CN1203638A - 带有涂层的铣刀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种在湿或干的条件下,用于铣削有或没有原始表面的低和中等合金钢的带有涂层的铣削刀具。所述刀具的特征在于:包含有硬质合金体和涂层,所述的硬质合金体包含低含量的立方碳化物和熔合大量W的粘结相;所述的涂层包含柱状晶粒的TiCxNyOz层,k－Al2O3内层以及,优选的TiN顶层。所述各层利用CVD法进行沉积。

Description

带有涂层的铣刀及其制备方法
本发明涉及带有涂层的切削工具(硬质合金刀片)，所述切削工具特别适用于对低和中等合金钢和不锈钢进行湿和干的铣削，所述钢带有原始表面如铸造表面，锻造表面，热或冷轧表面或预加工的表面。
当用硬质合金刀具对低和中等合金钢进行铣削时，根据不同的磨损机理如化学磨损，磨擦磨损，粘附磨损和由于沿铣削刀口形成的裂缝而产生的刀口劈裂(所谓梳状裂缝)，切削刀口将被磨损。
当采用湿铣削(使用冷却液)时，形成梳状裂缝是特别严重。冷却液和工件材料可渗入并加宽梳状裂缝，刀口将开始劈裂。劈裂的刀口将使机加工部件的表面光洁度变差。
不同的切削条件要求切削刀片有不同的性能。例如，当切削带原始表面区的钢材时，带有涂层的硬质合金刀片必须由刚性碳化物组成并具有特好的涂层粘结。当对低合金钢进行铣削时，粘附磨损通常是主要的磨损形式。在这里通常必须使用1-3微米的CVD-或PVD-涂层。
对于特定的磨损形式，可采取各种措施来改善切削性能。然而，这种作用经常会对其它磨损性能产生副作用。
某些可能的措施所起的作用如下：
1.)通过降低粘结相含量可减少梳状裂缝的形成。然而，这种作用将降低切削刀片的刚性，这是人们所不希望的。
2.)通过增加涂层的厚度能得到改善的耐磨擦磨损性。然而，厚涂层将增加成片剥落的危险并且将降低耐粘附磨损性。
3.)以高切削速度和高切削刀口温度进行铣削时，要求有相当高含量立方碳化物的硬质合金(WC-TiC-TaC-NbC的固态溶液)。但所述碳化物很容易产生梳状裂缝。
迄今为止，还很难同时改善所有的刀具性能。因而，市售的各种硬质合金均针对一种或若干种磨损形式进行最优化，并因此具有特定的应用范围。
瑞典专利申请9501286-0披露了一种带有涂层的切削刀具，该刀具特别适于对灰铸铁进行干铣削。该刀片的特征是：具有纯的WC-Co硬质合金和涂层，所述涂层包括柱状晶粒的TiCxNyOz层和细晶粒的、有织构的α-Al2O3顶层。
瑞典专利申请9502640-7披露了一种带有涂层的车削刀片，该刀片特别适于对低合金钢进行断续的车削。该刀片的特征在于，具有WC-Co硬质合金体和涂层，所述合金有熔合大量W的Co粘结相，所述涂层包括柱状晶粒TiCxNyOz层和细晶粒、有织构α-Al2O3顶层。
瑞典专利申请9503056-5披露了一种带有涂层的车削切割刀具，该刀具特别适于对热和冷锻制的低合金钢进行切削。该刀片的特征在于，具有WC-Co硬质合金体和涂层，所述合金有熔合大量W的Co粘结相，所述涂层包括柱状晶粒TiCxNyOz层和细晶粒的α-Al2O3顶层。
令人惊奇的是，现已发现通过将许多不同特征结合，可获得具有优异切削性能的优选是用于铣削的切削刀具；所述铣削是针对有或没有原始表面区的低和中等合金钢进行干和湿铣削。就上面所述的许多磨损形式而言，根据本发明的切削刀具显示出了改善的性能。
本发明的铣削刀具由下列物质组成：硬质合金体，它含有熔合大量W的粘结相和化学组成和晶粒大小很好平衡的WC；柱状TiCxNyOz层；k-Al2O3层；TiN层。然后还可借助用例如SiC基刷对刀口进行刷光而使切削刀口变得平滑。
图1是根据本发明的涂布刀片放大10000倍的显微图，其中：
A-硬质合金体
B-等轴晶粒的TiCxNyOz层
C-柱状晶粒的TiCxNyOz层
D-柱状晶粒的k-Al2O3层
E-优选的TiN层，可有可无。
根据本发明，提供了一种铣削刀片，该刀片包括有硬质合金体，所述合金体包含如下组份：8.6-9.5％(重量)的Co，优选8.7-9.5％(重量)的Co，最佳8.8-9.4％(重量)的Co，0.2-1.8％(重量)、优选0.4-1.8％(重量)、最佳0.5-1.7％(重量)的金属Ta，Nb和Ti的立方碳化物，以及余量WC。另外，该硬质合金还可包含选自元素周期表第IVb，Vb或VIb族的其它的碳化物。Ti的含量优选与工艺杂质量相当。WC的平均晶粒大小在约1.5-2微米的范围，优选约1.7微米。
钴粘结相大量地熔合有W。在粘结相中W的含量表达为CW比值＝Ms/(Co的重量百分数·0.0161)，式中Ms为所测量的硬质合金的饱和磁化强度(KA/m)，Co的重量百分数为Co在硬质合金中的重量百分数。CW比值是Co粘结相中W含量的函数。低CW值相当于粘结相中高的W含量。
根据本发明，业已发现如果硬质合金体的CW比值为0.78-0.93，优选为0.80-0.91，最优选为0.82-0.90的话，取得了改善的切削性能。该硬质合金可以包含少量(小于1％体积)η相(M6C)，而不会有任何有害作用。根据CW比值可知，本发明的硬质合金体中不允许有任何游离石墨。
根据现有技术，如US4,610,931中所述，硬质合金体可以含有贫含立方碳化物而常常富含粘结相的薄(约5-25微米)的表面区。在这种情况下，硬质合金可以含有氮化碳乃至氮化物。
所述涂层包括：
-等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+z＝1，优选z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米，并且层的总厚度＜1.5微米，优选＞0.1微米；
-柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-6微米，优选2-5微米，平均直径约＜5微米，优选为0.1-2微米；
-基本上由k-相组成的光滑细晶粒(晶粒大小约0.5-2微米)的Al2O3层。然而，该层可以包含少量(1-3％体积)的θ-相或α-相(由XRD测量确定的)。Al2O3层的厚度为0.5-5微米，优选0.5-2微米，最优选0.5-1.5微米。优选该Al2O3层之后是另外的TiN层(厚度小于1微米，优选0.1-0.5微米)，但Al2O3层也可以是最外层。在10微米的长度上，该最外层(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。优选沿切削刀口除去TiN层(如果有的话)。
根据本发明的方法，制得了WC-Co基硬质合金体，该硬质合金体包含：具有上述的CW比值的熔合有大量W的粘结相，如上所述的立方碳化物含量，和如上所述的WC晶粒大小，并且优选没有富含粘结相的表面区；利用已知的CVD法沉积等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+z＝i，优选z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米并且层厚度＜1.5微米；
-优选利用MTCVD工艺(使用乙腈作为700-900℃范围内形成该层的碳氮源)沉积柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-6微米，优选2-5微米，颗粒平均直径＜5微米，优选＜2微米；然而，具体的条件在一定程度上取决于所使用设备的构造；
-再在例如EP-A-523021中所述的条件下，沉积基本上由k-Al2O3组成的光滑的Al2O3层。Al2O3层的厚度为0.5-5微米，优选0.5-2微米，最优选0.5-1.5微米。优选另外再沉积一TiN层(厚度＜1微米，优选0.1-0.5微米)，但Al2O3层可以是最外层。在10微米的长度上，该最外层(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。如在瑞典专利申请9402543-4中所述，通过用细粒(400-150目)氧化铝粉对涂层表面进行轻度湿喷砂，或通过用基于例如SiC的刷子对刀口进行刷光(当有TiN顶涂层时优选使用)，可得到光滑的涂层表面。优选沿切削刀口除去TiN层(如果有的话)。
                     实施例1
A.通过使用MTCVD工艺(温度为885-850℃，CH3CN作为碳/氮源)，用0.5微米等轴晶粒的TiCN层(高氮含量，相当于0.05的估测C/N比值)，随后是4微米厚的柱状晶粒的TiCN层对本发明的硬质合金铣刀，SEKN 1204 AZ型刀片进行涂布；所述铣刀包含如下组分：9.1％(重量)的Co，1.25％(重量)的TaC，0.30％(重量)的NbC和余量WC，以及相当于0.86的CW比值的熔合有大量W的粘结相。在同一涂布循环随后的步骤中，采用如EP-A-523021中所述的970℃和0.4％的H2S掺杂剂，沉积1.0微米厚的Al2O3层。根据已知的CVD工艺，将TiN薄层(0.3微米)沉积在顶上。XRD测量表明，Al2O3层由100％k-相组成。硬质合金体中WC晶粒大小平均为1.65微米。用包含SiC晶粒的耐纶草杆刷对该带有涂层的刀具进行刷光。在光学显微镜下对刷光刀具的检测表明，只是沿切削刀口刷掉了薄TiN层，留下了光滑的Al2O3层表面。对横切的刷光过的试样进行的涂层厚度测量表明，除了被除去的TiN外层以外，沿刀口线没有任何涂层的减少。
B.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金(SEKN 1204型)，用于铣削试验作为对比。该碳化物包含如下组分：9.0％(重量)的Co，0.2％(重量)的TiC，0.5％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.95。WC晶粒大小为2.5微米。该刀具带有由6微米TiCN层和0.3微米TiN层组成的涂层。
在对带有热轧表面的中等合金钢(HB＝310)进行湿铣削试验中，将A的刀片与B的刀片进行对比。将两根平行的棒(厚度为35mm)相对于切刀进行中心定位(直径100mm)，这两根棒中间的空隙为10mm。
切削数据如下：
切削速度＝160m/min
进刀速度＝0.2mm/转
切削深度＝2mm，使用冷却液的单齿铣削。
在铣削1200mm之后进行对比。根据本发明的A刀片，没有梳状裂缝，B刀片出现了14个梳状裂缝。在铣削1800mm之后，B刀片由于梳状裂缝间大量的劈裂和破裂而破坏。与B刀片的约4分钟的有效刀具寿命相比，根据本发明的A刀片持续了4200mm，相当于11分钟的有效刀具寿命。
                   实施例2
A.通过使用MTCVD工艺(温度为885-850℃，CH3CN作为碳/氮源)，用0.5微米等轴晶粒的TiCN层(高氮含量，相当于0.05的估测C/N比值)，随后是3.7微米厚的柱状晶粒的TiCN层对本发明的硬质合金铣刀，SEKN 1204 AZ型刀片进行涂布；所述铣刀包含如下组分：9.1％(重量)的Co，1.23％(重量)的TaC，0.30％(重量)的NbC和余量WC，以及相当于0.85CW比值的熔合有大量W的粘结相。在同一涂布循环随后的步骤中，采用如EP-A-523021中所述的970℃和0.4％的H2S掺杂剂，沉积0.9微米厚的Al2O3层。根据已知的CVD工艺，将TiN薄层(0.3微米)沉积在顶上。XRD测量表明，Al2O3层由100％的k-相组成。硬质合金体中WC晶粒大小平均为1.6微米。
B.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金(SEKN 1204型)，用于湿铣削试验中作为对比。该碳化物包含如下组分：11.0％(重量)的Co，0.2％(重量)的TaC，0.3％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.9。该刀具带有由0.5微米等轴晶粒TiCN层，2.0微米柱状晶粒TiCN层，2.0微米k-Al2O3层和0.3微米TiN层组成的涂层。
C.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金(SEKN 1204型)，用于湿铣削试验中作为对比。该碳化物包含如下组分：7.5％(重量)的Co，0.4％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC，0.3％(重量)的TiC，和余量WC；CW比值为0.95。该刀具带有由0.5微米等轴晶粒TiCN层、2.1微米柱状晶粒TiCN层、2.2微米k-Al2O3层和0.3微米TiN层组成的涂层。
在对带有热轧表面的低合金钢(HB＝190)进行湿铣削试验中，将A刀片与B和C的刀片进行对比。所进行加工的两根棒由于在户外堆放因此是严重生锈的。将两根平行的棒(厚度为32mm)相对于切刀进行中心定位(直径100mm)，这两根棒之间的空隙为10mm。
切削数据如下：
切削速度＝150m/min
进刀速度＝0.2mm/转
切削深度＝2mm，使用冷却液的单齿铣削。
在铣削1100mm之后C刀片被破坏，在铣削2150mm之后B刀片被破坏，根据本发明的A刀片在2400mm之后破坏。
在该试验中，所有涂层均为相似的型号，主要不同在于硬质合金。结果表明，根据本发明带有涂层的硬质合金与或多或少含有粘结相的两个极具竞争力的硬质合金相比显示出了更长的刀具寿命。
                      实施例3
A.通过使用MTCVD工艺(温度为885-850℃，CH3CN作为碳/氮源)，用0.5微米等轴晶粒的TiCN层(高氮含量，相当于0.05的估测C/N比值)，随后是3.7微米厚的柱状晶粒的TiCN层对本发明的硬质合金铣刀，SEKN 1204 AZ型刀片进行涂布；所述铣刀包含如下组分：9.1％(重量)的Co，1.23％(重量)的TaC，0.30％(重量)的NbC和余量WC，以及相当于0.86的CW比值的熔合有大量W的粘结相。在同一涂布循环随后的步骤中，采用如EP-A-523021中所述的970℃和0.4％的H2S掺杂剂，沉积1.1微米厚的Al2O3层。根据已知的CVD工艺，将TiN薄层(0.3微米)沉积在顶上。XRD测量表明，Al2O3层由100％的k-相组成。硬质合金体中WC晶粒大小平均为1.7微米。通过包含SiC晶粒的耐纶草杆刷对该带有涂层的刀具进行刷光。在光学显微镜下对刷光刀具的检测表明，只是沿切削刀口刷掉了薄TiN层，留下了光滑的Al2O3层表面。对横切的刷光过的试样进行的涂层厚度测量表明，除了被除去的TiN外层以外，沿刀口线没有任何涂层的减少。
B.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金(SEKN 1204型)，该碳化物包含如下组分：8.0％(重量)的Co，1.9％(重量)的TaC，0.2％(重量)的NbC，0.2％(重量)的TiC和余量WC；CW比值为0.85。该刀具带有由1.1微米TiN层和3.3微米TiC层组成的涂层。
C.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金(SEKN 1204型)，该碳化物包含如下组分：10.0％(重量)的Co，2.0％(重量)的TaC，0.2％(重量)的TiC，和余量WC；CW比值为0.90。该刀具带有由0.5微米等轴晶粒TiCN层，3.3微米柱状晶粒TiCN层，0.7微米k-Al2O3层和0.5微米TiN层组成的涂层。
在对带有预机加工表面的低合金钢(HB＝290)进行干铣削试验中，将A的刀片与B和C的刀片进行对比。将一根棒(厚度为180mm)相对于切刀(直径250mm)进行中心定位。
切削数据如下：
切削速度＝204m/min
进刀速度＝0.22mm/转
切削深度＝2mm，干燥条件下的单齿铣削。
在铣削5000mm之后，在形成梳状裂缝和劈裂之后B刀片被破坏。由于相同的磨损图案在铣削5400mm之后C刀片被破坏，而A刀片在6000mm之后停止铣削，除了少量梳状裂缝以外，没有其它肉眼可见的磨损。

Claims (8)

1.一种在湿或干的条件下，用于铣削有或没有原始表面的低和中等合金钢的切削刀具，所述刀具包含有硬质合金体和涂层，其特征在于，所述的硬质合金体包含WC；8.6-9.5％(重量)的Co和0.2-1.8％(重量)的Ta，Ti和Nb的立方碳化物，其中Ti的含量相当于工艺杂质量，以及CW比值为0.78-0.93的熔有大量W的粘结相；所述的涂层包含下列各层：
-等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+z＝1，优选z＜0.5，层厚度0.1-1.5微米，晶粒大小＜0.5微米；
-柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-6微米，晶粒直径＜5微米；
-光滑细晶粒的k-Al2O3层，层厚度为0.5-5微米，晶粒大小0.5-2微米，和
优选TiN的外层，厚度小于1微米。
2.根据权利要求1的铣刀，其特征在于，硬质合金的组成为：8.8-9.4％(重量)的Co和0.4-1.8％(重量)的Ta和Nb的碳化物。
3.根据前述任一项权利要求的铣刀，其特征在于，CW比值为0.82-0.90。
4.根据前述任一项权利要求的铣刀，其特征在于，如果有TiN最外层的话，沿切割刀口除去TiN最外层。
5.一种包含硬质合金体和涂层的铣刀的制备方法，其特征在于，用下述各层对含有CW比值为0.78-0.93的熔合大量W的粘结相的WC-Co基硬质合金体进行涂布：
-利用已知的CVD法涂布等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+z＝1，优选z＜0.5，层厚度0.1-1.5微米，晶粒大小＜0.5微米；
-将乙腈用作在优选的温度范围850-900℃形成该层用的碳/氮源，通过MTCVD法沉积柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-6微米，晶粒直径＜5微米；
-涂布厚度为0.5-5微米的光滑的k-Al2O3层，和
-优选涂布TiN层，厚度小于1微米。
6.根据权利要求5的制备方法，其特征在于，所述硬质合金体包含：8.8-9.4％(重量)的Co和0.4-1.8％(重量)的Ta和Nb的立方碳化物。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，CW比值为0.82-0.90。
8.根据权利要求5，6，或7所述的方法，其特征在于，如果存在TiN最外层的话，沿切削刀口除去TiN最外层。
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