專利名稱：涂層切削工具刀片的制作方法
涂層切削工具刀片
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷和立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體和為了用于產(chǎn)生高刀具溫度的金屬切削應(yīng)用中而設(shè)計(jì)的涂層。所述涂層包含至少一個(gè)基于熱穩(wěn)定、織構(gòu)化(T1、Al、Cr、Me)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和/或氧碳氮化物層，其中Me是如下元素中的一種或多種:Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si。通過物理氣相沉積(PVD)并優(yōu)選通過陰極電弧蒸發(fā)來生長(zhǎng)所述涂層。自從20世紀(jì)80年代中期開始，已經(jīng)嘗試改進(jìn)刀具涂層的性質(zhì)如耐磨性以及因此的性能。在那時(shí)，一般的實(shí)踐是用TiN涂覆切削工具。然而，TiN的抗氧化性差。通過將Al合金化在(T1、Al)N中實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的耐熱性。為了進(jìn)一步提高刀具涂層的性能，已經(jīng)對(duì)寬范圍的三元和四元體系進(jìn)行了研究，一些取得了好的結(jié)果而一些取得了差的結(jié)果。在該研究中最關(guān)鍵的參數(shù)之一是獲得對(duì)合金化元素的溶解度特性的良好控制以及因此這如何獲得優(yōu)化的涂層性能。近來，已經(jīng)顯示，將Cr合金化在(T1、Al、Cr)N中提高了金屬切削應(yīng)用的涂層特性。JP7237010公開了一種涂層切削工具，其包含至少一個(gè)選自(T1、Al、Cr) C、(T1、Al、Cr)N 或(T1、Al、Cr) (C、N)的層和至少一層 T1、TiC、TiN 或 TiCN。JP4128363 公開了一種(Ti1^yAlxCry)N 層，其中 χ〈0.8 且 0.2<y<0.7。JP2000038653 公開了一種(TinyCrxAly)N 層，其中 0.02 彡 χ〈1.0 且0.02 ^ y ^ 0.7。EP1219723 公開了一種由(Ti1IbIdAlaCrbSicBd) (C1^eNe)構(gòu)成的切削工具用硬涂層，其中 0.5≤ a ≤ 0.8,0.06 ≤ b，0 ≤ c ≤ 0.1，0 ≤d ≤ 0.1，0 ≤ c+d ≤ 0.l，a+b+c+d〈l且0.5≤e≤I。EP1132498公開了一種包含一層或兩層(AlaTibCre) (NwCVw)的硬質(zhì)耐磨涂層，其中30 ≤ a ≤ 70，30 ≤ b ≤ 70,0.5 ≤ c ≤ 20，a+b+c=100 且 0.7 彡 w 彡 0.9。EP1947209 公開了(CivxMx) (BaCbU 的第一層和(BbCaN1U)的第二層，在(CivxMx) (BaCU中O彡X彡0.7，O彡a彡0.2和O彡b彡0.5且M為元素W、V、Mo、Nb、Ti 和 Al 中的至少一種，在(Ti1-HCrxAlYLz) (BbCaN1U)中 O 彡 1-X-Y ( 0.5，0〈X彡0.5，0.4彡Y彡0.7，O彡Z彡0.15，O彡A彡0.5和O彡B彡0.2且L為Si和Y中的至少任一者。如同所提及的，金屬切削行業(yè)一直在尋找具有改進(jìn)的高溫耐磨性的新型硬涂層，并且在一定程度上傾向于正在發(fā)展先進(jìn)加工材料以及需要提高生產(chǎn)率。這些方面又通常導(dǎo)致在切削操作期間刀具溫度提高。因此，本發(fā)明要解決的問題集中在如何提供一種用于制備涂層切削工具刀片、鉆或立銑刀的替代方法。本發(fā)明的目的是提供一種在高刀具溫度下的金屬切削應(yīng)用中產(chǎn)生改進(jìn)性能的涂層切削工具刀片。令人驚訝地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將Cr合金化在(T1、Al)N中并在切削工具刀片上的織構(gòu)化(Ti, AU Cr, Me) (C、0、N)層結(jié)構(gòu)中添加少量金屬元素Me:Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W和/或Si，可提高刀具在產(chǎn)生高刀具溫度的加工操作下的使用壽命。


圖1 ;在標(biāo)記為II的燒結(jié)碳化物刀片上標(biāo)記為I的斷裂橫斷面(Tiai7Ala53Cra3tl)N層的SEM顯微照片。圖2 ； (Ti。.Jla53Cra3tl)N層橫斷面的TEM顯微照片。在靠近層厚度中間處得到該圖像。用箭頭標(biāo)記生長(zhǎng)方向。圖3;在I。入射角下得到的(Tiai7Ala53Cra3tl)N層的掠入射X射線衍射圖案。衍射峰顯示為NaCl結(jié)構(gòu)。圖4;具有㈧層和⑶層的(T1、Al、Cr)N層的X射線衍射圖案，所述㈧層具有Cr含量為30原子％的{11 1}纖維織構(gòu)且(B)層具有Cr含量為10原子％的{200}纖維織構(gòu)。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷、多晶金剛石或立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體，在所述主體上沉積硬且耐磨的涂層，所述涂層包含至少一個(gè)厚度為0.5至10 μ m、優(yōu)選1.5至5 μ m的NaCl結(jié)構(gòu)的(TicAlaCrbMed) (CzOyNx)層，其中Me為如下元素中的一種或多種=Zr, Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si，優(yōu)選Zr、Nb和Ta，且0.10〈a〈0.60，優(yōu)選 0.25〈a〈0.55，最優(yōu)選 0.45〈a〈0.55，b+d>0.20，優(yōu)選 b+d>0.25,最優(yōu)選 b+d>0.35c>0.05，優(yōu)選 0.05〈c〈b+d，O ( d〈0.25，0.75〈χ〈1.05，優(yōu)選 0.90〈χ〈1.05，O ( y<0.25，優(yōu)選 0 ( y<0.15，0 彡 z 彡 0.25，優(yōu)選 0 彡 z 彡 0.15。所述層具有織構(gòu)系數(shù)為TC (hkl)的纖維織構(gòu)，所述織構(gòu)系數(shù)TC (hkl)符合:-TC (220)〈TC (111),-TC (220)〈TC (200)且-0.1〈TC (111)/TC (200)〈10，優(yōu)選 1〈TC (111)/TC (200)〈10，最優(yōu)選4〈TC(111)/TC(200)〈10。由于限定的層厚度，所以校正的織構(gòu)系數(shù)TC(hkl)被推導(dǎo)為:
權(quán)利要求
1.用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷、多晶金剛石或立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體，在所述主體上沉積硬且耐磨的涂層，所述涂層包含至少一個(gè)層，其特征在于，所述層是厚度為0.5至10 μ m、壓應(yīng)力水平為_6GPa〈 σ〈-0.5GPa、納米硬度>25GPa、平均柱寬度〈Ιμπι的柱狀NaCl結(jié)構(gòu)的(TicAlaCrbMed) (CzOyNx)，并且其中Me為如下元素中的一種或多種:Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si，并且0.10〈a〈0.60,b+d>0.20，c>0.05,O ( d〈0.25，0.75〈χ〈1.05，0 ( y<0.25，0^ z ^ 0.25。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，Me為元素Zr、Nb和Ta中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，0.25〈a〈0.55。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于，b+d>0.25。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于，0.05〈c〈b+d。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于，0.90<χ<1.05。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于，所述層具有如下織構(gòu)-TC(220)〈TC (111)，-TC(220)〈TC (200)且-0.1<TC(111)/TC(200)<10, 其中TC(hkl)為(hkl)反射的校正織構(gòu)系數(shù)并按如下計(jì)算:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切削工具刀片，其特征在于，1〈TC(111)/TC(200)〈10。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，d=y=z=Oo
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，y=z=0o
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，y=z=0且Me=Zp
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于，所述層可以包含例如TiN、TiC、Ti(C、N)或(T1、Al)N，優(yōu)選TiN或(T1、Al)N的內(nèi)部單層和/或疊層的涂層結(jié)構(gòu)，和/或例如TiN, TiC, Ti (C、N)、(T1、Al) N或氧化物，優(yōu)選TiN或(T1、Al) N的外部單層和/或疊層的涂層結(jié)構(gòu)，以達(dá)到總厚度為0.7至20 μ m，優(yōu)選2至10 μ m。
13.制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片的方法，其特征在于，在得到所希望層組成的陰極組成和氣體氣氛、50至200A的蒸發(fā)電流、O至300V的負(fù)襯底偏壓以及200至800°C的沉積溫度的條件下，在具有或不具有載氣如Ar的含有N2和任選O2和/或含C氣體的反應(yīng)性氣氛中，在1.0至7.0Pa的總氣壓下，通過使用復(fù)合的和/或合金化的TieAlaCrbMed陰極的陰極電弧蒸發(fā)來生長(zhǎng)所述層，其中Me是如下元素中的一種或多種:Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W 或 Si。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13所述的切削工具刀片用于產(chǎn)生高溫的金屬加工的用途，其條件是，取決于切削速度和刀片的幾何形狀，對(duì)于例如超合金和硬化鋼，切削速度是50-500米/分鐘、優(yōu)選50-300米/ 分鐘，平均進(jìn)給量是0.08-0.5毫米/轉(zhuǎn)、優(yōu)選0.1-0.4毫米/轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷、多晶金剛石或立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體，通過物理氣相沉積(PVD)在所述主體上沉積硬且耐磨的涂層。所述涂層包含至少一個(gè)厚度為0.5至10μm的NaCl結(jié)構(gòu)的(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)層，其中Me為元素Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W和/或Si中的一種或多種，0.10<a<0.60，b+d>0.20，c>0.05，0≤d<0.25，0.75<x<1.05，0≤y<0.25且0≤z≤0.25。所述層具有平均柱寬度<1μm、壓應(yīng)力水平為-6GPa<s<-0.5GPa且納米硬度>25GPa的柱狀微結(jié)構(gòu)。特別地，這種刀片可用于產(chǎn)生高刀具溫度的金屬切削應(yīng)用中。
文檔編號(hào)C23C14/06GK103249869SQ201180056410
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者漢斯·林德, 里卡德·福森, 馬茨·約翰松, 費(fèi)倫茨·陶什納迪, 諾琳·加富爾, 比約恩·阿林, 芒努斯·奧登, 伊戈?duì)枴ぐ⒉祭锟扑鞣?申請(qǐng)人:山高刀具公司