专利名称：用于对超耐热合金(hrsa)和不锈钢进行车削的细晶粒硬质合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，特别适用于在湿润条件 下对超耐热合金和不锈钢进行车削。非常坚硬的细晶粒基底与(Ti， Al) N的PVD涂层的结合极大地增加了抗缺口磨损性，并且维持良好的 后刀面耐磨性、良好的抗塑性变形性和副刀刃的抗缺口磨损性。
背景技术：
超合金和不锈钢尤其发展为用于要求在高温下有卓越的机械性能 和化学性能的应用场合。超合金用于航空发动机，而不锈钢用于较大 范围的应用中。提高高温性能所做的几乎每一个冶金工艺改变使得更 难对这些合金进行加工。对于不锈钢，对于奥氏体不锈钢和所谓的双 相不锈钢，这最为突出。
随着高温强度的增加，合金在切削温度下会变得更硬且更刚性。 这导致在加工过程中切削刃上增加的切削力和增加的磨损。
因为在切屑形成过程中较坚固的材料产生更多的热量，且因为这 些合金的导热性相对较低，因此产生很高的切削温度。这也促使切削 刃的磨损增加。
车削通常可分为粗加工、半粗加工、半精加工和精加工。在粗加 工和半粗加工中，切削深度通常都大于刀尖半径，并且在HRSA和不锈 钢中，在主刀刃和副刀刃上的缺口磨损通常是主要的磨损机制，还有 塑性变形磨损、后刀面磨损和火口磨损。在半精加工和精加工中，切 削深度通常小于刀尖半径，并且后刀面磨损、塑性变形磨损和火口磨 损占主导。
发明内容
本发明的目的是提供一种切削刀具刀片，特别适用于在湿润条件 下对超耐热合金和不锈钢进行车削。
本发明的另一目的是提供一种切削刀具刀片，其主刀刃在粗加工 和半粗加工中具有提高的缺口耐磨性，并且在半精加工和精加工应用 中具有提高的后刀面耐磨性。
现已惊喜的发现，在车削超耐热合金和不锈钢时，涂敷有PVD涂 层的非常细晶粒和高硬度的切削刀具刀片极大提高了主(leading)刀 刃上的缺口耐磨性，并且维持在粗加工和半粗加工操作中的抗塑性变 形性和后刀面磨损性，以及在半精加工和精加工操作中增加的后刀面 耐磨性。
由此，本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，其由硬质合金主 体和涂层组成。
图l示出根据本发明的硬质合金釆用背散射电子、通过SEM放大 6000X的烧结结构。
图2示出采用二次电子、通过SEM放大6000X的根据本发明的PVD 涂层处理的刀片。
图3示出根据现有技术的硬质合金采用背散射电子、通过SEM放大 6000X的烧结结构。
图4示出采用二次电子、通过SEM放大6000X的根据现有技术的 PVD涂层处理的刀片。
具体实施例方式
硬质合金主体包括晶粒尺寸为0.4-1.0nm，优选为0.5-0.95pn的碳化钨(WC) ， 5-8wt-。/。的Co，优选为5.2-7.8wt-。/。的Co，最优选为 5.5-7.5wt-。/。的Co，以及Cr，使得Cr/Co比率按重量计为0.05-0.15，优选 为0.07-0.14，以及余量的WC。此外，还存在ppm (百万分之)水平的 元素Ti、 Ta、或Ti和Ta的混合物，使得比率Me/Cc^ (at-%Ti+at-%Ta) ^-%0>低于或等于0.014- (CW—Cr) * 0.008，并高于0.0005，优选高 于0扁7，而且CW—Cr为0.75-0.95，优选为0.76-0.90，其中 CW—Cr= ( magnetic-%Co+1.13* wt-%Cr ) /wt-%Co 其中magnetic-。/。Co是磁性Co的重量百分比，wt-。/。Cr是Cr在硬质合 金中的重量百分比，而wt-。/。Co是Co在硬质合金中的重量百分比。
已经发现，根据本发明，当硬质合金主体具有0.75-0.95的CW一Cr 时，优选为0.76-0.90时，则可以实现提高的切削性能。
在一个优选实施方式中，Co含量为5.7-6.1wt-y。，而在另一个优选 实施方式中，Co含量为6.8-7.2wt-o/。。
硬质合金主体涂有PVD TixAl^N涂层，其中具有0.4< x< 0.9的平 均组分。涂层的总厚度为〉lfim，优选为〉1.5pm，最优选为〉2.(Him， 但〈6.0^im，优选为〈5.(Him，最优选为< 4.5pm。组分和厚度均是在后 刀面、距刀尖半径lmm且距切削刃的200^im处测量的。
在一个优选实施方式中，涂层包括均匀的AlxTi^N层，其中 x=0.6-0.67，优选为乂=0.62。
在另一个优选实施方式中，涂层包括非周期性(Ti， Al) N多层， 该多层由二元A/B/A/B/A/B结构组成，其中贯穿整个涂层重复若干薄的 交替子层A和B。子层A/B的一个序列在此表示为一个薄层。由于涂层 的非周期性特征，因此每个薄层的厚度都变化，但平均薄层厚度在 30-300nm内，优选为60-120nm。子层A包括AVTi^N，其中乂=0.40-0.7， 优选为xi.5-0.67。层B包括TiyAh.yN，其中丫=0.6-1，优选为xi.75-l。
8用例如微探针或EDS所测量的整个涂层的化学计量在范围TizAl^N内， z=0.40-0.7，优选为2=0.45-0.6。在优选实施方式中，具有足够厚度的外 层TibAl,.bN, b=0.8-0.9,优选为0.82-0.85，给出可见的、均匀的青铜色 外观，优选为0.1-lpm厚。
在另一优选实施方式中，涂层为由均匀的Tio,5Alo.5N层以及具有 TiN和Tio.5Alo.sN的交替层的薄层的序列层组成的多层。该序列层重复 10-15次。均匀的Tio.5Alo.5N层的厚度为0.1-0.2nm，而薄层的厚度为 0.1 -0.2pm。薄层内的每个单独TiN或Tio.5Alo.sN层的厚度为0.1 -20nm。 该多层的平均组分优选为TieAl^N层，c=0.7-0.9。
本发明还涉及一种制造包括硬质合金主体和涂层的涂层切削刀具 刀片的方法。硬质合金主体釆用常规粉末冶金技术碾磨、压制和烧结 制造，并且它包括5-8wt-。/。的Co，优选为5.2-7.8wt-。/。的Co，最优选为 5.5-7.5wt-。/。的Co，以及Cr，使得Cr/Co比率按重量计为0.05-0.15，更优 选为0.07-0.14，以及余量的WC。此外，还存在ppm水平的元素Ti、 Ta、 或Ti和Ta的混合物，使得比率Me/Co= ( at-%Ti++at-wt%Nb+at-%Ta ) /&"%0)低于或等于0.014- (CW_Cr) * 0.008，并高于0.0005，优选高 于0.0007，而CW—Cr为0.75-0.95，优选为0.76-0.90，其中
CW—Cr= (magnetic-%Co+1.13* wt-%Cr ) /wt-%Co 。
CW Cr的值通过将适量炭黑或钨粉末加入到粉末混合物中来监
在常规后烧结处理之后，用PVD法，优选用电弧蒸镀法沉积上具 有0.4< x< 0.9的平均组分的PVDTixAl,-xN涂层。涂层总厚度> l^tm,更 优选为> 1.5pm，最优选为> 2.0pm，但< 6.0nm，优选为< 5.0pm，最 优选为< 4.5pm。
本发明还涉及根据上述的刀片的用途，用于湿车削耐热超合金，例如Inconel (铬镍铁合金)718， Inconel 625， Waspaloy, Udimet720 以及不锈钢，如AISI/SAE 304， San-Mac316L， SAF2205， SAF2057, 切削速度为30-250m/分钟，而进刀速度为0.1-0.4mm/转。
实施例l
将碳化钨粉，6wt-y。的非常细的晶粒的Co粉，0.6wt-。/。的Cr， 140ppm 的Ti和100ppm的Ta (它们以H. C. Starck公司的细晶粒TiC、 TaC^Cr3C2 粉末而添加)与常规压制剂一起研磨。研磨和喷雾干燥之后，粉末被 压制成CNMG120408-QM和CNGP120408刀片，并在1410。C下烧结。烧 结之后，测量CW—Cr、 Hc和HV3。 CW—Cr被确定为0.76，和0.014-(CW—Cr) *0.008被确定为0.00791，而Me/Co被确定为0.00296，且Hc 为31kA/m，维氏硬度为1983HV3。烧结WC的平均晶粒尺寸从矫顽力测 量结果被确定为0.83pm。图l示出硬质合金采用背散射电子、通过SEM 放大6000X的烧结结构。
在常规后烧结处理之后，采由Ti33Al67合金组成的耙料来沉积涂层。
在N2气氛中进行电弧蒸镀。最终的总涂层厚度为2.(Him，并且涂层由均 匀的Alo.62Ti(usN层组成。图2示出采用二次电子、通过SEM放大6000X 的PVD涂层处理的刀片。
实施例2
将碳化钨，7wt，。的非常细的晶粒的Co粉，0.7wt-G/。的Cr， 140ppm 的Ti和100ppm的Ta (它们作为H. C. Starck公司的细晶粒TiC、 TaC禾口
Cr3C2粉而添加)与常规压制剂一起湿研磨。研磨和喷雾干燥之后，粉 末被压制成CNMG120408-QM和CNGP 120408刀片，并在141(TC下烧 结。烧结之后，测量CW—Cr、 Hc和HV3。 CW一Cr被确定为0.72，和0.014-(CW—Cr) * 0.008被确定为0.00737，而Me/Co被确定为0.00258，且Hc 为29kA/m，维氏硬度为1916HV3。烧结WC的平均晶粒尺寸从矫顽力测 量结果被确定为0.77pm。
10在常规后烧结处理之后，采由Ti33Al67合金组成的靶料来沉积涂层。
在N2气氛中进行电弧蒸镀。最终的总涂层厚度为2.4pm，并且涂层由均
匀的Al。.62Ti。.3sN层组成。
实施例3
实施例l中所描述的硬质合金刀片在常规后烧结处理之后，通过在 N2气氛中进行的电弧蒸镀而被设置有涂层。沉积了3.9pm的PVD (Ti， A1)N多层，该多层由均匀的Tio,5Alo.5N层以及具有TiN和Ti" A1(^N的交 替层的薄层的序列层组成。该序列层重复12次。均匀的Ti。.5Al(uN层的 厚度为0.1-0.2pm，而薄层的厚度为0.1-0.2nm。薄层内的每个单独TiN 或Tio.sAlo.sN层的厚度为0.1 -20nm。用SEM-EDS测量出多层的平均组分 为Tio.sAlo.2N。
实施例4
实施例l中所描述的硬质合金刀片在常规后烧结处理之后，通过在 N2气氛中进行的电弧蒸镀而被设置有涂层。沉积了3.6pm的PVD (Ti， Al) N多层，该多层由二元非周期性A/B/A/B/多层(平均A+B的厚度为 60-120nm)以及组分为(^0.841^.16) N的有色的最外层组成。根据微 探针分析的平均组分为(To.5oAlo.5o) N。
实施例5 (现有技术)
现有技术的硬质合金车削刀片的组分为6wt-y。的Co， 0.14wt-y。的 Nb， 0.22wt-Q/o的Ta， 0.010wt-。/。的Ti，以及余量的WC。 CW—Cr被确定 为0.99，和0.014- (CW—Cr) * 0.008被确定为0.0068，而Me/Co被确定 为0.00267。维氏硬度被确定为1793HV3， Hc为21kA/m。烧结WC的晶 粒尺寸从矫顽力测量结果确定为1.3pm，且图3示出根据现有技术的硬 质合金采用背散射电子、通过SEM放大6000X的烧结结构。硬质合金 主体涂有如实施例l和实施例2所描述的2.7pm的Al62Ti38N均匀PVD涂 层。图4示出采用二次电子、通过SEM放大6000X的根据现有技术的 PVD涂层处理的刀片。
实施例6
来自实施例l和实施例5的刀片在Inconel718杆的车削中试验。
操作车削-精加工
工件已锻造和加工过的杆
材料在锻造和时效处理过条件下的Incone1718
切削速度80m/分钟n
进刀速度0.15mm/转
切削深度0.5mm
刀片型号CNGP120408
注意在有冷却液下切削
结果刀具寿命，切削的分钟数
实施例l (本发明)4.5分钟 实施例5 (现有技术)3.5分钟 刀具寿命标准是后刀面磨损0.2mm。
实施例7
来自实施例2和实施例5的刀片在Incond718杆的车削中试验。
操作车削-精加工
工件已锻造和加工过的杆
材料在锻造和时效处理条件下的Incone1718
切削速度80m/分钟
进刀速度0.15mm/转
切削深度0.5mm
刀片型号CNGP120408
注意在有冷却液下切削结果刀具寿命，切削的分钟数 实施例2 (本发明)4.0分钟 实施例5 (现有技术)3.5分钟 刀具寿命标准是后刀面磨损0.2mm。
实施例8
来自实施例l、实施例3、实施例4和实施例5的刀片在Inconel 718
杆的车削中试验。
操作车削-半粗加工
工件已锻造和加工过的杆
材料在锻造和时效处理条件下的Incone1718
切削速度60m/分钟
进刀速度0.2mm/转
切削深度1.5mm
刀片型号CNMG120408-QM
注意在有冷却液下切削
结果刀具寿命，切削的分钟数
实施例l (本发明)8.0分钟
实施例3 (本发明)4.0分钟
实施例4 (本发明)5.5分钟
实施例5 (现有技术)3.0分钟
刀具寿命标准是在主切削刃上的缺口磨损为0.3mm。
实施例9
来自实施例2和实施例5的刀片在Inconel718杆的车削中试验。
操作车削-半粗加工
工件已锻造和加工过的杆
材料在锻造和时效处理条件下的Incone1718切削速度60m/分钟 进刀速度0.2mm/转 切削深度1.5mm 刀片型号CNMG120408-QM
注意在有冷却液下切削
结果刀具寿命，切削的分钟数
实施例2 (本发明)7.5分钟
实施例5 (现有技术)3.0分钟
刀具寿命标准是在主切削刃上的缺口磨损为0.3mm。
实施例IO
来自实施例l、实施例2和实施例5的刀片在Inconel718杆的车削中试验。
操作车削-半粗加工
工件已锻造和加工过的杆
材料在锻造和时效处理条件下的Incone1718
切削速度60m/分钟
进刀速度0.2mm/转
切削深度1.5mm
刀片型号CNMG120408-QM
注意在有冷却液下切削
结果3分钟切削后在主切削刃上的缺口磨损 实施例l (本发明)0.02mm 实施例2 (本发明)0.09mm 实施例5 (现有技术)0.40mm 加工3分钟后的刀具变化。
实施例ll
来自实施例1和实施例5的刀片在SAF2205杆的车削中试验。
14操作车削-半粗加工
工件已加工的杆 材料SAF2205 切削速度170m/分钟 进刀速度0.33 mm/转 切削深度2.0mm 刀片型号CNMG120408-QM 注意在有冷却液下切削 结果切削10分钟后的缺口磨损 实施例l (本发明)0.09mm 实施例5 (现有技术)0.24mm
实施例12
来自实施例1和实施例5的刀片在SAF2507杆的车削中试验。
操作车削-粗加工 工件已加工的杆 材料SAF2507 切削速度130m/分钟 进刀速度0.23 mm/转 切削深度2.0mm 刀片型号CNMG120408-QM
注意在有冷却液下切削
结果切削12分钟后在主切削刃上的缺口磨损 实施例l (本发明)0.04mm 实施例5 (现有技术)0.18mm
实施例13
来自实施例2和实施例5的刀片在AISI/SAE 304杆的车削中试验。操作车削
工件已加工的杆
材料AISI/SAE304
切削速度200m/分钟
进刀速度0.35 mm/转
切削深度1.2mm
刀片型号CNMG120408-QM
注意在有冷却液下切削
结果刀具寿命，切削分钟数
实施例2 (本发明)12.0分钟
实施例5 (现有技术)8.5分钟
刀具寿命标准是在主切削刃上的缺口磨损为0.3mm。
1权利要求
1.用于对超耐热合金和不锈钢进行车削的切削刀具刀片，包括基底和涂层，其特征在于所述基底包括WC，5-8wt-％的Co，Cr，使得在重量上Cr/Co比为0.05-0.15，以及ppm水平的Ti、Ta、或Ti和Ta的混合物，以这样的量存在，即使得比率Me/Co＝(at-％Ti+at-％Ta)/at-％Co低于或等于0.014-(CW_Cr)＊0.008，并高于0.0005，而CW_Cr为0.75-0.95，其中，CW_Cr＝(magnetic-％Co+1.13＊wt-％Cr)/wt-％Co其中magnetic-％Co是磁性Co的重量百分比，wt-％Cr是Cr在硬质合金中的重量百分比，而wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分比，并且，所述涂层为PVD TixAl1-xN涂层，其具有0.4＜x＜0.9的平均组分，涂层作为单层涂层或多层涂层存在，且涂层的总厚度为＞1μm，但＜6.0μm。
2. 根据权利要求l所述的切削刀具刀片，其特征在于所述比率Me/Co= (at-%Ti+at-%Ta) /at-。/oCo高于0.0007。
3. 根据权利要求l-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于 所述CW—Cr为0.76-0.卯。
4. 根据权利要求l-3中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于 所述单层涂层或多层涂层的总厚度为> 2pm，但< 4.5pm。
5. 根据权利要求l-4中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于 所述涂层包括均匀的AUVxN层，并且x-0.6-0.67。
6. 根据权利要求5所述的切削刀具刀片，其特征在于x=0.62。
7. 根据权利要求l所述的切削刀具刀片，其特征在于所述涂层包括非周期性(Ti， Al) N多层，该多层由二元A/B/A/B/A/B结构构成， 其中贯穿整个涂层重复薄的交替子层A和B，且薄层A/B的厚度为 30-300nm，其中子层A包括AlJVxN，其中x-0.40-0.7，而子层B包括 TiyAl!.yN，其中"0.6-l，且总组分在范围TizAlLzN内，z=0.40-0.7。
8. 根据权利要求7所述的切削刀具刀片，其特征在于所述薄层 A/B的厚度为60-120nm。
9. 根据权利要求7-8中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于 x=0.5-0.67。
10. 根据权利要求7-9中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于 y=0.75-l。
11. 根据权利要求7-10中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在 于z=0.45-0.6。
12. 根据权利要求7-ll中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在 于具有足够厚度的外层TibAl,-bN， b=0.8-0.9，给出可见的、均匀的青 铜色外观。
13. 根据权利要求12所述的切削刀具刀片，其特征在于 b=0.82-0.85。
14. 根据权利要求l所述的切削刀具刀片，其特征在于所述涂层 为由均匀的TiQ.5Alo.sN层以及具有TiN和TiQ.5 A1Q.5N的交替层的薄层的序 列层组成的多层，该序列层重复10-15次，所述均匀的Ti。.5Al。.5N层的厚 度为0.1-0.2)am，所述薄层的厚度为0.1-0.2pm，且所述薄层内每个单独 TiN或TiQ.5 A1。.5N层的厚度为0.1 -20nm ，所述多层的平均组分优选为 TicAl,.cN，并且c二0.7-0.9。
15. 根据权利要求1-14中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在 于所述基底包括5.5-7.5wt-。/。的Co。
16. 根据权利要求1-15中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在 于所述基底包括5.7-6.1wt-y。的Co。
17. 根据权利要求1-15中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在 于所述基底包括6.8-7.2wt-M的Co。
18. 制造涂层的切削刀具刀片的方法，所述刀片由硬质合金基底 和涂层组成，其特征在于以下步骤提供基底，基底采用常规粉末冶金技术碾磨、压制和烧结而成， 所述基底包括WC， 5-8wt-。/。的Co， Cr，使得在重量上Cr/Co比为 0.05-0.15，以及ppm水平的Ti、 Ta、或Ti和Ta的混合物，以这样的量存 在，即使得比率Me/Cc^ (at-%Ti+at-%Ta) /at-。/。Co低于或等于0.014-(CW—Cr) * 0.008，并高于0.0005，而CW—Cr为0.75-0.95，其中CW—Cr= (magnetic-%Co+1.13* wt-%Cr ) /wt-%Co其中magnetic-。/。Co是磁性Co的重量百分比，wt-。/。Cr是Cr在硬质合 金中的重量百分比，而wt-。/。Co是Co在硬质合金中的重量百分比，以及，采用PVD方法，沉积T"Ah-xN涂层，所述涂层具有0.4《x〈0.9的 平均组分，其作为单层涂层或多层涂层存在，且涂层的总厚度为> l)im， 但< 6.0pm。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述基底包括 5.5-7.5wt-y。的Co。
20. 根据权利要求18-19中任一项所述的方法，其特征在于所述 比率Me/Cc^ (at-%Ti+at-%Ta) /at-。/。Co高于0.0007。
21. 根据权利要求18-20中任一项所述的方法，其特征在于所述 CW—Cr为0.76-0.90。
22. 根据权利要求18-21中任一项所述的方法，其特征在于所述 单层涂层或多层涂层的总厚度为>2pm，但〈4.5^im。
23. 根据权利要求18-22中任一项所述的方法，其特征在于所述 PVD方法为电弧蒸镀法。
24. 根据权利要求1-17中任一项所述的刀片的用途，用于对超耐热 合金和不锈钢进行车削，切削速度为30-250m/分钟，而进刀速度为 0.1-0.4mm/转。
25. 根据权利要求24所述的用途，其中所述超耐热合金属于 Inconel 718， Inconel 625， Waspaloy，以及Udimet 720组成的组，而所 述不锈钢属于AISI/SAE 304， San-Mac 316L， SAF2205，以及SAF2057组成的组。
全文摘要
本发明涉及一种用于对超耐热合金和不锈钢进行车削的切削刀片，其包括非常细的晶粒的硬质基底和涂层。所述基底包括WC，5-8wt-％的Co和0.3-1.5wt-％的Cr。此外，还存在ppm水平的元素Ti、Ta、或Ti和Ta的混合物。比率Me/Co＝(at-％Ti+at-％Nb+at-％Ta)/at-％Co低于或等于0.014-(CW_Cr)*0.008，并高于0.0005。烧结WC的平均晶粒尺寸为0.5-0.95μm，而CW_Cr为0.75-0.95。硬质合金主体涂有PVDTi<sub>x</sub>Al<sub>1-x</sub>N涂层，其具有0.4＜x＜0.9的平均组分，涂层作为单层或多层涂层存在，且涂层总厚度＞1μm，但＜6.0μm。
文档编号B23B27/14GK101596610SQ20081010954
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月2日 优先权日2008年6月2日
发明者克斯廷·伦丁, 苏珊·诺格伦, 马丁·汉松, 马林·莫滕松 申请人:山特维克知识产权股份有限公司