專利名稱：用于鑄鐵銑削的刀片的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于鑄鐵例如球墨鑄鐵(NCI)、灰口鑄鐵(GCI)、等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)和致密石墨鑄鐵(CGI)的濕式加工或干式加工的涂層硬質合金銑削刀片，其中需要高耐磨性和克服熱裂紋的優良抵抗力。
背景技術：
鑄鐵具有在不同類之間而且在某一類內能夠顯著改變的可加工性。材料內的化學成分和/或顯微結構的微小變化可明顯地影響工具的使用壽命。這些變化可能涉及所使用的鑄造技術，例如冷卻條件。利用某種冷卻劑通過涂層硬質合金刀片頻繁地加工鑄鐵，并且當刀片進入和離開工件時相關的熱循環通常在垂直于邊緣線的切削刃中產生熱致裂紋，通常所說的梳形裂紋。這些梳形裂紋生長到基底中，并最終導致切削刃的破碎和劣化。
就耐磨性而論，由于非金屬夾雜物和/或鑄件表皮，鑄鐵還非常勞神，因此已通常使用CVD涂層刀片，例如根據US5,912,051、US942,318、US6,767,583。
WO2006/043421公開了硬質合金，該硬質合金包括具有作為硬質相的0.3μm或更小平均顆粒直徑的WC和作為粘結相的5.5-15wt％的至少一種鐵族金屬元素，并且除以上的硬質相和粘結相之外，還包括0.005-0.06wt％的Ti、Cr，其相對于粘結相的重量比為0.04-0.2，以及不可避免的雜質的余量。尤其地，該硬質合金不包含Ta。
目前已令人驚奇地發現對于在上述切削操作中普遍存在的不同磨損類型而言，能夠通過具有如下成分的切削工具刀片而獲得具有改良特性的切削工具刀片，該切削工具刀片包括硬質合金主體，該硬質合金主體具有W合金粘結相，并具有良好均衡的化學成分和特定晶粒尺寸的WC，并與具有特定Al和Ti比率的PVD涂層(Al、Ti)N-層相結合。

發明內容
根據本發明，提供具有硬質合金主體和涂層的涂層切削工具刀片。
硬質合金主體具有如下成分5-7、優選5.5-6.5、最優選5.8-6.2wt％的Co；140-250、優選160-225、最優選175-200ppm的Ti+Ta；和余量WC。Ti/Ta的重量比在0.8-1.3的范圍內，優選在0.9-1.2的范圍內。硬質合金主體還包含較少量的其它元素，不過在對應于技術雜質的水平上。矯頑性、Hc為15.5-19.5kA/m，優選為17.0-18.7kA/m。
對鈷粘結相與一定量的W進行合金化，使得硬質合金切削刀片具有期望性能。粘結相中的W影響鈷的磁性，并因此與CW比率值相關，其限定為CW-比率＝磁性％Co/wt％Co，其中磁性％Co是磁性Co的重量百分數，而wt％Co是Co在硬質合金的重量百分數。
根據合金化的程度，該CW-比率能夠在1和大約0.75之間變化。較低的CW-比率對應于較高的W含量，并且CW-比率＝1實際上對應于在粘結相中沒有W。
根據本發明，如果硬質合金主體具有0.81-0.95、優選0.85-0.92、并且最優選0.86-0.89的CW-比率，則實現改良的切削性能。硬質合金也可包含少量的、＜1體積％的η-相(M6C)，而無任何不利影響。根據本發明，在硬質合金中不應存在游離石墨。
根據本發明的刀片在前刀面上設有0.5-15μm優選1-10μm更優選1-5μm的(Al、Ti)N-層，在后刀面上設有2-7μm的(Al、Ti)N-層。通過例如微探針或EDS測量的包括可選內部粘結層和外部著色層的整個層的化學計量是AlxTi1-xN，其中x為0.5-0.7，優選為0.6-0.7。在優選實施例中，存在b＝0.8-0.9、優選0.82-0.85的外部TibAl1-bN層，該外部TibAl1-bN層具有足以給出可視的、均質的古銅色外觀的厚度，優選0.1-1μm厚。
本發明還涉及通過粉末冶金技術制造切削刀片的方法，該粉末冶金技術包括對形成硬質成分和粘結相的粉末進行濕磨、將碾磨過的混合物壓緊成具有期望的形狀和尺寸的主體并燒結。根據該方法，提供基底，該基底包括5-7、優選5.5-6.5、更優選5.8-6.2wt％Co；140-250、優選160-225、最優選175-200ppm的Ti+Ta；和余量WC。Ti/Ta重量比在0.8-1.3優選在0.9-1.2的范圍內。選擇制造條件以獲得燒結態結構，該燒結態結構具有15.5-19.5kA/m優選17.0-18.7kA/m的矯頑性Hc；和如上限定的0.81-0.95、優選0.85-0.92、最優選0.86-0.89的CW-比率。硬質合金主體還可以包含較少量的其它元素，但是在對應于技術雜質的水平上。
涂層淀積在該基底上，該涂層包括均質的AlxTi1-xN層，其中x＝0.5-0.7、優選0.6-0.7，在前刀面上具有0.5-15μm優選1-10μm、最優選1-5μm的總厚度，并且在后刀面上具有2-7μm的總厚度。在N2或混合的N2+Ar氣氛中，利用兩對或三對由純Ti和/或TiAl合金構成的電弧源，利用陰極電弧蒸鍍來淀積該層。在優選實施例中，淀積b＝0.8-0.9優選0.82-0.85的外部TibAl1-bN層，該外部TibAl1-bN層具有足以給出可視的、均質的古銅色外觀的厚度，優選0.1-1μm厚。
本發明還涉及在具有切削數據Vc＝100-400m/min和fz＝0.05-0.4mm/齒的濕式和干式條件下上述切削工具刀片在灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的銑削中的使用。
具體實施例方式
實例1(發明)硬質合金銑削毛坯從粉末被壓成以下類型R390-170408M-KM、R290-12T308M-KM、R245-12T3M-KH、R245-12T3E-KL和R300-1648M-KH，該粉末具有6.0wt％的Co、190ppm的Ti+Ta并具有1.06的Ti/Ta-比率(按重量計算)和余量WC的成分，并通過普通技術在1410℃燒結，給出燒結態刀片，利用來自Foerster儀器公司的FRSTER KOERZIMAT CS 1.096進行測量時，該燒結態刀片具有對應于1.7μm平均WC晶粒尺寸的18.1kA/M的Hc值、和對應于0.88的CW-比率的5.3wt％的磁性Co含量。利用常規方法將該刀片邊緣圓化成35μm的半徑然后如下涂層通過陰極電弧蒸鍍來淀積(Ti、Al)N-層。通過安裝在3重折疊旋轉基底臺上的刀片，該層從Ti33Al67-靶淀積。電弧蒸鍍在N2氣氛中進行。在前相上總層厚度為3.3μm，距邊緣線的距離在0.3mm內，在刀片的間隙側上總層厚度為4.2μm。刀片涂有具有0.2μm厚度的Ti0.84Al0.16N最終外部層以產生古銅色。
實例2(參考例)根據公知技術制造或從市場上著名的競爭者購買具有如表1所述的成分的硬質合金銑削刀片。
表格1

*)前/后刀面實例3-10的說明以下表達/術語普遍使用在金屬切削中，并在以下的表格中說明Vc(m/min)以米每分鐘為單位的切削速度Fz(mm/齒)以毫米每齒為單位的進料速度Z(數量)刀具中的刀片數量Ae(mm) 以毫米為單位切入的徑向深度Ap(mm) 以毫米為單位切入的軸向深度D(mm)以毫米為單位的刀具直徑實例3測試來自實例1根據本發明的刀片，并與參考例A以及用于相同應用的市場上可買到的競爭者等級對比例1相比較。根據本發明的刀片和參考例A具有R390-170408MKM的幾何形狀，并且刀片對比例1具有適于相同應用領域的相似幾何形狀。所有刀片用于50mm直徑的刀具中。在濕式條件下，以Vc＝314m/min、fz＝0.06-0.09mm/齒、ap＝4-5mm、z＝5，在GCI(灰口鑄鐵)制成的齒輪箱的粗平面銑削操作中測試刀片。根據本發明的刀片在該應用中持續158分鐘，而參考例A只持續108分鐘，并且用于相同應用的對比例1持續100分鐘。在副切削刃中，決定性磨損類型是破碎，其導致工件上差的表面光潔度。
實例4測試來自實例1根據本發明的刀片，并與參考例B以及用于相同應用的市場上可買到的競爭者等級對比例1相比較。根據本發明的刀片和參考例B具有R290-12T308M-KM的幾何形狀，并且刀片對比例1具有適于相同應用領域的相似幾何形狀。所有的刀片用于80mm直徑的刀具中。在濕式條件中，在NCI(球墨鑄鐵、GGG40)制成的制動器盤中進行精平面銑削操作和半精平面銑削操作以測試刀片。夾緊穩定性較差。切削條件為Vc＝226m/min、fz＝0.16mm/齒、z＝8。參考例B持續170分鐘，對比例1持續233分鐘，而根據本發明的刀片持續403分鐘。對于參考例B，由于梳狀裂紋，所以在切削刃中的決定性磨損類型為破碎，而對于對比例1為＞0.5mm的、大的不規則的后刀面磨損，而根據本發明的刀片得到更均勻的后刀面磨損，而無任何破碎。工具變化的原因是在工件上差的表面光潔度和/或毛邊。
實例5來自實例1的刀片與具有R300-1648M-KH的幾何形狀的參考例A相比較。操作是利用63mm直徑的刀具對NCI(球墨鑄鐵)制成的泵體進行粗平面銑削。切削數據為Vc＝316m/min、z＝6、fz＝0.32mm/齒、ap＝2mm、ae＝60mm，使用冷卻劑。28分鐘之后，由于涂層的剝落和隨后邊緣線中的破碎，參考例A被磨壞，然而在來自實例1的根據本發明的刀片上幾乎不能檢測出任何磨損。
實例6來自實例1的刀片與所有具有R245-12T3M-KH的幾何形狀的參考例B和C相比較，并且還與具有相似幾何形狀、用于相同應用領域的市場上可買到的競爭者等級對比例2相比較。利用125mm直徑的刀具，在濕式條件下，在灰口鑄鐵(GCI)的外殼中進行半精平面銑削操作以測試刀片。切削條件為Vc＝392m/min、z＝6、fz＝0.10mm/齒、ap＝4.5mm和ae＝67mm。參考例B持續354分鐘，參考例C持續111分鐘，對比例2持續335分鐘而來自根據本發明實例1的刀片持續422分鐘。參考例B、對比例2和來自實例1的刀片的磨損類型為后刀面磨損，而參考例C的邊緣線中發生涂層的剝落和破碎。工具變化的原因是在工件上的破碎和/或差的表面光潔度，當后刀面磨損超過大約0.4mm時出現以上情況。
實例7來自實例1的刀片與用于相同應用領域的市場上可買到的競爭者等級對比例3相比較。利用80mm直徑的刀具，以Vc＝251m/min、z＝8、fz＝0.125mm/齒、ap＝0.3mm、ae＝60-65mm，在干式條件下，在NCI(SS0727)的閥體中進行精平面銑削操作以測試刀片。幾何形狀為R245-12T3E-KL。來自根據本發明實例1的刀片在兩次運轉中制造370和400個部件，而刀片對比例3僅僅平均制造200個部件。兩個變體的磨損類型均為后刀面磨損，并且工具變化的原因是差的表面光潔度。
實例8來自實例1的具有R290-12T308M-KM的幾何形狀的刀片與相同幾何形狀中的參考例B相比較。利用50mm直徑的刀具，以Vc＝196m/min、z＝5、fz＝0.16mm/齒、ae＝45mm、ap＝2.5mm，在干式條件下，在NCI(SS0727)的閥體中進行粗平面銑削操作以測試刀片。兩個變體制造均100個部件，并且對于參考例B，測量的后刀面磨損為0.38mm，對于根據本發明(實例1)的刀片為0.15mm。
實例9來自實例1的具有R290-12T308M-KM的幾何形狀的刀片與相同幾何形狀中的參考例A、B和D相比較。在致密石墨鑄鐵(CGI)的特殊部分中進行粗平面銑削操作以進行測試，該測試適于實驗室試驗。利用80mm直徑的刀具器，以Vc＝300m/min、z＝6、fz＝0.15mm/齒、ae＝50mm、ap＝3mm，在干式條件下完成測試。工具使用壽命標準為大于0.3mm均勻后刀面磨損，破碎或大于0.4mm不均勻后刀面磨損。
與根據本發明刀片的22min相比較，參考例A、B和D的工具使用壽命分別為13、17和18min。
實例10來自實例1的具有R245-12T3M-KM的幾何形狀的刀片與相同幾何形狀中的參考例A和B相比較。在92mm直徑的等溫淬火球墨鑄鐵(ADI800)的圓柱形塊中進行粗平面銑削操作以進行測試刀片，該測試適于實驗室試驗。利用63mm直徑的刀具，以Vc＝160m/min、z＝2、fz＝0.30mm/齒、ap＝3.5mm、ae＝45mm，在干式條件下完成測試。工具使用壽命標準(criterium)為由于破碎或大的后刀面磨損而引起刀片損毀的危險。
與根據本發明刀片的14.2min相比較，參考例A和B的工具使用壽命分別為3.3和1.7min。
通過實例3至10，顯然本發明的刀片比根據現有技術的刀片顯示出好得多的切削性能。主要優點在于，其對于由少量梳狀裂紋所引起的破碎具有更好的抵抗力，并具有更好的后刀面磨損抵抗力。
權利要求
1.包括硬質合金基底和涂層的切削工具刀片，其特征在于該基底包括5-7、優選5.5-6.5wt％的Co；140-250、優選160-225ppm的Ti+Ta；和余量WC，且Ti/Ta重量比為0.8-1.3、優選0.9-1.2，矯頑性Hc為15.5-19.5kA/m、優選17.0-18.7kA/m，且CW-比率為0.81-0.95、優選0.85-0.92，并且該涂層包括AlxTi1-xN均質層，其中x＝0.5-0.7、優選0.6-0.7，在前刀面上具有0.5μm-15μm、優選1μm-10μm、更優選1μm-5μm的總厚度，在后刀面上具有2μm-7μm的總厚度。
2.如權利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于b＝0.8-0.9、優選0.82-0.85的外部TibAl1-bN層，該外部TibAl1-bN層具有足以給出可視的、均質的古銅色外觀的厚度，優選0.1-1μm厚。
3.制造包括硬質合金基底和涂層的切削工具刀片的方法，其特征在于提供基底，該基底包括5-7優選5.5-6.5wt％的Co、140-250優選160-225ppm的Ti+Ta、和余量WC，且Ti/Ta重量比為0.8-1.3優選0.9-1.2，矯頑性Hc為15.5-19.5kA/m優選17.0-18.7kA/m，且CW比率為0.81-0.95優選0.85-0.92；并且在N2或混合的N2+Ar氣氛中，利用兩對或三對由純Ti和/或TiAl合金構成的電弧源，利用陰極電弧蒸鍍來淀積涂層，該涂層包括AlxTi1-xN均質層，其中x＝0.5-0.7優選0.6-0.7，在前刀面上具有0.5μm-15μm、優選1μm-10μm、更優選1-5μm的涂層總厚度，并且在后刀面上具有2-7μm的涂層總厚度。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于淀積b＝0.8-0.9優選0.82-0.85的外部TibAl1-bN層，該外部TibAl1-bN層具有足以給出可視的、均質的古銅色外觀的厚度，優選0.1-1μm厚。
5.根據權利要求1至2所述的切削工具刀片在濕式條件和干式條件下以下列切削數據Vc＝100-400m/min和fz＝0.05-0.4mm/齒在鑄鐵、灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵或球墨鑄鐵的銑削中的使用。
全文摘要
本發明涉及一種涂層硬質合金銑削刀片，該涂層硬質合金銑削刀片用于鑄鐵，例如球墨鑄鐵(NCI)、灰口鑄鐵(GCI)、等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)和蠕墨鑄鐵(CGI)的濕式加工或干式加工，其中需要高的耐磨性和克服熱裂紋優良的抵抗力，該涂層硬質合金銑削刀片包括基底，該基底包括5－7wt％的Co、140－250ppm的Ti+Ta、和余量WC；和PVD層，該PVD層由Al
文檔編號C23C14/24GK101088756SQ20071011010
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月15日 優先權日2006年6月15日
發明者萊夫·阿克松, 托里爾·米爾特韋特, 伊布拉尼姆·薩迪克 申請人:山特維克知識產權股份有限公司