CN100556589C - 具有涂层的刀片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于车削不锈钢的切削刀片，它包括硬质合金基底和经过后处理的涂层，其中，硬质合金基底具有这样的组分，它包括：5.0-＜8.0wt%的Co；3.0-8.0wt%的金属Ti、Ta和Nb的立方碳化物，其中Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.05-0.3；以及衡量碳化钨(WC)，其晶粒尺寸在烧结成的状态中为1.5-3.5μm。另外，该基底具有深度为5-30μm的富粘结相和贫立方碳化物的表面区域；并且涂层具有：第一最内层系统，它由一层或多层TiCxNyOz层构成，其中x+y+z≤1，并且总厚度为0.7-5.5μm；以及第二多层系统，它由总共5-31层交替的Al2O3和TiCxNyOz层(x+y+z≤1)、优选为κ-Al2O3和TiN层构成，Al2O3层其单层厚度＜0.5μm，并且TiCxNyOz层其单层厚度＜0.2μm，该多层的总厚度为1.0-5.0μm。该多层沿着刀刃线暴露出并且进入前刀面和后刀面。在可选的实施方案中，该多层由Al2O3层代替。

Description

具有涂层的刀片
技术领域
本发明涉及一种涂覆硬质合金涂层的金属刀具，通常用于在需要切削刃具有高耐磨性以及大韧性性能的情况中对钢材进行机加工。该刀具尤其适用于车削不锈钢。
背景技术
在将硬质合金刀具用于机加工钢材时，刀具由于不同机理例如切削刃的磨蚀和化学侵蚀、剥落和断裂而受到磨损。对于一般具有通过各种气相沉积技术形成的耐磨碳化物、氮化物、碳氮化物和/或氧化物的薄表面层的涂层刀具而言，该涂层有助于提高耐磨性。但是，对于将来自切削表面的热量扩散进底下的硬质合金基底中，它也用作阻热层。在刀刃区域内的高温与高切削力结合导致在基底的受影响表面区域内的蠕变变形增大并且切削刃产生塑性变形。
不锈钢的切削被认为是特别困难的机加工操作，因为除了上述磨损机理之外粘接磨损和塑性变形也是重要的因素。当抹面材料例如不锈钢在切削操作期间连续地附着到切削刃上上并且从中撕下材料时出现粘接磨损。因此在机加工不锈钢时，刀具的使用寿命通常较短。另外，奥氏体以及所谓的双相不锈钢呈现出强变形硬化特性，这导致例如在切屑和刀具表面之间存在高接触力。在以高切削速度切削这些工件材料时，相当大的热量传递给切削刃，并且与高切削力结合可能使得刀刃局部或完全塑性变形。主要由基底的表面区域的性能控制的该刀刃的变形导致更大的切削力，因此导致刀具使用寿命降低。对抗塑性变形性的大需求明显与对刀刃韧性的大需求矛盾。
也需要刀刃韧性以便抵抗刀刃在刀具和工件之间的直接接触区域外面产生机械引起的损坏。这将减少用在刀片上的刀刃数量，因此降低了该刀具的生产率。这种损坏，通常被称为碎屑延展(chiphammering)和碎屑卡住(chip jamming)，可以通过选择刀片的有效刀刃表面适当的微几何形状来部分或完全避免，但是在几个情况中这种可能性不充分。
美国专利No.5786069描述了一种涂层车削刀片，适用于车削不锈钢锻造部件。该刀片具有一硬质合金基底，它包含：2-10wt％元素周期表IVb、Vb和/或VIb族的立方碳化物(γ相)；5-11wt％的钴粘结剂和衡量(balance)的碳化钨(WC)。基底具有高度钨合金化的粘结相并且在一个实施方案中烧结成的微观结构具有15-35μm深的没有γ相的富Co表面区域。该涂层由具有柱状晶粒的Ti(C，N，O)内层和晶粒细化κ-Al2O3顶层构成。但是，对于硬质合金基底而言，粘结相的高标称含量和较厚的贫γ相表面区域的组合之后为其特征为γ相浓度峰值较高的区域在相关方面中不利于抗塑性变形能力。这将导致在以高切削速度机加工奥氏体和双相不锈钢的情况下快速磨损并且刀具使用寿命较短。
已知这样的多层涂层，它包括交替地层压在基底上的由不同材料构成的第一层和第二层，每层第一层具有第一厚度而每层第二层具有第二厚度。这两层优选应该具有不同的晶体结构和/或至少不同的晶格间距。一个示例是当Al2O3的生长周期性的受到短暂的TiN沉积过程干扰时导致(Al2O3+TiN)n多层结构，参见Proceedings of the 12:th EuropeanCVD Conference page pr.8-349。GB2048960A披露了具有多层交替的由不同组分的硬质材料构成的0.02至0.1μm层的多层涂层。在US4984940中，Bryant等人披露了由具有6.1-6.5wt％钴的硬质合金基底、包括碳氮化钛底层的涂层之后为多层涂层构成的切削刀片。所述涂层由多层通过IVb族金属氮化物例如氮化钛相互分开并且粘结的氧化铝层构成。
在US5700569中也要求保护了具有包含6-8层氧化铝层的涂层的硬质合金基底。EP-A-1103635披露了一种刀具，它由具有9.0-10.9wt％钴的硬质合金基底和包括中温CVD(MTCVD)沉积的TiCN层的涂层和由总共7-41层α-Al2O3层和TiN或Ti(C，N)层构成的多层。
在EP127416A、EP298729A、EP693574A和EP683244A中披露了通过机械后处理使得涂层变得平滑以便例如减小在刀具和工件之间的摩擦。
US-A-2004180241描述了一种涂覆硬质合金涂层的刀具刀片，它在刀刃的耐磨性和韧性性能上具有较大要求，它尤其适用于不锈钢的一般车削。在一个实施方案中，基底具有深度为5至50μm的贫γ相并且富粘结相的表面区域。该基底的组分为7.0至10.5wt％的Co、4.0至9.0wt％的选自元素周期表IVb、Vb或VIb族的元素优选Nb、Ta和/或Ti的立方碳化物、0.01至0.2wt％的氮以及衡量的碳化钨WC。该涂层包含由三层TiCxNyOz(x+y+z≤1)层构成的最内层系统、由5-31层交替的Al2O3和TiCxNyOz层(x+y+z≤1)优选为11至15层交替的κ-Al2O3和TiN层构成的第二多层系统以及由一层或多层TiCxNy(x+y≤1)或三层顺序的TiN-TiC-TiN层或其组合构成的最外层系统。另外，涂层刀片的最外表面经过机械后处理，从而多层以及部分最内层系统沿着刀刃线暴露出。
鉴于现有技术的情况，需要一种用于一般以高速机加工钢材尤其是不锈钢的刀具刀片。这尤其指的是具有改进的抵抗磨蚀和粘接磨损、塑性变形、刀片延展和刀片卡住损坏的能力的切削刀片。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种能够同时抵抗所有上述磨损方式的刀具刀片。
本发明的另一个目的在于避免或减轻现有技术刀具产品所存在的问题并且提供用于高切削速度的高性能刀具。
本发明的再一个方面在于提供一种在具有严格要求的不锈钢车削操作中具有优异切削性能的刀具。
已经令人惊讶地发现，这样一种硬质合金切削刀片满足了这些要求，该刀片具有包含相对较低含量的钴和立方碳化物的基底、较窄的贫γ相并且富粘结相的表面区域并且结合有包括由多层交替的Al2O3和TiCxNyOz层构成的经过机械后处理的多层的涂层的涂层。可选的是，所述多层可以由经过机械后处理的α-或κ-Al2O3层代替。该刀片尤其在以高切削速度车削奥氏体和双相不锈钢期间具有优异的抗塑性变形能力、高刀刃韧性性能以及足够的抗粘接磨损的能力。
附图说明
图1为根据本发明的基底和涂层的表面区域的的横截面的扫描电子显微照片(SEM)，其中：
Z.在基底内的贫γ相并且富粘结相的表面区域
A.TiN层，
B.柱状Ti(C，N)层，
C.TiN层
D.多层(Al2O3+TiN)6Al2O3以及
E.TiCxNy层
图2.1为没有经过后处理的边缘的横截面的示意图。
图2.2为根据本发明经过后处理的边缘的横截面示意图，其中除去了最外层E。
图2.3为根据本发明经过后处理的边缘的横截面示意图，其中除去了最外层E和多层(Al2O3+TiN)6Al2O3。
图3为根据本发明的基底和涂层的表面区域的横截面的电子扫描显微照片(SEM)，其中：
Z.在基底内的贫γ相并且富粘结相的表面区域
A.TiN层，
B.柱状Ti(C，N)层，
C’.Ti(C，N)层
D’.α-或κ-Al2O3层以及
E.TiCxNy层
具体实施方式
更具体地说，本发明涉及一种基于WC+Co的硬质合金基底，添加有具有贫γ相并且富粘结相的表面区域的硬质合金、特定尺寸范围的WC颗粒、特定组分范围的WC+Co、特定的Ti/(Ti+Ta+Nb)比例并且在硬质合金基底上的涂层包括一最内层系统，它包括薄等轴TiCxNyOz层，之后为柱状TiCxNyOz层以及薄等轴TiCxNyOz层。该最内层系统应该含有至少两层TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1。在该层系统上，沉积有一多层，其中TiCxNyOz层和Al2O3层(x+y+z≤1)周期性变化。至少在与来自切削刃周围的工件的材料直接接触的区域中的非氧化物最外层消失。
硬质合金基底的组分包含：5.0-＜8.0wt％优选5.0-＜7.0wt％的Co；和3.0-8.0wt％优选为4.0-7.0wt％的金属Ti、Ta和Nb的立方碳化物以及可能选自元素周期表的IVb、Vb或Vib族的元素的碳化物；以及衡量的碳化物(WC)。WC的平均粒径为1.5-3.5μm，优选为2.0-3.0μm。应该如此添加立方碳化物形成元素，从而Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.05-0.3，优选为0.1-0.25。区域Z的深度应该为5-30μm，优选为5-25μm。所述立方碳化物可以包含一定量的N和O，并且N量应该为0.01-0.2wt％。
根据本发明沉积在硬质合金基底上的硬质耐磨耐高温涂层(图1)，包含：
第一TiCxNyOz最内层(A)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒其并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm，优选为0.1-0.6μm；
第二TiCxNyOz层(B)，其中x+y+z≤1，优选其中z＝0，x＞0.3并且y＞0.3，最优选x＞0.5，其厚度为0.4-4.9μm优选为1.5-4.0μm，并且具有柱状晶粒；
第三TiCxNyOz层(C)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm，优选为0.2-0.8μm；
这些层A+B+C的总厚度为0.7-5.5μm，优选为1.2-5.0μm。优选的是，层A和C每个都比层B薄；
多层(D)，它由多层交替的Al2O3和TiCxNyOz(x+y+z≤1)层优选为κ-Al2O3和TiN层构成。该多层序列的最内层和最外层为Al2O3层。包括TiCxNyOz和Al2O3层两者在内的这些层的总数在5-31之间，优选为11-15。Al2O3层其单独层厚＜0.6μm，优选为0.2-0.5μm。这些TiCxNyOz层其单独层厚为0.01-0.2μm，优选为0.02-0.15μm。多层的总厚度为1.0-5.0μm，优选为1.5-4.0μm。每层Al2O3层的晶粒尺寸等于或小于该层的厚度；
最外层系统(E)，它由一层或多层顺序的TiCxNy(x+y≤1)层、优选为三至五层顺序的TiN、TiC和TiN层。总厚度＜2.0μm但是＞0.1μm，优选为0.5-1.5μm；
这些层A+B+C+D+E的总厚度为2.0-9.0μm，优选为4.0-8.0μm。
在一可选实施方案中，根据本发明沉积在硬质合金基底上的硬质耐磨耐高温涂层包括：
第一TiCxNyOz最内层(A)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒其并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm，优选为0.1-1.2μm；
第二TiCxNyOz层(B)，其中x+y+z≤1，优选其中z＝0，x＞0.3并且y＞0.3，最优选x＞0.5，其厚度为1.0-5.0μm优选为2.0-4.5μm，并且具有柱状晶粒；
第三TiCxNyOz层(C’)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm，优选为0.2-0.8μm；
这些层A+B+C′的总厚度为1.5-6.5μm，优选为2.0-5.5μm。优选的是，层A和C每个都比层B薄；
α-或κ-Al2O3层(D’)，其总厚度为1.5-5.0μm，优选为1.5-4.0μm；
最外层系统(E)，它一个同质层或以TiN+TiC顺序的形式的TiCxNy(x+y≤1)层构成。总厚度＜2.0μm但是＞0.1μm，优选为0.5-1.5μm；
这些层A+B+C′+D′+E的总厚度为3.0-11.0μm，优选为4.5-9.5μm。
涂层的最外面部分在与前刀面上的切屑接触部分和与在后刀面上的工件接触部分对应的区域中在边缘周围消失。更优选的是，所考虑的区域在主刀棱面位于附近的几何结构上时对应于在前刀面上的主刀棱面，从而涂层从在图2.2限定的位置消失一段距离，图2.2为与在前刀面“a”和后刀面“b”上的刀片面垂直的透视图。这些距离取决于在前刀面上不同的刀片几何形状和刀片尺寸等，优选对应于0.03＜a＜0.9mm并且0.02＜b＜0.2mm，与是否存在主刀棱面无关，a＞b，优选a＞1.5b。在一个实施方案中，只有层E消失。在另一个实施方案中，层D(D’)和E两者在该区域的部分中消失。
在可选实施方案中，该涂层的最外层在与前刀面上的切屑接触部分对应的区域中消失。所述区域最优选为切削刃和当主刀棱面存在于该几何形状时与在前刀面上的主刀棱面对应的区域。另外，最外层也在前刀面上消失或部分消失。
本发明还涉及一种制作上述涂覆硬质合金涂层的刀具刀片的方法，该刀片优选包括按照这样一种方式制成的硬质合金基底，其中在涂覆之前在加入少量氮之后通过真空烧结获得在表面附近的贫立方碳化物并且富粘结相的区域。该硬质合金基底的组分包括5.0-＜8.0wt％的Co、3.0-8.0wt％的立方碳化物，并且衡量为碳化钨(WC)。平均WC颗粒尺寸在1.5-3.5μm的范围内。应该如此添加立方碳化物形成元素，从而Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.05-0.3，优选为0.1-0.25。区域Z的深度应该为5-30μm，优选为5-25μm。所述立方碳化物可以包含一定量的N和O，并且N量应该为0.01-0.2wt％。这些微观结构构成成分可以被称为例如碳氮化物或含氧碳氮化物。主要通过混合粉末、球磨研磨、喷雾干燥、某些加压方法之后根据传统方法进行烧结以及在涂覆之前进行预处理如刀刃半径形成和清洁来形成硬质合金主体。
该主体然后涂覆有以下层：
采用已知的化学气相沉积方法即CVD方法沉积的第一(最内)TiCxNyOz层(A)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm；
采用优选为中温CVD、MTCVD技术(利用乙腈作为碳和氮源以便在700-900℃的温度范围中形成该层)在沉积的TiCxNyOz层(B)，其中x+y+z≤1，优选其中z＝0，x＞0.3并且y＞0.3，其厚度为0.4-4.9μm优选为1.5-4.0μm，并且具有柱状晶粒。精确的条件在一定程度上取决于所采用的设备结构。
采用已知的CVD方法沉积的TiCxNyOz层(C)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm。该层(C)与第二实施方案一样被省略。
这些层A+B+C的总厚度为0.7-5.5μm，优选为1.2-5.0μm。优选的是，这些层A和C每层都比层B更薄。
采用已知的CVD方法沉积的多层(D)，它由多层交替的Al2O3和TiCxNyOz层(x+y+z≤1)优选为κ-Al2O3和TiN层构成，该多层序列的最内层和最外层为Al2O3层，并且包括TiCxNyOz层和Al2O3层两者在内的这些层的总数为在5-31之间，优选为11至15层，Al2O3层其单层厚度＜0.6μm，优选为0.2-0.5μm。TiCxNyOz层其单层厚度为0.01-0.2μm，优选为0.02-0.15μm。该多层的总厚度为1.0-5.0μm，优选为1.5-4.0μm。Al2O3层的晶粒尺寸等于或小于其厚度。
优选的是，最外层系统(E)采用已知的CVD方法由一层或几层TiCxNy(x+y≤1)优选为3至5层TiN、TiC和TiN层顺序构成。总厚度＜2.0μm。这些层A+B+C+D+E的总厚度为2.0-9.0μm。
可选的是，该主体涂覆有：
采用已知的化学气相沉积方法即CVD方法沉积的第一(最内)TiCxNyOz层(A)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒其并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm。
采用优选为中温CVD、MTCVD技术(利用乙腈作为碳和氮源以在700-900℃的温度范围中形成该层)沉积的TiCxNyOz层(B)，其中x+y+z≤1，优选其中z＝0，x＞0.3并且y＞0.3，其厚度为1.5-5.0μm优选为2.0-4.5μm，并且具有柱状晶粒。精确的条件在一定程度上取决于所采用的设备结构。
采用已知的CVD方法沉积的TiCxNyOz层(C’)，其中x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.8并且z＝0，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm。该层(C’)与第二实施方案一样被删除。
这些层A+B+C的总厚度为1.5-6.5μm，优选为2.0-5.5μm。优选的是，这些层A和C’每层都比层B更薄。
α-或κ-Al2O3层(D’)，其总厚度为1.5-5.0μm，优选为1.5-4.0μm。
优选的是，最外层系统(E)采用已知的CVD方法由一层或几层TiCxNy(x+y≤1)顺序构成。总厚度＜2.0μm。
这些层A+B+C’+D’+E的总厚度为3.0-11.0μm。
通过刷光、喷丸、研磨操作或其组合对该涂层进行机械后处理以使该多层或Al2O3层沿着刀刃线暴露出，从而处理了在前刀面和后刀面上与切屑和工件接触的区域。
在优选方法中，通过设置和刀片定位使用两个包含有SiC颗粒的尼龙刷，从而一个刷主要刷前刀面，另一个主要刷后刀面，从而在刀片的前刀面和后刀面上实现所要求的性能。
除去在刀刃线处的最外层(E)将使Al2O3层沿着刀刃线暴露出。该刀刃线限定为刀具刀片的刀刃塘磨部分。在图2.1中显示出未经处理的刀刃线，并且在图2.2和2.3中显示出经过后处理的刀刃线。优选的是，只除去非氧化物顶层和部分多层。但是，在刀刃线的次要部分上可以看到TiCxNyOz层(A+B+C(C’))(图2.3)。
可选的，通过刷光、喷丸、研磨操作或其组合对该涂层进行机械后处理以使Al2O3层沿着刀刃暴露出，从而处理了在前刀面上与切屑和工件接触的区域。在可选涂层的优选方法中，通过设置和刀片定位使用Al2O3颗粒喷丸从而主要在前刀面上进行喷丸。在前刀面上除去最外层(E)将α-Al2O3层在刀刃上暴露出来，特别是全部或者部分的在前刀面上。
实施例
选择下面的刀片和实施例来举例说明本发明的优点。
在每个实施例中以相同的条件测试所提出的刀片。
刀片IA1。根据本发明的硬质合金车削刀片具有6.0wt％Co、1.0wt％Ti、0.4wt％Nb、3.3wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.21)、0.05wt％N和衡量的WC，并且WC平均颗粒尺寸为2.8μm，并且具有深度为15μm的富粘结相并且无立方碳化物区域，将该刀片涂覆0.5μmTiN(最内层)、2.2μm柱状Ti(C，N)和0.5μm等轴TiN、2.2μm(κ-Al2O3+TiN)6κ-Al2O3多层以及0.5μmTiN+TiC+TiN的最外层。
用包含SiC颗粒的尼龙刷沿着刀刃线对涂层进行后处理。将最外层除去a＝0.1mm并且b＝0.05mm成为前刀面和后刀面。
刀片IA2。根据本发明的硬质合金车削刀片具有6.0wt％Co、1.0wt％Ti、0.4wt％Nb、3.3wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.21)、0.05wt％N和衡量的WC，并且WC平均颗粒尺寸为2.8μm并且具有深度为15μm的富粘结相并且无立方碳化物区域，将该刀片涂覆0.5μmTiN(最内层)、3.7μm柱状Ti(C，N)和0.4μm等轴Ti(C，N)、2.2μmα-Al2O3层以及0.8μm顺序的TiN-TiC的最外层。
用Al2O3颗粒尤其沿着切削刃在前刀面上喷射该涂层。
刀片IB1。根据本发明的硬质合金车削刀片具有6.0wt％Co、1.0wt％Ti、0.4wt％Nb、3.3wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.21)、0.05wt％N和衡量的WC，并且WC其平均颗粒尺寸为2.3μm并且具有深度为15μm的富粘结相并且无立方碳化物区域，将该刀片涂覆0.5μmTiN(最内层)、2.2μm柱状Ti(C，N)和0.5μm等轴TiN、2.2μm(κ-Al2O3+TiN)6κ-Al2O3多层以及0.5μmTiN+TiC+TiN的最外层。
用包含SiC颗粒的尼龙刷沿着刀刃线对涂层进行后处理。将最外层除去a＝0.1mm并且b＝0.05mm成为前刀面和后刀面。
刀片IB2。根据本发明的硬质合金车削刀片具有6.0wt％Co、1.0wt％Ti、0.4wt％Nb、3.3wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.21)、0.05wt％N和衡量的WC并且其平均颗粒尺寸为2.3μm并且具有深度为15μm的富粘结相并且无立方碳化物区域，将该刀片涂覆0.5μm TiN(最内层)、3.7μm柱状Ti(C，N)和0.4μm等轴TiN、2.2μm α-Al2O3层以及0.8μm顺序的TiN-TiC的最外层。
用Al2O3颗粒尤其沿着切削刃在前刀面上喷射该涂层。
刀片IC。市售的硬质合金车削刀片具有由6.2wt％Co、2.3wt％Ti、2.0wt％Nb、0.1wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.52)、0.14wt％N和衡量的WC构成的基底。平均WC颗粒尺寸为2.7μm，并且所述基底还具有深度为26μm的富粘结相并且无γ相区域。涂层由0.1μmTiN最内层、4.0μm柱状Ti(C，N)、0.3μm等轴TiN、1.9μm κ-Al2O3层以及0.3μmTiN最外层构成。
刀片ID。市售的硬质合金车削刀片具有由6.0wt％Co、2.1wt％Ti、0.4wt％Nb、3.3wt％Ta(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.36)、0.09wt％N和衡量的WC构成的基底。平均WC颗粒尺寸为2.4μm，并且所述基底还具有深度为13μm的富粘结相并且无γ相区域。涂层由0.5μmTiN最内层、3.0μm柱状Ti(C，N)、0.3μm等轴TiN、1.7μm κ-Al2O3层以及0.3μmTiN最外层构成。
刀片IE。市售的硬质合金车削刀片具有7.5wt％Co、2.72wt％Ta、0.44wt％Nb、1.83wt％Ti(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0.37)、0.09wt％N和衡量的WC，其中平均WC颗粒尺寸为2.0μm，并且具有深度为26μm的富粘结相并且无立方碳化物区域，将刀片涂覆0.5μmTiN(最内层)、7.5μm柱状Ti(C，N)、1.2μmα+κ-Al2O3层以及1.0μmTiN最外层。
用包含SiC颗粒的尼龙刷沿着刀刃线对涂层进行后处理。将最外层除去b＝0.1mm成为前刀面和后刀面。
刀片IF。市售的硬质合金车削刀片具有8.75wt％Co、1.15wt％Ta、0.27wt％Nb、(Ti/(Ti+Ta+Nb)＝0)、0.09wt％N和衡量的WC，并且WC其平均颗粒尺寸为2.0μm，将该刀片涂覆0.5μmTiN(最内层)、2.2μm柱状Ti(C，N)和0.5μm等轴Ti(C，N)、2.2μm(κ-Al2O3+TiN)6κ-Al2O3多层以及0.5μmTiN+TiC+TiN的最外层。
用包含SiC颗粒的尼龙刷沿着刀刃线对涂层进行后处理。将最外层除去a＝0.1mm并且b＝0.05mm成为前刀面和后刀面。
实施例1
在车削操作中对来自IA1、IA2和IE的刀片进行测试。
操作：棒材的外部轴向端面车削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：270m/分钟
进刀速度：0.3mm/转
切削深度：2mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IA1：(本发明)9分钟
刀片IA2：(本发明)9分钟
刀片IE：(现有技术)5分钟
评论：工具使用寿命标准为切削刃线的最大后刀面磨损0.3mm。由于局部塑性变形，所以该磨损不规则扩大。该实施例显示出本发明的刀片在耐塑性变形性方面的改进。
实施例2
在车削操作中对来自IB1、IB2和IE的刀片进行测试。
操作：棒材的外部轴向端面车削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：290m/分钟
进刀速度：0.2mm/转
切削深度：2mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IB 1：(本发明)17分钟
刀片IB2：(本发明)17分钟
刀片IE：(现有技术)8分钟
评论：工具使用寿命标准为切削刃线的最大后刀面磨损0.3mm。由于局部塑性变形，所以该磨损不规则扩大。该实施例显示出本发明的刀片在耐塑性变形性方面的改进。
实施例3
在车削操作中对来自IB1、ID和IE的刀片进行测试。
操作：在台肩上进行轴向端面车削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：270m/分钟
进刀速度：0.3mm/转
切削深度：2mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀刃损坏
刀片IB1：(本发明)0.2mm/分钟
刀片ID：(现有技术)0.9mm/分钟
刀片IE：(现有技术)0.2mm/分钟
评论：该测试集中在位于刀具和工件之间的直接接触区域外面的刀刃所产生出的损坏，通常表示切屑锤击和切屑卡住。对这种损坏的抵抗性与刀刃韧性直接相关。
本发明的刀片显示出在这些方面中的改进。刀刃韧性增大(刀片IB1和ID)或保持(刀片IB1和IE)，同时抗塑性变形性能增大(实施例2)。
实施例4
在车削操作中对来自IA1和IC的刀片进行测试。
操作：朝着中心的端面车削
工件材料：
奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：180m/分钟
进刀速度：0.30-＞0.15mm/转
切削深度：1mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IA1：(本发明)5分钟
刀片IC：(现有技术)3分钟
评论：这是要求刀刃韧性的操作，并且该测试表明本发明的刀片与现有技术刀片相比有明显改进。但是在该实施例中难以辨认出一个单个临界磨损，但是可以将它描述成由于破碎、在前刀面上的涂层的剥落和粘接磨损而导致的磨损组合。
实施例5
在车削操作中对来自IB1、IB2和IE的刀片进行测试。
操作：对轴进行仿形切削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI316L
切削速度：200m/分钟
进刀速度：0.25mm/转
切削深度：3mm
刀片类型：TNMG 160408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IB1：(本发明)14件(pcs)
刀片IB2：(本发明)15件
刀片IE：(现有技术)9件
评论：该测试表明本发明的刀片与现有技术刀片相比在刀刃韧性方面有改进。现有技术刀片更早出现刀刃线破碎和凹口磨损。
实施例6
在车削操作中对来自IA1、IE和IF的刀片进行测试。
操作：对轴进行端面车削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：180m/分钟
进刀速度：0.30-＞15mm/转
切削深度：1mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IA1：(本发明)6.5分钟
刀片IE：(现有技术)2.5分钟
刀片IF：(现有技术)5.5分钟
评论：该测试表明本发明的刀片其刀刃韧性增大。在该实施例中难以辨认出一个单个临界磨损，但是可以将它描述成由于破碎、在前刀面上的涂层的剥落和粘接磨损而导致的磨损组合。
实施例7
在车削操作中对来自IB1和IE的刀片进行测试。
操作：小型棒材的纵向和端面联合切削
工件材料：奥氏体不锈钢，AISI304L
切削速度：250m/分钟
进刀速度：0.4mm/转
切削深度：2mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IB1：(本发明)8分钟
刀片IE：(现有技术)4分钟
评论：主要的磨损机制为塑性变形和粘接磨损。在这两种机制方面本发明的刀片与现有技术刀片相比显示出改进的抵抗能力。
实施例8
在车削操作中对来自IB1和IE的刀片进行测试。
操作：对锻压部件进行连续切削
工件材料：奥氏体不锈钢，SS2343
切削速度：200m/分钟
进刀速度：0.17-0.27mm/转
切削深度：0.1-1.3mm
刀片类型：CNMG 120408-MM
结果：刀具使用寿命
刀片IB1：(本发明)1500件(pcs)
刀片IE：(现有技术)200件
评论：临界磨损标准为剥落、刀刃堵塞和形成碎屑。本发明的刀片与现有技术刀片相比显示出改进的抵抗这些磨损类型的能力。
总之从上面给出的实施例的结果可以说明，显然通过将硬质合金基底与给定的组分结合、选择具有特定厚度的多层或Al2O3涂层并且进行特殊的刀刃处理已经形成了具有优异切削性能的刀具刀片，因为它结合了如在前言所述的被认为是相互矛盾性能的大部分。

Claims (17)

1.一种涂覆硬质合金涂层的切削工具刀片，其特征在于，
硬质合金基底，其组分包括：Co，5.0≤wt％Co＜8.0；3.0-8.0wt％的金属Ti、Ta和Nb的立方碳化物以及可能其它选自元素周期表的IVb、Vb或VIb族的元素的碳化物，如此添加立方碳化物形成元素，从而Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.05-0.3；0.01-0.2wt％的N；以及衡量碳化钨(WC)，WC其晶粒尺寸在烧结成的状态中为1.5-3.5μm，并且该基底具有深度为5-30μm的贫γ相和富粘结相的表面区域；以及
涂层，它具有由至少两层TiCxNyOz层构成的第一最内层系统，其中x+y+z≤1；以及
相同的涂层，具有包括5至31层交替的Al2O3层和TiCxNyOz层的第二多层系统，其中，x+y+z≤1，Al2O3层其单独层厚＜0.6μm并且TiCxNyOz层的单独层厚从0.01μm至0.2μm，同时该多层的总厚度从1.0μm至5.0μm，其中该多层沿着刀刃线暴露出并且进入前刀面和后刀面，从而在前刀面的暴露部分a大于0.03mm并且小于0.9mm，在后刀面上的暴露部分b大于0.02mm并且小于0.2mm，并且a＞b。
2.如权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述硬质合金基底具有这样的组分，它包括Co，5.0≤wt％Co＜7.0；4.0-7.0wt％的金属Ti、Ta和Nb的立方碳化物以及可能其它选自元素周期表的IVb、Vb或VIb族的元素的碳化物，如此添加立方碳化物形成元素，从而Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.1-0.25；0.01-0.2wt％的N；以及衡量碳化钨(WC)，WC其晶粒尺寸在烧结成的状态中为2.0-3.0μm，并且该基底具有深度为5-25μm的贫γ相和富粘结相的表面区域。
3.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述第二多层系统包括11至15层交替的κ-Al2O3层和TiN层，所述κ-Al2O3层其单独层厚为0.2μm至0.5μm，并且TiN层其单独层厚为0.02μm至0.15μm，并且该多层的总厚度为1.5μm至4.0μm。
4.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统包括：
第一TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm。
第二TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，其厚度为0.4-4.9μm，并且具有柱状晶粒。
5.如权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于，该涂层的最内层系统包括：
第三TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm。
6.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统的总厚度为0.7-5.5μm。
7.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，在多层的顶部具有最外层系统，该最外层系统由一层或多层TiCxNy层构成，其中x+y≤1。
8.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的总厚度为2.0-9.0μm。
9.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述多层以及部分最内的TiCxNyOz层系统沿着刀刃线暴露出。
10.如权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统包括第一TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，y＞x，且z＜0.2，和第二TiCxNyOz层，其中z＝0，x＞0.3并且y＞0.3。
11.如权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统包括第一TiCxNyOz层，其中y＞0.8，且z＝0。
12.如权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统包括第三TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，y＞x且z＜0.2。
13.如权利要求4所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述涂层的最内层系统包括第三TiCxNyOz层，其中x+y+z≤1，y＞0.8且z＝0。
14.如权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，在多层的顶部具有最外层系统，该最外层系统由三至五层连续的TiN、TiC和TiN层构成。
15.一种制作涂覆硬质合金涂层的切削刀具刀片的方法，其特征在于，
制备硬质合金基底，其组分包括：Co，5.0≤wt％Co＜8.0；3.0-8.0wt％的金属Ti、Ta和Nb的立方碳化物以及可能其它选自元素周期表的IVb、Vb或VIb族的元素的碳化物，如此添加立方碳化物形成元素，从而Ti/(Ti+Ta+Nb)比例为0.05-0.3；0.01-0.2wt％的N；以及衡量碳化钨(WC)，其中WC其晶粒尺寸在烧结成的状态中为1.5-3.5μm，并且该基底具有深度为5-30μm的贫γ相和富粘结相的表面区域，通过在加入少量氮之后进行真空烧结而获得该区域，并且
将所述基底涂覆以下层：
采用已知的化学气相沉积方法即CVD方法沉积的第一TiCxNyOz层(A)，其中x+y+z≤1，具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm；
采用已知的CVD方法沉积的第二TiCxNyOz层(B)，其中x+y+z≤1，其厚度为0.4-4.9μm，并且具有柱状晶粒；
采用已知的CVD方法沉积的第三TiCxNyOz层(C)，其中x+y+z≤1，具有其尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，并且其总厚度＜1.5μm但是＞0.1μm，并且层A+B+C的总厚度为0.7-5.5μm；
采用已知的CVD方法沉积的第四多层(D)，它由多层交替的Al2O3层和TiCxNyOz层构成，其中x+y+z≤1，该多层序列的最内层和最外层为Al2O3层，并且包括TiCxNyOz层和Al2O3层两者在内的这些层的总数在5和31之间，Al2O3层其单层厚度＜0.6μm，TiCxNyOz层其单层厚度为0.01-0.2μm，并且该多层的总厚度为1.0-5.0μm，，并且Al2O3层的晶粒尺寸等于或小于其厚度。
16.如权利要求15所述的制作涂覆硬质合金涂层的切削刀具刀片的方法，其特征在于，将所述基底涂覆以下层：
采用已知的CVD方法，由一层或连续的几层TiCxNy层构成的最外层系统(E)，并且其总厚度＜2.0μm，由此这些层的总厚度为2.0-9.0μm，并且通过刷光、喷丸、研磨操作或其组合对该涂层进行机械后处理以使该多层沿着刀刃线暴露出，从而分别处理了在前刀面和后刀面上与切屑和工件接触的区域，其中x+y≤1。
17.如权利要求15-16中任一项所述的制作涂覆硬质合金涂层的切削刀具刀片的方法，其特征在于，所述第四多层(D)中的交替的Al2O3层和TiCxNyOz层为κ-Al2O3和TiN层，且包括TiCxNyOz层和Al2O3层两者在内的这些层的总数在11层至15层之间。
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