本发明涉及一种缩减钨的使用量的同时，发挥与通常的硬质合金制切削工具刀片同等以上的切削性能的WC基硬质合金制切削工具刀片及表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片。
背景技术：
作为钢或铸铁的切削加工用工具，WC基硬质合金虽被广泛利用，但是为了缩减作为稀有金属的钨的使用量，从以往提出了各种提案。例如专利文献1中提出了，以硬质合金制作刀尖部分，且使其能够装卸地嵌合支承于硬质合金基底金属的多刃刀片，并记载有通过该结构谋求缩减每个切削刃的价格和资源。并且，例如，专利文献2中提出有由如下复合烧结体构成的切削工具，即层压硬质合金原料粉末和金属陶瓷原料粉末来制作成型体，且烧结该成型体来层压硬质合金层与金属陶瓷层，并记载有若通过该工具，能够抑制因硬质合金和金属陶瓷烧结时的收缩性能之差引起的变形，并能够制造适当形状的复合烧结体。并且，例如，专利文献3中提出了，通过烧结层压硬质合金的原料粉末与金属陶瓷的原料粉末的成型体来制作切削工具时，通过将硬质合金层与金属陶瓷层的边界的凹凸状态设为特定的范围或通过将两层的结合相含量调整在特定的范围来抑制烧结时产生的变形。专利文献1：日本专利公开昭58-55560号公报专利文献2：日本专利公开平5-171442号公报专利文献3：国际公开第2009/034716号如上述专利文献1所示，刀尖能够装卸的切削工具中，虽然能够谋求降低作为稀有金属的钨的使用量，但是在高负荷作用于切削刃的重切削条件下使用该切削工具时，由于嵌合强度不充分，因此无法得到充分的切削特性，并且因韧性不足，若反复使用，则存在基底金属从孔部分发生破坏这样的问题。并且，上述专利文献2及3所示的由硬质合金和金属陶瓷构成的复合烧结体中，当实际制作烧结体时，冲压体烧结时的收缩特性需在不同种类材料间一致，因此由这种复合烧结体制作的切削工具刀片中，钨使用量的降低充其量停留在30%左右，从节省资源的观点来看无法说是能够充分满足的。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供一种谋求降低作为稀有金属的钨的使用量，并且发挥与通常的硬质合金制切削工具刀片同等以上的切削性能的WC基硬质合金制切削工具刀片及表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片。本发明人等从如上述的观点出发，对能够谋求降低钨使用量，并且抑制剥离或变形，而且，能够维持耐缺损性和耐磨性的切削工具刀片用的复合材料进行深入研究的结果，基体(基底金属)采用WC成分的含量为10mass%以下的Ti基金属陶瓷，且仅在该基体的刀尖部分，以WC与结合相形成成分（例如Co、Ni、Fe）作为主成分，且将该结合相的面积比例为8～30面积%的WC基硬质合金作为刀尖材料而形成，另一方面，通过将基体与刀尖材料的界面侧的Ti基金属陶瓷的结合相（例如由Co、Ni、Fe构成的结合相）的含量设为10～40面积%，不仅谋求降低钨使用量，也不会产生由粘附强度不足引起的缺损或变形，且能够得到发挥优异的耐磨性的WC基硬质合金制切削工具刀片。并且，发现了能够得到如下降低了钨使用量的WC基硬质合金制切削工具刀片，即当将刀尖材料作为熔射膜构成时，在Ti基金属陶瓷的结合相富集层的下部形成有结合相含量较少，硬质层富集的层，WC成分的含量为10mass%以下，并且，由于形成有适当的结合相分布，因此与熔射膜的热膨胀系数差得到控制，由此提供适当的压缩残余应力来使粘附强度更加优异，并且不会发生剥离、缺损等异常损伤，而发挥优异的耐磨性。本发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征：（1）一种WC基硬质合金制切削工具刀片，其特征在于，（a）上述刀片为在由WC成分的含量为10mass%以下的Ti基金属陶瓷烧结体构成的基体，通过由WC基硬质合金构成的刀尖材料，以0.2～1.0mm的层厚至少形成前刀面的一部分的刀片，其中，WC基硬质合金以WC与结合相形成成分为主成分，（b）上述刀尖材料的、包括切削刃棱线的10μm×10μm的刀尖棱线部分的纵截面中，上述WC基硬质合金中的结合相含量V为8～30面积%，（C）上述基体的、上述刀尖材料与上述基体的界面中的10μm×10μm的厚度方向纵截面中，Ti基金属陶瓷基体中的结合相含量W为10～40面积%。（2）如前述（1）所述的WC基硬质合金制切削工具刀片，其特征在于，上述刀尖材料由WC基硬质合金的熔射膜构成，上述Ti基金属陶瓷基体中，自与所述刀尖材料的界面到2μm为止的位置的厚度方向纵截面中的结合相含量X，与自上述界面距离1.0mm以上内部的结合相含量Y相比，以面积比计富集至1.5～3倍，并且，自上述界面距离5μm至10μm的区域的厚度方向纵截面中的结合相含量Z，自上述界面距离1.0mm以上内部的结合相含量Y相比，以面积比计为0.3～0.9倍。（3）如前述（1）或（2）所述的WC基硬质合金制切削工具刀片，其特征在于，由WC基硬质合金构成的刀尖材料表面的压缩残余应力为0.3～2.0GPa。（4）一种表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片，其特征在于，在如前述（1）至（3）中任一项所述的WC基硬质合金制切削工具刀片中，在其表面通过物理蒸镀或化学蒸镀形成有至少一层以上的硬质膜。接着，对于本发明进行详细说明。首先，该发明的刀片的第一特征在于，并不是将刀片整体以WC基硬质合金构成，而是以Ti基金属陶瓷作为基体，仅在该刀尖部分形成由WC基硬质合金构成的刀尖材料而成。更加具体而言，刀片的特征在于，由Ti基金属陶瓷烧结体构成的基体上，例如通过熔射喷吹WC基硬质合金，通过WC基硬质合金至少形成前刀面来作为刀尖材料，其中，Ti基金属陶瓷烧结体是Ti基金属陶瓷的烧结工序中，在Ti基金属陶瓷的表面形成结合相富集层，且在该结合相富集层的正下方设置结合相相对减少的层而形成。其中，若作为刀尖材料的前刀面的WC基硬质合金的层厚不到0.2mm，则不能确保充分的强度与韧性，另一方面，若该层厚超过1.0mm，则由于发生刀尖脱离或刀尖的强度下降而性能劣化，因此作为刀尖材料的前刀面的WC基硬质合金的层厚规定为0.2～1.0mm。该发明中所使用的WC基硬质合金对于其成分或组成并不特别限制，能够使用以往周知的WC基硬质合金。例如能够使用将WC作为主要的硬质成分，且将由Fe、Co、Ni中的1种或2种以上构成的铁族金属作为结合相形成成分而含有的WC基硬质合金，并且能够使其含有由Ti、Zr、Cr、V、Nb及Ta的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氮氧化物及碳氮氧化物等构成的副硬质相成分。该发明中，作为刀尖材料例如通过熔射形成WC基硬质合金膜，但是在刀尖材料的包括切削刃棱线的10μm×10μm的刀尖棱线部分的纵截面中，WC基硬质合金中的由铁族金属构成的结合相（即，由Fe、Co、Ni的1种或2种以上构成的结合相）的含量V需要设为8～30面积%。若上述刀尖棱线部分（包含切削刃棱线的10μm×10μm的纵截面）的结合相含量V不到8面积%，则由于无法得到作为工具的韧性而容易发生刀尖的缺损，另一方面，若上述刀尖棱线部分的结合相含量V超过30面积%，则耐磨性不足，且会提前达到寿命，因此上述刀尖棱线部分的结合相含量V规定为8～30面积%。并且，Ti基金属陶瓷烧结体基体的WC成分的含量需要低于10mass%。这是因为如下：例如通过熔射、接合或浆料涂布等形成硬质合金的刀尖材料时，虽伴有高温中的处理，但是若WC成分的含量超过10mass%，则结合相中的钨的固溶量变大。由此，热膨胀系数变小，在刀尖的硬质合金中发生的残余应力变小，无法看到切削性能提高的效果。并且，当进行形成硬质合金的刀尖材料后的热处理等时，由于液相出现的温度变低，因此在与硬质合金的界面发生相互扩散，难以保持原本的组成。因此，Ti基金属陶瓷烧结体基体的WC成分的含量规定为10mass%以下。并且，上述刀尖材料与上述Ti基金属陶瓷基体的界面中，TI基金属陶瓷基体侧的10μm×10μm的层厚方向纵截面中，结合相含量W需要设为10～40面积%。这是因为如下：若刀尖材料与基体的界面侧的基体的10μm×10μm的层厚方向纵截面的结合相含量W不到10面积%，则无法得到基体与硬质合金刀尖材料的粘附强度，切削时会产生剥离等损伤，另一方面，若结合相含量W超过40面积%，则因切削时发生的应力而破坏，且由于容易产生刀尖材料部分的脱离，因此基体的、与刀尖材料的界面侧的10μm×10μm的层厚方向纵截面的结合相含量W规定为10～40面积%。并且，上述基体中，在自所述刀尖材料的界面到2μm为止的厚度方向纵截面的结合相含量X优选与自上述界面距离1.0mm以上内部的结合相含量Y相比，以面积比计富集至1.5～3倍。这与如下事实有关：通过熔射形成刀尖材料时，当基体表面的结合相含量低时，难以形成由WC基硬质合金构成的熔射膜。但是，单纯增大基体整体的结合相含量时，作为切削工具使用时，发生变形等，无法承受长期的切削。因此，需要使基体表面的结合相含量与内部相比增加（富集）。若被富集的比例不到1.5倍，则熔射膜的粘着度较低，或即使粘着度充分，作为切削工具的强度也不充分，当超出3倍时，则导致富集的层状的区域从该下部剥离，因此上述基体中，自所述刀尖材料的界面到2μm为止的厚度方向纵截面的结合相含量X优选与自上述界面距离1.0mm以上内部的结合相含量Y相比以面积比计为1.5～3倍。并且，优选自上述刀尖材料和基体的界面距离5μm至10μm的区域（5μm×5μm）的厚度方向纵截面中的结合相含量Z与基体的1.0mm以上内部的结合相含量Y相比以面积比计为0.3～0.9倍。这是因为如下：虽然切削时发生的应力通过上述的结合相富集层的变形而缓和，但是通过在该正下方形成结合相含量相对少的层，切削时即使施加高负荷应力也能够将刀尖整体的变形量抑制得较小，由此能够维持较高的切削性能。但是，若结合相含量Z比结合相含量Y的0.3倍还小，则有可能从该部分发生破坏，反之，比0.9倍还大时，无法看到上述的效果，刀尖的变形因塑性变形而变得显著，因此优选自基体的表面距离5μm到10μm的区域的厚度方向纵截面中的结合相含量Z与基体的1.0mm以上内部的结合相含量Y相比以面积比计为0.3～0.9倍。例如能够通过进行如下烧结方法获得上述Ti基金属陶瓷的结合相分布。将配合成预定的组成的Ti基金属陶瓷的混合粉末冲压成型，且装入真空烧结炉内。在10pa以下的真空下，升温至1350℃，且从到达1350℃的时刻开始，设为200～1000Pa左右的氮气氛，炉内温度继续升温至1450℃后，在保持30分钟后，设为10～100Pa的真空气氛，进一步保持30分钟后，设为200～500Pa的氮气氛，进一步将1℃/min左右的通电冷却进行至1350℃，之后设为10Pa以下的真空气氛进行炉冷。根据上述烧结方法，能够制作具有本发明规定的预定结合相分布的Ti基金属陶瓷基体。另外，能够通过刀片的配合组成、保持温度、通电冷却速度、氮分压等，控制结合相分布。该发明中，优选将构成工具刀尖的WC基硬质合金的压缩残余应力调整在0.3～2.0GPa的范围内。若压缩残余应力不到0.3GPa，则基于压缩残余应力赋予的耐缺损性提高效果较少，另一方面，若压缩残余应力超过2.0GPa，则引起所形成的刀尖材料部分的脱离、在工具表面通过PVD法等成膜的硬质皮膜的剥离等，且带来切削性能的降低，因此优选将压缩残余应力的值设为0.3～2.0GPa的范围内。另外，赋予的压缩残余应力的值，能够通过熔射时的氧或燃料气体的流量、压力或熔射后的热处理条件及Ti基金属陶瓷烧结体的组成及表面附近的结合相分布等进行调整。该发明中，并不特别限制作为刀尖材料的WC基硬质合金的形成方法。但是，通过熔射形成刀尖材料时，从能够确保刀尖材料与基体的粘附强度，而且能够对刀尖材料提供适当的残余应力方面考虑，优选通过熔射来形成刀尖材料。该发明中，在烧结工序中，使结合相在表面富集，且在其正下方形成使结合相含量相对减少的区域的由Ti基金属陶瓷烧结体构成的基体上，作为刀尖材料形成WC基硬质合金膜来制作WC基硬质合金制切削工具刀片，并且，能够通过再次对此实施热处理，将WC基硬质合金制切削工具刀片直接提供于切削加工中，但是能够通过物理蒸镀或化学蒸镀等在刀片的表面包覆形成以往周知的硬质包覆层（例如Ti化合物层、TiAlN层、Al2O3层等），能够作为表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片而使用。根据本发明，使用具有预定的结合相分布的Ti基金属陶瓷作为WC基硬质合金制切削工具刀片或表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片的基体（基底金属），由此不仅能够将钨的使用量每个缩减80%左右，而且通过对由WC基硬质合金构成的刀尖材料提供适当的残余压缩应力，能够提高耐缺损性，且以维持耐磨性等切削性能的状态下，抑制剥离或变形。附图说明图1的（a）是在基体上形成作为刀尖材料的WC基硬质合金熔射膜的本发明WC基硬质合金制切削工具刀片的概要立体图，（b）是熔射膜附近的局部截面图。具体实施方式以下，根据实施例对该发明进行具体说明。[实施例]（a）进行表1所示的配合组成的TiCN基金属陶瓷的烧结时，通过在如下条件下进行烧结来用作Ti基金属陶瓷基体：在升温时，将从室温至1350℃设为10Pa以下的真空，且将从1350℃至1480℃的升温时与接着的保持30分钟的期间的气氛设为650Pa的氮气氛，在之后的1480℃中保持30分钟的期间设为100Pa的氮气氛，在该保持结束后，虽然以1℃/min的冷却速度进行通电冷却至1350℃，但是将此时的气氛设为400Pa的氮气氛，之后在1Pa以下的真空中炉冷；且在形成工具刀尖的部位实施喷砂处理，并且，将表2所示的由配合组成构成的造粒-临时烧结的WC基硬质合金粉末以如下所示的条件熔射，形成了WC基硬质合金熔射膜。另外，熔射条件均为氧分压：0.5MPa、流量：250～350L/min、乙炔气压：0.33MPa、载气压：0.2MPa、喷嘴长度：150mm、喷雾距离：150mm、枪扫描速度：150mm/s。（b）以上述（a）在TiCN基金属陶瓷基体表面形成WC基硬质合金熔射膜后，暂且在真空炉中以1350℃进行一个小时的热处理后，通过研磨加工，形成外周面和前刀面，通过在切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工来制作表3所示的具有ISO·SNGN120408规定的刀片形状的本发明WC基硬质合金切削工具刀片1～8(称为本发明刀片1～8)。（c）并且，对于以上述（b）制作的本发明刀片1～8，如表4所示，通过PVD法包覆形成TiAlN膜等或通过热CVD法包覆形成TiCN膜、α-Al2O3膜等，由此制作表4所示的本发明表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片11～18（称为本发明包覆刀片11～18）。接着，关于上述本发明刀片1～8，将包含切削刃棱线10μm×10μm的刀尖棱线部分的纵截面上的WC基硬质合金中由铁族金属（Co、Ni、Fe）构成的结合相含量V及Ti基金属陶瓷基体表面的10μm×10μm的层厚方向纵截面上的Ti基金属陶瓷中的结合相（由Co、Ni、Fe构成的结合相）的含量W、自WC基硬质合金与Ti基金属陶瓷基体的界面到Ti基金属陶瓷基体侧的2μm×2μm的层厚方向纵区域的结合相含量X、自上述界面距离Ti基金属陶瓷基体的1mm以上内部的10μm×10μm的层厚方向纵区域的结合相含量Y、自上述界面距离Ti基刀片基体侧的5μm至10μm的区域（5μm×5μm）的层厚方向纵区域中结合相含量Z通过以基于EPMA的结合相成分（例如Co）的映射像为基础的SEM观察图像的2值化来进行图像处理，由此进行面积化而计算。并且，对构成刀尖材料的WC基硬质合金测定了其层厚。在测定时，在供给到上述结合相含量测定的样品中，随机测定5个点形成有该WC基硬质合金的其层厚，且取其平均计算。另外，关于构成刀尖材料的WC基硬质合金，测定了压缩残余应力。压缩残余应力的测定使用将球管作为Cr的X射线衍射装置，作为利用WC的（110）面的反射峰的ISO倾角方式，通过2θ-sin2Ψ法，按照求出该压缩残余应力的众所周知的方法进行。具体而言，将Ψ角设定为使sin2Ψ成为0、0.1、0.2、0.3、0.4的角度，各个Ψ角中，通过步进扫描对2θ为100～108度的范围测量WC的（110）面的反射峰，且峰位置通过半峰宽中点法决定。对sin2Ψ法标会所获得的峰位置，且求出其倾斜度M。在残余应力值σ与倾斜度M之间有σ=K·M的关系，其中，K=-E/2（1+v）·cotθ0·п/180在此，E为WC结晶的弹性模量且为72000GPa、v为泊松比且设为0.20，θ0为WC结晶（110）面中的标准布拉格反射角且设为103.8度。根据上述方法，求出其压缩残余应力。在表3示出这些值。为方便比较，将表1所示的配合组成的Ti基金属陶瓷基体进行通常的烧结，即在从室温升温至1350℃时设为10Pa以下的真空气氛，将从1350℃至1480℃为止的升温过程以及接着的以1480℃中保持1个小时的期间氮分压设为650Pa，在1480℃中保持1个小时后，在1Pa以下的真空气氛中炉冷（20℃/min以上的冷却速度）进行烧结、制作，且将表2所示的由配合组成构成的进行造粒-临时烧结的WC基硬质合金的颗粒与上述同样地进行熔射，形成WC基硬质合金熔射膜。但是，类别1至3的基板上无法形成熔射膜。认为原因在于基板的硬度较高，因此难以产生熔射膜的附着。接着，通过对此进行与本发明刀片1～8、本发明包覆刀片11～18同样的处理来制作表5所示的比较例刀片1～8，表6所示的比较例包覆刀片11～18。接着，与本发明刀片1～8的情况相同地，对比较例刀片1～8同样地测定V值、W值、X值、Y值及Z值，并且，对于构成刀尖材料的WC基硬质合金，求出其压缩残余应力。将这些值示于表5。[表1][表2][表3]※X/Y值及Z/Y值中示出的*符号表示权利要求2的范围外的值，压缩残余应力值中示出的*符号表示权利要求3的范围外的值。[表4]（注）硬质膜的栏的括号内的数值表示膜厚（μm）。[表5]※类别1～3中，无法在基板上形成熔射膜。[表6]（注）硬质膜的栏的括号内的数值表示膜厚（μm）。接着，关于上述本发明刀片1～8及比较例刀片1～8，以工件：JIS·S10C的圆棒、切削速度：50mm/min、切深量：1.5mm、进给速度：0.15mm/rev.、切削时间：20分钟的条件（切削条件A）进行碳钢的干式连续切削加工试验，测定了后刀面磨损宽度或达到寿命为止的切削时间。表7中示出试验结果。[表7]（表中，比较例刀片的*符号表示通过缺损等异常损伤达到寿命的切削时间（分钟））。从表3、5、7所示的结果可知，本发明刀片1～8不发生缺损等的异常缺损，在耐磨性评价中示出了可承受长期的切削加工的性能。与此相对，比较例刀片11～18，刀尖部分的硬质合金在切削初期剥离，在本次的切削中未能承受使用，显然工具寿命也短。接着，关于上述本发明包覆刀片11～18及比较例包覆刀片11～18，以工件：JIS·S45C的圆棒、切削速度：335m/min.、切深量：1.5mm、进给速度：0.28mm/rev.、切削时间：10分钟的条件（切削条件B）进行碳钢的干式高速切削加工试验，工件：JIS·SCM440的带4个槽缝的圆棒，切削速度：200m/min.、切深量：1.5mm、进给速度：0.25mm/rev.、切削时间：3分钟的条件（切削条件C）进行铬钼钢的干式断续切削加工试验，测定了后刀面磨损量或达到寿命为止的切削时间。表8中示出试验结果。[表8]（表中，比较例包覆刀片的*符号表示因剥离、缺损等异常损伤达到寿命的切削时间（分钟））。从表4、6、8所示的结果可知，本发明包覆刀片11～18不产生剥离、缺损而耐磨损性优异，显示出了可承受长期的切削加工的性能。与此相对，比较例包覆刀片11～18，与未包覆硬质膜的刀片相同地，在切削初期会发生刀尖部分的硬质合金剥离、缺损等，显然工具寿命非常短。产业上的可利用性本发明的WC基硬质合金制切削工具刀片、表面包覆WC基硬质合金制切削工具刀片，尽管作为稀有金属的钨的使用量有所降低，但是未发生剥离、缺损等异常损伤，能够在长期使用中发挥优异的切削性能，能够充分满足切削加工的节能化、低成本化。