專利名稱：用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金刀片，尤其涉及一種車削用的硬質(zhì)合金涂層刀片。
背景技術(shù)：
在金屬切削加工過(guò)程中，刀具存在兩種失效機(jī)制磨損和破損。刀片磨損主要包括 磨蝕磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。在不同的切削條件下，加工不同材料的工件時(shí)， 其磨損的主要原因可能是其中的一種或兩種。一般來(lái)說(shuō)，切削溫度較低時(shí)以磨蝕磨損為主， 切削溫度較高時(shí)以擴(kuò)散磨損、氧化磨損為主。刀片破損主要是脆性破損(崩刃、碎裂、剝落、 裂紋破損等)和塑性變形。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，刀片早期破損受熱應(yīng)力影響較小，主要是受機(jī)械 沖擊作用所致的脆性破損；刀片后期疲勞破損主要是在機(jī)械和熱沖擊作用下刀片內(nèi)裂紋失 穩(wěn)擴(kuò)散所致的脆性破損和過(guò)高的加工溫度導(dǎo)致的塑性變形。不銹鋼含有多種合金元素，尤其是奧氏體不銹鋼的Cr、Ni等合金元素含量很大， Cr能提高不銹鋼的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)使不銹鋼具有與刀具粘結(jié)的傾向；M能穩(wěn)定不銹鋼中 的奧氏體組織，但是奧氏體組織塑性大，容易產(chǎn)生加工硬化；此外，不銹鋼的導(dǎo)熱性能差，約 為45#鋼的三分之一，導(dǎo)致切削區(qū)域溫度非常高。所以在不銹鋼的加工中，由于不銹鋼具有 很高的強(qiáng)度、韌性和低的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)致切削力大、切削溫度高，刀片刃口很容易發(fā)生塑性 變形失效；由于不銹鋼中的奧氏體組織塑性大，容易產(chǎn)生加工硬化，刀具很容易發(fā)生溝槽磨 損和后刀面磨損；此外，由于不銹鋼與刀具材料的親和力大，切削溫度高，刀具很容易產(chǎn)生 涂層剝落和擴(kuò)散磨損。為了適應(yīng)不銹鋼高效車削加工的要求，刀片應(yīng)當(dāng)具有更高的韌性、高 溫強(qiáng)度、高溫硬度和良好的抗粘結(jié)磨損和抗涂層剝落的能力。目前，具有粘結(jié)相富集表面區(qū)域的涂層硬質(zhì)合金刀片廣泛用于鋼材等合金的機(jī)械 加工中，粘結(jié)相富集表面區(qū)域拓寬了刀片的應(yīng)用范圍，使之能應(yīng)用于更富韌性的切削操作。 含有α-Al2O3涂層的多層涂層提高了刀片的耐磨性能，使刀片的壽命得到增加，涂層和刀 片基體各自的優(yōu)越性在涂層刀片中實(shí)現(xiàn)了較好的統(tǒng)一。在刀片基體的制備中，制造含有WC、立方相和粘結(jié)相富集表面區(qū)的硬質(zhì)合金屬于 梯度燒結(jié)技術(shù)，在部分專利文獻(xiàn)中(例如US4277283和US4610931號(hào)美國(guó)專利文獻(xiàn)，以及 CN1079179A、CN1134470A、CN1229442A、CN1532014A、CN1854320A、CN1891842A 號(hào)中國(guó)專利 文獻(xiàn))已經(jīng)公開了粘結(jié)相含量梯度變化的硬質(zhì)合金基體及其制備方法，可以獲得基本上不 具有立方相的粘結(jié)相富集表面區(qū)。特別是CN1079179A號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)，其涉及一種具有 改進(jìn)韌性和塑變抗力的硬質(zhì)合金刀片，該刀片是用已知的方法在真空中燒結(jié)含氮的材料 后，再在1280°C 1430°C溫度、40mbar 400mbar氮?dú)庵刑幚淼镀?min lOOmin，得到 一種具有粘結(jié)相富集表面區(qū)的硬質(zhì)合金，其在粘結(jié)相富集表面區(qū)下層的區(qū)域中，粘結(jié)相的 含量為該刀片內(nèi)部含量的0. 85 1，而立方相的含量基本恒定且等于該刀片內(nèi)部的含量。 此種刀片結(jié)構(gòu)對(duì)改進(jìn)刀片韌性和塑變抗力起到了一定作用。從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，具有 富集粘結(jié)相表面區(qū)的硬質(zhì)合金可以吸收裂紋擴(kuò)展能，防止裂紋的擴(kuò)展，從而改進(jìn)刀片的韌 性，表現(xiàn)更加強(qiáng)韌的性質(zhì)。然而，在其后的應(yīng)用實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)富集粘結(jié)相表面區(qū)的存在降低了刀片的硬度和刃口強(qiáng)度，導(dǎo)致刀片刃口容易產(chǎn)生塑性變形，后刀面抗磨損能力下降。 CN101214743A號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種用于加工鑄鐵的涂層刀片，該刀片基體的刃口兩 邊形成粘結(jié)相富集表面區(qū)，粘結(jié)相富集表面區(qū)中間的扇形區(qū)域?yàn)榱⒎较喔患瘏^(qū)，該結(jié)構(gòu)提 高了刃口的抗塑性變形能力，但是在不銹鋼的車削加工中，其抗塑性變形、抗涂層剝落和抗 磨損能力表現(xiàn)較差，有待進(jìn)一步提高。在刀片基體表面涂層的制備中，在刀具表面涂覆高硬度的涂層(如TiN、TiC、 TiCN、CrN等)可減輕刀片的磨蝕磨損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，增加刀片的耐用度；而在刀片 表面涂覆高硬度的Al2O3涂層可以有效避免氧化磨損。采用CVD方法在切削刀片基體上沉 積鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化鋁，這在現(xiàn)有的很多專利文獻(xiàn)中已經(jīng)有描述。例 如US4490191和US3736107號(hào)美國(guó)專利文獻(xiàn)、EP0408535A1和EP0738336A1號(hào)歐洲專利文獻(xiàn) 以及CN1091683A和CN1107901A號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)等公開了氧化物涂層刀具的制備方法以及 各種提高氧化物涂層附著性能的預(yù)處理方法。JP7075903A號(hào)日本專利文獻(xiàn)、SE511089C2號(hào) 瑞典專利文獻(xiàn)以及W00052225A1號(hào)國(guó)際公布專利文獻(xiàn)公開了 MTCVD-TiC或TiCN涂層的制 備方法以及該涂層在立方氮化硼刀具、硬質(zhì)合金刀具、多涂層刀具中的應(yīng)用。現(xiàn)有涂層刀片 的CVD涂層普遍采用MTCVD-TiCN涂層和Al2O3涂層的外層設(shè)計(jì)，典型涂層結(jié)構(gòu)為TiCN(外 層)+Al2O3 (中層)+TiCN(內(nèi)層)的多層式結(jié)構(gòu)，該多層式結(jié)構(gòu)雖具有一定的通用性，能適用 于各加工領(lǐng)域的切削刀片，但是其通用性也限制了其在某些特殊領(lǐng)域(例如不銹鋼車削) 的針對(duì)性。綜上，我們有必要對(duì)刀片基體和刀片涂層的微觀結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)作進(jìn)一步調(diào) 整、組合和優(yōu)化，以適應(yīng)不同加工對(duì)象、不同加工方式的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐磨性好、刃口強(qiáng)度 高、抗高溫硬度高和抗粘結(jié)磨損能力好的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金 涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，所述硬質(zhì)合金基體包括至少一個(gè)由前刀 面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側(cè)位于前刀面和后刀面的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度 變化結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)過(guò)渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過(guò) 渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)；所述硬質(zhì)合金基體包含以WC為基礎(chǔ)的硬質(zhì)相、以Co為基礎(chǔ)的粘結(jié) 相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金屬元素的立方相化合物，所述立方相化合物的含 量為8wt% 14wt% ；所述梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集 區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長(zhǎng)度Ll 大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的長(zhǎng)度L2的2倍(即Ll ^ 2L2)；所述涂層為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層，厚度為0.1 μ m 2 μ m，該層晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度 < 0. 5 μ m ；-一層TiCN層，厚度為Ιμπι 7μπι，該層晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.Ιμπι 2 μ m ；-一層TiCO過(guò)渡層，厚度為0. 1 μ m 1. 5 μ m，該層晶粒為針狀晶?；虻容S晶粒，平均晶粒度<0.5μπι;-最外層的α-Al2O3層，厚度為1μ m 5.5 μ m，等軸晶粒，平均晶粒度為0. 1 μ m 2 μ m，在300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra彡0. 2 μ m。根據(jù)我們長(zhǎng)期的實(shí)踐和觀察，硬質(zhì)合金中粘結(jié)相含量高則韌性好，但抗磨損能力 會(huì)下降，容易產(chǎn)生塑性變形；硬質(zhì)合金中添加立方碳氮化合物后則高溫硬度提高，抗磨損能 力增強(qiáng)，但韌性會(huì)相對(duì)降低，容易產(chǎn)生裂紋和崩刃。在金屬切削過(guò)程中，切屑和工件材料與 刀片刃口產(chǎn)生作用，產(chǎn)生很大的切削力和很高的切削溫度，刃口部位的粘結(jié)相富集表面區(qū) 去除后，暴露出含有立方碳氮化合物富集區(qū)并形成骨架支撐結(jié)構(gòu)，該骨架支撐結(jié)構(gòu)可以有 效地提高刀片刃口的高溫性能，避免粘結(jié)相富集表面區(qū)覆蓋的刃口在切削力和切削熱的作 用下產(chǎn)生塑性變形，這是本發(fā)明具備的一個(gè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)。但更重要的是，本發(fā)明除了關(guān)注刃口 的塑性變形，還要同時(shí)提高刀片的抗磨損能力，基于此，本發(fā)明通過(guò)添加大量的含氮立方化 合物或由這些立方化合物組成的固溶體為主的添加劑，結(jié)合梯度燒結(jié)工藝制備了表面富鈷 的梯度硬質(zhì)合金基體，再通過(guò)對(duì)刃口進(jìn)行處理，形成立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直 于所述前刀面方向上的長(zhǎng)度Ll大于其垂直于所述后刀面方向上的長(zhǎng)度L2的刃口骨架支撐 結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效避免由于立方碳氮化合物富集區(qū)在前刀面上的過(guò)渡暴露而導(dǎo)致 的刃口強(qiáng)度下降和刃口崩刃，同時(shí)提高刃口和后刀面的抗磨損能力。另外，將上述帶梯度功 能表面且刃口結(jié)構(gòu)改善的刀片基體與所述的細(xì)晶較厚的多層涂層結(jié)合，這在保持刀片基體 的強(qiáng)韌度、刀刃抗塑性變形能力和刀具耐磨性能的基礎(chǔ)上，大大提高了刀片的抗剝落能力， 增加了涂層刀具的穩(wěn)定性。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，位于前刀面且接近刃口區(qū)域的所 述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3優(yōu)選大于位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表 面區(qū)的厚度L4 ；所述L3的取值優(yōu)選為10 μ m < L3 < 70 μ m。更優(yōu)選的，位于后刀面且接近 刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4等于零，即位于后刀面且接近刃口一定區(qū)域 內(nèi)的表層粘結(jié)相富集層被完全去除。本發(fā)明硬質(zhì)合金刀片的前刀面采用粘結(jié)相富集表面區(qū) 的設(shè)計(jì)可以有效降低切削過(guò)程中熱烈紋的擴(kuò)展，提高刀片刃口強(qiáng)韌性；而后刀面上粘結(jié)相 富集表面區(qū)對(duì)改善刀片刃口強(qiáng)韌性沒(méi)有明顯的作用，因此，后刀面采用相對(duì)較薄的粘結(jié)相 富集表面區(qū)或無(wú)粘結(jié)相富集表面區(qū)的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高刀片后刀面的抗磨損能力，提 高刀片的使用壽命。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述Co的含量?jī)?yōu)選為5wt% 12wt%。更優(yōu)選的，所述Co的含量為6. 5wt% llwt%。較高的Co含量可以改善刀片的 強(qiáng)度和韌性，增加刀片承受切削力的能力；而添加大量的含氮立方化合物或由這些立方化 合物組成的固溶體為主的添加劑，可以明顯地提高刀具的高溫性能(例如高溫硬度、高溫 強(qiáng)度)，改善刀具在不銹鋼高效加工條件下的性能。特別是結(jié)合表面富鈷的梯度結(jié)構(gòu)和具有 骨架支撐的刃口結(jié)構(gòu)，在保證刃口的高溫性能的基礎(chǔ)上，改善了刀具的韌性和刃口強(qiáng)度。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，位于前刀面且接近刃口區(qū)域的所 述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3的取值優(yōu)選為10 μ m < L3 < 40 μ m，該粘結(jié)相富集表面區(qū)內(nèi) Co的含量為硬質(zhì)合金基體中Co標(biāo)稱含量的1 1. 5倍。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合 金涂層刀片中，所述立方碳氮化合物富集區(qū)的厚度優(yōu)選為10 μ m 60 μ m，該立方碳氮化合 物富集區(qū)內(nèi)立方相化合物的含量?jī)?yōu)選為硬質(zhì)合金基體中立方相化合物標(biāo)稱含量的1 1. 3倍。該梯度硬質(zhì)合金基體的粘結(jié)相富集表面區(qū)的存在有利于阻止刀片涂層中產(chǎn)生的微裂紋 向基體擴(kuò)展，使之表現(xiàn)出比普通硬質(zhì)合金基體更好的抗沖擊性和抗崩刃能力，可以降低立 方相化合物導(dǎo)致的基體整體強(qiáng)韌度的下降所帶來(lái)的消極影響；而大量立方碳氮化合物的加 入又可以有效地提高刀具的高溫性能和硬度。通過(guò)對(duì)本發(fā)明立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)立方 相化合物的含量及厚度進(jìn)行優(yōu)化，可以避免立方碳氮化合物在局部區(qū)域內(nèi)過(guò)度富集或立方 碳氮化合物富集區(qū)過(guò)寬導(dǎo)致刀具韌性和強(qiáng)度的下降。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述TiN層的厚度優(yōu)選為 0. 2 μ m 1 μ m ；所述TiCN層的厚度優(yōu)選為3 μ m 7 μ m ；所述TiCO過(guò)渡層的厚度優(yōu)選為 0. 2 μ m 1 μ m ；所述α -Al2O3層的厚度優(yōu)選為1 μ m 4 μ m。本發(fā)明優(yōu)選采用相對(duì)較薄的 涂層設(shè)計(jì)，在保證涂層刀具的強(qiáng)度、較大的切削力的承載能力、良好耐磨損性能基礎(chǔ)上，可 以有效地提高刀具涂層結(jié)合強(qiáng)度和抗剝落性能。上述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片中，所述TiCN層優(yōu)選為中溫化學(xué)氣 相沉積涂層(即MT-TiCN層)，所述TiCN層的平均晶粒度優(yōu)選為0. 3 μ m 1. 5 μ m ；所述 α-Al2O3層的平均晶粒度優(yōu)選為0.4μπι 1.5 μ m。MT-TiCN涂層的內(nèi)應(yīng)力較小，可以在相 同厚度下提高涂層的韌性，阻止裂紋的擴(kuò)散，減少刀具崩刃；或在相同應(yīng)力下增加涂層的厚 度，提高耐磨性。將MT-TiCN涂層作為涂層刀片的主涂層，兼有TiN的良好韌性和TiC的良 好硬度，可以顯著地提高刀具的使用壽命。α -Al2O3具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和抗氧 化性，更為重要的是α -Al2O3與鋼鐵類工件材料具有很小的化學(xué)親和力，在加工中表現(xiàn)出 良好的抗粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損性能。上述用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片基體的具體制備方法是將碳化鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加 劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對(duì)粉末混合料進(jìn)行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行 燒結(jié)，在硬質(zhì)合金基體表面形成一層粘結(jié)相富集表面區(qū)，在粘結(jié)相富集表面區(qū)下形成一層 立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結(jié)相富集表面區(qū)內(nèi)Co的含量大于硬質(zhì)合金基體中Co標(biāo)稱 含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)碳氮化合物的含量大于等于硬質(zhì)合金基體中碳氮化合物標(biāo) 稱含量；然后，對(duì)制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體采用倒棱、噴砂、研磨、拋光、磨 刷等方法中的一種或多種組合，對(duì)刀片的刃口、后刀面、前刀面進(jìn)行處理，有選擇性地去除 刃口、后刀面、前刀面上的粘結(jié)相富集表面區(qū)以及部分立方碳氮化合物富集區(qū)，最后得到本 發(fā)明的改善刃口結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀片。在上述制備的硬質(zhì)合金刀片基體上通過(guò)以下現(xiàn)有工藝的組合可以得到多層涂層 先采用現(xiàn)有的CVD工藝在硬質(zhì)合金基體上沉積最里層的TiN層；再利用MTCVD工藝(也可 利用CVD法)在TiN層上沉積TiCN層；然后利用現(xiàn)有的CVD工藝在TiCN層上沉積一層 TiCO層；最后利用CVD工藝在TiCO層上沉積最外層的α -Al2O3層。對(duì)涂覆涂層后的硬質(zhì) 合金涂層刀片采用噴砂、含硅尼龍刷拋光等表面處理，在300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙 度 Ra ≤0. 2 μ m0與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明針對(duì)不銹鋼車削加工的特點(diǎn)，對(duì)硬質(zhì) 合金刀片基體及涂層的組分、含量、結(jié)構(gòu)和厚度等進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化組合，基體采用含有大 量立方相化合物的表面富鈷的梯度硬質(zhì)合金，涂層采用較薄的TiN/MT-TiCN/TiCO/α-Al2O3 多層涂層設(shè)計(jì)，并根據(jù)切削刀片前刀面、刃口、后刀面部位的功能特性對(duì)具有粘結(jié)相富集表面區(qū)刀片的刃口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，在前刀面采用保留粘結(jié)相富集表面區(qū)的設(shè)計(jì)， 在刃口處暴露出立方碳氮化合物富集區(qū)，在后刀面采用薄層的粘結(jié)相富集表面區(qū)或無(wú)粘結(jié) 相富集表面區(qū)的設(shè)計(jì)，這三個(gè)特點(diǎn)結(jié)合形成的刃口結(jié)構(gòu)可以有效避免因熱裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的 刃口崩缺、塑性變形導(dǎo)致的燒刀和加工硬化導(dǎo)致的后刀面磨損，可以在提高刃口強(qiáng)度的同 時(shí)，大大提高硬質(zhì)合金刀片前、后刀面的抗磨損能力。此外，本發(fā)明通過(guò)對(duì)粘結(jié)相富集表面區(qū)、立方碳氮化合物富集區(qū)及多層涂層的厚 度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得本發(fā)明的硬質(zhì)合金涂層刀片具有更加優(yōu)良的綜合性能，該硬 質(zhì)合金涂層刀片在不銹鋼的車削加工中實(shí)施效果非常好，在不銹鋼的車削加工中顯示出其 高溫性能、韌性和耐磨性能的良好結(jié)合。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中硬質(zhì)合金刀片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中硬質(zhì)合金刀片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中對(duì)比產(chǎn)品C的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說(shuō)明1、硬質(zhì)合金基體；11、前刀面；12、后刀面；13、刃口 ；14、均相合金區(qū)；15、立方碳氮 化合物富集區(qū)；16、粘結(jié)相富集表面區(qū)；17、交匯區(qū)域；2、涂層；21、TiN層；22、TiCN層；23、 TiCO 過(guò)渡層；24、α -Al2O3 層；25、TiNO 過(guò)渡層·
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種如圖1所示的本發(fā)明的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金 基體1和其上涂覆的涂層2，硬質(zhì)合金基體1包括至少一個(gè)由前刀面11和后刀面12相交所 形成的刃口 13，刃口 13兩側(cè)位于前刀面11和后刀面12的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化結(jié)構(gòu)， 該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)14過(guò)渡到立方碳氮化合物富集區(qū)15、再過(guò)渡到 粘結(jié)相富集表面區(qū)16，梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口 13處的交匯區(qū)域17主要為立方碳氮化合物富 集區(qū)15，且暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于前刀面11方向上的 長(zhǎng)度Ll為60 μ m，其垂直于后刀面12方向上的長(zhǎng)度L2為30 μ m ；涂層2為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層21，等軸晶，厚度為0.5 μ m，平均晶粒度< 0. 5 μ m ；-一層TiCN層22，柱狀晶，厚度為4 μ m，平均晶粒度為0. 8 μ m ；-一層TiCO過(guò)渡層23，針狀晶粒，厚度為0. 5 μ m，平均晶粒度彡0. 5 μ m ；-最外層的α-Al2O3層24，等軸晶粒，厚度為2μ m，平均晶粒度為1.1 μ m，在 300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。本實(shí)施例的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片的制備方法如下將碳化鎢粉、 鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加劑混合制備成均勻的粉 末混合料，并對(duì)粉末混合料進(jìn)行壓制，然后采用梯度燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)(在1440°C下燒結(jié)， 高溫?zé)Y(jié)后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質(zhì)合金基體1表面形成一層粘結(jié)相富集表面區(qū)16，在 粘結(jié)相富集表面區(qū)16下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)15 ；粘結(jié)相富集表面區(qū)16的厚度為10 μ m，其內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體1中Co標(biāo)稱含量的1. 3倍；立方碳氮化合物富集 區(qū)15的厚度L5為20 μ m，其內(nèi)碳氮化合物的含量為硬質(zhì)合金基體1中碳氮化合物標(biāo)稱含 量的1. 2倍。該方法制得的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1的組成包含有8. 5襯％的Co、 13襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對(duì)制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合 金基體1采用與刀片后刀面12成80°角的方式對(duì)該刀片進(jìn)行濕噴砂處理，使刀片刃口 13 圓化，同時(shí)部分去除后刀面12表層的粘結(jié)相富集表面區(qū)，使位于后刀面12且接近刃口 13 區(qū)域的粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4為小于5 μ m,而位于前刀面11且接近刃口 13區(qū)域的粘 結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3仍然保持為10 μ m，得到本實(shí)施例的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金 涂層刀片的基體。對(duì)上述制得的硬質(zhì)合金基體1在同一涂層周期中沉積如下涂層1)先利用現(xiàn)有的CVD法在硬質(zhì)合金基體1上沉積一層上述的TiN層21 ；2)然后利用MTCVD工藝(也可利用CVD法)在TiN層21上沉積一層上述的TiCN 層22 (具體為TiCa5Na5層)；3)再利用現(xiàn)有的CVD法在TiCN層22上沉積一層上述的TiCO過(guò)渡層23 ；4)最后利用CVD法在TiCO過(guò)渡層23上沉積一層上述的α -Al2O3層24作為最外 層，得到本實(shí)施例的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片。對(duì)上述制得的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂、含硅尼龍刷拋光等表面處理，在 300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。實(shí)施例2 —種如圖2所示的本發(fā)明的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金 基體1和其上涂覆的涂層2，硬質(zhì)合金基體1包括至少一個(gè)由前刀面11和后刀面12相交所 形成的刃口 13，刃口 13兩側(cè)位于前刀面11和后刀面12的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化結(jié)構(gòu)， 該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)14過(guò)渡到立方碳氮化合物富集區(qū)15、再過(guò)渡到 粘結(jié)相富集表面區(qū)16，梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口 13處的交匯區(qū)域17主要為立方碳氮化合物富 集區(qū)15，且暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于前刀面11方向上的 長(zhǎng)度Ll為40 μ m，垂直于后刀面12方向上的長(zhǎng)度L2為20 μ m ；涂層2為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層21，等軸晶，厚度為0.5 μ m，平均晶粒度≤0. 5 μ m ；-一層TiCN層22，柱狀晶，厚度為6 μ m，平均晶粒度為0. 8 μ m ；-一層TiCO過(guò)渡層23，針狀晶粒，厚度為0. 5 μ m，平均晶粒度≤0. 5 μ m ；-最外層的Q-Al2O3層24，等軸晶粒，厚度為4μπι，平均晶粒度為Ι. μπι，在 300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra = 0. 2 μ m。該涂層刀片的制備方法也與實(shí)施例1相同，制得的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體 1的組成包含有6襯％的Co、8. 5襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；粘結(jié)相富集表 面區(qū)的厚度為25 μ m，其內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體1中Co標(biāo)稱含量的1. 2倍；立方碳氮 化合物富集區(qū)的厚度L5為40 μ m，其內(nèi)碳氮化合物的含量為硬質(zhì)合金基體1中碳氮化合物 標(biāo)稱含量的1. 3倍；然后，對(duì)燒結(jié)制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1采用研磨去除 后刀面12的粘結(jié)相富集表面區(qū)16，再用含SiC的尼龍刷對(duì)刃口 13進(jìn)行圓化處理，使位于后 刀面12且接近刃口 13區(qū)域的粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4為0 μ m，而位于前刀面11且接近刃口 13區(qū)域的粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3仍然保持為25 μ m，得到如圖2所示的本實(shí)施 例的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金基體1。再采用與實(shí)施例1相同的涂覆方法按上述涂層結(jié) 構(gòu)進(jìn)行涂層，得到本實(shí)施例的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片。對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)比產(chǎn)品A對(duì)比產(chǎn)品A為現(xiàn)有市場(chǎng)上銷售的一種硬質(zhì)合金涂層刀片。該涂層刀片基體組成包 含8. 5wt% Co，余量為WC，涂層為2 μ m厚的TiCxNyOz和1. 5 μ m厚α -Al2O3組成的多層結(jié) 構(gòu)。對(duì)比產(chǎn)品B通過(guò)對(duì)粉末進(jìn)行壓制，采用非梯度燒結(jié)技術(shù)，制得的硬質(zhì)合金基體組成為 10. 5wt% CoUwt % Ta的立方碳氮化物，余量為WC，但沒(méi)有粘結(jié)相富集表面區(qū)和立方相富集 區(qū)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1中的相關(guān)工藝操作對(duì)該硬質(zhì)合金基體進(jìn)行圓化或倒棱處理，并根 據(jù)實(shí)施例2中的相關(guān)工藝對(duì)該基體進(jìn)行涂層，涂層結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同，得到對(duì)比產(chǎn)品B的 涂層刀片。對(duì)比產(chǎn)品C對(duì)比產(chǎn)品C為如圖3所示的現(xiàn)有市場(chǎng)上銷售的涂層硬質(zhì)合金刀片(參見(jiàn) ZL200810030464. 1的專利產(chǎn)品)，該刀片的硬質(zhì)合金基體1組成包含6wt% Co、Ti和 Ta立方碳氮化物，余量為WC ；該硬質(zhì)合金基體1具有由內(nèi)層的均相合金區(qū)14過(guò)渡到立方碳 氮化合物富集區(qū)15、再過(guò)渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)16的梯度變化結(jié)構(gòu)。粘結(jié)相富集表面區(qū) 16的厚度為70 μ m,該粘結(jié)相富集表面區(qū)16內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體1中Co標(biāo)稱含量 的1. 2倍；對(duì)制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體1采用與刀片后刀面12成30°角 的方式對(duì)該硬質(zhì)合金進(jìn)行濕噴砂處理，去除刃口 13表層的粘結(jié)相富集表面區(qū)，使刃口 13內(nèi) 部的立方碳氮化合物富集區(qū)15暴露出來(lái)，但暴露于刃口 13處的立方碳氮化合物富集表面 區(qū)域在前刀面11、后刀面12上的寬度Li、L2均為30 μ m。對(duì)比產(chǎn)品C的涂層2的結(jié)構(gòu)為第一層(最里層)為0. 5 μ m厚的TiN層21 ；第二 層為8 μ m厚的柱狀晶粒的TiCN層22，平均晶粒度為0. 8 μ m ；第三層為0. 5 μ m厚的TiNO 過(guò)渡層25;第四層為8μπι厚的α-Al2O3層24，平均晶粒度為1.3μπι。對(duì)上述涂層刀片采 用噴砂表面處理，在300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra = 0. 3 μ m。對(duì)比實(shí)驗(yàn)上述實(shí)施例1、2與對(duì)比產(chǎn)品A、B、C在不同切削條件下的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果 如下1、高速車削ICrlSNiOTi不銹鋼棒，對(duì)上述刀片的耐磨性能進(jìn)行比較測(cè)試。刀具壽 命標(biāo)準(zhǔn)為后刀面磨損為0. 2mm時(shí)的加工時(shí)間。切削條件 測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果表明在不銹鋼的高速(280m/min)車削加工中，本發(fā)明的實(shí)施例1、2由 于具有高含量的立方相和優(yōu)化的刃口支撐結(jié)構(gòu)，相比于對(duì)比產(chǎn)品A、B、c，其耐磨性能和使用 壽命得到了明顯改善。2、車削ICrlSNiOTi不銹鋼棒，對(duì)上述刀片的耐磨性能進(jìn)行比較測(cè)試，刀具壽命標(biāo) 準(zhǔn)為后刀面磨損為0. 2mm時(shí)的加工時(shí)間。切削條件 測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果表明在不銹鋼棒的縱向高金屬去除率車削加工中，本發(fā)明的實(shí)施例1、 2相比于對(duì)比產(chǎn)品A、B、C，刀具的穩(wěn)定性和使用壽命得到了明顯改善。3、縱向切削ICrlSNiOTi不銹鋼圓柱形開槽棒，對(duì)上述刀片的抗沖擊性能進(jìn)行測(cè) 試。刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)為刀刃剝落、崩刃時(shí)的沖擊次數(shù)。切削條件 測(cè)試結(jié)果 在刀片涂層厚度基本一致的情況下，測(cè)試表明在合金鋼材高速加工中，本發(fā)明的 涂層刀片與現(xiàn)有技術(shù)的刀片相比，其抗沖擊性能和刀尖韌性有明顯改善有所改善。
權(quán)利要求
一種用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，所述硬質(zhì)合金基體包括至少一個(gè)由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側(cè)位于前刀面和后刀面的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)梯度變化結(jié)構(gòu)，該梯度變化結(jié)構(gòu)是指由內(nèi)層的均相合金區(qū)過(guò)渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過(guò)渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體包含以WC為基礎(chǔ)的硬質(zhì)相、以Co為基礎(chǔ)的粘結(jié)相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金屬元素的立方相化合物，所述立方相化合物的含量為8wt％～14wt％；所述梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長(zhǎng)度L1大于或等于其垂直于所述后刀面方向上的長(zhǎng)度L2的2倍；所述涂層為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有-最里層的TiN層，厚度為0.1μm～2μm，該層晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-一層TiCN層，厚度為1μm～7μm，該層晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.1μm～2μm；-一層TiCO過(guò)渡層，厚度為0.1μm～1.5μm，該層晶粒為針狀晶?；虻容S晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；-最外層的α-Al2O3層，厚度為1μm～5.5μm，等軸晶粒，平均晶粒度為0.1μm～2μm，在300μm的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra≤0.2μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于位于前 刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口區(qū)域 的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4 ；所述L3的取值為10 μ m < L3 < 70 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于位于后 刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L4等于零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 所述Co的含量為5wt% 12wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于所述Co 的含量為6. 5wt% llwt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特 征在于位于前刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結(jié)相富集表面區(qū)的厚度L3的取值為 10 μ m < L3 < 40 μ m，該粘結(jié)相富集表面區(qū)內(nèi)Co的含量為硬質(zhì)合金基體中Co標(biāo)稱含量的 1 1. 5倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 所述立方碳氮化合物富集區(qū)的厚度為10 μ m 60 μ m，該立方碳氮化合物富集區(qū)內(nèi)立方相 化合物的含量為硬質(zhì)合金基體中立方相化合物標(biāo)稱含量的1 1. 3倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 所述TiN層的厚度為0. 2 μ m 1 μ m ；所述TiCN層的厚度為3 μ m 7 μ m ；所述TiCO過(guò)渡 層的厚度為0. 2 μ m 1 μ m ；所述α -Al2O3層的厚度為1 μ m 4 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于 所述TiCN層為中溫化學(xué)氣相沉積涂層，所述TiCN層的平均晶粒度為0. 3 μ m 1. 5 μ m ；所述α -Al2O3層的平均晶粒度為0. 4 μ m 1. 5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種用于不銹鋼車削的硬質(zhì)合金涂層刀片，包括硬質(zhì)合金基體和其上涂覆的涂層，基體包括至少一個(gè)由前、后刀面相交所形成的刃口，刃口兩側(cè)的硬質(zhì)合金均呈現(xiàn)由內(nèi)層的均相合金區(qū)過(guò)渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過(guò)渡到粘結(jié)相富集表面區(qū)的梯度變化結(jié)構(gòu)，基體中立方相化合物含量為8～14wt％；梯度變化結(jié)構(gòu)在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的該區(qū)域在垂直于前刀面方向上的長(zhǎng)度大于或等于后刀面方向上的長(zhǎng)度的2倍；所述涂層由里到外依次包括有TiN層、TiCN層、TiCO過(guò)渡層和最外層的α-Al2O3層。本發(fā)明的涂層刀片具有耐磨性好、刃口強(qiáng)度高、高溫硬度高和抗粘結(jié)磨損能力好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23B27/00GK101879611SQ201010210440
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者劉王平, 王以任, 王社權(quán), 陳響明 申請(qǐng)人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司