CN1134470A - 涂层切削刀片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特别适合干铣灰口铸铁的涂层刀片，其特征在于它包括WC—Co硬质合金基体和包括含有柱状晶粒的TiCxNyO₂最里层和细晶粒α-Al₂O₃层的外层的涂层。

Description

涂层切削刀片

本发明涉及特别适合干铣灰口铸铁的涂层刀具(硬质合金刀片)。

一般来讲，灰口铸铁是一种可用硬质合金刀具容易加工的材料。通常，都能获得长的使用寿命。然而，铸铁的可切削性变化很大。由于材料中化学组成的细微变化可以导致刀具使用寿命的明显变化，而这种材料组成的变化可能是与所用铸造技术，如冷却条件有关。其它的影响因素有铸造表面和砂类夹杂物(如果有的话)，甚至用来切削材料的机器的稳定性也是一个影响因素。众所周知，铸铁的可切削性在一个批料和另一批料之间是有差别的。

人们一直期望在工业化大生产中有可靠和稳定的使用寿命的刀具，尤其在使用无人管理的生产中。

当用涂层铣刀来切削灰口铸铁时，切刀主要是通过所谓的粘着磨损机制而磨损。也就是说，在形成的加工工件切屑作用下，涂层及后来一部分硬质合金的碎块或晶粒会从切削刃上掉下。当沿切削刃及垂直切削刃方向形成有约50μm的裂纹时(通常称为梳形裂纹(comb cracks))，这种磨损机制还会加剧。这是由于所有铣削通常都是间歇切削而引起的热疲劳的结果。因此，工业上硬质合金铣刀片通常都含有γ相，它是一种WC—TiC—TaC—NbC的固溶体，以减轻热作用磨损机制。

一旦涂层被磨掉，下面的硬质合金就会很快磨损。这将产生更大的切削力。经过一段时间，形成的梳形裂纹将会引起切削刃的严重崩裂，而损坏的刀具将产生差的加工表面或导致被切削件的碎裂。

主要为粘着磨损机制的切削加工对涂层和硬质合金均有很高的要求。人们期望硬质合金能够在尽可能长的时间内防止梳形裂纹的形成，而且涂层与硬质合金结合紧密。此外，还希望在切屑和涂层之间有低的粘着力，并且涂层有高的内部强度(粘结强度)，这点是很重要的。

现已惊奇地发现，在本文所指的基体的纯WC—Co硬质合金上面，形成第一层/内层主要由柱状晶粒的TiCxNyOz层构成的柱状晶粒涂层结构，并在外面形成柱状的织构细晶粒α—Al₂O₃层后，具有很高的性能，尤其在铣削铸铁的情况下。事实上，这种刀具比现有技术的刀具性能好得多。

图1是根据本发明的涂层刀片放大5000倍的显微照片，其中

A——基体

B——等轴晶粒的TiCxNyOz层

C——柱状晶粒的TiCxNyOz层

D——等轴或针状晶粒的TiCxNyOz层

E——柱状晶粒的(012)织构α—Al₂O₃层

根据本发明，提供了一种刀片，它有WC—Co组合物的硬质合金基体，组合物含有3—15，优选3—12，最优选5—8wt％Co，并且WC晶粒尺寸为1—2μm，优选约为1.5μm。此外，基体还可包括不超过2wt％的选自周期表中第IVb，Vb或VIb族金属的立方碳化物，如TiC、TaC和NbC。但是，纯WC＋Co组合物是优选的。

涂层包括

——第一层(最里层)TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，优选z＜0.5，其厚度为0.1—2μm，晶粒为小于0.5μm的等轴晶粒，

——第二层TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，优选z＝0，x＞0.3，y＞0.3，其厚度为2—10μm，最好4—7μm，晶粒是直径约＜5μm，优选＜2μm的柱状晶粒，

——第三层TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，z≤0.5，优选z＞0.1，其厚度为0.1—2μm，晶粒是尺寸≤0.5μm的等轴或针状晶粒，该层与最里层可以相同也可以不同，和

——一层厚度为2—10μm，优选3—6μm的光滑、有织构的细晶粒(粒径约1μm)α—Al₂O₃层作为外层，在0.25mm的测量长度内表面粗糙度(Ra)小于0.3μm。优选地，这层α—Al₂O₃是最外层，但它外面还可有别的层，例如现有技术中已知的薄(约0.1—1μm)的装饰层(如TiN层)。

此外，α—Al₂O₃层优选的晶体生长取向可以是(012)-，(104)—，或(110)—方向，优选为(012)—方向，织构方向是用X射线衍射(XRD)测定的。织构系数：TC定义如下： $\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}{\}}^{-1}$

其中

I(hkl)＝测得的(hkl)衍射峰强度

I0(hkl)＝ASTM标准粉末衍射数据中(hkl)的标准强度

n＝计算中所用衍射峰数目，所用的衍射峰有：(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)

根据本发明，对于(012)、(104)或(110)晶面族的TC大于1.3，优选大于1.5。

根据本发明的方法，WC—Co基基体通过以下步骤得以涂覆：

——使用已知的CVD方法涂覆第一层(最里层)TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，优选z＜0.5，其厚度为0.1—2μm，晶粒为尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，

——通过MTCVD技术(在700—900℃温度下用乙腈作碳源和氢源进行沉积)或高温CVD技术(1000—1100℃)沉积第二层TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，优选z＝0，x＞0.3，y＞0.3，其厚度为2—10μm，优选4—7μm，晶粒是直径约＜5μm，优选＜2μm的柱状晶粒，沉积工艺条件选择为能够生长柱状晶粒的层，即通常为高的工作压力(0.3—1巴)。但是，确切的条件由所用仪器的设计参数而定。

——使用已知的CVD方法，再沉积一层TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，z≤0.5，优选z＞0.1，其厚度为0.1—2μm，晶粒为尺寸≤0.5μm的等轴或针状晶粒，这层可以和最里层相同，也可以不同。

——根据瑞典专利501527或瑞典专利申请9304283—6或9400089—0沉积一层厚度为2—10μm，优选3—6μm的光滑织构的α—Al₂O₃外层，在0.25mm测量长度下表面粗糙度(Ra)小于0.3μm。

当希望得到z＞0的TiCxNyOz层时，向反应混合气体中加入CO₂和/或CO。

实施例1

A)使用MTCVD技术(工作温度850℃)，在组成为6％Co和平衡量的WC的TNEF1204AN—65型和SEKN1204AZ型硬质合金铣刀上沉积0.5μm厚的等轴晶粒TiCN层，再沉积一层5μm厚的柱状晶粒的TiCN层。在同一个涂覆周期的后续步骤中，沉积一层1μm厚的等轴晶粒的TiCxNyOz(约x＝0，6，y＝0.2和z＝0.2)层；然后根据瑞典专利501527中给出的条件沉积一层4μm厚的(012)织构的α—Al₂O₃层。XRD测量结果显示织构系数TC(012)为1.5。涂覆之后，通过湿法喷砂磨光刀片。

B)通过高温CVD技术(1020℃，工作压力400毫巴)在TNEF1204AN—65型硬质合金铣刀上涂覆一层1μm厚的等轴晶粒TiCN层，再沉积一层5μm厚的柱状晶粒的TiCN层。在同一涂覆周期的后续步骤中，沉积一层1μm厚的等轴晶粒的TiCxNyOz(约x＝0.6，y＝0.2和z＝0.2)层，再根据瑞典专利501527中给出的条件沉积一层4μm厚的(012)织构的α—Al₂O₃层。XRD测量结果显示织构系数TC(012)为1.6。涂覆之后，通过湿法喷砂磨光刀片。

C)按照A)中的步骤，涂覆组成为5.5％Co和8.5％立方碳化物及平衡量WC的TNEF1204AN-65型硬质合金铣刀。涂覆后，通过湿法喷砂磨光刀片。

D)根据现有技术，对由C)中同一批硬质合金铣刀涂履一层5μm厚的等轴晶粒TiCN层和4μm厚的Al₂O₃层，得到的层为粗晶粒α-Al₂O₃和细晶粒K—Al₂O₃的混合物。并用湿法喷砂磨光刀片。

实施例2如下进行由A)制得的刀片与两种对比刀片的对比试验：操作：用SANDVIK AUTO铣刀盘面铣，直径：250mm工件：特别设计的工件材料：SS0125(灰口铸铁HB＝205)切速：129m/min进给率：0.24mm/刀切深：2.0mm刀片类型：TWEF1204AN-65注：操作是在无冷却液的情况下进行(干铣)。

结果             刀具使用寿命，minA刀片(本发明)             40对比刀片1(现有技术)       20对比刀片2(现有技术)       25刀具使用寿命的判据是工件的出刀侧(exit side)出现崩裂。

实施例3按照如下条件进行刀片A)与另外两种对比刀片的铣削试验：操作：用SANDVIK145铣刀盘面铣，直径：63mm，工件：水轮机部件材料：SS0125(灰口铸铁HB＝220)切速：178m/min进给率：0.17mm/刀切深：2—3mm刀片型号：SEKN1204AZ

注：操作是在无冷却液的情况下进行(干铣)。

结果            刀具使用寿命，小时

A刀片(本发明)          24

对比刀片3(现有技术)    15

对比刀片4(现有技术)    16

刀片使用寿命的判据是表面光洁度。

实施例4

在铣操作中比较A)、C)和D)制成的刀片：

操作：用SANDVIK AUTO铣刀盘面铣，直径：250mm，

工件：马达机体(engine block)

材料：SS0125(GG26Cr)灰口铸铁

切速：120m/min

进给率：0.28mm/刀

切深：4—5mm

刀片型号：TNEF1204AN-65

注：操作是在无冷却液的情况下进行(干铣)。

所有刀片均铣868道，然后比较各刀片崩刃的情况。

结果            崩刃的程度

A(本发明)          无

C(仅改进涂层)      轻微

D(现有技术)        严重

结果显示了根据本发明涂层的有益效果，以及为获得最佳性能还需将涂层与WC/Co-碳化物基体相结合。

实施例5

在铣操作中比较A)、B)和D)制成的刀片：

操作：用SANDVIK AUTO铣刀盘面铣，直径：250mm，

工件：特别设计的试验件

材料：SS0125灰口铸铁，HB＝205

切速：129m/min

供给率：0.30mm/刀

切深：2mm

刀片类型：TNEF1204AN-65

注：操作是在无冷却液的情况下进行的(干铣)。

所有刀片均铣48道，再比较崩刃的情况。

结果            崩口的相对宽度

A(本发明)            0.3

B(本发明)            0.4

D(现有技术)          1.0

结果显示在实践中A)和B)的性能相当。唯一的不同是当沉积TiCN层时所用沉积温度不同。现有技术的刀片显示最大的磨损。

Claims (6)

1.包括基体和涂层的用于铣削灰口铸铁的刀片，其特征在于所述基体由WC，3—15重量％Co和≤2重量％选自周期表中第IVb、Vb或VIb族金属的碳化物组成，并且所述涂层包括

——第一层(最里层)TiCxNyOz层，其厚度为0.1—2μm，晶粒是尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，

——厚度为2—10μm的TiCxNyOz层，晶粒是直径约＜5μm的柱状晶粒，

——厚度为0.1—2μm的TiCxNyOz层，晶粒是尺寸≤0.5μm的等轴或针状晶粒，

——厚度为2—10μm的光滑、织构、细晶粒的α—Al₂O₃层的外层。

2.根据前述权利要求的刀片，其特征在于α—Al₂O₃层在(012)方向上有织构，并且织构系数TC(012)大于1.3。

3.根据权利要求1的刀片，其特征是α—Al₂O₃层在(104)方向上有织构，并且织构系数TC(104)大于1.3。

4.根据权利要求1的刀片，其特征是α—Al₂O₃层在(110)方向上有织构，并且织构系数TC(110)大于1.3。

5.根据前述权利要求的刀片，其特征在于它有一层0.1—1μm厚的TiN薄层作最外层。

6.制造包括基体和涂层的刀片的方法，其特征在于通过以下步骤涂覆WC—Co基基体：

——用已知的CVD方法沉积厚度为0.1—2μm的第一层(最里层)TiCxNyOz层，其晶粒是尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，

——使用MTCVD技术，其中用乙腈作为碳源和氢源以在700—900℃温度下形成沉积层，或使用高温CVD技术，沉积厚度2—10μm的TiCxNyOz层，其晶粒是直径约＜5μm的柱状晶粒，

——使用已知的CVD方法沉积厚度为0.1—2μm的一层TiCxNyOz层，其晶粒是尺寸≤0.5μm的等轴或针状晶粒，

——用已知CVD方法沉积厚度2—10μm的一层光滑有织构的α—Al₂O₃外层。