專利名稱：納米疊層涂覆的切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂覆有硬質(zhì)耐磨涂層的切削工具刀片，所述涂層包含分別基于 (Ti、Al)N和(Ti、Si)N層的納米疊層結(jié)構(gòu)。所述刀片尤其可用于產(chǎn)生高溫的金屬切削應(yīng)用， 例如超合金、不銹鋼和硬化鋼的加工。通過物理氣相沉積(PVD)、優(yōu)選通過陰極電弧蒸鍍產(chǎn)生所述涂層。
背景技術(shù)：
US 7，056，602公開了一種涂覆有立方結(jié)構(gòu)(TiyAlxMei_x_y)N基層的切削工具刀片， 其中Me為如下元素的一種Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W或Si，且x在0. 50至0. 80之間； x/ (x+y)的比率在0. 50至0. 85之間，Ti和Al的下標(biāo)x+y的總和在0. 7至1. 0之間。EP 1736565公開了一種涂覆有立方結(jié)構(gòu)(Me、Si)X相的切削工具立方氮化硼基刀片，其中Me為元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和Al中的一種或多種，并且X為元素N、C、 0或B中的一種或多種。EP 0588350公開了一種在刀體上的Ti-Si-N復(fù)合材料硬質(zhì)層，使用蒸鍍處理 TiaSib組合物的來源而沉積所述層，并且a在75-85原子％范圍內(nèi)且b在15-25原子％范圍內(nèi)。也已經(jīng)通過施加不同概念的多層而獲得涂層優(yōu)化，如交替的含Ti和Al的層 (US 6，309，738)、含氧和不含氧的層(US 6，2 ，984)，堆疊多層中的由其自身或由多層組成的一個(gè)層(US 6，077，596)，交替的氮含量(US 5, 330,853)或使用一種亞穩(wěn)化合物(US 5，503，912)，或如非周期性的多層(US 6，103，357)。已經(jīng)通過在TiN-或TiAlN-基涂層中引入Si來實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性和硬度的進(jìn)一步改進(jìn)。JP 2000-334607公開了一種具有包含TiSi (層a)和TiAl (層b)化合物的疊層涂覆的工具。所述(a)層選自包含10%< Si < 60%具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的氮化物、碳氮化物、 氧氮化物和氧碳氮化物。層(b)選自包含40%<A1<75%具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和氧碳氮化物。交替施加(a)層和(b)層并且(b)層正好位于基材表面上。EP 1939327公開了一種包含給予改進(jìn)的抗月牙洼(crater)磨損和側(cè)面磨損的硬質(zhì)涂層的切削工具，所述涂層包含非周期性的多層X+Y+X+Y+···，并且X和Y層的平均層厚度在0. 1至IOOnm之間且具有平均化學(xué)組成AlaTibSieCrdCeNh，其中0 < a < 0. 5，0. 1 < b < 0. 9,0. 01 < c < 0. 17,0 ^ d < 0. 06，a+b+c+d = 1，且 0 彡 e < 1。為了環(huán)境保護(hù)的干法加工的趨勢，即不使用切削液(潤滑劑)的金屬切削操作，和隨改進(jìn)的工藝而加快的加工速度，由于工具切削刃溫度增加，而對工具材料的特性提出了甚至更高的要求。特別是，在高溫下涂層的穩(wěn)定性，例如抗氧化性和耐磨性已經(jīng)變得更加重要。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在高溫下在金屬切削應(yīng)用中產(chǎn)生改進(jìn)的性能的涂覆切削工具。本發(fā)明的另一目的是提供一種具有改進(jìn)的邊緣完整度的涂覆切削工具。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在切削工具刀刃上結(jié)合分別基于納米疊層涂層結(jié)構(gòu)中的(Ti、Si)N和 (Ti、Al)N層，由于增加的抗月牙洼磨損、耐側(cè)面磨損和邊緣完整度，尤其是在產(chǎn)生高的工具溫度的加工操作中，顯著改進(jìn)了工具壽命。


圖1 顯示Tia38Ala62Nztia93Siaci7N納米疊層結(jié)構(gòu)的斷裂橫截面的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖。圖2:來自(a)Tia38Ala62N 單層，(b)Tia86Sia 14N 單層，和(c)Ti。.38A1。.62N/ Tia86Siai4N納米疊層結(jié)構(gòu)的X-射線衍射圖。衍射峰指示為立方相(Ti、Si)N(用1標(biāo)記)、 立方相(Ti、Al)N(用2標(biāo)記)和來源于WC或Co的峰(虛線)。圖3 顯示在不銹鋼中車削加工11分鐘后的切削刃實(shí)施例的掃描電子顯微鏡(SEM)圖，表示(a)Tia38Ala62N 單層，(b)Ti
0. 66-^-!θ. 29δ θ. C15N 單層，和(C)Ti
0. 38八1(1 62^/
Tio.93Sio.07N納米疊層結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于通過排屑加工的切削工具，其包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼，優(yōu)選硬質(zhì)合金和金屬陶瓷的硬質(zhì)合金刀體，在其上沉積有厚度在0. 5至20 μ m之間、優(yōu)選0. 5至10 μ m之間、最優(yōu)選0. 5至5 μ m之間，包含交替的A和B層的多晶納米疊層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)耐磨涂層。優(yōu)選所述納米疊層結(jié)構(gòu)具有平均柱寬在20至IOOOnm之間、優(yōu)選在20至500nm之間的整體柱狀結(jié)構(gòu)，例如通過納米疊層結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域，即在生長方向中厚度的30至70%內(nèi)的區(qū)域的橫截面掃描電子顯微鏡測定，且所述平均柱寬是測量至少十個(gè)相鄰柱的寬度的平均值。所述層A 為(TihAlxMelp) Na，其中 0. 3 < χ < 0. 95、優(yōu)選 0. 45 < χ < 0. 75，且 0. 90 < a < 1. 10、優(yōu)選0. 96 < a < 1. 04,0 ^p <0. 15，且Mel為元素周期表中第3族、第4族、 第5族或第6族的金屬元素的一種或多種，優(yōu)選Zr、Y、V、Nb、Mo和W的一種或多種，最優(yōu)選 Zr, Y、V和Nb的一種或多種。所述層B為(TinzSiyMdz)Nb,其中0. 05 < y < 0. 25、優(yōu)選 0. 05 < y < 0. 18,0 ^ ζ < 0. 4,0. 9 < b < 1. 1、優(yōu)選 0. 96 < b < 1. 04，且 Me2 為包括 Al 的元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金屬元素的一種或多種，優(yōu)選Y、V、Nb、Mo、 W和Al的一種或多種，最優(yōu)選Y、V、Nb和Al的一種或多種。層A和B具有在Inm至50nm之間的平均單獨(dú)層厚度，如通過納米疊層結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域，即在生長方向中厚度的30至70% 內(nèi)的區(qū)域的橫截面透射電子顯微鏡測量，并且所述平均層厚度為測量至少十個(gè)相鄰層的厚度的平均值。如通過χ-衍射測定，所述納米疊層結(jié)構(gòu)包含立方相和六方相的混合相，優(yōu)選僅立方相。在第一優(yōu)選實(shí)施方式中ζ = ρ = O。在第二優(yōu)選實(shí)施方式中，Mel為Zr、Y、V和Nb的一種或多種，且O < ρ < 0. 05。在第三優(yōu)選實(shí)施方式中，Me2為Υ，0 < ζ < 0. 15。在第四優(yōu)選實(shí)施方式中，Me2為V和Nb的一種或兩種，且O < ζ < 0. 3。
在第五優(yōu)選實(shí)施方式中，Me2為Al，0. 2 < ζ < 0. 4。在納米疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)，層A具有-5.0 < σ < OGPa、優(yōu)選_3. 0 < σ <-0. 561 的應(yīng)力水平。所述涂層可包含TiN、TiC、Ti(C、N)或(Ti、Al)N，優(yōu)選(Ti、Al)N的內(nèi)部單和/或多層涂層，和 / 或 TiN、TiC、Ti (C、N)、(Ti、Si)N 或(Ti、Al)N，優(yōu)選(Ti、Si)N 或(Ti、Al) N的外部單和/或多層涂層，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，包括納米疊層結(jié)構(gòu)厚度的總涂層厚度在0. 5至 30 μ m之間、優(yōu)選在0. 5至15 μ m之間、最優(yōu)選在0. 5至IOym之間。本發(fā)明涂層的沉積方法為物理氣相沉積法(PVD)，優(yōu)選在如下條件下使用合金或復(fù)合陰極的陰極電弧蒸鍍法從陰極生長(Ti、Al、Mel)N和(Ti、Si、Me2)N層以產(chǎn)生期望的層組成。蒸鍍電流在50A至200A之間。所述層在Ar+隊(duì)氣氛中、優(yōu)選在純隊(duì)氣氛中，在 0. 5Pa至9. OPa、優(yōu)選1. 5Pa至5. OPa的總壓力下生長。偏壓為-10V至-300V、優(yōu)選-20V 至-200V。沉積溫度在350°C至700°C之間、優(yōu)選400°C至650°C之間。本發(fā)明還涉及上文的切削工具刀片以50-500米/分鐘、優(yōu)選50-300米/分鐘的切削速度以及取決于切削速度和刀片幾何形狀的0. 08-0. 5毫米/轉(zhuǎn)、優(yōu)選0. 1-0. 4毫米/ 轉(zhuǎn)的平均進(jìn)給量用于不銹鋼、超合金和硬化鋼加工的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1在如下刀片上通過陰極電弧蒸鍍沉積表1的涂層Sl 具有(90重量％ WC+10重量％ Co)的硬質(zhì)合金S2 具有(94重量％ WC+6重量％ Co)的硬質(zhì)合金S3 =Seco Tools商購的金屬陶瓷等級(jí)，CM在沉積前，將刀片在堿溶液和乙醇的超聲浴中清洗。將該沉積室抽真空至小于 2. OX 10 的基礎(chǔ)壓力，之后用Ar離子對所述刀片濺射清洗。在450°C下使用-20至-60V 的偏壓和60-200A的蒸鍍電流，在總壓力2-61 下在99. 995%純隊(duì)氣氛中從合金或復(fù)合陰極中沉積所述涂層。選擇陰極以分別產(chǎn)生層A和層B的組成，并使陰極位于沉積室的相對面上以通過夾具旋轉(zhuǎn)獲得納米疊層結(jié)構(gòu)。通過改變陰極電流(60-200A)和夾具的旋轉(zhuǎn)速度 (l-5rpm)改變平均單獨(dú)層厚度。對于如在側(cè)面上測量的所有刀片，總涂層厚度為約2 μ m。圖1顯示了 Tia38Ala62Nztia93Siaci7N納米疊層結(jié)構(gòu)(涂層9)的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖。單獨(dú)的層清楚可見，表明相鄰層之間的最小混合。由于3-折疊夾具的旋轉(zhuǎn)使單獨(dú)層的厚度改變并且柱狀微結(jié)構(gòu)延伸貫穿納米疊層結(jié)構(gòu)。通過使用CuKa輻射和θ-2 θ配置獲得所沉積涂層的X-射線衍射圖。圖2表示(a)Tia38Ala62N 單層(涂層 39)，(b)Tia86Sitl. 14N 單層(涂層 41)，和(C)Tia38Ala62N/ Tia86Siai4N納米疊層結(jié)構(gòu)(涂層1)。三種涂層都僅表現(xiàn)出立方NaCl晶體結(jié)構(gòu)。平均殘余應(yīng)力，ο，表示在表1中。使用 η2Ψ法通過XRD測量評(píng)價(jià)所述應(yīng)力。 使用CuKa輻射在NaCl (422)反射面上進(jìn)行測量。在sin2W在0至0. 75的范圍內(nèi)(Ψ = 0-60° )等距的i^一個(gè)Ψ-角(正和負(fù))獲得數(shù)據(jù)。使用ν = 0. 22的泊松比和E = 450GPa 的楊氏模量評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力值。對于(Ti、Al)N層測量納米疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。使用具有在IOKV下操作的Thermo Noran EDS檢測器的LEO Ultra 55掃描電子
5顯微鏡通過能量色散X-射線能譜(EDQ分析面積來測量納米疊層結(jié)構(gòu)的總平均組成。使用Noran System Six (Nss第2版)軟件評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。表1概括了本發(fā)明的涂層實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)的對比涂層實(shí)施例的結(jié)果。表 1.
權(quán)利要求
1.一種用于通過排屑加工的切削工具刀片，其包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼的硬質(zhì)合金刀體，在其上沉積有硬質(zhì)耐磨的PVD涂層，其特征在于所述涂層包括交替的A和B層的柱狀多晶納米疊層結(jié)構(gòu)，其中層A為(TihAlxMeIp)IOJSx<0. 95、優(yōu)選 0. 45 < χ < 0. 75,0. 90 < a < 1. 10、優(yōu)選 0. 96 < a < 1. 04，0 彡 ρ < 0. 15， 且 Mel 為 Zr、Y、V、Nb、Mo 和 W 的一種或多種，且其中層 B 為(Ti1TzSiyMeZz)NbiO. 05 < y<0. 25、優(yōu)選 0. 05 < y < 0. 18,0 ^ ζ < 0. 4,0. 9 < b < 1. 1、優(yōu)選 0. 96 < b < 1. 04，且 Me2為Y、V、Nb、Mo、W和Al的一種或多種，并且所述納米疊層結(jié)構(gòu)的厚度在0. 5至20 μ m之間、優(yōu)選0. 5至10 μ m之間，平均柱寬在20至IOOOnm之間，且單獨(dú)A和B層的平均厚度在 1至50nm之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于如通過X-射線衍射測定的，所述納米疊層結(jié)構(gòu)包含立方相和六方相的混合相，優(yōu)選僅有立方相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于ζ= ρ = 0。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂層包括TiN、 TiC, Ti (C, N)或(Ti、Al)N，優(yōu)選(Ti、Al)N的內(nèi)部單層和/或多層涂層，和/或TiN、TiC、 Ti(C、N)、(Ti、Si)N或(Ti、Al)N，優(yōu)選(Ti、Si)N或(Ti、Al)N的外部單層和/或多層涂層， 包括納米疊層結(jié)構(gòu)厚度的總涂層厚度在0. 5至30 μ m之間、優(yōu)選在0. 5至15 μ m之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于所述刀體為硬質(zhì)合金或金屬陶瓷。
6.制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片的方法，其特征在于使用在50A至200A之間的蒸鍍電流，在Ar+N2氣氛中、優(yōu)選在純N2氣氛中，在0. 5Pa至9. OPa、優(yōu)選1. 5Pa至5. OPa 的總壓力下，在-IOV至-300V之間、優(yōu)選在-20V至-200V之間的偏壓下，在350°C至700°C、 優(yōu)選400°C至650°C下，通過合金化或復(fù)合陰極的陰極電弧蒸鍍而沉積所述涂層，產(chǎn)生希望的(Ti、Al、Mel)N 禾口 (Ti、Si、Me2)N 層的組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的切削工具刀片用于加工不銹鋼、超合金和硬化鋼的用途，切削速度為50-500米/分鐘、優(yōu)選50-300米/分鐘，平均進(jìn)給量為0. 08-0. 5毫米/轉(zhuǎn)、優(yōu)選0. 1-0. 4毫米/轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過排屑加工的切削工具刀片，其包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼的硬質(zhì)合金刀體，在其上通過物理氣相沉積法(PVD)沉積有硬質(zhì)耐磨涂層。所述涂層包括交替的層A和B的多晶納米疊層結(jié)構(gòu)，其中層A為(Ti、Al、Me1)N且Me1為元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金屬元素中的任選一種或多種，層B為(Ti、Si、Me2)N且Me2為包括Al的元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金屬元素的任選一種或多種，并且厚度在0.5至20μm之間，及其制備方法。所述刀片尤其可用于產(chǎn)生高溫的金屬切削應(yīng)用，例如超合金、不銹鋼和硬化鋼的加工，并具有改進(jìn)的邊緣完整度。
文檔編號(hào)C04B41/89GK102449194SQ201080024200
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者喬恩·安德森, 拉奇德·埃姆薩烏畢, 欣德里克·恩斯特倫, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司