专利名称：Cvd涂层刀具刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涂层硬质合金刀片(刀具)，尤其用于铣削不锈钢和超耐热不锈钢，而且还用于在要求韧性的用途中对钢进行铣削。
背景技术：
在用涂层硬质合金刀具对各种材料进行铣削期间，认为刀刃按照不同的磨损机理磨损。很少遇到单一状态的磨损类型，例如化学磨损、摩擦磨损和粘附磨损，往往是遇到复杂的磨损方式。哪一种磨损机理的占主要地位是由用途决定的，并且取决于工件的性能和所施加的切削参数以及刀具材料的性能。在高切削速度下，在切削区域中所产生出的热量相当大，并且刀刃会出现塑性变形，这反过来通过其它机理产生更高的磨损。刀具寿命往往也受到由垂直于刀刃形成的所谓梳状裂纹引起的刃剥落的限制。这些裂纹是由刀刃在断续切削过程中受到的变化的热和机械载荷导致的。这在使用冷却剂进行机加工中更加明显，在这种加工中加大了热变化。
通常与其它钢相比，许多不锈钢尤其是超耐热不锈钢其材料特性从可机加工性方面看最不理想。这些材料的低导热性导致刀具和工件接触区域中产生高温。使用冷却剂来降低刀具温度会带来非常大的热变化，并且产生高内部刀具载荷。这些工件材料也往往容易变形硬化。工件在切削区域中的变形硬化会导致高切削力，或者甚至在硬化层中切削，这两者都会导致刀具磨损加速。另外，大多数不锈钢和超耐热不锈钢对于许多涂层材料显示出良好的附着性，并且由于切屑的重新切削而导致的刀刃的粘附磨损和迅速剥落相当明显。因此显然用于对不锈钢和超耐热不锈钢进行铣削的涂层硬质合金刀具必须具有刀具材料通常所需要有的那些特性之外的特性。
通常，可以采取措施来针对特定的磨损类型改善切削性能。但是，往往这些措施对其它磨损性能具有负面作用，因此必须小心优化许多性能来设计出成功的刀具复合材料。提高铣刀通常所需要的韧性的简单方法是提高粘接剂相含量。但是，这也将立即降低耐磨性，以及耐塑性变形能力。加入立方碳化物例如TiC、TaC和NbC是另一种用来影响刀具性能的方式，并且大加入量与高粘合剂相含量结合可以获得相对良好的韧性性能。但是，这种添加在梳状裂纹形成和刀刃剥落倾向上具有负面影响。
由于显然难以同时改善所有刀具性能，所以已经针对上述磨损类型中的一种或几种对市售的硬质合金品种进行了优化。因此，它们也已经被优化用于特定的应用领域。
US6,062,776披露了一种尤其用于在不稳定状态中铣削具有原始表面例如铸造表皮、锻造表皮、热轧或冷轧表皮或预机加工表面的低和中合金钢以及不锈钢的涂层切削刀片。该刀片其特征在于，包含一种WC-Co硬质合金，它具有低含量立方碳化物和相当低的W—合金化粘合剂相；以及一种涂层，它包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz最里层、TiN顶层和κ-Al2O3内层。
US6,177,178披露了一种尤其用于在湿润或干燥条件下磨削具有或没有原始表面区域的中和低合金钢的涂层铣削刀片。该刀片其特征在于，包含一种WC-Co硬质合金，它具有低含量立方碳化物和高W—合金化粘合剂相；以及一种涂层，它包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz最里层、一κ-Al2O3内层、以及优选一TiN顶层。
US6,250,855披露了一种对具有不同组分和微观结构的不锈钢进行湿或干铣削的涂层铣削刀片。基于涂层WC-Co的硬质合金刀片包括具有特定含量的没有添加任何立方碳化物的WC-Co、低W合金Co粘合剂以及包含有由组分(TixAl1-x)N子层构成的多层结构的硬质耐磨涂层。
EP1103635提供一种尤其用于对低和中合金钢以及不锈钢进行湿和干铣削以及用于对不锈钢进行车削的刀具刀片。该刀具由其上具有多层耐火涂层的钴硬质合金基底构成。该基底其钴含量为9.0-10.9wt％，并且含有1.0-2.0wt％的TaC/NbC。该涂层包括一MTCVDTiCxNyOz层和由κ-Al2O3和TiCxNyOz层构成的多层涂层。
现在已经发现可以通过组合该刀具的许多不同特征实现提高切削性能。该切削刀片由于对于铣削不锈钢和超耐热不锈钢而言具有优异的性能，而且对于在需要韧性的操作中的钢而言具有优异性能。在这些切削条件下，根据本发明的刀具在上述许多磨损类型方面具有改进的性能。
发明概述根据本发明的刀具刀片包括其立方碳化物量相对较低的硬质合金基底，它具有中到高的W—合金化粘合剂相和细小到中等的WC晶粒尺寸。该基底设有一耐磨涂层，该涂层包括由等轴晶粒构成的TiCxNyOz层、由柱状晶粒构成的TiCxNyOz层以及至少一层α-Al2O3层。
附图的简要说明
图1以2500倍放大倍数显示出根据本发明的涂层硬质合金刀片，其中1.硬质合金本体2.最里面的TiCxNyOz层3.具有柱状晶粒的TiCxNyOz层4.α-Al2O3层优选实施方案的详细说明根据本发明的涂层刀具刀片设有一硬质合金本体，其成分为11.3-12.7wt％Co，优选为11.5-12.5wt％Co，最优选为11.8-12.4wt％Co；总含量为0.5-2.5wt％、优选为0.7-1.9wt％、最优选为1.0-1.8wt％的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以由其它选自元素周期表中的族IVb、Vb或VIb的元素的碳化物代替。Ti的含量优选在与技术杂质相对应的程度上。在优选的实施方案中，在Ta和Nb之间的重量比为1.0-12.0，优选为1.5-11.4，最优选为3.0-10.5。
钴粘合剂相与钨中度至高度合金化。在粘合剂相中的W含量可以表示为S-值＝σ/16.1，其中σ为测量出的粘合剂相的磁矩，以μTm3/kg表示。该S值取决于在粘合剂相中的钨含量，并且随着钨含量的减小而增加。因此，对于纯钴或在碳饱和的硬质合金中的粘合剂而言，S＝1，对于其W含量对应于形成η相的边界线的粘合剂相而言，S＝0.78。
根据本发明现在已经发现，在硬质合金本体其S值为0.81-0.95、优选为0.82-0.94、最优选为0.85-0.92情况下，可以实现切削性能的改进。
另外，在磨光和抛光的示例性横截面上测量出的碳化钨相的平均截取长度为0.3-0.8μm，优选为0.4-0.8μm。该截取长度是通过在放大倍数为10000x的显微照片上进行图像分析测量出的，并且计算成大约1000个截取长度的平均值。
根据优选的实施方案，该涂层包括一TiCxNyOz第一层(最里层)，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，而且具有等轴晶粒，其总厚度＜1μm，优选＞0.1μm。
一TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，其厚度为0.5-5μm，优选为1-4μm，最优选为1.5-3μm，具有柱状晶粒。
由α相构成的一Al2O3层。该Al2O3层其厚度为0.2-5μm，优选为0.5-4μm，并且最优选为1-3μm。
在另一个优选实施方案中，在涂覆之后在采用湿法清理或钢丝刷清理操作对如上所述的刀具刀片进行处理，从而可以改善在涂层刀具的前刀面上的表面质量。
本发明还涉及一种制造涂层刀具的方法，该刀具其成分为11.3-12.7wt％Co，优选为11.5-12.5wt％Co，最优选为11.8-12.4wt％Co；总含量为0.5-2.5wt％、优选为0.7-1.9wt％、最优选为1.0-1.8wt％的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以由其它选自元素周期表中的族IVb、Vb或VIb的元素的碳化物代替。Ti的含量优选在与技术杂质相对应的程度上。在优选的实施方案中，在Ta和Nb之间的重量比为1.0-12.0，优选为1.5-11.4，最优选为3.0-10.5。
所要求的平均截取长度取决于初始粉末的晶粒尺寸以及研磨和烧结条件，并且必须通过试验来确定。所要求的S值取决于初始粉末和烧结条件，并且也必须通过试验来确定。
在700-950℃的温度范围内，采用乙腈作为碳和氮源利用MTCVD技术将TiCxNyOz层沉积到硬质合金合金上以便形成该层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，并且具有柱状晶粒形态。
最里面的TiCxNyOz层和氧化铝层依照已知的技术沉积。
本发明还涉及使用根据上面所述的刀具刀片来以30-500m/分钟、优选为50-400m/分钟的切削速度铣削不锈钢和超耐热合金，并且根据切削速度和刀片几何形状其平均切屑厚度数值为0.04-0.20mm。
实施例1品种A通过常规研磨粉末、压制生坯并且随后在1430℃下烧结从而生产出根据本发明的硬质合金基底，其组分为12wt％Co、1.3wt％TaC、0.2wt％NbC和衡量WC并且具有对应于S值为0.90的与W合金化的粘合剂相。在烧结之后对该微观结构进行观察表明，碳化钨相的平均截取长度为0.59μm。该基底根据本发明涂有0.2μm厚的TiCxNyOz层，其中z＜0.1并且y＞0.6，具有等轴晶粒；2.5μm厚的柱状晶粒TiCxNyOz层，它是采用乙腈作为碳氮源在835-850℃下沉积而成，从而形成的碳氮比约为x/y＝1.5，并且z＜0.1；以及1.2μm的α-Al2O3层，它是在大约1000℃下沉积而成。用XRD对Al2O3层进行分析表明没有任何κ-Al2O3的痕迹。
品种B用粗大的WC粉末制备出其化学成分和制造方法与品种A的基底(根据本发明)相同的基底，从而导致其WC相的平均截取长度为0.7μm。根据本发明的品种A的方法对基底进行涂覆。
品种C通过常规研磨粉末、压制生坯并且随后在1430℃下进行烧结生产出该基底，其组分为12wt％Co、0.52wt％Cr和衡量WC，其W合金化粘合剂相对应于0.87的S值，并且在烧结体中的WC的平均截取长度为0.58μm，该基底结合有根据品种A(根据本发明)的涂层。
在其中施加有流体冷却剂的端面铣削应用中对根据品种A、品种B和品种C的刀片进行测试。
刀具寿命受到与梳状裂纹相关的刀刃剥落的限制。该试验表明其受WC晶粒尺寸的影响较小，并且代替立方碳化物例如TaC和NbC添加有Cr作为晶粒生长抑制剂的材料其性能较差。
实施例2品种D品种A(根据本发明)的基底涂有0.3μm厚的具有等轴晶粒的TiCxNyOz层、在835-850℃下沉积出的2.5μm厚的柱状晶粒TiCxNyOz层以及在大约1000℃下沉积出的1.3μm厚的κ-Al2O3层。对该涂层进行XRD分析表明不存在α-Al2O3相的Al2O3。
在对Inconel 718零件进行端面铣削操作中对品种A和品种D的刀片进行测试。
在到达最大刀具寿命之前停止试验，并且研究这些刀片的磨损。品种A的刀片表现出更低的平均侧面磨损，而品种D的刀片次之，另外刀刃剥落倾向性在品种A的刀片上更不明显。即，品种A的刀片在与品种D的刀片相比时显示出更好的耐磨性和韧性性能。
实施例3品种E将品种A(根据本发明)的基底涂有根据品种A的涂层结构，并且增加0.4厚的外部富氮TiCxNyOz层。
刀具寿命受到侧面磨损和刀刃剥落的限制。当使用在品种A中的刀片时，切屑附着到切削刀片的可能性比在使用在品种E中的刀片时低得多。品种E的刀具寿命更差是由于因粘附磨损和切屑的再切削而出现的更明显的刀刃剥落造成的。
实施例4品种F来自竞争者的市售的硬质合金切削刀片，其组分为10.5wt％Co、0.43wt％Cr和衡量WC。W合金化粘合剂相对应于0.91的S值，并且WC的平均截取长度为0.6μm。该刀片涂有4.9μm厚的涂层，该涂层具有交替的TiN和TiAl1-xN层。
在对于最差品种到达最大刀具寿命时测量出这些刀片的磨损。
权利要求
1.一种刀具刀片，它包括硬质合金本体和涂层，尤其用于对不锈钢和超耐热不锈钢进行铣削以及对要求韧性的用途中对钢进行铣削，其特征在于，所述本体其成分为11.3-12.7wt％Co，优选为11.5-12.5wt％Co，最优选为11.8-12.4wt％Co；总含量为0.5-2.5wt％、优选为0.7-1.9wt％、最优选为1.0-1.8wt％的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC，所述WC晶粒其平均截取长度为0.3-0.8μm，优选为0.4-0.8μm，粘合剂相对应于在0.81-0.95、优选为0.82-0.94范围内的S值与W合金化，并且所述涂层包括TiCxNyOz第一层(最里层)，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，而且具有等轴晶粒，其总厚度＜1μm，优选＞0.1μm；TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，其厚度为0.5-5μm，优选为1-4μm，最优选为1.5-3μm，具有柱状晶粒；以及由α相构成的Al2O3层，该Al2O3层其厚度为0.2-5μm，优选为0.5-4μm，并且最优选为1-3μm。
2.一种制造刀具刀片的方法，该刀具刀片包括硬质合金本体和涂层，其成分为11.3-12.7wt％Co，优选为11.5-12.5wt％Co，最优选为11.8-12.4wt％Co；总含量为0.5-2.5wt％、优选为0.7-1.9wt％、最优选为1.0-1.8wt％的金属Ti、Nb和Ta的立方碳化物；以及衡量WC，所述WC晶粒其平均截取长度为0.3-0.8μm，优选为0.4-0.8μm，粘合剂相对应于在0.81-0.95、优选为0.82-0.94范围内的S值与W合金化，并且所述涂层包括TiCxNyOz第一层(最里层)，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，而且具有等轴晶粒，其总厚度＜1μm，优选＞0.1μm；TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，其厚度为0.5-5μm，优选为1-4μm，最优选为1.5-3μm，具有柱状晶粒；以及由α相构成的Al2O3层，该Al2O3层其厚度为0.2-5μm，优选为0.5-4μm，并且最优选为1-3μm。
3.根据权利要求1-2的刀具刀片在以30-500m/分钟、优选为50-400m/分钟的切削速度铣削不锈钢和超耐热合金中的用途，其中根据切削速度和刀片几何形状其平均切屑厚度数值为0.04-0.25mm。
全文摘要
本发明涉及一种涂层硬质合金刀片(刀具)，尤其用于对不锈钢和超耐热不锈钢进行铣削而且还用于对要求韧性的用途中对钢进行铣削。该刀具刀片其特征在于，它具有一硬质合金本体，该本体包含有WC、NbC和TC；一W合金Co粘合剂相；以及一涂层，它包含有最里面的具有等轴晶粒的TiC
文档编号C22C29/08GK1572415SQ20041005930
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月16日 优先权日2003年6月16日
发明者安德烈亚斯·拉松, 阿内特·苏林, 莱纳·彼得松, 萨卡里·鲁皮 申请人:山高刀具公司