带有涂层的车刀及其制备方法 本发明涉及带有涂层的切削工具(硬质合金刀片)，所述切削工具特别适用于对要求刚性的不锈钢部件如方杆，法兰和管件进行湿车削，所述钢带有原始表面如铸造表面，锻造表面，热或冷轧表面或预机加工的表面。
当用硬质合金刀具对不锈钢进行车削时，根据不同的磨损机理如化学磨损，磨擦磨损，粘附磨损和由于沿铣削刀口形成的裂缝而产生的刀口劈裂(所谓梳状裂缝)，切削刀口将被磨损。
不同的切削条件要求切削刀片有不同的性能。例如，当切削带原始表面区的钢材时，带有涂层的硬质合金刀片必须由韧性碳化物组成并具有特好的涂层粘结。当对不锈钢进行车削时，粘附磨损通常是主要的磨损形式。
对于特定的磨损形式，可采取各种措施来改善切削性能。然而，这种作用经常会对其它磨损性能产生副作用。
迄今为止，还很难同时改善所有地刀具性能。因而，市售的各种硬质合金均针对一种或若干种磨损形式进行最优化，并因此具有特定的应用范围。
瑞典专利申请9503056-5披露了一种带有涂层的车削切割刀具，该刀具特别适于对热和冷锻制的低合金钢进行切削。该刀片的特征在于，硬质合金基体由WC-Co和立方碳化物组成，并具有贫含立方碳化物的15-35微米厚的表面区，涂层包括柱状晶粒TiCxNyOz层和细晶粒的k-Al2O3层，和优选的TiN外层。
瑞典专利申请9504304-8披露了一种带有涂层的切削刀片，该刀片特别适于在湿或干条件下对低和中等合金钢进行铣削。该刀片的特征是：硬质合金由WC-Co和立方碳化物组成，所述涂层包括柱状晶粒TiCxNyOz层，平滑细晶粒的k-Al2O3层和优选的TiN外层。
业已发现，将上述专利申请中所述的基体和涂层结合，在对不锈钢进行车削时将产生优异的切削性能。业已发现，根据专利申请9503056-5的带有与涂层结合的、贫含立方碳化物表面区的硬质合金体尤其适合于：不锈钢的高速车削，如加工性改进的304L的车削，更困难工件材料如316L的车削以及高程度加热循环操作如方杆的车削；现已发现，最合适的是专利申请9504304-8中所述的纯WC-Co基体。
本发明的用于不锈钢车削的车削刀片由下列物质组成：硬质合金体，它含有熔合大量W的粘结相和化学组成与晶粒大小很好平衡的WC；柱状TiCxNyOz层；k-Al2O3层；TiN层。然后还可借助用例如SiC基刷对刀口进行刷光而使切削刀口变得平滑。
钴粘结相大量地熔合有W。在粘结相中W的含量表达为CW比值＝Ms/(Co的重量百分数·0.0161)，式中Ms为所测量的硬质合金的饱和磁化强度(KA/m)，Co的重量百分数为Co在硬质合金中的重量百分数。CW比值是Co粘结相中W含量的函数。低CW比值相当于粘结相中高的W含量。根据本发明，如果硬质合金基体的CW比值为0.78-0.93的话，即可获得改善的切削性能。
根据本发明，提供了一种特别适用于很难车削的不锈钢的车削刀片，该刀片包括有硬质合金体，所述合金体包含如下组份：6-15％(重量)的Co，优选9-12％(重量)的Co，最佳10-11％(重量)的Co，金属Ta，Nb和Ti的0.2-1.8％(重量)的立方碳化物，优选0.4-1.8％(重量)的立方碳化物，最佳0.5-1.7％(重量)的立方碳化物，以及余量WC。另外，该硬质合金还可包含选自元素周期表第IVb，Vb或VIb族元素的另外的碳化物。Ti的含量优选与工艺杂质量相当。优选的WC的平均晶粒大小取决于粘结相的含量。在优选的10-11％(重量)的Co组成时，优选的晶粒大小约为1.5-2微米，优选约1.7微米。CW比值为0.78-0.93，优选为0.80-0.91，最佳为0.82-0.90。该硬质合金可包含少量(＜1％体积)的η-相(M6C)，而不会有有害的作用。由CW比值可知，在本发明的硬质合金基体中没有游离石墨。
本发明的车削刀片带有的涂层包括：
等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+2＝1，优选z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米并且层总厚度＜1.5微米，优选＞0.1微米；
柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-15微米，优选2-8微米，平均直径＜5微米，优选为0.1-2微米；TiCxNyOz层最优选的厚度为2-5微米，特别是特别需要刀口线刚性的工件材料，如Ti稳定的不锈钢。
基本上由k-相组成的光滑细晶粒(晶粒大小约0.5-2微米)的Al2O3层。然而，该层可以包含少量(1-3％体积)的θ-相或α-相(由XRD测量确定的)。Al2O3层的厚度为0.5-6微米，优选O.5-3微米，最优选0.5-2微米。优选该Al2O3层之后是另外的TiN层(厚度小于1微米，优选0.1-0.5微米)，但Al2O3层也可以是最外层。在10微米的长度上，该最外层(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。优选沿切削刀口除去TiN层(如果有的话)。
根据本发明的方法，制得了WC-Co基硬质合金体，该硬质合金体包含：CW比值为0.78-0.93，优选0.80-0.91，最优选0.82-0.90的大量熔合有W的粘结相，含量为0.2-1.8％(重量)的，优选为0.4-1.8％(重量)的，最优选为0.5-1.7％(重量)的Ta，Nb和Ti的立方碳化物，和6-15％(重量)的Co，优选9-12％(重量)的Co，最优选10-11％(重量)的Co；在该Co含量时，WC晶粒大小为1.5-2微米，最优选约1.7微米。所述基体用下面各层进行涂布：
利用已知的CVD法沉积等轴晶粒的TiCxNyOz的第一层(最里层)，其中x+y+z＝1，优选z＜0.5，晶粒大小＜0.5微米并且层厚度＜1.5微米；
优选利用MTCVD工艺(使用乙腈作为700-900℃范围内形成该层的碳氮源)，沉积柱状晶粒的TiCxNyOz层，其中x+y+z＝1，优选z＝0，x＞0.3且y＞0.3，层厚度为1-13微米，优选2-8微米，颗粒平均直径＜5微米，优选＜2微米；然而，具体的条件在一定程度上取决于所使用设备的构造；
再在例如EP-A-523021中所述的条件下，沉积基本上由k-Al2O3组成的光滑的Al2O3层。Al2O3层的厚度为0.5-6微米，优选0.5-3微米，最优选0.5-2微米。优选另外再沉积一TiN层(厚度＜1微米，优选0.1-0.5微米)，但Al2O3层可以是最外层。在10微米的长度上，该最外层(Al2O3或TiN)的表面粗糙度Rmax≤0.4微米。如在瑞典专利申请9402543-4中所述，通过用细粒(400-150目)氧化铝粉对涂层表面进行轻度湿喷砂，或通过用基于例如SiC的刷子对刀口进行刷光(当有TiN顶涂层时优选使用)，可得到光滑的涂层表面。优选沿切削刀口除去TiN层(如果有的话)。
实施例1
A.通过使用MTCVD工艺，用0.5微米等轴晶粒的TiCN层(最里层)(高氮含量，相当于0.05的估测C/N比值)，随后是4.3微米厚的柱状晶粒的TiCN层对CNMG120408-MM型硬质合金车刀进行涂布；所述车刀包含如下组分：10.5％(重量)的Co，1.16％(重量)的Ta，0.28％(重量)的Nb和余量WC，以及相当于0.87CW比值的熔合有大量W的粘结相。在同一涂布循环随后的步骤中，使用如EP-A-523021中所述的步骤，沉积1.1微米厚的Al2O3层。在同一循环期间，将TiN薄层(0.5微米)沉积在Al2O3层顶上。涂布后，通过包含SiC晶粒的耐纶草杆刷对该带有涂层的刀具进行刷光，除去车削刀口上的TiN外层。
B.一种CNMG120408-MM型硬质合金车刀，包含如下组分：7.5％(重量)的Co，1.8％(重量)的TiC，3.0％(重量)的TaC，0.4％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.88。该硬质合金刀具有约25微米的贫含立方碳化物的表面区。通过使用MTCVD工艺，用0.5微米等轴晶粒的TiCN层(最里层)(高氮含量，相当于0.05的估测C/N比值)，随后是7.2微米厚的柱状晶粒的TiCN层对该硬质合金车刀进行涂布；在同一涂布循环随后的步骤中，使用如EP-A-523021中所述的步骤，沉积1.2微米厚的Al2O3层。在同一循环期间，将TiN薄层(0.5微米)沉积在Al2O3层顶上。涂布后，通过包含SiC晶粒的耐纶草杆刷对该带有涂层的刀具进行刷光，除去车削刀口上的TiN外层。
C.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金车刀(CNMG 120408型)，用于车削试验中作为对比。该碳化物包含如下组分：9.0％(重量)的Co，0.2％(重量)的TiC，1.7％(重量)的TaC，0.2％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.90。该刀带有由1.0微米TiC层，0.8微米TiN层，1.0微米TiC层和0.8微米TiN最外层组成的涂层。用光学显微镜的检测表明，在涂布之后没有进行任何刀口处理。
D.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金车刀(CNMG 120408型)，用于车削试验中作为对比。该硬质合金包含如下组分：5.9％(重量)的Co，3.1％(重量)的TiC，5.6％(重量)的TaC，0.1％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.95。该硬质合金具有约30微米厚、富含Co的表面区。该刀具有由5.3微米TiC层，3.6微米TiCN层，2.0微米TiN最外层组成的涂层。用光学显微镜的检测表明，在涂布之后没有进行任何刀口处理。
E.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金车刀(CNMG 120408型)，用于车削试验中作为对比。该硬质合金包含如下组分：8.9％(重量)的Co，和余量WC；CW比值为0.84。该刀具有由1.9微米TiC层，1.2微米TiN层，层合有三层0.1微米的TiN层的1.5微米的Al2O3层，以及0.8微米的TiN最外层组成的涂层。用光学显微镜的检测表明，在涂布之后没有进行任何刀口处理。
F.选择得自外界一流碳化物生产者的极具竞争力的硬质合金车刀(CNMG 120408型)，用于车削试验中作为对比。该硬质合金包含如下组分：5.4％(重量)的Co，2.7％(重量)的TiC，3.5％(重量)的TaC，2.3％(重量)的NbC，和余量WC；CW比值为0.94。该硬质合金具有约40微米厚的富含Co的表面区。该刀具有由5.3微米TiC层，3.6微米TiCN层，2.0微米TiN最外层组成的涂层。用光学显微镜的检测表明，在涂布之后没有进行任何刀口处理。
利用对棒(直径180，带有两个相对的平坦侧面(厚度120mm)，4LR60型材料)的端面车削，将得自A，B，C，D，E和F的车刀进行对比。
在该试验中的磨损机理是刀口的劈裂。在三次切削后锥形基体的刀具(B，E和F)似乎情况良好，但在四次切削之后却突然破裂。
刀具 切削次数
A(根据本发明) 15
B(本发明以外) 5
C(外部等级) 9
D(外部等级) 9
E(外部等级) 4
F(外部等级) 4
实施例2
选择上述的刀具A和B，对切削加工性改善的AISI304L不锈钢进行纵向和端面的车削试验。切削速度＝250m/min，进刀速度＝0.3mm/转，切削深度＝2mm，切削时间为1分钟/循环。磨损机理是塑性变形。
刀具 循环次数
B(本发明以外) 7
A(根据本发明) 4
实施例3
G.具有上述A的组成和涂层的几何结构TNMG160408-MM的刀具。
H.具有上述B的组成和涂层的几何结构TNMG160408-MM的刀具。
I.具有上述C的组成和涂层的几何结构TNMG160408-MM的刀具。
通过对双炼不锈钢轴进行纵向干车削而对刀具G，H，和I进行试验。
切削速度＝140m/min，进刀速度＝0.3mm/转，切削深度＝2mm。每个部件的总切削时间为12分钟。
刀具G和I产生了塑性变形，而刀具H产生了某些缺口磨损。
为生产出一个部件，刀具G磨损了两个刀口，而刀具H只需磨损一个刀口，而使用刀具I，最终完成一部件需要磨损四个刀口。
刀具 刀口磨损次数/部件
H(本发明以外) 1
G(根据本发明) 2
I.(外部等级) 4
实施例4
选择上述的刀具A和E，对由cast AISI316不锈钢制造的电机外壳进行车削试验，大部分为端面车削。由于部件设计的原因，切削是断续进行的。
切削速度为180m/min，进刀速度为0.2mm/转，切削深度为0-2mm(不规则形状的铸造)。切削时间为10.5分钟/部件。
磨损机理是刀口劈裂和塑性变形的结合。
刀具 部件数
A(根据本发明) 2
E(外部等级) 1
实施例5
选择刀具A，B，C和D，对AISI304不锈钢阀基体进行内部车削试验。切削速度130m/min，进刀速度0.4mm/转。由于对棒钻孔的原因，稳定性很差。
对于刀具D和B磨损是刀口的劈裂，而刀具A和C却是塑性变形。
刀具 部件数
A(根据本发明) 9
D(外部等级) 7
C(外部等级) 5
B(本发明以外) 2
实施例6
选择刀具A和C，对AISI316Ti不锈钢方杆进行粗车削试验。由于部件设计的原因，切削是断续进行的。切削速度142m/min，进刀速度0.2mm/转，切削深度4mm。切削时间为0.13分钟/部件。磨损是刀口的劈裂。
刀具 部件数
A(根据本发明) 25
C(外部等级) 15