涂层切削工具的制作方法

本发明涉及一种用于切屑成形金属机械加工的涂层切削工具。

背景技术：

自20世纪80年代中期以来，已经作出努力来改善切削工具涂层的特性例如耐磨性以及因此改善其性能。那时，通常的做法是用tin涂覆切削工具。然而，由于其在高温下的抗氧化性相对较差，因此建议在(ti,al)n中合金化al并在20世纪80年代中期实施且获得良好的结果。目前，(ti,al)n基涂层是金属切削应用中所用的最常用的硬质且保护性的涂层材料。作为整料层和/或叠层涂层结构的一部分的(ti,al)n的立方b1结构结合了吸引人的机械性能，例如高硬度和改进的耐温性和抗氧化性，从而在金属机械加工应用中提供了良好的性能。(ti,al)n的技术优势及其优异的物理性能，特别是在高温下，部分地通过亚稳态分解过程来解释，在该过程期间立方(ti,al)n同构地分解为相干的立方c-aln富集域和c-tin富集域。相干的c-aln富集域和c-tin富集域之间的弹性性质和晶格失配的组合导致显著的时效硬化，在此期间(ti,al)n薄层的硬度显示出增加15％至20％。在进一步老化时，c-aln转变成热力学稳定的六方纤锌矿b4结构，h-aln产生包含c-tin和h-aln的双相结构，其具有降低的机械性能。

钛基合金(其属于isos材料类别)的机械加工，特征通常在于工具寿命短且金属去除率低。这是由于具有低导热率的钛导致在工件中产生高温，这反过来在工具中产生不利的温度分布。通常使用湿法机械加工以最小化热量的产生，从而增加工具寿命。当基材是烧结碳化物时，无涂层的烧结碳化物切削刀片传统上用于钛基合金的机械加工。然而，近年来，更常见的是使用通常具有包含(ti,al)n的涂层的涂层碳化物基材。

当今的行业不断寻求经济且高生产率制造的解决方案。为了满足这些要求，需要具有先进特性的新材料以改善操作期间的工具寿命，特别是在以下材料的操作期间情况如此：isom材料如不锈钢，和isos材料，其为钛合金和耐热超级合金如镍基、铁基和钴基合金。在金属切削工具行业内，这种努力的主要部分集中在，通过设计在应用中使用的涂层材料的特性来改善切削工具的磨损行为。通常，高生产率的切削工艺导致工具温度的急剧增加，因此具有高温耐磨性的涂层材料是必要的。对于将用于加工isos和isom材料的切削工具，所考虑的另一个特性是工件材料粘附到切削刃上，这通常造成工具寿命缩短。

本发明的目的

本发明的一个目的是提供一种涂层切削工具，其具有用于机械加工isom和isos材料的涂层，所述涂层切削工具具有改进的切削性能，例如粘附材料减少、摩擦较低、工作温度降低、耐磨损性能优异和工具寿命增加。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种涂层切削工具，其包括主体和所述主体上的坚硬耐磨涂层，所述涂层包括至少一个nbn层，其厚度在0.2μm与15μm之间，并且包含立方相c-nbn和六方相h-nbn的相混合物，所述nbn层的x射线衍射峰面积强度比为0.4<r0<1，其中r0＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ih-nbn(100))，并且其中ic-nbn(200)和ih-nbn(100)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和h-nbn(100)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r0为0.6<r0<1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r0为0.8<r0<1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：0.5<r1≤1，其中r1＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ih-nbn(101))，并且其中ic-nbn(200)和ih-nbn(101)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和h-nbn(101)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r1为0.6<r1≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r1为0.7<r1≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r1为0.8<r1≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r1为r1＝1。

根据本发明的一个实施方式，所述立方相c-nbn具有如下晶体取向关系：0.2<r2≤1，其中r2＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ic-nbn(111))，并且其中ic-nbn(200)和ic-nbn(111)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和c-nbn(111)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.4<r2≤1。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.6<r2≤1。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.5<r2<0.9。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.6<r2<0.9。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.5<r2<0.8。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r2为0.6<r2<0.8。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：0≤r3<0.5，其中r3＝ih-nbn(101)/(ih-nbn(101)+ic-nbn(200))，并且其中ic-nbn(200)和ic-nbn(101)分别是从利用cu-kα辐射对于立方相c-nbn(200)和六方相h-nbn(101)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r3为0≤r3<0.35。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：0.2<r4≤1.0，其中r4＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ih-nbn(103)+ih-nbn(110))，其中ic-nbn(200)、ih-nbn(103)和ih-nbn(110)分别是从利用cu-kα辐射对于立方相c-nbn(200)、六方相h-nbn(103)和六方相h-nbn(110)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r4为0.3≤r4≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r4为0.5≤r4≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r4为0.7≤r4≤1.0。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：0≤r5<0.5，其中r5＝ih-nbn(101)/(ih-nbn(101)+ih-nbn(103)+ih-nbn(110))，并且其中ih-nbn(101)、ih-nbn(103)和ih-nbn(110)分别是从利用cu-kα辐射对于六方相h-nbn(101)、h-nbn(103)和h-nbn(110)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：2<r6<6，其中r6＝(ih-nbn(103)+ih-nbn(110))/ic-nbn(220)，其中ic-nbn(220)、ih-nbn(103)和ih-nbn(110)分别是从利用cu-kα辐射对于立方相c-nbn(220)、六方相h-nbn(103)和六方相h-nbn(110)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，包括立方c-(ti1-xalx)ny层的涂层布置在所述主体与所述nbn层之间，其中0<x<0.7，优选0.4<x<0.7，且0.7<y<1.1。

根据本发明的一个实施方式，0.5<x<0.7。

根据本发明的一个实施方式，0.5<x<0.6。

根据本发明的一个实施方式，0.7<y<1.05。

根据一个实施方式，所述涂层包括c-(ti1-xalx)ny层和nbn层，其中从涂层切削工具的切削刃、侧刀面或前刀面的一端到另一端在涂层厚度的最薄部分上测量，厚度比为优选最优选并且总涂层厚度为0.2μm至15μm，优选0.2μm至10μm，最优选0.2μm至5μm。

根据一个实施方式，所述涂层包括c-(ti1-xalx)ny层，其厚度为0.2μm至15μm，优选0.2μm至10μm，更优选0.5μm至5μm；和nbn层，其厚度为0.1μm至10μm，优选0.1μm至5μm，最优选0.2μm至3μm，该厚度是从涂层切削工具的切削刃、侧刀面或前刀面的一端到另一端在涂层厚度的最薄部分上测量的。

根据本发明的一个实施方式，所述c-(ti1-xalx)ny层任选含有各自小于5原子％的以下任一种：立方相c-tin、立方相c-aln和六方相h-aln。

根据本发明的一个实施方式，所述c-(ti1-xalx)ny层具有如下晶体取向关系：0.5<r7≤1，其中并且其中和分别是从利用cu-kα辐射对于c-(ti1-xalx)ny(200)和c-(ti1-xalx)ny(111)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r7为0.6<r7≤1。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r7为0.5<r7<0.9。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r7为0.6<r7<0.9。

根据本发明的一个实施方式，所述峰面积比r7为0.5<r7<0.8。

根据本发明的一个实施方式，所述涂层可含有少量的以下中的至少一种：氧(o)和碳(c)，总浓度为0至5原子％，优选0至2原子％，最优选0至1原子％。

如本说明书和权利要求中所述的主体应理解为其上沉积有坚硬耐磨pvd涂层的基材。通常对于切削工具而言，该主体(例如切削工具刀片)可以是实心主体或包括支持体(backingbody)的主体，在所述支持体上安置有附加材料，所述附加材料覆盖前刀面上的切削刃，即所谓的镶刃(tipped)主体，或使得它覆盖全部前刀面，即所谓的全面主体。镶刃解决方案或全面解决方案通常用于基于多晶金刚石或多晶立方氮化硼材料的切削技术中。

根据一个实施方式，所述主体包括烧结碳化物，所述烧结碳化物包含wc和4-15重量％co。

根据本发明的涂层切削工具的一个优点在于，在其中工件粘附到切削刃上通常设定了降低工具寿命的条件的应用中，实现了具有改进的金属切削性能的涂层切削工具。根据本发明的涂层切削工具的另一个优点是，坚硬耐磨涂层降低了其工作温度并因此提高了其使用寿命或者其生产率，从而能够得到更先进的切削参数。涂层切削工具特别适合用于isom和isos材料的金属切削中。

根据本发明的第二方面，提供了根据任何上述实施方式的涂层切削工具在机械加工isom和isos材料如不锈钢、钛和钛合金中的用途，切削速度为10-400米/分钟，优选35-300米/分钟，平均进给量为0.05-0.5毫米/转，优选0.1-0.4毫米/转，这取决于切削速度和刀片几何形状。

根据一个实施方式，涂层切削工具是用于机械加工isos材料如钛和钛合金的钻头。优选地，所述钻头以10-100米/分钟、优选35-80米/分钟的切削速度使用，平均进给率为0.05-0.50毫米/转，优选0.1-0.4毫米/转。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施方式的c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的断裂横截面图sem显微照片，其中c-(ti1-xalx)ny层i布置在主体s与nbn层ii之间。

图2示出了根据本发明一个实施方式的a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的x射线θ-2θ衍射图。

图3示出了根据本发明一个实施方式的a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的掠入射θ＝1.5°的x射线检测器2θ衍射图。

图4示出了根据本发明一个实施方式的刚沉积的c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的x射线θ-2θ衍射图，其包括准voigt峰形拟合衍射峰。表中列出了拟合中使用的每个峰位置(2θ)。

具体实施方式

根据本发明的一个实施方式，提供了一种涂层切削工具，其包括主体和所述主体上的坚硬耐磨涂层，所述涂层包括至少一个nbn层，所述nbn层包含立方相c-nbn和六方相h-nbn的相混合物，其中x射线衍射峰面积强度比为0.4<r0<1.0，其中r0＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ih-nbn(100))，并且其中ic-nbn(200)和ih-nbn(100)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和h-nbn(100)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。从涂层切削工具的切削刃、侧刀面或前刀面的一端到另一端在涂层厚度的最薄部分上测量，所述nbn层具有0.2μm至15μm的厚度。

根据本发明的一个实施方式，所述nbn层具有如下晶体取向关系：0.5<r1≤1，优选0.6<r1≤1.0，最优选0.7<r1≤1.0，其中r1＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ih-nbn(101))，并且其中ic-nbn(200)和ih-nbn(101)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和h-nbn(101)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，所述立方相c-nbn具有如下晶体取向关系：0.2<r2≤1，优选0.4<r2≤1，最优选0.6<r2≤1，其中r2＝ic-nbn(200)/(ic-nbn(200)+ic-nbn(111))，并且其中ic-nbn(200)和ic-nbn(111)分别是从利用cu-kα辐射对于c-nbn(200)和c-nbn(111)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

根据本发明的一个实施方式，包括立方c-(ti1-xalx)ny层(其中0<x<0.7和0.7<y<1.1，优选0.4<x<0.7)的所述涂层布置在主体与nbn层之间。

根据一个实施方式，所述涂层包括c-(ti1-xalx)ny层，其厚度为0.2μm至15μm，优选0.2μm至10μm，更优选0.5μm至5μm；和nbn层，其厚度为0.1μm至10μm，优选0.1μm至5μm，最优选0.2μm至3μm，该厚度是从涂层切削工具的切削刃、侧刀面或前刀面的一端到另一端在涂层厚度的最薄部分上测量的。

根据本发明的一个实施方式，所述c-(ti1-xalx)ny层具有如下晶体取向关系：0.5<r7≤1，优选0.6<r7≤1，其中并且其中和分别是从利用cu-kα辐射对于c-(ti1-xalx)ny(200)和c-(ti1-xalx)ny(111)衍射峰获得的θ-2θ扫描的准voigt峰形拟合结果中提取的x射线衍射峰面积。

使用配备有thermonoraneds的在20kv下操作并垂直入射到涂层表面的leoultra55扫描电子显微镜(sem)，通过能量色散谱(eds)分析区域来估算层的平均组成。使用工业标准和zaf校正进行定量分析。使用noransystemsix(nss第2版)软件评估金属组成。

用于涂层的沉积方法基于pvd技术，优选阴极电弧沉积，其在含有n2和任选混合有ar的反应性气体气氛中使用一种或多种纯的、复合的或合金的阴极，总气压为1.0pa至7.0pa，优选2.5pa至5pa。对气体混合物和阴极组成都进行选择，以达到沉积的nbn和(ti1-xalx)ny(0.4<x<0.7和0.7<y<1.1)层的目标组成。沉积是在50a至200a的蒸发电弧电流，20v至300v、优选20v至150v、最优选20v至60v的负基材偏压，和200℃至800℃、优选300℃至600℃的沉积温度下进行的。对于较大的阴极而言需要较高的蒸发电流，以实现相当的沉积条件。

所述涂层具有柱状微结构，其平均柱宽<1μm，优选<0.9μm，更优选<0.8μm，这是从通过在20kv下操作的leoultra55扫描电子显微镜获得的扫描电子显微镜显微照片中估算的，其是从层的中间区域，即在生长方向上的层厚度的30％至70％的区域内来估算，并且所述平均柱宽是至少10个相邻柱的平均值。

图1示出了根据本发明一个实施方式的由布置在主体(s)与nbn层(ii)之间的c-(ti0.45al0.55)n层(i)组成的c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的断裂横截面图sem显微照片。

使用brukeraxsd8-advancex射线衍射仪以及在bragg-brentano和掠入射角配置中的cukα辐射通过x射线衍射(xrd)进行涂层相检测。通常，多晶混合相材料中每个相的检测极限小于5体积％。

图2分别示出了根据本发明两个实施方式的a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的33°≤2θ≤63°的θ-2θx射线衍射图。a和b衍射图都显示源自wc-co基材s以及立方c-nbn、六方h-nbn和立方c-tialn的涂层相的衍射峰。关于jcpds卡38-1155(c-nbn)、25-1361(h-nbn)和38-1420(c-tialn)对涂层相进行标引。对于立方c-nbn和c-tialn相，在衍射图中标出(111)和(200)衍射峰位置。对于c-nbn相，也标出了c-nbn(220)峰的位置。c-nbn和c-tialn相都显示200优选取向，其各自的(200)衍射峰具有更强的衍射强度。对于h-nbn相，在衍射图中也标出了(100)、(101)、(103)和(110)衍射峰的位置。少量的、接近或低于衍射技术的检测极限的立方相c-tin、立方相c-aln和六方相h-aln相不可忽略。

进行掠入射xrd以揭示不同涂层相的细节，即避免来自wc-co基材的衍射强度的重叠。图3分别示出了根据本发明两个其它实施方式的a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的33°≤2θ≤63°的掠入射θ＝1.5°的x射线检测器2θ衍射图。a和b衍射图显示源自立方相c-nbn、六方相h-nbn和立方相c-tialn相的衍射峰。对于立方c-nbn和c-tialn相，在衍射图中标出其各自的(111)和(200)衍射峰位置。此外，对于c-nbn，还标出了c-nbn(220)峰。对于h-nbn相，在衍射图中标出了(100)、(101)、(103)和(110)衍射峰的位置。少量的、低于检测极限的基材材料以及立方相c-tin、立方相c-aln和六方相h-aln不可忽略。

xrd衍射图中的结晶峰的位置和面积(积分强度)是使用根据表1的每个结晶峰和初始峰位置的准voigt函数进行拟合的。此外，拟合函数含有线性项以说明由背景产生的残余散射。使用brukeraxstopas2.1软件进行xrd数据峰拟合。

表1.

图4示出了根据图3中涂层b的刚沉积的c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的x射线θ-2θ衍射图。

表2示出了根据本发明的实施方式的a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的准voigt拟合结果。

表2.

不同的xrd衍射峰与a：c-(ti0.34al0.66)n/nbn和b：c-(ti0.45al0.55)n/nbn涂层的相应拟合峰面积强度和多种峰面积强度比的相关性分别示于表3和表4中。

表3.

表4.

根据本发明的一个实施方式，所述主体是一种切削工具，其包括例如用于铣削、车削和钻孔应用的可转位切削刀片和用于通过切屑去除进行机械加工的实心钻头或端铣刀，其包括烧结碳化物(cementedcarbide)、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cbn)基材料或高速钢的硬质合金(hardalloy)的主体。

根据一个实施方式，所述主体由包含wc/co–95重量％/5重量％的烧结碳化物组成。

根据一个实施方式，所述主体由包含wc/co–94重量％/6重量％的烧结碳化物组成。

根据一个实施方式，所述主体由包含wc/co–90重量％/10重量％的烧结碳化物组成。

根据一个实施方式，所述主体由包含wc/co–87重量％/13重量％的烧结碳化物组成。

根据一个实施方式，所述涂层切削工具是用于机械加工isos材料如钛和钛合金的钻头，其使用的切削速度为10-100米/分钟，优选35-80米/分钟，平均进给率为0.05-0.50毫米/转，优选0.1-0.4毫米/转。

根据一个实施方式，所述涂层切削工具是用于铣削和车削的刀片，其切削速度为50-400米/分钟，优选75-300米/分钟，在铣削的情况下每齿的平均进给量为0.08-0.5毫米，优选0.1-0.4毫米，这取决于切削速度和刀片几何形状。

实施例

实施例1

烧结碳化物(wc-co)切削工具被用作通过使用oerlikon-balzersdominolarge阴极电弧沉积系统进行层沉积的主体，所述切削工具具有包含以下的一系列组成：4至15重量％co粘合剂，用碳化钨(wc)和例如钛、钽或铌的其它碳化物以及多种量的粘合剂合金元素如铁、铬、镍、钼或这些元素的合金来平衡，具有不同的几何结构，例如可转位刀片和实心钻头或端铣刀。

在沉积之前，切削工具在碱溶液和醇的超声波浴中清洗。将系统抽空至压力小于2.0×10^-3pa，然后用ar离子对工具进行溅射清洗。在450℃下使用ti1-zalz(0≤z≤0.75)和纯nb阴极在反应性n2气氛中在所选的2.5pa至5pa的总气体压力下生长(ti1-xalx)ny(0<x<0.7，0.7<y<1.1)和nbn层，以达到所沉积的(ti1-xalx)ny和nbn层的目标组成。此外，沉积是在50a至200a的蒸发电弧电流，20v至100v的负基材偏压下进行的。

表5示出了在钻头直径为8mm的实心钻头(含10％co的wc-co)(sd216a-8.0-120-8r1)上进行的不同层沉积。

表5

实施例2

使用wc-co刀片(iso几何结构xoex120408r-m07)重复实施例1，其中用约13重量％co作为不同层沉积的主体，如表6中所示。

表6

实施例3

在钻孔操作中使用表5(实施例1)的涂层进行切削试验，使用以下数据：

表7示出了相对于参考比较涂层1和2，本发明的涂层具有相当大改进的相对切削特性。

表7

实施例4

对于在铣削操作中使用来自表6(实施例2)的涂层进行切削试验，使用以下数据：

表8示出了相对于样品5、6和7中的参考涂层，具有根据本发明一个实施方式的涂层的样品b的寿命改善的切削结果。

表8