專利名稱：：TiCN基金屬陶瓷和切削工具以及使用了它的被切削物的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及適合切削工具構(gòu)件和耐磨耗性工具構(gòu)件等的具有韌性和硬度的TiCN基金屬陶瓷、使用了該TiCN基金屬陶瓷的切削工具，以及由該切削工具加工的被切削物的制造方法。
背景技術(shù)：
：作為切削工具構(gòu)件和耐磨耗性工具構(gòu)件用的合金有超硬合金(WC基燒結(jié)合金)，但是在鋼鐵切削中容易發(fā)生月牙洼磨損(cmterwear)，為了對其加以改善而開發(fā)了金屬陶瓷合金。作為金屬陶瓷，雖然開發(fā)有以TiC為主成分的TiC基金屬陶瓷，但是其韌性不充分，而添加了TiN的TiCN基金屬陶瓷大多被實用化。作為TiCN基金屬陶瓷，已知是將對其機(jī)械的特性最有影響的硬質(zhì)粒子作為由芯部和周邊部構(gòu)成的2重或3重的有芯結(jié)構(gòu)粒子，由此能夠提高硬度和韌性(例如，參照專利文獻(xiàn)l、2)。另外，在專利文獻(xiàn)3中記述為，作為硬質(zhì)粒子其芯部和周邊部由周期表4b、5b和6b族金屬(硬質(zhì)金屬)的碳氮化物等構(gòu)成，且所述硬質(zhì)金屬的組成在芯部和/或周邊部包含不同的多種有芯結(jié)構(gòu)粒子，由此不會使耐磨耗性(切削阻抗)降低而能夠提高耐欠損性(toughness)。在專利文獻(xiàn)4中記載有，通過使有芯結(jié)構(gòu)粒子的硬質(zhì)粒子內(nèi)分散分布由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成的超微粒合金粒子，由此燒結(jié)性得到改善，即使是結(jié)合相的含量很少的金屬陶瓷也能夠致密化。然而，如上述專利文獻(xiàn)1、2所述，現(xiàn)有的由有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成的硬質(zhì)粒子在機(jī)械的特性和切削性能的改良上存在局限，特別期望與表面具有硬質(zhì)涂膜的WC基燒結(jié)合金相匹敵的耐熱沖擊性和耐久損性的提高。另外，如專利文獻(xiàn)3，即使存在芯部/周邊部的組成不同的多種有芯結(jié)構(gòu)粒子的情況下，因為作為有芯結(jié)構(gòu)粒子的硬質(zhì)粒子只由硬質(zhì)金屬的碳氮化物等構(gòu)成，所以金屬陶瓷的熱傳導(dǎo)差，不能高效率地釋放因切削而在刃口上產(chǎn)生的熱，其結(jié)果是刃口的溫度上升，有耐熱沖擊性和耐欠損性降低這樣的問題。此外，如專利文獻(xiàn)4，在使硬質(zhì)粒子中分散分布結(jié)合金屬的超微粒合金粒子的方法中，雖然金屬陶瓷的燒結(jié)性得到改善，但是硬度低的結(jié)合金屬作為粒子存在，加上本來結(jié)合相的含有比率就少而結(jié)合力低，因此燒結(jié)體的強度降低，另外，結(jié)合金屬粒子有可能成為引起欠損和巻刃(chipping)的要因。專利文獻(xiàn)1:特開平2-254131號公報專利文獻(xiàn)2:特開平10-287946號公報專利文獻(xiàn)3:特開平3-170637號公報專利文獻(xiàn)4:特開平11-229086號公報
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的課題是，提供一種耐熱沖擊性、耐欠損性和耐磨耗性優(yōu)異的TiCN基金屬陶瓷、使用了該TiCN基金屬陶瓷的切削工具以及使用了它的被切削物的制造方法。本發(fā)明者為了解決上述課題而反復(fù)銳意研究，其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)如下這樣的全新結(jié)論，從而完成本發(fā)明，BP:在通過由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成的結(jié)合相來結(jié)合硬質(zhì)粒子，所述硬質(zhì)粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周邊部所構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成的TiCN基金屬陶瓷中，所述有芯結(jié)構(gòu)粒子含有第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子時，既能夠?qū)⒔饘偬沾傻挠捕群晚g性維持得很高，且能夠使耐熱沖擊性和耐欠損性提高，該第一有芯結(jié)構(gòu)粒子其周邊部含有所述結(jié)合金屬，該第二有芯結(jié)構(gòu)粒子其芯部和周邊部含有所述結(jié)合金屬。艮P，本發(fā)明的TiCN基金屬陶瓷，是以530質(zhì)量。/。的由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成的結(jié)合相結(jié)合硬質(zhì)粒子而成，所述硬質(zhì)粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周邊部所構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成，所述有芯結(jié)構(gòu)粒子含有第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子，該第一有芯結(jié)構(gòu)粒子其周邊部含有所述結(jié)合金屬，該第二有芯結(jié)構(gòu)粒子其芯部和周邊部含有所述結(jié)合金屬。根據(jù)本發(fā)明的TiCN基金屬陶瓷，硬質(zhì)粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周邊部所構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成，因為該有芯結(jié)構(gòu)粒子是使只在周邊部含有結(jié)合金屬的第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和使芯部及周邊部都含有結(jié)合金屬的第二有芯結(jié)構(gòu)粒子這兩種有芯結(jié)構(gòu)粒子共存，所以既能夠高度維持硬質(zhì)粒子的硬度和韌性，且能夠提高提高熱傳導(dǎo)效率，其結(jié)果是能夠很快散發(fā)局部發(fā)生的熱量，具有能夠使陶瓷金屬的耐沖擊性和耐欠損性提高這樣效果。圖1(a)是顯示本發(fā)明的一實施方式的TiCN基陶瓷金屬的剖面組織的透射型電子顯微鏡(TEM)的放大圖像，(b)是顯示在(a)中的第一有芯結(jié)構(gòu)粒子的放大圖像。圖2是表示本發(fā)明的一實施方式的切削工具的概略說明圖。具體實施方式以下，參照附圖對于本發(fā)明的一實施方式的TiCN基金屬陶瓷(以下僅簡稱為金屬陶瓷)進(jìn)行詳細(xì)地說明。圖1(a)是顯示本實施方式的金屬陶瓷任意處所下的剖面組織的透射型電子顯微鏡(TEM)的放大圖像，(b)是顯示(a)中的第一有芯結(jié)構(gòu)粒子的放大圖像。如圖1(a)所示，本實施方式的金屬陶瓷1由結(jié)合相2結(jié)合硬質(zhì)粒子3而成。結(jié)合相2由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成，相對于金屬陶瓷1總量以530質(zhì)量％結(jié)合有硬質(zhì)粒子3。相對于此，若結(jié)合相2的含量比5質(zhì)量％少，則韌性顯著降低，因此耐欠損性降低，若超過30質(zhì)量％比，則金屬陶瓷1的耐磨耗性和耐塑性變形性降低。另外，用顯微鏡進(jìn)行剖面組織觀察時，即如圖1(a)所示，硬質(zhì)粒子3的一部分由含有TiCN的芯部4和周邊部5所構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)粒子6構(gòu)成。作為這樣的有芯結(jié)構(gòu)粒子6的硬質(zhì)粒子3具有粒成長控制效果，因此金屬陶瓷1成為微細(xì)均一的組織。另外，因為與結(jié)合相2的潤濕性也優(yōu)異，所以有助于金屬陶瓷1的高強度化。這里，如圖1(a)、(b)所示，有芯結(jié)構(gòu)粒子6包含第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b，該第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a其周邊部5a含有所述結(jié)合金屬(Co和/或Ni)，該第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b其芯部4b和周邊部5b含有所述結(jié)合金屬。若有芯結(jié)構(gòu)粒子6包含這樣兩種有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b，則既能夠高度維持硬質(zhì)粒子3的硬度和韌性，且能夠提高熱傳導(dǎo)效率，因此能夠快速釋放局部發(fā)生的熱量，其結(jié)果是金屬陶瓷1的耐熱沖擊性和耐欠損性提高。另一方面，若有芯結(jié)構(gòu)粒子6不含規(guī)定的有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b雙方，則不能夠快速釋放局部發(fā)生的所述熱量，同時金屬陶瓷l的韌性不充分，或者金屬陶瓷1的硬度降低，因此不能提高金屬陶瓷1的耐熱沖擊性、耐欠損性和耐磨耗性提高。因此，將金屬陶瓷1應(yīng)用于例如后述的切削工具時，工具壽命變短。所謂有芯結(jié)構(gòu)粒子6包含第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b，意思是在有芯結(jié)構(gòu)粒子6中，這兩種有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b各自獨立存在(共存)。關(guān)于有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b是否存在及其組成，例如后述，能夠利用透射型電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行剖面組織觀察，通過能量分散型X射線光譜分析(EDS)進(jìn)行測定。特別優(yōu)選的是，第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a由TiCN構(gòu)成的芯部4a和周邊部5a構(gòu)成，該周邊部5a是由Ti和從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少1種的復(fù)合碳氮化物以及所述結(jié)合金屬構(gòu)成，第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b由TiCN和所述結(jié)合金屬所構(gòu)成的芯部4b和周邊部5b構(gòu)成，該周邊部5b是由Ti和從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少l種的復(fù)合碳氮化物以及所述結(jié)合金屬構(gòu)成。若有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b如此構(gòu)成，則金屬陶瓷1的耐熱沖擊性、耐欠損性和耐磨耗性進(jìn)一步提高。第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a的存在比例Pl和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b的存在比例P2的比率p,/(Pl+p2)優(yōu)選為0.30.7。據(jù)此，能夠同時將金屬陶瓷l的硬度和韌性維持得很高。硬質(zhì)粒子3的平均粒徑優(yōu)選為1.5pm以下。據(jù)此，能夠提高金屬陶瓷1的硬度。作為所述平均粒徑的下限值，在抑制極端的微粒造成的耐欠損性降低的基礎(chǔ)上，可以為0.4pim以上。所述平均粒徑是在金屬陶瓷1的顯微鏡下的剖面組織觀察中，根據(jù)LUZEX圖像分析法測定硬質(zhì)粒子3所得到的值。在第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b的芯部4b中，優(yōu)選含有Ti的比例為9499.5質(zhì)量％，含有Co和/或Ni的比例以總量計為0.56質(zhì)量％。據(jù)此，既能夠?qū)⒔饘偬沾?維持為高硬度，又能夠提高耐熱沖擊性。還有，Ti、Co和Ni的含量是作金屬元素的值。另外，在第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b的周邊部5a、5b中，優(yōu)選含有Ti的比例為4080質(zhì)量％，含有從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少1種的比例以總量計為1559質(zhì)量％，含有Co和/或Ni的比例以總量計為15質(zhì)量％。據(jù)此，金屬陶瓷1為高韌性，且能夠提高耐熱沖擊性和耐欠損性。還有，同上述Ti、Ta、Nb、W、Zr、Mo、Co及Ni的含量是作為金屬元素的值。關(guān)于上述的芯部4a、4b，周邊部5a、5b的組成和組成比，與上述相同，能夠用透射型電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行剖面組織觀察，根據(jù)能量分散型X射線光譜分析(EDS)測定。還有，在用顯微鏡進(jìn)行剖面觀察時，除第一有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、第二有芯結(jié)構(gòu)粒子6b以外，非有芯結(jié)構(gòu)粒子也可以相對于硬質(zhì)粒子3總體，以30面積％以下比例存在。另外，如果平均粒徑為50nm以下，則在有芯結(jié)構(gòu)粒子6內(nèi)也可以另行存在結(jié)合金屬的凝集部。陶瓷金屬1中的碳量，在達(dá)成硬度、耐熱沖擊性和良好的表面狀態(tài)的這些點上，優(yōu)選為69質(zhì)量％，特別優(yōu)選6.57.5質(zhì)量％。(制造方法)接下來，對于上述說明的金屬陶瓷l的制造方法進(jìn)行說明。首先，調(diào)配并混合原料粉末。具體來說，作為所述原料粉末優(yōu)選使用通常的TiCN粉末和預(yù)先就含有Co和/或Ni的結(jié)合金屬的TiCN—Co/Ni摻雜粉末雙方。調(diào)整混合粉末，其中該混合粉末混合有含有W、Mo、Ta、V和Nb之中的1種以上的金屬元素的碳化物粉末、氮化物粉末、碳氮化物粉末的至少1種，Co和/或Ni粉末。這時，關(guān)于各原料粉末基于粒度分布測定法(Microtrac)的平均粒徑，通常優(yōu)選TiCN粉末為2|im以下，特別優(yōu)選為0.051.5nm，且TiCN—Co/Ni慘雜粉末為2,以下，特別優(yōu)選為0.051.5pm，這是基于能夠很好再現(xiàn)并制作上述2種有芯結(jié)構(gòu)粒子6a、6b這一要點。此外，優(yōu)選Co粉末和/或Ni粉末的平均粒徑為2pm以下，特別優(yōu)選為0.051.5pm，這是為了提高金屬陶瓷1的燒結(jié)性。作為結(jié)合金屬原料粉末，優(yōu)選使用以規(guī)定的比率含有Co和Ni的固溶體粉末，這是出于進(jìn)步提高燒結(jié)性的觀點。還有，其他的原料粉末的平均粒徑優(yōu)選為0.053pm。然后，在該混合粉末中添加粘合劑，根據(jù)擠壓成形、擠出成形、注射模塑成形等公知的成形方法成形為規(guī)定形狀并燒成。作為此燒成的條件，優(yōu)選在例如以下(a)(d)的條件下燒成。即，(a)從第一燒成溫度至130(TC以0.rC/分鐘3T:/分鐘升溫，接著(b)在氮分壓01350Pa的氣氛下從1300。C至14001600'C的第二燒成溫度以5'C/分鐘15'C/分鐘升溫，(c)保持，(d)降溫。若在該(a)(d)的條件下進(jìn)行燒成，則能夠使上述規(guī)定的形狀、尺寸和密度的TiC微粒子在硬質(zhì)粒子3中析出、分散，因此能夠高效率獲得金屬陶瓷l。(切削工具)上述說明的本實施方式的金屬陶瓷1，發(fā)揮出耐熱沖擊性和耐欠損性優(yōu)異的效果，可以應(yīng)用到例如切削工具、掘削工具、刃具等的工具等的各種用途，但是特別在作為切削工具使用時，更能夠發(fā)揮出上述優(yōu)異的效果。作為所述切削工具，例如圖2所示，優(yōu)選的是由金屬陶瓷l構(gòu)成，使在前面21和后面22的交叉脊線部所形成的刃口23觸碰被切削物而用于進(jìn)行切削加工的切削工具20。若使該切削工具20的刃口23觸碰例如鐵和鋁等的金屬和耐熱合金等而進(jìn)行切削加工，則能夠作為工具壽命長的切削工具來使用。特別是即使在高硬度淬火鋼等的難切削材的加工中，仍發(fā)揮出優(yōu)異的切削性能。還有，即使將金屬陶瓷l用于切削工具以外的其他用途，例如金屬模和軋輥、鍛模、導(dǎo)軌等的耐磨耗性構(gòu)件、托板、軸承等時，仍具有優(yōu)異的機(jī)械可靠性。以下，列舉實施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不受以下的實施例限定。[實施例]準(zhǔn)備表1所示的平均粒徑的TiCN粉末、TiCN—lO質(zhì)量％0>摻雜粉末、TiN粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、WC粉末、Ni粉末、Co粉末、Ni和Co的固溶體粉末，將它們調(diào)配成如表l所示的成分組成。接著，使用不銹鋼制的球磨機(jī)和超硬球，以異丙醇(isopropylalcohol)對上述調(diào)配物進(jìn)行濕式混合，并添加3質(zhì)量％的石蠟(paraffin)進(jìn)行混合。然后，將該混合粉末以200MPa擠壓成形為CNMG120408的不重磨刀片(throwawaychip)形狀后，以表1所示的條件進(jìn)行燒成而得到燒結(jié)體(表1中的試料No.110)。還有，關(guān)于表1中的試料No.5，作為Co和Ni源，采用由Ni:5質(zhì)量。/。和Co:6.5質(zhì)量％的比例構(gòu)成的固溶體粉末，和Ni粉末5質(zhì)量。/。的雙方。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>*標(biāo)表示本發(fā)明范圍之外的試料。1)升溫速度I:從第1燒成S度到1300'C的升溫速度('C/分鐘)c2)升溫速度II:從1300'C到第2燒成溫度的升溫速度('C/分鐘)用金剛石磨石加工得到的燒結(jié)體表面，按下述條件評價評價切削性能。另外，對于各試料進(jìn)行透射型電子顯微鏡(TEM)觀察，通過能量分散型X射線光譜分析(EDS)對于有芯結(jié)構(gòu)粒子進(jìn)行觀察，確認(rèn)第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子是否存在，及其芯部和周邊部的組成比。這些結(jié)果顯示在表2中。此外，使用得到的不重磨刀片，按以下的切削條件進(jìn)行切削加工，廉價作為切削工具的性能。(切削條件)切削速度300m/分進(jìn)給量0.250.40mm/rev(+0.05mm/rev)切深2.0mm被切削材SCM4355mmX4個槽切削時間60秒(各進(jìn)給量的切削時間)切削狀態(tài)濕式(乳狀液(emulsion))[表2]<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>如表2所表明的可知，在以規(guī)定條件進(jìn)行燒成并作為硬質(zhì)粒子確認(rèn)到2種有芯結(jié)構(gòu)粒子，即第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子的試料No.l7中，相對于作為比較的試料No.810，其切削壽命長。另外，用試料No.17的不重磨刀片加工的被切削材(SCM435)的加工面為有光澤的平滑的加工面，即能夠進(jìn)行穩(wěn)定的切削加工。相對于此，用試料No.810的不重磨刀片加工的被切削材的加工面白濁而沒有光澤。權(quán)利要求1.一種TiCN基金屬陶瓷，其以5～30質(zhì)量％的由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成的結(jié)合相結(jié)合硬質(zhì)粒子而成，所述硬質(zhì)粒子的一部分由有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成，該有芯結(jié)構(gòu)粒子由含有TiCN的芯部和周邊部構(gòu)成，其中，所述有芯結(jié)構(gòu)粒子包括第一有芯結(jié)構(gòu)粒子，其周邊部含有所述結(jié)合金屬；第二有芯結(jié)構(gòu)粒子，其芯部和周邊部含有所述結(jié)合金屬。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的TiCN基金屬陶瓷，其中，所述第一有芯結(jié)構(gòu)粒子由芯部和周邊部構(gòu)成，該芯部由TiCN構(gòu)成，該周邊部由Ti和從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少1種的復(fù)合碳氮化物以及所述結(jié)合金屬構(gòu)成，所述第二有芯結(jié)構(gòu)粒子由芯部和周邊部構(gòu)成，該芯部由TiCN和所述結(jié)合金屬構(gòu)成，該周邊部由Ti和從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少1種的復(fù)合碳氮化物以及所述結(jié)合金屬構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的TiCN基金屬陶瓷，其中，所述第一有芯結(jié)構(gòu)粒子的存在比例Pl和所述第二有芯結(jié)構(gòu)粒子的存在比例p2的比率Pl/(Pl+p2)為0.30.7。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的TiCN基金屬陶瓷，其中，所述硬質(zhì)粒子的平均粒徑為1.5^m以下。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiCN基金屬陶瓷，其中，在所述第二有芯結(jié)構(gòu)粒子的芯部中，含有Ti的比例為9499.5質(zhì)量。/。，含有Co和/或Ni的比例以總量計為0.56質(zhì)量％。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiCN基金屬陶瓷，其中，在所述第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子的周邊部，含有Ti的比例為4080質(zhì)量％，含有從Ta、Nb、W、Zr及Mo中選擇的至少1種的比例以總量計為1559質(zhì)量％，含有Co禾tl/或Ni的比例以總量計為15質(zhì)量％。7.—種切削工具，其由權(quán)利要求l所述的TiCN基金屬陶瓷構(gòu)成，用于使在前面和后面的交叉脊線部形成的刃口與被切削物接觸而進(jìn)行的切削加工。8.—種切削物的制造方法，其中，使權(quán)利要求7所述的切削工具的所述刃口與切削物接觸而進(jìn)行切削加工。全文摘要一種TiCN基金屬陶瓷，以5～30質(zhì)量％的由Co和/或Ni的結(jié)合金屬構(gòu)成的結(jié)合相來結(jié)合硬質(zhì)粒子而成，所述硬質(zhì)粒子的一部分由含有TiCN的芯部和周邊部所構(gòu)成的有芯結(jié)構(gòu)粒子構(gòu)成，所述有芯結(jié)構(gòu)粒子含有第一有芯結(jié)構(gòu)粒子和第二有芯結(jié)構(gòu)粒子，該第一有芯結(jié)構(gòu)粒子其周邊部含有所述結(jié)合金屬，該第二有芯結(jié)構(gòu)粒子其芯部和周邊部含有所述結(jié)合金屬，據(jù)此，TiCN基金屬陶瓷耐熱沖擊性和耐欠損性優(yōu)異。文檔編號B23B27/14GK101128610SQ200680006188公開日2008年2月20日申請日期2006年3月10日優(yōu)先權(quán)日2005年3月18日發(fā)明者德永隆司申請人:京瓷株式會社