專利名稱：用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金刀片，尤其涉及一種銑削用的硬質(zhì)合金涂層刀片。
背景技術(shù)：
在金屬切削加工過程中，刀具存在兩種失效機制磨損和破損。刀片磨損主要包括 磨蝕磨損、粘結(jié)磨損、擴散磨損和氧化磨損。在不同的切削條件下，加工不同材料的工件時， 其磨損的主要原因可能是其中的一種或兩種。一股來說，切削溫度較低時以磨蝕磨損為主， 切削溫度較高時以擴散磨損、氧化磨損為主。刀片破損主要是脆性破損(崩刃、碎裂、剝落、 裂紋破損等)和塑性變形。實驗數(shù)據(jù)表明，刀片早期破損受熱應(yīng)力影響較小，主要是受機械 沖擊作用所致的脆性破損；刀片后期疲勞破損主要是在機械和熱沖擊作用下刀片內(nèi)裂紋失 穩(wěn)擴散所致的脆性破損和過高的加工溫度導(dǎo)致的塑性變形。在鋼材及不銹鋼的銑削加工中，隨刀尖切入切出切削溫度會發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致 熱烈紋的產(chǎn) 生，致使刀尖刃口發(fā)生脆性破損。實踐表明，對鋼材及不銹鋼進行銑削加工時， 刀片主失效主要有熱裂紋導(dǎo)致的刃口崩缺、及加工硬化導(dǎo)致的后刀面磨損。為了適應(yīng)鋼材 及不銹鋼高速高效銑削加工的要求，銑削刀片應(yīng)當具有更高的韌性、高溫強度和抗裂紋擴 展的能力。目前，具有粘結(jié)相富集表面區(qū)域的涂層硬質(zhì)合金刀片廣泛用于鋼材等合金的機械 加工中，粘結(jié)相富集表面區(qū)域拓寬了刀片的應(yīng)用范圍，使之能應(yīng)用于更富韌性的切削操作。 含有α-Al2O3涂層的多層涂層提高了刀片的耐磨性能，使刀片的壽命得到增加，涂層和刀 片基體各自的優(yōu)越性在涂層刀片中實現(xiàn)了較好的統(tǒng)一。在刀片基體的制備中，制造含有WC、立方相和粘結(jié)相富集表面區(qū)的硬質(zhì)合金屬于 梯度燒結(jié)技術(shù)，在部分專利文獻中(例如US4277283和US4610931號美國專利文獻，以及 CN1079179A、CN1134470A、CN1229442A、CN1532014A、CN1854320A、CN1891842A 號中國專利 文獻)已經(jīng)公開了粘結(jié)相含量梯度變化的硬質(zhì)合金基體及其制備方法，可以獲得基本上不 具有立方相的粘結(jié)相富集表面區(qū)。特別是CN1079179A號中國專利文獻，其涉及一種具有改 進韌性和塑變抗力的硬質(zhì)合金刀片，該刀片是用已知的方法在真空中燒結(jié)含氮的材料后， 再在1280°C 1430°C溫度、40mbar 400mbar氮氣中處理刀片5min lOOmin，得到一種 具有粘結(jié)相富集表面區(qū)的硬質(zhì)合金，其在粘結(jié)相富集表面區(qū)下層的區(qū)域中，粘結(jié)相的含量 為該刀片內(nèi)部含量的0.85 1，而立方相的含量基本恒定且等于該刀片內(nèi)部的含量。此種 刀片結(jié)構(gòu)對改進刀片韌性和塑變抗力起到了一定作用。從斷裂力學(xué)的觀點來看，具有富集 粘結(jié)相表面區(qū)的硬質(zhì)合金可以吸收裂紋擴展能，防止裂紋的擴展，從而改進刀片的韌性，表 現(xiàn)更加強韌的性質(zhì)。然而，在其后的應(yīng)用實踐中，我們發(fā)現(xiàn)富集粘結(jié)相表面區(qū)的存在降低 了刀片材料的屈服強度和硬度，導(dǎo)致刀片刃口容易產(chǎn)生塑性變形，后刀面抗磨損能力下降。 CN101214743A號中國專利文獻公開了一種用于加工鑄鐵的涂層刀片，該刀片基體的刃口兩 邊形成粘結(jié)相富集表面區(qū)，粘結(jié)相富集表面區(qū)中間的扇形區(qū)域為立方相富集區(qū)，該結(jié)構(gòu)提 高了刃口的抗塑性變形能力，但是在鋼材的銑削加工中，其后刀面抗磨損能力表現(xiàn)較差，抗塑性變形能力也有待進一步提高。在刀片基體表面涂層的制備中，在刀具表面涂覆高硬度的涂層(如TiN、TiC、 TiCN、CrN等)可減輕刀片的磨蝕磨損、粘結(jié)磨損和擴散磨損，增加刀片的耐用度；而在刀片 表面涂覆高硬度的Al2O3涂層可以有效避免氧化磨損。采用CVD方法在切削刀片基體上沉 積鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化鋁，這在現(xiàn)有的很多專利文獻中已經(jīng)有描述。例 如US4490191和US3736107號美國專利文獻、EP0408535A1和EP0738336A1號歐洲專利文獻 以及CN1091683A和CN1107901A號中國專利文獻等公開了氧化物涂層刀具的制備方法以及 各種提高氧化物涂層附著性能的預(yù)處理方法。JP7075903A號日本專利文獻、SE511089C2號 瑞典專利文獻以及W00052225A1號國際公布專利文獻公開了 MTCVD-TiC或TiCN涂層的制 備方法以及該涂層在立方氮化硼刀具、硬質(zhì)合金刀具、多涂層刀具中的應(yīng)用?，F(xiàn)有涂層刀片 的CVD涂層普遍采用MTCVD-TiCN涂層和Al2O3涂層的外層設(shè)計，典型涂層結(jié)構(gòu)為TiCN(外 層)+Al2O3 (中層)+TiCN(內(nèi)層)的多層式結(jié)構(gòu)，該多層式結(jié)構(gòu)雖具有一定的通用性，能適用 于各加工領(lǐng)域的切削刀片，但是我們發(fā)現(xiàn)CVD涂層可以明顯地降低刀片的強度，所以針對 具體領(lǐng)域(例如鋼材及不銹鋼銑削)，涂層的具體結(jié)構(gòu)(例如涂層厚度和各層厚度的組合) 應(yīng)該有很大的差別。
綜上，我們有必要對刀片基體和刀片涂層的微觀結(jié)構(gòu)及各項參數(shù)指標作進一步調(diào) 整、組合和優(yōu)化，以適應(yīng)不同加工對象、不同加工方式的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐磨性好、刃口強度 高、抗熱裂紋擴展能力強的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種用于鋼材和不銹鋼銑削的硬 質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，所述硬質(zhì)合金基體包括至少一個 由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側(cè)位于前刀面和后刀面的硬質(zhì)合金均呈 現(xiàn)梯度變化結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)過渡到立方碳氮化合物富集 區(qū)、再過渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體中Co的含量為7wt% 12wt%，所述立方相化合物的含量為0. 2wt% 3. 5wt%，所述梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交 匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在 垂直于所述前刀面方向上的長度Ll大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2的2 倍(即Ll彡2L2)；所述涂層為細晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層，厚度為0. 1 μ m 2 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；-一層TiCN層，柱狀晶，厚度為Ιμπι 6μπι，平均晶粒度為0.Ιμπι 2μπι;-一層TiCO過渡層，厚度為0. 1 μ m 1. 5 μ m，該層晶粒為針狀晶?；虻容S晶粒， 平均晶粒度<0.5μπ ;-最外層的α-Al2O3層，厚度為Ιμπι 5μπι，等軸晶粒，平均晶粒度為0. Ιμπι 2 μ m，在300 μ m的長度上測得的表面粗糙度Ra彡0. 25 μ m。根據(jù)我們長期的實踐和觀察，硬質(zhì)合金中粘結(jié)相含量高則韌性好，但抗磨損能力 會下降，容易產(chǎn)生塑性變形；硬質(zhì)合金中添加立方碳氮化合物后則高溫硬度提高，抗磨損能力增強，但韌性會相對降低，容易產(chǎn)生裂紋和崩刃。涂層厚度的增加會導(dǎo)致涂層應(yīng)力增加， 從而明顯降低刀具的抗彎強度。在金屬切削過程中，切屑和工件材料與刀片刃口產(chǎn)生作用， 產(chǎn)生很大的切削力和很高的切削溫度，刃口部位的粘結(jié)相富集表面區(qū)去除后，暴露出含有 立方碳氮化合物富集區(qū)并形成骨架支撐結(jié)構(gòu)，該骨架支撐結(jié)構(gòu)可以有效地提高刀片刃口的 高溫性能，避免粘結(jié)相富集表面區(qū)覆蓋的刃口在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生塑性變形， 這是本發(fā)明具備的一個基礎(chǔ)優(yōu)勢。但更重要的是，本發(fā)明除了關(guān)注刃口的塑性變形，還要同 時提高刀片的抗磨損能力，基于此，本發(fā)明通過添加少量的含氮立方化合物或由這些立方 化合物組成的固溶體為主的添加劑，結(jié)合梯度燒結(jié)工藝制備了表面富鈷的梯度硬質(zhì)合金基 體，再通過對刃口進行處理，形成立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向 上的長度Ll大于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2的刃口骨架支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計 可以有效避免由于立方碳氮化合物富集區(qū)在前刀面上的過渡暴露而導(dǎo)致的刃口強度下降 和刃口崩刃，同時提高刀片后刀面的抗磨損能力。另外，將上述帶梯度功能表面且刃口結(jié)構(gòu) 改善的刀片基體與所述的細晶薄的多層涂層結(jié)合，這進一步提高硬質(zhì)合金涂層刀片的韌性 和強度，在保持涂層刀片的耐磨性基礎(chǔ)上，大大的降低了熱裂紋擴展導(dǎo)致的刃口崩缺，滿足 鋼材和不銹鋼銑削的要求。上述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，位于前刀面且接近刃口區(qū) 域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3優(yōu)選大于位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相 富集表面區(qū)的厚度L4 ；所述L3的取值優(yōu)選為10 μ m彡L3彡70 μ m。更優(yōu)選的，位于后刀面 且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4等于零，即位于后刀面且接近刃口一 定區(qū)域內(nèi)的表層粘結(jié)相富集層被完全去除。本發(fā)明硬質(zhì)合金刀 片的前刀面采用粘結(jié)相富集 表面區(qū)的設(shè)計可以有效降低切削過程中熱烈紋的擴展，提高刀片刃口強韌性；而后刀面上 粘結(jié)相富集表面區(qū)對改善刀片刃口強韌性沒有明顯的作用，因此，后刀面采用相對較薄的 粘結(jié)相富集表面區(qū)或無粘結(jié)相富集表面區(qū)的設(shè)計，可以進一步提高刀片后刀面的抗磨損能 力，提高刀片的使用壽命。上述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述Co的含量優(yōu)選為 8wt% 1 Iwt %，所述立方相化合物的含量優(yōu)選為0. 5wt% 2. 5wt% (最優(yōu)選為0. 8% 1.5% )0較高的Co的含量可以改善刀具的強度和韌性，在WC/Co硬質(zhì)合金體系中添加少 量的含氮立方相化合物，可以通過梯度燒結(jié)技術(shù)制備具有粘結(jié)相富集表面區(qū)的梯度合金基 體，使本發(fā)明的刃口結(jié)構(gòu)設(shè)計得以實現(xiàn)，還可以避免由于立方相化合物含量過高導(dǎo)致硬質(zhì) 合金基體強度和抗熱裂紋擴展能力的下降。上述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，位于前刀面且接近刃口區(qū) 域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3的取值優(yōu)選為20 μ m < L3 < 50 μ m，該粘結(jié)相富集表 面區(qū)內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體中Co標稱含量的1 1. 5倍。上述的用于鋼材和不銹鋼 銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述立方碳氮化合物富集區(qū)的厚度優(yōu)選為20 μ m 60 μ m，該 立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)立方相化合物的含量優(yōu)選為硬質(zhì)合金基體中立方相化合物標稱 含量的1 1. 5倍。該梯度硬質(zhì)合金基體的粘結(jié)相富集表面區(qū)的存在有利于阻止刀片涂層 中產(chǎn)生的微裂紋向基體擴展，使之表現(xiàn)出比普通硬質(zhì)合金基體更好的抗沖擊性和抗崩刃能 力，可以降低立方相化合物導(dǎo)致的基體整體強韌度的下降所帶來的消極影響；而少量立方 碳氮化合物的加入又可以有效地提高刀具的高溫性能和硬度。
上述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述TiN層的厚度優(yōu)選為 0. 2 μ m 1 μ m ；所述TiCN層的厚度優(yōu)選為2 μ m 5 μ m ；所述TiCO過渡層的厚度優(yōu)選為
0.2 μ m 1 μ m ；所述α -Al2O3層的厚度優(yōu)選為1 μ m 3 μ m。上述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述TiCN層優(yōu)選為中 溫化學(xué)氣相沉積涂層(即MT-Ti (C，N)層)，所述TiCN層的平均晶粒度優(yōu)選為0.3μπι 1.5 μ m ；所述α -Al2O3層的平均晶粒度優(yōu)選為0. 4 μ m 1. 5 μ m。在上述技術(shù)方案的涂層結(jié)構(gòu)中，MT-Ti (C，N)涂層內(nèi)應(yīng)力較小，可以在相同厚度下 提高涂層的韌性，阻止裂紋的擴散，減少刀具的崩刃；或在相同應(yīng)力下可以增加涂層的厚 度，提高耐磨性。將MT-Ti (C，N)層作為本發(fā)明涂層刀片的主涂層，兼有TiN的良好韌性和 TiC的良好硬度，可以顯著地提高涂層刀片的使用壽命。Al2O3具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定 性和抗氧化性，更為重要的是Al2O3與鋼鐵及不銹鋼類工件材料的化學(xué)親和力小，在加工中 表現(xiàn)出良好的抗化學(xué)磨損性能。由于CVD涂層普遍處于拉應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)生裂紋，并且涂 層裂紋隨涂層厚度的增加具有增加的趨勢，所以對于銑削加工而言，本發(fā)明采用較薄的涂 層設(shè)計，以降低涂層的應(yīng)力和裂紋密度。上述用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片基體的具體制備方法是將碳化鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加 劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進行 燒結(jié)，在硬質(zhì)合金基體表面形成一層粘結(jié)相富集表面區(qū)，在粘結(jié)相富集表面區(qū)下形成一層 立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結(jié)相富集表面區(qū)內(nèi)Co的含量大于硬質(zhì)合金基體中Co標稱 含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)碳氮化合物的含量大于等于硬質(zhì)合金基體中碳氮化合物標 稱含量；然后，對制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體采用倒棱、噴砂、研磨、拋光、磨 刷等方法中的一種或多種組合，對刀片的刃口、后刀面、前刀面進行處理，有選擇性地去除 刃口、后刀面、前刀面上的粘結(jié)相富集表面區(qū)以及部分立方碳氮化合物富集區(qū)，最后得到本 發(fā)明的改善刃口結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀片。在上述制備的硬質(zhì)合金刀片基體上通過以下現(xiàn)有工藝的組合可以得到多層涂層 先采用現(xiàn)有的CVD工藝在硬質(zhì)合金基體上沉積最里層的TiN層；再利用MTCVD工藝(也可 利用CVD法)在TiN層上沉積TiCN層；然后利用現(xiàn)有的HTCVD工藝在TiCN層上沉積一層 TiCO層；最后利用HTCVD工藝在TiCO層上沉積最外層的α -Al2O3層。對涂覆涂層后的硬 質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂、含硅尼龍刷拋光等表面處理，在300 μ m的長度上測得的表面粗 糙度 Ra ^ 0. 25 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明針對鋼材及不銹鋼銑削加工的特點， 通過添加少量立方碳氮化合物，制備了具有粘結(jié)相富集表面區(qū)的梯度硬質(zhì)合金基體，涂層 采用較薄的TiN/MTCVD/TiCO/α -Al2O3多層涂層設(shè)計。本發(fā)明根據(jù)切削刀片前刀面、刃口、 后刀面部位的功能特性對具有粘結(jié)相富集表面區(qū)刀片的刃口結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和改進，在 前刀面采用保留粘結(jié)相富集表面區(qū)的設(shè)計，在刃口處暴露出立方碳氮化合物富集區(qū)，在后 刀面采用薄層的粘結(jié)相富集表面區(qū)或無粘結(jié)相富集表面區(qū)的設(shè)計，這三個特點結(jié)合形成的 刃口結(jié)構(gòu)可以有效避免因熱裂紋擴展導(dǎo)致的刃口崩缺、塑性變形導(dǎo)致的燒刀和加工硬化導(dǎo) 致的后刀面磨損，可以在提高刃口強度的同時，大大提高硬質(zhì)合金刀片前、后刀面的抗磨損 能力。
此外，本發(fā)明通過對粘結(jié)相富集表面區(qū)、立方碳氮化合物富集區(qū)及多層涂層的厚 度和微觀結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得本發(fā)明的硬質(zhì)合金涂層刀片具有更加優(yōu)良的綜合性能，在鋼 材及不銹鋼的銑削加工中顯示出其良好的高溫性能、高韌性和耐磨性能。


圖1為本發(fā)明實施例1中硬質(zhì)合金刀片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2中硬質(zhì)合金刀片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具體實施方式
中對比產(chǎn)品A的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明1、硬質(zhì)合金基體；11、前刀面；12、后刀面；13、刃口 ；14、均相合金區(qū)；15、立方碳氮 化合物富集區(qū)；16、粘結(jié)相富集表面區(qū)；17、交匯區(qū)域；2、涂層；21、TiN層；22、TiCN層；23、 TiCO 過渡層；24、a-Al203 層。
具體實施例方式實施例1一種如圖1所示的本發(fā)明的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬 質(zhì)合金基體1和其上涂覆的涂層2，硬質(zhì)合金基體1包括至少一個由前刀面11和后刀面12 相交所形成的刃口 13，刃口 13兩側(cè)位于前刀面11和后刀面12的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化 結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)14過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)15、再過 渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)16，梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口 13處的交匯區(qū)域17主要為立方碳氮化合 物富集區(qū)，且暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于前刀面11方向上 的長度L1 (約為40i!m)大于其垂直于后刀面12方向上的長度L2(約為20i!m)；涂層2為細晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層21，等軸晶，厚度為0.5 ii m，平均晶粒度< 0. 5 y m ；-一層TiCN層22，柱狀晶，厚度為6 y m，平均晶粒度為0. 8 y m ；-一層TiCO過渡層23，厚度為0.5iim，該層晶粒為針狀晶粒，平均晶粒度 < 0. 5 y m ；-最外層的a-Al203層24，厚度為1.5iim，等軸晶粒，平均晶粒度為1.liim，在 300 u m的長度上測得的表面粗糙度Ra = 0. 25 u m。本實施例的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片的制備方法如下將碳化 鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加劑混合制備成均 勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進行燒結(jié)(在1440°C 下燒結(jié)，高溫燒結(jié)后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質(zhì)合金基體1表面形成一層粘結(jié)相富集表面 區(qū)16，在粘結(jié)相富集表面區(qū)16下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)15。粘結(jié)相富集表面區(qū) 16的厚度為30 y m，其內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體1中Co標稱含量的1. 3倍；立方碳氮化 合物富集區(qū)15的厚度L5為50 y m，其內(nèi)碳氮化合物的含量為硬質(zhì)合金基體1中碳氮化合物 標稱含量的1. 2倍。該方法制得的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1的組成包含有10襯％的 &)、1襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC.。然后，對燒結(jié)制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu) 的硬質(zhì)合金基體1采用研磨去除后刀面12的粘結(jié)相富集表面區(qū)16，再用含SiC的尼龍刷對刃口 13進行圓化處理，得到本實施例的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片的硬 質(zhì)合金基體1。如圖1所示，L4 = 0，而位于前刀面11且接近刃口 13區(qū)域的粘結(jié)相富集表 面區(qū)16的厚度L3仍然保持為30 μ m。對上述硬質(zhì)合金刀片基體1在同一涂層周期中沉積如下涂層1)先利用現(xiàn)有的CVD法在硬質(zhì)合金基體1上沉積一層上述的TiN層21 ；2)然后利用MTCVD工藝(也可利用CVD法)在TiN層21上沉積一層上述的TiCN 層22 (具體為TiCa5Na5層)；3)再利用現(xiàn)有的CVD法在TiCN層22上沉積一層上述的TiCO過渡層23 ；4)最后利用CVD法在TiCO過渡層23上沉積一層上述的α -Al2O3層24作為最外 層，得到本實 施例的用于鋼材車削的硬質(zhì)合金涂層刀片。對上述制得的本實施例的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂、含硅尼龍刷拋光等表面處 理，在300 μ m的長度上測得的表面粗糙度Ra = 0. 25 μ m。實施例2 一種如圖2所示的本發(fā)明的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬 質(zhì)合金基體1和其上涂覆的涂層2，硬質(zhì)合金基體1包括至少一個由前刀面11和后刀面12 相交所形成的刃口 13，刃口 13兩側(cè)位于前刀面11和后刀面12的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化 結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)14過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)15、再過 渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)16，梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口 13處的交匯區(qū)域17主要為立方碳氮化合 物富集區(qū)，且暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于前刀面11方向上 的長度Ll (約為40 μ m)大于其垂直于后刀面12方向上的長度L2(約為10 μ m)；涂層2為細晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層21，等軸晶，厚度為0.5 μ m，平均晶粒度< 0. 5 μ m ；-一層TiCN層22，柱狀晶，厚度為5 μ m,平均晶粒度為0. 8 μ m ；-一層TiCO過渡層23，針狀晶粒，厚度為0. 5 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；-最外層的α-Al2O3層24，等軸晶粒，厚度為3μ m，平均晶粒度為1.1 μ m，在 300 μ m的長度上測得的表面粗糙度Ra = 0. 25 μ m。本實施例的用于鋼材車削的硬質(zhì)合金涂層刀片的制備方法如下將碳化鎢粉、鈷 粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加劑混合制備成均勻的粉末 混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進行燒結(jié)(在1440°C下燒結(jié)，高 溫燒結(jié)后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質(zhì)合金基體1表面形成一層粘結(jié)相富集表面區(qū)16，在粘 結(jié)相富集表面區(qū)16下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)15 ；粘結(jié)相富集表面區(qū)16的厚度為 40 μ m，其內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體1中Co標稱含量的1. 2倍；立方碳氮化合物富集區(qū) 15的厚度L5為60 μ m，其內(nèi)碳氮化合物的含量為硬質(zhì)合金基體1中碳氮化合物標稱含量的 1. 2倍。該方法制得的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1的組成包含有8襯％的&)、3襯％的 Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1 采用與刀片后刀面12成80°角的方式對該刀片進行濕噴砂處理，使刀片刃口 13圓化，同時 部分去除后刀面12表層的粘結(jié)相富集表面區(qū)，使位于后刀面12且接近刃口 13區(qū)域的粘結(jié) 相富集表面區(qū)的厚度L4約為10 μ m，而位于前刀面11且接近刃口 13區(qū)域的粘結(jié)相富集表 面區(qū)的厚度L3仍然保持為40 μ m，得到本實施例的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金基體1。再采用與實施例1相同的涂覆方法按上述涂層結(jié)構(gòu)進行涂層，得到本實施例的用于鋼材 和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片。對比實驗對比產(chǎn)品A將碳化鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加 劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進行 燒結(jié)(在1440°C下燒結(jié)，高溫燒結(jié)后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質(zhì)合金基體表面形成一層 粘結(jié)相富集表面區(qū)16，在粘結(jié)相富集表面區(qū)16下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)15，立方 碳氮化合物富集區(qū)15下方為均相合金區(qū)14 ；該粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度為20 μ m，粘結(jié)相 富集表面區(qū)內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體中Co標稱含量的1. 3倍；立方碳氮化合物富集區(qū) 的厚度L5約為28 μ m，立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)碳氮化合物的含量為硬質(zhì)合金基體中碳氮 化合物標稱含量的1. 2倍，制得的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體組成包含有5襯％的Co、 8. 5襯％的 Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì) 合金基體采用與刀片前刀面成45°角的方式對該刀片進行濕噴砂處理，去除刀片刃口的粘 結(jié)相富集表面區(qū)，使刀片刃口圓化，最后得到如圖3所示的對比產(chǎn)品A的硬質(zhì)合金基體1，其 中暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于前刀面11方向上的長度Ll 為20 μ m，其垂直于后刀面12方向上的長度L2為25 μ m。涂層2與實施例1中的涂層相同。對比產(chǎn)品B選用與對比產(chǎn)品A具有相同結(jié)構(gòu)的刀片基體，對該基體在同一涂層周期中沉積如 下涂層1)先利用現(xiàn)有的CVD法沉積一層等軸晶粒的TiN層21，其厚度為0. 5 μ m ；2)再利用MTCVD工藝(也可利用CVD法)沉積一層柱狀晶粒的TiCxNy層22，其 厚度為9 μ m，平均晶粒度為為0. 8 μ m ；3)然后利用現(xiàn)有的CVD法沉積一層針狀晶粒的TiCO層23，其厚度為0. 5 μ m ；4)最后利用HTCVD技術(shù)沉積一層細晶粒的α-Al2O3層24作為最外層，其厚度為 7 μ m，平均晶粒度為1. Ιμ 。對上述制得的本實施例的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂、含硅尼龍刷拋光等表面處 理，在300 μ m的長度上測得的表面粗糙度Ra = 0. 25 μ m。對比產(chǎn)品C對比產(chǎn)品C為現(xiàn)有市場上銷售的普通涂層刀片，該涂層刀片的基體組成包含有 9襯％的Co，余量為WC，刀片基體在刃口處未形成立方相富集的骨架支撐結(jié)構(gòu)，其涂層包含 有一層3 μ m厚的TiCxNyOz層和一層2. 5 μ m厚α -Al2O3外層。對比實驗上述實施例1、2與對比產(chǎn)品A、B、C在不同切削條件下的對比試驗數(shù)據(jù)及測試結(jié)果 如下1、銑削45#鋼材，對上述刀片的耐磨性能進行比較測試。刀具壽命標準為后刀面 磨損為0. 25mm時的加工時間。切削條件
測試結(jié)果 試驗結(jié)果表明在鋼材的高速(400m/min、300m/min)銑削加工中，本發(fā)明的實施 例1、2由于具有優(yōu)化的刃口支撐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的硬質(zhì)合金組成和涂層結(jié)構(gòu)，相比于對比產(chǎn)品 A、B、C (現(xiàn)有技術(shù))，其耐磨性能和使用壽命得到了明顯改善。2、銑削45#鋼材，對上述刀片的失效模式進行比較。切削條件 測試結(jié)果 試驗結(jié)果表明在鋼材的高速(400m/min)銑削加工中，本發(fā)明的實施例1、2由于 具有優(yōu)化的刃口支撐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的硬質(zhì)合金組成和涂層結(jié)構(gòu)，相比于對比產(chǎn)品A、B、C(現(xiàn)有 技術(shù))，刀片的穩(wěn)定性得到了明顯改善。3、銑削ICrlSNiOTi不銹鋼，對上述刀片的耐磨性能進行比較測試。刀具壽命標準 為后刀面磨損為0. 2mm時的加工時間。切削條件 測試結(jié)果 試驗結(jié)果表明在ICrlSNiOTi不銹鋼的高速銑削加工中，本發(fā)明的實施例1、2由 于具有由立方相富集區(qū)形成的支撐結(jié)構(gòu)和有優(yōu)化的基體和涂層組織結(jié)構(gòu)，相比于對比產(chǎn)品 A、B、C (現(xiàn)有技術(shù))，刀具的穩(wěn)定性和使用壽命得到了明顯改善。
權(quán)利要求
一種用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，所述硬質(zhì)合金基體包括至少一個由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側(cè)位于前刀面和后刀面的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體包含以WC為基礎(chǔ)的硬質(zhì)相、以Co為基礎(chǔ)的粘結(jié)相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金屬元素的立方相化合物；所述硬質(zhì)合金基體中Co的含量為7wt％～12wt％，所述立方相化合物的含量為0.2wt％～3.5wt％；所述梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長度L1大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2的2倍；所述涂層為細晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層，厚度為0.1μm～2μm，平均晶粒度≤0.5μm；-一層TiCN層，柱狀晶，厚度為1μm～6μm，平均晶粒度為0.1μm～2μm；-一層TiCO過渡層，厚度為0.1μm～1.5μm，該層晶粒為針狀晶粒或等軸晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-最外層的α-Al2O3層，厚度為1μm～5μm，等軸晶粒，平均晶粒度為0.1μm～2μm，在300μm的長度上測得的表面粗糙度Ra≤0.25μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 位于前刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3大于位于后刀面且接近刃 口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4 ；所述L3的取值為10 y m < L3 < 70 y m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4等于零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片， 其特征在于所述Co的含量為8wt% llwt%，所述立方相化合物的含量為0. 5wt% 2. 5wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片， 其特征在于位于前刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3的取值為 20 u m ^ L3 ^ 50 u m,該粘結(jié)相富集表面區(qū)內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體中Co標稱含量的 1 1. 5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特 征在于所述立方碳氮化合物富集區(qū)的厚度為20 y m 60 y m，該立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi) 立方相化合物的含量為硬質(zhì)合金基體中立方相化合物標稱含量的1 1. 5倍。
7 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特 征在于所述TiN層的厚度為0. 2iim lym;所述TiCN層的厚度為2iim 5iim ；所述 TiCO過渡層的厚度為0. 2 ii m 1 ii m ；所述a -A1203層的厚度為1 y m 3 y m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其 特征在于所述TiCN層為中溫化學(xué)氣相沉積涂層，所述TiCN層的平均晶粒度為0. 3 y m 1. 5um ；所述a -A1203層的平均晶粒度為0. 4 y m 1. 5 y m。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種用于鋼材和不銹鋼銑削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，基體包括至少一個由前、后刀面相交所形成的刃口，刃口兩側(cè)的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)由內(nèi)層的均相合金區(qū)過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)的梯度變化結(jié)構(gòu)，對基體中Co和立方相化合物含量進行控制；梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的該區(qū)域在垂直于前刀面方向上的長度大于或等于后刀面方向上的長度的2倍；所述涂層由里到外依次包括有TiN層、TiCN層、TiCO過渡層和最外層的α-Al2O3層。本發(fā)明的涂層刀片具有耐磨性好、刃口強度高、抗熱裂紋擴展能力強等優(yōu)點。
文檔編號C23C16/44GK101870003SQ201010211189
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者劉王平, 溫光華, 王社權(quán), 陳響明, 黃文亮 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司