專利名稱：超硬材料以及工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合作為工具用原材料的超硬材料。
背景技術(shù)：
工具，要求同時(shí)具有耐磨損性以及高韌性。其中的代表性產(chǎn)品滾刀，以 往是用高速鋼制成的，但有轉(zhuǎn)向利用耐磨損性優(yōu)異的超硬合金的趨勢(shì)。但是， 對(duì)于面向占超硬合金需求的大半的不重磨刀片的材料而言，具有適合利用滾 刀進(jìn)行加工的韌性的材料種類較少。
例如，作為滾刀用超硬材料，公開了 一種由WC-pt-Co類的超硬合金制 成的材料(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
此外，作為強(qiáng)度和韌性都優(yōu)異的硬質(zhì)合金，提出了減小碳化鴒(wc)的 粒徑而得到的超微粒硬質(zhì)合金、以及在添加第二硬質(zhì)物質(zhì)等而得到的硬質(zhì)合
金。例如，作為碳化鴒(WC)以外的硬質(zhì)物質(zhì)，公開了使用 一種平均粒徑在3 pm 以下，優(yōu)選為lpm的碳化釩(VC)。如現(xiàn)有超硬合金中所公知的那樣，此時(shí) 的VC是為了改善硬度、耐腐蝕性、耐氧化性以及強(qiáng)度等目的而添加的，且 不會(huì)對(duì)工具制造工藝中必要的燒結(jié)性產(chǎn)生阻礙(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。
專利文獻(xiàn)l:日本特開2001-20029號(hào)公才艮
專利文獻(xiàn)2:日本特開平7-138690號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，近年來，已經(jīng)促進(jìn)了碳化鴒(WC)的超微?；?，已經(jīng)可以 將碳化鴒超微粒化到0.2^im左右。通過這樣的超微?；?，可以使碳化釩(VC) 細(xì)細(xì)地分散在組織內(nèi)，從而可以使由于磨損而導(dǎo)致的碳化釩(VC)粒子的脫落 減小到最小值，由此可以改善產(chǎn)品的安全性和耐久性。但是，對(duì)于硬質(zhì)合金 的超微粒化而言，由于硬質(zhì)材料的比表面積增大，因此一方面會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)性 不足，在容易受到間斷切削等的沖擊的使用條件下，硬質(zhì)合金的粒子容易脫 落，即容易產(chǎn)生碎屑(chipping)。另一方面，在上述超硬材料領(lǐng)域中，已知碳化釩(vc)是一種可以維持超 硬合金的高硬度且同時(shí)使耐熱性提高的有效的添加劑。但是，對(duì)于vc而言，
通過粉碎能夠?qū)崿F(xiàn)的微?；牧?，目前局限在2 3|am左右。因此，在以 超微?；蟮腤C為主成分的超硬材料的情況下，例如添加0.5%左右的VC 粒子，由于其比WC的粒徑大IO倍左右，因此VC粒子在超硬材料粒子中 的分散和分布不均勻。
如上所述，利用VC作為添加劑的以往的超硬材料，由于粒徑大的VC 難以均勻分散，因此燒結(jié)性差，產(chǎn)品的硬度產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定 性欠缺這樣的問題。
此外，對(duì)于以往的使用VC的超硬材料，還指出其存在以下問題由于 添加的VC的粒徑不能變細(xì)，因此在材料中的分布個(gè)數(shù)減少，在切削性能方 面容易產(chǎn)生不均。
本發(fā)明就是鑒于上述事實(shí)而進(jìn)行的，其目的在于提供一種超合金材料及 工具，所述超合金材料不會(huì)在產(chǎn)品硬度方面產(chǎn)生不均，其穩(wěn)定性和耐久性增 強(qiáng)，在間斷切削和連續(xù)切削兩種情況下都兼具耐磨損性和耐久性。
為了解決上述的問題，本發(fā)明采用了如下方案。
本發(fā)明涉及的超硬材料是作為滾刀等的工具用原材料的超硬材料，其特 征在于，含有三氧化釩0/203)作為構(gòu)成原料之一。
對(duì)于上述的超硬材料，由于使用三氧化釩0/203)作為構(gòu)成原料之一，因
此可以使三氧化釩0/203)均勻分散在超硬材料中。即，由于發(fā)現(xiàn)了三氧化釩
(V203)容易粉碎為微粒，因此其在超硬材料中的均勻M成為可能。
此外，在使用了超硬質(zhì)合金球頭的所有原料在球磨機(jī)中混合時(shí)，柔軟的
三氧化釩(V203)容易變形而均勻分散。
本發(fā)明涉及的超硬材料是作為滾刀等的工具用原材料的超硬材料，其特
征在于，含有85 95重量％的硬質(zhì)粒子、5~15重量％的Co或Ni、三氧化釩 (￥203)以及不可避免的雜質(zhì)。
上述中的硬質(zhì)粒子是例如WC、 TiC、 TiN、 TaC等。
在上述超硬材料中，通過采用三氧化釩(V203)，且三氧化釩0/203)被均 勻分散在超硬材料中，從而使成型、燒結(jié)而得到的燒結(jié)體的氣孔率減少。即， 通過提高燒結(jié)性而使硬度提高，且在間斷切削等的容易受沖擊的使用條件 下，也可以防止碎屑，從而可以確認(rèn)在工具的可靠性和壽命延長方面具有顯著的效果。
此外，本發(fā)明對(duì)于三氧化釩的添加量沒有限制，即使添加1重量％以下 也可以得到充分的改善燒結(jié)性的效果，也能夠提高作為工具的性能。三氧化
釩優(yōu)選的添加量為0.5重量％左右。
另外，在使用了超硬合金球頭的所有原料在球磨機(jī)中混合時(shí)，金屬Co、 Ni、以及柔軟的三氧化釩0/203)容易變形而均勻分散。
本發(fā)明涉及的工具的特征在于，使權(quán)利要求1或2中所述的超硬材料成 型，并在非活性氣體或者真空氣氛中燒制而制造。
此外，對(duì)于上述的工具，在燒制后通過對(duì)所述工具實(shí)施熱氣靜水壓機(jī)處 理，可以去除燒結(jié)體的內(nèi)在缺陷，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高強(qiáng)度化，并改善燒結(jié)性。
根據(jù)上述的本發(fā)明，通過使作為構(gòu)成材料之一的￥203均勻分散在超硬 材料中，可以提高使用超硬材料的產(chǎn)品在制造時(shí)的燒結(jié)性，同時(shí)可以使產(chǎn)品 的硬度穩(wěn)定。因此，使用本發(fā)明的超硬材料制造的產(chǎn)品，例如滾刀等工具， 其不存在硬度不均，且穩(wěn)定性和耐久性增強(qiáng)。
即，由于三氧化釩的均勻分散，可以使得成型、燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)性得到改 善，硬度提高從而大幅度提高切削性和耐磨損性。此外，對(duì)于在添加VC時(shí) 存在的切削性不均的問題(間斷、連續(xù)切削的穩(wěn)定性)，也可以因三氧化釩的 均勻分散而大幅度改善。


圖1是示出本發(fā)明的超硬材料的組織的示意圖。
圖2是示出以往的超硬材料成型后的組織狀態(tài)的示意圖。
圖3是使用超硬材料制造超硬合金(工具)的實(shí)驗(yàn)流程圖。
圖4是示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表的圖。
圖5是示出切削試驗(yàn)結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，基于附圖對(duì)本發(fā)明的超硬材料及工具的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說明。 圖l是示出本發(fā)明的超硬材料成型后的狀態(tài)的示意圖，圖2是示出以往 的超硬材料成型后的狀態(tài)的示意圖。
圖1所示的超硬材料是作為滾刀等的工具用原材料的超硬材料，所述材料含有85 95重量％的粒徑在0.3 5pm范圍內(nèi)的WC、 5~15重量％的Co或 Ni、 1重量％以下的三氧化釩(￥203)、以及不可避免的雜質(zhì)。需要說明的是， 在超硬材料中，存在從構(gòu)成材料中混入的微量的C,因此從防止燒制時(shí)的氧 化的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選有意地添加0.2-0.5重量％的C。
另一方面，在圖2所示的超硬材料中，使用了粒徑大的碳化釩(VC)代替
v2o3。
即，如圖l所示，本發(fā)明的超硬材料具有如下特征通過使用柔軟且易 于被粉碎的三氧化釩，使得在粒徑處于0.3 5)am范圍內(nèi)的超微粒WC之間含
有三氧化釩(V203)。
上述V203由于易于粉石爭(zhēng)形成孩i粒，因此可以在以粒徑小到0.3 5|tim的 超微粒WC為主成分的超硬材料中均勻分散。
對(duì)于上述均勻分散有V203的超硬材料而言，可以通過提高燒結(jié)性使氣
孔消失，并可以通過提高平均硬度而得到穩(wěn)定的硬度，從而提高了使用這樣 的超硬材料的滾刀等工具(產(chǎn)品)的切削性能及穩(wěn)定性。
如上所述，雖然VC對(duì)于改善超硬合金在高溫下的強(qiáng)度和堅(jiān)固度是有效
勻，因此在以超微粒為原料的超硬合金中特別難以產(chǎn)生效果。
此外，五氧化釩作為通常已知的釩氧化物，其熔點(diǎn)為690。C。因此，該
五氧化釩在燒制前就全部熔化，無法燒制成型。
與此相反，￥203的熔點(diǎn)為1970°C，因此即使在超硬合金制造的最高溫
度1400。C下也不會(huì)熔化。此外，V203也不會(huì)溶解在溶劑中，是穩(wěn)定的，因
此在配制超硬合金原料時(shí)，V203容易被粉碎而均勻分布，從而改善燒結(jié)性，
使得硬度提高。
因此，如果采用V203作為超硬材料的構(gòu)成材料之一，則可以在更加超
微?；腤C原料中使V均勻分散，使用該超硬材料進(jìn)行成型、真空燒制
后，實(shí)施熱氣靜水壓機(jī)處理而制成的滾刀等工具，其刀尖的耐久性提高。
為了確認(rèn)上述V203的作用效果，進(jìn)行了以下的實(shí)驗(yàn)。
<實(shí)〗全方法>
超硬合金是通過如下方法制成的，即，向以wc(碳化鎢)為主體的硬質(zhì)
粉末中添加金屬粉末Co(鈷)，得到超硬材料，并將所述超硬材料進(jìn)行燒結(jié)而得到。其制造方法如圖3所示，按照先后順序由以下的步驟構(gòu)成原料計(jì)量步驟P1、球磨機(jī)混合步驟P2、干燥步驟P3、研缽破碎步驟P4、真空燒制(80。C)步驟P5以及HIP(熱氣靜水壓機(jī))處理步驟P6。
在最初的原料計(jì)量步驟Pl中，按照指定的配比(重量％)對(duì)原料進(jìn)行計(jì)量。其中使用的原料的種類為WC、 Co、 VC或者V203、 C。在本次的實(shí)驗(yàn)中，如圖4所示，使用下述多種類的原料WC為87.7重量。/。、 90重量％以及94重量％， C為0.3重量。/。， Co為11.5重量。/。、 8重量％以及6重量％。
接下來在球磨機(jī)混合步驟P2中，向釜(求:y卜)中添加如下物質(zhì)計(jì)量后的原料、作為分散劑的乙醇、用來使整形后的保形性良好的有機(jī)粘合劑(PVP)、以及作為粉碎介質(zhì)的超硬合金球頭，通過球磨機(jī)對(duì)上述物質(zhì)進(jìn)行混合并進(jìn)行均勻化。上述采用球磨機(jī)進(jìn)行的混合使用直徑9.5mm的超硬合金球頭、在70rpm的轉(zhuǎn)速下持續(xù)旋轉(zhuǎn)1星期。
在接下來的干燥步驟P3中，將上述得到的混合原料在80。C的氣氛中進(jìn)行干燥。
在研缽破碎步驟P4中，干燥后的原料用研缽進(jìn)行破碎來造粒。需要說明的是，上述的干燥、造粒是實(shí)驗(yàn)室級(jí)的方法，在工業(yè)應(yīng)用中使用噴霧干燥器。
在接下來的真空燒制步驟P5中，將造粒后的原料在模具或CIP(冷氣靜水壓)下成型為指定形狀的成型體(刀片試驗(yàn)片(于、;/7。試験片))。然后，將上述成型體放入真空脫脂爐，在真空中、75(TC下脫脂3小時(shí)，形成粉筆程度的強(qiáng)度的預(yù)燒體。在本次的實(shí)驗(yàn)中，為了使成型體的尺寸形狀在燒制后達(dá)到尺寸為大致矩形的截面形狀(l5mmx 15mm)，使用模具壓床(金型7° k7)進(jìn)行成型。
燒制時(shí)使用真空燒制爐，在1350。C下實(shí)施1個(gè)小時(shí)的真空燒制。在本次實(shí)驗(yàn)中，爐內(nèi)溫度上升到1350。C為止大約需要3個(gè)小時(shí)，此后保持這樣的燒制溫度l個(gè)小時(shí)，然后使真空燒制爐冷卻。
最后，在HIP處理步驟P6中，通過進(jìn)行高溫高壓處理，去除燒結(jié)體的內(nèi)在缺陷，進(jìn)行進(jìn)一步的高強(qiáng)度化。即，在真空燒制后的階段中，由于燒制體中殘留細(xì)微的氣孔使得其物性降低，因此將所述燒制體在氬氣中進(jìn)行HIP處理。需要說明的是，本次實(shí)驗(yàn)中的HIP處理的條件如下所述。
,爐內(nèi)溫度第一次為IOOO"C,第二次為1180°C 爐內(nèi)壓力98MPa -保持時(shí)間1小時(shí)
該實(shí)驗(yàn)的目的是為了將使用V203作為添加劑的超硬合金的特性與使用
作為超微粒超硬合金的特征元素的VC而得到的超硬合金的特性進(jìn)行比較。 即，雖然以微粒的形式添加VC可以提高切削性，但由于是碳化物，因 此存在較硬且難以將其均勻分散這樣的問題。因此，本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于作為替
代VC的釩氧化物的V203(其在已有的多種材料中熔點(diǎn)高且在預(yù)燒階段不會(huì)
熔化)，確認(rèn)到其作為添加劑的有效性。
此外，由于V203與碳化物不同，較為柔軟，采用球磨機(jī)配制粉末體時(shí) 可以均勻分散。
在此，將本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示于圖4和圖5中。
圖4示出了本發(fā)明涉及的6種超硬材料(樣品No. 1 6)的配比和燒制體
的特性。
本實(shí)驗(yàn)中，使用粒徑不同的3種(0.1pm、 0.5|im和2.0pm)WC試作了超
硬材料的樣品。這些試作材料中，由于粒徑細(xì)的WC的比表面積增大，因此 粒徑越大，越是調(diào)整減少Co的量。
此外，本實(shí)驗(yàn)的試作材料中，對(duì)每種粒徑的WC，都準(zhǔn)備了有無v2o3 的不同的材料。此外，在WC的粒徑為O.lnm的試作材料中，還準(zhǔn)備了添加 VC來代替V203的材料(樣品No.1)。另外，各試作材料的燒制條件以及HIP 處理?xiàng)l件相同。
即，樣品No.l和樣品No.2是為了比較用來改善切削性、耐久性而通常 使用的添加VC與本發(fā)明的添加V203的效果而制作的樣品。此外，從樣品 No.3到樣品No.6,是為了比較V203的有無對(duì)粒徑大的WC粉末原料的影響
而制作的樣 品o
根據(jù)圖4的結(jié)果可知，不管WC的粒徑如何，添加￥203使得燒制體的
硬度提高。
圖5是對(duì)圖4所示的試作材料切成滾刀形狀的試驗(yàn)片的切削試驗(yàn)的結(jié) 果，是通過顯微鏡對(duì)切削試驗(yàn)后的刀尖側(cè)面(退刀槽面)進(jìn)行觀察而得到的結(jié)果。
滾刀工具是在齒輪等的齒輪加工中使用的工具。在上述切削試驗(yàn)中，使 用不同的試作材料，準(zhǔn)備了將刀尖切成三角形的單刃試驗(yàn)片T1 T3。單刃試驗(yàn)片T1 T3與切出的加工成齒輪狀的工具即滾刀的一個(gè)齒的形狀相同，所述 加工成齒輪狀的滾刀是為了切削在傳動(dòng)裝置中使用的圓筒齒輪，由于具有上 述這樣的形狀，因此被稱為"單刃試驗(yàn)片"。
在此，使用不同試作材料的單刃試驗(yàn)片T1 T3，用每一個(gè)單刃試驗(yàn)片實(shí) 施1次切削試驗(yàn)(合計(jì)3次)，所述切削試驗(yàn)為從圓桿上連續(xù)切出螺旋狀的槽。 此外，本試驗(yàn)中，單刃試驗(yàn)片Tl為市售的材料，單刃試驗(yàn)片T2為添加了 VC的樣品No.l，單刃試驗(yàn)片T3為添加了 V203的樣品No.4。
然后，針對(duì)于各單刃試驗(yàn)片T1 T3，用顯微鏡觀察切削試驗(yàn)后的刀尖狀 況。從觀察結(jié)果可以明確，采用市售的材料時(shí)，在其被稱為退刀槽面的刀尖 上產(chǎn)生了比較大的碎屑P。與此相反，采用添加了 VC的樣品No.l時(shí)，碎屑 p的粒徑變小，同時(shí)數(shù)量也減少。此外，在本申請(qǐng)發(fā)明對(duì)應(yīng)的樣品No.4中， 由于添加了三氧化釩(V203)，雖然側(cè)面稍微變粗糙，但是完全沒有刀尖的碎 屑。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以使三氧化釩0/203)均勻分散在超硬材料中， 因此可以提高利用超硬材料的產(chǎn)品在制造時(shí)的燒結(jié)性，從而可以使產(chǎn)品的硬 度穩(wěn)定。因此，使用本發(fā)明的超硬材料制成的滾刀等工具，沒有硬度的不均， 穩(wěn)定性和耐久性增強(qiáng)。
需要說明的是，本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施方式，只要在不脫離本發(fā)明 的主旨的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓?br> 權(quán)利要求
1.一種超硬材料，該超硬材料為滾刀等工具用原材料，其中，含有三氧化釩(V2O3)作為構(gòu)成原料之一。
2. —種超硬材料，該超硬材料為滾刀等工具用原材料，其含有 85~95重量°/。的硬質(zhì)粒子、5~15重量％的Co或Ni、 三氧化釩0/203)、和 不可避免的雜質(zhì)。
3. —種工具，其是將權(quán)利要求1或2所述的超硬材料成型，并在非活 性氣體或者真空氣氛中燒制而制造的。
全文摘要
超硬合金是具有硬度和高韌性的材料。為了發(fā)揮超硬合金的性能，向其中添加了各種微量元素。其中的一種為碳化釩(VC)。但是，由于粉碎后的碳化物原料的粒徑大，無法實(shí)現(xiàn)使產(chǎn)品中的特性均勻地提高。將滾刀等工具用原材料中一種構(gòu)成材料由碳化物替換成氧化物三氧化釩(V₂O₃)。由于氧化釩與碳化釩相比較為柔軟，因此在配制原料時(shí)在采用球磨機(jī)進(jìn)行混合的步驟中容易進(jìn)行微?；Ｓ纱?，通過在原料中均勻分散的三氧化釩的效果，燒制后的超硬合金的硬度提高。
文檔編號(hào)C22C29/08GK101646793SQ20088001041
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者樹神幸夫, 田實(shí)洋一, 菊池泰路, 角田英雄 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社