專利名稱：改善刃口結構的硬質合金刀片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種硬質合金刀片，尤其涉及一種對局部結構進行改善的硬質合金刀 片。
背景技術：
在硬質合金涂層刀片的加工過程中，存在兩種失效制度磨損和破損。刀片磨損主 要包括磨蝕磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損。在不同的切削條件下，加工不同材料的 工件時，其磨損的主要原因可能是其中的一種或兩種。一股來說，切削溫度較低時以磨蝕磨 損為主，切削溫度較高時以擴散磨損、氧化磨損為主。刀片破損主要是脆性破損(崩刃、碎 裂、剝落、裂紋破損等)和塑性變形。實驗數(shù)據(jù)表明，刀片早期破損主要是受機械沖擊作用 所致的脆性破損；刀片后期疲勞破損主要是在機械和熱沖擊作用下刀片內裂紋失穩(wěn)擴散所 致的脆性破損和過高的加工溫度導致的塑性變形。高速高效的切削加工可以達到很高的切削溫度，而過高的溫度會降低刀片材料的 屈服強度，在切削力的作用下導致塑性變形而喪失切削能力；在切削過程中，特別是銑削加 工中，隨刀尖切入切出切削溫度會發(fā)生劇烈變化，導致熱烈紋的產(chǎn)生，致使刀尖刃口發(fā)生脆 性破損；在不銹鋼材、耐高溫材料等高合金鋼材的加工中，切削熱急劇增加，加工硬化嚴重， 這很容易導致刀片因溝槽磨損、后刀面磨損和刃口的微崩而失效。因此，為了適應高速高效 的切削加工要求，刀片需要更高的韌性、強度和高溫硬度。目前，具有粘結相富集表面區(qū)域的涂層硬質合金刀片廣泛用于鋼材和不銹鋼等合 金的機械加工，粘結相富集表面區(qū)域拓寬了刀片的應用范圍，使之能應用于更加韌性的切 削操作。制造含有WC、立方相和粘結相富集表面區(qū)的硬質合金屬于梯度燒結技術，在部分專 利文獻中(例如US4277283和US4610931號美國專利文獻，以及CN1079179A、CN1134470A、 CN1229442A、CN1532014A、CN1854320A、CN1891842A號中國專利文獻)已經(jīng)公開了粘結相含 量梯度變化的硬質合金基體及其制備方法，可以獲得基本上不具有立方相的粘結相富集表 面區(qū)。特別是CN1079179A號中國專利文獻，其涉及一種具有改進韌性和塑變抗力的硬質合 金刀片，該刀片是用已知的方法在真空中燒結含氮的材料后，再在1280°C 1430°C溫度、 40mbar 400mbar氮氣中處理刀片5min lOOmin，得到一種具有粘結相富集表面區(qū)的硬 質合金，其在粘結相富集表面區(qū)下層的區(qū)域中，粘結相的含量為該刀片內部含量的0. 85 1，而立方相的含量基本恒定且等于該刀片內部的含量。此種刀片結構對改進刀片韌性和塑 變抗力起到了一定作用。從斷裂力學的觀點來看，由于涂層材料的脆性和與基體熱膨脹系數(shù)的不同，裂紋 更容易在涂層表面產(chǎn)生并向基體中擴展。具有粘結相富集表面區(qū)的硬質合金表層粘結相富 集區(qū)的粘結劑含量高于基體的名義粘結劑含量。當涂層中形成的裂紋擴展到該區(qū)域時，由 于其良好的韌性，可以吸收裂紋擴展的能量，因而能有效地阻止裂紋向合金內部擴展，提高 硬質合金切削工具的使用性能。然而，在其后的應用實踐中，我們發(fā)現(xiàn)富集粘結相表面區(qū) 的存在降低了刀片材料的屈服強度和硬度，導致刀片刃口容易產(chǎn)生塑性變形，后刀面抗磨損能力下降。CN101214743A號中國專利文獻公開了一種用于加工鑄鐵的涂層刀片，該刀片 基體的刃口兩邊形成粘結相富集表面區(qū)，粘結相富集表面區(qū)中間的扇形區(qū)域為立方相富集 區(qū)，該結構提高了刃口的抗塑性變形能力，但是在鋼材和不銹鋼等高速高效的切削加工中， 其后刀面抗磨損能力表現(xiàn)較差，抗塑性變形能力也有待進一步提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有高韌性、高耐磨 性、使用壽命長的改善刃口結構的硬質合金刀片。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為一種改善刃口結構的硬質合金刀 片，包括至少一個由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側位于前刀面和后刀 面的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結構，該梯度變化結構是指由內層的均相合金區(qū)過渡到立方 碳氮化合物富集區(qū)、再過渡到粘結相富集表面區(qū)，其特征在于所述梯度變化結構在刃口處 的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū) 域在垂直于所述前刀面方向上的長度Ll大于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2。所述 硬質合金刀片的基體物質組成主要包括以WC為基礎的硬質相，以Co為基礎的粘結相，和取 自周期表IVb、Vb和/或VIb族金屬元素的立方相化合物或由這些立方化合物組成的固溶 體。根據(jù)我們長期的實踐和觀察，硬質合金中粘結相含量高則韌性好，但抗磨損能力 會下降，容易產(chǎn)生塑性變形；硬質合金中添加立方碳氮化合物后則高溫硬度提高，抗磨損能 力增強，但韌性會相對降低，容易產(chǎn)生裂紋和崩刃。在切削過程中，切屑和工件材料與刀片 刃口產(chǎn)生作用，產(chǎn)生很大的切削力和很高的切削溫度，刃口部位的粘結相富集表面區(qū)去除 后，暴露出含有立方碳氮化合物富集區(qū)并形成骨架支撐結構，該骨架支撐結構可以有效地 提高刀片刃口的高溫性能，避免粘結相富集表面區(qū)覆蓋的刃口在切削力和切削熱的作用下 產(chǎn)生塑性變形，這是本發(fā)明具備的一個基礎優(yōu)勢。但更重要的是，本發(fā)明除了關注刃口的塑 性變形，還要同時提高刀片的抗磨損能力，基于此，本發(fā)明采用了使暴露于刃口處的立方碳 氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長度Ll大于其垂直于所述后刀面方 向上的長度L2的處理方式，該結構設計可以有效避免由于立方碳氮化合物富集區(qū)在前刀 面上的過渡暴露而導致的刃口強度下降和刃口崩刃，同時提高刀片后刀面的抗磨損能力。上述的改善刃口結構的硬質合金刀片中，優(yōu)選的，位于前刀面且接近刃口區(qū)域的 所述粘結相富集表面區(qū)的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結相富集表面 區(qū)的厚度L4。更優(yōu)選的，位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述粘結相富集表面區(qū)的厚度L4等 于零，即位于后刀面且接近刃口一定區(qū)域內的表層粘結相富集層被完全去除。本發(fā)明硬質 合金刀片的前刀面采用粘結相富集表面區(qū)的設計可以有效降低切削過程中熱烈紋的擴展， 提高刀片刃口強韌性；而后刀面上粘結相富集表面區(qū)對改善刀片刃口強韌性沒有明顯的作 用，因此，后刀面采用相對較薄的粘結相富集表面區(qū)或無粘結相富集表面區(qū)的設計，可以進 一步提高刀片后刀面的抗磨損能力，提高刀 片的使用壽命。上述的改善刃口結構的硬質合金刀片中，所述硬質合金刀片表面可以涂覆有采用 化學氣象沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)沉積的涂層。該涂層可以為一層或多層。 本發(fā)明的硬質合金刀片由于改善了刀片韌性和后刀面的磨損性能，因此特別適用于制備涂層刀片，可有效提高涂層刀片的穩(wěn)定性能和使用壽命。上述改善刃口結構的硬質合金刀片的具體制備方法是將碳化鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加 劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結技術進行 燒結，在硬質合金基體表面形成一層粘結相富集表面區(qū)，在粘結相富集表面區(qū)下形成一層 立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結相富集表面區(qū)內Co的含量大于硬質合金基體中Co標稱 含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內碳氮化合物的含量大于等于硬質合金基體中碳氮化合物標 稱含量；然后，對制備得到的具有梯度結構的硬質合金基體采用倒棱、噴砂、研磨、拋光、磨 刷等方法中的一種或 多種組合，對刀片的刃口、后刀面、前刀面進行處理，有選擇性地去除 刃口、后刀面、前刀面上的粘結相富集表面區(qū)以及部分立方碳氮化合物富集區(qū)，最后得到本 發(fā)明的改善刃口結構的硬質合金刀片。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明根據(jù)切削刀片前刀面、刃口、后刀面 部位的功能特性對具有粘結相富集表面區(qū)刀片的刃口結構進行優(yōu)化設計和改進，在前刀面 采用保留粘結相富集表面區(qū)的設計，在刃口處暴露出立方碳氮化合物富集區(qū)，在后刀面采 用薄層的粘結相富集表面區(qū)或無粘結相富集表面區(qū)的設計，這三個特點結合形成的刃口結 構可以有效避免因塑性變形導致的燒刀，避免因加工硬化導致的后刀面磨損和刃口的微 崩，可以在提高刃口強度的同時，大大提高硬質合金刀片前、后刀面的抗磨損能力。


圖1為本發(fā)明實施例1中硬質合金刀片的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2中硬質合金刀片的結構示意圖。圖3為本發(fā)明具體實施方式
中對比產(chǎn)品A的結構示意圖。圖例說明1、前刀面；2、后刀面；3、刃口 ；4、均相合金區(qū)；5、立方碳氮化合物富集區(qū)；6、粘結
相富集表面區(qū)；7、交匯區(qū)域
具體實施例方式實施例1一種如圖1所示的改善刃口結構的硬質合金刀片，包括一個由前刀面1和后刀面 2相交所形成的刃口 3，刃口 3兩側位于前刀面1和后刀面2的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結 構，該梯度變化結構是指是指由內層的均相合金區(qū)4過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)5、再過 渡到粘結相富集表面區(qū)6，刃口 3兩側的梯度變化結構在刃口 3處的交匯區(qū)域7為立方碳氮 化合物富集區(qū)5，且交匯區(qū)域7中基本不含粘結相富集表面區(qū)6，暴露于刃口 3處表面的立 方碳氮化合物富集表面區(qū)在垂直于前刀面1方向上的長度Ll約為40 μ m,暴露于刃口 3處 表面的立方碳氮化合物富集表面區(qū)在垂直于后刀面2方向上的長度L2約為20 μ m。本實施 例的硬質合金刀片中，位于前刀面1且接近刃口區(qū)域的粘結相厚度L3約為45 μ m,位于后刀 面且接近刃口區(qū)域的粘結相厚度L4約為25 μ m。本實施例的改善刃口結構的硬質合金刀片的制備方法如下將碳化鎢粉、鈷粉 (Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結技術進行燒結(在1440°C下燒結，高溫 燒結后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質合金基體表面形成一層粘結相富集表面區(qū)，在粘結相富 集表面區(qū)下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結相富集表面區(qū)內Co的含量大于硬 質合金基體中Co標稱含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內碳氮化合物的含量大于等于硬質合 金基體中碳氮化合物標稱含量，制得的具有梯度結構的硬質合金基體組成包含有8襯％的 &)、5襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對制備得到的具有梯度結構的硬質 合金基體采用與刀片后刀面成80°角的方式對該刀片進行濕噴砂處理，使刀片刃口圓化， 同時部分去除后刀面表層的粘結相富集表面區(qū)，最后得到本實施例的改善刃口結構的硬質 合金刀片ο對本實施例的上述硬質合金刀片在同一涂層周期中沉積如下涂層
1)先利用現(xiàn)有的CVD法沉積一層等軸晶粒的TiN層(即x = 0，y = 1，ζ = 0)，其 厚度為0. 5μπι;2)再利用MTCVD工藝(也可利用CVD法)沉積一層柱狀晶粒的TiCxNy層(其中 χ = 0. 5,y = 0. 5),其厚度為7 μ m，平均晶粒度為為0. 8 μ m ；3)然后利用現(xiàn)有的CVD法沉積一層針狀晶粒的TiNyOz層(其中x = 0，y = 0. 5， ζ = 0. 5)，其厚度為0.5^111;4)最后利用HTCVD技術沉積一層細晶粒的α-Al2O3層作為最外層，其厚度為 4. 5 μ m，平均晶粒度為1. Ιμ 。對上述硬質合金刀片進行涂層后得到改善刃口結構的硬質合金涂層刀片，再采用 噴砂、含硅尼龍刷拋光等對其進行表面處理，在300 μ m的長度上測得的表面粗糙度Ra = 0. 25 μ m。實施例2一種如圖2所示的改善刃口結構的硬質合金刀片，包括一個由前刀面1和后刀面 2相交所形成的刃口 3，刃口 3兩側位于前刀面1和后刀面2的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結 構，該梯度變化結構是指是指由內層的均相合金區(qū)4過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)5、再過 渡到粘結相富集表面區(qū)6，刃口 3兩側的梯度變化結構在刃口 3處的交匯區(qū)域7為立方碳氮 化合物富集區(qū)5，且交匯區(qū)域7中基本不含粘結相富集表面區(qū)6，暴露于刃口 3處表面的立 方碳氮化合物富集表面區(qū)在垂直于前刀面1方向上的長度Ll約為40 μ m,暴露于刃口 3處 表面的立方碳氮化合物富集表面區(qū)在垂直于后刀面2方向上的長度L2約為15 μ m。本實施 例的硬質合金刀片中，位于前刀面1且接近刃口區(qū)域的粘結相厚度L3約為45 μ m,位于后刀 面且接近刃口區(qū)域的粘結相厚度L4為0 μ m。本實施例的改善刃口結構的硬質合金刀片的制備方法如下將碳化鎢粉、鈷粉 (Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加劑混合制備成均勻的粉末混 合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結技術進行燒結(在1440°C下燒結，高溫 燒結后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質合金基體表面形成一層粘結相富集表面區(qū)，在粘結相富 集表面區(qū)下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結相富集表面區(qū)內Co的含量大于硬 質合金基體中Co標稱含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內碳氮化合物的含量大于等于硬質合 金基體中碳氮化合物標稱含量，制得的具有梯度結構的硬質合金基體組成包含有8襯％的 &)、5襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對制備得到的具有梯度結構的硬質合金基體首先對其進行周邊研磨處理，去除后刀面上的粘結相富集表面區(qū)，使位于后刀面且接近刃口區(qū)域的粘結相富集表面區(qū)厚度L4等于O ；然后采用濕噴砂或含Si的塑料毛刷 對刃口進行圓化處理，使暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集區(qū)在垂直于后刀面2方向上 的長度L2為15μπι。實施例3在上述實施例2制得的改善刃口結構的硬質合金刀片的基礎上，再按照實施例1 所述的涂層方法進行涂層，得到本實施例的改善刃口結構的硬質合金涂層刀片。對比實驗制備對比產(chǎn)品A將碳化鎢粉、鈷粉(Co)和立方碳氮化物或由這些立方化合物組成的固溶體添加 劑混合制備成均勻的粉末混合料，并對粉末混合料進行壓制，然后采用梯度燒結技術進行 燒結(在1440°C下燒結，高溫燒結后在脫N氣氛下冷卻)，在硬質合金基體表面形成一層粘 結相富集表面區(qū)，在粘結相富集表面區(qū)下形成一層立方碳氮化合物富集區(qū)；所述粘結相富 集表面區(qū)內Co的含量大于硬質合金基體中Co標稱含量，立方碳氮化合物富集區(qū)內碳氮化 合物的含量大于等于硬質合金基體中碳氮化合物標稱含量，制得的具有梯度結構的硬質合 金基體組成包含有8襯％的&)、5襯％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量為WC ；然后，對制備 得到的具有梯度結構的硬質合金基體采用與刀片前刀面成45°角的方式對該刀片進行濕 噴砂處理，去除刀具刃口的粘結相富集表面區(qū)，使刀片刃口圓化，最后得到如圖3所示的對 t匕廣品A0該對比產(chǎn)品A包括一個由前刀面1和后刀面2相交所形成的刃口 3，刃口 3兩側位 于前刀面1和后刀面2的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結構，該梯度變化結構是指是指由內層 的均相合金區(qū)4過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)5、再過渡到粘結相富集表面區(qū)6，刃口 3兩 側的梯度變化結構在刃口 3處的交匯區(qū)域7為立方碳氮化合物富集區(qū)5，且交匯區(qū)域7中基 本不含粘結相富集表面區(qū)6，暴露于刃口 3處表面的立方碳氮化合物富集表面區(qū)在垂直于 前刀面1方向上的長度Ll約為30 μ m，暴露于刃口 3處表面的立方碳氮化合物富集表面區(qū) 在垂直于后刀面2方向上的長度L2約為30 μ m,位于前刀面1且接近刃口 3區(qū)域的粘結相 厚度L3約為45 μ m,位于后刀面2且接近刃口 3區(qū)域的粘結相厚度L4約為45 μ m。制備對比產(chǎn)品B以上述的對比產(chǎn)品A為基礎，在其上按照實施例1所述的涂覆方式進行涂層，得到 對比產(chǎn)品B。對比實驗上述實施例1、2、3及對比產(chǎn)品A、B在以下不同切削條件下的對比實驗數(shù)據(jù)及測試 結果如下1、縱向車削45#鋼材棒，對上述各硬質合金刀片的耐磨性能進行比較測試，刀具 壽命標準為后刀面磨損為0. 25mm時的加工時間。切削條件 以上的試驗結果表明在鋼材的高速(450m/min、360m/min)加工中，本發(fā)明實施 例1、3的改善刃口結構的硬質合金涂層刀片相比于對比產(chǎn)品B(未改善刃口結構的涂層刀 片)，前者與后者的涂層結構和厚度均基本一致，但前者后刀面的耐磨性能得到了明顯提 高，使用壽命得到了明顯改善。而在鋼材的低速(200m/min)加工中，本發(fā)明實施例2的改 善刃口結構的硬質合金刀片相比于對比產(chǎn)品A(未改善刃口結構的刀片)，其耐磨性能和使 用壽命同樣得到了明顯改善。因此，不論對本發(fā)明的硬質合金刀片是否進行涂層，均不影響 本發(fā)明的技術效果，當然涂層后的硬質合金刀片綜合性能更為優(yōu)越，這也進一步說明本發(fā) 明刃口結構的改善對涂層本身的效果無消極影響。2、縱向車削45#鋼材棒，對上述各硬質合金刀片的后刀面磨損值(VB)進行比較。 刀加工時間為5min。切削條件 測試結果 以上的試驗結果表明在鋼材的高速(450m/min、360m/min)加工中，本發(fā)明實施 例1、3的改善刃口結構的硬質合金涂層刀片相比于對比產(chǎn)品B(未改善刃口結構的涂層刀 片)，前者與后者的涂層結構和厚度均基本一致，但前者由于具有由立方相富集區(qū)形成的骨 架支撐結構及優(yōu)化的基體和涂層組織結構，相比于對比產(chǎn)品A、B (現(xiàn)有技術)，前者的后刀 面磨損值VB明顯偏小，后刀面的耐磨性能得到了明顯提高。而在鋼材的低速(200m/min) 加工中，本發(fā)明實施例2的改善刃口結構的硬質合金刀片相比于對比產(chǎn)品A(未改善刃口結 構的刀片)，其耐磨性能和使用壽命同樣得到了明顯改善。因此，不論對本發(fā)明的硬質合金 刀片是否進行涂層，均不影響本發(fā)明的技術效果，當然涂層后的硬質合金刀片綜合性能更 為優(yōu)越，這也進一步說明本發(fā)明刃口結構的改善對涂層本身的效果無消極影響。
權利要求
一種改善刃口結構的硬質合金刀片，包括至少一個由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，所述刃口兩側位于前刀面和后刀面的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結構，該梯度變化結構是指由內層的均相合金區(qū)過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過渡到粘結相富集表面區(qū)，其特征在于所述梯度變化結構在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2。
2 根據(jù)權利要求1所述的改善刃口結構的硬質合金刀片，其特 征在于位于前刀面且 接近刃口區(qū)域的所述粘結相富集表面區(qū)的厚度L3大于位于后刀面且接近刃口區(qū)域的所述 粘結相富集表面區(qū)的厚度L4。
3.根據(jù)權利要求2所述的改善刃口結構的硬質合金刀片，其特征在于位于后刀面且 接近刃口區(qū)域的所述粘結相富集表面區(qū)的厚度L4等于零。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的改善刃口結構的硬質合金刀片，其特征在于所述 硬質合金刀片表面涂覆有采用化學氣象沉積法或物理氣相沉積法沉積的涂層。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種改善刃口結構的硬質合金刀片，包括至少一個由前刀面和后刀面相交所形成的刃口，刃口兩側位于前刀面和后刀面的硬質合金均呈現(xiàn)梯度變化結構，該梯度變化結構是指由內層的均相合金區(qū)過渡到立方碳氮化合物富集區(qū)、再過渡到粘結相富集表面區(qū)，梯度變化結構在刃口處的交匯區(qū)域主要為立方碳氮化合物富集區(qū)，且暴露于刃口處的立方碳氮化合物富集表面區(qū)域在垂直于所述前刀面方向上的長度L1大于其垂直于所述后刀面方向上的長度L2。本發(fā)明改善刃口結構的硬質合金刀片具有高韌性、高耐磨性、使用壽命長等優(yōu)點。
文檔編號B23B27/14GK101864554SQ20101021102
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權日2010年6月28日
發(fā)明者劉王平, 李秀萍, 王以任, 王社權, 陳響明 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司