專利名稱：涂敷的車削刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂敷的切削刀具(即燒結(jié)碳化物刀片)。這種刀具尤其在一些困難的切削條件下特別適用，例如在車削低合金鋼冷熱鍛造工件如汽車工業(yè)中所用的齒環(huán)和齒軸時及在車削不銹鋼工件如不銹鋼棒，不銹鋼管和不銹鋼凸輪時。
一般來講，不銹鋼及低合金鋼材料無論用涂敷的或無涂敷的的燒結(jié)碳化物刀具來加工都很困難，原因是工件材料常常會弄污刀口或使刀片涂層脫落。特別在濕環(huán)境下(用冷卻劑時)車削低合金鍛造工件時切削條件尤為苛刻，原因是熱的鍛造表層(0.05～0.2mm)通常會脫碳，因此主要為鐵素體的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致熱的鍛造表層比體相材料軟。而冷的鍛造表面(小于0.05mm)是經(jīng)過冷加工過的，因此變形硬化效應(yīng)使表層比體相材料硬。而且，這種材料的鐵素體/珠層體體相結(jié)構(gòu)常常形成鐵素體條紋，如鐵素體和珠層體形成的平行條紋。這種軟硬材料的混合體使切削尤為困難。
再者，在用涂敷的燒結(jié)碳化物刀具車削不銹鋼和低合金鋼時，刀口常常會因為化學(xué)侵蝕、摩擦和所謂的粘性磨損而受到損壞。粘性磨損通常是限制刀具壽命的一種磨損。隨著在加工件碎片的形成，當(dāng)?shù)毒邔訝罱Y(jié)構(gòu)中的碎片或顆粒從刀口脫落、隨后引起燒結(jié)碳化物的部分剝落時，粘性磨損便發(fā)生了。還有，在進行濕車削時，另一種磨損機制會加速磨損。冷卻劑和工件材料會滲透到涂層冷卻時形成的裂縫中。這種滲透通常能引起工件材料及制冷劑與燒結(jié)碳化物之間的化學(xué)反應(yīng)。Co粘合相還會在裂縫附近的區(qū)域及沿著涂層與燒結(jié)碳化物的界面氧化。一段時間后涂層就會一片一片地脫落。
瑞典專利申請9501286-0公開了一種特別適用于干磨灰鑄鐵的涂敷的車削刀片。該刀片特征在于一種純粹的WC-Co燒結(jié)碳化物基體及一涂層，此涂層包括一層TiCxNyOz柱狀晶粒層和一層作為外層的α相Al2O3細粒層。
瑞典專利9502640-7公開了一種特別適用于間歇車削低合金鋼的涂敷的車削刀片。該刀片特征在于一種WC-Co燒結(jié)碳化物基體及一涂層，該燒結(jié)碳化物基體具有與W高度熔合的Co粘合相，所述的涂層包括一層TiCxNyOz柱狀晶粒層和一層作為外層的α相Al2O3細粒、起紋理的層。
當(dāng)將上述專利申請的有紋理的刀片的α相Al2O3用κ相Al2O3層替換時，我們驚異地發(fā)現(xiàn)得到了一種用于車削不銹鋼及低合金鋼鍛造工件時具有出色性能的切削刀具。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的涂敷刀片放大5000倍后的顯微鏡圖象，其中A----燒結(jié)碳化物基體B----TiCxNyOz等軸晶粒層C----TiCxNyOz柱狀晶粒層D----κ相Al2O3類柱狀晶粒層E----TiN層(任選)根據(jù)本發(fā)明提供了一種車削刀具刀片，該刀片具有組成為5～11％(重量)、優(yōu)選5～8％(重量)、最優(yōu)選6.5～8％(重量)的Co，2～10％(重量)、優(yōu)選4～7.5％(重量)、最優(yōu)選5～7％(重量)的立方晶系金屬碳化物，余量為WC的燒結(jié)碳化物基體，其中立方晶系金屬碳化物中的金屬元素選自元素周期表中的第四，第五或第六副族，優(yōu)選Ti，Ta和/或Nb。WC的晶粒大小約為2μm，Co粘合相與W高度熔合，粘合相中的W含量可用下式表示CW比＝Ms/(Co％(重量)·0.0161)式中Ms表示實測的燒結(jié)碳化物基體的飽和磁化強度，單位為kA/m；Co％(重量)為燒結(jié)碳化物中Co的重量百分數(shù)。CW比為在Co粘合相中W含量的函數(shù)。粘合相中W的含量高，CW比就小。
本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果燒結(jié)碳化物基體的CW比為0.76～0.92，優(yōu)選0.80～0.90，刀具的切削性能可以得到改進。燒結(jié)碳化物基體中可以含有少量如小于1％(體積)的η相(M6C)而不會導(dǎo)致壞影響。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)如美國專利4,610,931中所描述的，在一個優(yōu)選的實施方案中，有一個約15～35μm厚的表面區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)通常缺少立方晶系碳化物，而且在粘合相中富集(通常會有高于25％的富集)。在這種情況下，燒結(jié)碳化物可含有碳氮化合物(carbonitride)或甚至氮化物。
涂層優(yōu)選包含-一層厚度為0.1～2μm的TiCxNyOz等軸晶粒層，其中，x+y+z＝1，優(yōu)選z小于0.5，晶粒尺寸小于0.5μm；-一層厚度為3～15μm，優(yōu)選5～8μm的TiCxNyOz柱狀晶粒層，其中，x+y+z＝1，優(yōu)選z等于0，且x大于0.3，y大于0.3，晶粒平均直徑小于5μm，優(yōu)選小于2μm。在另一個實施方案中，該層的外層部分可以含有氧，z小于0.5；-一層平滑的Al2O3細粒層(晶粒尺寸為0.5～2μm)。該層中Al2O3基本上由κ相組成。但可以含有少量如1～3％(體積)的θ或α相，這些相可以通過XRD檢測到。該Al2O3層厚度可為1-9μm，優(yōu)選1-3μm或該層厚度為4～8μm且在10μm長的范圍內(nèi)表面粗糙度Rmax≤0.4μm。該Al2O3層最好為最外層，但還可以在該層上加上一薄層(厚度約為0.1-1μm)的裝飾層如TiN層。
根據(jù)本發(fā)明的方法，在以WC-Co成分為基礎(chǔ)、含有一個與W高度熔合、具有上述CW比的粘合相且優(yōu)選具有一個在粘合相富集的表面區(qū)域的燒結(jié)碳化物基體上-用已知的CVD方法涂上第一層(最里層)厚度為0.1～2μm的TiCxNyOz等軸晶粒層，其中，x+y+z＝1，優(yōu)選z小于0.5，晶粒尺寸小于0.5μm；-再用MTCVD技術(shù)沉積上一層厚度為3～15μm、優(yōu)選5～8μm的TiCxNyOz柱狀晶粒層(以乙腈作為C、N源、在700-900℃的溫度下形成該層)，其中，x+y+z＝1，優(yōu)選z等于0，或者z小于0.5，x大于0.3，y大于0.3，晶粒平均直徑小于5μm，優(yōu)選小于2μm。而具體的條件在一定程度上取決于所使用的設(shè)備的設(shè)計。
-再根據(jù)EP-A-523021所公開的條件，沉積上一層平滑的、主要由κ-Al2O3組成的Al2O3層作為外層。該Al2O3層的厚度為1～9μm、優(yōu)選1～3μm或該層厚度為4～8μm且在10μm長的范圍內(nèi)表面粗糙度Rmax≤0.4μm。該平滑的涂層表面可以通過濕式噴砂法用Al2O3細粉(400～150目)輕柔地處理涂層表面或按瑞典專利9402543-4中所公開的方法用SiC刷子擦洗刀口而得到。實施例1A.型號為CNMG 120408-PM的燒結(jié)碳化物車削刀具刀片，其基體的組成為7.5％(重量)Co、1.8％(重量)TiC、0.5％(重量)TiN、3.0％(重量)TaC、0.4％(重量)NbC，余量為WC，該刀具基體具有一種與W高度熔合的粘合相，粘合相中CW比相當(dāng)于0.88。在該刀具基體上涂一層0.5μm厚的TiCN等軸晶粒層(該層中氮的含量較高，C/N比估計為0.05)；再用MTCVD技術(shù)涂上一層7μm厚的TiCN柱狀晶粒層(溫度為885-850℃，CH3CN為碳、氮源)。接下來，在相同的涂敷周期中，按照EP-A-523021所公開的方法，在970℃及H2S摻雜物濃度為0.4％的條件下繼續(xù)沉積上一層1.5μm厚的Al2O3層。最后根據(jù)已知的CVD技術(shù)再涂上一薄層(0.5μm)TiN裝飾層。XRD檢測結(jié)果表明Al2O3層由100％的κ相Al2O3組成。此燒結(jié)碳化物基體有約為25μm厚的表面區(qū)域，該區(qū)域缺少立方晶系碳化物且在粘合相中有約30％的富集。用含有SiC晶粒的尼龍刷擦洗涂敷的刀片，然后用光學(xué)顯微鏡檢查擦洗過的刀片，結(jié)果表明只有沿刀口的TiN薄層被擦掉，剩下一層平滑的、Ra＝0.3μm的Al2O3層作為外層。通過測量被擦洗過樣品截面的涂層厚度證明了除了沿刀口最外層的TiN層被去除外，涂層沒有損失。
B.)一種外國著名碳化物生產(chǎn)商生產(chǎn)的、具有很強競爭力的燒結(jié)碳化物，型號CNMG 120408，被用來作為車削試驗的對比刀片。該碳化物的組成為9.8％(重量)Co、0.2％(重量)TiC、2.0％(重量)TaC，余量為WC，CW比為0.86。刀片涂層具有由一層5μm厚的TiCN層，一層1.5μm厚的Al2O3層及一層0.5μm厚的TiN層組成的涂層。光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果表明完成涂敷操作后，刀口沒有進行打磨處理。
將A中制得的刀片A與B中制得的刀片B在熱鍛造環(huán)形齒輪(直徑206mm，材料為TSCM 815H)的車削試驗中進行比較。對每個工件所進行的每個車削周期由一個面向切削，一個縱向切削和一個倒棱切削組成。進刀速度為0.35mm/轉(zhuǎn)，切削速度約為230m/min。
首先，用刀片A和刀片B各自加工150個工件，然后測量刀片的外側(cè)磨損。由于刀片A的磨損很少，所以刀片A被用來切削更多的工件，總數(shù)達354個。各刀片外層磨損情況列于下表加工工件數(shù) 實測刀片外側(cè)磨損(mm)刀片A(按本發(fā)明)150 0.07刀片A(按本發(fā)明)354 0.08刀片B(外國品牌)150 0.10用顯微鏡來檢查試驗過的刀片，檢查結(jié)果表明刀片B有輕微的表面剝落，而刀片A即使在加工了354個工件后表面剝落也不明顯。
以上所得的刀片外側(cè)磨損數(shù)據(jù)明顯地表明根據(jù)本發(fā)明制得的刀片更優(yōu)越，壽命更長。實施例2D.)一種另一家外國著名碳化物生產(chǎn)商生產(chǎn)的、具有很強競爭力的燒結(jié)碳化物，型號CNMG 120408，被用來作為車削試驗的對比刀片。該燒結(jié)碳化物基體的化學(xué)組成為7.6％(重量)Co、2.4％(重量)TiC、0.5％(重量)TiN、2.4％(重量)TaC、0.3％NbC(重量)，余量為WC。該燒結(jié)碳化物有一厚度為約20μm的、缺少立方晶系碳化物的表面區(qū)域。雖然該燒結(jié)碳化物的組成與本發(fā)明的相似，但CW比較高，為0.93，而且涂層不同。它的涂層由一層5μm厚的TiCN層，一層3.5μm厚的TiC層，一層1.5μm厚的Al2O3層及一層0.5μm厚的TiN層組成。光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果表明完成涂層操作后，刀口沒有進行打磨處理。
將A中制得的刀片A與D中制得的刀片D在面向車削熱鍛造環(huán)形齒輪(外徑180mm，內(nèi)徑98mm材料為SCr420H)的試驗中進行比較，進刀速度為0.25-0.35mm/轉(zhuǎn)，切削速度約為220m/min。比較的標(biāo)準(zhǔn)是刀片外側(cè)磨損達到預(yù)定程度如0.08mm時每種刀片加工的工件數(shù)。
工件數(shù) 實測刀片外側(cè)磨損(mm)刀片A(按本發(fā)明)刀口1 203 0.08刀片A(按本發(fā)明)刀口2 226 0.08刀片D(外國品牌) 82 0.08實施例3C.)燒結(jié)碳化物車削刀具刀片，型號WNMG 080408-PM，與刀片A組成相同且CW比也為0.88。在該刀片上按照A中的方法涂敷。XRD檢測結(jié)果表明Al2O3層由100％的κ相組成。該刀片按照A中的方法擦洗。
E.)一種與D中同一燒結(jié)碳化物生產(chǎn)商生產(chǎn)的、型號為WNMG080408的刀片，其CW比、碳化物組成和涂層組成與D中所述刀片都相同，此種刀片被用來作為車削試驗的對比刀片。光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果表明在完成涂層操作后，刀口沒有進行打磨處理。
將C中制得的刀片C與E中制得的刀片E在面向車削一種鍛造軸(長度為487mm，直徑為27-65mm，材料為50CV4)的試驗中進行比較，進刀速度為0.28-0.30mm/轉(zhuǎn)，切削速度約為160m/min。每一個刀口加工三個軸，用光學(xué)顯微鏡來檢查刀口的磨損情況。刀片C(按本發(fā)明) 外側(cè)磨損小于0.07mm，沒有表面脫落刀片E(外國品牌) 外側(cè)磨損小于0.07mm，沿刀口有碎片和表面脫落實施例4F.)將與A中同樣批號的燒結(jié)碳化物車削刀具，型號CNMG120408-PM，按瑞典專利9502640-7的方法進行涂敷。涂層為一層0.5μm厚的TiCN等軸晶粒層、一層7μm厚的TiCN柱狀晶粒層、一層1μm厚的TiCN等軸晶粒層及一層4μm厚的012-有紋理的α-Al2O3層。刀片用水/Al2O3漿液進行濕式噴砂處理以打磨涂層表面。
G.)將型號為CNMG 120408-PM的燒結(jié)碳化物車削刀具刀片按A)中步驟進行涂層，該刀具的燒結(jié)碳化物的組成為6.5％(重量)Co、8.8％(重量)的立方晶系碳化物(3.3％(重量)TiC、3.4％(重量)TaC、2.1％(重量)NbC，余量為WC。該燒結(jié)碳化物的CW比為1.0，且有一個缺少立方晶系并在粘合相富集的表面區(qū)域，厚度為23μm。XRD檢測結(jié)果表明Al2O3層僅由κ相組成。
將按照A、F、G、B中所述方法制得的刀片在車削一種冷熱鍛造的、材料為SCr420H的環(huán)形齒輪的試驗中進行比較。
齒輪外徑190mm，內(nèi)徑98mm。每個工件所經(jīng)歷的車削由三次面向切削和一次縱向切削組成。進刀速度為0.25-0.40mm/轉(zhuǎn)，切削速度約為200m/min。檢查每種刀片在加工了170個工件后刀口的磨損情況以進行比較。刀片A(按本發(fā)明) 沒有明顯的涂層脫落，外側(cè)磨損＜0.07mm刀片F(xiàn)(CW比＝0.88) 沿刀口有部分涂層脫落，外側(cè)磨損＜0.08mm刀片G(CW比＝1.0) 沿刀口部分涂層基本脫落，外側(cè)磨損＞0.10mm刀片B(外國品牌) 沿刀口有部分涂層脫落，外側(cè)磨損＜0.08mm盡管按瑞典專利9502640-7方法制得的刀片F(xiàn)一般在切削低合金鋼時表現(xiàn)出眾，但在切削一些低合金鋼冷熱鍛造工件時不是總能與按本發(fā)明制得的刀片A相匹敵。實施例5H.)將與實施例1的A中同批的刀片按實施例1所給定的步驟進行涂敷，只是涂Al2O3層時處理時間延長至7.5小時，使Al2O3層的厚度達5.5μm。再按現(xiàn)有技術(shù)的工藝涂上一薄層(0.5μm)TiN裝飾層。
I.)在與H同批制造的刀片上按現(xiàn)有技術(shù)的工藝先涂上一層7μm厚的TiCN等軸晶粒層，再涂上一層5μm厚的Al2O3層，最后涂上一層0.5μm厚的TiN表涂層。XRD分析結(jié)果表明Al2O3層由α相和κ相Al2O3組成，兩相之比約為30/70。將H及A中制得的刀片在涂敷后進行擦洗以除去TiN層，刨光刀口。
將H、A、和I中制得的刀片在間隙縱向車削操作中進行測試。工件的材料為低合金低碳鋼(SCr420H)，形狀為外徑190mm、內(nèi)徑30mm、厚度為22mm的環(huán)。沿環(huán)厚度方向的每次縱向行程(passage)包括每1mm22個進刀次數(shù)(in-cuts)。記錄每個刀片剛剛出現(xiàn)表面脫落時沿環(huán)厚度方向行程的次數(shù)以進行比較。
刀片刀口表面脫落前的行程的次數(shù)A.)按本發(fā)明 2401.5μm Al2O3H.)按本發(fā)明 1805.5μm Al2O3I.)按現(xiàn)有技術(shù)405μm Al2O3
由H和A制造的刀片還在滾珠軸承鋼(材料為SKF25B，v＝250m/min，f＝0.3mm/轉(zhuǎn)，切削深度＝2mm)的切削試驗中進行了比較。在這次試驗中，月牙洼磨損是主要的。刀片運行15min后，測量月牙洼面積表示的月牙洼磨損，面積以mm2為單位。
刀片 月牙洼的面積(mm2)A.) 按本發(fā)明0.91.5μm Al2O3H.) 按本發(fā)明0.55.5μm Al2O3以上試驗結(jié)果清楚地表明刀片I比刀片H、刀片A的抗表面脫落的能力差。而刀片H有較好的抗月牙洼磨損及抗表面脫落的能力；刀片A有最強的抗表面脫落的能力，因此可用于需要很高抗表面脫落要求的切削操作環(huán)境。實施例6H.一種型號為TNMG 160408-MM的燒結(jié)碳化物車削刀具刀片，其組成為7.5％(重量)Co、1.8％(重量)TiC、3.0％(重量)TaC、0.4％(重量)NbC，余量為WC，CW比為0.88。這種燒結(jié)碳化物有一層厚為25μm、缺少立方晶系碳化物的表面區(qū)域。在該刀片上涂有一層0.5μm厚的含高氮成分的TiCN等軸晶粒層作為最里層，其中C/N比估計為0.05左右；還有一層用MT-CVD技術(shù)沉積上的、7.2μm厚的TiCN柱狀晶粒層。在后續(xù)的步驟中，在相同的涂敷步驟中，按照EP-A-523021中所公開的步驟涂敷一層1.2μm厚的由純κ相組成的層。在同一循環(huán)中，在該Al2O3層上沉積上一層TiN層。完成涂敷后，用含SiC的尼龍刷擦洗涂層刀片，擦去刀口的外層TiN。
I.一種外國著名的燒結(jié)碳化物生產(chǎn)商生產(chǎn)的、具有很強競爭力的燒結(jié)碳化物車削刀具刀片，型號TNMG 160408，被用來作為車削試驗的對比刀片。該碳化物的組成是9.0％(重量)Co、0.2％(重量)TiC、1.7％(重量)TaC、0.2％(重量)NbC，余量為WC，切CW比為0.90。該刀片有一涂層，涂層由1.0μm厚TiC，0.8μm厚TiN，1.0μm厚TiC，以及作為最外層的0.8μm厚TiN。光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果表明在完成涂敷后，刀口沒有再進行任何處理。
對刀片H和I進行了在縱向干法切削一種復(fù)合不銹鋼(duplexstainless steel)軸的車削試驗。
進刀速度為0.3mm/轉(zhuǎn)，速度為140m/min，切削深度為2mm。每個工件上總的切削時間為12min。
刀片I上有塑性變形，而刀片H上有一些切口磨損(notch wear)。
按照本發(fā)明的刀片H只要一個刀口就可完成一個上述工件，而刀片I需要4個刀口才能完成一個工件。
權(quán)利要求
1.包含燒結(jié)碳化物基體及涂層的用來車削鋼材的切削刀具的刀片，其特征在于所述的燒結(jié)碳化物基體由WC，5-10％(重量)Co，2-10％(重量)Ti、Ta和/或Nb的立方晶系碳化物及一與W高度熔合的粘合相組成，粘合相中CW比為0.76-0.92，并且，所述的涂層含有-厚度為0.1～2μm的TiCxNyOz等軸晶粒層作為第一層(最里層)，該等軸晶粒尺寸小于0.5μm；-厚度為3～15μm的TiCxNyOz柱狀晶粒層，該柱狀晶粒直徑小于5μm；-光滑的、κ相Al2O3細粒(0.5～2μm)的外層，厚度為1～9μm。
2.如權(quán)利要求1的切削刀片，其特征在于該κ相Al2O3層厚度為1～3μm。
3.如權(quán)利要求1的切削刀片，其特征在于該κ相Al2O3層厚度為4～8μm。
4.如前述任一項權(quán)利要求的切削刀片，其特征在于燒結(jié)碳化物基體有一15～35μm厚、缺少立方晶系碳化物的表面區(qū)域。
5.如前述任一項權(quán)利要求的切削刀片，其特征在于燒結(jié)碳化物的組成為6.5-8.0％(重量)Co，CW比為0.80～0.90。
6.如前述任一項權(quán)利要求的切削刀片，其特征在于最外層為一薄TiN層，厚度為0.1～1μm。
7.如權(quán)利要求6的切削刀片，其特征在于沿刀口已除去了最外層的TiN層。
8.制造包含燒結(jié)碳化物基體及涂層的車削刀片的方法，其特征在于在以WC-Co成分為基礎(chǔ)、CW比為0.76～0.92且含有一種與W高度熔合的粘合相的燒結(jié)碳化物基體上-用已知CVD方法涂上第一層(最里層)厚度為0.1～2μm的TiCxNyOz等軸晶粒層，晶粒尺寸小于0.5μm；-再用MTCVD技術(shù)沉積上一層厚度為3～15μm的TiCxNyOz柱狀晶粒層，晶粒直徑小于5μm，使用乙腈為碳、氮源，在優(yōu)選為850-900℃的溫度下行程該層；-再涂上一層平滑的、厚度為1-9μm的κ相Al2O3層。
9.如前述權(quán)利要求的方法，其特征在于所述燒結(jié)碳化物基體有一個粘合相富集的表面區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1～7的刀片在切削低合金冷熱鍛造鋼中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在車削低合金鋼鍛造工件時特別有用的涂敷的車削刀片,其特征在于一種WC－Co燒結(jié)碳化物基體,該基體含有一個與鎢高度融合的Co粘合相。其特征還在于一種涂層,該涂層最里層為TiC
文檔編號B23BGK1194015SQ9619654
公開日1998年9月23日 申請日期1996年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月1日
發(fā)明者比約恩·永貝里, 萊夫·奧克索恩 申請人:桑德維克公司