专利名称：用于湿铣的涂层刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层的硬质合金切削刀片，特别用于优选地以高切削速度在湿条件下粗铣带有或不带有铸造表皮的高合金灰口铁以及以中等切削速度粗铣带有或不带有铸造表皮的球墨铸铁和致密石墨铸铁。微观几何结构与基体和涂层相平衡，以满足加工应用的负荷。
US5,945,207公开了一种特别用在切削铸铁材料中的涂层切削刀片。该刀片的特征在于，纯WC-Co硬质合金主体和涂层，其中WC-Co硬质合金主体具有高W合金化的粘结相、精确确定的Co表面含量，所述涂层包括柱状晶粒的TiCxNyOz最内层、细晶粒的织构化的Al2O3层、和TiCxNyOz顶层，其中沿切削刃线除掉该TiCxNyOz顶层。
US6,638,609公开了涂层铣刀片，它特别用于以低和中切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的灰口铸铁以及以中切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的球墨铸铁和致密石墨铸铁。该刀片的特征在于，WC-Co硬质合金和涂层，其中WC-Co硬质合金具有低立方晶系碳化物含量和高W合金化粘结相，所述涂层包括柱状晶粒的TiCxNy内层和随后的κ-Al2O3层和TiN顶层。
本发明的目的是提供涂层的硬质合金切削刀片，特别用于优选地以高切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的合金化灰口铁以及以高切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的球墨铸铁和致密石墨铸铁。
令人意外地发现，通过结合各种不同特征，特别对于铣削加工，能够获得如下的切削刀片，它优选地以很高切削速度，使用流体冷却剂，铣削带有或不带有铸造表皮的灰口铸铁，以及优选地以中等切削速度，使用流体冷却剂，铣削带有或不带有铸造表皮的球墨铸铁和致密石墨铸铁的铸件时具有优良的切削性能。
根据本发明的切削刀片相对于上述切削操作中主要的不同磨损类型显示出改进的性能。
根据本发明的切削刀片包括具有较高W合金化粘结相和WC的精确余量化学成分和晶粒尺寸的硬质合金主体，柱状TiCxNy层，κ-Al2O3层，TiN层和可选地具有平滑的切削刃。
根据本发明，提供一种切削刀片，具有硬质合金主体，其成分为5-8wt％的Co，优选地5-7％的Co，＜0.5wt％、优选地0wt％的金属Ti、Ta和/或Nb的立方晶系碳化物，和余量的WC。WC的平均晶粒度在1-2.5μm的范围内。钴的粘结相用W高度合金化。在该粘结相中的W含量可以用下式表达CW比例＝Ms/(wt％Co·0.0161)，这里Ms是以kA/m为单位的测量的硬质合金主体的饱和磁化度，wt％Co是在硬质合金中的Co的重量百分数。CW值是在Co粘结相中W含量的函数。低的CW值对应于在粘结相中的高W含量。
根据本发明，如果硬质合金主体具有0.75-0.93、优选地0.80-0.90的CW比例，则可以获得改进的切削性能。该硬质合金主体可以含＜1vol％的少量η相M6C，而无有害影响。
优选地，硬质合金刀片的表面成分是精确确定的，并且表面上的Co量在公称含量的-2到+4wt％内。
未涂层的切削刃的半径为35-60μm，优选地约45-55mm。
涂层包括TiCxNyOz的第一最内层，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，优选地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等轴晶粒，总厚度＜1.5μm，优选地＞0.1μm，TiCxNy层，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，优选地x≥0.5，厚度为2-3μm，具有平均晶粒直径＜5μm的柱状晶粒，优选地0.1-2μm，平滑细晶粒层，约0.5-2μm的平均晶粒度，基本由κ相构成的Al2O3。然而，如XRD测量方法测定的，该层可以含有＜5vol％的少量其他相，如θ或α相。Al2O3层具有1-2μm的厚度，优选地1.2-1.7μm，和附加的厚度为0.1-1.0μm的TiN层。该TiN的最外层在至少切削刃的工作部分上的表面粗糙度为在10μm长度上Rmax≤0.4μm。优选地沿切削刃除去TiN层，并且可以部分地或完全地沿切削刃除去下面的氧化铝层。
本发明还涉及制造涂层硬质合金主体的方法，所述涂层硬质合金主体的成分是，5-8wt％、优选地5-7wt％的Co，＜0.5Wt％、优选地0wt％的金属Ti、Ta和/或Nb的立方晶系碳化物，和余量的WC。WC的平均晶粒度为1-2.5μm。钴粘结相用W高度合金化。表达为CW比例的该粘结相中的W含量是0.75-0.93，优选地0.80-0.90。
未涂层的切削刃带有35-60μm的刃半径，优选地约45-55μm。
涂层包括使用已知的CVD方法形成TiCxNyOz的第一最内层，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，优选地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等轴晶粒，总厚度＜1.5μm，优选地＞0.1μm，优选地使用MTCVD技术以乙腈为碳和氮源在700-900℃的温度范围内形成TiCxNy层，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，优选地x≥0.5，厚度为1-3μm，优选地2-2.7μm，具有平均晶粒直径＜5μm的柱状晶粒，优选地0.1-2μm。但是精确的条件在一定程度取决于所使用的设备，
在US5,674,564中公开的条件下淀积基本由κ相Al2O3构成的平滑的Al2O3层。Al2O3的厚度为0.5-2.5μm，优选为1-2μm，和0.5-1.0μm厚的TiN层，至少在切削刃的工作部分上，表面粗糙度为在10μm长度上Rmax≤0.4μm。
所述平滑的涂层表面通过使用细粒的400-150目的氧化铝颗粒粉末轻度湿喷砂涂层表面获得，或通过用在US5,861,210公开的以SiC为基的刷涂刷切削刃获得。优选地，沿切削刃除去TiN层，并且可以沿切削刃部分或完全除去下面的氧化铝层。
本发明还涉及根据上述的切削刀片的使用，用于以110-270m/min和0.15-0.35毫米/齿(mm/tooth)的进给量使用流体冷却剂湿铣合金灰口铸铁。还涉及以70-230m/min和取决于切削速度和刀片几何形状的0.15-0.35mm/tooth的进给量湿铣致密石墨铸铁和球墨铸铁。
例1在1410℃常规方法中烧结成分为6.0wt％的Co和余量WC的根据本发明的硬质合金铣刀片，并且在0.6巴H2中冷却到1200℃，形成具有与0.9CW比例相对应的W合金化的粘结相的刀片。平均WC晶粒度为1.3μm。在常规的ER处理到刃半径为50μm后，刀片被涂层0.5μm的等轴TiC0.05N0.95层，具有与估算的0.05的C/N比例相对应的高氮含量，随后在850-885℃的温度下用MTCVD技术以CH3CN为碳+氮源形成柱状晶粒的2.6μm厚的TiC0.54N0.46层。在相同的涂层循环中的随后步骤中，使用温度970℃和US5,674,564公开的0.4％的H2S搀杂剂浓度淀积1.3μm厚的Al2O3层。根据已知的CVD技术在顶部淀积厚度0.5μm的TiN层。XRD测量显示，Al2O3层由100％κ相构成。
使用含有SiC晶粒的尼龙杆刷刷涂层的刀片。在光学显微镜中检查刷后的刀片显示，沿切削刃已将薄TiN层和一些Al2O3层刷掉，留下平滑的Al2O3表面。沿剖面的刷后的刀片的涂层厚度测量显示，沿刃线除去最外的TiN层和大约一半Al2O3层。
例2在合金灰口铸铁的气缸盖的端面铣削中测试根据本发明的刀片工具Sandvik Coromant R260.31-250刀片数目40片标准表面光洁度和工件烧结(frittering)对比样Sandvik Coromant K20W牌号中的TNEF1204AN-CA切削数据切削速度Vc＝118m/min每齿进给量Fz＝0.23mm/齿切削深度Ap＝3mm湿条件对比样(现有技术)的工具寿命在标准生产中523个气缸盖本发明工具五次测试的平均寿命1027个气缸盖工具寿命增加96％，表面光洁度和生产率提高。
例3在合金灰口铸铁的气缸盖的端面铣削中测试根据本发明的刀片工具Sandvik Coromant R260.31-250刀片数目40片标准表面光洁度和工件烧结对比样Sandvik Coromant K20W牌号中的TNEF1204AN-65切削数据切削速度Vc＝156m/min每齿进给量Fz＝0.29mm/齿切削深度Ap＝3.5mm湿条件对比样(现有技术)的工具寿命在标准生产中683个气缸盖本发明工具五次测试的平均寿命1435个气缸盖工具寿命增加110％，表面光洁度提高。
例4在合金灰口铸铁的气缸体的端面铣削中工具Sandvik Coromant R260.31-315刀片数目50片标准工件烧结对比样Sandvik Coromant GC4040牌号中的TNEF1204AN-CA切削数据切削速度Vc＝180m/min每齿进给量Fz＝0.15mm/齿切削深度Ap＝4mm湿条件对比样(现有技术)的工具寿命在标准生产中784个气缸体本发明工具五次测试的平均寿命1583个气缸体工具寿命增加100％，表面光洁度提高。
权利要求
1.一种切削刀片，用于优选地以高切削速度和低和中等切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的高合金灰口铁以及以中等速度在湿条件下铣削球墨铸铁和致密石墨铸铁，包括硬质合金主体和涂层，其特征在于，所述硬质合金主体包括1-2.5μm平均晶粒度的WC、5-8wt％的Co，优选地5-7wt％的Co、和＜0.5wt％的Ta、Ti和/或Nb的金属立方晶系碳化物、以及高W合金化粘结相，所述高W合金化粘结相具有0.75-0.93的CW比例和＜1vol％的η相，并且其特征在于所述涂层包括TiCxNyOz的第一最内层，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，优选地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等轴晶粒，总厚度0.1-1.5μm，TiCxNy层，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，优选地x≥0.5，厚度为2-3μm，具有平均晶粒直径＜5μm的柱状晶粒，平滑细晶粒层，约0.5-2μm的κ-Al2O3，厚度1-2.5μm，和厚度为0.5-1.0μm的TiN外层。
2.如权利要求1所述的铣刀片，其特征在于，硬质合金主体的表面成分确定地限定表面的Co量在公称Co含量的-2wt％到+4wt％之间。
3.如前述权利要求任一项所述的铣刀片，其特征在于，沿切削刃除去最外面的TiN层。
4.如前述权利要求任一项所述的铣刀片，其特征在于，未涂层的切削刃的半径是35-65μm，优选地45-55μm。
5.制造包括硬质合金主体和涂层的铣刀片的方法，其特征在于，提供硬质合金主体，其包括1-2.5μm平均晶粒度的WC、5-8wt％的Co，优选地5-7wt％的Co、和＜0.5wt％的金属Ta、Ti和/或Nb的立方晶系碳化物、以及高W合金化粘结相，所述高W合金化粘结相具有0.75-0.93的CW比例并具有＜1vol％的η相，所述方法还包括步骤使用CVD方法淀积TiCxNyOz的第一最内层，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，具有晶粒度＜0.5μm的等轴晶粒结构，总厚度0.1-1.5μm，通过MTCVD技术淀积TiCxNy层，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，厚度为1-4μm，具有平均晶粒直径＜5μm的柱状晶粒结构，其中MTCVD技术使用乙腈作为碳和氮源在700-900℃的温度范围内形成层，淀积平滑的κ-Al2O3层，厚度为1-2.5μm，和淀积厚度为0.5-1.0μm的TiN外层。
6.如前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述硬质合金主体的表面成分确定地限定表面上的Co量在公称Co含量的-2到+4wt％之间。
7.如权利要求5和6中任一项所述的方法，其特征在于，沿切削刃除去最外面的TiN层。
8.如权利要求5和6中任一项所述的方法，其特征在于，使未涂层切削刃的半径为35-65μm，优选地45-55μm。
9.根据权利要求1-3所述的切削刀片的使用，用于以110-270m/min的速度和0.15-0.35毫米/齿的进给量使用流体冷却剂湿铣带有或不带有铸造表皮的合金灰口铸铁，或以70-230m/min的切削速度和取决于切削速度和刀片几何形状的0.15-0.35毫米/齿的进给量使用流体冷却剂湿铣带有或不带有铸造表皮的致密石墨铸铁和球墨铸铁。
全文摘要
本发明公开了涂层硬质合金刀片，特别用于优选地以高切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮高合金灰口铁以及以中等切削速度在湿条件下铣削带有或不带有铸造表皮的球墨铸铁和致密石墨铸铁。所述刀片的特征在于WC－Co硬质合金和涂层，WC－Co硬质合金具有低含量的立方晶系碳化物和高W合金化粘结相，所述涂层包括柱状晶粒的TiC
文档编号C22C29/08GK1781632SQ20051012034
公开日2006年6月7日 申请日期2005年11月8日 优先权日2004年11月8日
发明者英厄马尔·赫斯曼 申请人:山特维克知识产权股份有限公司