專利名稱：帶有涂層的車刀及其制備方法
技術領域：
本發明涉及帶有涂層的切削工具(硬質合金刀片)，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，熱或冷軋表面或預機加工的表面。
當用硬質合金刀具對不銹鋼進行車削時，根據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的鋼材時，帶有涂層的硬質合金刀片必須由韌性碳化物組成并具有特好的涂層粘結。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，這種作用經常會對其它磨損性能產生副作用。
迄今為止，還很難同時改善所有的刀具性能。因而，市售的各種硬質合金均針對一種或若干種磨損形式進行最優化，并因此具有特定的應用范圍。
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，涂層包括柱狀晶粒TiCxNyOz層和細晶粒的k-Al2O3層，和優選的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層和優選的TiN外層。
業已發現，將上述專利申請中所述的基體和涂層結合，在對不銹鋼進行車削時將產生優異的切削性能。業已發現，根據專利申請9503056-5的帶有與涂層結合的、貧含立方碳化物表面區的硬質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操作如方桿的車削；現已發現，最合適的是專利申請9504304-8中所述的純WC-Co基體。
本發明的用于不銹鋼車削的車削刀片由下列物質組成硬質合金體，它含有熔合大量W的粘結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。
鈷粘結相大量地熔合有W。在粘結相中W的含量表達為CW比值＝Ms/(Co的重量百分數·0.0161)，式中Ms為所測量的硬質合金的飽和磁化強度(KA/m)，Co的重量百分數為Co在硬質合金中的重量百分數。CW比值是Co粘結相中W含量的函數。低CW比值相當于粘結相中高的W含量。根據本發明，如果硬質合金基體的CW比值為0.78-0.93的話，即可獲得改善的切削性能。
根據本發明，提供了一種特別適用于很難車削的不銹鋼的車削刀片，該刀片包括有硬質合金體，所述合金體包含如下組份6-15％(重量)的Co，優選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的含量優選與工藝雜質量相當。優選的WC的平均晶粒大小取決于粘結相的含量。在優選的10-11％(重量)的Co組成時，優選的晶粒大小約為1.5-2微米，優選約1.7微米。CW比值為0.78-0.93，優選為0.80-0.91，最佳為0.82-0.90。該硬質合金可包含少量(＜1％體積)的η-相(M6C)，而不會有有害的作用。由CW比值可知，在本發明的硬質合金基體中沒有游離石墨。
本發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，優選z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米并且層總厚度＜1.5微米，優選＞0.1微米；柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中x+y+z＝1，優選z＝0，x＞0.3且y＞0.3，層厚度為1-15微米，優選2-8微米，平均直徑＜5微米，優選為0.1-2微米；TiCxNyOz層最優選的厚度為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，優選O.5-3微米，最優選0.5-2微米。優選該Al2O3層之后是另外的TiN層(厚度小于1微米，優選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。優選沿切削刀口除去TiN層(如果有的話)。
根據本發明的方法，制得了WC-Co基硬質合金體，該硬質合金體包含CW比值為0.78-0.93，優選0.80-0.91，最優選0.82-0.90的大量熔合有W的粘結相，含量為0.2-1.8％(重量)的，優選為0.4-1.8％(重量)的，最優選為0.5-1.7％(重量)的Ta，Nb和Ti的立方碳化物，和6-15％(重量)的Co，優選9-12％(重量)的Co，最優選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，優選z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米并且層厚度＜1.5微米；優選利用MTCVD工藝(使用乙腈作為700-900℃范圍內形成該層的碳氮源)，沉積柱狀晶粒的TiCxNyOz層，其中x+y+z＝1，優選z＝0，x＞0.3且y＞0.3，層厚度為1-13微米，優選2-8微米，顆粒平均直徑＜5微米，優選＜2微米；然而，具體的條件在一定程度上取決于所使用設備的構造；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，優選0.5-3微米，最優選0.5-2微米。優選另外再沉積一TiN層(厚度＜1微米，優選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頂涂層時優選使用)，可得到光滑的涂層表面。優選沿切削刀口除去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的粘結相。在同一涂布循環隨后的步驟中，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。該硬質合金刀具有約25微米的貧含立方碳化物的表面區。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層對該硬質合金車刀進行涂布；在同一涂布循環隨后的步驟中，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者的極具競爭力的硬質合金車刀(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者的極具競爭力的硬質合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質合金包含如下組分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。該硬質合金具有約30微米厚、富含Co的表面區。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者的極具競爭力的硬質合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質合金包含如下組分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者的極具競爭力的硬質合金車刀(CNMG 120408型)，用于車削試驗中作為對比。該硬質合金包含如下組分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。該硬質合金具有約40微米厚的富含Co的表面區。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A(根據本發明)15B(本發明以外) 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，切削深度＝2mm，切削時間為1分鐘/循環。磨損機理是塑性變形。
刀具 循環次數B(本發明以外)7A(根據本發明)4實施例3G.具有上述A的組成和涂層的幾何結構TNMG160408-MM的刀具。
H.具有上述B的組成和涂層的幾何結構TNMG160408-MM的刀具。
I.具有上述C的組成和涂層的幾何結構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，切削深度＝2mm。每個部件的總切削時間為12分鐘。
刀具G和I產生了塑性變形，而刀具H產生了某些缺口磨損。
為生產出一個部件，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/部件H(本發明以外) 1G(根據本發明) 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。由于部件設計的原因，切削是斷續進行的。
切削速度為180m/min，進刀速度為0.2mm/轉，切削深度為0-2mm(不規則形狀的鑄造)。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合。
刀具部件數A(根據本發明) 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部車削試驗。切削速度130m/min，進刀速度0.4mm/轉。由于對棒鉆孔的原因，穩定性很差。
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A(根據本發明) 9D(外部等級) 7C(外部等級) 5B(本發明以外) 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。由于部件設計的原因，切削是斷續進行的。切削速度142m/min，進刀速度0.2mm/轉，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A(根據本發明) 25C(外部等級) 1權利要求
1.一種用于車削鋼材的切削刀具，所述刀具包含有硬質合金體和涂層，其特征在于，所述的硬質合金體由WC；6-15％(重量)，優選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，優選0.80-0.91的熔有大量W的粘結相組成；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，晶粒大小＜0.5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.根據權利要求1的車刀，其特征在于，最外層是0.1-1微米的TiN薄層。
3.根據權利要求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的粘結相的WC-Co基硬質合金體進行涂布-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，優選z＜0.5，層厚度0.1-1.5微米，晶粒大小＜0.5微米；-將乙腈用作在優選的溫度范圍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-優選涂布厚度小于1微米的TiN層。
5.根據權利要求4的制備方法，其特征在于，所述硬質合金體包含9-12％(重量)的Co和0.4-1.8％(重量)的Ta和Nb的立方碳化物。
6.根據權利要求4或5的方法，其特征在于，所述硬質合金體的Co含量為10-11％(重量)。
7.根據權利要求4，5，或6所述的方法，其特征在于，CW比值為0.82-0.90。
8.根據權利要求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硬質合金和涂層;所述的硬質合金體包含有熔合大量W的Co粘結相;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 優先權日1995年11月30日
發明者佩爾·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