專利名稱：涂層切削刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別適合干銑灰口鑄鐵的涂層刀具(硬質(zhì)合金刀片)。
一般來講，灰口鑄鐵是一種可用硬質(zhì)合金刀具容易加工的材料。通常，都能獲得長的使用壽命。然而，鑄鐵的可切削性變化很大。由于材料中化學(xué)組成的細微變化可以導(dǎo)致刀具使用壽命的明顯變化，而這種材料組成的變化可能是與所用鑄造技術(shù)，如冷卻條件有關(guān)。其它的影響因素有鑄造表面和砂類夾雜物(如果有的話)，甚至用來切削材料的機器的穩(wěn)定性也是一個影響因素。眾所周知，鑄鐵的可切削性在一個批料和另一批料之間是有差別的。
人們一直期望在工業(yè)化大生產(chǎn)中有可靠和穩(wěn)定的使用壽命的刀具，尤其在使用無人管理的生產(chǎn)中。
當(dāng)用涂層銑刀來切削灰口鑄鐵時，切刀主要是通過所謂的粘著磨損機制而磨損。也就是說，在形成的加工工件切屑作用下，涂層及后來一部分硬質(zhì)合金的碎塊或晶粒會從切削刃上掉下。當(dāng)沿切削刃及垂直切削刃方向形成有約50μm的裂紋時(通常稱為梳形裂紋(comb cracks))，這種磨損機制還會加劇。這是由于所有銑削通常都是間歇切削而引起的熱疲勞的結(jié)果。因此，工業(yè)上硬質(zhì)合金銑刀片通常都含有γ相，它是一種WC—TiC—TaC—NbC的固溶體，以減輕熱作用磨損機制。
一旦涂層被磨掉，下面的硬質(zhì)合金就會很快磨損。這將產(chǎn)生更大的切削力。經(jīng)過一段時間，形成的梳形裂紋將會引起切削刃的嚴(yán)重崩裂，而損壞的刀具將產(chǎn)生差的加工表面或?qū)е卤磺邢骷乃榱选?br> 主要為粘著磨損機制的切削加工對涂層和硬質(zhì)合金均有很高的要求。人們期望硬質(zhì)合金能夠在盡可能長的時間內(nèi)防止梳形裂紋的形成，而且涂層與硬質(zhì)合金結(jié)合緊密。此外，還希望在切屑和涂層之間有低的粘著力，并且涂層有高的內(nèi)部強度(粘結(jié)強度)，這點是很重要的。
現(xiàn)已驚奇地發(fā)現(xiàn)，在本文所指的基體的純WC—Co硬質(zhì)合金上面，形成第一層/內(nèi)層主要由柱狀晶粒的TiCxNyOz層構(gòu)成的柱狀晶粒涂層結(jié)構(gòu)，并在外面形成柱狀的織構(gòu)細晶粒α—Al2O3層后，具有很高的性能，尤其在銑削鑄鐵的情況下。事實上，這種刀具比現(xiàn)有技術(shù)的刀具性能好得多。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的涂層刀片放大5000倍的顯微照片，其中A——基體B——等軸晶粒的TiCxNyOz層C——柱狀晶粒的TiCxNyOz層D——等軸或針狀晶粒的TiCxNyOz層E——柱狀晶粒的(012)織構(gòu)α—Al2O3層根據(jù)本發(fā)明，提供了一種刀片，它有WC—Co組合物的硬質(zhì)合金基體，組合物含有3—15，優(yōu)選3—12，最優(yōu)選5—8wt％Co，并且WC晶粒尺寸為1—2μm，優(yōu)選約為1.5μm。此外，基體還可包括不超過2wt％的選自周期表中第IVb，Vb或VIb族金屬的立方碳化物，如TiC、TaC和NbC。但是，純WC＋Co組合物是優(yōu)選的。
涂層包括——第一層(最里層)TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，優(yōu)選z＜0.5，其厚度為0.1—2μm，晶粒為小于0.5μm的等軸晶粒，——第二層TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，優(yōu)選z＝0，x＞0.3，y＞0.3，其厚度為2—10μm，最好4—7μm，晶粒是直徑約＜5μm，優(yōu)選＜2μm的柱狀晶粒，——第三層TiCxNyOz，x＋y＋z＝1，z≤0.5，優(yōu)選z＞0.1，其厚度為0.1—2μm，晶粒是尺寸≤0.5μm的等軸或針狀晶粒，該層與最里層可以相同也可以不同，和——一層厚度為2—10μm，優(yōu)選3—6μm的光滑、有織構(gòu)的細晶粒(粒徑約1μm)α—Al2O3層作為外層，在0.25mm的測量長度內(nèi)表面粗糙度(Ra)小于0.3μm。優(yōu)選地，這層α—Al2O3是最外層，但它外面還可有別的層，例如現(xiàn)有技術(shù)中已知的薄(約0.1—1μm)的裝飾層(如TiN層)。
此外，α—Al2O3層優(yōu)選的晶體生長取向可以是(012)-，(104)—，或(110)—方向，優(yōu)選為(012)—方向，織構(gòu)方向是用X射線衍射(XRD)測定的。織構(gòu)系數(shù)TC定義如下TC(hkl)=I(hkl)IO(hkl){1nΣI(hkl)IO(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝測得的(hkl)衍射峰強度I0(hkl)＝ASTM標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射數(shù)據(jù)中(hkl)的標(biāo)準(zhǔn)強度n＝計算中所用衍射峰數(shù)目，所用的衍射峰有(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)根據(jù)本發(fā)明，對于(012)、(104)或(110)晶面族的TC大于1.3，優(yōu)選大于1.5。
根據(jù)本發(fā)明的方法，WC—Co基基體通過以下步驟得以涂覆——使用已知的CVD方法涂覆第一層(最里層)TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，優(yōu)選z＜0.5，其厚度為0.1—2μm，晶粒為尺寸＜0.5μm的等軸晶粒，——通過MTCVD技術(shù)(在700—900℃溫度下用乙腈作碳源和氫源進行沉積)或高溫CVD技術(shù)(1000—1100℃)沉積第二層TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，優(yōu)選z＝0，x＞0.3，y＞0.3，其厚度為2—10μm，優(yōu)選4—7μm，晶粒是直徑約＜5μm，優(yōu)選＜2μm的柱狀晶粒，沉積工藝條件選擇為能夠生長柱狀晶粒的層，即通常為高的工作壓力(0.3—1巴)。但是，確切的條件由所用儀器的設(shè)計參數(shù)而定。
——使用已知的CVD方法，再沉積一層TiCxNyOz，其中x＋y＋z＝1，z≤0.5，優(yōu)選z＞0.1，其厚度為0.1—2μm，晶粒為尺寸≤0.5μm的等軸或針狀晶粒，這層可以和最里層相同，也可以不同。
——根據(jù)瑞典專利501527或瑞典專利申請9304283—6或9400089—0沉積一層厚度為2—10μm，優(yōu)選3—6μm的光滑織構(gòu)的α—Al2O3外層，在0.25mm測量長度下表面粗糙度(Ra)小于0.3μm。
當(dāng)希望得到z＞0的TiCxNyOz層時，向反應(yīng)混合氣體中加入CO2和/或CO。
實施例1A)使用MTCVD技術(shù)(工作溫度850℃)，在組成為6％Co和平衡量的WC的TNEF1204AN—65型和SEKN1204AZ型硬質(zhì)合金銑刀上沉積0.5μm厚的等軸晶粒TiCN層，再沉積一層5μm厚的柱狀晶粒的TiCN層。在同一個涂覆周期的后續(xù)步驟中，沉積一層1μm厚的等軸晶粒的TiCxNyOz(約x＝0，6，y＝0.2和z＝0.2)層；然后根據(jù)瑞典專利501527中給出的條件沉積一層4μm厚的(012)織構(gòu)的α—Al2O3層。XRD測量結(jié)果顯示織構(gòu)系數(shù)TC(012)為1.5。涂覆之后，通過濕法噴砂磨光刀片。
B)通過高溫CVD技術(shù)(1020℃，工作壓力400毫巴)在TNEF1204AN—65型硬質(zhì)合金銑刀上涂覆一層1μm厚的等軸晶粒TiCN層，再沉積一層5μm厚的柱狀晶粒的TiCN層。在同一涂覆周期的后續(xù)步驟中，沉積一層1μm厚的等軸晶粒的TiCxNyOz(約x＝0.6，y＝0.2和z＝0.2)層，再根據(jù)瑞典專利501527中給出的條件沉積一層4μm厚的(012)織構(gòu)的α—Al2O3層。XRD測量結(jié)果顯示織構(gòu)系數(shù)TC(012)為1.6。涂覆之后，通過濕法噴砂磨光刀片。
C)按照A)中的步驟，涂覆組成為5.5％Co和8.5％立方碳化物及平衡量WC的TNEF1204AN-65型硬質(zhì)合金銑刀。涂覆后，通過濕法噴砂磨光刀片。
D)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，對由C)中同一批硬質(zhì)合金銑刀涂履一層5μm厚的等軸晶粒TiCN層和4μm厚的Al2O3層，得到的層為粗晶粒α-Al2O3和細晶粒K—Al2O3的混合物。并用濕法噴砂磨光刀片。
實施例2如下進行由A)制得的刀片與兩種對比刀片的對比試驗操作用SANDVIK AUTO銑刀盤面銑，直徑250mm工件特別設(shè)計的工件材料SS0125(灰口鑄鐵HB＝205)切速129m/min進給率0.24mm/刀切深2.0mm刀片類型TWEF1204AN-65注操作是在無冷卻液的情況下進行(干銑)。
結(jié)果 刀具使用壽命，minA刀片(本發(fā)明) 40對比刀片1(現(xiàn)有技術(shù)) 20對比刀片2(現(xiàn)有技術(shù)) 25刀具使用壽命的判據(jù)是工件的出刀側(cè)(exit side)出現(xiàn)崩裂。
實施例3按照如下條件進行刀片A)與另外兩種對比刀片的銑削試驗操作用SANDVIK145銑刀盤面銑，直徑63mm，工件水輪機部件材料SS0125(灰口鑄鐵HB＝220)切速178m/min進給率0.17mm/刀切深2—3mm刀片型號SEKN1204AZ
注操作是在無冷卻液的情況下進行(干銑)。
結(jié)果刀具使用壽命，小時A刀片(本發(fā)明) 24對比刀片3(現(xiàn)有技術(shù))15對比刀片4(現(xiàn)有技術(shù))16刀片使用壽命的判據(jù)是表面光潔度。
實施例4在銑操作中比較A)、C)和D)制成的刀片操作用SANDVIK AUTO銑刀盤面銑，直徑250mm，工件馬達機體(engine block)材料SS0125(GG26Cr)灰口鑄鐵切速120m/min進給率0.28mm/刀切深4—5mm刀片型號TNEF1204AN-65注操作是在無冷卻液的情況下進行(干銑)。
所有刀片均銑868道，然后比較各刀片崩刃的情況。
結(jié)果崩刃的程度A(本發(fā)明) 無C(僅改進涂層) 輕微D(現(xiàn)有技術(shù))嚴(yán)重結(jié)果顯示了根據(jù)本發(fā)明涂層的有益效果，以及為獲得最佳性能還需將涂層與WC/Co-碳化物基體相結(jié)合。
實施例5
在銑操作中比較A)、B)和D)制成的刀片操作用SANDVIK AUTO銑刀盤面銑，直徑250mm，工件特別設(shè)計的試驗件材料SS0125灰口鑄鐵，HB＝205切速129m/min供給率0.30mm/刀切深2mm刀片類型TNEF1204AN-65注操作是在無冷卻液的情況下進行的(干銑)。
所有刀片均銑48道，再比較崩刃的情況。
結(jié)果崩口的相對寬度A(本發(fā)明)0.3B(本發(fā)明)0.4D(現(xiàn)有技術(shù)) 1.0結(jié)果顯示在實踐中A)和B)的性能相當(dāng)。唯一的不同是當(dāng)沉積TiCN層時所用沉積溫度不同?，F(xiàn)有技術(shù)的刀片顯示最大的磨損。
權(quán)利要求
1.包括基體和涂層的用于銑削灰口鑄鐵的刀片，其特征在于所述基體由WC，3—15重量％Co和≤2重量％選自周期表中第IVb、Vb或VIb族金屬的碳化物組成，并且所述涂層包括——第一層(最里層)TiCxNyOz層，其厚度為0.1—2μm，晶粒是尺寸＜0.5μm的等軸晶粒，——厚度為2—10μm的TiCxNyOz層，晶粒是直徑約＜5μm的柱狀晶粒，——厚度為0.1—2μm的TiCxNyOz層，晶粒是尺寸≤0.5μm的等軸或針狀晶粒，——厚度為2—10μm的光滑、織構(gòu)、細晶粒的α—Al2O3層的外層。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求的刀片，其特征在于α—Al2O3層在(012)方向上有織構(gòu)，并且織構(gòu)系數(shù)TC(012)大于1.3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的刀片，其特征是α—Al2O3層在(104)方向上有織構(gòu)，并且織構(gòu)系數(shù)TC(104)大于1.3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的刀片，其特征是α—Al2O3層在(110)方向上有織構(gòu)，并且織構(gòu)系數(shù)TC(110)大于1.3。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的刀片，其特征在于它有一層0.1—1μm厚的TiN薄層作最外層。
6.制造包括基體和涂層的刀片的方法，其特征在于通過以下步驟涂覆WC—Co基基體——用已知的CVD方法沉積厚度為0.1—2μm的第一層(最里層)TiCxNyOz層，其晶粒是尺寸＜0.5μm的等軸晶粒，——使用MTCVD技術(shù)，其中用乙腈作為碳源和氫源以在700—900℃溫度下形成沉積層，或使用高溫CVD技術(shù)，沉積厚度2—10μm的TiCxNyOz層，其晶粒是直徑約＜5μm的柱狀晶粒，——使用已知的CVD方法沉積厚度為0.1—2μm的一層TiCxNyOz層，其晶粒是尺寸≤0.5μm的等軸或針狀晶粒，——用已知CVD方法沉積厚度2—10μm的一層光滑有織構(gòu)的α—Al2O3外層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種特別適合干銑灰口鑄鐵的涂層刀片，其特征在于它包括WC—Co硬質(zhì)合金基體和包括含有柱狀晶粒的TiCxNyO
文檔編號B23C5/16GK1134470SQ9610051
公開日1996年10月30日 申請日期1996年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月5日
發(fā)明者B·奧爾森, B·揚伯格 申請人:桑德維克公司