专利名称：用于韧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低合金和不锈钢中进行韧性要求的浅孔钻削的涂覆切削工具刀片。多层涂层极大提高了在高进给结合钻孔中心附近的低速度时的耐磨性和抗塑性变形性。
在金属上钻孔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钻孔直径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许多要求。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，有时使用韧性等级的刀片，并且在周围设有更耐磨的刀片。切削刀片是焊接的(brazed)或机械夹紧的。
本发明的目的是提供可用于在钢中进行韧性要求的浅孔钻削的涂覆切削工具刀片。
US 6,103,357涉及包含烧结的硬质合金或金属陶瓷、陶瓷或高速钢主体的切削工具，其上在主体表面的至少一个功能部分上施加薄的粘附的坚硬耐磨涂层。涂层包含多晶质非重复形式的难熔化合物的层状多层结构MX+NX+MX+NX，其中交互层MX和NX是金属氮化物或碳化物，金属元素M和N选自由Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al和W构成的组。单层厚度的顺序在整个多层结构中基本上是非周期性的，层厚度大于0.1nm但小于30nm，优选小于20nm。所述多层涂层的总厚度大于0.5μm但小于20μm。
根据本发明，提供具有优良的韧性性能、尤其可用于在低合金和不锈钢上进行韧性要求的浅孔钻削的硬质合金刀片，其由WC和8-11wt％Co，优选9.5-10.5wt％Co和0.2-0.5wt％Cr组成。WC晶粒具有0.5-1.5μm的平均粒径。
溶入粘结相的W的含量通过用碳黑或纯钨粉末的少量添加进行含碳量的调节来控制。粘结相中的W含量可以用“CW比”来表示，定义为CW比＝Ms/(wt％Co×0.0161)其中Ms是烧结的硬质合金主体以hAm2/kg计测量的饱和磁化强度，wt％Co是Co在硬质合金中的重量百分比。本发明刀片的CW比应该为0.80-0.90。
涂层包含多晶质非重复形式的难熔化合物的层状多层结构TiN+Ti1-xAlxN+TiN+Ti1-xAlxN+TiN....，其中x＝0.4-0.6，优选0.5。在所述涂层中，单层厚度的顺序没有重复区段，在整个多层结构中基本上是非周期性的。单独的TiN或Ti1-xAlxN层的厚度大于1nm但小于30nm，优选小于20nm，且基本上随机变化。多层涂层的总厚度＞1μm，优选＞2μm，但＜5μm，优选＜4μm。
在一个实施方案中，在多层涂层的顶部具有附加的黑色的0.2-1μm，优选0.3-0.6μm的厚Ti1-xAlxN层。
在另一个实施方案中，在多层涂层的顶部具有附加的青铜色的均匀(Ti0.84Al0.16)N层，其厚度约0.2-0.5，优选0.3μm。
本发明还涉及具有优良的韧性性能，尤其可用于在低合金和不锈钢中进行韧性要求的浅孔钻削的涂层硬质合金刀片的制造方法。硬质合金由WC和8-11wt％Co，优选9.5-10.5wt％Co和0.2-0.5wt％Cr组成。WC晶粒具有0.5-1.5μm的平均粒径。原料粉末同模压剂、少量添加的碳黑或纯钨粉末湿磨，得到烧结刀片中的CW比为0.80-0.90。在湿磨之后，浆料干燥成粉末，压制并烧结。在常规的烧结后(postsintering)处理之后，在N2气氛中，通过使用两对分别由纯Ti和TiAl合金组成的电弧源进行的阴极电弧蒸发镀来沉积包含多晶质非重复形式的难熔化合物的层状多层结构TiN+Ti1-xAlxN+TiN+Ti1-xAlxN+TiN....的涂层，其中x＝0.4-0.6，优选0.5。在所述涂层中，单层厚度的顺序没有重复区段，在整个多层结构中基本上是非周期性的。单独的TiN或Ti1-xAlxN层的厚度大于1nm但小于30nm，优选小于20nm，且基本上随机变化。多层涂层的总厚度＞1μm，优选＞2μm，但＜5μm，优选＜4μm。
在一个实施方案中，在N2气氛中，通过使用一对由TiAl合金组成的电弧源进行的阴极电弧蒸发镀来沉积多层涂层中的最后的黑色的0.2-1μm，优选0.3-0.6μm的厚Ti1-xAlxN层。
在另一个实施方案中，在Ar＝400sccm且N2＝800sccm的气氛中，使用从由Ti0.84Al0.16合金组成的电弧源进行的电弧沉积，在多层涂层的顶部沉积最后的青铜色均匀的(Ti0.84Al0.16)N层，其具有约0.2-0.5，优选0.3μm的厚度。
实施例1通过阴极电弧蒸发镀在由硬质合金制成的钻削刀片上沉积非周期性的多层，硬质合金具有WC+10wt％Co的组成，且平均WC粒径为1.0μm，CW比为0.86。从两对分别由纯Ti和TiAl合金组成的电弧源沉积涂层。电弧蒸发镀在N2气氛中进行。所形成的总涂层厚度为3.0μm，由TiN+Ti0.5Al0.5N多层组成，其具有一系列非周期性的、即非重复厚度的单独的片层。剖面透射电子显微方法研究显示出单独的氮化物层的厚度范围为2-15nm，总层数大约为400。
刀片的一半被附加的黑色的约0.3-0.6μm厚度的Ti0.5Al0.5N层所包覆。
刀片的另一半被附加的均匀的具有约0.3μm厚度的(Ti0.84Al0.16)N层所包覆。这种层是在Ar＝400sccm且N2＝800sccm的气氛中使用电弧蒸发镀从由Ti0.84Al0.16合金组成的电弧源沉积的。用这种方法，在全部刀片上以及从一批次到另一批次中，都得到了稳定的青铜色。
实施例2测试由实施例1中得到的青铜色刀片，并与Sandvik商品级1020的刀片比较浅孔钻削操作的韧性。测试刀片被机械夹紧在钻头的中央。在其外围使用如瑞典专利申请号SE0500235-7的刀片。刀具寿命标准凹陷磨损、塑性变形、侧面磨损或切屑＞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23mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0802C-GM结果。考虑抗凹陷磨损性，在刀具寿命方面显示出令人惊讶的显著差异。根据本发明的刀片相比参照刀片显示出了提高很多的抗凹陷磨损性。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 ＞40米参照刀片30米之后刀具破损实施例3
测试由实施例1中得到的黑色刀片，并与Sandvik商品级1020的刀片比较浅孔钻削操作的韧性。测试刀片被机械夹紧在钻头的外围。在中央使用实施例1中的青铜色刀片。刀具寿命标准凹陷磨损、塑性变形、侧面磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，270-285HB。
乳剂Blasocut BC25，7％。
操作通孔，50mm。
切削速度200m/min进给0.15mm/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 ＞20米参照刀片13.3米实施例4测试由实施例1中得到的青铜色刀片，并与Sandvik商品级1020的刀片比较浅孔钻削操作的韧性。测试刀片被机械夹紧在钻头的中央。在外围使用实施例1中的黑色刀片。刀具寿命标准凹陷磨损、塑性变形、侧面磨损或切屑＞0.25mm。
材料低合金钢SS2541-03，300HB乳剂Syntilo XPS，6.5％，10巴。
操作通孔，40mm。
切削速度150m/min进给0.20mm/r钻 直径24mm，3XD刀片类型CoroDrill 880，US0802C-GM
结果在高进给并结合孔中央附近的低速度时，本发明刀片相比参照刀片显示出了提高很多的耐磨性和抗塑性变形性。在刀具寿命以内钻得的长度本发明刀片 13.5米参照刀片2.3米。
权利要求
1.具有优良的韧性性能，尤其可用于在低合金和不锈钢中进行韧性要求的浅孔钻削的切削刀片，其包含基体和涂层，其特征在于所述基体由WC、8-11wt％Co，优选9.5-10.5wt％Co和0.2-0.5wt％Cr组成，平均WC粒径为0.5-1.5μm，CW比为0.80-0.90，以及所述涂层包含多晶质非重复形式的层状多层结构TiN+Ti1-xAlxN+TiN+Ti1-xAlxN+TiN....，x＝0.4-0.6，优选0.5，单独的TiN或Ti1-xAlxN层的厚度为1-30nm，优选1-20nm，且基本上随机变化，该多层涂层的总厚度为1-5μm，优选2-4μm。
2.根据权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，在所述多层涂层的顶部具有附加的黑色的0.2-1μm，优选0.3-0.6μm的厚Ti1-xAlxN层。
3.根据权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，在所述多层涂层的顶部具有附加的青铜色均匀的(Ti0.84Al0.16)N层，其厚度约0.2-0.5，优选0.3μm。
4.包含硬质合金基体和涂层的切削刀片的制造方法，其特征在于对由WC、8-11wt％Co，优选9.5-10.5wt％Co和0.2-0.5wt％Cr组成的、平均WC粒径0.5-1.5μm、CW比为0.80-0.90的基体，在N2气氛中使用两对分别由纯Ti和TiAl合金组成的电弧源，通过阴极电弧蒸发镀涂覆包含多晶质非重复形式的层状多层结构TiN+Ti1-xAlxN+TiN+Ti1-xAlxN+TiN的涂层，其中x＝0.4-0.6，优选为0.5，单独的TiN或Ti1-xAlxN层的厚度为1-30nm，优选1-20nm，且基本上随机变化，该多层涂层的总厚度为1-5μm，优选2-4μm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在N2气氛中，通过使用一对由TiAl合金组成的电弧源进行的阴极电弧蒸发镀来沉积最后的黑色的0.2-1μm，优选0.3-0.6μm的厚Ti1-xAlxN层。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在Ar＝400sccm且N2＝800sccm的气氛中，利用由Ti0 84Al0.16合金组成的电弧源进行电弧蒸发镀在所述多层涂层的顶部沉积最后的青铜色均匀的(Ti0.84Al0.16)N层，其厚度约0.2-0.5，优选0.3μm。
全文摘要
本发明涉及具有优良的韧性性能，尤其可用于在低合金和不锈钢中进行韧性要求的浅孔钻削的涂覆切削刀片及其制造方法。刀片包含基体和涂层。基体由WC、8－11wt％Co和0.2－0.5wt％Cr组成，平均WC粒径为0.5－1.5μm，CW比为0.80－0.90。涂层包含多晶质非重复形式的层状多层结构TiN+Ti
文档编号C23C14/06GK101018891SQ200680000797
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
发明者马茨·阿尔格伦, 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