用于对韧性有高要求的短孔钻削操作的cvd涂层硬质合金刀片的制作方法

专利名称：用于对韧性有高要求的短孔钻削操作的cvd涂层硬质合金刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特别有用于对韧性有高要求的在普通钢材中钻削 短孔的CVD涂层切削刀片。
背景技术：
在金属中钻削一般分为两种类型长孔钻削和短孔钻削。短孔钻 削指的是通常钻削至达钻头直径的3-5倍的深度。长孔钻削对于良好的切屑形成、润滑、冷却和切屑移动具有较高 的要求。这是通过特殊研制的钻削系统实现的，这些钻削系统具有特 殊设计的钻头，钻头被紧固到钻杆上并且满足上述要求。在短孔钻削中，要求较低，使得能够使用由坚固的硬质合金或者 坚固的工具钢或者工具钢形成的简单的螺旋钻，这种螺旋钻设有多个 硬质合金切削刀片，这些刀片被设置成一起形成必需的切削刀刃。在 钻头中心处，有时使用韧度级的刀片，而在周边上使用较耐磨的刀片。 这些切削刀片被铜焊或者被以机械方式夹紧。刀片通常涂覆有耐磨涂层。主要有两种涂覆技术物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。WO 2006/080888公开了尤其有用于对韧性要求高的低合金和不 锈钢中的短孔钻削的、具有优异韧性的PVD涂层切削刀片。这些刀片 包括基底和涂层。基底由平均WC晶粒尺寸为0.5-1.5 um的WC， 8-llwt-。/。的Co和0.2-0.5wt-X的Cr构成，并且涂层为利用电弧蒸发技 术沉积的呈多晶、非重复形式的TiN+Ti"AlxN的成层的多层结构。WO 2006/080889公开了用于在高速和适度进给的条件下在钢中 进行短孔钻削的CVD涂层切削刀片。这种硬质合金包括WC、2-10wt-% 的Co和4-12wt-。/。的立方金属碳化物，金属来自IVa、 Va或者VIa族。 Co粘结相与W高度合金化，CW比率为0.75-0.90。这种刀片具有富粘 结相和基本不含立方碳化物的、厚度小于20um的表面区域。沿着在 从刀刃到刀片中心的方向的基本平分刀刃的直线，粘结相含量基本单 调地增加，直至它达到主体(bulk)的成分。以vol-y。，在刀刃处的粘 结相含量是主体粘结相含量的0.65-0.75倍。贫粘结相的深度为100-300 n m 。EP-A-1655390公开了特别有用于在湿润条件下铣削的CVD涂层 刀片。这种刀片的特征在于，具有低含量的立方碳化物的WC-Co硬质 合金基底和如下涂层，这个涂层包括具有柱状晶粒的Ti(^Ny内层，跟 着是K-Al203层，以及TiN的顶层。PVD涂层提高了耐磨性，而且也提高了韧性。与PVD涂层相比， CVD涂层显示出较高的耐磨性，但是较差的韧性。因此，CVD涂层刀 片最常用于对于耐磨性有高要求的操作中，而PVD涂层刀片最常用于 对韧性有高要求的操作中。发明内容本发明的目的在于在于提供一种有用于对韧性有高要求的在钢中 进行短孔钻削的CVD涂层切削刀片。


图1是示出在间隙面(A)处保持完整而在前刀面(B)上被完全 除去的(金色)顶层的光学显微镜照片；图2是示出由于在靠近刀刃(C)的区域处除去氧化铝层(暗对比) 而将第二TiCxNyOz层(亮对比)暴露出的SEM背向散射电子显微照片；图3是示出在前刀面(D)的大部分处将第二TiCxNyOz暴露出的 使用背向散射电子的SEM显微照片。
具体实施例方式
根据本发明，现在提供一种特别有用于对韧性有高要求的通常在 钢材中进行短孔钻削的、具有优异韧性的硬质合金刀片，包括基底和 涂层，基底包括WC和8-llwt-。/。的Co，优选为9.5-10.5wt-。/。的Co，和 0.2-0.5wt-。/。的Cr。 WC晶粒具有0.5-1.5 u m的平均晶粒尺寸。
钴粘结相与W相当地高度合金化。在粘结相中W的含量表示为 CW-比率=磁性-% Co/wt- % Co
其中磁性-%0)是磁性Co的重量百分比，并且wt-%Co是Co在 硬质合金中的重量百分比。CW数值是Co粘结相中的W含量的函数。 大约为1的CW-数值相当于在粘结相中的较低W含量，并且0.75-0.8 的CW-数值相当于在粘结相中的较高W含量。在根据本发明的刀片中 的CW-比率应该为0.80-0.90。
涂层包括
-TiCxNyOz的第一(最内)层，其中x+y+z=l ，优选地y〉x并且z<0.2， 最优选地yX).8并且z-0，具有尺寸0.5um的等轴晶粒，并且总厚度 <1.5wm，优选地〉0.1um，
-TiCxNyOz的层，其中x+y+z-l，优选z-0、 x>0.3并且y〉0.3，最 优选地x〉0.5，厚度为1-8 um、优选为2-7um，最优选地〈6lim，并 且具有平均直径〈5ixin、优选为0.1-2 um的柱状晶粒，
-光滑的、细粒的、晶粒尺寸大约为0.5-2um的、主要由K相构成 的八1203层。然而，这层可以包括如由XRD测量所确定的少量的、 l-3vol-。/。的6相或者a相。八1203层具有0.5-5 um、优选为0.5-2 um、 并且最优选为0.5-1.5 "m的厚度。在Al203层之后为〈lum、优选为 0.1-0.5 y m厚的另外的TiQcNyOz层，其中x+y+z-l，优选地y>x并且 z<0.3，最优选地yX).8。在刀刃线和沿着垂直于刀刃线的方向向内100nm之间的前刀面的表面面积的80%上完全地或者局部地除去了最外 的TiC^NyOz层和八1203层。
而且，在前刀面处的第二 TiCxNyOz层应该处于从0到2500MPa， 优选为500-1500MPa的压应力状态。
本发明还涉及一种用于制造特别有用于对韧性有高要求的在普通 钢材和不锈钢中进行短孔钻削的、具有优异韧性的涂层硬质合金刀片的 方法。这种硬质合金包括WC禾卩8-llwt-。/。的Co，优选为9.5-10.5wt-% 的Co，和0.2-0.5wt-。/。的Cr。 WC晶粒具有0.5-1.5 n m的平均晶粒尺寸。 利用压制剂，原材料粉末被湿磨，从而形成浆液，少量添加碳黑或者纯 鹆粉末，以在烧结刀片中获得0.80-0.90的CW比率。在湿磨之后，将 浆液干燥成粉末，压縮和烧结。在传统的后烧结处理之后，涂层包括
-使用已知的CVD方法形成的TiCxNyOj勺第一 (最内)层，其中 x+y+z=l，优选地y〉x并且z<0.2，最优选地y〉0.8并且z=0，具有尺寸 <0.5um的等轴晶粒，并且总厚度<1.5" m，优选地X).lum，
-TiQcNyOz的层，其中x+y+z-l，优选z=0、 x〉0.3并且y〉0.3，最 优选地xX).5，厚度为1-8 um、优选为2-7 um，最优选地<6 y m,具 有平均直径〈5um、优选为0.1-2wm的柱状晶粒，优选使用MTCVD 技术，使用乙腈作为碳和氮源，用于在700-900。C的温度范围中形成这 层。然而，确切条件在一定程度上依赖于所使用的设备的设计，
-在已知条件下，例如在通过引用而被整体结合于此的EP-A-523 021中公开的条件下，沉积主要由K-八1203构成的光滑的八1203层。 Al203层具有0.5-5 U m、优选为0.5-2 U m、并且最优选为0.5-1.5 u m的 厚度。使用已知的CVD方法，沉积〈lum、优选为0.1-0.5 um厚的另 外的TiCxNyOz层。通过利用细粒(400-150目)的氧化铝粉末对涂层 表面进行湿喷，可以实现对前刀面的顶部TiCxNyOz层和八1203层的完 全的或者局部的除去。
实例1使用MTCVD技术，885-85(TC的温度并且将CH3CN用作碳/氮源， 将组分为WC+10wt-。/。的Co、0.39wt。/oCr并且平均WC晶粒尺寸为1.0 y m，并且CW比率为0.86的硬质合金制成的刀片涂覆0.5 y m的等轴 TiC。.。5N。.95层(具有相应于估计的0.05的C/N比率的较高的氮含量)， 之后为具有柱状晶粒的4um厚的TiQ).54NQ.46层。在随后的步骤中，在 相同涂覆周期中，使用如在EP-A-523 021中公开的970'C的温度和0.4 %浓度的H2S搀杂剂沉积1.0 u m厚的A1203层。根据已知CVD技术， 在顶部上沉积0.3um的TiN层。XRD测量显示出人1203层由100%的 K-相构成。实例2利用具有2.2bar的喷砂压力，对来自实例1的刀片进行湿喷处理。 湿喷处理的结果是，在前刀面上的所有的顶部TiN层和部分的A1203 层都被除去。在刀刃线处的和沿着垂直于刀刃线的方向向内100 u m的 前刀面区域，大部分的氧化铝都没有了，并且因此在>80%的这个表面 区域，将第二TiC。.54No.46层暴露出来。在间隙面处，大部分的顶部TiN 层仍然是完整的。利用X射线衍射，测量第二TiQ).54No.46层中的应力状态。在前刀面处，涂层具有-800到-940MPa的压应力。在间隙面处，应力状态为 十900MPa的拉应力。在这个实例和下面的实例中用于评估第二 TiCo,54N。.46层中的应力状态的方法是根据如由I.C.Noyan 、 J.B.Cohen在Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation ( Springer-Verlag， 美国 纽约，1987， ppll7-130)—文中所述的公知的sin2v方法。通过在 装备有激光视频定位系统、1/4欧拉环、作为X射线源(CuK。辐射) 的旋转阳极和面探测器(Hi-star)的X射线衍射计Bmker D8 Discover-GADDS上使用V几何体，执行应力评估。尺寸为0.5mm的准 直仪被用于聚焦光束。使用角度计设置值2 0 =126° 、 "=63° 、并且4>=0° 、 90° 、 180° 、 270° ，对TiCxNy (422)反射进行分析。 对于每一个4)角度，实现在0°和70°之间的八个V倾角。通过使用 来自Bruker八XS的软件DIFFRACPlus Stress32 v丄04，其中常数杨氏 模量E = 480GPa，并且泊松比v=0.20，并且利用Pseudo-Voigt-Fit函数定位反射，而使sin2v方法被用于评估残余应力。双轴应力状态被确 定并且平均数值被用作残余应力数值。实例3分别利用2.4和2.6b虹的喷砂压力处理来自实例1的刀片。结果， 前刀面上的大部分氧化铝层都被除去。使用X射线衍射测量第二 TiC。.54No.46层中的应力状态。在前刀面处，这层具有压应力 2.4bar -1840MPa 2.6bar -2400MPa在刀片的间隙面处的应力状态为拉应力2.4bar +850MPa 2.6bar十860MPa除了在正好刀刃线处的一些小点(<刀刃半径)，被暴露的第二 TiC。.54Na46层都是完整的。这个实例表明可以使用导致较高的压应力的较高的喷砂压力，而不会对第二 TiCo.54No.46层造成任何重大损伤。实例4通过刷拭刀刃线，处理实例1的刀片。这种处理导致在刀刃线处 除去的顶部TiCxNyOz层，并且产生光滑刀刃，如在例如US5861210中公开的那样。实例5在短孔钻削操作中，测试实例2的刀片，并且将其与Sandvik的 商业级GC4044刀片相比较。被测试的刀片利用机械方式被夹紧在钻头 的周边上。在中心处，使用Sandvik的商业级GC4044刀片。刀具寿命 标准月牙洼磨损、塑性变形、侧面磨损，或者碎屑X).25mm。材料低合金钢SS2541-03， 285HB。 乳剂BlasocutBC25， 8% 操作通孑L， 45mm。ABC 切削速度200m/min，180m/min， 160m/min 进给 0.12mm/r，0.13mm/r， 0.15mm/r钻头 直径15mm， 3XD刀片类型CoroDrill 880-020W05H-P， GR结果看到了关于抗塑性变形和抗侧面磨损性的刀具寿命方面存 在令人惊讶的显著差别。与对照刀片相比，根据本发明的刀片显示出更多提高的抗侧面磨 损性。在刀具寿命时的钻孔长度 A本发明刀片20米 对照刀片 在13米B C>23米 22米13米 15米 之后刀具失效实例6在短孔钻削操作中，测试实例2的刀片，并且将其与Sandvik的 商业级4044刀片相比较。被测试的刀片利用机械方式被夹紧在钻头的 周边上。在中心处，使用Sandvik的商业级1044刀片。刀具寿命标准:月牙洼磨损、塑性变形、侧面磨损，或者碎屑〉0.25mm。材料:低合金钢SS2541-03, 285HB。 乳剂BlasocutBC25， 8% 操作通孔，48mm。A B 切削速度170m/min， 195m/min 进给0.15mm/r， 0.13mm/r 钻头 直径18mm， 3XD刀片类型CoroDrill 880-0303W06H-P， GR结果看到了关于抗塑性变形和抗侧面磨损性的刀具寿命上存在 令人惊讶的显著差别。与对照刀片相比，根据本发明的刀片显示出更 多提高的抗侧面磨损性。在刀具寿命时的钻孔长度本发明刀片对照刀片A B>25米 19米在14米 13米之后刀具失效实例7在短孔钻削操作中，测试实例2的刀片，并且将其与Sandvik的 商业级4044刀片相比较。被测试的刀片利用机械方式被夹紧在钻头的 周边上。在中心处，使用Sandvik的商业级1044刀片。刀具寿命标准: 月牙洼磨损、塑性变形、侧面磨损，或者碎屑X).25mm。材料不锈钢SS2343， 160HB, 乳剂BlasocutBC25， 8%操作通孔，40mm。ABC 切削速度240m/min，220m/min， 200m/min 进给 0.10mm/r， 0.10mm/r， O.llmm/r钻头 直径15mm， 3XD刀片类型CoroDrill 880-020W05H-P， LM结果看到了关于抗塑性变形和抗侧面磨损性的刀具寿命上存在 令人惊讶的显著差别。与对照刀片相比，根据本发明的刀片显示出更 多提高的抗侧面磨损性。在刀具寿命时的钻孔长度A B C本发明刀片 10米 〉16米 〉16米对照刀片在5米 7米 9米之后刀具失效实例8在短孔钻削操作中，测试实例2的刀片，并且对于韧性，将其与 Sandvik的商业级4024刀片相比较。被测试的刀片利用机械方式被夹 紧在钻头的周边上。在中心处，使用Sandvik的商业级1044刀片。刀 具寿命标准月牙洼磨损、塑性变形、侧面磨损，或者碎屑X).25mm。材料不锈钢SS2343， 160HB。乳剂BlasocutBC25， 8%操作通孔，50mm。切削速度180m/min进给 0.13mm/r钻头 直径18mm， 3XD刀片类型CoroDrill 880-0303W06H-P， LM结果看到了在韧性方面的提高。与对照刀片相比，根据本发明 的刀片显示出更多提高的韧性。在刀具寿命时的钻孔长度本发明刀片 >20米对照刀片 在17米之后刀具失效实例9在短孔钻削操作中，测试实例2和实例4的刀片，并且关于韧性， 将两个刀片相比较。被测试的刀片利用机械方式被夹紧在钻头的周边 上。在中心处，使用Sandvik的商业级1044刀片。刀具寿命标准月 牙洼磨损、塑性变形、侧面磨损，或者碎屑〉0.25mm。材料低合金钢SS2541-03， 285HB。乳剂BlasocutBC25， 8%操作通孔，45mm。切削速度240m/min进给 0.10mm/r钻头 直径15mm， 3XD刀片类型CoroDrill 880-0202W05H-P, GR结果看到了在韧性方面有显著差异。实例2的刀片实现了受控 的侧面磨损，而实例4的刀片由于出现穿过半个刀片的大裂纹以及邻近此大裂纹的刀刃断裂而失效。在刀具寿命时的钻孔长度本发明刀片 20米实例4的刀片 在9米之后刀具失效
权利要求
1.一种特别有用于对韧性有高要求的在普通钢材中钻削短孔的、具有优异韧性的硬质合金刀片，其包括基底和涂层，其特征在于，基底包括WC和8-11wt-％的Co，优选为9.5-10.5wt-％的Co，和0.2-0.5wt-％的Cr，由此钴粘结相的CW比例为0.80-0.90，其中WC晶粒具有0.5-1.5μm的平均晶粒尺寸，并且涂层包括-TiCxNyOz的第一、最内层，其中x+y+z＝1，优选地y＞x并且z＜0.2，最优选地y＞0.8并且z＝0，并且具有尺寸＜0.5μm的等轴晶粒，总厚度＜1.5μm，优选地＞0.1μm，-TiCxNyOz的层，其中x+y+z＝1，优选地z＝0、x＞0.3并且y＞0.3，最优选地x＞0.5，厚度为1-8μm、优选为2-7μm，最优选地＜6μm，并且具有平均直径＜5μm、优选为0.1-2μm的柱状晶粒，-光滑的、细粒的、晶粒尺寸大约0.5-2μm的、主要由κ相构成的Al2O3层，Al2O3层具有0.5-5μm、优选为0.5-2μm的厚度，和-厚度＜1μm、优选为0.1-0.5μm厚的另外的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选地y＞x并且z＜0.3，由此在前刀面处，在刀刃线和沿着垂直于刀刃线的方向向内100μm之间的前刀面的表面面积的80％上完全地或者局部地没有最外的TiCxNyOz层和Al2O3层。
2. 根据权利要求的硬质合金刀片，其特征在于，在前刀面处的 第二 TiQNyOz层具有从0到2500MPa、优选为500-1500MPa的压应力 状态。
3. —种制造特别有用于对韧性有高要求的在普通钢材中钻削短 孔的、具有优异韧性的涂层硬质合金刀片的方法，其特征在于以下步 骤提供硬质合金基底，基底包括WC和8-llwt-。/o的Co，优选为 9.5-10.5wt-o/o的Co，和0.2-0.5wt-o/。的Cr，其中WC晶粒具有0.5-1.5 u m的平均晶粒尺寸，这通过利用压制剂湿磨粉末，形成浆液，并且在 浆液中添加少量的碳黑或者纯钨粉末，从而在烧结刀片中获得0.80-0.90的CW比率，将浆液干燥成粉末，压实和烧结来提供，并且 在传统的后烧结处理之后，沉积涂层，所述涂层包括-TiCxNyOz的第一、最内层，其中x+y+z=l ，优选地y〉x并且z<0.2， 最优选地y〉0.S并且z=0，具有尺寸0.5um的等轴晶粒，并且总厚度 <1.5wm，优选地〉0.1um，使用已知的CVD方法形成，-TiCxNyOz的层，其中x+y+z:l，优选z-0、 x>0.3并且y>0.3，最 优选地x〉0.5，厚度为l-8um、优选为2-7um，最优选地〈6ym，具 有平均直径大约〈5um、优选为0.1-2 um的柱状晶粒，优选地使用 MTCVD技术，使用乙腈作为碳和氮源，用于在70(TC-90(TC的温度范 围中形成这层，-主要由K-相构成的光滑的、细粒的、晶粒尺寸大约为0.5-2 um 的八1203层，八1203层具有0.5-5 nm、优选为0.5-2 um的厚度，使用已 知的CVD方法形成，-<lum、优选为0.1-0.5 um厚的另外的TiCxNyOz层，其中 x+y+z=l，优选地y〉x并且z〈0.3，使用已知的CVD方法形成，-通过利用细粒的、400-150目的氧化铝粉末对涂层表面进行湿喷， 在刀刃线和沿着垂直于刀刃线的方向向内lOOlim之间的前刀面的表 面面积的80。/。上完全地或者局部地除去最外的TiCxNyOz层和A1203 层。
全文摘要
本发明涉及一种特别有用于对韧性有高要求的在普通钢材中钻削短孔的、具有优异韧性的涂层切削刀片及其制造方法。这种刀片包括基底和涂层。基底包括WC和8-11wt％的Co，和0.2-0.5wt％的Cr，并且WC晶粒具有0.5-1.5μm的平均晶粒尺寸，并且CW比率为0.80-0.90。涂层包括TiC_xN_yO_z的第一(最内)层，厚度＜1.5μm；TiC_xN_yO_z的层，厚度为1-8μm，具有柱状晶粒；细粒的晶粒К-Al₂O₃层，厚度为0.5-5μm，和厚度＜1μm的另外的TiC_xN_yO_z层，在前刀面处，完全地或者局部地没有最外的TiC_xN_yO_z层和Al₂O₃层。
文档编号B32B33/00GK101219591SQ200710160600
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者安德斯·伦南德, 托比约恩·阿格伦, 斯特凡·雷内勃兰特, 约阿基姆·安德森, 罗伯特·格伦斯特伦, 让·谢尔格伦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司