CN102198519A

CN102198519A - 表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN102198519A
Application number: CN2011100486942A
Authority: CN
Inventors: 西山满康; 高冈秀充; 冈田义一; 佐伯卓司
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP5447845B2; CN102198519B; JP2011200986A

Abstract

本发明提供一种表面包覆切削工具，在钎焊接合工具基体和硬质合金母材的表面包覆切削工具中，防止钎焊部的破损。用钎焊部的钎料接合由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体和硬质合金母材，并且，通过物理蒸镀在工具基体与硬质合金母材的表面形成硬质膜的表面包覆切削工具中，将暴露在钎焊部表面的钎料的整个表面积设为A，将暴露在该表面的钎料中与硬质膜接触的钎料的整个表面积设为B时，通过将B/A设为0.05≤B/A≤0.8，从而缓和产生在硬质膜与钎焊部之间的应力，并防止裂纹的产生、龟裂的进展。

Description

表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种用钎焊将构成刀刃的立方晶氮化硼(以下以cBN表示)基超高压烧结材料(以下以cBN烧结材料表示)接合在硬质合金母材，并且，通过物理蒸镀在cBN烧结材料与硬质合金母材的表面形成硬质包覆层的表面包覆切削工具(以下称为cBN包覆工具)。

背景技术

以往，公知有在钢、铸铁等铁类被切削材料的切削加工中将cBN烧结材料作为与被切削材料的亲和性低的工具材料来利用，并也广泛公知有从耐磨性的提高、工具寿命的改善等观点考虑，通过物理蒸镀在工具表面形成硬质包覆层的cBN包覆工具。

例如，如专利文献1所示，公知有在cBN烧结材料的表面形成4a族金属氮化物、碳氮化物等硬质薄膜层的高温耐塑性变形性、耐磨性、耐缺损性优异的cBN包覆工具。

并且，如专利文献2所示，也公知有耐磨性、耐缺损性优异的cBN包覆工具，该包覆工具在cBN烧结材料的表面形成有由选自4a、5a、6a族金属、Al及Si中的至少1种金属元素的碳化物、氮化物等构成的硬质包覆层。

但是，在上述以往cBN包覆工具中，存在如下问题点：cBN烧结材料一般用钎焊接合于硬质合金母材，但例如在高负荷作用于刀刃的切削条件中使用时，由钎焊部产生裂纹，因此工具寿命短。

并且，用钎焊接合cBN烧结材料和硬质合金母材的cBN工具中，例如，如专利文献3所示，公知有如下cBN工具：通过将cBN烧结材料和硬质合金母材的钎焊部的竖立侧面与底面的交叉角设成小于cBN烧结材料的背面与底面的交叉角，无需戳进钎焊部的角落而形成收纳cBN烧结材料的背面下侧边缘部的凹部，从而防止钎焊时在cBN烧结材料上产生龟裂、碎裂。

专利文献1：日本专利公开平6-330321号公报

专利文献2：日本专利公开2006-263857号公报

专利文献3：日本专利公开2000-52112号公报

近几年的切削加工装置的FA化非常显著，另一方面对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求强烈，伴随此，切削加工有除了在一般的切削条件以外还在更严峻的条件下进行切削加工的倾向，尤其在通过物理蒸镀形成硬质膜的上述以往cBN包覆工具中，在一般条件下的切削加工中使用时没有产生特别的问题，但是，将此用于高负荷作用于刀刃的高速断续切削中时，在cBN烧结材料与硬质合金母材的钎焊部产生裂纹，由裂纹的进展造成cBN包覆工具破损，因此，寿命比较短，经长期使用中无法发挥充分的切削性能。

并且，存在如下问题点：对cBN烧结材料与硬质合金母材的钎焊部尝试所述专利文献3所示的改善，尽管能够防止钎焊时的裂纹产生，但是，无法抑制切削加工时的裂纹产生、龟裂的进展，依然无法谋求工具寿命的延长寿命化。

发明内容

因此，经长期使用中，为了发挥优异的切削性能，在cBN包覆工具中，防止来自钎焊部的裂纹的产生的同时，抑制龟裂的进展就成了重大课题。

本发明人们从防止通过物理蒸镀形成硬质膜的cBN包覆工具的来自钎焊部的裂纹产生、抑制龟裂的进展的观点考虑进行深刻研究的结果，得到如下见解。

首先，本发明人们查明了如下为引起破损的主要原因，即通过物理蒸镀形成硬质膜的cBN包覆工具的钎焊部的破损，在高负荷作用于刀刃的切削时，首先，在硬质膜上产生的裂纹成为起点，这传播到钎焊部的钎料上，存在于通过物理蒸镀所形成的硬质膜与钎焊部的钎料的界面的残留应力成为原因而引起向钎焊部钎料的裂纹、龟裂的进展。

因此，本发明人们考虑到，为了抑制向钎焊部的钎料的裂纹传播、龟裂的进展，预先缓和硬质膜与钎焊部的钎料的界面的残留应力是有效的，进行进一步研究的结果发现如下见解：用钎焊部接合cBN烧结材料与硬质合金母材，通过物理蒸镀在其表面形成硬质膜之后，通过面处理技术、例如湿式喷射或喷丸处理去除与暴露在钎焊部表面的钎料接合的硬质膜的一部分，从而产生在硬质膜与钎料的界面的残留应力被缓和，其结果，即使在高负荷作用的切削条件下，也抑制向钎料中的裂纹，龟裂的进展，并谋求工具寿命的延长寿命化。

本发明是基于上述见解而完成的，其特征为，

(1)一种表面包覆切削工具，用钎焊部的钎料接合由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体合硬质合金母材，并且，通过物理蒸镀在工具基体与硬质合金母材的表面形成硬质膜，其特征在于，

将暴露在上述钎焊部表面的钎料的整个表面积设为A，将暴露在该表面的钎料中与硬质膜接触的钎料的整个表面积设为B时，B/A为0.05≤B/A≤0.8。

(2)如上述(1)记载的表面包覆工具，其中上述硬质膜由Ti的氮化物层、Ti的碳氮化物层及Ti与Al的复合氮化物层中的任意1层或2层以上构成。

以下与图1、图2一同对本发明进行说明。立方晶氮化硼基超高压烧结材料(cBN烧结材料)：

在图1中，cBN烧结材料(1)中的立方晶氮化硼(cBN)极其硬质，在烧结材料中形成分散相，并且通过该分散相有助于提高耐磨性。

cBN烧结材料(1)中的其它构成成分，例如作为结合相等能够使用选自由周期表VIa、Va、IVa族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物、及它们的固溶体构成的组中的至少1种和铝化合物的陶瓷类结合材料。

对cBN烧结材料(1)的cBN的组成、其它的构成成分的种类、组成没有特别限制，能够使用一般使用的cBN烧结材料。

硬质合金母材：

作为硬质合金母材(2)例如能够使用由Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：剩余的组合构成的碳化钨基硬质合金，但是只要是通常所使用的硬质合金母材(2)即可，对其成分、组成等无特别限制。

硬质合金母材(2)例如作为具有CIS规格SNGAl20412的形状(厚度：4.76mm×一边长度：12.7mm的正方形)的WC基硬质合金制刀片而制作，在其钎焊部(3)中使用钎料(4)来钎焊接合上述cBN烧结材料。

钎料：

作为钎料(4)能够使用如下钎料：由已众所周知的钎料、例如以重量％计，含有20～30％的Ti、20～30％的Zr(或者进而10～30％的Ni)的Cu合金构成的钎料，或者由含有0.5～20％的Ti、0.5～20％的Zr、10～40％的Cu的Ag合金构成的钎料。

并且，通过钎料(4)来粘附上述cBN烧结材料(1)和硬质合金母材(2)，在真空气氛中，Ar气氛中加热，从而在钎焊部(3)中，通过钎料(4)接合上述cBN烧结材料(1)和硬质合金母材(2)。

硬质膜的成膜：

如图2所示，通过物理蒸镀，例如电弧离子镀在用钎焊部(3)所接合的cBN烧结材料(1)与硬质合金母材(2)的表面，首先成膜硬质膜(6)。

另外，在用钎焊部(3)接合的cBN烧结材料(1)与硬质合金母材(2)之间，通常填充200μm以下宽度的钎料，并且，形成暴露在表面的接合界面(5)，但是上述所说的“用钎焊部(3)接合的cBN烧结材料(1)与硬质合金母材(2)的表面”是指也包含钎焊部(3)中钎料(4)暴露在表面的接合界面(5)的表面。

作为硬质膜(6)，例如可以设置Ti氮化物层、Ti碳氮化物层及Ti与Al的复合氮化物层中的任意1层或2层以上，但是成膜的硬质膜的种类并不限于上述硬质膜，也可以为其它任何硬质膜。

另外，形成Ti与Al的复合氮化物层时，将此以组成式：(Ti_1-XAl_X)N表示时，若X的值(其中为原子比)超过0.65，则由晶体结构的变化而膜的高温强度下降并容易产生缺损，并且，若X的值(其中为原子比)不到0.15时，膜的高温硬度和耐热性下降，其结果，耐磨性会下降，从而X的值(其中为原子比)优选设在0.15～0.65的范围内。

并且，对硬质膜(6)的层厚也无特别限制，但是从耐崩刀性、耐磨性的观点考虑优选设为1～5μm的层厚。钎料(4)与硬质膜(6)的接触面积：

在该发明中，钎料(4)与硬质膜(6)的接触面积的大小具有重大意义。

即，在通过物理蒸镀包覆有硬质膜(6)的cBN包覆工具中，如已作为本发明的见解叙述，为了抑制向钎焊部(3)的钎料(4)的裂纹传播、龟裂的进展，预先缓和硬质膜(6)与钎焊部(3)的钎料(4)的界面的残留应力是有效果的，并且，由此在高负荷作用的切削条件下，也抑制向钎料(4)中的裂纹、龟裂的进展、谋求工具寿命的延长寿命化。

而且，硬质膜(6)与钎焊部(3)的钎料(4)的界面处的残留应力的缓和通过表面处理技术、例如湿式喷射或喷丸处理来去除与在钎焊部(3)的表面暴露的钎料(4)接触的硬质膜(6)的一部分，能够减少钎料(4)与硬质膜(6)的接触面积来实现。

具体来讲，将暴露在钎焊部(3)的表面的钎料(4)的整个表面积设为A，并且，将暴露在钎焊部(3)的表面的钎料(4)中与硬质膜(6)接触的钎料(4)的整个表面积设为B时，将B/A的值(相当于接触面积比)设在0.05～0.8的范围内。

B/A的值超过0.8，暴露在钎焊部(3)的表面的钎料(4)的大部分处于与硬质膜(6)接触的以往接触状态时，钎料(4)与通过物理蒸镀成膜的硬质膜(6)的界面处的残留应力大，所以产生在硬质膜(6)的裂纹向钎料(4)传播，龟裂在钎料(4)中进展，而产生来自钎焊部(3)的破损。从这样的观点考虑，B/A的值尽量以小为佳，0时可称为最佳，但是B/A的值小于0.05时，由于表面处理条件过强，所以钎焊部之外的薄膜，例如形成于刀刃前端、前刀面表面的硬质包覆层也被去除，从而，作为cBN包覆工具整体的耐磨性下降，工具寿命也变短，所以将B/A的值设在0.05～0.8的范围。

基于表面处理技术，例如基于湿式喷射的处理时，在以下条件下进行即可。

将喷射的喷射压力设为0.2～0.24MPa，喷射时间设为10～20sec，将湿式喷射处理重复3～5次。若压力不到0.2MPa、时间不到10sec、或者重复次数为2次以下，则喷射效果弱，若B/A大于0.8，并且，压力大于0.24MPa，时间长于20sec，重复次数为6次以上，则由于喷射过强，所以形成于刀刃前端、前刀面表面的硬质包覆层也被去除掉。

另外，在喷射中使用的液浆使用氧化铝颗粒，颗粒直径为220～1500号，液浆浓度为15～60wt％。

发明效果

如上所述，本发明的cBN包覆工具为如下：用钎料接合由cNBC烧结材料构成的工具基体与硬质合金母材，并且，通过物理蒸镀在工具基体与硬质合金母材的表面形成硬质膜的表面包覆切削工具中，将暴露在钎焊部表面的钎料的整个表面积A、与暴露在该表面的钎料中与硬质膜接合的钎料的整个表面积B之比的值B/A设为0.05～0.8，从而，缓和硬质膜与钎焊部的钎料的界面处的残留应力，由此，在高负荷作用的切削条件下，也抑制向钎料中的裂纹、龟裂的进展，其结果，能够谋求工具寿命的延长寿命化。

附图说明

图1为表示本发明的表面包覆切削工具的钎焊部附近的概观的立体图。

图2为本发明的表面包覆切削工具的钎焊部的局部放大图。

图3为表示本发明的表面包覆切削工具的钎焊部上的硬质膜剥离部的立体图。

符号说明

(1)cBN烧结材料，(2)硬质合金母材，(3)钎焊部，(4)钎料，(5)接合界面，(6)硬质膜，(7)钎焊部的硬质膜剥离部。

具体实施方式

以下根据实施例说明本发明的表面包覆切削工具。

[实施例]

作为原料粉末准备均具有0.5～4μm范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、AlN粉末、Ni粉末、Al粉末、Co粉末、及W粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，并用球磨机湿式混合80小时并干燥之后，以120MPa的压力冲压成型为具有直径：50mm×厚度：1.5mm尺寸的压坯，接着在压力：1Pa的真空气氛中，在900～1300℃范围内的预定温度中保持60分钟的条件下烧结该压坯后作为刀刃片用备用烧结体，在将该备用烧结体与另外准备的Co：8质量％、WC：残余的组成、及具有直径：50mm×厚度：2mm尺寸的WC基硬质合金制支承片重叠的状态下，装入常规的超高压烧结装置中，并在常规条件下即压力：4GPa、温度：1200～1400℃范围内的预定温度中保持时间：0.8小时的条件下超高压烧结，烧结后利用金刚石磨刀石研磨上下面，用电线放电加工装置或金刚石切割机分割成一个边为3mm的正三角形状，另外在Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：残余的组成及具有CIS规格SNGA120412形状(厚度：4.76mm×一边长度：12.7mm的正方形)的WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(角落部)，用以质量％计、具有由Cu：26％、Ti：5％、Ni：2.5％、Ag：残余构成的组成的Ag合金的钎料进行钎焊，并在外周加工成预定尺寸之后，对刀刃部施以宽度：0.13mm、角度：25°的珩磨加工，另外通过施以精磨，从而制造了具有ISO规格SNGA120412的刀片形状的本发明cBN工具基体1～10。

[表1]

接着，将上述本发明cBN工具基体1～10自转公转自如地支承安装在为物理蒸镀装置的1种的电弧离子镀(AIP)装置内，

首先，对装置内进行真空排气而保持在0.5Pa的真空，同时用加热器将装置内加热至500℃之后，导入Ar气体，设为1.5Pa的Ar气体气氛，并对cBN工具基体1外加-100V的直流偏压，对所述cBN工具基体进行Ar气体轰击清洗，

接着，在所述装置内进行电弧离子镀，形成表2所示的预定的目标层厚、层类别的硬质膜。

接着，对形成有上述硬质膜的本发明cBN工具基体1～10，施以以表3所示的喷射压力、喷射时间利用氧化铝颗粒的湿式喷射处理，如图3所示，通过去除与在钎焊部的表面暴露的钎料接触的硬质膜的一部分，由此制作了如表4所示的ISO规格SNGAl20412中规定的可转位刀片形状的本发明cBN包覆工具1～10(称为本发明1～10)。

关于上述本发明1～10，对暴露在钎焊部的表面的整个表面积A及暴露在该表面的钎料中与硬质膜接触的钎料的整个表面积B，利用市售的附带图像尺寸测量软件的数字显微镜，例如基恩士公司制的机种VHX-100观察钎料部附近，选择相当于上述面积A、B的部分进行数值化，从而计算B/A的值。

表4中表示B/A的值。

[表2]

[表3]

[表4]

为了进行比较，对形成有实施例中使用的硬质膜的cBN工具基体1～8以表5中所示的条件施以湿式喷射处理，制作了去除与暴露在钎焊部的表面的钎料接触的硬质膜的一部分或者全部的表6所示的比较例cBN包覆工具1～6(比较例1～8)。并且，关于比较例1～8也计算出B/A的值，将其值示于表6中。并且，由于比较例1～5的喷射效果过强，所以不只是钎焊部，形成于刀刃表面、前刀面表面的硬质包覆层中也存在剥离。

为了进一步做比较，对形成实施例中使用的硬质膜的cBN工具基体9、10不施以湿式喷射处理，而是将此直接用作比较例cBN包覆工具9、10(比较例9、10)。另外，理所当然在比较例9、10中为B/A＝1。

[表5]

[表6]

比较例1～5由于喷射效果过强，所以不仅是在钎焊部，形成于刀刃前端、前刀面表面的硬质包覆层中也存在剥离。

用上述本发明1～10及比较例1～10在以下切削条件下实施了切削加工试验。

切削条件1

被切削材料：JIS·SUJ2的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒(硬度：H_RA60)、

切削速度：180m/min、

进给速度：0.25mm/rev、

切深量：0.18mm、

切削时间：4分钟

的条件下进行了淬火轴承钢的湿式高速断续切削加工试验(一般的切削速度为120m/min)，

切削条件2

被切削材料：JIS·SCM420的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒(硬度：H_RA60)、

切削速度：200m/min、

进给速度：0.20mm/rev、

切深量：0.20mm、

切削时间：4分钟

的条件下进行了高硬度铬钢的湿式高速断续切削加工试验(一般的切削速度为180m/min)，测定了刀刃的后刀面磨损宽度。

将根据上述切削条件1、2的切削加工试验的测定结果示于表7。另外，将后刀面磨损宽度达到0.15mm时判断为寿命，这时表示达到寿命的切削时间(分钟)。

[表7]

比较例栏的切削试验结果，在比较例1～5中表示由耐磨性下降引起的刀刃的缺损为原因达到寿命的切削时间(分钟)、在比较例6～10中表示由钎焊部的裂纹的产生、进展为原因而达到寿命的切削时间。

另外，将后刀面磨损宽度到达0.15mm时判断为寿命。

从表7所示的结果可知，本发明cBN包覆工具1～10即使在断续、重复的冲击性负载作用于刀刃的高硬度钢的高速断续切削中使用时，也不会产生来自钎焊部的工具的破损，经长期使用中显示出优异的切削性能。

与此相反，0.05＞B/A的比较例cBN包覆工具1～5中，不只是钎焊部，形成于刀刃前端、前刀面表面的硬质包覆层中也存在剥离，所以因耐磨性的下降工具寿命缩短，另一方面，B/A＞0.8的比较例cBN包覆工具6～10中，因向钎料中的裂纹、龟裂的进展而缩短工具寿命。

工业实用性

如上所述，该发明的cBN包覆工具适合用作高硬度钢的高速断续切削加工用的切削工具，并且能够充分满足地对应切削加工装置的高性能化、及切削加工的节省劳力化、节能化、甚至低成本化，当然也可使用于各种钢或铸铁等的一般的切削条件下的切削加工中。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，用钎焊部的钎料接合由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体和硬质合金母材，并且，通过物理蒸镀在工具基体与硬质合金母材的表面形成硬质膜，其特征在于，

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，上述硬质膜由Ti的氮化物层、Ti的碳氮化物层及Ti与Al的复合氮化物层中的任意1层或2层以上构成。