專利名稱：金屬陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合用作切削工具的構(gòu)成材料的金屬陶瓷，以及以這種金屬陶瓷 作為基材而構(gòu)成的被覆金屬陶瓷工具。具體而言，本發(fā)明涉及這樣一種金屬陶瓷，該金屬陶 瓷使切削工具具有優(yōu)異的抗破裂性，并且使切削工具能夠切削被加工件，從而在被加工件 上形成高質(zhì)量的加工面。
背景技術(shù)：
目前為止，這樣的金屬陶瓷已用作切削工具的基材，該金屬陶瓷包含由碳化鈦 (TiC)和碳氮化鈦(Ti (C，N))構(gòu)成的主要硬質(zhì)相、并且包含用以將所述硬質(zhì)相相互結(jié)合在 一起的鐵族元素(如鈷(Co)和鎳(Ni))。專利文獻(xiàn)1披露了一種金屬陶瓷，該金屬陶瓷包 含由具有單相結(jié)構(gòu)的晶粒和具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成的硬質(zhì)相，其中在該核-邊結(jié)構(gòu)中， 核被邊所覆蓋。專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3披露了一種金屬陶瓷，該金屬陶瓷包含由核-邊 結(jié)構(gòu)構(gòu)成的晶粒形成的硬質(zhì)相，其中該核-邊結(jié)構(gòu)具有核以及圍繞在核周圍的邊。
引用列表
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1 日本 JP2-190438A
專利文獻(xiàn)2 日本 JP20041^842A
專利文獻(xiàn)3 日本 JP2006-131975A發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題
與由硬質(zhì)合金(其具有由碳化鎢(WC)形成的主要硬質(zhì)相)構(gòu)成的工具相比，由用 作基材的金屬陶瓷構(gòu)成的金屬陶瓷工具通常具有優(yōu)異的耐磨性，并且可使被加工件具有美 麗的加工面，但是這種金屬陶瓷工具的韌性較低，并且抗破裂性較差。因此，易于發(fā)生突然 的破裂，從而不能獲得穩(wěn)定的工具壽命。近年來，在切削加工中，需要進(jìn)一步提高被加工件 的加工面質(zhì)量并且提高抗破裂性(這一點(diǎn)為金屬陶瓷工具的缺陷)，以獲得穩(wěn)定的工具壽 命。
已知的金屬陶瓷包含由不具有邊的單相結(jié)構(gòu)晶粒形成的硬質(zhì)相，這些金屬陶瓷與 粘合劑相的潤濕性差，因此，抗破裂性較差。
已知的一些金屬陶瓷包含由具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成的硬質(zhì)相，其中龜裂易于 沿著核邊間的邊界而增長，從而降低了抗破裂性。尤其是當(dāng)核較小時，則難以抑制龜裂的增 長，從而難以提高抗破裂性。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供這樣一種金屬陶瓷，該金屬陶瓷具有優(yōu)異的抗 破裂性，并且適于用作切削工具的材料，該切削工具能夠切削被加工件，從而在被加工件上 形成高質(zhì)量的加工面。本發(fā)明的另一目的在于提供含有由這種金屬陶瓷構(gòu)成的基材的被覆 金屬陶瓷工具。4
解決問題的手段
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬陶瓷中所存在的硬質(zhì)相處于特定范圍內(nèi)，并且存在具有不 同組成和形態(tài)的四種晶粒作為構(gòu)成該硬質(zhì)相的晶粒時，該金屬陶瓷便具有高耐磨性，并且 抗破裂性和耐焊接性得以大幅提高。此外，耐焊接性得以提高，由此還會使得被加工件的 表面質(zhì)量得到改善?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明限定了硬質(zhì)相含量、以及構(gòu)成該硬質(zhì)相的四種晶 粒。
本發(fā)明的金屬陶瓷包含由選自周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化 物、碳氮化物和固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成的硬質(zhì)相，并且粘合劑相主要由鐵族元 素構(gòu)成，所述硬質(zhì)相借助于所述粘合劑相而相互粘結(jié)在一起。該金屬陶瓷含有70質(zhì)量％至 97質(zhì)量％的硬質(zhì)相，其余部分基本上由粘合劑相構(gòu)成。另外，所述金屬陶瓷的硬質(zhì)相包含下 述第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相。
所述第一硬質(zhì)相為這樣的硬質(zhì)相該硬質(zhì)相具有僅由碳氮化鈦(Ti (C，N))構(gòu)成的 單相；或者所述第一硬質(zhì)相為這樣的硬質(zhì)相其中，Ti (C，N)的一部分被復(fù)合碳氮化物固溶 體覆蓋，其中該復(fù)合碳氮化物固溶體含有鈦(Ti)、以及選自周期表第4族、第5族和第6族 中除了鈦以外的其他金屬中的一種或多種金屬。
所述第二硬質(zhì)相為具有核-邊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該核-邊結(jié)構(gòu)包含核部以及完全覆 蓋住該核部的周邊部。所述核部由Ti (C，N)構(gòu)成。所述周邊部由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu) 成，其中該復(fù)合碳氮化物固溶體含有鈦、以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除了 鈦以外的其他金屬中的一種或多種金屬。
所述第三硬質(zhì)相為具有核-邊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該核-邊結(jié)構(gòu)包含核部以及完全覆 蓋住該核部的周邊部。所述核部和所述周邊部含有相同的元素、并且均由至少含有Ti和W 的復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成。所述核部中的鎢濃度高于所述周邊部中的鎢濃度。
所述第四硬質(zhì)相為具有單相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該單相結(jié)構(gòu)由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu) 成，其中該復(fù)合碳氮化物固溶體含有Ti、以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除了 鈦以外的其他金屬中的一種或多種金屬。
在本發(fā)明的金屬陶瓷中，引入特定量的硬質(zhì)相，并且第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相、第 三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相共存作為硬質(zhì)相，由此能夠使金屬陶瓷具有第一硬質(zhì)相至第四硬質(zhì) 相的功能。具體而言，對于本發(fā)明的金屬陶瓷，高硬度硬質(zhì)相的存在可獲得優(yōu)異的耐磨性。 另外，與粘合劑相具有優(yōu)異潤濕性的硬質(zhì)相的存在可使得金屬陶瓷在保持與粘合劑相令人 滿意的潤濕性，同時可使得金屬陶瓷的微結(jié)構(gòu)中的粘合劑相均勻分布。微結(jié)構(gòu)的均勻化改 善了耐磨性和抗破裂性。此外，對于本發(fā)明的金屬陶瓷而言，具有優(yōu)異熱性能的硬質(zhì)相的存 在提高了熱傳導(dǎo)性，從而抑制了熱裂的發(fā)生并改善了耐焊接性。如上所述，本發(fā)明的金屬陶 瓷具有優(yōu)異的耐磨性，并且抗破裂性和耐焊接性得以改善。這樣，由本發(fā)明金屬陶瓷構(gòu)成的 切削工具不易磨損或破裂，從而使工具壽命穩(wěn)定且延長。此外，具有令人滿意的耐焊接性可 提供美麗的加工面，從而改善被加工件的加工面質(zhì)量。下面將對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)地闡 述。
〈金屬陶瓷〉
《總體組成》
本發(fā)明的金屬陶瓷含有70質(zhì)量％至97質(zhì)量％的硬質(zhì)相，其余部分基本上由粘合劑相以及不可避免的雜質(zhì)形成。不可避免的雜質(zhì)的例子包括原料中所含有的以及生產(chǎn)過程 中混入的氧元素和金屬元素，其濃度為百萬分之一(PPm)數(shù)量級。
《硬質(zhì)相》
[組成]
各硬質(zhì)相均含有由選自周期表第4族、第5族和第6族中的至少一種金屬元素以 及選自碳(C)和氮(N)中的至少一種元素形成的化合物。換言之，各硬質(zhì)相均含有選自上 述金屬元素的碳化物、氮化物、碳氮化物和固溶體中的至少一者。具體而言，本發(fā)明的金屬 陶瓷為至少含有碳氮化物固溶體的Ti (C，N)類金屬陶瓷，其中所述碳氮化物固溶體含有碳 氮化鈦(Ti(C，N))和鈦(Ti)。如果硬質(zhì)相的比例超過97質(zhì)量％，則會由于粘合劑相含量 過低而導(dǎo)致抗破裂性大幅下降。如果硬質(zhì)相的比例低于70質(zhì)量％，則會由于粘合劑相含量 過高而導(dǎo)致硬度大幅降低，從而使耐磨性降低。硬質(zhì)相的比例更優(yōu)選為80質(zhì)量％至90質(zhì) 量％。
硬質(zhì)相包括四種第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相，這些硬質(zhì) 相的組成和形態(tài)不同。具體而言，硬質(zhì)相包括Ti (C，N)類硬質(zhì)相、具有其它組成的含Ti硬 質(zhì)相、具有單相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相、以及具有核-邊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相?？赏ㄟ^掃描電鏡(SEM)所拍 攝的顯微照片中的光影來容易地區(qū)分上述四種硬質(zhì)相的存在狀態(tài)。
(第一硬質(zhì)相)
由這樣的晶粒形成第一硬質(zhì)相該晶粒具有基本上僅由Ti (C，N)構(gòu)成的單相結(jié) 構(gòu)；或者在該晶粒中，Ti (C，N)的一部分被復(fù)合碳氮化物固溶體覆蓋，其中所述復(fù)合碳氮化 物固溶體包含Ti以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除Ti以外的其他金屬中的 一種或多種金屬，即Ti (C，N)并未完全被復(fù)合碳氮化物固溶體覆蓋。與下面所述的第三硬 質(zhì)相和第四硬質(zhì)相相比，第一硬質(zhì)相具有高的Ti含量，因此第一硬質(zhì)相具有高硬度，并且 與通常用于被加工件的鋼的反應(yīng)性較低。因此，金屬陶瓷中存在第一硬質(zhì)相可尤其改善耐 磨性和耐焊接性。
(第二硬質(zhì)相)
由具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成第二硬質(zhì)相，該晶粒包含核部以及完全覆蓋住所述 核部的周邊部，所述核部基本上由Ti (C，N)構(gòu)成(Ti(C，N)占整個核部的95原子％以上)， 并且所述完全覆蓋住所述核部的周邊部由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成，該復(fù)合碳氮化物固溶 體包含Ti以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除Ti以外的至少一種金屬。所述 周邊部的組成的具體例子包括(Ti，W, Mo) (C，N)、(Ti，W, Nb) (C，N)、(Ti，W, Mo，Nb) (C，N) 和(Ti，W，Mo，Nb，Zr) (C，N)。與第一硬質(zhì)相不同，第二硬質(zhì)相的周邊部完全覆蓋住核部，并 且周邊部與粘合劑相具有令人滿意的潤濕性，因此防止金屬陶瓷中出現(xiàn)孔隙，從而可形成 均勻的微結(jié)構(gòu)并獲得穩(wěn)定的硬度。微結(jié)構(gòu)的均勻化可進(jìn)一步提高韌性，如抗破裂性。因此， 金屬陶瓷中存在第二硬質(zhì)相尤其可使得耐磨性和抗破裂性穩(wěn)定。
(第三硬質(zhì)相)
由具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成第三硬質(zhì)相，該晶粒所包含的核部和周邊部含有相 同的元素、并且均由至少含有鈦和鎢的復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成。此外，晶粒中，核部的鎢 濃度高于周邊部中的鎢濃度。其組成的具體例子包括(Ti，W) (C，N)、(Ti，W，Mo) (C，N)、(Ti， W, Nb) (C，N)和(Ti，W，Mo, Nb) (C，N)。第三硬質(zhì)相的W含量高于第一硬質(zhì)相和第二硬質(zhì)相的W含量，因此在維持高硬度的同時，還提高了熱傳導(dǎo)性。這樣便改善了熱穩(wěn)定性、抗熱裂 性能、抗破裂性以及抗塑性變形性。
(第四硬質(zhì)相)
由這樣的晶粒形成第四硬質(zhì)相該晶粒具有由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成的單相結(jié) 構(gòu)，其中所述復(fù)合碳氮化物固溶體包含Ti以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除Ti 以外的至少一種金屬。與第三硬質(zhì)相不同，該晶粒的核部與周邊部之間不存在明顯的界限。 所有晶粒均具有相同的組成。除Ti外，第四硬質(zhì)相中所含其他金屬的典型例子為W。第四 硬質(zhì)相組成的具體例子包括(Ti，W) (C，N)、(Ti，W, Mo) (C，N)、(Ti，W, Nb) (C，N)和(Ti，W, Mo,Nb) (C，N)。具體而言，與第三硬質(zhì)相不同的是，當(dāng)?shù)谒挠操|(zhì)相含有W時，W的濃度不存在 明顯的差別(W不是定域的)，即W均勻地分布在整個第四硬質(zhì)相中。因此，金屬陶瓷中存在 第四硬質(zhì)相僅會使硬度稍許降低，但會獲得均勻的硬度，從而使硬質(zhì)相不易于發(fā)生龜裂增 長。另外，還會使熱傳導(dǎo)系數(shù)增加，從而改善抗熱裂性和抗破裂性。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上僅由第一硬質(zhì)相和第二硬質(zhì)相構(gòu)成時，則難以改善抗破裂性。當(dāng) 硬質(zhì)相基本上僅由第一硬質(zhì)相和第三硬質(zhì)相構(gòu)成時，則由于該硬質(zhì)相與粘合劑相的潤濕性 較差而易于形成孔隙，從而導(dǎo)致抗破裂性差。當(dāng)硬質(zhì)相基本上僅由第一硬質(zhì)相和第四硬質(zhì) 相構(gòu)成時，則由于該硬質(zhì)相與粘合劑相的潤濕性較差而易于形成孔隙，從而導(dǎo)致硬度不足 且抗破裂性差。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上僅由第二硬質(zhì)相和第三硬質(zhì)相構(gòu)成時，則難以抑制沿著核部和周 邊部之間的邊界發(fā)生龜裂增長(這是相關(guān)工藝中存在的問題)，從而不能獲得所需的抗破 裂性。當(dāng)硬質(zhì)相基本上僅由第二硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相構(gòu)成時，則難以提高抗破裂性。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上由第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相和第三硬質(zhì)相構(gòu)成而不含第四硬質(zhì)相 時，含有W的第三硬質(zhì)相的比例相對較高。在切削過程中，高的W含量易于引發(fā)W與被加工 件(尤其是鋼)之間的反應(yīng)。因此易于發(fā)生焊接，從而導(dǎo)致被加工件的加工面劣化。即，除 了第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相和第三硬質(zhì)相外，第四硬質(zhì)相的存在會使被加工件的加工面具 有優(yōu)異的質(zhì)量(光澤度)，并可穩(wěn)定地維持這種優(yōu)異的質(zhì)量。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上由第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相構(gòu)成而不含第三硬質(zhì)相 時，盡管熱傳導(dǎo)系數(shù)得到提高，但是硬度降低。這樣容易造成龜裂增長，從而導(dǎo)致破裂發(fā)生 率提高。即，除了第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相外，第三硬質(zhì)相的存在會進(jìn)一步提 高熱傳導(dǎo)系數(shù)，從而抑制熱裂的發(fā)生以及龜裂增長，從而有效地改善抗破裂性。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上由第二硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相構(gòu)成而不含第一硬質(zhì)相 時，則由于不存在第一硬質(zhì)相而難以獲得改善耐磨性和耐焊接性的效果。具體而言，被加工 件的加工面的光澤度低。
當(dāng)硬質(zhì)相基本上由第一硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相構(gòu)成而不含第二硬質(zhì)相 時，換言之，當(dāng)Ti (C，N)類硬質(zhì)相(其為金屬陶瓷中硬質(zhì)相的主要成分)僅為第一硬質(zhì)相 時，其與粘合劑相的潤濕性大幅降低，從而易于形成上述孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致加工性能發(fā)生劣 化。
在本發(fā)明的金屬陶瓷中，除了第一硬質(zhì)相和第二硬質(zhì)相外，第三硬質(zhì)相和第四硬 質(zhì)相的共同存在尤其可抑制與鋼之間的反應(yīng)，并同時維持熱穩(wěn)定性。因此，含有以本發(fā)明金 屬陶瓷構(gòu)成的基材的切削工具具有更高的耐熱塑性變形性、更高的抗熱裂性以及更高的耐焊接性，從而提高了被加工件的加工面質(zhì)量。
[粒徑]
硬質(zhì)相優(yōu)選由粗晶粒和細(xì)晶粒的混合物形成，具體而言，硬質(zhì)相由尺寸均為Iym 以下的細(xì)晶粒和尺寸均大于1 μ m且小于或等于3 μ m的粗晶粒形成。另外，相對于硬質(zhì)相的 總面積而言，硬質(zhì)相的60%至90%由粗晶粒形成，并且硬質(zhì)相的其余部分由細(xì)晶粒形成。 另外優(yōu)選的是，粗晶粒由第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相形成，而細(xì)晶 ?；旧嫌傻谝挥操|(zhì)相和第二硬質(zhì)相形成。
對于這種由不同尺寸的晶粒形成的微結(jié)構(gòu)，所存在的細(xì)晶?？商畛浯志Яｉg的縫 隙，從而提高了硬度和破裂韌性。由于各粗晶粒的尺寸超過Iym且各細(xì)晶粒的尺寸小于 或等于lym，這樣在粗晶粒間存在足夠大的縫隙，因此細(xì)晶粒可存在于這些縫隙中。這樣 便可獲得上述的硬度以及破裂韌性得到改善的效果。另外，由于各粗晶粒的尺寸為3μπι以 下，因此晶粒間不會存在過量的粘合劑相，從而可防止由大量粘合劑相匯聚(binder-phase pool)而導(dǎo)致硬度及破裂韌性下降。尤其優(yōu)選的是，各細(xì)晶粒的尺寸為0. Ιμπι至0.8μπι。
粗晶粒的面積比例為60%以上。即，存在適量的粗晶粒，從而可有效地提供抑制龜 裂增長以及提高韌性的效果。另外，粗晶粒的面積比例為90%以下。這樣，在粗晶粒的縫隙 內(nèi)存在足夠量的細(xì)晶粒，從而提高硬度并抑制龜裂的增長。另外，存在適量的細(xì)晶粒可使金 屬陶瓷的最外面的表面粗糙度降低，從而提供優(yōu)異的切削性能。更優(yōu)選的是，粗晶粒的面積 比例為70 %至85 %。另外，相對于細(xì)晶粒的總面積而言，細(xì)晶粒的80 %以上、優(yōu)選90 %以 上、最優(yōu)選基本上全部的細(xì)晶粒由第一硬質(zhì)相和第二硬質(zhì)相形成。這樣，存在足量的高硬度 細(xì)Ti (C，N)，從而提高耐磨性。下面將描述本發(fā)明中限定的晶粒尺寸、面積以及面積比例的 確定方法。
可通過(例如)調(diào)節(jié)所加入的原料粉末的尺寸和加入量以及生產(chǎn)條件(例如，研 磨時間和燒結(jié)條件)來調(diào)節(jié)構(gòu)成硬質(zhì)相的晶粒的尺寸和面積比例。研磨時間越長，構(gòu)成金 屬陶瓷的硬質(zhì)相的晶粒越細(xì)。燒結(jié)溫度越高，則構(gòu)成金屬陶瓷的硬質(zhì)相的晶粒越粗。即使 將研磨時間延長以形成更為微細(xì)的粉末，但是更高的燒結(jié)溫度可導(dǎo)致晶粒生長，從而形成 構(gòu)成硬質(zhì)相的粗晶粒。
相對于硬質(zhì)相的總面積而言，當(dāng)將晶粒尺寸大于1 μ m且小于或等于3 μ m的第一 硬質(zhì)相(粗晶粒)的面積比例記為Si、并將晶粒尺寸大于1 μ m且小于或等于3 μ m的第二 硬質(zhì)相(粗晶粒)的面積比例記為S2時，則(S1+S2)的范圍優(yōu)選為0. 1至0.5。當(dāng)(S1+S2) 為0. 1以上時，不會輕易發(fā)生金屬陶瓷焊接在被加工件上。這樣抑制了在被加工件表面上 發(fā)生微小的撕裂，從而改善了被加工件的加工面質(zhì)量。此外，耐焊接性得以改善可使磨損降 低，從而改善了工具的耐磨性。當(dāng)(S1+S》為0.5以下時，可抑制因硬度增加而導(dǎo)致的韌性 降低，從而不太易于發(fā)生破裂和剝落。更優(yōu)選的是，(S1+S2)為0.3至0.5。
在將晶粒尺寸大于1 μ m且小于或等于3 μ m的第三硬質(zhì)相(粗晶粒)的面積比例 記為S3、并將晶粒尺寸大于Ιμπι且小于或等于3μπ 的第四硬質(zhì)相(粗晶粒)的面積比例 記為S4的情況下，當(dāng)Si/(S1+S2)為0. 1至0. 4且S3/ (S3+S4)為0. 4至0. 9時，可很好地 兼顧耐磨性和抗破裂性的平衡。另外，還可進(jìn)一步提高被加工件的表面光澤度。更優(yōu)選的 是，Si/(S1+S2)為 0. 3 至 0. 4 且 S3/ (S3+S4)為 0. 7 至 0. 9。
在將晶粒尺寸為1 μ m以下的第一硬質(zhì)相(細(xì)晶粒)的面積記為SS1、并將晶粒尺寸為Iym以下的第二硬質(zhì)相(細(xì)晶粒)的面積記為SS2的情況下，SSl/(SS1+SS2)優(yōu)選為 0.5至0.9。當(dāng)SS1/(SS1+SS2)為0. 5以上時，微細(xì)的第一硬質(zhì)相的面積大于第二硬質(zhì)相的 面積。這會大幅提高耐磨性。當(dāng)SS1/(SS1+SS2)為0.9以下時，則微細(xì)的硬質(zhì)相中第一硬 質(zhì)相的比例不會過大。這樣可能會抑制硬度降低，這是因?yàn)榇嬖谶^量的微細(xì)第一硬質(zhì)相會 造成潤濕性降低，而潤濕性降低會造成微孔隙的形成。更優(yōu)選的是，SS1/(SS1+SS》為0. 55 至 0. 7。
相對于金屬陶瓷的總面積(硬質(zhì)相+粘合劑相)而言，第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相 的總面積比例優(yōu)選為高于40%。在這種情況中，可獲得穩(wěn)定的熱性質(zhì)，提高了抗熱裂性和抗 破裂性。特別是，大部分的第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相優(yōu)選由粗晶粒形成。
《粘合劑相》
粘合劑相由選自鐵族元素鈷(Co)、鐵(Fe)和鎳(Ni)中的至少一種金屬(其作為 主要成分)構(gòu)成。當(dāng)粘合劑相基本上由選自上述鐵族金屬中的一種或多種金屬構(gòu)成時，將 這一種或多種金屬定義為“主要成分”?；蛘?，當(dāng)由選自上述鐵族金屬中的一種或多種金屬 以及上述硬質(zhì)相中所包含的元素構(gòu)成的合金(固溶體)的含量為粘合劑相總質(zhì)量的0.1質(zhì) 量％至20質(zhì)量％時，S卩，當(dāng)80質(zhì)量％以上的粘合劑相由一種或多種鐵族金屬構(gòu)成時，則將 這一種或多種鐵族金屬定義為“主要成分”。當(dāng)粘合劑相中含有硬質(zhì)相所含元素時，可以通 過固溶淬火而提高韌性，從而提高了抗破裂性。此外，當(dāng)Co和M中的至少一者為主要成分 (其含量為粘合劑相總質(zhì)量的80質(zhì)量％以上)時，粘合劑相與硬質(zhì)相具有高潤濕性，并且粘 合劑相具有優(yōu)異的耐腐蝕性。在這種情況中，金屬陶瓷更適于用在切削工具中。
當(dāng)粘合劑相同時含有M和Co時，特別是，當(dāng)將粘合劑相中的M與Co的質(zhì)量比值 (Ni的質(zhì)量與Co的質(zhì)量的比值)記為Ni/Co時，則Ni/Co優(yōu)選為0. 7至1. 5。當(dāng)Ni/Co為 0. 7至1. 5時，可抑制潤濕性的降低，從而維持高韌性，并且可抑制硬度的降低，從而維持高 強(qiáng)度。尤其優(yōu)選的是，Ni/Co為0. 8至1. 2?？赏ㄟ^(例如)調(diào)節(jié)作為原料而加入的Co粉 末和Ni粉末的量來調(diào)節(jié)Ni/Co值。
[其他所含元素]
本發(fā)明的金屬陶瓷可含有鉬(Mo)。特別是，當(dāng)含有鉬時，易于形成第二硬質(zhì)相。這 樣，硬質(zhì)相與粘合劑相之間的潤濕性便增強(qiáng)了，從而使足夠量的粘合劑相位于構(gòu)成硬質(zhì)相 的晶粒周圍，進(jìn)而提高了韌性。Mo含量優(yōu)選為0.01質(zhì)量％至2.0質(zhì)量％。如上所述，Mo含 量為0. 01質(zhì)量％以上時可提高金屬陶瓷整體的潤濕性、硬度和韌性。Mo含量為2. 0質(zhì)量％ 以下時可抑制難以形成第一硬質(zhì)相、并且第二硬質(zhì)相和第三硬質(zhì)相的含量增加的現(xiàn)象。因 而可抑制沿著核邊間的邊界發(fā)生龜裂增長(這是相關(guān)工藝中存在的一個問題)，從而獲得 所需的抗破裂性。更為優(yōu)選的是，Mo含量為0.5質(zhì)量％至1.5質(zhì)量％?？梢圆缓琈o。
〈金屬陶瓷工具〉
《基材》
本發(fā)明具有上述結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷包含上述四種類型的硬質(zhì)相，因而具有優(yōu)異的抗 破裂性、耐焊接性以及耐磨性。因此，該金屬陶瓷適于用作切削工具(金屬陶瓷工具)的基 材，所述切削工具能夠提供令人滿意的加工面。
《硬質(zhì)涂層》
這種基材可包括覆蓋所述基材表面的至少一部分的硬質(zhì)涂層。優(yōu)選的是，硬質(zhì)涂層至少位于刀刃處以及刀刃附近?？墒褂操|(zhì)涂層位于基材的整個表面上。硬質(zhì)涂層可由單 層或多層形成。硬質(zhì)涂層的總厚度優(yōu)選為Iym至20 μπι。關(guān)于制備硬質(zhì)涂層的方法，可采 用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)(如熱CVD法)或物理氣相沉積法(PVD法)(如電弧離子鍍 法)。
硬質(zhì)涂層由選自鋁(Al)、硅(Si)以及周期表第4族、第5族和第6族金屬中的一 種以上元素與選自碳(C)、氮(N)、氧(0)和硼(B)中的一種以上元素所形成的化合物構(gòu)成。 即，硬質(zhì)涂層由選自立方氮化硼(cBN)、金剛石、類金剛石碳(DLC)、以及上述元素(如金屬) 的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物和固溶體中的一種或多種物質(zhì)構(gòu)成。這些物質(zhì)的具體例 子包括 Ti (C, N)、Al2O3、(Ti，Al) N、TiN, TiC、(Al，Cr) N。
〈金屬陶瓷的生產(chǎn)方法〉
金屬陶瓷通常通過如下步驟進(jìn)行生產(chǎn)原料準(zhǔn)備步驟、原料的研磨和混合步驟、成 型步驟以及燒結(jié)步驟。可通過使用下述原料粉末并調(diào)節(jié)研磨和混合時間以及燒結(jié)條件來生 產(chǎn)本發(fā)明的金屬陶瓷。
<原料的準(zhǔn)備>
將如下粉末用作原料，這些粉末為由選自周期表第4族、第5族和第6族金屬中 的至少一種金屬與選自碳(C)和氮(N)中的至少一種元素所形成的化合物粉末；以及待形 成為粘合劑相的粉末，通常為鐵族金屬粉末。如上面所說的那樣，使用細(xì)粉末和相對較粗粉 末作為上述粉末，這樣易于形成具有由粗晶粒和細(xì)晶粒的混合晶粒形成的硬質(zhì)相的金屬陶 瓷?？筛鶕?jù)構(gòu)成硬質(zhì)相的晶粒尺寸來恰當(dāng)?shù)剡x擇粉末的粒徑。
為了形成第一硬質(zhì)相和第二硬質(zhì)相，可使用(例如)Ti (C，N)粉末。關(guān)于Ti (C，N) 粉末，迄今為止，Ti (C，N)粉末由海綿鈦?zhàn)鳛槠鹗疾牧隙频?。具體而言，使用由TiO2作為 起始材料而制得的Ti (C，N)粉末易于形成微細(xì)的第一硬質(zhì)相。另外，如上所述，組合使用 含有Mo的化合物粉末易于形成第二硬質(zhì)相。使用含W粉末(如WC粉末)以形成第三硬質(zhì) 相。使用含有Ti以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除Ti以外的其他金屬中的 金屬的化合物粉末(如(Ti，W) (C,N)粉末)以形成第四硬質(zhì)相。使用這種化合物粉末易于 形成構(gòu)成第四硬質(zhì)相的晶粒，即該晶粒具有單相結(jié)構(gòu)，其中Ti與選自周期表第4族、第5族 以及第6族中除Ti以外的其他金屬中的金屬形成了均勻的固溶體。
《研磨和混合》
研磨時間較長可得到更為微細(xì)的粉末，并且易于形成金屬陶瓷中的微細(xì)硬質(zhì)相晶 粒。然而，研磨時間過長可導(dǎo)致再聚集，或者會使得所形成的化合物尺寸過小而難以用作 核。研磨和混合時間優(yōu)選為12小時至36小時。
《燒結(jié)》
燒結(jié)溫度過高可造成構(gòu)成硬質(zhì)相的晶粒生長，這樣易于使金屬陶瓷中粗晶粒的數(shù) 目增多。特別是，燒結(jié)溫度過高會造成難以形成構(gòu)成第四硬質(zhì)相的晶粒。因此，燒結(jié)溫度優(yōu) 選為1400°C至1600°C。另外，在燒結(jié)步驟中，優(yōu)選將已被加熱預(yù)定時間的成型制品在真空 或惰性氣體氛圍(如氬氣(Ar))中冷卻。具體而言，當(dāng)采用惰性氣氛時，優(yōu)選使用665 至 6650 的相對較低的壓力。此外，冷卻速率較高(例如，10°C/分鐘以上)則易于形成第四 硬質(zhì)相。
發(fā)明效果
本發(fā)明的被覆金屬陶瓷工具具有優(yōu)異的耐磨性和抗破裂性，并且能夠切削被加工 件以在被加工件上形成高質(zhì)量的加工面。本發(fā)明的金屬陶瓷適于用作工具的構(gòu)成材料。


[圖1]圖1為本發(fā)明金屬陶瓷中所包含的四種類型的硬質(zhì)相的示意圖。
本發(fā)明實(shí)施方式
<試驗(yàn)例>
制造由金屬陶瓷構(gòu)成的切削工具。對金屬陶瓷的組成和微結(jié)構(gòu)、以及切削工具的 切削性能進(jìn)行測試。
按照以下方式制造切削工具。準(zhǔn)備下述原料粉末。
(1)平均粒徑為0. 7 μ m的Ti (C，N)粉末
Ti (C，N)粉末為以TW2作為起始材料而制得的粉末。C/N比為1/1。
(2)平均粒徑為0. 8 μ m的Ti (C，N)粉末以及平均粒徑為3. 0 μ m的Ti (C，N)粉末
這兩種Ti (C，N)粉末均為以海綿Ti作為起始材料而制得的粉末。C/N比為1/1。 在表I中，將這些Ti (C，N)粉末表示為“S-TiCN”。
(3)平均粒徑為 2. 8 μ m 的(Ti，W) (C，N)粉末
在(Ti，W) (C，N)粉末中，Ti (C，N)粉末與W形成固溶體。C/N比值為1/1。
(4)平均粒徑為0. 5 μ m至3. 0 μ m的WC粉末、NbC粉末、TaC粉末、Mo2C粉末、Ni 粉末和Co粉末
這些粉末均為市售可得的粉末。
將這些準(zhǔn)備好的粉末稱重，并按照表I中所示出的組成(質(zhì)量％)混合，從而形成 粉末1至粉末12。
[表 I]
原料粉末的組成(質(zhì)量％ )
粉末 編號TiCN 0.7μπιS-TiCN 0.8μπιS-TiCN 3.0μιη(Ti,W)(C,N) 2.8μπιWCNbCTaCMo2CCoNi11010202510100177220201015101001683105202020100177420151010201001685105152025100177620155102510018670301015201001778101020251055177920100252010017710202025010100177112010153001001771201025400100177
將所制得的粉末連同丙酮溶劑和硬質(zhì)合金球粒一同投入到不銹鋼爐內(nèi)。將該混合 物研磨并混合(濕法工藝)。表II示出了用以制備樣品的原料粉末和研磨及混合時間(小 時)。在研磨及混合后，將混合物干燥以形成混合粉末。向所得混合粉末中加入少量石蠟。11利用模具在98MPa下進(jìn)行壓制成型，從而制得具有CNMG 120408形狀的成形體。
[表 II]
權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷，其包含硬質(zhì)相，該硬質(zhì)相由選自周期表第4族、第5族和第6族金 屬的碳化物、氮化物、碳氮化物和固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成；以及主要由鐵族元素 構(gòu)成的粘合劑相，所述硬質(zhì)相通過所述粘合劑相而相互粘結(jié)在一起，所述金屬陶瓷含有70質(zhì)量％至97質(zhì)量％的所述硬質(zhì)相，其余部分基本上由所述粘合 劑相形成，所述硬質(zhì)相包含第一硬質(zhì)相、第二硬質(zhì)相、第三硬質(zhì)相和第四硬質(zhì)相，其中所述第一硬質(zhì)相為這樣的硬質(zhì)相該硬質(zhì)相具有僅由碳氮化鈦構(gòu)成的單相；或者 該硬質(zhì)相具有碳氮化鈦的一部分被復(fù)合碳氮化物固溶體覆蓋的單相結(jié)構(gòu)，其中該復(fù)合碳氮 化物固溶體含有鈦、以及選自周期表第4族、第5族和第6族中除了鈦以外的其他金屬中的 一種或多種金屬，所述第二硬質(zhì)相為具有核-邊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該核-邊結(jié)構(gòu)包含核部以及完全覆蓋住 該核部的周邊部，所述核部由碳氮化鈦構(gòu)成，并且所述周邊部由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成， 其中該復(fù)合碳氮化物固溶體含有鈦、以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除了鈦以 外的其他金屬中的一種或多種金屬，所述第三硬質(zhì)相為具有核-邊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該核-邊結(jié)構(gòu)包含核部以及完全覆蓋住 該核部的周邊部，所述核部和所述周邊部含有相同的元素、并且均由至少含有鈦和鎢的復(fù) 合碳氮化物固溶體構(gòu)成，并且所述核部中的鎢濃度高于所述周邊部中的鎢濃度，并且所述第四硬質(zhì)相為具有單相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相，該單相結(jié)構(gòu)由復(fù)合碳氮化物固溶體構(gòu)成， 其中該復(fù)合碳氮化物固溶體含有鈦、以及選自周期表第4族、第5族以及第6族中除了鈦以 外的其他金屬中的一種或多種金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷，其中，相對于所述硬質(zhì)相的總面積，所述硬質(zhì)相的 60%至90%由尺寸均大于1 μ m且小于或等于3 μ m的粗晶粒形成，所述硬質(zhì)相的其余部分 由尺寸均小于或等于1. 0 μ m的細(xì)晶粒形成，其中所述粗晶粒由所述第一硬質(zhì)相、所述第二硬質(zhì)相、所述第三硬質(zhì)相和所述第四硬 質(zhì)相形成，并且所述細(xì)晶?；旧嫌伤龅谝挥操|(zhì)相和所述第二硬質(zhì)相形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬陶瓷，其中相對于所述硬質(zhì)相的總面積，當(dāng)將所述粗晶 粒的所述第一硬質(zhì)相的面積比例記為Si、并將所述粗晶粒的所述第二硬質(zhì)相的面積比例記 為 S2 時，則(S1+S2)為 0. 1 至 0. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的金屬陶瓷，其中相對于所述硬質(zhì)相的總面積，當(dāng)將所述粗 晶粒的所述第一硬質(zhì)相的面積比例記為Si、將所述粗晶粒的所述第二硬質(zhì)相的面積比例記 為S2、將所述粗晶粒的所述第三硬質(zhì)相的面積比例記為S3、并將所述粗晶粒的所述第四硬 質(zhì)相的面積比例記為S4時，則S1/(S1+S2)為0. 1至0. 4、且S3/(S3+S4)為0. 4至0. 9。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的金屬陶瓷，其中，當(dāng)將晶粒尺寸為l.OymW 下的所述第一硬質(zhì)相的面積記為SS1、并將晶粒尺寸為Ι.ομπι以下的所述第二硬質(zhì)相的面 積記為 SS2 時，則 SS1/(SS1+SS2)為 0. 5 至 0. 9。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的金屬陶瓷，其中相對于所述金屬陶瓷的總面 積，所述第三硬質(zhì)相和所述第四硬質(zhì)相的總面積比例超過40%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的金屬陶瓷，其中所述金屬陶瓷在所述粘合劑相中含有鎳(Ni)和鈷(Co)，并且當(dāng)將所述粘合劑相中所含的Ni與Co的質(zhì)量比記為Ni/Co時，Ni/Co為0. 7至1. 5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的金屬陶瓷，其中所述金屬陶瓷含有0.01質(zhì) 量％至2.0質(zhì)量％的鉬。
9.一種被覆金屬陶瓷工具，其具有由權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的金屬陶瓷構(gòu) 成的基材、以及覆蓋所述基材的至少一部分表面的硬質(zhì)覆層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適于用作切削工具的構(gòu)成材料的金屬陶瓷，以及被覆金屬陶瓷工具，其中這種切削工具具有優(yōu)異的抗破裂性，并且使切削工具能夠切削被加工件，從而在被加工件上形成高質(zhì)量的加工面。這種金屬陶瓷包含由化合物構(gòu)成硬質(zhì)相、以及主要由鐵族元素構(gòu)成的粘合劑相，硬質(zhì)相借助于粘合劑相而相互結(jié)合在一起，其中構(gòu)成硬質(zhì)相的所述化合物為(例如)選自周期表第4族、第5族和第6族中的金屬的碳氮化物。這種金屬陶瓷包含由具有不同組成和形態(tài)的四種晶粒形成的硬質(zhì)相；因此，這種金屬陶瓷具有高耐磨性，并具有優(yōu)異的抗破裂性和耐焊接性，并且可提供質(zhì)量令人滿意的加工面。第一硬質(zhì)相1由具有單相的晶粒形成，其中該單相晶粒由Ti(C，N)構(gòu)成。第二硬質(zhì)相2由具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成，該核-邊結(jié)構(gòu)包含由Ti(C，N)構(gòu)成的核部2a以及幾乎覆蓋住核部2a的周邊部2b。第三硬質(zhì)相3由具有核-邊結(jié)構(gòu)的晶粒形成，該核-邊結(jié)構(gòu)包含核部和周邊部，并且該核部和周邊部由包含Ti和W的復(fù)合的碳氮化物固溶體構(gòu)成，核部3a的W濃度高于周邊部3b中的W濃度。第四硬質(zhì)相4由具有單相的晶粒形成，該單相晶粒由含有Ti的復(fù)合的碳氮化物固溶體構(gòu)成。
文檔編號B23B27/14GK102046823SQ201080001593
公開日2011年5月4日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者廣瀨和弘, 森口秀樹, 津田圭一 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社, 住友電氣工業(yè)株式會社