CN110268080A - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种切削工具，其包含含有WC、金属粘结相和γ相的硬质合金基材，其中该硬质合金具有良好分布的γ相并且其中该硬质合金的异常WC晶粒的量减少。根据本发明的切削工具具有更多可预计的工具寿命和提高的抗塑性变形性。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及一种切削工具，其包含含有γ相的硬质合金基材，其中所述硬质合金具有均匀分布的γ相并且异常WC晶粒的量减少。
背景技术
包含含有γ相的硬质合金基材的切削工具在本领域中是已知的。
始终努力获得更耐磨并因此寿命更长的工具。然而，重要的是，工具具有预计的工具寿命，即工具可以被信赖持续至少一定量的时间以便使生产计划更容易。通常，一个人负责同时运行切削操作的许多机器。
每台机器取决于它是否正在运行而在屏幕上呈现绿灯或红灯。为了最大化生产，切削工具在它们断裂之前进行更换。这是为了避免意外停机。因此，具有预计的最低工具寿命将使生产最大化变得更容易。出乎意料的是，早期的工具破损会导致意外的停机时间，并且在计划更换工具之前始终为绿灯是一个很大的优势。
获得具有更多可预计的工具寿命、并因此具有较少早期破损的切削工具的一种方式，是通过减少大缺陷的数量来减少裂纹形成并降低裂纹扩展速率。
发明内容
本发明的一个目的是获得一种切削工具，其在硬质合金中具有减少的早期破损量。
本发明的另一个目的是获得一种切削工具，当用于机械加工操作时，其具有改进的抗塑性变形性。
附图说明
图1显示了累积曲线，其中累积相对面积(y轴)相对于粒子面积(x轴)作图。
图2显示了显示实施例5中的韧性试验结果的图。
具体实施方式
本发明涉及一种切削工具，其包含含有WC、金属粘结相和γ相的硬质合金基材，其中所述硬质合金具有良好分布的γ相。所述γ相的分布使得N小于80μm2，其中
N＝X/Y
其中X(μm2)是在γ相粒子的累积相对粒子面积(y轴)相对于粒子面积(x轴)作图的累积曲线(从0到1)中，累积相对面积为0.90(y轴)处的粒子面积(x轴)
并且其中Y是校正因子
其中所述相对累积曲线和所述面积分率是从EBSD分析获得。
此外，所述硬质合金的异常WC晶粒的量减少，使得由异常WC晶粒的EBSD分析获得的面积分率被定义为，
在0至0.03之间。
根据本发明的硬质合金的表征是使用电子背散射衍射(EBSD)进行。EBSD是一种SEM方法，它将光束以限定的距离(步长)步进跨越样品表面，并从当样品相对于水平以70°倾斜时产生的衍射图案来确定每步处样品的相和晶体学取向。该信息可用于产生样品微观结构的图，可使用晶体学信息容易地评价该图，以确定晶界、相和晶粒的尺寸和相对位置。
硬质合金应具有尽可能少的异常WC晶粒。异常WC晶粒通常意指比平均WC晶粒尺寸大数倍的WC晶粒。在此异常WC晶粒的量是由硬质合金材料的EBSD分析确定的。
异常WC晶粒的面积分率被定义为大于WC晶粒的平均面积aWC平均的10倍的WC晶粒相对于WC晶粒总面积的面积分率。
根据本发明，所述异常晶粒的面积分率为0至0.03，优选0至0.025，更优选0至0.02。
γ相是立方碳化物和/或碳氮化物的固溶体，在烧结期间由立方碳化物和/或碳氮化物和WC形成，并可描述为(W,M)C或(W,M)(C,N)，其中M是Ti、Ta、Nb、Hf、Zr、Cr和V中的一种或多种。
γ相的量适合为3至25体积％，优选5至17体积％。这可以用不同的方式测量，例如通过对基材横截面的光学显微镜(LOM)图像或扫描电子显微镜(SEM)显微照片进行图像分析，以计算γ相的平均分率。当所述硬质合金在表面区中具有梯度时，本文给出的γ相的量是在本体中测量的。γ相的量也可以从EBSD分析中取得。
在本发明的一个实施方式中，基于硬质合金的总量，Nb的量在0.2至1重量％之间、Ta的量在2至3重量％之间、并且Ti的量在1.6至2.1重量％之间。
γ相的分布应尽可能均匀。已经对γ相粒子、即不是γ相晶粒，进行了γ相的EBSD分析。通过处理EBSD数据，可以选择应测量粒子还是晶粒。晶粒在本文中是指单晶，而粒子含有2个或更多个彼此直接接触的晶粒。
根据本发明，γ相以受控的粒度良好分布。
γ相的分布通过EBSD分析确定，并由值N(μm2)给出，其中：
N＝X/Y
将来自EBSD分析的γ相粒子的累积相对粒子面积(y轴)相对于粒子面积(x轴)作图。参见图1。根据累积曲线，获取累积相对面积为0.90(y轴)处的粒子面积(x轴)，即值X(μm2)。如果没有值恰好匹配0.90，则将低于和高于0.90的两个值的平均值用作X。
值Y是与硬质合金中的不同量的γ相相关的校正因子。Y是立方碳化物和立方碳氮化物(γ相)的面积分率除以碳化物和碳氮化物、即WC(六方)和γ相(立方)二者总量之比。所述面积分率从EBSD数据获得。
根据本发明，γ相分布N适合小于80μm2，优选15至75μm2，更优选35至70μm2。
在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金基材包含贫γ相的富粘结相表面区。
所述表面区的厚度适合为10至35μm。所述厚度是在所述基材的表面与含γ相的本体和贫γ相的表面区之间的边界之间测量。在SEM或LOM图像中，该边界很容易识别，因为它相当清晰。所述表面区厚度的测量应优选在平坦表面上进行，优选在侧刀面上进行，不要太靠近切削刃。这在本文中意味着所述测量应距离切削刃至少0.3mm进行。
富粘结相在本文中是指表面区中的粘结相含量是本体中粘结相含量的至少1.3倍。表面区中的粘结相含量适当地在表面区的总厚度/深度的一半的深度处测量。在本文中，本体被定义为不是表面区的区域。对本体进行的所有测量应在不太靠近表面区的区域处进行。这在本文中意味着对本体的微观结构进行的任何测量应当在距离表面至少200μm的深度处进行。
贫γ相在本文中是指表面区不含或含有非常少的γ相粒子，即小于0.5面积％。
所述粘结相适合选自Fe、Co和Ni中的一种或多种，优选Co，其量为烧结体的2至20重量％，优选为烧结体的4至12重量％。
在本发明的一个实施方式中，Co含量在烧结体的4至9重量％，优选在4.5至8重量％。
在本发明的一个实施方式中，当所述硬质合金中存在Cr时，一些Cr溶解在所述粘结相中。
所述硬质合金还可包含硬质合金领域中常见的其它成分。当使用再循环材料(PRZ)时，也可以少量存在Zr、V、Zn、Fe、Ni和Al。
在本发明的一个实施方式中，基于硬质合金的总量，Nb的量在0.2至1重量％之间、Ta的量在2至3重量％之间、Ti的量在1.6至2.1重量％之间、并且Co含量在4.5至8重量％之间。此外，N小于80μm2，并且异常晶粒的面积分率为0至0.03。
在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金刀片具有耐磨CVD(化学气相沉积)或PVD(物理气相沉积)涂层。
在本发明的又一个实施方式中，所述硬质合金刀片具有耐磨CVD涂层。
在本发明的又一个实施方式中，所述硬质合金刀片具有耐磨CVD涂层，所述涂层包含若干层，合适地至少是金属碳氮化物层和Al2O3层，优选至少一个Ti(C,N)层和α-Al2O3以及任选的外部TiN层。
所述涂层还可以进行本领域已知的附加处理，例如刷光、喷砂等。
切削工具在本文中是指刀片、立铣刀或钻头。
在本发明的一个实施方式中，所述切削工具是刀片，优选车削刀片。
在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金基材用于钢、铸铁或不锈钢的车削。
实施例1
通过首先在乙醇和水(9重量％水)的研磨液中与(Ta,Nb)C、(Ti,W)C、Ti(C,N)一起预研磨再循环的硬质合金材料(PRZ，使用Zn工艺再循环)，来制造硬质合金基材。粉末和研磨液之间的比例为4524克粉末/1升研磨液。所述研磨在来自Netzsch的称为LABSTAR的搅拌研磨机中进行，该研磨机是一种卧式搅拌研磨机，其中浆料在研磨室和储槽之间循环。将所述浆料以1500rpm研磨至0.36kWh的蓄积能。
PRZ、即再循环材料的量是总粉末重量的40重量％。在表2中，显示了所用PRZ的重量％组成。其余的原材料以使得得到表1中的组成这样的量加入。
在所述预研磨步骤之后，将WC、Co粉末和PEG(聚乙二醇)添加到浆料中，并向浆料添加研磨液，使得得到10千克粉末/2.3升研磨液，并且所有粉末然后一起在1500rpm下研磨至1.18kWh的蓄积能。PEG的量为总干粉重量的2重量％(PEG不包括在总干粉重量中)。
WC粉末是来自Wolfram Bergbau und HüttenAG的商业WC粉末，称为HTWC030，其是一种高温渗碳WC。ASTM研磨后的平均粒度(FSSS)为2.9μm。
然后将所述浆料喷雾干燥成团聚体，然后将其在来自Fette的液压机中进行压制操作以形成生坯。
然后通过首先进行在高达450℃下在H2中脱蜡、真空加热至1350℃来烧结生坯。之后，引入流动的20毫巴Ar和20毫巴CO的保护气氛，然后将温度维持在1450℃历时1小时。
所获得的硬质合金在下文中表示为发明1。
为了比较，以与发明1相同的方式制造硬质合金基材，不同之处在于在所述预研磨步骤中的粉末重量为4425g、第二研磨步骤进行至1.02kWh的蓄积能并使用在ASTM研磨后平均粒度(FSSS)为7.15μm的常规WC(非高温渗碳的)。所获得的硬质合金在下文中表示为比较例1。
所获得的材料，即发明1和比较例1，均具有贫γ相的富粘结相表面区，厚度分别为19.8μm和22.3μm。
表1
表2
W Co Nb Ta Ti Cr Zr V Zn C N O
82.11 8.10 0.72 1.63 1.16 0.12 0.09 0.007 0.001 5.74 0.06 0.14
所述PRZ粉末的其余部分(直至100％)是痕量的Fe、Ni和Al。
实施例2(微观结构)
烧结材料的微观结构还通过EBSD进行分析。使用4个60*100μm的图像。
通过使用利用低至1μm金刚石尺寸的金刚石浆料进行机械抛光、然后在HitachiE3500中进行离子抛光步骤，来抛光所述本体材料的横截面，来制备用于电子背散射衍射(EBSD)表征的刀片。
将制备的样品安装到样品架上并插入扫描电子显微镜(SEM)中。样品相对于水平面倾斜70°并朝向EBSD检测器。用于所述表征的SEM是Zeiss Supra 55 VP，使用240μm物镜孔径，应用“高电流”模式并在高真空(HV)模式下操作。使用的EBSD检测器是使用OxfordInstruments“AZtec”软件3.1版操作的Oxford Instruments Nordlys检测器。通过将聚焦电子束施加到所述抛光表面上并使用0.1μm的步长依次获取1000×600μm测量点的EBSD数据，来进行EBSD数据采集。当为此目的进行EBSD分析时，应选择图像数量，使得从中获取EBSD数据的总面积应该为至少12000μm2。
SEM设置
参考相为：
WC(六方)，59个反射器，Acta Crystallogr.，[ACCRA9]，(1961)，第14卷，第200-201页
Co(立方)，68个反射器，Z.Angew.Phys.，[ZAPHAX]，(1967)，第23卷，第245-249页
Co(六方)，50个反射器，Fiz.Met.Metalloved，[FMMTAK]，(1968)，第26卷，第140-143页
立方碳化物相，TiC，77个反射器，J.Matter.Chem.[JMACEP]，(2001)，第11卷，第2335-2339页
由于这些硬质合金包含两个立方相，Co粘结剂相和γ相，因此必须注意正确识别所述相，即准确标定。这可以用几种方式完成，一种方式是在同一样品上还做EDS或反向散射图像，其取决于所述相的化学组成，并由此显示粘结相和γ相之间的差异，以供比较。
EBSD数据由Oxford instruments在AZtec中收集并在HKL Channel5(HKL Tango5.11.20201.0版)中分析。通过去除杂乱的尖峰并执行5级零解外推来进行降噪。确定WC晶粒的临界错向角为5度。消除γ相晶粒之间的晶界，使得仅分析γ相粒子。这在Channel 5中通过将临界错向设置为90度来完成。所有小于4个像素(0.04μm2)的粒子都被作为噪声被消除。
γ相的分布通过EBSD分析确定，并由值N(μm2)给出，其中：
N＝X/Y
将来自EBSD分析的γ相粒子的累积相对粒子面积(y轴)相对于粒子面积(x轴)作图。从累积曲线，获得累积相对面积为0.90(y轴)处的粒子面积(x轴)，即值X(μm2)。如果没有值恰好匹配0.90，则将低于和高于0.90的两个值的平均值用作X。
值Y是与硬质合金中不同量的γ相相关的校正因子。Y是立方碳化物和立方碳氮化物(γ相)的面积分率除以碳化物和碳氮化物、即WC(六方)和γ相(立方)二者总量之比。所述面积分率从EBSD数据获得。
异常WC晶粒的面积分率被定义为大于WC晶粒平均面积aWC平均的10倍的WC晶粒相对于WC晶粒总面积的面积分率。
结果可参见表3。
在表3中，示出了矫顽力(Hc)和单位重量的磁饱和磁力。
矫顽力(Hc)和单位重量的磁饱和磁力使用Foerster Koerzimat CS1.096测量。
表3
实施例3
通过首先在乙醇和水(9重量％水)的研磨液中与(Ta,Nb)C、(Ti,W)C、Ti(C,N)和PEG(聚乙二醇)一起预研磨再循环的硬质合金材料(PRZ)，来制造硬质合金基材。粉末和研磨液之间的比例为5481克粉末/1.35升。所述研磨在来自Netzsch的称为LABSTAR的搅拌研磨机中进行，该研磨机是一种卧式搅拌研磨机，其中浆料在研磨室和储槽之间循环。将所述浆料以1500rpm研磨至0.56kWh的蓄积能。
PEG的量是总干粉重量的2重量％(PEG不包括在总干粉重量中)。
在所述预研磨步骤之后，将WC和Co粉末添加到浆料中，并向浆料添加研磨液，使得得到10千克粉末/2.3升研磨液，并且所有粉末然后在1150rpm下研磨至1.15kWh的蓄积能。
然后将所述浆料喷雾干燥成团聚体，然后将其在来自Fette的液压机中进行压制操作以形成生坯。
PRZ、即再循环材料的量是总粉末重量的50重量％。在表5中，显示了所用的611批次PRZ的重量％组成。其余的原材料以使得得到表4中的组成这样的量加入。
然后通过首先进行在高达450℃下在H2中脱蜡、真空加热至1350℃来烧结生坯。之后，引入流动的20毫巴Ar和20毫巴CO的保护气氛，然后将温度维持在1450℃历时1小时。
WC粉末是来自Wolfram Bergbau und Hütten AG的商业WC粉末，称为HTWC040，其是一种高温渗碳WC。ASTM研磨后的平均粒度(FSSS)为3.9μm。
所述硬质合金基材表示为发明2。
为了比较，通过在常规球磨机中将所有原材料粉末研磨14小时来首先制造硬质合金基材而来制造基材，比较例2，即没有进行预研磨。
原材料与发明2中的相同，不同之处在于使用另一批次的PRZ，批次576，参见表5，并且使用在ASTM研磨后平均粒度(FSSS)为4.80μm的常规WC(非高温渗碳的)。其余的原材料以使得得到表4中的组成这样的量加入。
然后将所述浆料喷雾干燥成团聚体，然后将其在来自Fette的液压机中进行压制操作以形成生坯，所述生坯随后以与发明2相同的方式烧结。该切削工具表示为比较例2。
然后，为发明2和比较例2这两种基材提供相同的CVD涂层，所述CVD涂层包含使用常规技术沉积的TiCN层和α-Al2O3层。
据在涂层刀片上测量的，所获得的基材，发明2和比较例2，均具有贫γ相的富粘结相表面区，厚度分别为23μm和25μm。
表4
表5
批次 W Co Nb Ta Ti Cr Zr V Zn C N O
611 82.04 8.29 0.72 1.57 1.12 0.13 不适用 0.008 0.001 5.76 0.06 0.18
576 82.53 8.16 0.40 1.45 1.21 0.13 0.02 0.005 0.001 5.74 0.06 0.18
所述PRZ粉末的其余部分(直至100％)是痕量的Fe、Ni和Al。
实施例4(微观结构)
以与实施例2中相同的方式分析来自实施例3的烧结材料的微观结构，不同之处在于使用6个60*40μm的图像。
测量结果可见于下表6。
在表6中，还给出了矫顽力(Hc)和单位重量的磁饱和磁力。
表6
实施例5(工作例)
来自实施例3和4的切削工具也在钢材SS1312上利用切削液在纵向车削操作中进行了测试。使用了以下参数：
Vc＝80m/分钟
f＝0.15mm/r，以I＝1.0递增
ap＝1.5mm
测试的切削刃数量为15。
刀具寿命标准是刃破损。
结果示于表7中。
表7
首次破损时间(分钟)
发明2 0.75
比较例2 0.50
结果显示，切削刃的首次破损的时间(在15个测试刃中)已增加。在图2中，显示了所有15个刃的结果，可以看出，对于发明2，许多切削刃在几秒内彼此破损，而比较例2的工具寿命看来更加分散。
实施例6(工作例)
来自实施例3和4的切削工具也在钢材SS1672上利用切削液在断续车削操作中进行了测试。使用了以下参数：
Vc＝220m/分钟
f＝0.3mm/r
ap＝3mm
测试的切削刃数量为3。所述刃分别在7、8和9个循环后研究，并将磨损分类为切削刃的良好，即没有太多磨损，小崩缺，然后是崩碎。
结果示于表8中。
表8
可以清楚地看出，发明2的抗崩碎性比比较例2提高了。
实施例7
通过首先在乙醇和水(9重量％水)的研磨液中与(Ta,Nb)C、(Ti,W)C、Ti(C,N)一起预研磨再循环的硬质合金材料(PRZ)，来制造硬质合金基材。在来自Netzsch的称为LMZ10的搅拌研磨机中，粉末和研磨液之间的比例为232千克粉末/80升研磨液，所述研磨机是一种卧式搅拌研磨机，其中浆料在研磨室和储槽之间循环。将所述浆料以650rpm研磨至30kWh的蓄积能。
PRZ、即再循环材料的量是总粉末重量的20重量％。在表10中，显示了所用的PRZ的重量％组成，批号828。其余的原材料以使得得到表9中的组成这样的量加入。
在所述预研磨步骤之后，将WC、Co粉末和PEG(聚乙二醇)添加到浆料中，并向浆料添加研磨液，使得得到800kg粉末/160升研磨液，并且所有粉末然后一起在650rpm下研磨至90kWh的蓄积能。
PEG的量为总干粉重量的2重量％(PEG不包括在总干粉重量中)。
WC粉末是一种高温渗碳WC，称为HTWC040，购自Wolfram Bergbau und Hütten AG。ASTM研磨后的平均粒度(FSSS)为3.9μm。
然后将所述浆料喷雾干燥成团聚体，然后将其在来自Fette的液压机中进行压制操作以形成生坯。
然后通过首先进行在高达450℃下在H2中脱蜡、真空加热至1350℃来烧结生坯。之后，引入流动的20毫巴Ar和20毫巴CO的保护气氛，然后将温度维持在1450℃历时1小时。
所获得的硬质合金在下文中表示为发明3。
为了比较，通过首先在常规球磨机中将所有原材料粉末研磨11小时来制造基材，硬质合金基材，比较例3，即没有进行预研磨。
原材料与发明3中的相同，不同之处在于总粉末重量的15重量％使用另一批次的PRZ，批次757，参见表10，并使用在ASTM研磨后平均粒度(FSSS)为7.0μm的常规WC(非高温渗碳的)。
其它原材料的量要使得获得表9的组成。
所获得的硬质合金在下文中表示为比较例3。
表9
表10
批次 W Co Nb Ta Ti Cr Zr V Zn C N O
828 81.5 8.83 0.66 1.58 1.04 0.079 0.022 0.007 0.001 5.73 0.06 0.17
757 82.1 7.99 0.62 1.68 1.31 0.13 0.045 0.012 0.001 5.74 0.06 0.22
所述PRZ粉末的其余部分(直至100％)是痕量的Fe、Ni和Al。
然后将所述浆料喷雾干燥成团聚体，然后在来自Fette的液压机中进行压制操作以形成生坯。
所获得的材料，发明3和比较例3，均具有贫γ相的富粘结相表面区，厚度分别为22μm和23μm。
实施例8(微观结构)
以与实施例2中相同的方式分析来自实施例7的烧结材料的微观结构。
测量结果可见于下表11。
在表11中，还给出了矫顽力(Hc)和单位重量的磁饱和磁力。
表11
实施例9(工作例)
根据实施例7制成的刀片，发明3和比较例3，均涂有相同的CVD涂层，所述CVD涂层包含使用常规技术沉积的TiCN层和α-Al2O3层。所述涂层刀片在干燥条件下在端面操作中进行测试。工件材料为钢，SS2541，条件如下：
Vc 160m/分钟
f 0.3mm/转
ap 2mm
工具寿命标准：主切削刃上的Vb≥0.5mm。
结果示于表12中。
表12
平均工具寿命(分钟)
发明3 91
比较例3 53

Claims (9)

1.一种切削工具，所述切削工具包含含有WC、金属粘结相和γ相的硬质合金基材，其中所述硬质合金具有良好分布的γ相，使得N小于80μm2，其中
N＝X/Y
其中X(μm2)是在γ相粒子的累积相对粒子面积(y轴)相对于粒子面积(x轴)作图的累积曲线中，在累积相对面积为0.90(y轴)处的粒子面积(x轴)
其中相对累积曲线和所述面积分率从EBSD分析获得；并且
其中由异常WC晶粒的EBSD分析获得的面积分率定义为：
为0至0.03。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述γ相的量为3体积％至25体积％。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中由N表示的所述γ相分布为15μm2至75μm2。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中所述异常WC晶粒的面积分率为0至0.025。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中所述金属粘结相的量为2重量％至20重量％。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中金属粘结相是含量为4重量％至12重量％的Co。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中所述硬质合金基材包含贫γ相的富粘结相表面区，其中所述表面区的厚度为10μm至35μm。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中所述γ相是立方碳化物和/或碳氮化物的固溶体，(W,M)C或(W,M)(C,N)，其中M是Ti、Ta、Nb、Hf、Zr、Cr和V中的一种或多种。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具，其中所述硬质合金基材带有涂层。
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