專利名稱：帶涂層的切削刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有涂層的硬質(zhì)合金刀片(切削刀具)，尤其是用于高速銑削鋼以及銑削淬火鋼的硬質(zhì)合金刀片(切削刀具)。
背景技術(shù)：
在用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具對鋼、不銹鋼和鑄鐵進(jìn)行機(jī)加工時，切削刃隨磨損機(jī)理的不同而有不同程度的磨損，如化學(xué)磨損(腐蝕)，磨耗和磨損。在高切削速度下，在切削區(qū)將產(chǎn)生大量的熱，并且切削刃也可能會產(chǎn)生塑性變形，隨后又會由于其他機(jī)理而產(chǎn)生更大程度的磨損。在不同應(yīng)用場合將會有不同的主要磨損機(jī)理。在銑削時，刀具壽命通常受到由垂直于切削刃的所謂梳狀裂紋(comb crack)導(dǎo)致的刀口缺口(edge chipping)的限制。這些裂紋源自切削刃在間歇切削操作中所承受的變化熱和機(jī)械應(yīng)力。這一點在使用冷卻劑、會增加熱量變化的機(jī)加工過程更為明顯。
根據(jù)特定的磨損形式，可以采取措施來改善切削性能。然而，這常常會給其他的磨損性能帶來副作用，好的刀具復(fù)合材料必須通過細(xì)致優(yōu)化多種性能來設(shè)計實現(xiàn)。增大塑性變形阻力和磨損阻力的一個簡單方法就是降低粘結(jié)相的含量。然而，這將減少切削刀片的剛度，在振動或其鑄造或鍛造表面對這種性能存在要求的操作中，尤其會降低刀具的使用壽命。一個可選擇的增加變形阻力的方法是添加象TiC，TaC，和/或NbC的立方碳化物。這也將增大在切削刃溫度較高時進(jìn)行機(jī)加工的變形阻力。然而，這種添加將對刀口缺口趨向以及梳狀裂紋形狀產(chǎn)生負(fù)面影響。
顯而易見，同時改善刀具的所有性能非常困難，經(jīng)濟(jì)的硬質(zhì)合金等級常常根據(jù)一或幾種上面提及的磨損形式來進(jìn)行優(yōu)化。這也意味著為特定的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行這些優(yōu)化。
US6062776公開了一種帶涂層的切削刀片，尤其是用于磨削帶有粗糙表面的低合金鋼和中合金鋼以及不銹鋼，象鑄造表面，鍛造表面，熱或冷軋輥表面或在不穩(wěn)定狀態(tài)下的預(yù)加工表面。該切削刀片的特征在于包括一個WC-Co硬質(zhì)合金和涂層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和添加有相當(dāng)少量W的粘結(jié)相，所述涂層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構(gòu)成的最內(nèi)層，TiN最外層和κ-Al2O3的內(nèi)層。
美國專利US6117178公開了一種帶涂層的銑削刀片，尤其是用于在干或濕條件下銑削帶有或不帶有粗糙表面的低合金鋼和中合金鋼。該切削刀片的特征在于包括一個WC-Co硬質(zhì)合金和涂層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和添加有高含量W的粘結(jié)相，所述涂層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構(gòu)成的內(nèi)層，κ-Al2O3的內(nèi)層，最好還有TiN的最外層。
WO01/16389披露了一種帶有涂層的切削刀具，該刀具特別適用于在濕或干條件下對帶或不帶原始表面區(qū)的低和中等合金鋼進(jìn)行高速銑削，和對淬火鋼進(jìn)行高速銑削。該刀具的特征在于包括一個WC-Co硬質(zhì)合金和涂層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和熔合相當(dāng)少量W的粘結(jié)相，所述涂層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構(gòu)成的最內(nèi)層，TiN最外層和κ-Al2O3的內(nèi)層。
EP1103635披露了一種切削刀具，該刀具特別適用于對低和中合金鋼、不銹鋼的干或濕的銑削，也可對不銹鋼進(jìn)行車削。所述切削刀具由一個其上帶有多層耐熱層的鈷結(jié)碳化硬質(zhì)合金基體組成。所述基體由9.0-10.9％(重量)的鈷和1.0-2.0％(重量)的TaC/NbC組成，所述涂層由一個MTCVD TiCxNyOz層和一個由κ-Al2O3和TiCxNyOz組成的多層涂敷層組成。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)通過將許多不同特征組合，可獲得具有優(yōu)異切削性能的切削刀具。在對合金鋼、工具鋼進(jìn)行高速切削和對淬火鋼進(jìn)行銑削時，優(yōu)選的用于銑削的切削刀具具有優(yōu)異的切削性能。在這些切削條件下，就上述的許多磨損形式而言，根據(jù)本發(fā)明所述的切削刀具顯示出了改善的性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明所述的切削刀片包括一個硬質(zhì)合金基體，該基體包括一個相對較低含量的立方碳化物，一個結(jié)合有從中到高含量W的粘結(jié)相和一個細(xì)到中等尺寸晶粒的WC?；w還包括有一個抗磨涂層，所述涂層包括一個等軸TixAlyNz層、柱狀TixAlyNz層和至少一個κ-Al2O3最外層。
附圖描述

圖1所示的是在放大2500X倍下，本發(fā)明所記述的帶有涂層的硬質(zhì)合金基體，其中1.硬質(zhì)合金基體。
2.最內(nèi)層TiCxNyOz。
3.柱狀晶粒的TiCxNyOz層。
4.基本組成為κ-Al2O3的Al2O3層。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種帶有涂層的切削刀片，該刀片包括硬質(zhì)合金體，所述合金體包含有如下組分7.9-8.6％(重量)的Co，優(yōu)選8.0-8.5％(重量)的Co，最佳8.1-8.4％(重量)的Co；0.5-2.1％(重量)，優(yōu)選0.7-1.8％(重量)，最佳0.9-1.5％(重量)的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物，以及余量WC。另外金屬Ti、Ta和Nb還可以用元素周期表第IVb，Vb，VIb組的另外元素的碳化物代替。Ti的含量優(yōu)選與工藝雜質(zhì)量相當(dāng)。在優(yōu)選實施例中，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內(nèi)，優(yōu)選1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
鈷粘結(jié)相與W中等到高度合金化，在粘結(jié)相中，W的含量表達(dá)為S值＝σ/16.1，式中σ為所測的粘結(jié)相在μTm3Kg-1下測點的磁矩。S值取決于在粘結(jié)相中鎢的含量，其值隨W含量的減少而增大。因此，對于純鈷來講，或者硬質(zhì)合金與鈷飽和粘結(jié)的粘結(jié)相而言，S＝1，而對于含有數(shù)量與η相形式時的邊界數(shù)量相對應(yīng)的W的粘結(jié)相，S＝0.78。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)如果硬質(zhì)合金體的S值為0.81-0.95，優(yōu)選為0.82-0.94，最佳0.85-0.92的話，取得了改善的切削性能。
進(jìn)一步，在光滑的典型橫截面測量的碳化鎢相的平均截取長度為0.4-0.9μm，優(yōu)選0.5-0.8μm。通過在放大倍數(shù)為10000x的顯微鏡下進(jìn)行圖像分析所測的截取長度，并以大約1000個截取長度的平均值來計算截取長度。
優(yōu)選實施例的涂層包括
等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，最佳y＞0.7，和全部厚度＜1微米，優(yōu)選大于0.1微米。
一柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優(yōu)選1-6微米，最佳2-6微米。
至少一層基本由κ相組成的Al2O3。該層也包括通過XRD測量方法決定的少量α相。該Al2O3層厚度0.2-5微米，優(yōu)選0.3-4微米，最佳0.4-3微米。
緊跟著最外層Al2O3的TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的層(＜1微米，優(yōu)選0.1-0.5微米厚)，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優(yōu)選y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4，最佳y＞0.7，但是Al2O3也能為最外層。
本發(fā)明還涉及一種制造上述切削刀具的方法，所述切削刀具包含有如下組分7.9-8.6％(重量)的Co，優(yōu)選8.0-8.5％(重量)的Co，最佳8.1-8.4％(重量)的Co；0.5-2.1％(重量)，優(yōu)選0.7-1.8％(重量)，最佳0.9-1.5％(重量)的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物，以及余量WC。另外金屬Ti、Ta和/或Nb還可以用元素周期表第IVb，Vb，VIb組的另外元素的碳化物代替。Ti的含量優(yōu)選與工藝雜質(zhì)量相當(dāng)。在優(yōu)選實施例中，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內(nèi)，優(yōu)選為1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
理想平均截取長度取決于起始粉末的顆粒尺寸和銑削和燒結(jié)條件，還必須決定于實驗條件。理想的S值取決于起始粉末和燒結(jié)條件，也還必須決定于實驗條件。
一柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，通過MTCVD工藝沉積到硬質(zhì)合金上，氰化甲烷作為碳氮源，以在700-950℃的范圍內(nèi)形成涂層。
最內(nèi)層TiCxNyOz，氧化鋁層，和接下來的TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz層均用已知技術(shù)沉積。
本發(fā)明還涉及一種應(yīng)用上述切削刀具的方法，以平均切屑厚度為0.04-0.20mm的條件對鋼進(jìn)行高速干銑和對淬火鋼以75-400m/min的速度干銑時，其決定于切削速度和刀具的幾何形狀。
例1
等級A根據(jù)本發(fā)明，硬質(zhì)合金基體包括有如下組分8.2％(重量)的Co，1.2％(重量)的TaC，0.2％(重量)的NbC和余量WC，與W合金的粘結(jié)對應(yīng)于S值＝0.87，其通過常規(guī)粉末銑削來制造，壓制壓坯，隨后在1430℃(攝氏度)燒結(jié)。通過對燒結(jié)后的微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，碳化鎢相的平均截取長度為0.65μm。根據(jù)本發(fā)明，基體在相同的涂敷周期內(nèi)先后被涂敷四層。厚0.2微米的等軸晶粒TiCxNyOz的第一層，其中z＜0.1，y＞0.6。厚4.1微米的第二層柱狀晶粒的TiCxNyOz以氰化甲烷作為碳氮源，在835-850攝氏度的范圍內(nèi)形成涂層，產(chǎn)生碳氮比大約為x/y＝1.5，z＜0.1。第三層是厚為1.7微米的Al2O3層，其在大約1000攝氏度沉積，基本組成為κ相。用XRD對Al2O3層進(jìn)行分析顯示出α-Al2O3的微小軌跡，但是僅在(012)α-Al2O3和(022)κ-Al2O3的飽和度之比小于1/3的水平。最后，等軸晶粒的富氮TiCxNyOz層沉積，其中z＜0.1，y＞0.8，厚0.2微米。
B一種基于等級A的基體(根據(jù)本發(fā)明)，其有TiCxNyOz(z＜0.1)組成的7層涂層，用常規(guī)CVD方法在1070攝氏度以甲烷和氮氣作為碳氮源對所有層進(jìn)行沉積，各層的放大晶粒均呈等軸結(jié)構(gòu)。第一層是厚為3.1微米的TiCxNyOz，其組分接近于x/y＝1.6，接下來6層的厚度均是0.8微米，其組成分別在x/y＝4-0.25之間。
C基體的組分如下7.1％(重量)的Co，0.5％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC和余量WC，與W合金的粘結(jié)相相應(yīng)的S值為0.94，和在0.1微米燒結(jié)體中的WC的平均截取長度。其與等級A中的涂層結(jié)合(根據(jù)本發(fā)明)。



刀具壽命受限于由于熱裂紋的增多而造成的切削刃的損壞。本試驗表明，根據(jù)本發(fā)明的基體和涂層的結(jié)合的工具的壽命長于相同基體與在先涂層結(jié)合或本發(fā)明的涂層與在先基體相結(jié)合而構(gòu)成的工具的壽命。
例2D經(jīng)濟(jì)的硬質(zhì)合金刀具的組分如下8.8％(重量)的Co，1.8％(重量)的TaC，0.3％(重量)的NbC和余量WC，與W合金的粘結(jié)相的相應(yīng)S值為0.9，余量WC的平均截取長度為0.9微米。工具由厚2.5微米的TiCxNyOz，1.5微米的-Al2O3和0.4微米的在0.1微米的TiCxNyOz的涂層組成。



工具壽命受限于隨因變化的熱和機(jī)械應(yīng)力所導(dǎo)致的梳狀裂紋的增多而產(chǎn)生刀具的損壞。本實驗中，各比較等級的涂層類型相似，刀具壽命的不同主要是試驗基體結(jié)構(gòu)不同的結(jié)果。本實驗表明，根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金基體的工具壽命長于其他兩種含有低和高粘結(jié)相的等級的工具壽命。
例3E經(jīng)濟(jì)的硬質(zhì)合金刀片的組分如下9.4％(重量)的Co，7.2％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC和余量WC，與W合金的粘結(jié)相的相應(yīng)S值為0.85，余量WC的平均截取長度為0.7微米。工具由厚1.5微米的TixAl1-xN層。



工具壽命受限于根部磨損和刀刃開裂。本實驗表明，與直接以TiCxNyOz為基體的涂層相比，根據(jù)本發(fā)明的涂層，可更好地保護(hù)工具免受由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生的磨損和刀口開裂，等級E的工具壽命的降低表明立方碳化物的高含量對切削刃強度和刀口開裂阻力有副作用。
例4



在本實驗中，工具壽命受限于刀刃開裂和裂紋而導(dǎo)致的刀刃斷裂。刀具壽命的不同顯示了以小晶粒與稍高鈷含量相結(jié)合的作用。這些方式給出了在保持刀刃剛度的同時還可具有稍微較好的抗塑性變形阻力的刀具。
權(quán)利要求
1.一種切削刀片，包括硬質(zhì)合金體和涂層，該刀片特別適用于對低和中合金鋼的高速銑削以及對淬火鋼的銑削，其特征在于所述硬質(zhì)合金體包含有如下組分7.9-8.6wt％的Co，優(yōu)選8.0-8.5wt％的Co；0.5-2.1wt％，最佳0.7-1.8wt％的金屬Ta和Nb的立方碳化物，以及平均截取長度為0.4-0.9微米，優(yōu)選0.5-0.8微米的余量WC，與W合金的粘結(jié)相的對應(yīng)S值為0.81-0.95，優(yōu)選0.82-0.94，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內(nèi)，優(yōu)選1.5-11.4，而所述涂層包括等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，優(yōu)選大于0.1微米；一柱狀晶粒TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優(yōu)選1-6微米；至少由一層基本由κ相組成的Al2O3，該層也可能包括通過XRD測量方法確定的少量α相，該Al2O3層厚度0.2-5微米，優(yōu)選0.3-4微米。
2.如權(quán)利要求1所述的切削刀片，其特征在于還包括由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外層，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優(yōu)選y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
3.一種制造切削刀片的方法，該切削刀片包括硬質(zhì)合金體和涂層并且特別適用于對低和中合金鋼的高速銑削和對淬火鋼的銑削，其特征在于，所沉積的該硬質(zhì)合金體包含有如下組分7.9-8.6wt％的Co，優(yōu)選8.0-8.5wt％的Co；0.5-2.1wt％，最佳0.7-1.8wt％的金屬Ta和Nb的立方碳化物，以及平均截取長度為0.4-0.9微米，優(yōu)選0.5-0.8微米的余量WC，與W合金的粘結(jié)相的對應(yīng)S值為0.81-0.95，優(yōu)選0.82-0.94，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內(nèi)，優(yōu)選1.5-11.4，而所述涂層包括等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，優(yōu)選大于0.1微米；一柱狀晶粒TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優(yōu)選1-6微米；至少由一層基本由κ相組成的Al2O3，該層也可能包括通過XRD測量方法確定的少量α相，該Al2O3層厚度0.2-5微米，優(yōu)選0.3-4微米。
4.如權(quán)利要求3所述的制造切削刀片的方法，其特征在于沉積由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外層，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優(yōu)選y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
5.如權(quán)利要求1-4所述的切削刀片對鋼進(jìn)行高速干銑削加工和對淬火鋼進(jìn)行干銑削加工的應(yīng)用，其切削速度為75-400m/min，平均切屑厚度為0.04-0.2mm，這取決于切削速度和刀具的幾何形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶涂層的硬質(zhì)合金刀片(切削刀具)，尤其是用于高速銑削鋼和銑削淬火鋼。該刀具的特征是，其由WC－Co硬質(zhì)合金組成，所述合金包括NbC、TaC、W合金粘結(jié)相和涂層，所述涂層包括等軸晶粒TiC
文檔編號C23C30/00GK1457950SQ0310734
公開日2003年11月26日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者安德烈亞斯·拉松, 安奈特·蘇林, 莉娜·彼得松 申請人:塞科機(jī)床公司