CN1446656A - 用于切削钢的涂敷车削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由渗碳碳化物基底及涂层组成的涂敷切削刀具刀片。渗碳碳化物基底包括WC、4－7重量％钴、6－9重量％选自IVb族和Vb族，优选钛、钽及铌的立方体碳化物形成金属，其富粘接相表面区域的厚度为＞20微米，优选21－50微米。涂层包括与渗碳碳化物基底相邻的厚度为约3－约15微米的第一Ti(C，N)层、与第一层相邻的厚度为约3－约15微米的由α－Al2O3组成的氧化铝层、另外与氧化铝层相邻的厚度为约1－10微米的碳化物、氮化碳或羧基氮化物层。所述涂层的总厚度低于30微米，优选低于20微米。当车削钢时，本发明的刀片具有有利的耐磨损性和边缘强度。

Description

用于切削钢的涂敷车削刀具
技术领域
本发明涉及特别用于车削钢的涂敷渗碳碳化物刀片(coatedcemented carbide insert)的切削刀具。本发明更特别涉及涂敷刀片，其中基底与很硬的内部及韧性的表面区域结合以及新的涂敷设计提供了优良的耐磨性和刀口强度，并因此拓宽了其应用领域。
背景技术
现今，具有富粘接相表面区域的涂敷渗碳碳化物刀片通常用于钢和不锈钢材料的机械加工。富粘接相表面区域拓宽了应用领域，趋向更韧性的切削操作。
一段时间以来，已知怎样在含WC、粘接相及立方体碳化物相的渗碳碳化物上产生富粘接相表面区域，例如通过Tobioka(US4,277,283)、Nemeth(US 4,610,931)以及Yohe(US 4,548,786)的方法。
Tobioka、Memeth及Yohe的专利描述了通过将立方体碳化物相溶解至刀片表面附近而实现富集粘接相的方法。他们的方法要求立方体碳化物相含有一些氮，因为在烧结温度下溶解立方体碳化物要求在被烧结的本体内的氮的分压、氮活性超过烧结气氛内氮的分压。可在烧结周期内经由炉内气氛和/或直接经由粉末加入氮。优先在表面区域溶解立方体碳化物相，导致小体积充满产生所期望的富粘接相的粘接相。因此，得到基本上由WC和粘接相组成的表面区。尽管立方体碳化物相基本上为氮化碳相，在此仍称材料为渗碳碳化物。
EP-A-1 026271涉及用高合金Co粘接相涂敷的渗碳碳化物刀片。该刀片具有厚度＜20微米的富粘接相表面区域，并且沿由刀片的刀口至中心的方向的直线基本上无变化地增长，直到其到达主体组成。据说使用薄富粘接相表面区域有利于避免塑性形变。
US 6,221,469公开了Ti(C，N)-Al2O3-Ti(C，N)涂层的新的涂敷设计，发现其实施良好，超过基于以Al2O3作为最外层、仅用TiN薄层覆盖的层设计的同类产品。根据US 6,221,469，这种新的层设计可适用于常规或表面改性的渗碳碳化物。在最近的待审批的申请中，我们已经说明如果Al2O3层由α-Al2O3组成，难么涂层的韧度可进一步提高(申请号024445-011)。当刀具用于间歇切削或当实施冷却时、即用于流入基底的热量较低时，α-Al2O3中间层尤其重要。
厚Ti(C，N)涂层是重要的，因为在许多普通钢中，只要涉及到侧面磨损，MTCVD Ti(C，N)都明显优于α-Al2O3和κ-Al2O3。因此，根据US 6,221,469，为了降低侧面磨损而用Ti(C，N)保护Al2O3层是重要的。优选用MTCVD法将Ti(C，N)沉积在α-Al2O3上。
令人惊奇地，现已发现当在具有很硬的内部和韧性表面区域的基底上沉积时，此涂层设计实施得非常良好。根据本发明的切削刀具刀片显示了耐磨损性和韧性的独特结合。
发明内容
本发明提供了一种具有＞20微米、优选21-50微米厚的富粘接相表面区域的渗碳碳化物。此区域几乎没有立方体碳化物相。该富粘接相表面区域的最大粘接相含量为主体粘接相含量的1.2-3体积比。
本发明的切削刀具刀片由渗碳碳化物基底及涂层组成，其中该基底包括WC、粘接相以及立方体碳化物相，其中富粘接相表面区域几乎无立方体碳化物相。该立方体碳化物相包括IVb族、Vb族及VIb族的元素。
本发明适用于具有变化量粘接相及立方体碳化物相的渗碳碳化物。该粘接相优选含有钴及溶解的碳化物形成元素如钨、钛、钽、及铌。然而，没有理由认为添加镍或铁将对结果有可观地影响。少量添加金属可形成具有粘接相或任何其他形式分散相的金属间相，也不认为其对结果有可观地影响。
粘接相形成元素的量可为4-7重量％，优选4.5-6重量％。
粘接相中钨含量可表示为S值＝σ/16.1，其中σ为所测量的粘接相磁矩，单位为μTm3kg-1。S值取决于粘接相的钨含量，并且随着钨含量的减少而增加。因此，对于纯钴或用碳饱和的粘合剂，S＝1，并且对于钨含量对应于形成η相的界限的粘接相，S＝0.78。
现已发现，根据本发明，如果渗碳碳化物本体的S值介于0.80-0.94、优选0.84-0.89的范围内则得到改良的切削特性。
此外，在研磨及抛光的典型截面上测得的碳化钨相的截矩长度(intercept length)为0.5-0.9微米。立方体碳化物相的平均截矩长度基本上与碳化钨相同。截矩长度是通过对放大10000倍的显微照片进行图像分析而测得并由约1000个截矩长度的平均值计算出来。
附图说明
图1所示为根据本发明的切削刀具刀片结构1000倍放大图。其中，A—基底内部、B—富粘接相表面区域、C—内Ti(C，N)涂层、D-Al2O3层、E—外Ti(C，N)层、以及F-TiN层。
图2所示为表面区域的粘接相随着距根据本发明的刀片表面的距离而变化的分布图。
具体实施方式
在第一个优选实施方案中，立方体碳化物的量对应于6-9重量％、优选6.0-8.5重量％的立方体碳化物形成元素钛、钽及铌。钛、钽和/或铌也可被其他选自元素周期表中IVb族、Vb族及VIb族的碳化物形成元素代替。钽和铌之间的比例为1-2.5重量％，优选1.5-1.9重量％。钛和铌之间的比例为0.5-1.5重量％，优选0.8-1.2重量％。
经由粉末或经由烧结过程或二者结合而加入的氮的量决定了烧结过程中立方体碳化物相的溶解速率。氮的最佳量取决于立方体碳化物相的量和类型。根据本发明，每1重量％钛、钽和铌待加入的氮的最佳量为＞1.7重量％，优选1.8-5.5重量％。在烧结期间这些氮的一部分将损失。
生产根据本发明的渗碳碳化物是通过下述两种方法或他们的结合方法：(i)如US 4,610,931公开的通过在惰性气氛中或在真空中烧结预烧结的或压实的含氮化物或碳化物的本体，或(ii)通过首先如US 4,548,786公开的将压实的本体氮化，随后在惰性气氛或真空中烧结。
本发明的涂层的详细结构如图1所示。该涂层包括如下所述的几个层。
第一层为Ti(C，N)层，其由CVD Ti(C，N)或MTCVD Ti(C，N)或其结合物组成。在该涂层内可施加TiN薄层(厚度＜0.5微米)以得到晶粒细化，如果需要可施加若干次。第一Ti(C，N)层的厚度为1-20微米，优选3-15微米。可施加作为直接沉积在渗碳碳化物基底上粘合层的TiN层(厚度为0.5-2.0微米)。
在所述第一层的Ti(C，N)和随后的氧化铝层之间为Ti(C，O，N)层，该Ti(C，O，N)层为良好粘接和控制α相所必须的。该氧化铝层包括精细研磨的α相且层厚度为1-20微米、优选3-15微米。
邻近氧化铝层为优选用MTCVD法沉积的Ti(C，N)、(Ti，Zr)(C，N)或Ti(C，O，N)的层。此层的厚度为1-15微米、优选1-10微米。
最后，可在所述涂层的顶部沉积任选的TiN层，其厚度小于3微米、优选0.5-2微米。
涂层的总厚度应小于40微米，优选小于30微米，并且最优选小于25微米。单个层所具有的厚度遵循以下标准：第一Ti(C，N)层的厚度为氧化铝层厚度的1-3倍，并且外Ti(C，N)层的厚度为第一Ti(C，N)层及氧化铝层厚度的0.1-1.2倍。
实施例1等级I
研磨由(Ti，W)C、Ti(C，N)、(Ta，Nb)C、WC及Co组成的粉末混合物、挤压并烧结，由此制造渗碳碳化物基底，所述混合物的组成为2重量％Ti、3.4重量％Ta、2重量％Nb、5.3重量％Co、6.13重量％C、余量W。在高达400℃的H2中烧结刀片使其脱蜡，并进一步在1260℃的真空中烧结。由1260℃至1350℃，在N2气氛中将刀片氮化，然后在1460℃的保护性气氛Ar中历时1小时。
刀片表面区域由30微米厚的几乎无立方体碳化物相的富粘接相部分组成。此部分中最大Co含量约为12重量％。刀片的S值为0.87，并且碳化钨相的平均截矩长度为0.7微米。使用CVD和MTCVD技术，用由1微米TiN、8微米MTCVD Ti(C，N)、6微米α-Al2O3、3微米Ti(C，N)及0.5微米TiN组成的涂层来涂敷刀片。
实施例2等级II
重复实施例1，只是0.25重量％的氮被直接加入到粉末中，并且烧结气氛中无N2。刀片的表面区域由17微米厚的几乎无立方体碳化物相的富粘接相部分组成。此部分中最大Co含量约为12重量％。刀片的S值为0.87，并且碳化钨的平均截矩长度为0.7微米。根据实施例1涂敷刀片。实施例3等级III
关于渗碳碳化物基底，重复实施例1。
使用CVD和MTCVD技术，用由1微米TiN、11微米MTCVDTi(C，N)、6微米α-Al2O3及0.5微米TiN组成的涂料来涂敷刀片。实施例4等级IV—比较例
研磨由(Ti，W)C、(Ta，Nb)C、WC及Co组成的粉末混合物、挤压并烧结，由此制造渗碳碳化物基底，所述混合物的组成为2重量％Ti、3.4重量％Ta、2重量％Nb、5.9重量％Co、6.30重量％C、余量W。在高达400℃的H2中烧结刀片使其脱蜡，并进一步在1400℃的真空中烧结。由1400℃至烧结温度1490℃使用50毫巴Ar的保护性气氛。在该烧结温度的保留时间为30分钟。
这些刀片没有富粘接相表面区域。刀片的S值为0.85，并且碳化钨相的平均截矩长度为0.7微米。使用CVD和MTCVD技术，用由6微米Ti(C，N)、8微米α-Al2O3及3微米多层TiC/TiN组成的涂层来涂敷刀片。
实施例5等级V—比较例
在车削试验中，选择由其他生产者制造的P10-P15应用领域中的渗碳碳化物刀片来比较。
实施例6
试验等级I、等级II、等级IV在断续切削的纵向车削中的韧度。
工件：圆筒开缝棒
材料：SS1672
刀片型号：CNMG120408-M3
切削速度：140m/min
走刀：切削10mm长之后，逐渐增加0.1、0.125、0.16、0.20、0.25、0.315、0.4、0.5、0.63、0.8mm/rev
切削深度：2.5mm
备注：干切削
刀具寿命标准：逐渐增加直至刀口破裂。试验每个类型的10个刀口。
结果：破裂时的平均走刀(mm)
等级I：0.27(本发明)
等级II：0.22(本发明)
等级IV：0.15(现有技术)
试验结果表明，根据本发明的等级I由于厚的富粘接相表面区域而显示比等级II和等级IV(现有技术)更好的韧度性能。
实施例7
试验等级I、等级III、等级IV、等级V在滚珠轴承材料的表面车削中的侧面磨损。
工件：圆筒管(滚珠轴承)
材料：SS2258
刀片型号：WNMG080416
切削速度：500m/min
走刀：0.5mm/rev
切削深度：1.0mm
备注：干车削
刀具寿命标准：侧面磨损＞0.3mm、试验每个类型的10个刀口。
结果：   刀具寿命(min)
等级I：  17(本发明)
等级III：10.5(本发明)
等级IV： 11(现有技术)
等级V：  13(现有技术)
试验结果表明，根据本发明的渗碳碳化物刀具比等级III、等级IV和等级V显示更长的刀具寿命。等级I的耐磨性说明与TiN表层下直接为Al2O3层的涂敷设计相比较，本发明的涂敷设计具有正面效果。
实施例8
此车削试验将说明使用Ti(C，N)作为表面涂层的益处。试验等级I和等级III的侧面磨损。
工件：齿轮
材料：锻造的16MnCr5，
刀片型号：WNMG060412-M3
切削速度：400m/min
走刀：0.3mm/rev
切削深度：1mm
备注：湿车削
刀具寿命标准：250个零件后侧面磨损，总切削时间为26.5分钟。试验每个等级的三个切削刀口。
结果：   侧面磨损
等级I：  0.21(本发明)
等级III：0.35(本发明)
试验结果表明本发明的渗碳碳化物刀具比等级III显示更长的刀具寿命。
实施例9
在机械加工中最终用户实施的试验，由于塑性形变引起的侧面磨损和切削刀口的碎裂(chipping)是主要的磨损机理。
工件：轴
材料：韧性硬化钢
刀片类型：CNMG120808
切削速度：280m/min
走刀：0.35-0.5mm/rev
切削深度：2mm
备注：湿车削
刀具寿命标准：侧面磨损
结果：          侧面磨损(mm)  零件数目
等级I：         0.20          150(本发明)
等级IV：        0.40(碎裂)    90(现有技术)
等级V：         0.28          100(现有技术)
试验结果表明本发明的渗碳碳化物刀片比等级IV(现有技术)和等级V(现有技术)显示更长的刀具寿命。等级IV表明切削刀口的碎裂，等级V显示结合塑性形变的侧面磨损。本发明的等级I与现有技术等级相比，对沿切削刀口的微碎裂显示了更好的耐塑性形变和韧性特性。本发明表明了具有坚硬内部和韧性表面的基底与耐磨损涂层结合的优点。

Claims (11)

1.由渗碳碳化物基底及涂层组成的涂敷切削刀具刀片，其特征在于：
渗碳碳化物基底包括WC、4-7重量％钴、6-9重量％选自IVb族和Vb族，优选钛、钽及铌的立方体碳化物形成金属；
渗碳碳化物基底具有富粘接相表面区域，该区域厚度为＞20微米，优选21-50微米；
涂层包括与渗碳碳化物基底相邻的厚度为约3-约15微米的第一Ti(C，N)层、与第一层相邻的厚度为约3-约15微米的由α-Al2O3组成的氧化铝层、另外与氧化铝层相邻的厚度为约1-10微米的Ti(C，N)或Ti(C，O，N)层；
涂层的总厚度低于30微米，优选低于20微米，第一Ti(C，N)层厚度为氧化铝层厚度的1-3倍，并且外Ti(C，N)层的厚度为第一Ti(C，N)层厚度的0.1-1.2倍。
2.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述基底包括4.5-6重量％的钴。
3.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述基底包括6.0-8.5重量％的选自IVb族和Vb族的立方体碳化物形成金属，优选钛、钽及铌。
4.如前述权利要求之一的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述基底包括立方体碳化物，使得钽和铌之间的比例为1.0-2.5重量％，优选1.5-1.9重量％，并且钛和铌之间的比例为0.5-1.5重量％，优选0.8-1.2重量％。
5.如前述权利要求之一的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述富粘接相表面区域的粘接相最大含量为额定粘接相含量的1.2-3倍。
6.如前述权利要求之一的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述基底的S值为0.80-0.94，优选0.84-0.89。
7.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述基底中WC相的平均截矩长度为0.5-0.9微米。
8.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于在所述渗碳碳化物基底与所述第一层之间存在TiN层，该层厚度低于3微米，优选为0.5-2微米。
9.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于所述第一层由被Ti(C，O，N)粘接层终止的CVD Ti(C，N)、MTCVD Ti(C，N)或他们的结合物组成。
10.如权利要求1的涂敷切削刀具刀片，其特征在于在所述Ti(C，N)层顶上沉积任选的TiN层，该TiN层的厚度低于3微米，优选为0.5-2微米。
11.制造包括具有富粘接相表面区域的渗碳碳化物基底及涂层的涂敷切削刀具刀片的方法，所述基底由粘接相、WC及立方体氮化碳相组成，该方法的特征在于形成粉末混合物，该粉末混合物含有WC，4-7重量％、优选4.5-6重量％的Co，以及6-9重量％、优选6.5-8.5重量％的选自元素周期表IVb或Vb族的立方体碳化物形成金属，其中，每1重量％选自IVb或Vb族的元素加入氮的量＞1.7重量％、优选1.8-5.5重量％，经由粉末或经由烧结过程或二者结合；
将所述粉末与挤压剂及钨金属或碳黑混合以得到希望的S值；
研磨并喷雾干燥该混合物至具有希望性能的粉末材料；
在1350-1500℃的温度、控制压力下，压实并烧结该粉末材料，随后冷却；
施加常规的后烧结处理，包括将边角磨圆；以及
通过CVD或MTCVD技术施加坚硬的、耐磨损涂层。
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