专利名称：纳米叠层涂覆的切削工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涂覆有硬质耐磨涂层的切削工具刀片，所述涂层包含分别基于 (Ti、Al)N和(Ti、Si)N层的纳米叠层结构。所述刀片尤其可用于产生高温的金属切削应用， 例如超合金、不锈钢和硬化钢的加工。通过物理气相沉积(PVD)、优选通过阴极电弧蒸镀产生所述涂层。
背景技术：
US 7，056，602公开了一种涂覆有立方结构(TiyAlxMei_x_y)N基层的切削工具刀片， 其中Me为如下元素的一种Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W或Si，且x在0. 50至0. 80之间； x/ (x+y)的比率在0. 50至0. 85之间，Ti和Al的下标x+y的总和在0. 7至1. 0之间。EP 1736565公开了一种涂覆有立方结构(Me、Si)X相的切削工具立方氮化硼基刀片，其中Me为元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和Al中的一种或多种，并且X为元素N、C、 0或B中的一种或多种。EP 0588350公开了一种在刀体上的Ti-Si-N复合材料硬质层，使用蒸镀处理 TiaSib组合物的来源而沉积所述层，并且a在75-85原子％范围内且b在15-25原子％范围内。也已经通过施加不同概念的多层而获得涂层优化，如交替的含Ti和Al的层 (US 6，309，738)、含氧和不含氧的层(US 6，2 ，984)，堆叠多层中的由其自身或由多层组成的一个层(US 6，077，596)，交替的氮含量(US 5, 330,853)或使用一种亚稳化合物(US 5，503，912)，或如非周期性的多层(US 6，103，357)。已经通过在TiN-或TiAlN-基涂层中引入Si来实现热稳定性和硬度的进一步改进。JP 2000-334607公开了一种具有包含TiSi (层a)和TiAl (层b)化合物的叠层涂覆的工具。所述(a)层选自包含10%< Si < 60%具有NaCl型晶体结构的氮化物、碳氮化物、 氧氮化物和氧碳氮化物。层(b)选自包含40%<A1<75%具有NaCl型晶体结构的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和氧碳氮化物。交替施加(a)层和(b)层并且(b)层正好位于基材表面上。EP 1939327公开了一种包含给予改进的抗月牙洼(crater)磨损和侧面磨损的硬质涂层的切削工具，所述涂层包含非周期性的多层X+Y+X+Y+···，并且X和Y层的平均层厚度在0. 1至IOOnm之间且具有平均化学组成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。为了环境保护的干法加工的趋势，即不使用切削液(润滑剂)的金属切削操作，和随改进的工艺而加快的加工速度，由于工具切削刃温度增加，而对工具材料的特性提出了甚至更高的要求。特别是，在高温下涂层的稳定性，例如抗氧化性和耐磨性已经变得更加重要。发明概述本发明的一个目的是提供一种在高温下在金属切削应用中产生改进的性能的涂覆切削工具。本发明的另一目的是提供一种具有改进的边缘完整度的涂覆切削工具。已经发现在切削工具刀刃上结合分别基于纳米叠层涂层结构中的(Ti、Si)N和 (Ti、Al)N层，由于增加的抗月牙洼磨损、耐侧面磨损和边缘完整度，尤其是在产生高的工具温度的加工操作中，显著改进了工具寿命。
图1 显示Tia38Ala62Nztia93Siaci7N纳米叠层结构的断裂横截面的扫描电子显微镜 (SEM)图。图2:来自(a)Tia38Ala62N 单层，(b)Tia86Sia 14N 单层，和(c)Ti。.38A1。.62N/ Tia86Siai4N纳米叠层结构的X-射线衍射图。衍射峰指示为立方相(Ti、Si)N(用1标记)、 立方相(Ti、Al)N(用2标记)和来源于WC或Co的峰(虚线)。图3 显示在不锈钢中车削加工11分钟后的切削刃实施例的扫描电子显微镜(SEM)图，表示(a)Tia38Ala62N 单层，(b)Ti
0. 66-^-!θ. 29δ θ. C15N 单层，和(C)Ti
0. 38八1(1 62^/
Tio.93Sio.07N纳米叠层结构。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于通过排屑加工的切削工具，其包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢，优选硬质合金和金属陶瓷的硬质合金刀体，在其上沉积有厚度在0. 5至20 μ m之间、优选0. 5至10 μ m之间、最优选0. 5至5 μ m之间，包含交替的A和B层的多晶纳米叠层结构的硬质耐磨涂层。优选所述纳米叠层结构具有平均柱宽在20至IOOOnm之间、优选在20至500nm之间的整体柱状结构，例如通过纳米叠层结构的中间区域，即在生长方向中厚度的30至70%内的区域的横截面扫描电子显微镜测定，且所述平均柱宽是测量至少十个相邻柱的宽度的平均值。所述层A 为(TihAlxMelp) Na，其中 0. 3 < χ < 0. 95、优选 0. 45 < χ < 0. 75，且 0. 90 < a < 1. 10、优选0. 96 < a < 1. 04,0 ^p <0. 15，且Mel为元素周期表中第3族、第4族、 第5族或第6族的金属元素的一种或多种，优选Zr、Y、V、Nb、Mo和W的一种或多种，最优选 Zr, Y、V和Nb的一种或多种。所述层B为(TinzSiyMdz)Nb,其中0. 05 < y < 0. 25、优选 0. 05 < y < 0. 18,0 ^ ζ < 0. 4,0. 9 < b < 1. 1、优选 0. 96 < b < 1. 04，且 Me2 为包括 Al 的元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金属元素的一种或多种，优选Y、V、Nb、Mo、 W和Al的一种或多种，最优选Y、V、Nb和Al的一种或多种。层A和B具有在Inm至50nm之间的平均单独层厚度，如通过纳米叠层结构的中间区域，即在生长方向中厚度的30至70% 内的区域的横截面透射电子显微镜测量，并且所述平均层厚度为测量至少十个相邻层的厚度的平均值。如通过χ-衍射测定，所述纳米叠层结构包含立方相和六方相的混合相，优选仅立方相。在第一优选实施方式中ζ = ρ = O。在第二优选实施方式中，Mel为Zr、Y、V和Nb的一种或多种，且O < ρ < 0. 05。在第三优选实施方式中，Me2为Υ，0 < ζ < 0. 15。在第四优选实施方式中，Me2为V和Nb的一种或两种，且O < ζ < 0. 3。
在第五优选实施方式中，Me2为Al，0. 2 < ζ < 0. 4。在纳米叠层结构内，层A具有-5.0 < σ < OGPa、优选_3. 0 < σ <-0. 561 的应力水平。所述涂层可包含TiN、TiC、Ti(C、N)或(Ti、Al)N，优选(Ti、Al)N的内部单和/或多层涂层，和 / 或 TiN、TiC、Ti (C、N)、(Ti、Si)N 或(Ti、Al)N，优选(Ti、Si)N 或(Ti、Al) N的外部单和/或多层涂层，根据现有技术，包括纳米叠层结构厚度的总涂层厚度在0. 5至 30 μ m之间、优选在0. 5至15 μ m之间、最优选在0. 5至IOym之间。本发明涂层的沉积方法为物理气相沉积法(PVD)，优选在如下条件下使用合金或复合阴极的阴极电弧蒸镀法从阴极生长(Ti、Al、Mel)N和(Ti、Si、Me2)N层以产生期望的层组成。蒸镀电流在50A至200A之间。所述层在Ar+队气氛中、优选在纯队气氛中，在 0. 5Pa至9. OPa、优选1. 5Pa至5. OPa的总压力下生长。偏压为-10V至-300V、优选-20V 至-200V。沉积温度在350°C至700°C之间、优选400°C至650°C之间。本发明还涉及上文的切削工具刀片以50-500米/分钟、优选50-300米/分钟的切削速度以及取决于切削速度和刀片几何形状的0. 08-0. 5毫米/转、优选0. 1-0. 4毫米/ 转的平均进给量用于不锈钢、超合金和硬化钢加工的应用。
具体实施例方式实施例1在如下刀片上通过阴极电弧蒸镀沉积表1的涂层Sl 具有(90重量％ WC+10重量％ Co)的硬质合金S2 具有(94重量％ WC+6重量％ Co)的硬质合金S3 =Seco Tools商购的金属陶瓷等级，CM在沉积前，将刀片在碱溶液和乙醇的超声浴中清洗。将该沉积室抽真空至小于 2. OX 10 的基础压力，之后用Ar离子对所述刀片溅射清洗。在450°C下使用-20至-60V 的偏压和60-200A的蒸镀电流，在总压力2-61 下在99. 995%纯队气氛中从合金或复合阴极中沉积所述涂层。选择阴极以分别产生层A和层B的组成，并使阴极位于沉积室的相对面上以通过夹具旋转获得纳米叠层结构。通过改变阴极电流(60-200A)和夹具的旋转速度 (l-5rpm)改变平均单独层厚度。对于如在侧面上测量的所有刀片，总涂层厚度为约2 μ m。图1显示了 Tia38Ala62Nztia93Siaci7N纳米叠层结构(涂层9)的扫描电子显微镜 (SEM)图。单独的层清楚可见，表明相邻层之间的最小混合。由于3-折叠夹具的旋转使单独层的厚度改变并且柱状微结构延伸贯穿纳米叠层结构。通过使用CuKa辐射和θ-2 θ配置获得所沉积涂层的X-射线衍射图。图2表示(a)Tia38Ala62N 单层(涂层 39)，(b)Tia86Sitl. 14N 单层(涂层 41)，和(C)Tia38Ala62N/ Tia86Siai4N纳米叠层结构(涂层1)。三种涂层都仅表现出立方NaCl晶体结构。平均残余应力，ο，表示在表1中。使用 η2Ψ法通过XRD测量评价所述应力。 使用CuKa辐射在NaCl (422)反射面上进行测量。在sin2W在0至0. 75的范围内(Ψ = 0-60° )等距的i^一个Ψ-角(正和负)获得数据。使用ν = 0. 22的泊松比和E = 450GPa 的杨氏模量评价残余应力值。对于(Ti、Al)N层测量纳米叠层结构应力值。使用具有在IOKV下操作的Thermo Noran EDS检测器的LEO Ultra 55扫描电子
5显微镜通过能量色散X-射线能谱(EDQ分析面积来测量纳米叠层结构的总平均组成。使用Noran System Six (Nss第2版)软件评价数据。表1概括了本发明的涂层实施例和现有技术的对比涂层实施例的结果。表 1.
权利要求
1.一种用于通过排屑加工的切削工具刀片，其包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的硬质合金刀体，在其上沉积有硬质耐磨的PVD涂层，其特征在于所述涂层包括交替的A和B层的柱状多晶纳米叠层结构，其中层A为(TihAlxMeIp)IOJSx<0. 95、优选 0. 45 < χ < 0. 75,0. 90 < a < 1. 10、优选 0. 96 < a < 1. 04，0 彡 ρ < 0. 15， 且 Mel 为 Zr、Y、V、Nb、Mo 和 W 的一种或多种，且其中层 B 为(Ti1TzSiyMeZz)NbiO. 05 < y<0. 25、优选 0. 05 < y < 0. 18,0 ^ ζ < 0. 4,0. 9 < b < 1. 1、优选 0. 96 < b < 1. 04，且 Me2为Y、V、Nb、Mo、W和Al的一种或多种，并且所述纳米叠层结构的厚度在0. 5至20 μ m之间、优选0. 5至10 μ m之间，平均柱宽在20至IOOOnm之间，且单独A和B层的平均厚度在 1至50nm之间。
2.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于如通过X-射线衍射测定的，所述纳米叠层结构包含立方相和六方相的混合相，优选仅有立方相。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于ζ= ρ = 0。
4.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂层包括TiN、 TiC, Ti (C, N)或(Ti、Al)N，优选(Ti、Al)N的内部单层和/或多层涂层，和/或TiN、TiC、 Ti(C、N)、(Ti、Si)N或(Ti、Al)N，优选(Ti、Si)N或(Ti、Al)N的外部单层和/或多层涂层， 包括纳米叠层结构厚度的总涂层厚度在0. 5至30 μ m之间、优选在0. 5至15 μ m之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述刀体为硬质合金或金属陶瓷。
6.制备根据权利要求1所述的切削工具刀片的方法，其特征在于使用在50A至200A之间的蒸镀电流，在Ar+N2气氛中、优选在纯N2气氛中，在0. 5Pa至9. OPa、优选1. 5Pa至5. OPa 的总压力下，在-IOV至-300V之间、优选在-20V至-200V之间的偏压下，在350°C至700°C、 优选400°C至650°C下，通过合金化或复合阴极的阴极电弧蒸镀而沉积所述涂层，产生希望的(Ti、Al、Mel)N 禾口 (Ti、Si、Me2)N 层的组成。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的切削工具刀片用于加工不锈钢、超合金和硬化钢的用途，切削速度为50-500米/分钟、优选50-300米/分钟，平均进给量为0. 08-0. 5毫米/转、优选0. 1-0. 4毫米/转。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过排屑加工的切削工具刀片，其包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的硬质合金刀体，在其上通过物理气相沉积法(PVD)沉积有硬质耐磨涂层。所述涂层包括交替的层A和B的多晶纳米叠层结构，其中层A为(Ti、Al、Me1)N且Me1为元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金属元素中的任选一种或多种，层B为(Ti、Si、Me2)N且Me2为包括Al的元素周期表中第3族、第4族、第5族或第6族的金属元素的任选一种或多种，并且厚度在0.5至20μm之间，及其制备方法。所述刀片尤其可用于产生高温的金属切削应用，例如超合金、不锈钢和硬化钢的加工，并具有改进的边缘完整度。
文档编号C04B41/89GK102449194SQ201080024200
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年6月1日
发明者乔恩·安德森, 拉奇德·埃姆萨乌毕, 欣德里克·恩斯特伦, 马茨·约翰松 申请人:山高刀具公司