CN101128610A - TiCN基金属陶瓷和切削工具以及使用了它的被切削物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种TiCN基金属陶瓷，以5～30质量％的由Co和/或Ni的结合金属构成的结合相来结合硬质粒子而成，所述硬质粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周边部所构成的有芯结构粒子构成，所述有芯结构粒子含有第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子，该第一有芯结构粒子其周边部含有所述结合金属，该第二有芯结构粒子其芯部和周边部含有所述结合金属，据此，TiCN基金属陶瓷耐热冲击性和耐欠损性优异。

Description

TiCN基金属陶瓷和切削工具以及使用了它的被切削物的制造方法
技术领域
本发明涉及适合切削工具构件和耐磨耗性工具构件等的具有韧性和硬度的TiCN基金属陶瓷、使用了该TiCN基金属陶瓷的切削工具，以及由该切削工具加工的被切削物的制造方法。
背景技术
作为切削工具构件和耐磨耗性工具构件用的合金有超硬合金(WC基烧结合金)，但是在钢铁切削中容易发生月牙洼磨损(crater wear)，为了对其加以改善而开发了金属陶瓷合金。作为金属陶瓷，虽然开发有以TiC为主成分的TiC基金属陶瓷，但是其韧性不充分，而添加了TiN的TiCN基金属陶瓷大多被实用化。
作为TiCN基金属陶瓷，已知是将对其机械的特性最有影响的硬质粒子作为由芯部和周边部构成的2重或3重的有芯结构粒子，由此能够提高硬度和韧性(例如，参照专利文献1、2)。
另外，在专利文献3中记述为，作为硬质粒子其芯部和周边部由周期表4b、5b和6b族金属(硬质金属)的碳氮化物等构成，且所述硬质金属的组成在芯部和/或周边部包含不同的多种有芯结构粒子，由此不会使耐磨耗性(切削阻抗)降低而能够提高耐欠损性(toughness)。
在专利文献4中记载有，通过使有芯结构粒子的硬质粒子内分散分布由Co和/或Ni的结合金属构成的超微粒合金粒子，由此烧结性得到改善，即使是结合相的含量很少的金属陶瓷也能够致密化。
然而，如上述专利文献1、2所述，现有的由有芯结构粒子构成的硬质粒子在机械的特性和切削性能的改良上存在局限，特别期望与表面具有硬质涂膜的WC基烧结合金相匹敌的耐热冲击性和耐久损性的提高。
另外，如专利文献3，即使存在芯部/周边部的组成不同的多种有芯结构粒子的情况下，因为作为有芯结构粒子的硬质粒子只由硬质金属的碳氮化物等构成，所以金属陶瓷的热传导差，不能高效率地释放因切削而在刃口上产生的热，其结果是刃口的温度上升，有耐热冲击性和耐欠损性降低这样的问题。
此外，如专利文献4，在使硬质粒子中分散分布结合金属的超微粒合金粒子的方法中，虽然金属陶瓷的烧结性得到改善，但是硬度低的结合金属作为粒子存在，加上本来结合相的含有比率就少而结合力低，因此烧结体的强度降低，另外，结合金属粒子有可能成为引起欠损和卷刃(chipping)的要因。
专利文献1：特开平2-254131号公报
专利文献2：特开平10-287946号公报
专利文献3：特开平3-170637号公报
专利文献4：特开平11-229086号公报
发明内容
本发明的课题是，提供一种耐热冲击性、耐欠损性和耐磨耗性优异的TiCN基金属陶瓷、使用了该TiCN基金属陶瓷的切削工具以及使用了它的被切削物的制造方法。
本发明者为了解决上述课题而反复锐意研究，其结果是发现如下这样的全新结论，从而完成本发明，即：在通过由Co和/或Ni的结合金属构成的结合相来结合硬质粒子，所述硬质粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周边部所构成的有芯结构粒子构成的TiCN基金属陶瓷中，所述有芯结构粒子含有第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子时，既能够将金属陶瓷的硬度和韧性维持得很高，且能够使耐热冲击性和耐欠损性提高，该第一有芯结构粒子其周边部含有所述结合金属，该第二有芯结构粒子其芯部和周边部含有所述结合金属。
即，本发明的TiCN基金属陶瓷，是以5～30质量％的由Co和/或Ni的结合金属构成的结合相结合硬质粒子而成，所述硬质粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周边部所构成的有芯结构粒子构成，所述有芯结构粒子含有第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子，该第一有芯结构粒子其周边部含有所述结合金属，该第二有芯结构粒子其芯部和周边部含有所述结合金属。
根据本发明的TiCN基金属陶瓷，硬质粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周边部所构成的有芯结构粒子构成，因为该有芯结构粒子是使只在周边部含有结合金属的第一有芯结构粒子和使芯部及周边部都含有结合金属的第二有芯结构粒子这两种有芯结构粒子共存，所以既能够高度维持硬质粒子的硬度和韧性，且能够提高提高热传导效率，其结果是能够很快散发局部发生的热量，具有能够使陶瓷金属的耐冲击性和耐欠损性提高这样效果。
附图说明
图1(a)是显示本发明的一实施方式的TiCN基陶瓷金属的剖面组织的透射型电子显微镜(TEM)的放大图像，(b)是显示在(a)中的第一有芯结构粒子的放大图像。
图2是表示本发明的一实施方式的切削工具的概略说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对于本发明的一实施方式的TiCN基金属陶瓷(以下仅简称为金属陶瓷)进行详细地说明。图1(a)是显示本实施方式的金属陶瓷任意处所下的剖面组织的透射型电子显微镜(TEM)的放大图像，(b)是显示(a)中的第一有芯结构粒子的放大图像。
如图1(a)所示，本实施方式的金属陶瓷1由结合相2结合硬质粒子3而成。结合相2由Co和/或Ni的结合金属构成，相对于金属陶瓷1总量以5～30质量％结合有硬质粒子3。相对于此，若结合相2的含量比5质量％少，则韧性显著降低，因此耐欠损性降低，若超过30质量％比，则金属陶瓷1的耐磨耗性和耐塑性变形性降低。
另外，用显微镜进行剖面组织观察时，即如图1(a)所示，硬质粒子3的一部分由含有TiCN的芯部4和周边部5所构成的有芯结构粒子6构成。作为这样的有芯结构粒子6的硬质粒子3具有粒成长控制效果，因此金属陶瓷1成为微细均一的组织。另外，因为与结合相2的润湿性也优异，所以有助于金属陶瓷1的高强度化。
这里，如图1(a)、(b)所示，有芯结构粒子6包含第一有芯结构粒子6a和第二有芯结构粒子6b，该第一有芯结构粒子6a其周边部5a含有所述结合金属(Co和/或Ni)，该第二有芯结构粒子6b其芯部4b和周边部5b含有所述结合金属。若有芯结构粒子6包含这样两种有芯结构粒子6a、6b，则既能够高度维持硬质粒子3的硬度和韧性，且能够提高热传导效率，因此能够快速释放局部发生的热量，其结果是金属陶瓷1的耐热冲击性和耐欠损性提高。
另一方面，若有芯结构粒子6不含规定的有芯结构粒子6a、6b双方，则不能够快速释放局部发生的所述热量，同时金属陶瓷1的韧性不充分，或者金属陶瓷1的硬度降低，因此不能提高金属陶瓷1的耐热冲击性、耐欠损性和耐磨耗性提高。因此，将金属陶瓷1应用于例如后述的切削工具时，工具寿命变短。
所谓有芯结构粒子6包含第一有芯结构粒子6a和第二有芯结构粒子6b，意思是在有芯结构粒子6中，这两种有芯结构粒子6a、6b各自独立存在(共存)。关于有芯结构粒子6a、6b是否存在及其组成，例如后述，能够利用透射型电子显微镜(TEM)进行剖面组织观察，通过能量分散型X射线光谱分析(EDS)进行测定。
特别优选的是，第一有芯结构粒子6a由TiCN构成的芯部4a和周边部5a构成，该周边部5a是由Ti和从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的复合碳氮化物以及所述结合金属构成，第二有芯结构粒子6b由TiCN和所述结合金属所构成的芯部4b和周边部5b构成，该周边部5b是由Ti和从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的复合碳氮化物以及所述结合金属构成。若有芯结构粒子6a、6b如此构成，则金属陶瓷1的耐热冲击性、耐欠损性和耐磨耗性进一步提高。
第一有芯结构粒子6a的存在比例p1和第二有芯结构粒子6b的存在比例p2的比率p1/(p1+p2)优选为0.3～0.7。据此，能够同时将金属陶瓷1的硬度和韧性维持得很高。
硬质粒子3的平均粒径优选为1.5μm以下。据此，能够提高金属陶瓷1的硬度。作为所述平均粒径的下限值，在抑制极端的微粒造成的耐欠损性降低的基础上，可以为0.4μm以上。所述平均粒径是在金属陶瓷1的显微镜下的剖面组织观察中，根据LUZEX图像分析法测定硬质粒子3所得到的值。
在第二有芯结构粒子6b的芯部4b中，优选含有Ti的比例为94～99.5质量％，含有Co和/或Ni的比例以总量计为0.5～6质量％。据此，既能够将金属陶瓷1维持为高硬度，又能够提高耐热冲击性。还有，Ti、Co和Ni的含量是作金属元素的值。
另外，在第一有芯结构粒子6a和第二有芯结构粒子6b的周边部5a、5b中，优选含有Ti的比例为40～80质量％，含有从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的比例以总量计为15～59质量％，含有Co和/或Ni的比例以总量计为1～5质量％。据此，金属陶瓷1为高韧性，且能够提高耐热冲击性和耐欠损性。还有，同上述Ti、Ta、Nb、W、Zr、Mo、Co及Ni的含量是作为金属元素的值。
关于上述的芯部4a、4b，周边部5a、5b的组成和组成比，与上述相同，能够用透射型电子显微镜(TEM)进行剖面组织观察，根据能量分散型X射线光谱分析(EDS)测定。
还有，在用显微镜进行剖面观察时，除第一有芯结构粒子6a、第二有芯结构粒子6b以外，非有芯结构粒子也可以相对于硬质粒子3总体，以30面积％以下比例存在。另外，如果平均粒径为50nm以下，则在有芯结构粒子6内也可以另行存在结合金属的凝集部。
陶瓷金属1中的碳量，在达成硬度、耐热冲击性和良好的表面状态的这些点上，优选为6～9质量％，特别优选6.5～7.5质量％。
(制造方法)
接下来，对于上述说明的金属陶瓷1的制造方法进行说明。首先，调配并混合原料粉末。具体来说，作为所述原料粉末优选使用通常的TiCN粉末和预先就含有Co和/或Ni的结合金属的TiCN-Co/Ni掺杂粉末双方。调整混合粉末，其中该混合粉末混合有含有W、Mo、Ta、V和Nb之中的1种以上的金属元素的碳化物粉末、氮化物粉末、碳氮化物粉末的至少1种，Co和/或Ni粉末。
这时，关于各原料粉末基于粒度分布测定法(Microtrac)的平均粒径，通常优选TiCN粉末为2μm以下，特别优选为0.05～1.5μm，且TiCN-Co/Ni掺杂粉末为2μm以下，特别优选为0.05～1.5μm，这是基于能够很好再现并制作上述2种有芯结构粒子6a、6b这一要点。
此外，优选Co粉末和/或Ni粉末的平均粒径为2μm以下，特别优选为0.05～1.5μm，这是为了提高金属陶瓷1的烧结性。作为结合金属原料粉末，优选使用以规定的比率含有Co和Ni的固溶体粉末，这是出于进步提高烧结性的观点。还有，其他的原料粉末的平均粒径优选为0.05～3μm。
然后，在该混合粉末中添加粘合剂，根据挤压成形、挤出成形、注射模塑成形等公知的成形方法成形为规定形状并烧成。作为此烧成的条件，优选在例如以下(a)～(d)的条件下烧成。即，(a)从第一烧成温度至1300℃以0.1℃/分钟～3℃/分钟升温，接着(b)在氮分压0～1350Pa的气氛下从1300℃至1400～1600℃的第二烧成温度以5℃/分钟～15℃/分钟升温，(c)保持，(d)降温。若在该(a)～(d)的条件下进行烧成，则能够使上述规定的形状、尺寸和密度的TiC微粒子在硬质粒子3中析出、分散，因此能够高效率获得金属陶瓷1。
(切削工具)
上述说明的本实施方式的金属陶瓷1，发挥出耐热冲击性和耐欠损性优异的效果，可以应用到例如切削工具、掘削工具、刃具等的工具等的各种用途，但是特别在作为切削工具使用时，更能够发挥出上述优异的效果。
作为所述切削工具，例如图2所示，优选的是由金属陶瓷1构成，使在前面21和后面22的交叉脊线部所形成的刃口23触碰被切削物而用于进行切削加工的切削工具20。若使该切削工具20的刃口23触碰例如铁和铝等的金属和耐热合金等而进行切削加工，则能够作为工具寿命长的切削工具来使用。特别是即使在高硬度淬火钢等的难切削材的加工中，仍发挥出优异的切削性能。
还有，即使将金属陶瓷1用于切削工具以外的其他用途，例如金属模和轧辊、锻模、导轨等的耐磨耗性构件、托板、轴承等时，仍具有优异的机械可靠性。
以下，列举实施例更详细地说明本发明，但本发明并不受以下的实施例限定。
[实施例]
准备表1所示的平均粒径的TiCN粉末、TiCN-10质量％Co掺杂粉末、TiN粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、WC粉末、Ni粉末、Co粉末、Ni和Co的固溶体粉末，将它们调配成如表1所示的成分组成。
接着，使用不锈钢制的球磨机和超硬球，以异丙醇(isopropyl alcohol)对上述调配物进行湿式混合，并添加3质量％的石蜡(paraffin)进行混合。然后，将该混合粉末以200MPa挤压成形为CNMG120408的不重磨刀片(throw away chip)形状后，以表1所示的条件进行烧成而得到烧结体(表1中的试料No.1～10)。
还有，关于表1中的试料No.5，作为Co和Ni源，采用由Ni：5质量％和Co：6.5质量％的比例构成的固溶体粉末，和Ni粉末5质量％的双方。
[表1]
  试料No.   组成(质重％)其中，()是以固溶体添加的比率(原料粉末的平均粒径(μm))   烧成条件
  第1烧成温度(℃)   升温速度I1)   第2烧成温度(℃)   升温速度I2)
TiCN   TiCN+10质量％Co TiN TaC NbC WC ZrC VC Ni Co
1   22.5   25   13 - -   20   3 -   7(7)   9.5(9.5) 1000 0.3 1500 10
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (1.0)   (2.5)   (1.0)
2   11   10   35   5   10   7   3 -   10(10)   9(9) 900 0.3 1450 13
  (1.5)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (2.5)   (1.0)
3   11   10   30   9   10   13 - -   3(3)   14(14) 1000 0.5 1550 8
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (1.0)
4   22   20   20 - -   20   2 -   8(8)   8(8) 1100 1 1570 5
  (0.7)   (0.7)   (2.0)   (1.0)   (2.5)   (1.0)
  5   16.5   15   30 -   20 - -   2   10(5)   6.5(6.5)   850   2   1525   8
(0.7) (1.0) (2.0) (2.0) (1.0)   (1.5(Ni))(1.0(Co/Ni))
6   17   20   20   -   5   20 - -   10   8 950 2.5 1530 12
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (1.5)   (1.0)
7   26.5   15   12   10   10   10 - -   8   8.5 1050 3 1600 7
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (1.5)   (1.0)
*8   30 -   30   5   10   10 -   2   6   7 1200 0.2 1500 6
  (0.7)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (1.0)   (1.5)   (1.0)
*9   15   10   30   10   5   15   3 -   6   6 - - 1600 3
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (2.5)   (1.5)   (1.0)
*10   10   10   25   20   5   5   3   5   7   10 1000 5 1450 16
  (0.7)   (1.0)   (2.0)   (2.0)   (2.0)   (1.0)   (2.5)   (1.0)   (1.5)   (1.0)
*标表示本发明范围之外的试料。
1)升温速度I：从第1烧成温度到1300℃的升温速度(℃/分钟)。
2)升温速度II：从1300℃到第2烧成温度的升温速度(℃/分钟)。
用金刚石磨石加工得到的烧结体表面，按下述条件评价评价切削性能。另外，对于各试料进行透射型电子显微镜(TEM)观察，通过能量分散型X射线光谱分析(EDS)对于有芯结构粒子进行观察，确认第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子是否存在，及其芯部和周边部的组成比。这些结果显示在表2中。
此外，使用得到的不重磨刀片，按以下的切削条件进行切削加工，廉价作为切削工具的性能。
(切削条件)
切削速度：300m/分
进给量：0.25～0.40mm/rev(+0.05mm/rev)
切深：2.0mm
被切削材：SCM4355mm×4个槽
切削时间：60秒(各进给量的切削时间)
切削状态：湿式(乳状液(emulsion))
[表2]
  试料No.   硬质粒子中的组成(质量％)   切削寿命(秒)
  第一有芯结构粒子   第二有芯结构粒子
  有无   周边部组成   有无   芯部   周边部组成
Ti Co+Ni 复合碳氮化物的构成金属元素 Ti Co+Ni Ti Co+Ni   复合碳氮化物的构成金属元素
  1   有   60   2 W35，Zr3   有   98.5   1.5   65   2   W31，Zr2   295
  2   有   46.5   1.5 Nb20，W15，Ta10，Zr7   有   97.4   2.6   47   2   Nb20，W15，Ta12，Zr4   216
  3   有   51   1 W20，Nb15，Ta13   有   98.2   1.8   55   1   W17，Nb15，Ta12   223
  4   有   63   2 W32，Zr3   有   98.3   1.7   65.8   2.2   W30，Zr2   292
  5   有   65.8   1.2 Nb30，V3   有   97.5   2.5   63.1   1.4   Nb32，V3.5   215
  6   有   69.9   2.1 W20，Nb8   有   97.9   2.1   66   2.3   W26.7，Nb5   210
  7   有   47.2   1.8 W15，Nb18，Ta18   有   98.2   1.8   49.5   1.5   W16，Nb22，Ta11   145
  *8   有   46   1 W18，Nb22，Ta10，V3   无                                    -   53
  *9   无                      -   有   94.1   5.9   40.2   1.8   W30，Nb15，Ta13   44
  *10   无                      -   有   93.8   6.2   51.5   1.5   Ta20，Nb10，W5，Zr5，V7 42
*标表示本发明范围之外的试料。
如表2所表明的可知，在以规定条件进行烧成并作为硬质粒子确认到2种有芯结构粒子，即第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子的试料No.1～7中，相对于作为比较的试料No.8～10，其切削寿命长。
另外，用试料No.1～7的不重磨刀片加工的被切削材(SCM435)的加工面为有光泽的平滑的加工面，即能够进行稳定的切削加工。相对于此，用试料No.8～10的不重磨刀片加工的被切削材的加工面白浊而没有光泽。

Claims (8)

1.一种TiCN基金属陶瓷，其以5～30质量％的由Co和/或Ni的结合金属构成的结合相结合硬质粒子而成，所述硬质粒子的一部分由有芯结构粒子构成，该有芯结构粒子由含有TiCN的芯部和周边部构成，其中，所述有芯结构粒子包括：第一有芯结构粒子，其周边部含有所述结合金属；第二有芯结构粒子，其芯部和周边部含有所述结合金属。
2.根据权利要求1所述的TiCN基金属陶瓷，其中，所述第一有芯结构粒子由芯部和周边部构成，该芯部由TiCN构成，该周边部由Ti和从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的复合碳氮化物以及所述结合金属构成，
所述第二有芯结构粒子由芯部和周边部构成，该芯部由TiCN和所述结合金属构成，该周边部由Ti和从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的复合碳氮化物以及所述结合金属构成。
3.根据权利要求1所述的TiCN基金属陶瓷，其中，所述第一有芯结构粒子的存在比例p1和所述第二有芯结构粒子的存在比例p2的比率p1/(p1+p2)为0.3～0.7。
4.根据权利要求1所述的TiCN基金属陶瓷，其中，所述硬质粒子的平均粒径为1.5μm以下。
5.根据权利要求2所述的TiCN基金属陶瓷，其中，在所述第二有芯结构粒子的芯部中，含有Ti的比例为94～99.5质量％，含有Co和/或Ni的比例以总量计为0.5～6质量％。
6.根据权利要求2所述的TiCN基金属陶瓷，其中，在所述第一有芯结构粒子和第二有芯结构粒子的周边部，含有Ti的比例为40～80质量％，含有从Ta、Nb、W、Zr及Mo中选择的至少1种的比例以总量计为15～59质量％，含有Co和/或Ni的比例以总量计为1～5质量％。
7.一种切削工具，其由权利要求1所述的TiCN基金属陶瓷构成，用于使在前面和后面的交叉脊线部形成的刃口与被切削物接触而进行的切削加工。
8.一种切削物的制造方法，其中，使权利要求7所述的切削工具的所述刃口与切削物接触而进行切削加工。
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