被覆切削工具的製作方法
2023-04-27 21:56:41
專利名稱：被覆切削工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適合於高負荷切削加工(例如在快速進給條件下的切削以及以大的切削深度進行的切削)的被覆切削工具，並涉及使用這種被覆切削工具的切削方法。更具體地說，本發明涉及這樣一種被覆切削工具以及使用該被覆切削工具的切削方法，其中該切削工具具有優異的抗熱裂紋性能，使其可以具有很長的切削工具使用壽命並且可以進行高效率的切削。
背景技術：
通常公知的是這樣的切削工具該切削工具在硬質合金基體上形成有由陶瓷形成的塗膜。在用於粗切削火車輪等工件的切削工具中，使用高強度的刀頭(insert)。更具體地說，使用刀尖半徑(刀尖圓弧半徑)大的、沿切削刃的脊線進行了珩磨處理的刀頭，例如，圓型刀頭。因為諸如火車輪之類的工件較大，所以在進行切削時，往往就會由於生產過程中淬火造成的硬度變化以及熱鍛造成的尺寸變化而出現機械加工裕量發生變化的情況。因此，要求刀頭具有足夠的強度以實現穩定切削。而且，刀尖半徑大的刀頭使得切屑較薄並且進給較快，因此可以進行高效率的切削。
還公知這樣的被覆切削工具對該切削工具的切削刃進行了表面處理以獲得穩定的切削工具使用壽命。例如，在專利文獻1到專利文獻4所披露的結構中，未在切削刃的脊線上形成陶瓷膜，或者從切削刃的脊線上去除了陶瓷膜。在專利文獻5和專利文獻6所披露的被覆切削工具中，在切削刃脊線上的陶瓷膜較薄。在專利文獻7中，由細小晶體形成的氧化鋁膜塗敷最外層。在專利文獻8中，陶瓷膜的表面是光滑的。在專利文獻9和專利文獻10中，用於切削刃脊線的最外層以及其它部分的最外層的陶瓷膜是由不同類型的膜形成的。
日本專利公告No.昭48-37553[專利文獻2]日本專利申請公開No.昭48-58470[專利文獻3]日本專利申請公開No.昭55-150941[專利文獻4]日本專利申請公開No.昭60-24371[專利文獻5]日本專利申請公開No.昭59-219122[專利文獻6]日本發明專利No.1805360[專利文獻7]日本發明專利No.2138025[專利文獻8]日本發明專利No.2105396[專利文獻9]日本發明專利No.2825693[專利文獻10]日本發明專利No.300645
發明內容但是，對於傳統切削工具而言，在進行高負荷切削加工(例如，粗切削諸如火車輪之類的大工件)時，難以整體提高切削工具的性能。因此，需要一種切削工具使用壽命較長、可以穩定切削的切削工具。
上述粗切削火車輪之類的加工是在大的切削深度和快速進給條件下進行的高負荷加工(例如切削深度約3.5mm、進給速度為2.0mm)。因此，對於上述這類粗切削加工，通常已使用刀尖半徑大的切削工具，例如高強度圓型刀頭。而且，為了防止在進行這類高負荷切削加工中切削工具破損，人們已經使用在切削刃的脊線上進行了組合式珩磨處理或圓角珩磨處理的切削工具。大的刀尖半徑以及對切削刃脊線進行珩磨處理增大了主分力和背分力。在這種情況下，再加上較寬的公稱切削寬度，就會導致切削髮熱量增大，而容易出現熱裂紋。在很多情況下，由這些熱裂紋導致的破損會使切削工具使用壽命縮短。並且，由於較大的公稱切削寬度產生較大的切屑，因此使切屑控制變難，並且這些切屑可能會導致切削工具破損。特別是，切屑可能衝擊刀頭孔(其用於將刀頭固定在刀夾上)周圍的區域而造成破損。因此，當進行諸如粗切削火車輪之類的高負荷切削加工時，要求切削工具能延長切削工具使用壽命，並進行穩定的切削，同時抑制切削工具破損，例如，由上述熱裂紋和切屑接觸而造成的切削工具破損。
在上述專利文獻1到專利文獻6所述的被覆切削工具中，在切削刃的脊線上沒有塗膜或者塗膜較薄。這樣就導致在進行上述高負荷切削加工時耐磨性不夠。在上述專利文獻7所述的被覆切削工具中，在塗膜的最外層上形成氧化鋁膜。這樣不但使已經用過的部分(刀角)難以辨別，而且在進行上述高負荷切削加工時，由於氧化鋁晶體過於細小而產生熱裂紋，所以也難以控制切屑。在專利文獻10所述的被覆切削工具中，從切削刃脊線上去除導熱率低的氧化物膜，露出非氧化物膜。這樣就難以防止由熱裂紋造成的損壞。在專利文獻8和專利文獻9所述的被覆切削工具中，可以在一定程度上防止切削刃脊線受到損壞，但是該結構並未採取任何防止刀頭孔或斷屑槽的周圍區域受損的措施。
本發明的目的是(特別是在高負荷切削加工的條件下)提供一種切削工具使用壽命延長的、綜合性能得到提高的被覆切削工具。
本發明的另一個目的是提供使用上述被覆切削工具的切削方法，以進行高效切削加工。
在本發明中，優化了基體的組成以及陶瓷膜的質量和厚度。另外，找出易於受損的部位，並對這些部位進行表面處理，更具體地說，是對其進行光滑處理。
本發明是一種在基體上形成有陶瓷膜的被覆切削工具，並且具有以下結構。
(基體)組成
硬質相由WC和選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物(除WC以外)、氮化物或碳氮化物中的至少一種金屬化合物形成。
所述金屬化合物的總體積與WC體積的比率1.5％-20％。
WC的平均晶粒尺寸1-5微米。
粘結相由至少一種過渡金屬構成。
至少包含Co。
粘結相體積佔整個基體體積的比率7％-20％。
形狀
由以下部分形成具有珩磨區的切削刃脊線；被設置在與切削刃脊線連接的前刀面上的基面和斷屑槽；以及用於固定到刀夾上的刀頭孔。
珩磨區進行了圓角珩磨或組合式珩磨。
刀尖半徑至少為1.6mm。
(陶瓷膜)膜的類型
由α型氧化鋁膜以及至少一種下述金屬化合物膜形成，該金屬化合物膜選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化鋁中。
膜的厚度
α型氧化鋁膜的厚度2-12微米。
陶瓷膜的總厚度3-25微米。
組成
在形成α型氧化鋁膜的晶粒中，晶粒尺寸為3-5微米的晶粒存在於佔該膜表面積的5％-80％的表面上。
(表面處理)珩磨區內部、珩磨區後刀面側和珩磨區前刀面側的表面粗糙度10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)不超過0.2微米。
斷屑槽上部、基面和刀頭孔周圍區域的表面粗糙度10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)不超過0.5微米。
在根據本發明所述的切削方法中，使用上述被覆切削工具，以至少0.5mm/轉的進給速度來切削工件。
下面將更加詳細地描述本發明。首先描述根據本發明製備的被覆切削工具。
(基體)本發明中的基體是由硬質合金製成的，其包括由WC和上述金屬化合物形成的硬質相；以及由至少一種過渡金屬形成的粘結相。更具體地說，在本發明中，金屬合金的總體積與WC體積的比率為至少1.5％並且不超過20％。如果該比率小於1.5％，則切削工具不能被用於高負荷切削並且可能會造成塑性變形。如果該比率超過20％，則容易出現熱裂紋。更優選的是，該比率為至少3.0％並且不超過16.0％。
WC晶粒的平均晶粒尺寸為至少1微米並且不超過5微米。如果平均晶粒尺寸小於1微米，則難以防止熱裂紋出現。如果晶粒尺寸超過5微米，則晶粒變得太大。這可能會導致WC本身被破壞，並且也容易出現熱裂紋。更優選的是，平均晶粒尺寸為至少1.5微米並且不超過4.0微米。例如，可以通過調節原料粉末的晶粒尺寸或者調節燒結溫度來調節WC的晶粒尺寸。基體中WC的平均晶粒尺寸可以通過測量預定區域的WC晶粒尺寸並計算其平均值而得到。測量WC晶粒尺寸的方法的例子包括圖像分析法和直接測量長度的方法。
粘結相至少包含Co。因此，該物相可以僅由Co形成，或者由Co和另一種過渡金屬組合而成。粘結相佔整個基體的體積比為至少7％並且不超過20％。如果該體積比小於7％，則切削工具不能被用於高負荷切削並容易破損。如果該比率超過20％，則粘結相太多，導致基體變軟並且造成塑性變形。更優選的是，該體積比為至少9％並且不超過14％。
基體具有形成刀刃的切削刃脊線、與所述脊線連接的前刀面和後刀面。切削刃的脊線包括經過了珩磨的珩磨區，以防止由高負荷切削造成破損。更具體地說，進行了圓角珩磨或組合式珩磨。所述的前刀面包括斷屑槽，用於在切削過程中斷開切屑，使其變小；以及與斷屑槽連接的基面。基體具有刀頭孔，用於將本發明製備的切削工具固定在刀夾上。在高負荷下使用大的刀尖半徑以實現有效地切削。更具體地說，將刀尖半徑設定為至少1.6mm。特別是，可以使用刀尖半徑最大的圓型刀頭。
此外，優選的是，在基體表面上形成韌度高的韌性層，以有效地防止熱裂紋發展。更具體地說，表面上可以形成有其平均維氏硬度(載荷為500g)比基體內部小0.3-1.5GPa的區域。優選的是，該韌性層沿深度方向的厚度為2-50微米。如果所述的硬度差小於0.3GPa或者厚度小於2微米，就不能得到足夠的韌性，因此難以阻止熱裂紋。如果所述的硬度差超過1.5GPa或者厚度超過50微米，則雖然韌性提高但表面變得太軟，導致塑性變形，並且由於表面硬度減小而造成耐磨性降低。更優選的是，所述的硬度差為至少0.7GPa並且不超過1.3GPa，厚度為至少10微米並且不超過35微米。
可以利用傳統方法形成該韌性層，例如，預先在原料粉末中加入氮化物，從而在燒結過程中發生脫氮作用的方法。例如，可以通過調節原料WC的粒度、原料粉末的混合時間、燒結溫度或燒結時間來調節平均維氏硬度。例如，可以通過控制預先加入基體中的氮的量來調節韌性層的厚度。例如，可以通過使用光學顯微鏡觀察切削刃周圍區域的剖面來測量韌性層的厚度。
如果使用組合了倒角珩磨和圓角珩磨的組合式珩磨作為珩磨方法，那麼優選的是，在構成珩磨區內部的倒角部分以外的區域上形成韌性層。更具體地說，優選的是，在珩磨區的後刀面側上形成韌性層。優選的是，在珩磨區的後刀面側形成低硬度區，以防止熱裂紋發展。優選的是，在珩磨區(倒角部分)的內部不形成低硬度區，以免妨礙塑性變形。這種位於切削刃脊線上的局部韌性層可以通過以下方式形成首先製備在其整體上都形成有韌性層的基體，然後進行適度地拋光或類似操作，以從不需要的部位上去除韌性層。
(陶瓷膜)在本發明中，在基體上形成陶瓷膜。具體地說，該陶瓷膜包含α型氧化鋁膜以及由上述預定化合物形成的膜。α型氧化鋁膜提供優異的高溫抗氧化性能和低的導熱性，並且抑制熱裂紋出現。α型氧化鋁具有高強度，也不容易與工件中常用的鐵發生反應，從而通過防止產生熔接和附著而提供優異的抗熔接性。此外，α型氧化鋁防止由熔接造成的磨損，因此還提高了耐磨性。因此，在本發明中，陶瓷膜包含至少一層α型氧化鋁膜。
α型氧化鋁膜的厚度為2-12微米。如果該厚度小於2微米，就難以提供足夠的抗氧化性和耐熱性。如果該厚度超過12微米，膜本身的強度就會下降而導致切削工具破損。更優選的是，該厚度為至少2.5微米並且不超過8.5微米。如果使用多層α型氧化鋁膜，則α型氧化鋁膜的總厚度應滿足上述範圍。
為了有效地防止熱裂紋發展，α型氧化鋁膜的晶體結構含有晶粒尺寸較大的粗晶粒。更具體地說，晶粒尺寸為3-5微米的粗晶粒存在於佔α型氧化鋁膜表面積的5％-80％的表面上。如果該面積比率小於5％，則晶粒太細而不能抑制熱裂紋發展。如果該比率大於80％，則膜本身的強度下降而導致異常損壞。以這樣的方式含有粗晶粒的結構是通過例如在成膜時提高成膜速度而得到的，或者在成膜時提高所用氣體(例如，AlCl3、H2、CO2、H2S)的量而得到的。可以在公知的成膜條件下形成α型氧化鋁膜。如果α型氧化鋁膜是最外層，則可以這樣確定面積比例如，在具有預定面積的區域內隨機拍攝多張照片，確定每個區域中具有相應晶粒尺寸的晶粒面積，並將這些晶粒的總面積除以總的觀察面積。例如，可以使用SEM拍攝照片。如果α型氧化鋁膜是內層，則可以這樣確定面積比先使用強酸溶液或類似物溶解在α型氧化鋁膜上形成的膜，再進行上述步驟。
對於陶瓷層，優選的是，形成α型氧化鋁膜作為內層，而外層由含鈦化合物(即，選自碳化鈦、氮化鈦和碳氮化鈦中的至少一種化合物)形成。特別是，優選的是，由氮化鈦(TiN)形成最外層，作為便於辨別已使用部位的有色層。如果使用氧化鋁膜作為最外層，則在加工場所辨別已經用過的切削工具部位(刀角)就會變得很困難。
在陶瓷膜中，如果α型氧化鋁膜形成內層，並且含鈦化合物膜形成外層，則可以至少部分去除覆蓋基面以及從切削刃脊線到斷屑槽的上表面區域的陶瓷膜的外層(包括最外層)，以露出內層α型氧化鋁膜。這樣可以同時提高刀角的可辨別性以及抗熔接性。例如，可以去除珩磨區、斷屑槽上部或者基面的外層，以露出內層α型氧化鋁膜，或者可以露出珩磨區和斷屑槽上部的α型氧化鋁膜。更具體地說，優選的是，外露的α型氧化鋁膜與成為有色層的氮化鈦膜的比率為50％≤外露的α型氧化鋁膜的面積/氮化鈦膜的面積≤95％。
上述陶瓷膜可以使用傳統的CVD法形成。更具體地說，可以使用熱CVD法形成。
陶瓷膜的總膜厚為3-25微米。如果總膜厚小於3微米，則不能不能充分發揮膜的性能。如果其厚度超過25微米，則膜變得太厚，膜本身的強度下降而導致破壞。更優選的是，整個膜厚為至少5微米並且不超過15微米。
(表面處理)在本發明中，切削工具的預定部分具有光滑的表面。更具體地說，珩磨區內部、珩磨區後刀面側以及珩磨區前刀面側的10個點的平均粗糙度Rz(基準長度為5微米)都被設定為不超過0.2微米。斷屑槽上部、基面和刀頭孔周圍區域的10個點的平均粗糙度Rz都被設定為不超過0.5微米。在本發明中，以這樣的方式進行了光滑處理的表面抑制了膜表面產生的膜破損，並有效地抑制了由膜破損而造成的與工件之間的熔接，從而延長了切削工具使用壽命。如果在這些位置上未達到上述表面粗糙度範圍，則不足以防止膜破損。
在本發明的切削工具中，可以在基體上形成陶瓷膜之後進行表面處理，使表面光滑。該光滑處理可以通過機械拋光或類似操作實現。更具體地說，可以使用刷子和諸如金剛石之類的磨料進行拋光。
使用上述本發明的被覆切削工具，可以有效地進行高負荷切削加工(例如那些涉及大的切削深度和高速進給的切削加工)，並且可以在較長時間內進行穩定加工。更具體地說，可以在高速進給(例如，至少為0.5mm/轉的進給速度)下進行穩定加工。
為了進行有效地高負荷切削(例如，大切削深度和高速進給條件下的切削)，具有上述結構的本發明切削工具限定了刀尖半徑。為了防止破損，在切削刃脊線上進行珩磨。為了有效防止與結構相關的問題(即，熱裂紋的形成和發展)，在預定位置進行光滑處理。更具體地說，通過對前刀面側(例如斷屑槽上部以及基面)進行光滑處理，使摩擦係數減小，從而防止由於與切屑接觸或衝擊而發熱，並防止產生熱裂紋。而且，通過對珩磨區內部、後刀面側和前刀面側進行光滑處理，即使形成了熱裂紋也能防止熱裂紋的發展。此外，通過對刀頭孔周圍的區域(這是傳統技術未涉及的一個方面)進行光滑處理，可以防止由於切屑衝擊而突然破損。
除了上述各方面，本發明還具有提供優異強度和優異抗熔接性的α型氧化鋁膜。更具體地說，在本發明中，存在晶粒直徑較大的粗晶粒，這樣就可以限制由熱裂紋造成的碎片。而且，本發明在切削刃脊線上具有陶瓷膜，這樣即使是在進行高負荷的切削加工時也能提供足夠的耐磨性。由於具有上述這些特徵，所以本發明的切削工具即使在高負荷切削加工(例如粗切削火車輪)中使用時，也能長期提供穩定而有效的加工。
本發明的最佳實施方式下面描述本發明的實施方式。
(第一試驗例)作為基體的原料粉末，根據表1所示的組分混合預定量的WC、TaC、NbC、TiC、TiN和Co粉。在使用球磨機溼混15小時並乾燥後，將粉末壓製成具有預定形狀的生坯。在此例子中，粉末是按照帶有刀頭斷屑槽的圓型刀頭RCMX320900V(刀尖半徑16mm)的形狀而成形的。將生坯插入燒結爐內，並且在1650-1800K的溫度下、在氮氣、氫氣、一氧化碳和氬氣的混合氣體氣氛中或者在真空氣氛中燒結0.5-3.5小時。結果得到具有由基體表面的硬質相晶粒脫氮(發生脫β相的層的沉積)而形成的韌性層的燒結體。檢測該燒結體可以發現，對於所有基體，基體表面的平均維氏硬度(載荷為500g)都比基體內部的低0.3-1.5GPa。而且，韌性層的厚度可以通過調整混合物中的氮化物的含量而改變。表1表示基體的組成、形成硬質相的非WC金屬化合物(在這些例子中為TaC、NbC、TiC和TiN)與WC的體積比(表1中的「A」)、WC的平均晶粒尺寸(表1中的「B」)、Co佔整個基體體積的體積比(表1中的「C」)以及韌性層沿深度方向的厚度(表1中的「D」)。
通過這樣的方法來測量WC的平均晶粒尺寸以及韌性層沿深度方向的厚度對基體的橫截面進行鏡面拋光，用村上(Murakami)試劑浸蝕該橫截面，然後用光學顯微鏡觀察該橫截面。
對於每個具有韌性層的基體，都使用金剛石砂輪和陶瓷磨料進行組合式珩磨，從而在切削刃的脊線上形成珩磨區。在這些例子中，組合式珩磨的尺寸全都相同。都進行了0.2mm×-25°的倒角珩磨和R 0.02mm的圓角珩磨。該組合式珩磨操作的結果是，從珩磨區內部的倒角部分完全去除了韌性層，從而使得韌性層僅保留在珩磨區的後刀面側和前刀面側。在表2所示的試樣T中，在結構體為生坯時進行倒角珩磨。這樣，在燒結後韌性層就保留在倒角部分上。
在預定的溫度、氣體和壓力條件下對珩磨的基體進行熱CVD，得到表2所示的多層陶瓷膜塗層。表2示出陶瓷膜的組成和厚度。在表2中，化學式(表示膜的組成)之後的括號內的數字表示膜的厚度。
此外，還測定了在氧化鋁膜表面的晶粒中，晶粒尺寸為3-5微米的晶粒佔氧化鋁膜表面的面積比(％)。這些結果也表示在表2中(表2中的「E」)。面積比的確定方法如下。首先，使用強酸溶液(含有氫氟酸)溶解氧化鋁膜上的Ti系化合物膜(表2中所示的第5層和第6層)，將氧化鋁膜暴露於表面。接著，用SEM(8000×)觀察外露的氧化鋁膜上隨機的5個200平方微米的區域並拍照，以測量晶粒尺寸。然後，測出上述每一個區域中的晶粒尺寸為3-5微米的晶粒的面積，並用該面積除以總的觀察面積(5個區域的總面積)，以計算面積比。在試樣U-Y中，調節成膜時的生長速度，以改變氧化鋁的粒度分布。
使用具有金剛石磨料的刷子對帶陶瓷塗層的試樣進行機械拋光。圖1是本試驗例所製備的被覆切削工具的一部分的簡化剖視圖。在本試驗例中，從珩磨區1的前刀面側4開始，將珩磨區1的內部(倒角珩磨區2)、珩磨區1的後刀面側3和珩磨區1的前刀面側4拋光到預定的表面粗糙度。表3表示不同位置的表面粗糙度Rz(10個點的平均粗糙度，基準長度為5微米)(在表3中，「F」是倒角部分的表面粗糙度Rz，「G」是後刀面側的表面粗糙度Rz，「H」是前刀面側的表面粗糙度Rz)。除了上述位置，可以按類似方式對斷屑槽5的上部5』、基面6和刀頭孔區域7進行拋光。對於這些位置(上部5』、基面6和刀頭孔周圍區域7)，表面粗糙度Rz(10個點的平均粗糙度，基準長度為5微米)都被設定為不超過0.5微米。在本試驗例中，在5000-50000×的放大倍數下，對施加了上述陶瓷膜塗層之後、經過機械拋光的切削工具的橫截面進行觀察，以確定表面粗糙度。上述內容同樣也適用於下文所述的第二試驗例。在圖1中，粗線表示的部分是進行機械拋光的部分。
使用按照上述方式成膜並進行表面處理而得到的切削工具，在下述條件下進行溼式連續切削試驗，並測定熱裂紋數量、VB磨損(後刀面側磨損)量以及是否有碎片。對於在小於20分鐘的切削時間內就不能再切削的切削工具，測量其停止切削時的熱裂紋數量、VB磨損量以及是否有碎片。對於因破損或破碎而不能測定VB磨損量的切削工具，就沒有在表中示出其VB磨損量。上述各點同樣也適用於下文所述的第二試驗例。表3表示試驗結果。
(切削試驗條件)工件JIS/SCM435棒切削速度150m/分鐘進給速度2.0mm/轉切削深度3.5mm切削時間最長為20分鐘*這些切削試驗條件基本相當於粗切削火車輪時的條件。
如表3所示，即使在進行高負荷切削加工(例如高速進給、大切削深度條件下的切削加工)時，第1-15號切削工具也只是經歷正常損壞。更具體地說，雖然在上述切削工具中形成了熱裂紋，但是熱裂紋沒有發展。因此，沒有由熱裂紋而造成的破損，並且這些切削工具能切削20分鐘。第1-15號切削工具的VB磨損量為0.139-0.235mm，也比較合適。此外，第1-15號切削工具中沒有一個在斷屑槽上部、基面或刀頭孔周圍區域發生破損。
雖然第10號切削工具能切削20分鐘，但它的韌性層較薄，使其韌性低於其它切削工具，因此帶有更多碎片。相反，第13號切削工具的韌性層較厚，其硬度低於其它樣品，因此表現出更高的VB磨損量。由於第14號切削工具的倒角部分上形成有韌性層，因此與其它切削工具相比而言，第14號切削工具表現出更高的塑性變形傾向。
另一方面，第21-32號切削工具都表現出由熱裂紋造成的破損、碎片和高VB磨損值，有些甚至毀壞。更具體地說，由於第21號切削工具的WC的平均晶粒尺寸小，所以該切削工具的熱裂紋發展迅速，並且在極短的時間內就發生破損。相反，第22號切削工具的WC平均晶粒尺寸大，使得熱裂紋表面周圍的WC晶粒發生脫落，使切削工具在15分鐘之後不可能再切削。第23號切削工具的硬質相中具有較少的非WC化合物，該切削工具發生塑性變形並且其VB磨損量大，17分鐘之後不能再切削。第24號切削工具具有較多的非WC化合物，該切削工具產生很多熱裂紋，並且在19分鐘後由於熱裂紋造成破損而不能再切削。具有較少粘結相的第25號切削工具，由於其強度不夠而在3分鐘內發生破損。具有較多粘結相的第26號切削工具發生塑性變形，並且由於其VB磨損量大而不能切削。
第27號切削工具具有薄的氧化鋁膜，第29號切削工具具有由細晶粒形成的氧化鋁膜，所述切削工具都表現出合適的熱裂紋數和VB磨損量，但熱裂紋發展造成熱裂紋表面周圍的膜脫落，因此使切削不可能進行。第28號切削工具具有厚的氧化鋁膜，該切削工具因強度不足而毀壞。在第30號切削工具中，熱裂紋表面周圍的膜由於氧化鋁晶粒太大而脫落，使其不可能繼續切削。第31號切削工具具有高溫下不穩定的κ型氧化鋁膜，該切削工具表現出異常損壞，其中膜在切削加工早期受損並被剝離。第32號切削工具未對珩磨區進行光滑處理，該切削工具由於摩擦係數高、切削力大而破碎。
上述試驗結果證實，本發明的被覆切削工具能防止由熱裂紋造成的破損，並且即使被用於高負荷切削加工(例如深度切削和高進給速度下的切削加工)時，該切削工具也能長期進行穩定的切削。
(第二試驗例)製備多個結構與第一試驗例的試樣A相似的刀頭。在形成陶瓷膜後，像第一試驗例一樣，使用具有金剛石磨料的刷子對這些刀頭中的每一個進行機械拋光。在本試驗中，將切削工具加工成使得珩磨區內部、珩磨區後刀面側和珩磨區前刀面側的表面粗糙度Rz(10個點的平均粗糙度，基準長度為5微米)都不超過0.2微米。接著，同樣對斷屑槽的上部、基面和刀頭孔周圍進行拋光，以改變不同位置的表面粗糙度。表4表示不同位置的表面粗糙度Rz。在表4中，「I」是斷屑槽上部的表面粗糙度Rz，「J」是基面的表面粗糙度Rz，「K」是刀頭孔周圍的表面粗糙度Rz。
以上述方式進行了表面處理的切削工具在與第一試驗例相同的條件下進行溼式連續切削試驗，並記錄熱裂紋數量、VB磨損量以及是否有碎片。結果表示在表4中。
如表4所示，第16號切削工具的斷屑槽上部、基面和刀頭孔周圍區域都經過了光滑處理，該切削工具即使在進行高負荷切削加工(例如高進給速度和深度切削的切削加工)時，也是發生正常損壞，並且可以使用該切削工具切削20分鐘。與此相反，在第33到第36號切削工具中，斷屑槽的上部、基面和刀頭孔周圍區域中的至少一者的表面是粗糙的，這些切削工具全都破碎了。對於第33和第34號切削工具，切屑衝擊刀頭孔周圍的區域而造成破碎。對於第35號切削工具，由於切屑控制不穩定，使得切屑纏繞在一起而造成破碎。第36號切削工具在試驗開始後立即破碎。這些試驗結果證實，對於如上所述的高負荷切削加工，優選的是，不但對切削刃脊線進行光滑處理，而且對斷屑槽的上部、基面和刀頭孔周圍區域進行光滑處理。
(第三試驗例)製備多個結構與第一試驗例的試樣A類似的刀頭。像第一試驗例一樣，使用具有金剛石磨料的刷子對珩磨區、斷屑槽上表面和基面上的陶瓷膜塗層進行機械拋光。去除第5層的Ti(NO)膜和第6層(最外層)的TiN膜，以露出第4層的α型氧化鋁膜。在本試驗中，將所有切削工具都如此加工，使得珩磨區內部、珩磨區後刀面側和珩磨區前刀面側的表面粗糙度Rz(10個點的平均粗糙度，基準長度為5微米)都不超過0.2微米，並且斷屑槽的上部、基面和刀頭孔周圍區域的表面粗糙度Rz(10個點的平均粗糙度，基準長度為5微米)都不超過0.5微米。
每個以這樣的方式進行了表面處理的切削工具都在與上述第一試驗例相同的條件下進行溼式連續切削試驗，並記錄熱裂紋數量、VB磨損量以及是否有碎片。結果表示在表5中。
如表5所示，在珩磨區、斷屑槽上部或基面露出內層α型氧化鋁膜，可以防止切削工具被熔接到工件上，從而提高耐磨性，並使切削加工更加穩定。
工業適用性本發明的切削工具適合於進行高負荷切削加工，例如深度切削或在高進給速度條件下的切削加工。更具體地說，本發明適合於粗切削，例如，用於粗切削火車輪。
圖1是根據本發明的被覆硬質合金切削工具的切削刃的簡化剖視圖。
參考標號說明1珩磨區；2倒角；3後刀面側；4前刀面側；5斷屑槽；5』斷屑槽上部；6基面；7刀頭孔周圍區域權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種在基體上形成有陶瓷膜的用於切削火車輪的圓型刀頭，其中所述基體是由硬質相和粘結相形成的，所述硬質相是由WC和選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一種金屬化合物形成的，所述碳化物不包括WC；並且所述粘結相是由至少一種過渡金屬形成的；在所述硬質相中，所述金屬化合物的總體積與所述WC的體積的比率為1.5％-20％，並且所述WC的平均晶粒尺寸為1-5微米；所述粘結相至少包含Co，並且所述粘結相的體積佔所述基體總體積的7％-20％；所述基體包括具有珩磨區的切削刃脊線、被設置在與所述切削刃的所述脊線連接的前刀面上的基面和斷屑槽，以及用於固定到刀夾上的刀頭孔；對所述珩磨區進行圓角珩磨或組合式珩磨，並且刀尖半徑最小為1.6mm；所述陶瓷膜包含α型氧化鋁膜，並包含選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化鋁中的至少一種金屬化合物膜；所述α型氧化鋁膜的厚度為2-12微米；晶粒尺寸為3-5微米的晶粒存在於佔所述α型氧化鋁膜表面積的5％-80％的表面上；所述陶瓷膜的總厚度為3-25微米；所述珩磨區內部、所述珩磨區後刀面側以及所述珩磨區前刀面側的10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)都不超過0.2微米；以及所述斷屑槽上部、所述基面和所述刀頭孔周圍區域的10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)都不超過0.5微米。
2.根據權利要求1所述的用於切削火車輪的圓型刀頭，其中所述陶瓷膜的外層是由含鈦化合物形成的，該外層具有由氮化鈦形成的最外層；從所述陶瓷膜塗層至少部分地去除所述外層，所述陶瓷膜塗層是施加在所述切削刃脊線到所述斷屑槽的所述上表面和所述基面上的；以及從所述外層的所被去除的部分露出所述α型氧化鋁膜。
3.根據權利要求1所述的用於切削火車輪的圓型刀頭，其中所述基體的表面形成有韌性層，所述韌性層的平均維氏硬度(載荷為500g)比所述基體內部的低0.3-1.5GPa；以及所述韌性層沿深度方向的厚度為2-50微米。
4.如權利要求3所述的用於切削火車輪的圓型刀頭，其中對所述珩磨區進行組合式珩磨；以及所述韌性層不是形成在所述珩磨區的所述內部上，所述韌性層形成在所述珩磨區的所述後刀面側上。
5.一種切削方法，其中通過使用權利要求1到權利要求4中的任一項所述的用於切削火車輪的圓型刀頭，以至少為0.5mm/轉的進給速度切削工件。
根據PCT條約第19條所做修改的說明在權利要求書第1～5項中，已經明確了被覆切削工具是用於切削火車輪的圓型刀頭。
在國際檢索報告中引用的對比文件1～4之中都沒有記載對火車輪的切削加工以及本文後述那樣考慮了火車輪的切削加工的構成。在對比文件1中記載的工具是進行銑削加工的銑刀，而不是用於火車輪的切削加工。在對比文件2中記載的刀頭用於對高硬度的被切削材料進行輕負荷加工。在對比文件3中，只是記載了使被切削材料為鋼和鑄鐵，在對比文件4中只是記載了，在切削試驗中使進給速度為0.51mm/轉。
本發明的刀頭是為了在火車輪的切削加工那樣極端高負荷加工的情況下能夠進行穩定的切削加工，在特別設定基體組成以及塗膜組成、厚度的同時進行限定，使得在刀頭的特定位置上使塗膜表面平滑。特別的是，本發明的刀頭是使現有技術中沒有考慮到的斷屑槽上部、基面、和刀頭孔周圍也平滑，由此得到使火車輪的切削加工能夠長期穩定進行的效果。
權利要求
1.一種在基體上形成有陶瓷膜的被覆切削工具，其中所述基體是由硬質相和粘結相形成的，所述硬質相是由WC和選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一種金屬化合物形成的，所述碳化物不包括WC；並且所述粘結相是由至少一種過渡金屬形成的；在所述硬質相中，所述金屬化合物的總體積與所述WC的體積的比率為1.5％-20％，並且所述WC的平均晶粒尺寸為1-5微米；所述粘結相至少包含Co，並且所述粘結相的體積佔所述基體總體積的7％-20％；所述基體包括具有珩磨區的切削刃脊線、被設置在與所述切削刃的所述脊線連接的前刀面上的基面和斷屑槽，以及用於固定到刀夾上的刀頭孔；對所述珩磨區進行圓角珩磨或組合式珩磨，並且刀尖半徑最小為1.6mm；所述陶瓷膜包含α型氧化鋁膜，並包含選自元素周期表4a、5a或6a族金屬的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物、硼氮化物和硼碳氮氧化物以及氧化鋁中的至少一種金屬化合物膜；所述α型氧化鋁膜的厚度為2-12微米；晶粒尺寸為3-5微米的晶粒存在於佔所述α型氧化鋁膜表面積的5％-80％的表面上；所述陶瓷膜的總厚度為3-25微米；所述珩磨區內部、所述珩磨區後刀面側以及所述珩磨區前刀面側的10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)都不超過0.2微米；以及所述斷屑槽上部、所述基面和所述刀頭孔周圍區域的10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)都不超過0.5微米。
2.根據權利要求1所述的被覆切削工具，其中所述陶瓷膜的外層是由含鈦化合物形成的，該外層具有由氮化鈦形成的最外層；從所述陶瓷膜塗層至少部分地去除所述外層，所述陶瓷膜塗層是施加在所述切削刃脊線到所述斷屑槽的所述上表面和所述基面上的；以及從所述外層的所被去除的部分露出所述α型氧化鋁膜。
3.根據權利要求1所述的被覆切削工具，其中所述基體的表面形成有韌性層，所述韌性層的平均維氏硬度(載荷為500g)比所述基體內部的低0.3-1.5GPa；以及所述韌性層沿深度方向的厚度為2-50微米。
4.如權利要求3所述的被覆切削工具，其中對所述珩磨區進行組合式珩磨；以及所述韌性層不是形成在所述珩磨區的所述內部上，所述韌性層形成在所述珩磨區的所述後刀面側上。
5.一種切削方法，其中通過使用權利要求1到權利要求4中的任一項所述的被覆切削工具，以至少為0.5mm/轉的進給速度切削工件。
全文摘要
本發明涉及一種被覆切削工具，其中在硬質合金基體上形成有陶瓷膜。該基體具有已經進行過圓角珩磨或組合式珩磨的切削刃脊線、被設置在與該切削刃脊線連接的前刀面上的斷屑槽、基面，以及用於固定到刀夾上的刀頭孔。刀尖半徑被設定為至少1.6mm。該陶瓷膜具有α型氧化鋁膜。珩磨區內部、珩磨區後刀面側以及珩磨區前刀面側的10個點的平均表面粗糙度Rz(基準長度為5微米)都被設定為不超過0.2微米。斷屑槽上部、基面和刀頭孔周圍區域的10個點的平均表面粗糙度Rz都被設定為不超過0.5微米。
文檔編號B23B27/14GK1929940SQ20058000805
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月11日 優先權日2004年3月12日
發明者伊藤實, 森口秀樹, 坂本 明 申請人:住友電工硬質合金株式會社