Металлокерамический инструмент - RU2643752C1

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к металлокерамическому инструменту.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Металлокерамические инструменты обладают превосходным сопротивлением реакции с железом и высокотемпературной прочностью по сравнению с твердосплавными инструментами, и они используются для чистовой обработки с использованием преимуществ этих свойств. Например, патентный документ 1 описывает металлокерамический инструмент, имеющий: первую твердую фазу со структурой ядро-оболочка, состоящую из ядра с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb и Zr и периферийной части с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Zr и W или Ti, Nb, Zr, W и Ta; и вторую твердую фазу со структурой ядро-оболочка, состоящую из ядра и периферийной части с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Zr и W или фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Zr, W и Ta.

ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0003] Патентный документ 1: JP 2007-69311 A

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0004] Однако в последние годы в процессах резания стали характерными более высокая скорость, большая подача и более глубокое резание. В таких условиях резания с высокой скоростью, сопровождаемого образованием тепла при высоких температурах, срок жизни инструмента имел тенденцию к уменьшению по сравнению с обычными условиями. То есть, поскольку прочность между частицами в твердых фазах является недостаточной, обычные металлокерамические инструменты имеют проблему увеличения шероховатости обработанной поверхности материала детали вследствие выпадения частиц твердой фазы в условиях резания с высокой скоростью, сопровождаемого образованием тепла при высоких температурах. Также они имеют проблему слабого сопротивления выкрашиванию и слабого сопротивления разрушению, обладая при этом превосходной твердостью твердой фазы.

[0005] Настоящее изобретение было сделано для того, чтобы решить вышеописанные проблемы. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить металлокерамический режущий инструмент, который уменьшал бы шероховатость обработанной поверхности материала детали, имел бы превосходное сопротивление разрушению и превосходное сопротивление выкрашиванию без уменьшения сопротивления износу и имел бы продолжительный срок службы инструмента.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

[0006] Автор настоящего изобретения провел различные исследования на металлокерамических инструментах. В результате автор настоящего изобретения нашел, что усовершенствование состава твердой фазы металлокерамического инструмента позволяет изготовить металлокерамический инструмент, который имеет превосходное сопротивление разрушению и превосходное сопротивление выкрашиванию без уменьшения сопротивления износу и уменьшает шероховатость обработанной поверхности материала детали, и тем самым достиг настоящего изобретения.

[0007] Таким образом, сущность настоящего изобретения заключается в следующем.

(1) Металлокерамический инструмент включает в себя: не менее 75 об.% и не более 95 об.% твердой фазы; и не менее 5 об.% и не более 25 об.% связующей фазы, причем

твердая фаза состоит из

(a) первой твердой фазы со структурой ядро-оболочка, состоящей из ядра с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb и Mo и периферийной части с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Mo, W и Zr [далее называемой (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N)] или фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Mo и W [далее называемой (Ti, Nb, Mo, W) (C, N)],

(b) второй твердой фазы со структурой ядро-оболочка, состоящей из ядра и периферийной части с фазой (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N) или фазой (Ti, Nb, Mo, W) (C, N), и

(c) третьей твердой фазы, состоящей из фазы сложного карбонитрида Ti, Nb и Mo,

причем связующая фаза состоит из элемента, имеющего по меньшей мере один, выбираемый из группы, состоящей из Co, Ni и Fe, в качестве главного компонента,

когда максимальное содержание по концентрации элемента Nb в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, обозначено Nbs, а внутреннее содержание по концентрации элемента Nb во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, обозначено Nbi, Nbs/Nbi составляет не менее 0,8 и не более 1,2,

когда максимальное содержание по концентрации элемента W в поверхностной области обозначено Ws, а внутреннее содержание по концентрации элемента W во внутренней области обозначено Wi, Ws/Wi составляет не менее 1,0 и не более 1,5, и

в разрезе внутренней области металлокерамического инструмента, когда доля площади первой твердой фазы обозначена A1, доля площади второй твердой фазы обозначена A2, доля площади третьей твердой фазы обозначена A3, и площадь всей твердой фазы составляет 100% площади, A1 составляет не менее 75% площади и не более 95% площади, A2 составляет не менее 4% площади и не более 24% площади, и A3 составляет не менее 1% площади и не более 24% площади.

(2) Металлокерамический инструмент по пункту (1), в котором, когда твердость по Виккерсу в поверхностной области обозначена Hs и твердость по Виккерсу во внутренней области обозначена Hi, Hs/Hi составляет не менее 1,1 и не более 1,3.

(3) Металлокерамический инструмент по пункту (1) или (2), в котором, когда доля площади ядра в первой твердой фазе в поверхностной области обозначена C1s и доля площади ядра в первой твердой фазе во внутренней области обозначена C1i, C1s/C1i составляет не менее 0,3 и не более 0,9.

(4) Металлокерамический инструмент по любому из пунктов (1)-(3), в котором, когда средний размер частиц твердой фазы в поверхностной области обозначен ds и средний размер частиц твердой фазы во внутренней области обозначен di, ds/di составляет не менее 1,0 и не более 2,0.

(5) Металлокерамический инструмент по любому из пунктов (1)-(4), в котором средний размер частиц твердой фазы составляет не менее 1,0 мкм и не более 3,0 мкм.

(6) Металлокерамический инструмент по любому из пунктов (1)-(5), в котором часть Nb, содержащегося в твердой фазе, заменена на Ta.

(7) Металлокерамический инструмент с покрытием включает в себя: металлокерамический инструмент по любому из пунктов (1)-(6); и слой покрытия, сформированный на поверхности металлокерамического инструмента.

[0008] <Металлокерамический инструмент>

Конкретные примеры типа металлокерамического инструмента по настоящему изобретению включают в себя многогранные режущие пластины для фрезерования или точения, сверла и торцевые фрезы.

[0009] Металлокерамический инструмент по настоящему изобретению является металлокерамическим (керметным) инструментом, включающим в себя твердую фазу и связующую фазу, имеющую в качестве главного компонента по меньшей мере один элемент, выбираемый из группы, состоящей из Co, Ni и Fe. Доля твердой фазы по отношению ко всему металлокерамическому инструменту (100 об.%) составляет от 75 об.% до 95 об.%, а связующая фаза занимает остальной объем.

[0010] Когда эта доля твердой фазы составляет менее 75 об.% в металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, сопротивление износу металлокерамического инструмента уменьшается. Когда эта доля твердой фазы составляет более 95 об.% в металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, сопротивление разрушению металлокерамического инструмента уменьшается, и остаточное количество связующей фазы также относительно уменьшается, так что уменьшается спекаемость исходных материалов (сырья) во время производства металлокерамического инструмента. Следовательно, эта доля твердой фазы определяется диапазоном от 75 об.% до 95 об.%, а на долю связующей фазы приходится остальное. С вышеописанной точки зрения еще более предпочтительно, чтобы доля твердой фазы составляла от 80 об.% до 90 об.%, а на долю связующей фазы приходится остальное.

[0011] Доли твердой фазы и связующей фазы в металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению получаются следующим образом. Изучают разрез от поверхности металлокерамического инструмента до 500 мкм внутрь в направлении глубины с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (EDS) и химически травят этот разрез с использованием царской водки для того, чтобы наблюдать химически протравленный разрез с помощью СЭМ с EDS. Затем по этим двум типам разреза измеряют долю площади твердой фазы, которая не была химически протравлена, и долю площади твердой фазы, которая была химически протравлена. Из измеренных результатов получают доли в об.% твердой фазы и связующей фазы в металлокерамическом инструменте.

[0012] Связующая фаза металлокерамического инструмента по настоящему изобретению представляет собой металл, имеющий по меньшей мере один элемент, выбираемый из Co, Ni и Fe, в качестве главного компонента. Металл, имеющий в качестве главного компонента по меньшей мере один элемент, выбираемый из Co, Ni и Fe, означает металл, в полной массе которого по меньшей мере один элемент, выбираемый из Co, Ni и Fe, в связующей фазе составляет 50 мас.% или более от полной массы связующей фазы. В связующей фазе по настоящему изобретению могут содержаться компоненты твердой фазы, отличающиеся от Co, Ni и Fe. Как правило, полное содержание компонента твердой фазы, содержащегося в связующей фазе по настоящему изобретению, составляет 20 мас.% или менее от полной массы связующей фазы. В частности, более предпочтительно, чтобы связующая фаза металлокерамического инструмента по настоящему изобретению представляла собой металл, имеющий в качестве главных компонентов один или два из Co и Ni. В таком случае возможно получить металлокерамический инструмент, который обладает превосходными свойствами смачиваемости между связующей фазой и твердой фазой, термостойкости и коррозионной стойкости.

[0013] Твердая фаза металлокерамического инструмента по настоящему изобретению имеет первую твердую фазу со структурой ядро-оболочка, состоящую из ядра с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb и Mo [далее называемой (Ti, Nb, Mo) (C, N)] и периферийной части с фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Mo, W и Zr [далее называемой (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N)] или фазой сложного карбонитрида Ti, Nb, Mo и W [далее называемой (Ti, Nb, Mo, W) (C, N)]. Ядро и периферийная часть имеют различные составы. Поскольку Nb обладает превосходной высокотемпературной твердостью и стойкостью к окислению, износ за счет реакции в высокоскоростном процессе замедляется и, таким образом, металлокерамический инструмент имеет превосходное сопротивление износу. Mo обладает превосходной смачиваемостью со связующей фазой во время спекания, а также превосходной смачиваемостью между твердыми фазами. Следовательно, прочность металлокерамического инструмента улучшается за счет содержания Mo в первой твердой фазе, и таким образом сопротивление разрушению и сопротивление выкрашиванию улучшаются. Кроме того, W обладает превосходной твердостью. Следовательно, металлокерамический инструмент имеет превосходное сопротивление износу за счет содержания W в первой твердой фазе. В дополнение к этому, Zr в твердой фазе обладает превосходной высокотемпературной прочностью, так что металлокерамический инструмент имеет превосходное сопротивление пластической деформации за счет содержания Zr в первой твердой фазе.

[0014] Твердая фаза металлокерамического инструмента по настоящему изобретению имеет вторую твердую фазу со структурой ядро-оболочка, состоящую из ядра и из периферийной части с фазой (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N) или фазой (Ti, Nb, Mo, W) (C, N). W обладает превосходной твердостью. Следовательно, металлокерамический инструмент имеет превосходное сопротивление износу за счет содержания W во второй твердой фазе. В дополнение к этому, Zr в твердой фазе обладает превосходной высокотемпературной прочностью, так что металлокерамический инструмент имеет превосходное сопротивление пластической деформации за счет содержания Zr во второй твердой фазе.

[0015] Твердая фаза металлокерамического инструмента по настоящему изобретению имеет третью твердую фазу с однофазной структурой частиц, состоящей из фазы сложного карбонитрида Ti, Nb и Mo [далее называемой (Ti, Nb, Mo) (C, N)]. Третья твердая фаза обладает превосходной стойкостью к термическому удару благодаря высокой удельной теплопроводности, что позволяет подавить образование термических трещин. Следовательно, за счет наличия третьей твердой фазы, диспергированной в металлокерамическом инструменте, улучшается сопротивление разрушению.

[0016] В частности, металлокерамический инструмент по настоящему изобретению содержит Nb и Mo во всей твердой фазе из первой твердой фазы, второй твердой фазы и третьей твердой фазы, так что инструмент имеет превосходное сопротивление износу при высоких температурах, а также превосходное сопротивление разрушению. В дополнение к этому, Ta обладает превосходной высокотемпературной твердостью, подобно Nb. Следовательно, также предпочтительно, чтобы металлокерамический инструмент по настоящему изобретению содержал Ta вместо части Nb, содержащегося в твердой фазе внутри по меньшей мере одной твердой фазы из первой твердой фазы, второй твердой фазы и третьей твердой фазы.

[0017] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, когда максимальное содержание по концентрации элемента Nb в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, составляет Nbs, а внутреннее содержание по концентрации элемента Nb во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, составляет Nbi, Nbs/Nbi составляет не менее 0,8 и не более 1,2. Когда Nbs/Nbi находится в пределах этого диапазона, концентрация элемента Nb является приблизительно однородной в поверхностной области и внутренней области металлокерамического инструмента, так что металлокерамический инструмент обладает превосходной высокотемпературной прочностью. Когда Nbs/Nbi составляет менее 0,8, сопротивление износу металлокерамического инструмента уменьшается. Когда Nbs/Nbi составляет более 1,2, сопротивление разрушению металлокерамического инструмента уменьшается.

[0018] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, когда максимальное содержание по концентрации элемента W в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, составляет Ws, а внутреннее содержание по концентрации элемента W во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, составляет Wi, Ws/Wi составляет не менее 1,0 и не более 1,5. Когда Ws/Wi находится в пределах этого диапазона, твердость в поверхностной области металлокерамического инструмента является превосходной, и прочность во внутренней области является превосходной, и таким образом сопротивление износу, сопротивление выкрашиванию и сопротивление разрушению металлокерамического инструмента улучшаются. Когда Ws/Wi составляет менее 1,0, сопротивление износу металлокерамического инструмента уменьшается. Когда Ws/Wi составляет более 1,5, сопротивление выкрашиванию и сопротивление разрушению металлокерамического инструмента уменьшаются.

[0019] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению за счет наличия однородной концентрации элемента Nb в поверхностной области и внутренней области, а также увеличения концентрации элемента W в поверхностной области, улучшаются характеристики резания, такие как сопротивление износу, сопротивление выкрашиванию и сопротивление разрушению. Таким образом, Nb с его превосходной высокотемпературной твердостью способствует эффективности резания в условиях высоких скоростей, сопровождаемых образованием тепла при высоких температурах, тогда как W способствует эффективности резания в обычных условиях. Следовательно, становится возможной обработка без уменьшения эффективности резания во всех режимах.

[0020] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению в разрезе внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, когда доля площади первой твердой фазы составляет A1, доля площади второй твердой фазы составляет A2, доля площади третьей твердой фазы составляет A3 и площадь всей твердой фазы составляет 100% площади, A1 составляет не менее 75% площади и не более 95% площади, A2 составляет не менее 4% площади и не более 24% площади и A3 составляет не менее 1% площади и не более 24% площади. Когда A1 составляет менее 75% площади, прочность становится недостаточной, и таким образом сопротивление разрушению металлокерамического инструмента уменьшается. Когда A1 составляет более 95% площади, площадь A2 или A3 относительно уменьшается и, таким образом, твердость или удельная теплопроводность уменьшаются, так что сопротивление износу или стойкость к термическому удару металлокерамического инструмента уменьшаются. Когда A2 составляет менее 4% площади, твердость становится недостаточной и, таким образом, сопротивление износу металлокерамического инструмента уменьшается. Когда A2 составляет более 24% площади, площадь A1 или A3 относительно уменьшается и, таким образом, прочность и удельная теплопроводность уменьшаются, так что сопротивление разрушению или стойкость к термическому удару металлокерамического инструмента уменьшаются. Когда A3 составляет менее 1% площади, удельная теплопроводность становится недостаточной и, таким образом, стойкость к термическому удару металлокерамического инструмента уменьшается. Когда A3 составляет более 24% площади, площадь A1 или A2 относительно уменьшается и, таким образом, прочность уменьшается, так что сопротивление разрушению металлокерамического инструмента уменьшается.

[0021] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, когда твердость по Виккерсу в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, составляет Hs и твердость по Виккерсу во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, составляет Hi, Hs/Hi предпочтительно составляет не менее 1,1 и не более 1,3. Когда Hs/Hi металлокерамического инструмента по настоящему изобретению составляет менее 1,1, сопротивление износу имеет тенденцию к уменьшению. Когда Hs/Hi составляет более 1,3, сопротивление выкрашиванию и сопротивление разрушению имеют тенденцию к уменьшению.

[0022] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, когда доля площади ядра в первой твердой фазе в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, составляет C1s и доля площади ядра в первой твердой фазе во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, составляет C1i, C1s/C1i предпочтительно составляет не менее 0,3 и не более 0,9. Когда C1s/C1i металлокерамического инструмента по настоящему изобретению составляет менее 0,3, сопротивление разрушению имеет тенденцию к уменьшению. Когда C1s/C1i составляет более 0,9, сопротивление износу имеет тенденцию к уменьшению.

[0023] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению, когда средний размер частиц твердой фазы в поверхностной области, которая находится в пределах диапазона от поверхности металлокерамического инструмента до глубины 300 мкм, составляет ds и средний размер частиц твердой фазы во внутренней области, которая находится глубже внутрь от поверхностной области, составляет di, ds/di предпочтительно составляет не менее 1,1 и не более 2,0. Когда ds/di металлокерамического инструмента по настоящему изобретению составляет менее 1,1, сопротивление разрушению имеет тенденцию к уменьшению. Когда ds/di составляет более 2,0, сопротивление износу имеет тенденцию к уменьшению.

[0024] В металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению средний размер частиц твердой фазы предпочтительно составляет не менее 1,0 мкм и не более 3,0 мкм. Когда средний размер частиц твердой фазы в металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению составляет менее 1,0 мкм, сопротивление разрушению имеет тенденцию к уменьшению. Когда средний размер частиц твердой фазы составляет более 3,0 мкм, твердость уменьшается и сопротивление износу имеет тенденцию к уменьшению.

[0025] Концентрацию элемента Nb и концентрация элемента W в металлокерамическом инструменте по настоящему изобретению получают следующим образом. Металлокерамический инструмент полируют с наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента, изучают разрез полированной поверхности с помощью СЭМ и концентрацию получают с использованием EDS, присоединенного к СЭМ. Измеряют концентрации в 10 местах с интервалами в 10 мкм в вертикальном направлении от поверхности металлокерамического инструмента, и максимальные содержания среди них принимают за Nbs и Ws, и независимо измеряют концентрации в 10 местах на расстоянии 500 мкм от поверхности, и их средние значения принимают за Nbi и Wi.

[0026] Значение твердости по Виккерсу Hs в поверхностной области металлокерамического инструмента по настоящему изобретению и значение твердости по Виккерсу Hi во внутренней области получают следующим образом. Для того, чтобы измерить твердость от поверхности до внутренности металлокерамического инструмента, металлокерамический инструмент полируют с наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента для измерения твердости по Виккерсу с прикладываемой нагрузкой в 4,9 Н с использованием микротестера твердости по Виккерсу с интервалами в 10 мкм в вертикальном направлении от поверхности металлокерамического инструмента. Максимальную твердость в диапазоне в пределах 300 мкм от поверхности металлокерамического инструмента принимают за Hs, а также измеряют твердость по Виккерсу в 5 местах на расстоянии 500 мкм от поверхности металлокерамического инструмента, и максимальную твердость среди этих 5 мест принимают за Hi.

[0027] Средний размер частиц ds в поверхностной области и средний размер частиц di во внутренней области твердой фазы металлокерамического инструмента по настоящему изобретению получают следующим образом. Металлокерамический инструмент полируют под наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента. Размеры получают по изображению разреза полированной поверхности, полученного с увеличением от 2000 до 10000 с помощью СЭМ, используя уравнение Фулмена (1):

dm=(4/π) ⋅ (NL/NS) (1)

(В этом уравнении dm обозначает средний размер частиц, π обозначает число пи, NL обозначает число твердых фаз на единицу длины, пересекаемых произвольной прямой линией на разрезе, и NS обозначает число твердых фаз, содержащихся в произвольной единичной площади.)

Средний размер частиц твердой фазы является величиной, получаемой путем усреднения среднего размера частиц ds в поверхностной области и среднего размера частиц di во внутренней области.

[0028] Доли площади A1, A2 и A3 соответствующих твердых фаз во внутренней области металлокерамического инструмента по настоящему изобретению получают из СЭМ-изображения разреза методом, использующим коммерчески доступное программное обеспечение анализа изображений, или методом, использующим уравнение Фулмена. Конкретный способ измерения в том случае, когда используется уравнение Фулмена, описан ниже. Металлокерамический инструмент полируют и получают долю площади по изображению разреза полированной поверхности во внутренней области металлокерамического инструмента, полученному с увеличением от 2000 до 10000 с помощью СЭМ, с использованием уравнения Фулмена (1). Используя описанное выше уравнение Фулмена (1), получают соответствующие средний размер частиц первой твердой фазы, средний размер частиц второй твердой фазы и средний размер частиц третьей твердой фазы. Используя средний размер частиц каждой твердой фазы и число каждой твердой фазы, содержащейся в единичной площади, получают площадь каждой твердой фазы, содержащейся в единичной площади, и определяют доли площади A1, A2 и A3 соответствующих твердых фаз.

[0029] Долю площади C1s ядра в первой твердой фазе в поверхностной области металлокерамического инструмента по настоящему изобретению и долю площади C1i ядра в первой твердой фазе во внутренней области получают следующим образом. Металлокерамический инструмент полируют под наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента. Снимают фотографию полированной поверхности разреза с увеличением от 2000 до 10000 с помощью СЭМ. Значения C1s и C1i вычисляют по этой фотографии с использованием коммерчески доступного программного обеспечения анализа изображений.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0030] Металлокерамический инструмент по настоящему изобретению позволяет уменьшить шероховатость обработанной поверхности материала детали. В дополнение к этому, металлокерамический инструмент по настоящему изобретению имеет превосходное сопротивление разрушению и превосходное сопротивление выкрашиванию без уменьшения сопротивления износу, так что этот инструмент имеет более длительный срок службы, чем у обычных инструментов.

ПРИМЕРЫ

[0031] Далее описывается способ производства металлокерамического инструмента по настоящему изобретению с использованием конкретных примеров. Способ производства металлокерамического инструмента по настоящему изобретению особенно не ограничивается при условии, что достигается конкретная структура (твердая фаза и связующая фаза) металлокерамического инструмента.

[0032] Например, способ производства металлокерамического инструмента по настоящему изобретению включает в себя:

стадию (A): стадия смешивания 30-90 мас.% порошка карбонитрида молибдена-ниобия-титана или порошка карбонитрида молибдена-тантала-ниобия-титана со средним размером частиц 0,5-4,0 мкм, 5-40 мас.% по меньшей мере одного типа порошка со средним размером частиц 0,5-4,0 мкм, выбираемого из группы, состоящей из карбида, нитрида и карбонитрида по меньшей мере одного элемента-металла, выбираемого из группы, состоящей из Ti, Zr, Nb, Mo и W, за исключением порошка карбонитрида молибдена-ниобия-титана и карбонитрида молибдена-тантала-ниобия-титана, и 5-30 мас.% по меньшей мере одного типа порошка, выбираемого из группы, состоящей из Co, Ni и Fe, имеющего средний размер частиц 0,5-3,0 мкм (в сумме они составляют 100 мас.%);

стадию (B): стадия смешивания порошка исходных материалов и перемешивания во влажной шаровой мельнице в течение 5-35 часов с приготовлением смеси;

стадию (C): стадия прессования для получения прессованного тела путем прессования смеси с формованием инструмента заданной формы;

стадию (D): первая стадия нагрева путем увеличения температуры прессованного тела, полученного на стадии (C), до заданной температуры в пределах диапазона 1200-1400°C в вакууме с давлением 67 Па или меньше;

стадию (E): вторая стадия нагрева путем увеличения температуры прессованного тела после стадии (D) от заданной температуры в пределах диапазона 1200-1400°C до температуры спекания в пределах диапазона 1400-1600°C (температура спекания является более высокой, чем эта заданная температура) в атмосфере азота с давлением 50-1330 Па;

стадию (F): первая стадия спекания путем выдержки прессованного тела после стадии (E) при температуре спекания в пределах диапазона 1400-1600°C в атмосфере азота с тем же самым давлением, что и на стадии (E), в течение заданного промежутка времени для спекания;

стадию (G): первая стадия охлаждения путем охлаждения прессованного тела после стадии (F) от температуры в пределах диапазона 1400-1600°C до температуры в пределах диапазона 1000-1200°C со скоростью 1-50°C/мин при давлении азота 1-50 Па, которое является более низким, чем давление на стадии (F);

стадию (H): вторая стадия спекания путем выдержки прессованного тела после стадии (G) при температуре спекания в пределах диапазона 1000-1200°C в атмосфере азота с тем же самым давлением, что и на стадии (G), в течение заданного промежутка времени для спекания; и

стадию (I): вторая стадия охлаждения путем охлаждения прессованного тела после стадии (H) от заданной температуры в пределах диапазона 1000-1200°C до нормальной температуры.

[0033] Порошок исходных материалов, используемый на стадии (A), имеет средний размер частиц, измеренный с помощью способа Фишера (сверхтонкого классификатора Фишера (FSSS)), в соответствии со стандартом B330 Американского общества по испытанию материалов (ASTM).

[0034] Каждая стадия способа производства металлокерамического инструмента по настоящему изобретению имеет следующее значение.

На стадии (A) использование порошка карбонитрида молибдена-ниобия-титана или порошка карбонитрида молибдена-тантала-ниобия-титана и по меньшей мере одного типа порошка, выбираемого из группы, состоящей из карбида, нитрида и карбонитрида по меньшей мере одного элемента-металла, выбираемого из группы, состоящей из Ti, Zr, Nb, Mo и W, обеспечивает состав первой твердой фазы, второй твердой фазы и третьей твердой фазы.

[0035] На стадии (B) можно отрегулировать средний размер частиц твердой фазы и равномерно перемешать смешанный порошок с заданным составом. Его прессуют, спекают и охлаждают на следующих стадиях с тем, чтобы получить металлокерамический инструмент по настоящему изобретению, имеющий твердую фазу и связующую фазу с конкретным составом.

[0036] На стадии (C) полученную таким образом смесь прессуют, чтобы придать инструменту заданную форму. Полученное таким образом прессованное тело спекают на следующей стадии спекания.

[0037] На стадии (D) температуру прессованного тела повышают в вакууме с давлением 67 Па или меньше для ускорения дегазации перед появлением жидкой фазы и сразу после появления жидкой фазы, и поэтому спекаемость на следующей стадии спекания улучшается.

[0038] На стадии (E) спекание при температуре в пределах диапазона 1400-1600°C позволяет увеличить концентрацию элемента W в поверхностной области металлокерамического инструмента. В дополнение к этому, на стадиях (E) и (F) процесс выполняют в атмосфере азота для того, чтобы предотвратить денитрирование из поверхностей прессованного тела. Следовательно, уменьшение гладкости на спеченной поверхности, сопровождаемое денитрированием и уменьшением твердой фазы, такой как (Ti, Nb, Mo) (C, N), вблизи спеченной поверхности ингибируется.

[0039] На стадии (G) охлаждение при давлении азота 1-50 Па, которое является более низким, чем на стадиях (E) и (F), и со скоростью охлаждения от 1 до 50°C/мин позволяет ингибировать перемещение элемента Nb к поверхностям прессованного тела.

[0040] На стадии (H) за счет выдержки при температуре ниже, чем на стадии (F), доли площади твердых фаз с первой по третью становятся произвольными.

[0041] Затем на стадии (I) спеченное тело охлаждается до комнатной температуры с тем, чтобы получить металлокерамический инструмент по настоящему изобретению.

[0042] Металлокерамический инструмент, полученный посредством стадий от (A) до (I), может быть подвергнут шлифованию и хонингованию на краях по мере необходимости.

Пример 1

[0043] [Производство металлокерамического инструмента]

В качестве коммерчески доступных порошков исходных материалов подготовили порошок (Ti, Nb, Mo) (C, N), имеющий средний размер частиц 2,0 мкм (массовое отношение TiC/TiN=50/50), порошок (Ti, Nb, Ta, Mo) (C, N), имеющий средний размер частиц 2,0 мкм (массовое отношение TiC/TiN=50/50), порошок WC, имеющий средний размер частиц 1,5 мкм, порошок ZrC, имеющий средний размер частиц 1,5 мкм, порошок Co, имеющий средний размер частиц 1,0 мкм, и порошок Ni, имеющий средний размер частиц 1,0 мкм. Средний размер частиц порошков исходных материалов был измерен с помощью способа Фишера (сверхтонкого классификатора Фишера (FSSS)), в соответствии со стандартом B330 Американского общества по испытанию материалов (ASTM). Выражение (Ti, Nb, Mo) (C, N) означает сложный карбонитрид Ti, Nb и Mo, а выражение (Ti, Nb, Ta, Mo) (C, N) означает сложный карбонитрид Ti, Nb, Ta и Mo.

[0044] Подготовленные порошки исходных материалов взвешивали так, чтобы они соответствовали составу, показанному в Таблице 1 ниже, и взвешенные порошки исходных материалов помещали в сосуд из нержавеющей стали вместе с ацетоновым растворителем и шарами из твердого сплава для смешивания и перемалывания во влажной шаровой мельнице. Периоды времени для смешивания и перемалывания во влажной шаровой мельнице показаны в Таблице 2. После смешивания и перемалывания во влажной шаровой мельнице смесь, полученную путем выпаривания ацетонового растворителя, спрессовали под давлением 196 МПа в пресс-форме, чтобы после спекания она имела форму режущей пластины SDKN1203 с брекером в соответствии с японским промышленным стандартом JIS B 4120, и получили прессованное тело из смеси.

[0045] [Таблица 1]

[0046] [Таблица 2]

[0047] После того, как прессованное тело из смеси было помещено в печь для спекания, температура повышали от комнатной температуры до температуры ввода азота T1 (°C), показанной в Таблице 3(a), в вакууме с давлением 67 Па или меньше. Когда температура в печи достигла температуры ввода азота T1 (°C), в печь для спекания вводили газообразный азот до тех пор, пока давление в печи не достигло давления печи P1 (Па), показанного в Таблице 3(b). В атмосфере азота с давлением в печи P1 (Па) температуру повышали от температуры ввода азота T1 (°C) до температуры спекания T2 (°C), показанной в Таблице 3(c). Когда температура в печи достигла температуры спекания T2 (°C), температуру спекания T2 (°C) поддерживали в атмосфере азота с давлением в печи P1 (Па) в течение 60 мин для спекания. Затем газообразный азот выпускали до тех пор, пока давление в печи P1 (Па) не достигло давления в печи P2 (Па), показанного в Таблице 3(d), и затем ее охлаждали от температуры спекания T2 (°C) до температуры спекания T3 (°C), показанной в Таблице 3(f), со скоростью охлаждения R1 (°C/мин). Когда температура в печи достигла температуры спекания T3 (°C), температуру спекания T3 (°C) поддерживали в атмосфере азота с давлением в печи P2 (Па) в течение 60 мин для спекания. Затем азот выпустили и заменили атмосферой аргона. Атмосферу аргона охлаждали от температуры спекания T3 (°C) до комнатной температуры.

[0048] [Таблица 3]

[0049] Металлокерамический инструмент, полученный путем спекания, был подвергнут хонингованию на краях металлокерамического инструмента с помощью хонинговального станка с влажной щеткой.

[0050] Металлокерамические инструменты из продуктов по изобретению и сравнительных продуктов, приготовленных таким образом, полировали под наклоном в 10 градусов относительно поверхностей металлокерамических инструментов. Разрезы отполированных поверхностей изучали в СЭМ для измерения концентраций Nbs и Ws в поверхностной области и Nbi и Wi во внутренней области соответственно с использованием EDS, присоединенного к СЭМ. Из измеренных таким образом концентраций были получены значения Nbs/Nbi и Ws/Wi. Результаты показаны в Таблице 4.

[0051] [Таблица 4]

[0052] Для полируемой поверхности, отполированной под наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента, получали изображение разреза отполированной поверхности с увеличением 5000 с помощью СЭМ. По полученному таким образом изображению измеряли средний размер частиц ds в поверхностной области твердой фазы и средний размер частиц di во внутренней области с использованием уравнения Фулмена (1) и получали значение ds/di. Средний размер частиц твердой фазы принимали за среднее значение среднего размера частиц ds в поверхностной области и среднего размера частиц di во внутренней области. Значение ds/di и средний размер частиц твердой фазы показаны в Таблице 5. Кроме того, по полученному таким образом изображению измеряли долю площади C1s ядра в первой твердой фазе в поверхностной области и долю площади C1i ядра в первой твердой фазе во внутренней области с использованием уравнения Фулмена (1). Из измеренных значений C1s и C1i получали C1s/C1i. Результаты показаны в Таблице 5.

[0053] [Таблица 5]

[0054] Для полируемой поверхности, отполированной с наклоном в 10 градусов относительно поверхности металлокерамического инструмента, измеряли твердость по Виккерсу с прикладываемой нагрузкой в 4,9 Н с использованием микротестера твердости по Виккерсу с интервалами в 10 мкм в вертикальном направлении от поверхности металлокерамического инструмента. Максимальную твердость в пределах диапазона 300 мкм от поверхности металлокерамического инструмента принимали за Hs. Измеряли твердость по Виккерсу в 5 местах на расстоянии 500 мкм от поверхности металлокерамического инструмента и максимальную твердость в этих пяти местах принимали за Hi. Результаты показаны в Таблице 6.

[0055] [Таблица 6]

[0056] Металлокерамические инструменты из продуктов по изобретению и сравнительных продуктов полировали вертикально к поверхностям металлокерамических инструментов и по разрезам отполированных поверхностей состав каждой твердой фазы идентифицировали с помощью СЭМ с EDS. Кроме того, снимали изображение разреза внутренней области металлокерамического инструмента с увеличением 10000 с помощью СЭМ. По полученному таким образом изображению получали доли A1, A2 и A3 площади соответствующих твердых фаз путем использования коммерчески доступного программного обеспечения анализа изображений. Результаты показаны в Таблице 7. Затем изучали разрез до 500 мкм внутрь в направлении глубины от поверхности металлокерамического инструмента с помощью СЭМ с EDS для того, чтобы идентифицировать состав связующей фазы. Кроме того, этот разрез подвергали химическому травлению с использованием царской водки для наблюдения химически протравленного разреза с помощью СЭМ с EDS. Затем по этим двум типам разреза измеряли долю площади твердой фазы, которая не была химически протравлена, и долю площади твердой фазы, которая была химически протравлена. Из этих результатов получали доли в об.% твердой фазы и связующей фазы в металлокерамическом инструменте. Результаты показаны в Таблице 8.

[0057] [Таблица 7]

[0058] [Таблица 8]

[0059] Используя полученные таким образом образцы, выполнили испытание резания 1, испытание резания 2 и испытание резания 3. Испытание резания 1 является испытанием для оценки сопротивления разрушению, испытание резания 2 – для оценки сопротивления износу, а испытание резания 3 – для оценки обработанной поверхности материала детали. Результаты испытаний резания показаны в Таблице 9.

[0060] [Испытание резания 1]

Режим обработки: фрезерование,

Форма инструмента: SDKN1203,

Материал детали: SCM440,

Форма детали: 200 мм × 80 мм × 200 мм (форма: листовой материал с шестью отверстиями размером 30 мм),

Скорость резания: 150 м/мин,

Подача: 0,25 мм на зуб,

Глубина резания: 2,0 мм,

Охлаждающая жидкость: не использовалась,

Смысл оценки: срок службы инструмента принимается за длину обработки до того момента времени, пока у образца не появится разрушение.

[0061] [Испытание резания 2]

Режим обработки: фрезерование,

Форма инструмента: SDKN1203,

Материал детали: SCM440,

Форма детали: 200 мм × 80 мм × 200 мм,

Скорость резания: 250 м/мин,

Подача: 0,15 мм на зуб,

Глубина резания: 2,0 мм,

Охлаждающая жидкость: не использовалась,

Смысл оценки: срок службы инструмента принимается за длину обработки до того момента времени, пока у образца не появится разрушение или пока у образца не образуется 0,3 мм максимальной ширины износа по задней поверхности или износа по периферии.

[0062] [Испытание резания 3]

Режим обработки: фрезерование,

Форма инструмента: SDKN1203,

Материал детали: SS400,

Форма детали: 150 мм × 70 мм × 150 мм,

Скорость резания: 150 м/мин,

Подача: 0,15 мм на зуб,

Глубина резания: 0,3 мм,

Охлаждающая жидкость: не использовалась,

Смысл оценки: оценивалась среднеарифметическая шероховатость Ra обработанной поверхности материала детали, когда длина обработки составляла 5,0 м.

[0063] [Таблица 9]

[0064] Длина обработки в испытании резания 1 оценивалась как «ʘ» при 3 м или больше, «O» - при не менее 2 м и менее 3 м, «Δ» - при не менее 1 м и менее 2 м, и «X» - при менее 1 м. Длина обработки в испытании резания 2 оценивалась как «ʘ» при 10 м или больше, «O» - при не менее 7 м и менее 10 м, «Δ» - при не менее 3 м и менее 7 м, и «X» - при менее 3 м. Среднеарифметическая шероховатость Ra обработанной поверхности материала детали в испытании резания 3 оценивалась как «ʘ» при менее 0,15 мкм, «O» - при не менее 0,15 мкм и менее 0,25 мкм, «Δ» - при не менее 0,25 мкм и менее 0,35 мкм, и «X» - при 0,35 мкм или больше. Оценки ранжируются в порядке (превосходно) «ʘ» > «O» > «Δ» > «X» (плохо), и оценки «ʘ» и «O» показывают лучшие характеристики резания. Полученные таким образом результаты оценки показаны в Таблице 10.

[0065] [Таблица 10]

[0066] Все оценки для продуктов по изобретению были лишь «ʘ» или «O», и понятно, что они были превосходными в плане сопротивления износу и сопротивления разрушению и были способны уменьшить шероховатость обработанной поверхности. В противоположность этому, среди оценок сравнительных продуктов были оценки «Δ» или «X», и понятно, что они не удовлетворяли по меньшей мере одной из характеристик среди сопротивления износу, сопротивления разрушению и шероховатости обработанной поверхности.

Пример 2

[0067] Поверхности металлокерамических инструментов из продуктов 1-10 по изобретению в Примере 1 были покрыты с использованием устройства физического осаждения из паровой фазы (PVD). Продукты 1-10 по изобретению и сравнительные продукты 1-6 покрыли слоем TiAlN с его средней толщиной 2,5 мкм на поверхностях, и они обозначены как продукты 11-20 по изобретению и сравнительные продукты 7-12. Металлокерамический инструмент из продукта 1 по изобретению покрыли слоем Ti (C, N) с его средней толщиной 2,5 мкм на поверхности, и он обозначен как продукт 21 по изобретению. В дополнение, металлокерамический инструмент из продукта 1 по изобретению покрыли чередующимся наслоением, в котором TiAlN с толщиной 2 нм на слой и TiAlNbWN с толщиной 3 нм на слой были поочередно нанесены в количестве 500 слоев каждый, и он обозначен как продукт 22 по изобретению. Продукты 11-22 по изобретению и сравнительные продукты 7-12 подвергали испытаниям резания 1, 2 и 3, которые являются теми же самыми, что и испытания резания в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 11.

[0068] [Таблица 11]

[0069] Длина обработки в испытании резания 1 оценивалась как «ʘ» при 3 м или больше, «O» - при не менее 2 м и менее 3 м, «Δ» - при не менее 1 м и менее 2 м, и «X» - при менее 1 м. Длина обработки в испытании резания 2 оценивалась как «ʘ» при 10 м или больше, «O» - при не менее 7 м и менее 10 м, «Δ» - при не менее 3 м и менее 7 м, и «X» - при менее 3 м. Среднеарифметическая шероховатость Ra обработанной поверхности материала детали в испытании резания 3 оценивалась как «ʘ» при менее 0,15 мкм, «O» - при не менее 0,15 мкм и менее 0,25 мкм, «Δ» - при не менее 0,25 мкм и менее 0,35 мкм, и «X» - при 0,35 мкм или больше. Оценки ранжируются в порядке (превосходно) «ʘ» > «O» > «Δ» > «X» (плохо), и оценки «ʘ» и «O» показывают лучшие характеристики резания. Полученные таким образом результаты оценки показаны в Таблице 12.

[0070] [Таблица 12]

[0071] Все оценки для продуктов по изобретению были лишь «ʘ» или «O», и понятно, что они были превосходными в плане сопротивления износу и сопротивления разрушению и были способны уменьшить шероховатость обработанной поверхности. В противоположность этому, среди оценок сравнительных продуктов были оценки «Δ» или «X», и понятно, что они не удовлетворяли по меньшей мере одной из характеристик среди сопротивления износу, сопротивления разрушению и шероховатости обработанной поверхности. В испытании сопротивления износу срок службы инструмента из продуктов по изобретению без покрытия составил 9,5 м или больше, тогда как срок службы инструмента из продуктов по изобретению с покрытием составил 10,8 м или больше. Следовательно, срок службы инструмента стал более длительным. Продукты 11-22 по изобретению с покрытием имели меньшую шероховатость поверхности по сравнению со сравнительными продуктами 7-12 и обеспечивали более длительный срок службы, чем у продуктов 1-10 по изобретению без покрытия.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0072] Режущий инструмент с покрытием по настоящему изобретению способен уменьшать шероховатость обработанной поверхности материала детали и обладает превосходным сопротивлением разрушению и сопротивлением выкрашиванию без уменьшения сопротивления износу. Следовательно, этот инструмент может иметь больший срок службы, чем у обычных инструментов, так что режущий инструмент с покрытием по настоящему изобретению обладает чрезвычайно высокой промышленной применимостью.

Реферат

Группа изобретений относится к металлокерамическому режущему инструменту. Инструмент содержит не менее 75 об.% и не более 95 об.% твердой фазы и не менее 5 об.% и не более 25 об.% связующей фазы. Твердая фаза состоит из первой твердой фазы со структурой ядро-оболочка, состоящей из ядра с фазой сложного карбонитрида (Ti, Nb и Mo) (C, N) и периферийной части с фазой сложного карбонитрида (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N) или фазой сложного карбонитрида (Ti, Nb, Mo, W) (C, N), второй твердой фазы со структурой ядро-оболочка, состоящей из ядра и периферийной части с фазой (Ti, Nb, Mo, W, Zr) (C, N) или фазой (Ti, Nb, Mo, W) (C, N), и третьей твердой фазы, состоящей из фазы сложного карбонитрида (Ti, Nb и Mo) (C, N). Связующая фаза состоит из по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из Co, Ni и Fe. Обеспечивается высокое сопротивление разрушению и высокое сопротивление выкрашиванию без уменьшения сопротивления износу инструмента. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 12 табл., 2 пр.

Формула