用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金涂层刀片的制作方法

专利名称：用于钢材和不锈钢铣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，尤其涉及一种铣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。在钢材及不锈钢的铣削加工中，随刀尖切入切出切削温度会发生剧烈变化，导致 热烈纹的产 生，致使刀尖刃口发生脆性破损。实践表明，对钢材及不锈钢进行铣削加工时， 刀片主失效主要有热裂纹导致的刃口崩缺、及加工硬化导致的后刀面磨损。为了适应钢材 及不锈钢高速高效铣削加工的要求，铣削刀片应当具有更高的韧性、高温强度和抗裂纹扩 展的能力。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，但是在钢材的铣削加工中，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，但是我们发现CVD涂层可以明显地降低刀片的强度，所以针对 具体领域(例如钢材及不锈钢铣削)，涂层的具体结构(例如涂层厚度和各层厚度的组合) 应该有很大的差别。
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、抗热裂纹扩展能力强的用于钢材和不锈钢铣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和不锈钢铣削的硬 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中Co的含量为7wt% 12wt%，所述立方相化合物的含量为0. 2wt% 3. 5wt%，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彡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，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；-一层TiCN层，柱状晶，厚度为Ιμπι 6μπι，平均晶粒度为0.Ιμπι 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Ιμπι 5μπι，等轴晶粒，平均晶粒度为0. Ιμπι 2 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。涂层厚度的增加会导致涂层应力增加， 从而明显降低刀具的抗弯强度。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，本发明通过添加少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，同时提高刀片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薄的多层涂层结合，这进一步提高硬质合金涂层刀片的韧性 和强度，在保持涂层刀片的耐磨性基础上，大大的降低了热裂纹扩展导致的刃口崩缺，满足 钢材和不锈钢铣削的要求。上述的用于钢材和不锈钢铣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彡L3彡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。上述的用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金涂层刀片中，所述Co的含量优选为 8wt% 1 Iwt %，所述立方相化合物的含量优选为0. 5wt% 2. 5wt% (最优选为0. 8% 1.5% )0较高的Co的含量可以改善刀具的强度和韧性，在WC/Co硬质合金体系中添加少 量的含氮立方相化合物，可以通过梯度烧结技术制备具有粘结相富集表面区的梯度合金基 体，使本发明的刃口结构设计得以实现，还可以避免由于立方相化合物含量过高导致硬质 合金基体强度和抗热裂纹扩展能力的下降。上述的用于钢材和不锈钢铣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。上述的用于钢材和不锈钢 铣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. 5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；而少量立方 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。
上述的用于钢材和不锈钢铣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2 μ m 5 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 3 μ m。上述的用于钢材和不锈钢铣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-Ti (C，N)层)，所述TiCN层的平均晶粒度优选为0.3μπι 1.5 μ m ；所述α -Al2O3层的平均晶粒度优选为0. 4 μ m 1. 5 μ m。在上述技术方案的涂层结构中，MT-Ti (C，N)涂层内应力较小，可以在相同厚度下 提高涂层的韧性，阻止裂纹的扩散，减少刀具的崩刃；或在相同应力下可以增加涂层的厚 度，提高耐磨性。将MT-Ti (C，N)层作为本发明涂层刀片的主涂层，兼有TiN的良好韧性和 TiC的良好硬度，可以显著地提高涂层刀片的使用寿命。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Al2O3与钢铁及不锈钢类工件材料的化学亲和力小，在加工中 表现出良好的抗化学磨损性能。由于CVD涂层普遍处于拉应力状态，容易产生裂纹，并且涂 层裂纹随涂层厚度的增加具有增加的趋势，所以对于铣削加工而言，本发明采用较薄的涂 层设计，以降低涂层的应力和裂纹密度。上述用于钢材和不锈钢铣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HTCVD工艺在TiCN层上沉积一层 TiCO层；最后利用HTCVD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. 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及不锈钢铣削加工的特点， 通过添加少量立方碳氮化合物，制备了具有粘结相富集表面区的梯度硬质合金基体，涂层 采用较薄的TiN/MTCVD/TiCO/α -Al2O3多层涂层设计。本发明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，在钢 材及不锈钢的铣削加工中显示出其良好的高温性能、高韧性和耐磨性能。


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、a-Al203 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和不锈钢铣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，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L1 (约为40i!m)大于其垂直于后刀面12方向上的长度L2(约为20i!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 ii m，平均晶粒度< 0. 5 y m ；-一层TiCN层22，柱状晶，厚度为6 y m，平均晶粒度为0. 8 y m ；-一层TiCO过渡层23，厚度为0.5iim，该层晶粒为针状晶粒，平均晶粒度 < 0. 5 y m ；-最外层的a-Al203层24，厚度为1.5iim，等轴晶粒，平均晶粒度为1.liim，在 300 u m的长度上测得的表面粗糙度Ra = 0. 25 u m。本实施例的用于钢材和不锈钢铣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30 y 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50 y 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10衬％的 &)、1衬％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC.。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，得到本实施例的用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金涂层刀片的硬 质合金基体1。如图1所示，L4 = 0，而位于前刀面11且接近刃口 13区域的粘结相富集表 面区16的厚度L3仍然保持为30 μ m。对上述硬质合金刀片基体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。对上述制得的本实施例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和不锈钢铣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，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 (约为40 μ m)大于其垂直于后刀面12方向上的长度L2(约为10 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5 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3μ 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 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 15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. 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衬％的&)、3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约为10 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40 μ m，得到本实施例的用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金基体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 和不锈钢铣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，立方 碳氮化合物富集区15下方为均相合金区14 ；该粘结相富集表面区的厚度为20 μ m，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. 3倍；立方碳氮化合物富集区 的厚度L5约为28 μ m，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. 2倍，制得的具有梯度结构的硬质合金基体组成包含有5衬％的Co、 8. 5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，其 中暴露于刃口 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20 μ m，其垂直于后刀面12方向上的长度L2为25 μ m。涂层2与实施例1中的涂层相同。对比产品B选用与对比产品A具有相同结构的刀片基体，对该基体在同一涂层周期中沉积如 下涂层1)先利用现有的CVD法沉积一层等轴晶粒的TiN层21，其厚度为0. 5 μ m ；2)再利用MTCVD工艺(也可利用CVD法)沉积一层柱状晶粒的TiCxNy层22，其 厚度为9 μ m，平均晶粒度为为0. 8 μ m ；3)然后利用现有的CVD法沉积一层针状晶粒的TiCO层23，其厚度为0. 5 μ m ；4)最后利用HTCVD技术沉积一层细晶粒的α-Al2O3层24作为最外层，其厚度为 7 μ m，平均晶粒度为1. Ιμ 。对上述制得的本实施例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。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 9衬％的Co，余量为WC，刀片基体在刃口处未形成立方相富集的骨架支撑结构，其涂层包含 有一层3 μ m厚的TiCxNyOz层和一层2. 5 μ m厚α -Al2O3外层。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、铣削45#钢材，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(400m/min、300m/min)铣削加工中，本发明的实施 例1、2由于具有优化的刃口支撑结构、优化的硬质合金组成和涂层结构，相比于对比产品 A、B、C (现有技术)，其耐磨性能和使用寿命得到了明显改善。2、铣削45#钢材，对上述刀片的失效模式进行比较。切削条件 测试结果 试验结果表明在钢材的高速(400m/min)铣削加工中，本发明的实施例1、2由于 具有优化的刃口支撑结构、优化的硬质合金组成和涂层结构，相比于对比产品A、B、C(现有 技术)，刀片的稳定性得到了明显改善。3、铣削ICrlSNiOTi不锈钢，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ICrlSNiOTi不锈钢的高速铣削加工中，本发明的实施例1、2由 于具有由立方相富集区形成的支撑结构和有优化的基体和涂层组织结构，相比于对比产品 A、B、C (现有技术)，刀具的稳定性和使用寿命得到了明显改善。
权利要求
一种用于钢材和不锈钢铣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；所述硬质合金基体中Co的含量为7wt％～12wt％，所述立方相化合物的含量为0.2wt％～3.5wt％；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，平均晶粒度≤0.5μm；-一层TiCN层，柱状晶，厚度为1μm～6μm，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～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≤0.25μm。
2.根据权利要求1所述的用于钢材和不锈钢铣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 y m < L3 < 70 y m。
3.根据权利要求2所述的用于钢材和不锈钢铣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所述的用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金涂层刀片， 其特征在于所述Co的含量为8wt% llwt%，所述立方相化合物的含量为0. 5wt% 2. 5wt%。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于钢材和不锈钢铣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 u m ^ L3 ^ 50 u 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。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于钢材和不锈钢铣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 y m 60 y 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. 5倍。
7 根据权利要求1或2或3所述的用于钢材和不锈钢铣削的硬质合金涂层刀片，其特 征在于所述TiN层的厚度为0. 2iim lym;所述TiCN层的厚度为2iim 5iim ；所述 TiCO过渡层的厚度为0. 2 ii m 1 ii m ；所述a -A1203层的厚度为1 y m 3 y m。
8.根据权利要求1或2或3所述的用于钢材和不锈钢铣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 y m 1. 5um ；所述a -A1203层的平均晶粒度为0. 4 y m 1. 5 y m。
全文摘要
本发明具体公开了一种用于钢材和不锈钢铣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，对基体中Co和立方相化合物含量进行控制；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、抗热裂纹扩展能力强等优点。
文档编号C23C16/44GK101870003SQ201010211189
公开日2010年10月27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, 温光华, 王社权, 陈响明, 黄文亮 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司