CN101941085B - 带涂层的切削刀具刀片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，该带涂层的切削刀具刀片包括涂层和基体，其中基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti(C，N)层，其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内层的残余应力状态和外层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。

Description

带涂层的切削刀具刀片

技术领域

本发明涉及一种带CVD涂层的切削刀具刀片，该切削刀具刀片适合于通过车削、铣削、钻削或者通过类似的去屑成形加工方法来加工金属。所述带涂层的刀具刀片在用于断续切削操作时显示出显著提高的韧性特征。

背景技术

现代的对金属的高生产率的去屑成形加工需要可靠的切削刀具刀片，该切削刀具刀片应拥有高耐磨性、良好的韧性性能、制造具有高的表面光洁度的工件的能力、抵抗切屑锤击(chip hammering)的能力、能够产生适当低的切削力以及优异的抗塑性变形的能力。

现代的硬质合金刀具一般为被夹在刀架中的可转位的刀片的形式，但是也能为实心硬质合金钻具或铣刀的形式。涂覆有各种类型的像TiC、TiC_xN_y、TiN、TiC_xN_yO_z和Al₂O₃的硬层的硬质合金切削刀具刀片在商业上已经应用了很多年。呈多层结构的多个硬层通常增强这种涂层。各个层的顺序和厚度被仔细地选择，以适合不同的切削应用领域和工件材料。

涂层最常见的是利用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术来沉积。

CVD技术具有许多优点。其允许大的涂层批次，在复杂形状刀片上制造具有良好的涂层厚度分布的涂层，能够用于沉积像Al₂O₃和ZrO₂的不导电层。能在相同的涂层段上沉积许多不同的材料，如Al₂O₃、TiC、Ti(C_xN_y)、TiN、Ti(C_xN_yO_z)、Zr(C_xN_y)、Ti(C_xN_y)和ZrO₂。

CVD技术一般在相当高的温度范围(900-1050℃)下进行。由于高沉积温度且由于沉积的涂层材料和硬质合金刀具基体之间的热膨胀系数不匹配，CVD产生具有冷却裂纹和拉伸应力的涂层。因此，当用于切削操作时，带CVD涂层的刀片比带PVD涂层的刀片表现得更脆。

PVD工艺在明显较低的温度(450-650℃)下进行，且在强的离子轰击下进行，这导致具有高的压缩应力的无裂纹层。高的压缩应力和不存在冷却裂纹使得带PVD涂层的刀具刀片比带CVD涂层的刀具刀片更有韧性，且因而通常在诸如铣削的断续切削操作中是优选的。当与带CVD涂层的刀片相比时，带PVD涂层的刀片的缺陷一般为较低的耐磨性和不足的涂层粘附性。

因此，需要不断地努力来找到提高带CVD涂层的刀具刀片的韧性特征同时保持高的耐磨性的手段。

多个专利公开了通过刷涂或通过湿喷砂对带涂层的切削刀片进行后处理。目的是实现光滑的切削刃和/或沿刃线暴露Al₂O₃，如US5,851,687和EP 603 144中所公开的，或者目的是在TiN用作后刀面处的磨损检测层时的情况下获得还在前刀面上作为顶层的Al₂O₃，如US5,861,210中所公开的。将CVD涂层表面暴露于冲击力的每种处理技术，如湿喷砂或干喷砂，都将降低涂层的拉伸应力，并从而提高带涂层的刀具的韧性，如US 2006/0204757A1中所公开的。EP 1311712中公开了干喷砂方法。这里，利用非常高的喷砂压力来获得高的压缩应力。这样高的喷砂压力将劣化涂层且产生不均匀的刃线，这对于具有尖刃(半径＜35μm)的刀片来说尤为明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对耐磨和韧性有要求的切削操作的带CVD涂层的切削刀具。

本发明的另一目的是提供一种制造具有改进的性能的带CVD涂层的切削刀具的方法。

已经发现，利用根据本发明的切削刀具刀片能获得显著提高的韧性性能和高的耐磨性。本发明的发明人发现，当切削低合金钢和不锈钢时，具有包含不同性能的两个相邻的Ti(C，N)磨损层的涂层的切削刀具刀片拥有高的耐磨性和良好的韧性性能。

已发现，在切削过程中，富含N的外层赋予带涂层的刀片较少的涂抹(smearing)和较少的沿刃线将涂层片拉走，这使得其特别适于切削涂抹材料(smearing materials)。更多的富碳(111)和/或(422)织构化的内层赋予刀片良好的后刀面耐磨性。

具体实施方式

本发明涉及带涂层的切削刀具，该切削刀具包括具有至少一个前刀面、至少一个间隙面和至少一个切削刃的大致多边形或圆形形状的本体，该本体包括涂层和基体。本发明还涉及制造根据本发明的刀具的方法。

本发明涉及一种带涂层的切削刀具，该切削刀具包括涂层和基体，其中，基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti(C，N)层，即内Ti(C_x，N_y)层和外Ti(C_i，N_j)层，其中x+y＝1，i+j＝1，且j＞y，并且其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内Ti(C_x，N_y)层的残余应力状态和外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。

内Ti(C_x，N_y)层在低温区域(750-835℃)下沉积，而第二、外Ti(C_i，N_j)层在较高温度范围(950-1050℃)下沉积。外层具有较高的N含量，即j＞y，且具有压缩应力，即σ_外＜0且σ_外＜σ_内，其中σ_外为外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态，而σ_内为内Ti(C_x，N_y)层的残余应力状态。

内Ti(C_x，N_y)层和外Ti(C_i，N_j)层之间的应力状态差Δ定义如下：

如果σ_外＜0且σ_内＞0，则Δ＝|σ_外|+|σ_内|，或者

如果σ_外＜0且σ_内＜0，则Δ＝|σ_外|-|σ_内|。

在一个实施例中，在切削刃上或在前刀面上，或者在切削刃并且在前刀面上，内Ti(C_x，N_y)层的残余应力状态和外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。

在一个实施例中，内Ti(C_x，N_y)层的残余应力状态为+500MPa至-400MPa，而外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态为-900MPa至-2400MPa。

在一个实施例中，内Ti(C_x，N_y)层和外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态都＜0。

在一个实施例中，内Ti(C_x，N_y)层具有晶粒尺寸范围在0.05-0.5μm内(以半宽度和在剖面样品的晶粒上测量的)的柱状晶粒。外Ti(C_i，N_j)层可根据层厚度而从具有柱状的晶粒变化到具有更等轴的形状的晶粒。不同层的晶粒尺寸在SEM(扫描电子显微镜)上测量-利用半宽度的研磨和抛光截面表面的显微照片。

在一个实施例中，内Ti(C_x，N_y)层的厚度为2-6μm，而外Ti(C_i，N_j)层的厚度为2-6μm。

在另一实施例中，内层具有明显的(111)和/或(422)织构。也就是，从中等强(111)织构到强(422)织构的任何织构，或者上述两种取向的中等强织构的混合。因此，总和TC(111)+TC(422)用于定义内Ti(C_x，N_y)层。以<111>和<422>方向生长的晶体具有类似的取向。相应的晶面之间的角度仅为约19°。内Ti(C_x，N_y)层具有织构系数为TC(111)+TC(422)≥2.5的明显的晶体织构，其中TC(111)＞0.4且TC(422)＞0.4，其中TC定义如下：

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I_{\mathrm{hkl}}}{I_{0,\mathrm{hkl}}}{\left\{\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{I_{\mathrm{hkl}}}{I_{0,\mathrm{hkl}}}\right\}}^{-1}$

其中，I(hkl)由XRD确定，且

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度

I0(hkl)＝ASTM标准粉末图样衍射数据的标准强度

n＝计算式中使用的反射的数量，所使用的(hkl)反射为：(111)、(200)、(220)、(331)、(420)、(422)。

在另一实施例中，该涂层还包括具有立方结构的第一、最内层Ti(C_m，N_n)，m+n＝1且n＞m，最优选为n＞0.8，其具有等轴晶粒或伸长晶粒，平均直径或长度为＜0.3μm，且总厚度(d)为0.1＜d＜1.5μm。

在一个实施例中，切削刀具涂有PVD层，例如Al₂O₃、Ti(Al，N)，该PVD层在外Ti(C_i，N_j)层之上且厚度为0.5-3μm。

在一个实施例中，基体由硬质合金制成，优选由WC基的、金属陶瓷、CBN、高速钢或陶瓷材料制成。

在另一实施例中，带涂层的切削刀具为切削刀具刀片。

本发明还涉及一种制造带涂层的切削刀具的方法，该带涂层的切削刀具包括涂层和基体，其中，涂层包括两个相邻的Ti(C，N)层，即内Ti(C_x，N_y)层和外Ti(C_i，N_j)层，其中x+y＝1，i+j＝1，且j＞y，并且其中，使该涂层经受湿喷砂操作，从而使得在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内Ti(C_x，N_y)层的残余应力状态和外Ti(C_i，N_j)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。

在一个实施例中，上述工艺优选以通过在870-950℃下利用常规CVD技术来沉积0.5-1μm的薄TiN初始层开始。作为下一层，利用R等于CH₃和/或C₂H₅的TiCl₄、H₂、N₂和R-CN化合物在750-850℃范围的温度下沉积2-6μm厚的内Ti(C_x，N_y)层。然后，在N₂/H₂(例如比例为50∶50)的气氛中，将CVD反应器加热高达950-1050℃。之后，在0.7-1巴的压力下，利用TiCl₄、HCl、H₂、N₂沉积2-6μm厚的外Ti(C_i，N_j)层，其中添加或不添加3-6％CH₄，从而提供N含量比内Ti(C_x，N_y)层的N含量高的外Ti(C_i，N_j)层。完成涂层工艺之后，在用0.8-1巴的压力和950-1050℃下，用N₂冲洗CVD反应器2小时。

随后，使带涂层的刀片受到喷砂操作，目的是使涂层表面光滑以及将不同层的应力状态改变到期望的水平。

为了获得高的表面光滑度和高的压缩应力，使涂层在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上受到湿喷砂操作。能利用不同的喷砂介质来进行喷砂操作，例如Al₂O₃或ZrO₂砂、小钢球或其他硬颗粒。喷砂介质必须用高脉冲撞击涂层表面。能通过控制喷砂浆料的压力、喷砂喷嘴和涂层表面之间的距离、喷砂介质的晶粒尺寸、喷砂介质的浓度以及喷砂射流的冲击角来控制冲击力。

根据一个实施例，利用由水和大小为F220或更细(FEPA标准)的Al₂O₃砂组成的浆料在2.5-3.5巴的空气压力下进行约2-8秒/刀片的喷砂操作。

当切削类似不锈钢或球墨铸铁的涂抹材料时，并且当可能发生切屑锤击时，在切削刃、前刀面和间隙面上喷砂是优选的。能在前刀面和间隙侧面上利用不同的喷砂压力来提供不同应力水平的层。

示例A(本发明)

利用CVD技术涂覆成分为10wt％Co、1wt％Cr和WC的CNMG120408-QM、DCMT11T304-MF和DCET11T302-UM类型的硬质合金刀片，其具有如下层结构。利用TiCl₄、H₂和N₂在930℃下沉积近似厚度为1μm的厚度的含有一些碳(由于来自硬质合金的体内扩散)的第一粘附TiN层。利用TiCl₄、H₂、N₂和CH₃CN在830℃下沉积4μm厚的内Ti(C_x，N_y)层。在N₂/H₂气氛中，将反应器加热达到1000℃。然后，利用TiCl₄、H₂和N₂沉积2μm厚的外TiN层。在沉积工艺之后，在1000℃的温度下，在N₂气氛下对刀片进行2小时的热处理。

在沉积工艺之后，使刀片在切削刃和前刀面上受到强烈的湿喷砂操作。喷砂压力为2.8巴，且刀片被喷砂5秒。

示例B(本发明)

除了用C₂H₅CN替代CH₃CN且用青铜/黄铜色的富N的Ti(Ci，N_j)层替代2μm的顶部的TiN层以外，按照示例A涂覆类似示例A中的相同的硬质合金基体。通过利用TiCl₄、CH₄、H₂、N₂和HCl作为工艺气体来在1000℃和800毫巴下沉积上述层。

示例C(现有技术)

利用CVD技术涂覆成分为10wt％Co、1wt％Cr和WC的CNMG120408-QM、DCMT11T304-MF和DCET11T302-UM类型的硬质合金切削刀片，其具有如下层结构。利用TiCl₄、H₂和N₂在930℃下沉积1μm厚的具有近似成分为TiC_0.05N_0.95层的第一粘附Ti(C，N)层。利用TiCl₄、H₂、N₂和CH₃CN在845℃下(MTCVD)沉积5μm厚的近似成分为TiC_0.56N_0.44的功能性Ti(C_x，N_y)层。利用AlCl₃、H₂、CO₂和H₂S在1010℃下沉积0.7μm厚的第三层Al₂O₃。最后，利用TiCl₄、H₂、CH₄和N₂在顶部沉积1.1μm厚的多层TiN/TiC。通过XRD并利用维加德定律(Vegards Law)估算涂层的成分。

在沉积工艺之后，利用由水和240目大小的Al₂O₃砂组成的浆料使刀片在切削刃和前刀面上受到强烈的湿喷砂操作。喷枪与刀片的前刀面成90度角。喷砂压力选择成2.6巴，使得顶部的TiN/TiC多层和Al₂O₃层完全从喷砂后的表面上去除。刀片的前刀面显示出光滑明亮的银灰色表面。

示例D(现有技术)

在切削测试中，利用来自领先的刀具制造商的CNMG120408-QM、DCMT11T304-MF和DCET11T302-UM类型的具有高韧性性能的商业上可得到的PVD涂层的刀片作为参考。涂层为4μm的TiN。最终用户过去选择这一PVD等级来进行其韧性的切削操作，因此其用于以下的切削测试中。

在喷砂操作之后，利用XRD技术，并用配备有Cu-K_αX射线源的X射线衍射仪PAN X’Pert Pro MPD对示例A、B和C的内TiC_xN_y层进行织构分析。衍射仪设置：布拉格-布伦塔诺(Bragg Brentano)几何，电压＝45kV，电流＝40mA。发散/防散射狭缝＝固定的0.25°，苏莱尔狭缝(soller slit)＝0.02弧度(rad)，扫描范围＝20-130°。

hkl反射(111)、(200)、(220)、(331)、(420)、(422)的峰值强度I(hkl)被测量(在刀片的间隙面上)，且用于计算织构系数TC(hkl)，其中：

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I_{\mathrm{hkl}}}{I_{0,\mathrm{hkl}}}{\left\{\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{I_{\mathrm{hkl}}}{I_{0,\mathrm{hkl}}}\right\}}^{-1}$

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度

I0(hkl)＝ASTM标准粉末衍射数据No 42-1489的标准强度，参考：Guilemany，J.，Alcobe，X.，Sanchiz，I.，“粉末衍射(Powder Diffraction)”，第7卷，第34页(1992)。

n＝用于计算的反射的数量。

得到以下织构系数：

表1：选自批次A、B和D的Ti(C_x，N_y)的测量织构系数

	TC(111)	TC(200)	TC(220)	TC(331)	TC(420)	TC(422)
							示例A本发明内Ti(Cx，Ny)	2.24	0.48	1.30	0.83	0.53	0.62
示例B本发明内Ti(Cx，Ny)	0.48	0.02	0.19	0.63	0.24	4.33
							示例C现有技术Ti(Cx，Ny)	0.52	0.19	2.66	1.5	0.46	0.68

随后，利用XRD测量，利用众所周知的sin²Ψ方法评估喷砂涂层表面上的内TiC_xN_y层的残余应力σ，上述方法如I.C.Noyan，J.B.Cohen，“通过衍射的残余应力测量和解释(Residual Stress Measurement byDiffraction and Interpretation)”，Springer-Verlag，美国纽约，1987(第117-130页)中所描述的。

利用Ψ几何在配备有激光影像定位、欧拉(Euler)1/4托架、作为X射线源(CuK_α辐射)的旋转阳极和区域检测器(Hi-star)的X射线衍射仪Bruker D8 Discover-GADDS上进行应力评估。使用大小为0.5mm的瞄准仪聚焦束线。利用测角仪设置2θ＝126°、ω＝63°和Φ＝0°、90°、180°、270°对TiC_xN_y(422)反射进行分析。对每个Φ角进行0°和70°之间的8个Ψ倾斜。利用来自Bruker AXS的软件DIFFRAC^Plus Stress32v.1.04，使用sin²Ψ方法来评估残余应力，其中常量杨氏模量为E＝480GPa，泊松比为v＝0.20，并利用Pseudo-Voigt-Fit函数确定反射。确定双轴应力状态，且使用平均值作为残余应力值。

表2残余应力状态

变量	残余应力内Ti(Cx，Ny)	残余应力外Ti(Ci，Nj)
			示例A(本发明)Ti(Cx，Ny)和Ti(Ci，Nj)	+330MPa	-1350MPa
示例B(本发明)Ti(Cx，Ny)和Ti(Ci，Nj)	-75MPa	-2100MPa
			示例C(现有技术)Ti(Cx，Ny)	-2600MPa	---------

所有切削测试由最终用户在现场进行。

切削测试1：

在由布氏硬度为230的低合金钢21CrMoV57制成的轴的车削操作中测试根据示例A、C和D的CNMG120408-QM类型的带涂层的刀片。

操作被分类为要求后刀面磨损和月牙洼磨损。

切削数据：

切削速度：200m/分钟

进给速率：0.30mm/转

切削深度：3.25mm

冷却剂：乳状液

结果：

由于如果进一步使用会有过量磨损和很高的断裂危险，在43个部件之后取出了刀片D。

刀片A和C工作至53个部件且在显微镜下检查。清楚地，刀片A比刀片C磨损少，且因此能进一步使用。

切削测试2：

在由布氏硬度为250的42CrMo4钢制成的轴的组合的纵向和端面车削操作中测试根据示例A、C和D的DCMT11T304-MF类型的带涂层的刀片。

操作被分类为要求涂层的耐磨性、韧性和剥落性。

切削数据：

切削速度：94m/分钟

进给速率：0.18mm/转

切削深度：1.7mm

冷却剂：乳状液

结果：

刀片A(本发明)生产了370个部件

刀片C(现有技术)生产了300个部件

刀片D(现有技术)生产了340个部件

停止切削的原因是由于沿切削刃的磨损和碎裂，且如果进一步使用会有刀片断裂危险。

切削测试3：

在由合金钢SS22258-02制成的30mm直径的汽车部件的外部车削、轴向精加工操作中测试根据示例A和C的DCET11T302-UM类型的带涂层的刀片。

切削数据：

切削速度：336m/分钟

进给速率：0.08mm/转

切削深度：0.15mm

冷却剂：乳状液

刀片A(本发明)生产了265个部件。

刀片C(现有技术)生产了127个部件。

停止切削的原因是由于在部件上的差的表面光洁度。

切削测试4：

在剖面为70*120mm的奥氏体不锈钢杆的端面车削(facing)操作中测试示例A、C和D的DCMT 11T308-MM刀片。一个循环包括第一的断续切削到直径70mm，之后连续切削到最终直径60mm。在每一次测试中，在刀刃断裂之前，使刀片的一个角部用于尽可能多的循环。对于每一个变量，运行7次测试。由于工件的几何形状，除非常靠近中心部分以外，在几乎整个操作过程中，刀片将离开并重新进入工件。因而，该测试对韧性有高的要求。

操作：车削，端面车削

切削数据：AISI 316(SS2343-28PRODEC)

切削速度：220m/分钟

进给速率：0.2mm/转

切削深度：0.8mm

冷却剂：乳状液

根据本发明的刀片(示例A)进行了27次循环，而根据示例C(现有技术)制成的刀片进行了25次循环，根据示例D(现有技术)制成的刀片进行了10次循环。

Claims (6)

1.带涂层的切削刀具，其包括涂层和基体，其中所述基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，所述涂层包括两个相邻的Ti(C,N)层，即内Ti(C_x,N_y)层和外Ti(C_i,N_j)层，其中，x+y＝1，i+j＝1，且j>y，并且其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，所述内Ti(C_x,N_y)层的残余应力状态和所述外Ti(C_i,N_j)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa，其中所述外Ti(C_i,N_j)层是最外层。

2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中所述内Ti(C_x,N_y)层具有TC(111)+TC(422)≥2.5的织构。

3.根据权利要求1或2所述的切削刀具，其中所述内Ti(C_x,N_y)层的残余应力状态为+500MPa至-400MPa，而所述外Ti(C_i,N_j)层的残余应力状态为-900MPa至-2400MPa。

4.根据权利要求1或2所述的切削刀具，其中所述内Ti(C_x,N_y)层和所述外Ti(C_i,N_j)层的残余应力状态都为<0。

5.根据权利要求1或2所述的切削刀具，其中所述涂层还包括具有立方结构的第一、最内层Ti(C_m,N_n)，m+n＝1且n>m。

6.制造带涂层的切削刀具的方法，所述带涂层的切削刀具包括涂层和基体，其中所述涂层包括两个相邻的Ti(C,N)层，即内Ti(C_x,N_y)层和外Ti(C_i,N_j)层，其中，x+y＝1，i+j＝1，且j>y，并且其中，使所述涂层经受湿喷砂操作，从而使得在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，所述内Ti(C_x,N_y)层的残余应力状态和所述外Ti(C_i,N_j)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa，其中所述外Ti(C_i,N_j)层是最外层。