金屬陶瓷工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供減小被切削材料的精加工表面粗糙度、耐磨性、耐缺損性及耐崩裂性優(yōu)異、且能夠延長工具壽命的金屬陶瓷工具。一種金屬陶瓷工具，其由75～95體積％的硬質(zhì)相和5～25體積％的結(jié)合相構(gòu)成，其中，硬質(zhì)相由芯部為(Ti，Nb，Mo)(C，N)、周邊部為(Ti，Nb，Mo，W)(C，N)或(Ti，Nb，Mo，W，Zr)(C，N)的第1硬質(zhì)相、芯部及周邊部這兩者為(Ti，Nb，Mo，W)(C，N)或(Ti，Nb，Mo，W，Zr)(C，N)的第2硬質(zhì)相、和(Ti，Nb，Mo)(C，N)的第3硬質(zhì)相構(gòu)成，表面區(qū)域的最大Nb量Nbs與內(nèi)部區(qū)域的內(nèi)部Nb量Nbi的關系Nbs/Nbi為0.8～1.2，表面區(qū)域的最大W量Ws與內(nèi)部區(qū)域的內(nèi)部W量Wi的關系Ws/Wi為1.0～1.5，關于各硬質(zhì)相的面積率A1、A2及A3，A1為75～95面積％、A2為4～24面積％，A3為1～24面積％。
【專利說明】
金屬陶瓷工具
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬陶瓷工具。
【背景技術】
[0002] 金屬陶瓷工具與超硬合金工具相比，與鐵的耐反應性、高溫強度優(yōu)異，有效利用該 特性而被用于精加工。例如，在專利文獻1中記載了一種金屬陶瓷工具，其具有:有芯結(jié)構(gòu)的 第1硬質(zhì)相，其中，芯部由Ti與Nb與Zr的復合碳氮化物相構(gòu)成、周邊部由Ti與Nb與Zr與W、或 Ti與Nb與Zr與W與Ta的復合碳氮化物相構(gòu)成;和有芯結(jié)構(gòu)的第2硬質(zhì)相，其中，芯部及周邊部 這兩者由Ti與Nb與Zr與W的復合碳氮化物相、或Ti與Nb與Zr與W與Ta的復合碳氮化物相構(gòu) 成。
[0003] 現(xiàn)有技術文獻 [0004] 專利文獻
[0005] 專利文獻1:日本特開2007-69311號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明所要解決的技術問題
[0007] 然而，在近年來的切削加工中，高速化、高進給化及深切口化顯著地進行。在這樣 的伴隨高溫發(fā)熱的高速切削條件下，見到與以往相比工具壽命降低的傾向。即，對于上述以 往的金屬陶瓷工具而言，由于硬質(zhì)相的粒子間的強度不充分，所以在伴隨高溫發(fā)熱的高速 切削條件下，存在由于硬質(zhì)相粒子發(fā)生脫落而導致被切削材料的精加工表面粗糙度變粗糙 的問題。此外，雖然硬質(zhì)相的硬度優(yōu)異，但存在耐崩裂性及耐缺損性差的問題。
[0008] 本發(fā)明是為了解決上述的問題而進行的。本發(fā)明的目的是提供減小被切削材料的 精加工表面粗糙度、不降低耐磨性而具有優(yōu)異的耐缺損性和優(yōu)異的耐崩裂性、且工具壽命 長的金屬陶瓷工具。
[0009] 用于解決技術問題的方法
[0010] 本發(fā)明人對金屬陶瓷工具進行了各種研究。其結(jié)果是，本發(fā)明人認識到:通過對金 屬陶瓷工具的硬質(zhì)相的組成進行設計，能夠得到不降低耐磨性而具有優(yōu)異的耐缺損性和優(yōu) 異的耐崩裂性、且減小被切削材料的精加工表面粗糙度的金屬陶瓷工具，從而完成本發(fā)明。
[0011] 即，本發(fā)明的主旨如下所述。
[0012] (1) 一種金屬陶瓷工具，其是由75體積％以上且95體積％以下的硬質(zhì)相、和5體 積％以上且25體積％以下的結(jié)合相構(gòu)成的金屬陶瓷工具，其中，
[0013]上述硬質(zhì)相由以下的(a)、（b)及(c)構(gòu)成：
[0014] (a)芯部由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物相構(gòu)成、周邊部由Ti與Nb與Mo與W與Zr的復 合碳氮化物[以下，以（!^，他，10，1，20((：，《表示]相、或1^與他與此與￥的復合碳氮化物 [以下，以（!1，他，10，1)((：，《表示]相構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)的第1硬質(zhì)相、
[0015] (b)芯部及周邊部這兩者由（11，恥，1〇，1，2〇((：小)相、或（11，恥肩〇，1)((：小)相構(gòu) 成的有芯結(jié)構(gòu)的第2硬質(zhì)相、
[0016] (c)由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物相構(gòu)成的第3硬質(zhì)相，
[0017] 上述結(jié)合相由以選自由Co、Ni及Fe組成的組中的至少1種作為主要成分的元素構(gòu) 成，
[0018]當設上述金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止的范圍的表面區(qū)域中的上述Nb 元素濃度的最大含量為Nbs、設與上述表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中的上述Nb元素濃 度的內(nèi)部含量為Nbi時，Nbs/Nbi為0.8以上且1.2以下，
[0019] 當設上述表面區(qū)域中的上述W元素濃度的最大含量為Ws、設上述內(nèi)部區(qū)域中的上 述W元素濃度的內(nèi)部含量為Wi時，Ws/Wi為1.0以上且1.5以下，
[0020] 在金屬陶瓷工具的上述內(nèi)部區(qū)域的截面中，當設上述第1硬質(zhì)相的面積率為A1、設 上述第2硬質(zhì)相的面積率為A2、設上述第3硬質(zhì)相的面積率為A3、設上述硬質(zhì)相整體的面積 為100面積％時，上述A1為75面積％以上且95面積％以下、上述A2為4面積％以上且24面 積％以下、上述A3為1面積％以上且24面積％以下。
[0021] (2)根據(jù)（1)的金屬陶瓷工具，其中，當設上述表面區(qū)域中的維氏硬度為Hs、設上述 內(nèi)部區(qū)域中的維氏硬度為Hi時，Hs/Hi為1.1以上且1.3以下。
[0022] (3)根據(jù)（1)或（2)的金屬陶瓷工具，其中，當設上述表面區(qū)域中的上述第1硬質(zhì)相 的芯部的面積率為Cls、設上述內(nèi)部區(qū)域中的上述第1硬質(zhì)相的芯部的面積率為Cli時，Cls/ Cli為0.3以上且0.9以下。
[0023] (4)根據(jù)（1)~(3)中任一項的金屬陶瓷工具，其中，當設上述表面區(qū)域中的上述硬 質(zhì)相的平均粒徑為ds、設上述內(nèi)部區(qū)域中的上述硬質(zhì)相的平均粒徑為di時，ds/di為1.0以 上且2.0以下。
[0024] (5)根據(jù)（1)~(4)中任一項的金屬陶瓷工具，其中，上述硬質(zhì)相的平均粒徑為Ι.Ομ m以上且3.0μηι以下。
[0025] (6)根據(jù)（1)~(5)中任一項的金屬陶瓷工具，其特征在于，將上述硬質(zhì)相中包含的 Nb的一部分用Ta進行了置換。
[0026] (7) -種被覆金屬陶瓷工具，其在（1)~(6)中任一項所述的金屬陶瓷工具的表面 上形成有被覆層。
[0027] 〈金屬陶瓷工具〉
[0028] 作為本發(fā)明的金屬陶瓷工具的種類，具體而言，可列舉出銑削加工用或車削加工 用刀尖更換型切削刀片、鉆頭及立銑刀等。
[0029] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具是由硬質(zhì)相、和以選自由Co、Ni及Fe組成的組中的至少1種 作為主要成分的結(jié)合相構(gòu)成的金屬陶瓷工具。上述硬質(zhì)相相對于金屬陶瓷工具整體（100體 積％ )的比例為75~95體積％，上述結(jié)合相占剩余部分。
[0030] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具若硬質(zhì)相的比例低于75體積％，則金屬陶瓷工具的耐磨性 降低。此外，本發(fā)明的金屬陶瓷工具若硬質(zhì)相的比例超過95體積％，則由于金屬陶瓷工具的 耐缺損性降低的同時相對地剩余部分的結(jié)合相量減少，所以金屬陶瓷工具的制造時的原料 的燒結(jié)性降低。因此，將硬質(zhì)相的比例規(guī)定為75~95體積％，將結(jié)合相的比例規(guī)定為剩余部 分。從上述的觀點出發(fā)，若硬質(zhì)相的比例為80~90體積％、結(jié)合相的比例為剩余部分，則進 一步優(yōu)選。
[0031] 另外，本發(fā)明的金屬陶瓷工具中的硬質(zhì)相及結(jié)合相的比例如以下那樣求出。利用 帶有能量分散型X射線分光器(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金屬陶瓷工具的從表面至 深度方向上500μπι內(nèi)部為止的截面組織，進一步使用王水對截面組織進行蝕刻，利用帶有 EDS的SEM觀察蝕刻后的截面組織。進而，由這兩種截面組織測定沒有被蝕刻的硬質(zhì)相的面 積率和被蝕刻的結(jié)合相的面積率，由其結(jié)果求出金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相的體積％與結(jié)合相 的體積％的比例。
[0032] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的結(jié)合相是以選自Co、Ni及Fe中的至少1種作為主要成分 的金屬。以選自Co、Ni及Fe中的至少1種作為主要成分的金屬是指結(jié)合相的選自Co、Ni及Fe 中的至少1種金屬的合計質(zhì)量相對于結(jié)合相的總質(zhì)量為50質(zhì)量％以上的金屬。在本發(fā)明的 結(jié)合相中，除了Co、Ni及Fe以外，也可以包含硬質(zhì)相成分。通常，本發(fā)明的結(jié)合相中包含的硬 質(zhì)相成分的合計含量相對于結(jié)合相的總質(zhì)量為20質(zhì)量％以下。其中，本發(fā)明的金屬陶瓷工 具的結(jié)合相更優(yōu)選為以Co及Ni中的1種或2種作為主要成分的金屬。這種情況下，能夠得到 結(jié)合相與硬質(zhì)相的潤濕性、耐熱性及耐腐蝕性優(yōu)異的金屬陶瓷工具。
[0033]本發(fā)明的金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相具有芯部由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物[以下， 以（1^，他集）（(^)表示]相構(gòu)成、周邊部由1^與他與此與￥與24勺復合碳氮化物[以下，以 (11，他，10，1，20((：小)表示]相、或11與他與1〇與1的復合碳氮化物[以下，以（11，他，10，￥) (C，N)表示]相構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)的第1硬質(zhì)相。另外，芯部與周邊部具有不同的組成。Nb由于 高溫硬度及耐氧化性優(yōu)異，所以在高速的加工中，反應磨損得到抑制，因此金屬陶瓷工具的 耐磨性優(yōu)異。Mo與燒結(jié)時的結(jié)合相的潤濕性優(yōu)異，硬質(zhì)相彼此的潤濕性也優(yōu)異。因此，通過 第1硬質(zhì)相包含Mo而金屬陶瓷工具的強度提高，從而耐缺損性及耐崩裂性提高。進而，W的硬 度優(yōu)異。因此，通過第1硬質(zhì)相包含W而金屬陶瓷工具的耐磨性優(yōu)異。此外，硬質(zhì)相中的Zr由 于高溫強度優(yōu)異，所以通過第1硬質(zhì)相包含Zr，金屬陶瓷工具的耐塑性變形性優(yōu)異。
[0034] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相具有芯部及周邊部這兩者由（Ti，Nb，Mo，W，Zr) (C，N)相、或(1^，他1〇，1)((：，《相構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)的第2硬質(zhì)相。1的硬度優(yōu)異。因此，通過 第2硬質(zhì)相包含W而金屬陶瓷工具的耐磨性優(yōu)異。此外，硬質(zhì)相中的Zr由于高溫強度優(yōu)異，所 以通過第2硬質(zhì)相包含Zr，金屬陶瓷工具的耐塑性變形性優(yōu)異。
[0035]本發(fā)明的金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相具有由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物[以下，以 (Ti，Nb，Mo)(C，N)表示]相構(gòu)成的單一相粒子結(jié)構(gòu)的第3硬質(zhì)相。第3硬質(zhì)相由于熱導率高， 所以耐熱沖擊性優(yōu)異，因此能夠抑制熱裂紋的產(chǎn)生。因此，通過在金屬陶瓷工具中分散地存 在第3硬質(zhì)相，從而耐缺損性提高。
[0036]特別是本發(fā)明的金屬陶瓷工具由于在第1硬質(zhì)相、第2硬質(zhì)相及第3硬質(zhì)相的全部 的硬質(zhì)相中包含Nb及Mo,所以高溫下的耐磨性優(yōu)異，耐缺損性也優(yōu)異。此外，Ta與Nb同樣地 高溫硬度優(yōu)異。因此，本發(fā)明的金屬陶瓷工具還優(yōu)選在由第1硬質(zhì)相、第2硬質(zhì)相及第3硬質(zhì) 相構(gòu)成的硬質(zhì)相的至少1種硬質(zhì)相中將硬質(zhì)相中包含的Nb的一部分用Ta進行置換。
[0037]在本發(fā)明的金屬陶瓷工具中，當設金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止的范 圍的表面區(qū)域中的Nb元素濃度的最大含量為Nbs、設與表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中 的Nb元素濃度的內(nèi)部含量為Nbi時，Nbs/Nbi為0.8以上且1.2以下。若Nbs/Nbi為該范圍，則 由于金屬陶瓷工具的表面區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域中的Nb元素濃度大致均勻，因而金屬陶瓷工具的 高溫強度優(yōu)異。若Nbs/Nbi低于0.8，則金屬陶瓷工具的耐磨性降低，若Nbs/Nbi超過1.2，則 金屬陶瓷工具的耐缺損性降低。
[0038] 在本發(fā)明的金屬陶瓷工具中，當設金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止的范 圍的表面區(qū)域中的W元素濃度的最大含量為Ws、設與表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中的W 元素濃度的內(nèi)部含量為Wi時，Ws/Wi為1.0以上且1.5以下。若Ws/Wi為該范圍，則由于金屬陶 瓷工具的表面區(qū)域的硬度優(yōu)異、內(nèi)部區(qū)域的韌性優(yōu)異，因而金屬陶瓷工具的耐磨性、耐崩裂 性及耐缺損性提高。若Ws/Wi低于1.0,則金屬陶瓷工具的耐磨性降低，若Ws/Wi超過1.5，則 金屬陶瓷工具的耐崩裂性及耐缺損性降低。
[0039] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具通過使表面區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域中的Nb元素濃度均勻、提高表 面區(qū)域的W元素濃度，從而耐磨性、耐崩裂性及耐缺損性等切削性能提高。即，在伴隨高溫發(fā) 熱的高速切削條件中，高溫硬度優(yōu)異的Nb有助于切削性能，在以往的切削條件中，W有助于 切削性能，所以在所有的加工條件中均能夠在不使切削性能降低的情況下進行加工。
[0040] 對于本發(fā)明的金屬陶瓷工具來說，在金屬陶瓷工具的與從表面至300μπι深度為止 的范圍的表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域的截面中，當設第1硬質(zhì)相的面積率為Α1、設第2 硬質(zhì)相的面積率為Α2、設第3硬質(zhì)相的面積率為A3、設硬質(zhì)相整體的面積為100面積％時，Α1 為75面積％以上且95面積％以下，Α2為4面積％以上且24面積％以下，A3為1面積％以上且 24面積％以下。若Α1低于75面積％，則由于韌性不充分，所以金屬陶瓷工具的耐缺損性降 低。若Α1超過95面積％，則由于相對地Α2或A3的面積變小，所以硬度或熱導率降低，因此金 屬陶瓷工具的耐磨性或耐熱沖擊性降低。若Α2低于4面積％，則由于硬度不充分，所以金屬 陶瓷工具的耐磨性降低。若Α2超過24面積％，則由于相對地Α1或A3的面積變小，所以韌性及 熱導率降低，因此金屬陶瓷工具的耐缺損性或耐熱沖擊性降低。若A3低于1面積％，則由于 熱導率不充分，所以金屬陶瓷工具的耐熱沖擊性降低。若A3超過24面積％，則由于相對地Α1 或Α2的面積變小，所以韌性降低，因此金屬陶瓷工具的耐缺損性降低。
[0041] 對于本發(fā)明的金屬陶瓷工具來說，當設金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止 的范圍的表面區(qū)域中的維氏硬度為Hs、設與表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中的維氏硬度 為Hi時，優(yōu)選Hs/Hi為1.1以上且1.3以下。本發(fā)明的金屬陶瓷工具的Hs/Hi低于1.1時，見到 耐磨性變差的傾向，若超過1.3，則見到耐崩裂性及耐缺損性變差的傾向。
[0042]對于本發(fā)明的金屬陶瓷工具來說，當設金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止 的范圍的表面區(qū)域中的第1硬質(zhì)相的芯部的面積率為Cls、設與表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部 區(qū)域中的第1硬質(zhì)相的芯部的面積率為Cli時，優(yōu)選Cls/Cli為0.3以上且0.9以下。本發(fā)明的 金屬陶瓷工具的Cls/Cli低于0.3時，見到耐缺損性降低的傾向，若超過0.9,則見到耐磨性 降低的傾向。
[0043]對于本發(fā)明的金屬陶瓷工具來說，當設金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止 的范圍的表面區(qū)域中的硬質(zhì)相的平均粒徑為ds、設與表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中的 硬質(zhì)相的平均粒徑為di時，優(yōu)選ds/di為1.1以上且2.0以下。本發(fā)明的金屬陶瓷工具的ds/ di低于1.1時，見到耐缺損性降低的傾向，若超過2.0，則見到耐磨性降低的傾向。
[0044] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具優(yōu)選硬質(zhì)相的平均粒徑為Ι.Ομπι以上且3.Ομπι以下。本發(fā)明 的金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相的平均粒徑低于Ι.Ομπι時，見到耐缺損性降低的傾向，若超過3.0μ m，則見到硬度降低且耐磨性降低的傾向。
[0045] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的Nb元素濃度及W元素濃度可以如以下那樣求出?？梢韵?對于金屬陶瓷工具的表面傾斜10°地對金屬陶瓷工具進行研磨，利用SEM觀察該研磨面的截 面組織，使用附帶于SEM的EDS而求出。按照距金屬陶瓷工具的表面在垂直方向上成為ΙΟμπι 間隔的方式測定10處的濃度，將它們中的最大含量作為Nbs及Ws，對距表面為500μπι的位置 測定任意的10處的濃度，將其平均值作為Nbi及Wi。
[0046] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的表面區(qū)域中的維氏硬度Hs及內(nèi)部區(qū)域中的維氏硬度Hi 可以如以下那樣求出。為了測定金屬陶瓷工具的從表面至內(nèi)部為止的硬度，相對于金屬陶 瓷工具的表面傾斜10°地對金屬陶瓷工具進行研磨，按照距金屬陶瓷工具的表面在垂直方 向上成為10M1間隔的方式使用顯微維氏硬度計測定施加載荷為4.9N的維氏硬度。將金屬陶 瓷工具的從表面至300μπι為止的范圍的最大硬度作為Hs，對金屬陶瓷工具的距表面為500μπι 的位置測定5處的維氏硬度，將這5處中的最大硬度作為Hi。
[0047] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相的表面區(qū)域中的平均粒徑ds及內(nèi)部區(qū)域中的平 均粒徑di可以如以下那樣求出?？梢韵鄬τ诮饘偬沾晒ぞ叩谋砻鎯A斜10°地對金屬陶瓷工 具進行研磨，由將該研磨面的截面組織用SEM放大至2000~10000倍而得到的圖像，使用 Fullman的式（1)而求出。
[0048] dm=(4/jr) · (NL/NS) (1)
[0049] (式中，dm為平均粒徑，π為圓周率，NL為被截面組織上的任意的直線命中的每單位 長度的硬質(zhì)相的數(shù)目，NS為任意的單位面積內(nèi)包含的硬質(zhì)相的數(shù)目）
[0050] 此外，硬質(zhì)相的平均粒徑為求出表面區(qū)域中的平均粒徑ds與內(nèi)部區(qū)域中的平均粒 徑di的平均而得到的值。
[0051] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的內(nèi)部區(qū)域中的各硬質(zhì)相的面積率A1、A2及A3可以由截面 組織的SEM圖像，通過使用市售的圖像解析軟件的方法或使用上述Fullman的式子的方法而 求出。以下示出使用Fullman的式子時的具體的測定方法?？梢詫⒔饘偬沾晒ぞ哌M行研磨， 由將金屬陶瓷工具的內(nèi)部區(qū)域中的該研磨面的截面組織用SEM放大至2000~10000倍的圖 像，使用上述Fullman的式（1)而求出。使用上述的Fullman的式（1)分別求出第1硬質(zhì)相、第2 硬質(zhì)相及第3硬質(zhì)相的平均粒徑。可以通過利用各硬質(zhì)相的平均粒徑和單位面積內(nèi)包含的 各硬質(zhì)相的數(shù)目而求出單位面積內(nèi)包含的各硬質(zhì)相的面積，從而求出各硬質(zhì)相的面積率 A1、A2及A3。
[0052]本發(fā)明的金屬陶瓷工具的表面區(qū)域中的第1硬質(zhì)相的芯部的面積率Cls及內(nèi)部區(qū) 域中的第1硬質(zhì)相的芯部的面積率Cli可以如以下那樣求出?？梢韵鄬τ诮饘偬沾晒ぞ叩谋?面傾斜10°地對金屬陶瓷工具進行研磨，拍攝將該截面研磨面用SEM放大至2000~10000倍 的照片，對該照片使用市售的圖像解析軟件，算出Cls及Cli。
[0053] 發(fā)明效果
[0054] 通過本發(fā)明的金屬陶瓷工具，能夠減小被切削材料的精加工表面粗糙度。此外，本 發(fā)明的金屬陶瓷工具由于不使耐磨性降低而具有優(yōu)異的耐缺損性和優(yōu)異的耐崩裂性，所以 發(fā)揮與以往相比能夠延長工具壽命這樣的效果。
【具體實施方式】
[0055] 接著，對本發(fā)明的金屬陶瓷工具的制造方法使用具體例子進行說明。另外，本發(fā)明 的金屬陶瓷工具的制造方法只要可以實現(xiàn)該金屬陶瓷工具的構(gòu)成(硬質(zhì)相及結(jié)合相），則沒 有特別限制。
[0056]例如，本發(fā)明的金屬陶瓷工具的制造方法包括以下工序：
[0057]工序(A):將平均粒徑為0.5~4. Ομπι的碳氮化鈦鈮鉬粉末或碳氮化鈦鈮鉭鉬粉末 30~90質(zhì)量％、除碳氮化鈦鈮鉬及碳氮化鈦鈮鉭鉬粉末以外的平均粒徑為0.5~4.Ομπι的選 自由Ti、Zr、Nb、Mo及W組成的組中的至少1種金屬元素的選自由碳化物、氮化物及碳氮化物 組成的組中的至少1種的粉末5~40質(zhì)量％、和平均粒徑為0.5~3. Ομπι的選自由Co、Ni及Fe 組成的組中的至少1種的粉末5~30質(zhì)量％進行配合(其中，它們的合計為100質(zhì)量％ )的工 序；
[0058]工序(B):將原料粉末配合并通過5~35小時的濕式球磨機混合來準備混合物的混 合工序；
[0059] 工序(C):將所得到的混合物成型為規(guī)定的工具的形狀而得到成型體的成型工序；
[0060] 工序(D):將上述工序(C)中得到的成型體在67Pa以下的真空中升溫至1200~1400 °C的范圍的規(guī)定的溫度為止的第1升溫工序；
[0061 ] 工序(E):將經(jīng)由上述工序(D)的成型體在50~1330Pa的氮氣氛中從1200~1400°C 的范圍的規(guī)定的溫度升溫至比該溫度高的1400~1600 °C的范圍的燒結(jié)溫度為止的第2升溫 工序；
[0062]工序(F):將經(jīng)由上述工序（E)的成型體在與工序(E)相同的壓力的氮氣氛中在 1400~1600°C的范圍的燒結(jié)溫度下保持規(guī)定的時間而進行燒結(jié)的第1燒結(jié)工序；
[0063] 工序(G):將經(jīng)由上述工序(F)的成型體從1400~1600°C的范圍以1~50°C/分鐘的 速度在比上述工序(F)低的1~50Pa的氮壓力下冷卻至1000~1200°C的范圍的溫度為止的 第1冷卻工序；
[0064]工序(H):將經(jīng)由上述工序(G)的成型體在與工序(G)相同的壓力的氮氣氛中在 1000~1200°C的范圍的燒結(jié)溫度下保持規(guī)定的時間而進行燒結(jié)的第2燒結(jié)工序;和 [0065] 工序（I):將經(jīng)由上述工序(H)的成型體從1000~1200°C的范圍的規(guī)定的溫度冷卻 至常溫為止的第2冷卻工序。
[0066]另外，工序(A)中使用的原料粉末的平均粒徑是通過美國材料試驗協(xié)會(ASTM)標 準B330中記載的Fisher法(Fisher Sub-Sieve Sizer(FSSS)，費氏微粒測量儀）而測定的 值。
[0067] 本發(fā)明的金屬陶瓷工具的制造方法的各工序具有以下的意義。
[0068] 在工序(A)中通過使用碳氮化鈦鈮鉬粉末或碳氮化鈦鈮鉭鉬粉末、和選自由Ti、 Zr、Nb、Mo及W組成的組中的至少1種金屬元素的選自由碳化物、氮化物及碳氮化物組成的組 中的至少1種的粉末，可以構(gòu)成第1硬質(zhì)相、第2硬質(zhì)相及第3硬質(zhì)相。
[0069] 在工序(B)中可以調(diào)整硬質(zhì)相的平均粒徑、或者將規(guī)定的配合組成的混合粉末均 勻地混合。通過在以下的工序中將其進行成型、燒結(jié)、冷卻，可以得到由特定的組成的硬質(zhì) 相及結(jié)合相構(gòu)成的本發(fā)明的金屬陶瓷工具。
[0070] 在工序(C)中將所得到的混合物成型為規(guī)定的工具的形狀。將所得到的成型體在 以下的燒結(jié)工序中進行燒結(jié)。
[0071 ]在工序(D)中通過將成型體在67Pa以下的真空中升溫，從而促進液相出現(xiàn)前及液 相剛出現(xiàn)后的脫氣，使以下的燒結(jié)工序中的燒結(jié)性提高。
[0072]在工序(E)中通過在1400~1600°C的范圍的溫度下進行燒結(jié)，能夠提高金屬陶瓷 工具的表面區(qū)域的W元素濃度。此外，在工序(E)及(F)中通過設定為氮氣氛，從而防止來自 成型體的表面的脫氮，由此來抑制伴隨脫氮的燒結(jié)表面的平滑性的降低及燒結(jié)表面附近的 (Ti，Nb，Mo)(C，N)等硬質(zhì)相的減少。
[0073] 在工序(G)中通過以比工序(E)及(F)低的1~50Pa的氮壓力、且1~50°C/分鐘的冷 卻速度進行冷卻，能夠抑制Nb元素向成型體的表面的移動。
[0074] 在工序(H)中通過在比工序(F)低的溫度下進行保持，從而使第1~第3硬質(zhì)相的面 積率為任意值。
[0075] 進而在工序(I)中，將燒結(jié)后的成型體冷卻至常溫，得到本發(fā)明的金屬陶瓷工具。
[0076] 對于經(jīng)由從工序(A)到工序（I)為止的工序而得到的金屬陶瓷工具，也可以根據(jù)需 要進行磨削加工或刀尖的珩磨加工。
[0077] 實施例1
[0078][金屬陶瓷工具的制造]
[0079] 作為原料粉末，準備市售的平均粒徑為2.0μπι的（11，他，1〇)((：，幻粉末（以質(zhì)量比 計 TiC/TiN=50/50)、平均粒徑為 2.0μπι 的(11，恥，了3，]\1〇)((：4)粉末（以質(zhì)量比計11(：/11~ = 50/50)、平均粒徑為1.5μπι的WC粉末、平均粒徑為1.5μπι的ZrC粉末、平均粒徑為1 .Ομπι的Co粉 末及平均粒徑為l.OMi的Ni粉末。另外，原料粉末的平均粒徑是通過美國材料試驗協(xié)會 (ASTM)標準B330中記載的Fisher法(Fisher Sub-Sieve Sizer(FSSS))而測定的值。此外， (1^，恥，1〇)((：小)是指1^與恥與1〇的復合碳氮化物，（11，他，了 &肩〇)((：小)是指11與恥與丁& 與Mo的復合碳氮化物。
[0080] 將所準備的原料粉末按照成為下述表1的配合組成的方式進行稱量，將經(jīng)稱量的 原料粉末與丙酮溶劑和超硬合金制球一起放入不銹鋼制缽中而用濕式球磨機進行混合及 粉碎。將利用濕式球磨機的混合及粉碎時間示于表2中。在利用濕式球磨機的混合、粉碎后， 將使丙酮溶劑蒸發(fā)而得到的混合物通過燒結(jié)后的形狀變成JIS B 4120的刀片形狀 SDKN1203帶有斷肩槽的模具在壓力196MPa下進行壓制成型，得到混合物的成型體。
[0081] 表1

[0085] 將混合物的成型體放入燒結(jié)爐內(nèi)后，在67Pa以下的真空中從室溫升溫至下述表3 (a)中記載的氮導入溫度T1 (°C )為止。當爐內(nèi)溫度成為氮導入溫度T1 (°C)時，將氮氣導入到 燒結(jié)爐內(nèi)直至爐內(nèi)壓力成為表3(b)中記載的爐內(nèi)壓力PI (Pa)為止。在爐內(nèi)壓力PI (Pa)的氮 氣氛中從氮導入溫度Τ1ΓΟ升溫至表3(c)中記載的燒結(jié)溫度T2(°C)為止。當爐內(nèi)溫度成為 燒結(jié)溫度T2(°C)時，在爐內(nèi)壓力Pl(Pa)的氮氣氛中在燒結(jié)溫度T2(°C)下保持60分鐘而進行 燒結(jié)。之后，從爐內(nèi)壓力PI (Pa)開始將氮氣排氣直至成為表3(d)中記載的爐內(nèi)壓力P2(Pa) 為止，之后，以表3(e)中記載的冷卻速度R1(°C/分鐘），從燒結(jié)溫度T2(°C)冷卻至表3(f)中 記載的燒結(jié)溫度T3(°C)為止。當爐內(nèi)溫度成為燒結(jié)溫度T3(°C )時，在爐內(nèi)壓力P2(Pa)的氮 氣氛中在燒結(jié)溫度T3(°C)下保持60分鐘而進行燒結(jié)。之后，將氮排氣從而置換成氬氣氛。從 燒結(jié)溫度為T3( °C)在氬氣氛下冷卻至室溫為止。
[0086] 表 3
[0088] 燒結(jié)而得到的金屬陶瓷工具通過濕式刷珩磨機對金屬陶瓷工具的刀尖實施珩磨
處理。
[0089] 相對于金屬陶瓷工具的表面傾斜10°地對所制作的發(fā)明品及比較品的金屬陶瓷工 具進行研磨。利用SEM觀察該研磨面的截面組織，使用附帶于SEM的EDS分別測定表面區(qū)域的 Nbs及Ws、內(nèi)部區(qū)域的Nbi及Wi的各組成。由所測定的組成求出Nbs/Nbi及Ws/Wi。將其結(jié)果示 于表4中。
[0090] 表 4
[0092] 對于相對于金屬陶瓷工具的表面傾斜10°地研磨的研磨面，拍攝將該研磨面的截 面組織用SEM放大至5000倍的圖像，由拍攝的圖像使用Fullman的式（1)測定硬質(zhì)相的表面 區(qū)域中的平均粒徑ds及內(nèi)部區(qū)域中的平均粒徑di，從而求出ds/di。此外，硬質(zhì)相的平均粒 徑為表面區(qū)域中的平均粒徑ds與內(nèi)部區(qū)域中的平均粒徑di的平均值。將ds/di及硬質(zhì)相的 平均粒徑示于表5中。進而，由拍攝的圖像使用Fullman的式（1)測定表面區(qū)域中的第1硬質(zhì) 相的芯部的面積率Cls、內(nèi)部區(qū)域中的第1硬質(zhì)相的芯部的面積率Cli。由測定的Cls及Cli求 出Cls/Cli，將其結(jié)果示于表5中。
[0093] 表 5
[0095] 對于相對于金屬陶瓷工具的表面傾斜10°地研磨的研磨面，按照距金屬陶瓷工具 的表面在垂直方向上成為1〇μπι間隔的方式使用顯微維氏硬度計測定施加載荷為4.9N的維 氏硬度。將金屬陶瓷工具的從表面至300Μ1為止的范圍的最大硬度設為Hs，對金屬陶瓷工具 的距表面為500μπι的位置測定5處的維氏硬度，將這5處中的最大硬度設為Hi。將其結(jié)果示于 表6中。
[0096]表 6
[0098] 相對于金屬陶瓷工具的表面垂直地對發(fā)明品及比較品的金屬陶瓷工具進行研磨， 對該研磨面的截面組織利用帶有EDS的SEM鑒定各硬質(zhì)相的組成。進一步用SEM拍攝將金屬 陶瓷工具的內(nèi)部區(qū)域中的截面組織放大至10000倍的圖像，對拍攝的圖像使用市售的圖像 解析軟件求出各硬質(zhì)相的面積率A1、A2及A3。將其結(jié)果示于表7中。之后，用帶有EDS的SEM觀 察金屬陶瓷工具的從表面至深度方向上500μπι內(nèi)部為止的截面組織，鑒定結(jié)合相的組成。進 一步使用王水對截面組織進行蝕刻，利用帶有EDS的SEM觀察被蝕刻的截面組織。進而，由這 兩種截面組織測定沒有被蝕刻的硬質(zhì)相的面積率和被蝕刻的結(jié)合相的面積率，由其結(jié)果求 出金屬陶瓷工具的硬質(zhì)相的體積％與結(jié)合相的體積％的比例。將其結(jié)果示于表8中。


[0102] 使用所得到的試樣，進行切削試驗1、切削試驗2及切削試驗3。切削試驗1是評價耐 缺損性的試驗，切削試驗2是評價耐磨性的試驗，切削試驗3是評價被切削材料的精加工表 面的試驗。將切削試驗的結(jié)果示于表9中。
[0103] [切削試驗1]
[0104]加工形態(tài):銑削、
[0105] 工具形狀：SDKN1203、
[0106] 被切削材料：SCM440、
[0107] 被切削材料形狀:200mmX 80mmX 200mm(形狀:在板材中Φ 30mm的孔為6個）、
[0108] 切削速度：150m/分鐘、
[0109] 進給：0.25mm/tooth、
[0110] 切深：2.0mm、
[0川]冷卻劑:無、
[0112] 評價項目：將試樣達到缺損時作為工具壽命，測定至工具壽命為止的加工長度。
[0113] [切削試驗2]
[0114] 加工形態(tài):銑削、
[0115] 工具形狀：SDKN1203、
[0116] 被切削材料:SCM440、
[0117]被切削材料形狀：200mm X 80mm X 20Ctam、
[0118] 切削速度：250m/分鐘、
[0119] 進給：0· 15mm/tooth、
[0120] 切深:2.0mm、
[0121] 冷卻劑:無、
[0122] 評價項目：將試樣達到缺損時或試樣的最大后隙面磨損寬度或邊角磨損寬度達到 0.3_時作為工具壽命，測定至工具壽命為止的加工長度。
[0123] [切削試驗3]
[0124] 加工形態(tài):銑削、
[0125] 工具形狀：SDKN1203、
[0126] 被切削材料:SS400、
[0127]被切削材料形狀：1 50mm X 70mm X 150mm、
[0128] 切削速度：150m/分鐘、
[0129] 進給:0· 15mm/tooth、
[0130] 切深:0.3mm、
[0131] 冷卻劑:無、
[0132] 評價項目：評價加工長度為5.0m時的被切削材料的加工面的算術平均粗糙度Ra。
[0133] 表9
[0135] 另外，關于切削試驗1的加工長度，將3m以上評價為◎，將2m以上且低于3m評價為 ?，將lm以上且低于2m評價為Λ，將低于lm評價為X。此外，關于切削試驗2的加工長度，將 l〇m以上評價為◎，將7m以上且低于10m評價為?，將3m以上且低于7m評價為Λ，將低于3m評 價為X。此外，關于切削試驗3的被切削材料的加工面的算術平均粗糙度Ra，將低于0.15μπι 評價為◎，將〇. 15μπι以上且低于0.25μπι評價為?，將0.25μπι以上且低于0.35μπι評價為Λ，將 0.35以111以上評價為\。在該評價中，成為(優(yōu))(§)>〇>八>\(差）的順序，越是具有?或〇，切 削性能越優(yōu)異。將所得到的評價的結(jié)果示于表10中。
[0136] 表1〇
[0138] 可知:發(fā)明品的評價全部具有◎或?，耐磨性及耐缺損性優(yōu)異，能夠減小精加工表 面粗糙度。另一方面可知：比較品的評價具有Λ或X，不滿足耐磨性、耐缺損性及精加工表 面粗糙度中的任一個的性能。
[0139] 實施例2
[0140] 對實施例1的發(fā)明品1~10的表面使用PVD裝置進行被覆處理。將在發(fā)明品1~10及 比較品1~6的金屬陶瓷工具的表面被覆平均層厚為2.5μπι的TiAIN層而得到的試樣作為發(fā) 明品11~20、比較品7~12,將在發(fā)明品1的金屬陶瓷工具的表面被覆平均層厚為2.5μπι的Ti (C，N)層而得到的試樣作為發(fā)明品21。此外，將在發(fā)明品1的金屬陶瓷工具的表面被覆將每1 層為2nm的TiAIN和每1層為3nm的TiAINbWN交替地各層疊500層而成的交替疊層而得到的試 樣作為發(fā)明品22。對發(fā)明品11~22及比較品7~12進行與實施例1相同的切削試驗1、2及3。 將其結(jié)果示于表11中。
[0141] 表11
[0143] 另外，關于切削試驗1的加工長度，將3m以上評價為◎，將2m以上且低于3m評價為 ?，將lm以上且低于2m評價為Λ，將低于lm評價為X。此外，關于切削試驗2的加工長度，將 l〇m以上評價為◎，將7m以上且低于10m評價為?，將3m以上且低于7m評價為Λ，將低于3m評 價為X。此外，關于切削試驗3的被切削材料的加工面的算術平均粗糙度Ra，將低于0.15μπι 評價為◎，將〇. 15μπι以上且低于0.25μπι評價為?，將0.25μπι以上且低于0.35μπι評價為Λ，將 0.35以111以上評價為\。在該評價中，成為(優(yōu))(§)>〇>八>\(差）的順序，越是具有?或〇，切 削性能越優(yōu)異。將所得到的評價的結(jié)果示于表12中。
[0144] 表12

[0146] 可知:發(fā)明品的評價全部具有◎或?，耐磨性及耐缺損性優(yōu)異，能夠減小精加工表 面粗糙度。另一方面可知：比較品的評價具有Λ或X，不滿足耐磨性、耐缺損性及精加工表 面粗糙度中的任一個的性能。此外可知:在耐磨性試驗中，沒有被覆被覆層的發(fā)明品的工具 壽命為9.5m以上，與此相對，被覆有被覆層的發(fā)明品的工具壽命變成10.8m以上，工具壽命 延長。被覆有被覆層的發(fā)明品11~22與比較品7~12相比被切削材料的加工面的精加工表 面粗糙度小，與沒有被覆被覆層的發(fā)明品1~10的全部相比，進一步延長了耐磨性的工具壽 命。
[0147] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0148] 本發(fā)明的被覆切削工具由于通過能夠減小被切削材料的精加工表面粗糙度、不使 耐磨性降低而耐缺損性和耐崩裂性優(yōu)異，從而與以往相比能夠延長工具壽命，所以產(chǎn)業(yè)上 的可利用性尚。
【主權(quán)項】
1. 一種金屬陶瓷工具，其是由75體積％以上且95體積％以下的硬質(zhì)相、和5體積％以上 且25體積％以下的結(jié)合相構(gòu)成的金屬陶瓷工具，其中， 所述硬質(zhì)相由以下的(a)、（b)及(c)構(gòu)成： (a) 芯部由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物相構(gòu)成、周邊部由Ti與Nb與Mo與W與Zr的復合碳 氮化物相、或Ti與Nb與Mo與W的復合碳氮化物相構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)的第1硬質(zhì)相，以下，Ti與Nb 與Mo與W與Zr的復合碳氮化物以（11，他，1〇，1，2〇((^)表示，11與他與1〇與￥的復合碳氮化 物以（11，他，1〇，￥)((：4)表示， (b) 芯部及周邊部這兩者由（1^，他，1〇，1，2〇((：小)相、或（11，他，1〇，1)((：，幻相構(gòu)成的 有芯結(jié)構(gòu)的第2硬質(zhì)相， (c) 由Ti與Nb與Mo的復合碳氮化物相構(gòu)成的第3硬質(zhì)相， 所述結(jié)合相由以選自由Co、Ni及Fe組成的組中的至少1種作為主要成分的元素構(gòu)成， 當設所述金屬陶瓷工具的從表面至300μπι深度為止的范圍的表面區(qū)域中的所述Nb元素 濃度的最大含量為Nbs、設與所述表面區(qū)域相比更內(nèi)部的內(nèi)部區(qū)域中的所述Nb元素濃度的 內(nèi)部含量為Nbi時，Nbs/Nbi為0.8以上且1.2以下， 當設所述表面區(qū)域中的所述W元素濃度的最大含量為Ws、設所述內(nèi)部區(qū)域中的所述W元 素濃度的內(nèi)部含量為Wi時，Ws/Wi為1.0以上且1.5以下， 在金屬陶瓷工具的所述內(nèi)部區(qū)域的截面中，當設所述第1硬質(zhì)相的面積率為A1、設所述 第2硬質(zhì)相的面積率為A2、設所述第3硬質(zhì)相的面積率為A3、設所述硬質(zhì)相整體的面積為100 面積％時，所述A1為7 5面積％以上且9 5面積％以下、所述A 2為4面積％以上且2 4面積％以 下、所述A3為1面積％以上且24面積％以下。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷工具，其中，當設所述表面區(qū)域中的維氏硬度為Hs、 設所述內(nèi)部區(qū)域中的維氏硬度為Hi時，Hs/Hi為1.1以上且1.3以下。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬陶瓷工具，其中，當設所述表面區(qū)域中的所述第1硬質(zhì) 相的芯部的面積率為Cls、設所述內(nèi)部區(qū)域中的所述第1硬質(zhì)相的芯部的面積率為Cli時， Cls/Cli為0.3以上且0.9以下。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項所述的金屬陶瓷工具，其中，當設所述表面區(qū)域中的所 述硬質(zhì)相的平均粒徑為ds、設所述內(nèi)部區(qū)域中的所述硬質(zhì)相的平均粒徑為di時，ds/di為 1.0以上且2.0以下。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項所述的金屬陶瓷工具，其中，所述硬質(zhì)相的平均粒徑為 1 .Ομπι以上且3.0μηι以下。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一項所述的金屬陶瓷工具，其特征在于，將所述硬質(zhì)相中包 含的Nb的一部分用Ta進行了置換。7. -種被覆金屬陶瓷工具，其在權(quán)利要求1~6中任一項所述的金屬陶瓷工具的表面上 形成有被覆層。
【文檔編號】B23C5/16GK106068167SQ201580012706
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年3月19日 公開號201580012706.2, CN 106068167 A, CN 106068167A, CN 201580012706, CN-A-106068167, CN106068167 A, CN106068167A, CN201580012706, CN201580012706.2, PCT/2015/58154, PCT/JP/15/058154, PCT/JP/15/58154, PCT/JP/2015/058154, PCT/JP/2015/58154, PCT/JP15/058154, PCT/JP15/58154, PCT/JP15058154, PCT/JP1558154, PCT/JP2015/058154, PCT/JP2015/58154, PCT/JP2015058154, PCT/JP201558154
【發(fā)明人】竹澤大輔
【申請人】株式會社圖格萊