CN1117168C - 金属陶瓷的切削镶嵌刀片 - Google Patents
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Abstract
一种金属陶瓷切削镶嵌刀片，其组织包含主要由钛组成的一碳氮化物硬质相、一金属粘结相和附带的杂质的组织，其特征在于金属粘结相包含Co-Ni-W合金，该Co-Ni-W合金含有钨(W)：以重量计15%-35%；镍(Ni)：以重量计10%-35%；钴(Co)：以重量计35%-70%，其中钨、镍和钴的总量以重量计至少90%。
Description
本发明涉及一种金属陶瓷、切削镶嵌刀片及一安装有该镶嵌刀片的端铣刀。该切削镶嵌刀片的切削刃在相当苛刻的切削条件下，比如高送进速度和高切削速度下不产生缺陷或剥落(微缺陷)，并长时间内显示出优良的切削性能。
根据对金属陶瓷横截面的微观组织观察，公知的金属陶瓷切削镶嵌刀片具有包含以面积计75％至95％的主要由Ti组成的碳氮化物硬质相，其余为金属粘结相和附带的杂质的组织，其中硬质相具有包含一芯和一壳(周围区域)的芯一壳结构，它基本上由Ti的碳氮化物和M的混合物组成，其中M是至少一种从元素周期表的4a、5a、6a族(Groups)中选出的金属，且金属粘结相包含Ni-Co合金，该Ni-Co合金含有
镍(Ni)：以重量计10％-35％
钴(Co)：以重量计45％-70％，
其中镍和钴的总量以重量计至少90％。
众所周知，上述金属陶瓷是通过以预定的成分混合粉末状Ti的碳氮化物和/或粉末状Ti的碳氮化物和/或Ti和M的混合物、至少M的粉末状碳化物和M的粉末状氮化物中一种、及Co粉或Ni粉，其中M是至少一种从元素周期表的4a、5a、6a族中选出的金属，Co粉或Ni粉作为形成粘结相的粉末材料；湿式混合，干燥，然后模压这些粉末材料而形成一压坯；在保持1420℃至1600℃的温度条件下在减压氮气气氛中烧结该压坯并缓冷而制成。
在烧结过程中，硬质相的芯主要由碳氮化物粉末形成，硬质相的壳由碳化物粉末、氮化物粉末和一部分碳氮化物粉末之间的反应形成。
此外，众所周知在使用该金属陶瓷的端铣刀的切削镶嵌刀片主切削刃和平切削刃(flat cutting edge)上形成的斜面珩磨宽度(honed width)(在下文中仅称作“珩磨宽度”)为：
主切削刃为0.10至0.25mm，
修光刃(wiper cutting edge)为0.10至0.25mm。
在端铣刀的情况下，如图1(a)中的透视图、图2(a)中的部分剖面的前视图、及图2(b)中放大的局部纵向剖面图所示，可知许多切削镶嵌刀片(在下文中该切削镶嵌刀片称作镶嵌刀片)以给定的间隔可分离地安装在环形刀体的前面。而且还可知该镶嵌刀片具有图1(b)中透视图和图1(c)中纵向截面图所示的形状。
而且，众所周知，由齿面和切削镶嵌刀片的刃线(ridge line)部分侧面所限定的角度(在下文中称作刃线角(ridge line angle))在75°至85°范围内，且该镶嵌刀片以5°至15°的轴向前角(axial rake angle)(刀具本体与轴线的斜角)安装在环形刀体上。
此外，众所周知为了提高金属陶瓷的耐磨损性能，通过化学气相沉积(CVD)工艺或物理气相沉积(PVD)工艺在端面切削镶嵌刀片的金属陶瓷基体表面涂敷厚度为0.5至10μm的硬质涂层。
近年来，切削已经高度需要省工、节能和降低成本，且在端铣切削中渴望高送进速度下的切削。当上述普通的端铣刀用在高送进速度条件下时，平切削刃产生塑性变形。结果，在镶嵌刀片的切削边缘部分将产生很不均匀的磨损，产生缺陷和剥落。因此，镶嵌刀片的使用寿命相对较短。
在另一种方式中，安装在端铣刀环形刀体上的镶嵌刀片的刃线角减小到65°至75°，和上述普通镶嵌刀片的75°至85°的刃线角成对比，且该镶嵌刀片安装在环形刀体上，从而相对于切削面的倾角减小，也就是，轴向前角，即该镶嵌刀片相对于环形刀体轴线的倾角增加到15°至30°，该倾角比普通镶嵌刀片的5°至15°的轴向前角稍大。当使用上述的刃线角为65°至75°且轴向前角为15°至30°的普通端铣刀进行高送进速度切削时，在镶嵌刀片的切削刃部分产生缺陷和剥落。因此，该镶嵌刀片的使用寿命相对较短。
本发明人已经就在长时间内高送进速度切削时能有满意的切削表面粗糙度的铣削镶嵌刀片在上述普通刀具的基础上进行研究和开发，且已经发现了一种特定的金属陶瓷，它有较高的抗塑性变形能力且不会在切削刃部分产生不均匀的磨损和形成缺陷及剥落(chipping)，因此显示出在长时间内的优良切削性能。这种金属陶瓷具有一种芯一壳结构，它包含一芯和一壳(周围区域)，且基本上由Ti的碳氮化物和M的混合物组成，其中M是至少一种从Ta、Nb、V、W和Zr中选出的金属。此外金属粘结相包含W-Ni-Co合金，该W-Ni-Co合金含有
钨(W)：以重量计15％-35％
镍(Ni)：以重量计10％-35％
钴(Co)：以重量计35％-70％，
在高送进速度切削中，端铣刀采用具有减小的0.02-0.08mm珩磨宽度的修光刃，该宽度能保持满意的切削表面粗糙度，该修光刃具有明显的抗塑性变形能力，因此基本不会发生不均匀的磨损。所以，长时间内可保持优良的切削性能且有满意的切削表面粗糙度。
当镶嵌刀片以65°至75°的减小的刃线角和15°至30°的轴向前角，也就是相对于切削面的相对小的倾角安装在端铣刀的环形刀体上且当进行高送进速度切削时，在该镶嵌刀片的切削刃部分没有缺陷或剥落，且长时间内保持优良的切削性能。
当通过化学气相沉积和/或物理气相沉积在端面切削镶嵌刀片的金属陶瓷基体表面涂敷厚度为0.5至10μm的硬质涂层时，在高送进速度切削过程中镶嵌刀片有显著的抗塑性变形能力，因此基本不发生不均匀的磨损。所以长时间内可保持优良的切削性能且有满意的切削表面粗糙度。
本发明已经基于上述结果而实现。
一种金属陶瓷，其组织包含一碳氮化物硬质相、一金属粘结相和附带的杂质，其特征在于该金属粘结相包含Co-Ni-W合金，该Co-Ni-W合金含有
钨(W)：以重量计15％-35％
镍(Ni)：以重量计10％-35％
钴(Co)：以重量计35％-70％，
其中钨、镍和钴的总量以重量计至少90％。
而且，根据该金属陶瓷横截面的显微组织观测该金属陶瓷的特征在于，其组织包含75％至95％面积的碳氮化物硬质相，其余为金属粘结相和附带的杂质的组织。
此外，该金属陶瓷的特征在于该碳氮化物硬质相具有一种芯一壳结构，它包含一芯和一壳(周围区域)，且基本上由Ti的碳氮化物和M的混合物组成，其中M是至少一种从Ta、Nb、V、W和Zr中选出的金属。
在采用上述金属陶瓷的用于端面铣削的切削镶嵌刀片中，该切削镶嵌刀片具有一主切削刃和一端切削刃(face cutting edge)，主切削刃的珩磨宽度在0.10至0.25mm范围内，修光刃的珩磨宽度为0.02至0.08mm。许多切削镶嵌刀片可分离地安装在环形刀体的前面。这种金属陶瓷镶嵌刀片不会形成粗糙的切削表面且在高送进速度切削中显示出较高的耐磨性。
在包括一环形刀体和上述切削镶嵌刀片的端铣刀上，切削刃部分的齿面和侧面所限定的角为65°至75°且该切削镶嵌刀片以15°至30°的轴向前角安装在环形刀体上。
该切削镶嵌刀片上覆盖有一层硬质涂层，该涂层由化学气相沉积工艺和物理气相沉积工艺中的至少一种工艺形成且平均厚度为0.5至10μm。
在上述切削镶嵌刀片上，硬质涂层由至少一层由Ti和Al中至少一种元素的氮化物、碳化物、氧化物和碳氮化物组成的涂层组成。
现在将描述构成本发明的刀具镶嵌刀片的金属陶瓷的成分限制原因。
(a)金属陶瓷碳氮化物硬质相的比例
当金属陶瓷硬质相的比例以面积计小于75％时，金属粘结相相对较足，因此不能得到所希望的耐磨性。当比例以面积计超过95％时，烧结能力恶化，因此不能获得所希望的强度。所以比例设定为以面积计75％至95％。
(b)金属陶瓷金属粘结相的成分
成分W显著提高金属粘结相的抗塑性变形能力。在成分W以重量计小于15％时，抗塑性变形能力不能提高到所希望的水平。在以重量计大于35％时，金属粘结相的韧性下降，因此在切削刃部分容易发生缺陷和剥落(微缺陷)。所以，成分W以重量计设定为15％至35％。
成分Ni提高对碳氮化物硬质相的润湿性因而提高了抗剥落性。在成分Ni以重量计小于10％时，抗剥落性不能提高到所希望的水平。在以重量计大于35％时，金属粘结相的强度和抗塑性变形能力下降而容易磨损。因此，成分Ni以重量计设定为10％至35％。
成分Co提高烧结能力因而提高了铣削镶嵌刀片的强度。在成分Co以重量计小于35％时，强度不能提高到所希望的水平。在以重量计大于70％时，抗塑性变形能力趋于下降。因此，成分Co以重量计设定为35％至70％。
当W、Ni和Co的总量以重量计小于90％时，金属粘结相的强度迅速下降，因此在切削刃部分容易发生缺陷和剥落。所以，W、Ni和Co的总量以重量计设定为90％或更高。
(c)珩磨宽度
珩磨用来提高切削刃的稳定性，且修光刃的珩磨宽度最好是减小，以便改进被切削工件的表面粗糙度。因为在金属粘结相中的成分W显著提高了粘结相的抗塑性变形能力，当切削刃部分尤其是修光刃的珩磨宽度减小到0.08mm或更小时，在高送进速度切削中不会发生导致不均匀磨损的塑性变形。当修光刃的珩磨宽度小于0.02mm时，切削刃的稳定性下降，导致缺陷和剥落。当珩磨宽度超过0.08mm时，切削工件的表面粗糙度下降。因此，修光刃的珩磨宽度设定为0.02至0.08mm。主切削刃的珩磨宽度在常规范围内，也就是0.10至0.25mm。
(d)端铣刀的轴向前角和刃线角
在本发明的端铣刀上，当在高送进速度、高速切削条件下进行铣削时，该镶嵌刀片的刃线角和由安装的镶嵌刀片和刀体所限定的轴向前角必然确定。当镶嵌刀片的刃线角超过75°或当轴向前角小于15°(这些是常规镶嵌刀片的值)，不能进行高送进速度的高速切割。当镶嵌刀片的刃线角小于65°或当轴向前角超过30°时，在高送进速度的高速切削中镶嵌刀片的切削刃部分易于产生缺陷。
(e)硬质涂层
硬质涂层至少包括一层Ti和/或Al的氮化物、碳化物、氧化物和碳氮化物。当其平均厚度小于0.5μm时，不能确保所希望的耐磨性。当平均厚度超过10μm时，在切削刃上容易产生缺陷和剥落。因此，平均厚度设定为0.5至10μm。
现在将参照下述实施例详细描述本发明的端铣刀。
实施例1
对于形成硬质相的粉末状原材料，以预定的平均粒度在1至2μm之间来准备一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Ta0.1)C0.7N0.3的Ti和Ta的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Nb0.1)C0.7N0.3的Ti和Nb的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Zr0.1)C0.5N0.5的Ti、Ta和Zr的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为TiC0.5N0.5的Ti的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7W0.2Nb0.1)C0.4N0.6的Ti、W和Nb的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9V0.1)C0.6N0.4的Ti和V的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8V0.1Zr0.1)C0.7N0.3的Ti、V和Zr的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Zr0.3)C0.5N0.5的Ti和Zr的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Nb0.1)C0.7N0.3的Ti、Ta和Nb的碳氮化物的粉末状混合物，一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Ta0.1V0.1W0.1)C0.6N0.4的Ti、Ta、V和W的碳氮化物的粉末状混合物。且以平均粒度在1至2μm范围内准备TiN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、Nbc粉末和WC粉末。对于形成粘结相的粉末状原材料，准备W粉末、Ni粉末和Co粉末。这些粉末状粘结材料的平均粒度在1至2μm的范围内。
这些原材料在表1和2所示的组成基础上混合，并在球磨机中湿式混合72小时。每种混合物都在15kgf/mm2的压力下干燥和模压，以形成一压坯。该压坯在一真空环境下以2℃/min的加热速度加热到1500℃，在减小的压力为10乇的氮气气氛中在1500℃保持1小时进行烧结，然后冷却。每一切削刃部分的主切削刃和修光刃都要经过表3或4所示的珩磨，其中主切削刃的珩磨宽度为一普通值，而修光刃的珩磨宽度小于普通值。因此制备了本发明的用于端铣工具的铣削镶嵌刀片(类型1至10)和用于对比的铣削镶嵌刀片类型1至10。每一铣削镶嵌刀片具有SEEN1203AFTN1(刃线角：70°)的形状。
在用于对比的铣削镶嵌刀片(类型1至10)中，在每种金属陶瓷的粘结相中W的含量以重量计为7％或更低或者该粘结相不含W。
通过电子扫描显微镜观察到每一铣削镶嵌刀片的任意横截面的组织，且通过采用一种图像分析仪从观测到的图像确定组织中具有芯一壳结构的硬质相比例，如表3和4中所示。
在构成镶嵌刀片的金属陶瓷的粘结相中以重量计的W、Ni和Co含量通过湿法分析工艺而确定，如表3和4中所示。
每种类型的一个铣削镶嵌刀片用螺栓固定在端面直径为200mm的刀具前面，如图1(a)所示形成轴向前角为20°的端铣刀，且在下述状态下采用该端铣刀使碳钢经受干燥的、高速送进的铣削测试，来确定直到刀具到达其使用寿命终点的切削持续时间：
被切削工件：日本工业标准(JIS)S45C板
切削速度：250m/min
切削深度：2.5mm
送进速度：0.4mm/齿
从切削开始一分钟后测量切削工件的表面粗糙度。表面粗糙度Rz在1.9-2.8范围内，处于相当满意的水平。
表1至4中所示的结果表明，每种具有本发明的铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀在采用具有减小的0.02至0.08mm珩磨宽度的修光刃的高速送进切削中表现出较高的抗塑性变形能力，其中珩磨宽度较小是为了保持满意的切削表明粗糙度，且长时间内保持优良的切削性能，因为在该金属陶瓷的粘结相中有较高的W含量。相反，由于在采用具有减小的珩磨宽度的修光刃的高速送进切削中的塑性变形，每种具有用于对比的铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀表现出不均匀的磨损，且因为在该金属陶瓷的粘结相中不含有W或含有以重量计至多7％的W，这不足以保持所希望的抗塑性变形能力，而具有相对短的使用寿命。
表1
| 类型 | 成分(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氮化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的金属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 本发明的铣削镶嵌刀片 | 1 | (Ti，Ta)CN：65 | 5 | 1 | 12 | - | - | 2 | 3 | 2 |
| 2 | (Ti，Nb)CN：78 | - | - | - | 6 | - | 3 | 5 | 1 | |
| 3 | (Ti，Ta，Zr)CN：58 | 2 | 3 | 11 | - | - | 3 | 4 | 4 | |
| 4 | TiCN：61 | 9 | - | - | 8 | 9 | 2 | 9 | 2 | |
| 5 | (Ti，W，Nb)CN：54 | 11 | 5 | - | 4 | - | 3 | 8 | 5 | |
| 6 | (Ti，V)CN：62 | - | 2 | 8 | - | - | 3 | 14 | 2 | |
| 7 | (Ti，V，Zr)CN：55 | 8 | - | - | 10 | 4 | 4 | 12 | 6 | |
| 8 | (Ti，V，Zr)CN：47 | 5 | 4 | 10 | 8 | - | 5 | 15 | 6 | |
| 9 | (Ti，Ta，Nb)CN：53 | 4 | 3 | 6 | 7 | - | 5 | 16 | 6 | |
| 10 | (Ti，Ta，V，W)CN：54 | 3 | 1 | 8 | 5 | - | 6 | 16 | 7 | |
表2
| 类型 | 成分(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氮化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的金属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 对比的铣削镶嵌刀片 | 1 | (Ti，Ta)CN：65 | 5 | 1 | 12 | - | - | - | 4 | 3 |
| 2 | (Ti，Nb)CN：78 | - | - | - | 6 | - | - | 7 | 2 | |
| 3 | (Ti，Ta，Zr)CN：58 | 2 | 3 | 11 | - | - | - | 5 | 6 | |
| 4 | TiCN：61 | 9 | - | - | 8 | 9 | - | 10 | 3 | |
| 5 | (Ti，W，Nb)CN：54 | 11 | 5 | - | 4 | - | - | 9 | 7 | |
| 6 | (Ti，V)CN：62 | - | 2 | 8 | - | - | - | 16 | 4 | |
| 7 | (Ti，V，Zr)CN：55 | 8 | - | - | 10 | 4 | - | 15 | 8 | |
| 8 | (Ti，V，Zr)CN：47 | 5 | 4 | 10 | 8 | - | - | 18 | 8 | |
| 9 | (Ti，Ta，Nb)CN：53 | 4 | 3 | 6 | 7 | - | - | 19 | 8 | |
| 10 | (Ti，Ta，V，W)CN：54 | 3 | 1 | 8 | 5 | - | - | 19 | 10 | |
表3
表4
| 类型 | 珩磨宽度(mm) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重量百分比) | 切削时间(min) | ||||
| 主切削刃 | 修光刃 | W | Ni | Co | ||||
| 本发明的铣削镶嵌刀片 | 1 | 0.25 | 0.05 | 95 | 26 | 28 | 45 | 12.0 |
| 2 | 0.20 | 0.03 | 93 | 35 | 12 | 52 | 10.0 | |
| 3 | 0.18 | 0.08 | 92 | 26 | 35 | 35 | 8.5 | |
| 4 | 0.12 | 0.04 | 90 | 15 | 14 | 70 | 7.8 | |
| 5 | 0.11 | 0.02 | 87 | 18 | 32 | 50 | 6.9 | |
| 6 | 0.10 | 0.08 | 84 | 20 | 10 | 70 | 5.9 | |
| 7 | 0.13 | 0.05 | 81 | 19 | 27 | 52 | 4.6 | |
| 8 | 0.12 | 0.04 | 78 | 19 | 22 | 58 | 4.0 | |
| 9 | 0.17 | 0.06 | 76 | 18 | 23 | 57 | 3.5 | |
| 10 | 0.20 | 0.03 | 76 | 21 | 24 | 53 | 3.0 | |
| 类型 | 珩磨宽度(mm) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重景百分比) | 切削时间(min) | ||||
| 主切削刃 | 修光刃 | W | Ni | Co | ||||
| 对比的铣削镶限刀片 | 1 | 0.25 | 0.05 | 95 | - | 43 | 55 | 2.0 |
| 2 | 0.20 | 0.03 | 94 | - | 22 | 74 | 1.9 | |
| 3 | 0.18 | 0.08 | 93 | - | 55 | 42 | 1.7 | |
| 4 | 0.12 | 0.04 | 90 | 2 | 21 | 75 | 1.5 | |
| 5 | 0.11 | 0.02 | 87 | - | 44 | 53 | 1.3 | |
| 6 | 0.10 | 0.08 | 83 | - | 20 | 75 | 1.2 | |
| 7 | 0.13 | 0.05 | 81 | 3 | 31 | 62 | 1.1 | |
| 8 | 0.12 | 0.04 | 79 | - | 31 | 65 | 0.8 | |
| 9 | 0.17 | 0.06 | 77 | - | 30 | 68 | 0.6 | |
| 10 | 0.20 | 0.03 | 75 | - | 34 | 63 | 0.5 | |
实施例2
对于形成硬质相的粉末状原材料，以预定的平均粒度在1至2μm范围内来准备一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Ta0.1)C0.7N0.3的Ti和Ta的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Nb0.1)C0.7N0.3的Ti和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Zr0.1)C0.5N0.5的Ti、Ta和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为TiC0.5N0.5的Ti的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7W0.2Nb0.1)C0.4N0.6的Ti、W和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9V0.1)C0.6N0.4的Ti和V的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8V0.1Zr0.1)C0.7N0.3的Ti、V和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Zr0.3)C0.5N0.5的Ti和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Nb0.1)C0.7N0.3的Ti、Ta和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Ta0.1V0.1W0.1)C0.6N0.4的Ti、Ta、V和W的碳氮化物的粉末状混合物。且以平均粒度在1至2μm范围内准备TiN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、Nbc粉末和WC粉末。对于形成粘结相的粉末状原材料，准备W粉末、Ni粉末和Co粉末。这些粉末状粘结材料的平均粒度在1至2μm的范围内。
这些原材料在表5和6所示的组成基础上混合，并在球磨机中湿式混合72小时。每种混合物都在15kgf/mm2的压力下干燥和模压，以形成一压坯。该压坯在一真空环境下以2℃/min的加热速度加热到1550℃，在减小的压力为5乇的氮气气氛中在1550℃保持1.5小时进行烧结，然后冷却。每一切削刃部分的主切削刃和修光刃都要经过珩磨，从而主切削刃和修光刃的珩磨宽度分别为0.20mm和0.15mm。因此制备了本发明的用于端铣刀的铣削镶嵌刀片(类型1至10)和用于对比的铣削镶嵌刀片。每一铣削镶嵌刀片具有SEEN1203AFTN1的形状且刃线角如表7和8所示。
在用于对比的铣削镶嵌刀片(类型1至10)中，粘结相中含有以重量计为7％或更低的W或者不含W。
通过电子扫描显微镜观察到每一铣削镶嵌刀片的任意横截面的组织，采用一种图像分析仪从观测到的图像中确定组织中具有芯一壳结构的硬质相比例，如表7和8中所示。
在构成该镶嵌刀片的金属陶瓷的粘结相中以重量计的W、Ni和Co的含量通过湿法分析工艺而确定，如表7和8中所示。
每种类型的十个铣削镶嵌刀片用螺栓固定在端面直径为200mm的刀具前面，如图1(a)所示形成端铣刀，且在下述状态下采用该端铣刀使合金钢经受干燥的、高速送进的铣削测试，来确定侧面磨损的最大宽度：
被切削工件：日本工业标准(JIS)SCM440板
切削速度：350m/min
切削深度：2mm
送进速度：0.4mm/齿
时间：20分钟
十个宽度的平均值在表7和8中示出。
表5至8中所示的结果表明，每种具有本发明铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀在镶嵌刀片的刃线角度较低、镶嵌刀片对刀具本体的轴向前角相对较低的高速送进切削中没有产生缺陷，也没有在切削刃部分剥落，并保持了优良的切削性能，因为在构成该镶嵌刀片的金属陶瓷的硬质相是特定的，且该金属陶瓷的粘结相中有较高的W含量。相反，每种具有用于对比的铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀表现出不良的耐热性和不良的抗塑性变形能力，且在高温下不能保持粘结相的理想强度，尽管该金属陶瓷具有与本发明镶嵌刀片相同类型的硬磁相，因为在该金属陶瓷的粘结相中不含有W或含有以重量计至多7％的W。结果，在切削刃部分产生缺陷和剥落，而该镶嵌刀片的使用寿命相对较短。
表5
| 类型 | 成分(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氮化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的金属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 本发明的铣削镶嵌刀片 | 1 | TiCN：78 | 4 | - | 11 | - | - | 2 | 4 | 1 |
| 2 | (Ti，V)CN：77 | - | 1 | - | 12 | - | 3 | 4 | 3 | |
| 3 | (Ti，Nb)CN：61 | 3 | 2 | 13 | - | 11 | 3 | 5 | 2 | |
| 4 | (Ti，Ta)CN：34，TiCN：30 | 8 | 4 | - | 11 | - | 2 | 8 | 3 | |
| 5 | (Ti，Nb)CN：54 | 12 | 5 | 9 | 4 | - | 4 | 7 | 5 | |
| 6 | (Ti，Zr)CN：67 | - | - | 8 | 6 | - | 4 | 13 | 2 | |
| 7 | (Ti，Ta，Zr)CN：45 | 7 | 2 | 7 | 4 | 12 | 4 | 11 | 8 | |
| 8 | (Ti，W，Nb)CN：54 | 6 | - | 9 | 5 | - | 5 | 16 | 5 | |
| 9 | (Ti，Ta)CN：54 | 4 | 3 | - | 12 | - | 4 | 17 | 6 | |
| 10 | (Ti，Ta，V，W)CN：49 | 3 | 4 | 11 | - | 4 | 10 | 12 | 7 | |
表6
| 类型 | 成分(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氮化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的金属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 对比的铣削镶嵌刀片 | 1 | TiCN：78 | 4 | - | 11 | - | - | - | 5 | 2 |
| 2 | (Ti，V)CN：77 | - | 1 | - | 12 | - | - | 6 | 4 | |
| 3 | (Ti，Nb)CN：61 | 3 | 2 | 13 | - | 11 | - | 6 | 4 | |
| 4 | (Ti，Ta)CN：34，TiCN：30 | 8 | 4 | - | 11 | - | - | 9 | 4 | |
| 5 | (Ti，Nb)CN：54 | 12 | 5 | 9 | 4 | - | - | 9 | 7 | |
| 6 | (Ti，Zr)CN：67 | - | - | 8 | 6 | - | - | 15 | 4 | |
| 7 | (Ti，Ta，Zr)CN：45 | 7 | 2 | 7 | 4 | 12 | - | 13 | 10 | |
| 8 | (Ti，W，Nb)CN：54 | 6 | - | 9 | 5 | - | - | 19 | 7 | |
| 9 | (Ti，Ta)CN：54 | 4 | 3 | - | 12 | - | - | 19 | 8 | |
| 10 | (Ti，Ta，V，W)CN：49 | 3 | 4 | 11 | - | 4 | - | 17 | 12 | |
表7
| 类型 | 镶嵌刀片的刃线角(℃) | 轴向前角(℃) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重量百分比) | 侧面磨损的平均宽度(min) | |||
| W | Ni | Co | ||||||
| 本发明的铣削镶嵌刀片 | 1 | 70 | 20 | 95 | 28 | 13 | 57 | 0.08 |
| 2 | 75 | 15 | 92 | 29 | 28 | 35 | 0.09 | |
| 3 | 70 | 20 | 90 | 26 | 26 | 42 | 0.11 | |
| 4 | 75 | 15 | 88 | 15 | 21 | 60 | O.13 | |
| 5 | 65 | 25 | 85 | 25 | 30 | 41 | 0.16 | |
| 6 | 70 | 25 | 83 | 22 | 10 | 66 | 0.19 | |
| 7 | 70 | 25 | 81 | 18 | 35 | 45 | 0.21 | |
| 8 | 75 | 15 | 79 | 18 | 16 | 60 | 0.23 | |
| 9 | 70 | 20 | 77 | 16 | 21 | 61 | 0.24 | |
| 10 | 65 | 30 | 75 | 35 | 23 | 39 | 0.25 | |
表8
| 类型 | 镶嵌刀片的刃线角(℃) | 轴向前角(℃) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重量百分比) | 切削测试结果(使用寿命) | |||
| W | Ni | Co | ||||||
| 对比的铣削镶嵌刀片 | 1 | 70 | 20 | 95 | - | 26 | 70 | 1min |
| 2 | 75 | 15 | 93 | - | 38 | 58 | 3min | |
| 3 | 70 | 20 | 91 | 3 | 39 | 58 | 5min | |
| 4 | 75 | 15 | 89 | - | 26 | 68 | 6min | |
| 5 | 65 | 25 | 85 | - | 42 | 53 | 7min | |
| 6 | 70 | 25 | 82 | - | 19 | 77 | 8min | |
| 7 | 70 | 25 | 80 | 4 | 40 | 55 | 10min | |
| 8 | 75 | 15 | 80 | - | 24 | 70 | 10min | |
| 9 | 70 | 20 | 78 | - | 28 | 68 | 13min | |
| 10 | 65 | 30 | 75 | 3 | 38 | 57 | 14min | |
实施例3
对于形成硬质相的粉末状原材料，以预定的平均粒度在1至2μm范围内来准备一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Ta0.1)C0.7N0.3的Ti和Ta的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9Nb0.1)C0.7N0.3的Ti和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Zr0.1)C0.5N0.5的Ti、Ta和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为TiC0.5N0.5的Ti的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7W0.2Nb0.1)C0.4N0.6的Ti、W和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.9V0.1)C0.6N0.4的Ti和V的碳氮化物的粉术状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8V0.1Zr0.1)C0.7N0.3的Ti、V和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Zr0.3)C0.5N0.5的Ti和Zr的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.8Ta0.1Nb0.1)C0.7N0.3的Ti、Ta和Nb的碳氮化物的粉末状混合物、一种具有以原子百分比计成分为(Ti0.7Ta0.1V0.1W0.1)C0.6N0.4的Ti、Ta、V和W的碳氮化物的粉末状混合物。且以平均粒度在1至2um范围内准备TiN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、Nbc粉末和WC粉末。对于形成粘结相的粉末状原材料，准备W粉末、Ni粉末和Co粉末。这些粉末状粘结材料的平均粒度在1至2μm的范围内。
这些原材料在表9和10所示的组成基础上混合，并在球磨机中湿式混合72小时。每种混合物都在15kgf/mm2的压力下干燥和模压，以形成一压坯。该压坯在真空环境下以2℃/min的加热速度加热到1550℃，在减小的压力为5乇的氮气气氛中在1550℃保持1.5小时进行烧结，然后冷却。每一切削刃部分的主切削刃和修光刃都要经过如表11和12所示的珩磨，其中主切削刃的珩磨宽度是一普通值，而平切削刃的珩磨宽度小于该普通值。因此制备了本发明的用于端铣刀的金属陶瓷基体(类型A至J)和用于对比的铣削镶嵌刀片(类型a至j)。每一金属陶瓷基体具有SEEN1203AFTN1的形状。
在用于对比的金属陶瓷基体(类型a至j)中，粘结相中含有以重量计为7％或更低的W或者不含W。
每一金属陶瓷基体的任意横截面的组织通过电子扫描显微镜观察，且组织中具有芯一壳结构的硬质相比例采用图像分析仪从观测到的图像中确定，如表11和12中所示。
在金属陶瓷基体的粘结相中以重量计的W、Ni和Co的含量通过湿法分析工艺而确定，如表11和12中所示。
这些金属陶瓷基体(本发明的类型A至J和用于对比的a至j)在丙酮中进行超声波清洗，干燥，并通过表13和14中所示的方法涂敷。一层具有表13或14中示出的设定成分和厚度的硬质涂层在每一金属涂层基体上形成。因此制备出用于端铣刀的本发明的涂层镶嵌刀片(类型1至10)和用于对比的涂层镶嵌刀片(类型1至10)。
每一涂层镶嵌刀片的硬质涂层的横截面通过电子扫描显微镜进行观测，确定其成分和平均厚度。该成分和平均厚度基本上等于表13和14中示出的设定的成分和平均厚度。
每种类型的一个铣削镶嵌刀片用螺栓固定在端面直径为200mm的刀具的前面，如图1(a)所示形成端铣刀，且在下述状态下采用该端铣刀使合金钢经受干燥的、高速送进的铣削测试，来确定直到刀具到达其使用寿命的切削持续时间：
被切削工件：日本工业标准(JIS)SNCM439板
切削速度：350m/min
切削深度：1.5mm
送进速度：0.5mm/齿
从切削开始一分钟之后测量切削工件的表面粗糙度。表面粗糙度Rz在1.9-2.8范围内，处于相当满意的水平。
表9至14中所示的结果表明，每种具有本发明铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀在采用具有减小的0.02至0.08mm珩磨宽度的平切削刃的高速送进切削中表现出较高的抗塑性变形能力，其中珩磨宽度较小是为了保持满意的切削表明粗糙度，且长时间内保持了优良的切削性能，因为在该金属陶瓷的粘结相中有较高的W含量。相反，每种具有用于对比的铣削镶嵌刀片(类型1至10)的端铣刀，在采用具有减小的珩磨宽度的平切削刃的高速送进切削中由于塑性变形表现出不均匀的磨损，而具有相对短的使用寿命，因为在该金属陶瓷的粘结相中不含有W或含有以重量计至多7％的W，这不足以保持所希望的抗塑性变形能力。
表9
| 类型 | 成分(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氟化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的余属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 金属陶瓷基体 | A | TiCN：78 | 4 | - | 11 | - | - | 2 | 4 | 1 |
| B | (Ti，V)CN：77 | - | 1 | - | 12 | - | 3 | 4 | 3 | |
| C | (Ti，Nb)CN：61 | 3 | 2 | 13 | - | 11 | 3 | 5 | 2 | |
| D | (Ti，Ta)CN：64 | 8 | 4 | - | 11 | - | 2 | 8 | 3 | |
| E | (Ti，Nb)CN：54 | 12 | 5 | 9 | 4 | - | 4 | 7 | 5 | |
| F | (Ti．Zr)CN：37，TiCN：30 | - | - | 8 | 6 | - | 4 | 13 | 2 | |
| G | (Ti，Ta，2r)CN：45 | 7 | 2 | 7 | 4 | 12 | 4 | 11 | 8 | |
| H | (Ti，W，Nb)CN：54 | 6 | - | 9 | 5 | - | 5 | 16 | 5 | |
| I | (Ti，Ta)CN：54 | 4 | 3 | - | 12 | - | 4 | 17 | 6 | |
| J | (Ti，Ta，V，W)CN：49 | 3 | 4 | 11 | - | 4 | 10 | 12 | 7 | |
表10
| 类型 | 成份(重量百分比) | |||||||||
| 作为硬质相的碳氮化物的混合物 | 作为硬质相的氮化物和碳化物 | 作为粘结相的金属 | ||||||||
| TiN | ZrC | TaC | NbC | WC | W | Co | Ni | |||
| 金属陶瓷基体 | a | TiCN：78 | 4 | - | 11 | - | - | - | 5 | 2 |
| h | (Ti，V)CN：77 | - | 1 | - | 12 | - | - | 6 | 4 | |
| c | (Ti，Nb)CN：61 | 3 | 2 | 13 | - | 11 | - | 6 | 4 | |
| d | (Ti，Ta)CN：64 | 8 | 4 | - | 11 | - | - | 9 | 4 | |
| e | (Ti，Nb)CN：54 | 12 | 5 | 9 | 4 | - | - | 9 | 7 | |
| f | (Ti，Zr)CN：37，TiCN：30 | - | - | 8 | 6 | - | - | 15 | 4 | |
| g | (Ti，Ta，Zr)CN：45 | 7 | 2 | 7 | 4 | 12 | - | 13 | 10 | |
| h | (Ti．W，Nb)CN：54 | 6 | - | 9 | 5 | - | - | 19 | 7 | |
| i | (Ti，Ta)CN：54 | 4 | 3 | - | 12 | - | - | 19 | 8 | |
| j | (Ti，Ta，V，W)CN：49 | 3 | 4 | 11 | - | 4 | - | 17 | 12 | |
表11
| 类型 | 珩磨宽度(mm) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重量百分比) | ||||
| 主切削刃 | 修光刃 | W | Ni | Co | |||
| 金属陶瓷基体 | A | 0.25 | 0.05 | 95 | 28 | 13 | 57 |
| B | 0.20 | 0.07 | 92 | 29 | 28 | 35 | |
| C | 0.12 | 0.03 | 90 | 26 | 26 | 42 | |
| D | 0.18 | 0.08 | 88 | 15 | 21 | 60 | |
| E | 0.10 | 0.06 | 85 | 25 | 30 | 41 | |
| F | 0.13 | 0.04 | 83 | 22 | 10 | 66 | |
| G | 0.17 | 0.05 | 81 | 18 | 35 | 45 | |
| H | 0.20 | 0.07 | 79 | 18 | 16 | 60 | |
| I | 0.19 | 0.03 | 77 | 16 | 21 | 61 | |
| J | 0.14 | 0.05 | 75 | 35 | 23 | 39 | |
表12
| 类型 | 珩磨宽度(mm) | 硬质相的比例(面积百分比) | 粘结相(重量百分比) | ||||
| 主切削刃 | 修光刃 | W | Ni | Co | |||
| 金属陶瓷基体 | a | 0.25 | 0.05 | 95 | - | 26 | 70 |
| b | 0.20 | 0.07 | 93 | - | 38 | 58 | |
| c | 0.12 | 0.03 | 91 | 3 | 39 | 58 | |
| d | 0.18 | 0.08 | 89 | - | 26 | 68 | |
| e | 0.10 | 0.06 | 85 | - | 42 | 53 | |
| f | 0.13 | 0.04 | 82 | - | 19 | 77 | |
| g | 0.17 | 0.05 | 80 | 4 | 40 | 55 | |
| h | 0.20 | 0.07 | 80 | - | 24 | 70 | |
| i | 0.19 | 0.03 | 78 | - | 28 | 68 | |
| j | 0.14 | 0.05 | 75 | 3 | 38 | 57 | |
表13
| 类型 | 金属陶瓷基体类型 | 硬质涂层(设计厚度：μm) | 涂敷方法 | 切削时间(min) | ||||
| 第一层 | 第二层 | 第三层 | 第四层 | |||||
| 本发明的涂层铣削镶嵌刀片 | 1 | A | TiN(0.5) | - | - | - | PVD | 11 |
| 2 | B | TiN(3.5) | - | - | - | PVD | 12 | |
| 3 | C | TiC(1.5) | TiN(1.0) | - | - | PVD | 11 | |
| 4 | D | TiCN(1.0) | TiN(2.0) | - | - | PVD | 10 | |
| 5 | E | TiCN(1.0) | TiC(0.5) | - | - | PVD | 9 | |
| 6 | F | TiN(0.5) | (Ti，Al)N(3.0) | TiN(1.0) | - | PVD | 8 | |
| 7 | G | TiCN(1.0) | TiN(3.0) | (Ti，Al)N(1.0) | - | PVD | 9 | |
| 8 | H | TiC(3.0) | TiCN(2.5) | TiN(2.0) | - | PVD | 10 | |
| 9 | I | TiN(0.5) | TiC(5.0) | Al2O3(3.0) | TiN(1.0) | CVD | 11 | |
| 10 | J | TiN(1.0) | TiCN(2.5) | Al2O3(3.0) | - | CVD | 9 | |
表14
| 类型 | 金属陶瓷基体类型 | 硬质涂层(设计厚度：μm) | 涂敷方法 | 切削时间(min) | ||||
| 第一层 | 第二层 | 第三层 | 第四层 | |||||
| 对比的涂层铣削镶嵌刀片 | 1 | a | 见表13中的类型1 | PVD | 3 | |||
| 2 | b | 见表13中的类型2 | PVD | 2 | ||||
| 3 | c | 见表13中的类型3 | PVD | 5 | ||||
| 4 | d | 见表13中的类型4 | PVD | 4 | ||||
| 5 | e | 见表13中的类型5 | PVD | 3 | ||||
| 6 | f | 见表13中的类型6 | PVD | 2 | ||||
| 7 | g | 见表13中的类型7 | PVD | 4 | ||||
| 8 | h | 见表13中的类型8 | PVD | 3 | ||||
| 9 | i | 见表13中的类型9 | CVD | 2 | ||||
| 10 | j | 见表13中的类型10 | CVD | 1 | ||||
Claims (4)
1.一种用于端铣的金属陶瓷切削镶嵌刀片，它具有一主切削刃和一修光刃，主切削刃的珩磨宽度在0.10至0.25mm的范围内，修光刃的珩磨宽度为0.02至0.08mm，根据该金属陶瓷横截面的显微组织观测，其组织包含以面积计75％至95％的主要由钛组成的碳氮化物硬质相，其余为金属粘结相和附带的杂质，其中该硬质相具有一种芯-壳结构，它包含一芯和一壳，且基本上由Ti和M的碳氮化物组成，其中M是至少一种从由Ta、Nb、V、W和Zr组成的组中选出的金属，且金属粘结相包含W-Ni-Co合金，该W-Ni-Co合金含有：
钨(W)：以重量计15％-35％
镍(Ni)：以重量计10％-35％
钴(Co)：以重量计35％-70％，
其中钨、镍和钴的总量以重量计至少为90％。
2.根据权利要求1所述的切削镶嵌刀片，其特征在于该切削镶嵌刀片上覆盖有一层硬质涂层，该涂层由化学气相沉积工艺和物理气相沉积工艺中的至少一种工艺形成且平均厚度为0.5至10μm。
3.根据权利要求2所述的切削镶嵌刀片，其特征在于该硬质涂层包含至少一层由Ti和Al中至少一种元素的氮化物、碳化物、氧化物和碳氮化物组成的涂层。
4.一种包含一环形刀体和如权利要求1至3中任一项所述金属陶瓷切削镶嵌刀片的端铣刀，其中，切削刃部分的齿面和侧面所限定的角度为65°至75°，且该金属陶瓷切削镶嵌刀片以15°至30°的轴向前角安装在环形刀体上。
Applications Claiming Priority (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11097647A JP2000288820A (ja) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | 高送り切削で、切削面粗さの低下なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する正面フライス工具 |
| JP97647/1999 | 1999-04-05 | ||
| JP118013/1999 | 1999-04-26 | ||
| JP11801399A JP2000308915A (ja) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | 高送り切削で、切削面粗さの低下なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する正面フライス工具 |
| JP11204083A JP2001030108A (ja) | 1999-07-19 | 1999-07-19 | 高送り高速切削でスローアウエイチップがすぐれた耐欠損性を発揮する正面フライス工具 |
| JP204083/1999 | 1999-07-19 |
Publications (2)
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