CN111918978B - 硬质合金、涂层刀具和切削刀具 - Google Patents

硬质合金、涂层刀具和切削刀具 Download PDF

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Abstract

本发明的硬质合金具有：含有W和C的硬质相；含有W、C、Ti和Zr的第一固溶体和第二固溶体；含有铁类金属的粘结相。本发明的硬质合金含有以TiC换算为1.0～3.0质量％的所述Ti、以ZrC换算为0.75～2.0质量％的Zr。所述Ti的TiC换算量，多于所述Zr的ZrC换算量，并少于3倍。所述第一固溶体，满足以原子比计0.1≤Ti/(Ti+Zr)＜0.4的关系，所述第二固溶体，满足以原子比计0.7≤Ti/(Ti+Zr)≤0.9的关系。本发明的涂层刀具具有上述硬质合金、和位于硬质合金的表面的涂层。本发明的切削刀具具有：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涂层刀具。

Description

硬质合金、涂层刀具和切削刀具
技术领域
本发明涉及硬质合金、涂层刀具和切削刀具。
背景技术
含有WC作为硬质相的硬质合金，作为要求耐磨耗性的滑动零件和用于加工金属等的刀具用的材料被利用。用于刀具的硬质合金，已知有含有固溶体的硬质合金。在专利文献1中记载有使用含有Ti和Zr和C，Ti与Zr的含有比率不同的两种固溶体，在各自的固溶体中，通过将Ti/(Ti+Zr)的范围分别控制在0.4≤Ti/(Ti+Zr)≤0.6、0.7≤Ti/(Ti+Zr)≤0.9的范围，由此能够提高在高温下的强度和韧性。在滑动零件和刀具中，若高温下的强度和韧性高，则能够提高滑动速度和加工速度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003－277873号公报
发明内容
本发明的硬质合金具有：含有W和C的硬质相；含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)低于0.5的第一固溶体；含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)为0.5以上的第二固溶体；含有铁类金属的粘结相。本发明的硬质合金，含有以TiC换算为1.0～3.0质量％的所述Ti、以ZrC换算为0.75～2.0质量％的所述Zr。所述Ti的TiC换算量多于所述Zr的ZrC换算量，并少于3倍。所述第一固溶体中，以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.1以上且低于0.4，所述第二固溶体中，以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.7以上且0.9以下。
另外，本发明的涂层刀具具有上述硬质合金、和覆盖硬质合金的涂膜。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涂层刀具。
附图说明
图1是表示本发明的涂层刀具的一例的立体图。
图2是表示本发明的涂层刀具的表面附近的剖面放大图。
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
本发明的硬质合金具有：含有W和C的硬质相；含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)低于0.5的第一固溶体；含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)为0.5以上的第二固溶体；含有铁类金属的粘结相。本发明的硬质合金含有以TiC换算为1.0～3.0质量％的所述Ti、以ZrC换算为0.75～2.0质量％的所述Zr。所述Ti的TiC换算量多于所述Zr的ZrC换算量，并少于3倍。所述第一固溶体满足以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.1以上且低于0.4的关系，所述第二固溶体满足以原子比Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.7以上且0.9以下的关系。
本发明的硬质合金的硬质相含W和C，以WC为主成分。硬质相由WC粒子构成，也可以含90质量％以上的WC，余量为其他的固溶元素。作为固溶元素可列举Al和Cr等。这样的硬质相，如果利用X射线衍射，检测出来自WC结晶的峰，则能够判断为存在。
本发明的硬质合金，也可以含有硬质相为80～95质量％。若在此范围，则具有适合用作涂层刀具的硬度。特别是也可以含有硬质相为90～95质量％。
另外，本发明的硬质合金具有：含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)低于0.5的第一固溶体；含有W、C、Ti和Zr，以原子比计Ti/(Ti+Zr)为0.5以上的第二固溶体。
硬质相与第一固溶体和第二固溶体，在含有W和C方面共通，但第一固溶体和第二固溶体含有的W和C的合计量为65质量％以下，W与C的含量不同。
第一固溶体，在Ti与Zr的关系中，Zr多。若第二固溶体与第一固溶体相比，则Ti的比例多。
第一固溶体和第二固溶体是所谓的β相。第一固溶体和第二固溶体包括从周期表第4a、5a、6a族金属的群中选择的至少一种以上的金属元素的碳化物、氮化物和/或碳氮化物之中的一种以上。而后，如上述，至少含有W、Ti、Zr和C。
第一固溶体和第二固溶体，经过X射线衍射，具有与WC结晶不同的峰。
该第一固溶体和第二固溶体的组成，在扫描型电子显微镜(SEM)和透射型电子显微镜(TEM)中，能够以能量色散型X射线光谱分析(EDS)测量。
另外，本发明的硬质合金还含有粘结相，所述粘结相含有Ni和Co等的铁类金属。
这些构成要素，因为组成各不相同，所以通过使SEM与元素分析、元素分布分析加以组合便能够容易区别。另外，也可以使用TEM，测量组成。
具有这样构成的硬质合金高温下的强度和韧性高。因此，即使加快滑动速度，耐磨耗性也优异。另外，作为涂层刀具使用时，能够加快加工速度。
另外，本发明的硬质合金，也可以含有以TiC换算为1.5～2.5质量％的Ti、以ZrC换算为1.0～1.5质量％的Zr。若在这一范围内含有Ti和Zr，则高温下的硬度和强度提高，即使在高速切削中使用，也不会发生塑性变形而达成高寿命。
另外，本发明的硬质合金，在对于硬质合金进行剖视时，第一固溶体的体积比率(V1)相对于第一固溶体的体积比率(V1)和第二固溶体的体积比率(V2)的总和的比率(V1/(V1+V2))，可以为0.05～0.3。
若在这一范围，则硬质合金特别是在高温下的强度和韧性高，在滑动速度和加工速度高的加工中发挥优异的耐塑性变形性。
在此所测量的体积比率(V1、V2)是在硬质合金的截面SEM等中，设第一固溶体相的面积比率为V1，设第二固溶体的面积比率为V2。
另外，第一固溶体和第二固溶体，也可以分别含有Ta，第一固溶体含有的W和Ta的合量，比第二固溶体含有的W和Ta的合量多。作为这样的构成，第二固溶体的高温特性提高，因此即使在高速加工中也难以发生塑性变形。
另外，第一固溶体和第二固溶体的晶格常数，可以是
Figure GDA0002701159990000041
通过在这一范围，固溶于β相中的Zr成分得到最佳化，不会使常温硬度降低而能够使高温特性提高。上述的晶格常数，使用Rietveld分析测量。分析中作为模型使用Cubic、Fm－3m、No.225的结晶相。
本发明的涂层刀具具有位于硬质合金的表面的涂层。图1是表示本发明的涂层刀具的一例的立体图。本发明的涂层刀具1，在图1所示的例子中，主面是大致四边形的板状。但是，不限定为这一形状。图1中的上表面是前刀面，图1是的侧面是后刀面。而且，在上表面与侧面的交叉棱部形成有刃口7。换言之，就是具有位置于前刀面与后刀面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。
在涂层刀具1中，可以使前刀面的外周的整体成为刃口7，但涂层刀具1不限定为这样的构成，例如，也可以只在四边形的前刀面的一边上具有刃口7，或部分性地具有刃口7。
涂层刀具1的大小没有特别限定，例如，前刀面的一边的长度设定为3～20mm左右。另外，涂层刀具1的厚度，例如设定为3～20mm左右。
另外，在图1中的上表面至下表面，可以具有贯通孔17。
本发明的涂层刀具1，如图2所示，在由本发明的硬质合金构成的基体3的表面具有涂层5。位于基体3的表面的涂层5能够通过PVD和CVD形成。
涂层5可以是多层，例如，可以从基体3这一方起按顺序具有TiCN层5a和Al2O3层5b。另外，也可以涂层5从基体3这一方起按顺序具有TiN层(未图示)、TiCN层5a和Al2O3层5b。本发明的涂层刀具1，使用塑性变形小的硬质合金作为基体3，还具有涂层5，由此适合高速加工。还有，涂层5不需要覆盖基体3的整个面，覆盖基体3的表面的至少一部分即可。特别是覆盖作为刃口7使用的区域的表面即可。
使用附图对于本发明的切削刀具进行说明。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的上述的涂层刀具1。切削刀具101，因为具备涂层刀具1，所以能够长期进行稳定的切削加工。
卡槽103是安装涂层刀具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。
涂层刀具1位于卡槽103。这时，涂层刀具1的下表面可以直接接触卡槽103，另外，在涂层刀具1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。
涂层刀具1以使前刀面和作为刃口7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，涂层刀具1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即，在涂层刀具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，涂层刀具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101。作为车削加工，例如，可列举内径加工、外径加工和开槽加工等。还有，作为切削刀具101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涂层刀具1。
以下，对于本发明的硬质合金的制造方法进行说明。
作为原料粉末，准备TiC粉末、ZrC粉末、WC粉末、TaC粉末、NbC粉末。原料粉末的平均粒径可以在0.1～10μm的范围适宜选择。
TiC粉末为1.0～3.0质量％的范围。另外，使ZrC为0.75～2.0质量％。这时，需要使TiC量大于ZrC量。
TaC粉末可以为0～5质量％。WC粉末为80～95质量％。余量为Co粉末。
混合这些原料粉末，并进行成形后，进行脱蜡处理，在真空、氩气氛和氮气氛等的非氧化性气氛中，以1450～1600℃的温度烧成30～180分钟，得到本发明的硬质合金。
使该硬质合金成为切削刀具的形状，作为本发明的切削刀具。
另外，在切削刀具的形状的硬质合金上，以CVD法设置涂层，由此切削刀具的滑动性和耐磨耗性提高。
作为以CVD法设置的涂层，可以在硬质合金的表面，从硬质合金的一侧起按顺序形成TiCN层3～15μm、Al2O3层1～15μm。
另外，在硬质合金的表面，可以从硬质合金一侧起，按顺序形成TiN层0.1～1.5μm、TiCN层3～15μm、Al2O3层1～15μm。
实施例
以下，具体说明本发明的实施例。
按规定的比例混合WC粉末、Co粉末、ZrC粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末，将制作而成的成形体，以1520℃的温度保持2小时而进行烧成，制作表1所示的组成的硬质合金。
【表1】
Figure GDA0002701159990000061
原料粉末的平均粒径分别为WC：3μm，Co：1.5μm，TiC、ZrC、TaC、NbC：1μm。还有，各个组成，是将烧结体中包含的元素换算成表1的化合物而加以表示。通过下述的条件的高温蠕变试验，评价所得到的硬质合金。
＜高温蠕变试验＞
温度：900℃
载荷：9kN
气氛：氩
评价方法：测量载荷保持4小时时的位移量。
另外，以表1所示的组成，制成CNMG120408形状的试样，从母材侧起按顺序分别成膜氮化TiN：0.5μm、TiCN：7μm、Al2O3膜：5μm，以下述的条件进行切削评价。
＜切削试验＞
(1)耐崩损性评价
·切削条件
·加工形态：车削
·切削速度：300m/min
·进刀：0.3mm/rev
·切入：1.5mm
·被切削材：SCM440 4条开槽
Figure GDA0002701159990000071
圆棒
·加工状态：WET
·评价项目：崩损时的冲击次数
(2)耐磨耗性评价
·切削条件
·加工形态：车削
·切削速度：300m/min
·进刀：0.3mm/rev
·切入：2.0mm
·被切削材：SCM435
Figure GDA0002701159990000072
圆棒
·加工状态：WET
·评价项目：后刀面磨耗宽度为0.3mm时的切削时间。
制作的试料的第二固溶体，全部满足以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.7以上且0.9以下的关系，因此在表1中省略而未记载。满足本发明的构成要件的试料No.4、7、8、10、15～21，蠕变试验位移量小，磨耗量也小，至崩损发生的时间也长。据此结果可知，本发明的硬质合金，可以在高滑动速度和加工速度下使用。
以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明不受上述的实施方式限定，在不脱离本发明的宗旨的范围，也可以进行各种改良和变更。
符号说明
1 涂层刀具
3 基体
5 涂层
5a TiCN层
5b Al2O3层
17 贯通孔
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
107…固定螺栓

Claims (6)

1.一种硬质合金，其具有：
含有W和C的硬质相；
含有W、C、Ti和Zr的第一固溶体；
含有W、C、Ti和Zr的第二固溶体；
含有铁类金属的粘结相，
含有所述Ti以TiC换算计为1.0质量％～3.0质量％，并含有所述Zr以ZrC换算计为0.75质量％～2.0质量％，
并且，含有TaC：高于1.0质量％并在5.0质量％以下，
以TiC换算的所述Ti的量多于以ZrC换算的所述Zr的量且少于以ZrC换算的所述Zr的量的3倍，
所述第一固溶体，以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.1以上且低于0.4，
所述第二固溶体，以原子比计Ti/(Ti+Zr)的平均值为0.7以上且0.9以下，
所述硬质合金的截面中的、所述第一固溶体的体积比率V1相对于所述第一固溶体的体积比率V1和所述第二固溶体的体积比率V2的总和的比率V1/(V1+V2)为0.05～0.3。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，含有所述Ti以TiC换算计为1.5质量％～2.5质量％，并含有所述Zr以ZrC换算计为0.9质量％～1.4质量％。
3.一种涂层刀具，其具有权利要求1或2所述的硬质合金、和位于该硬质合金表面的涂层。
4.根据权利要求3所述的涂层刀具，其中，所述涂层从所述硬质合金一侧起按顺序具有TiCN层和Al2O3层。
5.根据权利要求3所述的涂层刀具，其中，所述涂层从所述硬质合金一侧起按顺序具有TiN层、TiCN层和Al2O3层。
6.一种切削刀具，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3～5中任一项所述的涂层刀具。
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