CN101396893A

CN101396893A - 一种机械加工用工具

Info

Publication number: CN101396893A
Application number: CNA2007101515522A
Authority: CN
Inventors: 沃尔夫冈·瓦尔格莱姆; 乌韦·施莱因科弗; 卡尔·吉格; 约瑟夫·图尔纳; 维尔弗里德·施因特梅斯特尔
Original assignee: Ceratizit Austria GmbH
Current assignee: Ceratizit Austria GmbH
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-01

Abstract

本发明涉及一种机械加工用工具，该工具由硬质合金、合金陶瓷或陶瓷类的基材和涂敷在所述基材上的单层或多层硬质材料所构成。根据本发明，在所述硬质材料涂层上另涂有一层附加涂层，该附加涂层为选自铝、铜、锌、钛、镍、锡中的一种或多种金属或基于这些金属的合金。

Description

一种机械加工用工具

技术领域

本发明涉及一种机械加工用工具，该工具由硬质合金、合金陶瓷或陶瓷类的基材和涂敷在所述基材上的单层或多层硬质材料涂层所构成。

背景技术

由硬质合金或合金陶瓷所制成的机械加工用工具在许多特殊的机械加工情况下还不具备最佳的耐磨性和刀刃寿命，所以它们还要另外涂有一层或多层硬质材料层。

这样的硬质材料层的例子为：多种金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物以及非金属类超硬化合物。

经常使用的所述硬质材料层例如有氮化钛、碳氮化钛和氧化铝，它们可以单独使用也可以相互组合使用。

主要采用化学或物理气相沉积处理方法(被称作CVD和PVD处理方法)来涂敷这些硬质材料层。

根据所使用的涂敷方法、被涂敷的基材上由制造所致的表面粗糙度、硬质材料的结晶度、由处理所致的涂层生长特性以及杂质都会在涂层的自由面上造成不期望的微粗糙，这会损害工具的耐磨性，结果就会损害刀刃的使用寿命。为了尽可能减少这些表面粗糙度，由此提高切削刀刃的稳定性，在对这些工具涂敷了硬质材料层后至少要对所述自由面或切削刀刃进行后续的打磨处理，被切下的切屑从所述自由面或切削刀刃处掉落而被去除。现在，在上述涂层表面的后续打磨处理中常用的一种处理方法是喷砂法。在这种处理过程中，一般粒径为约1～2000μm的颗粒状磨料通过压缩空气被干喷到所述表面上或者以悬浮液形式通过正压被湿喷到所述表面上，结果可以得到光滑的表面。所述磨料多用金刚砂。

例如，专利文献DE 199 24 422 C2中描述了一种喷砂处理方法，其中粒径为1～100μm的Al₂O₃或SiC被具体用作磨料，与其它喷砂处理法不同的是，该磨料为有棱角的颗粒形式。

所使用的这种喷砂处理法的一个缺点在于经常需要克服一定的困难并付出相当大的努力才能做到重复地和可控制地除去薄的表层或部分硬质材料层。另外，采用前述已知的喷砂处理方法，尚没有制得颜色会产生变化的表层。

提高涂敷有硬质材料的切削工具的耐磨性的另外一条可能的途径是涂敷软质的滑动层，在其上被切下的切屑滑动而离开，由此降低了工具的磨损。同时，工具的侧面与加工件之间的摩擦降低了，所以工具侧面区域的磨损也降低了。

例如，专利文献WO 96/30148中描述了一种其中具有由硫化物、硒化物、碲化物或其混合物涂敷成的所述滑动层的切削工具。

所述滑动层的缺点在于它们通常耐受磨损的热稳定性、化学和机械稳定性都较低，在机械加工过程中产生的高热、高化学和高机械应力下，有时候层的粘着力不够。另外，采用上述这些涂层时，工具的外观不会产生颜色的变化，也就不能在磨损检测方面实现改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械加工用工具，与目前已知的进行了后续处理的工具相比，本发明的机械加工用工具提高了耐磨性，从而延长了刀刃的寿命，该工具可以低成本很便宜地制造，并能够保证更加有效地检测出磨损的情况。

根据本发明，通过在硬质材料涂层上再涂敷一层附加涂层来达到上述目的，该附加涂层为选自铝、铜、锌、钛、镍、锡中的一种或多种金属或基于这些金属的合金。

完全令人惊讶的是，通过本发明的后续处理后，发现切屑的流动能力提高了，因此特别是在干式车削时，对切削刀刃无伤害，从而使切削工具的可能的使用寿命显著提高。

除此之外，一个有利的副作用是该切削工具的外观颜色可以根据金属亮度特性(metallically bright character)而发生改变，结果使得磨损情况更容易识别，特别是当切削工具涂有黑灰色或黑褐色或黑色氧化铝层作为最外面的硬质材料层时更是如此。

本发明中所述涂层可以有益地用于所有已知的硬质材料涂层上，例如，所述硬质材料涂层为元素周期表中第IVa～第VIa族的金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物的涂层，以及TiAlN的涂层和完全由或部分由氧化铝和/或氧化锆所形成的涂层。其中所述第IVa～第VIa族的金属例如有Ti、Zr、Hf及其组合以及它们与(例如)氧和/或硼的产物。

可以使用已知的涂敷方法特别是其中的(例如)CVD或PVD法以及其它已知的涂敷方法来进行本发明中所述涂层的涂敷。

关于本发明中所述涂层的有利厚度，已经证明所述涂层的厚度在0.05～50μm的范围内，优选为0.1～10μm的范围内是成功的。

在硬质材料涂层的最外层中包括一层含有氧化铝的层的情况下，由于氧化铝能够吸收大量的光，导致尤其难以对工具的磨损情况进行观察，所以此时涂敷本发明所述的涂层是特别有利的。

当硬质材料涂层的最外层含有碳化钛、碳氮化钛、氮化钛或二硼化钛时，通过涂敷本发明中所述的附加涂层，特别可以获得使工具的耐磨性得以提高的良好结果。

铝和铝基合金，特别是含有12重量％的硅的铝基合金，以及青铜和青铜合金，它们一方面具有很好的滑动性或润滑性、另一方面还可以使硬质材料涂层的最外层的不平整变得平坦，从而能够显著提高经本发明处理后的本发明加工用工具的耐磨行为，所以已经证明它们是特别适合用作本发明所述涂层的材料。另外，所述工具的外观颜色有特殊的变化，从而依靠大量光线的反射可以更清楚地观察所述工具的磨损情况。

本发明中所述的涂层特别适用于涂敷在可转位刀头上。此种情况下，使用由所需的涂层金属构成的磨料通过喷砂处理可以很便宜很简单地涂敷本发明中所述的涂层。

在涂敷本发明中所述的涂层之前，对硬质材料层的最外层用非金属磨料(例如金刚砂)进行喷砂处理也是有利的。结果是，由于表面已经预打磨过，所以本发明中所述的涂层的厚度可以涂得薄一些。

除了采用这种特殊的有利的预处理方法使得硬质材料层的最外层光滑外，当然其它的已知方法例如机械擦拭、利用磨料介质的打磨等也可以使用。

附图的简要说明

图1是显示没有涂敷本发明涂层的可转位刀头磨损情况的照片。

图2是显示一个涂敷有本发明涂层的可转位刀头例子的耐磨损情况的照片。

图3是显示另一个涂敷有本发明涂层的可转位刀头例子的耐磨损情况的照片。

图4是显示没有涂敷本发明涂层的可转位刀头磨损情况的照片。

图5是显示涂敷有本发明涂层的可转位刀头例子的耐磨损情况的照片。

具体实施方式

根据下述制备例来更详细说明本发明。

例1

可转位刀头包括硬质合金基体(其组成成分为：5.8％Co、1％TiC、0.8％ZrC、0.2％ZrN、4.1％TaC、其余为WC)，该基体上涂有多层18μm厚的Ti(C，N)/Al₂O₃混合氧化物/Ti(C，N，B)/TiN硬质材料涂层，将该可转位刀头放在喷砂装置中，在2.5巴的压力下对其进行喷砂1分钟，该喷砂装置使用粒径为100～315μm的铝-硅合金(硅的重量比为12％)砂。由此得到涂有薄的具有金属光亮的涂层的可转位刀头。

将涂有本发明所述的Al-Si合金的可转位刀头用于车削一件结构钢材Ck45，以此来进行机械测试，该钢板的强度为700N/mm²，切削速率为300m/分钟，进给速率为0.25mm/转，切削深度为2mm，不使用冷却液。为了比较，使用一个涂有相同的硬质材料涂层、但没有涂本发明所述涂层的可转位刀头在同样条件下进行车削。

由此发现，没有涂本发明所述涂层的可转位刀头在仅仅车削了1分钟后，与磨损标记直接相邻的切削刀刃都已经被损坏了。图1照片中所示的可转位刀头例子的正面和侧面，显示了该损坏的情形。

涂有本发明所述涂层的可转位刀头在车削了同样长的1分钟后，没有发现切削刀刃被损坏，图2示出了这样一个可转位刀头的例子。

由此可以看出，涂有本发明的金属涂层后，切削刀刃的寿命得到延长。

例2

将具有与例1相同的硬质合金基体/硬质材料涂层结构的可转位刀头放在喷砂装置中，在2.5巴的压力下对其进行喷砂1分钟，该喷砂装置使用粒径为100～315μm的黄铜砂。

对涂有本发明所述黄铜的可转位刀头与例1一样进行机械测试，对没有涂本发明所述黄铜的同样的可转位刀头也进行相同的机械测试。将两者的测试结果进行比较。

与图1中所示的例1的可转位刀头的例子相似，没有涂本发明所述涂层的可转位刀头在仅仅车削了1分钟后，切削刀刃已经被切下的切屑所损坏。

涂有本发明所述黄铜的可转位刀头在车削了同样长的时间后，没有发现切削刀刃被损坏，图3示出了这样一个可转位刀头的例子。

例3

采用与例1中使用的相同的可转位刀头，其中一个涂有本发明所述的附加涂层，另一个没有涂附加涂层。将这2种可转位刀头用于车削一件钢材Ck45，以此来进行第二种机械测试，其中该钢板的强度为700N/mm²，切削速率为320m/分钟，进给速率为0.3mm/转，切削深度为2mm，使用冷却乳液。

由此可以发现，在仅仅车削了1分钟后，未涂本发明所述涂层的可转位刀头的底侧已经被切下的切屑所损坏，该可转位刀头在这一点上的切削刀刃已不能再继续用于车削加工。图4所示照片中的可转位刀头例子的工具正面显示了这种损坏的情况。如图5中的可转位刀头的照片所示，涂有本发明所述涂层的可转位刀头即使在车削了6分钟后，该可转位刀头的底侧也没有被切下的切屑所损坏。

从这些例子可以很明显地看出，采用本发明的处理方法后，涂有硬质材料层的工具的耐用性得以显著提高。

例4

可转位刀头包括硬质合金基体(其组成成分为：6％Co、其余为WC)，该基体上涂有多层16μm厚的Ti(C，N)/Ti(C，N，B)/Al₂O₃混合氧化物的硬质材料涂层。接着，再在某些这种可转位刀头上涂敷本发明例1中的Al-Si涂层。

在一个用于比较的机械测试中，用所得的两种不同的可转位刀头车削一块铸铁金属GG25，其硬度为190HB，切削速率为350m/分钟，进给速率为0.3mm/转，切削深度为2mm，没有使用冷却乳液。

涂有本发明的Al-Si合金涂层的可转位刀头的刀刃寿命平均提高了28％，最大的可允许的磨损标记宽度可达0.3mm。

例5

按照例4的方式对包括硬质合金基体(其组成成分为：6％Co、2％TaC、其余为WC)的可转位刀头涂敷硬质材料涂层，并且在某些这种可转位刀头上涂敷本发明例1中的Al-Si合金涂层。用所得的两种不同的可转位刀头进行与例4一样的用于比较的机械测试。

涂有本发明的Al-Si涂层的可转位刀头的刀刃寿命平均提高了21％，最大的可允许的磨损标记宽度可达0.3mm。

Claims

1.一种机械加工用工具，该工具由硬质合金、合金陶瓷或陶瓷类的基材和涂敷在所述基材上的单层或多层硬质材料所构成，其特征在于，在所述硬质材料涂层上另涂有一层附加涂层，该附加涂层为选自铝、铜、锌、钛、镍、锡中的一种或多种金属或基于这些金属的合金。

2.权利要求1所述的机械加工用工具，其特征在于，所述附加涂层的厚度在0.05～50μm的范围内，优选为在0.1～10μm的范围内。

3.权利要求1或2所述的机械加工用工具，其特征在于，所述硬质材料涂层的最外层包括含有氧化铝的层。

4.权利要求1或2所述的机械加工用工具，其特征在于，所述硬质材料涂层的最外层包括含有碳化钛、碳氮化钛、氮化钛或硼化钛的层。

5.权利要求1～4中任意一项所述的机械加工用工具，其特征在于，所述附加涂层由铝或铝基合金所构成。

6.权利要求5所述的机械加工用工具，其特征在于，所述附加涂层由含有12重量％硅的铝基合金所构成。

7.权利要求1～4中任意一项所述的机械加工用工具，其特征在于，所述附加涂层由黄铜或青铜合金所构成。

8.权利要求1～7中任意一项所述的机械加工用工具，其特征在于，所述工具为可转位刀头。

9.一种权利要求1～8中任意一项所述的机械加工用工具的制造方法，其特征在于，通过用颗粒状磨料对所述硬质材料层的最外层进行喷砂处理来实施所述附加涂层的涂布，其中所述喷砂处理所使用的颗粒状磨料具有所述附加涂层所需的成分组成。

10.一种权利要求1～9中任意一项所述的机械加工用工具的制造方法，其特征在于，在进行所述附加涂层的涂布之前，用非金属磨料如金刚砂对所述硬质材料层的最外层进行喷砂处理。