CN1194015A - 涂敷的车削刀片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在车削低合金钢锻造工件时特别有用的涂敷的车削刀片,其特征在于一种WC－Co烧结碳化物基体,该基体含有一个与钨高度融合的Co粘合相。其特征还在于一种涂层,该涂层最里层为TiCxNyOz柱状晶粒层,最外层为k－Al2O3细粒层。

Description

涂敷的车削刀片
本发明涉及一种涂敷的切削刀具(即烧结碳化物刀片)。这种刀具尤其在一些困难的切削条件下特别适用，例如在车削低合金钢冷热锻造工件如汽车工业中所用的齿环和齿轴时及在车削不锈钢工件如不锈钢棒，不锈钢管和不锈钢凸轮时。
一般来讲，不锈钢及低合金钢材料无论用涂敷的或无涂敷的的烧结碳化物刀具来加工都很困难，原因是工件材料常常会弄污刀口或使刀片涂层脱落。特别在湿环境下(用冷却剂时)车削低合金锻造工件时切削条件尤为苛刻，原因是热的锻造表层(0.05～0.2mm)通常会脱碳，因此主要为铁素体的结构会导致热的锻造表层比体相材料软。而冷的锻造表面(小于0.05mm)是经过冷加工过的，因此变形硬化效应使表层比体相材料硬。而且，这种材料的铁素体/珠层体体相结构常常形成铁素体条纹，如铁素体和珠层体形成的平行条纹。这种软硬材料的混合体使切削尤为困难。
再者，在用涂敷的烧结碳化物刀具车削不锈钢和低合金钢时，刀口常常会因为化学侵蚀、摩擦和所谓的粘性磨损而受到损坏。粘性磨损通常是限制刀具寿命的一种磨损。随着在加工件碎片的形成，当刀具层状结构中的碎片或颗粒从刀口脱落、随后引起烧结碳化物的部分剥落时，粘性磨损便发生了。还有，在进行湿车削时，另一种磨损机制会加速磨损。冷却剂和工件材料会渗透到涂层冷却时形成的裂缝中。这种渗透通常能引起工件材料及制冷剂与烧结碳化物之间的化学反应。Co粘合相还会在裂缝附近的区域及沿着涂层与烧结碳化物的界面氧化。一段时间后涂层就会一片一片地脱落。
瑞典专利申请9501286-0公开了一种特别适用于干磨灰铸铁的涂敷的车削刀片。该刀片特征在于一种纯粹的WC-Co烧结碳化物基体及一涂层，此涂层包括一层TiCxNyOz柱状晶粒层和一层作为外层的α相Al2O3细粒层。
瑞典专利9502640-7公开了一种特别适用于间歇车削低合金钢的涂敷的车削刀片。该刀片特征在于一种WC-Co烧结碳化物基体及一涂层，该烧结碳化物基体具有与W高度熔合的Co粘合相，所述的涂层包括一层TiCxNyOz柱状晶粒层和一层作为外层的α相Al2O3细粒、起纹理的层。
当将上述专利申请的有纹理的刀片的α相Al2O3用κ相Al2O3层替换时，我们惊异地发现得到了一种用于车削不锈钢及低合金钢锻造工件时具有出色性能的切削刀具。
图1是根据本发明的涂敷刀片放大5000倍后的显微镜图象，其中：
A----烧结碳化物基体
B----TiCxNyOz等轴晶粒层
C----TiCxNyOz柱状晶粒层
D----κ相Al2O3类柱状晶粒层
E----TiN层(任选)
根据本发明提供了一种车削刀具刀片，该刀片具有组成为5～11％(重量)、优选5～8％(重量)、最优选6.5～8％(重量)的Co，2～10％(重量)、优选4～7.5％(重量)、最优选5～7％(重量)的立方晶系金属碳化物，余量为WC的烧结碳化物基体，其中立方晶系金属碳化物中的金属元素选自元素周期表中的第四，第五或第六副族，优选Ti，Ta和/或Nb。WC的晶粒大小约为2μm，Co粘合相与W高度熔合，粘合相中的W含量可用下式表示：
CW比＝Ms/(Co％(重量)·0.0161)
式中Ms表示实测的烧结碳化物基体的饱和磁化强度，单位为kA/m；Co％(重量)为烧结碳化物中Co的重量百分数。CW比为在Co粘合相中W含量的函数。粘合相中W的含量高，CW比就小。
本发明已经发现，如果烧结碳化物基体的CW比为0.76～0.92，优选0.80～0.90，刀具的切削性能可以得到改进。烧结碳化物基体中可以含有少量如小于1％(体积)的η相(M6C)而不会导致坏影响。根据现有技术如美国专利4,610,931中所描述的，在一个优选的实施方案中，有一个约15～35μm厚的表面区域，该区域内通常缺少立方晶系碳化物，而且在粘合相中富集(通常会有高于25％的富集)。在这种情况下，烧结碳化物可含有碳氮化合物(carbonitride)或甚至氮化物。
涂层优选包含：
-一层厚度为0.1～2μm的TiCxNyOz等轴晶粒层，其中，x+y+z＝1，优选z小于0.5，晶粒尺寸小于0.5μm；
-一层厚度为3～15μm，优选5～8μm的TiCxNyOz柱状晶粒层，其中，x+y+z＝1，优选z等于0，且x大于0.3，y大于0.3，晶粒平均直径小于5μm，优选小于2μm。在另一个实施方案中，该层的外层部分可以含有氧，z小于0.5；
-一层平滑的Al2O3细粒层(晶粒尺寸为0.5～2μm)。该层中Al2O3基本上由κ相组成。但可以含有少量如1～3％(体积)的θ或α相，这些相可以通过XRD检测到。该Al2O3层厚度可为1-9μm，优选1-3μm或该层厚度为4～8μm且在10μm长的范围内表面粗糙度Rmax≤0.4μm。该Al2O3层最好为最外层，但还可以在该层上加上一薄层(厚度约为0.1-1μm)的装饰层如TiN层。
根据本发明的方法，在以WC-Co成分为基础、含有一个与W高度熔合、具有上述CW比的粘合相且优选具有一个在粘合相富集的表面区域的烧结碳化物基体上
-用已知的CVD方法涂上第一层(最里层)厚度为0.1～2μm的TiCxNyOz等轴晶粒层，其中，x+y+z＝1，优选z小于0.5，晶粒尺寸小于0.5μm；
-再用MTCVD技术沉积上一层厚度为3～15μm、优选5～8μm的TiCxNyOz柱状晶粒层(以乙腈作为C、N源、在700-900℃的温度下形成该层)，其中，x+y+z＝1，优选z等于0，或者z小于0.5，x大于0.3，y大于0.3，晶粒平均直径小于5μm，优选小于2μm。而具体的条件在一定程度上取决于所使用的设备的设计。
-再根据EP-A-523021所公开的条件，沉积上一层平滑的、主要由κ-Al2O3组成的Al2O3层作为外层。该Al2O3层的厚度为1～9μm、优选1～3μm或该层厚度为4～8μm且在10μm长的范围内表面粗糙度Rmax≤0.4μm。该平滑的涂层表面可以通过湿式喷砂法用Al2O3细粉(400～150目)轻柔地处理涂层表面或按瑞典专利9402543-4中所公开的方法用SiC刷子擦洗刀口而得到。实施例1：
A.型号为CNMG 120408-PM的烧结碳化物车削刀具刀片，其基体的组成为7.5％(重量)Co、1.8％(重量)TiC、0.5％(重量)TiN、3.0％(重量)TaC、0.4％(重量)NbC，余量为WC，该刀具基体具有一种与W高度熔合的粘合相，粘合相中CW比相当于0.88。在该刀具基体上涂一层0.5μm厚的TiCN等轴晶粒层(该层中氮的含量较高，C/N比估计为0.05)；再用MTCVD技术涂上一层7μm厚的TiCN柱状晶粒层(温度为885-850℃，CH3CN为碳、氮源)。接下来，在相同的涂敷周期中，按照EP-A-523021所公开的方法，在970℃及H2S掺杂物浓度为0.4％的条件下继续沉积上一层1.5μm厚的Al2O3层。最后根据已知的CVD技术再涂上一薄层(0.5μm)TiN装饰层。XRD检测结果表明Al2O3层由100％的κ相Al2O3组成。此烧结碳化物基体有约为25μm厚的表面区域，该区域缺少立方晶系碳化物且在粘合相中有约30％的富集。用含有SiC晶粒的尼龙刷擦洗涂敷的刀片，然后用光学显微镜检查擦洗过的刀片，结果表明只有沿刀口的TiN薄层被擦掉，剩下一层平滑的、Ra＝0.3μm的Al2O3层作为外层。通过测量被擦洗过样品截面的涂层厚度证明了除了沿刀口最外层的TiN层被去除外，涂层没有损失。
B.)一种外国著名碳化物生产商生产的、具有很强竞争力的烧结碳化物，型号CNMG 120408，被用来作为车削试验的对比刀片。该碳化物的组成为9.8％(重量)Co、0.2％(重量)TiC、2.0％(重量)TaC，余量为WC，CW比为0.86。刀片涂层具有由一层5μm厚的TiCN层，一层1.5μm厚的Al2O3层及一层0.5μm厚的TiN层组成的涂层。光学显微镜检测结果表明完成涂敷操作后，刀口没有进行打磨处理。
将A中制得的刀片A与B中制得的刀片B在热锻造环形齿轮(直径206mm，材料为TSCM 815H)的车削试验中进行比较。对每个工件所进行的每个车削周期由一个面向切削，一个纵向切削和一个倒棱切削组成。进刀速度为0.35mm/转，切削速度约为230m/min。
首先，用刀片A和刀片B各自加工150个工件，然后测量刀片的外侧磨损。由于刀片A的磨损很少，所以刀片A被用来切削更多的工件，总数达354个。各刀片外层磨损情况列于下表：
             加工工件数  实测刀片外侧磨损(mm)刀片A(按本发明)    150               0.07刀片A(按本发明)    354               0.08刀片B(外国品牌)    150               0.10
用显微镜来检查试验过的刀片，检查结果表明刀片B有轻微的表面剥落，而刀片A即使在加工了354个工件后表面剥落也不明显。
以上所得的刀片外侧磨损数据明显地表明根据本发明制得的刀片更优越，寿命更长。实施例2：
D.)一种另一家外国著名碳化物生产商生产的、具有很强竞争力的烧结碳化物，型号CNMG 120408，被用来作为车削试验的对比刀片。该烧结碳化物基体的化学组成为：7.6％(重量)Co、2.4％(重量)TiC、0.5％(重量)TiN、2.4％(重量)TaC、0.3％NbC(重量)，余量为WC。该烧结碳化物有一厚度为约20μm的、缺少立方晶系碳化物的表面区域。虽然该烧结碳化物的组成与本发明的相似，但CW比较高，为0.93，而且涂层不同。它的涂层由一层5μm厚的TiCN层，一层3.5μm厚的TiC层，一层1.5μm厚的Al2O3层及一层0.5μm厚的TiN层组成。光学显微镜检测结果表明完成涂层操作后，刀口没有进行打磨处理。
将A中制得的刀片A与D中制得的刀片D在面向车削热锻造环形齿轮(外径180mm，内径98mm材料为SCr420H)的试验中进行比较，进刀速度为0.25-0.35mm/转，切削速度约为220m/min。比较的标准是刀片外侧磨损达到预定程度如0.08mm时每种刀片加工的工件数。
                        工件数  实测刀片外侧磨损(mm)刀片A(按本发明)    刀口1     203         0.08刀片A(按本发明)    刀口2     226         0.08刀片D(外国品牌)              82          0.08实施例3
C.)烧结碳化物车削刀具刀片，型号WNMG 080408-PM，与刀片A组成相同且CW比也为0.88。在该刀片上按照A中的方法涂敷。XRD检测结果表明Al2O3层由100％的κ相组成。该刀片按照A中的方法擦洗。
E.)一种与D中同一烧结碳化物生产商生产的、型号为WNMG080408的刀片，其CW比、碳化物组成和涂层组成与D中所述刀片都相同，此种刀片被用来作为车削试验的对比刀片。光学显微镜检测结果表明在完成涂层操作后，刀口没有进行打磨处理。
将C中制得的刀片C与E中制得的刀片E在面向车削一种锻造轴(长度为487mm，直径为27-65mm，材料为50CV4)的试验中进行比较，进刀速度为0.28-0.30mm/转，切削速度约为160m/min。每一个刀口加工三个轴，用光学显微镜来检查刀口的磨损情况。刀片C(按本发明)  外侧磨损小于0.07mm，没有表面脱落刀片E(外国品牌)  外侧磨损小于0.07mm，沿刀口有碎片和表面
                  脱落实施例4
F.)将与A中同样批号的烧结碳化物车削刀具，型号CNMG120408-PM，按瑞典专利9502640-7的方法进行涂敷。涂层为一层0.5μm厚的TiCN等轴晶粒层、一层7μm厚的TiCN柱状晶粒层、一层1μm厚的TiCN等轴晶粒层及一层4μm厚的012-有纹理的α-Al2O3层。刀片用水/Al2O3浆液进行湿式喷砂处理以打磨涂层表面。
G.)将型号为CNMG 120408-PM的烧结碳化物车削刀具刀片按A)中步骤进行涂层，该刀具的烧结碳化物的组成为：6.5％(重量)Co、8.8％(重量)的立方晶系碳化物(3.3％(重量)TiC、3.4％(重量)TaC、2.1％(重量)NbC，余量为WC。该烧结碳化物的CW比为1.0，且有一个缺少立方晶系并在粘合相富集的表面区域，厚度为23μm。XRD检测结果表明Al2O3层仅由κ相组成。
将按照A、F、G、B中所述方法制得的刀片在车削一种冷热锻造的、材料为SCr420H的环形齿轮的试验中进行比较。
齿轮外径190mm，内径98mm。每个工件所经历的车削由三次面向切削和一次纵向切削组成。进刀速度为0.25-0.40mm/转，切削速度约为200m/min。检查每种刀片在加工了170个工件后刀口的磨损情况以进行比较。刀片A(按本发明)     没有明显的涂层脱落，外侧磨损＜0.07mm刀片F(CW比＝0.88) 沿刀口有部分涂层脱落，外侧磨损＜0.08mm刀片G(CW比＝1.0)  沿刀口部分涂层基本脱落，外侧磨损＞0.10mm刀片B(外国品牌)     沿刀口有部分涂层脱落，外侧磨损＜0.08mm
尽管按瑞典专利9502640-7方法制得的刀片F一般在切削低合金钢时表现出众，但在切削一些低合金钢冷热锻造工件时不是总能与按本发明制得的刀片A相匹敌。实施例5
H.)将与实施例1的A中同批的刀片按实施例1所给定的步骤进行涂敷，只是涂Al2O3层时处理时间延长至7.5小时，使Al2O3层的厚度达5.5μm。再按现有技术的工艺涂上一薄层(0.5μm)TiN装饰层。
I.)在与H同批制造的刀片上按现有技术的工艺先涂上一层7μm厚的TiCN等轴晶粒层，再涂上一层5μm厚的Al2O3层，最后涂上一层0.5μm厚的TiN表涂层。XRD分析结果表明Al2O3层由α相和κ相Al2O3组成，两相之比约为30/70。将H及A中制得的刀片在涂敷后进行擦洗以除去TiN层，刨光刀口。
将H、A、和I中制得的刀片在间隙纵向车削操作中进行测试。工件的材料为低合金低碳钢(SCr420H)，形状为外径190mm、内径30mm、厚度为22mm的环。沿环厚度方向的每次纵向行程(passage)包括每1mm22个进刀次数(in-cuts)。记录每个刀片刚刚出现表面脱落时沿环厚度方向行程的次数以进行比较。
   刀片        刀口表面脱落前的行程的次数A.)    按本发明              240
   1.5μm Al2O3H.)    按本发明              180
   5.5μm Al2O3I.)    按现有技术            40
   5μm Al2O3
由H和A制造的刀片还在滚珠轴承钢(材料为SKF25B，v＝250m/min，f＝0.3mm/转，切削深度＝2mm)的切削试验中进行了比较。在这次试验中，月牙洼磨损是主要的。刀片运行15min后，测量月牙洼面积表示的月牙洼磨损，面积以mm2为单位。
 刀片              月牙洼的面积(mm2)A.)  按本发明                0.9
 1.5μm Al2O3H.)  按本发明                0.5
 5.5μm Al2O3
以上试验结果清楚地表明刀片I比刀片H、刀片A的抗表面脱落的能力差。而刀片H有较好的抗月牙洼磨损及抗表面脱落的能力；刀片A有最强的抗表面脱落的能力，因此可用于需要很高抗表面脱落要求的切削操作环境。实施例6
H.一种型号为TNMG 160408-MM的烧结碳化物车削刀具刀片，其组成为7.5％(重量)Co、1.8％(重量)TiC、3.0％(重量)TaC、0.4％(重量)NbC，余量为WC，CW比为0.88。这种烧结碳化物有一层厚为25μm、缺少立方晶系碳化物的表面区域。在该刀片上涂有一层0.5μm厚的含高氮成分的TiCN等轴晶粒层作为最里层，其中C/N比估计为0.05左右；还有一层用MT-CVD技术沉积上的、7.2μm厚的TiCN柱状晶粒层。在后续的步骤中，在相同的涂敷步骤中，按照EP-A-523021中所公开的步骤涂敷一层1.2μm厚的由纯κ相组成的层。在同一循环中，在该Al2O3层上沉积上一层TiN层。完成涂敷后，用含SiC的尼龙刷擦洗涂层刀片，擦去刀口的外层TiN。
I.一种外国著名的烧结碳化物生产商生产的、具有很强竞争力的烧结碳化物车削刀具刀片，型号TNMG 160408，被用来作为车削试验的对比刀片。该碳化物的组成是9.0％(重量)Co、0.2％(重量)TiC、1.7％(重量)TaC、0.2％(重量)NbC，余量为WC，切CW比为0.90。该刀片有一涂层，涂层由1.0μm厚TiC，0.8μm厚TiN，1.0μm厚TiC，以及作为最外层的0.8μm厚TiN。光学显微镜检测结果表明在完成涂敷后，刀口没有再进行任何处理。
对刀片H和I进行了在纵向干法切削一种复合不锈钢(duplexstainless steel)轴的车削试验。
进刀速度为0.3mm/转，速度为140m/min，切削深度为2mm。每个工件上总的切削时间为12min。
刀片I上有塑性变形，而刀片H上有一些切口磨损(notch wear)。
按照本发明的刀片H只要一个刀口就可完成一个上述工件，而刀片I需要4个刀口才能完成一个工件。

Claims (10)

1.包含烧结碳化物基体及涂层的用来车削钢材的切削刀具的刀片，其特征在于：所述的烧结碳化物基体由WC，5-10％(重量)Co，2-10％(重量)Ti、Ta和/或Nb的立方晶系碳化物及一与W高度熔合的粘合相组成，粘合相中CW比为0.76-0.92，并且，所述的涂层含有：
-厚度为0.1～2μm的TiCxNyOz等轴晶粒层作为第一层(最里层)，该等轴晶粒尺寸小于0.5μm；
-厚度为3～15μm的TiCxNyOz柱状晶粒层，该柱状晶粒直径小于5μm；
-光滑的、κ相Al2O3细粒(0.5～2μm)的外层，厚度为1～9μm。
2.如权利要求1的切削刀片，其特征在于：该κ相Al2O3层厚度为1～3μm。
3.如权利要求1的切削刀片，其特征在于：该κ相Al2O3层厚度为4～8μm。
4.如前述任一项权利要求的切削刀片，其特征在于：烧结碳化物基体有一15～35μm厚、缺少立方晶系碳化物的表面区域。
5.如前述任一项权利要求的切削刀片，其特征在于：烧结碳化物的组成为6.5-8.0％(重量)Co，CW比为0.80～0.90。
6.如前述任一项权利要求的切削刀片，其特征在于：最外层为一薄TiN层，厚度为0.1～1μm。
7.如权利要求6的切削刀片，其特征在于：沿刀口已除去了最外层的TiN层。
8.制造包含烧结碳化物基体及涂层的车削刀片的方法，其特征在于：在以WC-Co成分为基础、CW比为0.76～0.92且含有一种与W高度熔合的粘合相的烧结碳化物基体上
-用已知CVD方法涂上第一层(最里层)厚度为0.1～2μm的TiCxNyOz等轴晶粒层，晶粒尺寸小于0.5μm；
-再用MTCVD技术沉积上一层厚度为3～15μm的TiCxNyOz柱状晶粒层，晶粒直径小于5μm，使用乙腈为碳、氮源，在优选为850-900℃的温度下行程该层；
-再涂上一层平滑的、厚度为1-9μm的κ相Al2O3层。
9.如前述权利要求的方法，其特征在于：所述烧结碳化物基体有一个粘合相富集的表面区域。
10.如权利要求1～7的刀片在切削低合金冷热锻造钢中的应用。
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