氧化物涂覆的切削刀片的制作方法

专利名称：氧化物涂覆的切削刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过排屑来进行机械加工的工具，其包括由 硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢构成的硬合 金基体，和硬质耐磨氧化物，该工具被设计用来优选在高的切削速度 下机械加工铸铁。所述涂层由一层或多层构成，其中的至少一层是织
构化的物理气相沉积(PVD)的刚玉相含铬氧化铝(Al，Cr)203。
背景技术：
在例如EP 603144、 EP 1528125、 EP 1477581、 EP 659153、 EP 1655387 、 EP 659903 、 EP 738336 、 EP 1655388 、 EP 1655392 、 US 2007/104945、 US 2004/202877中公开了用化学气相沉积(CVD)制造 的织构化的01-八1203层。
EP 1479791公开了由硬质合金或金属陶瓷、和硬质涂层构成的切 削工具；其中的硬质涂层含有由CVD形成的01-八1203层，该a-Al203 层在测量a-Al203的基面相对于表面法线的倾角时在0-10度的范围具 有最高峰，这是通过电子背散射衍射(EBSD)所测定。
EP 744473公开了由PVD制造的织构化的丫-八1203层。
US 5310607公开了含有(Al，Cr)203晶体、以及铬含量高于5 at。/o的 涂层，其中(Al,Cr)203是单晶体。该涂层是在低于90(TC的温度下沉积 的。该硬质涂层是用CVD或PVD工艺来沉积的。
当使用涂覆有氧化铝的硬质合金工具来机械加工钢时，切削边缘 根据不同的磨损机制被磨损，诸如化学磨损、磨料磨损、粘着磨损，和由沿着切削刃形成的裂纹而引发的崩刃。任何一种磨损机制的支配 程度均是由其应用情况所决定的，并且依赖于被加工的材料的特性、 所应用的切削参数和工具材料的特性。通常，同时改进所有的工具特 性是非常困难的，商售的硬质合金等级已通常针对一种或几种上述的 磨损类型进行了优化，并因此而优选用于特定的应用领域。这可以， 例如，通过控制氧化铝层的织构来实现。

发明内容
本发明的一个目的是提供涂覆有耐磨硬质氧化物的切削工具，其 对于铸铁的机械加工具有提高的性能表现。
根据本发明的切削工具刀片包含由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、 立方氮化硼基材料或高速钢构成的硬合金基体，包括具有优异的金属
加工特性的刚玉相(Al,Cr)203的织构化氧化物层。


图la示出了标记有a-轴(100)、 b-轴(010)、和c-轴(001)的六方晶
结构的示意图。
图lb示出了标记有所涂覆表面(S)，六方晶结构(图la)的c-轴(001) 的内倾角((Pi)和外倾角(9。)，和所涂覆表面的法线(n)的纤维织构的示意 图。
图2示出了沉积室的示意性侧视图，显示了 (l)真空室，(2a)阴 极材料A， (2b)阴极材料B， (3)夹紧装置，(4)用于偏压的电源，(5a)阴 极电弧电源，(5b)阴极电弧电源，(6)工艺气体的入口，和(7)用于真空 泵的出口。
图3示出了根据本发明的涂层断开的横截面的次级模式的扫描电 子显微镜图。(A)基体，(B)粘合层，(C)(Al,Cr)O层，(D)(Al,Cr)N层， 和(E)TiN层。图5示出了根据本发明的(Al,Cr)203层的(A)(001)的极图，和 (B)(001)的极坐标曲线图。
具体实施例方式
根据本发明，提供一种用于通过排屑来进行机械加工的切削工具， 在铸铁的金属切削方面特别有效，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶 瓷、立方氮化硼基材料或高速钢构成的硬合金基体，在该基体上沉积 有涂层，所述涂层包括
根据现有技术，优选例如TiN或(Al，Cr)N的第一(最内侧的)粘合层 (图3(B))，厚度优选小于0.5^m。
具有0.4^^0.6的(Al!-yCry)2O3层，优选y-0.5，厚度为0.5-1 (^m、 优选为l-5nm、最优选为2-4pm，具有织构化的柱状晶粒。该(Al. Cr)203
层具有通过PVD形成的刚玉结构，和纤维织构，所述纤维织构沿着所 涂覆表面的法线方向呈旋转对称，基面相对于所涂覆表面法线的倾角 为cp(图lb)(图5A)、或极坐标中最高峰对应的倾角为cp(图5B)，其中 40° <(p<70° 、优选50° <cp<60° ，这是通过例如电子背散射衍射 (EBSD)或者X射线衍射(XRD)所测定的。
所述(Al，Cr)O层具有-4.5〈o〈-0.5Gpa、优选为-3.(Xo〈-1.0Gpa
的压应力水平。
(A"-yCry)203的组分y是通过例如EDS或WDS所测定的。
所述基体根据现有技术可以进一步涂覆有例如TiN、TiC、Ti(C,N)、 (Al,Cr)N或(Ti,Al)N、优选为(Ti,Al)N、 (Al,Cr)N的内侧单一层和/或多 层涂层，禾口/或例如TiN、 TiC、 Ti(C，N)、 (Al，Cr)N或(Ti,Al)N、优选为 (Ti,Al)N、 (Al，Cr)N的外侧单一层和/或多层涂层，涂覆的总厚度为1至 20|im、优选为1至10pm、以及特别优选为2至7pm。用于本发明涂层的沉积方法是基于合金或复合阴极在下列条件下
的阴极电弧蒸发(八1，0)203层使用具有在(40 at% Al + 60 at% Cr)和(60 at% Al + 40 at% Cr)之间、优选在(45 at% Al + 55 at% Cr)和(55 at% Al + 45at。/。Cr)之间的组分的Al+Cr-阴极来生长。根据阴极的尺寸，蒸发电 流是在50A到200A之间，并优选使用直径为63mm的阴极时蒸发电 流在60A到90A之间。所述层是在Ar+Ch的气氛中生长的、优选在纯 02的气氛中生长，在l.OPa至5.0Pa的总压力下、优选为l.OPa至3.5Pa。 偏压是-50V至-200V、优选为-100V至-150V。沉积温度是在40(TC至 600。C之间、优选为400°C至500°C。
本发明也涉及根据上面描述的切削工具刀片用于铸铁的机械加工 的应用，其中使用75-600m/分钟、优选150-500m/分钟的切削速度，根 据切削速度和刀片几何形状，在铣削的情况下，使用0.08-0.5mm、优 选0.1-0.4mm每齿的平均送进量。
实施例1
级别A:使用具有组分为5 wt% Co和余量的WC的硬质合金刀片。
在沉积前，将该刀片在碱溶液和酒精的超声波浴中清洗。系统被 抽真空至低于2.0xl(^Pa的压力，之后将该刀片用Ar离子溅射清洗。 首先是，生长0.2pm厚的TiN的粘合层，接着是2.5pm厚的织构化的 (Al，Cr)203层，其是通过使用直径为63mm的合金化(50 at% Al + 50 at% Cr)阴极(图2a中的位置(2a)和(2b))的阴极电弧蒸发来生长的，在 99.995%的纯02气氛中、在2Pa的总压下、和约450°C的沉积温度下沉 积至3pm的总涂层厚度。沉积过程中，蒸发电流为75A，偏压保持在 -75V。最后，涂覆由0.3nm(Al,Cr)N和0.2|imTiN构成的顶部彩色涂层。
在图3中显示涂层断开的横截面SEM显微图，其中(A)基体，(B) 粘合层，(C)(Al，Cr)O层，(D)(Al,Cr)N层，和(E)TiN层。所沉积的层的XRD图案是使用CuKa-射线和6-20配置结构来获 得的。图4显示了根据本发明的具有织构化的刚玉相氧化铝(Al,Cr)203 层的涂层的XRD图案。用虚线标记由(Al,Cr)203引起的峰，而用实线 标记硬质合金的峰。
所沉积的刚玉相氧化铝(Al,Cr)203层在c-轴(001)方向(图la)的 EBSD极图(图5(A))和极坐标曲线图(图5(B)分别显示了沿着所涂覆表 面的法线(图lb)方向以基面相对于所涂覆表面法线的40。到70°之间 的倾角(P(图lb)的纤维织构(旋转对称)。极坐标中最高峰是在58°附近。 EBSD数据是使用配备有HKL NordlysII EBSD探测仪的LEO Ultra 55 扫描电子显微镜、在20KV下操作获得的，并用Channe15软件计算得 出。
(Al,Cr)2(V凃层的残余应力o是通过使用sin 法的XRD测量计算 得出的。该测量是使用CrKa-射线在(Al,Cr)203的(116)反射上进行的。 残余应力值为2.5土0.3GPa，这是使用v=0.26的泊松比和E=420GPa的 杨氏模量所计算得出的。
(Ah-yCry)203组分y = 0.50，这是通过使用带有Thermo Noran EDS 探测仪的LEO Ultra 55扫描电子显微镜在10KV下操作的能量散射谱 (EDS)分析来评测的。该数据是使用Noran System Six (NSS ver 2)软件 计算得出的。
实施例2
级别B:根据现有技术，在具有组分为5 wtWCo和余量的WC的 硬质合金刀片上，通过PVD沉积了 3.0nm的Ti0.34Al0.66N层。
实施例3
级别C:根据现有技术，在具有组分为5 wt。/。Co和余量的wc的 硬质合金刀片上，通过CVD沉积了由3.0|um的Ti(C,N)+3^im的alfa-Al203所构成的涂层。
实施例4
在铸铁的机械加工中，测试级别A、 B和C。
操作车削
材料SS0732
刀片类型C丽G120408-MR7
切削速度325m/分钟
进给0.3mm
切削深度2.5mm
结果工具寿命(分钟)
级别A(根据本发明的级别)12.1
级别B失败
级别c10.4
测试是在相同的最大侧面磨损时停止的。使用根据本发明的级别， 耐磨损性得到很大改进。
实施例5
在铸铁的机械加工中，测试级别A、 B和C。
操作断续车削
材料SS0732
刀片类型C薩G120408-MR7
切削速度300m/分钟
进给0.3mm
切削深度2.5mm结果工具寿命(周次)
级别A(根据本发明的级别)15
级别B2
级别c14
测试是在相同的最大侧面磨损时停止的。使用根据本发明的级别， 耐磨损性得到很大改进。
权利要求
1.切削工具刀片，包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢构成的硬合金基体，和硬质耐磨涂层，所述涂层包括一层或几层，其中的至少一层是(Al，Cr)2O3层，其特征在于所述层具有刚玉相晶体结构，组分为(Al1-yCry)2O3，其中0.4≤y≤0.6、优选y＝0.5，厚度为0.5-10μm、优选为1-5μm，并且所述层具有纤维织构，所述纤维织构沿着所涂覆表面的法线方向呈旋转对称，并且基面相对于所涂覆表面法线的倾角 id="icf0001" file="A2009101346520002C1.tif" wi="2" he="3" top= "80" left = "65" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>为 id="icf0002" file="A2009101346520002C2.tif" wi="33" he="4" top= "79" left = "75" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>或极坐标中最高峰对应的倾角 id="icf0003" file="A2009101346520002C3.tif" wi="2" he="3" top= "89" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>为 id="icf0004" file="A2009101346520002C4.tif" wi="33" he="4" top= "87" left = "35" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>
2. 根据权利要求l所述的切削工具刀片，其特征在于，所述基面 相对于所涂覆表面法线的倾角cp是50。 <cp<60° 。
3. 根据权利要求l所述的切削工具刀片，其特征在于，所述层具 有-4.5〈cj〈-0.5GPa、优选为-3.(Xo〈-1.0GPa的残余应力。
4. 根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，所述层是 用PVD、优选阴极电弧蒸发沉积的。
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， 所述基体涂覆有根据现有技术的例如TiN、 TiC、 Ti(C,N)、 (Al,Cr)N或 (Ti,Al)N、优选为(Ti,Al)N、 (Al，Cr)N的内侧单一层和/或多层涂层，和/ 或例如TiN、 TiC、 Ti(C，N)、 (Al,Cr)N或(Ti,Al)N、优选为(Ti，Al)N、 (Al,Cr)N的外侧单一层和/或多层涂层，涂覆的总涂层厚度为l至20pm、 优选为1至l(Him。
6. 制造根据权利要求l所述的切削工具刀片的方法，其特征在于， 使用具有在(40 at% Al + 60 at% Cr)和(60 at% Al + 40 at% Cr)之间、优选 在(45 at% Al + 55 at% Cr)和(55 at% Al + 45 at% Cr)之间的组分的Al+Cr-阴极，在以下条件下通过阴极电弧蒸发来沉积(Al，Cr)203层根 据阴极的尺寸蒸发电流是在50A到200A之间，在Ar+02的气氛中、 优选在纯02的气氛中，在l.OPa至5.0Pa、优选在l.OPa至3.5Pa的总 压力下，偏压是-50V至-200V、优选为-100V至-150V，沉积温度是在 400。C至600。C之间、优选在400。C至500°C。
7.根据权利要求1-5所述的切削工具刀片的用途，用于铸铁的机 械加工，条件如下使用75-600m/分钟、优选150-500m/分钟的切削速 度，根据切削速度和刀片几何形状，在铣削的情况下，使用0.08-0.5mm、 优选为0.1-0.4mm每齿的平均进给量。
全文摘要
本发明涉及一种切削工具刀片，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢构成的硬合金基体，和硬质耐磨涂层，所述涂层包括一层或几层，其中的至少一层是(Al，Cr)₂O₃层。本发明对于铸铁的机械加工特别有用。具有2-20μm的总厚度的所述涂层包括一层或几层，其中的至少一层是厚度为1-5μm、具有刚玉相晶体结构、且组成为(Al_1-yCr_y)₂O₃(其中0.4≤y≤0.6)的(Al，Cr)₂O₃层。所述(Al，Cr)₂O₃层进一步的特征是具有纤维织构，所述纤维织构沿着所涂覆表面的法线方向呈旋转对称，基面相对于所涂覆表面法线的倾角为φ、或极坐标中最高峰对应的倾角为φ，其中40°＜φ＜70°，这是通过例如电子背散射衍射(EBSD)或者X射线衍射(XRD)所测定的。
文档编号B23B27/00GK101537501SQ20091013465
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月9日 优先权日2008年3月7日
发明者托米·拉尔森, 马茨·约翰松 申请人:山高刀具公司