TWI551570B

TWI551570B - Cutting tools

Info

Publication number: TWI551570B
Application number: TW102106786A
Authority: TW
Inventors: Kazuhiro Hirose
Original assignee: Sumitomo Elec Hardmetal Corp
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2016-10-01
Also published as: JP5279099B1; US9498828B2; US20150023745A1; TW201343601A; JP2013188842A; KR20140138676A; CN104169029A; EP2826578B1; KR102006486B1; CN104169029B; WO2013136905A1; EP2826578A1; EP2826578A4

Description

切削工具

本發明係關於一種具備包含金屬陶瓷之基材之切削工具。本發明特別係關於一種具有優異之耐熔接性(welding resistance)及耐缺損性(fracture resistance)，且持續長時間之使用亦可發揮穩定之切削性能之切削工具。

先前，利用以鈷(Co)、鎳(Ni)等鐵族金屬(鍵結相)鍵結碳化物或碳氮化物等硬質粒子(硬質相)所得之燒結合金(例如，金屬陶瓷或超硬合金)作為切削工具之基材。通常，將金屬陶瓷設為以碳化鈦(TiC)或碳氮化鈦(TiCN)等Ti化合物粒子為主之硬質相。另一方面，將超硬合金設為以碳化鎢(WC)粒子為主之硬質相。具備包含金屬陶瓷之基材之切削工具與具備包含超硬合金之基材之切削工具相比，具有如下之優點：(1)耐磨性優異、(2)鋼加工中之精加工面為高品質、(3)可高速切削、(4)輕量、(5)原料豐富且廉價。

對包含燒結合金之切削工具之基材表面進行噴射處理而改良表面性狀之技術例如記載於專利文獻1~4中。

於專利文獻1~3中，記載有以下情況：藉由對於鑽孔器或不磨刃刀片(throwaway tip)之基材於進行塗佈處理之前對表面進行噴射處理，而去除基材表面之不需要之物質，從而提高塗佈層之密接性。於專利文獻4中，記載有如下情況：對包含金屬陶瓷之刀片基材之切削面之表面進行噴射處理，而將用於研磨粒之氧化鋁粒子等陶瓷粒子埋入切削面之表面並使其散佈，藉此提高耐熔接性。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本專利特表2002-536194號公報

專利文獻2：日本專利特開2007-007780號公報

專利文獻3：日本專利特開平09-241826號公報

專利文獻4：日本專利特開2010-194669號公報

然而，上述專利文獻1~3中記載之技術係藉由噴射處理而洗淨基材表面從而提高塗佈之密接性者，於該等文獻中記載之噴射處理條件下，雖獲得基材表面之洗淨效果，但無法期待其以上之效果。

另一方面，上述專利文獻4中記載之技術係藉由噴射處理而將平均粒徑為5 μm~100 μm之陶瓷粒子埋入基材之切削面之表面並使其散佈，從而對表面狀態進行改質者。然而，因散佈有較構成基材之硬質相之硬質粒子粗大之陶瓷粒子，故有易於以該粗大粒子為起點產生破損而誘發缺損等之虞。

本發明係鑒於上述情況而完成者，其目的之一在於提供一種具有優異之耐熔接性及耐缺損性，且持續長時間之使用亦可發揮穩定之切削性能之切削工具。

本發明之切削工具具備包含金屬陶瓷之基材。金屬陶瓷包含硬質相、鍵結相、及不可避免之雜質，該硬質相包含含有Ti及除Ti以外之選自週期表第4、5、6族中之至少1種金屬以及碳及氮中之至少1種元素之化合物，該鍵結相以鐵族金屬為主成分。而且，其特徵在於：於基材之切削面上，於其表面上散佈有平均粒徑為0.5 μm以上且5 μm以下之氧化鋁粒子及氧化鋯粒子中之至少1種粒子，且該表面上之鋁及鋯中之至少1種元素之濃度為0.5原子%以上且5原子%以下。

本發明之切削工具係於基材之切削面之表面上散佈有具有特定平均粒徑之氧化鋁粒子或氧化鋯粒子(以下，有時簡稱為「氧化鋁粒子等」)，且作為該粒子之成分之鋁或鋯(以下，有時簡稱為「鋁等」)之濃度為特定範圍。藉由形成散佈有此種微細之氧化鋁粒子等之表面狀態，而可抑制於切削時在被削材(包含切屑)所接觸之切削面產生熔接，並且可防止工具之破損或缺損。因此，可防止切削工具之切削性能劣化，且持續長時間之使用亦可發揮穩定之切削性能。

於本發明中，於除切削面以外之於切削時被削材所接觸之部位、例如刀腹面等上，亦與切削面同樣地散佈有氧化鋁粒子等，藉此可進一步抑制對工具之熔接。然而，於氧化鋁粒子等散佈於刀尖(切削刃)之表面之情形時，有對被削材之精加工面品質造成不良影響之虞，故較理想的是實施搪磨(honing)處理等刀尖處理。另一方面，於用以固定於保持件(holder)之承面或安裝孔附近等與切削無關之部位，無需抑制熔接，故於其表面亦可不散佈氧化鋁粒子等。即，於除刀尖以外之與切削性能相關之部位，較理想的是於其表面散佈氧化鋁粒子等。

於氧化鋁粒子等之平均粒徑未滿0.5 μm之情形時，難以獲得對耐熔接性之效果，且易於產生因熔接所致之破損或缺損。另一方面，於超過5 μm之情形時，該粒子成為破損之起點，因而於切削中易於產生缺損。又，於超過5 μm之情形時，該粒子對基材造成損害，因而導致強度降低、或耐磨性降低。上述平均粒徑較理想的是1 μm以上且4 μm以下。

鋁等元素係來自上述氧化鋁粒子等之成分。

於鋁等之元素濃度未滿0.5原子%之情形時，難以獲得對耐熔接性之效果，且易於產生因熔接所致之破損或缺損。另一方面，於超過5原子%之情形時，可獲得充分之耐熔接性，但因其成分較多而有耐磨性降低之傾向。上述元素濃度較理想的是1原子%以上且2.5原子%以下。

上述基材(切削面)表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑、及鋁等之元素濃度係以如下方式求出。首先，元素濃度為利用掃描式電子顯微鏡(SEM，scanning electron microscope)觀察基材表面之150 μm×150 μm之區域，並利用能量分散型X射線分析(EDX，energy dispersive X-ray)對該區域內進行定量分析所得之值。平均粒徑係對於上述區域內之由EDX檢測出之所有氧化鋁粒子，測定各粒子之最長直徑，並算出其平均值。

又，本發明之切削工具較理想的是自基材表面之燒結表面起至深度50 μm為止之平均硬度較自燒結表面起至深度150 μm~200 μm之範圍之平均硬度高10%以上。

於金屬陶瓷基材之表面部之硬度高於內部之情形時，有耐磨耗性提高，另一方面，韌性降低之傾向。因此，若因被削材熔接於切削面而鋒利程度降低且切削阻力變高，則有導致缺損之可能性。於本發明中，可抑制於切削面產生熔接，且根據上述構成，可有效地發揮本發明之效果。

此處所謂燒結表面，係指燒結後之表面。

本發明之切削工具基本上可經過原料粉末之準備→混合．成形→燒結→噴射處理之各步驟來製造。

於原料粉末之準備步驟中，準備含有Ti及除Ti以外之選自週期表第4、5、6族中之至少1種金屬以及碳及氮中之至少1種元素之化合物之粉末、及鐵族金屬之粉末作為原料粉末。

作為上述化合物，包含上述金屬之碳化物、氮化物、碳氮化物、及該等之固溶體。作為Ti之化合物，可列舉TiC、TiN、TiCN。又，作為除Ti以外之選自週期表第4、5、6族中之至少1種金屬，例如可列舉W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Zr等，作為該金屬之化合物，例如可列舉WC、Mo₂C、Cr₃C₂、VC、NbC、TaC、ZrC等。此外，亦可為含有Ti及除Ti以外之選自週期表第4、5、6族之金屬元素中之至少1種金屬的Ti化合物。例如可列舉含有Ti及W之碳氮化物(TiWCN)等。該等化合物係構成硬質相。於本發明中，為以Ti化合物為硬質相之主成分(以質量比例計為硬質相整體之50%以上，且於硬質相中Ti化合物最多)之金屬陶瓷，且硬質相較理想的是相對於金屬陶瓷整體為75質量%以上且95質量%以下。又，上述化合物之粉末之平均粒徑較理想的是0.5 μm以上且2 μm以下。

作為上述鐵族金屬，例如可列舉Co、Ni等。鐵族金屬係構成鍵結相。於本發明中，以鐵族金屬為鍵結相之主成分(以質量比例計為鍵結相整體之65%以上，且於鍵結相中鐵族金屬最多)。又，上述鐵族金屬之粉末之平均粒徑較理想的是0.3 μm以上且4 μm以下。

於混合．成形步驟中，於將上述原料粉末混合後，成形為工具形狀，獲得成形體。混合可藉由例如球磨機等而進行。成形可藉由例如加壓成形而進行。

於燒結步驟中，於將上述成形體升溫、燒結後，進行冷卻，獲得包含金屬陶瓷之基材。燒結步驟具備升溫步驟及冷卻步驟。

於升溫步驟中，例如於100 Pa以下之真空中，以5℃/min以上且15℃/min以下之升溫速度升溫(一次升溫)至1250℃為止，其次，於100 Pa以上且2000 Pa以下之氮環境中，以1℃/min以上且5℃/min以下之升溫速度升溫(二次升溫)至作為燒結保持溫度之1450℃以上且1550℃為止，此後，保持為該燒結保持溫度固定時間。此時之燒結保持時間例如可列舉設為30分鐘以上且1.5小時以下。於二次升溫中，藉由以1℃/min以上且5℃/min以下之低升溫速度進行升溫，而可實現金屬陶瓷之緻密化。

於冷卻步驟中，例如於設為500 Pa以上且500 kPa以下之壓力之Ar或CO氣體環境中進行冷卻。此處，藉由於上述升溫步驟、特別是二次升溫中，於特定壓力之氮環境中進行升溫．保持，而抑制金屬陶瓷成分中之氮之脫離。而且，於冷卻步驟中，藉由設為脫氮及脫碳之條件(例如於Ar氣體環境中冷卻)，而可獲得表面之硬度高於內部之上述金屬陶瓷基材。

於噴射處理步驟中，使用氧化鋁研磨粒及氧化鋯研磨粒中之至少1種研磨粒(以下，有時簡稱為「氧化鋁研磨粒等」)對上述金屬陶瓷基材表面之切削面進行噴射處理。而且，藉由該噴射處理，而使氧化鋁研磨粒等碰撞於基材(切削面)表面，使其一部分殘留於基材表面，藉此使微細之氧化鋁粒子等散佈於基材表面，形成本發明中之表面狀態。噴射處理不論濕式、乾式均可，但濕式更能局部地高效率地對基材表面進行噴射處理，故較佳。

基材(切削面)表面之表面狀態可藉由變更噴射處理之條件而變化。作為噴射處理之條件，可列舉氧化鋁研磨粒等之平均粒徑、氧化鋁研磨粒等之濃度、噴射壓力、噴射角度、噴射時間等。該等各條件之較佳之範圍係氧化鋁研磨粒等之平均粒徑為10 μm以上且50 μm，氧化鋁研磨粒等之濃度為5體積%以上且15體積%以下，噴射壓力為0.5 MPa以上且2.5 MPa以下，噴射角度(相對於基材(切削面)表面之垂直方向之角度)為15°以上且60°以下，噴射時間為5秒以上且20秒以下。更佳為，氧化鋁研磨粒等之濃度超過5體積%，噴射壓力未滿2.5 MPa，噴射時間為15秒以下。再者，表面狀態係該等各條件彼此相互影響，故即便某一條件脫離上述較佳之範圍，亦有根據其他條件而獲得本發明中之表面狀態之情況，因而未必限定於上述各條件之較佳之範圍。

此處，氧化鋁研磨粒等較佳為球形，其圓球度較佳為1.5以下。更佳之圓球度為1.2以下。此處所謂之圓球度，係指1個研磨粒之最大直徑與最小直徑之比(最大直徑/最小直徑)。於球形研磨粒之情形時，因難以破碎，故於碰撞於基材表面時，研磨粒表面之極少之一部分破損，且其碎片會殘留於基材表面。因此，基材(切削面)表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑易於變小。相對於此，於多角形研磨粒之情形時，因有角，故有刺穿基材表面且於該狀態下殘留之情況。又，因易於破碎，故若粒徑較大，則於碰撞於基材表面、或研磨粒彼此碰撞時，有較大地破碎且較尖之碎片刺穿基材表面之情況。因此，基材(切削面)表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑易於變大。

又，利用噴射處理之基材(切削面)表面之表面狀態有如下傾向：氧化鋁研磨粒等之濃度越低，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越小，鋁等之元素濃度越低；氧化鋁研磨粒等之濃度越高，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越大，鋁等之元素濃度越高。又，有如下傾向：噴射壓力越低，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越小，鋁等之元素濃度越低；噴射壓力越高，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越大，鋁等之元素濃度越高。又，有如下傾向：噴射角度越小，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越大，鋁等之元素濃度越高；噴射角度越大，則殘留於基材表面之氧化鋁粒子等之平均粒徑越小，鋁等之元素濃度越低。又，有如下傾向：噴射時間越短，則鋁等之元素濃度越低；噴射時間越長，則鋁等之元素濃度越高。

特別是藉由將噴射角度設為15°以上且60°以下，自相對於基材(切削面)表面之垂直方向傾斜角為15°~60°之斜方向進行濕式噴射處理，而易於獲得本發明中之表面狀態。又，於如切削面與刀腹面大致正交之不磨刃刀片之基材之情形時，藉由自相對於切削面之垂直方向朝向刀尖側傾斜之斜方向，自切削面側至刀腹面側進行噴射處理，而不僅可對切削面進行噴射處理而且亦可對刀腹面進行噴射處理。此時，只要將噴射角度設為45°，則可對切削面及刀腹面進行相同之噴射處理。

此處，用以固定於保持件之承面等與切削無關之部位無需進行噴射處理，亦可留下燒結表面。藉此，可實現製造成本之減少及製造時間之縮短。

又，於氧化鋁粒子等散佈於刀尖(切削刃)之表面之情形時，有對被削材之精加工面品質造成不良影響之虞，故於亦對刀尖之表面進行噴射處理之情形時，較理想的是另外對刀尖實施搪磨而進行刀尖處理。

本發明之切削工具藉由形成於切削面之表面上散佈有微細之氧化鋁粒子等之表面狀態，而具有優異之耐熔接性及耐缺損性，且持續長時間之使用亦可發揮穩定之切削性能。

[試驗例1]

製造本發明之切削工具，並進行分析及評價。

準備平均粒徑為1 μm之TiCN粉末、平均粒徑均為0.5 μm~2 μm之 WC粉末、TaC粉末、NbC粉末、ZrC粉末、Mo₂C粉末、平均粒徑為1 μm之Ni粉末及Co粉末作為原料粉末。以成為表1所示之調配組成之方式調配該等粉末，獲得原料粉末。再者，此處所謂之平均粒徑，係指相當於以構成粉末之粒子之體積基準之累積分佈之50%之粒徑(D50)。

於藉由球磨機而將上述原料粉末進行濕式混合粉碎後，藉由噴霧乾燥機而獲得50 μm~100 μm之球狀造粒粉末。其次，以98 MPa之成形壓力將該造粒粉末加壓成形為ISO(International Standardization Organization，國際標準化組織)標準CNMG120408之刀片形狀，獲得成形體。

將上述成形體於100 Pa以下之真空中以5℃/min~15℃/min之升溫速度一次升溫至1250℃為止，接著，導入N₂氣體，於500 Pa之氮環境中以5℃/min之升溫速度二次升溫至1500℃(燒結保持溫度)，此後，保持為該溫度，進行燒結。保持1小時後，於不同之條件下進行冷卻，獲得2種金屬陶瓷基材。此處，冷卻條件係設為(A)於200 kPa之Ar氣體環境中冷卻、(B)於5000 Pa之CO氣體環境中冷卻之2個條件。將設為冷卻條件A之情形時之金屬陶瓷基材設為金屬陶瓷基材A，將設為冷卻條件B之情形時之金屬陶瓷基材設為金屬陶瓷基材B。

對於所獲得之各金屬陶瓷基材，以微維氏測定硬度。具體而言，求出於金屬陶瓷基材之厚度方向之任意剖面自基材表面之燒結表面朝向內部至深度50 μm為止之平均硬度及深度150 μm~200 μm之範圍之平均硬度。此處，自基材表面之任意點朝深度方向劃一直線，於同一直線上之自表面起至深度50 μm之範圍及深度150 μm~200 μm之範圍之各範圍內測定3個位置之維氏硬度(Hv)，並自基材表面之不同之3點起向深度方向之各直線上進行測定，將各範圍內之其平均值設為各自之平均硬度(Hv)。其結果，金屬陶瓷基材A係自燒結表面起至深度50 μm為止之平均硬度為19 GPa，自燒結表面起至深度150 μm~200 μm之範圍之平均硬度為17 GPa，表面部之硬度較內部高11%左右。又，金屬陶瓷基材B係自燒結表面起至深度50 μm為止之平均硬度、及自燒結表面起至深度150 μm~200 μm之範圍之平均硬度均為17 GPa。

準備1個金屬陶瓷基材A、10個金屬陶瓷基材B，對於各金屬陶瓷基材，使用平均粒徑為50 μm、圓球度為1.2以下之球形(初始狀態)之氧化鋁(Al₂O₃)研磨粒，於表2所示之條件下進行噴射處理。此處，自切削面側至刀腹面側對金屬陶瓷基材表面進行濕式噴射處理。表2中，噴射角度係設為相對於切削面表面之垂直方向朝向刀尖側傾斜之角度，並藉由調整噴射噴嘴之斜率而設定。

於噴射處理後，藉由介質搪磨而對各金屬陶瓷基材之刀尖實施0.04 mm之R搪磨，進行刀尖處理。又，於刀尖上形成完工用破碎機。以如上方式獲得試樣No.1~11之切削工具。

對於所獲得之各切削工具，測定切削面表面之Al₂O₃粒子之平均粒徑、及Al之元素濃度。具體而言，Al之元素濃度係利用SEM觀察經噴射處理之切削面表面之150 μm×150 μm之區域，並利用EDX對該區域內進行定量分析而求出。

又，Al₂O₃粒子之平均粒徑係對於上述區域內之由EDX檢測出之所有Al₂O₃粒子，藉由圖像解析而測定各粒子之最長直徑，並算出其平均值而求出。將其結果一併示於表2中。

對於所獲得之各切削工具，於以下之條件下進行切削試驗，評價切削性能(耐熔接性及耐缺損性)。將其結果示於表3中。

(切削條件)

被削材：SCM415(帶有4條U槽)

切削速度：100 m/min

進給：0.15 mm/rev

切入：1.0 mm

切削狀態：濕式

(評價方法)

自切削開始起30分鐘後，觀察刀尖部，並藉由光學顯微鏡而確認有無熔接及破損。又，測定刀腹面(Vb)磨耗量(刀尖處理量0.04 mm除外)是否達到0.10 mm、及至缺損為止之切削時間。再者，於切削時間未滿30分鐘之情形時，確認於切削結束時間點有無熔接及破損。

根據表2、3之結果可知：於在基材(切削面)表面上散佈有平均粒徑為0.5 μm~5 μm之Al₂O₃粒子，且該表面之Al之元素濃度為0.5原子%~5原子%之試樣No.1~7中，無熔接、或即便有熔接其程度亦較小，又，亦無破損，且可持續長時間進行穩定之切削。進而，根據具備金屬陶瓷基材B之試樣No.1與具備金屬陶瓷基材A之試樣No.2之比較可知：使用表面部之硬度較內部高10%以上之基材(金屬陶瓷基材A)更能提高耐磨性。其中，切削面表面之Al₂O₃粒子之平均粒徑為1 μm以上且4 μm以下、Al之元素濃度為1原子%以上且2.5原子%以下之試樣No.2、No.6、No.7與其他試樣No.3~No.5相比，不僅耐熔接性及耐缺損性優異，而且耐磨性亦優異。

相對於此，試樣No.8~試樣No.11之切削時間均較短。於切削面表面之Al之元素濃度較高之試樣No.8中，無熔接，但磨耗之進行較快。於切削面表面之Al之元素濃度較低之試樣No.9中，產生熔接並且產生破損或缺損。又，於切削面表面之Al₂O₃粒子之平均粒徑較小之試樣No.10中，產生熔接並且產生破損或缺損。於切削面表面之Al₂O₃粒子之平均粒徑較大之試樣No.11中，無熔接，但產生破損或缺損。

再者，上述實施形態可於不脫離本發明之主旨之範圍內適當進行變更，且並不限定於上述構成。例如，可適當變更金屬陶瓷之組成或氧化鋁粒子之平均粒徑等。

產業上之可利用性

本發明之切削工具可較佳地用於切削加工領域。

Claims

一種切削工具，其特徵在於：其係具備包含金屬陶瓷之基材者；且上述金屬陶瓷包含硬質相、鍵結相、及不可避免之雜質，該硬質相包含含有Ti及除Ti以外之選自週期表第4、5、6族中之至少1種金屬以及碳及氮中之至少1種元素之化合物，該鍵結相以鐵族金屬為主成分；且於上述基材之切削面上，於其表面上散佈有平均粒徑為0.5 μm以上且5 μm以下之氧化鋁粒子及氧化鋯粒子中之至少1種粒子，且該表面上之鋁及鋯中之至少1種元素之濃度為0.5原子%以上且5原子%以下。
如請求項1之切削工具，其中上述氧化鋁粒子及氧化鋯粒子中之至少1種粒子之平均粒徑為1 μm以上且4 μm以下。
如請求項1之切削工具，其中上述鋁及鋯中之至少1種元素之濃度為1原子%以上且2.5原子%以下。
如請求項2之切削工具，其中上述鋁及鋯中之至少1種元素之濃度為1原子%以上且2.5原子%以下。
如請求項1至4中任一項之切削工具，其中上述基材表面之自燒結表面起至深度50 μm為止之平均硬度較自燒結表面起至深度150 μm~200 μm之範圍之平均硬度高10%以上。