帶塗層的切削刀片的製作方法

2023-12-01 07:33:56 1

專利名稱：帶塗層的切削刀片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有塗層的硬質合金刀片(切削刀具)，尤其是用於高速銑削鋼以及銑削淬火鋼的硬質合金刀片(切削刀具)。
背景技術：
在用帶塗層的硬質合金刀具對鋼、不鏽鋼和鑄鐵進行機加工時，切削刃隨磨損機理的不同而有不同程度的磨損，如化學磨損(腐蝕)，磨耗和磨損。在高切削速度下，在切削區將產生大量的熱，並且切削刃也可能會產生塑性變形，隨後又會由於其他機理而產生更大程度的磨損。在不同應用場合將會有不同的主要磨損機理。在銑削時，刀具壽命通常受到由垂直於切削刃的所謂梳狀裂紋(comb crack)導致的刀口缺口(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械應力。這一點在使用冷卻劑、會增加熱量變化的機加工過程更為明顯。
根據特定的磨損形式，可以採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，好的刀具複合材料必須通過細緻優化多種性能來設計實現。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行機加工的變形阻力。然而，這種添加將對刀口缺口趨向以及梳狀裂紋形狀產生負面影響。
顯而易見，同時改善刀具的所有性能非常困難，經濟的硬質合金等級常常根據一或幾種上面提及的磨損形式來進行優化。這也意味著為特定的應用領域進行這些優化。
US6062776公開了一種帶塗層的切削刀片，尤其是用於磨削帶有粗糙表面的低合金鋼和中合金鋼以及不鏽鋼，象鑄造表面，鍛造表面，熱或冷軋輥表面或在不穩定狀態下的預加工表面。該切削刀片的特徵在於包括一個WC-Co硬質合金和塗層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和添加有相當少量W的粘結相，所述塗層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構成的最內層，TiN最外層和κ-Al2O3的內層。
美國專利US6117178公開了一種帶塗層的銑削刀片，尤其是用於在幹或溼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。該切削刀片的特徵在於包括一個WC-Co硬質合金和塗層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和添加有高含量W的粘結相，所述塗層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構成的內層，κ-Al2O3的內層，最好還有TiN的最外層。
WO01/16389披露了一種帶有塗層的切削刀具，該刀具特別適用於在溼或幹條件下對帶或不帶原始表面區的低和中等合金鋼進行高速銑削，和對淬火鋼進行高速銑削。該刀具的特徵在於包括一個WC-Co硬質合金和塗層，所述該合金具有低含量的立方碳化物和熔合相當少量W的粘結相，所述塗層包括有柱狀顆粒TiCxNyOz構成的最內層，TiN最外層和κ-Al2O3的內層。
EP1103635披露了一種切削刀具，該刀具特別適用於對低和中合金鋼、不鏽鋼的幹或溼的銑削，也可對不鏽鋼進行車削。所述切削刀具由一個其上帶有多層耐熱層的鈷結碳化硬質合金基體組成。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，所述塗層由一個MTCVD TiCxNyOz層和一個由κ-Al2O3和TiCxNyOz組成的多層塗敷層組成。
現已發現通過將許多不同特徵組合，可獲得具有優異切削性能的切削刀具。在對合金鋼、工具鋼進行高速切削和對淬火鋼進行銑削時，優選的用於銑削的切削刀具具有優異的切削性能。在這些切削條件下，就上述的許多磨損形式而言，根據本發明所述的切削刀具顯示出了改善的性能。

發明內容
根據本發明所述的切削刀片包括一個硬質合金基體，該基體包括一個相對較低含量的立方碳化物，一個結合有從中到高含量W的粘結相和一個細到中等尺寸晶粒的WC。基體還包括有一個抗磨塗層，所述塗層包括一個等軸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，本發明所記述的帶有塗層的硬質合金基體，其中1.硬質合金基體。
2.最內層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
根據本發明，提供了一種帶有塗層的切削刀片，該刀片包括硬質合金體，所述合金體包含有如下組分7.9-8.6％(重量)的Co，優選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，以及餘量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的含量優選與工藝雜質量相當。在優選實施例中，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內，優選1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
鈷粘結相與W中等到高度合金化，在粘結相中，W的含量表達為S值＝σ/16.1，式中σ為所測的粘結相在μTm3Kg-1下測點的磁矩。S值取決於在粘結相中鎢的含量，其值隨W含量的減少而增大。因此，對於純鈷來講，或者硬質合金與鈷飽和粘結的粘結相而言，S＝1，而對於含有數量與η相形式時的邊界數量相對應的W的粘結相，S＝0.78。
根據本發明，現已發現如果硬質合金體的S值為0.81-0.95，優選為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，優選0.5-0.8μm。通過在放大倍數為10000x的顯微鏡下進行圖像分析所測的截取長度，並以大約1000個截取長度的平均值來計算截取長度。
優選實施例的塗層包括
等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，最佳y＞0.7，和全部厚度＜1微米，優選大於0.1微米。
一柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優選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，優選0.1-0.5微米厚)，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優選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。
本發明還涉及一種製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，以及餘量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的含量優選與工藝雜質量相當。在優選實施例中，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內，優選為1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
理想平均截取長度取決於起始粉末的顆粒尺寸和銑削和燒結條件，還必須決定於實驗條件。理想的S值取決於起始粉末和燒結條件，也還必須決定於實驗條件。
一柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，通過MTCVD工藝沉積到硬質合金上，氰化甲烷作為碳氮源，以在700-950℃的範圍內形成塗層。
最內層TiCxNyOz，氧化鋁層，和接下來的TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz層均用已知技術沉積。
本發明還涉及一種應用上述切削刀具的方法，以平均切屑厚度為0.04-0.20mm的條件對鋼進行高速幹銑和對淬火鋼以75-400m/min的速度幹銑時，其決定於切削速度和刀具的幾何形狀。
例1
等級A根據本發明，硬質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和餘量WC，與W合金的粘結對應於S值＝0.87，其通過常規粉末銑削來製造，壓制壓坯，隨後在1430℃(攝氏度)燒結。通過對燒結後的微觀結構的研究發現，碳化鎢相的平均截取長度為0.65μm。根據本發明，基體在相同的塗敷周期內先後被塗敷四層。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攝氏度的範圍內形成塗層，產生碳氮比大約為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的飽和度之比小於1/3的水平。最後，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一種基於等級A的基體(根據本發明)，其有TiCxNyOz(z＜0.1)組成的7層塗層，用常規CVD方法在1070攝氏度以甲烷和氮氣作為碳氮源對所有層進行沉積，各層的放大晶粒均呈等軸結構。第一層是厚為3.1微米的TiCxNyOz，其組分接近於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和餘量WC，與W合金的粘結相相應的S值為0.94，和在0.1微米燒結體中的WC的平均截取長度。其與等級A中的塗層結合(根據本發明)。



刀具壽命受限於由於熱裂紋的增多而造成的切削刃的損壞。本試驗表明，根據本發明的基體和塗層的結合的工具的壽命長於相同基體與在先塗層結合或本發明的塗層與在先基體相結合而構成的工具的壽命。
例2D經濟的硬質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和餘量WC，與W合金的粘結相的相應S值為0.9，餘量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的塗層組成。



工具壽命受限於隨因變化的熱和機械應力所導致的梳狀裂紋的增多而產生刀具的損壞。本實驗中，各比較等級的塗層類型相似，刀具壽命的不同主要是試驗基體結構不同的結果。本實驗表明，根據本發明的硬質合金基體的工具壽命長於其他兩種含有低和高粘結相的等級的工具壽命。
例3E經濟的硬質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和餘量WC，與W合金的粘結相的相應S值為0.85，餘量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。



工具壽命受限於根部磨損和刀刃開裂。本實驗表明，與直接以TiCxNyOz為基體的塗層相比，根據本發明的塗層，可更好地保護工具免受由於熱應力而產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，工具壽命受限於刀刃開裂和裂紋而導致的刀刃斷裂。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。
權利要求
1.一種切削刀片，包括硬質合金體和塗層，該刀片特別適用於對低和中合金鋼的高速銑削以及對淬火鋼的銑削，其特徵在於所述硬質合金體包含有如下組分7.9-8.6wt％的Co，優選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，優選0.5-0.8微米的餘量WC，與W合金的粘結相的對應S值為0.81-0.95，優選0.82-0.94，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內，優選1.5-11.4，而所述塗層包括等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，優選大於0.1微米；一柱狀晶粒TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優選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，優選0.3-4微米。
2.如權利要求1所述的切削刀片，其特徵在於還包括由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外層，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優選y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
3.一種製造切削刀片的方法，該切削刀片包括硬質合金體和塗層並且特別適用於對低和中合金鋼的高速銑削和對淬火鋼的銑削，其特徵在於，所沉積的該硬質合金體包含有如下組分7.9-8.6wt％的Co，優選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，優選0.5-0.8微米的餘量WC，與W合金的粘結相的對應S值為0.81-0.95，優選0.82-0.94，Ta和Nb的重量濃度比在1.0-12.0內，優選1.5-11.4，而所述塗層包括等軸晶粒TiCxNyOz的第一最內層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，優選大於0.1微米；一柱狀晶粒TiCxNyOz層，其中0.7≤x+y+z≤1，優選z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，優選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，優選0.3-4微米。
4.如權利要求3所述的製造切削刀片的方法，其特徵在於沉積由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外層，其中0.7≤x+y+z≤1.2，優選y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
5.如權利要求1-4所述的切削刀片對鋼進行高速幹銑削加工和對淬火鋼進行幹銑削加工的應用，其切削速度為75-400m/min，平均切屑厚度為0.04-0.2mm，這取決於切削速度和刀具的幾何形狀。
全文摘要
本發明涉及一種帶塗層的硬質合金刀片(切削刀具)，尤其是用於高速銑削鋼和銑削淬火鋼。該刀具的特徵是，其由WC－Co硬質合金組成，所述合金包括NbC、TaC、W合金粘結相和塗層，所述塗層包括等軸晶粒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 優先權日2002年3月20日
發明者安德烈亞斯·拉松, 安奈特·蘇林, 莉娜·彼得松 申請人:塞科工具機公司