涂层刀体和用于制造刀体的方法与流程

文档序号:16379147发布日期:2018-12-22 09:19阅读:243来源:国知局
该用于切削加工金属和金属合金(例如钢和铸铁)的切削刀具通常由基体和一层涂敷在基体上的涂层组成,该涂层能够包括一层或多层硬质材料,如氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氮化钛铝和/或氧化铝。该涂层用于使刀片更加坚硬和/或更耐磨并改善切削性能。为了涂敷该涂层不仅使用cvd(chemicalvapordeposition,化学气相沉积)方法,还使用pvd(physicalvapordeposition,物理气相沉积)方法。作为pvd方法尤其已知的是阴极电弧沉积(arc-pvd)和阴极溅射(溅射)。溅射时,通过以来自等离子体的高能离子进行撞击将来自阴极金属(靶材)的原子被撞击出来并且随后沉积在安排在靶材附近的基底上。在存在活性气体的情况下基底上会形成靶原子和活性气体的反应产物。通常使用稀有气体、例如氩作为产生等离子体的工作气体。pvd方法一般用于沉积氮化钛和氮化铝钛。铝的添加增加了氮化钛层的硬度和抗氧化性。同样已知的还有使用无钛层、如aicrn,这些无钛层可以掺有诸如硅等其他化学元素来改善涂层属性。pvd方法为了沉积硬质氧化铝层使用电压脉冲阴极,以避免非导电氧化铝造成金属靶材中毒。为了产生氧化铝层可以将两个带有铝靶材的磁控溅射源与一个正弦波发生器这样连接起来,即使得两个溅射源以介于20和100khz之间的脉冲交替频率交替地充当溅射组件的阳极和阴极。us8,709,583b2公布了一种具有基体并且其上涂敷有多层涂层的切削刀具,该涂层的第一层为层厚在1至5μm的氮化铝钛涂层并且第二层为层厚在1至4μm的氧化铝涂层,其中该涂层还在第二层氧化铝涂层上另外交替叠涂敷了n层氮化铝钛涂层和氧化铝涂层、每层层厚分别在0.1至0.5μm,其中n表示每个单独的层并且是0至10中的一个整数并且其中涂层的总层厚为2至16μm并且该涂层采用pvd方法产生。从us2014/193637a1中已知一种切削刀具,该切削刀具带有由硬质合金、金属陶瓷、钢或高速钢(hss)制成的基底和一个采用pvd方法在其上沉积的多层涂层,该涂层包括由一个或多个叠加安排的相同或不同的由氮化物或碳氮化物和含铬的、氧化物功能层形成的基层。该基层的氮化物或碳氮化物含有至少铝(ai)和钛、铬、硅、钇、钌和钼中任选的一种或多种其他金属。为了改善含铬功能层的结合,根据us2014/193637a1在基层和功能层之间设置一个中间层,该中间层由金属铝、铬、硅和/或锆中的一个或多个氧化物或氧氮化物组成,其中该中间层具有立方体结构。含铬功能层选自氧化铬(cr2o3)、氧氮化铬、氧化铝铬(alcr)2o3、氮氧铝铬或由铝、铬和其他来自铪、钇、锆和钌族中的其他金属形成的混合氧化物或混合氮氧化物,并且具有菱形结构。de102010052687公布了一种多层的氮氧化物层系统,该系统在基底上具有立方氮化铝和氮氧化铝、例如优选高速钢和硬质合金。该层系统的组成为:一个第一附着层、优选由元素铬、铝和氮组成,层厚介于0.1和0.5微米之间;一个第二支持层、优选由元素铬、铝和氮组成,层厚介于0.3和2.5微米之间;一个含氧的中间层、优选由元素铬、铝、氧和氮组成,层厚介于0.3和2.5微米之间以及一个含氧的氮氧化物层、优选由元素铬、铝、氧和氮组成,层厚介于0.3和2.5微米之间。在第二实施方式中,设置有另一个由硬质材料、例如氮化铝钛形成的覆盖层。从de102013005437中还已知一种带有由金属氮氧化物硬质材料层形成的涂层的切削刀具。该金属氮氧化物硬质材料层的金属元素通过物理的气相沉积从至少一个靶材中分离出来,其中该靶材包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨和铝族中的至少一种金属,并且优选地还包含钇、镍、钡和硅族中的至少一个元素,该靶材用于在不同的流程中、但使用相同的流程参数(除了组成活性气体外)沉积至少三层。第一参考层是金属氮化物层mep1on1nm1、且n1=0,该层使用氮作为活性气体进行沉积。第三参考层是金属氮氧化物层mep3on3nm3,采用原子百分数的氧浓度n3最高为30%,优选介于20%和30%之间。第二参考层是金属氮氧化物层mep2on2nm2,采用原子百分数的氧浓度n2高于n1并小于n3、并且优选在介于5%和20%之间的范围内,其中第二参考层和第三参考层使用氮和氧作为活性气体进行沉积。针对这些参考层还适用p1=p3=p2和p1/(m1+n1)=p3/(m3+n3)=p2/(m2+n2)。这些参考层不应包含氧化物相。本发明基于下述目的:为切削刀具提供更多涂层,这些涂层带有改进了的性能和提高了的使用寿命,用于切削加工不同的金属和金属合金。该目的根据本发明通过一种涂层刀体实现,该刀体带有基底和通过物理的气相沉积涂敷在基底上的抗磨损的涂层,其中该涂层包括以下部分:一层涂敷在基底上的基础层,其厚度为1至10μm、优选1至5μm,其中该基础层由铝的氮化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成;以及一层紧邻着该基础层的覆盖层,其厚度为0.1至5μm、优选0.1至3μm,其中该覆盖层包括至少一个由氮氧化物层和一个安排在氮氧化物层上的氮化物层组成的交替层,其中该氮氧化物层由铝的氮氧化物和可选地由铬、铪、锆、钇、硅及其组合组成的族中的其他金属形成,并且该氮化物层由铝的氮化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成;并且其中根据氮氧化物层中的氮和氧的比例,所述氮氧化物层具有小于50at%的氮含量。通过在氧化铝的晶格中嵌入氮和可选地其他金属、例如铬、铪、锆、钇和/或硅来形成氮氧化物层将会令人惊奇地成功使带有根据本发明的带涂层的基底的切削刀具在湿式和/或干式铣削诸如钢、尤其是不锈钢(ss)或高速钢(hss)和/或铸铁时与带有已知涂层的切削刀具相比使用寿命得到了明显提高。提供至少一层由氮氧化物层和氮化物层组成的交替层导致覆盖层能够整体构造地更薄,同时不降低带涂层的切削刀具的使用寿命。发明人发现,通过将氮嵌入到氧化铝的晶格中的改性层与纯氧化物层相比具有更高的硬度。同时改善了高温下的耐磨损性。与可选地掺有氧的氮化物层相比,根据本发明的涂层的抗氧化性得到了改进并且至少达到了相当的硬度和抗磨损性。为了制造根据本发明的带涂层的刀体而适用的基底是已知的。例如基底可以由硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼(pcbn)、钢或高速钢制成。在一种优选的实施方式中,涂层的基础层由氮化铝钛(altin)和/或氮化铝钛硅(altisin)组成、特别优选由氮化铝钛组成。氮化铝钛(altin)非常适合用作基础层,因为其非常坚韧和坚硬并且尤其在切削加工金属时出现的高温下具有出色的磨损性能。在根据本发明的带抗磨损涂层的刀体上,该基础层一般具有60:40至70:30的al:ti原子比,优选62:38至68:32。所有数值范围说明都要包括指定的最终值。在涂层中与基础层相邻的覆盖层可以具有重复1至10次、优选3至5次、由氮氧化物层和氮化物层组成的至少一个交替层。这种由氮氧化物层和氮化物层组成的交替层的厚度优选在大约0.1μm至1μm的范围内。氮氧化物层和氮化物层各自的厚度在0.05至0.95μm的范围内。在至少一个交替层中的氮氧化物层优选由铝的氮氧化物、尤其是aloxn1-x或铝和铬的氮氧化物、尤其是(al,cr)oxn1-x形成,特别优选由氮氧化铝形成,其中分别为0.5<x≤0.99。铝和铬的氮氧化物中的铬含量可以高于、等于或低于铝的含量。优选地,铝和铬的氮氧化物是衍生自氧化铝al2o3并掺有铬的氮氧化物。特别优选地,氮氧化物层分别含有1至30at%的氮、优选2至15at%。氮氧化物层中的氮含量提升了与氮化物层和/或基础层的结合并且由此改善了涂层的抗磨损性。进一步优选的是,在至少一个交替层中在氮氧化物层和氮化物层之间以及可选地在连续的交替层之间各设置一个中间层,该中间层由铝的氮氧化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成,优选由铝和钛的氮氧化物、尤其是(al,ti)oxn1-x且0<x<1形成,其中x和/或al/ti比例可根据中间层的厚度而变化。该中间层优选具有一种氧梯度,其中中间层中的氧含量分别在氮氧化物层的方向上增加并且/或者在氮化物层的方向上减少。通过一方面在交替层中的氮氧化物层和位于其上的氮化物层之间以及另一方面在交替层的外部氮化物层和跟随交替层的另一个交替层上的氮氧化物层之间安排中间层,可以实现氮氧化物层和氮化物层彼此更好的结合。由此能够进一步改善涂层的抗磨损性。此外还可以在基础层和与其相邻的至少一个交替层之间设置中间层。该中间层然后直接涂敷在基础层上,并且该至少一个交替层直接位于中间层上。在这种情况下,该中间层也由铝的氮氧化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成,优选由铝和钛的氮氧化物、尤其是(al,ti)oxn1-x且0<x<1形成。基础层上的中间层能够在氮氧化物层的方向上具有增加的氧梯度并且/或者根据中间层的厚度变化的al/ti的比例。优选地,该中间层具有小于1μm的厚度、优选小于0.5μm并且特别优选小于0.2μm。例如已经通过在5至100nm的范围内的中间层的层厚实现了特别好的结果。最后,出于装饰目的和/或作为使用指示剂,该涂层可以具有一层由氮化钛、氮化锆、氮化铬或氮铬化铝或这些化合物的混合物形成的最外层,这一层呈现金色至银色。该最外层实现了可以用肉眼识别装备有该最外层的切削刀具的切削刃的使用情况。在一种用于制造根据本发明的带抗磨损涂层的刀体的方法中,在例如由硬质合金、金属陶瓷、聚晶立方氮化硼(pcbn)、钢或高速钢制成的基底上,通过物理的气相沉积涂敷一层涂层,该涂层具有一层厚度在1至10μm、优选1至5μm并且特别优选3至4.5μm的基础层和一层厚度在0.1至5μm、优选0.1至3μm的覆盖层。基础层和覆盖层、包括至少两层由氮氧化物层和氮化物层形成的交替层以及可选地中间层、基本上可以通过任何对此合适的pvd方法进行沉积。但是优选磁控溅射、反应磁控溅射、双磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射(hipims)或同时采用阴极溅射(溅射沉积)和阴极电弧沉积(arc-pvd)。特别优选通过阴极电弧沉积(arc-pvd)对涂层的所有层进行沉积,因为使用该方法可以沉积特别坚固同时致密的层。此外发明人已确定,借助arc-pvd工艺生成的液滴可以很好地进一步处理,并且因此通过该方法提供一种用于沉积根据本发明的涂层的稳定且灵活的制造方法。对于本发明至关重要的是,在用于制造根据本发明的带抗磨损涂层的刀体的方法中,在用于将涂层涂敷到基底上的pvd方法中持续供应氮,但是根据涂层各层所需的成分进行相应调节。本发明的主题因此还涉及一种用于制造带抗磨损涂层的刀体的方法,该方法包括以下步骤:提供基底;在基底上涂敷一层基础层,其厚度为1至10μm、优选1至5μm,其中该基础层通过物理的气相沉积由铝的氮化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成;在所述基础层上方涂敷至少一层氮氧化物层,其中所述氮氧化物层通过物理的气相沉积由铝的氮氧化物和可选地由铬、铪、锆、钇、硅及其组合组成的族中的其他金属形成;在所述氮氧化物层上方涂敷一层氮化物层,其中所述氮化物层通过物理的气相沉积由铝的氮化物和钛、铬、硅、锆及其组合组成的族中的至少一种其他金属形成,以及可选地重复涂敷所述氮氧化物层和所述氮化物层的步骤;其特征在于,在对所述基础层、所述氮氧化物层和所述氮化物层进行气相沉积的过程中持续不断地并且可控地供应氮。优选地,在涂敷基础层和/或覆盖层的至少一个交替层中的氮化物层期间,n2分压力处于1至8pa、优选2至5pa并且进一步选优3至4pa的范围内。作为阴极可以尤其使用混合的、可选地掺有铬、硅和/或锆的al/ti阴极。al/ti阴极的原子比例优选处于60:40至70:30的范围内。在这一方法步骤中,阴极电流优选处于150至250a的范围内、进一步优选处于180至220a的范围内。在气相沉积氮氧化物层的方法步骤中,以10至100标准立方厘米/分钟(sccm)的量、优选以40至60sccm的量供应氧。在此根据本发明继续供应氮,同时保持氮的分压力在1至8pa、优选2至5pa并且进一步优选3至4pa的范围内。尤其地,在气相沉积氮氧化物层的过程中可以将氮的分压力调节到低于气相沉积基础层或交替层的氮化物层时氮的分压力。特别优选地,涂敷氮氧化物层过程中的氮的分压力大约为涂敷氮化物层过程中的分压力的70至90%。作为用于气相沉积氮氧化物层的阴极,可以使用尤其铝阴极、可选地掺有铬、铪、锆、钇、硅、并且尤其是混合的al/cr阴极。阴极电流在涂敷氮氧化物层的过程中优选处于100至140a的范围内。优选在气相沉积氮氧化物层时保持供应的氧的量不变。为了在涂敷氮氧化物层之前和/或之后形成中间层,氧的供应可以以上升或下降斜坡的形式随着体积流量的增加或减少进行供应。尤其地,氧的供应可以在随后的氧化物层的方向上沉积氮化物层之后以逐渐或连续增加的体积流量进行,并且在随后的氮化物层的方向上沉积氮氧化物层之后以逐渐或连续减小的体积流量进行。优选地,在形成中间层的过程中供应的氧的体积流量在涂敷氮氧化物层时供应的体积流量的约50%至100%的范围内变化。在从基础层或氮化物层到氮氧化物层过渡时,氧的体积流量优选地以上升斜坡的形式调节。在从氮氧化物层到相邻的氮化物层过渡时,氧的体积流量优选地以下降斜坡的形式调节。氮的分压力在形成中间层的过程中优选保持在1至8pa、优选在2至5pa的范围内。尤其地,在涂敷中间层的过程中氮的分压力调节得比涂敷氮化物层时的低。特别优选地,涂敷中间层过程中的氮的分压力大约为涂敷氮化物层过程中的分压力的70至90%。为了涂敷中间层,优选组合使用用于涂敷基础层和氮化物层所用的阴极与另一铝阴极。优选地,铝阴极上的阴极电流在涂敷中间层的过程中处于100至140a的范围内,并且al/ti阴极上的阴极电流处于120至180a的范围内、并且优选介于约120和160a之间。本发明的其他特征和优点从优选实施方式的以下描述中得出。下面的示例仅用于解释本发明并且不应以限制性的意义进行理解。制造实例1在欧瑞康巴尔查斯(oerlikon-balzers)公司的innovatm型pvd涂层设备中,通过阴极电弧沉积为用于由碳化钨硬质合金(钴的重量百分比约为10%)制成的切削刀具的基底装备了一个氮化铝钛形成的基础层和一个由三个依次排列的交替层形成的覆盖层,这三个交替层各有一个由aloxn1-x形成的氮氧化物层和一个氮化铝钛形成的氮化物层。在基础层和第一交替层的氮氧化物层之间、在每个交替层的氮氧化物层和氮化物层之间以及在相邻的交替层之间各自沉积了一个带有氧梯度的由altioxn1-x形成的中间层。为了沉积含有钛的层,使用了带有al67ti33(at%)成分的阴极。在整个上涂层期间,氮的分压力始终调节在3.0至3.5pa的范围内。沉积氮氧化物层和中间层的过程中,以30至50sscm的体积流量供应氧。氮化铝钛(altin)基础层的厚度为3.7μm。该覆盖层的总厚度为1.9μm,由此得出涂层的总厚度为5.6μm。沉积在基底上的该涂层的其他参数在下面的表1中给出:表1:pvd涂层结构层成分阴极基础层altinalti覆盖层中间层altioxni-xalti/al氮氧化物层aloxni-xal中间层altioxni-xalti/al氮化物层altinalti中间层altioxni_xalti/al氮氧化物层aloxni-xal中间层altioxni-xalti/al氮化物层altinalti中间层altioxni-xalti/al氮氧化物层aloxni-xal中间层altioxni-xalti/al氮化物层altinalti制造实例2用于由碳化钨硬质合金(钴的重量百分比约为10%)制成的切削刀具的基底已在pvd涂层设备中通过阴极电弧沉积装备了一个由氮化铝钛形成的基础层和一个由单个的交替层形成的覆盖层,该交替层带有一个由(al,cr)oxn1-x形成的氮氧化物层和一个由氮化铝钛形成的氮化物层。在基础层和交替层的氮氧化物层之间以及在交替层的氮氧化物层和氮化物层之间各自沉积了一个带有氧梯度的由(al,cr)tioxn1-x形成的中间层。各层的沉积按照制造实例1中给出的参数进行。为了沉积氮氧化物层以及中间层采用了带有al70cr30(at%)成分的阴极来代替铝阴极。基础层和氮化物层的沉积分别使用alti阴极进行。氮化铝钛基础层的厚度为3.6μm。该覆盖层的总厚度为0.8μm,由此得出涂层的总厚度为4.4μm。制造实例3在pvd涂层设备中,制造了一个用于由重量百分比为85.5%的碳化钨、重量百分比为2.5%的混合碳化物和重量百分比为12%的钴制成的切削刀具的硬质合金基底,该基底带有一个由氮化铝钛形成的基础层和一个由三个依次排列的交替层形成的覆盖层,这些交替层各有一个由aloxn1-x形成的氮氧化物层和一个由氮化铝钛形成的氮化物层。在基础层和第一交替层的氮氧化物层之间、在每个交替层的氮氧化物层和氮化物层之间以及在相邻的交替层之间各自沉积了一个带有氧梯度的由altioxn1-x形成的中间层。其他涂层参数参见制造实例1。氮化铝钛基础层的厚度为3.5μm。该覆盖层的总厚度为1.8μm,由此得出涂层的总厚度为5.3μm。制造实例4用于由重量百分比为81.5%的碳化钨、重量百分比为10.5%的立方混合碳化物和重量百分比为8%的钴制成的切削刀具的硬质合金基底已在pvd涂层设备中装备了一个由氮化铝钛形成的基础层和一个由三个依次排列的交替层形成的覆盖层,这些交替层各有一个由(al,cr)oxn1-x形成的氮氧化物层和一个由氮化铝钛形成的氮化物层。在基础层和交替层的氮氧化物层之间以及在交替层的氮氧化物层和氮化物层之间各自沉积了一个带有氧梯度的由(al,cr)tioxn1-x形成的中间层。各层的沉积按照制造实例1中给出的参数进行。为了沉积氮氧化物层以及中间层采用了带有al85cr15(at%)成分的阴极来代替铝阴极。氮化铝钛基础层的厚度为3.1μm。该覆盖层的总厚度为1.8μm,由此得出涂层的总厚度为4.9μm。比较实例1为了进行比较,在欧瑞康巴尔查斯(oerlikon-balzers)公司的innovatm型pvd涂层设备中通过阴极电弧沉积为制造实例1至4的硬质合金基底装备了一个氮化铝钛涂层。al:ti的原子比例大约为67:33。该氮化铝钛涂层的厚度范围大约为3.3至4.1μm。比较实例2在pvd涂层设备中,为用于由重量百分比为85.5%的碳化钨、重量百分比为2.5%的混合碳化物和重量百分比为12%的钴制成的切削刀具的硬质合金基底装备了一个由氮化铝钛形成的基础层和一个由单个的交替层形成的覆盖层,该交替层带有一个由(al,cr)2o3形成的氮氧化物层和一个由氮化铝钛形成的氮化物层。为了沉积氮氧化物层采用了al:cr原子比例为70:30的阴极。氮化铝钛基础层的厚度为2.8μm。该覆盖层的总厚度为2.0μm,由此得出涂层的总厚度为4.8μm。切削加工试验1在使用6齿面铣刀在1.4301类钢材制造的工件上进行的铣削试验中,使用了根据制造实例1的带有hngj0905ansn-gd刀片槽型的切削刀具并且将其与根据比较实例1上涂层的相应切削刀具进行了比较。该铣刀在单齿试验中以120m/min的切削速度vc、1mm的切削深度ap在55mm的接触宽度上运行。齿进给量为0.25mm。该铣削加工以干式进行,无需冷却。切削表面磨损大于0.2mm或切削刃断裂表示使用寿命结束。使用根据本发明上涂层的切削刀具能够实现7.5m铣削长度的使用寿命。根据比较实例1上涂层的切削刀具的使用寿命仅为4.5m。切削加工试验2在使用6齿面铣刀在1.4301类钢材制造的工件上进行的铣削试验中,使用了根据制造实例2的带有hngj0905ansn-gd刀片槽型的切削刀具并且将其与根据比较实例1上涂层的相应切削刀具进行了比较。该铣刀在单齿试验中以100m/min的切削速度vc、1mm的切削深度ap在50mm的接触宽度上运行。齿进给量为0.25mm。该切削加工需要乳化冷却。切削表面磨损大于0.2mm或切削刃断裂表示使用寿命结束。使用根据本发明上涂层的切削刀具能够实现2.4m铣削长度的使用寿命。根据比较实例1上涂层的切削刀具的使用寿命仅为1.8m。切削加工试验3在使用6齿直角铣刀在1.4301类钢材制造的工件上进行的铣削试验中,使用了根据制造实例3的带有xpht160412刀片槽型的切削刀具并且将其与根据比较实例1和2上涂层的相应切削刀具进行了比较。该铣刀在单齿试验中以250m/min的切削速度vc、2.5mm的切削深度ap在24mm的接触宽度上运行。齿进给量为0.15mm。该铣削加工无需冷却。切削表面磨损大于0.3mm或切削刃断裂表示使用寿命结束。使用根据本发明上涂层的切削刀具能够实现2.1m铣削长度的使用寿命。根据比较实例1和2上涂层的切削刀具的使用寿命分别仅为1.2m。切削加工试验4在使用6齿直角铣刀在en-gjs-700类球墨制造的工件上进行的铣削试验中,使用了根据制造实例4的带有xpht160412刀片槽型的切削刀具并且将其与根据比较实例1上涂层的相应切削刀具进行了比较。该铣刀在单齿试验中以250m/min的切削速度vc、1mm的切削深度ap在20mm的接触宽度上运行。齿进给量为0.25mm。该铣削加工无需冷却。切削表面磨损大于0.1mm或切削刃断裂表示使用寿命结束。使用根据本发明上涂层的切削刀具能够实现12.8m铣削长度的使用寿命。根据比较实例1上涂层的切削刀具的使用寿命仅为9.0m。根据本发明的涂层由此能够将切削刀具的使用寿命延长逾30%、部分大大超过70%。当前第1页12
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