CN1611313A - 用于粗车削的涂层切削刀片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括硬质合金基底和涂层的刀具刀片。该硬质合金基底包含有WC、7－12wt％的Co、5－11wt％的元素周期表IVb、Vb和VIb族金属的立方碳化物，并且具有与钴高合金化的粘接剂相。碳化钨相其平均截取长度为0.7－1.4μm。该涂层包含有至少一层厚为2－12μm的柱状晶粒构成的α－Al₂O₃层，该柱状晶粒具有以下织构系数：TC(012)＞2.2并且TC(104)、TC(110)、TC(113)、TC(116)所有都＜0.4。

Description

用于粗车削的涂层切削刀片

技术领域

本发明涉及一种尤其用于需要韧性的机加工例如钢的中度粗车削并且还用于车削不锈钢的涂层硬质合金刀具刀片。本发明优选涉及涂层刀片，其中基底已经按照这样一种方式设有不易磨损表面区域，从而在相同级别的钢号中获得了耐磨性和边缘韧力。

背景技术

目前，具有粘接剂相富集表面区域的涂层硬质合金刀片通常用于车削钢和不锈钢材料。粘接剂相富集表面区域拓宽了朝着更坚韧的切削操作的应用。

一段时间以来已知如何在包含有WC、粘接剂相和立方碳化物相的硬质合金上形成粘接剂相富集表面区域，例如通过Tobioka等人(US4,277,283)、Nemeth(US4,610,931)和Yohe(US4,548,786)可知。

EP-A-1 026 271涉及一种具有与W高合金化的粘接剂相的涂层硬质合金。该刀片具有厚度小于20μm的粘接剂相富集表面区域，并且粘接剂相含量沿着从刀片的边缘到中心的方向的直线单调递增直到它到达总体成分。该刀片涂覆有3-12μm厚的柱状Ti(C，N)层，之后涂覆2-12μm厚的Al₂O₃涂层。

EP-A-1 348 779涉及一种具有厚度＞20μm的粘接剂相富集表面区域和Co含量为4-7wt％的涂层硬质合金刀片。该刀片涂覆3-15μm厚的Ti(C，N)层，之后涂覆有3-15μm厚的α-Al₂O₃，并且在最上面涂覆1-10μm厚的碳化物、碳氮化物或碳氧氮化物。

瑞典专利申请0201417-3披露了一种生产其耐磨性和韧性高于现有技术的α-Al₂O₃涂层的方法。该α-Al₂O₃涂层形成在(Ti，Al)(C，O，N)粘接层上，并且其铝含量朝着外表面逐渐增加。该α-Al₂O₃涂层其厚度为1至20μm，并且由柱状晶粒构成。这些铝晶粒的长/宽比为2至12。该涂层其特征在于，采用XRD测量出具有强(012)生长织构，并且几乎完全没有(104)，(110)，(113)和(116)衍射反射。

用于设计用于需要韧性的应用的刀具的涂层通常由Ti(C，N)层和Kappa(κ)氧化铝层构成。已经知道kappa相其韧性性能好于α相。因此，α相仅仅适用于其中主要涉及耐磨性的用途，即用于其Co含量相对较低的钢号。

发明内容

令人惊讶地发现，与Co含量相对较高的基底接合的具有强织构的相对较厚的α氧化铝显示出在对钢进行中度粗车削并且对不锈钢进行车削中具有更高的边缘强度和韧性。

根据本发明，提供一种切削刀具刀片，用于对钢进行中度粗车削的需要韧性的机加工，并且还用于车削不锈钢，该刀片由包括硬质合金基底和涂层。所述硬质合金基底包含有：WC、7-12wt％的Co、5-11wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金属的立方碳化物；Co粘接剂，它与W高合金化并且具有0.79-0.89的S值；碳化钨相具有0.7-1.4μm的平均截取长度，并且所述涂层包含至少一层由具有以下织构系数的柱状α-Al₂O₃晶粒构成的厚度为2-12μm的氧化铝层，

a)TC(012)＞2.2，优选为2.5-3.5并且相关的TC(024)＞0.6×TC(012)，

b)TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)都＜0.4，优选＜0.3，

织构系数TC(hkl)定义如下：

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}{\left\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}\right\}}^{-1}$

其中，

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度，

I_O(hkl)＝根据JCPDS卡No.46-1212的标准强度，

n＝在计算中所使用的反射数量，

所使用的(hkl)反射为：(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)。

附图的简要说明

图1显示出根据本发明的刀具刀片在大约1200X的放大率下的结构。

图2a和2b显示出刀刃在实施例4中的机加工试验之后的磨损。

图3显示出受损刀刃的数量与在实施例5中的切削试验中的进刀量之间的相对关系。

具体实施方式

根据本发明，提供一种涂层刀具刀片，它由一硬质合金主体构成，该主体其成分为：其含量为7-12wt％、优选为8-11wt％、最优选为8.5-9.5wt％的Co，含量为5-11wt％、优选为6.5-9.5wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金属中的立方碳化物，优选该金属为Ti、Nb和Ta，以及衡量的WC。Ta和Nb的重量浓度(weight concentration)之间的比例为1.0-3.0，优选为1.5-2.5。Ti和Nb的重量浓度之间的比例为0.5-1.5，优选为0.8-1.2。

钴粘接剂相与钨高合金化。W在粘接剂相中的浓度可以表示为S值＝σ/16.1，其中σ为测量出的粘接剂相的磁矩(μTm³kg^-1)。S值取决于在粘接剂相中的钨含量，并且随着钨含量减小而增大。因此，对于纯钴或碳饱和的粘接剂而言，S＝1，而对于包含有其量对应于形成η相的边界线的W的粘接剂相而言，S＝0.78。

根据本发明现在已经发现，如果硬质合金主体其S值为0.79-0.89、优选为0.81-0.85，则可以实现改善切削性能。

另外，在磨削抛光的代表横截面上测量出的碳化钨相的平均截取长度为0.7-1.4μm，优选为0.9-1.3μm，最优选为1.1-1.3μm。该截取长度是通过在放大率为10000×的照片上进行图像分析测量出的，并且计算成大约1000个截取长度的平均值。

在一个实施方案中，硬质合金形成为其所有三个相在该材料中均匀分布。

在优选实施方案中，硬质合金层其厚度为10-40μm，优选为20-40μm，最优选为20-30μm厚，基本上没有立方碳化物相，并且粘接剂相富集表面区域其平均粘接剂相含量为标准粘接剂相含量的1.2-2.5倍。

本发明还涉及一种制造根据该优选实施方案的刀具刀片的方法，该刀具刀片包括一硬质合金基底，该基底包括由Co粘接剂相、WC和具有基本上没有立方相的粘接剂相富集表面区域的立方碳氮化物相构成的硬质合金基底和一涂层构成。提供一种粉末混合物，它包含有含量为7-12wt％优选8-11wt％的由Co构成的粘接剂相、含量为5-11wt％优选6.5-9.5wt％的优选为Ti、Nb和Ta的元素周期表IVb、Vb和VIb族中金属的立方碳化物以及衡量WC。Ta和Nb的重量浓度比为1.0-3.0，优选为1.5-2.5。Ti和Nb的重量浓度比为0.5-1.5，优选为0.8-1.2。通过粉末例如氮化物形式加入其量受到良好控制的氮。加入的氮的最优量取决于硬质合金的组分，尤其取决于立方相的量，并且高于元素周期表IVb和Vb族元素的重量的1.7％，优选为高出1.8-5.0％，最优选为高出3.0-4.0wt％。确切的条件取决于在所使用的烧结设备的设计上的特定范围。本领域普通技术人员很容易根据目前的规范来确定并且改变氮添加量和烧结工艺，以便获得所要求的结果。将这些原料与挤压剂还可能有W混合，从而获得所要求的S值，并且将该混合物研磨并且喷射干燥以获得具有所要求性能的粉末材料。接着，将该粉末材料压实并且烧结。在1300-1500℃下在大约为毫巴的受控氛围中进行烧结，之后冷却。在包括弄圆边角的传统烧结后处理之后，通过CVD或MT-CVD技术施加根据下面的硬质耐磨涂层。

该涂层包括与主体相邻的第一层和与第一层相邻的α-Al₂O₃层，该主体为CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVD TiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVDZr(C，N)、MTCVD Ti(B，C，N)、CVD HfN或其组合，优选为MTCVDTi(C，N)，厚度优选为为1至10μm、优选为3至8μm、最优选为大约6μm，以及α-Al₂O₃层的厚度为约2至12μm、优选为3至10μm、最优选为约5μm。优选的是，在基底以及所述第一层中具有由TiN形成的中间层，其厚度小于3μm，优选大约为0.5μm。

在一个实施方案中，α-Al₂O₃层为最上面层。

在一优选实施方案中，在α-Al₂O₃层上面具有一层Ti、Zr和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或碳氧氮化物层，其厚度为0.5至3μm，优选为0.5至1.5μm。

整个涂层厚度应该为7-15μm，优选为8-13μm。

α-Al₂O₃层由具有强(012)织构的柱状晶粒构成。这些柱状晶粒其长/宽比为2至10，优选为4至8，其宽度为0.5-3.0μm，优选为0.5-2.0μm，最优选为0.5-1.5μm。

α-Al₂O₃层的织构系数(TC)如下确定：

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}{\left\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}\right\}}^{-1}$

其中

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度

I_O(hkl)＝根据JCPDS卡No.46-1212的标准强度

n＝在计算中所使用的反射数量

所使用的(hkl)反射为：(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)

氧化铝层的织构定义如下：

TC(012)＞2.2，优选为2.8-3.5，并且相关的TC(024)＞0.6×TC(012)，同时TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)＜0.4，优选为＜0.3。

要指出的是，晶面012和024的强度是相关的。

将α-Al₂O₃层沉积在优选通过MTCVD获得的Ti(C，N)涂层。如在瑞典专利申请0201417-3中所述一样需要几个步骤来控制成核。首先，在Ti(C，N)层上沉积一层在US5,137,774中所述的改性粘接层(在该专利中被称为kappa粘接)，其特征在于具有Al浓度梯度。在该情况中在CO₂/H₂/N₂气体混合物进行受控氧化处理，从而得到比在0201417-3中更低的O潜能，从而进一步增强了(012)织构。氧化步骤是短暂的，随后可以用AlCl₃/H₂混合物进行短暂的处理，随后再次进行短暂的氧化步骤。这种脉动(Al处理/氧化作用)处理将形成令人满意的α-Al₂O₃的成核位置和强(012)织构。通过按照以下顺序依次施加这些反应气体来开始使氧化铝层生长到表面改性粘接层上：CO，AlCl₃，CO₂。温度优选应该大约为1000℃。

实施例

实施例1发明

通过对原料粉末进行常规研磨、挤压生坯并且随后在1430℃下进行烧结来生产出根据本发明的硬质合金基底，其组分为9.0wt％Co、3.6wt％TaC、2.2wt％NbC、2.9wt％(Ti，W)C 50/50(H.C.Starck)、1.1wt％TiN以及衡量的WC，并且与W合金化的粘接剂相对应于0.83的S值。在烧结之后对微观结果进行观察表明，该硬质合金刀片具有厚度为22μm的无立方碳化物区域。在该区域中的钴浓度为在基底的总体中的浓度的1.4倍。碳化钨相的平均截取长度为1.2μm。

实施例2

按照步骤1(下面)用一层MTCVD Ti(C，N)涂覆从实施例1中得到的硬质合金切削刀片。MTCVD层的厚度大约为6μm。将以下氧化铝层沉积到该层上：

a)按照步骤2-6沉积5μm厚的α-Al₂O₃：(本发明)。

步骤1：MTCVD涂覆

气体混合物    TiCl₄        ＝4.0％

              CH₃CN        ＝1.0％

              N₂           ＝20％

              衡量          H₂

              持续时间      150分钟

              温度          850℃

              压力          100毫巴

步骤2：粘接层

气体混合物    TiCl₄        ＝2.8％

              AlCl₃        ＝0.8-4.2％

              CO            ＝5.8％

              CO₂          ＝2.2％

              N₂           ＝5-6％

              衡量          H₂

              持续时间      60分钟

              温度          1000℃

              压力          100毫巴

步骤3：渗铝步骤

气体混合物    AlCl₃        ＝0.8-4.2％

              衡量          H₂

              持续时间      15分钟或2分钟脉动

              温度          1000℃

              压力          50毫巴

步骤4：氧化步骤

气体混合物   CO₂      ＝0.1％

             衡量      H₂+20％N₂

持续时间               2分钟或20秒脉动

温度                   1000℃

压力                   100毫巴

步骤5：成核步骤

气体混合物    AlCl₃   ＝3.2％

HCL                    ＝2.0％

CO₂                   ＝1.9％

衡量                   H₂

持续时间               60分钟

温度                   1000℃

压力                   210毫巴

步骤6：沉积

气体混合物    AlCl₃   ＝3.9％

HCL                    ＝1.5％

CO₂                   ＝6.2％

H₂S                   ＝0.2％

衡量                   H₂

持续时间               300分钟

温度                   1000℃

压力                   50毫巴

b)按照现有技术沉积5μm的κ-Al₂O₃，其中在没有氧化作用的情况下沉积κ-Al₂O₃层，从而导致κ-Al₂O₃在Ti(C，N)上外延生长。(现有技术)

c)按照现有技术沉积5μm的α-Al₂O₃。在该情况中成核控制没有形成100％纯α-Al₂O₃，而是代替产生出κ-Al₂O₃和α-Al₂O₃的混合物。因此κ-Al₂O₃相在沉积过程中转变成具有高错位密度的α-Al₂O₃。(现有技术)，

试验涂层的整体涂覆厚度在所有情况中都为11μm。

实施例3

采用XRD对从实施例2a和2c(α氧化物)得到的刀片。涂层c具有随机的织构，但是根据本发明的涂层a显示出清晰的(012)织构。表1显示出涂层a所获得的织构系数。

表1

hkl	本发明(涂层a)
		012	3.39
104	0.11
		110	0.22
113	0.15
		024	2.04
116	0.09

实施例4

在下面条件下相对于根据现有技术的刀片(从实施例2中得到的涂层)，对根据从实施例2得到的本发明(涂层a)的刀片进行测试。

工件：         圆棒

刀片类型：     CNMG120408-M3

切削速度       220m/分钟

进刀量         0.4mm/转

切削深度       2.5mm

切削时间       4.7分钟

备注：         在没有冷却剂的情况下进行间歇切削

在图2显示出在经过4.7分钟切削之后的刀刃。根据现有技术产生出的刀片显示出严重的刀刃碎片和弧坑磨损，而根据本发明的那些刀片没有任何碎片。在这些刀片上的磨损非常均匀，并且这些刀片可以使用更长时间。

这表明具有根据本发明的织构的α-Al₂O₃具有比根据现有技术生产出的α-Al₂O₃更坚韧并且更耐磨的性能。

实施例5

在金属切削中对从实施例2中得到的刀片a)和b)进行比较。涂层a由根据本发明的无缺陷α-Al₂O₃构成，而涂层b由根据现有技术的κ-Al₂O₃构成。测试条件如下：

工件：          圆柱形开槽棒

材料：          SS1672-08

刀片类型：      CNMG120408-M5

切削速度        80m/分钟

进刀量在10mm切削长度之后逐渐增加0.1，0.125，0.16，0.20，0.315，0.4，0.5，0.63，0.8，1.0mm/转

切削深度        2.0mm

备注：          在没有冷却剂的情况下进行间歇机加工模式测试

刀具寿命标准：  逐渐增加进刀量直到断裂。测试到每个变型的10刀刃。

在图3中给出了这些结果。

从在图3中的结果中可以看出，由具有一织构的α-Al₂O₃构成的根据本发明的刀片其韧性比根据现有技术生产出的κ-Al₂O₃的那些好得多。

实施例6

在下面的条件下对从实施例2得出的涂层a和b进行测试。

工件：          圆棒

材料：          SS1672-08

刀片类型：      CNMG120408-M5

切削速度        250m/分钟

进刀量          0.4mm/转

切削深度        2.0mm

切削时间        3.6分钟

备注：          在没有冷却剂的情况下进行间歇机加工模式测试；测试每个变型的三个刀刃。

涂覆有κ-Al₂O₃的现有技术刀片在3.6分钟切削之后出现严重的塑性变形，而根据本发明生产出的那些刀片其塑性变形非常小。显然α-Al₂O₃防止塑性变形的能力优异。

实施例7

通过对不锈钢进行间歇车削来测试以下三个变型。

a.本发明的实施例2a

b.用于对不锈钢进行间歇车削的来自竞争者1的强烈推荐的钢号

c.用于对不锈钢进行间歇车削的来自竞争者2的强烈推荐的钢号

工件：        圆棒

材料：        8S2343

刀片类型：    CNMG120408-M3

切削速度      150m/分钟

进刀量        0.4mm/转

切削深度      2.0mm

切削时间      7.6分钟

备注：    在没有冷却剂的情况下进行间歇机加工模式测试；测试每个变型的三个刀刃。

在7.6分钟之后，测量这三个变型的侧面磨损：

变型          侧面磨损

a.本发明      0.20

b.竞争者      0.29

c.竞争者      0.26

这些结果表明具有带有根据本发明织构的α-Al₂O₃的硬质合金刀具与竞争者产品相比具有更长的刀具寿命。

实施例8

在普通碳钢的连续车削中还测试在实施例5和6中的测试的相同变型。

工件：        圆棒

材料：        SS1672-08

刀片类型：    CNMG120412-M3

切削速度      300m/分钟

进刀量        0.4mm/转

切削深度      2.0mm

备注：        在有冷却剂的情况下进行连续切削

刀具寿命标准：侧面磨损＞0.3mm，测试每个变型的三个刀刃

结果          刀具寿命(分钟)

本发明        9.0

现有技术      6.0

测试结果表明，根据本发明的即具有带有一织构的α-Al₂O₃的涂层的硬质合金刀具在连续切削中其刀具寿命比具有κ-Al₂O₃的现有技术材料更长。

因此，上面的实施例显示出，根据本发明的硬质合金在耐磨性和韧性方面都优于现有技术材料。

Claims (6)

1.一种切削刀具刀片，用于对钢进行中度粗车削的需要韧性的机加工，并且还用于车削不锈钢，该刀片由包括硬质合金基底和涂层，其特征在于：

所述硬质合金基底包含有，

WC、7-12wt％的Co、5-11wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金属的立方碳化物，

Co粘接剂，它与W高合金化并且具有0.79-0.89的S值，

碳化钨相具有0.7-1.4μm的平均截取长度，并且

所述涂层包含至少一层由具有以下织构系数的柱状α-Al₂O₃晶粒构成的厚度为2-12μm的氧化铝层，

a)TC(012)＞2.2，优选为2.5-3.5并且相关的TC(024)＞0.6×TC(012)，

b)TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)都＜0.4，优选＜0.3

织构系数TC(hkl)定义如下：

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}{\left\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_O\left(\mathrm{hkl}\right)}\right\}}^{-1}$

其中，

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度，

I_o(hkl)＝根据JCPDS卡No.46-1212的标准强度，

n＝在计算中所使用的反射数量，

所使用的(hkl)反射为：(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)。

2.如前面权利要求1所述的刀片，其特征在于，所述柱状α-Al₂O₃晶粒其长/宽比为2至10，优选为4至8。

3.如前面权利要求中任一项所述的刀片，其特征在于，包括与硬质合金基底相邻的第一层，所述基底为CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVDTiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVD Zr(C，N)、MTCVD Ti(B，C，N)、CVD HfN或其组合，优选为MTCVD Ti(C，N)，所述第一层厚度为1至10μm优选为3至8μm最优选为大约6μm。

4.如前面权利要求中任一项所述的刀片，其特征在于，整个涂层厚度应该为7-15μm，优选为8-13μm。

5.如前面权利要求中任一项所述的刀片，其特征在于，所述烧结基底的碳化钨相其平均截取长度为0.9-1.3μm。

6.如前面权利要求中任一项所述的涂层刀具刀片，其特征在于，所述硬质合金具有富集粘接剂相并且基本上没有立方碳化物的表面区域，其厚度为10-40μm。

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