CN1063995C - 刀具及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种在大荷载环境下也可使用的刀具，由钢制的基体1和经金属层3固接于该基体1上的、超硬合金制的刀头2组成。所述金属层3包括高强度金属部32和高韧性金属部31。通过对金属层32的热膨胀系数的选定，使焊接接合冷却时成问题的热应力减小，进而通过在应力集中的接合区端部由高韧性金属组成的金属层31，和在其他部分由满足强度要求的高强度金属组成的金属层32，抑制在接合区端部产生裂纹。
Description
本发明涉及一种由基体和与该基体相接合的超硬合金制的刀头组成的刀具及其制造方法。
在钢制基体上接合着超硬合金制的刀头的刀具中，一般是采用银焊等的焊料来实施刀头与基体接合。但是，在如此焊接刀头的刀具中，除因焊接时产生的热使基体变钝，致使硬度下降外，在大荷载的情况下，还会导致刀头脱落。
为此，如特开昭63-43789号公报和特开平4-52181号公报所示，提供了利用电子束和激光束等高能量束进行熔融焊接，将刀头安装在基体上的方法。这种情况下，与前述焊接相比，既使施加相当大的荷载也不会产生问题。
但是，在利用高能量束实施刀头接合的刀具中，当荷载水平大时，在刀头与基体接合区的端部，因应力集中有时会产生裂纹。因此，现在要求进一步的改善。
本发明便是鉴于这一点提出的，其目的是提供在大荷载环境下也可使用的刀具，以及可容易制造该刀具的制造方法。
本发明涉及的刀具是由钢制的基体和通过金属层与固接该基体超硬合金制的刀头组成。其特征是所述金属层具有由热膨胀系数介于基体的热膨胀系数和刀头的热膨胀系数之间的金属形成的高强度金属部，和位于刀头与基体接合区的端部、同时其韧性大于所述高强度金属部韧性的高韧性金属部组成。通过选择金属层的热膨胀系数，来减小焊接接合冷却时出现的热应力问题。而且，通过在应力集中的接合区端部由高韧性金属组成的金属层，和在其他部分由满足强度要求的高强度金属组成的金属层，来抑制易于在接合区端部产生裂纹。
这种情况下，金属层的高强度金属部和高韧性金属部即可由含有同一元素的同系金属形成，也可由具有不同构成元素的不同种金属形成。在前者的情况下，其高强度金属部与高韧性金属部之间的接合性能好，可减少缺陷，这种情况下，以铁-镍为主要成分的合金可适用于高强度金属部。而比高强度金属部的含镍量高的金属可适用于高韧性金属部。而在后一情况下，可分别将适当的材料用于高强度金属部和高韧性金属部。
另外，若使金属层的硬度从高强度金属部至接合区端部的高韧性金属部逐渐发生变化，则可避免高强度金属部和高韧性金属部的交界部的应力集中，从而可得到更好的结果。而且，若使金属层的高强度金属部的热膨胀系数由基体侧至刀头侧逐渐发生变化，则可进一步降低接合冷却时产生的热应力。
本发明涉及的刀具制造方法的特征是，在通过金属层将超硬合金制的刀头焊接在钢制的基体时，金属层的形成应为，在刀头与基体接合区的端部和其他部分具有不同的强度及韧性。由于焊接时调整强度及韧性，因此，可很容易地设定强度和韧性。
此时，在由以铁-镍为主要成分的金属形成金属层的同时，若使刀头与基体接合区端部的含镍量大于其他部分而形成金属层，则可在焊接时调整含镍量，使接合区端部和其他部位的含镍量不同，即可以容易地实现使强度与韧性的不同。
另外，至少在基体与刀头接合部的一方形成坡口的同时，使接合区端部的坡口大于其他部分，然后，若以镍或镍合金作为焊填金属边进行添加，边对上述坡口部进行焊接，则在接合区端部焊填金属的比例，即含镍量增大，因此可更容易地使接合区端部和其他部分具有不同的含镍量。
另外，对位于基体上刀头接合面以及通过拐角与该接合面相连的面实施镀镍。然后，通过对基体和镀镍层的加热熔融，将刀头焊接在基体的所述刀头接合面，但是由于在接合区端部其拐角以及经拐角相接的其他部分镀镍中的镍使接合区端部的含镍量增加，因此，可以更容易地使接合区端部和其他部分的含镍量不同。
在基体上的刀头接合面上，且成为刀头与基体的接合区的端部形成凹部，然后在含有基体的所述凹部的刀头接合面上设置由电镀或喷镀而形成镍层。此后，通过对基体与镍层的加热熔融将刀头焊接在基体的所述刀头接合面，但是在凹部处，由于在接合区端部形成含镍量较高的合金层，因此可更容易地使接合区端部和其他部分的含镍量不同。
至少在基体和刀头的接合面的一方形成由镍或镍合金组成的镍层的同时，使处于接合区端部的镍层的含镍量比其他部分的镍层的含镍量大，然后，也可通过对接合部的基体和所述镍层的加热熔融，焊接基体与刀头。
而且，至少在基体与刀头的接合面的一方形成由镍或镍合金组成的镍层的同时，使成为接合区端部的镍层厚度比其他部分的镍层厚度大，然后通过对接合部的基体与所述镍层的加热熔融，焊接基体与刀头，也可在接合区端部形成含镍量高的合金层。此时，在经电镀或喷镀形成镍层后，通过剃齿或切削来调整镍层的厚度，即可容易地得到所需求的厚度分布的镍层。
在基体与刀头间的接合面间夹设由镍或含镍金属组成的薄板的同时，使该薄板的基体与刀头的接合区端部从基体向外突出，然后通过对接合部的基体与所述薄板的加热熔融，焊接基体和刀头，仍可容易地使接合区端部与其他部分的含镍量不同。
在通过金属层将超硬合金制的刀头焊接固定在钢制的基体上，在刀头与基体的接合区的端部和其他部分，以不同构成元素的不同种金属形成金属层，在此种情况下，可容易地形成极高强度的高强度金属部和极高韧性的高韧性金属部。
此时，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，同时在接合区的其他部分设有高强度金属，通过熔融高强度金属而焊接基体与刀头，同时，以该高强度金属的熔融热熔化端部的高韧性金属，这样，即使在高韧性金属的熔融点比高强度金属的融点相当低的情况下，仍无需温度控制而能防止高韧性金属的突然沸腾。
另外，在基体和刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，熔化端部的高韧性金属，在接合区端部焊接基体与刀头后，通过熔融高强度金属焊接基体与刀头，由于首先对容易产生应力集中的接合区端部进行焊接，因此，在高韧性金属部位，由在高强度金属部的焊接时及焊接后冷却时所产生的热应力可得到松驰。
在基体与刀头接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，经过端部的高韧性金属熔化，使高强度金属定位在基体或刀头上，然后使刀头与基体相对并进行焊接，同时还可稳定、简便地实现对刀头的定位。
在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，熔化端部的高韧性金属，将高强度金属定位在基体或刀头将高强度金属定位，然后使刀头与基体相对并进行焊接，在此种情况下，不仅容易供给金属层的材料，而且还可稳定且简便地对刀头实行定位。
在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，通过同时熔融高韧性金属和高强度金属而焊接基体与刀头，与此同时，在所述高强度金属和高韧性金属的设有交界部使两者熔融混合，则可容易地得到硬度从高强度金属部至接合区端部的高韧性金属部间逐渐发生变化的金属层。
另外，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，同时在所述高韧性金属与高强度金属之间，设具有介于该两种金属这间特性的中间特性金属，通过对这些金属加热熔融而焊接基体与刀头，在此种情况下，仍可容易地得到从高强度金属部至接合区端部的高韧性金属部其硬度在逐渐发生变化的金属层。
而且，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，同时以具有不同热膨胀系数的多层来形成所述高强度金属，通过使所述高韧性金属及高强度金属加热熔融，焊接基体与刀头，则可容易地得到从基体侧至刀头尖侧其热膨胀系数逐渐变化的高强度金属部。
在刀头侧配设有WC粉末中混有6-20％Co粉末的粉末，在基体侧设有WC粉末中混有40-60％Co粉末的粉末，同时在接合区端部设有Cu粉末，通过加热烧结这些粉末焊接基体与刀头，仍可容易地得到从基体侧至刀头尖侧其热膨胀系数逐渐变化的高强度金属部。
以下对附图作简单说明。
图1是本发明的刀具示意图，(a)是主视图，(b)是放大的斜视图。
图2是同上的具有不同形状的刀头的放大斜视图。
图3是表示同上的刀具制造过程中的状态示意图，(a)是斜钭视图，(b)是侧视图。
图4是表示同上的刀具焊接后的状态侧视图。
图5是表示同上的其他实施例中的制造过程中的状态斜视图。
图6是表示同上的刀具的其他制造方法的制造过程中的状态斜视图。
图7是表示同上的焊接后的状态斜视图。
图8是表示不合适的基体的形状斜视图。
图9是表示同上的其他刀具制造过程中的状态斜视图。
图10是表示同上的同上的焊接后的状态斜视图。
图11是表示同上的刀具其他制造方法的示意图，(a)是表示制造过程中的状态钭视图。(b)是表示焊接后的状态斜视图。
图12是更进一步表示同上的刀具其他制造方法的示意图，(a)、(b)是制造过程中状态钭视图，(c)是焊接后的状态斜视图。
图13是同上的不同刀具制造方法的示意图，(a)-(d)是以制造顺序表示的剖面图。
图14是同上的其他实施例的示意图，(a)是表示制造过程中的状态斜视图，(b)是焊接后的状态斜视图。
图15是表示同上的位于凹部的镀层成长过程的剖面示意图。
图16是表示同上的刀具其他制造方法中制造过程的状态斜视图。
图17是表示同上的制造过程中的状态斜视图。
图18是表示同上的刀具其他制造方法的侧视图。
图19是更进一步表示其他制造方法的示意图，(a)、(b)都是侧视图。
图20是其他制造方法的示意图，(a)、(b)都是侧视图。
图21是不同制造方法的示意图，(a)、(b)都是斜视图。
图22是其他制造方法的示意图，(a)及(b)都是制造过程中的状态斜视图，(c)是表示焊接后的状态斜视图。
图23是更进一步表示其他制造方法的示意图，(a)是制造过程中的状态斜视图，(b)是焊接后的状态斜视图。
图24是表示同上的另一实施例制造过程中的状态斜视图。
图25是更进一步表示同上的其他实施例的制造过程中的状态示意图，(a)是侧面图，(b)是抑视图。
图26是表示刀具制造方法一实施例的示意图，(a)是表示制造过程的状态斜视图，(b)是表示焊接后的状态斜视图。
图27是表示同上的其他实例的示意图，(a)是表示制造过程中的状态的斜视图，(b)是表示焊接后的状态斜视图。
图28是表示刀具制造法的其他实施例斜视图。
图29是更进一步表示同上的其他实施的示意图，(a)是表示制造过程的状态斜视图，(b)是表示焊接后的状态斜视图。
图30是同上的其他实施例的示意图，(a)是表示制造过程的状态斜视图，(b)是表示第一焊接工艺后的状态斜视图，(c)是表示第二焊接工艺后的状态斜视图。
图31是更进一步表示同上的其他实施例的示意图，(a)是表示制造过程的状态斜视图，(b)是表示焊接后的状态斜视图。
下面对附图符号说明。
1-基体；2-刀头；3-合金层；31-高韧性金属部；32-高强度金属部。
下面参照附图说明本发明的一实施例。
图1示出了圆盘锯，该圆盘锯具由钢制(并无限制，如SK5等的碳钢制成)的基体1和固定在从基体1周缘突向外周方向的突出部10的单侧的切口部的、超硬合金制(并无限定，如为钨碳化物WC和钴Co的烧结合金制成)的刀头2组成。图1的刀头2表示单侧为刀刃这一类型的刀头，而图2示出了刀头2的两侧均设有刀刃这种类型的刀头。
这些刀头2通过金属层3与基体1相接合。该金属层3在全区域内为非均质，在接合区的端部形成有韧性大的高韧性金属部31，在其他部分形成比高韧性金属31的韧性低，但强度大的高强度金属部32，与此同时，高强度金属部32是由热膨胀系数介于基体1的热膨胀系数与刀头2的热膨胀系数之间的金属形成。而高韧性和高强度是以两金属部31、32相对比较之下来表现的，并非是绝对的。
这里所谓的高韧性金属部31和高强度金属部32，既可用含有同一元素的同系金属形成，也可由含有不同构成元素的不同种金属形成。但是，当用同系金属来形成时，高韧性金属部31与高强度金属部32之间的接合性好，可减少缺陷。
在利用同系金属形成金属层时，以采用将钢(SK5)与镍(Ni)熔融而成的铁-镍(Fe-Ni)为主要成分的合金来形成金属层3为好。这时可通过控制含镍量的差值，而得到高强度金属和高韧性金属，在高强度金属部32中使含镍量减小，而在高韧性金属部31中则增大镍的含量。例如高韧性金属31为Fe-30-60％Ni-0．1-0．5％C，高强度金属部32为Fe-20-30％Ni-0．4-0．6％C(均含有超硬合金成份的钴Co)。
含镍量小的高强度金属部32具有耐力高、不易产生塑性变形的性质，而含镍量大的高韧性金属部31则具有耐力差、易产生塑性变形的特性。因此，上述刀具的除接合区的端部之外的部分都形成高强度金属32，作为接合部整体的耐力高，不易产生塑性变形，从而可得到满足刀具的功能。而且，既使在由焊接时的热残余应力和外部荷载引起的应力易于产生集中的接合区的端部，若用含镍量小的高强度金属部32，则会由于高强度金属部32的韧性低而往往发生裂纹，但由于在接合区的端部为含镍量大、韧性大的高韧性金属部31，因此不会产生裂纹。
由于将金属层3的高强度金属部的热膨胀系数设定在位于刀头2的热膨胀系数与比它大的基体1的热膨胀系数的中间值，因此，在焊接刀头2于基体1上的焊接过程中及其冷却时所产生的热应力会因金属层3而得到松驰，从而不产生因热应力而引起的裂纹，或刀头2脱落。
而且，Fe-Ni合金的含镍量越大，其硬度越下降，韧性越大；含镍量越小，则硬度越高，越不易产生塑性变形。与此相对的是，在含镍量为30％左右时，热膨胀系数变得最小，因此，在以Fe-Ni形成金属层3，尤其是形成高强度金属部32时，必须注意这样的事实，即并非是靠单纯地减小镍含量即可提高硬度。
通过由上述拥有不同含镍量的金属部31与32组成的金属层3将刀头2装在基体1上，即刀头2与基体1的焊接可通过下述方法实现。即，如图3所示在钢制基体1与刀头2实施接合的面形成坡口，使刀头2与之对接，一边添加焊填金属5，一边照射激光束8以使焊填金属5和基体1的坡口部的两侧被加热熔融，如图4所示焊填金属5与基体1的坡口部的金属的混合合金构成金属层3，并将基体1与刀头2焊接。与此同时，在接合区的端部，作为焊填金属5是使用含镍量高的金属，比如纯镍，而在其他部分作为焊填金属5使用如Fe-40-50％Ni合金。焊接时使用含镍量不同的焊填金属5，进行含镍量的调整，由同系金属组成的接合区端部和其他部分，其含镍量是不同的，因此可容易地形成强度和韧性均不同的金属部31和32。
如图5所示，在基体1上形成的坡口部中，也可使成为接合区端部位置的坡口比其他部分的大。这种情况下，仅使用由镍或镍合金组成的单一的焊填金属5，由于在坡口大的部分其含镍量变大，从而也可形成在接合区端部和其他部分具有不同含镍量(强度和韧性不同)的金属部31和32。
如图6所示，在基体1上的与刀头2相接的接合面以及通过拐角与该接合面相连的面上，通过比如厚度为100-300μm的电镀而预先设置镍层6，然后将刀头2放在接合面上，通过由激光束的照射使基体1与镍层6被加热熔融，从而形成金属层3，也可焊接刀头。在接合区的端部，拐角以及介于拐角的其他部分的镍层6中的镍构成了含镍量大的高韧性金属部31，如图7所示。这种情况下，完全没必要为使接合区端部和其他部分具有不同含镍量而进行调整作业，而且只要对其实施激光照射，使之加热熔融，便可在接合区端部形成较其他部分具有高镍含量的高韧性金属部31，因此，制造变得更加容易。为了熔融而进行的加热，除激光束外，也可采用电子束、等离子体束和电弧等进行。
镍层6的厚度要相应于熔融部的宽度而设定，并要使作为焊接熔融部而形成的金属层3(金属部31、32)的组成大致如前述那样组成。比如，当熔融部的宽度为1mm的情况下，设定由电镀形成的镍层6的厚度为250μm，则熔融部的组成大约为Fe-25％Ni-0．6％C。镍层6还可通过喷镀形成，这时，镍层6的厚度最好在400-700μm，即约为焊接焊道宽的三分之二。
通过利用位于接合区端部的坡口部的镍层6，以使接合区端部的高韧性金属部31的含镍量增大，因此，如图8所示，当基体1的端面较刀头2的端面突出，基体1的拐角离开接合区端部时，将不能在接合区端部形成含镍量高的高韧性金属31。所以，预先将拐角设置在大体与刀头2的端面相同的位置，或设置在不高于刀头2的端面的位置。这里就圆盘锯的情况进行了说明，但并非只限于此，图9和图10表示了切削刀的情况。
如图11所示，在利用喷镀形成镍层6的情况下，也可在刀头2这一侧形成。这时在成为接合区端部形成的镍层6的含镍量大于其他部分，则通过将所述刀头2放置在基体1上，并由激光束进行照射加热熔融来实施接合，便可形成具有不同含镍量的金属部31和32，通过喷镀形成在接合区端部具有高含镍量的镍层6，当然也可将该镍层6设在基体1这一侧。
如图12所示，作为替代所述镍层6，也可将由镍或镍合金组成的薄板60置于刀头2与基体1之间，通过对所述薄板60与基体1的加热熔融实现刀头2的接合。这时，作为薄板60，要使用其大小在长度方向或宽度方向要露出接合区端部的薄板，由此可在接合区端部形成含镍量大的高韧性金属部31。作为薄板60，可恰当地使用厚度为0．05-0．4mm的板，与此同时，露出长度约为0．1-0．5mm是合适的，但并非只限于此。
要使金属层3的含镍量在接合区端部不同，通过变动镍层6或薄板60的厚度即可实现。图13和图14在基体1上将成为接合区端部预先设置凹部15(比如深0．1-0．2mm，宽0．2-2mm)，然后通过电镀形成镍层6，如图15所示，在电镀层生成将凹部15埋住的同时，所述凹部15的厚度则增大，因此，若将刀头2和基体1的接合区熔融焊接，便可在接合区端部形成含镍量大的高韧性金属部31。
当然，也可如图16所示，使镍层6的厚度在接合区端部为最大，随着远离接合区端部，也可使镍层6的厚度减小。这样的镍层6如图17所示，预先通过电镀或喷镀等方法形成比预计所需厚度要厚的镍层6，然后通过对镍层6实施剃齿或切削等加工，如图16所示，使刀头2和基体1之间的间隙在所设定值以下，且使位于接合区端部的镍层6的厚度比其他部分大。
在用含有同一元素的同系金属形成金属层3的高强度金属部32和高韧性金属部31的情况下，除Fe-Ni系金属(含镍单体)外，还可使用钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)和比其含镍量高的Fe-Ni-Co合金。当然并非只限于此，只要是当组成比例不同时其强度和韧性方面的特性要发生变化的金属即可。另外，若设于接合区端部的高韧性金属部31的范围约为0．1-0．5mm，应力集中便松驰。当然，该值也并非只限于此。
在用具有不同构成元素的不同种金属形成金属层3的高强度金属部32和高韧性金属部31的情况下，通过对各金属部31和32的材料的选择，比如就采用含有同一元素的同系金属形成的情况而言，可容易地使高强度金属部32的强度更高，高韧性金属部31的韧性更大。比如，高强度金属部32由钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)、Ti、W、Mo及Fe-42％Ni合金等形成，而高韧性金属部31由Cu、Ag、Ag-Cu合金、AI、Au、Pb和Pb-Sn等形成。由于高韧性金属部31可用非常软的金属形成，因此接合区端部的韧性有可能提至很高水平。这时的高韧性金属部31的长度可约为0．1-1．0mm。
要通过由具有不同构成元素的金属部31和32组成的金属层3，将刀头2安装在基体1上，则先在钢制基体1与刀头2实施接合的接合面上，如图3所示，形成坡口，对接刀头2，边添加焊填金属5边照射激光束8，从而进行焊接。这时，在接合区的端部和其他部分使用不同的焊填金属5，使该焊填金属5熔融，从而可形成各金属部31和32，并进行焊接。这种情况下，高强度金属部32首先形成，然后形成高韧性金属部31。另外也可熔融基体1和刀头2的一部分，尤其是含铁Fe材料作为金属部31或金属部32的情况下，可使与基体1的金属层3相接的部分充分熔融，以便通过焊填金属5的熔融物产生混合，达到合金化。
如图18所示，还可在基体1与刀头2之间，夹设高韧性金属部31和高强度金属部32的各种材料3a、3b，通过激光束等的照射，使这些材料3a、3b熔融，从而可实施刀头2与基体1的接合。这时，当作高强度金属部32的材料3b选用钛Ti，而采用铜作为高韧性金属部31的材料3a的情况下，材料3a的融点比材料3b的融点相当低，这时只对材料3b实施激光束照射，材料3b由激光束照射产生熔融的余热将使低融点的材料3a熔化，于是，既使不对材料3a和3b实施所谓的激光束照射条件变更的加热条件的控制，也可进行焊接，并不导致因低融点材料3a的突然沸腾造成的飞溅。
作为高韧性金属部31的材料3a，当采用更低融点的金属时，如AgCu焊锡、PbSn焊料等。如图19所示，在基体1与刀头2之间只夹设高强度金属部32的材料3b(如FaNi合金)，使所述材料3b加热熔融，在进行刀头2的焊接之后，即向接合区端部提供材料3a，也可利用材料3b熔融的预热使材料3a溶化。
在作为材料3b用Ni，3a用Cu的情况下，在基体1与刀头2之间，如图20所示，夹设材料3a和3b，在激光束下使材料3b与基体的接触部分充分熔融，通过基体1与材料3b的混合实现合金化。也可以利用该熔融预热使材料3a熔融。
如图21或图22所示，基体1与刀头2的焊接，也可由激光束8的照射等先在高韧性金属部31进行，此后，形成高强度金属部32，并进行焊接。由于在易产生应力集中的接合区端部首先由软质的高韧性金属部31来焊接，因此，由高强度金属32引起的、刀头2的焊接时及焊接后的冷却过程所产生的热应力可得到松驰。
在通过对设有在基体1与刀头2之间的材料3a和3b进行熔融，而实施刀头2焊接的情况下，如图23所示，通过使材料3a加热融，将材料3a和3b定位在基体1上，若以这种状态使刀头2相对于基体1进行焊接，则材料3a和3b的供应以及刀头2稳定的定位要变得容易。也可不在基体1一侧，而在刀头2一侧由材料3a的熔融对材料3a、3b实施定位。另外，如图24和图25所示，材料3a、3b的定位还可以通过对材料3a的弯曲加工，材料3a与基体1或刀头2的凹凸锁合及压入等方法进行。
金属层3可不只用高韧性金属部31和高强度金属部32的两种金属构成，也可用更多种的金属构成。在这种情况下，如图26所示，最好在高强度金属部32和高韧性金属部31的交界部设有具有两金属部31和32之间特性(硬度)的金属部33。比如，在用Ni形成高韧性金属部31，用钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)形成高强度金属部32的情况下，以Fe-Ni合金(最好为含镍量大的)形成金属部33。而在用Cu形成高韧性金属部31、用Ti形成高强度金属部32的情况下，以Ag-Cu合金形成金属部33。另外，在用Fe-80-90％Ni合金形成高韧性金属部31、用Fe-42％Ni形成金属部32的情况下，以Fe-42-80％Ni形成金属部33。通过金属部33可使在高强度金属部32与高韧性金属部31交界部的硬度和膨胀系数不产生急剧的变化，因而可防止上述交界部发生应力集中，从而可提高接合强度和接合的可靠性。
在当要使硬度从高强度金属部32至接合区端部的高韧性金属部31不断发生变化而形成金属部33的情况下，也未必需要金属部33的材料。这是因为，如图27所示，当以Ni作为高韧性金属部31的材料3a，以Fe-42％Ni合金作为高强度金属部32的材料3b使用时，通过对两材料3a与3b的交界部加热，使两材料3a及3b熔融混合，可以形成具有处于金属部31与32之间特性的金属部33。
对于金属层3的高强度金属部32，更进一步也可用多层形成。这种情况下，由于可以使用高强度金属部32的热膨胀系数从基体1侧至刀头2侧逐渐产生变化(变小)，在能减小基体1与高强度金属部32的交界部的热膨胀系数差值的同时，还可缩小高强度金属部32与刀头2间的交界部的热膨胀系数的差值。由于可使热膨胀系数差值大的部分不再出现，因此可降低焊接时及焊接后冷却时所产生的热应力，从而提高接合强度及接合的可靠性。
高强度金属部32如图28所示以3层形成，也可如图29所示以2层形成。在以3层形成的情况下，比如可以用Fe-10-25％Ni合金(热膨胀系数：10-15×10-6)形成基体1侧的32a层，用Fe-25-30％Ni(热膨胀系数：6-15×10-6)形成刀头2侧的32c层，用Fe-22-27％Ni合金(热膨胀系数：8-12×10-6)形成中间层。另外，如图29所示，在以2层形成的情况下，可用Fe-40-45％Ni合金(热膨胀系数：7-10×10-6)形成基体1侧的32a层，而用Fe-38-40％Ni合金(热膨胀系数：58×10-6)形成刀头2侧的32c层。在如此用多数层形成高强度金属部32的情况下，无论如何都不利用激光束等照射来实施加热熔融，最好是如图29所示用通电加热的方法进行。由于是只对相互接触着的界面进行熔融，因此不会产生层间的混合而破坏热膨胀系数的整体梯度特性。
图30表示在基体1与刀头2之间配设厚度为0．45mm的纯Ni材料32’，利用激光束、电子束及电弧等方法对材料32’的基体1侧的厚度为0．2mm和基体1的厚度为0．8mm，共计1mm范围进行加热，实施熔融混合形成Fe-20％Ni合金32a层，然后，利用激光束、电子束及电弧等方法，对材料32’剩下的0．25mm厚度及上述32a层在材料32’侧的厚度为0．75mm，共计1mm的范围进行加热，实施熔融混合形成Fe-40％Ni合金的32c层，与此同时，对刀头2与32c层的交界部略施熔融，从而焊接为金属层3。虽然只使用单一的材料32’，但仍可得到热膨胀系数具有梯度特性的高强度金属部32。而且，对高韧性金属部31的焊接也可在位于高强度金属部32进行的上述第一焊接前进行，也可以与第一或第二焊接同时进行。还可以待第二焊接准备工作完成后进行。图31表示在刀头2侧设置由WC粉末中混有6-60％Co粉末形成的32c层的同时，在基体1侧配设由WC粉末中混合有40-60％Co粉末形成的32a层，而且在接合区端部设置由Cu粉末构成的材料3a，然后利用对基体1和刀头2间的脉冲电流加热，将这些粉末烧结，由此实施刀头2与基体1的焊接。这种情况下，只改变粉末的混合比便可获得具有所需热膨胀系数的层。这里附带说明一点，若对在WC粉末中混有6-20％Co粉末的混合粉末进行烧结，则可获得热膨胀系数为6-8×10-6的金属，而若对在WC粉末中混有40-60％Co粉末的混合粉末进行烧结，则可得到热膨胀系数为8-12×10-6的金属。为烧结所需的加热若不利用脉冲电流，也可采用激光束、电子束、等离子体束及电弧等进行。
当然也可以将上述所示的几种制造方法进行组合。
如上所述，本发明的刀具是由高强度金属部和高韧性金属部构成，所述高强度金属部是在钢制的基体与超硬合金制的刀头间的金属层，用具有热膨胀系数位于基体的热膨胀系数与刀头的热膨胀系数之间的金属形成，所述高韧性金属位于刀头与基体接合区的端部，同时其韧性要比上述高强度金属部的韧性大。通过对金属层的热膨胀系数进行选定，不仅可减小焊接过程中冷却时出现的热应力，而且在产生应力集中的接合区端部通过由高韧性金属组成的金属层，在其他部分通过由满足强度要求的高强度金属组成的金属层，可在满足强度要求的同时，可抑制易于在接合区端部产生裂纹。
这时，若用含有同一元素的同系金属形成金属层的高强度金属部和高韧性金属部，则高强度金属部与高韧性金属部间的接合性好，缺陷减少，从而可提高接合的可靠性。尤其是若在高强度金属部使用以铁镍为主要成分的合金，在高韧性金属部使用比高强度金属部含镍量更高的金属时，则在基体和金属层之间的交界部可形成由两者熔融物混合而成的合金，因此可获得良好的结果。
另外，当利用不同元素构成的不同种金属形成金属层的高强度金属部和高韧性金属部时，由于可对高强度金属部和高韧性金属部分别使用更为适宜的材料，尤其是能使用非常软质的金属来形成高韧性金属部，因此，可以提高对应力集中的松驰效应。
通过使金属层硬度由高强度金属部至接合区端部的高韧性金属部逐渐发生变化，可以避免用多种金属部形成金属过程中出现的问题，即避免在高强度金属和高韧性金属部的交界部产生应力集中，从而可提高接合强度及接合的可靠性。
通过使金属层的高强度金属部热膨胀系数从基体侧向刀头侧逐渐产生变化，可进一步地降低接合过程中冷却时所产生的热应力，因此可提高接合强度及接合的可靠性。
本发明涉及的刀具制造方法，是通过金属层将超硬合金制的刀头与钢制的基体焊接固定，此时是在刀头与刀基体的接合区的端部和其他部分具有不同的强度及韧性而形成金属层，焊接时调整强度和韧性，因此，可容易地设定金属层各部的强度和韧性。
在用以铁镍为主要成分的金属形成金属层的同时，使刀头与基体接合区的端部的含镍量比其他部分大而形成金属层，可通过焊接时调整含镍量，使接合区端部与其他部分的含镍量不同，即可容易地使其具有不同的强度和韧性，从而容易制造上述刀具。
在基体与刀头的接合部，至少在其中的一方形成坡口的同时，预先将要成为接合区的端部的坡口设置得比其他部分大，然后将镍或镍合金作为焊填金属边进行添加，边在所述坡口部分实施焊接，则由于接合区端部的焊填金属的比例，即含镍含量增大，从而可更容易地使在接合区端部与其他部分具有不同的含镍量。
对位于基体的与刀头相接的接合面以及通过拐角与该接合面相连的面实施镀镍，然后通过对基体和镀镍层的加热熔融。这种情况下，由于在接合区端部，拐角及介于拐角其他部分的镀镍层中的镍可增加接合区端部的含镍量，因此可更容易地使在接合区端部和其他部分具有不同的含镍量。
对位于基体的与刀头相接的接合面以及通过拐角与该接合面相连的面实施镀镍，然后，对基体和镀镍层的加热熔融，实现刀头与基体的上述接合面的焊接，这时在接合区端部，拐角及介于拐角的其他部分的镀镍层中的镍仍可增加区端部的含镍量，因此，可更容易地使接合区端部与其他部分具有不同的含镍量。
在基体的刀头接合面上，具将成为刀头与基体的接合区的端部形成凹部，然后在基体的含有上述凹部的刀头的接合面上设置由电镀或喷镀而成的镍层，接着通过对基体和镍层的加热熔融实施刀头与基体的上述刀头接合面的焊接，仍可由凹部的镍在接合区端部形成含镍量高的合金层，因此，可容易地使接合区端部与其他部分具有不同的含镍量。
在基体与刀头接合面的至少一方上形成由镍或镍合金构成的镍层的同时，使接合区的端部的镍层的含镍量较其他部分镍层的含镍量大，接着即可利用对接合部的基体和上述镍层进行加热熔融，实施刀头与基体的焊接。这样，仍可以做到使接合区端部的合金层为高含镍量的合金层。
至少在基体和刀头的接合面的一方形成由镍或镍合金组成的镍层的同时，使用接合区的端部的镍层的厚度比其他部分的镍层的厚度大，接着利用对接合部的基体和上述镍层的加热熔融，实施对基体与刀头的焊接，仍可在接合区端部形成含镍量高的合金层，随时，在利用电镀或喷镀方法形成镍层后，若通过剃齿或切削来调整镍层的厚度，便可容易地获得具有以所要求厚度分布的镍层。
在基体与刀头的接合面之间夹设由镍或含镍金属组成的薄板的同时，使该薄板在基体与刀头接合区的端部从基体向外突出，然后经对接合部的基体和上述薄板的加热熔融，进行基体与刀头的焊接，仍可容易地使接合区端部和其他部分具有不同的含镍量。
通过金属层将超硬合金制的刀头与钢制的基体熔融固接时，在刀头与基体接合区的端部和其他部分，用具有不同元素的不同种金属形成金属层的情况下，可容易地形成极高强度的高强度金属部和极高韧性的高韧性金属部，因此，可容易地制造出实际强度极高的刀具。
在基体与刀头接合区的端部配置高韧性金属，在接合区的其他部分配设高强度金属，在使高强度金属熔融，实施刀头与基体的熔接的同时，所述高强度金属的熔融热量一旦使端部的高韧性金属熔融，则在高韧性金属融点比高强度金属的融点相当底的情况下，仍可不必对温度进行控制，即可防止高韧性金属因突然沸腾而产生的问题，并可通过高特性金属的熔融及焊接，容易地制造。
在基体与刀头的接合区的端部配设高韧性金属，在接合区的其他部分配设高强度金属，使端部的高韧性金属熔融，并在接合区端部将基体与刀头焊接后，若通过对高强度金属的熔融实施基体与刀头的焊接，即实施易于发生应力集中的接合区端部的焊接，则因高韧性金属的存在使得高强度金属部分的焊接时及焊接后冷却时可产生热应力松驰，因此不会在高强度金属部产生由上述热应力引起的裂纹，从而能确保接合强度。
在基体与刀头接合区的端部配设高韧性金属，在接合区的其他部分配设高强度金属，使端部的高韧性金属溶融，将高强度金属定位于基体或刀头上，然后使刀头和基体相对，焊接，这样不仅金属层材料的供应容易，而且可简便地实现对刀头稳度的定位，因此，容易制造。
在基体与刀头的接合区的端部设高韧性金属，接合区的其他部分配设高强度金属，通过将端部的高韧性金属固定在基体或刀头上，同时也对高强度金属实施了定位，然后使刀头与基体相对应并进行焊接，在这种情况下，不仅容易供应金属层的材料，且可简便地实现对刀头稳定的定位。
在刀头与基体接合区的端部配设高韧性金属，接合区的其他部分配设高强度金属，在对高韧性金属和高强度金属同时实施熔融、进行刀头与基体的焊接的同时，若在所述高强度金属和高韧性金属的设置交界部使两者熔融混合，则可容易地获得硬度由高强度金属部到接合区端部的高韧性金属逐渐变化的金属层。在基体与刀头接合部分设置高强度金属的同时，在以述高韧性金属与高强度金属之间设置具有处于所述两种金属之间特性的中间特性金属，通过对这些金属的加热熔融，实现刀头与基体的焊接，这时仍可容易地得到硬度从高强度金属部到接合区端部的高韧性金属部逐渐发生变化的金属层。
在基体与刀头接合区的端部配设高韧性金属，在接合区的其他部分配设高强度金属，同时用具有不同热膨胀系数的多层形成所述高强度金属，若通过对所述高韧性金属及高强度金属的加热熔融进行刀头与基体的焊接，则可容易地得热膨胀系数从基体到刀头侧逐渐变化的高强度金属部。
将在WC粉末中混有6-20％Co粉末的混合粉末配设在刀头侧，在WC粉末中混有40-60％Co粉末的混合粉末配设在基体侧，同时在接合区端部设置Cu粉末，并通过对这些粉末的加热烧结对刀头与基体进行焊接，这样仍可容易地得到从基体测到刀头侧热膨胀系数逐渐变化的高强度金属部。
Claims (24)
1．一种刀具，由钢制的基体、和通过金属层与该基体固接的超硬合金制的刀头组成，其特征是，所述金属层由热膨胀系数介于基体的热膨胀系数与刀头的热膨胀系数之间的金属所形成的高强度金属部，和在位于刀头与基体的接合区的端部、同时其韧性大于所述高强度金属部韧性的高韧性金属部组成。
2．根据权利要求1所述的刀具，其特征是，金属层的高强度金属部和高韧性金属部是含有同一元素的同系金属。
3．根据权利要求2所述的刀具，其特征是，金属层的高强度金属部是以铁-镍为主要成分的合金，高韧性金属部是含镍量比高强度金属部要高的金属。
4．根据权利要求1所述的刀具，其特征是，金属层的高强度金属部和高韧性金属部是元素构成不同的不同种金属。
5．根据权利要求1所述的刀具，其特征是，从高强度金属部到接合区端部的高韧金属部，其金属层的硬度逐渐发生变化。
6．根据权利要求1所述的刀具，其特征是，从基体侧到刀头侧，金属层的高强度金属部的热膨胀系数逐渐发生变化。
7．一种刀具的制造方法，其特征是，当通过金属层将超硬合金制的刀头焊接在钢制的基体时，使金属层的形成为，在刀头与基体接合区的端部及其他部分具有不同的强度和韧性。
8．根据权利要求7所述刀具的制造方法，其特征是，在用以铁一镍为主要成分的金属构成金属层的同时，金属层的形成中要使位于刀头与基体接合区的端部的含镍量比其他部分大。
9．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，至少在基体与刀头的接合部一方形成坡口的同时，使接合区端部的坡口大于其他部分，然后以镍或镍合金作为焊填金属边进行添加，边对上述坡口部分处进行焊接。
10．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，在基体上的刀头的接合面以及经过拐角与该接合面相连的面上，设置由电镀或喷镀而成的镍层，接着经对基体和镍层的加热熔融，将刀头焊接在基体的所述刀头的接合面。
11．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，在基体的刀头接合面，且成为刀头与基体的接合区的端部形成凹部，然后在含有基体所述凹部的刀头接合面上设置由电镀或喷镀而成的镍层，此后，通过对基体与镍层的加热熔融，将刀头焊接在基体的上述的刀头接合面。
12．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，至少在基体与刀头接合面的一方形成由镍和镍合金组成的镍层的同时，使处于接合区端部的镍层的含镍量比其他部分镍层的含镍量大，然后，通过对接合部的基体与所述镍层的加热熔融，焊接刀头与基体。
13．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，至少在基体与刀头的接合面的一方形成由镍或镍合金组成的镍层的同时，使成为接合区的端部的镍层厚度比其他部分的镍层厚度大，然后通过对接合部的基体与所述镍层的加热熔融，焊接刀头与基体。
14．根据权利要求13所述刀具的制造方法，其特征是，在由电镀或喷镀形成镍层后，通过剃齿或切削调整镍层的厚度，然后通过对接合部的基体与所述镍层的加热熔融，焊接基体与刀头。
15．根据权利要求8所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合面间夹设由镍或含镍金属组成的薄板的同时，使该薄板的基体与刀头接合区的端部从基体向外突出，然后，通过对接合部的基体与所述薄板的加热熔融，焊接刀头与基体。
16．根据权利要求7所述刀具的制造方法，其特征是，在通过金属层将超硬合金制的刀头焊接固着在钢制的基体时，在刀头与基体接合区的端部和其他部分，以不同构成元素的不同种金属形成金属层。
17．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合区的端部配设高韧性金属的同时，在接合区的其他部分设有高强度金属，通过熔融高强度金属而焊接刀头与基体，同时以该高强度金属的熔融热熔化端部的高韧性金属。
18．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强金属，熔化端部的高韧性金属，在接合区端部焊接刀头和基体后，通过熔融高强度金属焊接基体与刀头。
19．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，熔化端部的高韧性金属，将高强度金属定位在基体或刀头，然后，使刀头与基体相对并焊接。
20．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，通过将端部的高韧性金属与基体或刀头的结合固定，同时对高强度金属进行定位，然后将刀头与基体相对并进行焊接。
21．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，通过同时熔融高强度金属与高韧性金属而焊接基体与刀头，与此同时，在该高强度金属与高韧性金属间设有的交界部，使两者熔融混合。
22．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，同时在所述高韧性金属与高强度金属之间，设具有介于该两种金属之间特性的中间特性的金属，通过对这些金属的加热熔融，焊接基体与刀头。
23．根据权利要求16所述刀具的制造方法，其特征是，在于基体与刀头的接合区的端部设有高韧性金属，在接合区的其他部分设有高强度金属，同时以具有不同的热膨胀系数的多层形成所述高强度金属，通过使所述高韧性金属及高强度金属加热熔融，将刀头与基体焊接。
24．根据权利要求23所述的刀具的制造方法，其特征是，在刀头侧设有WC粉末中混有6-20％Co粉末的混合粉末，在基体侧设有WC粉末中混有40-60％Co粉末的混合粉末，同时在接合区端部设有Cu粉末，通过加热烧结这些粉末，焊接刀头和基体。
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