CN101864554B

CN101864554B - 改善刃口结构的硬质合金刀片

Info

Publication number: CN101864554B
Application number: CN2010102110224A
Authority: CN
Inventors: 刘王平; 陈响明; 王社权; 李秀萍; 王以任
Original assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: CN101864554A

Abstract

本发明具体公开了一种改善刃口结构的硬质合金刀片，包括至少一个由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，刃口两侧位于前刀面和后刀面的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过渡到粘结相富集表面区，梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集区，且暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2。本发明改善刃口结构的硬质合金刀片具有高韧性、高耐磨性、使用寿命长等优点。

Description

改善刃口结构的硬质合金刀片

技术领域

本发明涉及一种硬质合金刀片，尤其涉及一种对局部结构进行改善的硬质合金刀片。

背景技术

在硬质合金涂层刀片的加工过程中，存在两种失效制度：磨损和破损。刀片磨损主要包括磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其磨损的主要原因可能是其中的一种或两种。一股来说，切削温度较低时以磨蚀磨损为主，切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。刀片破损主要是脆性破损(崩刃、碎裂、剥落、裂纹破损等)和塑性变形。实验数据表明，刀片早期破损主要是受机械冲击作用所致的脆性破损；刀片后期疲劳破损主要是在机械和热冲击作用下刀片内裂纹失稳扩散所致的脆性破损和过高的加工温度导致的塑性变形。

高速高效的切削加工可以达到很高的切削温度，而过高的温度会降低刀片材料的屈服强度，在切削力的作用下导致塑性变形而丧失切削能力；在切削过程中，特别是铣削加工中，随刀尖切入切出切削温度会发生剧烈变化，导致热烈纹的产生，致使刀尖刃口发生脆性破损；在不锈钢材、耐高温材料等高合金钢材的加工中，切削热急剧增加，加工硬化严重，这很容易导致刀片因沟槽磨损、后刀面磨损和刃口的微崩而失效。因此，为了适应高速高效的切削加工要求，刀片需要更高的韧性、强度和高温硬度。

目前，具有粘结相富集表面区域的涂层硬质合金刀片广泛用于钢材和不锈钢等合金的机械加工，粘结相富集表面区域拓宽了刀片的应用范围，使之能应用于更加韧性的切削操作。制造含有WC、立方相和粘结相富集表面区的硬质合金属于梯度烧结技术，在部分专利文献中(例如US4277283和US4610931号美国专利文献，以及CN1079179A、CN1134470A、CN1229442A、CN1532014A、CN1854320A、CN1891842A号中国专利文献)已经公开了粘结相含量梯度变化的硬质合金基体及其制备方法，可以获得基本上不具有立方相的粘结相富集表面区。特别是CN1079179A号中国专利文献，其涉及一种具有改进韧性和塑变抗力的硬质合金刀片，该刀片是用已知的方法在真空中烧结含氮的材料后，再在1280℃～1430℃温度、40mbar～400mbar氮气中处理刀片5min～100min，得到一种具有粘结相富集表面区的硬质合金，其在粘结相富集表面区下层的区域中，粘结相的含量为该刀片内部含量的0.85～1，而立方相的含量基本恒定且等于该刀片内部的含量。此种刀片结构对改进刀片韧性和塑变抗力起到了一定作用。

从断裂力学的观点来看，由于涂层材料的脆性和与基体热膨胀系数的不同，裂纹更容易在涂层表面产生并向基体中扩展。具有粘结相富集表面区的硬质合金表层粘结相富集区的粘结剂含量高于基体的名义粘结剂含量。当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时，由于其良好的韧性，可以吸收裂纹扩展的能量，因而能有效地阻止裂纹向合金内部扩展，提高硬质合金切削工具的使用性能。然而，在其后的应用实践中，我们发现富集粘结相表面区的存在降低了刀片材料的屈服强度和硬度，导致刀片刃口容易产生塑性变形，后刀面抗磨损能力下降。CN101214743A号中国专利文献公开了一种用于加工铸铁的涂层刀片，该刀片基体的刃口两边形成粘结相富集表面区，粘结相富集表面区中间的扇形区域为立方相富集区，该结构提高了刃口的抗塑性变形能力，但是在钢材和不锈钢等高速高效的切削加工中，其后刀面抗磨损能力表现较差，抗塑性变形能力也有待进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高韧性、高耐磨性、使用寿命长的改善刃口结构的硬质合金刀片。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种改善刃口结构的硬质合金刀片，包括至少一个由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口两侧位于前刀面和后刀面的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过渡到粘结相富集表面区，其特征在于：所述梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集区，且暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2。所述硬质合金刀片的基体物质组成主要包括以WC为基础的硬质相，以Co为基础的粘结相，和取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物或由这些立方化合物组成的固溶体。

根据我们长期的实践和观察，硬质合金中粘结相含量高则韧性好，但抗磨损能力会下降，容易产生塑性变形；硬质合金中添加立方碳氮化合物后则高温硬度提高，抗磨损能力增强，但韧性会相对降低，容易产生裂纹和崩刃。在切削过程中，切屑和工件材料与刀片刃口产生作用，产生很大的切削力和很高的切削温度，刃口部位的粘结相富集表面区去除后，暴露出含有立方碳氮化合物富集区并形成骨架支撑结构，该骨架支撑结构可以有效地提高刀片刃口的高温性能，避免粘结相富集表面区覆盖的刃口在切削力和切削热的作用下产生塑性变形，这是本发明具备的一个基础优势。但更重要的是，本发明除了关注刃口的塑性变形，还要同时提高刀片的抗磨损能力，基于此，本发明采用了使暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2的处理方式，该结构设计可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区在前刀面上的过渡暴露而导致的刃口强度下降和刃口崩刃，同时提高刀片后刀面的抗磨损能力。

上述的改善刃口结构的硬质合金刀片中，优选的，位于前刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4。更优选的，位于后刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4等于零，即位于后刀面且接近刃口一定区域内的表层粘结相富集层被完全去除。本发明硬质合金刀片的前刀面采用粘结相富集表面区的设计可以有效降低切削过程中热烈纹的扩展，提高刀片刃口强韧性；而后刀面上粘结相富集表面区对改善刀片刃口强韧性没有明显的作用，因此，后刀面采用相对较薄的粘结相富集表面区或无粘结相富集表面区的设计，可以进一步提高刀片后刀面的抗磨损能力，提高刀片的使用寿命。

上述的改善刃口结构的硬质合金刀片中，所述硬质合金刀片表面可以涂覆有采用化学气相沉积法（CVD）或物理气相沉积法（PVD）沉积的涂层。该涂层可以为一层或多层。本发明的硬质合金刀片由于改善了刀片韧性和后刀面的磨损性能，因此特别适用于制备涂层刀片，可有效提高涂层刀片的稳定性能和使用寿命。

上述改善刃口结构的硬质合金刀片的具体制备方法是：

将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均匀的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行烧结，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层立方碳氮化合物富集区；所述粘结相富集表面区内Co的含量大于硬质合金基体中Co标称含量，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量大于等于硬质合金基体中碳氮化合物标称含量；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体采用倒棱、喷砂、研磨、抛光、磨刷等方法中的一种或多种组合，对刀片的刃口、后刀面、前刀面进行处理，有选择性地去除刃口、后刀面、前刀面上的粘结相富集表面区以及部分立方碳氮化合物富集区，最后得到本发明的改善刃口结构的硬质合金刀片。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明根据切削刀片前刀面、刃口、后刀面部位的功能特性对具有粘结相富集表面区刀片的刃口结构进行优化设计和改进，在前刀面采用保留粘结相富集表面区的设计，在刃口处暴露出立方碳氮化合物富集区，在后刀面采用薄层的粘结相富集表面区或无粘结相富集表面区的设计，这三个特点结合形成的刃口结构可以有效避免因塑性变形导致的烧刀，避免因加工硬化导致的后刀面磨损和刃口的微崩，可以在提高刃口强度的同时，大大提高硬质合金刀片前、后刀面的抗磨损能力。

附图说明

图1为本发明实施例1中硬质合金刀片的结构示意图。

图2为本发明实施例2中硬质合金刀片的结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中对比产品A的结构示意图。

图例说明：

1、前刀面；2、后刀面；3、刃口；4、均相合金区；5、立方碳氮化合物富集区；6、粘结相富集表面区；7、交汇区域

具体实施方式

实施例1

一种如图1所示的改善刃口结构的硬质合金刀片，包括一个由前刀面1和后刀面2相交所形成的刃口3，刃口3两侧位于前刀面1和后刀面2的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指是指由内层的均相合金区4过渡到立方碳氮化合物富集区5、再过渡到粘结相富集表面区6，刃口3两侧的梯度变化结构在刃口3处的交汇区域7为立方碳氮化合物富集区5，且交汇区域7中基本不含粘结相富集表面区6，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于前刀面1方向上的长度L1约为40μm，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于后刀面2方向上的长度L2约为20μm。本实施例的硬质合金刀片中，位于前刀面1且接近刃口区域的粘结相厚度L3约为45μm，位于后刀面且接近刃口区域的粘结相厚度L4约为25μm。

本实施例的改善刃口结构的硬质合金刀片的制备方法如下：将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均匀的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行烧结(在1440℃下烧结，高温烧结后在脱N气氛下冷却)，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层立方碳氮化合物富集区；所述粘结相富集表面区内Co的含量大于硬质合金基体中Co标称含量，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量大于等于硬质合金基体中碳氮化合物标称含量，制得的具有梯度结构的硬质合金基体组成包含有8wt％的Co、5wt％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体采用与刀片后刀面成80°角的方式对该刀片进行湿喷砂处理，使刀片刃口圆化，同时部分去除后刀面表层的粘结相富集表面区，最后得到本实施例的改善刃口结构的硬质合金刀片。

对本实施例的上述硬质合金刀片在同一涂层周期中沉积如下涂层：

1)先利用现有的CVD法沉积一层等轴晶粒的TiN层(即x＝0，y＝1，z＝0)，其厚度为 0.5μm；

2)再利用MTCVD工艺(也可利用CVD法)沉积一层柱状晶粒的TiCxNy层(其中x＝0.5，y＝0.5)，其厚度为7μm，平均晶粒度为为0.8μm；

3)然后利用现有的CVD法沉积一层针状晶粒的TiNyOz层(其中x＝0，y＝0.5，z＝0.5)，其厚度为0.5μm；

4)最后利用HTCVD技术沉积一层细晶粒的α-Al₂O₃层作为最外层，其厚度为4.5μm，平均晶粒度为1.1μm。

对上述硬质合金刀片进行涂层后得到改善刃口结构的硬质合金涂层刀片，再采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等对其进行表面处理，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra＝0.25μm。

实施例2

一种如图2所示的改善刃口结构的硬质合金刀片，包括一个由前刀面1和后刀面2相交所形成的刃口3，刃口3两侧位于前刀面1和后刀面2的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指是指由内层的均相合金区4过渡到立方碳氮化合物富集区5、再过渡到粘结相富集表面区6，刃口3两侧的梯度变化结构在刃口3处的交汇区域7为立方碳氮化合物富集区5，且交汇区域7中基本不含粘结相富集表面区6，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于前刀面1方向上的长度L1约为40μm，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于后刀面2方向上的长度L2约为15μm。本实施例的硬质合金刀片中，位于前刀面1且接近刃口区域的粘结相厚度L3约为45μm，位于后刀面且接近刃口区域的粘结相厚度L4为0μm。

本实施例的改善刃口结构的硬质合金刀片的制备方法如下：将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均匀的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行烧结(在1440℃下烧结，高温烧结后在脱N气氛下冷却)，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层立方碳氮化合物富集区；所述粘结相富集表面区内Co的含量大于硬质合金基体中Co标称含量，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量大于等于硬质合金基体中碳氮化合物标称含量，制得的具有梯度结构的硬质合金基体组成包含有8wt％的Co、5wt％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体首先对其进行周边研磨处理，去除后刀面上的粘结相富集表面区，使位于后刀面且接近刃口区域的粘结相富集表面区厚度L4等于0；然后采用湿喷砂或含Si的塑料毛刷对刃口进行圆化处理，使暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集区在垂直于后刀面2方向上的长度L2为15μm。

实施例3

在上述实施例2制得的改善刃口结构的硬质合金刀片的基础上，再按照实施例1所述的涂层方法进行涂层，得到本实施例的改善刃口结构的硬质合金涂层刀片。

对比实验

制备对比产品A

将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均匀的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制，然后采用梯度烧结技术进行烧结(在1440℃下烧结，高温烧结后在脱N气氛下冷却)，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区，在粘结相富集表面区下形成一层立方碳氮化合物富集区；所述粘结相富集表面区内Co的含量大于硬质合金基体中Co标称含量，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量大于等于硬质合金基体中碳氮化合物标称含量，制得的具有梯度结构的硬质合金基体组成包含有8wt％的Co、5wt％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体采用与刀片前刀面成45°角的方式对该刀片进行湿喷砂处理，去除刀具刃口的粘结相富集表面区，使刀片刃口圆化，最后得到如图3所示的对比产品A。

该对比产品A包括一个由前刀面1和后刀面2相交所形成的刃口3，刃口3两侧位于前刀面1和后刀面2的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指是指由内层的均相合金区4过渡到立方碳氮化合物富集区5、再过渡到粘结相富集表面区6，刃口3两侧的梯度变化结构在刃口3处的交汇区域7为立方碳氮化合物富集区5，且交汇区域7中基本不含粘结相富集表面区6，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于前刀面1方向上的长度L1约为30μm，暴露于刃口3处表面的立方碳氮化合物富集表面区在垂直于后刀面2方向上的长度L2约为30μm，位于前刀面1且接近刃口3区域的粘结相厚度L3约为45μm，位于后刀面2且接近刃口3区域的粘结相厚度L4约为45μm。

制备对比产品B

以上述的对比产品A为基础，在其上按照实施例1所述的涂覆方式进行涂层，得到对比产品B。

对比实验

上述实施例1、2、3及对比产品A、B在以下不同切削条件下的对比实验数据及测试结果如下：

1、纵向车削45#钢材棒，对上述各硬质合金刀片的耐磨性能进行比较测试，刀具寿命标准为后刀面磨损为0.25mm时的加工时间。

切削条件：

材料	45#钢(HB170-190)
		切削速度	450m/min、360m/min、200m/min
进给量	0.2mm
		切深	1mm
冷却剂	无

测试结果：

以上的试验结果表明：在钢材的高速(450m/min、360m/min)加工中，本发明实施例1、3的改善刃口结构的硬质合金涂层刀片相比于对比产品B(未改善刃口结构的涂层刀片)，前者与后者的涂层结构和厚度均基本一致，但前者后刀面的耐磨性能得到了明显提高，使用寿命得到了明显改善。而在钢材的低速(200m/min)加工中，本发明实施例2的改善刃口结构的硬质合金刀片相比于对比产品A(未改善刃口结构的刀片)，其耐磨性能和使用寿命同样得到了明显改善。因此，不论对本发明的硬质合金刀片是否进行涂层，均不影响本发明的技术效果，当然涂层后的硬质合金刀片综合性能更为优越，这也进一步说明本发明刃口结构的改善对涂层本身的效果无消极影响。

2、纵向车削45#钢材棒，对上述各硬质合金刀片的后刀面磨损值(VB)进行比较。刀加工时间为5min。

切削条件：

测试结果：

以上的试验结果表明：在钢材的高速(450m/min、360m/min)加工中，本发明实施例1、3的改善刃口结构的硬质合金涂层刀片相比于对比产品B(未改善刃口结构的涂层刀片)，前者与后者的涂层结构和厚度均基本一致，但前者由于具有由立方相富集区形成的骨架支撑结构及优化的基体和涂层组织结构，相比于对比产品A、B(现有技术)，前者的后刀面磨损值VB明显偏小，后刀面的耐磨性能得到了明显提高。而在钢材的低速(200m/min)加工中，本发明实施例2的改善刃口结构的硬质合金刀片相比于对比产品A(未改善刃口结构的刀片)，其耐磨性能和使用寿命同样得到了明显改善。因此，不论对本发明的硬质合金刀片是否进行涂层，均不影响本发明的技术效果，当然涂层后的硬质合金刀片综合性能更为优越，这也进一步说明本发明刃口结构的改善对涂层本身的效果无消极影响。

Claims

1.一种改善刃口结构的硬质合金刀片，包括至少一个由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口两侧位于前刀面和后刀面的硬质合金均呈现梯度变化结构，该梯度变化结构是指由内层的均相合金区过渡到立方碳氮化合物富集区、再过渡到粘结相富集表面区，其特征在于：所述梯度变化结构在刃口处的交汇区域主要为立方碳氮化合物富集区，且暴露于刃口处的立方碳氮化合物富集表面区域在垂直于所述前刀面方向上的长度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的长度L2。

2.根据权利要求1所述的改善刃口结构的硬质合金刀片，其特征在于：位于前刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4。

3.根据权利要求2所述的改善刃口结构的硬质合金刀片，其特征在于：位于后刀面且接近刃口区域的所述粘结相富集表面区的厚度L4等于零。

4.根据权利要求1或2或3所述的改善刃口结构的硬质合金刀片，其特征在于：所述硬质合金刀片表面涂覆有采用化学气相沉积法或物理气相沉积法沉积的涂层。