CN104204275B - 纳米层压的涂层切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包括烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的硬质合金刀体，在其上用物理气相沉积(PVD)沉积硬质耐磨涂层。所述涂层包括至少一个多晶纳米层压结构，所述多晶纳米层压结构包括交替的层A和B的序列，其中所述层A是(Alx1Me11-x1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，0.9＜y1＜1.1，并且Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W中的一种或多种，或者Me1是Ti和以下元素中的一种或多种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W，以及所述层B是(Zr1-x2-z2Six2Me2z2)Ny2，其中0＜x2＜0.30，0.90＜y2＜1.20，0≤z2＜0.25，并且Me2是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一种或多种，层A和B的平均单层厚度为1nm-50nm，并且所述纳米层压结构具有0.5μm-15μm的厚度。本发明还涉及一种用于涂覆该刀片的方法和其用途。由于在高温下的金属切削应用中提高的耐磨性和刀刃完整性，该刀片表现出改进的工具寿命。

Description

纳米层压的涂层切削工具
技术领域
本发明涉及一种采用硬质耐磨PVD，物理气相沉积，涂覆的切削工具刀片，涂层包括分别基于交替的Zr-Si和Al基氮化物层的纳米层压结构。本发明还涉及一种涂覆该刀片的方法和其用途。
发明背景
TiN已被广泛应用作切削工具上的硬质耐磨层。然而，由于其在高温下相对较弱的抗氧化性，研究焦点转向了更复杂的三元和四元复合物，例如在(Ti，Al)N和(Ti，Si)N体系中表现出提高的性能，这保证在大范围的金属切削应用中更高的切削速度、增长的工具寿命以及对更硬材料的加工。
CN101338411公开了通过在混合的氩气和氮气中放电共溅射纯Zr和纯Si靶材在基底上生长Zr-Si-N层至总厚度为2至3μm。
EP1736565公开了一种切削工具刀片、整体立铣刀或钻子，其包括刀体和涂层，该涂层由一个或多个难熔化合物层构成，其中至少一层包括立方(Me，Si)X相，其中Me是元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和Al中的一种或多种，并且X是元素N、C、O或B中的一种或多种。
US7056602公开了一种涂覆有立方结构(TiyAlxMe1-x-y)N基层的切削工具刀片，其中Me是以下元素的一种：Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W或Si，且：x介于0.50和0.80之间；比率x/(x+y)介于0.50和0.85之间；Ti和Al下标之和x+y介于0.7和1.0之间。
还已通过施加如下不同概念的多层获得了涂层优化：交替的含Ti和Al的层(US6309738)，含氧和无氧的层(US6254984)，堆叠在多层中的层中的一层自身由多层组成(US6077596)，氮含量的交替(US5330853)或使用一种亚稳态化合物(US5503912)或非周期多层(US6103357)。
WO2010140958公开了一种具有由交替层A和B的多晶纳米层压结构涂覆的切削工具刀片，其中层A是(Ti，Al，Me1)N，Me1任选地是周期表第3、4、5或6族中的一种或多种元素，层B是(Ti，Si，Me2)N，并且Me2任选地是包括Al的来自周期表第3、4、5或6族中的一种或多种元素，在产生高工作温度的应用中具有改进的切削性能。
JP2008302474公开了一种用交替的层压结构涂覆的切削工具刀片，其包括(Zr.Si)N的第一单层和在其上交替的(Al，Cr)N和(Zr，Si)N层。
目前工业中还在继续地寻找经济和高产出率/通量加工的解决方案。为了满足这些要求，需要具有先进性能以在操作过程中改进工具寿命的新材料。在金属切削工具工业中，这种努力的主要部分集中于通过设计应用中使用的涂层材料的性能而提高切削工具的耐磨性。通常，高产出率/通量的切削过程导致工具温度急剧升高，因此具有高温耐磨性的涂层材料是至关重要的。
发明目的
本发明的一个目的是提供在高温下的金属切削应用中具有改进的性能的涂层切削工具刀片。
本发明的另一个目的是提供具有改进的耐磨性能的涂层切削工具刀片。
发明内容
根据本发明的第一个方面，通过经由排屑进行加工的切削工具刀片实现所述目的，所述切削工具刀片包括烧结碳化物(cementedcarbide)、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢，优选烧结碳化物和金属陶瓷的硬质合金(hardalloy)的刀体，所述刀体上沉积硬质耐磨涂层，其中所述涂层包括至少一个多晶纳米层压结构，所述多晶纳米层压结构包括交替的层A和B的序列，其中所述层A是(Alx1Me11-x1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，0.9＜y1＜1.1，和Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W中的一种或多种，或者Me1是Ti和以下元素中的一种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W，和所述层B是(Zr1-x2-z2Six2Me2z2)Ny2，其中0＜x2＜0.30，0.90＜y2＜1.20，0≤z2＜0.25，和Me2是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一种或多种，层A和B的平均单层厚度介于1nm和50nm之间，和所述纳米层压结构具有0.5μm至15μm的厚度。通过在切削工具刀片上的纳米层压涂层结构中组合交替的(Zr，Si)基和Al基氮化物层的序列，工具寿命得到显著提升，这归因于提高的耐磨性和刀刃完整性，特别是在高温下的加工操作中。
根据本发明的一个实施方式，层A是(Ti1-x1-z1Alx1Me1z1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，0.9＜y1＜1.1，0≤z1＜0.25，和(1-x1-z1)＞0，和Me1是元素Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W中的一种或多种。
根据本发明的一个实施方式，0.45＜x1＜0.75。
根据本发明的一个实施方式，0.96＜y1＜1.04。
根据本发明的一个实施方式，0＜x2＜0.15。
根据本发明的一个实施方式，0.90＜y2＜1.10。
根据本发明的一个实施方式，0≤z1＜0.15。
根据本发明的一个实施方式，0≤z2＜.15。
根据本发明的一个实施方式，z1＝0。
根据本发明的一个实施方式，z2＝0。
根据本发明的一个实施方式，所述纳米层压结构包括立方和六方相的相混合物。
根据本发明的一个实施方式，所述纳米层压结构包括立方晶相，优选NaCl相。
根据本发明的一个实施方式，所述涂层由最内单层和/或多层(2)和接着的所述纳米层压结构(3)及任选地外部单层和/或多层(5)组成，其中所述最内单层和/或多层(2)包括例如TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，优选(Ti，Al)N单层，所述外部单层和/或多层(5)包括例如TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，优选TiN单层，所述涂层具有1μm-20μm的总厚度。
根据本发明的第二个方面，通过如下的制备硬质耐磨涂层的方法来实现所述目的：分别使用固定装置旋转和用于层A和层B的至少两个相对的不同复合和/或合金化阴极，通过PVD，优选通过阴极电弧蒸发，生长包括交替的A：(Al，Me1)N和B：(Zr，Si，Me2)N层的序列的纳米层压结构，其中Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W中的一种或多种，或者Me1是Ti和以下元素中的一种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W，和Me2是以下元素中的一种或多种：Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al，其条件是，反应气氛含N2，任选地具有例如Ar的载气，总气压为1.0Pa-7.0Pa，优选1.5Pa-4.0Pa，蒸发电流为50A-200A，负基底偏压为0V-300V，优选10V-150V，最优选15V-100V，和沉积温度为200℃-800℃，优选300℃-600℃。
根据本发明的第三个方面，通过在如下条件下使用经由排屑进行加工的切削工具刀片实现所述目的：其特别地产生高温，取决于切削速度和刀片几何形状，切削速度为50-400m/分钟、75-300m/分钟，在铣削的情况下，每齿的平均进给量为0.08-0.5mm，优选0.1-0.4mm。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的示意图，示出扫描电子显微镜(SEM)剖面显微图中会出现的涂层结构。
发明详述
根据本发明的一个实施方式，提供了一种通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包括烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的硬质合金的刀体1，优选烧结碳化物和金属陶瓷，在其上沉积硬质耐磨涂层，所述涂层包括至少一个多晶纳米层压结构3，所述多晶纳米层压结构3包括交替的层A和B的序列，所述纳米层压结构的厚度为0.5至15μm，优选0.5至10μm，最优选0.5至5μm。所述纳米层压结构具有总体上呈柱状的结构，平均柱宽为20-1000nm，优选20-500nm，这是通过例如剖面透射电子显微镜在纳米层压结构的中间区域即在生长方向上30％-70％厚度区域中的测量结果估算的，所述平均柱宽是至少十个相邻柱的平均值。
所述层A是(Alx1Me11-x1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，优选0.45＜x1＜0.75，0.9＜y1＜1.1，优选0.96＜y1＜1.04，并且Me1是以下元素中的一种或多种：Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W，或者Me1是Ti和以下元素中的一种或多种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W。优选地，Me1是元素Ti、Si和Nb中的一种或多种。
所述层B是(Zr1-x2-z2Six2Me2z2)Ny2，其中0＜x2＜0.30，优选0＜x2＜0.15，最优选0＜x2＜0.085，0.90＜y2＜1.20，优选0.90＜y2＜1.10，0≤z2＜0.25，优选0≤z2＜0.15，最优选0≤z2＜0.10，并且Me2是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一种或多种，优选是元素Ti、Ta和Cr中的一种或多种，最优选是元素Ta和Cr中的一种或多种。
所述层A和B具有1nm到50nm，优选1nm到30nm，最优选2nm到20nm的平均单层厚度，这是通过例如剖面透射电子显微镜在纳米层压的中间区域即在生长方向上其30％至70％厚度区域内的测量结果估算的，并且所述单层平均厚度是至少十个相邻层的平均厚度。由于生长过程中例如正常工艺变化、紧固设置和刀片旋转，层A和B的非有意的和小的、非周期性的和/或周期性的厚度变化对于涂覆过程是常见的。
所述纳米层压结构包括例如用X射线衍射检测出的立方和六方相的相混合物。根据本发明的一个实施方式，用X射线衍射测出纳米层压结构包括立方相，优选NaCl相。
在一个实施方式中，所述层A是(Ti1-x1-z1Alx1Me1z1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，优选0.45＜x1＜0.75，0.9＜y1＜1.1，优选0.96＜y1＜1.04，和0≤z1＜0.25，优选0≤z1＜0.15，和Me1是元素Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W中的一种或多种，优选元素Cr、V、Si和Nb中的一种或多种，最优选元素Cr、Nb和Si中的一种或多种。
所述层A和B的元素组成，即x1、y1、z1、x2、y2和z2，通过在相应厚度(＞2μm)的单层上用例如EDS或WDS技术进行测量而评估得到。在检测精度内，所述单层的组成在整个单层厚度上基本恒定，其变化小于10％，包括正常工艺变化例如生长过程中刀片的转动造成的影响。
在一个实施方式中，z1＝0。
在一个实施方式中，z2＝0。
在一个实施方式中，z1＝z2＝0。
在一个实施方式中，Me1是元素Ti、Si和Nb中的一种或多种。
在一个实施方式中，Me2是元素Ti、Ta和Cr中的一种或多种。
通过纳米压痕实验，测得所述涂层具有＞20GPa，优选25GPa至40GPa，最优选30GPa至40GPa的纳米硬度。
显然，所述纳米层压结构可以成为复杂涂层设计的一部分，并且可例如用作所述复杂涂层的内部、中间和/或外部纳米层压结构。
图1示出了本发明的一个实施方式的示意图，其示出如下的涂层结构，其中刀体1涂覆有最内层2，根据本发明任一示例性实施方式的包括交替的层A和B的序列4的纳米层压结构3，和最外层5。
在一个实施方式中，所述涂层由最内单层和/或多层2、接着的所述纳米层压结构(3)和任选地最外单层和/或多层5组成，所述最内单层和/或多层2包括例如TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，优选(Ti，Al)N单层，所述最外单层和/或多层5包括例如TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，优选TiN单层，所述涂层具有1μm至20μm，优选1μm至15μm，最优选1μm至7μm的总厚度。
所述纳米层压结构的沉积方法基于物理气相沉积(PVD)技术，优选阴极电弧蒸发，在含N2的反应气氛中使用合金化的或复合的阴极，任选地使用例如Ar的载气，总气压为1.0Pa至7.0Pa，优选1.5Pa至4.0Pa，蒸发电流为50A至200A，负基底偏压为0V至300V，优选10V至150V，最优选15V至100V，沉积温度为200℃至800℃，优选300℃至600℃。通过分别选择一个或多个(Al，Me1)阴极的适当组成和一个或多个(Zr，Si，Me2)阴极的组成，获得所期望的层A和B组成，其中Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W中的一种或多种，Me2是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一种或多种。将阴极安装在沉积室中的相对侧，从而通过固定装置旋转获得纳米层压结构，其中通过蒸发电流和固定装置的旋转速度来设定平均单层厚度。
本发明还涉及根据上文的切削工具刀片用于在如下条件下加工不锈钢、超合金和硬化钢上的用途：取决于切削速度和刀片几何形状，切削速度为50-500m/分钟，优选50-300m/分钟，平均进给速度为0.08-0.Smm/rev，优选0.1-0.4mm/rev。
已经参照切削工具刀片描述了本发明，但显然地，本发明也适用于其它金属切削工具，例如钻子或立铣刀。
具体实施方式
实施例1
通过阴极电弧蒸发，沉积具有组成94wt％WC-6wt％Co的烧结碳化物切削工具刀片。
沉积前，在碱性溶液和醇的超声波浴中清洗刀片。将系统抽真空到小于2.0×10- 3Pa的压力，然后用Ar离子溅射清洗刀片。从具有表1所述组成的合金或复合阴极沉积涂层，以分别得到所需组成的层A和层B，沉积条件是，在450℃下，在99.995％的纯N2气氛下，总压力2-6Pa，使用-20V到-60V的偏压，蒸发电流为60-200A。将阴极安装在沉积室中的相对侧上，从而通过固定装置旋转而获得纳米层压结构。平均单层厚度随着改变阴极电流(60-200A)和固定装置旋转速度(1-5rpm)而不同。通过所有刀片的后刀面上的测量，涂层的总厚度为约3μm。
使用在10kV下操作并配备了ThermoNoranEDS检测器的LEOUltra55扫描电子显微镜，通过能量色散x射线能谱(EDS)分析面积，从测量结果中估算纳米层压结构的平均组成。使用NoranSystemSix(NSS版本2)软件估算数据。
用纳米压痕技术对表面机械抛光后的层的硬度数据进行估算，其中使用具有Berkovich钻石刀头(tip)的UMIS2000纳米压痕系统，最大的刀头负荷是25mN。
表1
表2总结了根据本发明实施方式的示例性涂层和对比涂层的结果。
表2
实施例2
在以下条件下测试涂层2、4-6、8、16、18-21和26-29：
结果在表3中示出。
表3
表3中示出的切削结果清楚地表明，与对比涂层相比，测试的所有包括纳米层压结构的涂层表现出色，具有整体上良好的耐磨性。涂层4表现出最好的切削结果。

Claims (17)

1.一种通过排屑进行加工的切削工具刀片，所述切削工具刀片包括烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的硬质合金的刀体(1)，在其上沉积硬质耐磨PVD涂层，其特征在于，所述涂层包括至少一个多晶纳米层压结构(3)，所述多晶纳米层压结构(3)包括交替的层A和B的序列(4)，其中所述层A是(Alx1Me11-x1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，0.9＜y1＜1.1，和Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si和W中的一种或多种，或者Me1是Ti和以下元素中的一种或多种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W，和所述层B是(Zr1-x2-z2Six2Me2z2)Ny2，其中0＜x2＜0.30，0.90＜y2＜1.20，0≤z2＜0.25，和Me2是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一种或多种，层A和B的平均单层厚度是1nm-50nm，和所述纳米层压结构具有0.5μm-15μm的厚度。
2.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其中所述层A是(Ti1-x1-z1Alx1Me1z1)Ny1，其中0.3＜x1＜0.95，0.9＜y1＜1.1，0≤z1＜0.25，和(1-x1-z1)＞0，和Me1是元素Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W中的一种或多种。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其中0.45＜x1＜0.75。
4.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中0.96＜y1＜1.04。
5.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中0＜x2＜0.15。
6.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中0.90＜y2＜1.10。
7.根据权利要求2所述的切削工具刀片，其中0≤z1＜0.15和/或0≤z2＜0.15。
8.根据权利要求2所述的切削工具刀片，其中z1＝0。
9.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中z2＝0。
10.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中所述纳米层压结构包含立方和六方相的相混合物。
11.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中所述纳米层压结构包含立方相。
12.根据权利要求11所述的切削工具刀片，其中所述立方相为NaCl相。
13.根据权利要求1或2所述的切削工具刀片，其中所述涂层由最内单层和/或多层(2)和接着的所述纳米层压结构(3)及任选地外部单层和/或多层(5)组成，所述涂层具有1μm-20μm的总厚度。
14.根据权利要求13所述的切削工具刀片，其中所述最内单层和/或多层(2)包括TiN、TiC、Ti(C,N)或(Ti,Al)N。
15.根据权利要求13所述的切削工具刀片，其中所述外部单层和/或多层(5)包括TiN、TiC、Ti(C,N)或(Ti,Al)N。
16.一种制备硬质耐磨纳米层压涂层结构的方法，其特征在于，分别使用固定装置旋转和用于层A和层B的至少两个相对的不同复合和/或合金化阴极，通过PVD，生长交替的A：(Al,Me1)N和B：(Zr,Si,Me2)N层的序列，其中Me1是元素Ti、Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W中的一种或多种，或者Me1是Ti和以下元素中的一种或多种：Y、V、Nb、Mo、Si、Cr和W，和Me2是以下元素中的一种或多种：Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al，其条件是，反应气氛含N2，任选地具有载气，总气压为1.0Pa-7.0Pa，蒸发电流为50A-200A，负基底偏压为0V-300V，和沉积温度为200℃-800℃。
17.根据权利要求1-15中的任一项所述的切削工具刀片在如下条件下通过排屑进行加工的用途：其特别地产生高温，取决于切削速度和刀片几何形状，切削速度为50-400m/分钟，在铣削的情况下，每齿的平均进给量为0.08-0.5mm。
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