用于加工铸铁的涂层刀片的制作方法

专利名称：：用于加工铸铁的涂层刀片的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种涂层刀片，尤其涉及一种用于加工铸铁的涂层刀片。技术背景目前，在硬质合金涂层刀具的加工过程中，存在两种失效制度磨损和破损。刀具磨损主要包括磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其磨损的主要原因可能是其中的一种或两种，总的来说切削温度较低时以磨蚀磨损为主，切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。刀具破损主要是塑性变形破损和脆性破损(崩刃、碎裂、剥落、裂纹破损)。硬质合金刀具硬度髙、脆性大，是粉末烧结体，组织可能不均匀和存在缺陷，在切削加工过程中，特别是在断续切削条件下，或因为加工材料的不均匀性导致切削加工带有断续切削的性质时，受到机械和热冲击容易产生脆性破损。试验表明刀具早期破损，受热应力影响小，主要是受机械冲击作用所致；刀具后期疲劳破损主要是在机械和热冲击作用下刀具内裂纹失稳扩散所致。在高速高效切削加工或加工耐高温材料时可以达到很高的切削温度，过高的温度会降低刀具材料的屈服强度，在切削力的作用下导致塑性变形而丧失切削能力。为了适应高速高效加工、非连续加工和恶劣条件加工的要求，刀具需要更高的韧性和高温强度。涂层刀具的性能来源涂层和刀具基体性能的统一。切削性能好、通用性好的涂层刀片的关键在于(1)基体具有足够的韧性、良好的抗高温塑性变形能力和抗裂纹扩散能力，具有功能梯度的基体可以有效改善刀具的强韧度和高温性能，提高刀具的抗破损能力，降低塑性变形破损或崩刃、碎裂、裂纹等破损，CN93102964.3、CN96100514.9、CN97197651.1、CN200410031709.4、CN200610074616.9、CN200610094155.1公开了粘结相含量梯度变化的硬质合金基体及其制备方法；(2)涂层具有优良的抗磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损的能力。在刀具表面涂覆高硬度的涂层(如TiN、TiC、TiCN、CrN等)，可减轻刀具的磨蚀磨损、粘结磨损和扩散磨损，增加刀具的耐用度；而在刀具表面涂覆高硬度的Al203涂层，可以有效避免氧化磨损。采用CVD方法在切削刀具上沉积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，这在工业生产上有超过30年的历史。如US4490191、US3736107、EP0408535、EP0738336、CN93121032.1和CN94119184.2公开了氧化物涂层刀具方法以及各种提高氧化物涂层附着性能的预处理方法。JP7075903、SE511089、WO0052225公开了MTCVD-TiC或TiCN涂层的制备方法、显微结构、性能以及MTCVD-TiC或TiCN涂层在立方氮化硼刀具、硬质合金刀具、多层涂层刀具中的应用。现在CVD涂层刀具涂层普遍采用MTCVD-TiCN涂层和Al203涂层外层设计，典型涂层结构为TiN(外层)+A1203(中层)+TiCN(内层)的多层式结构，并且该结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。CN200410031709.4号中国专利申请公开了一种适用于车削铸铁的涂层硬质合金刀片，基体优选6.09.0wtX的立方碳氮化物，形成1040阿厚的粘结相富集表面区，表面区域粘结相最大含量为标称含量的1.23vol%。Co粘结相的CW比(s值)为0.780.95。涂层为TiCxNyOz(412nm)+A1203(310pm)。该刀片强韧性好，但刃口高温性能受到限制。CN9719765U号中国专利公开了一种通过添加少量(优选<0.5%)的立方碳氮化物形成表面贫钴的刀片设计优选150300pm宽的粘结相贫化表面区域，其中粘结相的含量单调且以非步进的形式增加，其最大值不大于合金内部的指定值(50pm内平均粘结相含量为指定值的2575%，优选4060%)。该刀片表面硬度高，但刃口抗冲击性受到限制。CN96100514.9号中国专利申请公开了一种适合干铣灰口铸铁的涂层刀片，基体由WC、315wt%Co和〈wt^的选自周期表IVb、Vb和VIb族金属碳化物组成。涂层包括厚度0.12nm的等轴状TiCxNyOz内层;210^im厚的柱状晶TiCxNyOz中层；0.12pm的等轴状或针状TiCxNyOz第三层；210pm厚、光滑、织构、细晶粒的八1203外层。该刀具基体通过添加少量的碳化物立方相改善了刀具的耐高温性能，但由于不具有梯度结构，刀具的整体性能受到限制。
发明内容本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高耐磨性、高强度、耐高温、抗冲击、通用性强的用于加工铸铁的涂层刀片。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于加工铸铁的涂层刀片，包括硬质合金基体和涂层，所述硬质合金基体含有以WC为基础的硬质相、以CO为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和域VIb族金属元素的立方相化合物，其特征在于所述硬质合金基体具有梯度结构，其中含有212wt^的Co和0.23.5wtX的取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，在所述硬质合金基体的刃口两边形成有107(^m厚的粘结相富集表面区，所述粘结相富集表面区中间的扇形区域为20100阿厚的立方相富集区，所述涂层为细晶涂层，由里到外包括有-最里层的TiCxNyOz层，等轴晶，厚度为0.12^m，平均晶粒度《0.5jxm;-一层TiCxNy层，柱状晶，厚度为213pm，平均晶粒度为0.23nm;-一层TiCxNyOz过渡层，厚度为0.12pm，该层晶粒为针状晶粒和/或等轴晶粒，平均晶粒度《0.5pm;-细晶粒的a-Ab03外层，厚度为412pm，平均晶粒度为0.23pm，在300nm的长度上测得的表面粗糙度Ra《0.3pm。上述粘结相富集表面区的厚度可以为2050^m，优选3040pm，所述粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的11.5倍。上述立方相富集区的厚度可以为4080^tm，所述立方相富集区内立方相化物的含量为硬质合金基体中立方相化合物标称含量的11.5倍。上述周期表IVb、Vb和/或YIb族金属元素的立方相化合物优选为Ti、Ta和/或Nb的含氮立方相化合物，其在硬质合金基体中的含量可以为0.52.5wt^，优选0.81.5wtX。上述硬质合金基体中Co的含量为410wt%。上述涂层中最里层的TiCxNyOz层的厚度为0.2lnm。上述涂层中柱状晶的TiCxNy层的厚度为510pm，平均晶粒度为0.52pm。上述涂层中针状晶粒和/或等轴晶粒的TiCxNyOz层的厚度为0.2lMm。上述涂层中细晶粒的a-Al203外层的厚度为610nm，平均晶粒度为0.62pm。与现有技术相比，本发明的优点在于在涂层硬质合金基体中通过添加少量的含氮立方化合物或由这些立方化合物组成的固溶体为主的添加剂，结合梯度烧结工艺制备了表面富钴的梯度硬质合金基体，在基体表面形成107(^m厚的粘结相富集表面区，粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的11.5倍，该梯度硬质合金基体的表面富钴层的存在有利于阻止涂层中产生的微裂纹向基体扩展，使之表现出比普通硬质合金基体更好的抗冲击性和抗崩刃能力；同时又避免了因添加大量立方化合物而导致基体整体强韧度的下降。再通过对刃口进行处理，使刃口两边为高强高韧的粘结相富集表面区，而中间扇形部分为高温性能良好的立方相富集区，形成骨架支撑，这样既保证了刀片刃口有足够的强韧性，又具有良好的抗塑性变形能力，使刀刃实现了韧性和抗塑性变形的较好的统一。我们还惊奇地发现，将上述带梯度功能表面和骨架支撑刃口的基体与细晶的厚TiCxNy涂层和细晶的厚a-Al203涂层结合，在保持刀片基体的的强韧度和刀刃的抗塑性变形能力的基础上，大大的提高了刀片的硬度和耐磨性。本发明的刀片不仅具有高耐磨性、高强度、通用性强的优点，而且具有极强的抗塑性变形能力和较高的刃口强度，是一种特别适用于铸铁从粗加工到精加工的通用刀具，在高去除率切削参数下或恶劣的工况下都有稳定表现，并能实现更加绿色环保的干式切削。图l为本发明的涂层刀片在刃口处的基体结构示意图，其中-a^立方相富集区b——粘结相富集表面区图2为本发明的涂层刀片的涂层显微照片，其中c-a-Al203层d——TiCxNyOz层e——TiCxNy层f——TiCxNyOz层g-基体具体实施方式实施例l:一种本发明的涂层刀片，包括以碳化钨(WC)为基础的硬质相和以钴(Co)为基础的粘结相，通过添加少量的含氮立方化合物或由这些立方化合物组成的固溶体，并对粉末混合料进行压制，采用梯度烧结技术对硬质合金刀具烧结(在1440'C下烧结，高温烧结后在脱N气氛下冷却)，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层立方相富集区。所述粘结相富集表面区b的厚度L2为50nm，该粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的1.2倍；通过对刀片基体采用倒棱、圆化等处理，去除刀具刃口表层的粘结相富集表面区，使刃口两边形成L2=50pm厚的粘结相富集表面区b，即如图l所示结构，在刃口两边保留粘结相富集表面区b，而将中间扇形部分的粘结相富集表面区去除，露出高温性能良好的立方相富集区a。该立方相富集区a的厚度Ll为80pm，其中立方相化合物的含量为基体中立方相化合物标称含量的1.3倍。该刀片的硬质合金基体组成包含6wt%Co、lwtXTi和Ta立方碳氮化物，余量为WC。如图2所示，对上述刀片的基体g在同一涂层周期中沉积如下涂层1.利用现有的CVD法沉积一层等轴晶粒的TiN层f(即f0，y=l，z=0)，其厚度为0.5fxm;2.利用MTCVD工艺(也可利用CVD法)沉积一层柱状晶粒的TiCxNy层e(x:0.5，y=0.5)，其厚度为8pm，平均晶粒度为为l.(Him;3.利用现有的CVD法沉积一层针状晶粒的TiNyOz层d(x=0，y=0.5，z=0.5)，其厚度为0.5pm;4.利用HTCVD技术沉积一层细晶粒的a-Al203层作为最外层c，其厚度为8nm，平均晶粒度为1.2pm。对上述涂层刀片采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等表面处理，在300pm的长度上测得的表面粗糙度Ra=0.25pm。实施例2:本实施例基体的制备方法与实施例1相同，制得的刀片基体的组分及含量与实施例1相同，但通过控制梯度烧结工艺，在基体表面形成20Hm厚的粘结相富集表面区，所述粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的1.3倍；通过倒棱、圆化处理使得刃口两边形成有L2=20^im厚的粘结相富集表面区b，而中间扇形部露出高温性能良好的立方相富集区a(如图1所示)，该立方相富集区厚度Ll为40拜，其中立方相化合物的含量为基体中立方相化合物标称含量的1.45倍。根据实施例l的工艺方法对基体g进行涂层，得到的涂层结构为第一层(最里层)为0.5nm厚的TiN层f;第二层为8nm厚的柱状晶粒的TiCo.sNo.5层e，平均晶粒度为0.8pm;第三层为0.5^m厚的TiNo.50().5层d;第四层为6nm厚的a-Al203层c，平均晶粒度为1.3pm(如图2所示)。对上述涂层刀片采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等表面处理，在300nm的长度上测得的表面粗糙度Ra=0.2pm。实施例3:本实施例基体的制备方法与实施例1相同，制得的刀片硬质合金基体组成包含有5.5wt%Co、3.5wt%Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC。在刃口两边形成有L2=35nm厚的粘结相富集表面区b，粘结相富集表面区b内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的1.4倍；而中间扇形部分为高温性能良好的立方相富集区a，该立方相富集区a的厚度Ll为70^un,其中立方相化合物的含量为基体中立方相化合物标称含量的1.15倍。本实施例基体通过采用实例1的工艺方法进行涂层，得到与实施例2相同的涂层结构。对比试验对比产品A:通过对^^末进行压制，采用非梯度烧结技术，制得的硬质合金基体组成为6wt%Co，0.22wt^Ta的立方碳氮化物，余量为WC，但没有粘结相富集表面区和立方相富集区。根据实例1工艺对刀片圆化或倒棱处理，并根据实例1工艺对基体进行涂层，涂层结构与实例l相同。对比产品B:选择当今一著名的涂层刀具生产厂家生产的涂层硬质合金刀片用于切削试验比对。该涂层刀片基体组成包含6wt%Co，余量为WC，基体不含有粘结相富集表面区和立方相富集区，涂层包含一层8pm厚的TiCxNyOz层和一层7.8nm厚a-Al203外层。对比产品C:选取对比产品A所用的基体，并利用实施例1所述的涂覆方法，在该基体上得到实例2所述的涂层结构。上述实施例l、2、3与对比产品A、B、C在不同切削条件下的对比试验数据及测试结果如下1、纵向切削灰口铸铁棒，对上述刀片的耐磨性能进行比较测试。刀具寿命标准为刀刃剥落、断裂、过度磨损。切削条件-<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在刀片涂层厚度基本一致的情况下(如实施例1相比于对比产品A、B，实施例2、3相比于对比产品C)，测试表明在灰口铸铁HT250的高速加工过程中，本发明的涂层刀片相比于现有技术的刀片，其耐磨性能和使用寿命得到了明显改善；在灰口铸铁HT250的低速加工过程中，本发明的涂层刀片相比于现有技术的刀片，其耐磨性能和使用寿命也有明显改善。2、纵向切削球墨铸铁棒，对上述刀片在高速下加工球墨铸铁的耐磨性能进行测试。刀具寿命标准为刀刃剥落、断裂、过度磨损。切削条件:材料-球墨铸铁SS0737切削速度360m/min进给量0.2mm切深lmm冷却剂无测试结果测试产品刀片寿命本发明的实施例l3'54"本发明的实施例24,37"本发明的实施例36,04"对比产品A3,52"对比产品B4,03"对比产品C4,05"在刀片涂层厚度基本一致的情况下(如实施例1相比于对比产品A、B，实施例2、3相比于对比产品C)，测试表明在球墨铸铁高速加工中，本发明的涂层刀片与现有技术的刀片相比，其耐磨性能有所改善。3、纵向切削一个圆柱形开槽棒，在进给分别为0.2mm和0.15mm条件下，对上述刀片的抗冲击性能进行测试。刀具寿命标准为刀刃剥落、崩刃。切削条件<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>测试表明在非连续的高速大进给的恶劣条件下加工，本发明的刀片比现有技术刀片的抗冲击性能和刀尖韧性有明显改善；在非连续的高速小进给条件下加工，本发明的刀片的抗冲击性能十分稳定。权利要求1、一种用于加工铸铁的涂层刀片，包括硬质合金基体和涂层，所述硬质合金基体含有以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，其特征在于所述硬质合金基体具有梯度结构，其中含有2～12wt％的Co和0.2～3.5wt％的取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，在所述硬质合金基体的刃口两边形成有10～70μm厚的粘结相富集表面区，所述粘结相富集表面区中间的扇形区域为20～100μm厚的立方相富集区，所述涂层为细晶涂层，由里到外包括有-最里层的TiCxNyOz层，等轴晶，厚度为0.1～2μm，平均晶粒度≤0.5μm；-一层TiCxNy层，柱状晶，厚度为2～13μm，平均晶粒度为0.2～3μm；-一层TiCxNyOz过渡层，厚度为0.1～2μm，该层晶粒为针状晶粒和/或等轴晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-细晶粒的α-Al2O3外层，厚度为4～12μm，平均晶粒度为0.2～3μm，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.3μm。2、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述粘结相富集表面区的厚度为205(Him，所述粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的11.5倍。3、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述立方相富集区的厚度为408(Vm，所述立方相富集区内立方相化合物的含量为硬质合金基体中立方相化合物标称含量的11.5倍。4、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物为Ti、Ta和/或Nb的含氮立方相化合物，其在硬质合金基体中的含量为0.52.5wt%。5、根据权利要求4所述的涂层刀片，其特征在于所述周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物在硬质合金基体中的含量为0.81.5wt%。6、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述硬质合金基体中Co的含量为410wt%。7、根据权利要求l所述的涂层刀片，其特征在于所述涂层中最里层的TiCxNyOz层的厚度为0.2lpm。8、根据权利要求l所述的涂层刀片，其特征在于所述涂层中柱状晶的TiCxNy层的厚度为510nm，平均晶粒度为0.52pm。9、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述涂层中针状晶粒和/或等轴晶粒的TiCxNyOz层的厚度为0.2lpm。10、根据权利要求1所述的涂层刀片，其特征在于所述涂层中细晶粒的(X-Al203外层的厚度为610pm，平均晶粒度为0.62nm。全文摘要本发明公开了一种用于加工铸铁的涂层刀片，包括硬质合金基体和涂层，其特征在于硬质合金基体含有2～12wt％的Co和0.2～3.5wt％的取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，基体的刃口两边形成粘结相富集表面区，所述粘结相富集表面区中间的扇形区域为立方相富集区，所述涂层包括等轴晶TiCxNyOz最里层、2～13μm厚的柱状晶TiCxNy中间层、TiCxNyOz过渡层和4～12μm厚的细晶α-Al₂O₃外层。本发明的刀片不仅具有高耐磨性、高强度、通用性强的特点，而且实现了韧性和抗塑性变形的良好统一，特别适于加工铸铁。文档编号B32B5/14GK101214743SQ2008100304公开日2008年7月9日申请日期2008年1月11日优先权日2008年1月11日发明者刘王平,周定良,屏李,王社权,陈响明申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司