用于铣削应用的涂层切削刀片的制作方法

专利名称：：用于铣削应用的涂层切削刀片的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种具体用于对钢进行湿铣削或者干铣削的涂层硬质合金刀片(切削刀具)。
背景技术：
：当利用硬质合金刀具加工低合金钢和中合金钢以及不锈钢时，切削刃根据不同磨损机理被磨损，例如化学磨损、磨粒磨损、粘着磨损以及由于沿着切削刃形成的裂纹而引起的切削刃崩裂。任何一种磨损机理的占主导地位由应用确定，并且依赖于加工材料的性质、所应用的切削参数和刀具材料的性质。通常，非常难以同时地改进所有的刀具性质，并且商业化硬质合金等级通常已经针对上述磨损类型中的一个或者几个而被优化，并且因此已被优化用于特定的应用领域。EP1493845涉及一种涂层硬质合金刀片(切削刀具)，尤其用于铣削不锈钢和超合金，但是也用于在对韧度有要求的应用中对钢进行铣削。所述切削刀具刀片的特征在于包括WC、NbC和TaC，W合金的Co粘结相的硬质合金本体，以及包括具有等轴晶粒的TiCxNyOz最内层、具有柱状晶粒的TiCxNyOz层和仏八1203层的涂层。WO97/20083披露了一种涂层切削刀片，尤其用于铣削具有未加工表面(例如浇铸表层、锻造表层、热轧或者冷轧表层或者处于不稳定状态下的预加工表面)的不锈钢以及低合金钢和中合金钢。该刀片的特征在于具有低含量的立方碳化物和相当低的W合金的粘结相的WC-Co硬质合金以及包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz最内层和TiN顶层以及-八1203内层的涂层。WO97/20081描述了一种涂层铣削刀片，尤其用于在湿状态或者干状态期间铣削具有或者不具有未加工表面区域的低合金钢和中合金钢。该刀片的特征在于具有低含量的立方碳化物和高W合金的粘结相的WC-Co硬质合金和涂层，该涂层包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz内层、-A1203内层以及优选地TiN顶层。EP1103635披露了一种切削刀具刀片，尤其用于对低合金钢和中合金钢和不锈钢进行湿铣削以及干铣削，以及用于对不锈钢进行车削。所发明的切削刀具包括硬质合金本体，其具有由MTCVD的Ti(C,N)层构成的涂层；和由-Al203和TiN或者Ti(C,N)层构成的多层涂层。WO2007/069973披露了一种涂层切削刀具刀片，尤其用于干加工和湿加工、优选地用于铣削具有或者不具有未加工表面区域的低合金钢和中合金钢、不锈钢。该刀片的特征在于具有W合金的Co粘结相的WC-TaC-NbC-Co硬质合金；和包括具有柱状晶粒的TiCxNyOz最内层以及至少在前刀面上的光滑a-Al203顶层的涂层。
发明内容本发明的目的在于提供一种涂层切削刀具，该涂层切削刀具提高的用于铣削钢的性能。根据本发明的切削刀具刀片包括硬质合金基底，所述硬质合金基底具有少量的立方碳化物，具有较高的粘结相含量，也就是与W中度到高度合金化的粘结相含量，并且具有很小到中等程度的WC晶粒尺寸。该基底具有包括等轴TiCxNyC^层、柱状TiCxNyOz层和至少一个仏八1203层的耐磨涂层。图1示出根据本发明的硬质合金刀片断裂横截面的16000倍的扫描电子显微图像，其中1.硬质合金本体，2.最内TiCxNyOz层，3.具有柱状晶粒的TiCxNyOz层，以及4.a－Al2O3层。具体实施方式根据本发明，涂层切削刀具刀片具有硬质合金本体，所述硬质合金本体具有以下组分9.3-10.9wt-。/。的Co，优选地为9.75-10.7wt-。/。的Co，最优选地为9.9-10.5wt-。/。的Co;总量为0.5-2.5wt-%，优选地为1.0-2.0wt-%，最优选地为1.2-1.8wt-yo的金属Ti、Nb和Ta以及余量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以被元素周期表中的族IVb，Vb或者VIb中的其它元素替代。Ti的含量优选地处于相当于技术意义上的杂质的水平。在优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度之间的比率为7.0-12.0，优选地为7.6-11.4，最优选地为8.2-10.5。在可替代优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度之间的比率在为1.0-5.0,优选地为1.5-4.5。钴粘结相与钨中度到高度合金化。W在粘结相中的含量可以被表示为S值(7/16.1，其中cr是粘结相的磁矩，单位为/iTm、g—1。S值取决于钨在粘结相中的含量并且随着钨的含量降低而增加。因此，对于纯钴，或者对于碳饱和的硬质合金中的粘结剂相，S=l，并且对于含有对应于7j-相形成的边界线的量的W的粘结相，S=0.78。硬质合金本体具有在0.81-0.95，优选地为0.82-0.93，最优选地为0.85-0.90范围中的S值。硬质合金具有10-15，优选地为11-14，最优选地为11.5-13.5kA/m的矫顽磁性(He)。所述涂层包括-第一(最内)TiCxNyOz层，其中0.7盒+y+z^，优选地z<0.5，更加优选地y〉x并且z<0.2，最优选地y〉0.7，具有等轴晶粒并且总厚度<1拜，优选地>0.1拜。-TiCxNyOz层，其中0.7念+y+z4，优选地z<0.2、x>0.3并且y>0.2，最优选地x〉0.4，厚度为l-5/xm，优选地为1.5-4.5/mi，最优选地为2-4/mi，具有柱状晶粒。-八1203层，由a-相构成。八1203层具有l-5/rni，优选地1.5-4.5/mi,并且最优选地2-4pm的厚度。在优选实施例中，入1203层沿着(10i4)方向被强织构化，织构系数TC(10f4)大于1.2，优选地在1.4和4之间。对于氧化铝层的织构系数(TC)根据下面的公式确定"^/0(磁)_其中i(hkii"测量到的(hkii)反射的强度Io(hkil))=根据JCPDS卡片号46-1212的标准强度11=用于计算中的反射的数所使用的(hkil)反射为(10i2)、(IOU)、(1150)、(0006)、(1153)、(ll")。因此，11=6并且织构系数的最大值为6。在可替代实施例中，八1203层沿着(0006)方向被强织构化，织构系数TC(0006)大于1.2，优选地在1.4和4.3之间。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>在另一可替代实施例中，八1203层沿着(1012)方向被强织构化，织构系数TC(10i2)大于2.5，优选地大于3，最优选地大于3.5。在另外的可替代实施例中，在o;-Al203层上存在一薄的、小于lpm厚的TiN顶层。本发明还涉及一种通过粉末冶金技术制造切削刀片的方法，包括湿研磨形成硬质成分和粘结相的粉末，将研磨混合物压成具有所需形状和尺寸的本体并且烧结，所述本体包括硬质合金基底和涂层。根据该方法，基底具有以下组分9.3-10.9wt-。/。的Co，优选地为9.75-10.7wt-%的Co，最优选地为9.9-10.5wt-。/。的Co;总量为0.5-2.5wt-%，优选地为1.0-2.0wt-%，最优选地为1.2-1.8wt-n/o的金属Ti、Nb和Ta和余量WC。Ti、Ta和/或Nb也可以被元素周期表中的族Ivb、Vb或者VIb中的其它元素替代。Ti的含量优选地处于相当于技术意义上的杂质的水平。在优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度之间的比率为7.0-12.0，优选地为7.6-11.4，最优选地为8.2-10.5。在可替代优选实施例中，Ta和Nb的重量浓度之间的比率为1.0-5.0，优选地为1.5-4.5。矫顽磁性依赖于初始粉末的晶粒尺寸以及研磨和烧结条件并且需要通过试验确定。期望的S值依赖于初始粉末和烧结条件并且也需要通过试验确定。在700-95(TC的温度范围中，使用乙腈作为用于形成层的碳和氮源，将具有柱状晶粒形态的TiCxNyOz层，利用MTCVD技术沉积到硬质合金上，其中0.7S+y+z^，优选地z〈0.2、x>0.3并且y〉0.2，最优选地x>0.4。根据已知技术沉积最内的TiCxNyOz层，和沉积氧化铝层。在可替代实施例中，使用已知技术在a-Al203层上沉积一薄的、小于"m的TiN顶层。在另外的优选实施例中，在涂覆之后利用湿喷砂或者刷光操作处理如上所述的切削刀具刀片，从而改进涂层刀具的表面质量。本发明还涉及根据以上所述的切削刀具的用途，所述切削刀具用于在75-400m/分钟，优选地100-300m/分钟的切削速度下对钢进行湿铣削或者干铣削，其中根据切削速度和刀片几何形状，每齿平均进给量为0.08-0.5mm，优选地为0.1-0.4mm。等级A:通过传统的粉末研磨、生坯压制以及随后的在1430'C下烧结，生产根据本发明的硬质合金基底，其组分为10.3wtn/c的CO，1.35wt。/。的Ta，0.15wt。/。的Nb和余量WC，并且与W合金化的粘结相应于0.87的S值。硬质合金的Hc值为12.5kA/m，这表明大约0.7nm的平均截距长度。基底涂覆有厚度0.2/mi的、具有等轴晶粒的TiN层；利用乙腈作为碳和氮源、在835-850°C下沉积的厚度2.9/xm的柱状TiCxNy0z层，产生大致x/y^l.5的碳氮比率，且zO.l;以及在大约100(TC下沉积的厚度为3.1/mi的0!-入1203层。X射线衍射表明0!认1203层具有2.1的TC(101—4)。图1示出涂层硬质合金的断裂横截面的16000倍的扫描电子显微图像。在涂覆之后利用湿喷砂操作处理切削刀具刀片。等级B:根据等级A的硬质合金基底与3pm的Ti(C，N)和四个-八1203层与五个1^1^层的3^1111的多层涂层相结合。在钢的端面铣削操作中测试等级A和B。实例1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在相同的最大侧面磨损时停止测试。利用根据本发明的等级大大提高了耐磨性。实例2等级C:按照等级A涂覆硬质合金基底，该硬质合金基底组分为13wt。/。的Co，1.35wt。/。的Ta，0.15wt。/。的Nb和余量WC，与W合金化的粘结相相应于0.85的S值，Hc值为14kA/m。等级D:根据等级A涂覆硬质合金基底，该硬质合金基底组分为12wt。/。的Co，1.3wt。/o的Ta，0.2wt。/。的Nb和余量WC，与W合金化的粘结相相应于0.89的S值，Hc值为13kA/m。在对钢的方形肩台铣削操作中测试等级A、C和D。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在相同的最大侧面磨损时停止测试。对于具有更高粘结相含量的等级而言，刀具寿命明显更低。权利要求1.一种切削刀具刀片，包括硬质合金本体和涂层，所述刀片特别有用于对钢进行湿铣削或者干铣削，其特征在于，所述本体具有以下组分9.3-10.9wt％的Co，优选地为9.75-10.7wt％的Co，总量为0.5-2.5wt％，优选地为1.0-2.0wt％的金属Ti、Nb和Ta以及余量WC，并且所述刀片具有10-15kA/m，优选地为11-14kA/m的矫顽磁性，相应于0.81-0.95，优选地为0.82-0.94的S值的与W合金化的粘结相，并且所述涂层包括-第一(最内)TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选地z＜0.5，更加优选地y＞x并且z＜0.2，并且该层具有等轴晶粒并且总厚度＜1μm，优选地＞0.1μm；-TiCxNyOz层，其中0.7≤x+y+z≤1，优选地z＜0.2、x＞0.3并且y＞0.2，最优选地x＞0.4，并且该层厚度为1-5μm，优选地为1.5-4.5μm，并且具有柱状晶粒；-织构化Al2O3层，由α-相构成，厚度为1-5μm，优选地1.5-4.5μm。2.根据权利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于，^203层沿着(1014)方向被强织构化，且织构系数TC(10")大于1.2，优选地在1.4和4之间，或者Al203层沿着(0006)方向被强织构化，且织构系数TC(0006)大于1.2，优选地在1.4和4.3之间，或者A1203层沿着(1012)方向被强织构化，且织构系数TC(10i2)大于2.5，优选地大于3，最优选地大于3.5，织构系数(TC)根据下面的公式确定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中i(hkii"测量到的(hkii)反射的强度Io(hkil)=根据JCPDS卡片号46-1212的标准强度n-用于计算中的反射的数量所使用的(hkil)反射为(10i2)、(1014)、(11》0)、(0006)、(1153)、(1156)。3.根据前述任何一项权利要求所述的切削刀具刀片，其特征在于，Ta和Nb的重量浓度之间的比率为7.0-12.0，优选地为7.6-11.4。4.根据权利要求1和2中的任何一项所述的切削刀具刀片，其特征在于，Ta和Nb的重量浓度之间的比率为1.0-5.0，优选地为1.5-4.5。5.根据前述任何一项权利要求所述的切削刀具刀片，其特征在于，Ti含量处于技术意义上的杂质的水平上。6.根据前述任何一项权利要求所述的切削刀具刀片，其特征在于，在(^入1203层上具有一薄的TiN顶层。7.—种制造包括硬质合金本体和涂层的切削刀具刀片的方法，其特征在于以下步骤，-通过粉末冶金技术制备，硬质合金本体具有的组分为9.3-10.9wt。/o的Co，优选地为9.75-10.7wt。/o的Co，总量为0.5-2.5wt%，优选地为1.0-2.0wt。/。的金属Ti、Nb和Ta以及余量WC，具有10-15kA/m，优选地为11-14kA/m的矫顽磁性，相应于0.81-0.95、优选地为0.82-0.94的S值的与W合金化粘结相，并且-将硬质合金本体涂覆以下的层-使用已知CVD技术，涂覆第一(最内)TiCxNyOz层，其中0.7《+y+z^，优选地z0.5，更加优选地y>x并且z<0.2，该层具有等轴晶粒并且总厚度<1/1111，优选地XUpm;-在700-950°C的温度范围中，使用乙腈作为用于形成层的碳和氮源，使用MTCVD技术涂覆TiCxNyOz层，其中0.7《+y+zd，优选地z<0.2、x>0.3并且y>0.2，最优选地x>0.4，并且厚度为l-5/im，优选地为1.5-4.5/mi，具有柱状晶粒，和，-使用已知CVD技术涂覆织构化Ab03层，它由a-相构成，厚度为l-5pm，优选地为1.5-4.5/mi;-可能地使用已知技术在a-Al203层上沉积一薄的TiN顶层。8.根据权利要求l-6所述的切削刀具的用途，所述切削刀具用于在75-400m/分钟，优选地100-300m/分钟的切削速度下对钢进行铣削，其中根据切削速度和刀片几何形状，每齿平均进给量为0.08-0.5mm，优选地为0.1-0.4mm。全文摘要本发明涉及一种特别有用于对钢进行湿铣削或者干铣削的涂层硬质合金刀片(切削刀具)。所述切削刀具刀片的特征在于包括WC、NbC和TaC、W合金的Co粘结相的硬质合金本体；以及包括具有等轴晶粒的最内TiC_xN_yO_z层、具有柱状晶粒的TiC_xN_yO_z层和α-Al₂O₃层的涂层。文档编号B23C5/00GK101402147SQ20081016081公开日2009年4月8日申请日期2008年9月16日优先权日2007年9月13日发明者安娜·桑德伯格,安德烈亚斯·拉尔森,汤米·拉尔森申请人:山高刀具公司