平均粒径”是指在构成粉末的颗粒的以体积为基准的累积分布中，与50％处的粒径相对应的粒径(D50)。
[表I]
用球磨机将原料粉末湿式混合并粉碎，然后用喷雾干燥器获得50μm至100μm的球状造粒粉末。随后，将以98MPa的成形压力将该造粒粉末压制为ISO标准CNMG120408刀片的形状，由此获得成形体。
在100Pa以下的真空中，以5℃/分钟至15℃/分钟的升温速率将成形体一次加热至1,250℃。随后，引入N2气体，并在500Pa的氮气气氛中以5℃/分钟的升温速率进行二次加热至1,500℃(烧结保持温度)。通过保持该温度来进行烧结。在保持该温度1小时后，在不同条件下进行冷却，从而获得两种金属陶瓷基材。在该试验中，使用了两种冷却条件：(A)在200kPa的Ar气氛中冷却；和(B)在5,000Pa的CO气氛中冷却。将在冷却条件A下获得的金属陶瓷基材定义为金属陶瓷基材A，将在冷却条件B下获得的金属陶瓷基材定义为金属陶瓷基材B。
通过显微维氏硬度计(micro-Vickers tester)测量所得各金属陶瓷基材的硬度。具体而言，在金属陶瓷基材厚度方向上的给定截面中，获得由基材表面的烧结面向内至50μm深度的区域内的平均硬度、以及深度范围为150μm至200μm的区域内的平均硬度。在该试验中，由基材表面中的给定点沿深度方向绘制直线，并且在由表面至50μm深度的区域以及深度范围为150μm至200μm的区域内，测量同一直线上三个位置的维氏硬度(Hv)，对由基材表面中的三个不同点沿深度方向绘制的直线进行该测量。将各区域中的平均值定义为平均硬度(Hv)。由此，在金属陶瓷基材A中，由烧结面起至50μm深度的区域内的平均硬度为19GPa，由烧结面起深度范围为150μm至200μm的区域内的平均硬度为17GPa。表面部分的硬度比内部的硬度高约11％。此外，在金属陶瓷基材B中，由烧结面起至50μm深度的区域内的平均硬度以及由烧结面起深度范围为150μm至200μm的区域内的平均硬度均为17GPa。
制备一个金属陶瓷基材A和十个金属陶瓷基材B。在表II所示的条件下，用平均粒径为50μm且球度为1.2以下的球状(初始状态)氧化铝(Al2O3)磨粒对各金属陶瓷基材进行喷砂处理。由前刀面侧至后刀面侧对金属陶瓷基材的表面进行湿式喷砂处理。在表II中，喷砂角度指相对于与前刀面表面垂直的方向向刃侧倾斜的角度，并且通过调整喷砂喷嘴的倾斜度来设定喷砂角度。
在喷砂处理后，进行刃处理，其中，通过介质珩磨(medium honing)对各金属陶瓷基材进行0.04mm R珩磨。此外，在刃处设置精加工断屑槽(finishing breaker)。由此获得样品1至11的切削工具。
对各所得切削工具，测量前刀面表面中Al2O3颗粒的平均粒径以及Al的元素浓度。具体而言，通过用SEM观察经过喷砂处理的前刀面表面中150μm×150μm的区域，并在该区域内用EDX进行定量分析，从而获得Al的元素浓度。此外，通过测量该区域内被EDX检测到的所有Al2O3颗粒中每个Al2O3颗粒的最长直径，并计算其平均值，从而获得Al2O3颗粒的平均粒径。其结果同样示于表II中。
[表II]
在下述条件下对各所得切削工具进行切削测试，并评价切削性能(抗熔接性和抗断裂性)。其结果示于表III中。
(切削条件)
工件：SCM415(带四个U形槽)
切削速度：100 m/分钟
进给：0.15mm/转
切削深度：1.0mm
切削状态：湿式
(评价方法)
切削开始30分钟后观察刃部，并通过光学显微镜确认是否存在熔接和剥落。此外，测量直至后刀面磨损量(Vb)(不包括0.04mm的刃处理量)达到0.10mm或直至发生断裂时的切削时间。当切削时间小于30分钟时，证实切削终止时是否存在熔接和剥落。
[表III]
表II和III的结果表明，在平均粒径为0.5μm以上5μm以下的Al2O3颗粒散布于基材(前刀面)表面、且该表面中Al元素浓度为0.5原子％以上5原子％以下的样品1至7中，不存在熔接，或者即使存在熔接，熔接量也较小，并且不存在剥落。可长时间进行稳定切削。此外，包含金属陶瓷基材B的样品1与包含金属陶瓷基材A的样品2之间的比较表明：当使用了表面部分的硬度比内部的硬度高10％以上的基材(金属陶瓷基材A)时，耐磨性提高。具体而言，在Al2O3颗粒的平均粒径为1μm以上4μm以下且Al的元素浓度为1原子％以上2.5原子％以下的样品2、6和7中，与其他样品3至5相比，不仅抗熔接性和抗断裂性更高，而且耐磨性也更高。
相比之下，在各样品8至11中，切削时间较短。在前刀面表面中的Al元素浓度较高的样品8中，尽管不存在熔接，但磨损进展迅速。在前刀面表面中的Al元素浓度较低的样品9中，发生了熔接并且也发生了剥落和断裂。另外，在Al2O3颗粒的平均粒径较小的样品10中，发生了熔接并且也发生了剥落和断裂。在Al2O3颗粒的平均粒径较大的样品11中，尽管未发生熔接，但是发生了剥落和断裂。
可在不脱离本发明主旨的条件下对上述实施方案进行恰当的修改，并且不局限于上述结构。例如，可适当改变金属陶瓷的组成、氧化铝颗粒的平均粒径等。
工业适用性
本发明的切削工具可适用于切削领域中。

Claims (4)

1.一种切削工具，包括由金属陶瓷构成的基材，
其中所述金属陶瓷包括：硬质相，该硬质相包含含有Ti、除Ti之外的选自元素周期表中第4族、第5族和第6族中的至少一种金属、以及碳和氮中的至少一种元素的化合物；结合相，该结合相包含铁族金属作为主要成分；以及不可避免的杂质，
其中在所述基材的前刀面的表面上散布有选自平均粒径为0.5μm以上5μm以下的氧化铝颗粒和氧化锆颗粒中的至少一种颗粒，并且该表面中铝和锆中的至少一种元素的浓度为0.5原子％以上5原子％以下。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述选自氧化铝颗粒和氧化锆颗粒中的至少一种颗粒的平均粒径为1μm以上4μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其中铝和锆中的至少一种元素的浓度为1原子％以上2.5原子％以下。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的切削工具，其中从所述基材的表面的烧结面至50μm深度的区域内的平均硬度比深度范围为150μm至200μm的区域内的平均硬度高10％以上。
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