CN116940700A - 硬质合金以及切削刀具 - Google Patents

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CN116940700A CN202280019605.8A CN202280019605A CN116940700A CN 116940700 A CN116940700 A CN 116940700A CN 202280019605 A CN202280019605 A CN 202280019605A CN 116940700 A CN116940700 A CN 116940700A
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Abstract

基于本公开的未被限定的一方面的硬质合金具有多个碳化钨粒子、以及至少包含Co的粘结相。粘结相还包含Cr。在硬质合金的截面中，将具有100nm以上的对置面长度(L)而相邻的碳化钨粒子的表面间的距离(X)为5nm以下的区域设为WC/WC区域。将对WC/WC区域在从一方的碳化钨粒子到另一方的碳化钨粒子横切的方向上进行元素分析而得到的Cr的原子浓度的峰值设为Cr值，将Co的原子浓度的峰值设为Co值，将Cr值与Co值的比率(Cr值/Co值)设为Cr/Co比率的情况下，Cr/Co比率比1大。基于本公开的未被限定的一方面的切削刀具具有上述的硬质合金。

Description

硬质合金以及切削刀具
相关申请的相互参照
本申请主张在2021年3月25日申请的日本专利申请2021-051057号的优先权，并将该在先申请的全部公开援引于此以供参照。
技术领域
本公开涉及硬质合金以及切削刀具。
背景技术
作为在切削刀具等中使用的硬质合金，例如，已知有国际公开第2019/138599号(专利文献1)所记载的硬质合金。专利文献1所记载的硬质合金具有由碳化钨粒子构成的硬质相、以及包含Co及Cr的粘结相。在专利文献1公开的相邻的碳化钨粒子的表面间的距离为5nm以下的区域中，Co的原子浓度的峰值C(C)与Cr的原子浓度的峰值C(R)的比率C(R)/C(C)的最大值为表4的试样D3所示的0.177。Cr相对于Co的固溶极限已知为大约30atm％，在专利文献1中公开有在钨粒子间存在Co和大约为固溶极限一半的Cr。
发明内容
基于本公开的未被限定的一方面的硬质合金具有多个碳化钨粒子、以及至少包含Co的粘结相。所述粘结相还包含Cr。在所述硬质合金的截面中，将具有100nm以上的对置面长度L而相邻的所述碳化钨粒子的表面间的距离X为5nm以下的区域设为WC/WC区域。将对该WC/WC区域在从一方的碳化钨粒子到另一方的碳化钨粒子横切的方向上进行元素分析而得到的所述Cr的最大值(atm％)设为Cr值，将所述Co的最大值(atm％)设为Co值，将所述Cr值与所述Co值的比率(Cr值/Co值)设为Cr/Co比率的情况下，该Cr/Co比率比1.0大。
基于本公开的未被限定的一方面的切削刀具具有上述的硬质合金。
附图说明
图1是示出本公开的未被限定的一方面中的硬质合金的剖视图。
图2是示出本公开的未被限定的一方面中的切削刀具的立体图。
图3是图2所示的切削刀具中的III-III截面的剖视图。
具体实施方式
<硬质合金>
以下，使用附图对本公开的未被限定的一方面的硬质合金1详细地进行说明。但是，在以下参照的各图中，为了便于说明，仅简化示出在说明实施方式的方面所需的主要构件。因而，硬质合金1能够具备未在参照的图中示出的任意的构成构件。另外，图中的构件的尺寸并未如实地示出实际的构成构件的尺寸以及各构件的尺寸比率等。这些点在后述的切削刀具中也是相同的。
硬质合金1可以具有多个碳化钨(WC)粒子。WC粒子也能被称作硬质粒子。需要说明的是，硬质合金1也可以具有包含多个WC粒子的硬质相。硬质相也可以包含从WC以外的周期表第4、5、6族金属的碳化物、氮化物以及碳氮化合物的组中选出的至少一种。
WC粒子的平均粒径并不限定于特定的值。例如，WC粒子的平均粒径可以为0.5μm以上且3.0μm以下。WC粒子的平均粒径可以通过图像解析来测定。在该情况下，也可以将当量圆直径设为WC粒子的平均粒径。
硬质合金1可以具有至少包含Co(钴)的粘结相。粘结相可以具有使相邻的WC粒子结合的功能。另外，粘结相也可以具有使相邻的硬质相结合的功能。
粘结相还可以在粘结相中包含Cr(铬)。需要说明的是，可以将粘结相所含的Cr的含有量(质量％)设为Cr含有量。Cr含有量可以为5质量％以上。当Cr含有量为5质量％以上时，硬质合金1的高温硬度、高温强度较高。Cr含有量的上限值并不限定于特定的值。例如，Cr含有量的上限值可以为15质量％。Cr含有量可以通过ICP(Inductively CoupledPlasma)分析来测定。
如图1所示的未被限定的一例那样，在硬质合金1的截面中，可以将具有100nm以上的对置面长度L而相邻的WC粒子(第一WC粒子3以及第二WC粒子5)的表面间的距离X为5nm以下的区域设为WC/WC区域S。
对置面长度L的意思是指在硬质合金1的截面中相邻的WC粒子中的相互对置的表面的长度。需要说明的是，对置面长度L的上限值并不限定于特定的值。
距离X的下限值并不限定于特定的值。例如，距离X的下限值可以为0nm。即，在WC/WC区域S中，相邻的WC粒子可以至少一部分接触。另外，距离X可以在WC/WC区域S的全长范围内恒定。需要说明的是，恒定是指大致恒定即可，不需要是严格意义上的恒定。
可以的是，对WC/WC区域S在从一方的WC粒子(第一WC粒子3)到另一方的WC粒子(第二WC粒子5)横切的方向上进行元素分析。元素分析例如可以通过能量分散分光分析(EDS)来进行。
可以是，将通过元素分析得到的Cr的最大值(atm％)设为Cr值，将Co的最大值(atm％)设为Co值。另外，可以是，将Cr值与Co值的比率(Cr值/Co值)设为Cr/Co比率。
这里，Cr/Co比率可以比1.0大。在该情况下，高温下的强度降低较小。具体地进行说明而言，在WC/WC区域S中Cr存在得比Co多的情况下，推测为WC/WC区域S的硬度、强度等高温特性较高，硬质合金1的高温下的强度降低得到抑制。因此，容易抑制由高温时的冲击带来的裂纹的发展。在硬质合金1中，因在粘结相中固溶的Cr在冷却过程中在WC/WC区域S偏析或者析出，在WC/WC区域S中Cr与Co相比相对较多地存在，所以隔着WC/WC区域S相对的WC粒子彼此的粘接强度较高，因此推测为即使在高温下也抑制强度降低。需要说明的是，Cr相对于存在于WC/WC区域S的Co的比例超过固溶极限，因此Cr可能以碳化物等形态存在。
需要说明的是，高温的意思可以是指600℃以上且1000℃以下。在WC/WC区域S中Cr与Co相比相对较多地存在的确认例如可以通过使用了附属于电子显微镜的EDS的截面观察来进行。作为电子显微镜，例如，可以举出扫描式电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)等。
Cr/Co比率也可以为1.2以上。在该情况下，推断为WC/WC区域S的硬度、强度等高温特性进一步变高，硬质合金1的高温下的强度降低进一步被抑制。需要说明的是，Cr/Co比率的上限值并不限定于特定的值。例如，Cr/Co比率的上限值可以为2.5。
Cr值可以为4atm％以上。在该情况下，硬质合金1的高温下的强度降低被抑制，由高温时的冲击带来裂纹的发展容易被抑制。需要说明的是，Cr值的上限值并不限定于特定的值。例如，Cr值的上限值可以为8atm％。
Co值可以为1atm％以上且10atm％以下。
粘结相可以在粘结相中以85质量％以上且92质量％以下的比例包含Co。在该情况下，硬质合金1的高温强度与高温硬的平衡良好，适合于难切削材料的加工、高速加工。需要说明的是，可以将粘结相所含的Co的含有量(质量％)设为Co含有量。Co含有量可以与Cr含有量相同地进行测定。
粘结相还可以包含W(钨)。可以将粘结相所含的W的含有量(质量％)设为W含有量。另外，如上所述，可以将粘结相所含的Cr的含有量(质量％)设为Cr含有量。Cr含有量与W含有量的比率(Cr含有量/W含有量)可以为1.2以上且2.0以下。
由于当粘结相所含的Cr与W的质量比(Cr含有量/W含有量)为1.2以上且2.0以下时粘结相的熔点较低，因此烧结性提高，硬质合金1的室温强度容易提高。需要说明的是，Cr含有量与W含有量的比率(Cr含有量/W含有量)可以为1.40以上且1.85以下。W含有量可以为3.0质量％以上且5.0质量％以下。W含有量可以与Cr含有量相同地测定。
硬质合金1可以是热传导率为70W/m·K以上。在将该硬质合金1用作切削刀具的情况下，由加工时的急剧温度变化带来的热冲击的影响容易得到缓和。特别是刀具刀尖的由显著温度变化带来的机械特性降低得到抑制，并可以具有在高速以及高效率加工中优异的切削性能。
热传导率的上限值并不限定于特定的值。例如，热传导率的上限值可以为90W/m·K。热传导率可以通过激光闪光法来测定。测定条件可以以JIS R1611 2010为依据。
<硬质合金的制造方法>
接下来，举出制造硬质合金1的情况为例来对本公开的未被限定的一方面的硬质合金的制造方法进行说明。
首先，作为原料粉末，可以准备WC粉末、Co粉末、Cr3C2粉末。原料粉末的比例以及平均粒径例如可以如以下那样设定。WC粉末的比例可以为86质量％以上且95质量％以下。Co粉末的比例可以为5质量％以上且11质量％以下。Cr3C2粉末的比例可以为0.4质量％以上且1.5质量％以下。
WC粉末的平均粒径可以为0.4μm以上且3.0μm以下。Co粉末的平均粒径可以为0.5μm以上且3.0μm以下。Cr3C2粉末的平均粒径可以为0.5μm以上且3.5μm以下。原料粉末的平均粒径可以是由Microtrac法测定出的值。
可以是，将已准备的原料粉末混合而成形，并得到成形体。作为成形方法，例如，可以举出冲压成形、浇铸成形、挤压成形以及冷等静压成形等。
也可以对得到的成形体实施脱粘合剂处理并进行烧成。烧成可以在0.5Pa以上且100Pa以下的真空中进行。烧成温度可以为1350℃以上且1550℃以下。烧成时间可以为30分钟以上且180分钟以下。
可以在烧成后进行冷却并得到硬质合金1。这里，一般来说，在真空中，大多从保持着高温的状态通过加热器关闭直接开始冷却。然而，在这种冷却条件下，Cr/Co比率不超过1.0。在制造硬质合金1的情况下，也可以是，在以烧成中的最高温度进行了保持之后，将冷却速度控制为5℃/分钟以上且30℃/分钟以下来进行冷却。需要说明的是，也将最高温度下的保持称作一次保持。另外，也可以在冷却的阶段设置以1150℃以上且1350℃以下的温度范围保持0.5小时以上且3小时以下的二次保持。而且，可以是，在从一次保持到二次保持的期间导入N2气体、Ne气体、He气体、Ar气体的混合气体，并在温度降低到二次保持温度的时刻，再次进行脱气，将压力设为100Pa以下。
另外，一般来说，保持在烧成时从成形体产生的气体气氛(自生气氛)残留的状态进行冷却的情况较多。在制造硬质合金1的情况下，也可以是，在冷却时导入N2气体、Ne气体、He气体、Ar气体的混合气体，再次进行脱气，并将压力设为100Pa以下，从而抑制自生气氛。由此，在炉内较多包含CO气体的自生气氛均匀并且容易变稀薄。其结果是，认为抑制对硬质合金1赋予的自生气体的影响(CO气体的影响)，硬质合金1的粘结相中的C浓度降低，粘结相中的W含有量、Cr含有量容易增加。
当通过上述的冷却速度、二次保持温度/时间、自生气氛控制来调整粘结相的固液共存时间时，WC/WC区域S的Cr量容易变高。另外，在将冷却时的二次保持温度设为粘结相的液相温度的下限值的10℃以上且100℃以下的温度的情况下，容易将粘结相中的Cr含有量与W含有量的比率(Cr含有量/W含有量)调整为1.2以上且2.0以下。而且，通过调整所使用的WC粉末的粒径，从而硬质合金1的热传导率容易成为70W/m·K以上。在将平均粒径为0.45μm的WC粉末用作原料的情况下，在上述的烧成条件下，得到的烧结体的WC粒子的粒径为0.8μm以下，不易得到70W/m·K以上的热传导率。作为所使用的WC粉末的原料，平均粒径可以为1μm以上。
需要说明的是，上述的制造方法是制造硬质合金1的方法的一例。因而，硬质合金1当然并不限定于通过上述的制造方法来制作。
<切削刀具>
接下来，使用图2以及图3来对本公开的未被限定的一方面的切削刀具101进行说明。
切削刀具101可以具有硬质合金1。在该情况下，高温下的硬质合金1的强度降低较小，因此能够进行长期稳定的切削加工。需要说明的是，切削刀具101可以作为基体而具有硬质合金1。
切削刀具101可以具有覆盖硬质合金1的表面的至少一部分的涂膜103。在该情况下，切削刀具101能具有较高的耐磨损性等。涂膜103例如可以由化学蒸镀(CVD)法或者物理蒸镀(PVD)法成膜。涂膜103既可以是单层的结构，另外，也可以是多层层叠而成的结构。作为涂膜103的组成，例如，可以举出碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、碳酸氮化钛(TiCNO)以及氧化铝(Al2O3)等。
涂膜103并不限定于特定的厚度。例如，涂膜103的厚度可以设定为1μm以上且30μm以下程度。涂膜103的厚度的测定可以通过使用了电子显微镜的截面观察来行。
在图2以及图3中，作为切削刀具101的未被限定一例而示出切削刀片。需要说明的是，切削刀具101并不限定于切削刀片。
切削刀具101可以具有第一面105(上表面)、与第一面105相邻的第二面107(侧面)、以及位于第一面105与第二面107的棱线部的至少一部分的切削刃109。
第一面105可以为前刀面。第一面105既可以是其整个面为前刀面，另外，也可以是其一部分为前刀面。例如，第一面105中的沿着切削刃109的区域可以为前刀面。
第二面107可以为后刀面。第二面107既可以是其整个面为后刀面，另外，也可以是其一部分为后刀面。例如，第二面107中的沿着切削刃109的区域可以为后刀面。
切削刃109既可以位于棱线部的一部分，另外，也可以位于棱线部的全部。切削刃109能够用于被切削件的切削。
切削刀具101可以具有贯通孔111。贯通孔111能够在将切削刀具101保持于刀柄时为了安装固定螺钉或者夹持构件等而使用。贯通孔111既可以从第一面105形成至位于第一面105的相反侧的面(下表面)，另外，也可以在这些面开口。需要说明的是，贯通孔111即使是在第二面107中的相互对置的区域开口的结构，也没有任何问题。
切削刀具101可以为四边板形状。需要说明的是，切削刀具101的形状并不限定于四边板形状。例如，第一面105也可以为三角形、五边形、六边形或者圆形。另外，切削刀具101也可以为柱形状。
切削刀具101并不限定于特定的大小。例如，第一面105的一边的长度可以设定为3mm以上且20mm以下程度。另外，从第一面105到位于第一面105的相反侧的面(下表面)的高度可以设定为5mm以上且20mm以下程度。
以上，对本公开的未被限定的一方面的硬质合金1以及切削刀具101进行了例示，但本公开并不限定于上述的实施方式，当然能够在不脱离本公开的主旨的范围内采用任意方式。
例如，在上述的未被限定实施方式中，以将硬质合金1用于切削刀具101的情况为例进行了说明，但硬质合金1也能够应用于其他用途。作为其他用途，例如，可以举出滑动部件、模具等耐摩部件、挖掘刀具、刃物等刀具以及耐冲击部件等。
以下，举出实施例来对本公开详细地进行说明，但本公开并不限定于以下的实施例。
实施例
[试样No.1～23]
<硬质合金的制作>
首先，准备了在表1的调合组成的栏中示出的原料粉末。原料粉末的平均粒径是由Microtrac法测定出的值。将已准备的原料粉末与在表1中示出的组合以比例进行混合，得到混合原料粉末。
接下来，对混合原料粉末进行冲压成形而成形为切削刀具形状(CNMG120408、PNMU1205)，并得到成形体。对得到的成形体实施脱粘合剂处理，并在0.5Pa以上且100Pa以下的真空中以1400℃保持了1小时。
在1400℃的保持后以在表1的冷却处理的栏中示出的冷却条件以及自生氛围控制来进行冷却，并得到硬质合金(基体)。对得到的硬质合金的前刀面(第一面)侧以刷光加工实施了刀尖处理(R珩磨)。
[表1]
<评价>
关于得到的硬质合金，对WC粒子的平均粒径、含有量、元素分析以及热传导率进行了测定。另外，进行切削评价，并评价了耐崩损性。将测定方法在以下示出，并且将结果在表2中示出。
(WC粒子的平均粒径)
WC粒子的平均粒径的测定按照以下的顺序进行。首先，使用扫描式电子显微镜(SEM)，以倍率3000～5000倍观察WC基硬质合金的截面，取得SEM像。将该SEM像中的WC粒子确定至少50个以上来提取，优选为确定100个以上来提取。之后，使用图像解析软件ImageJ(1.52)来计算出当量圆直径，从而求出WC粒子的平均粒径。
(含有量)
通过ICP分析来进行硬质合金所含有的粘结相的金属元素的组成分析，计算出各金属元素相对于金属元素的总量的含有量(Cr含有量、Co含有量以及W含有量)。另外，使用Cr含有量以及W含有量来计算出比率(Cr含有量/W含有量)。ICP分析按照以下的顺序来进行。首先，将硬质合金进行了粉碎。接下来，从粉碎了的硬质合金粉末称量出0.2g。然后，使用在1体积水中以体积基准加入1体积HCl而得到的溶液进行了酸溶解。酸溶解为将溶液保持在70℃的同时利用搅拌器搅拌了24h。之后，使用过滤了的溶液来进行ICP分析。测定装置使用了ICP发光分光分析装置PQ9000Elite(耶拿分析仪器制)。
(元素分析)
在硬质合金的截面中，将具有100nm以上的对置面长度L而相邻的WC粒子的表面间的距离X为5nm以下的区域设为WC/WC区域。
对该WC/WC区域在从一方的WC粒子到另一方的WC粒子横切的方向上进行元素分析，并得到Cr值以及Co值。另外，使用得到的Cr值以及Co值来计算出Cr/Co比率。利用相同的方法，也对其他三处以上的WC/WC区域进行元素分析，并求出得到的Cr值、Co值以及Cr/Co比率的平均值。在下述示出在TEM以及TEM-EDS分析中使用了的测定装置与测定条件的一例。
·装置
FIB：集束离子束加工观察装置JIB-4700F(日本电子制)
TEM：透射/扫描式电子显微镜JEM-ARM200F(日本电子制)
EDS：能量分散型X射线分光器JED-2300T(日本电子制)
·条件
FIB加工···加速电压：30、3kV沉积膜：C
试样的前处理C蒸镀
TEM分析···加速电压：200kV
EDS分析···加速电压：200kV
照射电流量：约68pA测定时间：30sec/point
(热传导率)
使用京都电子工业社制的型号LFA-502并通过激光闪光法进行了测定。测定条件以JIS R1611 2010为依据。
(切削评价)
在以下的条件下进行了切削性能试验。
(1)耐崩损性试验
被切削件：耐热铸钢SCH12方材
工具形状：PNMU1205ANER-GM
切削速度：150m/分钟
进给速度：0.30mm/rev
切入量：ap＝2.0mmae＝50mm
冷却剂：干
评价项目：对直到刀具最大损伤宽度成为0.2mm以上为止的加工时间(加工寿命)进行测定
(2)耐磨损性试验
被切削件：耐热铸钢SCH12方材
工具形状：PNMU1205ANER-GM
切削速度：200m/分钟
进给速度：0.20mm/rev
切入量：ap＝2.0mmae＝50mm
冷却剂：干
评价项目：对刀具最大损伤宽度成为0.2mm以上为止的加工时间(加工寿命)进行测定
[表2]
本公开的硬质合金的试样No.1～5、No.7～19均是耐崩损性、耐磨损性优异。
附图标记说明
1 硬质合金
3 第一碳化钨粒子
5 第二碳化钨粒子
101 切削刀具
103 涂膜
105 第一面
107 第二面
109 切削刃
111 贯通孔
L 对置面长度
X 距离
S WC/WC 区域。

Claims (9)

1.一种硬质合金，其具有多个碳化钨粒子以及至少包含Co的粘结相，
其中，
所述粘结相还包含Cr，
在所述硬质合金的截面中，将具有100nm以上的对置面长度L而相邻的所述碳化钨粒子的表面间的距离X为5nm以下的区域设为WC/WC区域，
将对该WC/WC区域在从一方的碳化钨粒子到另一方的碳化钨粒子横切的方向上进行元素分析而得到的所述Cr的最大值(atm％)设为Cr值，将所述Co的最大值(atm％)设为Co值，将所述Cr值与所述Co值的比率(Cr值/Co值)设为Cr/Co比率的情况下，
该Cr/Co比率比1.0大。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，
所述Cr/Co比率为1.2以上。
3.根据权利要求1或2所述的硬质合金，其中，
所述Cr值为4atm％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的硬质合金，其中，
所述粘结相以85质量％以上且92质量％以下的比例包含所述Co。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的硬质合金，其中，
所述粘结相以5质量％以上的比例含有所述Cr。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的硬质合金，其中，
所述粘结相还包含W，在将所述粘结相所含的W的含有量(质量％)设为W含有量，将所述粘结相所含的Cr的含有量(质量％)设为Cr含有量的情况下，所述Cr含有量与所述W含有量的比率(Cr含有量/W含有量)为1.2以上且2.0以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的硬质合金，其中，
所述硬质合金是热传导率为70W/m·K以上。
8.一种切削刀具，其中，
所述切削刀具具有权利要求1～7中任一项所述的硬质合金。
9.根据权利要求8所述的切削刀具，其中，
所述切削刀具具有覆盖所述硬质合金的表面的至少一部分的涂膜。
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