專利名稱：用于濕銑的涂層刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層的硬質(zhì)合金切削刀片，特別用于優(yōu)選地以高切削速度在濕條件下粗銑帶有或不帶有鑄造表皮的高合金灰口鐵以及以中等切削速度粗銑帶有或不帶有鑄造表皮的球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵。微觀幾何結(jié)構(gòu)與基體和涂層相平衡，以滿足加工應(yīng)用的負荷。
US5,945,207公開了一種特別用在切削鑄鐵材料中的涂層切削刀片。該刀片的特征在于，純WC-Co硬質(zhì)合金主體和涂層，其中WC-Co硬質(zhì)合金主體具有高W合金化的粘結(jié)相、精確確定的Co表面含量，所述涂層包括柱狀晶粒的TiCxNyOz最內(nèi)層、細晶粒的織構(gòu)化的Al2O3層、和TiCxNyOz頂層，其中沿切削刃線除掉該TiCxNyOz頂層。
US6,638,609公開了涂層銑刀片，它特別用于以低和中切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的灰口鑄鐵以及以中切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵。該刀片的特征在于，WC-Co硬質(zhì)合金和涂層，其中WC-Co硬質(zhì)合金具有低立方晶系碳化物含量和高W合金化粘結(jié)相，所述涂層包括柱狀晶粒的TiCxNy內(nèi)層和隨后的κ-Al2O3層和TiN頂層。
本發(fā)明的目的是提供涂層的硬質(zhì)合金切削刀片，特別用于優(yōu)選地以高切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的合金化灰口鐵以及以高切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵。
令人意外地發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合各種不同特征，特別對于銑削加工，能夠獲得如下的切削刀片，它優(yōu)選地以很高切削速度，使用流體冷卻劑，銑削帶有或不帶有鑄造表皮的灰口鑄鐵，以及優(yōu)選地以中等切削速度，使用流體冷卻劑，銑削帶有或不帶有鑄造表皮的球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵的鑄件時具有優(yōu)良的切削性能。
根據(jù)本發(fā)明的切削刀片相對于上述切削操作中主要的不同磨損類型顯示出改進的性能。
根據(jù)本發(fā)明的切削刀片包括具有較高W合金化粘結(jié)相和WC的精確余量化學成分和晶粒尺寸的硬質(zhì)合金主體，柱狀TiCxNy層，κ-Al2O3層，TiN層和可選地具有平滑的切削刃。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種切削刀片，具有硬質(zhì)合金主體，其成分為5-8wt％的Co，優(yōu)選地5-7％的Co，＜0.5wt％、優(yōu)選地0wt％的金屬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的范圍內(nèi)。鈷的粘結(jié)相用W高度合金化。在該粘結(jié)相中的W含量可以用下式表達CW比例＝Ms/(wt％Co·0.0161)，這里Ms是以kA/m為單位的測量的硬質(zhì)合金主體的飽和磁化度，wt％Co是在硬質(zhì)合金中的Co的重量百分數(shù)。CW值是在Co粘結(jié)相中W含量的函數(shù)。低的CW值對應(yīng)于在粘結(jié)相中的高W含量。
根據(jù)本發(fā)明，如果硬質(zhì)合金主體具有0.75-0.93、優(yōu)選地0.80-0.90的CW比例，則可以獲得改進的切削性能。該硬質(zhì)合金主體可以含＜1vol％的少量η相M6C，而無有害影響。
優(yōu)選地，硬質(zhì)合金刀片的表面成分是精確確定的，并且表面上的Co量在公稱含量的-2到+4wt％內(nèi)。
未涂層的切削刃的半徑為35-60μm，優(yōu)選地約45-55mm。
涂層包括TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，優(yōu)選地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等軸晶粒，總厚度＜1.5μm，優(yōu)選地＞0.1μm，TiCxNy層，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，優(yōu)選地x≥0.5，厚度為2-3μm，具有平均晶粒直徑＜5μm的柱狀晶粒，優(yōu)選地0.1-2μm，平滑細晶粒層，約0.5-2μm的平均晶粒度，基本由κ相構(gòu)成的Al2O3。然而，如XRD測量方法測定的，該層可以含有＜5vol％的少量其他相，如θ或α相。Al2O3層具有1-2μm的厚度，優(yōu)選地1.2-1.7μm，和附加的厚度為0.1-1.0μm的TiN層。該TiN的最外層在至少切削刃的工作部分上的表面粗糙度為在10μm長度上Rmax≤0.4μm。優(yōu)選地沿切削刃除去TiN層，并且可以部分地或完全地沿切削刃除去下面的氧化鋁層。
本發(fā)明還涉及制造涂層硬質(zhì)合金主體的方法，所述涂層硬質(zhì)合金主體的成分是，5-8wt％、優(yōu)選地5-7wt％的Co，＜0.5Wt％、優(yōu)選地0wt％的金屬Ti、Ta和/或Nb的立方晶系碳化物，和余量的WC。WC的平均晶粒度為1-2.5μm。鈷粘結(jié)相用W高度合金化。表達為CW比例的該粘結(jié)相中的W含量是0.75-0.93，優(yōu)選地0.80-0.90。
未涂層的切削刃帶有35-60μm的刃半徑，優(yōu)選地約45-55μm。
涂層包括使用已知的CVD方法形成TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，優(yōu)選地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等軸晶粒，總厚度＜1.5μm，優(yōu)選地＞0.1μm，優(yōu)選地使用MTCVD技術(shù)以乙腈為碳和氮源在700-900℃的溫度范圍內(nèi)形成TiCxNy層，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，優(yōu)選地x≥0.5，厚度為1-3μm，優(yōu)選地2-2.7μm，具有平均晶粒直徑＜5μm的柱狀晶粒，優(yōu)選地0.1-2μm。但是精確的條件在一定程度取決于所使用的設(shè)備，
在US5,674,564中公開的條件下淀積基本由κ相Al2O3構(gòu)成的平滑的Al2O3層。Al2O3的厚度為0.5-2.5μm，優(yōu)選為1-2μm，和0.5-1.0μm厚的TiN層，至少在切削刃的工作部分上，表面粗糙度為在10μm長度上Rmax≤0.4μm。
所述平滑的涂層表面通過使用細粒的400-150目的氧化鋁顆粒粉末輕度濕噴砂涂層表面獲得，或通過用在US5,861,210公開的以SiC為基的刷涂刷切削刃獲得。優(yōu)選地，沿切削刃除去TiN層，并且可以沿切削刃部分或完全除去下面的氧化鋁層。
本發(fā)明還涉及根據(jù)上述的切削刀片的使用，用于以110-270m/min和0.15-0.35毫米/齒(mm/tooth)的進給量使用流體冷卻劑濕銑合金灰口鑄鐵。還涉及以70-230m/min和取決于切削速度和刀片幾何形狀的0.15-0.35mm/tooth的進給量濕銑致密石墨鑄鐵和球墨鑄鐵。
例1在1410℃常規(guī)方法中燒結(jié)成分為6.0wt％的Co和余量WC的根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金銑刀片，并且在0.6巴H2中冷卻到1200℃，形成具有與0.9CW比例相對應(yīng)的W合金化的粘結(jié)相的刀片。平均WC晶粒度為1.3μm。在常規(guī)的ER處理到刃半徑為50μm后，刀片被涂層0.5μm的等軸TiC0.05N0.95層，具有與估算的0.05的C/N比例相對應(yīng)的高氮含量，隨后在850-885℃的溫度下用MTCVD技術(shù)以CH3CN為碳+氮源形成柱狀晶粒的2.6μm厚的TiC0.54N0.46層。在相同的涂層循環(huán)中的隨后步驟中，使用溫度970℃和US5,674,564公開的0.4％的H2S攙雜劑濃度淀積1.3μm厚的Al2O3層。根據(jù)已知的CVD技術(shù)在頂部淀積厚度0.5μm的TiN層。XRD測量顯示，Al2O3層由100％κ相構(gòu)成。
使用含有SiC晶粒的尼龍桿刷刷涂層的刀片。在光學顯微鏡中檢查刷后的刀片顯示，沿切削刃已將薄TiN層和一些Al2O3層刷掉，留下平滑的Al2O3表面。沿剖面的刷后的刀片的涂層厚度測量顯示，沿刃線除去最外的TiN層和大約一半Al2O3層。
例2在合金灰口鑄鐵的氣缸蓋的端面銑削中測試根據(jù)本發(fā)明的刀片工具Sandvik Coromant R260.31-250刀片數(shù)目40片標準表面光潔度和工件燒結(jié)(frittering)對比樣Sandvik Coromant K20W牌號中的TNEF1204AN-CA切削數(shù)據(jù)切削速度Vc＝118m/min每齒進給量Fz＝0.23mm/齒切削深度Ap＝3mm濕條件對比樣(現(xiàn)有技術(shù))的工具壽命在標準生產(chǎn)中523個氣缸蓋本發(fā)明工具五次測試的平均壽命1027個氣缸蓋工具壽命增加96％，表面光潔度和生產(chǎn)率提高。
例3在合金灰口鑄鐵的氣缸蓋的端面銑削中測試根據(jù)本發(fā)明的刀片工具Sandvik Coromant R260.31-250刀片數(shù)目40片標準表面光潔度和工件燒結(jié)對比樣Sandvik Coromant K20W牌號中的TNEF1204AN-65切削數(shù)據(jù)切削速度Vc＝156m/min每齒進給量Fz＝0.29mm/齒切削深度Ap＝3.5mm濕條件對比樣(現(xiàn)有技術(shù))的工具壽命在標準生產(chǎn)中683個氣缸蓋本發(fā)明工具五次測試的平均壽命1435個氣缸蓋工具壽命增加110％，表面光潔度提高。
例4在合金灰口鑄鐵的氣缸體的端面銑削中工具Sandvik Coromant R260.31-315刀片數(shù)目50片標準工件燒結(jié)對比樣Sandvik Coromant GC4040牌號中的TNEF1204AN-CA切削數(shù)據(jù)切削速度Vc＝180m/min每齒進給量Fz＝0.15mm/齒切削深度Ap＝4mm濕條件對比樣(現(xiàn)有技術(shù))的工具壽命在標準生產(chǎn)中784個氣缸體本發(fā)明工具五次測試的平均壽命1583個氣缸體工具壽命增加100％，表面光潔度提高。
權(quán)利要求
1.一種切削刀片，用于優(yōu)選地以高切削速度和低和中等切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的高合金灰口鐵以及以中等速度在濕條件下銑削球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵，包括硬質(zhì)合金主體和涂層，其特征在于，所述硬質(zhì)合金主體包括1-2.5μm平均晶粒度的WC、5-8wt％的Co，優(yōu)選地5-7wt％的Co、和＜0.5wt％的Ta、Ti和/或Nb的金屬立方晶系碳化物、以及高W合金化粘結(jié)相，所述高W合金化粘結(jié)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層包括TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，優(yōu)選地y＞0.8且z＝0，具有晶粒度＜0.5μm的等軸晶粒，總厚度0.1-1.5μm，TiCxNy層，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，優(yōu)選地x≥0.5，厚度為2-3μm，具有平均晶粒直徑＜5μm的柱狀晶粒，平滑細晶粒層，約0.5-2μm的κ-Al2O3，厚度1-2.5μm，和厚度為0.5-1.0μm的TiN外層。
2.如權(quán)利要求1所述的銑刀片，其特征在于，硬質(zhì)合金主體的表面成分確定地限定表面的Co量在公稱Co含量的-2wt％到+4wt％之間。
3.如前述權(quán)利要求任一項所述的銑刀片，其特征在于，沿切削刃除去最外面的TiN層。
4.如前述權(quán)利要求任一項所述的銑刀片，其特征在于，未涂層的切削刃的半徑是35-65μm，優(yōu)選地45-55μm。
5.制造包括硬質(zhì)合金主體和涂層的銑刀片的方法，其特征在于，提供硬質(zhì)合金主體，其包括1-2.5μm平均晶粒度的WC、5-8wt％的Co，優(yōu)選地5-7wt％的Co、和＜0.5wt％的金屬Ta、Ti和/或Nb的立方晶系碳化物、以及高W合金化粘結(jié)相，所述高W合金化粘結(jié)相具有0.75-0.93的CW比例并具有＜1vol％的η相，所述方法還包括步驟使用CVD方法淀積TiCxNyOz的第一最內(nèi)層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，具有晶粒度＜0.5μm的等軸晶粒結(jié)構(gòu)，總厚度0.1-1.5μm，通過MTCVD技術(shù)淀積TiCxNy層，其中x+y＝1，x＞0.3且y＞0.3，厚度為1-4μm，具有平均晶粒直徑＜5μm的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，其中MTCVD技術(shù)使用乙腈作為碳和氮源在700-900℃的溫度范圍內(nèi)形成層，淀積平滑的κ-Al2O3層，厚度為1-2.5μm，和淀積厚度為0.5-1.0μm的TiN外層。
6.如前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述硬質(zhì)合金主體的表面成分確定地限定表面上的Co量在公稱Co含量的-2到+4wt％之間。
7.如權(quán)利要求5和6中任一項所述的方法，其特征在于，沿切削刃除去最外面的TiN層。
8.如權(quán)利要求5和6中任一項所述的方法，其特征在于，使未涂層切削刃的半徑為35-65μm，優(yōu)選地45-55μm。
9.根據(jù)權(quán)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/齒的進給量使用流體冷卻劑濕銑帶有或不帶有鑄造表皮的合金灰口鑄鐵，或以70-230m/min的切削速度和取決于切削速度和刀片幾何形狀的0.15-0.35毫米/齒的進給量使用流體冷卻劑濕銑帶有或不帶有鑄造表皮的致密石墨鑄鐵和球墨鑄鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開了涂層硬質(zhì)合金刀片，特別用于優(yōu)選地以高切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮高合金灰口鐵以及以中等切削速度在濕條件下銑削帶有或不帶有鑄造表皮的球墨鑄鐵和致密石墨鑄鐵。所述刀片的特征在于WC－Co硬質(zhì)合金和涂層，WC－Co硬質(zhì)合金具有低含量的立方晶系碳化物和高W合金化粘結(jié)相，所述涂層包括柱狀晶粒的TiC
文檔編號C22C29/08GK1781632SQ20051012034
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者英厄馬爾·赫斯曼 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司