CN101318231A - 带涂层的切削刀具刀片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带涂层的切削刀具刀片，特别适用于对具有或不具有未加工表面区域的非合金钢、低合金钢和高合金钢以及铸铁进行干加工或湿加工，优选为铣削。所述刀片的特征在于，具有W合金的Co粘结相的WC－TaC－NbC－Co硬质合金以及涂层，所述涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz最内层和至少在前刀面上的平滑α－Al2O3顶层。
Description
技术领域
本发明涉及一种带涂层的硬质合金切削刀具刀片，特别适用于对具有未加工表面，如浇铸表层、锻造表层、热轧表层或冷轧表层或者预加工表面的非合金钢、低合金钢和高合金钢以及铸铁进行干加工和湿加工，优选为铣削。
背景技术
当切削加工时，硬质合金切削刃会受到磨损。磨损可具有不同的机理特征，例如化学磨损、磨粒磨损、粘着磨损和崩刃(edge chipping)，崩刃由沿切削刃形成的断裂引起，即所谓的梳状裂纹(comb crack)。在严峻的切削条件下，经常发生刀大块断裂和刀刃线断裂。根据工件材料和切削条件，需要不同性能的切削刀片。例如，当切削具有未加工表面区域的钢制部件或在其他困难条件下切削时，带涂层的硬质合金刀片必须以韧性碳化物基底为基础，并且要具有极佳粘着性的涂层。当使用较高切削速度和较大的切口径向厚度切削低合金钢和铸铁时，化学磨损一般为主要的磨损类型。这里，一般优选为7-14μm厚的CVD涂层。
可以采取措施来相对于具体的磨损类型改进或最优化切削性能。但是，通常，此类措施对其他磨损性能有负面影响。
一些可能的措施的影响给出如下：
1.)梳状裂纹形成可通过降低粘结相含量而得到降低。但是，低粘结相含量将降低切削刀片的韧性性能，这是非常不希望的。
2.)提高的化学磨损可通过增加涂层厚度来获得。但是，较厚涂层增加剥落的危险，且也降低抗粘着磨损性。
3.)导致高切削刃温度的较高切削速度下和其他条件下的切削需要具有更高数量的立方碳化物的硬质合金(WC-TiC-Ta-NbC固溶体)，但这类碳化物会促使梳状裂纹形成。
4.)提高的韧性可通过增加钴粘结剂的含量而获得。但是，高的钴含量降低抗塑性变形性。
商业上的硬质合金等级通常相对于所提到的磨损类型之中的一个或几个来设定并最优化，并且由此设定并最优化到某个具体的切削应用领域。
US 6,062,776公开了一种带涂层的切削刀具刀片，特别适用于在湿润条件或干燥条件中对具有或不具有未加工表面区域的低合金钢和中合金钢进行铣削。这种刀片的特征在于，具有低含量立方碳化物和高W合金粘结相的WC-Co硬质合金，涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz的最内层，以及具有TiN顶层的κ-A12O3层。
US 6,406,224公开了一种带涂层的切削刀具刀片，也特别适用于在较高切削速度下对具有或没有磨蚀表面区域的合金钢进行铣削。这种带涂层的切削刀具刀片包括硬质合金主体，该硬质合金主体具有以下组分：7.1-7.9wt％的Co、金属Ta、Nb和Ti的0.2-1.8wt％的立方碳化物，以及余量的WC。刀片涂有具有柱状晶粒的TiCxNyOz的最内层，以及具有TiN顶层的κ-Al2O3层。
EP-A-736615公开了一种带涂层的切削刀片，特别适用于对灰口铸铁进行干铣削。这种刀片的特征在于，具有连续的WC-Co硬质合金基底和涂层，涂层由具有柱状晶粒的TiCxNyOz层以及具有细晶粒织构化的α-Al2O3顶层组成。
EP-A-1696051公开了一种带涂层的切削刀具刀片，适用于通过车削、铣削、钻削或通过相似的切屑形成加工方法对金属进行加工。这种刀具特别适用于要求间断韧性的切削操作。
US 6,200,671公开了一种带涂层的车削刀片，特别适用于对不锈钢进行车削。这种刀片的特征在于，WC-Co基的硬质合金基底和涂层，基底具有高W合金Co粘结相，涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz的最内层，和TiN顶层，以及细晶粒的κ-Al2O3内层。
发明内容
本发明者研制了一种改进的切削刀具刀片，优选用于铣削。组合特征为：特定的硬质合金组分，特定WC晶粒尺寸，合金粘结相，由多个限定层组成的内涂层，和平滑的α-Al2O3的顶部前刀面层。
在对具有未加工表面区域的非合金钢、低合金钢和高合金钢、优选在稳定条件下进行干加工和湿加工时，这种刀片具有改进的切削性能。所公开的切削刀具刀片对铸铁也能很好地加工。对比现有技术的刀片，相对于许多之前提到的磨损类型，这种切削刀具显示改进的切削性能。尤其地，改进了耐化学性和耐梳状裂纹性。
附图说明
图1示出当进行表面铣削测试时，根据本发明的试样刀片的火口磨损图案放大50×的光学显微图像，而图2示出当进行表面铣削测试时，根据现有技术的刀片的火口磨损图案放大50×的光学显微图像。
图3示出当进行表面铣削测试时，根据本发明的试样刀片的刀刃线韧性差异放大50×的光学显微图像，而图4示出当进行表面铣削测试时，根据现有技术的刀片的刃线韧性差异放大50×的光学显微图像。
具体实施方式
根据本发明的切削刀具刀片包括硬质合金主体和涂层，硬质合金主体具有W合金Co粘结相、很好均衡的化学组分和精选晶粒尺寸的WC，并且涂层由以下组成：柱状TiCxNyOz的内层，接着是平滑的α-Al2O3顶层组成。TiN层优选在刀片的余隙面处为顶层。
根据本发明，提供了带涂层的切削刀具刀片，其包括硬质合金主体，该硬质合金主体具有以下组分，8.1-9.3wt-％的Co，优选为8.3-9.1wt-％的Co，最优选为8.4-9.0wt-％的Co，以及1.00-1.45wt-％的TaC，优选为1.18-1.28wt-％的TaC，以及0.10-0.50wt-％的NbC，优选为0.25-0.35wt-％的NbC，以及余量的WC。硬质合金主体还包括少量其他成分，但是处于相当于技术上的杂质量的水平。矫顽力在14.9-16.7kA/m的范围内，优选为15.3-16.3kA/m。
Co粘结相与一定量的W合金化，从而给予本发明硬质合金切削刀片其所需要的特性。粘结相中的W影响Co的磁性性能，并且由此可以关系到值CW比率，CW比率定义如下：
CW比率＝magnetic-％Co/wt-％Co
其中magnetic-％Co是磁性Co的重量百分比，wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分比。
CW比率在1和大约0.75之间变化，这取决于合金化的程度。在粘结相内，较低的CW比率对应于较高的W含量，而CW比率＝1实际上对应于在粘结相中没有W。
现已发现，如果硬质合金具有0.80-＜1.00的CW比率，优选为0.81-0.90，最优选为0.82-0.88，则获得了提高的切削性能。
硬质合金也可包含少量，即＜1vol％的η相(M6X)，而不会有任何有害影响。从具体的CW比率(＜1)来看，还得出以下结论，即在根据本发明的硬质合金主体中不允许有游离石墨。
硬质合金刀片至少部分地涂敷有7.5-13.5μm厚的涂层，该涂层包括至少三层TiCxNyOz。这三层形成内层，而该内层涂有α-Al2O3层，作为至少在前刀面上的外层。具有3.0-8.0μm的总厚的TiCxNyOz层包括：
第一TiCxNyOz层，该层邻近硬质合金，具有x+y＝1，x＞＝0，优选为x＜0.2和z＝0的组分；
第二TiCxNyOz层，具有x＞0.4，y＞0.4和0＝＜z＜0.1，优选为z＝0的组分；以及
第三TiCxNyOz粘结层，具有针状晶粒，该层邻近α-Al2O3层，具有x+y+z＞＝1和z＞0，优选为z＞0.2和x+y+z＝1的组分。
外层α-Al2O3具有2.0-6.0μm的厚度，并且在表面上具有扁平晶粒，该表面受到喷砂处理。
在一个实施方式中，在α-Al2O3层的顶部存在附加的、0.1-2.3μm，优选为0.1-1μm的有色层，优选为TiN、Ti(C，N)、TiC、ZrN或HfN。
本发明还涉及一种通过粉末冶金技术来制造带涂层的切削刀具刀片的方法，包括以下步骤：湿研磨形成较硬成分和粘结相的粉末、将研磨后的混合物压制成期望形状和尺寸的主体、并对主体进行烧结，所述刀片包括硬质合金主体，该硬质合金主体具有以下组分：8.1-9.3wt-％的Co，优选为8.3-9.1wt-％的Co，最优选为8.4-9.0wt-％的Co，以及1.00-1.45wt-％的TaC，优选为1.18-1.28wt-％的TaC，以及0.10-0.50wt-％的NbC，优选为0.25-0.35wt-％的NbC，以及余量的WC。硬质合金主体还包括少量其他成分，但是处于相当于技术上的杂质量的水平。研磨和烧结条件选择成获得如烧结结构，其矫顽力在14.9-16.7kA/m的范围内，优选为15.3-16.3kA/m，以及0.85-＜1.00的CW比率，优选为0.81-0.90，最优选为0.82-0.88。
用7.5-13.5μm厚的涂层至少部分地涂敷硬质合金刀片主体，该涂层包括至少三层TiCxNyOz，这三层TiCxNyOz形成内层，而内层涂有喷砂的α-Al2O3层，作为至少在前刀面上的外层。具有3.0-8.0μm总厚的TiCxNyOz层包括：
第一TiCxNyOz层，该层邻近硬质合金，具有x+y＝1，x＞＝0，优选为x＜0.2和z＝0的组分，采用已知的CVD方法，使用由TiCl4、H2和N2组成的反应混合物；
第二TiCxNyOz层，具有x＞0.4，y＞0.4和0＝＜z＜0.1，优选为z＝0的组分，通过使用众所周知的MTCVD技术，在温度885-850℃下，且将CH3CN作为碳/氮源，并且任选有CO和/或CO2；以及
第三TiCxNyOz粘结层，具有针状晶粒，该层邻近α-Al2O3层，具有x+y+z＞＝1和z＞0，优选为z＞0.2和x+y+z＝1的组分，使用已知的CVD方法，使用由TiCl4、H2、CO和/或CO2以及任选有N2组成的反应混合物。
通过使用已知的CVD技术，并使刀片至少在前刀面上受到喷砂处理而沉积了具有2.0-6.0μm的厚度的α-Al2O3层。
在一个实施方式中，优选在喷砂处理之前使用CVD技术，在α-Al2O3层的顶部沉积附加的、0.1-2.3μm，优选为0.1-1μm的有色层，优选为TiN、Ti(C，N)、TiC、ZrN或HfN。
本发明还涉及根据上述的刀片的用途，用于在对具有未加工表面，如浇铸表层、锻造表层、热轧表层或冷轧表层或者预加工表面的非合金钢、低合金钢和高合金钢以及铸铁进行干加工和湿加工，优选为铣削，切削速度和进给速率根据下表：
用90°的咬入角铣削：
切削速度：25-400m/分钟，优选为150-300m/分钟，以及进给速率：0.04-0.4mm/齿(毫米/齿)
端面铣削(45-75°咬入角)：
切削速度：25-600m/分钟，优选为200-400m/分钟，以及进给速率：0.05-0.7mm/齿
高速和圆刃刀片铣削概念：
切削速度：25-600m/分钟，以及进给速率：0.05-3.0mm/齿，优选为0.3-1.8mm/齿。
实施例1(本发明A)
制备以下型号R390-11T308M-PM、R390-170408M-PM、R245-12T3M-PM、R300-1648M-PH和R300-1240M-PH的硬质合金铣削刀片，其具有以下组分：8.7wt-％的Co，1.25wt-％的TaC，0.28wt-％的NbC，以及余量的WC，并具有相应于约1.3μm的WC晶粒尺寸的15.5kA/m的矫顽力，以及0.84的CW比率，如在Foerster Instrument INC公司的FORSTER KOERZIMAT CS 1.096上测定的。该刀片涂敷有如下层：
0.5μm的TiCxNyOz第一层，具有大约x＝0.05，y＝0.95，以及z＝0的组分，采用已知的CVD方法，使用由TiCl4、H2和N2组成的反应混合物；
6μm的柱状TiCxNyOz第二层，具有大约x＝0.55，y＝0.45和z＝0的组分，通过使用众所周知的MTCVD技术，在温度885-850℃下，且将CH3CN作为碳/氮源；以及
0.5μm的TiCxNyOz第三粘结层。该第三层的晶粒为针状，且其组分为大约x＝0.5，y＝0，和z＝0.5；以及
第四层，其由4μm的α-Al2O3和最后的大约2μm的TiN顶层组成，该层通过使用已知的CVD技术沉积。XRD测量确定，Al2O3层的组成为100％的α相。
在涂层循环之后，用由Al2O3砂砾和水组成的浆料，对刀片的顶侧(前刀面)进行强烈的湿喷砂处理。喷砂处理除去了前刀面上的TiN顶层，从而暴露出具有大部分扁平晶粒的平滑α-Al2O3。
实施例2(现有技术B)
制备以下型号R390-11T308M-PM、R390-170408M-PM、R245-12T3M-PM、R300-1648M-PH和R300-1240M-PH的硬质合金铣削刀片，其具有以下组分：7.6wt-％的Co，1.25wt-％的TaC，0.28wt-％的NbC，以及余量的WC，并具有相应于约1.5μm的WC晶粒尺寸的14.7kA/m的矫顽力，以及0.91的CW比率，如在Foerster Instrument INC.公司的FORSTER KOERZIMAT CS 1.096上测定的。该刀片涂敷如下层：
0.5μm的等轴TiCxNy层的第一层(具有与估算的x＝0.95和y＝0.05对应的较高的氮含量)，接着是
4μm厚的Ti(C，N)层，具有柱状晶粒，通过使用众所周知的MTCVD技术，在温度885-850℃下，且将CH3CN作为碳/氮源。在相同的涂层循环中的随后步骤中，使用温度970℃和如EP-A-523021中公开的0.4％的H2S掺杂剂浓度，沉积了1.0μm厚的Al2O3层。根据已知的CVD技术在顶部沉积薄的、厚度0.15μm的TiN层。XRD测量显示，Al2O3层由100％κ相组成。
实施例3
将来自实施例1和实施例2的不同型号的刀片在切削试验中对比。
操作1：端面铣削，Coromill 245
工件：板
材料：非合金钢，200HB
切削速度：350m/分钟
进给速率/齿：0.45mm/齿
轴向切削深度：2.0mm
径向切削深度：95mm
刀片型号：R245-12T3M-PH
刀具直径：250mm
注释：刀具中的一个刀片，干铣削
刀具寿命标准是后刀面磨损和化学磨损。较好的耐磨性和较好的耐化学磨损性的结合使得刀具寿命极大提高。
结果：刀具寿命，切削分钟数
本发明A：36
现有技术B：19
对比图2的现有技术B，图1的本发明A清楚地示出提高的耐化学磨损性。图1中本发明A的刀刃线完好无损，而图2中现有技术B的已经出现了具有梳状裂纹的火口。
操作2：端面铣削，Coromill 245
工件：板
材料：非合金钢，200HB
切削速度：300m/分钟
进给速率/齿：0.35mm/齿
轴向切削深度：1.0-3.5mm
径向切削深度：120mm
刀片型号：R245-12T3M-PH
刀具直径：160mm
注释：刀具中的十个刀片，干铣削
刀具寿命标准是后刀面磨损和刀刃线韧性。较好的耐磨性和较好的刀刃线韧性的结合使得刀具寿命极大提高。
结果：刀具寿命，切削分钟数
本发明A：70
现有技术B：31
对比图4的现有技术B，图3的本发明A清楚地示出提高的刀刃线韧性。图3中本发明A的刀刃线完好无损，而图4中现有技术B已经出现了梳状裂纹，从而导致刀刃线断裂。
操作3：端面铣削，Coromill 210
工件：板
材料：高合金钢，240HB
切削速度：142m/分钟
进给速率/齿：1.33mm/齿
轴向切削深度：1.5mm
径向切削深度：76mm
刀片型号：R210-140512M-PM
刀具直径：100mm
注释：刀具中的七个刀片，干铣削
刀具寿命标准是后刀面磨损。较好的耐磨粒磨损性使得刀具寿命极大提高。
结果：刀具寿命，切削分钟数
本发明A：90
本发明技术B：31
操作4：端面铣削，Coromill 245
工件：板
材料：高合金钢，230HB
切削速度：350m/分钟
进给速率/齿：0.40mm/齿
轴向切削深度：2.5mm
径向切削深度：170mm
刀片型号：R245-12T3M-PH
刀具直径：200mm
注释：刀具中的12个刀片，干铣削
刀具寿命标准是刀片上的刀刃线韧性、崩刃行为。
较好的耐磨性和较好的刀刃线韧性使得刀具寿命极大提高。
结果：刀具寿命，切削分钟数
本发明A：43
现有技术B：17.2
操作5：端面铣削，Coromill 300
工件：主配件
材料：高合金钢，330HB
切削速度：263m/分钟
进给速率/齿：0.25mm/齿
轴向切削深度：1.5mm
径向切削深度：0-125mm
刀片型号：R245-12T3M-PH
刀具直径：125mm
注释：刀具中的8个刀片，干切削
刀具寿命标准是刀刃线韧性和崩刃。
较好的抗梳状裂纹性和较好的刀刃线韧性使得刀具寿命极大提高。
结果：刀具寿命，切削分钟数
本发明A：32
现有技术B：21
实施例3中的操作1-5清楚地示出，实施例1的刀片优于根据实施例2的现有技术的刀片。
Claims (15)
1.一种切削刀具铣削刀片，其用于在干燥条件或湿润条件中加工具有或不具有未加工表面的非合金钢、低合金钢和高合金钢以及铸铁，其特征在于，所述切削刀具铣削刀片包括：
硬质合金主体；以及
涂层，其至少部分地覆盖所述硬质合金主体，
其中所述硬质合金主体具有以下组分：8.1-9.3wt-％的Co，1.00-1.45wt-％的TaC，0.10-0.50wt-％的NbC，以及余量的WC，
其中矫顽力在14.9-16.7kA/m的范围内，CW比率为0.85-＜1.00，
其中所述涂层为7.5-13.5μm厚，并包括具有3.0-8.0μm总厚的至少三层TiCxNyOz，所述TiCxNyOz层包括：
第一TiCxNyOz层，该层邻近所述硬质合金主体，具有x+y＝1，x＞＝0的组分，
第二TiCxNyOz层，具有x＞0.4，y＞0.4和0＝＜z＜0.1的组分；
第三TiCxNyOz粘结层，具有针状晶粒，该层邻近α-Al2O3层，具有x+y+z＞＝1和z＞0的组分，并且
其中所述α-Al2O3层至少在前刀面上为外层，所述α-Al2O3层具有2.0-6.0μm的厚度，且所述α-Al2O3层的至少一部分被喷砂处理成平滑的，且在受到喷砂处理的表面上具有扁平晶粒。
2.根据权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述硬质合金具有以下组分：8.3-9.1wt-％的Co，1.18-1.28wt-％的TaC，0.25-0.35wt-％的NbC，以及余量的WC，并且具有15.3-16.3kA/m范围内的矫顽力，以及0.81-0.90的CW比率。
3.根据权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于：在后刀面处具有0.1-2.3μm的有色顶层。
4.根据权利要求3所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述有色层由通过CVD技术或PVD技术沉积的TiN、Ti(C，N)、TiC、ZrN和/或HfN组成。
5.根据权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述有色层使用CVD技术沉积。
6.根据权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述第一TiCxNyOz层具有x＜0.2且z＝0的组分，所述第二TiCxNyOz层具有z＝0的组分，而所述第三TiCxNyOz粘结层具有z＞0.2且x+y+z＝1的组分。
7.一种制造切削刀具刀片的方法，所述切削刀具刀片包括硬质合金主体和涂层，所述方法包括以下步骤：
通过粉末冶金技术形成所述硬质合金主体，包括湿研磨形成较硬成分和粘结相的粉末，将研磨后的混合物压制成具有期望形状和尺寸的主体，以及烧结压制的主体，
其中所述硬质合金主体具有以下组分：8.1-9.3wt-％的Co，1.00-1.45wt-％的TaC，0.10-0.50wt-％的NbC，以及余量的WC，矫顽力在14.9-16.7kA/m的范围内，以及CW比率为0.80-＜1.00；
用7.5-13.5μm厚的涂层涂敷所述硬质合金主体的至少一部分，
其中所述涂层包括具有至少三层TiCxNyOz的内层和至少在所述切削刀具刀片的前刀面上具有平滑α-Al2O3层的外层，
其中所述TiCxNyOz层具有3.0-8.0μm的总厚，
其中所述涂层包括：
第一TiCxNyOz层，该层邻近所述硬质合金，具有x+y＝1，x＞＝0的组分，采用CVD方法，使用由TiCl4、H2和N2组成的反应混合物沉积，
第二TiCxNyOz层，具有x＞0.4，y＞0.4和0＝＜z＜0.1的组分，通过MTCVD技术，在温度885-850℃下且以CH3CN作为碳/氮源沉积，
第三TiCxNyOz粘结层，具有针状晶粒，具有x+y+z＞＝1和z＞0的组分，通过CVD方法，使用由TiCl4、H2以及N2组成的反应混合物沉积，该粘结层邻近α-Al2O3层，并且
其中所述α-Al2O3层具有2.0-6.0μm的厚度，通过CVD技术沉积；以及
在至少前刀面上，对所述刀片进行喷砂处理，使得具有扁平晶粒的α-Al2O3被暴露出来。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在α-Al2O3层的顶部沉积附加的0.1-2.3μm的有色层，优选为TiN、Ti(C，N)、TiC、ZrN或HfN。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述喷砂处理之前，通过CVD技术沉积所述有色层。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述喷砂处理之后，在后刀面处沉积附加的0.1-2.3μm的有色层。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述有色层为TiN、Ti(C，N)、TiC、ZrN或HfN。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在所述喷砂处理之前，通过CVD技术沉积所述有色层。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述硬质合金主体具有以下组分：8.3-9.1wt-％的Co，1.18-1.28wt-％的TaC，0.25-0.35wt-％的NbC，以及余量的WC，且具有15.3-16.3kA/m内的矫顽力，以及0.81-0.90的CW比率。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一TiCxNyOz层具有x＜0.2且z＝0的组分，所述第二TiCxNyOz层具有z＝0的组分，所述第三TiCxNyOz粘结层具有z＞0.2且x+y+z＝1的组分。
15.根据权利要求1-6所述的刀片的用途，用于在稳定条件下对具有未加工表面，如浇铸表层、锻造表层、热轧表层或冷轧表层或者预加工表面的非合金钢、低合金钢和高合金钢以及铸铁进行干铣削和湿铣削，切削速度和进给速率按照如下：
用90°的咬入角铣削：
切削速度：25-400m/分钟，以及进给速率：0.04-0.4mm/齿
端面铣削(45-75°咬入角)：
切削速度：25-600m/分钟，以及进给速率：0.05-0.7mm/齿
高速和圆刃刀片铣削概念：
切削速度：25-600m/分钟，以及进给速率：0.05-3.0mm/齿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081210 |