涂層切削刀片的制作方法
【專利摘要】一種切削工具刀片，其包含硬質(zhì)合金基底和包含NbN層的涂層，其中硬質(zhì)合金基底包含11-12.5重量％的鈷、0.2-1.2重量％的鉻和86.3-88.4重量％的碳化鎢。
【專利說(shuō)明】涂層切削刀片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包含硬質(zhì)合金基底的涂層切削刀片。

【背景技術(shù)】
[0002] 鈦基合金的機(jī)械加工通常以工具壽命短和金屬切除率低為特征。這歸因于高溫和 工具中不利的溫度分布。通常使用濕式機(jī)械加工以使熱量產(chǎn)生最小化，從而提高工具壽命。
[0003] -般將鈦基合金分成三類合金：a、a+ 0及0合金。例如A1、V、Sn的合金兀素 使不同類型的合金穩(wěn)定并對(duì)它們的性能進(jìn)行改性。
[0004] 不加涂層的硬質(zhì)合金切削刀片已常規(guī)地用于鈦基合金的機(jī)械加工。然而，近年來(lái) 更常使用涂層碳化物基底，其中基底具有較高的鈷含量。例如，EP1307602A1公開了一種 含鉻的硬質(zhì)合金基底，其由如下成分組成：1〇. 4-12. 7重量百分比（重量％)的鈷，0.2-1. 2 重量％的鉻，和另外的鎢和碳。該基底具有包括碳氮化鈦基層的涂層。
[0005]WO2009/035396A1公開了一種特別是用于鈦基合金機(jī)械加工的切削工具刀片，其 內(nèi)容通過(guò)參考并入本文。該刀片包含硬質(zhì)合金基底和涂層。所述硬質(zhì)合金的組成為4-14 重量％的Co,最高達(dá)5重量％的元素Ti、Ta和/或Nb和/或Cr或其它來(lái)自IVB、VB或VB 族的元素，余量是WC。所述涂層由一個(gè)或多個(gè)難熔化合物的層構(gòu)成，其中至少一層包含結(jié)晶 的立方NbN。
[0006]EP1722009A1公開了一種切削工具刀片、整體立銑刀或鉆，其包含基底和由一個(gè) 或多個(gè)難熔化合物層構(gòu)成的涂層，所述難熔化合物層中的至少一層包含h_MelMe2X相，其 中]^1是元素￥、0、恥和1&中的一種或多種，]^2是元素11、21'、1^、41和51中的一種或 多種，以及X是元素N、C、0或B中的一種或多種。
[0007]US5325747公開了一種涂層切削工具刀片，其包含基底和涂層，所述涂層包含至 少一個(gè)可能具有殘余拉應(yīng)力的CVD層，以及至少一個(gè)具有高殘余壓應(yīng)力的層。涂層的最外 層優(yōu)選為具有殘余壓應(yīng)力的層?；诪榫哂杏操|(zhì)難熔晶粒的復(fù)合物。該切削工具刀片已被 發(fā)現(xiàn)特別適用于鈦合金和超合金的機(jī)械加工。
[0008] 雖然早先的涂層切削刀片具有令人滿意的性能，但是當(dāng)涉及在機(jī)械加工工件期 間、特別是在銑削操作中承受機(jī)械沖擊和熱沖擊時(shí)，仍需提供具有改進(jìn)的切削性能的切削 刀片。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明目的
[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種用于通過(guò)排屑去除機(jī)械加工鈦合金的切削工具刀片，其 具有改進(jìn)的切削性能，以使得達(dá)到切削工具刀片的預(yù)期壽命的增加。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過(guò)如下的切削工具刀片達(dá)到上述目的，所述切削工具 刀片包含硬質(zhì)合金基底和包含NbN層的涂層，其中所述硬質(zhì)合金基底包含11-12. 5重量％ 的鈷（Co)、0. 2-1. 2重量％的鉻（Cr)以及86. 3-88. 4重量％的碳化鎢（WC)，和所述硬質(zhì)合 金基底具有l(wèi)l_19kA/m的矯頑力。因此獲得了具有優(yōu)異切削性能和增加的工具壽命的切削 工具。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有上述組成的基底與包含NbN層的涂層的組合比先前已知的鈦基合金 機(jī)械加工用切削工具表現(xiàn)更好。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金基底包含11. 5-12. 5重量％的Co。在 這個(gè)范圍內(nèi)的鈷含量與包含NbN層的涂層組合的情況下，切削刀片的切削性能會(huì)進(jìn)一步改 進(jìn)。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金基底包含0. 4-1. 1重量％的Cr，優(yōu)選 0. 7-1. 1 重量 ％的Cr。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金基底具有13-19kA/m、優(yōu)選 13-17. 5kA/m的矯頑力。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金包含0.05-0. 20重量％的選自Ti、Nb、 Ta及其組合的金屬。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述NbN層具有0. 5-5ym的厚度。本說(shuō)明書和所附 權(quán)利要求書中提到的層和涂層厚度是在鄰近切削刃的區(qū)域中測(cè)量的。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述NbN層具有0. 5-4i!m、優(yōu)選0. 5-3i!m的厚度。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述涂層包含氮化鈦鋁（Ti，Al)N的第二層。根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述第二層設(shè)置在基底和NbN層之間。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，第二層的厚度為0. 5-5iim，優(yōu)選0. 5-4iim。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述涂層的總厚度為0. 5-10. 0iim，優(yōu)選1-7iim。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述NbN層包含通過(guò)0-2 0方式X射線衍射（XRD)和 / 或X射線掠入射幾何（gracingincidencegeometry)測(cè)定的立方NbN(c_NbN，IO)DroF 38-1155)相。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述NbN層包含六方NbN(h-NbN，I⑶DPDF 25-1361)相，以使得通過(guò)0 -2 0方式X射線衍射（XRD)和/或X射線掠入射幾何測(cè)量的 (h-NbN(103)+h-NbN(110))/c-NbN(220)面積比小于 2. 0。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述NbN層包含如下的元素，其來(lái)自IVA-VIA族，優(yōu) 選Ti、Zr、Cr,所述元素的含量是在該層中金屬含量的最高達(dá)20原子％，優(yōu)選最高達(dá)10原 子％。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，如由e-2 0幾何方式X射線衍射（XRD)所測(cè)定的， 所述層僅由立方NbN組成。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述層由純NbN組成。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金基底僅含有WC、Co、Cr和不可避免的 雜質(zhì)。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，在研磨和拋光的截面上測(cè)量的碳化鎢相的平均截距 長(zhǎng)度（meaninterceptlength)是在 0? 4-0. 75um范圍內(nèi)。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述層和/或第二層通過(guò)物理氣相沉積（PVD)進(jìn)行 涂層。優(yōu)選全部涂層都用PVD施加。使用的PVD方法優(yōu)選為電弧蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè) 可選實(shí)施方式，所述涂層的一個(gè)或多個(gè)層可通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD)施加。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，本發(fā)明涉及根據(jù)上文的切削工具刀片用于機(jī)械加工鈦 基合金、通常為銑削鈦基合金的用途。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 如上所述，本發(fā)明涉及一種涂層切削工具刀片，其包含硬質(zhì)合金基底和包含NbN 層的涂層，其中硬質(zhì)合金基底包含11-12. 5重量％的Co、0. 2-1. 2重量％的Cr和86. 3-88. 4 重量％的碳化鎢（WC)。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式，通過(guò)如下方式制造基底：粉末冶金技術(shù)，濕式 研磨形成硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的粉末，將研磨的混合物壓制成所需形狀和大小的坯體并進(jìn)行 燒結(jié)。根據(jù)所述方法，提供的基底包含11-12. 5重量％的Co、0. 2-1. 2重量％的Cr，余量是 WC。在研磨和拋光的代表性截面上測(cè)量的碳化鎢相的平均截距長(zhǎng)度在0. 4_0. 75ym的范圍 內(nèi)。將截距長(zhǎng)度通過(guò)利用顯微圖放大10000倍的圖像分析進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算為約1000個(gè)截 距長(zhǎng)度的平均值。
[0033] 所述涂層通過(guò)電弧蒸發(fā)進(jìn)行沉積，其由一個(gè)或多個(gè)難熔化合物層構(gòu)成，其中 至少一個(gè)層包含通過(guò)9-2 0方式X射線衍射（XRD)和/或X射線掠入射幾何檢測(cè) 的結(jié)晶的立方NbN(c-NbN，TOF38-1155)。所述NbN層也可包含六方NbN(h-NbN，TOF 25-1361)相，以使得通過(guò)0-2 0方式X射線衍射（XRD)和/或X射線掠入射幾何測(cè)量的 (h-NbN(103)+h-NbN(110))/c-NbN(220)的面積比小于 2. 0。
[0034] 含有NbN相的層通過(guò)在以下條件下陰極的電弧蒸發(fā)進(jìn)行沉積：
[0035]取決于陰極尺寸和陰極材料，蒸發(fā)電流為70A-150A。當(dāng)使用63mm直徑的陰極時(shí)， 蒸發(fā)電流優(yōu)選為80A-140A。
[0036] 基底偏壓在-10V和-80V之間，優(yōu)選在-20V和-60V之間。
[0037]沉積溫度為 400_700°C，優(yōu)選 500_700°C。
[0038] 由隊(duì)組成的氣氛的總壓力為0?5_9Pa，優(yōu)選l_5Pa。
[0039] 為了獲得主要包含c-NbN的層，必須對(duì)多種沉積參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。一個(gè)很重要的因 素是N2分壓PN2。過(guò)低的PN2會(huì)產(chǎn)生h-Nb2N。
[0040] 根據(jù)這一實(shí)施方式的NbN層的厚度為1. 5-2. 5i! m。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實(shí)施方式，所述硬質(zhì)合金體設(shè)置有由一層結(jié)晶立方相 NbN(C-NbN，H)F38-1155)組成的涂層，所述晶體立方相NbN是通過(guò)使用CrKa輻射以 9 -2 0方式X射線衍射（XRD)和掠入射幾何而檢測(cè)的，其顯示以下一個(gè)或多個(gè)特征：
[0042]-在約 35。2 9 處的c-NbN(lll)峰，
[0043]-在約 41。2 9 處的c-NbN(200)峰，
[0044]-在約 60。2 9 處的c-NbN(220)峰，
[0045]-在約 71。2 9 處的c-NbN(311)峰，
[0046] 所述層含有一定量的六方NbN(h_NbN，roF25-1361)相，以使得由X射線掠入射幾 何測(cè)量的 〇i-NbN(103)+h-NbN(110))/c-NbN(220)的面積比小于 2.0。
[0047] 實(shí)施例
[0048] 已經(jīng)進(jìn)行測(cè)試以找出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)設(shè)計(jì)的切削工具刀片的可能的積極效果。為 了這一目的，使用具有表1所列出物理數(shù)據(jù)的切削工具刀片。通過(guò)將基底的組分的粉末進(jìn) 行常規(guī)混合和研磨，壓制生坯壓坯，隨后在1430°C燒結(jié)生坯壓坯，來(lái)制造所述基底。然后對(duì) 基底進(jìn)行涂層處理，其中利用PVD方法將涂層施加至基底。
[0049]表1.涂層切削刀片的組成和物理數(shù)據(jù)

【權(quán)利要求】
1. 一種切削工具刀片，其包含硬質(zhì)合金基底和包含NbN層的涂層，其特征在于所述硬 質(zhì)合金基底包含11-12. 5重量％的Co, 0. 2-1. 2重量％的Cr，和86. 3-88. 4重量％的WC，和 特征在于所述硬質(zhì)合金基底具有l(wèi)l_19kA/m的矯頑力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其中所述硬質(zhì)合金基底包含11. 5-12. 5重 量％的(：〇。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述硬質(zhì)合金基底包含 0. 7-1. 1 重量 ％的 Cr。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述硬質(zhì)合金基底具有 13-19kA/m的矯頑力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述硬質(zhì)合金基底具有 13-17. 5kA/m的矯頑力。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述NbN層具有0. 5-5 iim 的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述NbN層具有0. 5-3 iim 的厚度。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述涂層包括設(shè)置在所述 基底和所述NbN層之間的氮化鈦鋁的第二層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的切削工具刀片，其中所述第二層具有0. 5-5 y m的厚度。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述涂層的總厚度為 0. 5-10. 0 u m〇
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述NbN層含有通過(guò) 0 -2 0方式X射線衍射（XRD)和/或X射線掠入射幾何檢測(cè)的立方NbN(c-NbN，I⑶D TOF 38-1155)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的切削工具刀片，其中所述NbN層包含六方NbN (h-NbN，ICDD PDF 25-1361)相，以使得通過(guò)0 -2 0方式X射線衍射（XRD)和/或X射線掠入射幾何測(cè)量 的（h-NbN(103)+h-NbN(110))/c-NbN(220)面積比小于 2.0。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述NbN層包含如下的 元素，其來(lái)自IVA-VIA族，優(yōu)選Ti、Zr、Cr，所述元素的含量是所述層中的金屬含量的最高達(dá) 20原子％，優(yōu)選最高達(dá)10原子％。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11-13中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中如由0-2 0幾何方式 X射線衍射（XRD)所測(cè)定的，所述NbN層僅由立方NbN組成。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述層由純NbN組成。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述硬質(zhì)合金僅包含 WC、Co、Cr和不可避免的雜質(zhì)。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其中所述涂層是PVD涂層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1-17中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片用于機(jī)械加工鈦基合金的用 途。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK104508185SQ201380034919
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】湯米·拉爾森, 彼得·洛夫羅思, 漢娜·卡勒胡爾特, 欣德里克·恩斯特倫, 簡(jiǎn)·奎克 申請(qǐng)人:山高刀具公司