CN101605923B - 对切削工具的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，如果最外陶瓷涂层为к-Al2O3层，那么通过瞬时熔融、蒸发和固化，一定微米的к-Al2O3层转化为α-Al2O3。而且，根据本发明，如果陶瓷涂层的最外涂层为α-Al2O3涂层，那么由于其至少部分熔化，其中该熔化的表面将凝固并且其表面将由于熔融态所提供的表面张力而变平，其表面粗糙度会改善。

Description

对切削工具的表面处理方法
技术领域
一般地，本发明涉及处理切削工具表面的方法，特别地涉及通过电子束的针对具有涂层的切削工具的陶瓷涂层的表面处理方法。
背景技术
陶瓷作为涂层材料被广泛地应用于硬金属切削工具，因为其即使在高温下机械性能也不易恶化。虽然有许多种陶瓷涂层材料，氧化铝(Al2O3)由于其优异的热稳定性、硬度和耐磨性而在这些材料中特别广为人知。
在众多氧化铝的相中，α-Al2O3具有优异的耐热性和耐磨性。因此，在切削工具表面形成α-Al2O3涂层是优选的。但是，与形成κ-Al2O3涂层相比，在切削工具表面形成α-Al2O3涂层更加困难。而且，α-Al2O3涂层被允许仅仅在某种特定的涂层材料例如TiCNO形成在切削工具基体上之后形成。将成型在切削工具表面上的κ-Al2O3涂层的相转化为α相曾被考虑过。然而，这实现起来很难，由于这样的转化要求首先在切削工具表面形成κ-Al2O3涂层，将该切削工具在超过2000℃的温度下熔化然后在瞬时冷却切削工具。而且，在超过2000摄氏度的温度下熔化的切削工具要能够被马上冷却。因此，κ相被通常地用做氧化铝涂层。
具有差的表面粗糙度的切削工具倾向于具有大的切削阻力且易与工件粘着。因此，服役寿命缩短。如α-Al2O3的陶瓷涂层与其他的切削工具涂层材料相比具有差的表面粗糙度。因此，这样的陶瓷涂层需要进行表面处理以得到改善的表面粗糙度。许多方法如喷丸、抛光、刷光等都是公知的改善表面粗糙度的表面处理方法。
然而，陶瓷涂层材料如α-Al2O3由于其硬度而很难使用上述方法进行表面处理。因此，对其实施这种表面处理操作会花费大量的时间和精力。而且，这对表面粗糙度的改善作用有限。
发明内容
要解决的技术问题
本发明被构思以用于解决上述问题。本发明的目的是提供简单而可靠的方法在切削工具表面形成α-Al2O3涂层。
本发明的另一目的是提供简单而可靠的方法来显著改善形成于切削工具上的α-Al2O3陶瓷涂层的表面粗糙度。
而且，本发明寻求提供在其表面具有改进的α-Al2O3涂层的切削工具。
技术方案
为了达到上述和其他目的，根据本发明的表面处理方法包括以下步骤：在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；通过对该陶瓷涂层进行电子束辐照，瞬时融化该陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分。
所述一个或多个陶瓷涂层的最外涂层可以为κ-Al2O3涂层或布置于κ-Al2O3涂层上的TiN涂层。κ-Al2O3涂层的一部分通过电子束辐照而被瞬间融化然后在凝固时转化为α-Al2O3。而且，TiN涂层通过电子束辐照而蒸发。位于TiN涂层下的至少一部分κ-Al2O3涂层被瞬间融化并转化为α-Al2O3。
另外，一个或多个陶瓷涂层的最外涂层可以为α-Al2O3涂层或布置于α-Al2O3涂层上的TiN涂层。当至少一部分的α-Al2O3陶瓷涂层已经被电子束辐照融化时，α-Al2O3陶瓷涂层被固化，其其表面由于所引起的表面张力变平。因此，其表面粗糙度可以显著改善。TiN涂层通过电子束辐照蒸发，位于TiN涂层下的至少一部分α-Al2O3涂层被融化。如此，α-Al2O3陶瓷涂层固化，其表面由于表面张力而变平。因此，可以期待在表面粗糙度方面的优异提升。
附图说明
图1为具有刀片的常规铣刀的透视图。
图2为根据本发明一实施方案的表面处理过程的示意图。
图3为经电子束表面处理后的刀片的陶瓷涂层的横截面图。
图4为具有κ-Al2O3涂层的刀片的放大照片。
图5为图3的经电子束表面处理后的刀片的放大照片。
具体实施方式
根据本发明使用电子束辐照的表面处理方法将结合附图进行说明。
本发明人研究了能有效地表面处理切削工具的氧化铝涂层的工艺。还研究了能以简单和稳定的方式将κ-Al2O3涂层转化为α-Al2O3涂层而不损伤切削工具基体和其上的其他涂层的工艺。
已经尝试通过在表面辐照热能如激光来增强金属切削工具或金属涂层表面的刚度。这是为了将构成这种金属材料的某些元素扩散到表面。但是，对热稳定性很强的陶瓷涂层的表面粗糙度进行热控制的尝试还没有做过。本发明人对热控制陶瓷涂层的表面状态进行了研究。
例如，本发明人研究了关于用激光束控制切削工具的陶瓷涂层的表面粗糙度。然而，他们发现这种方法极其不合适。也即，当将CO或YAG激光束(其具有强的能量且很难控制)辐照于具有涂层的切削刀片的表面时，陶瓷涂层和基体都受到激光束的影响，使切削工具熔融和变形。另外，由于具有效照射面积的激光束将其能量照射到切削工具的相对较宽表面上，因此扫描切削工具的表面会花费太多时间。而且，这种表面处理方法不能均一的处理所处理物体的表面，因而会在表面留下蜿蜒状痕迹。因此，这样的表面处理方法不适于处理刀片。
相反，不同于激光束，由于电子束的照射面积不局限于小的照射面积，所以电子束能够照射大的面积。因此，电子束可以减少表面处理所需的时间并能在被处理物体的整个表面提供均一的表面处理。而且，能控制电子束以使仅仅是切削工具的最外涂层的一部分进行转化而不损伤基体或切削工具的任何其他涂层。
图1为具有刀片的铣刀的透视图。陶瓷涂层形成于刀片的表面上。该陶瓷涂层使用公知的方法如CVD、PVD和类似方法以一定的厚度涂覆在刀片表面。
图2举例示出了根据本发明进行电子束表面处理的设备的实例。电子束发生装置用于电子束表面处理，包括用于电子束源的会聚器(condenser)、控制部、电子束枪等。在电子束表面处理中，涂覆有陶瓷涂层的刀片首先被置于电子束发生装置内。然后，将该电子束发生装置的内部置于真空气氛中，并通入适宜量的氩气或氮气来保持内部压力为0.05Pa的真空水平。其后，直径为50mm至100mm的电子束在阴极电压范围25-34KV中产生。从电子束枪中射出的电子束以热电子的形式加速，其在很短的时间(理论上为约五十万分之一秒)就射到切削工具的陶瓷涂层上。根据陶瓷涂层表面反应的情况，电子束可以反复照射约1-10次。
所述热电子，其撞击到切削工具表面，由于加速电子的动能转化为热能而产生了瞬时的高热量。陶瓷涂层的最外涂层温度在此时能升至约4000℃。所述最外陶瓷涂层从表面到至少某一深度(1～5μm)瞬时熔化。如果最外陶瓷涂层是κ-Al2O3涂层，那么某一深度(μm)的涂层通过κ-Al2O3瞬间的熔化和凝固转化为α-Al2O3层。而且，如果最外涂是沉积于κ-Al2O3之上的TiN涂层，那么该TiN涂层通过电子束辐照而蒸发。同样的，邻近的κ-Al2O3涂层的一部分由于瞬间的熔化和凝固而转化为α-Al2O3。优选地是，所述一个或多个陶瓷涂层可以为形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的κ-Al2O3涂层。作为选择，它们也可以是形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的κ-Al2O3/TiN涂层。此外，所述一个或多个陶瓷涂层优选具有如下的层积顺序：从切削工具的基体开始为TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3/TiN。所述κ-Al2O3涂层具有约2μm至12μm的厚度，且至少1μm至4μm厚度的κ-Al2O3通过电子束照射转化为α-Al2O3涂层。而且，如果陶瓷涂层的最外涂层为α-Al2O3涂层，那么表面粗糙度会改善，这是由于当一定厚度(μm)的α-Al2O3陶瓷涂层熔化时其表面凝固并随后由于表面张力而变平。另一种情况，如果最外涂层是沉积在α-Al2O3上的TiN涂层，那么表面粗糙度改善，这是因为最外TiN涂层通过电子束照射被蒸发，且至少一部分的在其下的α-Al2O3涂层由于一定厚度(μm)的α-Al2O3陶瓷涂层在最外TiN涂层蒸发后而瞬间熔化时被凝固并由所引起的表面张力变平。所述一个或多个陶瓷涂层优选地可以为形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的TICNO/α-Al2O3涂层。作为选择，它们也可以是形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的TICNO/α-Al2O3/TiN涂层。而且，所述一个或多个陶瓷涂层可以为形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的TICO/α-Al2O3涂层。另一种情况，它们可以是形成于切削工具基体上的多层碳氮化钛和形成于该多层碳氮化钛之上的TICO/α-Al2O3/TiN涂层。而且，所述一个或多个陶瓷涂层优选具有如下的层积顺序：从切削工具的基体开始，所述一个或多个陶瓷涂层可以为TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al2O3/TiN。同样地，所述一个或多个陶瓷涂层优选具有如下的涂层积顺序：从切削工具的基体开始，所述一个或多个陶瓷涂层可以为TiN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al2O3/TiN。
图3是刀片的陶瓷涂层的横截面视图。根据本发明，电子束照射到陶瓷涂层(1至4)，最外κ-Al2O3涂层(2)的一部分转化为α-Al2O3涂层(1)。另一种情况，如果最外涂层是TiN，那么该TiN层会被热量所蒸发，至少外部κ-Al2O3涂层会转化为α-Al2O3层1。由于电子束照射的时间极其短，且仅作用于涂层表面的一定深度(μm)，其他在κ-Al2O3涂层下面的涂层(3和4)或切削工具本体(5)不会受到电子束影响。
而且，由于熔化的陶瓷涂层重新凝固同时表面因表面张力而变平，切削工具涂层的表面粗糙度显著地改善至低于Ra 0.15μm。图4和5是图3的刀片在扫描电子显微镜(SEM)下放大500倍的照片，其是在电子束表面处理之前和之后拍摄的。图4为照片，显示的是电子束处理前κ-Al2O3涂覆的刀片的顶部前刀面(6)、刀刃部分(7)和后刀面(flank face)(8)。图5显示了形成于顶部前刀面(6)和刀刃部分(7)上的κ-Al2O3涂层在经电子束照射后转化为了α-Al2O3涂层(6’和7’)。参考图4和5，证实了转化为α-Al2O3的部分(6’和7’)的表面粗糙度与没有转化的部分(6和7)相比显著地改善了。
以下对根据本发明经电子束表面处理的切削工具的测试实施例进行了说明。
[测试1]
本发明者对根据本发明经由电子束处理过的切削工具进行了切削性能测试，以下进行说明。
对每个切削工具的工具使用寿命都进行了测量，其中工具使用寿命是切削工具的切削后刀面的磨损量达到0.25mm时所花费的时间。如果在切削过程中发生刀刃的断裂或脱片，则以断裂或脱片发生时所花费的时间来确定工具使用寿命。
使用刀片A和B进行切削性能测试，其中刀片A为基于ISO标准的CNMG120412车削刀片，其使用CVD涂覆了TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3涂层，其中刀片B是根据ISO标准和刀片A相同的车削刀片，其使用CVD涂覆了TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3/TiN涂层。测试在分别经过电子束表面处理和未经电子束表面处理的刀片A和B上进行。
经电子束处理的车削刀片显示其中大约1.5μm的κ-Al2O3涂层转化为α相。而且，当最外涂层为TiN时，TiN涂层蒸发，约1.5μm的位于下方的κ-Al2O3涂层转化为α相。
切削条件如下：切削速度(v)＝400rpm；进给速率(f)＝0.25mm/rev；切削深度(d)＝2.0mm。而且，每个刀片进行对尺寸为90×90×200mm的灰铸铁的切削测试。测试结果见下方的表1。
表1
Figure G2007800490846D00061
由表1可见，表面未经电子束处理过的刀片A和B的工具使用寿命都在切削后刀面的磨损量达到0.25mm之前结束于断裂或脱片。另一方面，表面经过电子束处理过的刀片A和B在磨损量达到0.25mm之前没有出现任何的断裂或脱片，而且他们的工具使用寿命甚至在断裂或脱片开始形成后仍在继续。
[测试2]
使用刀片A和B进行测试，其中刀片A为根据ISO标准的CNMG120412车削刀片，使用CVD涂覆了TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3涂层，刀片B是根据ISO标准与刀片A相同的车削刀片，使用CVD涂覆了TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3/TiN涂层。测试的工件为碳钢，其他测试条件与测试1相同。测试结果见下方的表2。
[表2]
Figure G2007800490846D00071
由表2可见，表面未经过电子束处理的刀片A和B的工具使用寿命要比表面经过电子束处理的刀片A和B的工具使用寿命长。
由表1和表2可见，根据本发明进行过电子束表面处理的切削工具在相同切削条件下跟表面未使用电子束处理过的切削工具相比具有延长了的工具使用寿命。这是由于通过电子束表面处理，涂层具有微细和平整的表面。这种处理方式降低了工件之间的切削阻力以及工件对切削工具的粘着。
虽然本发明已经用其示范性的实施方案来特别地表达和说明，但本领域普通技术人员可以理解，在不偏离本发明范畴的情况下能够作出各种替换或变形。
工业实用性
根据本发明的使用电子束的表面处理方法，当陶瓷涂层的最外涂层为κ-Al2O3涂层时，一定厚度(微米)的κ-Al2O3涂层表面会被电子束熔化、蒸发和凝固，然后转化为α-Al2O3。而且，如果陶瓷涂层的最外涂层的层积顺序连续为TiN和κ-Al2O3，那么TiN层会被电子束蒸发，而κ-Al2O3涂层的至少一部分最外表面会转化为α-Al2O3。在这种情况下，其他位于κ-Al2O3涂层下边的涂层和切削工具本体不会受到电子束影响。因此，α-Al2O3涂层可以在切削工具表面上以简单而稳定的方式形成。
此外，根据本发明的使用电子束的表面处理方法，当陶瓷涂层的最外涂层为α-Al2O3涂层时，其至少一部分被熔化。随后，熔化的表面凝固，并且其表面通过熔融态提供的表面张力而变平。因此，涂层的表面粗糙度能显著地改善。而且，如果陶瓷涂层的最外涂层的层积顺序为顺次的TiN和α-Al2O3，那么TiN层被电子束蒸发，而α-Al2O3涂层的至少一部分最外表面被熔化，其熔化的表面凝固并且其表面因为熔融态提供的表面张力而变平。因此，涂层的表面粗糙度能显著地改善。如此，α-Al2O3涂层在切削工具表面上以简单而稳定的方式形成。此外，改善了的表面粗糙度降低了切削阻力和与工件的粘着，这为切削工具提供了显著增加的工具使用寿命。

Claims (14)

1.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述最外涂层为κ-Al2O3涂层或设置于κ-Al2O3涂层上的TiN涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述最外涂层为κ-Al2O3涂层，至少一部分的所述κ-Al2O3涂层转化为α-Al2O3。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述最外涂层为设置于κ-Al2O3涂层上的TiN涂层，至少一部分的所述TiN涂层经过电子束照射被蒸发，且其下的所述κ-Al2O3涂层转化为α-Al2O3。
4.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层为形成于所述切削工具的基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的κ-Al2O3涂层，或者为形成于所述切削工具基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的κ-Al2O3/TiN涂层。
5.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层为形成于所述切削工具的基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的TiCNO/α-Al2O3涂层，或者为形成于所述切削工具的基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的TiCNO/α-Al2O3/TiN涂层。
6.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层为形成于所述切削工具的基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的TiCO/α-Al2O3涂层，或者为形成于所述切削工具的基体之上的多层碳氮化钛和形成于所述多层碳氮化钛之上的TiCO/α-Al2O3/TiN涂层。
7.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层的层积顺序是从切削工具基体开始为TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/κ-Al2O3/TiN。
8.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层的层积顺序是从切削工具基体开始为TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al2O3/TiN。
9.处理切削工具表面的方法，包括：
在切削工具表面上提供一个或多个陶瓷涂层；和
对所述陶瓷涂层照射电子束，从而瞬时熔融所述陶瓷涂层的最外涂层的至少一部分，
其中所述陶瓷涂层的层积顺序是从切削工具的基体开始为TiN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al2O3或TiN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al2O3/TiN。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述κ-Al2O3涂层具有2μm至15μm的厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中至少1μm至4μm厚度的所述κ-Al2O3涂层通过电子束的照射转化为α-Al2O3涂层。
12.根据权利要求1至11任一项所述的方法，其中所述电子束的照射直径为50mm至100mm，功率为25KV至45KV。
13.根据权利要求1至11任一项所述的方法，其中所述电子束根据所述陶瓷涂层的表面的反应状态重复照射1至10遍。
14.根据权利要求1至11任一项所述的方法，其中所述电子束是从处于注入有少量氩气或氮气的真空气氛下的电子束发生器照射的。
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