CN1457950A - 带涂层的切削刀片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带涂层的硬质合金刀片(切削刀具)，尤其是用于高速铣削钢和铣削淬火钢。该刀具的特征是，其由WC－Co硬质合金组成，所述合金包括NbC、TaC、W合金粘结相和涂层，所述涂层包括等轴晶粒TiCxNyOz的第一最内层、柱状晶粒的TiCxNyOz层、和至少由基本组成为κ相的Al2O3层。

Description

带涂层的切削刀片
发明领域
本发明涉及一种带有涂层的硬质合金刀片(切削刀具)，尤其是用于高速铣削钢以及铣削淬火钢的硬质合金刀片(切削刀具)。
背景技术
在用带涂层的硬质合金刀具对钢、不锈钢和铸铁进行机加工时，切削刃随磨损机理的不同而有不同程度的磨损，如化学磨损(腐蚀)，磨耗和磨损。在高切削速度下，在切削区将产生大量的热，并且切削刃也可能会产生塑性变形，随后又会由于其他机理而产生更大程度的磨损。在不同应用场合将会有不同的主要磨损机理。在铣削时，刀具寿命通常受到由垂直于切削刃的所谓梳状裂纹(comb crack)导致的刀口缺口(edge chipping)的限制。这些裂纹源自切削刃在间歇切削操作中所承受的变化热和机械应力。这一点在使用冷却剂、会增加热量变化的机加工过程更为明显。
根据特定的磨损形式，可以采取措施来改善切削性能。然而，这常常会给其他的磨损性能带来副作用，好的刀具复合材料必须通过细致优化多种性能来设计实现。增大塑性变形阻力和磨损阻力的一个简单方法就是降低粘结相的含量。然而，这将减少切削刀片的刚度，在振动或其铸造或锻造表面对这种性能存在要求的操作中，尤其会降低刀具的使用寿命。一个可选择的增加变形阻力的方法是添加象TiC，TaC，和/或NbC的立方碳化物。这也将增大在切削刃温度较高时进行机加工的变形阻力。然而，这种添加将对刀口缺口趋向以及梳状裂纹形状产生负面影响。
显而易见，同时改善刀具的所有性能非常困难，经济的硬质合金等级常常根据一或几种上面提及的磨损形式来进行优化。这也意味着为特定的应用领域进行这些优化。
US6062776公开了一种带涂层的切削刀片，尤其是用于磨削带有粗糙表面的低合金钢和中合金钢以及不锈钢，象铸造表面，锻造表面，热或冷轧辊表面或在不稳定状态下的预加工表面。该切削刀片的特征在于：包括一个WC-Co硬质合金和涂层，所述该合金具有低含量的立方碳化物和添加有相当少量W的粘结相，所述涂层包括有柱状颗粒TiCxNyOz构成的最内层，TiN最外层和κ-Al2O3的内层。
美国专利US6117178公开了一种带涂层的铣削刀片，尤其是用于在干或湿条件下铣削带有或不带有粗糙表面的低合金钢和中合金钢。该切削刀片的特征在于：包括一个WC-Co硬质合金和涂层，所述该合金具有低含量的立方碳化物和添加有高含量W的粘结相，所述涂层包括有柱状颗粒TiCxNyOz构成的内层，κ-Al2O3的内层，最好还有TiN的最外层。
WO01/16389披露了一种带有涂层的切削刀具，该刀具特别适用于在湿或干条件下对带或不带原始表面区的低和中等合金钢进行高速铣削，和对淬火钢进行高速铣削。该刀具的特征在于：包括一个WC-Co硬质合金和涂层，所述该合金具有低含量的立方碳化物和熔合相当少量W的粘结相，所述涂层包括有柱状颗粒TiCxNyOz构成的最内层，TiN最外层和κ-Al2O3的内层。
EP1103635披露了一种切削刀具，该刀具特别适用于对低和中合金钢、不锈钢的干或湿的铣削，也可对不锈钢进行车削。所述切削刀具由一个其上带有多层耐热层的钴结碳化硬质合金基体组成。所述基体由9.0-10.9％(重量)的钴和1.0-2.0％(重量)的TaC/NbC组成，所述涂层由一个MTCVD TiCxNyOz层和一个由κ-Al2O3和TiCxNyOz组成的多层涂敷层组成。
现已发现通过将许多不同特征组合，可获得具有优异切削性能的切削刀具。在对合金钢、工具钢进行高速切削和对淬火钢进行铣削时，优选的用于铣削的切削刀具具有优异的切削性能。在这些切削条件下，就上述的许多磨损形式而言，根据本发明所述的切削刀具显示出了改善的性能。
发明内容
根据本发明所述的切削刀片包括一个硬质合金基体，该基体包括一个相对较低含量的立方碳化物，一个结合有从中到高含量W的粘结相和一个细到中等尺寸晶粒的WC。基体还包括有一个抗磨涂层，所述涂层包括一个等轴TixAlyNz层、柱状TixAlyNz层和至少一个κ-Al2O3最外层。
附图描述
图1所示的是在放大2500X倍下，本发明所记述的带有涂层的硬质合金基体，其中
1.硬质合金基体。
2.最内层TiCxNyOz。
3.柱状晶粒的TiCxNyOz层。
4.基本组成为κ-Al2O3的Al2O3层。
具体实施方式
根据本发明，提供了一种带有涂层的切削刀片，该刀片包括硬质合金体，所述合金体包含有如下组分：7.9-8.6％(重量)的Co，优选8.0-8.5％(重量)的Co，最佳8.1-8.4％(重量)的Co；0.5-2.1％(重量)，优选0.7-1.8％(重量)，最佳0.9-1.5％(重量)的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物，以及余量WC。另外金属Ti、Ta和Nb还可以用元素周期表第IVb，Vb，VIb组的另外元素的碳化物代替。Ti的含量优选与工艺杂质量相当。在优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度比在1.0-12.0内，优选1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
钴粘结相与W中等到高度合金化，在粘结相中，W的含量表达为S值＝σ/16.1，式中σ为所测的粘结相在μTm3Kg-1下测点的磁矩。S值取决于在粘结相中钨的含量，其值随W含量的减少而增大。因此，对于纯钴来讲，或者硬质合金与钴饱和粘结的粘结相而言，S＝1，而对于含有数量与η相形式时的边界数量相对应的W的粘结相，S＝0.78。
根据本发明，现已发现如果硬质合金体的S值为0.81-0.95，优选为0.82-0.94，最佳0.85-0.92的话，取得了改善的切削性能。
进一步，在光滑的典型横截面测量的碳化钨相的平均截取长度为0.4-0.9μm，优选0.5-0.8μm。通过在放大倍数为10000x的显微镜下进行图像分析所测的截取长度，并以大约1000个截取长度的平均值来计算截取长度。
优选实施例的涂层包括：
等轴晶粒TiCxNyOz的第一最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，最佳y＞0.7，和全部厚度＜1微米，优选大于0.1微米。
一柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，优选1-6微米，最佳2-6微米。
至少一层基本由κ相组成的Al2O3。该层也包括通过XRD测量方法决定的少量α相。该Al2O3层厚度0.2-5微米，优选0.3-4微米，最佳0.4-3微米。
紧跟着最外层Al2O3的TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的层(＜1微米，优选0.1-0.5微米厚)，其中0.7≤x+y+z≤1.2，优选y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4，最佳y＞0.7，但是Al2O3也能为最外层。
本发明还涉及一种制造上述切削刀具的方法，所述切削刀具包含有如下组分：7.9-8.6％(重量)的Co，优选8.0-8.5％(重量)的Co，最佳8.1-8.4％(重量)的Co；0.5-2.1％(重量)，优选0.7-1.8％(重量)，最佳0.9-1.5％(重量)的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物，以及余量WC。另外金属Ti、Ta和/或Nb还可以用元素周期表第IVb，Vb，VIb组的另外元素的碳化物代替。Ti的含量优选与工艺杂质量相当。在优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度比在1.0-12.0内，优选为1.5-11.4，最佳3.0-10.5。
理想平均截取长度取决于起始粉末的颗粒尺寸和铣削和烧结条件，还必须决定于实验条件。理想的S值取决于起始粉末和烧结条件，也还必须决定于实验条件。
一柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，通过MTCVD工艺沉积到硬质合金上，氰化甲烷作为碳氮源，以在700-950℃的范围内形成涂层。
最内层TiCxNyOz，氧化铝层，和接下来的TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz层均用已知技术沉积。
本发明还涉及一种应用上述切削刀具的方法，以平均切屑厚度为0.04-0.20mm的条件对钢进行高速干铣和对淬火钢以75-400m/min的速度干铣时，其决定于切削速度和刀具的几何形状。
例1：
等级A：根据本发明，硬质合金基体包括有如下组分：8.2％(重量)的Co，1.2％(重量)的TaC，0.2％(重量)的NbC和余量WC，与W合金的粘结对应于S值＝0.87，其通过常规粉末铣削来制造，压制压坯，随后在1430℃(摄氏度)烧结。通过对烧结后的微观结构的研究发现，碳化钨相的平均截取长度为0.65μm。根据本发明，基体在相同的涂敷周期内先后被涂敷四层。厚0.2微米的等轴晶粒TiCxNyOz的第一层，其中z＜0.1，y＞0.6。厚4.1微米的第二层柱状晶粒的TiCxNyOz以氰化甲烷作为碳氮源，在835-850摄氏度的范围内形成涂层，产生碳氮比大约为x/y＝1.5，z＜0.1。第三层是厚为1.7微米的Al2O3层，其在大约1000摄氏度沉积，基本组成为κ相。用XRD对Al2O3层进行分析显示出α-Al2O3的微小轨迹，但是仅在(012)α-Al2O3和(022)κ-Al2O3的饱和度之比小于1/3的水平。最后，等轴晶粒的富氮TiCxNyOz层沉积，其中z＜0.1，y＞0.8，厚0.2微米。
B：一种基于等级A的基体(根据本发明)，其有TiCxNyOz(z＜0.1)组成的7层涂层，用常规CVD方法在1070摄氏度以甲烷和氮气作为碳氮源对所有层进行沉积，各层的放大晶粒均呈等轴结构。第一层是厚为3.1微米的TiCxNyOz，其组分接近于x/y＝1.6，接下来6层的厚度均是0.8微米，其组成分别在x/y＝4-0.25之间。
C：基体的组分如下：7.1％(重量)的Co，0.5％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC和余量WC，与W合金的粘结相相应的S值为0.94，和在0.1微米烧结体中的WC的平均截取长度。其与等级A中的涂层结合(根据本发明)。
    操作     端面铣削
    刀具直径     125mm
    工件     Bar，600mm×75mm
    材料     SS1672，185HB
    刀片型式     SKEN1203
    切削速度     300m/min
    进给量     0.25mm/齿
    齿数     1
    切削深度     2.5mm
    切削宽度     75mm
    冷却剂     有
    结果     刀具寿命(分钟)
    等级A(根据本发明)     14
    等级B(根据本发明)     10
    等级C(根据本发明)     8
刀具寿命受限于由于热裂纹的增多而造成的切削刃的损坏。本试验表明，根据本发明的基体和涂层的结合的工具的寿命长于相同基体与在先涂层结合或本发明的涂层与在先基体相结合而构成的工具的寿命。
例2：
D：经济的硬质合金刀具的组分如下：8.8％(重量)的Co，1.8％(重量)的TaC，0.3％(重量)的NbC和余量WC，与W合金的粘结相的相应S值为0.9，余量WC的平均截取长度为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的涂层组成。
    操作     端面铣削
    刀具直径     125mm
    工件     Bar，600mm×26mm
    材料     SS2541，240HB
    刀片型式     SKEN1203
    切削速度     200m/min
    进给量     0.2mm/齿
    齿数     1
    切削深度     2.5mm
    切削宽度     26mm
    冷却剂     有
    结果     刀具寿命(分钟)
    等级A(根据本发明的基体)     20
    等级C(根据本发明的基体)     12
    等级D(现有技术)     17
工具寿命受限于随因变化的热和机械应力所导致的梳状裂纹的增多而产生刀具的损坏。本实验中，各比较等级的涂层类型相似，刀具寿命的不同主要是试验基体结构不同的结果。本实验表明，根据本发明的硬质合金基体的工具寿命长于其他两种含有低和高粘结相的等级的工具寿命。
例3
E：经济的硬质合金刀片的组分如下：9.4％(重量)的Co，7.2％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC和余量WC，与W合金的粘结相的相应S值为0.85，余量WC的平均截取长度为0.7微米。工具由厚1.5微米的TixAl1-xN层。
    操作     仿形铣削
    刀具直径     35mm
    工件     Bar，350mm×270mm
    材料     SS2242，38HRC
    刀片型式     RPHT1204
    切削速度     200m/min
    进给量     0.22mm/齿
    齿数     3
    切削深度     2mm
    切削宽度     5-32mm
    冷却剂     无
    结果     刀具寿命(分钟)
    等级A(根据本发明的等级)     65
    等级B(根据本发明的基体)     25
    等级E(现有技术)     41
工具寿命受限于根部磨损和刀刃开裂。本实验表明，与直接以TiCxNyOz为基体的涂层相比，根据本发明的涂层，可更好地保护工具免受由于热应力而产生的磨损和刀口开裂，等级E的工具寿命的降低表明立方碳化物的高含量对切削刃强度和刀口开裂阻力有副作用。
例4
    操作     铣削端面
    刀具直径     125mm
    工件     Bar，300mm×80mm
    材料     SS2244，48HRC
    刀片型式     SKEN1203
    切削速度     200m/min
    进给量     0.15mm/齿
    齿数     1
    切削深度     2.5mm
    切削宽度     40mm
    冷却剂     无
    结果     刀具寿命(分钟)
    等级A(根据本发明的等级)     15
    等级C(根据本发明的涂层)     7
在本实验中，工具寿命受限于刀刃开裂和裂纹而导致的刀刃断裂。刀具寿命的不同显示了以小晶粒与稍高钴含量相结合的作用。这些方式给出了在保持刀刃刚度的同时还可具有稍微较好的抗塑性变形阻力的刀具。

Claims (5)

1.一种切削刀片，包括硬质合金体和涂层，该刀片特别适用于对低和中合金钢的高速铣削以及对淬火钢的铣削，其特征在于：所述硬质合金体包含有如下组分：7.9-8.6wt％的Co，优选8.0-8.5wt％的Co；0.5-2.1wt％，最佳0.7-1.8wt％的金属Ta和Nb的立方碳化物，以及平均截取长度为0.4-0.9微米，优选0.5-0.8微米的余量WC，与W合金的粘结相的对应S值为0.81-0.95，优选0.82-0.94，Ta和Nb的重量浓度比在1.0-12.0内，优选1.5-11.4，而所述涂层包括：
等轴晶粒TiCxNyOz的第一最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，优选大于0.1微米；
一柱状晶粒TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，优选1-6微米；
至少由一层基本由κ相组成的Al2O3，该层也可能包括通过XRD测量方法确定的少量α相，该Al2O3层厚度0.2-5微米，优选0.3-4微米。
2.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于：还包括由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外层，其中0.7≤x+y+z≤1.2，优选y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
3.一种制造切削刀片的方法，该切削刀片包括硬质合金体和涂层并且特别适用于对低和中合金钢的高速铣削和对淬火钢的铣削，其特征在于，所沉积的该硬质合金体包含有如下组分：7.9-8.6wt％的Co，优选8.0-8.5wt％的Co；0.5-2.1wt％，最佳0.7-1.8wt％的金属Ta和Nb的立方碳化物，以及平均截取长度为0.4-0.9微米，优选0.5-0.8微米的余量WC，与W合金的粘结相的对应S值为0.81-0.95，优选0.82-0.94，Ta和Nb的重量浓度比在1.0-12.0内，优选1.5-11.4，而所述涂层包括：
等轴晶粒TiCxNyOz的第一最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，最佳y＞x和z＜0.2，和全部厚度＜1微米，优选大于0.1微米；
一柱状晶粒TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3，y＞0.2，最佳x＞0.4，厚0.5-7微米，优选1-6微米；
至少由一层基本由κ相组成的Al2O3，该层也可能包括通过XRD测量方法确定的少量α相，该Al2O3层厚度0.2-5微米，优选0.3-4微米。
4.如权利要求3所述的制造切削刀片的方法，其特征在于：沉积由TiCxNyOz，HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物所形成的外层，其中0.7≤x+y+z≤1.2，优选y＞x和z＜0.4，最佳y＞0.4。
5.如权利要求1-4所述的切削刀片对钢进行高速干铣削加工和对淬火钢进行干铣削加工的应用，其切削速度为75-400m/min，平均切屑厚度为0.04-0.2mm，这取决于切削速度和刀具的几何形状。
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