CN101327524A - 用于切断、切槽和车螺纹的硬质合金刀片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对钢和不锈钢进行切断、切槽和车螺纹的切削刀片，其包括基底和涂层。所述基底包括WC，7.5－10.5wt－％的Co，0.7－1.1wt－％的Cr，100－300ppm的Ti。Ti可部分地用Ta取代，达到Ti/Ta的重量比≥0.8。所述涂层包括具有不同Al/Ti比率的两个(Ti，Al)N层：内层AlyTi1－yN和外层AlwTi1－wN，其中y＝0.4－0.67，w＝0.15－0.35，所述内层厚度为0.3－2.5μm，所述外层厚度为0.5－5.0μm。
Description
技术领域
本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，特别适用于在湿润条件下对钢、不锈钢和超耐热合金(HRSA)进行切断、切槽和车螺纹。多层的PVD涂层极大地提高了后刀面的耐磨性，且高铬的细晶粒基底提供了良好的抗塑性变形性。
背景技术
用于对较大不同的加工材料(如钢、不锈钢和HRSA)进行切断、切槽和车螺纹的带涂层的切削刀具刀片必须具有以下特征：
1.较高的抵抗塑性变形性，这是因为切削工艺在刀片的切削刃处产生很高的温度，尤其是在车螺纹时的刀尖区域处产生很高的温度。
2.良好的抵抗磨蚀磨损性，以便避免很快生长后刀面磨损。
3.良好的抵抗粘附磨损性，以及基底和涂层之间很好的附着性。尤其是不锈钢的碎屑非常易于被焊接到刀片的表面上。
4.良好的刀刃线韧度，以便避免破损或碎裂。
5.良好的体积韧度，以便避免体积破裂，尤其是在切断到中间时的破裂。
美国专利US6,261,673公开了一种带涂层的硬质合金刀片，其适用于钢制部件的切槽或切断，例如钢或不锈钢管或杆。这种刀片的特征在于，WC-Co基的硬质合金基底和相对较薄的涂层，其中WC-Co基的硬质合金基底具有高W合金的Co粘结相，而相对较薄的涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz的内层，接着是细晶粒k-Al2O3层，以及TiN的顶层。
美国专利US6,342,291公开了一种有用于对钢制部件进行切槽或切断的带涂层的切削刀具，例如对钢或不锈钢管或杆的切槽和切断。这种刀片的特征在于，WC-Co基的硬质合金基底和坚硬耐磨的涂层，其中WC-Co基的硬质合金基底具有高W合金的Co粘结相，而坚硬耐磨的涂层包括具有重复变化的Ti/Al比率的(TixAl1-y)N组分的子层的多层结构。
EP-A-1798310公开了一种用于对包括基底和涂层的超耐热合金和不锈钢进行切断和切槽的切削刀片。基底包括5-7wt-％的Co、0.15-0.60wt-％的TaC、0.10-0.50wt-％的NbC、和余量的WC。涂层由均匀AlxTi1-xN层组成，其中x＝0.6-0.8，且厚度为1-3.8μm。
发明内容
本发明的目的是提供一种切削刀具刀片，适用于在湿润条件下对钢、不锈钢和HRSA进行切断、切槽和车螺纹。
本发明的另一目的是提供一种切削刀具刀片，其具有提高的抵抗塑性变形性和耐磨性。
本发明的又一目的是提供一种切削刀具，其中在损害降低的刀刃线韧度的情况下，没有获得提高的抵抗塑性变形性。
现已发现，多层(Ti，Al)N的PVD涂层与高铬的细晶粒基底的结合提供了在湿润条件下对钢、不锈钢和HRSA进行切断、切槽和车螺纹时良好的抗塑性变形性、良好的耐磨性以及足够的刀刃线韧度。
因而，本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，其包括硬质合金基底和涂层。硬质合金基底包括，优选地由以下组成：WC，7.5-10.5wt-％的Co，优选为8.0-10.0wt-％的Co，最优选为8.5-9.5wt-％的Co，以及0.7-1.1wt-％的Cr，优选为0.8-1.0％wt-％的Cr。硬质合金还包含100-300ppm的Ti、优选为150-275ppm的Ti、最优选为200-260ppm的Ti。在另一实施方式中，Ti的一部分用Ta取代，并且Ti/Ta的重量比≥0.8，优选为≤1.7，最优选为1.2-1.5。
粘结相与W和Cr合金化，这影响粘结的磁性性能，并由此关系到CW_Cr比率值，CW_Cr比率定义如下：
CW_Cr＝(magnetic-％Co+1.13＊wt-％Cr)/wt-％Co
其中magnetic-％Co是磁性Co的重量百分比，wt-％Cr是Cr在硬质合金中的重量百分比，而wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分比。
已经发现，当硬质合金具有0.77-0.97的CW_Cr比率，优选为0.80-0.94，最优选为0.82-0.92，以及21-27kA/m的矫顽性，优选为22-26kA/m时，实现提高的切削性能。
烧结体也可包含少量另外沉淀相或多个沉淀相的析出，如η相、MX或M7X3、M3X2，其中M＝(Ti+Ta+Co+Cr+W)，而X＝C或N，且可容许达到的体积分数最大为0.5vol-％，而不会有有害影响。
涂层包括具有不同Al/Ti比率的两个(Ti，Al)N层。内层具有比外层高的Al/Ti比率。内层由AlyTi1-yN层组成，其中y＝0.4-0.67，优选为0.45-0.60。内层的涂层厚度为0.3-2.5μm，优选为0.5-2.0μm。在一个优选实施方式中，内层为非周期性薄层涂层，其由AlzTi1-zN和AlvTi1-vN的交替层组成，其中z＝0.55-0.70，优选为z＝0.6-0.67，以及v＝0.35-0.53，优选为v＝0.40-0.50。每个单独的层的涂层厚度均为0.1-20nm，优选为1-10nm。外层由AlwTi1-wN层组成，其中w＝0.15-0.35，优选为w＝0.20-0.30。外层涂层厚度为0.5-5.0μm，优选为1.0-4.0μm。在一个优选实施方式中，外层由具有AlmTi1-mN、AlnTi1-nN和AlkTi1-kN的交替层的非周期性薄层涂层组成，其中m＝0-0.2，优选为m＝0-0.1，n＝0.35-0.53，优选为n＝0.40-0.50，k＝0.55-0.70，优选为k＝0.6-0.67。每个单独的层的涂层厚度均为0.1-20nm，优选为1-10nm。涂层的总厚度为0.8-7.5μm，优选为1.5-6.0μm。各个层的厚度是在侧面上低于切削刃0.2mm处测量的。
在一个优选实施方式中，涂层具有由TiN层组成的最内层附着层，其厚度为0.05-0.2μm，优选为0.1-0.2μm。
在一个实施方式中，涂层具有TiN顶层，用于色彩目的。该TiN层的厚度为0.1-1μm，优选为0.1-0.3μm。
在另一个实施方式中，涂层具有AlpTi1-pN顶层，用于色彩目的，其中p＝0.05-0.67。AlpTi1-pN层的厚度为0.2-1μm，优选为0.2-0.4μm。
本发明还涉及一种制造包括硬质合金基底和涂层的涂层切削刀具刀片的方法。硬质合金基底采用常规粉末冶金技术来碾磨、压制和烧结制造。硬质合金基底包括，优选地由下列组成：WC，7.5-10.5wt-％的Co，优选为8.0-10.0wt-％的Co，最优选为8.5-9.5wt-％的Co，以及0.7-1.1wt-％的Cr，优选为0.8-1.0％wt-％的Cr。在一个实施方式中，硬质合金还包含100-300ppm的Ti、优选为150-275ppm的Ti、最优选为200-260ppm的Ti。在另一个实施方式中，Ti的一部分用Ta取代，且Ti/Ta的重量比≥0.8，优选为≤1.7，最优选为1.2-1.5，以TaC、(Ta，W)C、TiC、(Ta，W)C和/或(Ti，Ta，W)C或这些的组合添加。在真空中1410℃下烧结1小时后，矫顽性为21-27kA/m，优选为22-26kA/m。
CW_Cr比率为0.77-0.97，优选为0.80-0.94，最优选为0.82-0.92，且通过将适量炭黑或W粉末加入到粉末混合物中来监测。
在常规后烧结处理之后，用阴极电弧蒸镀法或磁控溅射来沉积由具有不同Al/Ti比率的两个(Ti，Al)N层组成的涂层。内层具有比外层高的Al/Ti比率。内层由AlyTi1-yN层组成，其中y＝0.4-0.67，优选为0.45-0.60。内层的涂层厚度为0.3-2.5μm，优选为0.5-2.0μm。在一个优选实施方式中，内层为非周期性薄层涂层，其由AlzTi1-zN和AlvTi1-vN的交替层组成，其中z＝0.55-0.70，优选为z＝0.6-0.67，以及v＝0.35-0.53，优选为v＝0.40-0.50。每个单独的层的涂层厚度均为0.1-20nm，优选为1-10nm。外层由AlwTi1-wN层组成，其中w＝0.15-0.35，优选为w＝0.20-0.30。外层涂层厚度为0.5-5.0μm，优选为1.0-4.0μm。在一个优选实施方式中，外层由具有AlmTi1-mN、AlnTi1-nN和AlkTi1-kN的交替层的非周期性薄层涂层组成，其中m＝0-0.2，优选为m＝0-0.1，n＝0.35-0.53，优选为n＝0.40-0.50，k＝0.55-0.70，优选为k＝0.6-0.67。每个单独的层的涂层厚度均为0.1-20nm，优选为1-10nm。涂层的总厚度为0.8-7.5μm，优选为1.5-6.0μm。
本发明还涉及根据上述的刀片的用途，用于对钢和不锈钢在湿润条件下的切断、切槽和车螺纹，切削速度为30-400m/分钟，而进刀速度为0.05-0.6mm/转，以及用于对HRSA的切断、切槽和车螺纹，切削速度为15-100m/分钟，而进刀速度为0.02-0.3mm/转。
具体实施方式
实施例1(本发明)
A1.多层(Ti，Al)N涂层通过阴极电弧蒸镀法而被沉积在由硬质合金制成的切削刀片上，其中硬质合金具有以下组分：9wt-％的Co，0.9wt-％的Cr，230ppm的Ti以及余量的WC，且矫顽力为23.6kA/m，其对应于平均约0.8μm的晶粒尺寸，以及6.7的磁性Co含量，其对应0.95的CW_Cr比率。该涂层采用利用Ti和TiAl金属源的电弧蒸镀法来沉积。TiN附着层采用Ti金属源在混合起来的Ar和N2气氛中沉积。TiN附着层的涂层厚度为0.15μm。第二层采用由Al0.67Ti0.33和Al0.50Ti0.50合金组成的靶料在N2气氛中沉积。非周期性薄层结构通过在沉积室内刀片的3度(fold)旋转而获得。第二层的厚度为1.6μm。平均组分为Al0.54Ti0.46N，其由SEM-EDS测定。第二层的各个薄层的平均厚度为8nm，其由透射电子显微镜(TEM)测定。外部的第三层采用由Ti、Al0.67Ti0.33和Al0.50Ti0.50合金组成的靶料在N2气氛中沉积。非周期性薄层结构通过在沉积室内刀片的3度旋转而获得。该第三层的厚度为2.6μm。第三层的平均组分为Al0.24Ti0.76N，其由SEM-EDS测定。第三层的各个薄层的平均厚度为11nm，其由TEM测定。所施加涂层的总厚度为4.4μm。
A2.与A1中相同的涂层沉积在硬质合金上，硬质合金组分为9wt-％的Co，0.9wt-％的Cr，130ppm的Ti，100ppm的Ta，以及余量的WC。
实施例2(现有技术)
由硬质合金基底组成的硬质合金切槽刀片，硬质合金基底由10wt-％的Co，0.39wt-％的Cr，以及余量WC组成，其中矫顽性为20kA/m，且CW_Cr为0.89，对应于0.9μm的晶粒尺寸和1600HV3的硬度，该硬质合金切槽刀片涂敷有4.4μm的PVD(Ti，Al)N多层，该多层由均匀的Al0.5Ti0.5N层以及具有TiN和Al0.5Ti0.5N层的交替层的薄层的序列层组成。该序列层重复12次。均匀的Al0.5Ti0.5N层的厚度为0.1-0.2μm，而薄层的厚度为0.1-0.2μm。在薄层内，每个单独的TiN或Al0.5Ti0.5N层的厚度均为0.1-20nm。该多层的平均组分用SEM-EDS测定为Al0.2Ti0.8N。
实施例3
将刀片A1和B在调质钢制部件的切槽和车削中试验。首先的操作为从外径46mm切一个2mm深的切槽，然后沿杆车削20mm，之后返回来切槽和车削，这样继续直到直径为10.2mm。
操作：切槽和车削
材料：AISI 4340(SS 2541-03)
刀片型号：N123G2-0300-0003-TF
切削速度：220m/分钟
切槽进刀速度：0.15mm/转
车削进刀速度：0.13mm/转
每个部件用时：28秒钟
用冷却液
结果：完成的部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A1(本发明)：86.7个部件，40.5分钟切削
等级B(现有技术)：46.7个部件，21.8分钟切削
实施例4
将刀片A1和B在调质钢的切槽中试验。切槽的外径Do为178mm，内径Di为172mm，以及切槽的宽度为3mm。
操作：切槽
材料：AISI 4340(SS 2541-03)
刀片型号：N123G2-0300-0003-TF
切削速度：210m/分钟
切槽进刀速度：0.12mm/转
切削深度：3mm
每次循环的时间：3分钟(1次循环为30个槽)
用冷却液
结果：以预定后刀面磨损为0.2mm的刀具寿命。
等级A1进行21.3次循环，且总共切削时间为63.9分钟。
刀片B的刀具寿命为11.3次循环，并且在33.9分钟内完成。
实施例5
将刀片A1和B在奥氏体不锈钢制部件的切槽和车削中试验。首先的操作为从外径45mm切一个2mm深的切槽，然后沿杆车削20mm，之后返回来切槽和车削，这样继续直到直径为10.2mm。
操作：切槽和车削
材料：SANMAC 316L
刀片型号：N123H2-0400-0008-TM
切削速度：180m/分钟
切槽进刀速度：0.15mm/转
车削进刀速度：0.15mm/转
每个部件用时：27秒钟
用冷却液
结果：完成的部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A1(本发明)：70个部件，31.5分钟切削
等级B(现有技术)：51个部件，23.3分钟切削
实施例6
将刀片A1和B在对钢的切槽中试验，其中Do为159mm，Di为140mm，以及宽度为9.5mm。
操作：切槽
材料：SN2039
刀片型号：N123L2-0800-RM
切削速度：150-130m/分钟
进刀速度：0.3mm/转
每个部件用时：90秒钟
用冷却液
结果：完成的部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A1(本发明)：71个部件，106.5分钟切削
等级B(现有技术)：34个部件，51分钟切削
实施例7
将刀片A1和B在对钢C40的内螺纹车削中试验，其中该内螺纹为M24×1.5，长度24mm，钢C40硬度为190-250HB。
操作：内螺纹车削
材料：C40
刀片型号：R166.OL-16MM01-150
切削速度：115m/分钟
操作次数：每个螺纹7次
用冷却液
结果：螺纹的数量：
等级A1(本发明)：580个螺纹
等级B(现有技术)：430个螺纹
实施例8
将刀片A2和B在对钢的切槽中试验，其中Do为177.9mm至Di为165.8mm。切槽的宽度为12.45mm。
操作：切槽
材料：16MnCr5
刀片型号：N123H2-0400-0004-TF
切削速度：255m/分钟
进刀速度：0.15mm/转
每个部件用时：17秒钟
用冷却液
结果：以预定的表面光洁度的部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A2(本发明)：107个部件，30.3分钟切削
等级B(现有技术)：75个部件，21.3分钟切削
实施例9
将刀片A2和B在切断钢杆中试验，其中切断从Do为20mm至中心。
操作：切断
材料：42CrMo4、硬度320HB
刀片型号：N123G2-0300-0002-CM
切削速度：100-0m/分钟
进刀速度：0.15mm/转，从直径为3mm开始，f＝0.05mm/转
每个部件用时：4秒钟
用冷却液
结果：部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A2(本发明)：6200个部件，413分钟切削
等级B(现有技术)：3600个部件，240分钟切削
实施例10
将刀片A2和B在切断钢管中试验，其中切断从Do为36mm到Di为17mm。
操作：切断管
材料：42CD4、硬度300HB
刀片型号：N123G2-0300-0003-CR
切削速度：150m/分钟
进刀速度：0.1mm/转
每个部件用时：3.2秒钟
用冷却液
结果：部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A2(本发明)：1159个部件，61.8分钟切削
等级B(现有技术)：754个部件，40.2分钟切削
实施例11
将刀片A2和B在切断钢管中试验，其中切断从Do为120mm到Di为115mm。
操作：切断管
材料：SAE1010、硬度110HB
刀片型号：N123G2-0300-0003-CR
切削速度：226m/分钟-216m/分钟
进刀速度：0.15mm/转
每个部件用时：1.67秒钟
用冷却液
结果：部件数量，以及刀具寿命，以分钟表示：
等级A2(本发明)：700个部件，19分钟切削
等级B(现有技术)：580个部件，16分钟切削
实施例12
将刀片A2和B在切断20mm的Inconel(铬镍铁合金)销中试验。
操作：切断销
材料：铬镍铁合金718
刀片型号：N123G2-0300-0002-CM
切削速度：20m/分钟
进刀速度：0.07mm/转-0.03mm/转
用冷却液
结果：部件数量：
等级A2(本发明)：100个销
等级B(现有技术)：85个销
Claims (26)
1.用于对钢和不锈钢进行切断、切槽和车螺纹的切削刀具刀片，包括基底和涂层，其特征在于：
所述基底包括WC，7.5-10.5wt-％的Co，0.7-1.1wt-％的Cr，100-300ppm的Ti，其中CW_Cr比率为0.77-0.97，以及矫顽性为21-27kA/m，所述CW_Cr比率的定义如下：
CW_Cr＝(magnetic-％Co+1.13＊wt-％Cr)/wt-％Co，
其中magnetic-％Co是磁性Co的重量百分比，wt-％Cr是Cr在硬质合金中的重量百分比，而wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分比，并且，
所述涂层包括不同Al/Ti比率的两个(Ti，Al)N层：内层AlyTi1-yN和外层AlwTi1-wN，其中y＝0.4-0.67，w＝0.15-0.35，所述内层厚度为0.3-2.5μm，所述外层厚度为0.5-5.0μm。
2.根据权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述基底包括8.5-9.5wt-％的Co。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述基底包括0.8-1.0wt-％的Cr。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述基底包括200-260ppm的Ti。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述基底具有0.82-0.92的CW_Cr比率和22-26kA/m的矫顽性。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：y＝0.45-0.60，而w＝0.20-0.30。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述内层AlyTi1-yN的厚度为0.5-2.0μm，所述外层AlwTi1-wN的厚度为1.0-4.0μm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述基底中的Ti部分地用Ta取代，达到Ti/Ta的重量比≥0.8，但≤1.7。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：
所述内层为由AlzTi1-zN和AlvTi1-vN的交替层组成的非周期性薄层涂层，其中z＝0.55-0.70，而v＝0.35-0.53，且每个单独的层的厚度均为0.1-20nm，和/或，
所述外层由具有AlmTi1-mN、AlnTi1-nN和AlkTi1-kN的交替层的非周期性薄层涂层组成，其中m＝0-0.2，n＝0.35-0.53，k＝0.55-0.70，且每个单独的层的厚度均为0.1-20nm。
10.根据权利要求9所述的切削刀具刀片，其特征在于：z＝0.6-0.67，而v＝0.40-0.50。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：m＝0-0.1，n＝0.40-0.50，而k＝0.6-0.67。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：所述内层和所述外层都由非周期性薄层涂层组成，其中每个单独的层的厚度均为1-10nm。
13.根据权利要求1-114中任一项所述的切削刀具刀片，其特征在于：最内层附着层为TiN，其厚度为0.05-0.2μm。
14.制造带涂层的切削刀具刀片的方法，所述刀片包括硬质合金基底和涂层，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供基底，其采用常规粉末冶金技术来碾磨、压制和烧结而成，所述基底包括WC，7.5-10.5wt-％的Co，0.7-1.1wt-％的Cr，和100-300ppm的Ti，其中CW_Cr比率为0.77-0.97，以及矫顽性为21-27kA/m，所述CW_Cr比率定义如下：
CW_Cr＝(magnetic-％Co+1.13＊wt-％Cr)/wt-％Co，
其中magnetic-％Co是磁性Co的重量百分比，wt-％Cr是Cr在硬质合金中的重量百分比，而wt-％Co是Co在硬质合金中的重量百分比，以及，
采用阴极电弧蒸镀法或磁控溅射法沉积涂层，所述涂层包括具有不同Al/Ti比率的两个(Ti，Al)N层：内层AlyTi1-yN和外层AlwTi1-wN，其中y＝0.4-0.67，w＝0.15-0.35，所述内层厚度为0.3-2.5μm，所述外层厚度为0.5-5.0μm。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述基底包括8.5-9.5wt-％的Co。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的方法，其特征在于：所述基底包括0.8-1.0wt-％的Cr。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其特征在于：所述基底包括200-260ppm的Ti。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其特征在于：所述基底具有0.82-0.92的CW_Cr比率和22-26kA/m的矫顽性。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其特征在于：对于所述内层AlyTi1-yN，y＝0.45-0.60，而且对于所述外层AlwTi1-wN，w＝0.20-0.30。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的方法，其特征在于：所述内层AlyTi1-yN的厚度为0.5-2.0μm，所述外层AlwTi1-wN的厚度为1.0-4.0μm。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的方法，其特征在于：所述基底中的Ti部分地用Ta取代，达到Ti/Ta的重量比≥0.8，但≤1.7。
22.根据权利要求14-21中任一项所述的方法，其特征在于：
所述内层为由AlzTi1-zN和AlvTi1-vN的交替层组成的非周期性薄层涂层，其中z＝0.55-0.70，而v＝0.35-0.53，且每个单独的层的厚度均为0.1-20nm，和/或，
所述外层由具有AlmTi1-mN、AlnTi1-nN和AlkTi1-kN的交替层的非周期性薄层涂层组成，其中m＝0-0.2，n＝0.35-0.53，k＝0.55-0.70，且每个单独的层的厚度均为0.1-20nm。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：z＝0.6-0.67，而v＝0.40-0.50。
24.根据权利要求21-22中任一项所述的方法，其特征在于：m＝0-0.1，n＝0.40-0.50，而k＝0.6-0.67。
25.根据权利要求1-13中任一项所述的刀片的用途，用于在湿润条件下对钢和不锈钢进行切断、切槽和车螺纹，切削速度为30-400m/分钟，而进刀速度为0.05-0.6mm/转。
26.根据权利要求1-13中任一项所述的刀片的用途，用于在湿润条件下对HRSA进行切断、切槽和车螺纹，切削速度为15-100m/分钟，而进刀速度为0.02-0.3mm/转。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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