复合烧结体切削工具的制作方法

本发明涉及一种由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的复合烧结体形成的切削工具，尤其涉及一种实现作为稀有金属的钨的使用量的减少，并且减少了烧结时的烧结体的变形量的耐热龟裂性优异的切削工具。

背景技术：

作为钢或铸铁的切削加工用工具，广泛利用WC基硬质合金，但为了减少作为稀有金属的钨的使用量并获得所希望的切削性能，以往提出有各种方案。

例如，专利文献1中提出有如下复合烧结体制切削工具：在由硬质合金层和金属陶瓷层层叠的基材形成的切削工具中，所述金属陶瓷层包含以合计15～65质量％以下的WC及W且结合相中的铁族金属的80质量％以上为Co，关于基材，当将层叠方向上的最大厚度设为h1，将切削刃部分的硬质合金层的层叠方向上的最大厚度设为h2时，通过将h2/h1设为0.002～0.02，改善了耐冲击性及精加工面光泽度。

并且，例如，专利文献2中提出有如下复合烧结体制切削工具：在由硬质合金层金属陶瓷层层叠的基材形成的切削工具中，所述金属陶瓷层包含以合计15～65质量％以下的WC及W且结合相中的铁族金属的80质量％以上为Co，在硬质合金层与金属陶瓷层的边界形成最大落差为50μm～500μm的凹凸部，且当将基材的层叠方向上的最大厚度设为h1，将配置在前刀面一侧的硬质合金层的层叠方向上的最大厚度设为h2时，通过将h2/h1设为大于0.02且0.4以下，改善了硬质合金层与金属陶瓷层之间的接合性，并且抑制了烧结后的基材的变形。

并且，例如，专利文献3中提出有如下内容：由硬质合金粉末和金属陶瓷粉末分别形成冲压成型体，对该冲压成型体进行层叠，在真空气氛中以1300～1500℃×0.5～3小时的条件保持并进行烧结而制作工具基体的情况下，将硬质合金层与金属陶瓷层的边界的凹凸状态设为特定范围，或者将两层的结合相量调整为特定范围，由此提高硬质合金与金属陶瓷的接合性，并且抑制烧结时所产生的变形，而改善复合烧结体制切削工具的耐磨性及韧性。

专利文献1：日本专利第5185032号公报

专利文献2：日本专利第5297381号公报

专利文献3：日本专利第5413047号公报

如上述专利文献1、2中所示那样的复合烧结体制切削工具中，虽然可以实现钨使用量的某种程度的减少，但在金属陶瓷中需要15质量％以上的W、WC，从而钨使用量的减少并不充分，并且当这种切削工具用于湿式断续切削加工时，不仅强度、韧性不充分，而且耐热龟裂性也不充分，因此存在容易破损崩刀、缺损等异常损伤的问题。

并且，在上述专利文献3中所示的由硬质合金和金属陶瓷形成的复合烧结体中，不仅需要在硬质合金层与金属陶瓷层的边界形成凹凸，而且为了获得烧结时变形较少的复合烧结体，需要在异种材料之间使烧结冲压体时的收缩特性一致，因此，在由该复合烧结体制作的切削工具中，关于钨使用量的减少，最多停留在30％左右，这不仅从节省资源的观点上不能充分满足，而且在承受湿式断续切削等强烈的热过程的切削条件下，可能因龟裂的扩展等而会破坏刀刃的硬质合金，不能说具有充分的可靠性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种切削工具，在由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金形成的复合烧结体作为工具基体的切削工具中，不仅实现作为稀有金属的钨的使用量的减少，并且即使在断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的断续切削中使用的情况下，也具备龟裂扩展抑制作用，且耐异常损伤性优异。

本发明人等，从如上所述的观点出发，在将由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金形成的复合烧结体作为工具基体的复合烧结体切削工具中，不仅实现了钨使用量的减少，而且即使在断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的断续切削中使用的情况下，龟裂的传播、扩展抑制作用仍优异，而且，对在长期使用中不发生崩刀、缺损、剥离等的异常损伤的切削工具进行了深入研究，其结果得出了如下见解。

在TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的复合烧结体切削工具中，在将工具的包括切削刃的前刀面以WC基硬质合金层来形成的情况下，通过因烧结复合烧结体时的热膨胀系数差而产生压缩应力，从而工具的断续切削性能得以改善，但进行烧结时的TiCN基金属陶瓷的变形运动在TiCN基金属陶瓷与WC基硬质合金层的界面部分和TiCN基金属陶瓷中央部分不同，在金属陶瓷中央部分与WC基硬质合金层之间的界面部分相比收缩量较多，因此在复合烧结体的金属陶瓷中央部分出现较大的变形(凹部)。

然而，本发明人等发现，通过调整所使用的TiCN基金属陶瓷的成分组成，能够减少上述金属陶瓷中央部分的变形，由此能够防止工件材料的精加工面精度的下降，并且，能够改善切削工具的耐热龟裂性，进而能够减少作为稀有金属的钨的使用量。

其结果发现，在将上述复合烧结体作为工具基体的切削工具中，即使在断续性、冲击性高负荷及热负荷作用于切削刃的合金钢等的湿式断续切削中，能够防止龟裂的传播、扩展，并且在长期使用中，发挥优异的耐异常损伤性、耐磨性。

本发明是根据上述见解而完成的，其特征在于，

(1)一种复合烧结体切削工具，其为由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的复合烧结体形成的切削工具，所述复合烧结体切削工具的特征在于，

(a)上述切削工具中，前刀面的平面形状为多边形，前刀面与后刀面所成的角度小于90度，

(b)上述切削工具的包括切削刃的前刀面由将铁族金属成分设为4～17质量％且将剩余部分设为以WC为主的硬质相成分的WC基硬质合金构成，

(c)上述WC基硬质合金的厚度为上述复合烧结体的厚度的0.05～0.3倍，

(d)在上述切削工具中，TiCN基金属陶瓷由1层以上的TiCN基金属陶瓷层构成，关于与WC基硬质合金相邻的TiCN基金属陶瓷层，在将该金属陶瓷的构成成分的含有比例以金属成分的含有比例来表现的情况下，至少含有4～25质量％的铁族金属成分、小于15质量％的W、2～15质量％的Mo、2～10质量％的Nb及0.2～2质量％的Cr，且关于作为铁族金属成分的Co和Ni，Co相对于Co和Ni的合计含量的含有比例满足0.5～0.8(其中，以质量比计)。

(2)根据所述(1)中所述的复合烧结体切削工具，其特征在于，

在上述由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金形成的复合烧结体的至少WC基硬质合金的表面，蒸镀形成有硬质包覆层。

以下，对本发明进行详细说明。

图1是表示本发明的复合烧结体切削工具的概略示意图，(a)是表示本发明的复合烧结体切削工具的一例，并且，(b)表示另一例。

图2是表示在本发明的复合烧结体切削工具的表面上蒸镀形成有硬质包覆层的复合烧结体表面包覆切削工具的概略示意图，(a)是表示本发明的复合烧结体表面包覆切削工具的一例，(b)表示另一例。

如图1的(a)、(b)中所示，本发明的切削工具并不以WC基硬质合金构成工具基体整体，而是将TiCN基金属陶瓷作为母体且在包括切削刃的前刀面设置有WC基硬质合金的结构。

并且，如图2的(a)、(b)中所示，在本发明中，通过在切削工具的表面蒸镀形成硬质包覆层，也能够用作复合烧结体表面包覆切削工具。

本发明的复合烧结体切削工具(以下，也称为“切削工具”)、复合烧结体表面包覆切削工具(以下，也称为“包覆工具”)大致可通过以下制造方法来制作。

首先，准备规定组成的TiCN基金属陶瓷粉末和同样为规定组成的WC基硬质合金粉末，通过对这些粉末进行冲压，制作出层叠TiCN基金属陶瓷与WC基硬质合金的复合成型体，接着对该复合成型体，例如，在0.1kPa的氮气氛中、在1420℃×1hr的条件下进行烧结而制作出复合烧结体，接着，将所得到的复合烧结体加工成规定的形状，从而能够制作出本发明的复合烧结体切削工具。

并且，通过物理蒸镀法、化学蒸镀法等，至少在上述中制作的本发明的复合烧结体切削工具的WC基硬质合金一侧的表面，以单层或以多层的层叠皮膜形式蒸镀形成Ti化合物层、Ti和Al的复合氮化物层、Al₂O₃层等硬质包覆层，从而能够制造出本发明的复合烧结体表面包覆切削工具。

与WC基硬质合金相邻的TiCN基金属陶瓷层的成分组成：

本发明中所使用的与WC基硬质合金相邻的TiCN基金属陶瓷层是将TiCN设为主要硬质成分且将铁族金属(例如，Co、Ni、Fe)设为主要结合相成分的金属陶瓷。当将其他含有成分以金属成分元素换算时，含有小于15质量％的W、2～15质量％的Mo、2～10质量％的Nb、0.2～2质量％的Cr，且关于铁族金属成分中的Co和Ni，将Co相对于Co和Ni的合计含量的含量比设为0.5～0.8。

W：

W在TiCN基金属陶瓷中的含量越增加，TiCN基金属陶瓷的特性越接近WC基硬质合金，因此作为复合体的烧结变得容易，但如本发明中作为目的那样，W是要求减少含量的成分元素，因此在本发明中，将W含量设定为小于15质量％。

Mo：

Mo是在TiCN基金属陶瓷中具有提高硬质相与结合相的润湿性且提高烧结性的作用的成分元素，但若其含量小于2质量％，则润湿性的提高效果不充分，另一方面，若含量超过15质量％，则Mo熔入于硬质相中，从而使强度、韧性下降，因此将Mo的含量设定为2～15质量％。

Nb：

Nb具有使TiCN基金属陶瓷的高温抗氧化性提高的效果，但当其含量小于2质量％时，或超过10质量％时，高温抗氧化性的提高效果下降，因此将Nb的含量设定为2～10质量％。

Cr：

Cr具有使TiCN基金属陶瓷的烧结温度接近WC基硬质合金的烧结温度的效果，但若其含量小于0.2质量％，则其效果不充分，另一方面，若其含量超过2质量％，则Cr₃C₂的游离相析出而使烧结体的韧性下降，因此将Cr的含量设定为0.2～2质量％。

Co：

Co为铁族金属成分，且为TiCN基金属陶瓷中的结合相成分，但在与同样为铁族金属成分的Ni的关联上，需要将Co相对于Co和Ni的合计含量的含有比例(Co/(Co+Ni))设在0.5～0.8(其中，以质量比计)的范围内。若Co相对于Co和Ni的合计含量的含有比例(Co/(Co+Ni))小于0.5，则对TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的复合成型体进行烧结时，TiCN基金属陶瓷中的Ni成分向WC基硬质合金扩散，从而使WC基硬质合金的高温硬度下降，另一方面，若Co相对于Co和Ni的合计含量的含有比例(Co/(Co+Ni))超过0.8，则TiCN基金属陶瓷的韧性下降，从而可能会导致复合烧结体的破损。

因此，关于TiCN基金属陶瓷中所含有的成分即Co和Ni，将Co相对于Co和Ni的合计含量的含有比例(Co/(Co+Ni))设在0.5～0.8(其中，以质量比计)的范围内。

关于与WC基硬质合金相邻的TiCN基金属陶瓷层的成分组成，与前述相同，但TiCN基金属陶瓷中，其整体无需以前述的成分组成来构成。

即，如图1的(b)、图2的(b)中所示，能够将TiCN基金属陶瓷以多个TiCN基金属陶瓷层的层叠体来构成。

在图1的(b)、图2的(b)中示出了将TiCN基金属陶瓷以基于“TiCN基金属陶瓷层1”和“TiCN基金属陶瓷层2”的两层的层叠体来构成的例子，但TiCN基金属陶瓷能够以两层以上的TiCN基金属陶瓷层的层叠体来构成。

在此，应当注意的是，关于与WC基硬质合金相接的TiCN基金属陶瓷层(即，图1的(b)、图2的(b)中所示的“TiCN基金属陶瓷层1”)，需要将该成分组成如前述进行设定，但关于不与WC基硬质合金直接相接的TiCN基金属陶瓷层(即，图1的(b)、图2的(b)中所示的“TiCN基金属陶瓷层2”)，可以是通常使用的TiCN基金属陶瓷的成分组成。

关于TiCN基金属陶瓷中通常含有的成分，例如ZrC、TaC等，在本发明的TiCN基金属陶瓷中，只要在通常含有的范围内，则能够含有它们。并且，关于W含量，能够设为8质量％以下，优选设为4质量％以下。由此，能够进一步减少TiCN基金属陶瓷中所含有的W含量而不会劣化复合烧结体切削工具和复合烧结体表面包覆切削工具的切削性能，因此W的使用量减少效果变大。

WC基硬质合金的成分组成：

与TiCN基金属陶瓷构成复合烧结体的WC基硬质合金由主要硬质相成分的WC和主要结合相成分的铁族金属(例如，Co、Ni、Fe)形成。结合相成分与硬质相成分牢固地结合且具有使工具基体的强度及韧性提高的作用，但若其含量小于4质量％，则关于所述作用不能获得所希望的效果，另一方面，若其含量超过17质量％，则耐磨性将会下降，因此将作为结合相成分的铁族金属(例如，Co、Ni、Fe)的含量合计设为4～17质量％。

并且，Ti、Zr、Nb、Ta及Cr的各成分通过形成碳化物、氮化物及碳氮化物等而提高WC基硬质合金的硬度，从而具有提高耐磨性的作用，但若这些硬质相成分的含量合计超过10质量％(其中，以金属成分换算)，则韧性将会下降，因此将Ti、Zr、Nb、Ta及Cr的各成分的含量合计优选设为10质量％以下。

构成包括切削刃的前刀面的WC基硬质合金：

由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金形成的复合烧结体中，TiCN基金属陶瓷成为工具基体，在其上作为包括切削刃的前刀面形成有WC基硬质合金而构成切削工具。

并且，关于本发明，工具的前刀面与后刀面所成的角度小于90度，是属于所谓的称为正角刀片的切削工具。

在本发明的切削工具中，将作为包括切削刃的前刀面的WC基硬质合金设为复合烧结体的厚度的0.05～0.3倍的厚度。

其理由在于，当WC基硬质合金的厚度小于复合烧结体的厚度的0.05倍时，对切削加工时韧性差的TiCN基金属陶瓷施加较大的负荷，从而容易产生缺损，另一方面，当WC基硬质合金的厚度超过复合烧结体的厚度的0.3倍时，形成于WC基硬质合金中的残余压缩应力变小，从而不仅耐崩刀性、耐缺损性下降，而且与减少W使用量这一本发明的目的也不符。

因此，在本发明中，将WC基硬质合金的厚度设为复合烧结体的厚度的0.05～0.3倍的厚度。

硬质包覆层：

本发明的切削工具通过将复合烧结体的WC基硬质合金作为包括切削刃的前刀面，能够直接用作切削工具，但至少在构成包括切削刃的前刀面的WC基硬质合金的表面，通过物理蒸镀法、化学蒸镀法等，包覆形成例如Ti和Al的复合氮化物层，能够进一步提高切削性能。

另外，作为硬质包覆层，不仅能够包覆形成Ti和Al的复合氮化物层，还能够分别以单层或以多层的层叠形式来包覆形成Ti的氮化物层、碳化物层、碳氮化物层、Al和Cr的复合氮化物层及Al₂O₃层等已知的各种硬质包覆层。

本发明的复合烧结体切削工具为由TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的复合烧结体形成的正角刀片，通过对TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的成分组成范围进行合理化，并且对构成包括切削刃的前刀面的WC基硬质合金的厚度比率进行合理化，取得如下效果：即使减少了钨的使用量，也不会使耐热龟裂性下降，在断续性、冲击性高负荷作用于切削刃且热负荷也作用于切削刃的合金钢等的湿式断续切削中，可以抑制龟裂的传播、扩展，且在长期使用中发挥优异的耐异常损伤性、耐磨性。

附图说明

图1是表示本发明的复合烧结体切削工具的概略示意图，(a)是表示本发明的复合烧结体切削工具的一例，并且(b)表示另一例。

图2是表示本发明的复合烧结体表面包覆切削工具的概略示意图，(a)是表示本发明的复合烧结体表面包覆切削工具的一例，(b)表示另一例。

具体实施方式

以下，根据实施例对本发明进行具体说明。

实施例

(a)首先，准备表1中所示的配合组成的平均粒径0.5～3μm的WC基硬质合金原料粉末。

并且，准备表2中所示的配合组成的平均粒径0.5～3μm的TiCN基金属陶瓷原料粉末。

对上述WC基硬质合金原料粉末和TiCN基金属陶瓷原料粉末，以表3中所示的组合用ISO刀片形状CCGT120408的原材料用模具进行层叠冲压，制作出复合成型体1～12。

另外，已制作的复合成型体1～12是由WC基硬质合金原料粉末与同一种类的TiCN基金属陶瓷原料粉末形成的复合成型体1～6、及使用了WC基硬质合金原料粉末和用于TiCN基金属陶瓷层1的原料粉末及用于TiCN基金属陶瓷层2的原料粉末这两种TiCN基金属陶瓷原料粉末的复合成型体7～12。

接着，对该复合成型体1～6进行烧结而制作出复合烧结体1～6。

同样地，对复合成型体7～12进行烧结而制作出复合烧结体7～12。

在任意情况下，均为如下烧结条件。

在将复合成型体升温至烧结温度时，从室温至1280℃是以5℃/min的升温速度进行升温，从出现液相的1280℃至1380℃的温度范围是均以30℃/min以上的升温速度进行高速升温，从1380℃至规定的1420℃是以5℃/min的升温速度进行升温，并在0.1kPa的氮气气氛中，在1420℃的烧结温度下保持1个小时后，进行冷却。

接着，关于所得到的复合烧结体1～6及7～12，将WC基硬质合金作为前刀面，对刀刃进行R＝0.04的刃口修磨加工，制作出CCGT120408形状的复合烧结体切削工具1～6及7～12(以下，称为本发明工具1～6及7～12)。

关于上述本发明工具1～6及7～12的与WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷的层叠方向平行的剖面，使用电子射线显微分析仪，对从WC基硬质合金与TiCN基金属陶瓷的界面向WC基硬质合金一侧100μm的位置，并且向TiCN基金属陶瓷一侧100μm的位置分别进行组成分析，求出测定10个点的平均值，由此求出WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷的成分组成。

在表5、表6中示出这些值。

并且，用光学显微镜进行观察并测定了本发明工具1～6及7～12的WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷的厚度。在不同的5个点测定厚度，并对其进行平均而作为厚度。

在表5、表6中示出这些值。

接着，关于本发明工具4～6及10～12，在WC基硬质合金的表面，通过电弧离子镀，蒸镀形成了由Ti和Al的复合氮化物(另外，Ti和Al的含量分别为50原子％)形成的硬质包覆层。

在表5、表6中示出已蒸镀形成的硬质包覆层的层厚。

为了比较，将表1中所示的配合组成的WC基硬质合金原料粉末和表2中所示的配合组成的TiCN基金属陶瓷原料粉末以表4中所示的组合进行层叠冲压，制作比较例复合成型体1～6之后，在与实施例相同的条件下，对该复合成型体进行烧结而制作出比较例复合烧结体1～6。

并且，不使用TiCN基金属陶瓷原料粉末而仅以表1中所示的配合组成的WC基硬质合金原料粉末制作出仅由WC基硬质合金形成的比较例烧结体7～9(为了方便，称为比较例复合烧结体7～9)。

接着，关于所得到的比较例复合烧结体1～6及7～9，将WC基硬质合金作为前刀面，对刀刃进行R＝0.04的刃口修磨加工，制作出CCGT120408形状的复合烧结体切削工具1～6及7～9(以下，称为比较例工具1～6及7～9)。

接着，与本发明工具1～12的情况同样地，关于比较例工具1～6，使用电子射线显微分析仪，在从WC基硬质合金与TiCN基金属陶瓷的界面向WC基硬质合金一侧100μm的位置，并且向TiCN基金属陶瓷一侧100μm的位置分别进行组成分析而求出测定10个点的平均值，由此求出WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷的成分组成。

而且，关于比较例工具1～6，用光学显微镜观察并测定了WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷的厚度。另外，在不同的5个点测定厚度，并对其进行平均而作为厚度。

在表7中示出这些值。

接着，对于对于比较例工具4～6，在WC基硬质合金的表面，通过电弧离子镀，蒸镀形成了由Ti和Al的复合氮化物(另外，Ti和Al的含量分别为50原子％)形成的硬质包覆层。

在表7中示出蒸镀形成的硬质包覆层的层厚。

[表1]

[表2]

[表3]

(注)根据JIS标准，CCGT120408形状的厚度为4.76mm，因此将一部分的层厚标记为“剩余部分”。

[表4]

(注)根据JS标准，CCGT120408形状的厚度为4.76mm，因此将

一部分的层厚标记为“剩余部分”。

[表5]

(注)“TiCN基金属陶瓷”相当于由表2的“TiCN基金属陶瓷原料粉末A～C”制作的TiCN基金属陶瓷。

[表6]

(注1)“TiCN基金属陶瓷层1”相当于由表2的“TiCN基金属陶瓷原料粉末A～C”制作的TiCN基金属陶瓷层。

(注2)“TiCN基金属陶瓷层2”相当于由表2的“TiCN基金属陶瓷原料粉末D～F”制作的TiCN基金属陶瓷层。

[表7]

(注)“TiCN基金属陶瓷”相当于由表2的“TiCN基金属陶瓷原料粉末A～C及G～I”制作的TiCN基金属陶瓷。

接着，关于上述本发明工具1～12及比较例工具1～9，在如下条件下，进行合金钢的湿式铣削加工试验，并测定了后刀面磨损量或达到寿命为止的切削时间。

工件材料：JIS·SCM440的块体；

切削速度：325m/min.；

切深量：1.0mm；

进给速度：0.13mm/rev.；

切削时间：12分钟。

而且，关于本发明工具1～12及比较例工具1～6，从表5、表6中所示的(WC基硬质合金的厚度)/(工具的厚度)的值计算出在各工具中不层叠金属陶瓷、WC基硬质合金作为整体的情况下的使用W量减少率(质量％)。

在表8中示出这些结果。

[表8]

从表5～8中所示的结果可知，即使减少了钨的使用量，本发明包覆工具通过对TiCN基金属陶瓷和WC基硬质合金的成分组成范围进行合理化，并且对构成包括切削刃的前刀面的WC基硬质合金的厚度比率进行合理化，从而也不会降低耐热龟裂性，在断续性、冲击性高负荷作用于切削刃且热负荷也作用于切削刃的合金钢等湿式断续切削中，可以抑制龟裂的传播、扩展，且在长期使用中发挥优异的耐异常损伤性、耐磨性，从而显示出不逊于仅由WC基硬质合金制作的比较例工具7～9(即，使用W量减少率为零％的工具)的切削性能。

相对于此，比较例工具1～6虽然减少了钨使用量，但耐热龟裂性较差，从而在短时间内达到使用寿命的情况是显而易见的。

产业上的可利用性

将复合烧结体作为工具基体的本发明的切削工具，能够实现作为稀有金属的钨的使用量的减少，并且即使在断续性、冲击性的高负荷及热负荷作用于切削刃的湿式断续切削中使用的情况下，耐热龟裂性也优异，不会发生崩刀、缺损及剥离等异常损伤，且能够在长期使用中发挥优异的切削性能，从而能够充分满足应对切削加工的节能化、低成本化。