专利名称：用于对超耐热合金(hrsa)和不锈钢进行按切口和磨损要求的车削的硬质合金刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涂层的切削刀具刀片，特别有用于超耐热合金和不锈钢的车削。在主切削刃和副切削刃的薄的PVD涂层极大地提高了侧面的耐磨性以及切口的耐磨性，并且细晶粒基质提供了良好的对塑性变形的抵抗性。
超耐热合金的车削通常可以分为粗加工，半粗加工，半精加工以及精加工。在粗加工和半粗加工，切削深度都大于刀尖半径，并且在主副切削刃上的切口磨损是主要的磨损机构。在半精加工和精加工，切削深度小于刀尖半径，并且侧面磨损和火口(crater)磨损是主要的磨损机构。
副切削刃的磨损是重要的参量，这是由于其影响到加工表面的质量。
本发明的目的是提供一种切削刀具的刀片，特别适用于超耐热合金和不锈钢的车削。
本发明的又一目的是提供一种切削刀具的刀片，其副切削刃具有提高的耐磨性。
现已惊喜的发现，在车削超耐热合金和不锈钢时，在主切削刃和副切削刃上的较薄的PVD涂层极大提高了侧面的耐磨性和切口的耐磨性，而且细晶粒基质提供了良好的对塑性变形的抵抗性。在副切削刃上的磨损随涂层厚度增加。当涂层厚度超过4μm，副切削刃上的磨损逐渐增加。
图1示对于根据本发明的刀片(空心菱形)，本发明之外的刀片(实心方形)以及现有技术的刀片(实心三角形)的副切削刃随时间的磨损情况。
由此，本发明涉及一种涂层的切削刀具的刀片，其具有硬质合金基质和涂层。该硬质合金基质由5-7wt-％的Co，优选地为5.8-6.2wt-％的Co，最优选地为6.0wt-％的Co，0.15-0.60wt-％的TaC，优选地为0.20-0.30wt-％的TaC，0.10-0.50wt-％的NbC，优选地为0.10-0.20wt-％的NbC，以及余量的WC组成。硬质合金主体还可以包含少量其他成分，但是处于与工艺杂质量对应的水平。矫顽力为19.5-24.5kA/m。
Co粘结相与一定量的W合金化，给予本发明硬质合金切削刀片其所需的特性。在粘结相中的W影响Co的磁性能，并且由此关系到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的重量百分量，而wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分量。
CW比率可以在1和大约0.75之间变化，其取决于W合金化程度。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实际上对应于几乎没有W。
现已发现，根据本发明，如果硬质合金主体具有0.85-1.00之间的CW比率，优选地为0.9-0.98，最优选地为0.92-0.97，则可以实现提高的切削性能。
涂层包括均匀的AlxTi1-xN涂层，其中x＝0.6-0.67，优选地x＝0.62。总的涂层厚度＞1μm，优选＞1.8μm，但是＜3.8μm，优选＜3.0μm。组分和厚度均在侧表面距刀尖1mm且距切削刃200μm处测量。
本发明还涉及一种制造涂层的切削刀具的刀片的方法，所述刀片包括硬质合金基质和涂层。硬质合金基质采用常规粉末冶金技术碾磨、压制和烧结制造，其由5-7wt-％的Co，优选地为5.8-6.2wt-％的Co，最优选地为6.0wt-％的Co，和0.15-0.60wt-％的TaC，优选地为0.20-0.30wt-％的TaC，和0.10-0.50wt-％的NbC，优选地为0.10-0.20wt-％的NbC，以及余量的WC组成。硬质合金主体还可包含少量其他成分，但是处于与工艺杂质量对应的水平。矫顽力为19.5-24.5kA/m。
CW比率在0.85-1.00之间，优选地为0.9-0.98，最优选地为0.92-0.97，并通过将适量炭黑或钨粉末加入到粉末混合物中来监控CW比率。
在常规后烧结处理之后，例如喷砂或研磨之后，涂层包括AlxTi1-xN，其中x＝0.6-0.67，优选x＝0.62，涂层通过阴极电弧蒸镀法，采用由适当组分的TiAl合金组成的靶料，在N2气氛中沉积。总的涂层厚度＞1μm，优选＞1.8μm，但是＜3.8μm，优选＜3.0μm。
本发明还涉及根据上述的切削刀片的用途，用于车削超耐热合金和不锈钢，例如Inconel(铬镍铁合金)718，Inconel 625，Waspaloy，Udimet 720，San-Mac 316L，SAF2205，SAF2507，切削速度为30-180m/min且进刀速度为0.1-0.4mm/rev。
实例1均匀的(Ti，Al)N涂层通过阴极电弧蒸镀法沉积在由硬质合金制成的车削刀片上，其中硬质合金具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，且矫顽力为22.4kA/M，CW比率为0.96。涂层采用由Ti33Al67合金组成的靶料沉积。电弧蒸镀法在N2气氛中进行。所产生的总的涂层厚度为2.5μm，并且涂层由均匀的Al62Ti38N层组成。
实例2重复实例1，其中重要的差别是选择沉积时间以获得4.5μm的涂层厚度。
实例3A.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC且矫顽力为22.4kA/M，并且含与相应于0.96的CW比率的W合金化的粘结相，该刀片涂敷有2.9μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
B.商业应用的硬质合金，其具有以下组分6wt-％的Co，0.5wt-％的Cr3C2以及余量的WC，且矫顽力为23.8kA/M，CW比率为0.85。刀片涂敷有2.9μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片A和B在车削浇铸的Inconel 718轴承套中测试。
操作车削/表面-粗加工工件轴承套材料在浇铸和时效条件下的Inconel 718切削速度34m/min进刀速度0.175mm/rev切削深度1.78mm刀片型号CNMG120408注意车削在冷却液情况下进行结果加工7.2分钟后副切削刃的侧面磨损A(本发明)0.05mmB(现有技术)0.20mm刀具在7.2分钟加工(预定)两部件后的变化。
实例4
C.商业应用的硬质合金，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，且矫顽力为23.1kA/M，CW比率为0.93。刀片涂敷有4.3μm的PVD(Ti，Al)N的多层涂层。
刀片A和C在车削Inconel 718门弹簧保持件中测试。
操作车削-粗加工工件门弹簧保持件材料在锻造和时效条件下的Inconel 718切削速度30m/min进刀速度0.2mm/rev切削深度2.5mm刀片型号CNMG120412注意车削在冷却液情况下进行结果加工一个部件后沿主切削刃的侧面磨损A(本发明)0.05mmB(现有技术) 0.10mm刀具在加工(预定)一个部件后的变化。
实例5D.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，且矫顽力为24.0kA/M，CW比率为0.93，刀片涂敷有2.6μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
E.商业应用的硬质合金，具有以下组分6wt-％的Co，0.5wt-％的Cr3C2以及余量的WC，且矫顽力为22.0kA/M，CW比率为0.82。刀片涂敷有5.2μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片D和E在车削Udimet720涡轮机叶轮中测试。
操作车削-半精加工工件涡轮机叶轮材料在锻造和时效条件下的Udimet720切削速度46m/min进刀速度0.075-0.15mm/rev切削深度1mm刀片型号CNGP 120408注意车削在冷却液情况下进行结果在加工一个部件后沿副切削刃的侧面磨损D(本发明)0.07mmE(现有技术) 0.13mm刀具在1 3分钟加工(预定)一个部件后的变化。
实例6刀片B，C和D在车削Udimet 720涡轮机叶轮中测试。
操作车削-半精加工工件涡轮机叶轮材料在锻造和时效条件下的Udimet720切削速度46-55m/min进刀速度0.175-0.125mm/rev切削深度0.25-1mm刀片型号CNGP 120408，CNGG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果在加工一个部件后沿主切削刃的侧面磨损D(本发明)0.04mmC(现有技术)0.09mmB(现有技术) 0.17mm刀具在23.7分钟加工(预定)一个部件后的变化。
实例7刀片B，D和E在车削Udimet720涡轮机叶轮中测试。
操作车削-精加工工件涡轮机叶轮材料在锻造和时效条件下的Udimet 720切削速度46m/min进刀速度0.125mm/rev切削深度0.38mm刀片型号CNGP 120408，CNGG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果在加工一个部件后沿主切削刃的侧面磨损D(本发明)0.05mmE(现有技术) 0.10mmB(现有技术) 0.10mm刀具在5分钟加工(预定)一个部件后的变化。
实例8刀片C和D在车削Inconel 718杆中测试。
操作车削-粗加工工件已锻造和加工的杆材料在锻造和时效条件下的Inconel 718切削速度50m/min进刀速度0.25mm/rev切削深度1mm刀片型号CNMG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果切削的分钟数，刀具寿命D(本发明)5.2minC(现有技术) 3min刀具寿命标准是在主切削刃上的侧面磨损0.3mm。
实例9
F.商业应用的硬质合金，其具有以下组分5.8wt-％的Co，0.5wt-％的Cr3C2以及余量的WC，且矫顽力为19.8kA/M，CW比率为0.83。刀片涂敷有1.3μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片D，E和F在车削Udimet720涡轮机叶轮中测试。
操作车削-精加工工件涡轮机叶轮材料在锻造和时效条件下的Udimet 720切削速度46m/min进刀速度0.15mm/rev切削深度0.1-0.5mm刀片型号CNGP 120408，CNGG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果在加工一个部件后沿副切削刃的侧面磨损D(本发明) 0.07mmE(现有技术) 0.15mmF(现有技术) 0.15mm刀具在8.3分钟加工(预定)一个部件后的变化。
实例10G.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，且矫顽力为24.0kA/M，CW比率为0.93，刀片涂敷有2.6μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片C，E和G在车削Inconel 718套管中测试。
操作车削-精加工工件套管材料在锻造和时效条件下的Inconel 718切削速度37m/min
进刀速度0.2mm/rev切削深度0.25mm刀片型号CNMG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果加工一个部件后沿副切削刃的侧面磨损G(本发明)0.06mmE(现有技术) 0.17mmC(现有技术) 0.22mm刀具在9.7分钟加工(预定)一个部件后的变化。
实例11H.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，且矫顽力为21.6kA/M，CW比率为0.95，刀片涂敷有2.7μm的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片C和H在车削Inconel 718杆中测试。
操作车削-半精加工工件已锻造和加工的杆材料在锻造和时效条件下的Inconel 718切削速度70m/min进刀速度0.15mm/rev切削深度0.5mm刀片型号CNGP 120408注意车削在冷却液情况下进行结果刀具寿命，切削的分钟数H(本发明)5minC(现有技术) 2.5min刀具寿命标准是在主切削刃上的侧面磨损0.3mm。
实例12I.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有以下组分6wt-％的Co，0.16wt-％的NbC，0.23wt-％的TaC以及余量的WC，平均的WC晶粒尺寸为1.2μm，且矫顽力为22.0kA/M，CW比率为0.97，刀片涂敷有2.4μm厚的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片B，C和I在车削Inconel 718杆中测试。
操作车削-粗加工工件已锻造和加工的杆材料在锻造和时效条件下的Inconel 718切削速度50m/min进刀速度0.2mm/rev切削深度1.5mm刀片型号CNMG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果刀具寿命，切削的分钟数I(本发明)5.5minB(现有技术) 4.5minC(现有技术) 3.2min刀具寿命标准是在主切削刃上的切口磨损等于0.3mm实例13J.根据本发明的硬质合金车削刀片，其具有与I同样的组分，但涂敷有4.7μm厚的(Ti，Al)N的PVD涂层。
刀片I(本发明)，J和C(现有技术)在车削Inconel 718杆中测试。
操作车削-粗加工工件已锻造和加工的杆材料在锻造和时效条件下的Inconel 718
切削速度50m/min进刀速度0.2mm/rev切削深度1.5mm刀片型号CNMG 120408注意车削在冷却液情况下进行结果加工4分钟后副切削刃的侧面磨损I(本发明)0.12mmJ(本发明外)0.26mmC(现有技术)0.26mm图l中的曲线表示出副切削刃上的侧面磨损随时间的最大值，其中W是在副切削刃的最大值，单位为mm，而T是以分钟表示的切削时间。空心菱形表示I(本发明)，实心方形表示J(本发明外)，而实心三角形表示C(现有技术)。
权利要求
1.一种用于对超耐热合金和不锈钢进行车削的切削刀具的刀片，包括基质和涂层，其特征在于所述基质包括5-7wt-％、优选5.8-6.2wt-％的Co、最优选6.0wt-％的Co，和0.15-0.60wt-％的TaC、优选0.20-0.30wt-％的TaC，和0.10-0.50wt-％的NbC、优选0.10-0.20wt-％的NbC，以及余量的WC，矫顽力为19.5-24.5kA/m，CW比率在0.85-1.00之间，优选地在0.9-0.98之间，最优选地在0.92-0.97之间，并且所述涂层包括均匀的AlxTi1-xN层，其中x＝0.6-0.67，优选x＝0.62，而厚度＞1μm，优选＞1.8μm，但是＜3.8μm，优选＜3.0μm。
2.一种制造用于对超耐热合金和不锈钢进行车削的涂层切削刀具的刀片的方法，该刀片由硬质合金基质和涂层组成，其特征在于包括以下步骤制造基质，其采用常规粉末冶金技术碾磨、压制和烧结制造，基质由5-7wt-％的Co，优选地为5.8-6.2wt-％的Co，最优选地为6.0wt-％的Co，和0.15-0.60wt-％的TaC，优选地为0.20-0.30wt-％的TaC，和0.10-0.50wt-％的NbC，优选地为0.10-0.20wt-％的NbC，以及余量的WC组成，并且具有19.5-24.5kA/m的矫顽力，CW比率在0.85-1.00之间，优选地在0.9-0.98之间，最优选地在0.92-0.97之间；以及在常规后烧结处理之后，沉积涂层，该涂层包括AlxTi1-xN层，其中x＝0.6-0.67，优选x＝0.62，采用阴极电弧蒸镀法，使用由适当组分的TiAl合金组成的靶料，在N2气氛中沉积，由此总的涂层厚度＞1μm，优选＞1.8μm，但是＜3.8μm，优选＜3.0μm。
3.根据权利要求1所述的切削刀片的用途，用于车削超耐热合金和不锈钢，例如Inconel 718，Inconel 625，Waspaloy，Udimet 720，San-Mac 316L，SAF2205，SAF2507，切削速度为30-180m/min且进刀速度为0.1-0.4mm/rev。
全文摘要
本发明涉及一种用于超耐热合金和不锈钢车削的切削刀片，其包括基质和涂层。基质由5－7wt－％的Co，和0.15－0.60wt－％的TaC，和0.10－0.50wt－％的NbC，以及余量的WC组成，该切削刀片具有19.5－24.5kA/m的矫顽力，且CW比率在0.85－1.00之间。所述涂层包括均匀的Al
文档编号B23Q15/08GK1982050SQ20061016849
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月14日
发明者马林·莫滕松, 马茨·阿尔格伦, 安德斯·努德格伦, 克斯廷·瓦尔奎斯特, 玛丽亚·阿斯特兰德 申请人:山特维克知识产权股份有限公司