CN103249869B - 涂层切削工具刀片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或立方氮化硼的材料的硬质合金主体，通过物理气相沉积（PVD）在所述主体上沉积硬且耐磨的涂层。所述涂层包含至少一个厚度为0.5至10μm的NaCl结构的(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层，其中Me为元素Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W和/或Si中的一种或多种，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。所述层具有平均柱宽度<1μm、压应力水平为-6GPa<s<-0.5GPa且纳米硬度>25GPa的柱状微结构。特别地，这种刀片可用于产生高刀具温度的金属切削应用中。

Description

涂层切削工具刀片
发明背景
本发明涉及一种切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷和立方氮化硼的材料的硬质合金主体和为了用于产生高刀具温度的金属切削应用中而设计的涂层。所述涂层包含至少一个基于热稳定、织构化(Ti、Al、Cr、Me)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和/或氧碳氮化物层，其中Me是如下元素中的一种或多种：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si。通过物理气相沉积（PVD）并优选通过阴极电弧蒸发来生长所述涂层。
自从20世纪80年代中期开始，已经尝试改进刀具涂层的性质如耐磨性以及因此的性能。在那时，一般的实践是用TiN涂覆切削工具。然而，TiN的抗氧化性差。通过将Al合金化在(Ti、Al)N中实现了改进的耐热性。为了进一步提高刀具涂层的性能，已经对宽范围的三元和四元体系进行了研究，一些取得了好的结果而一些取得了差的结果。在该研究中最关键的参数之一是获得对合金化元素的溶解度特性的良好控制以及因此这如何获得优化的涂层性能。近来，已经显示，将Cr合金化在(Ti、Al、Cr)N中提高了金属切削应用的涂层特性。
JP7237010公开了一种涂层切削工具，其包含至少一个选自(Ti、Al、Cr)C、(Ti、Al、Cr)N或(Ti、Al、Cr)(C、N)的层和至少一层Ti、TiC、TiN或TiCN。
JP4128363公开了一种(Ti1-x-yAlxCry)N层，其中x<0.8且0.2<y<0.7。
JP2000038653公开了一种(Ti1-x-yCrxAly)N层，其中0.02≤x<1.0且0.02≤y≤0.7。
EP1219723公开了一种由(Ti1-a-b-c-dAlaCrbSicBd)(C1-eNe)构成的切削工具用硬涂层，其中0.5≤a≤0.8，0.06≤b，0≤c≤0.1，0≤d≤0.1，0≤c+d≤0.1，a+b+c+d<1且0.5≤e≤1。
EP1132498公开了一种包含一层或两层(AlaTibCrc)(NwO1-w)的硬质耐磨涂层，其中30≤a≤70，30≤b≤70，0.5≤c≤20，a+b+c=100且0.7≤w≤0.9。
EP1947209公开了(Cr1-xMx)(BaCbN1-a-b)的第一层和(Ti1-X-YCrXAlYLZ)(BBCAN1-A-B)的第二层，在(Cr1-xMx)(BaCbN1-a-b)中0≤x≤0.7，0≤a≤0.2和0≤b≤0.5且M为元素W、V、Mo、Nb、Ti和Al中的至少一种，在(Ti1-X-YCrXAlYLZ)(BBCAN1-A-B)中0≤1-X-Y≤0.5，0<X≤0.5，0.4≤Y≤0.7，0≤Z≤0.15，0≤A≤0.5和0≤B≤0.2且L为Si和Y中的至少任一者。
如同所提及的，金属切削行业一直在寻找具有改进的高温耐磨性的新型硬涂层，并且在一定程度上倾向于正在发展先进加工材料以及需要提高生产率。这些方面又通常导致在切削操作期间刀具温度提高。因此，本发明要解决的问题集中在如何提供一种用于制备涂层切削工具刀片、钻或立铣刀的替代方法。
本发明的目的是提供一种在高刀具温度下的金属切削应用中产生改进性能的涂层切削工具刀片。
令人惊讶地，已经发现，通过将Cr合金化在(Ti、Al)N中并在切削工具刀片上的织构化(Ti、Al、Cr、Me)(C、O、N)层结构中添加少量金属元素Me：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W和/或Si，可提高刀具在产生高刀具温度的加工操作下的使用寿命。
附图说明
图1；在标记为II的烧结碳化物刀片上标记为I的断裂横断面(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N层的SEM显微照片。
图2；(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N层横断面的TEM显微照片。在靠近层厚度中间处得到该图像。用箭头标记生长方向。
图3；在1°入射角下得到的(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N层的掠入射X射线衍射图案。衍射峰显示为NaCl结构。
图4；具有(A)层和(B)层的(Ti、Al、Cr)N层的X射线衍射图案，所述(A)层具有Cr含量为30原子%的{111}纤维织构且(B)层具有Cr含量为10原子%的{200}纤维织构。
发明详述
根据本发明，提供一种用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或立方氮化硼的材料的硬质合金主体，在所述主体上沉积硬且耐磨的涂层，所述涂层包含至少一个厚度为0.5至10μm、优选1.5至5μm的NaCl结构的(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层，其中Me为如下元素中的一种或多种：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si，优选Zr、Nb和Ta，且
0.10<a<0.60，优选0.25<a<0.55，最优选0.45<a<0.55，
b+d>0.20，优选b+d>0.25，最优选b+d>0.35
c>0.05，优选0.05<c<b+d，
0≤d<0.25，
0.75<x<1.05，优选0.90<x<1.05，
0≤y<0.25，优选0≤y<0.15，
0≤z≤0.25，优选0≤z≤0.15。
所述层具有织构系数为TC(hkl)的纤维织构，所述织构系数TC(hkl)符合：
-TC(220)<TC(111)，
-TC(220)<TC(200)且
-0.1<TC(111)/TC(200)<10，优选1<TC(111)/TC(200)<10，最优选
4<TC(111)/TC(200)<10。
由于限定的层厚度，所以校正的织构系数TC(hkl)被推导为：
其中
TC测(hkl)为对于给定的(hkl)反射测得的织构系数，μ（μm-1）为线性吸附系数，x（μm）为层厚度且θhkl为对于相同(hkl)反射的半衍射角。
对于所述层，在使用CuKα辐射的条件下，μ在0.053至0.11μm-1之间变化。μ随层的Cr含量的增大而增大。根据平均值，在TC(hkl)的计算中使用μ=0.0815μm-1，其也接近关于μ=0.08201的(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N的值。
根据在θ-2θ构造中的X射线衍射数据将TC测(hkl)确定为：
其中
I测(hkl)是(hkl)反射的强度，Io(hkl)是相同(hkl)反射的标准强度，其中分别地，Io(111)=72，Io(200)=100且Io(220)=45，且n=3，即，用于计算中的(hkl)反射的数量为3。此处，仅使用第一级的反射(hkl)，即分别为(111)、(200)和(220)。
所述层具有平均柱宽度<1μm、优选<0.6μm的柱状微结构，所述平均柱宽度是通过所述层的中间区域即在生长方向上层厚度的30至70%范围内的区域的横断面透射电子显微镜确定的，并且所述平均柱宽度为至少10个相邻圆柱的平均值。
所述层的压应力水平为-6.0<σ<-0.5GPa，优选-4.0<σ<-1.5GPa。在泊松比ν=0.23且杨氏模量E=379GPa的条件下使用sin2ψ法通过XRD对残余应力进行了评价。
所述层的纳米硬度>25GPa，优选25GPa至40GPa，所述值是通过纳米压痕实验测得的。
在一个优选实施方案中，d=y=z=0。
在另一个优选实施方案中，y=z=0。
在又另一个优选实施方案中，d=y=0。
在又另一个优选实施方案中，y=0。
在又另一个优选实施方案中，d=z=0。
在又另一个优选实施方案中，z=0。
在又另一个实施方案中，y=z=0且Me=Zr。
在又另一个实施方案中，y=z=0且Me=Nb。
在又另一个实施方案中，y=z=0且Me=Ta。
在又另一个实施方案中，y=0且Me=Zr。
在又另一个实施方案中，y=0且Me=Nb。
在又另一个实施方案中，y=0且Me=Ta。
在又另一个实施方案中，z=0且Me=Zr。
在又另一个实施方案中，z=0且Me=Nb。
在又另一个实施方案中，z=0且Me=Ta。
根据现有技术，所述层可包含例如TiN、TiC、Ti(C、N)或(Ti、Al)N，优选TiN或(Ti、Al)N的内部单层和/或叠层的涂层结构，和/或例如TiN、TiC、Ti(C、N)、(Ti、Al)N或氧化物，优选TiN或(Ti、Al)N的外部单层和/或叠层的涂层结构，以达到总厚度为0.7至20μm，优选2至10μm，并且最优选2至7μm。
用于本发明的层的沉积方法基于PVD技术，例如使用一种或多种纯的和/或合金化的金属(TicAlaCrbMed)阴极/靶的阴极电弧蒸发或磁控溅射。
在阴极电弧蒸发的情况中，根据阴极尺寸在50至200A的蒸发电流下生长根据本发明的层。为了实现可比较的沉积条件，阴极越大，需要的蒸发电流越高。在如下反应性气氛中在1.0至7.0Pa、优选1.5至4.0Pa的总气压下，使用一种或多种纯的、复合的和/或合金化的金属阴极生长层，其中Me是如下元素中的一种或多种：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si，所述反应性气氛含有N2和任选O2和/或含C气体并具有或不具有载气如Ar。所述含C气体可以例如选自CH4和/或C2H2。通过选择适当的(TicAlaCrbMed)阴极组成和气体气氛而得到所希望的层组成。负衬底偏压为0至300V，优选10至150V，最优选15至60V。沉积温度为200至800℃，优选300至600℃。
在磁控溅射的情况中，在施加到溅射靶的功率密度为0.5至15W/cm2、优选1至5W/cm2的条件下生长根据本发明的层。在如下反应性气氛中在0.13至7.0Pa、优选0.13至2.5Pa的总压下，使用一种或多种纯的、复合的和/或合金化的金属阴极生长层，其中Me是如下元素中的一种或多种：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W或Si，所述反应性气氛含有N2和任选O2和/或含C气体并具有或不具有载气如Ar。所述含C气体可以例如选自CH4和/或C2H2。通过选择适当的(TicAlaCrbMed)阴极组成和气体气氛而得到所希望的层组成。负衬底偏压为0至300V，优选10至150V，最优选20至100V。沉积温度为200至800℃，优选300至600℃。
本发明还涉及根据上文的切削工具刀片用于产生高温的金属加工的用途，其条件是，取决于切削速度和刀片的几何形状，对于例如超合金和硬化钢，切削速度是50-500米/分钟、优选50-300米/分钟，平均进给量是0.08-0.5毫米/转、优选0.1-0.4毫米/转。
具体实施方式
已经参照切削工具刀片对本发明进行了说明，但明显的是，其还能够应用于其它金属切削工具如钻和立铣刀。
实施例1
使用组成为90重量%的WC-10重量%的Co（细粒度，Hc=20.5kA/m）的烧结碳化物刀片。
在沉积之前，根据标准惯例对刀片进行清洁。将系统抽真空至低于0.08Pa的压力，其后用Ar离子对刀片进行溅射清洁。使用合金化的(Ti、Al、Cr)阴极通过阴极电弧蒸发生长(TicAlaCrb)Ny层，产生如表1中所示的希望的层组成。使用-40V的衬底偏压和75A的蒸发电流在2.5Pa的总压力下在纯N2气氛中于400℃下生长所述层，达到约3.0μm的总厚度。
表1
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和纳米压痕分别对所沉积层的组成、微结构和硬度进行了表征。
使用安装有ThermoNoranEDS的在10kV下运行的LEOUltra55扫描电子显微镜，通过能量色散光谱（EDS）分析面积，对所述层的平均组成进行了评价。将工业标准和ZAF校正用于定量分析。使用NoranSystemSix（NSS第2版）软件对金属组成进行了评价（参见表1）。
所有层都显示了柱状微结构。图1是表1中样品#23的SEM显微照片，显示了标记为I的(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N层的断裂横断面和标记为II的烧结碳化物刀片。除了SEM之外，使用在200kV下运行的FEITechnaiG2TF20UT通过横断面TEM获得了微结构的其它细节。通过常规机械磨碎/研磨，随后对半透电子的样品进行离子束蚀刻，制备了用于TEM的样品。图2显示了(Ti0.17Al0.53Cr0.30)N层的横断面的TEM显微照片。在接近层厚度中间处获得该图像并用箭头标记生长方向。所述层具有平均柱宽度约0.5μm的柱状微结构。通过对超过10个相邻柱的宽度求平均值，确定了平均柱宽度。
通过在θ-2θ和掠入射（GI）两种构造中的XRD，确认了所述层的NaCl结构。使用具有CuKα辐射的BrukerAXSD8-高级X射线衍射仪，获得了XRD图案。图3显示了样品#23在1°入射角下的GI图案，根据所述图案确认NaCl层结构。所述XRD数据也用于确定样品的织构关系。图4显示了标记为A的样品#14的XRD图案和标记为B的样品#30的XRD图案，所述样品#14具有织构系数TC(111)=2.48、TC(200)=0.43和TC(220)=0.09，即具有{111}纤维织构，而所述样品#30具有织构系数TC(111)=0.41、TC(200)=2.26和TC(220)=0.33即具有{200}纤维织构。
使用sin2ψ法通过XRD测量对(Ti、Al、Cr)N层的残余应力σ进行了评价。使用220-反射实现了该应力测量。使用侧倾技术（Ψ-几何形状）在0至0.82的sin2Ψ范围内（Ψ～65°）等距的11,Ψ角（正和负）的条件下获得了数据。使用泊松比ν=0.23和杨氏模量E=379GPa对残余应力值进行了评价。
最后，通过纳米压痕技术对硬度数据进行了评价。在Berkovich金刚石尖和30mN的最大尖部载荷的情况下，使用UMIS纳米压痕系统在机械研磨的层上实施压痕。使用UMIS软件从卸荷段对硬度数据进行了评价。
实施例2
重复实施例1，但使用合金化的(Ti、Al、Cr、Me)阴极，形成如表2、表3和表4中所示的希望的(Ti、Al、Cr、Me)层组成，余量为N含量，对于表2、表3和表4，分别为Me=Zr、Me=Nb和Me=Ta。
表2
表3
表4
实施例3
重复实施例1，但在表6中的样品1-4的生长、样品5-8的生长和样品9-12的生长中分别使用合金化的(Ti0.33Al0.33Cr0.34)阴极、合金化的(Ti0.25Al0.45Cr0.30)阴极和合金化的(Ti0.15Al0.55Cr0.30)阴极。在2.5Pa总气压下在混合的反应性N2+O2+CH4气体混合物中生长所述层。分别设置N2、O2和CH4的分压以得到如表5中所示的希望的层组成。
表5
实施例4
在如下条件下对源自实施例1的样品2、4、10、13、14、22、23、25和30进行试验并与竞争者级别的刀片进行了比较：
几何形状：DCMT11T304-F1
应用：纵向车削
工件材料：DIN100Cr6
切削速度：250米/分钟
进给量：0.15毫米/转
切削深度：ap=0.5mm
刀具使用寿命标准：侧面磨损（vb）>0.2mm
将结果示于表6中。
表6
样品 使用寿命（分钟）
2 20
4 22
10 22
13 19
14 24.5
22 25
23 23
25 22
30 21
竞争者A 20
竞争者B 损坏
竞争者C 19
在相同的最大侧面磨损下终止试验。刀具性能随磨损特性的提高而提高，与TC(111)/TC(200)的增大成比例。
实施例5
在如下条件下对源自实施例1的样品2、4、10、13、14、22、23、25和30进行了试验并与竞争者级别的刀片进行了比较：
几何形状：XOEX120408-M07
应用：肩铣
切削器直径：32mm
工件材料：SS1672
切削速度：275米/分钟
进给量：0.25毫米/齿
切削深度：ap=3mm
切削宽度：8.8mm
刀具使用寿命标准：侧面磨损（vb）>0.3mm
将结果示于表7中。
表7
样品 使用寿命（分钟）
2 7.5
4 8
10 7.5
13 8
14 9.5
22 10.3
23 9
25 8.5
30 7
竞争者D 6
竞争者E 7（崩刃）
竞争者F 6
在相同的最大侧面磨损下终止试验。刀具性能随磨损特性的提高而提高，与TC(111)/TC(200)的增大成比例。

Claims (12)

1.用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或立方氮化硼的材料的硬质合金主体，在所述主体上沉积硬且耐磨的涂层，所述涂层由一个或多个(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层组成，其特征在于，所述(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层的厚度为0.5至10μm、压应力水平为-6GPa<σ<-0.5GPa、纳米硬度>25GPa、平均柱宽度<1μm，并且所述(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层是柱状NaCl结构的，并且其中Me为如下元素中的一种或多种：Zr、V、Nb、Ta、Mo或W，并且
0.45<a<0.55，
b+d>0.25，
0.05<c<b+d，
0≤d<0.25，
0.75<x<1.05，
0≤y<0.25，
0≤z≤0.25。
2.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，Me为元素Zr、Nb和Ta中的一种或多种。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于，0.90<x<1.05。
4.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其特征在于，所述(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层具有如下织构
-TC(220)<TC(111)，
-TC(220)<TC(200)且
-0.1<TC(111)/TC(200)<10，
其中TC(hkl)为(hkl)反射的校正织构系数并按如下计算：
其中
μ(μm-1)为线性吸附系数，其对于所述层平均为μ＝0.0815μm-1，x(μm)为层厚度，θhkl为对于(hkl)反射的衍射角的一半，且TC测(hkl)为根据下式在θ-2θ构造中使用XRD数据测得的织构系数：
其中
I测(hkl)是所述(hkl)反射的强度，Io(hkl)是相同(hkl)反射的标准强度，其中分别地，Io(111)＝72，Io(200)＝100且Io(220)＝45，并且n＝3，即，(hkl)反射的数量为3，即分别为(111)、(200)和(220)反射。
5.根据权利要求4所述的切削工具刀片，其特征在于，1<TC(111)/TC(200)<10。
6.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，d＝y＝z＝0。
7.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，y＝z＝0。
8.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，y＝z＝0且Me＝Zr。
9.制备根据权利要求1所述的切削工具刀片的方法，其特征在于，在得到所希望层组成的阴极组成和气体气氛、50至200A的蒸发电流、0至300V的负衬底偏压以及200至800℃的沉积温度的条件下，在具有或不具有载气的含有N2和任选O2和/或含C气体的反应性气氛中，在1.0至7.0Pa的总气压下，通过使用复合的和/或合金化的TicAlaCrbMed阴极的阴极电弧蒸发来生长所述层，其中Me是如下元素中的一种或多种：Zr、V、Nb、Ta、Mo或W。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述载气是Ar。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的切削工具刀片用于产生高温的金属加工的用途，其条件是，取决于切削速度和刀片的几何形状，切削速度是50-500米/分钟，平均进给量是0.08-0.5毫米/转。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的切削工具刀片用于产生高温的金属加工的用途，其条件是，取决于切削速度和刀片的几何形状，对于超合金和硬化钢，切削速度是50-500米/分钟，平均进给量是0.08-0.5毫米/转。
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