专利名称：涂层切削工具刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能涂层切削工具刀片，其尤其适用于在干湿条件下以高切削速度在抛光至粗加工的范围内车削低合金钢、碳钢和坚韧的淬火钢，并具有经受高温的能力，而不牺牲刀刃安全性。该刀片基于WC、立方碳化物和钴粘结相，且富钴表面区域为切削刀片提供了很好的抗塑性变形性和高韧度性能。此外，涂层包括多个耐磨层，该耐磨层经过表面后处理，从而为工具刀片提供令人惊讶的改进切削性能。
背景技术：
当今的切削工具大部分基于硬质合金刀片，该硬质合金刀片涂有若干坚硬层，如TiC、TiCxNy、TiN、TiCxNyO2和Al2O3。仔细选择各涂层的顺序和厚度，以适合不同的切削应用领域和工件材料。最经常采用的涂层技术为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。CVD涂层刀片尤其在抗侧面磨损和抗月牙洼磨损方面具有超过无涂层刀片的很大优点。
CVD技术在相当高的温度范围，950-1050℃内进行。由于这种高沉积温度以及沉积的涂层材料和硬质合金工具刀片之间的热膨胀系数的不匹配，故CVD可能导致涂层具有冷却裂纹和高拉伸应力(有时高达1000MPa)。高拉伸应力在一些切削条件下可能是不利的，其原因在于这可使得冷却裂纹进一步扩展至硬质合金体并使得切削刃断裂。
在金属切削行业中，一直努力提高切削条件环境(envelope)，即在不牺牲在中断低速切削期间的抗破碎能力或抗切屑能力的情况下经受较高的切削速度的能力。
通过使刀片结合有富粘结相表面区域和优化的更厚涂层来实现应用环境中的重要改善。
然而，如果增加涂层厚度，则耐磨性上的正面效果将由增加的负面效果而失去平衡，该负面效果的形式为增加的涂层脱层的风险以及减少韧度而使切削工具更加不可靠。这尤其适用于较软的工件材料，诸如低碳钢和不锈钢以及当涂层厚度超过5-10μm时。此外，厚涂层通常具有更加不平坦的表面，当切削如低碳钢和不锈钢的涂抹(smearing)材料时，其将成为负面特征。通过刷涂或湿喷砂来对涂层进行后光滑处理，以应用补救措施，这公开在多个专利中，例如EP 0 298 729，EP1 306 150和EP 0 736 615中。例如，在US 5,861,210中，其目的为获得光滑的切削刃，并将Al2O3暴露，作为前刀面上的最外层，从而将TiN保留在间隙侧上，用作磨损检测层。获得了高耐剥落性的涂层。
每种暴露表面的后处理技术，例如将涂层表面暴露至例如湿喷砂或干喷砂的机械冲击，都将对涂层的表面光洁度和涂层的应力状态(α)产生一些影响。
强烈的喷砂冲击可降低CVD涂层中的拉伸应力，但是通常将以由于沿冷却裂纹形成槽而损失涂层表面光洁度为代价，或者甚至可以导致涂层脱层。
非常强烈的处理甚至可能将使得应力状态发生大的改变，例如，从高度张力改变为高度压力，如EP-A-1 311 712所公开，在该专利中使用了干喷砂技术。
现在令人惊讶地发现，组合某些硬质合金基底合成物和某些涂层0 结构和厚度，并且在控制条件下利用湿喷砂进行后处理的切削工具刀片在比现有技术切削工具刀片更宽的应用范围上获得优良的切削性能。
钴粘结相与W高度合金。粘结相中的W含量可表示为CW-ratioCM-ratio＝Ms/(wt-％Co×0.0161)其中，Ms测量到的饱和磁化强度，单位为hAm2/kg；且wt-％Co为硬质合金中的钴含量。低的CW-ratio相当于钴粘结相中的高W含量。所采用的后处理将为涂层提供有利的拉伸应力水平，为Al2O3层提供某些重要的结晶特征，以及为顶表面提供优良的表面光洁度。
上述与喷砂技术的组合有效地扩大了可施加的涂层厚度的限制，而没有性能恶化。因此，本发明现在具有非常宽的应用领域。对韧度特性和涂层粘合的显著改善将是令人惊讶的。
为了通过喷砂显著地改变涂层的应力状态，喷砂介质(例如Al2O3砂砾)必须高冲击地撞击涂层表面。冲击力可通过以下条件控制，例如喷浆压力(湿喷砂)、喷砂喷管和涂层表面之间的距离、喷砂介质的粒度、喷砂介质的浓度和喷砂流的冲击角。
发明内容
本发明的目的是提供一种CVD涂层工具刀片，该CVD涂层工具刀片具有改善的韧度性能，该韧度性能具有经受高温的能力，而不牺牲刀刃安全性或韧度。
图1示出用于通过X光测量估算出的残余应力的测角仪装置，其中E＝欧拉1/4支架S＝试样I＝入射X光束D＝衍射X光束θ＝衍射角
ω＝θψ＝沿欧拉1/4支架的倾斜角Φ＝绕试样轴线的旋转角具体实施方式
因此，本发明涉及一种涂层切削工具刀片，该涂层切削工具刀片包括大体多边形或圆形的主体，该主体具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，包括涂层以及碳化物基底。该主体的成分为4.4-6.6，优选为5.0-6.0，最优选为5.0-5.8wt-％的Co，4-8.5wt-％的立方碳化物，余量的WC，优选85-91wt-％的WC，最优选为87-90wt-％的WC，优选的是，平均晶粒尺寸为1-4μm，CW-ratio在0.78-0.92范围内，表面区域由立方碳化物TiC、TaC和/或NbC组成。
由立方碳化物组成的所述表面区域的厚度为从10μm，或者从15μm，或者可选从20μm，至40μm，或者至35μm，或者至30μm，或者可选至25μm。
涂层包括至少一个TiCxNy层和一个100％α-Al2O3的良好晶状层(well crystalline layer)。一个这种α-Al2O3层为前刀面上的以及沿切削刃线的最外可见层，且该最外可见层可利用足够的高能量进行强烈地湿喷砂处理，以在Al2O3和TiCxNy层中产生的拉伸应力松弛。Al2O3最外层至少在前刀面上的切屑接触区具有非常光滑表面。
令人惊讶地发现，如果大体多边形或圆形的涂层切削工具刀片具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，则可实现显著改善的韧度性能，所述刀片至少部分被涂覆，并制造为具有以下特征次末层的TiCxNy层的厚度从3μm，优选从4μm，更加优选地从5μm，最优选地从6μm，至15μm，优选地至13μm，最优选地至10μm，其中x≥0，y≥0且x+y＝1，并优选由MTCVD制成，且拉伸应力为50-500MPa，优选为50-450MPa，最优选为50-400Mpa；和外部α-Al2O3层，其厚度为从3μm，优选从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选地至11μm，最优选地至10μm，其为前刀面上的最外层，并且沿刀刃线，其至少在前刀面的切屑接触区上具有平均粗糙度Ra＜0.12μm，优选为≤0.10μm，该平均粗糙度在10μm×10μm的区域上利用原子力显微镜(AFM)进行测量得出，且I(012)/I(024)的XRD衍射强度比率(峰高值减去背景值)≥1.3，优选为≥1.5。
优选的是，在TiCxNy层和α-Al2O3层之间存在厚度为0.2-2μm的TiCxNyOz结合层，x≥0，z＞0，且y≥0。这两层的总厚度≤25μm。
此外，根据本发明，附加层可引入基底和上述层之间的涂层结构中，该附加层由选自以下金属的金属氮化物和/或碳化物和/或氧化物组成Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、和Al，总涂层厚度＜5μm。
优选的是，在TiCxNy层中保留一些拉伸应力，其原因为发现在切削加工期间发生温度升高方面，这种诱发的压缩应力不像涂层仍然具有拉伸应力时一样稳定。还发现，如果压缩应力由喷砂所诱发，则需要很高的喷砂冲击力，在这种条件下，沿切削刃经常发生涂层的剥落。
内部TiCxNy层的残余应力σ由XRD测量、利用公知的sin2ψ方法确定，该方法描述在I.C.Noyan，J.B.Cohen的Residual Stress Measurementby Diffraction and Interpretation一文中(Springer-Verlag，纽约，1987(pp117-130))。通过用如图1所示的测角仪装置，利用TiCxNy(422)反射上的CuKα辐射进行测量。在尽可能平整的表面上进行测量。推荐使用具有六至十一个ψ角度的侧面倾斜技术(ψ几何)，该角度在0-0.5的sin2ψ范围等距(ψ＝45°)。还优选的是，在90°的Φ扇形内等距分配Φ角。为了证实双轴向应力状态，试样应当以Φ＝0°和90°旋转并以ψ倾斜。推荐研究出现剪切应力的可能性，因而测量负ψ角和正ψ角。在欧拉1/4支架的情况下，通过对于不同的ψ角度在Φ＝180°和270°时测量试样完成。sin2ψ方法用于优选利用一些商业软件对残余应力进行估算，软件诸如Bruker AXS DIFFACPlusStress32 v.1.04，其中杨氏模量恒定，E＝480Gpa，而泊松比在MTCVD Ti(C，N)层时为ν＝0.20，利用Pseudo-Voigt-Fit函数对反射进行定位。在以下的情况中，使用以下参数E模量＝480Gpa，而泊松比ν＝0.20。在双轴向应力状态的情况中，拉伸应力计算为所获得的双轴向应力的平均值。
对于α-Al2O3，由于所需的高2θ角XRD反射通常太弱，故通常不能够使用sin2ψ技术。然而，发现了有用的可选措施，这种措施使α-Al2O3的状态与切削性能相关。
对于α-Al2O3粉末，衍射强度比I(012)/I(024)接近1.5。PowderDiffraction File JCPDS No 43-1484规定I0(012)＝72，I0(024)＝48。对于硬质合金上的拉伸应力(σ大约＞350Mpa)的CVDα-Al2O3层，强度比I(012)/I(024)令人惊讶地显著小于期望值1.5，最通常为＜1。这可能是由于由拉伸应力所导致的晶格中的一些无序(disorder)。已经发现，当例如通过强烈的喷砂操作释放该层的应力时，或者如果该层完全从基底上除去和被粉化，则该比率I(012)/I(024)将更接近、等于或者甚至大于1.5。所施加的喷砂力越大高，该比率也将越大。因此，该强度比可用作α-Al2O3层的重要状态特征。
根据本发明，切削工具刀片具有CVD涂层，该CVD涂层包括倒数第二层的TiCxNy层和外部的α-Al2O3层。该Al2O3可根据专利EP 603 144制成，其为Al2O3层提供012方向的结晶织构，织构系数TC(012)＞1.3，优选＞1.5，或者根据专利US 5,851,687和US 5,702,808制成，其提供沿110方向的织构，织构系数TC(110)＞1.5。为了获得高的表面光滑度和低的拉伸应力水平，对涂层进行湿喷砂操作，其中，喷浆在水中由Al2O3的F1 50粒度(FEPA标准)组成，空气压力为2.2-2.6bar，时间为10-20秒/刀片。喷枪被布置为离刀片大约100mm，且成90°的喷角。该刀片在间隙侧具有与黑色的前刀面不同的颜色。优选的是，沉积TiN(黄色)、TiCxNy(灰色或青铜色)、ZrCxNy(微红色或青铜色)的最外的厚度为0.1-2μm的彩色层，其中x≥0，y≥0且x+y＝1，或者优选的是，沉积TiC(灰色)。然后，对该刀片进行喷砂，从而去除顶层，以暴露出黑色的Al2O3层。前刀面上的涂层将具有低的所需的拉伸应力50-500Mpa，而该间隙侧将具有高的拉伸应力，范围为500-700Mpa，根据涂层的选择和所使用的硬质合金刀片的热膨胀系数(CTE)，前刀面上的拉伸应力低于间隙面上的拉伸应力。在本发明的另一实施例中，在前刀面和间隙侧上对涂层刀片进行喷砂，且彩色的耐热漆层喷涂在间隙侧上，或者彩色的PVD层沉积于该处，以便获得可以辨认已使用过的切削刃的能力。
示例1制备以下试样A)硬质合金切削刀片，成分5.5wt-％Co，2.9wt-％TaC，0.5wt-％NbC，1.4wt-％TiC，0.9wt-％TiN，余量WC，平均晶粒尺寸为大约2μm，且表面区域由立方碳化物组成，厚度为29μm。
B)硬质合金切削刀片，成分5.5wt-％Co，2.9wt-％TaC，0.5wt-％NbC，1.9wt-％TiC，0.4wt-％TiN，余量WC，平均晶粒尺寸为大约2μm，表面区域由立方碳化物组成，厚度为18μm。
C)硬质合金切削刀片，成分5.5wt-％Co，2.9wt-％TaC，0.5wt-％NbC，1.6wt-％TiC，0.7wt-％TiN，余量WC，平均晶粒尺寸为大约2μm，表面区域由立方碳化物组成，厚度为23μm。
测量A)-C)的饱和磁化强度Ms为0.077hAm2/kg，CW-ratio为0.87。将A)-C)的刀片利用传统的CVD技术在930℃涂覆0.5μm厚的TiN层，然后利用MTCVD技术，使用TiCl4、H2、N2和CH3CN作为处理气体，在885℃涂覆7μm厚的TiCxNy层。在同一涂覆周期的随后的处理步骤中，利用TiCl4、CO和H2，在1000℃沉积大约为0.5μm厚的TiCxOz层，然后在沉积7μm厚的α-Al2O3之前，利用2％CO2、3.2％HCl和94.8％H2的混合物冲洗反应器2分钟来启动Al2O3处理。在顶部沉积有大约0.5μm的TiN层。沉积步骤期间的工艺条件如下
额外的刀片为D)与A)类型相同的硬质合金切削刀片，其不同仅在于TiCxNy层和α-Al2O3层的厚度，其厚度分别为6μm和10μm厚，利用相同的工艺条件制成，除了TiCxNy和Al2O3沉积时间分别为4h和10h。
E)与B)类型相同的硬质合金切削刀片，其不同仅在于TiCxNy层和α-Al2O3层的厚度分别为6μm和10μm，利用相同的工艺条件制成，除了TiCxNy和Al2O3沉积时间分别为4h和10h。
F)与C)类型相同的硬质合金切削刀片，其不同仅在于TiCxNy层和α-Al2O3层的厚度分别为6μm和10μm，利用相同的工艺条件制成，除了TiCxNy和Al2O3沉积时间分别为4h和10h。
根据A)-F)的刀片的沉积的Al2O3层的XRD分析表明其仅由α相组成，且织构系数TC(012)＝1.6，其如以下定义TC(012)=I(012)I0(012){1nΣI(hk1)I0(hk1)}-1]]>
其中I(hk1)＝(hk1)反射的被测强度I0(hk1)＝Powder Diffraction File JCPDS No 43-1484的标准强度N＝计算(hk1)反射中所使用的反射数目(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)。
根据A)-F)的涂层刀片通过前述的喷砂方法进行后处理，利用2.4bar的喷砂压力和暴露时间20秒对刀片的前刀面进行喷砂。
涂层表面的光滑度表示为公知的粗糙度值Ra，利用来自SurfaceImgaing System AG(SIS)的设备上的AFM进行测量。在前刀面上的切屑接触区中的十个随机选择的平表面(10μm×10μm)上测量粗糙度。来自这些十个Ra值的所得出的平均值MRa为0.11μm。
采用Siemens D5000，Bragg-Brentano衍射仪进行X光衍射分析，用于利用Cu Kα辐射确定I(012)/I(024)比率。
间隙侧上的所获得的I(012)/I(024)比率为大约1.4。前刀面上的相应的测量表明所获得的I(012)/I(024)比率为大约2.2。
利用X光衍射仪Bruker D8 Discover-GADDS上的ψ几何确定残余应力，该X光衍射仪装备有激光视频定位Euler 1/4-支架旋转阳极作为X光源(CuKα辐射)和区域探测器(Hi-star)。尺寸为0.5mm的瞄准仪用于聚焦光束。利用角度计设置2θ＝126°、ω＝63°、Φ＝0°、90°、180°、270°，执行对TiCxNy(422)反射的分析，对于每个Φ角，进行八个ψ在0°和70°之间的倾斜。Sin2ψ方法用于利用软件Bruker AXS的DIFFACPlusStress32v.1.04估算残余应力，其中杨氏模量恒定，E＝480Gpa，且泊松比ν＝0.20，利用Pseudo-Voigt-Fit函数对反射进行定位。确认双轴向应力状态，并将平均值用作残余应力值。在前刀面和间隙侧上进行测量。对于根据A)-F)的刀片，间隙侧上的所获得的拉伸应力为大约630Mpa。前刀面上的相应的测量表明对于根据A)-C)的刀片，获得大约为370MPa的拉伸应力，对于根据D)-F)的刀片，获得大约为390MPa的拉伸应力。
示例2测试示例1的刀片A)，并与商业上可获得的未喷砂刀片(在P1 5区域中的高性能刀片)进行关于间断切削的纵向车削操作中的韧性相比较。
材料炭钢SS1312切削数据切削速度＝120m/min切削深度＝1.5mm进给＝开始为0.15mm，逐渐以0.08mm/min的速度增加，直到刀刃断裂测试每个变型的10个刀刃刀片类型CNMG120408-PM结果断裂时的平均进给商业上可获得的刀片0.244mm/rev示例1的刀片A) 0.275mm/rev示例3测试示例1的刀片D)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于间断切削的纵向车削操作中的韧性相比较。
材料炭钢SS1312切削数据切削速度＝140m/min切削深度＝1.5mm
进给＝开始为0.15mm，逐渐以0.08mm/min的速度增加，直到刀刃断裂测试每个变型的10个刀刃刀片类型CNMG120408-PM结果断裂时的平均进给商业上可获得的刀片0.232mm/rev示例1的刀片D) 0.315mm/rev示例4测试示例1的刀片A)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于在SS2541的面向操作中的耐受总塑性变形相比较。
切削数据切削速度＝220m/min进给速度＝0.35mm/rev切削深度＝2mm工具寿命标准腹面磨损≥0.5mm结果达到工具寿命所需的加工周期数商业上可获得的刀片65示例1的刀片A) 85示例5测试示例1的刀片A)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于在SS2544-05的车削中接近刀刃的耐受塑性变形相比较。
切削数据
切削速度＝200m/min进给速度＝0.35mm/rev切削深度＝2.5mm工具寿命标准腹面磨损≥0.4mm结果达到工具寿命所需的加工周期数商业上可获得的刀片19示例1的刀片A) 27**对刀片A)的测试在27个周期之后提前地终止，且仍然未达到所限定的工具寿命标准。
示例3-5表明根据本发明的示例1的刀片A)和D)相比于根据现有技术的刀片表现出非常好的耐受塑性变形以及更好的韧性特性。
示例6测试示例1的刀片B)、C)、E)、和F)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于间断切削的纵向车削操作中的韧性相比较。
材料炭钢SS1312切削数据切削速度＝150m/min切削深度＝1.5mm进给＝开始为0.15mm，逐渐以0.08mm/min的速度增加，直到刀刃断裂测试每个变型的10个刀刃刀片类型CNMG120408-PM结果
示例7测试示例1的刀片B)和C)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于在SS2541的刮面(facing)操作中的抗总塑性变形相比较。
切削数据切削速度＝200m/min进给速度＝0.35mm/rev切削深度＝2mm工具寿命标准腹面磨损≥0.5mm刀片类型CNMG120408-PM结果
示例8测试示例1的刀片B)、C)、E)、和F)，并与相似于示例2的商业上可获得的刀片进行关于在SS2541的刮面操作中的耐受总塑性变形相比较。测试包括两种不同的刀片尺寸，代表为两种不同的刀片类型CNMG160612-PR(切削刃长度＝16mm)和CNMG190612-PR(切削刃长度＝19mm)。
切削数据切削速度＝220m/min进给速度＝0.35mm/rev切削深度＝3mm工具寿命标准腹面磨损≥0.5mm结果
权利要求
1.一种硬质合金的涂层切削工具刀片，其包括大体多边形或圆形的主体，该主体具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，其特征在于所述刀片的成分如下，4.4-6.6，优选地为5.0-6.0，最优选为5.0-5.8wt-％的Co，4-8.5wt-％的立方碳化物，余量的WC，CW-ratio在0.78-0.92范围内，且表面区域的厚度为10-40μm，并由立方碳化物TiC、TaC和/或NbC组成，所述刀片至少部分涂覆有10-25μm厚的涂层，该涂层包括至少一个TiCxNy层，其中x≥0，y≥0且x+y＝1，优选的是，TiCxNy由MTCVD沉积，和α-Al2O3层，该层为外层，其至少在前刀面上，且在所述至少一个前刀面上，-TiCxNy层的厚度从3μm，优选地从4μm，更加优选地从5μm，最优选地从6μm，至15μm，优选地至13μm，最优选地至10μm，且拉伸应力水平为50-500MPa，优选为50-450MPa，和-α-Al2O3层的厚度为从3μm，优选地从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选地至11μm，最优选地至10μm，其为最外层，且XRD衍射强度比率I(012)/I(024)≥1.3，优选为≥1.5，并且至少在前刀面的切屑接触区上、且在所述至少一个间隙面上具有平均Ra值MRa＜0.12μm，优选为≤0.10μm-TiCxNy层的拉伸应力在500-700Mpa的范围内，且-α-Al2O3层的XRD衍射强度比率I(012)/I(024)＜1.5，优选地涂覆有0.1-2μm厚的TiN、TiCxNy、ZrCxNy或TiC层，从而在该面上、或者在所述至少一个前刀面和所述至少一个间隙面上为刀片提供不同的颜色，-TiCxNy层的厚度从3μm，优选地从4μm，更加优选地从5μm，最优选地从6μm，至15μm，优选地至13μm，最优选地至10μm，且拉伸应力水平为50-500MPa，优选为50-450MPa，和-α-Al2O3层的厚度为从3μm，优选地从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选地至11μm，最优选地至10μm，XRD衍射强度比率I(012)/I(024)≥1.3，优选为≥1.5，且其为前刀面上的最外层，且至少在前刀面的切屑接触区上具有平均Ra值MRa＜0.12μm，优选为≤0.10μm，和在所述间隙面上，最外层由彩色的耐热漆层或彩色的PVD层组成。
2.如上述权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于在所述TiCxNy层和所述Al2O3层之间具有厚度为0.2-2μm的TiCxNyOz结合层，x≥0，z＞0，且y≥0。
3.如上述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述α-Al2O3层具有沿012方向的织构，织构系数TC(012)＞1.3，优选TC(012)＞1.5。
4.如上述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述α-Al2O3层具有沿110方向的织构，织构系数TC(110)＞1.5。
5.如上述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂层包括附加层，该附加层由选自以下金属的金属氮化物和/或碳化物和/或氧化物组成Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、和Al，总涂层厚度＜5μm。
6.如上述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于由立方碳化物组成的所述表面区域的厚度从15μm，或者可选为从20μm，至35μm，或者至30μm，或者可选至25μm。
全文摘要
本发明涉及一种CVD涂层切削工具刀片，其具有改进的韧度性能，该韧度性能具有经受高温的能力，而不牺牲刀刃安全性。该刀片涂层包括TiC
文档编号C23C16/06GK101088759SQ200710110159
公开日2007年12月19日 申请日期2007年6月18日 优先权日2006年6月16日
发明者安德斯·卡尔森, 卡塔利纳·达尔, 让·谢尔格伦, 彼得·利特克, 古尼拉·安德森 申请人:山特维克知识产权股份有限公司