CN1534104A - 涂层刀具嵌入件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于以中等至较高速度对铸铁以及低合金钢进行车削的涂层烧结碳化物刀具嵌入件。该刀具嵌入件的特征在于一烧结碳化物主体，它包含有WC、立方碳氮化物、W合金的Co粘合剂相，并且具有一烧结碳化物主体的表面区域，该区域富有粘合剂相并且几乎没有立方碳氮化物相，并且包括一涂层，它包含有具有等轴晶粒的TiCxNyOz最内层、具有柱状晶粒的TiCxNyOz层以及至少一层Al2O3。

Description

涂层刀具嵌入件
技术领域
本发明涉及一种涂层烧结碳化物刀具嵌入件，它特别适用于车削铸铁，也适合于以中等至较高的切削速度来车削低合金钢。该嵌入件具有以WC和立方碳氮化物为硬质相的主体，用坚韧的Co粘合剂相粘接，并具有高耐磨性涂层。该嵌入件被制造成为使该主体的表面区域的元素成分与总体成分不同，从而同时获得良好的耐磨性、耐塑性变形性以及刀刃强度，这导致对于不同的加工条件来讲延长了刀具寿命。
背景技术
目前，具有富集粘合剂相的表面区的涂层烧结碳化物嵌入件用于对钢和不锈钢材料进行机加工。在这些中等至粗糙的WC颗粒的刀具材料中，并且添加有相对较多的立方碳氮化物形成元素，粘合剂相富集的表面区域朝着更坚韧的切削操作方向拓宽了应用领域。但是，在用于车削铸铁的嵌入件中，这些烧结碳化物等级通常就不能获得成功。用于加工铸铁的硬质合金度的传统设计是具有小的WC颗粒尺寸，低的Co含量以及没有或者非常少的加入立方碳化物，仅仅是为了限制WC颗粒的生长。所得到的刀具材料具有相对较高的室温硬度，相当好的耐裂纹扩展性，以及总体韧性。在高切割速度和/或高速旋转操作中，当产生大量的热时，耐塑性变形性、以及有时还有耐磨性，都受到限制。
通过进一步减少WC颗粒尺寸以及降低Co粘合剂相含量，和/或通过提高立方碳氮化物形成元素的加入量，可以实现刀具嵌入件耐塑性变形性的改善。但是这些变量中的每一种变量会同时削弱嵌入件的韧性。
已经知道通过引入基本上没有立方碳化物并且富有粘合剂相的表面区域来改善韧性性能的方法。例如US4277283、US4610931和US4548786披露了通过使嵌入件表面附近的立方碳化物相溶解来实现粘合剂相在表面区域中的富集的方法。该方法要求立方碳化物相包含一些氮，因为立方碳化物相在烧结温度下的溶解需要在烧结主体内的局部氮压力、氮活性超过在烧结氛围内的局部氮压力。可以在烧结循环期间通过炉内气氛和/或直接通过粉末加入该氮。立方碳化物相优选在表面区域中的溶解导致少量填充有粘合剂相的空间，从而获得所要求的粘合剂相富集。因此，获得了基本上由WC和粘合剂相构成的表面区域。
EPA1026271A涉及一种用于对钢进行车削的涂层烧结碳化物嵌入件。该嵌入件具有一高合金Co粘合剂相，大量添加有4-12优选为7-12wt％的立方碳化物，并且其WC晶粒尺寸为1-4优选为2-3μm。富有粘合剂相的表面区域其厚度＜20μm，并且沿着在从刀刃到该嵌入件的中央部分的方向中的直线，该粘合剂相含量基本上单调递增直到它到达体相组成。该嵌入件的涂层包括3-12μm厚的柱状TiCN以及2-12μm厚的Al2O3。
US5945207披露了一种特别用于对铸铁材料进行切削加工的刀具嵌入件。该嵌入件的特征在于，WC-Co烧结碳化物主体具有5-10wt％的Co和来自元素周期表的族IVb、Vb或VIb的＜0.5％的立方碳化物。该粘合剂相为高W合金，并且表面组分被准确限定。该涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz层、细晶粒织构的α-Al2O3层以及已经沿着刀刃线除去的TiCxNyOz顶层。
发明内容
现在已经令人惊讶地发现，可以通过将刀具嵌入件的许多不同特征组合来获得在对铸铁进行机加工时性能提高。具体地说已经发现，如果制造出这样一种刀具，从而将富有粘合剂相、几乎没有立方碳氮化物的表面区域与细小WC晶粒尺寸结合，相对少量添加立方碳氮化物形成元素，并且Co粘合剂含量较低，由此可以同时获得塑性变形和耐磨性以及刀刃强度上的改善。
当涂有硬质耐磨涂层时，所述刀具嵌入件在以中等到较高切削速度对铸铁进行车削并且以较高切削速度对低合金钢进行车削时显示出优异的性能。由于根据本发明的涂层烧结碳化物嵌入件在连续和断续切削条件下表现非常好，所以可以获得更广泛的用途。
附图说明
图1以1000X显示出根据本发明的刀具嵌入件的结构，其中
1.烧结碳化物块
2.烧结碳化物表面区域
3.最里面的TiCxNyOz层
4.具有柱状晶粒的TiCxNyOz层
5.Al2O3层
具体实施方式
根据本发明，涂层刀具设有一烧结碳化物主体，其成分为3.0-8.0wt％优选为4.5-7.0wt％的Co、0.5-4.0wt％优选为1.0-4.0wt％的来自元素周期表的IVb和Vb族的立方碳氮化物形成元素、N、C和WC。N在烧结体中存在的量对应于来自IVb和Vb族的元素的重量的＞1.0％优选为1.7-5.0％。
烧结碳化物具有5-40μm优选为10-30μm厚的表面区域，该区域富有粘合剂相并且几乎没有立方碳氮化物相。表面区域的最大粘合剂相含量以体积计为体相粘合剂相含量的1.2-3％。
钴粘合剂相为用来与钨高度合金化的介质。钨在粘合剂相中的含量可以表示为S-值＝σ/16.1，其中σ为以μTm3kg-1为单元测量出的粘合剂相的磁矩。S-值取决于粘合剂相的钨含量，并且随着钨含量的减少而增加。因此，对于纯钴或者具有饱和的碳的粘合剂而言，并且对于其钨含量对应于η相形成的边界线的粘合剂相而言，S＝0.78。
根据本发明现在已经发现，如果烧结碳化物主体其S-值在0.78-0.94优选为0.81-0.92的范围内可以实现改进的切削性能。
另外，在磨平并且抛光的典型横断面上测量出的碳化钨相的平均截取长度在0.35-0.85μm优选为0.45-0.75的范围内。立方碳氮化物相的平均截取长度对于碳化钨而言基本上相同。通过放大倍数为10000X的微观照片上进行图像分析来测量出截取长度，并且计算作为大约1000个截取长度的平均数值。
在优选实施方案中，立方碳氮化物量对应于立方碳氮化物形成元素钛、钽和铌的重量的0.5-4.0％，优选为1.0-4.0wt％。在钽和铌之间的比值以重量计为0.8-4.5优选为1.2-3.0。钛和铌之间的比例以重量计为0.5-7.0优选为1.0-4.0。
根据本发明的刀具嵌入件具有一涂层，它包含：
第一TiCxNyOz最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选的是y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，并且具有等轴晶粒并且总厚度＜2μm优选＞0.1μm；
TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，厚度为3-14μm优选为4-12μm，最优选为5-10μm，并且具有柱状晶粒；
至少一层Al2O3，优选为α-Al2O3，其厚度为2-14μm，优选为3-10μm；
Al2O3外层，之后可以为TiCxNyOz、HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物的其它层，其中0.7≤x+y+z≤1.2，优选y＞x并且z＜0.4，更优选为y＞0.4，最优选为y＞0.7，并且厚度＜3μm，优选为0.4-1.5μm，但是该Al2O3层也可以为最外层。
本发明还涉及一种制造一种具有烧结碳化物体的涂层刀具的方法，烧结碳化物体的组分为3.0-8.0wt％优选为4.5-7.0wt％的Co、0.5-4.0wt％优选为1.0-4.0wt％的来自元素周期表的IVb和Vb族的立方碳氮化物形成元素、N、C和WC。N在烧结体中存在的量对应于来自IVb和Vb族的金属的重量的＞1.0％优选为1.7-5.0％。
根据本发明的烧结碳化物体的生产采用两种方式中的任一个或其组合来完成：(i)如在US4610931中所披露的一样通过在惰性氛围中或在真空中烧结包含氮化物或碳氮化物的预烧结或压实体；或者(ii)如在US4548786中所披露的一样使压实体氮化，之后在惰性氛围中或在真空中进行烧结。
所要求的平均截取长度取决于初始粉末的晶粒尺寸以及研磨和烧结条件，并且必须通过试验来确定，所要求的S-值取决于初始粉末和烧结条件，并且也必须通过试验来确定。
利用MTCVD技术采用乙腈作为碳和氮源将具有柱状晶粒形态的TiCxNyOz层(其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选为x＞0.4)沉积到烧结碳化物上，以在700-950℃的温度范围中形成该层。
根据已知的技术来沉积最里面的TiCxNyOz层、Al2O3层和随后的TiCxNyOz、HfCxNyOz或ZrCxNyOz层。
本发明还涉及使用根据上述的刀具嵌入件来以中等和较高的切削速度即以100-700m/分钟优选为100-600m/分钟的切削速度来车削铸铁和低合金钢，并且根据切削速度和嵌入件几何形状其进给量可以为0.04-0.80mm/转。
实施例1
等级A：通过普通研磨出粉末、挤压出压坯并且随后在1430℃下进行烧结来生产出根据本发明的烧结碳化物基底，其成分为5.6wt％Co、1.5wt％Ta、0.9wt％Nb、1.5wt％Ti、5.98wt％C、0.08wt％N以及衡量W，并且具有与0.91的S-值相对应地与W形成合金的粘合剂相。在烧结之后对微观结构进行观察表明，碳化钨相的平均截取长度为0.58μm，并且嵌入件的表面区域包括部分几乎没有立方碳氮化物相的15μm厚的浓缩粘合剂相。根据本发明将该基底涂覆在相同的涂覆循环期间沉积的随后层。第一层为0.2μm厚的具有等轴晶粒的TiCxNyOz层，其中z＜0.1并且y＞0.6。第二层为用乙腈作为碳和氮源在835-850℃下沉积的6.8μm厚的柱状TiCxNyOz，从而大致产生出碳/氮比x/y＝1.5，并且z＜0.1。在大约1000℃下沉积7.2μm厚的由α相构成的Al2O3层。将等轴富氮TiCxNyOz(z＜0.1并且y＞0.8)的外层沉积成厚度为0.4μm
等级B：按照与等级A相同的方式生产出根据本发明的烧结碳化物基底，其成分为5.6wt％Co、1.0wt％Ta、0.6Wt％Nb、1.9wt％Ti、6.01wt％C、0.13wt％N以及衡量W，并且具有与0.89的S-值相对应地与W形成合金的粘合剂相。碳化钨相在烧结之后的平均截取长度为0.56μm，并且嵌入件的表面区域包括部分几乎没有立方碳氮化物相的20μm厚的浓缩粘合剂相。根据等级A(根据本发明)涂覆基底。
等级C：将设计用于铸铁机加工的普通烧结碳化物基底与根据等级A(根据本发明)的涂层组合，所述烧结碳化物的成分为6.0wt％Co、0.16wt％Ta、5.80wt％C以及衡量W，对应于0.94的S-值与W形成合金的粘合剂相，并且在该烧结体中的WC的平均截取长度为0.61μm。
等级D：将一基底与根据等级A(根据本发明)的涂层组合，该基底的平均成分为5.5wt％Co、1.5wt％Ta、1.3wt％Nb、5.86wt％C以及衡量W，没有任何无立方碳氮化物表面区域，具有对应于0.89的S-值与W形成合金的粘合剂相，并且在该烧结体中的WC的平均截取长度为0.57μm。
在断续切削的情况中在刀刃韧性方面对等级A、等级B、等级C和等级D进行测试。机加工操作为对圆柱形开槽棒材进行纵向车削。
材料：钢SS1672
嵌入件类型：CNMG120412-M5
切削速度：140m/分钟
进刀量：在切削10mm长度之后逐增加为0.1、0.125、0.16、0.20、0.25、0.315、0.4、0.5、0.63、0.8mm/转
切削深度：2.5mm
刀具寿命标准：刀刃缺口或嵌入件断裂
  结果   在断裂时的平均进刀量(mm/转)
  等级A(根据本发明的等级)   0.36
  等级B(根据本发明的等级)   0.20
  等级C(根据本发明的等级)   0.20
  等级D(根据本发明的等级)   0.15
该测试表明，根据本发明的基底和涂层的组合体与普通铸铁机加工等级相比具有相同或更优的刀刃韧性。该测试还表明，如果没有形成梯度表面区域的话，立方碳氮化物相的添加在刀刃韧性上的有害影响。
实施例2：
在灰口铸铁的纵向车削中对等级A、等级C和等级D的嵌入件进行测试。观察并且比较不同等级的塑性变形阻力。
    材料     灰口铸铁，SS0125
    嵌入件类型     CNMG120412-M5
    切削速度     350m/分钟
    进刀量     0.4mm/转
    切削深度     2.5mm
    冷却剂     无
    切削时间     5分钟
    结果     刀刃凹陷
    等级A(根据本发明的等级)     25μm
    等级C(根据本发明的等级)     30μm
    等级D(根据本发明的等级)     25μm
如在该测试中所示一样，富Co的无立方碳氮化物表面区域的存在没有损害等级A的塑性变形阻力。
实施例3：
等级E：将设计用于钢机加工的普通烧结碳化物基底与根据等级A(根据本发明)的涂层组合，所述烧结碳化物的成分为5.5wt％Co、3.3wt％Ta、2.1wt％Nb、2.0wt％Ti、6.0wt％C、0.2wt％N以及衡量W。该刀具的基底具有深为25μm基本上没有立方碳氮化物相的表面区域、对应于0.85的S-值与W形成合金的平均粘合剂相，并且在该烧结体中的WC的平均截取长度为0.73μm。
等级F：一种用于铸铁机加工的商用烧结碳化物等级，其中根据等级C的基底结合有一涂层，该涂层包括：第一TiCxNyOz薄层；厚度为6.2μm的柱状TiCxNyOz第二层、厚为2.1μm的k-Al2O3层；以及最外面的厚为1.2μm的富N的TiCxNyOz层。
在灰口铸铁部件的粗加工中对根据等级A、等级C、等级E和等级F的嵌入件进行测试。该部件具有在断续切削条件下所导致的铸皮和几何形状。刀具寿命标准为在部件拐角上出现毛刺。
    材料     灰口铸铁，SS0130
    部件     皮带轮
    嵌入件类型     WNMG080412-MR7
    切削速度     300m/分钟
    进刀量     0.4mm/转
    切削深度     3.0mm
    冷却剂     无
    结果     所生产的零件数量
    等级A(根据本发明的等级)     23
    等级C(根据本发明的涂层)     18
    等级D(根据本发明的涂层)     11
    等级F(现有技术)     15
从该操作中的结果表明，根据本发明的等级具有非常良好的耐磨性和刀刃韧性的组合。等级C和E的磨损表现为刀刃缺口。大量加入立方碳氮化物相形成元素和较大的WC晶粒尺寸在该铸铁机加工操作中赋予等级E更脆的性能。等级F的磨损表现为由于涂层相对较薄导致的摩擦损耗。
实施例4：
在对球墨铸铁进行端面车削操作中对根据等级A、等级B、等级C、等级D、等级E和等级F的嵌入件进行测试。刀具寿命标准为后刀面磨损超过0.4mm。等级A、等级B和等级E的嵌入件的前刀面没有磨光。
    材料     球墨铸铁，SS0732
    部件     圆柱体
    嵌入件类型     WNMA080412
    切削速度     250m/分钟
    进刀量     0.3mm/转
    切削深度     3.0mm
    切削条件     大量断续切削
    冷却剂     有
    结果     所生产的零件数量
    等级A(根据本发明的等级)     30
    等级B(根据本发明的等级)     32
    等级C(根据本发明的涂层)     25
    等级D(根据本发明的涂层)     15
    等级E(根据本发明的涂层)     15
    等级F(现有技术)     20
实施例5
在对球墨铸铁进行外圆车削操作中对根据等级A、等级C、等级E和等级F的嵌入件进行测试。刀具寿命标准是由于后刀面磨损或刀刃缺口导致表面光洁度差。
    材料     球墨铸铁，SS0732
    部件     壳体
    嵌入件类型     CNMG120412-MR7
    切削速度     250m/分钟
    进刀量     0.4mm/转
    切削深度     2.0mm
    切削条件     剧烈断续
    冷却剂     无
    结果     所生产的零件数量
    等级A(根据本发明的等级)     23
    等级C(根据本发明的涂层)     26
    等级E(根据本发明的涂层)     28
    等级F(现有技术)     28
等级A和等级F的刀具寿命主要由后刀面磨损限定，而等级C和等级E的刀具寿命由刀刃缺口限定。
实施例6：
在对低合金钢进行纵向车削中对根据等级A、等级B、等级C和等级E的嵌入件进行测试。观察和比较不同等级的塑性变形阻力。
    材料     低合金钢，SS1672
    嵌入件类型     CNMG120412-M5
    切削速度     600m/分钟
    进刀量     0.4mm/转
    切削深度     2.5mm
    冷却剂     无
    切削时间     1分钟
  结果     刀刃凹陷
  等级A(根据本发明的等级)     25μm
  等级B(根据本发明的等级)     20μm
  等级C(根据本发明的涂层)     35μm
  等级E(根据本发明的涂层)     20μm
在该测试中，等级A和等级B显示出比等级C更好的变形阻力，并且该刀具具有用于铸铁车削的普通基底。等级B的性能与等级E相同。

Claims (9)

1.一种刀具嵌入件，它包括一烧结碳化物主体和特别用于对铸铁和低合金钢车削的涂层，其特征在于，所述主体具有以下成分：3.0-8.0wt％优选为4.5-7.0wt％的Co、0.5-4.0wt％优选为1.0-4.0wt％的来自元素周期表的IVb和Vb族的立方碳氮化物形成元素、N、C和WC，并且具有厚为5-40μm优选为10-30μm的表面区域，该区域富有粘合剂相并且几乎没有立方碳氮化物相，其在表面区域中的最大粘合剂相含量以体积计为体相粘合剂相含量的1.2-3，并且其中所述涂层包含：
第一TiCxNyOz最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选的是y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，并且具有等轴晶粒并且总厚度＜2μm优选＞0.1μm；
TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，厚度为3-14μm优选为4-12μm，最优选为5-10μm，并且具有柱状晶粒；以及
至少一层Al2O3，其厚度为2-14μm，优选为3-10μm。
2.如权利要求1所述的刀具嵌入件，其特征在于，还包括一TiCxNyOz、HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物的外层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选y＞x并且z＜0.4，更优选为y＞0.4，最优选为y＞0.7，并且厚度＜3μm，优选为0.4-1.5μm。
3.如前面权利要求中任一项所述的涂层刀具嵌入件，其特征在于所述烧结碳化物主体的S-值为0.78-0.94，优选为0.81-0.92，并且WC相的平均截取长度为0.35-0.85μm，优选为0.45-0.75μm。
4.如前面权利要求中任一项所述的涂层刀具嵌入件，其特征在于N在烧结体中存在的量对应于来自元素周期表中IVb和Vb族的元素的重量的＞1.0％优选为1.7-5.0％。
5.如前面权利要求中任一项所述的涂层刀具嵌入件，其特征在于，立方碳氮化物的量以重量计对应于立方碳氮化物形成元素钛、钽和铌的0.5-4.0％，优选为1.0-4.0wt％。
6.如前面权利要求中任一项所述的涂层刀具嵌入件，其特征在于，在钽和铌之间的比例以重量计为0.8-4.5，优选为1.2-3.0，并且钛和铌之间的比例以重量计为0.5-0.7，优选为1.0-4.0。
7.一种制造刀具嵌入件的方法，该刀具嵌入件包括一烧结碳化物主体和尤其用于对铸铁和低合金钢进行车削的涂层，其特征在于所述主体的成分具有3.0-8.0wt％优选为4.5-7.0wt％的Co、0.5-4.0wt％优选为1.0-4.0wt％的来自元素周期表的IVb和Vb族的立方碳氮化物形成元素、N、C和WC，并且具有厚为5-40μm优选为10-30μm的表面区域，该区域富有粘合剂相并且几乎没有立方碳氮化物相，其在表面区域中的最大粘合剂相含量以体积计为体相粘合剂相含量的1.2-3，并且其中所述涂层包含：
第一TiCxNyOz最内层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.5，更优选的是y＞x并且z＜0.2，最优选y＞0.7，并且具有等轴晶粒并且总厚度＜2μm优选＞0.1μm；
TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选z＜0.2，x＞0.3并且y＞0.2，最优选x＞0.4，厚度为3-14μm优选为4-12μm，最优选为5-10μm，并且具有柱状晶粒；以及
至少一层Al2O3，其厚度为2-14μm，优选为3-10μm。
8.如权利要求7所述的制造切削嵌入件的方法，其特征在于，还包括一TiCxNyOz、HfCxNyOz或ZrCxNyOz或其混合物的外层，其中0.7≤x+y+z≤1.2，优选y＞x并且z＜0.4，更优选为y＞0.4，最优选为y＞0.7，并且厚度＜3μm，优选为0.4-1.5μm。
9.如权利要求1-6中任一项所述的刀具嵌入件的用途，用来根据切削速度和嵌入件几何形状以100-700m/分钟的切削速度和0.04-0.80mm/转的进刀量对铸铁和低合金进行车削。
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