CN101204865A - 涂层硬质合金端铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对HRC在46以上的硬化钢进行半精加工和精加工的硬质合金端铣刀具，其包括基底和耐磨涂层。基底，(a)在Co粘结相中包括重量百分比为90－94％的WC，还包括以下量的Cr，即Cr/Co的重量比为0.05－0.18。耐磨涂层，(b)厚度为1.8－9.5μm，包括：第一层，(c)是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，厚度为1.0－4.5μm，并且Al和Me的原子比为1.20－1.50，第二层，(d)是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，厚度为0.5－4.5μm，并且Al和Me的原子比为1.30－1.70，并且在第一层(c)和第二层(d)之间，是厚度在0.05－1.0μm的低Al层，(e)厚度小于第一层(c)和第二层(d)的最小厚度的0.95倍，层(e)也是AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，并且Al和Me的原子比为0－0.3。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属切削刀具。更具体地，本发明涉及一种用于对硬化钢进行半精加工到精加工的PVD涂层硬质合金端铣刀。
发明背景
在钢铁的切削加工中，由于高生产率的要求，即需要高的切削速度和进给速度的同时还要提高刀具寿命，因此对刀具的性能提出了严格要求。具有硬度在HRC46到55之间的工件钢材当被硬化后通常可以具有高达HRC63或者更高的硬度。对于硬化钢的半精加工和精加工操作来说，可以使用一种所谓的整体硬质合金的刀具。这些刀具是通过以下方式生产的，例如，将一个圆柱形硬质合金坯料磨削成为一个所需形状的基底，或者通过挤压提供一个所需形状的坯料，随后通过例如物理气相沉积(PVD)的方式对其进行表面涂覆。整体硬质合金刀具一个非常普遍的应用就是对零件、冲模和铸模进行端铣，但是单一刀具等级并不能覆盖所有的硬度范围。
硬化钢的端铣会产生大量的热量，这将会导致切削刃温度的升高。所加工的零件的形状经常使得刀柄伸出部很长。这些因素都使得使用高等级硬质合金是必要的，它在温度升高的时候不会剧烈软化，而且具有足够的刚度从而可以忽略刀具的弯曲变形。但是，较高等级的需要必须与随后产生的降低的堆积韧性相平衡。对于通常的机加工来说，典型的基底硬度在1600HV3以下，然而其中较硬部位的典型的机加工HV3值从1700到1800以上。这里一个严重的问题是基底的脆性会导致锐利的切削刃发生破碎，这是不能轻易通过标准的PVD涂覆技术来补救的。任何由于机加工发生在涂层中的裂缝都可以穿透整个涂层厚度进行传播。在基底的界面处，这些裂缝可以作为基底块状断裂的开始点。
用于端铣应用的硬质合金等级通常包括细晶WC，通常是TiC、NbC，TaC和Wc的固溶体的γ相，和通常是Co或Ni的粘结相。细晶尺寸小于1μm的硬质合金是通过将晶粒成长抑制剂例如V、Cr、Ti、Ta及其组合添加到初始的粉末混合物中得到的。典型的抑制剂的添加量是粘结相的重量的0.5-5％。此外，为了进一步抑制晶粒粗化，烧结温度应该在大约1350-1390℃以下。为了产生晶粒尺寸为0.6μm的烧结基底，通常，WC粉末基本上是更细小的，通常在0.2-0.3μm。
端铣刀的PVD涂层通常是具有高硬度和耐磨性的(Ti，Al)N单层。通过在涂层成长过程中使用涂层的强离子轰击，PVD层具有高的残余应力水平，至少为2000MPa等级的压应力，通常为高于3000MPa的压应力。压应力通常认为是有利的，因为为了在涂层上产生一个裂纹，需要在刀具上施加一个相当大的机械载荷。同时，由于高应力和有限的涂层粘附力，施加了大约3μm的最大涂层厚度。
通过设计涂层，例如在欧洲专利EP983393中公开的非周期性TiN+(Ti，Al)N多层涂层可以提高刀具韧性。这些设计中，平均Al含量低于单层涂层中的Al含量，这将损害耐磨性。
发明内容
本发明的目的是提供一种有涂层的硬质合金端铣刀，其具有改进的耐磨性的并且不会牺牲其韧性和刃口安全性，这对于硬度在HRC46-63或以上的钢材的半精加工和精加工特别有利。
本发明的目的是通过以下方式实现的，即提供一种硬质合金刀片，包含有细晶粒WC+Co基底，并具有PVD涂层，由于这种层结构其可以达到优化的耐磨性并提高切削刃韧性。
附图说明
图1显示了本发明的示例性的端铣刀的裂纹部分的扫描电镜(SEM)的显微照片，其中
a-基底
b-涂层
c-第一层
d-第二层
e-低Al层；
图2显示了本发明的示例性基底的扫描电镜显微照片；
图3显示了本发明的示例性端铣刀的横截面的光学显微照片；
图4显示了本发明的示例性端铣刀的磨损刀刃的扫描电镜显微照片；
图5显示了现有技术中的端铣刀的磨损刀刃的扫描电镜的显微照片。
具体实施方式
意外地发现，通过在两个具有高压缩残余应力的高Al含量的(Ti，Al)N层之间夹入具有不期望的基本无应力属性的低Al含量(Ti，Al)N层，可以减少边缘破裂的发生。这样，通过使用高硬度等级的基底和较厚的涂层并因为该使用，可以得到更耐磨的涂层。
根据本发明提供一种具有涂层的整体硬质合金端铣刀，用于HRC46-63及以上的硬化钢的半精加工和精加工，其包含一个硬质合金基底和耐磨涂层，其中
该基底，(a)，在Co的粘结相中包括重量百分比为90-94％、优选91-93％的WC，还包含有如下数量的Cr，即Cr/Co的重量百分比为0.05-0.18，，优选0.06-0.16，更优选0.07-0.14，最优选0.075-0.13，其矫顽力大于22kA/m，优选25-30kA/m，并且
其耐磨涂层，(b)，厚度为1.8-9.5μm，优选2.5-6.0μm，其包括
第一层，(c)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为1.0-4.5μm，优选2.0-3.0μm，Al和Me的原子比为1.20-1.50，优选1.30-1.40。
第二层，(d)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为0.5-4.5μm，优选1.0-2.0μm，并且Al和Me的原子比为1.30-1.70，优选1.50-1.60，并且
在第一层和第二层之间，是厚度在0.05-1.0μm，优选0.1-0.7μm的低Al层，(e)，层(e)的厚度小于第一层(c)和第二层(d)的最小厚度的0.95倍，优选小于其0.8倍，最优选小于其0.5倍，层(e)也是AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，并且Al和Me的原子比为0-0.3，优选0-0.05，最优选MeN。
在这些层中的Al和Me的原子比是通过在横截面上通过透射电镜(TEM)对至少4个点进行测量并取平均值而得到的。
在一个优选实施例中，第一层(c)和第二层(d)都具有立方晶体岩盐结构的细晶粒，其晶粒尺寸小于50nm，优选小于40nm。低Al层(e)在垂直于晶粒成长方向上的微晶尺寸大于40nm，优选大于50nm，并且在平行于晶粒成长方向上大于100nm，即，柱状成长，并且最优选地在整个厚度上沿着成长方向进行延伸。
X-射线衍射技术，更特别的是sin2ψ法(I.C.Noyan，J.B.Cohen，通过衍射和分析进行残余应力测量，Springer-Verlag，纽约，1987，pp117-130)，被用来确定残余应力。
在一个更优选的实施例中，第一层(c)的残余压应力大于1000MPa，优选在1800至3500MPa之间，第二层(d)的残余压应力大于1000MPa，优选在1800至3500MPa之间，并且低Al层(e)残余应力的绝对值小于600MPa(即为压应力或拉应力)，优选小于300MPa，更优选小于80MPa。
可选择性地在第二层(d)上施加另外的层，所述层可用来提高耐磨性，装饰表面或用于磨损检测的目的。
本发明还涉及一种制造具有以上成分的硬质合金端铣刀的方法，其包括以下步骤：
湿磨碳化钨-钴亚微粉末，Cr3C2、Cr23C6和Cr7C3中的至少一种，以获得浆料，
干燥该浆料以获得粉末，
将该粉末压制成为棒，
如欧洲专利EP-A-1 500 713所述，在真空或氮气中烧结该棒，
在烧结温度或在烧结的最后步骤中选择性的执行均衡气压步骤。
这样获得的硬质合金棒通过无中心研磨为公差等级为h6的圆柱形。钻石砂轮配合使用乳胶切削液研磨出凹槽。
该如上研磨的整体硬质合金端铣刀的基底被湿洗。该基底在涂布机中利用反应电弧蒸发型PVD设备来进行PVD涂覆过程，包括对具有合适成分的MeAl源进行金属蒸发从而获得所需的Al/Me原子比，这样布置以均匀涂覆全部装料。该MeAl源可以是例如三个单独的靶，如此布置靶从而每个靶都可以均匀涂覆全部装料，或者作为替代，六个MeAl源可以成对排列从而每对都可以均匀涂覆全部装料。然而，其它数量的靶和排列方式也在本发明的范围之内。为了进一步清洁刀具和从WC表面去除多余的粘结相从而精整表面，该涂布机被撤走之后进行加热和等离子腐蚀。通过金属蒸发同时在容器(即，发生沉积过程的涂覆炉或者真空容器)中保持氮气的部分压力，并且选择合适的活性蒸发源和比例，以下各层被沉积：
耐磨涂层，(b)，厚度为1.8-9.5μm，优选2.5-6.0μm，包括：
第一层，(c)，为硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为1.0-4.5μm，更优选2.0-3.0μm，并且Al和Me的原子比为1.20-1.50，优选1.30-1.40。其工艺参数如下：设备中的电弧电流50-200A，优选120-160A，N2压力为5-50μbar，优选7-20μbar，沉积温度为400-700℃，优选550-650℃，并且基底偏压为-150到-300V，优选-170到-230V。
第二层，(d)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为0.5-4.5μm，优选1.0-2.0μm，并且Al和Me的原子比为1.30-1.70，优选1.50-1.60。其工艺参数如下：设备中的电弧电流50-200A，优选120-160A，N2压力为5-50μbar，优选7-20μbar，并且沉积温度为400-700℃，优选550-650℃，并且基底偏压为-50到-140V，优选-80到-120V。
在第一层和第二层之间，是厚度在0.05-1.0μm，优选0.1-0.7μm的低Al层，(e)，层(e)的厚度小于第一层(c)和第二层(d)的最小厚度的0.95倍，优选小于其0.8倍，最优选小于其0.5倍，层(e)是AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，并且Al和Me的原子比为0-0.3，更优选0-0.05，最优选MeN，温度为400-700℃，优选550-650℃，N2压力为5-50μbar，优选7-20μbar，基底偏压为-30到-150V，优选-70到-120V，并且电弧电流80-210A，优选140-190A。
该涂层也可以通过其它PVD技术来沉积，例如，磁控管溅射、双磁控管溅射或电弧技术。
示例1.
FSSS晶粒尺寸为0.9μm的碳化钨粉末，重量百分比为7％的极细晶钴粉，和以称为H.C.Starck细晶Cr3C2粉末被加入的重量百分比为0.7％的Cr，一起通过传统的压模剂被湿磨。在研磨和喷雾干燥之后，该粉末被压制成为6mm直径的棒，并在1410℃和40bar压力的氩气中进行烧结。该烧结材料的矫顽力为28kA/m。
这样获得的硬质合金棒通过无中心研磨成为公差h6的圆柱形。钻石砂轮配合使用乳胶切削液研磨出凹槽。
该研磨的整体硬质合金端铣刀的基底被湿洗，并根据下述步骤进行PVD涂覆。该基底被加载在反应电弧蒸发型PVD设备腔中，其包括六个成对排列的金属蒸发源，所述蒸发源成对排列使得每对都可以均匀涂覆全部装料。一对蒸发器具有Ti金属靶，且另两对具有AlTi合金靶，其Al/Ti的成分比为2。为了进一步清洁刀具和从WC表面去除多余的粘结相从而精整表面，该设备腔被撤走后进行加热和等离子腐蚀。通过金属蒸发同时在容器中保持氮气的部分压力，并且选择合适的活性蒸发源和比例，TiN和(Ti，Al)N合金层在600℃下进行沉积。在沉积步骤中的工艺条件如下：
表1.
| 层 | 靶 | 时间(min) | 电弧电流(A) | 偏压(V) | 压力(μbar) | N2(sccm) | Ar(sccm) |
| c | 4×AlTi | 130 | 140 | -200 | 10N2 | ||
| d | 2×Ti | 25 | 170 | -100 | 800 | 400 | |
| e | 4×AlTi | 65 | 140 | -100 | 10N2 |
对如此制造和涂覆的整体硬质合金端铣刀进行金相分析。从距离尖端10mm处切割该端铣刀制备横截面，然后由金刚石磨料粒进行机械研磨和抛光。图3显示了一个典型的涂层和基底部分的光学显微照片。表1所示的涂层厚度是在圆柱形区域，即距离切削刃小于1.0mm大于0.2mm处的间隙边上测量的。
X-射线衍射技术，特别是sin2ψ法(I.C.Noyan，J.B.Cohen，通过衍射和分析进行残余应力测量，Springer-Verlag，纽约，1987，(pp117-130))，被用来确定这三层中的残余应力。结果如表2所示。
装配有EDS光谱仪的薄膜透射电镜用来确定Al/Ti的原子比和三层中的晶粒尺寸，该原子比是对四个点进行分析后的平均值，请参见表2。
表2.
| 层 | 涂层类型 | 厚度(μm) | Al/Ti原子比 | 晶粒尺寸(nm) | 残余应力(MPa) |
| c | (Ti，Al)N | 2.4 | 1.34 | 35 | -2400* |
| e | TiN | 0.2 | 0 | 圆柱形75×150 | -80 |
| d | (Ti，Al)N | 1.6 | 1.56 | 30 | -2300 |
*估计值
示例2.
对示例1中的端铣刀进行检测并与市场上常见等级的端铣刀在应用领域进行比较。在非常硬的钢上进行耐磨性试验；耐磨性和韧性需求30％跨度的半精加工试验。该试验以工件硬度的形式表现出其上限。
试验类型 型腔铣削，尺寸为48×48mm，使用直径为1mmBNE
刀具寿命标准 最大侧面磨损0.20mm
工件 Uddeholm Vanadis 10，HRC62
切削速度，Vc(m/min) 60
齿进给量，fz(mm/刃) 0.11
吃刀量，ap/ae(mm) 0.3/0.3
冷却 干冷
机器 Modig MD 7200
结果 以分钟计算的刀具寿命
本发明(示例1) 29
商业等级 22
与商业等级进行比较，在该范围内的工件硬度有了巨大的提高。这很清楚地表示出本发明刀具具有较高的耐磨性。
示例3.
对例1中的端铣刀进行检测并与市场上常见等级的端铣刀在应用领域进行比较。在硬化模具钢上进行韧性需求侧铣试验。其机加工状况是一种非常典型的应用。它以工件硬度的方式表示出了在硬化钢的端铣应用领域的下限。
试验类型 用6凹槽，直径为10mm圆角端铣刀进行侧铣
刀具寿命标准 Vb最大0.20mm
工件 Uddeholm Orvar Supreme，HRC48
切削速度，Vc(m/min) 375
齿进给量，fz(mm/刃) 0.10
吃刀量，ap/ae(mm) 10/0.5
冷却 压缩空气
机械 Modig MD 7200
结果 以铣削距离计算的工具寿命
本发明(示例1) 750m
商业等级别 500m
与商业等级进行比较的本改进设计适用于硬零件的机加工，显示出本发明的端铣刀具有更宽的应用范围。
示例4
对示例1中的端铣刀进行检测并与市场上常见等级的端铣刀在应用领域进行比较。为应用于冲模和铸模而机加工两个相同的刀具。在该应用中，刀刃安全性和韧性是最基本的。它代表了一个最重要的顾客价值，即不需要更换刀具就可以加工一个完整的零件。
试验类型 使用直径为6mm的球头端铣刀进行模具精加工
刀具要求 寿命大于296分钟，完成一个部件
工件 Uddeholm Orvar Supreme，HRC 51
切削速度，rpm 12468rpm
齿进给量，fz(mm/刃) 0.08mm
吃刀量，ap/ae(mm) 0.07/0.1mm
冷却 干冷
结果：
本发明(例1) 参见图4
商业等级 参见图5
测试结果表明，商业等级的刀具不能满足刀具寿命的要求，然而本发明的刀具则以非常小的磨损完成了该精加工操作。该结果清楚地表示出与商业等级的刀具相比本发明具有较高的耐磨性和保持完整切削刃的能力。
示例5
在现场进行实地试验，在HRC为53的硬化刀具钢中加工热锻模具。该加工过程利用三个不同的步骤来进行，分别使用直径为10、6和2mm的球头端铣刀(BNE)。
试验类型 使用直径为10、6和2mmBNE进行刀具寿命试验
刀具寿命标准 停止切削
工件 Uddeholm Orvar Supreme，HRC 53
切削速度，Vc(m/min) 分别为110、110和107
心轴速度，(rpm) 分别为35000、12500和6300
齿进给量，fz(mm/刃) 分别为0.05、0.11和0.70
吃刀量，ap/ae(mm) 分别为0.07/0.05，0.35/1.20，0.8/2.20
冷却 油雾
机械 Modig MD 7200
表3.结果：以分钟计算的刀具寿命
| 层 | BNE10mm | BNE6mm | BNE2mm |
| 本发明(例1) | 374 | 428 | 1202 |
| 商业等级 | 130 | 330 | 660 |
其结果表明本发明的端铣刀在刀具寿命方面具有重大的提高。
Claims (7)
1.一种用于对硬度为HRC46以上的硬化钢进行半精加工和精加工的硬质合金端铣刀具，包括基底和耐磨涂层，其特征在于：
所述基底(a)包括：在Co粘结相中重量百分比为90-94％、优选91-93％的WC，还包括如下数量的Cr，即Cr/Co的重量比为0.05-0.18，优选0.06-0.16，更优选0.07-0.14，最优选0.075-0.13，并且
所述耐磨涂层(b)的厚度为1.8-9.5μm，优选2.5-6.0μm，其包括：
第一层(c)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为1.0-4.5μm，优选2.0-3.0μm，并且Al和Me的原子比为1.20-1.50，优选1.30-1.40，
第二层(d)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为0.5-4.5μm，优选1.0-2.0μm，并且Al和Me的原子比为1.30-1.70，优选1.50-1.60，并且
在所述第一层和所述第二层之间，是厚度在0.05-1.0μm，优选0.1-0.7μm的低Al层(e)，层(e)的厚度小于所述第一层(c)和所述第二层(d)的最小厚度的0.95倍，优选小于0.8倍，更优选小于0.5倍，层(e)是AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，并且Al和Me的原子比为0-0.3，优选0-0.05，最优选MeN。
2.如前述权利要求所述的硬质合金端铣刀具，其特征在于，所述粘结相的Cr/Co比为0.07-0.14。
3.如前述权利要求所述的硬质合金端铣刀具，其特征在于，所述第一层和所述第二层都具有晶粒尺寸小于50nm，优选小于40nm的立方晶体岩盐结构的微晶。
4.如前述权利要求所述的硬质合金端铣刀具，其特征在于，所述低Al层(e)的微晶尺寸在垂直于晶粒成长方向上大于40nm，优选大于50nm，在平行于所述晶粒成长方向上大于100nm。
5.如前述权利要求所述的硬质合金端铣刀具，其特征在于，所述第一层(c)的残余压应力大于1000MPa，优选在1800至3500MPa之间，并且所述第二层(d)的残余压应力大于1000MPa，优选在1800至3500MPa之间。
6.如前述权利要求所述的硬质合金端铣刀具，其特征在于，所述低Al层(e)残余应力的绝对值小于600Mpa，为压应力或拉应力，优选小于300MPa，更优选小于80MPa。
7.一种制造用于对HRC46以上的硬化钢进行半精加工和精加工的硬质合金端铣刀具的方法，其特征在于以下步骤：
提供硬质合金端铣坯料，其成分包括Co粘结相中的重量百分比为90-94％，优选91-93％的WC，还包括以下数量的Cr，即所述Cr/Co的重量比为0.05-0.18，优选0.06-0.16，更优选0.07-0.14，最优选0.075-0.13，
湿磨碳化钨-钴亚微粉末，Cr3C2、Cr23C6和Cr7C3中的至少一种以获得浆料，
干燥所述浆料获得粉末，
将所述粉末压制成为棒，
在真空或氮气中烧结所述棒，以及
在烧结温度或在烧结的最后步骤中选择性的执行均衡气压步骤，
将所述棒料研磨为公差h6的圆柱形，
钻石砂轮配合使用乳胶切削液研磨凹槽，
在保持容器中的部分氮气压力的同时进行沉积，并适当选择活性蒸发源和比例，
耐磨涂层(b)的厚度为1.8-9.5μm，优选2.5-6.0μm，其包括
第一层(c)，为硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为1.0-4.5μm，优选2.0-3.0μm，并且Al和Me的原子比为1.20-1.50，优选1.30-1.40，其工艺参数如下：所用设备中的电弧电流50-200A，优选120-160A，N2压力为5-50μbar，优选7-20μbar，并且沉积温度为400-700℃，优选550-650℃，以及基底偏压为-150到-300V，优选-170到-230V，
第二层(d)，是硬质耐磨耐熔PVD AlMe氮化物或碳氮化物，其中Me是Zr、V、Nb、Cr或Ti，优选Ti，厚度为0.5-4.5μm，优选1.0-2.0μm，并且Al和Me的原子比为1.30-1.70，优选1.50-1.60，其工艺参数如下：设备中的电弧电流50-200A，优选120-160A，N2压力为5-50μbar，优选7-20μbar，并且沉积温度为400-700℃，优选550-650℃，以及基底偏压为-50到-140V，优选-80到-120V，以及
在所述第一层(c)和所述第二层(d)之间，是厚度在0.05-1.0μm，优选0.1-0.7μm的低Al层(e)，其温度为400-700℃，优选550-650℃，所述基底偏压为-30到150V，优选-70到120V，所述电弧电流80-210A，优选140-190A。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080625 |