專利名稱：Cvd涂層刀具刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層硬質(zhì)合金刀片(刀具)，尤其用于銑削不銹鋼和超耐熱不銹鋼，而且還用于在要求韌性的用途中對(duì)鋼進(jìn)行銑削。
背景技術(shù)：
在用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)各種材料進(jìn)行銑削期間，認(rèn)為刀刃按照不同的磨損機(jī)理磨損。很少遇到單一狀態(tài)的磨損類型，例如化學(xué)磨損、摩擦磨損和粘附磨損，往往是遇到復(fù)雜的磨損方式。哪一種磨損機(jī)理的占主要地位是由用途決定的，并且取決于工件的性能和所施加的切削參數(shù)以及刀具材料的性能。在高切削速度下，在切削區(qū)域中所產(chǎn)生出的熱量相當(dāng)大，并且刀刃會(huì)出現(xiàn)塑性變形，這反過(guò)來(lái)通過(guò)其它機(jī)理產(chǎn)生更高的磨損。刀具壽命往往也受到由垂直于刀刃形成的所謂梳狀裂紋引起的刃剝落的限制。這些裂紋是由刀刃在斷續(xù)切削過(guò)程中受到的變化的熱和機(jī)械載荷導(dǎo)致的。這在使用冷卻劑進(jìn)行機(jī)加工中更加明顯，在這種加工中加大了熱變化。
通常與其它鋼相比，許多不銹鋼尤其是超耐熱不銹鋼其材料特性從可機(jī)加工性方面看最不理想。這些材料的低導(dǎo)熱性導(dǎo)致刀具和工件接觸區(qū)域中產(chǎn)生高溫。使用冷卻劑來(lái)降低刀具溫度會(huì)帶來(lái)非常大的熱變化，并且產(chǎn)生高內(nèi)部刀具載荷。這些工件材料也往往容易變形硬化。工件在切削區(qū)域中的變形硬化會(huì)導(dǎo)致高切削力，或者甚至在硬化層中切削，這兩者都會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加速。另外，大多數(shù)不銹鋼和超耐熱不銹鋼對(duì)于許多涂層材料顯示出良好的附著性，并且由于切屑的重新切削而導(dǎo)致的刀刃的粘附磨損和迅速剝落相當(dāng)明顯。因此顯然用于對(duì)不銹鋼和超耐熱不銹鋼進(jìn)行銑削的涂層硬質(zhì)合金刀具必須具有刀具材料通常所需要有的那些特性之外的特性。
通常，可以采取措施來(lái)針對(duì)特定的磨損類型改善切削性能。但是，往往這些措施對(duì)其它磨損性能具有負(fù)面作用，因此必須小心優(yōu)化許多性能來(lái)設(shè)計(jì)出成功的刀具復(fù)合材料。提高銑刀通常所需要的韌性的簡(jiǎn)單方法是提高粘接劑相含量。但是，這也將立即降低耐磨性，以及耐塑性變形能力。加入立方碳化物例如TiC、TaC和NbC是另一種用來(lái)影響刀具性能的方式，并且大加入量與高粘合劑相含量結(jié)合可以獲得相對(duì)良好的韌性性能。但是，這種添加在梳狀裂紋形成和刀刃剝落傾向上具有負(fù)面影響。
由于顯然難以同時(shí)改善所有刀具性能，所以已經(jīng)針對(duì)上述磨損類型中的一種或幾種對(duì)市售的硬質(zhì)合金品種進(jìn)行了優(yōu)化。因此，它們也已經(jīng)被優(yōu)化用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域。
US6,062,776披露了一種尤其用于在不穩(wěn)定狀態(tài)中銑削具有原始表面例如鑄造表皮、鍛造表皮、熱軋或冷軋表皮或預(yù)機(jī)加工表面的低和中合金鋼以及不銹鋼的涂層切削刀片。該刀片其特征在于，包含一種WC-Co硬質(zhì)合金，它具有低含量立方碳化物和相當(dāng)?shù)偷腤—合金化粘合劑相；以及一種涂層，它包括具有柱狀晶粒的TiCxNyOz最里層、TiN頂層和κ-Al2O3內(nèi)層。
US6,177,178披露了一種尤其用于在濕潤(rùn)或干燥條件下磨削具有或沒(méi)有原始表面區(qū)域的中和低合金鋼的涂層銑削刀片。該刀片其特征在于，包含一種WC-Co硬質(zhì)合金，它具有低含量立方碳化物和高W—合金化粘合劑相；以及一種涂層，它包括具有柱狀晶粒的TiCxNyOz最里層、一κ-Al2O3內(nèi)層、以及優(yōu)選一TiN頂層。
US6,250,855披露了一種對(duì)具有不同組分和微觀結(jié)構(gòu)的不銹鋼進(jìn)行濕或干銑削的涂層銑削刀片。基于涂層WC-Co的硬質(zhì)合金刀片包括具有特定含量的沒(méi)有添加任何立方碳化物的WC-Co、低W合金Co粘合劑以及包含有由組分(TixAl1-x)N子層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)耐磨涂層。
EP1103635提供一種尤其用于對(duì)低和中合金鋼以及不銹鋼進(jìn)行濕和干銑削以及用于對(duì)不銹鋼進(jìn)行車削的刀具刀片。該刀具由其上具有多層耐火涂層的鈷硬質(zhì)合金基底構(gòu)成。該基底其鈷含量為9.0-10.9wt％，并且含有1.0-2.0wt％的TaC/NbC。該涂層包括一MTCVDTiCxNyOz層和由κ-Al2O3和TiCxNyOz層構(gòu)成的多層涂層。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)組合該刀具的許多不同特征實(shí)現(xiàn)提高切削性能。該切削刀片由于對(duì)于銑削不銹鋼和超耐熱不銹鋼而言具有優(yōu)異的性能，而且對(duì)于在需要韌性的操作中的鋼而言具有優(yōu)異性能。在這些切削條件下，根據(jù)本發(fā)明的刀具在上述許多磨損類型方面具有改進(jìn)的性能。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的刀具刀片包括其立方碳化物量相對(duì)較低的硬質(zhì)合金基底，它具有中到高的W—合金化粘合劑相和細(xì)小到中等的WC晶粒尺寸。該基底設(shè)有一耐磨涂層，該涂層包括由等軸晶粒構(gòu)成的TiCxNyOz層、由柱狀晶粒構(gòu)成的TiCxNyOz層以及至少一層α-Al2O3層。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1以2500倍放大倍數(shù)顯示出根據(jù)本發(fā)明的涂層硬質(zhì)合金刀片，其中1.硬質(zhì)合金本體2.最里面的TiCxNyOz層3.具有柱狀晶粒的TiCxNyOz層4.α-Al2O3層優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的涂層刀具刀片設(shè)有一硬質(zhì)合金本體，其成分為11.3-12.7wt％Co，優(yōu)選為11.5-12.5wt％Co，最優(yōu)選為11.8-12.4wt％Co；總含量為0.5-2.5wt％、優(yōu)選為0.7-1.9wt％、最優(yōu)選為1.0-1.8wt％的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以由其它選自元素周期表中的族IVb、Vb或VIb的元素的碳化物代替。Ti的含量?jī)?yōu)選在與技術(shù)雜質(zhì)相對(duì)應(yīng)的程度上。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在Ta和Nb之間的重量比為1.0-12.0，優(yōu)選為1.5-11.4，最優(yōu)選為3.0-10.5。
鈷粘合劑相與鎢中度至高度合金化。在粘合劑相中的W含量可以表示為S-值＝σ/16.1，其中σ為測(cè)量出的粘合劑相的磁矩，以μTm3/kg表示。該S值取決于在粘合劑相中的鎢含量，并且隨著鎢含量的減小而增加。因此，對(duì)于純鈷或在碳飽和的硬質(zhì)合金中的粘合劑而言，S＝1，對(duì)于其W含量對(duì)應(yīng)于形成η相的邊界線的粘合劑相而言，S＝0.78。
根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)合金本體其S值為0.81-0.95、優(yōu)選為0.82-0.94、最優(yōu)選為0.85-0.92情況下，可以實(shí)現(xiàn)切削性能的改進(jìn)。
另外，在磨光和拋光的示例性橫截面上測(cè)量出的碳化鎢相的平均截取長(zhǎng)度為0.3-0.8μm，優(yōu)選為0.4-0.8μm。該截取長(zhǎng)度是通過(guò)在放大倍數(shù)為10000x的顯微照片上進(jìn)行圖像分析測(cè)量出的，并且計(jì)算成大約1000個(gè)截取長(zhǎng)度的平均值。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，該涂層包括一TiCxNyOz第一層(最里層)，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，更優(yōu)選y＞x并且z＜0.2，最優(yōu)選y＞0.7，而且具有等軸晶粒，其總厚度＜1μm，優(yōu)選＞0.1μm。
一TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最優(yōu)選x＞0.4，其厚度為0.5-5μm，優(yōu)選為1-4μm，最優(yōu)選為1.5-3μm，具有柱狀晶粒。
由α相構(gòu)成的一Al2O3層。該Al2O3層其厚度為0.2-5μm，優(yōu)選為0.5-4μm，并且最優(yōu)選為1-3μm。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在涂覆之后在采用濕法清理或鋼絲刷清理操作對(duì)如上所述的刀具刀片進(jìn)行處理，從而可以改善在涂層刀具的前刀面上的表面質(zhì)量。
本發(fā)明還涉及一種制造涂層刀具的方法，該刀具其成分為11.3-12.7wt％Co，優(yōu)選為11.5-12.5wt％Co，最優(yōu)選為11.8-12.4wt％Co；總含量為0.5-2.5wt％、優(yōu)選為0.7-1.9wt％、最優(yōu)選為1.0-1.8wt％的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以由其它選自元素周期表中的族IVb、Vb或VIb的元素的碳化物代替。Ti的含量?jī)?yōu)選在與技術(shù)雜質(zhì)相對(duì)應(yīng)的程度上。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在Ta和Nb之間的重量比為1.0-12.0，優(yōu)選為1.5-11.4，最優(yōu)選為3.0-10.5。
所要求的平均截取長(zhǎng)度取決于初始粉末的晶粒尺寸以及研磨和燒結(jié)條件，并且必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。所要求的S值取決于初始粉末和燒結(jié)條件，并且也必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
在700-950℃的溫度范圍內(nèi)，采用乙腈作為碳和氮源利用MTCVD技術(shù)將TiCxNyOz層沉積到硬質(zhì)合金合金上以便形成該層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最優(yōu)選x＞0.4，并且具有柱狀晶粒形態(tài)。
最里面的TiCxNyOz層和氧化鋁層依照已知的技術(shù)沉積。
本發(fā)明還涉及使用根據(jù)上面所述的刀具刀片來(lái)以30-500m/分鐘、優(yōu)選為50-400m/分鐘的切削速度銑削不銹鋼和超耐熱合金，并且根據(jù)切削速度和刀片幾何形狀其平均切屑厚度數(shù)值為0.04-0.20mm。
實(shí)施例1品種A通過(guò)常規(guī)研磨粉末、壓制生坯并且隨后在1430℃下燒結(jié)從而生產(chǎn)出根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金基底，其組分為12wt％Co、1.3wt％TaC、0.2wt％NbC和衡量WC并且具有對(duì)應(yīng)于S值為0.90的與W合金化的粘合劑相。在燒結(jié)之后對(duì)該微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察表明，碳化鎢相的平均截取長(zhǎng)度為0.59μm。該基底根據(jù)本發(fā)明涂有0.2μm厚的TiCxNyOz層，其中z＜0.1并且y＞0.6，具有等軸晶粒；2.5μm厚的柱狀晶粒TiCxNyOz層，它是采用乙腈作為碳氮源在835-850℃下沉積而成，從而形成的碳氮比約為x/y＝1.5，并且z＜0.1；以及1.2μm的α-Al2O3層，它是在大約1000℃下沉積而成。用XRD對(duì)Al2O3層進(jìn)行分析表明沒(méi)有任何κ-Al2O3的痕跡。
品種B用粗大的WC粉末制備出其化學(xué)成分和制造方法與品種A的基底(根據(jù)本發(fā)明)相同的基底，從而導(dǎo)致其WC相的平均截取長(zhǎng)度為0.7μm。根據(jù)本發(fā)明的品種A的方法對(duì)基底進(jìn)行涂覆。
品種C通過(guò)常規(guī)研磨粉末、壓制生坯并且隨后在1430℃下進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn)出該基底，其組分為12wt％Co、0.52wt％Cr和衡量WC，其W合金化粘合劑相對(duì)應(yīng)于0.87的S值，并且在燒結(jié)體中的WC的平均截取長(zhǎng)度為0.58μm，該基底結(jié)合有根據(jù)品種A(根據(jù)本發(fā)明)的涂層。
在其中施加有流體冷卻劑的端面銑削應(yīng)用中對(duì)根據(jù)品種A、品種B和品種C的刀片進(jìn)行測(cè)試。
刀具壽命受到與梳狀裂紋相關(guān)的刀刃剝落的限制。該試驗(yàn)表明其受WC晶粒尺寸的影響較小，并且代替立方碳化物例如TaC和NbC添加有Cr作為晶粒生長(zhǎng)抑制劑的材料其性能較差。
實(shí)施例2品種D品種A(根據(jù)本發(fā)明)的基底涂有0.3μm厚的具有等軸晶粒的TiCxNyOz層、在835-850℃下沉積出的2.5μm厚的柱狀晶粒TiCxNyOz層以及在大約1000℃下沉積出的1.3μm厚的κ-Al2O3層。對(duì)該涂層進(jìn)行XRD分析表明不存在α-Al2O3相的Al2O3。
在對(duì)Inconel 718零件進(jìn)行端面銑削操作中對(duì)品種A和品種D的刀片進(jìn)行測(cè)試。
在到達(dá)最大刀具壽命之前停止試驗(yàn)，并且研究這些刀片的磨損。品種A的刀片表現(xiàn)出更低的平均側(cè)面磨損，而品種D的刀片次之，另外刀刃剝落傾向性在品種A的刀片上更不明顯。即，品種A的刀片在與品種D的刀片相比時(shí)顯示出更好的耐磨性和韌性性能。
實(shí)施例3品種E將品種A(根據(jù)本發(fā)明)的基底涂有根據(jù)品種A的涂層結(jié)構(gòu)，并且增加0.4厚的外部富氮TiCxNyOz層。
刀具壽命受到側(cè)面磨損和刀刃剝落的限制。當(dāng)使用在品種A中的刀片時(shí)，切屑附著到切削刀片的可能性比在使用在品種E中的刀片時(shí)低得多。品種E的刀具壽命更差是由于因粘附磨損和切屑的再切削而出現(xiàn)的更明顯的刀刃剝落造成的。
實(shí)施例4品種F來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)者的市售的硬質(zhì)合金切削刀片，其組分為10.5wt％Co、0.43wt％Cr和衡量WC。W合金化粘合劑相對(duì)應(yīng)于0.91的S值，并且WC的平均截取長(zhǎng)度為0.6μm。該刀片涂有4.9μm厚的涂層，該涂層具有交替的TiN和TiAl1-xN層。
在對(duì)于最差品種到達(dá)最大刀具壽命時(shí)測(cè)量出這些刀片的磨損。
權(quán)利要求
1.一種刀具刀片，它包括硬質(zhì)合金本體和涂層，尤其用于對(duì)不銹鋼和超耐熱不銹鋼進(jìn)行銑削以及對(duì)要求韌性的用途中對(duì)鋼進(jìn)行銑削，其特征在于，所述本體其成分為11.3-12.7wt％Co，優(yōu)選為11.5-12.5wt％Co，最優(yōu)選為11.8-12.4wt％Co；總含量為0.5-2.5wt％、優(yōu)選為0.7-1.9wt％、最優(yōu)選為1.0-1.8wt％的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC，所述WC晶粒其平均截取長(zhǎng)度為0.3-0.8μm，優(yōu)選為0.4-0.8μm，粘合劑相對(duì)應(yīng)于在0.81-0.95、優(yōu)選為0.82-0.94范圍內(nèi)的S值與W合金化，并且所述涂層包括TiCxNyOz第一層(最里層)，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，更優(yōu)選y＞x并且z＜0.2，最優(yōu)選y＞0.7，而且具有等軸晶粒，其總厚度＜1μm，優(yōu)選＞0.1μm；TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最優(yōu)選x＞0.4，其厚度為0.5-5μm，優(yōu)選為1-4μm，最優(yōu)選為1.5-3μm，具有柱狀晶粒；以及由α相構(gòu)成的Al2O3層，該Al2O3層其厚度為0.2-5μm，優(yōu)選為0.5-4μm，并且最優(yōu)選為1-3μm。
2.一種制造刀具刀片的方法，該刀具刀片包括硬質(zhì)合金本體和涂層，其成分為11.3-12.7wt％Co，優(yōu)選為11.5-12.5wt％Co，最優(yōu)選為11.8-12.4wt％Co；總含量為0.5-2.5wt％、優(yōu)選為0.7-1.9wt％、最優(yōu)選為1.0-1.8wt％的金屬Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC，所述WC晶粒其平均截取長(zhǎng)度為0.3-0.8μm，優(yōu)選為0.4-0.8μm，粘合劑相對(duì)應(yīng)于在0.81-0.95、優(yōu)選為0.82-0.94范圍內(nèi)的S值與W合金化，并且所述涂層包括TiCxNyOz第一層(最里層)，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.5，更優(yōu)選y＞x并且z＜0.2，最優(yōu)選y＞0.7，而且具有等軸晶粒，其總厚度＜1μm，優(yōu)選＞0.1μm；TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優(yōu)選z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最優(yōu)選x＞0.4，其厚度為0.5-5μm，優(yōu)選為1-4μm，最優(yōu)選為1.5-3μm，具有柱狀晶粒；以及由α相構(gòu)成的Al2O3層，該Al2O3層其厚度為0.2-5μm，優(yōu)選為0.5-4μm，并且最優(yōu)選為1-3μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2的刀具刀片在以30-500m/分鐘、優(yōu)選為50-400m/分鐘的切削速度銑削不銹鋼和超耐熱合金中的用途，其中根據(jù)切削速度和刀片幾何形狀其平均切屑厚度數(shù)值為0.04-0.25mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涂層硬質(zhì)合金刀片(刀具)，尤其用于對(duì)不銹鋼和超耐熱不銹鋼進(jìn)行銑削而且還用于對(duì)要求韌性的用途中對(duì)鋼進(jìn)行銑削。該刀具刀片其特征在于，它具有一硬質(zhì)合金本體，該本體包含有WC、NbC和TC；一W合金Co粘合劑相；以及一涂層，它包含有最里面的具有等軸晶粒的TiC
文檔編號(hào)C22C29/08GK1572415SQ20041005930
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月16日
發(fā)明者安德烈亞斯·拉松, 阿內(nèi)特·蘇林, 萊納·彼得松, 薩卡里·魯皮 申請(qǐng)人:山高刀具公司