CN111936256A - 刀具和具备它的切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明的刀片具备包含金属陶瓷的基体,所述金属陶瓷含有:含有含Ti的碳氮化物的硬质相;含有Co的粘结相。所述基体含有Co0.93W0.07。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;和位于所述卡槽的位于所述卡槽的上述的刀片。

Description

刀具和具备它的切削刀具
技术领域
本发明涉及在切削加工中使用的刀具和具备它的切削刀具。
背景技术
现在,作为切削刀具、耐磨耗性构件和滑动构件等需要耐磨耗性、滑动性和耐缺损性的构件的基体,广泛使用以钛(Ti)为主成分的金属陶瓷。
例如,在专利文献1中记载有通过控制烧成条件,使金属陶瓷中存在包含在金属陶瓷中的金属相中的钨的质量比(W/(Co+Ni))为0.8以下的第一粘结相,和(W/(Co+Ni))为1.2以上的第二粘结相。
该发明以提高金属陶瓷在高温下的耐磨耗性和耐缺损性为目的。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第5989930号
发明内容
本发明的刀片具备包含金属陶瓷的基体,该金属陶瓷含有:含有包含Ti的碳氮化物的硬质相;含有Co的粘结相。所述基体含有Co0.93W0.07。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;和位于所述卡槽的位于所述卡槽的上述的刀片。
附图说明
图1是表示本发明的刀片的一例的立体图。
图2是表示本发明的刀片的表面附近的剖面的放大概要图。
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
<刀片>
以下,对于本发明的刀片,使用附图详细说明。但是,以下参照的各图,为了便于说明,只将实施方式在说明上必要的主要构件简略化表示。因此,本发明的刀片,能够具备所参照的各图中未展示的任意的结构构件。另外,各图中的构件的尺寸,并非忠实表达实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。这些方面在后述的切削刀具中也同样。
本发明的刀片1,如图1、2所示具有基体3。本发明的刀片1可以具备覆盖基体3的至少一部分的涂层5。
本发明的刀片1的形状,例如是四边形板状,图1中的上表面是所谓的前刀面。另外,与上表面相反具有下表面,在上表面与下表面之间具有分别与之相连的侧面。侧面至少一部分是所谓的后刀面。
本发明的刀片1,具有位于上表面与侧面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。换言之,就是具有位于前刀面与后刀面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。
在刀片1中,可以是前刀面的外周的整体成为刃口7,但刀片1不限定为这样的构成,例如,可以只在四边形的前刀面的一边上具有刃口7,或者部分性地具有刃口7。
刀片1的大小没有特别限定,例如,前刀面的一边的长度可设定为3~20mm左右。另外,刀片1的厚度,例如可设定为1~20mm左右。
本发明的刀片1的基体3包含金属陶瓷,所述金属陶瓷含有:含有包含Ti的碳氮化物的硬质相;含有Co的粘结相。金属陶瓷是所谓的TiCN基金属陶瓷。具体来说,作为金属陶瓷,除了TiCN以外,还可列举含有TiC或TiN等的。
本发明的刀片1的基体3含有Co0.93W0.07。由此,成为耐磨耗性、耐缺损性优异的刀片1。还有,Co0.93W0.07是由JCPDS卡的PDF:01-071-7509表示的结晶。
刀片1中所含的Co0.93W0.07的量,若为例如通过X射线衍射Co0.93W0.07不能确定程度的少量,则起不到效果。
本发明的刀片1,在X射线衍射的结晶相分析中,总结晶中所占的所述Co0.93W0.07的比例可以为5~10。另外,也可以为8~10。若像这样Co0.93W0.07的含量多,则基体3的耐磨耗性、耐缺损性高。
上述的Co0.93W0.07的比例,通过使用了X射线装置:PANalytical社制X’Pert Pro 2θ:10~100、分析软件RIETAN-FP的Rietveld法,计算出检测到的全部的结晶的比例中所占的Co0.93W0.07的比例。
另外,基体3可以含有以总量计为16~25质量%的Co、Ni和Fe。
另外,基体3中,由Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率可以为99.0质量%以上。该Co的含有率,若换言之,也能够表现为粘结相的Co的含有率。另外,Co的含有率可以为99.5质量%以上。该Co的含有率(质量%),是测量刀片中所含的Co、Fe、Ni的质量,用Co的质量除以三者总量乘100倍的值。换句话说,也就是本发明的刀片1中包含的粘结相中的Fe和Ni的总量低于1质量%。若像这样使作为粘结相而发挥功能的金属大体上只有Co,则容易得到Co0.93W0.07在基体3中适度分散,耐磨耗性、耐缺损性高的基体3。粘结相只有Co时,例如,作为硬质相的原料粉末,平均粒径为1μm以下,也可以进一步在0.6μm以下。还有,基体3中所占的Co的含量,可以为16质量%以上。
另外,作为粘结相而含有Fe和Ni时,硬质相与粘结相的润湿性提高。
粘结相在基体3的截面中也可以占据5~25面积%的比例。粘结相中,除去不可避免的杂质以外,可以只由Co和W构成。粘结相含有Co和W以外的元素时,各个元素的含量可以在0.5质量%以下。
另外,本发明的刀片1,如图2所示,可以在基体3之上具有涂层5。若刀片1具有涂层5,则刀片1的耐磨耗性高。
另外,涂层5可以由CVD法或PVD法形成。涂层5,可以在靠近基体3的一侧具有例如含有TiN粒子的第一层5a。涂层5可以在比第一层5a距基体3更远的位置,具有含TiCN粒子的第二层5b,可以在比第二层5b距基体3更远的位置,具有含Al2O3粒子的第三层5c。
第一层5a具有多个TiN粒子时,在与基体3的表面垂直的截面中,TiN粒子的平行于基体3的表面的方向的厚度(以下,也称为TiN粒子的厚度)可以为5~20nm。若具有这样的构成,则第一层5a和基体3的密接性优异。另外,因为被覆膜5的粒子的厚度小,所以被覆膜5的耐磨耗性高。
还有,TiN粒子的厚度的测量,可以在距基体3的表面0.05μm的位置进行测量。另外,第一层5a的厚度为0.05μm以下时,可以在第一层5a的厚度的一半的位置测量TiN粒子的厚度。
另外,与所述基体3的表面垂直的方向的TiN粒子的高度相对于与基体3的表面平行的方向的TiN粒子的厚度之比(以下,也称为高宽比),可以为1.0~1.7。若具有这样的构成,则第一层5a与基体3的密接力优异。
还有,TiN粒子的高宽比,可以对于从基体3的表面起至0.05μm的位置上存在的TiN粒子进行测量。
另外,第一层5a的厚度可以为0.1~1.0μm。若第一层5a的厚度为0.1μm以上,则抑制基体3中包含的粘结相成分向被膜扩散,耐缺损性优异。若第一层5a的厚度为1.0μm以下,则上层的第二层5b中包含的TiCN粒子变得微细,耐磨耗性优异。特别是第一层5a的厚度可以为0.3~0.7μm。
在图2所示的例子中,刀片1在基体3之上具有第一层5a。另外,在第一层5a之上具有第二层5b。第二层5b中包含TiCN粒子。TiCN粒子的热膨胀系数为8×10-6/℃左右,若使基体3的热膨胀系数为9.0×10-6/℃以上,则第二层5b的热膨胀系数小于基体3的热膨胀系数。第二层5b处于基体3与第一层5c之间,在抑制第一层5c剥落的同时,还抑制机械性磨损。
第三层5c中包含Al2O3粒子。Al2O3粒子的热膨胀系数为7.2×10-6/℃左右,比基体3和第二层5b的热膨胀系数小。基体3与第二层5b可以直接接触,例如,也可以如图2的例所示,有第一层5a位于两者之间。此第一层5a,不需要只由纯粹的TiN粒子构成,例如,也可以含有O和C。另外,第二层5b和第三层5c可以直接接触,例如,也可以有TiN层(未图示)位于两者之间。
在具有这样的构成的刀片1中,通过调整基体3的热膨胀系数与第三层5c的厚度,能够对于第二层5b和第三层5c施加适度的压缩应力。例如,第三层5c的厚度为2μm以上。
而且,可以使施加于第二层5b的压缩应力为250~500MPa,施加于第三层5c的压缩应力为450MPa以上,使施加于第三层5c的压缩应力比施加于第二层5b的压缩应力的值大。若具有这样的构成,则刀片1其耐磨耗性和耐久性优异。
还有,施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力,可以例如基于使用了2D法的测量进行判断。具体来说,将后刀面的距刃口7离开1mm以上的部分作为测量位置,测量X射线衍射峰。关于由测量结果确定的晶体结构,能够通过确认测量结果中的2θ的值,相对于作为JCPDS卡所记述的标准的2θ的值如何偏离而求得。
在此,残余应力是负值时,残余应力是压缩应力。表示压缩应力的值时,不带负号,而是以绝对值表现。
若基体3的热膨胀系数大,则施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力的值处于变大的倾向。
若比较构成涂层5的第二层5b和第三层5c,则第三层5c处于远离基体3的位置。因此,使用本发明的切削刀具1加工被加工物时,第三层5c先于第二层5b与被加工物接触。第三层5c含有Al2O3粒子,具有2μm以上的厚度时,耐磨耗性、耐氧化性高。另外,第三层5c的厚度可以在2.5μm以上且8.0μm以下。具有这样的构成的刀片1,耐磨耗性和耐氧化性更优异。
若考虑第二层5b和第三层5c的功能,则第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和可以为7μm以上且18μm以下。另外,也可以为8μm以上且16μm以下。
第二层5b,其厚度可以为5μm以上且10μm以下。若在这样的范围,则刀片1耐磨耗性和耐缺损性优异。
另外,第三层5c的厚度,相对于第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和,可以为0.2~0.4倍。这样构成的刀片1,耐磨耗性和耐缺损性优异。
另外,第三层5c,可以以沿着与基体3的主面垂直的方向的方式定向Al2O3结晶的C轴。若换种说法,就是含有α-Al2O3粒子,该α-Al2O3粒子可以成为相对于基体3的主面在垂直方向上延伸的柱状。
另外,在本发明的刀片1的基体3中,在表面也可以存在粘结相的比例比基体3的内部多的粘结相富化层。该粘结相富化层的厚度可以为1μm以上且10μm以下。
以下说明本发明的刀片的制造方法。
表1中显示在后述的实施例中使用的、成为刀片的基体的原料粉末的比例。各原料的平均粒径,全部用1μm以下的。
这些原料粉末,一般是在金属陶瓷的制造中使用的。本发明的刀片包含的Co0.93W0.07,是作为原料使用的Co和W在刀片的制造过程中反应而形成的。
在原料的调合时,通过调整所含有的C量,能够得到含有Co0.93W0.07的基体。原料中的C量,可以以调合组成比计为C/(硬质相)=8.0~9.1。若使C/(硬质相)为9.1以下,则能够得到含有Co0.93W0.07的基体。若使C/(硬质相)为8.0以上,则能够抑制η相增加,因此能够抑制Co0.93W0.07相对减少。
还有,所谓原料中的C量,除了作为碳素而添加的C之外,例如,还包括各原料粉末中所包含的C。另外,所谓硬质相,是指刀片中能够作为硬质相存的,不包括例如Fe、Ni、Co和Mn、Mo的金属、氧化物和碳氧化物。
在这样的组成范围的原料粉末中添加粘结剂后,例如,通过冲压成形,整理成希望的形状,在除去粘结剂成分的脱脂工序之后,例如,在氮或真空气氛中,于1500~1550℃的温度区域烧成,从而得到致密质的基体。
还有,在脱脂工序中,真空中以200℃、300℃分别保持1小时,其后,升温至450℃,保持1小时。这时,在450℃的工序中,为了抑制作为原料而添加的C减少,使CO2气达到1~5kPa的压力而将其导入脱脂炉。如此能够精密地控制C量。
基体在25~1000℃的热膨胀系数可以为9.0×10-6以上。
接着,可以根据需要设置涂层。设置涂层时,例如,在基体的表面形成含有TiN粒子的第一层。再在第一层之上,形成含有TiCN粒子的第二层。再在第二层之上形成含有Al2O3粒子的第三层。第一层、第二层、第三层,可以由化学蒸镀(CVD)法形成。通过此CVD蒸镀法,成膜时的成膜温度越高,施加于所形成的膜的压缩应力越大。因此,可以根据需要调整成膜温度。
另外,在与基体的表面垂直的截面中,为了得到具有与基体的表面平行的方向的厚度低于20nm的微细的TiN粒子的第一层,可以使基体所包含的粘结相成分之中,Co的比率为99.9质量%以上。
第一层,例如可以按如下条件制膜:温度:800~900℃、压力8~20kPa、TiCl4浓度:0.2~2.5mol%、N2浓度:25.0~49.9mol%、H2浓度40.0~74.8mol%。
另外,如上述,通过控制第二层、第三层的厚度,也能够控制施加于第二层、第三层的压缩应力。
先测量所制作的刀片的第二层、第三层的压缩应力,基于其结果,调整成膜温度和成膜时间,则能够制造具有希望的压缩应力的刀片。
<切削刀具>
接下来,对于本发明的切削刀具使用附图进行说明。
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的上述的刀片1。切削刀具101,因为具备刀片1,所以能够长期进行稳定的切削加工。
卡槽103是安装刀片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。
刀片1位于卡槽103。这时,刀片1的下表面可以直接接触卡槽103,另外,在刀片1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。
刀片1以使前刀面和后刀面相交的棱线中作为刃口7被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,刀片1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即,在刀片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,刀片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。作为车削加工,例如,可列举内径加工、外径加工、开槽加工和端面加工等。还有,作为切削刀具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刀片1。
实施例
以下,对于本发明的刀片进行说明。
基体以如下方式制作。使用表1所示的比例的原料粉末制作刀具形状的成形体,除去粘结剂成分后,烧成,制作基体。这些试料之中,试料No.1~14的基体是所谓的金属陶瓷。试料No.15的基体,是所谓的超硬合金。还有,在脱脂工序中,在真空中以200℃、300℃分别保持1小时,之后,升温至450℃,保持1小时。这时,在450℃的工序中,以3kPa的压力将CO2气导入脱脂炉。
【表1】
Figure BDA0002692047040000091
【表2】
Figure BDA0002692047040000101
在该基体的表面,以表2所示的成膜条件,通过CVD蒸镀法,以表2所示的成膜条件形成第一层。再在第一层之上形成第二层。再在第二层之上形成第三层。
基体中有无Co0.93W0.07显示在表1中。在所得到的刀片的与基体的表面垂直的截面中,测量第一层中的与基体的表面平行的方向的TiN粒子的厚度和TiN粒子的高宽比。表2中显示其结果。还有,基体具有粘结相富化层。
所得到的刀片,按以下的条件,进行切削试验。
(耐磨耗性试验)
被切削材:SAPH440
切削速度:1000m/min
进刀:0.15mm/rev
进刀量:0.25mm
切削状态:湿式
评价方法:在切削了切削长度5.0km的时刻的后刀面磨耗厚度(μm)
(抗崩刃性试验)
被切削材:SAPH440 12条开槽(10mm厚度)
切削速度:1000m/min
进刀:0.15mm/rev
进刀量:0.25mm
切削状态:湿式
评价方法:至缺损的冲击次数(次)
在得到的刀片的截面中,通过X射线衍射,确认有无Co0.93W0.07及其比例。该结果显示在表1中。另外,测量第一层中的TiN粒子的与基体的表面平行的方向的厚度。其结果显示在表2中。另外,在表2中,还显示TiN粒子的高宽比。
所得到的刀片,按以下的条件,进行切削试验。
(耐磨耗性试验)
被切削材:SAPH440
切削速度:1000m/min
进刀:0.15mm/rev
进刀量:0.25mm
切削状态:湿式
评价方法:切削长度在切削了5.0km的时刻的后刀面磨耗厚度(μm)
(抗崩刃性试验)
被切削材:SAPH440 12条开槽(10mm厚度)
切削速度:1000m/min
进刀:0.15mm/rev
进刀量:0.25mm
切削状态:湿式
评价方法:至缺损的冲击次数(次)
作为基体,使用了超硬合金的试料No.15,不含有Co0.93W0.07
作为具备含有Co0.93W0.07的基体的刀片,即试料No.2~5、7~14,与没有Co0.93W0.07的试料No.1、6、15相比,显示出更优异的耐磨耗性、耐缺损性。
另外,在基体的基于X射线衍射的结晶相分析中,总结晶中所占的Co0.93W0.07的比例处于5~12的范围的试料No.3、8~13,显示出特别优异的耐磨耗性、耐缺损性。
另外,第一层的TiN粒子的厚度为20nm以下的试料,基体与第一层的密接性优异。另外,高宽比为1.0~1.7以下的试料,基体与第一层的密接性优异。
符号说明
1…刀片
3…基体
5…涂膜
5a…第一层
5b…第二层
5c…第三层
7…刃口
17…贯通孔
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
107…固定螺栓

Claims (13)

1.一种刀片,其具备包含金属陶瓷的基体,所述金属陶瓷含有:
含有含Ti的碳氮化物的硬质相;和
含有Co的粘结相,
所述基体含有Co0.93W0.07
2.根据权利要求1所述的刀片,其中,在所述基体的基于X射线衍射的结晶相分析中,所述Co0.93W0.07在总结晶中所占的比例为5~12。
3.根据权利要求1或2所述的刀片,其中,所述基体中,含有以总量计为16质量%~25质量%的所述Co、Ni和Fe。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的刀片,其中,所述基体中,根据Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率为99.0质量%以上。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的刀片,其中,所述基体,在表面的至少一部分上具有涂层。
6.根据权利要求5所述的刀片,其中,所述涂层在基体侧具有第一层,所述第一层含有多个TiN粒子,所述TiN粒子,在与所述基体的表面垂直的截面中,与所述基体的表面平行的方向的厚度为20nm以下。
7.根据权利要求5或6所述的刀片,其中,所述TiN粒子,在与所述基体的表面垂直的截面中,与所述基体的表面垂直的方向的TiN粒子的高度相对于与所述基体的表面平行的方向的所述TiN粒子的厚度之比为1.0~1.7。
8.根据权利要求5~7中任一项所述的刀片,其中,所述涂层在与所述第一层相比距所述基体远的位置具有第二层,所述第二层含有TiCN粒子,在与该第二层相比距所述基体远的位置具有第三层,所述第三层含有Al2O3粒子。
9.根据权利要求8所述的刀片,其中,
所述基体,在25℃~1000℃下的热膨胀系数为9.0×10-6/℃以上,
所述第二层的压缩应力为250MPa~500MPa,
所述第三层具有2μm以上的厚度,压缩应力为450MPa以上,与所述TiCN层相比压缩应力的值大。
10.根据权利要求8或9所述的刀片,其中,所述第三层的厚度为2.5μm以上且8.0μm以下。
11.根据权利要求8~10中任一项所述的刀片,其中,所述第二层的厚度为5μm以上且10μm以下。
12.根据权利要求8~11中任一项所述的刀片,其中,所述第三层的厚度在所述第二层的厚度与所述第三层的厚度之和的0.2倍~0.4倍的范围。
13.一种切削刀具,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1~12中任一项所述的刀片。
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