CN111936256B - 刀具和具备它的切削刀具 - Google Patents

Abstract

本发明的刀片具备包含金属陶瓷的基体，所述金属陶瓷含有：含有含Ti的碳氮化物的硬质相；含有Co的粘结相。所述基体含有Co_0.93W_0.07。另外，本发明的切削刀具具备：从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和位于所述卡槽的上述的刀片。

Description

刀具和具备它的切削刀具

技术领域

本发明涉及在切削加工中使用的刀具和具备它的切削刀具。

背景技术

现在，作为切削刀具、耐磨耗性构件和滑动构件等需要耐磨耗性、滑动性和耐缺损性的构件的基体，广泛使用以钛(Ti)为主成分的金属陶瓷。

例如，在专利文献1中记载有通过控制烧成条件，使金属陶瓷中存在包含在金属陶瓷中的金属相中的钨的质量比(W/(Co+Ni))为0.8以下的第一粘结相，和(W/(Co+Ni))为1.2以上的第二粘结相。

该发明以提高金属陶瓷在高温下的耐磨耗性和耐缺损性为目的。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5989930号

发明内容

本发明的刀片具备包含金属陶瓷的基体，该金属陶瓷含有：含有包含Ti的碳氮化物的硬质相；含有Co的粘结相。所述基体含有Co_0.93W_0.07。另外，本发明的切削刀具具备：从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和位于所述卡槽的上述的刀片。

附图说明

图1是表示本发明的刀片的一例的立体图。

图2是表示本发明的刀片的表面附近的剖面的放大概要图。

图3是表示本发明的切削刀具的一例的俯视图。

具体实施方式

＜刀片＞

以下，对于本发明的刀片，使用附图详细说明。但是，以下参照的各图，为了便于说明，只将实施方式在说明上必要的主要构件简略化表示。因此，本发明的刀片，能够具备所参照的各图中未展示的任意的结构构件。另外，各图中的构件的尺寸，并非忠实表达实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。这些方面在后述的切削刀具中也同样。

本发明的刀片1，如图1、2所示具有基体3。本发明的刀片1可以具备覆盖基体3的至少一部分的涂层5。

本发明的刀片1的形状，例如是四边形板状，图1中的上表面是所谓的前刀面。另外，与上表面相反具有下表面，在上表面与下表面之间具有分别与之相连的侧面。侧面至少一部分是所谓的后刀面。

本发明的刀片1，具有位于上表面与侧面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。换言之，就是具有位于前刀面与后刀面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。

在刀片1中，可以是前刀面的外周的整体成为刃口7，但刀片1不限定为这样的构成，例如，可以只在四边形的前刀面的一边上具有刃口7，或者部分性地具有刃口7。

刀片1的大小没有特别限定，例如，前刀面的一边的长度可设定为3～20mm左右。另外，刀片1的厚度，例如可设定为1～20mm左右。

本发明的刀片1的基体3包含金属陶瓷，所述金属陶瓷含有：含有包含Ti的碳氮化物的硬质相；含有Co的粘结相。金属陶瓷是所谓的TiCN基金属陶瓷。具体来说，作为金属陶瓷，除了TiCN以外，还可列举含有TiC或TiN等的。

本发明的刀片1的基体3含有Co_0.93W_0.07。由此，成为耐磨耗性、耐缺损性优异的刀片1。还有，Co_0.93W_0.07是由JCPDS卡的PDF：01－071－7509表示的结晶。

刀片1中所含的Co_0.93W_0.07的量，若为例如通过X射线衍射Co_0.93W_0.07不能确定程度的少量，则起不到效果。

本发明的刀片1，在X射线衍射的结晶相分析中，总结晶中所占的所述Co_0.93W_0.07的比例可以为5～10。另外，所述Co_0.93W_0.07的比例也可以为8～10。若像这样Co_0.93W_0.07的含量多，则基体3的耐磨耗性、耐缺损性高。

上述的Co_0.93W_0.07的比例，通过使用了X射线装置：PANalytical社制X’Pert Pro 2θ：10～100、分析软件RIETAN－FP的Rietveld法，计算出检测到的全部的结晶的比例中所占的Co_0.93W_0.07的比例。

另外，基体3可以含有以总量计为16～25质量％的Co、Ni和Fe。

另外，基体3中，由Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率可以为99.0质量％以上。该Co的含有率，若换言之，也能够表现为粘结相的Co的含有率。另外，Co的含有率可以为99.5质量％以上。该Co的含有率(质量％)，是测量刀片中所含的Co、Fe、Ni的质量，用Co的质量除以三者总量乘100倍的值。换句话说，也就是本发明的刀片1中包含的粘结相中的Fe和Ni的总量低于1质量％。若像这样使作为粘结相而发挥功能的金属大体上只有Co，则容易得到Co_0.93W_0.07在基体3中适度分散，耐磨耗性、耐缺损性高的基体3。粘结相只有Co时，例如，作为硬质相的原料粉末，平均粒径为1μm以下，也可以进一步在0.6μm以下。还有，基体3中所占的Co的含量，可以为16质量％以上。

另外，作为粘结相而含有Fe和Ni时，硬质相与粘结相的润湿性提高。

粘结相在基体3的截面中也可以占据5～25面积％的比例。粘结相中，除去不可避免的杂质以外，可以只由Co和W构成。粘结相含有Co和W以外的元素时，各个元素的含量可以在0.5质量％以下。

另外，本发明的刀片1，如图2所示，可以在基体3之上具有涂层5。若刀片1具有涂层5，则刀片1的耐磨耗性高。

另外，涂层5可以由CVD法或PVD法形成。涂层5，可以在靠近基体3的一侧具有例如含有TiN粒子的第一层5a。涂层5可以在比第一层5a距基体3更远的位置，具有含TiCN粒子的第二层5b，可以在比第二层5b距基体3更远的位置，具有含Al₂O₃粒子的第三层5c。

第一层5a具有多个TiN粒子时，在与基体3的表面垂直的截面中，TiN粒子的平行于基体3的表面的方向的厚度(以下，也称为TiN粒子的厚度)可以为5～20nm。若具有这样的构成，则第一层5a和基体3的密接性优异。另外，因为涂层5的粒子的厚度小，所以涂层5的耐磨耗性高。

还有，TiN粒子的厚度的测量，可以在距基体3的表面0.05μm的位置进行测量。另外，第一层5a的厚度为0.05μm以下时，可以在第一层5a的厚度的一半的位置测量TiN粒子的厚度。

另外，与所述基体3的表面垂直的方向的TiN粒子的高度相对于与基体3的表面平行的方向的TiN粒子的厚度之比(以下，也称为高宽比)，可以为1.0～1.7。若具有这样的构成，则第一层5a与基体3的密接力优异。

还有，TiN粒子的高宽比，可以对于从基体3的表面起至0.05μm的位置上存在的TiN粒子进行测量。

另外，第一层5a的厚度可以为0.1～1.0μm。若第一层5a的厚度为0.1μm以上，则抑制基体3中包含的粘结相成分向被膜扩散，耐缺损性优异。若第一层5a的厚度为1.0μm以下，则上层的第二层5b中包含的TiCN粒子变得微细，耐磨耗性优异。特别是第一层5a的厚度可以为0.3～0.7μm。

在图2所示的例子中，刀片1在基体3之上具有第一层5a。另外，刀片1在第一层5a之上具有第二层5b。第二层5b中包含TiCN粒子。TiCN粒子的热膨胀系数为8×10^-6/℃左右，若使基体3的热膨胀系数为9.0×10^-6/℃以上，则第二层5b的热膨胀系数小于基体3的热膨胀系数。第二层5b处于基体3与第三层5c之间，在抑制第三层5c剥落的同时，还抑制机械性磨损。

第三层5c中包含Al₂O₃粒子。Al₂O₃粒子的热膨胀系数为7.2×10^-6/℃左右，比基体3和第二层5b的热膨胀系数小。基体3与第二层5b可以直接接触，例如，也可以如图2的例所示，有第一层5a位于两者之间。此第一层5a，不需要只由纯粹的TiN粒子构成，例如，也可以含有O和C。另外，第二层5b和第三层5c可以直接接触，例如，也可以有TiN层(未图示)位于两者之间。

在具有这样的构成的刀片1中，通过调整基体3的热膨胀系数与第三层5c的厚度，能够对于第二层5b和第三层5c施加适度的压缩应力。例如，第三层5c的厚度为2μm以上。

而且，可以使施加于第二层5b的压缩应力为250～500MPa，施加于第三层5c的压缩应力为450MPa以上，使施加于第三层5c的压缩应力比施加于第二层5b的压缩应力的值大。若具有这样的构成，则刀片1其耐磨耗性和耐久性优异。

还有，施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力，可以例如基于使用了2D法的测量进行判断。具体来说，将后刀面的距刃口7离开1mm以上的部分作为测量位置，测量X射线衍射峰。关于由测量结果确定的晶体结构，能够通过确认测量结果中的2θ的值，相对于作为JCPDS卡所记述的标准的2θ的值如何偏离而求得。

在此，残余应力是负值时，残余应力是压缩应力。表示压缩应力的值时，不带负号，而是以绝对值表现。

若基体3的热膨胀系数大，则施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力的值处于变大的倾向。

若比较构成涂层5的第二层5b和第三层5c，则第三层5c处于远离基体3的位置。因此，使用本发明的刀片1加工被加工物时，第三层5c先于第二层5b与被加工物接触。第三层5c含有Al₂O₃粒子，具有2μm以上的厚度时，耐磨耗性、耐氧化性高。另外，第三层5c的厚度可以在2.5μm以上且8.0μm以下。具有这样的构成的刀片1，耐磨耗性和耐氧化性更优异。

若考虑第二层5b和第三层5c的功能，则第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和可以为7μm以上且18μm以下。另外，厚度之和也可以为8μm以上且16μm以下。

第二层5b，其厚度可以为5μm以上且10μm以下。若在这样的范围，则刀片1耐磨耗性和耐缺损性优异。

另外，第三层5c的厚度，相对于第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和，可以为0.2～0.4倍。这样构成的刀片1，耐磨耗性和耐缺损性优异。

另外，第三层5c，可以以沿着与基体3的主面垂直的方向的方式定向Al₂O₃结晶的C轴。若换种说法，就是含有α－Al₂O₃粒子，该α－Al₂O₃粒子可以成为相对于基体3的主面在垂直方向上延伸的柱状。

另外，在本发明的刀片1的基体3中，在表面也可以存在粘结相的比例比基体3的内部多的粘结相富化层。该粘结相富化层的厚度可以为1μm以上且10μm以下。

以下说明本发明的刀片的制造方法。

表1中显示在后述的实施例中使用的、成为刀片的基体的原料粉末的比例。各原料的平均粒径，全部用1μm以下的。

这些原料粉末，一般是在金属陶瓷的制造中使用的。本发明的刀片包含的Co_0.93W_0.07，是作为原料使用的Co和W在刀片的制造过程中反应而形成的。

在原料的调合时，通过调整所含有的C量，能够得到含有Co_0.93W_0.07的基体。原料中的C量，可以以调合组成比计为C/(硬质相)＝8.0～9.1。若使C/(硬质相)为9.1以下，则能够得到含有Co_0.93W_0.07的基体。若使C/(硬质相)为8.0以上，则能够抑制η相增加，因此能够抑制Co_0.93W_0.07相对减少。

还有，所谓原料中的C量，除了作为碳素而添加的C之外，例如，还包括各原料粉末中所包含的C。另外，所谓硬质相，是指刀片中能够作为硬质相存的，不包括例如Fe、Ni、Co和Mn、Mo的金属、氧化物和碳氧化物。

在这样的组成范围的原料粉末中添加粘结剂后，例如，通过冲压成形，整理成希望的形状，在除去粘结剂成分的脱脂工序之后，例如，在氮或真空气氛中，于1500～1550℃的温度区域烧成，从而得到致密质的基体。

还有，在脱脂工序中，真空中以200℃、300℃分别保持1小时，其后，升温至450℃，保持1小时。这时，在450℃的工序中，为了抑制作为原料而添加的C减少，使CO₂气达到1～5kPa的压力而将其导入脱脂炉。如此能够精密地控制C量。

基体在25～1000℃的热膨胀系数可以为9.0×10^-6以上。

接着，可以根据需要设置涂层。设置涂层时，例如，在基体的表面形成含有TiN粒子的第一层。再在第一层之上，形成含有TiCN粒子的第二层。再在第二层之上形成含有Al₂O₃粒子的第三层。第一层、第二层、第三层，可以由化学蒸镀(CVD)法形成。通过此CVD蒸镀法，成膜时的成膜温度越高，施加于所形成的膜的压缩应力越大。因此，可以根据需要调整成膜温度。

另外，在与基体的表面垂直的截面中，为了得到具有与基体的表面平行的方向的厚度低于20nm的微细的TiN粒子的第一层，可以使基体所包含的粘结相成分之中，Co的比率为99.9质量％以上。

第一层，例如可以按如下条件制膜：温度：800～900℃、压力8～20kPa、TiCl₄浓度：0.2～2.5mol％、N₂浓度：25.0～49.9mol％、H₂浓度40.0～74.8mol％。

另外，如上述，通过控制第二层、第三层的厚度，也能够控制施加于第二层、第三层的压缩应力。

先测量所制作的刀片的第二层、第三层的压缩应力，基于其结果，调整成膜温度和成膜时间，则能够制造具有希望的压缩应力的刀片。

＜切削刀具＞

接下来，对于本发明的切削刀具使用附图进行说明。

本发明的切削刀具101，如图3所示，例如是从第一端(图3中的上端)朝向第二端(图3中的下端)延伸的棒状体。切削刀具101，如图3所示，具备：在第一端侧(前端侧)具有卡槽103的刀柄105；和位于卡槽103的上述的刀片1。切削刀具101，因为具备刀片1，所以能够长期进行稳定的切削加工。

卡槽103是安装刀片1的部分，具有相对于刀柄105的下表面平行的支承面，和相对于支承面倾斜的限制侧面。另外，卡槽103在刀柄105的第一端侧开口。

刀片1位于卡槽103。这时，刀片1的下表面可以直接接触卡槽103，另外，在刀片1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。

刀片1以使前刀面和后刀面相交的棱线中作为刃口7被使用的部分的至少一部分从刀柄105向外方突出的方式被安装在刀柄105上。在本实施方式中，刀片1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即，在刀片1的贯通孔17中插入固定螺栓107，将该固定螺栓107的前端插入形成于卡槽103的螺丝孔(未图示)而使螺栓部之间拧紧，由此，刀片1被安装在刀柄105上。

作为刀柄105的材质，能够使用钢、铸铁等。在这些构件之中也可以使用韧性高的钢。

在本实施方式中，例示的是用于所谓的车削加工的切削刀具。作为车削加工，例如，可列举内径加工、外径加工、开槽加工和端面加工等。还有，作为切削刀具不限定用于车削加工。例如，用于滚削加工的切削刀具也可以使用上述的实施方式的刀片1。

实施例

以下，对于本发明的刀片进行说明。

基体以如下方式制作。使用表1所示的比例的原料粉末制作刀具形状的成形体，除去粘结剂成分后，烧成，制作基体。这些试料之中，试料No.1～14的基体是所谓的金属陶瓷。试料No.15的基体，是所谓的超硬合金。还有，在脱脂工序中，在真空中以200℃、300℃分别保持1小时，之后，升温至450℃，保持1小时。这时，在450℃的工序中，以3kPa的压力将CO₂气导入脱脂炉。

【表1】

【表2】

在该基体的表面，通过CVD蒸镀法，以表2所示的成膜条件形成第一层。再在第一层之上形成第二层。再在第二层之上形成第三层。

基体中有无Co_0.93W_0.07显示在表1中。在所得到的刀片的与基体的表面垂直的截面中，测量第一层中的与基体的表面平行的方向的TiN粒子的厚度和TiN粒子的高宽比。表2中显示其结果。还有，基体具有粘结相富化层。

所得到的刀片，按以下的条件，进行切削试验。

(耐磨耗性试验)

被切削材：SAPH440

切削速度：1000m/min

进刀：0.15mm/rev

进刀量：0.25mm

切削状态：湿式

评价方法：在切削了切削长度5.0km的时刻的后刀面磨耗厚度(μm)

(抗崩刃性试验)

被切削材：SAPH440 12条开槽(10mm厚度)

切削速度：1000m/min

进刀：0.15mm/rev

进刀量：0.25mm

切削状态：湿式

评价方法：至崩刃的冲击次数(次)

在得到的刀片的截面中，通过X射线衍射，确认有无Co_0.93W_0.07及其比例。该结果显示在表1中。另外，测量第一层中的TiN粒子的与基体的表面平行的方向的厚度。其结果显示在表2中。另外，在表2中，还显示TiN粒子的高宽比。

作为基体，使用了超硬合金的试料No.15，不含有Co_0.93W_0.07。

作为具备含有Co_0.93W_0.07的基体的刀片，即试料No.2～5、7～14，与没有Co_0.93W_0.07的试料No.1、6、15相比，显示出更优异的耐磨耗性、耐缺损性。

另外，在基体的基于X射线衍射的结晶相分析中，总结晶中所占的Co_0.93W_0.07的比例处于5～12的范围的试料No.3、8～13，显示出特别优异的耐磨耗性、耐缺损性。

另外，第一层的TiN粒子的厚度为20nm以下的试料，基体与第一层的密接性优异。另外，高宽比为1.0～1.7以下的试料，基体与第一层的密接性优异。

符号说明

1…刀片

3…基体

5…涂膜

5a…第一层

5b…第二层

5c…第三层

7…刃口

17…贯通孔

101…切削刀具

103…卡槽

105…刀柄

107…固定螺栓

Claims (13)

1.一种刀片，其具备包含金属陶瓷的基体，所述金属陶瓷含有：

含有含Ti的碳氮化物的硬质相；和

含有Co的粘结相，

所述基体含有Co_0.93W_0.07，

其中，在所述基体的基于X射线衍射的结晶相分析中，所述Co_0.93W_0.07在总结晶中所占的比例为5～12。

2.根据权利要求1所述的刀片，其中，所述基体中，含有以总量计为16质量％～25质量％的所述Co、Ni和Fe。

3.根据权利要求1所述的刀片，其中，所述基体中，根据Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率为99.0质量％以上。

4.根据权利要求2所述的刀片，其中，所述基体中，根据Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率为99.0质量％以上。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的刀片，其中，所述基体，在表面的至少一部分上具有涂层。

6.根据权利要求5所述的刀片，其中，所述涂层在基体侧具有第一层，所述第一层含有多个TiN粒子，所述TiN粒子，在与所述基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面平行的方向的厚度为20nm以下。

7.根据权利要求6所述的刀片，其中，所述TiN粒子，在与所述基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面垂直的方向的TiN粒子的高度相对于与所述基体的表面平行的方向的所述TiN粒子的厚度之比为1.0～1.7。

8.根据权利要求6所述的刀片，其中，所述涂层在与所述第一层相比距所述基体远的位置具有第二层，所述第二层含有TiCN粒子，在与该第二层相比距所述基体远的位置具有第三层，所述第三层含有Al₂O₃粒子。

9.根据权利要求8所述的刀片，其中，

所述基体，在25℃～1000℃下的热膨胀系数为9.0×10^-6/℃以上，

所述第二层的压缩应力为250MPa～500MPa，

所述第三层具有2μm以上的厚度，压缩应力为450MPa以上，与所述第二层相比压缩应力的值大。

10.根据权利要求8所述的刀片，其中，所述第三层的厚度为2.5μm以上且8.0μm以下。

11.根据权利要求8所述的刀片，其中，所述第二层的厚度为5μm以上且10μm以下。

12.根据权利要求8所述的刀片，其中，所述第三层的厚度在所述第二层的厚度与所述第三层的厚度之和的0.2倍～0.4倍的范围。

13.一种切削刀具，其具备：

从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和

位于所述卡槽的权利要求1～12中任一项所述的刀片。

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