特别用于重型操作的涂覆硬质合金刀片的制作方法

专利名称：特别用于重型操作的涂覆硬质合金刀片的制作方法
特别用于重型操作的涂覆硬质合金刀片本发明涉及具有富粘结相表面区域的涂覆硬质合金刀片，该刀片 具有改善的刀刃安全性、耐磨性并且结合了极佳的抗塑性变形能力， 尤其适用于非常大型钢铁零件的重型粗车削操作。对于车削不锈钢及普通钢的钢材料，涂覆硬质合金刀片被广泛使用，特别是具有富粘结相硬质合金刀体的CVD涂覆刀片。通过富粘结相表面区域，能够使应用领域得到扩大。最常用的类 型是具有0-3(^m厚的表面区域的硬质合金刀体，该表面区域基本不含立方相并且适度地富集粘结相。例子为US 4,277,283、 US 4,610,931、 US 4,830,283以及US 5,106,674。富粘结相硬质合金刀片的另一种类型是所谓的分层型，该分层型 通过使用这样的粉末和具备控制冷却的烧结工艺来实现，所述粉末具 有精心控制的碳含量。这种类型具有15-45Mm厚的表面区域，该区域由 基本上平行于外部表面的多个薄的粘结相分层而使得粘结相极为富 集。在大规模生产中，难以控制碳，并且实际当中也很少使用分层粘 结相富集。EP-A-603143公开了具有富粘结相表面区域的硬质合金，所述硬质 合金包括WC以及粘结相中的立方相，其中富粘结相表面区域具有基本 上不含立方相的外部部分以及具有立方相和分层粘结相层的内部部 分。因而这是前面提到的两种类型粘结相富集的组合。本发明所涉及的重型加工操作，其特征在于通过非切削加工和切 削加工使用相对大的力来成形工件。这种操作包括非切削成形加工，
如挤压、碾轧、拉延和变薄拉伸；切削加工，如冲孔、剪切、拉削；以及大力(high force)钻；磨；铣和车削加工。重型加工操作的特征 在于，施加在工件上的功以及工具与工件之间的摩擦共同产生了足够 的热，使工件变形以及导致高工具磨损率。重型应用的一个例子是对非常大型钢铁零件进行重型粗车削操 作，所述非常大型钢铁零件例如用于船舶的驱动轴和用于风力发电厂 的轴，所述轴能达到20米长并且直径达到1.5米，其中所使用的大型切 削刀片的iC》19mm，厚度》6mm，其中iC是刀片内接圆的直径。由于 锻造轴通常为椭圆形并且其表面具有锻造外壳及杂质(氧化膜)，因 此对于切削刀片的要求极高。椭圆形使得在切削操作期间的切削深度 (DOC)有时候为零。钢的类型可以是低合金钢或者碳钢，例如韧淬 火钢。此外，切削数据最多能达到2.5mm的进给量以及达到30mm的切 削深度。这些共同使得切削工具刀片在韧性、抗塑性变形能力以及抗 磨性上需具备很高的要求。本发明的目的是提供切削工具刀片，其尤其适用于重型应用，如 非常大型钢铁零件的重型粗车削加工。本发明的另一目的是提供切削工具刀片，其具有改善的刀刃安全 性、抗磨性并且结合有极高的抗塑性变形能力。现在已经令人惊讶地发现，主要在上述切削操作中针对不同需求 表现出改善特性的切削工具刀片可以通过以下方式获得，即提供一种 切削工具刀片，其包括具有分层富粘结相表面区域的并且具有良好 均衡的碳含量硬质合金刀体，该区域部分地不含有立方相，该碳含量 给出了游离碳、石墨的非常确定的含量，在硬质合金刀体的内部部分，优选结合有柱状TiCxNy层以及后处理0!-Al203顶层。根据本发明，提供了一种涂覆切削工具刀片，其包括硬质合金和 涂层，所述硬质合金具有W含量极低的粘结相以及部分地不含立方相的分层富粘结相表面区域，所述涂层优选包括柱状TiCxNy层以及后处理 -八1203顶层。刀片很大，其iC》19mm，优选30-60mm，厚度^6mm， 优选9-20mm。硬质合金组成为5-10wt%，优选5.5-8wty。，最优选6-7wt。/。的钴； 5-12wt%，优选7-10wt。/。，最优选8-9wt。/。选自IVA和VA族金属的立方碳 化物或者碳氮化物，所述金属优选为Ti、 Ta和Nb，并且优选Ti含量为 1.0-4.0wt%，最优选1.5-3.0wt0/。，并且其余为WC，优选80-88wt。/。WC。 氮含量0.1wt。/。，优选0.02-0.1wt。/c)，最优选0.04-0.07wt。/。，并且在硬质 合金刀体内部中心部分的碳含量被调整到对应于C06-C08的碳孔隙率， 优选C08。分层富粘结相硬质合金表面区域为15-45/mi厚，优选20-40/mi， 最优选25-35/mi，优选具有基本上不含立方相的外部部分。该外部部分 的厚度为分层富粘结相表面区域总厚度的25-50%，优选30-45%。富粘 结相表面区域的粘结相含量最大为普通粘结相含量的1.5-4倍，优选2-3 倍。此外，分层富粘结相表面区域以及其下面大约100-300/xm厚的区域 均不含游离石墨，即对应于COO的碳孔隙率。Hc值为9-13.5kA/m，优选 10-12kA/m。钴粘结相与极低量的钨(W)合金化。粘结相中的钨会影响钴的 磁力特性并且因此与CW比率相关，CW比率被定义为 CW比率磁性钴百分含量/钴百分含量其中磁性钴百分含量指的是磁性钴的重量百分比，钴百分含量指 的是在硬质合金中钴的重量百分比。CW比率根据合金化度在1到约0.75之间变化。较低CW比率对应于 较高的W含量，并且CW比率-1在实际当中对应于粘结相中不含钨。根据本发明，在下述情形下，能够增强改善的切削性能A)硬质合金的CW比率在0.96-1.0之间，优选在0.98-1.0之间，最 优选在0.99-1.0之间。B) 在涂覆之前，切削刀片具有35-95/mi、优选40-60/mi的刀刃倒圆。C) 涂层包括-TiCxNyOz第一最内层，其中x+y+z-l， y〉x并且z〈0.2，优选yX).8 并且zi，并且总厚度为0.1-1.5/mi，优选〉0.4/mi。-TiCxNy第二层，其中x+y-l， x〉0.3并且y〉0.3，厚度为4.5-9.5/mi， 优选5-7.5/rni，具有柱状晶粒。-TiCxNyOz第三层，其中x+y+z^， x〉0.3并且z〉0.3， 0<=y<0.2，厚 度为0.3-1.5/mi。-平滑仏^203第四层，厚度为4.5-9.5/mi，优选5-7.5/mi，并且切削 范围区域内10^n长度上的表面粗糙度RaO.4/mi。-Al2O3第四层与TiCxNy第二层的层厚比率优选为0.8-1.2。 -有色顶层，厚度为0.1-2/mi，优选在间隙面上的TiN或者ZrN。本发明还涉及制造涂覆切削工具刀片的方法，所述刀片具有硬质 合金刀体，其成分为5-10wt%，优选5.5-8wt。/。，最优选6-7wt。/。的Co; 6-llwt%，优选7-10wt。/。，最优选8-9wt。/。选自IV和V族金属的立方碳化 物或者碳氮化物，所述金属优选为Ti、 Ta和Nb，并且优选Ti含量为 l-4wt%，最优选1.5-3wt。/。，并且其余为WC，优选80-88wty。WC。氮含 量0.1wt0/0，优选0.02-0.10wt0/0，最优选0.04-0.07wt。/。，并且在硬质合 金刀体内部中心部分的碳含量调整到对应于C06-C08的C孔隙率，优选 C08。根据本发明的硬质合金的生产最好是通过在惰性气氛或真空中， 在1380-1520。C下烧结预烧结或压实刀体15-180分钟，所述刀体含有氮 以及用于形成分层的最优碳量，接下来通过1300-1220。C，优选 1290-1240。C的凝固区域，以20-100。C/h，优选40-70。C/h的速度进行缓 慢冷却。烧结条件被调整成使所获得的Hc值为9-13.5kA/m，优选 10-12kA/m。 CW比率应在0.96-1.0范围内，优选在0.98-1.0范围内，最优
选在0.99-1.0范围内。分层富粘结相硬质合金表面区域厚度为15-45/im, 优选20-40/mi，最优选25-35/mi，优选具有基本上没有立方相的外部部 分。该外部部分的厚度为分层富粘结相表面区域总厚度的25-50%，优 选30-45%。富粘结相表面区域的粘结相含量最大为普通粘结相含量的 1.5-4倍，优选2-3倍。在涂覆之前，刀片被处理使其刀刃半径在35-95/mi 之间，优选在40-60/im之间，并且使用电化学或喷丸清理方法清洁表面。刀片设置有涂层，所述涂层包括-TiCxNyOz第一最内层，其中x+y+z4， y〉x并且z〈0.2，优选y〉0.8 并且2=0，并且总厚度为0.1-1.5/rni，优选〉0.4/mi，使用已知的CVD方法 进行。-TiCxNy第二层，其中x+y-l， x〉0.3并且y〉0.3，厚度为4.5-9.5pim， 优选5-7.5/mi，具有柱状晶粒，使用以乙腈作为碳和氮来源的MTCVD 技术，用于在700-900。C的温度范围内形成层。然而，确切的条件在一 定程度上取决于所使用设备的设计。-TiCxNyOz第三层，其中x+y+z^， x〉0.3并且z〉0.3， 0<=y<0.2，厚 度为0.3-1.5/mi，使用已知的CVD方法进行。-平滑a-Al203第四层，厚度为4.5-9.5/xm，优选5-7.5/mi，使用已知 的CVD方法进行。优选Al203第四层和TiCxNy第二层的层厚比率为 0.8-1.2。-有色顶层，厚度为0.1-2/mi，优选TiN或者ZrN。顶层处在间隙面 上并且通过刷光或喷丸清理从前刀面上去除，以使得切削范围区域内 10/mi长度上的表面粗糙度Ra0.4。本发明还涉及如上所述的切削刀具刀片的用途，该刀片用于重型 加工应用，例如非常大型钢铁零件的重型粗车削加工，优选碳钢的零 件或低合金钢的零件，例如韧淬火钢的零件，所述非常大型钢铁零件 例如用于船舶的驱动轴和用于风力发电厂的轴，所述轴能达到20米长 并且直径达到1.5米，所使用的切削刀片的iC》19mm，优选30-60mm, 刀片厚度^6mm，优选9-20mm，切削速度在25-100 m/min范围内，优 选25-75 m/min，进给量在l-2,5mm范围内，切削深度为0-30mm，优选 3-30mm，其中切削深度为零是由于工件的椭圆形状。实施例l具有iC:38mm和厚度二9.5mm车削刀片SCMT380932，由粉末混合 物压制而成，所述粉末混合物的组分为2.2wt%TiC、 0.5wt。/。TiCN(给 出氮含量0.05wt0/。) 、 3.6wt%TaC、 2.4wt%NbC、 6.5wt。/。Co以及其余的 WC，并具有0.25wt。/。超化学计量的碳含量。刀片在氢气中烧结到450。C 用于脱蜡，并且进一步在真空中达到1350。C，并且随后在40mbar氩气 的保护气氛中在1450。C下保持1小时。在相同的保护气氛下，在 1290-1240。C温度间隔内，以60。C/h的受控温度下降量而执行冷却。在 此之后，在维持保护气氛的情况下，冷却以普通的炉冷方式继续进行。烧结刀片具有富粘结相表面区域。该表面区域的外部部分被适度地富集粘结相，基本上没有立方相，具有微弱形成的分层粘结相结构， 并且该外部部分的厚度为15/mi。在外部部分的内部，存在包含立方相 的20/xm厚区域，并且具有强烈的钴富集作为分层粘结相结构。在平行 于表面的100Mm距离上，外部部分内部的最大钴含量为平均17wt。/。。使 用装备有波长分散谱仪(WDS)的微探针分析仪的线扫描来进行测量。 此外在这部分下面存在150-200/xm厚的区域，该区域具有基本正常的立 方相及粘结相含量，但是没有石墨。在刀片的内部部分，石墨对应于 C08的碳孔隙存在。Hc值为11.5并且CW比率为0.99。刀片使用刷光方法将刀刃倒圆成50Mm半径，并且其表面通过电化 学方法而被清洁，并且然后采用MTCVD技术(在850-885。C的温度范 围内并且使用CH3CN作为碳/氮的来源)被涂覆0.5/mi厚的TiCxNy第一 层，该层具有高的氮含量，对应于x值为0.05，接下来被涂覆8jum厚的 TiCxNy第二层，该层的x值约为0.55并且具有柱状晶粒结构。在随后的 步骤中，在相同的涂覆周期内，沉积lMm厚的Ti(C,O)第三层，接着7/mi 厚的仏八1203第四层以及1 pm厚的TiN顶层。
最后，刀片的前刀面由氧化铝沙砾湿式喷丸，从而去除顶部TiN层并且生成在10Mm长度上Ra^.2/mi的暴露的Al2O3层的光滑表面光洁度。实施例2在生产用于风力发电厂的生产轴的客户处测试实施例l中得到的 刀片，并与商购的刀片相对比，后者适用于这种类型的操作并且与实 施例l中的刀片类型相同，比较结果参见表l (现有技术)。表l变体基底成分wt% #)表面区域*) /xm CW比率涂层厚度，/mi以及类型Co TaC NbC TiC参照A7.5 2.9 0.5 2.326 0.888.0TiCxNy， 7.0a-Al2O3参照B10.0 5.6 - 2.920 0.826.5 TiCxNy， 5.0 /c-Al203 x=0.55, y=0.45#) 其余为wc*)富粘结相，不含有立方相，未分层 刀片在锻造轴的重型纵向粗车削操作中进行测试，所述锻造轴直径800mm，长度8m，由钢SS2244制成。切削数据切削速度 37m/min 进给量 1.8mm/rev切削深度 4-30mm (由于椭圆形，有时为零)无冷却剂根据本发明(实施例l)的刀片的工具使用寿命为115分钟，分别 对比参照A的55分钟和参照B的38分钟。对于根据本发明的刀片，磨损 类型主要为侧面磨损，对于参照A为塑性变形和破裂，并且对于参照B 为塑性变形。从实施例2中明显看出，根据本发明的刀片，由于具有刀刃韧度和 抗塑性变形能力的结合，从而给出了优异的性能。
权利要求
1.涂覆切削工具刀片，包括具有分层富粘结相表面区域的硬质合金刀体以及涂层，其特征在于-所述分层富粘结相表面区域的粘结相含量最大是普通粘结相含量的1.5-4倍，优选2-3倍，厚度为15-45μm，优选20-40μm，最优选25-35μm，从而所述分层富粘结相表面区域以及其下面大约100-300μm厚的区域均不含游离石墨，即对应于C00的碳孔隙率，以及在所述硬质合金刀体内部中心部分中C06-C08的碳孔隙率，优选C08，并且-刀片很大，其内接圆直径iC≥19mm，优选30-60mm，厚度≥6mm，优选9-20mm。
2. 根据权利要求l所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述 分层富粘结相表面区域具有外部部分，所述外部部分基本上不含立方 碳化物相，并且厚度为所述分层富粘结相表面区域总厚度的25-50%， 优选30-40%，并且氮含量为0.02-0.10wt%，优选0.04-0.07wt%。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的涂覆切削工具刀片，其特征 在于，所述硬质合金的CW比率为0.96-1.0，优选0.98-1.0,最优选 0.99-1.0。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于-所述硬质合金组成为5-10wt%，优选5.5-8wt%，最优选 6.0-7.0wt。/。的钴；5-12wt%,优选7-10wt。/。，最优选8-9wt。/o的选自IVb 和Vb族金属的立方碳化物或者碳氮化物，所述金属优选为Ti、 Ta和/ 或Nb，并且优选Ti含量为1.0-4.0wt%，最优选1.5-3.0wt%;并且其余 为WC，优选80-88wt%WC，从而氮含量<0.10，-所述硬质合金的Hc值为9-13.5kA/m，优选10-12kA/m，以及-刀刃倒圆为35-95/mi，优选40-60/mi。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的涂覆切削工具刀片，其特征 在于，涂层包括-TiCxNyOz第一最内层，其中x+y+z4， y〉x并且z〈0.2，优选y〉0.8 并且z^，并且总厚度为0.1-1.5jxm，优选X).4^mi，-TiCxNy第二层，其中x+y-l， x〉0.3并且y〉0.3，其厚度为4.5-9.5/mi， 优选5-7.5/rni，具有柱状晶粒，-TiCxNyOz第三层，其中x+y+z^， x〉0.3并且z〉0.3, 0<=y<0.2，厚 度为0.3-1.5/mi，-平滑仏八1203第四层，厚度为4.5-9.5/mi，优选5-7.5/mi，并且在切 削范围区域内10pm长度上的表面粗糙度RaO.4/mi，-八1203第四层和1^)( 第二层的层厚比率优选为0.8-1.2，以及 -有色顶层，厚度为0.1-2/mi，优选在间隙面上的TiN或者ZrN。
6. 制造涂覆切削工具刀片的方法，所述刀片包括具有分层富粘结 相表面区域的硬质合金刀体以及涂层，其特征在于，提供硬质合金刀 体，所述硬质合金刀体内接圆直径》19mm，优选30-60mm，厚度》 6mm，优选9-20mm，并且在所述硬质合金刀体内部中心部分的碳含量 对应于C06-C0S的碳孔隙率，优选C08，并且Hc值为9.0-13.5kA/m， 优选10.0-12.0kA/m，并且所述分层富粘结相硬质合金表面区域厚度为 15-45/mi，优选20-40/mi，最优选25-35/im，并且所述富粘结相表面区 域的粘结相含量最大为普通粘结相含量的1.5-4倍，优选2-3倍，所述 硬质合金刀体通过以下步骤制成在惰性气氛或真空中，在 1380-1520°C下烧结预烧结或压实的刀体15-180分钟，所述预烧结或 压实的刀体含有用于形成分层的最优碳量，接下来通过1300-1220°C， 优选1290-1240°C的凝固区域，以20-100°C/h，优选40-70°C/h的速度 进行缓慢冷却。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硬质合金的组 成为5-10wt%，优选5.5-8wt%，最优选6.0-7.0wt。/。的钴；5-12wt%， 优选7-10wt%，最优选8-9wt。/o的选自IV和VA族金属的立方碳化物或 者碳氮化物，所述金属优选为Ti、 Ta和/或Nb，并且优选Ti含量为 1.0-4.0wt%，最优选1.5-3.0wt%，并且其余为WC，优选80-88wt%WC， 并且氮含量为0.02-0.10wt%，优选0.04-0.07wt%。
8. 根据权利要求6或7中的任一项所述的方法，其特征在于，所 述硬质合金的CW比率为0.96-1.0，优选0.98-1.0，最优选在0.99-1.0 范围内。
9. 根据权利要求6、 7或8中的任一项所述的方法，其特征在于 -将刀片刀刃倒圆至半径为35-95/mi，优选40-60/mi，并且用电化学或喷丸清理方法清洁表面，-沉积涂层，所述涂层包括-TiCxNyOz第一最内层，其中x+y+z二l， y〉x并且z〈0.2，优 选y〉0.8并且zi，总厚度为0.1-1.5/mi，优选〉0.4pm，使用已知的CVD 方法，-TiCxNy第二层，其中x+y^， xX).3并且yX).3，厚度为 4.5-9.5/mi，优选5-7.5Mm，具有柱状晶粒，使用以乙腈作为碳和氮来源 的MTCVD技术，用于在700-900。C温度范围内形成层，-TiCxNyOz第三层，其中x+y+z^，x〉0.3并且z〉0.3，(K二yO.2， 厚度为0.3-1.5/mi，使用已知的CVD方法，-平滑《-八1203第四层，厚度为4.5-9.5拜，优选5-7.5/mi，使 用已知的CVD方法，优选Al203第四层与TiCxNy第二层的层厚比率为 0.8-1.2，-有色顶层，厚度为0.1-2/mi，优选TiN或者ZrN，使用已知的 CVD方法，以及-通过刷光或喷丸清理去除前刀面上的顶层，使切削区域在10/mi 长度上的表面粗糙度Ra0.4/mi。
10. 根据以上的切削刀具刀片的用途，该刀片用于重型加工应用，例如非常大型钢铁零件的重型粗车削加工，优选碳钢或低合金钢，例 如韧淬火钢，所述非常大型钢铁零件例如用于船舶的驱动轴以及用于风力发电厂的轴，所述轴能达到20米长并且直径达到1.5米，所使用 的切削刀片的iC》19mm，优选30-60mm，刀片厚度》6mm，优选 9-20mm，切削速度在25-100 m/min范围内，优选25-75 m/min，进给 量在l-2.5mm范围内，切削深度为0-30mm，优选3-30mm，其中切削 深度为零是由于工件的椭圆形状。
全文摘要
本发明涉及一种特别用于对诸如用于船舶的驱动轴和用于风力发电厂的轴的非常大型钢铁零件进行重型粗车削操作的涂覆切削工具刀片。刀片很大，其内接圆直径iC≥19mm，厚度≥6mm，其组分为5-10wt％的Co、5-12wt％的金属Ti、Ta和/或Nb的立方碳化物或者碳氮化物，并且其余为WC，分层富粘结相表面区域为15-40μm厚。在涂覆之前，刀片具有35-95μm的刀刃倒圆。所述涂层包括-TiC_xN_yO_z第一最内层，总厚度为0.1-1.5μm，-TiC_xN_y第二层，厚度为4.5-9.5μm，具有柱状晶粒，-TiC_xN_yO_z第三层，厚度为0.3-1.5μm，-平滑α-Al₂O₃第四层，厚度为4.5-9.5μm，以及-有色顶层，厚度为0.1-2μm，优选位于间隙面上的TiN或者ZrN。本发明还涉及制造这种刀片的方法以及该刀片在非常大型钢铁零件的重型粗车削操作中的使用。
文档编号B32B33/00GK101209612SQ20071030590
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者肯尼斯·韦斯特格伦, 莱夫·阿克松 申请人:山特维克知识产权股份有限公司