CN1929940A - 被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被覆切削工具，其中在硬质合金基体上形成有陶瓷膜。该基体具有已经进行过圆角珩磨或组合式珩磨的切削刃脊线、被设置在与该切削刃脊线连接的前刀面上的断屑槽、基面，以及用于固定到刀夹上的刀头孔。刀尖半径被设定为至少1.6mm。该陶瓷膜具有α型氧化铝膜。珩磨区内部、珩磨区后刀面侧以及珩磨区前刀面侧的10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)都被设定为不超过0.2微米。断屑槽上部、基面和刀头孔周围区域的10个点的平均表面粗糙度Rz都被设定为不超过0.5微米。

Description

被覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种适合于高负荷切削加工(例如在快速进给条件下的切削以及以大的切削深度进行的切削)的被覆切削工具，并涉及使用这种被覆切削工具的切削方法。更具体地说，本发明涉及这样一种被覆切削工具以及使用该被覆切削工具的切削方法，其中该切削工具具有优异的抗热裂纹性能，使其可以具有很长的切削工具使用寿命并且可以进行高效率的切削。
背景技术
通常公知的是这样的切削工具：该切削工具在硬质合金基体上形成有由陶瓷形成的涂膜。在用于粗切削火车轮等工件的切削工具中，使用高强度的刀头(insert)。更具体地说，使用刀尖半径(刀尖圆弧半径)大的、沿切削刃的脊线进行了珩磨处理的刀头，例如，圆型刀头。因为诸如火车轮之类的工件较大，所以在进行切削时，往往就会由于生产过程中淬火造成的硬度变化以及热锻造成的尺寸变化而出现机械加工裕量发生变化的情况。因此，要求刀头具有足够的强度以实现稳定切削。而且，刀尖半径大的刀头使得切屑较薄并且进给较快，因此可以进行高效率的切削。
还公知这样的被覆切削工具：对该切削工具的切削刃进行了表面处理以获得稳定的切削工具使用寿命。例如，在专利文献1到专利文献4所披露的结构中，未在切削刃的脊线上形成陶瓷膜，或者从切削刃的脊线上去除了陶瓷膜。在专利文献5和专利文献6所披露的被覆切削工具中，在切削刃脊线上的陶瓷膜较薄。在专利文献7中，由细小晶体形成的氧化铝膜涂敷最外层。在专利文献8中，陶瓷膜的表面是光滑的。在专利文献9和专利文献10中，用于切削刃脊线的最外层以及其它部分的最外层的陶瓷膜是由不同类型的膜形成的。
[专利文献1]日本专利公告No.昭48-37553
[专利文献2]日本专利申请公开No.昭48-58470
[专利文献3]日本专利申请公开No.昭55-150941
[专利文献4]日本专利申请公开No.昭60-24371
[专利文献5]日本专利申请公开No.昭59-219122
[专利文献6]日本发明专利No.1805360
[专利文献7]日本发明专利No.2138025
[专利文献8]日本发明专利No.2105396
[专利文献9]日本发明专利No.2825693
[专利文献10]日本发明专利No.3006453
发明内容
但是，对于传统切削工具而言，在进行高负荷切削加工(例如，粗切削诸如火车轮之类的大工件)时，难以整体提高切削工具的性能。因此，需要一种切削工具使用寿命较长、可以稳定切削的切削工具。
上述粗切削火车轮之类的加工是在大的切削深度和快速进给条件下进行的高负荷加工(例如切削深度约3.5mm、进给速度为2.0mm)。因此，对于上述这类粗切削加工，通常已使用刀尖半径大的切削工具，例如高强度圆型刀头。而且，为了防止在进行这类高负荷切削加工中切削工具破损，人们已经使用在切削刃的脊线上进行了组合式珩磨处理或圆角珩磨处理的切削工具。大的刀尖半径以及对切削刃脊线进行珩磨处理增大了主分力和背分力。在这种情况下，再加上较宽的公称切削宽度，就会导致切削发热量增大，而容易出现热裂纹。在很多情况下，由这些热裂纹导致的破损会使切削工具使用寿命缩短。并且，由于较大的公称切削宽度产生较大的切屑，因此使切屑控制变难，并且这些切屑可能会导致切削工具破损。特别是，切屑可能冲击刀头孔(其用于将刀头固定在刀夹上)周围的区域而造成破损。因此，当进行诸如粗切削火车轮之类的高负荷切削加工时，要求切削工具能延长切削工具使用寿命，并进行稳定的切削，同时抑制切削工具破损，例如，由上述热裂纹和切屑接触而造成的切削工具破损。
在上述专利文献1到专利文献6所述的被覆切削工具中，在切削刃的脊线上没有涂膜或者涂膜较薄。这样就导致在进行上述高负荷切削加工时耐磨性不够。在上述专利文献7所述的被覆切削工具中，在涂膜的最外层上形成氧化铝膜。这样不但使已经用过的部分(刀角)难以辨别，而且在进行上述高负荷切削加工时，由于氧化铝晶体过于细小而产生热裂纹，所以也难以控制切屑。在专利文献10所述的被覆切削工具中，从切削刃脊线上去除导热率低的氧化物膜，露出非氧化物膜。这样就难以防止由热裂纹造成的损坏。在专利文献8和专利文献9所述的被覆切削工具中，可以在一定程度上防止切削刃脊线受到损坏，但是该结构并未采取任何防止刀头孔或断屑槽的周围区域受损的措施。
本发明的目的是(特别是在高负荷切削加工的条件下)提供一种切削工具使用寿命延长的、综合性能得到提高的被覆切削工具。
本发明的另一个目的是提供使用上述被覆切削工具的切削方法，以进行高效切削加工。
在本发明中，优化了基体的组成以及陶瓷膜的质量和厚度。另外，找出易于受损的部位，并对这些部位进行表面处理，更具体地说，是对其进行光滑处理。
本发明是一种在基体上形成有陶瓷膜的被覆切削工具，并且具有以下结构。
(基体)
<组成>
硬质相：由WC和选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物(除WC以外)、氮化物或碳氮化物中的至少一种金属化合物形成。
所述金属化合物的总体积与WC体积的比率：1.5％-20％。
WC的平均晶粒尺寸1-5微米。
粘结相：由至少一种过渡金属构成。
至少包含Co。
粘结相体积占整个基体体积的比率：7％-20％。
<形状>
由以下部分形成：具有珩磨区的切削刃脊线；被设置在与切削刃脊线连接的前刀面上的基面和断屑槽；以及用于固定到刀夹上的刀头孔。
珩磨区：进行了圆角珩磨或组合式珩磨。
刀尖半径：至少为1.6mm。
(陶瓷膜)
<膜的类型>
由α型氧化铝膜以及至少一种下述金属化合物膜形成，该金属化合物膜选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化铝中。
<膜的厚度>
α型氧化铝膜的厚度：2-12微米。
陶瓷膜的总厚度：3-25微米。
<组成>
在形成α型氧化铝膜的晶粒中，晶粒尺寸为3-5微米的晶粒存在于占该膜表面积的5％-80％的表面上。
(表面处理)
珩磨区内部、珩磨区后刀面侧和珩磨区前刀面侧的表面粗糙度：10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)不超过0.2微米。
断屑槽上部、基面和刀头孔周围区域的表面粗糙度：10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)不超过0.5微米。
在根据本发明所述的切削方法中，使用上述被覆切削工具，以至少0.5mm/转的进给速度来切削工件。
下面将更加详细地描述本发明。首先描述根据本发明制备的被覆切削工具。
(基体)
本发明中的基体是由硬质合金制成的，其包括：由WC和上述金属化合物形成的硬质相；以及由至少一种过渡金属形成的粘结相。更具体地说，在本发明中，金属合金的总体积与WC体积的比率为至少1.5％并且不超过20％。如果该比率小于1.5％，则切削工具不能被用于高负荷切削并且可能会造成塑性变形。如果该比率超过20％，则容易出现热裂纹。更优选的是，该比率为至少3.0％并且不超过16.0％。
WC晶粒的平均晶粒尺寸为至少1微米并且不超过5微米。如果平均晶粒尺寸小于1微米，则难以防止热裂纹出现。如果晶粒尺寸超过5微米，则晶粒变得太大。这可能会导致WC本身被破坏，并且也容易出现热裂纹。更优选的是，平均晶粒尺寸为至少1.5微米并且不超过4.0微米。例如，可以通过调节原料粉末的晶粒尺寸或者调节烧结温度来调节WC的晶粒尺寸。基体中WC的平均晶粒尺寸可以通过测量预定区域的WC晶粒尺寸并计算其平均值而得到。测量WC晶粒尺寸的方法的例子包括图像分析法和直接测量长度的方法。
粘结相至少包含Co。因此，该物相可以仅由Co形成，或者由Co和另一种过渡金属组合而成。粘结相占整个基体的体积比为至少7％并且不超过20％。如果该体积比小于7％，则切削工具不能被用于高负荷切削并容易破损。如果该比率超过20％，则粘结相太多，导致基体变软并且造成塑性变形。更优选的是，该体积比为至少9％并且不超过14％。
基体具有形成刀刃的切削刃脊线、与所述脊线连接的前刀面和后刀面。切削刃的脊线包括经过了珩磨的珩磨区，以防止由高负荷切削造成破损。更具体地说，进行了圆角珩磨或组合式珩磨。所述的前刀面包括：断屑槽，用于在切削过程中断开切屑，使其变小；以及与断屑槽连接的基面。基体具有刀头孔，用于将本发明制备的切削工具固定在刀夹上。在高负荷下使用大的刀尖半径以实现有效地切削。更具体地说，将刀尖半径设定为至少1.6mm。特别是，可以使用刀尖半径最大的圆型刀头。
此外，优选的是，在基体表面上形成韧度高的韧性层，以有效地防止热裂纹发展。更具体地说，表面上可以形成有其平均维氏硬度(载荷为500g)比基体内部小0.3-1.5GPa的区域。优选的是，该韧性层沿深度方向的厚度为2-50微米。如果所述的硬度差小于0.3GPa或者厚度小于2微米，就不能得到足够的韧性，因此难以阻止热裂纹。如果所述的硬度差超过1.5GPa或者厚度超过50微米，则虽然韧性提高但表面变得太软，导致塑性变形，并且由于表面硬度减小而造成耐磨性降低。更优选的是，所述的硬度差为至少0.7GPa并且不超过1.3GPa，厚度为至少10微米并且不超过35微米。
可以利用传统方法形成该韧性层，例如，预先在原料粉末中加入氮化物，从而在烧结过程中发生脱氮作用的方法。例如，可以通过调节原料WC的粒度、原料粉末的混合时间、烧结温度或烧结时间来调节平均维氏硬度。例如，可以通过控制预先加入基体中的氮的量来调节韧性层的厚度。例如，可以通过使用光学显微镜观察切削刃周围区域的剖面来测量韧性层的厚度。
如果使用组合了倒角珩磨和圆角珩磨的组合式珩磨作为珩磨方法，那么优选的是，在构成珩磨区内部的倒角部分以外的区域上形成韧性层。更具体地说，优选的是，在珩磨区的后刀面侧上形成韧性层。优选的是，在珩磨区的后刀面侧形成低硬度区，以防止热裂纹发展。优选的是，在珩磨区(倒角部分)的内部不形成低硬度区，以免妨碍塑性变形。这种位于切削刃脊线上的局部韧性层可以通过以下方式形成：首先制备在其整体上都形成有韧性层的基体，然后进行适度地抛光或类似操作，以从不需要的部位上去除韧性层。
(陶瓷膜)
在本发明中，在基体上形成陶瓷膜。具体地说，该陶瓷膜包含α型氧化铝膜以及由上述预定化合物形成的膜。α型氧化铝膜提供优异的高温抗氧化性能和低的导热性，并且抑制热裂纹出现。α型氧化铝具有高强度，也不容易与工件中常用的铁发生反应，从而通过防止产生熔接和附着而提供优异的抗熔接性。此外，α型氧化铝防止由熔接造成的磨损，因此还提高了耐磨性。因此，在本发明中，陶瓷膜包含至少一层α型氧化铝膜。
α型氧化铝膜的厚度为2-12微米。如果该厚度小于2微米，就难以提供足够的抗氧化性和耐热性。如果该厚度超过12微米，膜本身的强度就会下降而导致切削工具破损。更优选的是，该厚度为至少2.5微米并且不超过8.5微米。如果使用多层α型氧化铝膜，则α型氧化铝膜的总厚度应满足上述范围。
为了有效地防止热裂纹发展，α型氧化铝膜的晶体结构含有晶粒尺寸较大的粗晶粒。更具体地说，晶粒尺寸为3-5微米的粗晶粒存在于占α型氧化铝膜表面积的5％-80％的表面上。如果该面积比率小于5％，则晶粒太细而不能抑制热裂纹发展。如果该比率大于80％，则膜本身的强度下降而导致异常损坏。以这样的方式含有粗晶粒的结构是通过例如在成膜时提高成膜速度而得到的，或者在成膜时提高所用气体(例如，AlCl3、H2、CO2、H2S)的量而得到的。可以在公知的成膜条件下形成α型氧化铝膜。如果α型氧化铝膜是最外层，则可以这样确定面积比：例如，在具有预定面积的区域内随机拍摄多张照片，确定每个区域中具有相应晶粒尺寸的晶粒面积，并将这些晶粒的总面积除以总的观察面积。例如，可以使用SEM拍摄照片。如果α型氧化铝膜是内层，则可以这样确定面积比：先使用强酸溶液或类似物溶解在α型氧化铝膜上形成的膜，再进行上述步骤。
对于陶瓷层，优选的是，形成α型氧化铝膜作为内层，而外层由含钛化合物(即，选自碳化钛、氮化钛和碳氮化钛中的至少一种化合物)形成。特别是，优选的是，由氮化钛(TiN)形成最外层，作为便于辨别已使用部位的有色层。如果使用氧化铝膜作为最外层，则在加工场所辨别已经用过的切削工具部位(刀角)就会变得很困难。
在陶瓷膜中，如果α型氧化铝膜形成内层，并且含钛化合物膜形成外层，则可以至少部分去除覆盖基面以及从切削刃脊线到断屑槽的上表面区域的陶瓷膜的外层(包括最外层)，以露出内层α型氧化铝膜。这样可以同时提高刀角的可辨别性以及抗熔接性。例如，可以去除珩磨区、断屑槽上部或者基面的外层，以露出内层α型氧化铝膜，或者可以露出珩磨区和断屑槽上部的α型氧化铝膜。更具体地说，优选的是，外露的α型氧化铝膜与成为有色层的氮化钛膜的比率为：50％≤外露的α型氧化铝膜的面积/氮化钛膜的面积≤95％。
上述陶瓷膜可以使用传统的CVD法形成。更具体地说，可以使用热CVD法形成。
陶瓷膜的总膜厚为3-25微米。如果总膜厚小于3微米，则不能不能充分发挥膜的性能。如果其厚度超过25微米，则膜变得太厚，膜本身的强度下降而导致破坏。更优选的是，整个膜厚为至少5微米并且不超过15微米。
(表面处理)
在本发明中，切削工具的预定部分具有光滑的表面。更具体地说，珩磨区内部、珩磨区后刀面侧以及珩磨区前刀面侧的10个点的平均粗糙度Rz(基准长度为5微米)都被设定为不超过0.2微米。断屑槽上部、基面和刀头孔周围区域的10个点的平均粗糙度Rz都被设定为不超过0.5微米。在本发明中，以这样的方式进行了光滑处理的表面抑制了膜表面产生的膜破损，并有效地抑制了由膜破损而造成的与工件之间的熔接，从而延长了切削工具使用寿命。如果在这些位置上未达到上述表面粗糙度范围，则不足以防止膜破损。
在本发明的切削工具中，可以在基体上形成陶瓷膜之后进行表面处理，使表面光滑。该光滑处理可以通过机械抛光或类似操作实现。更具体地说，可以使用刷子和诸如金刚石之类的磨料进行抛光。
使用上述本发明的被覆切削工具，可以有效地进行高负荷切削加工(例如那些涉及大的切削深度和高速进给的切削加工)，并且可以在较长时间内进行稳定加工。更具体地说，可以在高速进给(例如，至少为0.5mm/转的进给速度)下进行稳定加工。
为了进行有效地高负荷切削(例如，大切削深度和高速进给条件下的切削)，具有上述结构的本发明切削工具限定了刀尖半径。为了防止破损，在切削刃脊线上进行珩磨。为了有效防止与结构相关的问题(即，热裂纹的形成和发展)，在预定位置进行光滑处理。更具体地说，通过对前刀面侧(例如断屑槽上部以及基面)进行光滑处理，使摩擦系数减小，从而防止由于与切屑接触或冲击而发热，并防止产生热裂纹。而且，通过对珩磨区内部、后刀面侧和前刀面侧进行光滑处理，即使形成了热裂纹也能防止热裂纹的发展。此外，通过对刀头孔周围的区域(这是传统技术未涉及的一个方面)进行光滑处理，可以防止由于切屑冲击而突然破损。
除了上述各方面，本发明还具有提供优异强度和优异抗熔接性的α型氧化铝膜。更具体地说，在本发明中，存在晶粒直径较大的粗晶粒，这样就可以限制由热裂纹造成的碎片。而且，本发明在切削刃脊线上具有陶瓷膜，这样即使是在进行高负荷的切削加工时也能提供足够的耐磨性。由于具有上述这些特征，所以本发明的切削工具即使在高负荷切削加工(例如粗切削火车轮)中使用时，也能长期提供稳定而有效的加工。
本发明的最佳实施方式
下面描述本发明的实施方式。
(第一试验例)
作为基体的原料粉末，根据表1所示的组分混合预定量的WC、TaC、NbC、TiC、TiN和Co粉。在使用球磨机湿混15小时并干燥后，将粉末压制成具有预定形状的生坯。在此例子中，粉末是按照带有刀头断屑槽的圆型刀头RCMX320900V(刀尖半径：16mm)的形状而成形的。将生坯插入烧结炉内，并且在1650-1800K的温度下、在氮气、氢气、一氧化碳和氩气的混合气体气氛中或者在真空气氛中烧结0.5-3.5小时。结果得到具有由基体表面的硬质相晶粒脱氮(发生脱β相的层的沉积)而形成的韧性层的烧结体。检测该烧结体可以发现，对于所有基体，基体表面的平均维氏硬度(载荷为500g)都比基体内部的低0.3-1.5GPa。而且，韧性层的厚度可以通过调整混合物中的氮化物的含量而改变。表1表示基体的组成、形成硬质相的非WC金属化合物(在这些例子中为TaC、NbC、TiC和TiN)与WC的体积比(表1中的“A”)、WC的平均晶粒尺寸(表1中的“B”)、Co占整个基体体积的体积比(表1中的“C”)以及韧性层沿深度方向的厚度(表1中的“D”)。
通过这样的方法来测量WC的平均晶粒尺寸以及韧性层沿深度方向的厚度：对基体的横截面进行镜面抛光，用村上(Murakami)试剂浸蚀该横截面，然后用光学显微镜观察该横截面。
[表1]
基体   基体组成(质量％)   A(％)   Bμm   C(％)   Dμm
  WC   TiC   TiN   TaC   NbC   Co
  a   85.9   1.5   1.0   2.4   1.2   8.0   12.5   2.5   12.5   19.4
  b   85.9   1.5   1.0   2.4   1.2   8.0   12.5   0.8   12.5   21.5
  c   85.9   1.5   1.0   2.4   1.2   8.0   12.5   1.3   12.5   20.6
  d   85.9   1.5   1.0   2.4   1.2   8.0   12.5   4.7   12.5   12.7
  e   85.9   1.5   1.0   2.4   1.2   8.0   12.5   5.5   12.5   12.5
  f   91.4   0.0   0.3   0.2   0.1   8.0   1.4   2.5   13.1   2.2
  g   90.8   0.0   0.3   0.6   0.3   8.0   2.2   2.5   13.1   3.5
  h   81.4   1.8   1.0   5.2   2.6   8.0   19.0   2.5   12.2   25.6
  i   77.8   1.8   1.0   7.6   3.8   8.0   23.5   2.5   12.1   27.8
  j   89.6   1.5   1.0   2.4   1.2   4.3   12.2   2.5   6.9   13.4
  k   88.9   1.5   1.0   2.4   1.2   5.0   12.3   2.5   8.0   15.1
  l   87.9   1.5   1.0   2.4   1.2   6.0   12.4   2.5   9.5   16.7
  m   82.9   1.5   1.0   2.4   1.2   11.0   13.1   2.5   16.8   19.4
  n   80.9   1.5   1.0   2.4   1.2   13.0   13.4   2.5   19.6   19.4
  o   79.9   1.5   1.0   2.4   1.2   14.0   13.5   2.5   21.0   19.4
  p   86.9   1.4   0.1   2.4   1.2   8.0   9.9   2.5   12.7   1.6
  q   85.9   2.1   0.4   2.4   1.2   8.0   12.8   2.5   12.5   5.5
  r   85.9   0.5   2.0   2.4   1.2   8.0   12.5   2.5   12.4   43.6
  s   85.9   0.0   2.5   2.4   1.2   8.0   12.3   2.5   12.5   55.8
对于每个具有韧性层的基体，都使用金刚石砂轮和陶瓷磨料进行组合式珩磨，从而在切削刃的脊线上形成珩磨区。在这些例子中，组合式珩磨的尺寸全都相同。都进行了0.2mm×-25°的倒角珩磨和R 0.02mm的圆角珩磨。该组合式珩磨操作的结果是，从珩磨区内部的倒角部分完全去除了韧性层，从而使得韧性层仅保留在珩磨区的后刀面侧和前刀面侧。在表2所示的试样T中，在结构体为生坯时进行倒角珩磨。这样，在烧结后韧性层就保留在倒角部分上。
在预定的温度、气体和压力条件下对珩磨的基体进行热CVD，得到表2所示的多层陶瓷膜涂层。表2示出陶瓷膜的组成和厚度。在表2中，化学式(表示膜的组成)之后的括号内的数字表示膜的厚度。
[表2]
  样品   基体   膜的类型和厚度(微米)   E％
  第1层   第2层   第3层   第4层   第5层   第6层
  A   a   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  B   b   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  C   c   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  D   d   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  E   e   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  F   f   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  G   g   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  H   h   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  I   i   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
J j Ti(CN)(7.3) Ti(BCN)(0.3) Ti(BCNO)(0.2) α-Al2O3(3.5) Ti(NO)(0.4) TiN(0.7) 30
  K   k   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  L   l   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  M   m   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  N   n   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  O   o   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  P   p   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  Q   q   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  R   r   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  S   s   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  T   a*   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(3.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   30
  U   a   Ti(CN)(7.3)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(1.5)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   3
  V   a   Ti(CN)(4.2)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(7.7)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   60
  W   a   Ti(CN)(2.8)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(12.8)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   75
  X   a   Ti(CN)(5.5)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(2.2)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   3
  Y   a   Ti(CN)(3.4)   Ti(BCN)(0.3)   Ti(BCNO)(0.2)   α-Al2O3(8.7)   Ti(NO)(0.4)   TiN(0.7)   95
  Z   a   Ti(CN)(7.2)   Ti(CNO)(0.5)   κ-Al2O3(3.5)   Ti(CN)(0.5)   TiN(0.7)   -   3
此外，还测定了在氧化铝膜表面的晶粒中，晶粒尺寸为3-5微米的晶粒占氧化铝膜表面的面积比(％)。这些结果也表示在表2中(表2中的“E”)。面积比的确定方法如下。首先，使用强酸溶液(含有氢氟酸)溶解氧化铝膜上的Ti系化合物膜(表2中所示的第5层和第6层)，将氧化铝膜暴露于表面。接着，用SEM(8000×)观察外露的氧化铝膜上随机的5个200平方微米的区域并拍照，以测量晶粒尺寸。然后，测出上述每一个区域中的晶粒尺寸为3-5微米的晶粒的面积，并用该面积除以总的观察面积(5个区域的总面积)，以计算面积比。在试样U-Y中，调节成膜时的生长速度，以改变氧化铝的粒度分布。
使用具有金刚石磨料的刷子对带陶瓷涂层的试样进行机械抛光。图1是本试验例所制备的被覆切削工具的一部分的简化剖视图。在本试验例中，从珩磨区1的前刀面侧4开始，将珩磨区1的内部(倒角珩磨区2)、珩磨区1的后刀面侧3和珩磨区1的前刀面侧4抛光到预定的表面粗糙度。表3表示不同位置的表面粗糙度Rz(10个点的平均粗糙度，基准长度为5微米)(在表3中，“F”是倒角部分的表面粗糙度Rz，“G”是后刀面侧的表面粗糙度Rz，“H”是前刀面侧的表面粗糙度Rz)。除了上述位置，可以按类似方式对断屑槽5的上部5’、基面6和刀头孔区域7进行抛光。对于这些位置(上部5’、基面6和刀头孔周围区域7)，表面粗糙度Rz(10个点的平均粗糙度，基准长度为5微米)都被设定为不超过0.5微米。在本试验例中，在5000-50000×的放大倍数下，对施加了上述陶瓷膜涂层之后、经过机械抛光的切削工具的横截面进行观察，以确定表面粗糙度。上述内容同样也适用于下文所述的第二试验例。在图1中，粗线表示的部分是进行机械抛光的部分。
使用按照上述方式成膜并进行表面处理而得到的切削工具，在下述条件下进行湿式连续切削试验，并测定热裂纹数量、VB磨损(后刀面侧磨损)量以及是否有碎片。对于在小于20分钟的切削时间内就不能再切削的切削工具，测量其停止切削时的热裂纹数量、VB磨损量以及是否有碎片。对于因破损或破碎而不能测定VB磨损量的切削工具，就没有在表中示出其VB磨损量。上述各点同样也适用于下文所述的第二试验例。表3表示试验结果。
(切削试验条件)
工件：JIS/SCM435棒
切削速度：150m/分钟
进给速度：2.0mm/转
切削深度：3.5mm
切削时间：最长为20分钟
*这些切削试验条件基本相当于粗切削火车轮时的条件。
[表3]
切削工具号   所用样品   Fμm   Gμm   Hμm   切削时间(分钟)   热裂纹个数   有无碎片   VB磨损量(mm)
  1   A   0.15   0.16   0.11   20   4   无   0.167
  2   C   0.13   0.08   0.05   20   3   无   0.154
  3   D   0.17   0.11   0.13   20   4   无   0.186
  4   G   0.15   0.11   0.12   20   1   无   0.196
  5   H   0.15   0.10   0.15   20   7   无   0.139
  6   K   0.16   0.16   0.16   20   4   无   0.155
  7   L   0.11   0.09   0.12   20   4   无   0.146
  8   M   0.17   0.16   0.11   20   3   无   0.212
  9   N   0.16   0.15   0.16   20   4   无   0.22
  10   P   0.11   0.07   0.13   20   4   有   0.157
  11   Q   0.16   0.16   0.2   20   3   无   0.16
  12   R   0.10   0.11   0.11   20   3   无   0.178
  13   S   0.12   0.09   0.15   20   3   无   0.235
  14   T   0.15   0.13   0.13   20   4   无   0.233
  15   V   0.19   0.20   0.19   20   5   无   0.205
  21   B   0.07   0.06   0.08   5   0   破损
  22   E   0.19   0.17   0.16   15   5   有   0.465
  23   F   0.14   0.14   0.14   17   1   无   0.423
  24   I   0.15   0.13   0.14   19   9   破损
  25   J   0.13   0.12   0.12   3   1   破损
  26   O   0.13   0.11   0.1   18   4   无   0.491
  27   U   0.18   0.18   0.15   13   4   有   0.214
  28   W   0.11   0.08   0.12   6   -   毁坏
  29   X   0.18   0.15   0.15   15   6   有   0.236
  30   Y   0.05   0.05   0.05   10   4   有   0.225
  31   Z   0.11   0.08   0.12   8   5   有   0.346
  32   A   1.51   1.65   1.33   5   -   毁坏
如表3所示，即使在进行高负荷切削加工(例如高速进给、大切削深度条件下的切削加工)时，第1-15号切削工具也只是经历正常损坏。更具体地说，虽然在上述切削工具中形成了热裂纹，但是热裂纹没有发展。因此，没有由热裂纹而造成的破损，并且这些切削工具能切削20分钟。第1-15号切削工具的VB磨损量为0.139-0.235mm，也比较合适。此外，第1-15号切削工具中没有一个在断屑槽上部、基面或刀头孔周围区域发生破损。
虽然第10号切削工具能切削20分钟，但它的韧性层较薄，使其韧性低于其它切削工具，因此带有更多碎片。相反，第13号切削工具的韧性层较厚，其硬度低于其它样品，因此表现出更高的VB磨损量。由于第14号切削工具的倒角部分上形成有韧性层，因此与其它切削工具相比而言，第14号切削工具表现出更高的塑性变形倾向。
另一方面，第21-32号切削工具都表现出由热裂纹造成的破损、碎片和高VB磨损值，有些甚至毁坏。更具体地说，由于第21号切削工具的WC的平均晶粒尺寸小，所以该切削工具的热裂纹发展迅速，并且在极短的时间内就发生破损。相反，第22号切削工具的WC平均晶粒尺寸大，使得热裂纹表面周围的WC晶粒发生脱落，使切削工具在15分钟之后不可能再切削。第23号切削工具的硬质相中具有较少的非WC化合物，该切削工具发生塑性变形并且其VB磨损量大，17分钟之后不能再切削。第24号切削工具具有较多的非WC化合物，该切削工具产生很多热裂纹，并且在19分钟后由于热裂纹造成破损而不能再切削。具有较少粘结相的第25号切削工具，由于其强度不够而在3分钟内发生破损。具有较多粘结相的第26号切削工具发生塑性变形，并且由于其VB磨损量大而不能切削。
第27号切削工具具有薄的氧化铝膜，第29号切削工具具有由细晶粒形成的氧化铝膜，所述切削工具都表现出合适的热裂纹数和VB磨损量，但热裂纹发展造成热裂纹表面周围的膜脱落，因此使切削不可能进行。第28号切削工具具有厚的氧化铝膜，该切削工具因强度不足而毁坏。在第30号切削工具中，热裂纹表面周围的膜由于氧化铝晶粒太大而脱落，使其不可能继续切削。第31号切削工具具有高温下不稳定的κ型氧化铝膜，该切削工具表现出异常损坏，其中膜在切削加工早期受损并被剥离。第32号切削工具未对珩磨区进行光滑处理，该切削工具由于摩擦系数高、切削力大而破碎。
上述试验结果证实，本发明的被覆切削工具能防止由热裂纹造成的破损，并且即使被用于高负荷切削加工(例如深度切削和高进给速度下的切削加工)时，该切削工具也能长期进行稳定的切削。
(第二试验例)
制备多个结构与第一试验例的试样A相似的刀头。在形成陶瓷膜后，像第一试验例一样，使用具有金刚石磨料的刷子对这些刀头中的每一个进行机械抛光。在本试验中，将切削工具加工成使得珩磨区内部、珩磨区后刀面侧和珩磨区前刀面侧的表面粗糙度Rz(10个点的平均粗糙度，基准长度为5微米)都不超过0.2微米。接着，同样对断屑槽的上部、基面和刀头孔周围进行抛光，以改变不同位置的表面粗糙度。表4表示不同位置的表面粗糙度Rz。在表4中，“I”是断屑槽上部的表面粗糙度Rz，“J”是基面的表面粗糙度Rz，“K”是刀头孔周围的表面粗糙度Rz。
以上述方式进行了表面处理的切削工具在与第一试验例相同的条件下进行湿式连续切削试验，并记录热裂纹数量、VB磨损量以及是否有碎片。结果表示在表4中。
[表4]
  切削工具号   所用样品   Iμm   Jμm   Kμm   切削时间(分钟)   热裂纹个数   有无碎片   VB磨损量(mm)
  16   A   0.46   0.45   0.43   20   4   无   0.177
  33   A   0.48   1.35   1.45   2   -   毁坏
  34   A   1.44   0.39   1.56   2   -   毁坏
  35   A   1.42   1.39   0.39   5   -   毁坏
  36   A   1.5   1.75   1.34   1   -   毁坏
如表4所示，第16号切削工具的断屑槽上部、基面和刀头孔周围区域都经过了光滑处理，该切削工具即使在进行高负荷切削加工(例如高进给速度和深度切削的切削加工)时，也是发生正常损坏，并且可以使用该切削工具切削20分钟。与此相反，在第33到第36号切削工具中，断屑槽的上部、基面和刀头孔周围区域中的至少一者的表面是粗糙的，这些切削工具全都破碎了。对于第33和第34号切削工具，切屑冲击刀头孔周围的区域而造成破碎。对于第35号切削工具，由于切屑控制不稳定，使得切屑缠绕在一起而造成破碎。第36号切削工具在试验开始后立即破碎。这些试验结果证实，对于如上所述的高负荷切削加工，优选的是，不但对切削刃脊线进行光滑处理，而且对断屑槽的上部、基面和刀头孔周围区域进行光滑处理。
(第三试验例)
制备多个结构与第一试验例的试样A类似的刀头。像第一试验例一样，使用具有金刚石磨料的刷子对珩磨区、断屑槽上表面和基面上的陶瓷膜涂层进行机械抛光。去除第5层的Ti(NO)膜和第6层(最外层)的TiN膜，以露出第4层的α型氧化铝膜。在本试验中，将所有切削工具都如此加工，使得珩磨区内部、珩磨区后刀面侧和珩磨区前刀面侧的表面粗糙度Rz(10个点的平均粗糙度，基准长度为5微米)都不超过0.2微米，并且断屑槽的上部、基面和刀头孔周围区域的表面粗糙度Rz(10个点的平均粗糙度，基准长度为5微米)都不超过0.5微米。
每个以这样的方式进行了表面处理的切削工具都在与上述第一试验例相同的条件下进行湿式连续切削试验，并记录热裂纹数量、VB磨损量以及是否有碎片。结果表示在表5中。
[表5]
  切削工具号 所用样品   最外层   切削时间(分钟) 热裂纹个数 有无碎片   VB磨损量(mm)
珩磨区   断屑槽的上部 基面
17 A   外露的α-Al2O3 TiN TiN 20 2 无 0.165
18 A TiN   外露的α-Al2O3 TiN 20 3 无 0.158
19 A TiN TiN   外露的α-Al2O3 20 3 无 0.162
  20   A   TiN   TiN   TiN   20   4   无   0.179
如表5所示，在珩磨区、断屑槽上部或基面露出内层α型氧化铝膜，可以防止切削工具被熔接到工件上，从而提高耐磨性，并使切削加工更加稳定。
工业适用性
本发明的切削工具适合于进行高负荷切削加工，例如深度切削或在高进给速度条件下的切削加工。更具体地说，本发明适合于粗切削，例如，用于粗切削火车轮。
附图说明
图1是根据本发明的被覆硬质合金切削工具的切削刃的简化剖视图。
参考标号说明
1：珩磨区；2：倒角；3：后刀面侧；4：前刀面侧；5：断屑槽；5’：断屑槽上部；6：基面；7：刀头孔周围区域
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种在基体上形成有陶瓷膜的用于切削火车轮的圆型刀头，
其中：
所述基体是由硬质相和粘结相形成的，所述硬质相是由WC和选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种金属化合物形成的，所述碳化物不包括WC；并且所述粘结相是由至少一种过渡金属形成的；
在所述硬质相中，所述金属化合物的总体积与所述WC的体积的比率为1.5％-20％，并且所述WC的平均晶粒尺寸为1-5微米；
所述粘结相至少包含Co，并且所述粘结相的体积占所述基体总体积的7％-20％；
所述基体包括：具有珩磨区的切削刃脊线、被设置在与所述切削刃的所述脊线连接的前刀面上的基面和断屑槽，以及用于固定到刀夹上的刀头孔；
对所述珩磨区进行圆角珩磨或组合式珩磨，并且刀尖半径最小为1.6mm；
所述陶瓷膜包含α型氧化铝膜，并包含选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化铝中的至少一种金属化合物膜；
所述α型氧化铝膜的厚度为2-12微米；
晶粒尺寸为3-5微米的晶粒存在于占所述α型氧化铝膜表面积的5％-80％的表面上；
所述陶瓷膜的总厚度为3-25微米；
所述珩磨区内部、所述珩磨区后刀面侧以及所述珩磨区前刀面侧的10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)都不超过0.2微米；以及
所述断屑槽上部、所述基面和所述刀头孔周围区域的10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)都不超过0.5微米。
2.根据权利要求1所述的用于切削火车轮的圆型刀头，其中：
所述陶瓷膜的外层是由含钛化合物形成的，该外层具有由氮化钛形成的最外层；
从所述陶瓷膜涂层至少部分地去除所述外层，所述陶瓷膜涂层是施加在所述切削刃脊线到所述断屑槽的所述上表面和所述基面上的；以及
从所述外层的所被去除的部分露出所述α型氧化铝膜。
3.根据权利要求1所述的用于切削火车轮的圆型刀头，其中：
所述基体的表面形成有韧性层，所述韧性层的平均维氏硬度(载荷为500g)比所述基体内部的低0.3-1.5GPa；以及
所述韧性层沿深度方向的厚度为2-50微米。
4.如权利要求3所述的用于切削火车轮的圆型刀头，其中：
对所述珩磨区进行组合式珩磨；以及
所述韧性层不是形成在所述珩磨区的所述内部上，所述韧性层形成在所述珩磨区的所述后刀面侧上。
5.一种切削方法，其中通过使用权利要求1到权利要求4中的任一项所述的用于切削火车轮的圆型刀头，以至少为0.5mm/转的进给速度切削工件。
根据PCT条约第19条所做修改的说明
在权利要求书第1～5项中，已经明确了被覆切削工具是用于切削火车轮的圆型刀头。
在国际检索报告中引用的对比文件1～4之中都没有记载对火车轮的切削加工以及本文后述那样考虑了火车轮的切削加工的构成。在对比文件1中记载的工具是进行铣削加工的铣刀，而不是用于火车轮的切削加工。在对比文件2中记载的刀头用于对高硬度的被切削材料进行轻负荷加工。在对比文件3中，只是记载了使被切削材料为钢和铸铁，在对比文件4中只是记载了，在切削试验中使进给速度为0.51mm/转。
本发明的刀头是为了在火车轮的切削加工那样极端高负荷加工的情况下能够进行稳定的切削加工，在特别设定基体组成以及涂膜组成、厚度的同时进行限定，使得在刀头的特定位置上使涂膜表面平滑。特别的是，本发明的刀头是使现有技术中没有考虑到的断屑槽上部、基面、和刀头孔周围也平滑，由此得到使火车轮的切削加工能够长期稳定进行的效果。

Claims (5)

1.一种在基体上形成有陶瓷膜的被覆切削工具，其中：
所述基体是由硬质相和粘结相形成的，所述硬质相是由WC和选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种金属化合物形成的，所述碳化物不包括WC；并且所述粘结相是由至少一种过渡金属形成的；
在所述硬质相中，所述金属化合物的总体积与所述WC的体积的比率为1.5％-20％，并且所述WC的平均晶粒尺寸为1-5微米；
所述粘结相至少包含Co，并且所述粘结相的体积占所述基体总体积的7％-20％；
所述基体包括：具有珩磨区的切削刃脊线、被设置在与所述切削刃的所述脊线连接的前刀面上的基面和断屑槽，以及用于固定到刀夹上的刀头孔；
对所述珩磨区进行圆角珩磨或组合式珩磨，并且刀尖半径最小为1.6mm；
所述陶瓷膜包含α型氧化铝膜，并包含选自元素周期表4a、5a或6a族金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化铝中的至少一种金属化合物膜；
所述α型氧化铝膜的厚度为2-12微米；
晶粒尺寸为3-5微米的晶粒存在于占所述α型氧化铝膜表面积的5％-80％的表面上；
所述陶瓷膜的总厚度为3-25微米；
所述珩磨区内部、所述珩磨区后刀面侧以及所述珩磨区前刀面侧的10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)都不超过0.2微米；以及
所述断屑槽上部、所述基面和所述刀头孔周围区域的10个点的平均表面粗糙度Rz(基准长度为5微米)都不超过0.5微米。
2.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中：
所述陶瓷膜的外层是由含钛化合物形成的，该外层具有由氮化钛形成的最外层；
从所述陶瓷膜涂层至少部分地去除所述外层，所述陶瓷膜涂层是施加在所述切削刃脊线到所述断屑槽的所述上表面和所述基面上的；以及
从所述外层的所被去除的部分露出所述α型氧化铝膜。
3.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中：
所述基体的表面形成有韧性层，所述韧性层的平均维氏硬度(载荷为500g)比所述基体内部的低0.3-1.5GPa；以及
所述韧性层沿深度方向的厚度为2-50微米。
4.如权利要求3所述的被覆切削工具，其中：
对所述珩磨区进行组合式珩磨；以及
所述韧性层不是形成在所述珩磨区的所述内部上，所述韧性层形成在所述珩磨区的所述后刀面侧上。
5.一种切削方法，其中通过使用权利要求1到权利要求4中的任一项所述的被覆切削工具，以至少为0.5mm/转的进给速度切削工件。
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