CN1084236C - 涂层切削刀片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种特别适用于低合金钢的断续切削加工的涂层切削刀片。该刀片的特征为，WC-Co-基硬质合金体具有高钨合金化粘结剂相，涂层含有一层具有柱状晶粒的最里层TiLxNyOz和一层细晶、织构α-Al₂O₃层的最外层。

Description

涂层切削刀片

本发明涉及一种特别适用于低合金钢的断续切削加工的涂层切削刀片(硬质合金刀片)。

一般说来，低合金钢是一种难于用涂层或未涂层硬质合金刀具进行加工的材料。经常出现工件材料弄污刀刃及涂层剥落的现象。当在湿法条件下(使用切削液)进行断续加工时，切削条件尤其困难。

当用涂层硬质合金刀具加工低合金钢时，刀刃是由于化学磨损、磨蚀磨损和一种所谓的粘附磨损而损坏的。粘附磨损常是一种限制刀具寿命的磨损。当形成的工件屑不断把涂层的碎片或其各晶粒以及后来也把硬质合金部分从刀刃粘下时就出现粘附磨损。进而当使用湿法切削时，磨损也可能由于附加的磨损机制而加快。切削液和工件材料可贯穿进涂层的冷却裂缝中，这种贯穿常造成工件材料及切削液与硬质合金之间的化学反应。Co粘结剂相可能在接近裂缝和沿涂层与硬质合金的界面的区域氧化。过了一段时间后，涂层碎片一片接一片地掉下。

已意外地发现，通过综合下列特性可得到一种用于切削低合金钢的优异刀具：一个具有高钨合金化粘结剂相的硬质合金体，一层柱状TiCxNyOz层，一层织构α-Al₂O₃层，通过湿法喷砂或涂刷对涂层表面进行处理。

图1是一个根据本发明的涂层刀片在5000放大倍数下的显微照片，其中：

A-硬质合金体

B-具有等轴晶粒的TiCxNyOz层

C-具有柱状晶粒的TiCxNyOz层

D-具有等轴或针状晶粒的TiCxNyOz层

E-具有柱状晶粒的织构α-Al₂O₃层

根据本发明，一个切削刀片有一个组成为5-11wt％的Co，优选5-8wt％的Co，＜10wt％，优选为1.5-7.5wt％的金属Ti、Ta和/或Nb的立方碳化物以及余量为WC的硬质合金体。WC的粒径为1-3μm，优选地约2μm。钴粘结剂相与W高度合金化。W在粘结剂相中的含量可表示为：

CW比＝Ms/(wt％Co·0.0161)

其中Ms是硬质合金体饱和磁化强度的测量值。

wt％Co是钴在硬质合金中的重量百分数。CW值是钴粘结剂相中W含量的函数。低的CW值对应于粘结剂相中的高W含量。

根据本发明，现已发现如果硬质合金体的CW比为0.76～0.93，优选地0.80-0.90，则能提高切削效果。硬质合金体可含有少量的，＜1体积％的η相M₆C而不造成有害作用。在一个优选实施例中，根据例如US4610931中所揭示的现有技术可得到一薄层(约15～35μm)立方碳化物贫化且常常富集粘结剂相的表面区。这种情况下，硬质合金可含有碳氮化物或者甚至氮化物。

涂层包括：

-第一层(最里层)TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选地z＜0.5，w其厚度为0.1-2μm，具有等轴晶粒，粒径＜0.5μm，

-第二层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选地z＝0，x＞0.3，y＞0.3，其厚度为2-15μm，优选地5～8μm，具有柱状晶粒，其直径为约＜5μm，优选地＜2μm，

-第三层TiCxNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选地z＞0.1，其厚度为0.1-2μm，具有等轴或针状晶粒，粒径≤0.5μm，该层与最里层可相同或不同。

-第四层平滑、织构、细晶粒(粒径约0.5～2μm)α-Al₂O₃层，其厚度为2-10μm，优选地3-6μm，表面粗糙厚在10μm的长度上R_max≤0.4μm。优选地，该Al₂O₃层是最外层，但也可在其上进一步涂覆例如一层薄的(约0.1-1μm)如TiN的装饰层。

另外，该α-Al₂O₃层经x射线衍射(XRD)测定在或者(104)-，(012)-，或者(110)-方向上，优选地在(012)-方向上具有择优晶体生长取向。织构系数TC可定义为： $\mathrm{TC}\left(\mathrm{hk}1\right)=\frac{I\left(\mathrm{hk}1\right)}{I_o\left(\mathrm{hk}1\right)}\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hk}1\right)}{I_o\left(\mathrm{hk}1\right)}{\}}^{-1}$ 式中：

I(hk1)＝(hk1)反射的测试强度

Io(hk1)＝ASTM标准粉末图样衍射数据的标准强度，

n＝计算中所用的反射面的数目，所用的(hk1)反射面有(012)(104)，(110)，(113)，(024)，(116)。

根据本发明，(012)，(104)或(110)晶面的TC值大于1.3，优选地大于1.5。

根据本发明的方法，在具有根据上述CW比的高度W合金化粘结剂相的WC-Co基硬质合金体上涂覆有：

-用已知的CVD方法涂覆第一层(最里层)TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选地z＜0.5，层厚度为0.1-2μm，具有等轴晶粒，粒径＜0.5μm。

-优选地用MTCVD技术(用乙腈为碳和氮源，在700-900℃的温度范围内生成涂层)沉积第二层TiCxNyOz，x+y+z＝1，优选地z＝0，x＞0.3，y＞0.3，层厚为2-15μm，优选地5～8μm，具有等柱状晶粒，晶粒直径约＜5μm，优选地＜2μm。然而，确切的条件在一定程度上取决于所用设备的结构。

-用已知的CVD方法涂覆第三层TiCxNyOz，x+y+z＝1且z≤0.5，优选地z＞0.1，层厚为0.1-2μm，具有等轴或针状晶粒，粒径≤0.5μm，该层与最里层可相同或不同。

-根据瑞典专利501527或瑞典专利申请9304283-6或9400089-0制取第四层(外层)平滑的织构α-Al₂O₃层，层厚为2-10μm，优选地3-6μm，表面粗糙度在10μm的长度上R_max≤0.4μm。通过用细晶粒(400-150目)氧化铝粉对涂层表面进行轻微的湿法喷砂处理或用基于例如瑞典专利申请9402543-4中所提示的那样的SiC的刷子对刀刃涂刷处理可得到平滑的涂层表面。

当需要具有Z＞0的TiCxNyOz层时，应把CO₂和/或CO添加到反应气体混合物中。

实施例1

A.型号CNMG120408-SM的硬质合金切削刀片，组成有7.5wt％的Co，1.8wt％的TiC，0.5wt％的TiN，3.0wt％的TiC，0.4wt％的NbC及余量WC，其粘结剂相对应于CW值0.88，与W高度合金化。用MTCVD技术对它涂覆一层厚0.5μm的等轴TiCN层，然后涂覆一层厚7μm的具有柱状晶粒的TiCN(工艺温度为850℃，碳/氮源为CH₃CN)。在同一涂覆周期的下步工序中，根据瑞典专利501527给定的条件沉积一层1μm厚的具有等轴晶粒的TiCxNyOz层(约x＝0.6，y＝0.2，z＝0.2)，然后沉积一层4μm层的具有(012)织构的α-Al₂O₃层。XRD测试表明α-Al₂O₃层的织构系数TC(012)为1.6。硬质合金体有一个约25μm厚的立方碳化物贫化表面区。

B.取自与A中相同块料的型号CNMG120408-SM的硬质合金切削刀片，用MTCVD技术对它涂覆一层0.5μm厚的等轴晶粒TiCN层，然后涂覆一层7μm厚的粒状晶粒TiCN层，(工艺温度为850℃、碳/氮源为CH₃CN)。在同一涂覆周期的下面工序中，根据瑞典专利申请9400089-0给定的条件沉积一层1μm厚的具有等轴晶粒的TiCxNyOz层(约x＝0.6，y＝0.2，z＝0.2)，然后沉积一层4μm厚的具有(104)织构的α-Al₂O₃层。XRD测试表明α-Al₂O₃层的织构系数TC(104)为1.7。

C.型号CNMG120408-SM的硬质合金切削刀片，组成有6.5wt％的Co，8.8wt％的立方碳化物(3.3wt％的TiC，3.4wt％的TaC及2.1wt％的NbC)及余量WC，对它按A)中所给的工艺进行涂覆。硬质合金体的CW比为1.0，XRD测试表明α-Al₂O₃层的织构系数TC(012)为1.5。

D.取自与A中相同块料的型号CNMG120408-SM的硬质合金切削刀片，根据现有技术对它涂覆一层6μm厚的等轴晶粒TiCN层，然后涂覆一层4μm厚的Al₂O₃层，XRD分析表明Al₂O₃层为α+k-Al₂O₃的混合体，比例约为30/70。

E.取自与C中相同块料的硬质合金切削刀片，按D)中所给的工艺进行涂覆，XRD分析表明Al₂O₃层为α和k-Al₂O₃的混合体，比例约为20/80。

进行切削试验前，所有A-E的刀片均用水基氧化铝浆料进行湿法喷砂以抛光涂层表面。

对刀片进行断续的纵向车削加工试验。工件材料为低合金低碳钢(SCr420H)，形状为外径190mm，内径30mm，厚22mm的环。在环厚上的每次纵向走刀都含有22次每次个1mm的进刀。对每一刀片记录下剥落出现前在环厚上的走刀次数。

方案                            刀刃剥落前的走刀次数A)：根据本发明的高钨合金化的硬质合金          165

柱状涂层/012-α-Al₂O₃B)：根据本发明的高钨合金化的硬质合金          117

柱状涂层/104-α-Al₂O₃C)：低钨合金化的硬质合金                      60

柱状涂层/012-α-Al₂O₃(比较例)D)：高钨合金化的硬质合金                      15

等轴涂层/α+k-Al₂O₃(比较例)E)：低钨合金化的硬质合金                      15

等轴涂层/α+k-Al₂O₃(比较例)

实施例2

F.型号CNMG120408-QM的硬质合金切削刀片，组成有7.5wt％的Co，2.3wt％的TiC，3.0wt％的TaC，0.4wt％的NbC和余量WC以及对应于CW值为0.83的高钨合金化粘结剂相。利用MTCVD技术对它涂覆一层0.5μm厚的等轴晶粒TiCN层，然后涂覆一层7μm厚的柱状晶粒TiCN层(工艺温度850℃，碳/氮源为CH₃CN)。在同一涂覆周期的下面工序中，根据瑞典专利501527给定的条件沉积一层1μm厚的具有等轴晶粒的TiCxNyOz层(约x＝0.6，y＝0.2，z＝0.2)，然后沉积一层4μm厚的具有(012)织构的α-Al₂O₃层，硬质合金体在接近表面的区域并无任何立方碳化物贫化区(实施例1.A中的刀片有)。

XRD测试表明α-Al₂O₃层的织构系数TC(012)为1.5，G.型号CNMG12040-QM的硬质合金切削刀片，组成有5.5wt％的Co，8.4wt％的立方碳化物(2.6wt％的TiC，3.5wt％的TaC，2.3wt％的NbC)和余量的WC，对它按D中所给的工艺进行涂覆。硬质合金体的CW比为0.98。

XRD分析表明，Al₂O₃层含有α和k-Al₂O₃的混合物，比例大约为25/75。

H.取自与G中相同块料的硬质合金切削刀片，按A)所给的工艺进行涂覆，XRD测试表明织构系数TC(012)为1.6。

对所有F)到H)的刀片都进行涂刷处理以便抛光沿刀刃的涂层表面，并根据实施例1所给的方法进行试验。

方案                           刀刃剥落前的走刀次数F)：根据本发明的高钨合金化的硬质合金         150

柱状涂层/012-α-Al₂O₃G)：高钨合金化的硬质合金                     15

等轴涂层/α+k-Al₂O₃(比较例)H)：低钨合金化的硬质合金                     60

柱状涂层/012-α-Al₂O₃(比较例)

Claims (6)

1.一种用于加工低合金钢的包含硬质合金体和涂层的切削刀片，其中所说的硬质合金体含有WC，5～11wt％的Co和0～10wt％的取自周期表IVb、Vb或VIb族金属的立方碳化物，其特征在于所述的硬质合金体具有CW比为0.76-0.93的高钨合金化粘结剂相，并且所说的涂层包括：

-第一层(最里层)TiCxNyOz，层厚为0.1-2μm，具有等轴晶粒，粒径＜0.5μm，

-一层TiCxNyOz，层厚为2-15μm，具有柱状晶粒，晶粒直径约＜5μm，

-一层TiCxNyOz，层厚为0.1-2μm，具有等轴或针状晶粒，粒径≤0.5μm，

-外层为平滑、织构、粒径为0.5-2μm的细晶粒α-Al₂O₃层，层厚为2-10μm。

2.根据上述权利要求1的切削刀片，其特征在于该α-Al₂O₃层在(012)方向上具有织构且织构系数TC(012)大于1.3。

3.根据上述权利要求1的切削刀片，其特征在于该α-Al₂O₃层在(104)方向有织构且织构系数TC(104)大于1.3。

4.根据权利要求1的切削刀片，其特征在于该α-Al₂O₃层在(110)方向有织构且织构系数TC(110)大于1.3。

5.根据前述权利要求任一项的切削刀片，其特征在于最外层涂层为一层薄的0.1-1μm厚的TiN层。

6.一种制造包含硬质合金体和涂层的切削刀片的方法，其特征在于在WC-Co基硬质合金体上涂覆有：

-用已知的CVD方法涂覆的第一层(最里层)TiCxNyOz，层厚为0.1-2μm，具有等轴晶粒，粒径＜0.5μm，

-通过MTCVD技术，用乙腈为碳和氮源，在850-900℃的温度范围内沉积的一层TiCxNyOz，层厚为2-15μm，具有柱状晶粒，晶粒直径约＜5μm，

-用已知的CVD方法涂覆的一层TiCxNyOz，层厚为0.1-2μm，具有等轴或针状晶粒，粒径≤0.5μm，

-外层为在(012)，(104)或(110)方向有织构的平滑，织构α-Al₂O₃层，层厚为2-10μm。