CN101018879B - 包括硬质合金基体和涂层的涂覆切削工具刀片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车削的切削工具刀片，其包括硬质合金基体和涂层。硬质合金基体包括WC、粘结相和含有立方晶系碳化物相的钒，具有基本上不含立方晶系碳化物相的粘结相富集的表面区域。含有钒的立方晶系相的热性质给予刀片优良的抗热裂化性。

Description

包括硬质合金基体和涂层的涂覆切削工具刀片及其制造方法
本发明涉及具有粘结相富集的表面区域，即所谓梯度区域的硬质合金。梯度区域基本上没有立方晶系碳化物或碳氮化物。使用钒作为梯度形成剂会形成有关抗热裂化性的独特性质。
具有粘结相富集的表面区域的涂覆硬质合金刀片如今已广泛应用于钢和不锈材料的加工。由于粘结相富集的表面区域，切削工具材料的应用领域得到了扩展。
含有WC、包括至少一种碳化物或碳氮化物(这里称为“立方晶系相”)的立方晶系相和粘结相的、具有粘结相富集的表面区域的硬质合金的制造方法或工艺，属于被称为梯度烧结的技术范畴内，并已被若干专利和专利申请公开。根据美国专利US 4,277,283和US 4,610,931，使用含有添加剂的氮且烧结在真空中进行；而根据美国专利US4,548,786，氮以气相加入。在这两种情况中，得到了基本上不含立方晶系相的粘结相富集的表面区域。美国专利US 4,830,930记载了一种通过烧结之后脱碳得到的粘结相富集，其中也含有立方晶系相。
在美国专利US 4,649,084中，氮气被用于与烧结相结合，以便简化工序并提高随后沉积的氧化物涂层的粘附度。在欧洲专利EP 569696中，在存在Hf和/或Zr的情况下得到粘结相富集区域。在欧洲专利EP737756中，在硬质合金中存在Ti的情况下获得相同的效果。通过这些专利表明，可以使用4A(Ti、Zr、Hf)的立方晶系碳化物形成剂来获得粘结剂富集的表面区域。
EP-A-603143公开了具有粘结相富集的表面区域的硬质合金，所述硬质合金含有WC和粘结相中的立方晶系相，其中粘结相富集的表面区域具有基本上不含立方晶系相的外侧部分和含有立方晶系相的内侧部分以及层积的粘结相层。粘结相的含量为2-10wt％。立方晶系相可以含有变化量的钛、钽、铌、钒、钨和/或钼。粘结相富集的表面区域以及在其下直到300μm厚的区域不含石墨。但是，在其内部含有C04-C08的C孔隙度。
从断裂力学的观点上来看，表面区域中的粘接金属富集是指硬质合金吸收形变并阻止增长的裂缝扩散的能力。以这种方法，与具有基本相同的成分但为均质结构的材料相比，通过允许更大的形变或防止裂缝的增长，得到了抗断裂能力提高的材料。由此，切削材料显示出更好的韧性。但结果，当切削操作包括切削刃的热循环，例如带有冷却剂的断续切削时，具有粘结相富集的表面区域的切削刀片的抗磨损性能降低了。这种磨损类型包括涂层的裂缝以及随后的硬质合金主体表面区域的裂缝，这导致涂层的那些部分以及在一定程度上表面区域的部分被“拔出(pulled out)”，在前刀面(rake face)以及在切削刀片的刃部线上产生不均匀的和迅速的磨损。
本发明的一个目的是提供具有粘结相富集的表面区域的硬质合金刀片，所述表面区域结合了高韧性和高抗形变性以及增强的抗热裂化性。
令人惊讶地发现，如果使用5A族的V作为梯度形成剂并且Ti的含量较低或为0，则可以得到具有粘结相富集的表面区域的硬质合金刀片，所述表面区域结合了高韧性和高抗形变性以及增强的抗热裂化性。
图1和图2以500倍的放大率显示了根据本发明涂覆刀片的粘结相富集的表面区域的结构。
图3和图4以40倍的放大率显示了车削试验之后，根据本发明的涂覆刀片A和B，以及根据现有技术的涂覆刀片C和D的切削刃的外观。白色区域显示了由于热裂化，涂层碎裂的部位。
本发明涉及用于车削操作的硬质合金，由基于碳化钨WC的第一相，基于Co和/或Ni的金属粘结相以及最后的至少一个附加的立方晶系相组成，所述碳化钨WC具有大于1.5μm，优选小于3μm的平均粒径，所述立方晶系相包含至少一种含有钒的碳氮化物固溶体。硬质合金具有＜50μm，优选10-35μm厚的基本上不含立方晶系相的粘结相富集的表面区域。粘结相富集的表面区域的粘结相含量最多为通常的粘结相含量的1.2-3倍。在硬质合金的中心部分以及在梯度区域的接近表面处，WC具有大于1.5μm的平均粒径。硬质合金的组成为3-20wt％Co，优选4-15wt％Co，最优选5-13wt％Co，以及1-15wt％V且优选2-8wt％V。除Ti以外，可以加入其它来自4a和/或5a族的的可溶于立方晶系相的立方晶系碳化物形成元素，优选＜4wt％Nb，最优选0.2-3wt％Nb，和优选＜10wt％Ta，最优选1-8wt％Ta，以及余量的70-92wt％WC，优选75-90wt％WC，且其在微观结构中不存在游离石墨。Ti只能以微量，＜1wt％，优选＜0.5wt％，最优选为工艺杂质的程度或0wt％存在。V和除W之外其它可溶于立方晶系相的元素合计为1-15wt％，优选2-10wt％。Ti的含量与V的含量的重量比应该小于0.5，优选小于0.2。
钴粘结相与一定量的W合金化，给予硬质合金切削刀片期望的性质。粘结相中的W影响钴的磁性，由此与特征值CW比相关，其定义为：
CW比＝磁性％Co/wt％Co
其中磁性％Co为磁性Co的重量百分比，wt％Co为钴在硬质合金中的重量百分比。
取决于合金化程度，CW比在1和约0.75之间变化。较低的CW比对应较高的W含量，CW比＝1实际上相应于粘结相中不含W。
根据本发明，如果硬质合金具有0.78-0.95，优选0.80-0.92，最优选0.82-0.88的CW比，则可获得提高的切削性能。硬质合金可含有少量的，＜2体积％的η相(M6C)，但无任何不利影响。
根据本发明的硬质合金刀片优选通过CVD、MTCVD或PVD工艺或CVD和MTCVD的结合来涂覆薄的耐磨涂层。优选地，沉积优选为钛的碳化物、氮化物和/或碳氮化物的最内部涂层，随后的层由优选为钛、锆和/或铪的碳化物、氮化物和/或碳氮化物，和/或铝和/或锆的氧化物组成。
本发明也涉及由硬质合金基体和涂层组成的、具有基本上不含立方晶系相的粘结相富集的表面区域的涂覆切削工具刀片的制造方法，所述基体包括WC、粘结相和包括含有至少一种钒的碳化物或碳氮化物的立方晶系相，通过粉末冶金法进行，包括形成硬质组分和粘结相的粉末混合物的研磨、干燥、压制和烧结。烧结在氮气气氛中，部分地在氮气、真空或惰性气氛中进行，以得到期望的粘结相富集。V以VC或(V，M)C或(V，M)(C，N)或(V，M，M)(C，N)加入，其中M为可溶于立方晶系相的任何金属元素。
更具体地说，所述方法包括以下步骤：
-提供具有如下组成的粉末混合物，包括3-20wt％钴，70-92wt％WC，1-15wt％的作为碳化物、氮化物或碳氮化物的钒，和＜1wt％的作为碳化物的钛，以及除钒和钛以外其它来自4a和/或5a族的立方晶系碳化物形成元素，使得加入的来自4a和/或5a族的元素总量为1-15wt％，
-压制所述粉末混合物至要求的形状和尺寸的坯体，
-在氮气，部分地在氮气或真空或惰性气氛中烧结所述坯体，以形成具有期望的粘结相富集的表面区域和期望的CW比的基体，
边缘圆化(edgerounding)至35-70μm，并用常规方法清洁，以及
-向坯体提供常规耐磨涂层，并进行可能的常规后处理，例如刷拂和喷砂。
本发明也涉及根据本发明的刀片在正常情况下且特别是断续切削时用于钢的车削的应用。根据本发明的刀片用于加工工件，例如在ISO-P的范围内的钢和在ISO-M的范围内的不锈钢，优选钢在P35的范围内。在2-4mm的切削深度和0.2-0.6mm/转的进给下，切削速度应该＜300m/min，最优选190-240m/min。
实施例1
以如下方法制造根据本发明的两种合金A)和B)：
A)用表1中给出的原料1、2、4和7制造具有如下组成的粉末：10wt％Co、3.6wt％以(V，W)C加入的V、5.6wt％以TaC加入的Ta以及具有1.6μm烧结粒径的余量WC。测得的CW比为0.85。压制并烧结CNMG 120408-PM类型的刀片。烧结使用PN2＝250毫巴及最多T＝1380℃来进行，以便氮化合金。在40毫巴Ar的惰性气氛中，从T＝1380℃至最多T＝1450℃的烧结温度下进行烧结。
表1原料。
Figure GSB00000322952100051
切削刀片的结构包括间隙(clearance)和前刀面之下的25μm厚的粘结相富集的表面区域，和靠近表面刃部分的显著降低的梯度厚度，参见图1。
刀片被边缘圆化至50μm，并用常规方法清洁，并涂覆＜1μm的TiN薄层，随后涂覆9μm厚的Ti(C，N)层和7μm厚的根据专利US5,654,035的α-Al2O3层。在α-Al2O3层的上面沉积1μm厚的TiN层。最后刀片用氧化铝磨粒在其前刀面上进行湿喷以除去顶层的TiN层。
B)用表1中给出的原料2、4、6、7、8制造具有如下组成的粉末：5.48wt％Co、2.7wt％以(V，W)C加入的V、3.3wt％以TaC加入的Ta、2.06wt％Nb和具有2.1μm烧结粒径的余量WC。测得的C/W比为0.83。
压制并烧结CNMG 120408-PM类型的刀片。使用PN2＝900毫巴及最多T＝1380℃来进行烧结，以便氮化合金。在40毫巴Ar的惰性气氛中，从T＝1380℃至最多T＝1450℃的烧结温度下进行烧结。如同A中的刀片那样，刀片具有25μm厚的基本上不含立方晶系相的粘结剂富集的表面区域。
刀片如同在A中那样被边缘圆化、清洁、涂覆并湿喷。
C)可商业获得的具有如下组成的CNMG 120408-PM类型的切削刀片在切削试验中作为参照同合金B相比较：
组成：Co＝5.48wt％，Ta＝3.3wt％，Nb＝2.06wt％，Ti＝2.04wt％和具有2.1μm粒径的余量WC。Co富集的表面区域为20μm。测得的CW比为0.84。如同在合金A中那样，刀片被涂覆并湿喷。
D)可商业获得的具有如下组成的CNMG 120408-PM类型的切削刀片在切削试验中作为参照同合金B相比较：
组成：Co＝10wt％，Ta＝5.6wt％，Ti＝2.36wt％以及具有1.6μm粒径的余量WC。测得的CW比为0.84。Co富集的表面区域为20μm。如同在合金A中那样涂覆并湿喷。
实施例2
在将100×100mm的方材车削至直径为60mm的带有冷却剂的纵向车削中，测试B和C中的刀片并比较热裂化。
材料：SS1672
切削数据：
    切削速度＝200m/min
    切削深度＝3.0mm
    进给＝0.30mm/转
图3以40倍的放大率显示了车削2分钟之后刀片切削刃的外观。白色区域显示了由于热裂化，涂层碎裂的部位。显然刀片B比刀片C具有好得多的抗热裂化性。
实施例3
在如实施例2的相同的切削操作中，只是采用不同的切削数据，测试A和D的刀片并比较热裂化：
切削速度＝220m/min
切削深度＝2.0mm
进给＝0.30mm/转
图4以40倍的放大率显示了车削2分钟之后刀片切削刃的外观。白色区域显示了由于热裂化，涂层碎裂的部位。显然刀片A比刀片D具有好得多的抗热裂化性。
实施例4
在对滚珠轴承钢SKF25B的带有冷却剂的纵向车削中，测试B和C中的刀片并比较侧面抗性(flank resistance)。
切削数据：
切削速度＝240m/min
切削深度＝2.0mm
进给＝0.35mm/转
刀具寿命标准：侧面磨损≥0.3mm
刀片B：18min
刀片C：16min
对于侧面抗性，刀片B比刀片C稍好。
实施例5
在对滚珠轴承钢SKF25B的带有冷却剂的纵向车削中，测试A和D中的刀片并比较侧面抗性。
切削数据：
切削速度＝200m/min
切削深度＝2.0mm
进给＝0.28mm/转
刀具寿命标准：侧面磨损≥0.3mm
刀片A：28min
刀片D：21min
实施例3和4显示了，与现有技术的刀片相比，V在热性质方面具有的优点。与可商业获得的合金相比，实施例4和5显示了相同的或甚至更好的抗侧面磨损性。

Claims (16)

1.包括硬质合金基体和涂层的涂覆切削工具刀片，所述硬质合金基体包括WC、粘结相和立方晶系相，且具有不含立方晶系相的粘结相富集的表面区域，其特征在于，所述硬质合金基体包含3-20wt％钴、1-15wt％钒、＜1wt％钛，除钒和钛外其它来自4a和/或5a族的立方晶系相形成元素，使得加入的来自4a和/或5a族的元素总量为1-15wt％，以及70-92wt％WC，其具有大于1.5μm的烧结平均WC粒径。
2.根据权利要求1的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含4-15wt％钴。
3.根据权利要求2的涂覆层切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含5-13wt％钴。
4.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含2-8wt％钒。
5.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，钒和其它加入的来自4a和5a族的立方晶系碳化物形成剂的总量为2-10wt％。
6.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含75-90wt％WC。
7.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含＜4wt％的铌和＜10wt％的钽。
8.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具刀片，其特征在于，所述硬质合金基体包含4-15wt％钴，0.2-10wt％钒，0.2-6wt％钽以及70-95wt％的余量WC，加入的钒、钽、铌、铪的总量为2-10wt％。
9.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具，其特征在于，所述粘结相富集的表面区域的深度小于50μm。
10.根据权利要求1-3中的任何一个所述的涂覆切削工具，其特征在于，按照0.78-0.95的CW比来合金化所述粘结相。
11.根据权利要求7所述的涂覆切削工具，其特征在于，所述硬质合金基体包括0.2-3wt％的铌。
12.根据权利要求7所述的涂覆切削工具，其特征在于，所述硬质合金基体包括1-8wt％的钽。
13.根据权利要求9所述的涂覆切削工具，其特征在于，所述粘结相富集的表面区域的深度为10-35μm。
14.根据权利要求10所述的涂覆切削工具，其特征在于，按照0.80-0.92的CW比来合金化所述粘结相。
15.制造包括硬质合金基体和涂层的涂覆切削工具刀片的方法，所述硬质合金基体包括WC、粘结相和立方晶系相，具有不含立方晶系相的粘结相富集的表面区域，其特征在于：
-提供具有如下组成的粉末混合物：包括3-20wt％钴，70-92wt％WC，1-15wt％的作为碳化物、氮化物或碳氮化物的钒，和＜1wt％的作为碳化物的钛，以及除钒和钛以外其它来自4a和/或5a族的立方晶系相形成元素，使得加入的来自4a和/或5a族的元素总量为1-15wt％，
-压制所述粉末混合物至要求的形状和尺寸的坯体，
-在氮气，部分地在氮气或真空或惰性气氛中烧结所述坯体，以形成具有粘结相富集的表面区域和期望的CW比的切削工具刀片，以及
-向坯体提供常规耐磨涂层。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在提供常规耐磨涂层后进行常规后处理，包括刷拂和喷砂。
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