碳氮化钛基的金属陶瓷制造的切削刀片制造技术

一种有芯／外芯（或芯／边缘）双结构硬质相的碳氮化钛基的金属陶瓷制造的切削刀片，其特点在于该双结构硬质相部分或全部地被含芯部和外层部分的不连续的双结构硬质相取代，其中的外层部分不连续地分布在芯部周围，以使芯部部分地暴露于金属粘结相，且所述的不连续双结构硬质相，按电子显微镜分析，占金属陶瓷总面积的３０％（面积）或更多，由此该切削刀片呈现出优越的抗断裂性。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属陶瓷制造的切削刀片(金属陶瓷切削刀片)，尤其是涉及呈现优越抗断裂性的碳氮化钛基金属陶瓷制造的切削刀片。在金属陶瓷切削刀片被开发后的早期，TiC-Mo-Ni合金被用作金属陶瓷。虽然这类合金是高耐磨的，但在韧性方面它们远劣于烧结的碳化物。这就限制了该金属陶瓷切削刀片应用于钢的高速切削加工。此后，发现添加氮化物化合物，如TiN对改善金属陶瓷的韧性是十分有效的。因此，用这类金属陶瓷制造的切削刀片，除用于钢的车削，利用金属陶瓷中的固有优点，即高耐磨性和给产品提供高质量表面加工的能力，一直被主要用于间歇切削。同时，在烧结的碳化物制造的切削刀片方面，开发了镀覆碳化物刀片。该镀覆碳化物包括烧结的碳化物基体材料及设置在基体材料表面上的硬质化合物，如TiC、Ti(C.N)、Al2O3等的镀层。这类镀覆碳化物呈现出改善的耐磨性，又不损失作为烧结碳化物的原有特点的韧性。在这种情况下，一直要求金属陶瓷进一步改进韧性，又不损失其高的耐磨性。一般说来，金属陶瓷具有有芯/外层(或芯/边缘)结构的硬质相，其中Ti(C、N)等晶粒被碳氮化物固溶体，如(Ti、Mo)(C、N)包围。由于注意到金属陶瓷中的这种固有特性，所以进行了许多研究以改善金属陶瓷的韧性。比如，US、4,778,521专利说明书公开了一种包括三层的芯/外层结构，即Ti(C、N)的芯、包围此芯的富WC的中间层及包围此中间层的(Ti、W)(C、N)外层。还有，EP公开No.0,406,201B1公开了一种对于其硬质相有2种和多种类型芯/外层结构的金属陶瓷。另外，EP公开No.0,578,031A2公开了一种包含常规的芯/外层结构的基体和分散于此基体中的富Ti硬质相的金属陶瓷。虽然已完成了一些改进，但由于金属陶瓷仍基于常规金属陶瓷的结构，即包括硬的Ti的化合物晶粒或富Ti化合物的晶粒的芯和围绕这些晶粒的碳氮化物固溶体的外层，所以在韧性方面它们仍不尽人意。进一步提高这种金属陶瓷的韧性的企图则需要增加粘结金属。如Co和Ni的含量。但这引起了某些问题，如降低耐磨性和降低抗塑性变形性。进而，利用金属陶瓷中硬质相的主要成分Ti易与N反应的特性来生产高耐磨的金属陶瓷。尤其是可通过控制烧结气氛中N的分压可在金属陶瓷的表面上形成硬质层硬化区。实际上，日本的未审专利公开No.平2-15139公开了一种金属陶瓷，其中，该金属陶瓷的表面部位的耐磨性因采用了类似的上述技术而提高。虽然这种金属陶瓷是高耐磨的，但由于此金属陶瓷的组织还包括了上述的芯/外层结构，所以它仍有待改进。本专利技术解决上述问题已经完成，而且本专利技术的目的如下在碳氮化钛基金属陶瓷制造的切削刀片中包含3-20％(重量)的粘结金属相，其主要成分是Co和/或Ni，3-30％(重量)单结构硬质相，它包括至少一种选自由属于周期表的4a、5a和6a族的金属元素的碳化物、氮化物和碳氮化物化合物组成的物组中的组分及包括至少两种这些化合物的固溶体，而且余量是包含芯部和完全包围此芯部的外层部分的双结构硬质相，其中，除外层部分必须含至少是M的碳氮化物化合物外，所述的芯部和外层部分包含作为取代物Ti(C、N)和/或Ti和至少一种选自属于周期表4a、5a和6a族中的，除Ti之外的金属元素M的碳氮化物化合物，并且其中外层部分分别具有比芯部低的Ti含量和高的M含量，以及不可避免的杂质，改进包括所述的双结构硬质相部分地和完全地被含芯部和外层部分的不连续双结构硬质相取代，其中，该外层部分不连续地分布在芯部周围，以使芯部被部分地暴露到粘结金属相，而所述的不连续的双结构硬质相，按电镜组织分析，占据了该金属陶瓷总面积的30％(面积)或更多，由此该切削刀片呈现出优越的抗断裂性。还有，本专利技术的另一目的是用一种基于上述金属陶瓷的经镀覆的金属陶瓷制造的切削刀片，其中该金属陶瓷用至少一种选自TiC、TiN、Ti(C、N)，钛的碳酸盐-氮化物、(Ti、Al)N和Al2O3的化合物以0.5-20μm的厚度镀覆。在上述本专利技术的金属陶瓷切削刀片或镀覆的金属陶瓷的切削刀片中，在其表面部分可存有硬化区，其中，在从该刀片的顶部表面到该顶部表面以下50μm的范围内有高于内部维氏硬度的维氏硬度峰值。另外，在上述本专利技术的金属陶瓷切削刀片或镀覆的金属陶瓷切削刀片中，硬质相的平均晶粒尺寸较好分别为0.1-1.5μm，而更好分别为0.5-1.2μm。还有，在上述本专利技术的镀覆的金属陶瓷刀片中，镀层可包括厚0.5-5μm，并以PVD法提供的(Ti、Al)N镀层，或厚0.5-5μm，并以MT-CVD法提供的TiCN镀层，以使TiCN晶粒在垂直于该金属陶瓷表面方向以纵向晶粒生长。附图说明图1和3是显示符合权利要求的本专利技术的金属陶瓷切削刀片内部组织的示意图，是用电子显微镜观察的。图2和4是类似的，但不符合权利要求的本专利技术金属陶瓷切削刀片的内部组织示意图。由于注意到的以前的专利技术中所采用的芯/外层结构，所以本专利技术人研究改进了用于切削刀片的金属陶瓷的韧性。一般说来，为改善耐磨性，金属陶瓷含有Ti的化合物。该Ti的化合物主要作为硬质相芯存在于金属陶瓷中，即，作为Ti(C、N)或富Ti的碳氮化物固溶体晶粒的芯存在，而且每个芯都被外层，即含Ti含量比前一种晶粒低的其它的碳氮化物固溶体晶粒包围。虽然芯部晶粒和外层晶粒的晶体结构都是NaCl型的结构，但是由于成分构成的不同，所以这些晶粒的热膨胀系数不同。因此，在芯和外层之间就有这种区别引起的热应力。由于这种热应力的模式根据芯和边缘的成分含量变化，所以它不能一成不变地被确定，芯和外层的热应力模式是受拉应力或该应力的大小影响的。然而，含有大量Ti的芯似乎比含相对大量的W和Mo的边缘更多地受拉应力的影响。具有NaCl型晶体结构的晶粒，如上述的芯和外层，在具有WC型晶体结构的晶粒滑动变形时不呈显滑动变形。因此由前一种晶粒构成的相是脆的，而且易被拉应力拉断。因此，认为降低芯/外层结构中的热应力象改进金属陶瓷的韧性一样重要。在日本未审专利公开No.6-248385中公开了一种含单结构，即非芯/外层结构的Ti(C、N)晶粒相的金属陶瓷。然而在这种金属陶瓷中，这类相的含量低到1-5％(体积)，而大部分构成此金属陶瓷的相是原来的芯/外层结构型的相。因此在这种金属陶瓷中热应力未被充分地降低。进而，即使提高Ti(C、N)的单相的结构含量，含这种晶粒的部分的硬度也将是低的，而且由于Ti(C、N)晶粒和金属粘结相之间的粘结强度小，所以耐磨性也将下降。在这种情况下，本专利技术人获得了如下想法可通过使芯/外层结构不完整，即通过使Ti(C、N)的，或富Ti的复合金属碳氮化物化合物的硬的晶粒(这些晶粒相当于原来芯/外层结构的芯)处于与Ti含量相应低的晶粒(这些晶粒相当于原来芯/外层结构的外层)相互接触的状态，或通过使Ti(C，N)的，或富Ti的复合金属碳氮化物化合物处于被Ti含量相当低的晶粒不完全包围的状态而降低原来芯/外层结构中固有的热应力，其中前种晶粒的一部分被暴露。换言之，本专利技术人为金属陶瓷设想了一种结构，其中一部分芯暴露于粘结金属相，而外层则在芯周围不连续地分布。按以下步骤可实际完成这种结构。首先，将直接由氧化钛化合物生产的Ti(C，N)粉末选作原料。然后，在烧结原料的混合粉末的过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
在碳氮化钛基的金属陶瓷制造的切削刀片中，含有 ３－２０％（重量）的金属粘结相，其主要成分是Ｃｏ和／或Ｎｉ， ３－３０％（重量）的单结构硬质相含至少一种选自由属于周期表中的４ａ，５ａ和６ａ族的金属元素的碳化物、氮化物和碳氮化物化合物构成的物组中组份和一种含至少两种所述化合物的固溶体；和 余量是含芯部和完全包围所述芯部的外层部分的双结构硬质相，其中，除外层部分必须含至少Ｍ的碳氮化物化合物外，所述的芯部和外层部分含作为替代物的碳氮化钛和／或Ｔｉ和至少一种选自属于周期表４ａ，５ａ和６ａ族的，除Ｔｉ之外的金属元素的元素Ｍ的碳氮化物化合物，并且其中所述外层部分具有分别比芯部低的Ｔｉ含量和高的Ｍ含量；及不可避免的杂质，改进包括： 所述的双结构硬质相部分或全部被包含芯部和外层部分的不连续的双结构硬质相取代，其中，该外层部分被不连续地分布在芯部周围，以使芯部部分地暴露于金属粘结相，并且所述的不连续的双结构硬质相，按电子显微镜组织分析，占金属陶瓷总表面的３０％（面积）或更多。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：中村清一郎，照内清弘，藤泽隆史，辻崎久史，野中胜尚，
申请(专利权)人：三菱麻铁里亚尔株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]