用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片的制作方法

专利名称：用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硬质合金刀片，尤其涉及一种车削用的硬质合金涂层刀片。
背景技术：
在金属切削加工过程中，刀具存在两种失效机制磨损和破损。刀片磨损主要包括 磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时， 其磨损的主要原因可能是其中的一种或两种。一般来说，切削温度较低时以磨蚀磨损为主， 切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。刀片破损主要是脆性破损(崩刃、碎裂、剥落、 裂纹破损等)和塑性变形。实验数据表明，刀片早期破损受热应力影响较小，主要是受机械 冲击作用所致的脆性破损；刀片后期疲劳破损主要是在机械和热冲击作用下刀片内裂纹失 稳扩散所致的脆性破损和过高的加工温度导致的塑性变形。不锈钢含有多种合金元素，尤其是奥氏体不锈钢的Cr、Ni等合金元素含量很大， Cr能提高不锈钢的强度和韧性，同时使不锈钢具有与刀具粘结的倾向；M能稳定不锈钢中 的奥氏体组织，但是奥氏体组织塑性大，容易产生加工硬化；此外，不锈钢的导热性能差，约 为45#钢的三分之一，导致切削区域温度非常高。所以在不锈钢的加工中，由于不锈钢具有 很高的强度、韧性和低的导热性能，导致切削力大、切削温度高，刀片刃口很容易发生塑性 变形失效；由于不锈钢中的奥氏体组织塑性大，容易产生加工硬化，刀具很容易发生沟槽磨 损和后刀面磨损；此外，由于不锈钢与刀具材料的亲和力大，切削温度高，刀具很容易产生 涂层剥落和扩散磨损。为了适应不锈钢高效车削加工的要求，刀片应当具有更高的韧性、高 温强度、高温硬度和良好的抗粘结磨损和抗涂层剥落的能力。目前，具有粘结相富集表面区域的涂层硬质合金刀片广泛用于钢材等合金的机械 加工中，粘结相富集表面区域拓宽了刀片的应用范围，使之能应用于更富韧性的切削操作。 含有α-Al2O3涂层的多层涂层提高了刀片的耐磨性能，使刀片的寿命得到增加，涂层和刀 片基体各自的优越性在涂层刀片中实现了较好的统一。在刀片基体的制备中，制造含有WC、立方相和粘结相富集表面区的硬质合金属于 梯度烧结技术，在部分专利文献中(例如US4277283和US4610931号美国专利文献，以及 CN1079179A、CN1134470A、CN1229442A、CN1532014A、CN1854320A、CN1891842A 号中国专利 文献)已经公开了粘结相含量梯度变化的硬质合金基体及其制备方法，可以获得基本上不 具有立方相的粘结相富集表面区。特别是CN1079179A号中国专利文献，其涉及一种具有 改进韧性和塑变抗力的硬质合金刀片，该刀片是用已知的方法在真空中烧结含氮的材料 后，再在1280°C 1430°C温度、40mbar 400mbar氮气中处理刀片5min lOOmin，得到 一种具有粘结相富集表面区的硬质合金，其在粘结相富集表面区下层的区域中，粘结相的 含量为该刀片内部含量的0. 85 1，而立方相的含量基本恒定且等于该刀片内部的含量。 此种刀片结构对改进刀片韧性和塑变抗力起到了一定作用。从断裂力学的观点来看，具有 富集粘结相表面区的硬质合金可以吸收裂纹扩展能，防止裂纹的扩展，从而改进刀片的韧 性，表现更加强韧的性质。然而，在其后的应用实践中，我们发现富集粘结相表面区的存在降低了刀片的硬度和刃口强度，导致刀片刃口容易产生塑性变形，后刀面抗磨损能力下降。 CN101214743A号中国专利文献公开了一种用于加工铸铁的涂层刀片，该刀片基体的刃口两 边形成粘结相富集表面区，粘结相富集表面区中间的扇形区域为立方相富集区，该结构提 高了刃口的抗塑性变形能力，但是在不锈钢的车削加工中，其抗塑性变形、抗涂层剥落和抗 磨损能力表现较差，有待进一步提高。在刀片基体表面涂层的制备中，在刀具表面涂覆高硬度的涂层(如TiN、TiC、 TiCN、CrN等)可减轻刀片的磨蚀磨损、粘结磨损和扩散磨损，增加刀片的耐用度；而在刀片 表面涂覆高硬度的Al2O3涂层可以有效避免氧化磨损。采用CVD方法在切削刀片基体上沉 积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，这在现有的很多专利文献中已经有描述。例 如US4490191和US3736107号美国专利文献、EP0408535A1和EP0738336A1号欧洲专利文献 以及CN1091683A和CN1107901A号中国专利文献等公开了氧化物涂层刀具的制备方法以及 各种提高氧化物涂层附着性能的预处理方法。JP7075903A号日本专利文献、SE511089C2号 瑞典专利文献以及W00052225A1号国际公布专利文献公开了 MTCVD-TiC或TiCN涂层的制 备方法以及该涂层在立方氮化硼刀具、硬质合金刀具、多涂层刀具中的应用。现有涂层刀片 的CVD涂层普遍采用MTCVD-TiCN涂层和Al2O3涂层的外层设计，典型涂层结构为TiCN(外 层)+Al2O3 (中层)+TiCN(内层)的多层式结构，该多层式结构虽具有一定的通用性，能适用 于各加工领域的切削刀片，但是其通用性也限制了其在某些特殊领域(例如不锈钢车削) 的针对性。综上，我们有必要对刀片基体和刀片涂层的微观结构及各项参数指标作进一步调 整、组合和优化，以适应不同加工对象、不同加工方式的需要。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种耐磨性好、刃口强度 高、抗高温硬度高和抗粘结磨损能力好的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于不锈钢车削的硬质合金 涂层刀片，包括硬质合金基体和其上涂覆的涂层，所述硬质合金基体包括至少一个由前刀 面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口两侧位于前刀面和后刀面的硬质合金均呈现梯度 变化结构，该梯度变化结构是指由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过 渡到粘结相富集表面区；所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结 相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，所述立方相化合物的含 量为8wt% 14wt% ；所述梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集 区，且暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度Ll 大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2的2倍(即Ll ^ 2L2)；所述涂层为细晶多层涂层，由里到外依次包括有-最里层的TiN层，厚度为0.1 μ m 2 μ m，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度 < 0. 5 μ m ；-一层TiCN层，厚度为Ιμπι 7μπι，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.Ιμπι 2 μ m ；-一层TiCO过渡层，厚度为0. 1 μ m 1. 5 μ m，该层晶粒为针状晶粒或等轴晶粒，平均晶粒度<0.5μπι;-最外层的α-Al2O3层，厚度为1μ m 5.5 μ m，等轴晶粒，平均晶粒度为0. 1 μ m 2 μ m，在300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra彡0. 2 μ m。根据我们长期的实践和观察，硬质合金中粘结相含量高则韧性好，但抗磨损能力 会下降，容易产生塑性变形；硬质合金中添加立方碳氮化合物后则高温硬度提高，抗磨损能 力增强，但韧性会相对降低，容易产生裂纹和崩刃。在金属切削过程中，切屑和工件材料与 刀片刃口产生作用，产生很大的切削力和很高的切削温度，刃口部位的粘结相富集表面区 去除后，暴露出含有立方碳氮化合物富集区并形成骨架支撑结构，该骨架支撑结构可以有 效地提高刀片刃口的高温性能，避免粘结相富集表面区覆盖的刃口在切削力和切削热的作 用下产生塑性变形，这是本发明具备的一个基础优势。但更重要的是，本发明除了关注刃口 的塑性变形，还要同时提高刀片的抗磨损能力，基于此，本发明通过添加大量的含氮立方化 合物或由这些立方化合物组成的固溶体为主的添加剂，结合梯度烧结工艺制备了表面富钴 的梯度硬质合金基体，再通过对刃口进行处理，形成立方碳氮化合物富集表面区域在垂直 于所述前刀面方向上的长度Ll大于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2的刃口骨架支撑 结构；该结构设计可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区在前刀面上的过渡暴露而导致 的刃口强度下降和刃口崩刃，同时提高刃口和后刀面的抗磨损能力。另外，将上述带梯度功 能表面且刃口结构改善的刀片基体与所述的细晶较厚的多层涂层结合，这在保持刀片基体 的强韧度、刀刃抗塑性变形能力和刀具耐磨性能的基础上，大大提高了刀片的抗剥落能力， 增加了涂层刀具的稳定性。上述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片中，位于前刀面且接近刃口区域的所 述粘结相富集表面区的厚度L3优选大于位于后刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表 面区的厚度L4 ；所述L3的取值优选为10 μ m < L3 < 70 μ m。更优选的，位于后刀面且接近 刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4等于零，即位于后刀面且接近刃口一定区域 内的表层粘结相富集层被完全去除。本发明硬质合金刀片的前刀面采用粘结相富集表面区 的设计可以有效降低切削过程中热烈纹的扩展，提高刀片刃口强韧性；而后刀面上粘结相 富集表面区对改善刀片刃口强韧性没有明显的作用，因此，后刀面采用相对较薄的粘结相 富集表面区或无粘结相富集表面区的设计，可以进一步提高刀片后刀面的抗磨损能力，提 高刀片的使用寿命。上述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片中，所述Co的含量优选为5wt% 12wt%。更优选的，所述Co的含量为6. 5wt% llwt%。较高的Co含量可以改善刀片的 强度和韧性，增加刀片承受切削力的能力；而添加大量的含氮立方化合物或由这些立方化 合物组成的固溶体为主的添加剂，可以明显地提高刀具的高温性能(例如高温硬度、高温 强度)，改善刀具在不锈钢高效加工条件下的性能。特别是结合表面富钴的梯度结构和具有 骨架支撑的刃口结构，在保证刃口的高温性能的基础上，改善了刀具的韧性和刃口强度。上述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片中，位于前刀面且接近刃口区域的所 述粘结相富集表面区的厚度L3的取值优选为10 μ m < L3 < 40 μ m，该粘结相富集表面区内 Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的1 1. 5倍。上述的用于不锈钢车削的硬质合 金涂层刀片中，所述立方碳氮化合物富集区的厚度优选为10 μ m 60 μ m，该立方碳氮化合 物富集区内立方相化合物的含量优选为硬质合金基体中立方相化合物标称含量的1 1. 3倍。该梯度硬质合金基体的粘结相富集表面区的存在有利于阻止刀片涂层中产生的微裂纹 向基体扩展，使之表现出比普通硬质合金基体更好的抗冲击性和抗崩刃能力，可以降低立 方相化合物导致的基体整体强韧度的下降所带来的消极影响；而大量立方碳氮化合物的加 入又可以有效地提高刀具的高温性能和硬度。通过对本发明立方碳氮化合物富集区内立方 相化合物的含量及厚度进行优化，可以避免立方碳氮化合物在局部区域内过度富集或立方 碳氮化合物富集区过宽导致刀具韧性和强度的下降。上述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片中，所述TiN层的厚度优选为 0. 2 μ m 1 μ m ；所述TiCN层的厚度优选为3 μ m 7 μ m ；所述TiCO过渡层的厚度优选为 0. 2 μ m 1 μ m ；所述α -Al2O3层的厚度优选为1 μ m 4 μ m。本发明优选采用相对较薄的 涂层设计，在保证涂层刀具的强度、较大的切削力的承载能力、良好耐磨损性能基础上，可 以有效地提高刀具涂层结合强度和抗剥落性能。上述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片中，所述TiCN层优选为中温化学气 相沉积涂层(即MT-TiCN层)，所述TiCN层的平均晶粒度优选为0. 3 μ m 1. 5 μ m ；所述 α-Al2O3层的平均晶粒度优选为0.4μπι 1.5 μ m。MT-TiCN涂层的内应力较小，可以在相 同厚度下提高涂层的韧性，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃；或在相同应力下增加涂层的厚 度，提高耐磨性。将MT-TiCN涂层作为涂层刀片的主涂层，兼有TiN的良好韧性和TiC的良 好硬度，可以显著地提高刀具的使用寿命。α -Al2O3具有优异的力学性能、热稳定性和抗氧 化性，更为重要的是α -Al2O3与钢铁类工件材料具有很小的化学亲和力，在加工中表现出 良好的抗粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损性能。上述用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片基体的具体制备方法是将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加 剂混合制备成均勻的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行 烧结，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层 立方碳氮化合物富集区；所述粘结相富集表面区内Co的含量大于硬质合金基体中Co标称 含量，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量大于等于硬质合金基体中碳氮化合物标 称含量；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体采用倒棱、喷砂、研磨、抛光、磨 刷等方法中的一种或多种组合，对刀片的刃口、后刀面、前刀面进行处理，有选择性地去除 刃口、后刀面、前刀面上的粘结相富集表面区以及部分立方碳氮化合物富集区，最后得到本 发明的改善刃口结构的硬质合金刀片。在上述制备的硬质合金刀片基体上通过以下现有工艺的组合可以得到多层涂层 先采用现有的CVD工艺在硬质合金基体上沉积最里层的TiN层；再利用MTCVD工艺(也可 利用CVD法)在TiN层上沉积TiCN层；然后利用现有的CVD工艺在TiCN层上沉积一层 TiCO层；最后利用CVD工艺在TiCO层上沉积最外层的α -Al2O3层。对涂覆涂层后的硬质 合金涂层刀片采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等表面处理，在300 μ m的长度上测得的表面粗糙 度 Ra ≤0. 2 μ m0与现有技术相比，本发明的优点在于本发明针对不锈钢车削加工的特点，对硬质 合金刀片基体及涂层的组分、含量、结构和厚度等进行了改进和优化组合，基体采用含有大 量立方相化合物的表面富钴的梯度硬质合金，涂层采用较薄的TiN/MT-TiCN/TiCO/α-Al2O3 多层涂层设计，并根据切削刀片前刀面、刃口、后刀面部位的功能特性对具有粘结相富集表面区刀片的刃口结构进行优化设计和改进，在前刀面采用保留粘结相富集表面区的设计， 在刃口处暴露出立方碳氮化合物富集区，在后刀面采用薄层的粘结相富集表面区或无粘结 相富集表面区的设计，这三个特点结合形成的刃口结构可以有效避免因热裂纹扩展导致的 刃口崩缺、塑性变形导致的烧刀和加工硬化导致的后刀面磨损，可以在提高刃口强度的同 时，大大提高硬质合金刀片前、后刀面的抗磨损能力。此外，本发明通过对粘结相富集表面区、立方碳氮化合物富集区及多层涂层的厚 度和微观结构进行优化，使得本发明的硬质合金涂层刀片具有更加优良的综合性能，该硬 质合金涂层刀片在不锈钢的车削加工中实施效果非常好，在不锈钢的车削加工中显示出其 高温性能、韧性和耐磨性能的良好结合。


图1为本发明实施例1中硬质合金刀片的结构示意图。图2为本发明实施例2中硬质合金刀片的结构示意图。图3为本发明具体实施方式
中对比产品C的结构示意图。图例说明1、硬质合金基体；11、前刀面；12、后刀面；13、刃口 ；14、均相合金区；15、立方碳氮 化合物富集区；16、粘结相富集表面区；17、交汇区域；2、涂层；21、TiN层；22、TiCN层；23、 TiCO 过渡层；24、α -Al2O3 层；25、TiNO 过渡层·
具体实施例方式实施例1一种如图1所示的本发明的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，包括硬质合金 基体1和其上涂覆的涂层2，硬质合金基体1包括至少一个由前刀面11和后刀面12相交所 形成的刃口 13，刃口 13两侧位于前刀面11和后刀面12的硬质合金均呈现梯度变化结构， 该梯度变化结构是指由内层的均相合金区14过渡到立方碳氮化合物富集区15、再过渡到 粘结相富集表面区16，梯度变化结构在刃口 13处的交汇区域17主要为立方碳氮化合物富 集区15，且暴露于刃口 13处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于前刀面11方向上的 长度Ll为60 μ m，其垂直于后刀面12方向上的长度L2为30 μ m ；涂层2为细晶多层涂层，由里到外依次包括有-最里层的TiN层21，等轴晶，厚度为0.5 μ m，平均晶粒度< 0. 5 μ m ；-一层TiCN层22，柱状晶，厚度为4 μ m，平均晶粒度为0. 8 μ m ；-一层TiCO过渡层23，针状晶粒，厚度为0. 5 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；-最外层的α-Al2O3层24，等轴晶粒，厚度为2μ m，平均晶粒度为1.1 μ m，在 300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。本实施例的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片的制备方法如下将碳化钨粉、 钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均勻的粉 末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行烧结(在1440°C下烧结， 高温烧结后在脱N气氛下冷却)，在硬质合金基体1表面形成一层粘结相富集表面区16，在 粘结相富集表面区16下形成一层立方碳氮化合物富集区15 ；粘结相富集表面区16的厚度为10 μ m，其内Co的含量为硬质合金基体1中Co标称含量的1. 3倍；立方碳氮化合物富集 区15的厚度L5为20 μ m，其内碳氮化合物的含量为硬质合金基体1中碳氮化合物标称含 量的1. 2倍。该方法制得的具有梯度结构的硬质合金基体1的组成包含有8. 5衬％的Co、 13衬％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC ；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合 金基体1采用与刀片后刀面12成80°角的方式对该刀片进行湿喷砂处理，使刀片刃口 13 圆化，同时部分去除后刀面12表层的粘结相富集表面区，使位于后刀面12且接近刃口 13 区域的粘结相富集表面区的厚度L4为小于5 μ m,而位于前刀面11且接近刃口 13区域的粘 结相富集表面区的厚度L3仍然保持为10 μ m，得到本实施例的用于不锈钢车削的硬质合金 涂层刀片的基体。对上述制得的硬质合金基体1在同一涂层周期中沉积如下涂层1)先利用现有的CVD法在硬质合金基体1上沉积一层上述的TiN层21 ；2)然后利用MTCVD工艺(也可利用CVD法)在TiN层21上沉积一层上述的TiCN 层22 (具体为TiCa5Na5层)；3)再利用现有的CVD法在TiCN层22上沉积一层上述的TiCO过渡层23 ；4)最后利用CVD法在TiCO过渡层23上沉积一层上述的α -Al2O3层24作为最外 层，得到本实施例的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片。对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等表面处理，在 300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。实施例2 —种如图2所示的本发明的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，包括硬质合金 基体1和其上涂覆的涂层2，硬质合金基体1包括至少一个由前刀面11和后刀面12相交所 形成的刃口 13，刃口 13两侧位于前刀面11和后刀面12的硬质合金均呈现梯度变化结构， 该梯度变化结构是指由内层的均相合金区14过渡到立方碳氮化合物富集区15、再过渡到 粘结相富集表面区16，梯度变化结构在刃口 13处的交汇区域17主要为立方碳氮化合物富 集区15，且暴露于刃口 13处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于前刀面11方向上的 长度Ll为40 μ m，垂直于后刀面12方向上的长度L2为20 μ m ；涂层2为细晶多层涂层，由里到外依次包括有-最里层的TiN层21，等轴晶，厚度为0.5 μ m，平均晶粒度≤0. 5 μ m ；-一层TiCN层22，柱状晶，厚度为6 μ m，平均晶粒度为0. 8 μ m ；-一层TiCO过渡层23，针状晶粒，厚度为0. 5 μ m，平均晶粒度≤0. 5 μ m ；-最外层的Q-Al2O3层24，等轴晶粒，厚度为4μπι，平均晶粒度为Ι. μπι，在 300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。该涂层刀片的制备方法也与实施例1相同，制得的具有梯度结构的硬质合金基体 1的组成包含有6衬％的Co、8. 5衬％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC ；粘结相富集表 面区的厚度为25 μ m，其内Co的含量为硬质合金基体1中Co标称含量的1. 2倍；立方碳氮 化合物富集区的厚度L5为40 μ m，其内碳氮化合物的含量为硬质合金基体1中碳氮化合物 标称含量的1. 3倍；然后，对烧结制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体1采用研磨去除 后刀面12的粘结相富集表面区16，再用含SiC的尼龙刷对刃口 13进行圆化处理，使位于后 刀面12且接近刃口 13区域的粘结相富集表面区的厚度L4为0 μ m，而位于前刀面11且接近刃口 13区域的粘结相富集表面区的厚度L3仍然保持为25 μ m，得到如图2所示的本实施 例的用于不锈钢车削的硬质合金基体1。再采用与实施例1相同的涂覆方法按上述涂层结 构进行涂层，得到本实施例的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片。对比实验对比产品A对比产品A为现有市场上销售的一种硬质合金涂层刀片。该涂层刀片基体组成包 含8. 5wt% Co，余量为WC，涂层为2 μ m厚的TiCxNyOz和1. 5 μ m厚α -Al2O3组成的多层结 构。对比产品B通过对粉末进行压制，采用非梯度烧结技术，制得的硬质合金基体组成为 10. 5wt% CoUwt % Ta的立方碳氮化物，余量为WC，但没有粘结相富集表面区和立方相富集 区。根据本发明实施例1中的相关工艺操作对该硬质合金基体进行圆化或倒棱处理，并根 据实施例2中的相关工艺对该基体进行涂层，涂层结构与实施例2相同，得到对比产品B的 涂层刀片。对比产品C对比产品C为如图3所示的现有市场上销售的涂层硬质合金刀片(参见 ZL200810030464. 1的专利产品)，该刀片的硬质合金基体1组成包含6wt% Co、Ti和 Ta立方碳氮化物，余量为WC ；该硬质合金基体1具有由内层的均相合金区14过渡到立方碳 氮化合物富集区15、再过渡到粘结相富集表面区16的梯度变化结构。粘结相富集表面区 16的厚度为70 μ m,该粘结相富集表面区16内Co的含量为硬质合金基体1中Co标称含量 的1. 2倍；对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体1采用与刀片后刀面12成30°角 的方式对该硬质合金进行湿喷砂处理，去除刃口 13表层的粘结相富集表面区，使刃口 13内 部的立方碳氮化合物富集区15暴露出来，但暴露于刃口 13处的立方碳氮化合物富集表面 区域在前刀面11、后刀面12上的宽度Li、L2均为30 μ m。对比产品C的涂层2的结构为第一层(最里层)为0. 5 μ m厚的TiN层21 ；第二 层为8 μ m厚的柱状晶粒的TiCN层22，平均晶粒度为0. 8 μ m ；第三层为0. 5 μ m厚的TiNO 过渡层25;第四层为8μπι厚的α-Al2O3层24，平均晶粒度为1.3μπι。对上述涂层刀片采 用喷砂表面处理，在300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 3 μ m。对比实验上述实施例1、2与对比产品A、B、C在不同切削条件下的对比试验数据及测试结果 如下1、高速车削ICrlSNiOTi不锈钢棒，对上述刀片的耐磨性能进行比较测试。刀具寿 命标准为后刀面磨损为0. 2mm时的加工时间。切削条件 测试结果 试验结果表明在不锈钢的高速(280m/min)车削加工中，本发明的实施例1、2由 于具有高含量的立方相和优化的刃口支撑结构，相比于对比产品A、B、c，其耐磨性能和使用 寿命得到了明显改善。2、车削ICrlSNiOTi不锈钢棒，对上述刀片的耐磨性能进行比较测试，刀具寿命标 准为后刀面磨损为0. 2mm时的加工时间。切削条件 测试结果 试验结果表明在不锈钢棒的纵向高金属去除率车削加工中，本发明的实施例1、 2相比于对比产品A、B、C，刀具的稳定性和使用寿命得到了明显改善。3、纵向切削ICrlSNiOTi不锈钢圆柱形开槽棒，对上述刀片的抗冲击性能进行测 试。刀具寿命标准为刀刃剥落、崩刃时的冲击次数。切削条件 测试结果 在刀片涂层厚度基本一致的情况下，测试表明在合金钢材高速加工中，本发明的 涂层刀片与现有技术的刀片相比，其抗冲击性能和刀尖韧性有明显改善有所改善。
权利要求
一种用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，包括硬质合金基体和其上涂覆的涂层，所述硬质合金基体包括至少一个由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口两侧位于前刀面和后刀面的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过渡到粘结相富集表面区，其特征在于所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物，所述立方相化合物的含量为8wt％～14wt％；所述梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集区，且暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度L1大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2的2倍；所述涂层为细晶多层涂层，由里到外依次包括有-最里层的TiN层，厚度为0.1μm～2μm，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-一层TiCN层，厚度为1μm～7μm，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.1μm～2μm；-一层TiCO过渡层，厚度为0.1μm～1.5μm，该层晶粒为针状晶粒或等轴晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-最外层的α-Al2O3层，厚度为1μm～5.5μm，等轴晶粒，平均晶粒度为0.1μm～2μm，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.2μm。
2.根据权利要求1所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于位于前 刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口区域 的所述粘结相富集表面区的厚度L4 ；所述L3的取值为10 μ m < L3 < 70 μ m。
3.根据权利要求2所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于位于后 刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4等于零。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于 所述Co的含量为5wt% 12wt%。
5.根据权利要求4所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于所述Co 的含量为6. 5wt% llwt%。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特 征在于位于前刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L3的取值为 10 μ m < L3 < 40 μ m，该粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的 1 1. 5倍。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于 所述立方碳氮化合物富集区的厚度为10 μ m 60 μ m，该立方碳氮化合物富集区内立方相 化合物的含量为硬质合金基体中立方相化合物标称含量的1 1. 3倍。
8.根据权利要求1或2或3所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于 所述TiN层的厚度为0. 2 μ m 1 μ m ；所述TiCN层的厚度为3 μ m 7 μ m ；所述TiCO过渡 层的厚度为0. 2 μ m 1 μ m ；所述α -Al2O3层的厚度为1 μ m 4 μ m。
9.根据权利要求1或2或3所述的用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，其特征在于 所述TiCN层为中温化学气相沉积涂层，所述TiCN层的平均晶粒度为0. 3 μ m 1. 5 μ m ；所述α -Al2O3层的平均晶粒度为0. 4 μ m 1. 5 μ m。
全文摘要
本发明具体公开了一种用于不锈钢车削的硬质合金涂层刀片，包括硬质合金基体和其上涂覆的涂层，基体包括至少一个由前、后刀面相交所形成的刃口，刃口两侧的硬质合金均呈现由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过渡到粘结相富集表面区的梯度变化结构，基体中立方相化合物含量为8～14wt％；梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集区，且暴露于刃口处的该区域在垂直于前刀面方向上的长度大于或等于后刀面方向上的长度的2倍；所述涂层由里到外依次包括有TiN层、TiCN层、TiCO过渡层和最外层的α-Al2O3层。本发明的涂层刀片具有耐磨性好、刃口强度高、高温硬度高和抗粘结磨损能力好等优点。
文档编号B23B27/00GK101879611SQ201010210440
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者刘王平, 王以任, 王社权, 陈响明 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司