专利名称：用于耐磨性要求的浅孔钻削操作的硬质合金刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及尤其可用于在钢中以高速度和匀速进给进行浅孔钻削的涂覆切削工具刀片。
在金属上钻削一般分为两种类型深孔钻削和浅孔钻削。浅孔钻削一般是指深度最多为孔直径3-5倍的钻削。
深孔钻削对良好的切屑形成、润滑、冷却和切屑传送提出大量要求。这通过具有固定在钻杆上的专门设计的钻头并满足上述要求的特别开发的钻孔系统来实现。
在浅孔钻削中，要求并不高，允许使用单螺旋钻，其由固态硬质合金或如固态工具钢或具有多个硬质合金切削刀片的工具钢形成，其中所述多个硬质合金切削刀片以一同形成所需的切削刃的方式设置。在钻头的中心部，使用韧性等级的刀片，并且在其周围具有更耐磨的刀片。切削刀片是焊接的(brazed)或机械夹紧的。
本发明的目的是提供能够以更高的速度来运行的涂覆切削工具刀片，考虑到刀具寿命，能保持外围和中央刀片间的良好平衡。
US 5,786,069和US 5,863,640公开了具有粘结相富集的表面区域的涂覆切削工具刀片以及高度W合金化的粘结相。
图1是根据本发明梯度烧结的刀片刃部的剖面示意图，其中A＝粘结相富集的表面区域B＝区域附近的切削刃C＝基本上将刃二等分的线。
对于硬质合金刀片，如果综合多个特征，其抗塑性变形性和韧性性能可以同时获得显著的提高。如果钴粘结相与W高度合金化，如果基本上无立方晶系碳化物的且粘结相富集的表面区域A具有特定的厚度和组成，如果使切削刃B附近的立方晶系碳化物的组成最优化，以及如果刀片涂覆有3-12μm柱状Ti(C，N)层、接着是例如根据专利US5,766,782、US 5,654,035、US 5,674,564或US 5,702,808中的任何一个制备的2-12μm的厚Al2O3层、和可能有的0.5-4μm的TiN最外层，则硬质合金刀片的切削性能可以得到提高。Al2O3层在切削过程中将作为有效的热屏障，由此不仅提高了作为热影响性质的抗塑性变形性，还提高了硬质合金刀片的抗凹陷磨损性。另外，特别是在考虑到涂层的抗剥落性时，如果通过适当的工艺如用SiC基尼龙刷刷拂、或用Al2O3颗粒进行轻微地喷砂使沿着切削刃的涂层平滑，切削性能可以进一步增强(参见US 5,861,210)。
根据本发明，提供涂覆硬质合金刀片，其具有＜20μm，优选5-15μm厚的且基本上无立方晶系碳化物的粘结相富集的表面区域A(图1)，其平均粘结相含量(按体积计)为主体(bulk)粘结相含量的1.2-3.0倍。为了得到高的抗塑性变形性但同时避免形成脆性切削刃，使区域B(图1)中的化学组成最优化。沿着线C(图1)，在从刀片的刃部至中心的方向，粘结相含量基本上单调增加，直至达到主体成分。刃上的粘结相含量以体积％计为主体粘结相含量的0.65-0.75倍，优选为约0.7倍。以类似的方式，立方晶系碳化物相含量沿着线C从主体含量的约1.3倍减少。沿着线C的粘结相减损(depletion)以及立方晶系碳化物增浓的深度为100-300μm，优选150-250μm。
粘结相是高度W合金化的。粘结相中W的含量可以表示为CW比＝Ms/(wt％Co×0.0161)，其中Ms是硬质合金体以hAm2/kg计的饱和磁化强度，wt％Co是Co在硬质合金中的重量百分比。CW比取值≤1，CW比越低，粘结相中的W含量越高。现在根据本发明发现，如果CW比为0.75-0.90，优选0.80-0.85，就能获得改进的切削性能。
本发明适用于由4-7重量％的含Co粘结相和7-10重量％的立方晶系金属碳化物以及余量的WC组成的硬质合金，所述金属选自周期表的IVa、Va或VIa，优选Ti、Ta和Nb中的每一个＞1重量％。WC具有1.0-4.0μm的平均粒径，优选2.0-3.0μm。硬质合金体可含有少量的＜1体积％的η相(M6C)。
涂层包括-开始的最内层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＜0.5，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度＜0.5μm的等轴或柱状晶粒，-紧接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＝0且x＞0.3且y＞0.3，具有4-7μm的厚度，并具有直径约＜5μm、优选＜2μm的柱状晶粒，-接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选z＞0.1，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度≤0.5μm的等轴或针状晶粒，此层与最内层相同或不同，-平滑纹理的、细晶粒的(粒径约1μm)α-Al2O3层的外层，具有3-6μm的厚度和在0.25mm的测量长度上小于0.3mm的表面粗糙度(Ra)，以及-可能有的0.5-4μm TiN的最外层。
另外，如通过X射线衍射(XRD)测量所确定的，α-Al2O3层具有在(012)、(104)，或者(110)方向上的优选晶体生长方向，优选(012)方向。纹理系数TC定义为TC(hkl)=I(hkl)Io(hkl){1nΣI(hkl)Io(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝测量的(hkl)反射强度Io(hkl)＝ASTM标准粉末模式衍射数据的标准强度
n＝用于计算的反射数值，使用的(hkl)反射为(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)根据本发明，(012)、(104)或(110)晶面设定的TC大于1.3，优选大于1.5。
本发明也涉及包括硬质合金基体和涂层的切削刀片的制造方法，基体由Co粘结相、WC和立方晶系碳氮化物相组成，具有粘结相富集的基本上不含立方晶系相的表面区域。粉末混合物含有2-10重量％，优选4-7重量％的含Co粘结相，和4-12重量％，优选7-10重量％的立方晶系金属碳化物以及余量的、具有1.0-4.0μm，优选2.0-3.0μm平均粒径的WC，其中金属选自周期表的IVa、Va或VIa，优选Ti、Ta和Nb的每一个＞1重量％。通过如碳氮化物的粉末或/和在烧结处理过程中通过烧结气氛必须加入精确控制的氮量。在烧结处理过程中，加入的氮量将决定立方晶系相的溶解速度，从而确定固化后硬质合金中元素的整体分布。加入的最佳氮量取决于硬质合金的组成特别是立方晶系相的含量，并在周期表中IVa和Va族元素重量的0.9-1.7重量％、优选约1.1-1.4重量％之间变化。确切的条件在一定程度上取决于所使用的烧结设备的设计。根据本说明书，本领域熟练的技术人员容易确定是否已经得到硬质合金必要的表面区域A和B并调节氮加入量和烧结过程，以得到要求的结果。
原料与压模剂及可能有的W混合，以得到要求的CW比，混合物被研磨并喷雾干燥以得到具有期望性质的粉末材料。接着，粉末材料被压制并烧结。烧结在1300-1500℃的温度下及约5kPa的受控气氛中进行，随后冷却。在包括边缘圆化(edge rounding)常规的烧结后(postsintering)处理之后，通过CVD或MTCVD工艺施加如上所述的硬质耐磨涂层。
根据本发明的方法，WC-Co基基体用下述层涂覆-开始的最内层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＜0.5，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度＜0.5μm的等轴或柱状晶粒，使用已知的CVD方法进行。
-紧接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＝0且x＞0.3且y＞0.3，具有2-10μm、优选4-7μm的厚度，并具有直径约＜5μm、优选＜2μm的柱状晶粒，通过MTCVD工艺(在700-900℃的温度范围内使用乙腈作为形成层的碳和氮源)或者通过高温CVD工艺(1000-1100℃)进行沉积，为生长具有柱状晶粒的层所选择的工艺条件一般为高操作压力(0.3-1巴)。但是，确切的条件在一定程度上取决于所使用的设备的设计。
-接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选z＞0.1，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度≤0.5μm的等轴或针状晶粒，使用已知的CVD方法进行，此层同最内层相同或不同。
-根据US 5,487,625、US 5,851,687或US 5,766,782所述的平滑纹理的α-Al2O3层的外层，具有2-10μm、优选3-6μm的厚度和在0.25mm的测量长度上小于0.3μm的表面粗糙度(Ra)。
当需要z＞0的TiCxNyOz层时，向反应气体混合物中加入CO2和/或CO。
实施例1A.)根据本发明制备CoroDrill 880、US0807P-GM类型的硬质合金钻削刀片，其具有5.5wt％Co、3.5wt％TaC、2.3wt％NbC、2.1wt％TiC和0.4wt％TiN以及平均粒径为2.5μm的余量WC的组成。氮以Ti(C，N)加入到碳化物粉末中。烧结在1450℃下、在由Ar、CO和一些N2组成的受控气氛中及约5kPa的总压力下完成。
金相学研究表明，制备的硬质合金刀片具有10μm厚的无立方晶系碳化物的区域A。使用图像分析技术来确定区域B和沿着线C(图1)的区域中的相组成。在刀片抛光的横截面上约40×40μm的区域内，沿着线C逐渐移动完成测量。以体积百分率确定相组成。分析显示，区域B中的钴含量为主体钴含量的0.7倍，立方晶系碳化物含量为主体立方晶系碳化物含量的1.3倍。同样通过图像分析技术来完成主体含量的测量。沿着线C在从刀片刃部到中心的方向上，Co含量逐渐升高且立方晶系碳化物含量逐渐降低。
记录磁饱和值并用于计算CW值。得到平均CW值为0.84。
通过使用MTCVD工艺(加工温度850℃)使刀片涂覆0.5μm的等轴Ti(C，N)层，然后涂覆具有柱状晶粒的5μm厚的Ti(C，N)层。在同一涂覆周期的随后工序中，沉积具有TiCxNyOz(大约x＝0.6，y＝0.2以及z＝0.2)等轴晶粒的1μm厚的层，随后根据US 5,487,625给出的条件，沉积(012)-纹理的α-Al2O3的4μm厚的层。XRD测量显示纹理系数TC(012)为1.5。在涂覆之后，刀片通过湿喷平滑化。
实施例2测试由实施例1中得到的刀片，并与Sandvik商品级3040刀片比较在浅孔钻削操作中的耐磨性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央，使用根据瑞典专利申请SE 0500234-0实施例1的韧性等级刀片。刀具寿命标准侧面磨损、凹陷磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，285HB。
乳剂Blasocut BC25，7％。
操作通孔，48mm。
切削速度260m/min进给0.10mm/r钻直径24mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0807P-GM结果。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 ＞15米参照刀片5米实施例3测试由实施例1中得到的刀片，并与Sandvik商品级3040刀片比较在浅孔钻削操作中的耐磨性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央，使用根据瑞典专利申请SE 0500234-0实施例1的韧性等级的刀片。刀具寿命标准侧面磨损、凹陷磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，285HB。
乳剂Blasocut BC25，7％。
操作通孔，48mm。
切削速度230m/min进给0.20mm/r钻 直径24mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0807P-GM结果。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 6米参照刀片8.4米实施例4测试由实施例1中得到的刀片，并与Sandvik商品级3040刀片比较在浅孔钻削操作中的耐磨性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央，使用根据瑞典专利申请SE 0500234-0实施例1的韧性等级的刀片。刀具寿命标准侧面磨损、凹陷磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，330-340HB。
乳剂Blasocut BC25，7％。
操作通孔，48mm。
切削速度260m/min进给0.10mm/r
钻 直径23mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0807P-GM结果。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 15.4米参照刀片7米实施例5测试由实施例1中得到的刀片，并与Sandvik商品级4025刀片比较在浅孔钻削操作中的耐磨性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央，使用根据瑞典专利申请SE 0500234-0实施例1的韧性等级的刀片。刀具寿命标准侧面磨损、凹陷磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，400 HB。
冷却剂 Cooledge 5，50巴。
操作通孔，30mm。
切削速度300m/min进给0.10mm/r钻 直径24mm，2XD刀片类型CoroDrill 880，US0807P-GM结果。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 8.5米参照刀片5.3米实施例6测试由实施例1中得到的刀片，并与Sandvik商品级3040刀片比较在浅孔钻削操作中的耐磨性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央，使用根据瑞典专利申请SE 0500234-0实施例1的韧性等级的刀片。刀具寿命标准侧面磨损、凹陷磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，285HB。
乳剂Syntilo XPS，7％。
操作通孔，40mm。
切削速度350m/min进给0.12mm/r钻 直径16.5mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0602P-GM结果。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 7.5米参照刀片3.5米
权利要求
1.一种尤其可用于在钢中以高速度和匀速进给进行浅孔钻削的切削工具刀片，包括硬质合金体和涂层，其特征在于-所述硬质合金体由具有1.0-4.0μm平均粒径的WC、4-7wt％的Co和7-10wt％的立方晶系金属碳化物组成，所述金属选自周期表的IVa、Va或VIa族，并由此以IVa和Va族元素重量的1.1-1.4重量％加入N，-Co粘结相与W高度合金化，CW比为0.75-0.90，-所述硬质合金体具有粘结相富集的、无立方晶系碳化物的表面区域A，其厚度为5-15μm，-所述硬质合金体具有沿着二等分刃部的线C、在从刀片的刃部到中心的方向上单调升高的粘结相含量，直至其达到主体成分，以vol％计刃部的粘结相含量为主体粘结相含量的0.65-0.75倍，粘结相减损的深度为100-300μm，由此所述涂层包括-开始的最内层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＜0.5，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度＜0.5μm的等轴或柱状晶粒，-紧接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＝0且x＞0.3且y＞0.3，具有4-7μm的厚度，并具有直径约＜5μm、优选＜2μm的柱状晶粒，-接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选z＞0.1，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度≤0.5μm的等轴或针状晶粒，此层同最内层相同或不同，以及-平滑纹理的、细颗粒的、粒径约1μm的α-Al2O3层的外层，具有3-6μm的厚度和在0.25mm的测量长度上小于0.3μm的表面粗糙度(Ra)。
2.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，如通过X射线衍射(XRD)测量所确定的，所述α-Al2O3层具有在(012)、(104)或(110)方向上的优选晶体生长方向，优选(012)方向，由此(012)、(104)或(110)晶面设定的TC大于1.3，优选大于1.5，TC定义为TC(hkl)=I(hkl)Io(hkl){1nΣI(hkl)Io(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝测量的(hkl)反射强度Io(hkl)＝ASTM标准粉末模式衍射数据的标准强度n＝用于计算的反射数值，使用的(hkl)反射为(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)。
3.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，最外层为0.5-4μm的TiN。
4.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，切削刃通过刷拂或喷砂来平滑。
5.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，平均WC粒径为2.0-3.0μm。
6.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，Ti、Ta和Nb每一个的含量＞1％。
7.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，以vol％计刃部的粘结相含量为主体粘结相含量的0.7倍。
8.根据前面权利要求中的任何一个所述的切削工具刀片，其特征在于，粘结相减损的深度为150-250μm。
9.一种包括硬质合金基体和涂层的切削刀片的制造方法，所述硬质合金基体具有粘结相富集的表面区域，所述基体由Co粘结相、WC和立方晶系碳氮化物相组成，所述粘结相富集的表面区域无所述立方晶系碳氮化物相，并具有包围刀片的恒定厚度，其特征在于，形成含有WC、4-7重量％的Co和7-10重量％的立方晶系金属碳化物的粉末混合物，所述金属选自周期表的IVa、Va或VIa族，由此以IVa和Va族元素重量的1.1-1.4重量％加入N，将所述粉末与模压剂和可能有的W混合，以得到要求的0.75-0.90的CW比，研磨并喷雾干燥混合物，成为具有期望性质的粉末材料，压制并在1300-1500℃的温度下及约5kPa的受控气氛中烧结粉末材料，随后冷却，应用常规的烧结后处理，包括边缘圆化，以及施加硬质耐磨涂层，包括-开始的最内层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＜0.5，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度＜0.5μm的等轴或柱状晶粒，使用已知的CVD方法进行，-紧接着的层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选z＝0且x＞0.3且y＞0.3，具有2-10μm、优选4-7μm的厚度，并具有直径＜5μm、优选＜2μm的柱状晶粒，通过MTCVD工艺(在700-900℃的温度范围内使用乙腈作为形成层的碳和氮源)或者通过高温CVD工艺(1000-1100℃)进行沉积，为生长具有柱状晶粒的层所选择的工艺条件一般为高操作压力，0.3-1巴，-接着的层TixCNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选z＞0.1，具有0.1-2μm的厚度，并具有粒度≤0.5μm的等轴或针状晶粒，使用已知的CVD方法进行，此层同最内层相同或不同，-平滑纹理的α-Al2O3层的外层，具有2-10μm、优选3-6μm的厚度和在0.25mm的测量长度上小于0.3μm的表面粗糙度(Ra)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，Ti、Ta和Nb每一个的含量＞1％。
全文摘要
本发明涉及尤其可用于在钢中以高速度和匀速进给进行浅孔钻削的涂覆硬质合金刀片。刀片具有粘结相富集的且基本上无立方晶系碳化物的表面区域A，厚度＜20μm，沿着基本上二等分刃部的线C，在从刀片刃部到中心的方向上，粘结相含量基本上单调增加，直至其达到主体成分。以vol％计刃部的粘结相含量为主体粘结相含量的0.65－0.75倍，粘结相减损的深度为100－300μm。刀片用下述层涂覆开始的最内层TiC
文档编号C23C16/40GK101018890SQ200680000786
公开日2007年8月15日 申请日期2006年1月26日 优先权日2005年1月31日
发明者理卡德·松德斯特伦, 托比约恩·阿格伦, 简·谢尔格伦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司