CN102245811A

CN102245811A - 改进的用于粗车削的涂层切削刀片

Info

Publication number: CN102245811A
Application number: CN2009801502568A
Authority: CN
Inventors: 汉纳·林德; 欣德里克·恩斯特伦
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-11-16
Also published as: JP2012512753A; KR20110100621A; SE0802599A1; SE533154C2; EP2379778A1; US20110247465A1; WO2010071585A1

Abstract

本发明涉及切削工具刀片，其由硬质合金基材(D)和涂层组成。所述刀片用于钢的中等加工和粗加工。本发明的目的是提供一种涂层工具刀片，其具有良好的抗变形性、良好的耐磨性和高的韧性。所述硬质合金基材包含WC，8-11wt％的Co，6.5-11wt％的来自第IVb、Vb和VIb族的金属的立方碳化物，以及粘结剂相，该粘结剂相与钨高度溶合成合金。所述基材具有富含粘结剂相的表面区域(C)。所述硬质合金具有8-14kA/m的矫顽力。所述涂层包含至少一个2-9μm厚的α-氧化铝层(A)，该层由晶体结构系数TC(006)为大于2且小于6的柱状晶粒组成。同时，TC(012)、TC(110)、TC(113)、TC(202)、TC(024)和TC(116)全部小于1，且TC(104)是第二高的晶体结构系数。涂层总厚度为7至15μm。

Description

改进的用于粗车削的涂层切削刀片

技术领域

本发明涉及涂层硬质合金切削工具刀片，其特别用于要求韧性的加工，例如钢的中等车削和粗车削。本发明将基材与韧性表面区域和涂层组合在一起，所述涂层具有至少一个(006)晶体结构化的α-Al₂O₃的层。

背景技术

当在钢的加工中使用硬质合金切削工具时，所述工具通过不同机理，例如磨料和化学磨损以及切削刃的破碎和断裂而被磨损。由多种气相沉积技术形成的耐磨性碳化物、氮化物、碳氮化物和/或氧化物化合物的薄表面层是在现代切削工具的涂层中的通常组分。这些涂层有助于增加耐磨料磨损性，以及对于从所述切削表面到下面的硬质合金基材的热扩散起到热阻挡层的作用。在刃区域内的高温与高切削力的组合导致在所述基材的受影响的表面区域内蠕变的增加，并且所述切削刃塑性变形。因此至关紧要的是希望用于钢的加工的刀片提供良好的抗变形性、耐磨性和高韧性。

上述不同的磨损机理在所述工具的不同应用中显现。用于中等车削至粗车削的切削工具级别必须具有足够高的本体韧性以耐受大的碎片与工具接触面积、在小的进刀量和切削深度下提供高的刃线完整性和韧性，同时对长时间切削的蠕变具有高的耐性。这些种类的级别一般在通常大尺寸的具有不规则形状的钢零件中用于第一次去皮切削，这些切削产生在切削刃处具有变化温度的间歇切削模式。因此，所述工具级别必须在韧性以及耐磨性方面显示优越性。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种新的改进的α-Al₂O₃涂覆的用于钢和不锈钢的中等车削和粗车削的级别(grade)，其具有良好的抗变形性、耐磨性和高韧性。

已经发现具有强的、完全受控的(006)生长的晶体结构的、相对厚的成核α-Al₂O₃与具有相对高钴含量的基材的组合，在钢的中等车削和粗车削中以及在不锈钢的车削中，显示出增强的耐磨性与刃强度和韧性的组合。

附图说明

图1显示了来自根据本发明的工具刀片的表面区域的抛光的横截面的光学图像，

A＝氧化铝层

B＝MTCVD层

C＝富含粘结剂相的区域

D＝本体基材

发明详述

本发明组合了如下两种硬质合金基材的任一种与如下所述的(006)晶体结构化的Al₂O₃涂层。

基材

根据本发明，涂层切削工具刀片由具有如下组成的硬质合金本体组成，所述组成为8-11wt％的Co、6.5-11wt％的Ti、Nb和Ti的碳化物和余量的WC。

所述钴粘结剂相与钨高度溶合成合金。W在所述粘结剂相中的浓度可以表示为S-值＝σ/16.1，其中σ是以μTm³kg^-1测量的所述粘结剂相的磁矩。所述S-值取决于钨在所述粘结剂相中的含量并随着钨含量的降低而增加。因此，对于纯的钴，或者用碳饱和的粘结剂，S＝1，和对于含有含量对应于形成η-相的边界线的W的粘结剂相，S＝0.78。S应当稍高于0.78的边界线值，优选0.79-0.90，最优选0.80-0.85。

至少在一方面，所述硬质合金刀片具有10-40μm厚，优选20-40μm厚，最优选20-30μm厚的、基本上不含立方碳化物相的和富含粘结剂相的表面区域，该表面区域具有的平均粘结剂相含量为标称粘结剂相含量的1.2-2.5倍。

在第一个实施方案中，所述硬质合金具有如下组成：9.0-10.0wt％的Co，6.5-10wt％的Ti、Nb和Ti的立方碳化物，优选3.0-4.0wt％的TaC、1.7-2.7wt％的NbC和2.0-3.0wt％的TiC以及余量的WC。所述矫顽力为9-14kA/m，优选10.5-12.5kA/m。

在第二个实施方案中，所述硬质合金具有如下组成：9.5-10.5wt％的Co，8.0-11.0wt％的来自周期表第IVb、Vb和VIb族的金属的立方碳化物，优选Ti、Nb和Ti的立方碳化物，优选4.0-5.0wt％的TaC、2.4-3.4wt％的NbC和2.0-3.0wt％的TiC以及余量的WC。所述矫顽力为8-13kA/m，优选9.5-11.5kA/m。

涂层

所述涂层由紧邻于所述基材的MTCVD Ti(C，N)第一层组成，该层的厚度为2至10μm，优选5至7μm。其可以被CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVD TiC、MTCVD Zr(C，N)或它们的组合取代。所述第一层由粘结层，0.5-1.0μm厚的(Ti，Al)(C，O，N)终止。优选地，在所述基材和所述第一层之间存在TiN的中间层，其具有小于3μm，优选0.5-2μm的厚度。

在所述粘结层的上面，沉积α-Al₂O₃层。根据本发明所述的α-Al₂O₃层由具有柱状晶粒的成核α-Al₂O₃组成，所述柱状晶粒具有强的(006)晶体结构。所述柱状晶粒的长/宽比例为2至12μm，优选4至8μm。所述氧化铝层的厚度为2至9μm，优选4至6μm。该(006)晶体结构化的α-Al₂O₃层是最上层，并且α-Al₂O₃的表面被湿喷砂。通常所述表面的粗糙度为R_a＝0.5-1.0μm，优选0.5-0.7μm。

所述α-Al₂O₃层的晶体结构系数(TC)如下确定：

TC (hkl) = \frac{I (hkl)}{I_{0} (hkl)} {[\frac{1}{n} Σ_{n = 1}^{n} \frac{I (hkl)}{I_{0} (hkl)}]}^{- 1}

其中

I(hkl)＝(hkl)反射的强度；

I₀(hkl)＝根据JCPDS卡号46-1212的标准强度；

n＝在计算中使用的反射的数目；

所用的(hkl)反射是：(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)和(116)。

所述氧化铝层的晶体结构如下：

TC(006)大于2，优选大于3并小于6，和优选小于5。同时，TC(012)、TC(110)、TC(113)、TC(202)、TC(024)和TC(116)全部小于1和TC(104)是第二高的晶体结构系数。

在优选的实施方案中，TC(104)小于2且大于0.5。涂层总厚度为7至15μm，优选9至13μm。

方法

根据上述说明的包含硬质合金基材和涂层的切削工具刀片使用粉末冶金法研磨、压制和烧结而制备，所述硬质合金基材由Co的粘结剂相、WC和立方碳氮化物相组成，其具有富含粘结剂相的表面区域，该区域基本上不含立方相。

良好控制量的氮通过所述粉末例如作为氮化物添加。待被添加的最优化量的氮取决于所述硬质合金的组成，和特别取决于立方相的量，并且高于所述来自周期表第IVb和Vb族的元素的重量的1.7％，优选1.8-5.0％，最优选3.0-4.0wt％。确切的条件一定程度上取决于使用的烧结设备的设计。为了获得理想的结果，根据本说明书确定和修正所述氮的添加以及所述烧结过程在本领域普通技术人员的能力范围内。

将原材料与压形剂混合以获得希望的S-值，以及将该混合物进行研磨和喷雾干燥以获得具有希望性质的粉末材料。然后，将该粉末材料压实并烧结。烧结是在约50毫巴的受控气氛中，在1300-1500℃的温度下进行的，随后冷却。结果获得了基本上不含立方碳化物相的和富含粘结剂相的表面区域的刀片。在常规的包括刃修圆和任选在至少一侧上打磨的后烧结处理之后——从而所述表面区域被移除——通过CVD或MT-CVD技术施加根据如下所述的硬的耐磨性涂层。

所述硬质合金表面通过CVD和/或MTCVD被涂覆以Ti(C，N)层以及任选的中间层。随后，使用并入多个不同沉积步骤的CVD工艺在1000℃的温度下使α-Al₂O₃成核。在这些步骤中，控制组成为CO₂+CO+H₂+N₂的气体混合物以导致为实现(006)晶体结构所要求的O-势。所述α-Al₂O₃层然后通过常规CVD在1000℃下沉积。确切的条件取决于使用的涂覆设备的设计。根据本发明确定所述气体混合物在本领域普通技术人员的能力范围内。

为了降低表面粗糙度，使用表面抛光法，优选湿喷砂对所述α-Al₂O₃进行后处理。

本发明还涉及根据上述的刀片用于在如下条件下进行钢的中等加工和粗加工钢的用途，所述条件为切削速率：110-400m/分钟，切削深度：0.5-5.0mm，和进刀量：0.1-0.65mm/转。

具体实施方式

实施例1

通过常规研磨原料粉末、压制生坯和随后在1430℃下烧结而制备具有如下组成与如下粘结剂相的硬质合金基材，所述组成为9.5wt％的Co、3.6wt％的TaC、2.3wt％的NbC、2.5wt％的(Ti，W)C 50/50(H.C.Starck)、1.1wt％的TiN和余量的WC，所述粘结剂相与对应于0.83的S-值的W溶合成合金。在烧结后对微结构的研究表明所述硬质合金刀片具有不含立方碳化物的区域，其厚度为约22μm。矫顽力为10.5kA/m，其对应于约2.5μm的平均晶粒大小。在所述区域中钴的浓度为在所述基材本体中钴浓度的1.4倍。这样的基材被称为“基材1”。

实施例2

如在实施例1中那样制备另一种硬质合金基材，只是其具有10.0wt％的Co、4.5wt％的TaC、2.8wt％的NbC、2.5wt％的(Ti，W)C。所述不含立方碳化物的区域具有约20μm的厚度，参见图1。矫顽力为10.1kA/m，其对应于约2.5μm的平均晶粒大小。在所述区域中钴的浓度为在所述基材本体中钴浓度的1.3倍。这样的基材被称为“基材2”。

实施例3

将得自实施例1和2的硬质合金切削刀片涂覆以MTCVD Ti(C，N)的层。所述MTCVD层的厚度为约6μm。向该层上沉积两个α-Al₂O₃层，其由约5μm α-Al₂O₃组成。

a)根据瑞典专利申请号0701703-1中的实施例2沉积晶体结构化的α-Al₂O₃涂层，参见图1。

b)根据US 7,135,221沉积(012)晶体结构化的Al₂O₃。

这些层将被称为涂层a)和b)。例如，具有涂层b)的基材1被称为1b)。

实施例4

采用X射线衍射研究涂层a)和b)。测定晶体结构系数并将其示于表1中。如从表1中可知的，涂层a)表现出强的(006)晶体结构，而涂层b)表现出强的(012)晶体结构。

表1.

实施例5

在碳钢的纵向车削中测试得自实施例1的硬质合金切削刀片，其具有得自实施例3的涂层a)和b)。

在加工过程中测量所述刀片的切削力，并且具有涂层a)的刀片显示出比具有涂层b)的刀片小约30％的切削力。由于较大的变形区域引起增加的切削力，该实施例显示出涂层a)提供了与现有技术涂层相比显著更好的抗塑性变形性。

实施例6

在切削5和10分钟后检查所述刀片。如从表2中可见的，在5分钟后，在所述涂层之间的初始侧面磨损是相似的，但在10分钟后，根据本发明制备的涂层的侧面磨损显著更好。另外，在10分钟后，涂层b)的月牙洼磨损比涂层a)的月牙洼磨损程度大得多。从该实施例可知，基材1和涂层a)的组合提供了比组合1b)更优越的耐磨性。

表2

实施例7

通过碳钢的纵向车削测试如下三个变体：

a.根据实施例1的硬质合金，其具有得自实施例3的涂层。

b.用于车削碳钢的来自对比例1的非常领先级别(strongly leadinggrade)。

c.用于车削碳钢的来自对比例2的非常领先级别。

工具寿命标准：侧面磨损＞0.3mm，测试每个变体的两个刃。

这显示了根据本发明的由基材1和涂层a)的组合组成的硬质合金工具表现出与对比例产品相比提高的工具寿命。

实施例8

通过引入切削刃的高热循环的以间断加工模式进行的纵向车削测试如下三个变体：

a.根据实施例2的硬质合金，其具有得自实施例3的涂层a)。

b.用于车削碳钢的来自对比例1的领先级别(leading grade)。

c.用于车削碳钢的来自对比例2的领先级别。

在切削5、10、15和20分钟后检查所述刀片。两个对比例都显示出增加的侧面磨损、月牙洼磨损和塑性变形的迹象，而根据本发明制备的刀片仅在21.1分钟之后显示微小的磨损迹象。

Claims

1.切削工具刀片，其尤其用于要求韧性的加工，例如钢的中等车削和粗车削，以及用于不锈钢的车削，该切削工具刀片由硬质合金基材和涂层组成，其特征在于：

所述硬质合金基材包含

-WC、8-11wt％的Co和6.5-11.0wt％的金属Ta、Nb和Ti的碳化物；

-8-14kA/m的矫顽力；

-与具有0.79-0.90的S-值的W高度溶合成合金的Co-粘结剂；

-所述硬质合金基材具有富含粘结剂相的并且基本上不含立方碳化物的表面区域，所述表面区域的厚度为10-40μm，

所述涂层包含

-至少一个2-9μm的α-Al₂O₃氧化铝层，该层由柱状晶粒组成，该柱状晶粒具有如下晶体结构系数

a)TC(006)大于2，优选大于3，但小于6，优选小于5；

b)TC(012)、TC(110)、TC(113)、TC(202)、TC(024)和TC(116)全部小于1；

c)TC(104)是第二高的晶体结构系数，

所述α-Al₂O₃层的晶体结构系数(TC)如下确定：

TC (hkl) = \frac{I (hkl)}{I_{0} (hkl)} {[\frac{1}{n} Σ_{n = 1}^{n} \frac{I (hkl)}{I_{0} (hkl)}]}^{- 1}

其中

I(hkl)＝(hkl)反射的强度；

I₀(hkl)＝根据JCPDS卡号46-1212的标准强度；

n＝在计算中使用的反射的数目；

2.根据前述权利要求所述的切削刀片，其特征在于所述柱状α-Al₂O₃晶粒的长/宽比为2至12，优选4至8。

3.根据前述权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂层还包含紧邻所述硬质合金基材的第一层，该第一层由如下物质组成：CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVD TiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVD Ti(C，O，N)或其组合，优选Ti(C，N)，其厚度为2至10μm，优选5至7μm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于涂层总厚度为7-15μm，优选9-13μm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述α-Al₂O₃层是最上层，并且其R_a值小于1.0μm，优选小于0.7μm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于组成为9.0-10.0wt％的Co，6.5-10wt％的Ti、Nb和Ti的立方碳化物以及余量的WC，并且矫顽力为9-14kA/m。

7.根据权利要求6所述的切削工具刀片，其特征在于组成为3.0-4.0wt％的TaC、1.7-2.7wt％的NbC和2.0-3.0wt％的TiC，并且矫顽力为10.5-12.5kA/m。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述硬质合金基材的组成为9.5-10.5wt％的Co、8.0-11.5wt％的Ti、Nb和Ti的碳化物以及余量的WC，并且矫顽力为8-13kA/m。

9.根据权利要求1至5和8中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述硬质合金基材的组成为4.0-5.0wt％的TaC、2.4-3.4wt％的NbC和2.0-3.0wt％的TiC，并且矫顽力为9.5-11.5kA/m。

10.根据前述权利要求所述的刀片在如下条件下用于钢的中等加工和粗加工的用途，所述条件为：切削速度为110-400m/分钟，切削深度为0.5-5.0mm和进刀量为0.1-0.65mm/转。