用于钢材车削的硬质合金涂层刀片的制作方法

专利名称：用于钢材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。一股来说，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。钢材是含碳量在0.04% 2. 3%之间的铁碳合金，具有很高的韧性和塑性。加工 钢材过程中发生塑性变形时，因塑性区域增大而使塑性变形功增大，导致切削力增大，切削 温度偏高，从而易导致刀具发生粘结磨损，并且多形成带状切屑，切屑与前刀面产生剧烈的 摩擦而形成高温。因此，高效车削加工钢材会产生较大的切削力和较高的切削温度，刀具主 要的失效模式有在切削力和切削温度作用下导致刃口发生的塑性变形，也有高温下工件材 料与刀具材料粘结导致的粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。为了适应钢材高速高效车削加 工的要求，刀片应当具有更高的韧性、高温强度和高温硬度。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 了刀片材料的屈服强度和硬度，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，但是在钢材的车削加工中，其后刀面抗磨损能力表现较差，抗 塑性变形能力也有待进一步提高。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(例如钢材车削)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、高温性能好的用于钢材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钢材车削的硬质合金涂 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4wt% 8wt% ；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1.5μπι 10μ m，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为 0. 1μπι~2μπι；-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<0.5μπ ;-最外层的α-Al2O3层，厚度为2μ m 10 μ m，等轴晶粒，平均晶粒度为0.2 μ m 2. 5 μ m，在300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra彡0. 25 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，本发明采用了使暴露于刃口处的立 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大于其垂直于所述后刀 面方向上的长度L2的处理方式，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，同时提高刀片刃口和后刀面的抗 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厚的多 层涂层结合，这在保持刀片基体的强韧度和刀刃抗塑性变形能力的基础上，大大提高了刀 片的硬度和耐磨性。上述的用于钢材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。上述的用于钢材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，而添加较多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)，改善刀具在钢材高效加 工条件下的性能。特别是在结合本发明表面富钴的梯度结构和改善后的骨架支撑刃口结构 后，在保证刃口的高温性能的基础上，进一步改善了刀具的韧性和刃口强度。上述的用于钢材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20 μ m < L3 < 50 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。上述的用于钢材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20 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；而适量的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，
6将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倍可以避免立方碳氮化合物在局部区域内过渡富集导致刀具韧性和强度 的下降。上述的用于钢材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 Ιμπι;所述^^1203层的厚度优选为34111 84111。本发明优选采用的相对较厚的涂层设 计，在保证涂层刀片的强度和较大的抗切削承载能力的基础上，可以有效地提高刀片的耐 磨损性能。上述的用于钢材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。而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。上述用于钢材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Ci-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 彡 0. 25 μ m。与现有技术相比，本发明的优点在于本发明针对钢材车削加工的特点，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，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的刃口结构进行优化设计和 改进，通过添加适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，形成上 述Ll大于2L2的刃口骨架支撑结构；再将该基体与厚的TiN/MTTiCN/TiC0/Al203涂层结合， 得到本发明的用于钢材高效车削的硬质合金涂层刀片。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、高温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 质合金涂层刀片在钢材的车削加工中实施效果非常好，在钢材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A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钢材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，其垂直于后刀面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7 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4.5μ 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. 25 μ m。本实施例的用于钢材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 20 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35 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5. 5衬％的Co、8wt% 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12 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20 μ m,得到本实施例的用于钢材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钢材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. 25 μ m。实施例2 一种如图2所示的本发明的用于钢材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30 μ m，其垂直于后刀面12方向上的长度L2为15μπι;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7 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4.5μ 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. 25 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8衬％的&)、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40 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60 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且接近刃口区域的粘结相富集表面区的厚度L4 = 0 μ m，而位于前刀面11且接近刃口 区域的粘结相富集表面区的厚度L3仍然保持为40 μ m，得到本实施例的用于钢材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 的用于钢材车削的硬质合金涂层刀片。实施例3一种本发明的用于钢材车削的硬质合金涂层刀片，该涂层刀片的基体结构及组成 与实施例1完全相同，但是其采用以下方式对本实施例的硬质合金刀片基体在同一涂层周 期中沉积涂层1)先利用现有的CVD法在硬质合金基体上沉积一层TiN层，等轴晶，厚度为 0. 5 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；2)然后利用MTCVD工艺在上述的TiN层上沉积一层TiCN层(具体为TiCa5Να5 层)，柱状晶，厚度为8 μ m,平均晶粒度为0. 8 μ m ；3)再利用现有的CVD法在上述的TiCN层上沉积一层TiCO过渡层，针状晶粒，厚度 为0. 5 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；4)最后利用CVD法在上述的TiCO过渡层上沉积一层α -Al2O3层作为最外层，等 轴晶粒，厚度为8 μ m,平均晶粒度为1. 2 μ m，在300 μ m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 25 μ m，得到本实施例的用于钢材车削的硬质合金涂层刀片。对比实验对比产品A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；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. 2倍，立方碳氮化合物富集区内碳 氮化合物的含量为硬质合金基体中碳氮化合物标称含量的1. 3倍，制得的具有梯度结构的 硬质合金基体组成包含有6衬％的&)、1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采用与刀片前刀面成45°角的方式对该刀片 进行湿喷砂处理，去除刀片刃口的粘结相富集表面区，使刀片刃口圆化，最后得到如图3所 示的对比产品A的硬质合金基体1。该对比产品A的硬质合金基体1包括一个由前刀面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，刃口 13两侧的梯度变化结构在刃口 13处的交汇区域17为立方碳氮化 合物富集区，暴露于刃口 13处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于前刀面11方向 上的长度Ll约为20 μ m,暴露于刃口 13处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于后刀 面12方向上的长度L2约为25 μ m，位于前刀面11且接近刃口 13区域的粘结相厚度L3约 为50 μ m，位于后刀面12且接近刃口 13区域的粘结相厚度L4约为50 μ m。立方碳氮化合 物富集区15的厚度L5为80 μ m。采用实施例1的方法对上述对比产品A的硬质合金基体1进行涂层，最后得到的 涂层2结构为第一层(最里层)为0·5μπι厚的TiN层21 ；
第二层为8 μ m厚的柱状晶粒的TiCN层22 (具体为TiCa 5N0.5层)，平均晶粒度为 0. 8ym ；第三层为0.5μπι厚的TiNO过渡层25 (具体为TiNa5Oa5层)；第四层为6μπι厚的α-Al2O3层24，平均晶粒度为1.3 μ m。对上述对比产品A的涂层刀片采用喷砂、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。对比产品B选取实施例2烧结得到的硬质合金基体，采用与刀片前刀面成45°角的方式对该 刀片进行湿喷砂处理，去除刀片刃口的粘结相富集表面区，使刀片刃口圆化，最后得到对比 产品B，Ll约为20 μ m，L2约为25 μ m,涂层结构与实施例2相同。对比产品C对比产品C为现有市场上销售的普通涂层刀片，该涂层刀片的基体组成包含有 6wt %的Co，余量为WC，其涂层包含有一层8 μ m厚的TiCxNyOz层和一层7 μ m厚α -Al2O3 外层。 对比实验上述实施例1、2、3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、纵向车削45#钢材棒，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. 25mm时的加工时间。切削条件 测试结果
试验结果表明在钢材的高速车削加工中，本发明的实施例1、2、3由于具有立方 相富集区形成的支撑结构及改善的刃口结构，同时具有针对钢材车削加工优化的基体和涂 层的结构组成，其相比于对比产品A、B和C，刀具的使用寿命得到明显改善。2、纵向车削45#钢材棒，对上述刀片的失效模式进行比较。刀具失效标准为刀刃 崩缺、变形烧刀、过度磨损(后刀面磨损为彡0. 3mm)。切削条件 测试结果 试验结果表明在钢材棒的纵向高速车削加工中，根据本发明的实施例1、2、3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、纵向车削42CrMo材棒，对上述刀片在高速下加工高合金钢材的耐磨性能进行 测试。刀具寿命标准为后刀面磨损为0. 25mm时的加工时间。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，其耐磨性能有所改善。4、纵向切削一个圆柱形开槽棒，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 实验结果 试验结果表明在钢材的非连续、高速条件下加工中，本发明实施例1、实施例2、 实施例3比对比产品A和对比产品B的抗冲击性能和刀尖韧性有明显改善。
权利要求
一种用于钢材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4wt％～8wt％；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1.5μm～10μm，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2μm～10μm，等轴晶粒，平均晶粒度为0.2μm～2.5μm，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.25μm。
2.根据权利要求1所述的用于钢材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所述的用于钢材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所述的用于钢材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所述的用于钢材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所述的用于钢材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 20 μ m ≤L3 ≤50 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所述的用于钢材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20 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所述的用于钢材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3 μ m 8 μ m。
9.根据权利要求1或2或3所述的用于钢材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. 5 μ m 1. 5 μ m。
全文摘要
本发明涉及一种车削用的硬质合金涂层刀片，具体公开了一种用于钢材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4～8wt％；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、高温性能好等优点。
文档编号C23C16/34GK101879612SQ201010211139
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, 李秀萍, 王社权, 陈响明 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司