CN1479796A - 具有铁镍基粘结相的涂层刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种刀具的刀片，该刀具刀片包括基于碳化钨的硬质合金基质和涂层。该硬质合金包括4－15wt％的粘结相，该粘结相成面心立方体结构，组分为除了熔融元素外还包括35－65wt％的Fe以及35－65wt％的Ni。因此，该刀片的机械加工性能至少和普通现有技术中的、具有Co基粘结剂的刀片一样好。该刀片可用于低、中合金钢以及不锈钢的铣削和车削。

Description

具有铁镍基粘结相的涂层刀具
本发明涉及一种刀具的刀片，该刀具刀片包括基于碳化钨的硬质合金基质和涂层。该硬质合金有成面心立方体(fcc)结构的铁镍粘结相。因此，可以获得没有钴的涂层硬质合金刀片，该刀片的机械加工性能至少和具有Co基粘结剂的相应涂层硬质合金刀片一样好。该刀片在低、中合金钢以及不锈钢的铣削和车削中很有用。
硬质合金是包括硬相(hard phase)晶粒以及粘结硬相晶粒的粘结相的复合材料。硬质合金的一个实例是碳化钨(WC)和钴(Co)，也称为钴结碳化钨硬质合金或WC-Co。这里，硬组分是WC，而粘结相是钴基，例如钴-钨-碳合金。Co含量通常为6-20wt％。除了熔化的W和C外，粘结相主要包括钴。
因此，钴是硬质合金中的主要粘结剂。例如世界上每年的初级钴产量的大约15％用于制造包括WC基烧结硬质合金的硬材料。世界上每年的初级钴产量的大约25％用于制造超级合金，该超级合金开发用于先进的飞机涡轮发动机-这使得钴被认为是战略材料。世界上每年的初级钴产量的大约一半来自于政治不稳定的区域。这不仅使钴的成本较高，而且使它的外在成本波动。
硬质合金原材料的工业处理可能由于吸入而引起肺病。Moulin等的研究(1998)表明，肺癌与吸入含WC和Co的微粒之间有一定关系。
因此，希望减小在硬质合金中用作粘结剂的钴的量。
已经试图通过在硬质合金中利用富含铁的铁-钴-镍粘结相(Fe-Co-Ni-粘结剂)代替钴基粘结相来实现该目的。因此，具有富含铁的Fe-Co-Ni-粘结剂的硬质合金通过稳定Fe-Co-Ni-粘结剂中的体心立方体(bcc)结构而加强。该bcc结构通过马氏体转变而获得。在高粘结剂含量下，提高富含镍的镍-铁粘结剂，可以获得提高抗腐蚀性的硬质合金。
EP-A-1024207涉及一种烧结硬质合金，该硬质合金包括在可硬化粘结相中的、50至90wt％的亚微粒WC。该粘结相除了铁外还包括10-60wt％的Co、＜10wt％的Ni、0.2-0.8wt％的C和Cr以及W，还可以有Mo和/或V。
JP2-15159A涉及一种基质，该基质包括具有组分(Ti，M)CN的硬相，其中M是Ta、Nb、W和Mo中的一个或多个。另外，还有从Co、Ni和Fe中选择的粘结相。该基质涂覆有钛基的涂层。
US4531595公开了一种用于钻土工具例如钻头的刀片，，该刀片有埋入WC烧结基体和Ni-Fe粘结剂中的金刚石。该基体在烧结之前的微粒大小为大约0.5μm到大约10μm。Ni-Fe粘结剂为基体重量的大约3％到大约20％。
US5773735公开了一种具有粘结相的碳化钨硬质合金体，该粘结相从Fe、Ni和Co中选择。平均WC晶粒大小为最多0.5μm，且该材料没有晶粒生长抑制剂。
在US6024776中，公开了有Co-Ni-Fe-粘结剂的硬质合金。该Co-Ni-Fe-粘结剂的特性在于即使进行塑性变形，该粘结剂也基本保持它的面心立方晶体结构，并避免由相变引起的应力和/或应变。
WO99/59755涉及一种用于制造金属和合金粉末的方法，该金属和合金粉末包含金属铁、铜、锡、钴或镍中的至少一个。根据该方法，金属盐的水溶液与羧酸水溶液混合。沉淀物再与母液分离，然后还原成金属。
图1表示了涂层在具有Co粘结剂的、基于碳化钨的硬质合金上生长的扫描电子显微镜图像，而图2表示了在本发明的硬质合金上的相应涂层。在图中给出了定标线条。
可以惊讶的发现，包括具有铁-镍粘结剂的、基于碳化钨的硬质合金以及涂层的刀片有着至少与现有技术中的商品级刀片同样良好的机械加工性能，该现有技术的商品级刀片包括具有钴粘结剂的普通硬质合金以及涂层。
本发明涉及一种涂层刀具刀片，该刀片包括基于碳化钨的硬质合金基质以及涂层。为了用于铣削用途，该硬质合金包含形成粘结相的、5-15wt％的Fe和Ni，优选是6-13wt％，最优选是7-12wt％。为了用于车削用途，该硬质合金包含形成粘结相的、4-12wt％的Fe和Ni，优选是4.5-11wt％，最优选是5-10wt％。特别是，该粘结相包括具有这样的组分的合金，即35-65wt％的Fe以及35-65wt％的Ni，优选是40-60wt％的Fe和40-60wt％的Ni，最优选是42-58wt％的Fe和42-58wt％的Ni。在烧结材料中，粘结相还包含较少量的W、C和其它元素，例如Cr、V、Zr、Hf、Ti、Ta或Nb，因为在烧结过程中，这些元素从包括的碳化物组分中溶解到粘结相中。此外，微量的其它元素也可以作为杂质而出现。该粘结相有面心立方体结构。
碳化钨晶粒的平均截断长度为大约0.4-1.0μm，优选是0.5-0.9μm。这些值通过研磨和抛光穿过烧结材料的典型横截面而进行测量。
除了碳化钨，也可以在烧结材料中包括作为硬相的其它化合物。在一个优选实施例中，采用了具有组分(Ti、Ta、Nb、W)C的立方体碳化物(cubic carbide)。在另一优选实施例中，在立方体碳化物中还可以包括Zr和/或Hf。在最优选的实施例中，采用了(Ta、Nb、W)C。立方体碳化物为0.1-8.5wt％，优选是0.7-7.0wt％，最优选是1.0-5.0wt％。
除了硬相例如碳化钨和立方体碳化物，还可以包括少量(小于1wt％)的碳化铬和/或碳化钒，作为晶粒生长抑制剂。
在本发明的硬质合金中的总碳含量选择为能够防止自由碳或η相。
涂层包括单层或多层，如本领域所知。在一个优选实施例中，涂层包括大约2-4μm的Ti(C、N)内层，随后是大约2-4μm的多层Al2O3和TiN。在另一优选实施例中。涂层包括至少大约2.5μm的Ti(C、N)内层，随后是一层大约0.5-1.5μm的Al2O3，总涂层厚度为大约3.5-6.5μm。在第三优选实施例中，涂层包括大约3-5μm的Ti(C、N)内层，随后是大约2-4μm的Al2O3。在第四优选实施例中，涂层包括大约5-8μm的Ti(C、N)内层，随后是大约4-7μm的Al2O3。在还一优选实施例中，涂层包括大约1-3μm的TiN。
在优选实施例中，Ti(C、N)形成涂层的内层，Ti(C、N)晶体呈现径向生长，而在具有Co粘结剂的普通硬质合金上生长的Ti(C、N)呈现柱状图形(见图1)。
基质通过普通粉末冶金技术制成。形成粘结相和硬相的粉末组分通过磨碎而混合，随后进行颗粒化。然后将该颗粒压成合适形状和尺寸的生坯，然后对该生坯进行烧结。形成粘结相的粉末作为预制合金进行添加。烧结基质随后利用已知的CVD、MTCVD或PVD方法或者CVD和MTCVD方法的组合而涂覆一层或多层。
实例1
273g晶粒尺寸为0.8μm FSSS(根据ASTM B330)并涂覆有0.15wt％碳化钒的碳化钨粉末与27g FeNi合金粉末(根据WO99/59755制备，有48.5wt％的Fe、50.54wt％的Ni以及0.43wt％氧，晶粒尺寸为1.86μm FSSS根据ASTM B330)以及0.3g碳黑一起在500ml立式球磨中研磨3小时，利用己烷作为研磨液。3小时后，通过筛分而分离出球体(3mm直径，2.1kg)。然后通过真空蒸馏将己烷分离。所生成的粉末在1500kp/cm2的压力下进行压制，并在真空中在1450℃下烧结45分钟。所生成的硬质合金有以下特性：
矫磁力             17.1kA/m
密度               14.57g/cm3
磁饱和             136Gcm3/g
洛氏硬度           92.6
维氏硬度(30kg)     1698kg/mm2
孔隙度(ISO 4505)   A06 B00 C00
实例2
本发明的刀片进行室温涂层粘性测试，并与市场上的涂层硬质合金进行比较，该市场上的涂层硬质合金的等级为：Seco T250M，基质包括WC、10.2wt％的Co和1.5％的Ta+Nb(在立方体碳化物中)。T250M基质材料通过压制用于该等级的标准产品的粉末而获得。该粉末含有作为压制辅助剂的PEG(聚乙二醇)。压制在1750kp/cm2压力下单轴进行。并在试验室大小的烧结HIP单元中通过1430℃的最大温度在30巴Ar压力下烧结30分钟。涂层通过CVD形成。该涂层包括2-4μm的Ti(C、N)内层和2-4μm的多层Al2O3和TiN。
本发明的刀片有相同的组分和涂层，除了Co粘结相由相同体积的Fe+Ni 50/50(重量)合金代替。合适的组分通过如下混合粉末而获得：3550g具有2.3±0.3μm晶粒大小(Fisher，根据ASTM)的WC、383g上述Fe-Ni、64.66g的TaC/NbC(碳化物重量比90/10)以及2.26g的碳黑。添加作为压制辅助剂的80g PEG 3400。在试验室尺寸的球磨中对12kg的硬质合金球进行研磨，该硬质合金球最大有8.5mm的直径和800cm3的液体，该液体通过用去离子水将7dm3乙醇稀释到8dm3而获得。该模具以44转/分旋转60小时。这样获得的浆喷射干燥成颗粒。再象市场上的刀片那样进行压制、烧结和涂覆。
该刀片的几何形状为SNUN120412。
试验通过标准试验室设备(Revetest)进行。在该试验中，钻石测硬仪通过预定力垂直压入刀片的刀面(rake face)。然后，该刀片以预定速度平行于该刀面运动6mm。这样，由该测硬仪形成划痕。这些划痕再在立体透镜中进行检查，以便显示它们是限制在涂层内还是透入基质。当需要较大的力来完全除去涂层时，那么它对基质的粘性很好。
试验通过三个市场上的刀片和三个本发明的刀片来进行，测硬仪的力是60和70牛顿。市场上的刀片显示，在60N时在1.2mm划痕长度之后失去涂层，在70N时为0.3mm之后，以及在60N时为0.6mm之后。本发明的刀片显示，在70N时失去涂层(全长)，在60N时为1.5mm之后，以及在60N时为2.3mm之后。
实例3
本发明的刀片对车削机械加工性能进行试验。工件材料为SS1672(对应于W-nr 1.1191，DIN Ck45或AISI/SAE 1045)柱形杆。切割速度为250m/分，进给为0.4mm/转，切割深度为2.5mm。工件切割刃口角为75°，不使用冷却剂。作为参考级，使用了上述Seco T250M。参考刀片和本发明的刀片如上述实例1所述而获得。
刀片的几何形状为SNUN120412，并有大约35-40μm的刀刃磨石(hone)。
本发明的刀片以及参考刀片分别对四个刀刃进行测试。对于这四个刀刃，两个运行4分钟，两个运行6分钟。
运行四分钟的参考刀刃显示侧面磨损值为0.08和0.06mm。本发明的刀片的相应值为0.07和0.06mm。运行六分钟的所有刀刃都显示侧面磨损值为0.07mm。只有在与靠近刀刃的塑性变形处紧连的位置才出现涂层失去。
实例4
本发明的刀片进行了车削试验，并与市场上的Seco TP400进行比较，该Seco TP400的基质和涂层与上述T250M相同。参考级刀片是已经制成并将出售的产品。本发明的刀片是在上述实例1的步骤之后进行压制、烧结和涂覆而形成。
刀片的几何形状为CNMG120408，工件切割刃口角为95°。
车削在SS2343(对应于W-nr 1.4436，DIN X5 CrNiMo 17 13 3或AISI/SAE 316)柱形杆中进行，切割速度为1800m/分，进给为0.3mm/转，切割深度为1.5mm。不使用冷却剂。机械加工以切割15s随后停止15s的方式循环进行，以便引起刀具中的温度变化。本发明的刀片和参考刀片分别对三个切割刀刃进行了试验。两组刀片成对分别在10、12和14分钟的总测试时间(切割+冷却)下进行试验。
所形成的磨损主要是沿刀刃线的缺口以及凹槽磨损。对于所有三对刀片，对比时的总磨损大致相同。
实例5
对具有形成粘结相的6.0wt％的Fe和Ni(50/50的重量比)的本发明刀片进行了车削试验，并与市场上的Seco TX150进行比较，该Seco TX150的基质中有6.0wt％的Co，涂层包括至少5μm的Ti(C、N)内层，随后为1.0-2.5μm的Al2O3，总厚度为9-14μm。参考级刀片是已经制成并将出售的产品。本发明的刀片是在上述实例1的步骤之后对具有还是比例组分的粉末进行混合和颗粒化，然后进行压制、烧结和涂覆而形成。
刀片的几何形状为CNMA120408，工件切割刃口角为95°。
车削在SS0727(对应于DIN GGG 50或AISI/SAE 80-55-06)柱形杆中进行，切割速度为140m/分，进给为0.4mm/转，切割深度为2.0mm。不使用冷却剂。两种刀片分别对5分钟机械加工之间的磨损测量进行了成对试验。
主要的磨损模式是侧面磨损。每种对三个刀刃进行了试验，直到获得0.3mm的侧面磨损。参考级刀片在16.6、17.5和17.9分钟(内插值)后达到该磨损。本发明刀片的相应值为17.3、16.9和18.3分钟。
实例6
本发明的刀片进行了铣削试验，并与市场上的Seco T250M进行比较。参考级刀片和本发明的刀片如上述实例1所述而获得。
刀片的几何形状为SNUN120412，并有大约35-40μm的刀刃磨石。
刀片在SS2244(对应于W-nr 1.7225，DIN 42CrMo4或AISI/SAE4140)中对端面铣操作进行了试验，进给为0.2mm/齿，切割深度为2.5mm。所用的切刀体是Seco 220.74-0125。切割速度为200m/分钟(使用冷却剂)和300m/分钟(不使用冷却剂)。在各个切割速度下，每种使用了三个刀刃。各刀刃的切割长度为2400mm。
在200和300m/分钟切割速度下，两种的测量侧面磨损量都为大约0.1mm。
在200m/分钟切割速度(使用冷却剂)下，市场上的刀片显示有横过刀刃线的2至3个梳齿裂纹，而试验的刀片显示有0至1个梳齿裂纹。在300m/分钟切割速度(不使用冷却剂)下，市场上的刀片显示有4至5个梳齿裂纹，而试验的刀片显示有2至3个梳齿裂纹。
在200m/分钟的切割速度下并有冷却剂时，在任何刀片上都将不会检测到裂纹磨损。在300m/分钟的切割速度下且没有冷却剂时，市场上的刀片上的凹痕磨损分别在1.9×0.2mm、2.2×0.3mm以及2.5×0.3mm的表面区域内。而本发明的刀片的相应值分别为1.9×0.1mm、1.7×0.1mm以及2.2×0.3mm。
上述实例显示，涂层刀具刀片可以由具有铁-镍基粘结剂的、基于碳化钨的硬质合金制成。这样的刀片的性能至少与市场上的、具有Co基粘结剂的相应刀片同样好。

Claims (5)

1.一种刀具刀片，包括基于碳化钨的硬质合金基质和涂层，其特征在于：该硬质合金的粘结相包括35-65wt％的Fe，其余除了熔融元素外为Ni。
2.根据前述权利要求所述的刀具刀片，其特征在于：所述粘结相为面心立方体结构。
3.根据前述任意一个权利要求所述的刀具刀片，其特征在于：所述粘结相包括40-60％的Fe，其余除了熔融元素外为Ni。
4.根据前述任意一个权利要求所述的刀具刀片，其特征在于：所述硬质合金含有4-15wt％的粘结相。
5.根据前述任意一个权利要求所述的刀具刀片，其特征在于：所述涂层包括大约2-4μm的Ti(C、N)内层，随后是大约2-4μm的多层Al2O3和TiN。
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