專利名稱：帶有涂層的車刀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有涂層的切削工具(硬質(zhì)合金刀片)，所述切削工具特別適用于對要求剛性的不銹鋼部件如方桿，法蘭和管件進行濕車削，所述鋼帶有原始表面如鑄造表面，鍛造表面，熱或冷軋表面或預(yù)機加工的表面。
當用硬質(zhì)合金刀具對不銹鋼進行車削時，根據(jù)不同的磨損機理如化學磨損，磨擦磨損，粘附磨損和由于沿銑削刀口形成的裂縫而產(chǎn)生的刀口劈裂(所謂梳狀裂縫)，切削刀口將被磨損。
不同的切削條件要求切削刀片有不同的性能。例如，當切削帶原始表面區(qū)的鋼材時，帶有涂層的硬質(zhì)合金刀片必須由韌性碳化物組成并具有特好的涂層粘結(jié)。當對不銹鋼進行車削時，粘附磨損通常是主要的磨損形式。
對于特定的磨損形式，可采取各種措施來改善切削性能。然而，這種作用經(jīng)常會對其它磨損性能產(chǎn)生副作用。
迄今為止，還很難同時改善所有的刀具性能。因而，市售的各種硬質(zhì)合金均針對一種或若干種磨損形式進行最優(yōu)化，并因此具有特定的應(yīng)用范圍。
瑞典專利申請9503056-5披露了一種帶有涂層的車削切割刀具，該刀具特別適于對熱和冷鍛制的低合金鋼進行切削。該刀片的特征在于，硬質(zhì)合金基體由WC-Co和立方碳化物組成，并具有貧含立方碳化物的15-35微米厚的表面區(qū)，涂層包括柱狀晶粒TiCxNyOz層和細晶粒的k-Al2O3層，和優(yōu)選的TiN外層。
瑞典專利申請9504304-8披露了一種帶有涂層的切削刀片，該刀片特別適于在濕或干條件下對低和中等合金鋼進行銑削。該刀片的特征是硬質(zhì)合金由WC-Co和立方碳化物組成，所述涂層包括柱狀晶粒TiCxNyOz層，平滑細晶粒的k-Al2O3層和優(yōu)選的TiN外層。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，將上述專利申請中所述的基體和涂層結(jié)合，在對不銹鋼進行車削時將產(chǎn)生優(yōu)異的切削性能。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)專利申請9503056-5的帶有與涂層結(jié)合的、貧含立方碳化物表面區(qū)的硬質(zhì)合金體尤其適合于不銹鋼的高速車削，如加工性改進的304L的車削，更困難工件材料如316L的車削以及高程度加熱循環(huán)操作如方桿的車削；現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，最合適的是專利申請9504304-8中所述的純WC-Co基體。
本發(fā)明的用于不銹鋼車削的車削刀片由下列物質(zhì)組成硬質(zhì)合金體，它含有熔合大量W的粘結(jié)相和化學組成與晶粒大小很好平衡的WC；柱狀TiCxNyOz層；k-Al2O3層；TiN層。然后還可借助用例如SiC基刷對刀口進行刷光而使切削刀口變得平滑。
鈷粘結(jié)相大量地熔合有W。在粘結(jié)相中W的含量表達為CW比值＝Ms/(Co的重量百分數(shù)·0.0161)，式中Ms為所測量的硬質(zhì)合金的飽和磁化強度(KA/m)，Co的重量百分數(shù)為Co在硬質(zhì)合金中的重量百分數(shù)。CW比值是Co粘結(jié)相中W含量的函數(shù)。低CW比值相當于粘結(jié)相中高的W含量。根據(jù)本發(fā)明，如果硬質(zhì)合金基體的CW比值為0.78-0.93的話，即可獲得改善的切削性能。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種特別適用于很難車削的不銹鋼的車削刀片，該刀片包括有硬質(zhì)合金體，所述合金體包含如下組份6-15％(重量)的Co，優(yōu)選9-12％(重量)的Co，最佳10-11％(重量)的Co，金屬Ta，Nb和Ti的0.2-1.8％(重量)的立方碳化物，優(yōu)選0.4-1.8％(重量)的立方碳化物，最佳0.5-1.7％(重量)的立方碳化物，以及余量WC。另外，該硬質(zhì)合金還可包含選自元素周期表第IVb，Vb或VIb族元素的另外的碳化物。Ti的含量優(yōu)選與工藝雜質(zhì)量相當。優(yōu)選的WC的平均晶粒大小取決于粘結(jié)相的含量。在優(yōu)選的10-11％(重量)的Co組成時，優(yōu)選的晶粒大小約為1.5-2微米，優(yōu)選約1.7微米。CW比值為0.78-0.93，優(yōu)選為0.80-0.91，最佳為0.82-0.90。該硬質(zhì)合金可包含少量(＜1％體積)的η-相(M6C)，而不會有有害的作用。由CW比值可知，在本發(fā)明的硬質(zhì)合金基體中沒有游離石墨。
本發(fā)明的車削刀片帶有的涂層包括等軸晶粒的TiCxNyOz的第一層(最里層)，其中x+y+2＝1，優(yōu)選z＜0.5，晶粒大?。?.5微米并且層總厚度＜1.5微米，優(yōu)選＞0.1微米；柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中x+y+z＝1，優(yōu)選z＝0，x＞0.3且y＞0.3，層厚度為1-15微米，優(yōu)選2-8微米，平均直徑＜5微米，優(yōu)選為0.1-2微米；TiCxNyOz層最優(yōu)選的厚度為2-5微米，特別是特別需要刀口線剛性的工件材料，如Ti穩(wěn)定的不銹鋼。
基本上由k-相組成的光滑細晶粒(晶粒大小約0.5-2微米)的Al2O3層。然而，該層可以包含少量(1-3％體積)的θ-相或α-相(由XRD測量確定的)。Al2O3層的厚度為0.5-6微米，優(yōu)選O.5-3微米，最優(yōu)選0.5-2微米。優(yōu)選該Al2O3層之后是另外的TiN層(厚度小于1微米，優(yōu)選0.1-0.5微米)，但Al2O3層也可以是最外層。在10微米的長度上，該最外層(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。優(yōu)選沿切削刀口除去TiN層(如果有的話)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，制得了WC-Co基硬質(zhì)合金體，該硬質(zhì)合金體包含CW比值為0.78-0.93，優(yōu)選0.80-0.91，最優(yōu)選0.82-0.90的大量熔合有W的粘結(jié)相，含量為0.2-1.8％(重量)的，優(yōu)選為0.4-1.8％(重量)的，最優(yōu)選為0.5-1.7％(重量)的Ta，Nb和Ti的立方碳化物，和6-15％(重量)的Co，優(yōu)選9-12％(重量)的Co，最優(yōu)選10-11％(重量)的Co；在該Co含量時，WC晶粒大小為1.5-2微米，最優(yōu)選約1.7微米。所述基體用下面各層進行涂布利用已知的CVD法沉積等軸晶粒的TiCxNyOz的第一層(最里層)，其中x+y+z＝1，優(yōu)選z＜0.5，晶粒大?。?.5微米并且層厚度＜1.5微米；優(yōu)選利用MTCVD工藝(使用乙腈作為700-900℃范圍內(nèi)形成該層的碳氮源)，沉積柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中x+y+z＝1，優(yōu)選z＝0，x＞0.3且y＞0.3，層厚度為1-13微米，優(yōu)選2-8微米，顆粒平均直徑＜5微米，優(yōu)選＜2微米；然而，具體的條件在一定程度上取決于所使用設(shè)備的構(gòu)造；再在例如EP-A-523021中所述的條件下，沉積基本上由k-Al2O3組成的光滑的Al2O3層。Al2O3層的厚度為0.5-6微米，優(yōu)選0.5-3微米，最優(yōu)選0.5-2微米。優(yōu)選另外再沉積一TiN層(厚度＜1微米，優(yōu)選0.1-0.5微米)，但Al2O3層可以是最外層。在10微米的長度上，該最外層(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。如在瑞典專利申請9402543-4中所述，通過用細粒(400-150目)氧化鋁粉對涂層表面進行輕度濕噴砂，或通過用基于例如SiC的刷子對刀口進行刷光(當有TiN頂涂層時優(yōu)選使用)，可得到光滑的涂層表面。優(yōu)選沿切削刀口除去TiN層(如果有的話)。
實施例1A.通過使用MTCVD工藝，用0.5微米等軸晶粒的TiCN層(最里層)(高氮含量，相當于0.05的估測C/N比值)，隨后是4.3微米厚的柱狀晶粒的TiCN層對CNMG120408-MM型硬質(zhì)合金車刀進行涂布；所述車刀包含如下組分10.5％(重量)的Co，1.16％(重量)的Ta，0.28％(重量)的Nb和余量WC，以及相當于0.87CW比值的熔合有大量W的粘結(jié)相。在同一涂布循環(huán)隨后的步驟中，使用如EP-A-523021中所述的步驟，沉積1.1微米厚的Al2O3層。在同一循環(huán)期間，將TiN薄層(0.5微米)沉積在Al2O3層頂上。涂布后，通過包含SiC晶粒的耐綸草桿刷對該帶有涂層的刀具進行刷光，除去車削刀口上的TiN外層。
B.一種CNMG120408-MM型硬質(zhì)合金車刀，包含如下組分7.5％(重量)的Co，1.8％(重量)的TiC，3.0％(重量)的TaC，0.4％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值為0.88。該硬質(zhì)合金刀具有約25微米的貧含立方碳化物的表面區(qū)。通過使用MTCVD工藝，用0.5微米等軸晶粒的TiCN層(最里層)(高氮含量，相當于0.05的估測C/N比值)，隨后是7.2微米厚的柱狀晶粒的TiCN層對該硬質(zhì)合金車刀進行涂布；在同一涂布循環(huán)隨后的步驟中，使用如EP-A-523021中所述的步驟，沉積1.2微米厚的Al2O3層。在同一循環(huán)期間，將TiN薄層(0.5微米)沉積在Al2O3層頂上。涂布后，通過包含SiC晶粒的耐綸草桿刷對該帶有涂層的刀具進行刷光，除去車削刀口上的TiN外層。
C.選擇得自外界一流碳化物生產(chǎn)者的極具競爭力的硬質(zhì)合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該碳化物包含如下組分9.0％(重量)的Co，0.2％(重量)的TiC，1.7％(重量)的TaC，0.2％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值為0.90。該刀帶有由1.0微米TiC層，0.8微米TiN層，1.0微米TiC層和0.8微米TiN最外層組成的涂層。用光學顯微鏡的檢測表明，在涂布之后沒有進行任何刀口處理。
D.選擇得自外界一流碳化物生產(chǎn)者的極具競爭力的硬質(zhì)合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質(zhì)合金包含如下組分5.9％(重量)的Co，3.1％(重量)的TiC，5.6％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值為0.95。該硬質(zhì)合金具有約30微米厚、富含Co的表面區(qū)。該刀具有由5.3微米TiC層，3.6微米TiCN層，2.0微米TiN最外層組成的涂層。用光學顯微鏡的檢測表明，在涂布之后沒有進行任何刀口處理。
E.選擇得自外界一流碳化物生產(chǎn)者的極具競爭力的硬質(zhì)合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質(zhì)合金包含如下組分8.9％(重量)的Co，和余量WC；CW比值為0.84。該刀具有由1.9微米TiC層，1.2微米TiN層，層合有三層0.1微米的TiN層的1.5微米的Al2O3層，以及0.8微米的TiN最外層組成的涂層。用光學顯微鏡的檢測表明，在涂布之后沒有進行任何刀口處理。
F.選擇得自外界一流碳化物生產(chǎn)者的極具競爭力的硬質(zhì)合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質(zhì)合金包含如下組分5.4％(重量)的Co，2.7％(重量)的TiC，3.5％(重量)的TaC，2.3％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值為0.94。該硬質(zhì)合金具有約40微米厚的富含Co的表面區(qū)。該刀具有由5.3微米TiC層，3.6微米TiCN層，2.0微米TiN最外層組成的涂層。用光學顯微鏡的檢測表明，在涂布之后沒有進行任何刀口處理。
利用對棒(直徑180，帶有兩個相對的平坦側(cè)面(厚度120mm)，4LR60型材料)的端面車削，將得自A，B，C，D，E和F的車刀進行對比。
在該試驗中的磨損機理是刀口的劈裂。在三次切削后錐形基體的刀具(B，E和F)似乎情況良好，但在四次切削之后卻突然破裂。
刀具 切削次數(shù)A(根據(jù)本發(fā)明)15B(本發(fā)明以外) 5C(外部等級) 9D(外部等級) 9E(外部等級) 4F(外部等級) 4實施例2選擇上述的刀具A和B，對切削加工性改善的AISI304L不銹鋼進行縱向和端面的車削試驗。切削速度＝250m/min，進刀速度＝0.3mm/轉(zhuǎn)，切削深度＝2mm，切削時間為1分鐘/循環(huán)。磨損機理是塑性變形。
刀具 循環(huán)次數(shù)B(本發(fā)明以外)7A(根據(jù)本發(fā)明)4實施例3G.具有上述A的組成和涂層的幾何結(jié)構(gòu)TNMG160408-MM的刀具。
H.具有上述B的組成和涂層的幾何結(jié)構(gòu)TNMG160408-MM的刀具。
I.具有上述C的組成和涂層的幾何結(jié)構(gòu)TNMG160408-MM的刀具。
通過對雙煉不銹鋼軸進行縱向干車削而對刀具G，H，和I進行試驗。
切削速度＝140m/min，進刀速度＝0.3mm/轉(zhuǎn)，切削深度＝2mm。每個部件的總切削時間為12分鐘。
刀具G和I產(chǎn)生了塑性變形，而刀具H產(chǎn)生了某些缺口磨損。
為生產(chǎn)出一個部件，刀具G磨損了兩個刀口，而刀具H只需磨損一個刀口，而使用刀具I，最終完成一部件需要磨損四個刀口。
刀具刀口磨損次數(shù)/部件H(本發(fā)明以外) 1G(根據(jù)本發(fā)明) 2I.(外部等級) 4實施例4選擇上述的刀具A和E，對由cast AISI316不銹鋼制造的電機外殼進行車削試驗，大部分為端面車削。由于部件設(shè)計的原因，切削是斷續(xù)進行的。
切削速度為180m/min，進刀速度為0.2mm/轉(zhuǎn)，切削深度為0-2mm(不規(guī)則形狀的鑄造)。切削時間為10.5分鐘/部件。
磨損機理是刀口劈裂和塑性變形的結(jié)合。
刀具部件數(shù)A(根據(jù)本發(fā)明) 2E(外部等級) 1實施例5
選擇刀具A，B，C和D，對AISI304不銹鋼閥基體進行內(nèi)部車削試驗。切削速度130m/min，進刀速度0.4mm/轉(zhuǎn)。由于對棒鉆孔的原因，穩(wěn)定性很差。
對于刀具D和B磨損是刀口的劈裂，而刀具A和C卻是塑性變形。
刀具部件數(shù)A(根據(jù)本發(fā)明) 9D(外部等級) 7C(外部等級) 5B(本發(fā)明以外) 2實施例6選擇刀具A和C，對AISI316Ti不銹鋼方桿進行粗車削試驗。由于部件設(shè)計的原因，切削是斷續(xù)進行的。切削速度142m/min，進刀速度0.2mm/轉(zhuǎn)，切削深度4mm。切削時間為0.13分鐘/部件。磨損是刀口的劈裂。
刀具 部件數(shù)A(根據(jù)本發(fā)明) 25C(外部等級) 1權(quán)利要求
1.一種用于車削鋼材的切削刀具，所述刀具包含有硬質(zhì)合金體和涂層，其特征在于，所述的硬質(zhì)合金體由WC；6-15％(重量)，優(yōu)選9-12％(重量)的Co和0.2-1.8％(重量)的Ta，Ti和/或Nb的立方碳化物，以及CW比值為0.78-0.93，優(yōu)選0.80-0.91的熔有大量W的粘結(jié)相組成；所述的涂層包含下列各層-等軸晶粒的TiCxNyOz的第一層(最里層)，層厚度小于1.5微米，晶粒大?。?.5微米；-柱狀晶粒的TiCxNyOz層，層厚度為2-5微米，晶粒平均直徑＜5微米；-光滑細晶粒(晶粒大小約0.5-2微米)的k-Al2O3外層，層厚度為0.5-6微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的車刀，其特征在于，最外層是0.1-1微米的TiN薄層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的車刀，其特征在于，沿車削刀口除去TiN最外層。
4.一種包含硬質(zhì)合金體和涂層的車刀的制備方法，其特征在于，用下述各層對含有CW比值為0.78-0.93的熔合大量W的粘結(jié)相的WC-Co基硬質(zhì)合金體進行涂布-利用已知的CVD法涂布等軸晶粒的TiCxNyOz的第一層(最里層)，其中x+y+z＝1，優(yōu)選z＜0.5，層厚度0.1-1.5微米，晶粒大?。?.5微米；-將乙腈用作在優(yōu)選的溫度范圍850-900℃形成該層用的碳/氮源，通過MTCVD法沉積柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中x+y+z＝1，優(yōu)選z＝0，x＞0.3且y＞0.3，層厚度為2-8微米，晶粒直徑＜5微米；-涂布厚度為0.5-6微米的光滑的k-Al2O3層，和-優(yōu)選涂布厚度小于1微米的TiN層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制備方法，其特征在于，所述硬質(zhì)合金體包含9-12％(重量)的Co和0.4-1.8％(重量)的Ta和Nb的立方碳化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其特征在于，所述硬質(zhì)合金體的Co含量為10-11％(重量)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4，5，或6所述的方法，其特征在于，CW比值為0.82-0.90。
8.根據(jù)權(quán)利要求4，5，6或7的方法，其特征在于，如果存在TiN最外層的話，沿切削刀口除去TiN最外層。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于車削不銹鋼的帶有涂層的車削刀具。所述刀具的特征在于:包含有WC－Co硬質(zhì)合金和涂層;所述的硬質(zhì)合金體包含有熔合大量W的Co粘結(jié)相;所述的涂層包含柱狀晶粒的TiC
文檔編號C23C30/00GK1203637SQ9619866
公開日1998年12月30日 申請日期1996年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月30日
發(fā)明者佩爾·林斯科格, 佩爾·古斯塔夫松, 比約恩·永貝里, 奧克·奧斯特倫 申請人:桑德維克公司