CN101646793A - 超硬材料以及工具 - Google Patents

Abstract

超硬合金是具有硬度和高韧性的材料。为了发挥超硬合金的性能，向其中添加了各种微量元素。其中的一种为碳化钒(VC)。但是，由于粉碎后的碳化物原料的粒径大，无法实现使产品中的特性均匀地提高。将滚刀等工具用原材料中一种构成材料由碳化物替换成氧化物三氧化钒(V₂O₃)。由于氧化钒与碳化钒相比较为柔软，因此在配制原料时在采用球磨机进行混合的步骤中容易进行微粒化。由此，通过在原料中均匀分散的三氧化钒的效果，烧制后的超硬合金的硬度提高。

Description

超硬材料以及工具

技术领域

本发明涉及适合作为工具用原材料的超硬材料。

背景技术

工具，要求同时具有耐磨损性以及高韧性。其中的代表性产品滚刀，以往是用高速钢制成的，但有转向利用耐磨损性优异的超硬合金的趋势。但是，对于面向占超硬合金需求的大半的不重磨刀片的材料而言，具有适合利用滚刀进行加工的韧性的材料种类较少。

例如，作为滚刀用超硬材料，公开了一种由WC-βt-Co类的超硬合金制成的材料(例如，参照专利文献1)。

此外，作为强度和韧性都优异的硬质合金，提出了减小碳化钨(WC)的粒径而得到的超微粒硬质合金、以及在添加第二硬质物质等而得到的硬质合金。例如，作为碳化钨(WC)以外的硬质物质，公开了使用一种平均粒径在3μm以下，优选为1μm的碳化钒(VC)。如现有超硬合金中所公知的那样，此时的VC是为了改善硬度、耐腐蚀性、耐氧化性以及强度等目的而添加的，且不会对工具制造工艺中必要的烧结性产生阻碍(例如，参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2001-20029号公报

专利文献2：日本特开平7-138690号公报

发明内容

但是，近年来，已经促进了碳化钨(WC)的超微粒化，例如，已经可以将碳化钨超微粒化到0.2μm左右。通过这样的超微粒化，可以使碳化钒(VC)细细地分散在组织内，从而可以使由于磨损而导致的碳化钒(VC)粒子的脱落减小到最小值，由此可以改善产品的安全性和耐久性。但是，对于硬质合金的超微粒化而言，由于硬质材料的比表面积增大，因此一方面会产生烧结性不足，在容易受到间断切削等的冲击的使用条件下，硬质合金的粒子容易脱落，即容易产生碎屑(chipping)。

另一方面，在上述超硬材料领域中，已知碳化钒(VC)是一种可以维持超硬合金的高硬度且同时使耐热性提高的有效的添加剂。但是，对于VC而言，通过粉碎能够实现的微粒化的粒径，目前局限在2～3μm左右。因此，在以超微粒化后的WC为主成分的超硬材料的情况下，例如添加0.5％左右的VC粒子，由于其比WC的粒径大10倍左右，因此VC粒子在超硬材料粒子中的分散和分布不均匀。

如上所述，利用VC作为添加剂的以往的超硬材料，由于粒径大的VC难以均匀分散，因此烧结性差，产品的硬度产生波动，从而导致产品的稳定性欠缺这样的问题。

此外，对于以往的使用VC的超硬材料，还指出其存在以下问题：由于添加的VC的粒径不能变细，因此在材料中的分布个数减少，在切削性能方面容易产生不均。

本发明就是鉴于上述事实而进行的，其目的在于提供一种超合金材料及工具，所述超合金材料不会在产品硬度方面产生不均，其稳定性和耐久性增强，在间断切削和连续切削两种情况下都兼具耐磨损性和耐久性。

为了解决上述的问题，本发明采用了如下方案。

本发明涉及的超硬材料是作为滚刀等的工具用原材料的超硬材料，其特征在于，含有三氧化钒(V₂O₃)作为构成原料之一。

对于上述的超硬材料，由于使用三氧化钒(V2O3)作为构成原料之一，因此可以使三氧化钒(V₂O₃)均匀分散在超硬材料中。即，由于发现了三氧化钒(V₂O₃)容易粉碎为微粒，因此其在超硬材料中的均匀分散成为可能。

此外，在使用了超硬质合金球头的所有原料在球磨机中混合时，柔软的三氧化钒(V₂O₃)容易变形而均匀分散。

本发明涉及的超硬材料是作为滚刀等的工具用原材料的超硬材料，其特征在于，含有85～95重量％的硬质粒子、5～15重量％的Co或Ni、三氧化钒(V₂O₃)以及不可避免的杂质。

上述中的硬质粒子是例如WC、TiC、TiN、TaC等。

在上述超硬材料中，通过采用三氧化钒(V₂O₃)，且三氧化钒(V₂O₃)被均匀分散在超硬材料中，从而使成型、烧结而得到的烧结体的气孔率减少。即，通过提高烧结性而使硬度提高，且在间断切削等的容易受冲击的使用条件下，也可以防止碎屑，从而可以确认在工具的可靠性和寿命延长方面具有显著的效果。

此外，本发明对于三氧化钒的添加量没有限制，即使添加1重量％以下也可以得到充分的改善烧结性的效果，也能够提高作为工具的性能。三氧化钒优选的添加量为0.5重量％左右。

另外，在使用了超硬合金球头的所有原料在球磨机中混合时，金属Co、Ni、以及柔软的三氧化钒(V₂O₃)容易变形而均匀分散。

本发明涉及的工具的特征在于，使权利要求1或2中所述的超硬材料成型，并在非活性气体或者真空气氛中烧制而制造。

此外，对于上述的工具，在烧制后通过对所述工具实施热气静水压机处理，可以去除烧结体的内在缺陷，实现进一步的高强度化，并改善烧结性。

根据上述的本发明，通过使作为构成材料之一的V₂O₃均匀分散在超硬材料中，可以提高使用超硬材料的产品在制造时的烧结性，同时可以使产品的硬度稳定。因此，使用本发明的超硬材料制造的产品，例如滚刀等工具，其不存在硬度不均，且稳定性和耐久性增强。

即，由于三氧化钒的均匀分散，可以使得成型、烧结时的烧结性得到改善，硬度提高从而大幅度提高切削性和耐磨损性。此外，对于在添加VC时存在的切削性不均的问题(间断、连续切削的稳定性)，也可以因三氧化钒的均匀分散而大幅度改善。

附图说明

图1是示出本发明的超硬材料的组织的示意图。

图2是示出以往的超硬材料成型后的组织状态的示意图。

图3是使用超硬材料制造超硬合金(工具)的实验流程图。

图4是示出实验结果的表的图。

图5是示出切削试验结果的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的超硬材料及工具的一个实施方式进行说明。

图1是示出本发明的超硬材料成型后的状态的示意图，图2是示出以往的超硬材料成型后的状态的示意图。

图1所示的超硬材料是作为滚刀等的工具用原材料的超硬材料，所述材料含有85～95重量％的粒径在0.3～5μm范围内的WC、5～15重量％的Co或Ni、1重量％以下的三氧化钒(V₂O₃)、以及不可避免的杂质。需要说明的是，在超硬材料中，存在从构成材料中混入的微量的C，因此从防止烧制时的氧化的观点来看，优选有意地添加0.2～0.5重量％的C。

另一方面，在图2所示的超硬材料中，使用了粒径大的碳化钒(VC)代替V₂O₃。

即，如图1所示，本发明的超硬材料具有如下特征：通过使用柔软且易于被粉碎的三氧化钒，使得在粒径处于0.3～5μm范围内的超微粒WC之间含有三氧化钒(V₂O₃)。

上述V₂O₃由于易于粉碎形成微粒，因此可以在以粒径小到0.3～5μm的超微粒WC为主成分的超硬材料中均匀分散。

对于上述均匀分散有V₂O₃的超硬材料而言，可以通过提高烧结性使气孔消失，并可以通过提高平均硬度而得到稳定的硬度，从而提高了使用这样的超硬材料的滚刀等工具(产品)的切削性能及稳定性。

如上所述，虽然VC对于改善超硬合金在高温下的强度和坚固度是有效的，但由于通过粉碎进行微粒化后的碳化原料并不是微细的，由于分布不均匀，因此在以超微粒为原料的超硬合金中特别难以产生效果。

此外，五氧化钒作为通常已知的钒氧化物，其熔点为690℃。因此，该五氧化钒在烧制前就全部熔化，无法烧制成型。

与此相反，V₂O₃的熔点为1970℃，因此即使在超硬合金制造的最高温度1400℃下也不会熔化。此外，V₂O₃也不会溶解在溶剂中，是稳定的，因此在配制超硬合金原料时，V₂O₃容易被粉碎而均匀分布，从而改善烧结性，使得硬度提高。

因此，如果采用V₂O₃作为超硬材料的构成材料之一，则可以在更加超微粒化的WC原料中使V均匀分散，使用该超硬材料进行成型、真空烧制后，实施热气静水压机处理而制成的滚刀等工具，其刀尖的耐久性提高。

为了确认上述V₂O₃的作用效果，进行了以下的实验。

<实验方法>

超硬合金是通过如下方法制成的，即，向以WC(碳化钨)为主体的硬质粉末中添加金属粉末Co(钴)，得到超硬材料，并将所述超硬材料进行烧结而得到。

其制造方法如图3所示，按照先后顺序由以下的步骤构成：原料计量步骤P1、球磨机混合步骤P2、干燥步骤P3、研钵破碎步骤P4、真空烧制(80℃)步骤P5以及HIP(热气静水压机)处理步骤P6。

在最初的原料计量步骤P1中，按照指定的配比(重量％)对原料进行计量。其中使用的原料的种类为WC、Co、VC或者V₂O₃、C。在本次的实验中，如图4所示，使用下述多种类的原料：WC为87.7重量％、90重量％以及94重量％，C为0.3重量％，Co为11.5重量％、8重量％以及6重量％。

接下来在球磨机混合步骤P2中，向釜(ポツト)中添加如下物质：计量后的原料、作为分散剂的乙醇、用来使整形后的保形性良好的有机粘合剂(PVP)、以及作为粉碎介质的超硬合金球头，通过球磨机对上述物质进行混合并进行均匀化。上述采用球磨机进行的混合使用直径9.5mm的超硬合金球头、在70rpm的转速下持续旋转1星期。

在接下来的干燥步骤P3中，将上述得到的混合原料在80℃的气氛中进行干燥。

在研钵破碎步骤P4中，干燥后的原料用研钵进行破碎来造粒。需要说明的是，上述的干燥、造粒是实验室级的方法，在工业应用中使用喷雾干燥器。

在接下来的真空烧制步骤P5中，将造粒后的原料在模具或CIP(冷气静水压)下成型为指定形状的成型体(刀片试验片(チツプ試験片))。然后，将上述成型体放入真空脱脂炉，在真空中、750℃下脱脂3小时，形成粉笔程度的强度的预烧体。在本次的实验中，为了使成型体的尺寸形状在烧制后达到尺寸为大致矩形的截面形状(15mm×15mm)，使用模具压床(金型プレス)进行成型。

烧制时使用真空烧制炉，在1350℃下实施1个小时的真空烧制。在本次实验中，炉内温度上升到1350℃为止大约需要3个小时，此后保持这样的烧制温度1个小时，然后使真空烧制炉冷却。

最后，在HIP处理步骤P6中，通过进行高温高压处理，去除烧结体的内在缺陷，进行进一步的高强度化。即，在真空烧制后的阶段中，由于烧制体中残留细微的气孔使得其物性降低，因此将所述烧制体在氩气中进行HIP处理。需要说明的是，本次实验中的HIP处理的条件如下所述。

·炉内温度：第一次为1000℃，第二次为1180℃

·炉内压力：98MPa

·保持时间：1小时

该实验的目的是为了将使用V₂O₃作为添加剂的超硬合金的特性与使用作为超微粒超硬合金的特征元素的VC而得到的超硬合金的特性进行比较。

即，虽然以微粒的形式添加VC可以提高切削性，但由于是碳化物，因此存在较硬且难以将其均匀分散这样的问题。因此，本实验中，对于作为替代VC的钒氧化物的V2O3(其在已有的多种材料中熔点高且在预烧阶段不会熔化)，确认到其作为添加剂的有效性。

此外，由于V₂O₃与碳化物不同，较为柔软，采用球磨机配制粉末体时可以均匀分散。

在此，将本实验的结果示于图4和图5中。

图4示出了本发明涉及的6种超硬材料(样品No.1～6)的配比和烧制体的特性。

本实验中，使用粒径不同的3种(0.1μm、0.5μm和2.0μm)WC试作了超硬材料的样品。这些试作材料中，由于粒径细的WC的比表面积增大，因此粒径越大，越是调整减少Co的量。

此外，本实验的试作材料中，对每种粒径的WC，都准备了有无V₂O₃的不同的材料。此外，在WC的粒径为0.1μm的试作材料中，还准备了添加VC来代替V₂O₃的材料(样品No.1)。另外，各试作材料的烧制条件以及HIP处理条件相同。

即，样品No.1和样品No.2是为了比较用来改善切削性、耐久性而通常使用的添加VC与本发明的添加V₂O₃的效果而制作的样品。此外，从样品No.3到样品No.6，是为了比较V₂O₃的有无对粒径大的WC粉末原料的影响而制作的样品。

根据图4的结果可知，不管WC的粒径如何，添加V₂O₃使得烧制体的硬度提高。

图5是对图4所示的试作材料切成滚刀形状的试验片的切削试验的结果，是通过显微镜对切削试验后的刀尖侧面(退刀槽面)进行观察而得到的结果。

滚刀工具是在齿轮等的齿轮加工中使用的工具。在上述切削试验中，使用不同的试作材料，准备了将刀尖切成三角形的单刃试验片T1～T3。单刃试验片T1～T3与切出的加工成齿轮状的工具即滚刀的一个齿的形状相同，所述加工成齿轮状的滚刀是为了切削在传动装置中使用的圆筒齿轮，由于具有上述这样的形状，因此被称为“单刃试验片”。

在此，使用不同试作材料的单刃试验片T1～T3，用每一个单刃试验片实施1次切削试验(合计3次)，所述切削试验为从圆杆上连续切出螺旋状的槽。此外，本试验中，单刃试验片T1为市售的材料，单刃试验片T2为添加了VC的样品No.1，单刃试验片T3为添加了V₂O₃的样品No.4。

然后，针对于各单刃试验片T1～T3，用显微镜观察切削试验后的刀尖状况。从观察结果可以明确，采用市售的材料时，在其被称为退刀槽面的刀尖上产生了比较大的碎屑P。与此相反，采用添加了VC的样品No.1时，碎屑p的粒径变小，同时数量也减少。此外，在本申请发明对应的样品No.4中，由于添加了三氧化钒(V₂O₃)，虽然侧面稍微变粗糙，但是完全没有刀尖的碎屑。

如上所述，根据本发明，可以使三氧化钒(V₂O₃)均匀分散在超硬材料中，因此可以提高利用超硬材料的产品在制造时的烧结性，从而可以使产品的硬度稳定。因此，使用本发明的超硬材料制成的滚刀等工具，没有硬度的不均，稳定性和耐久性增强。

需要说明的是，本发明并不仅限于上述实施方式，只要在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行适当的变化。

Claims (3)

1.一种超硬材料，该超硬材料为滚刀等工具用原材料，其中，含有三氧化钒(V₂O₃)作为构成原料之一。

2.一种超硬材料，该超硬材料为滚刀等工具用原材料，其含有：

85～95重量％的硬质粒子、

5～15重量％的Co或Ni、

三氧化钒(V₂O₃)、和

不可避免的杂质。

3.一种工具，其是将权利要求1或2所述的超硬材料成型，并在非活性气体或者真空气氛中烧制而制造的。

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