用于粗車削的涂層切削刀片的制作方法

專利名稱：用于粗車削的涂層切削刀片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種尤其用于需要韌性的機加工例如鋼的中度粗車削并且還用于車削不銹鋼的涂層硬質合金刀具刀片。本發明優選涉及涂層刀片，其中基底已經按照這樣一種方式設有不易磨損表面區域，從而在相同級別的鋼號中獲得了耐磨性和邊緣韌力。
背景技術：
目前，具有粘接劑相富集表面區域的涂層硬質合金刀片通常用于車削鋼和不銹鋼材料。粘接劑相富集表面區域拓寬了朝著更堅韌的切削操作的應用。
一段時間以來已知如何在包含有WC、粘接劑相和立方碳化物相的硬質合金上形成粘接劑相富集表面區域，例如通過Tobioka等人(US4,277,283)、Nemeth(US4,610,931)和Yohe(US4,548,786)可知。
EP-A-1 026 271涉及一種具有與W高合金化的粘接劑相的涂層硬質合金。該刀片具有厚度小于20μm的粘接劑相富集表面區域，并且粘接劑相含量沿著從刀片的邊緣到中心的方向的直線單調遞增直到它到達總體成分。該刀片涂覆有3-12μm厚的柱狀Ti(C，N)層，之后涂覆2-12μm厚的Al2O3涂層。
EP-A-1 348 779涉及一種具有厚度＞20μm的粘接劑相富集表面區域和Co含量為4-7wt％的涂層硬質合金刀片。該刀片涂覆3-15μm厚的Ti(C，N)層，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。
瑞典專利申請0201417-3披露了一種生產其耐磨性和韌性高于現有技術的α-Al2O3涂層的方法。該α-Al2O3涂層形成在(Ti，Al)(C，O，N)粘接層上，并且其鋁含量朝著外表面逐漸增加。該α-Al2O3涂層其厚度為1至20μm，并且由柱狀晶粒構成。這些鋁晶粒的長/寬比為2至12。該涂層其特征在于，采用XRD測量出具有強(012)生長織構，并且幾乎完全沒有(104)，(110)，(113)和(116)衍射反射。
用于設計用于需要韌性的應用的刀具的涂層通常由Ti(C，N)層和Kappa(κ)氧化鋁層構成。已經知道kappa相其韌性性能好于α相。因此，α相僅僅適用于其中主要涉及耐磨性的用途，即用于其Co含量相對較低的鋼號。

發明內容
令人驚訝地發現，與Co含量相對較高的基底接合的具有強織構的相對較厚的α氧化鋁顯示出在對鋼進行中度粗車削并且對不銹鋼進行車削中具有更高的邊緣強度和韌性。
根據本發明，提供一種切削刀具刀片，用于對鋼進行中度粗車削的需要韌性的機加工，并且還用于車削不銹鋼，該刀片由包括硬質合金基底和涂層。所述硬質合金基底包含有WC、7-12wt％的Co、5-11wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金屬的立方碳化物；Co粘接劑，它與W高合金化并且具有0.79-0.89的S值；碳化鎢相具有0.7-1.4μm的平均截取長度，并且所述涂層包含至少一層由具有以下織構系數的柱狀α-Al2O3晶粒構成的厚度為2-12μm的氧化鋁層，a)TC(012)＞2.2，優選為2.5-3.5并且相關的TC(024)＞0.6×TC(012)，b)TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)都＜0.4，優選＜0.3，織構系數TC(hkl)定義如下TC(hkl)=I(hkl)IO(hkl){1nΣI(hkl)IO(hkl)}-1]]>其中，
I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度，IO(hkl)＝根據JCPDS卡No.46-1212的標準強度，n＝在計算中所使用的反射數量，所使用的(hkl)反射為(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)。
附圖的簡要說明

圖1顯示出根據本發明的刀具刀片在大約1200X的放大率下的結構。
圖2a和2b顯示出刀刃在實施例4中的機加工試驗之后的磨損。
圖3顯示出受損刀刃的數量與在實施例5中的切削試驗中的進刀量之間的相對關系。
具體實施例方式
根據本發明，提供一種涂層刀具刀片，它由一硬質合金主體構成，該主體其成分為其含量為7-12wt％、優選為8-11wt％、最優選為8.5-9.5wt％的Co，含量為5-11wt％、優選為6.5-9.5wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金屬中的立方碳化物，優選該金屬為Ti、Nb和Ta，以及衡量的WC。Ta和Nb的重量濃度(weight concentration)之間的比例為1.0-3.0，優選為1.5-2.5。Ti和Nb的重量濃度之間的比例為0.5-1.5，優選為0.8-1.2。
鈷粘接劑相與鎢高合金化。W在粘接劑相中的濃度可以表示為S值＝σ/16.1，其中σ為測量出的粘接劑相的磁矩(μTm3kg-1)。S值取決于在粘接劑相中的鎢含量，并且隨著鎢含量減小而增大。因此，對于純鈷或碳飽和的粘接劑而言，S＝1，而對于包含有其量對應于形成η相的邊界線的W的粘接劑相而言，S＝0.78。
根據本發明現在已經發現，如果硬質合金主體其S值為0.79-0.89、優選為0.81-0.85，則可以實現改善切削性能。
另外，在磨削拋光的代表橫截面上測量出的碳化鎢相的平均截取長度為0.7-1.4μm，優選為0.9-1.3μm，最優選為1.1-1.3μm。該截取長度是通過在放大率為10000×的照片上進行圖像分析測量出的，并且計算成大約1000個截取長度的平均值。
在一個實施方案中，硬質合金形成為其所有三個相在該材料中均勻分布。
在優選實施方案中，硬質合金層其厚度為10-40μm，優選為20-40μm，最優選為20-30μm厚，基本上沒有立方碳化物相，并且粘接劑相富集表面區域其平均粘接劑相含量為標準粘接劑相含量的1.2-2.5倍。
本發明還涉及一種制造根據該優選實施方案的刀具刀片的方法，該刀具刀片包括一硬質合金基底，該基底包括由Co粘接劑相、WC和具有基本上沒有立方相的粘接劑相富集表面區域的立方碳氮化物相構成的硬質合金基底和一涂層構成。提供一種粉末混合物，它包含有含量為7-12wt％優選8-11wt％的由Co構成的粘接劑相、含量為5-11wt％優選6.5-9.5wt％的優選為Ti、Nb和Ta的元素周期表IVb、Vb和VIb族中金屬的立方碳化物以及衡量WC。Ta和Nb的重量濃度比為1.0-3.0，優選為1.5-2.5。Ti和Nb的重量濃度比為0.5-1.5，優選為0.8-1.2。通過粉末例如氮化物形式加入其量受到良好控制的氮。加入的氮的最優量取決于硬質合金的組分，尤其取決于立方相的量，并且高于元素周期表IVb和Vb族元素的重量的1.7％，優選為高出1.8-5.0％，最優選為高出3.0-4.0wt％。確切的條件取決于在所使用的燒結設備的設計上的特定范圍。本領域普通技術人員很容易根據目前的規范來確定并且改變氮添加量和燒結工藝，以便獲得所要求的結果。將這些原料與擠壓劑還可能有W混合，從而獲得所要求的S值，并且將該混合物研磨并且噴射干燥以獲得具有所要求性能的粉末材料。接著，將該粉末材料壓實并且燒結。在1300-1500℃下在大約為毫巴的受控氛圍中進行燒結，之后冷卻。在包括弄圓邊角的傳統燒結后處理之后，通過CVD或MT-CVD技術施加根據下面的硬質耐磨涂層。
該涂層包括與主體相鄰的第一層和與第一層相鄰的α-Al2O3層，該主體為CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVD TiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVDZr(C，N)、MTCVD Ti(B，C，N)、CVD HfN或其組合，優選為MTCVDTi(C，N)，厚度優選為為1至10μm、優選為3至8μm、最優選為大約6μm，以及α-Al2O3層的厚度為約2至12μm、優選為3至10μm、最優選為約5μm。優選的是，在基底以及所述第一層中具有由TiN形成的中間層，其厚度小于3μm，優選大約為0.5μm。
在一個實施方案中，α-Al2O3層為最上面層。
在一優選實施方案中，在α-Al2O3層上面具有一層Ti、Zr和Hf中的一種或多種的碳化物、氮化物、碳氮化物或碳氧氮化物層，其厚度為0.5至3μm，優選為0.5至1.5μm。
整個涂層厚度應該為7-15μm，優選為8-13μm。
α-Al2O3層由具有強(012)織構的柱狀晶粒構成。這些柱狀晶粒其長/寬比為2至10，優選為4至8，其寬度為0.5-3.0μm，優選為0.5-2.0μm，最優選為0.5-1.5μm。
α-Al2O3層的織構系數(TC)如下確定TC(hkl)=I(hkl)IO(hkl){1nΣI(hkl)IO(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度IO(hkl)＝根據JCPDS卡No.46-1212的標準強度n＝在計算中所使用的反射數量所使用的(hkl)反射為(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)
氧化鋁層的織構定義如下TC(012)＞2.2，優選為2.8-3.5，并且相關的TC(024)＞0.6×TC(012)，同時TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)＜0.4，優選為＜0.3。
要指出的是，晶面012和024的強度是相關的。
將α-Al2O3層沉積在優選通過MTCVD獲得的Ti(C，N)涂層。如在瑞典專利申請0201417-3中所述一樣需要幾個步驟來控制成核。首先，在Ti(C，N)層上沉積一層在US5,137,774中所述的改性粘接層(在該專利中被稱為kappa粘接)，其特征在于具有Al濃度梯度。在該情況中在CO2/H2/N2氣體混合物進行受控氧化處理，從而得到比在0201417-3中更低的O潛能，從而進一步增強了(012)織構。氧化步驟是短暫的，隨后可以用AlCl3/H2混合物進行短暫的處理，隨后再次進行短暫的氧化步驟。這種脈動(Al處理/氧化作用)處理將形成令人滿意的α-Al2O3的成核位置和強(012)織構。通過按照以下順序依次施加這些反應氣體來開始使氧化鋁層生長到表面改性粘接層上CO，AlCl3，CO2。溫度優選應該大約為1000℃。
實施例實施例1發明通過對原料粉末進行常規研磨、擠壓生坯并且隨后在1430℃下進行燒結來生產出根據本發明的硬質合金基底，其組分為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，并且與W合金化的粘接劑相對應于0.83的S值。在燒結之后對微觀結果進行觀察表明，該硬質合金刀片具有厚度為22μm的無立方碳化物區域。在該區域中的鈷濃度為在基底的總體中的濃度的1.4倍。碳化鎢相的平均截取長度為1.2μm。
實施例2
按照步驟1(下面)用一層MTCVD Ti(C，N)涂覆從實施例1中得到的硬質合金切削刀片。MTCVD層的厚度大約為6μm。將以下氧化鋁層沉積到該層上a)按照步驟2-6沉積5μm厚的α-Al2O3(本發明)。
步驟1MTCVD涂覆氣體混合物TiCl4＝4.0％CH3CN＝1.0％N2＝20％衡量 H2持續時間 150分鐘溫度 850℃壓力 100毫巴步驟2粘接層氣體混合物TiCl4＝2.8％AlCl3＝0.8-4.2％CO＝5.8％CO2＝2.2％N2＝5-6％衡量 H2持續時間 60分鐘溫度 1000℃壓力 100毫巴步驟3滲鋁步驟氣體混合物AlCl3＝0.8-4.2％衡量 H2持續時間 15分鐘或2分鐘脈動溫度 1000℃壓力 50毫巴步驟4氧化步驟氣體混合物 CO2＝0.1％衡量 H2+20％N2持續時間 2分鐘或20秒脈動溫度 1000℃壓力 100毫巴步驟5成核步驟氣體混合物AlCl3＝3.2％HCL＝2.0％CO2＝1.9％衡量 H2持續時間 60分鐘溫度 1000℃壓力 210毫巴步驟6沉積氣體混合物AlCl3＝3.9％HCL＝1.5％CO2＝6.2％H2S ＝0.2％衡量 H2持續時間 300分鐘溫度 1000℃壓力 50毫巴b)按照現有技術沉積5μm的κ-Al2O3，其中在沒有氧化作用的情況下沉積κ-Al2O3層，從而導致κ-Al2O3在Ti(C，N)上外延生長。(現有技術)
c)按照現有技術沉積5μm的α-Al2O3。在該情況中成核控制沒有形成100％純α-Al2O3，而是代替產生出κ-Al2O3和α-Al2O3的混合物。因此κ-Al2O3相在沉積過程中轉變成具有高錯位密度的α-Al2O3。(現有技術)，試驗涂層的整體涂覆厚度在所有情況中都為11μm。
實施例3采用XRD對從實施例2a和2c(α氧化物)得到的刀片。涂層c具有隨機的織構，但是根據本發明的涂層a顯示出清晰的(012)織構。表1顯示出涂層a所獲得的織構系數。
表1

實施例4在下面條件下相對于根據現有技術的刀片(從實施例2中得到的涂層)，對根據從實施例2得到的本發明(涂層a)的刀片進行測試。
工件 圓棒刀片類型 CNMG120408-M3切削速度 220m/分鐘進刀量 0.4mm/轉切削深度 2.5mm切削時間 4.7分鐘備注 在沒有冷卻劑的情況下進行間歇切削在圖2顯示出在經過4.7分鐘切削之后的刀刃。根據現有技術產生出的刀片顯示出嚴重的刀刃碎片和弧坑磨損，而根據本發明的那些刀片沒有任何碎片。在這些刀片上的磨損非常均勻，并且這些刀片可以使用更長時間。
這表明具有根據本發明的織構的α-Al2O3具有比根據現有技術生產出的α-Al2O3更堅韌并且更耐磨的性能。
實施例5在金屬切削中對從實施例2中得到的刀片a)和b)進行比較。涂層a由根據本發明的無缺陷α-Al2O3構成，而涂層b由根據現有技術的κ-Al2O3構成。測試條件如下工件 圓柱形開槽棒材料 SS1672-08刀片類型 CNMG120408-M5切削速度80m/分鐘進刀量在10mm切削長度之后逐漸增加0.1，0.125，0.16，0.20，0.315，0.4，0.5，0.63，0.8，1.0mm/轉切削深度2.0mm備注 在沒有冷卻劑的情況下進行間歇機加工模式測試刀具壽命標準 逐漸增加進刀量直到斷裂。測試到每個變型的10刀刃。
在圖3中給出了這些結果。
從在圖3中的結果中可以看出，由具有一織構的α-Al2O3構成的根據本發明的刀片其韌性比根據現有技術生產出的κ-Al2O3的那些好得多。
實施例6在下面的條件下對從實施例2得出的涂層a和b進行測試。
工件 圓棒材料 SS1672-08刀片類型 CNMG120408-M5切削速度250m/分鐘進刀量 0.4mm/轉切削深度2.0mm切削時間3.6分鐘備注 在沒有冷卻劑的情況下進行間歇機加工模式測試；測試每個變型的三個刀刃。
涂覆有κ-Al2O3的現有技術刀片在3.6分鐘切削之后出現嚴重的塑性變形，而根據本發明生產出的那些刀片其塑性變形非常小。顯然α-Al2O3防止塑性變形的能力優異。
實施例7通過對不銹鋼進行間歇車削來測試以下三個變型。
a.本發明的實施例2ab.用于對不銹鋼進行間歇車削的來自競爭者1的強烈推薦的鋼號c.用于對不銹鋼進行間歇車削的來自競爭者2的強烈推薦的鋼號工件圓棒材料8S2343刀片類型CNMG120408-M3切削速度 150m/分鐘進刀量0.4mm/轉切削深度 2.0mm切削時間 7.6分鐘備注在沒有冷卻劑的情況下進行間歇機加工模式測試；測試每個變型的三個刀刃。
在7.6分鐘之后，測量這三個變型的側面磨損變型 側面磨損a.本發明 0.20b.競爭者 0.29c.競爭者 0.26這些結果表明具有帶有根據本發明織構的α-Al2O3的硬質合金刀具與競爭者產品相比具有更長的刀具壽命。
實施例8在普通碳鋼的連續車削中還測試在實施例5和6中的測試的相同變型。
工件圓棒材料SS1672-08刀片類型CNMG120412-M3切削速度 300m/分鐘進刀量0.4mm/轉切削深度 2.0mm備注在有冷卻劑的情況下進行連續切削刀具壽命標準側面磨損＞0.3mm，測試每個變型的三個刀刃結果 刀具壽命(分鐘)本發明9.0現有技術 6.0測試結果表明，根據本發明的即具有帶有一織構的α-Al2O3的涂層的硬質合金刀具在連續切削中其刀具壽命比具有κ-Al2O3的現有技術材料更長。
因此，上面的實施例顯示出，根據本發明的硬質合金在耐磨性和韌性方面都優于現有技術材料。
權利要求
1.一種切削刀具刀片，用于對鋼進行中度粗車削的需要韌性的機加工，并且還用于車削不銹鋼，該刀片由包括硬質合金基底和涂層，其特征在于所述硬質合金基底包含有，WC、7-12wt％的Co、5-11wt％的元素周期表中IVb、Vb和VIb族金屬的立方碳化物，Co粘接劑，它與W高合金化并且具有0.79-0.89的S值，碳化鎢相具有0.7-1.4μm的平均截取長度，并且所述涂層包含至少一層由具有以下織構系數的柱狀α-Al2O3晶粒構成的厚度為2-12μm的氧化鋁層，a)TC(012)＞2.2，優選為2.5-3.5并且相關的TC(024)＞0.6×TC(012)，b)TC(104)，TC(110)，TC(113)，TC(116)都＜0.4，優選＜0.3織構系數TC(hkl)定義如下TC(hkl)=I(hkl)IO(hkl){1nΣI(hkl)IO(hkl)}-1]]>其中，I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度，Io(hkl)＝根據JCPDS卡No.46-1212的標準強度，n＝在計算中所使用的反射數量，所使用的(hkl)反射為(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)。
2.如前面權利要求1所述的刀片，其特征在于，所述柱狀α-Al2O3晶粒其長/寬比為2至10，優選為4至8。
3.如前面權利要求中任一項所述的刀片，其特征在于，包括與硬質合金基底相鄰的第一層，所述基底為CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVDTiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVD Zr(C，N)、MTCVD Ti(B，C，N)、CVD HfN或其組合，優選為MTCVD Ti(C，N)，所述第一層厚度為1至10μm優選為3至8μm最優選為大約6μm。
4.如前面權利要求中任一項所述的刀片，其特征在于，整個涂層厚度應該為7-15μm，優選為8-13μm。
5.如前面權利要求中任一項所述的刀片，其特征在于，所述燒結基底的碳化鎢相其平均截取長度為0.9-1.3μm。
6.如前面權利要求中任一項所述的涂層刀具刀片，其特征在于，所述硬質合金具有富集粘接劑相并且基本上沒有立方碳化物的表面區域，其厚度為10-40μm。
全文摘要
本發明涉及一種包括硬質合金基底和涂層的刀具刀片。該硬質合金基底包含有WC、7－12wt％的Co、5－11wt％的元素周期表IVb、Vb和VIb族金屬的立方碳化物，并且具有與鈷高合金化的粘接劑相。碳化鎢相其平均截取長度為0.7－1.4μm。該涂層包含有至少一層厚為2－12μm的柱狀晶粒構成的α－Al
文檔編號C23C28/00GK1611313SQ20041008792
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月27日 優先權日2003年10月27日
發明者薩卡里·魯平, 希爾維亞·達赫倫德, 熱尼·扎克里森 申請人:山高刀具公司