CN107835870B - 涂层切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂层切削刀具，其包含硬质合金刀体和0.5‑10μm的(Ti，Al，Cr)N纳米层PVD涂层，所述PVD涂层具有平均组成TiaAlbCrcN，其中a＝0.25‑0.7，b＝0.3‑0.7且c＝0.01‑0.2，a+b+c＝1。所述硬质合金刀体具有如下组成：5‑18重量％Co，0.1‑2.5重量％Cr，0‑10重量％来自元素周期表中的第4、5和6族的金属的碳化物或碳氮化物，和余量的WC。

Description

涂层切削刀具
本发明涉及一种涂层切削刀具。所述涂层切削刀具包含硬质合金刀体和PVD涂层。
引言
其中PVD涂层沉积在硬质合金基底上的PVD涂层切削刀具是本领域众所周知的。
由多个不同组成的子层组成的纳米层PVD涂层已经使用了很长时间。这些涂层由不同的子层A、B、C...构成，所述子层通常是金属氮化物，其以例如A/B/A/B/A…或A/B/C/A/B/C/A…的方式重复沉积。单个子层通常具有3至100nm、常常5至25nm的厚度，这意味着对于每微米厚度的纳米层PVD涂层来说，子层总数较大。所述金属可属于元素周期表中的第4、5和6族，例如Ti、Zr、V和Cr，通常也与Al和Si一起。具体实例是例如其中个别层是TiAlN和TiN或具有不同Ti/Al比的不同TiAlN子层的纳米层涂层。
切削刀具中的硬质合金基底可具有多种不同含量的粘结相，通常为Co。除了主要组分WC之外，在一些情况下还可存在其它硬质成分，例如Ti、Ta和Nb的碳化物。也可能已添加了像Cr这样的元素。硬质合金中的组分的具体组合以及具体烧结工艺给出实际的微观结构并影响性能诸如韧性和硬度。
钢的铣削是工业中重要的金属切削操作。ISO P材料尤其被广泛使用。铣削操作是本质上通常为间歇性的要求高的金属切削操作。热负荷和机械负荷将随时间而变化。前者引起热张力，这可能导致涂层中所谓的热裂纹，而后者可能由于疲劳而引起切削刃的崩裂。因此，铣削中常见的磨损类型是裂纹和崩裂，即切削刃的小碎片从基底的其余部分松脱。如果在早期阶段涂层剥落，裂纹和崩裂两者可能增强。因此提高抗热裂性、刃韧性和抗剥落性对于增加刀具寿命非常重要。在用于铣削操作的切削刀具中通常使用PVD涂层。通常使用纳米层PVD涂层代替均匀的PVD涂层可以减少裂纹扩展穿过涂层。而且，具体包含较硬子层与较软子层相互夹层的纳米层涂层可以通过较软子层减震而进一步降低崩裂的风险。
因此，对于ISO P钢的铣削应用，需要一种涂层切削刀具，该刀具显示出良好的刃线韧性(刃线中的抗崩裂性)、良好的抗热裂性、良好的抗剥落性和良好的耐化学性和耐磨损性的总体组合。
与铣削相比，车削是一种连续的机加工操作。耐热性超级合金(HRSA)和钛(即ISOS材料)是例如航天工业中的重要材料。由于工件材料的特性，机加工ISO S材料具有挑战性。这些材料是硬质的且有涂抹性(smearing)。机加工它们会产生大量的热量并促进磨损机制，例如粘着、磨蚀和化学磨损。切口形成、剥落和崩裂是达到刀具寿命的常见原因。因此，对于ISO S材料的车削应用，需要一种涂层切削刀具，该刀具显示出良好的刃线韧性(刃线中的抗崩裂性)、耐磨蚀和化学磨损性以及良好的抗剥落性的总体组合。由于其韧性和热硬度，纳米晶高Al含量PVD涂层被广泛用于机加工ISO S材料。
EP 1 795 628 A1公开了一种用于钢合金和不锈钢的铣削的涂层切削刀具，其中含有8-11重量％Co和0.1-0.5重量％Cr的硬质合金基底涂覆有纳米层PVD涂层A/B/A/B/A…，其中子层A和B由AlxTi1-xN和TiyAl1-yN组成，x＝0.4-0.7且y＝0.6-1，x<y。
EP 2 011 894 A1公开了一种用于钢和不锈钢的切断、切槽和螺纹加工的涂层切削刀具刀片，其包含硬质合金基底和PVD涂层，所述PVD涂层包含具有不同Ti/Al比的两个(Ti,Al)N层。在一个实施方式中，所述PVD涂层由以下构成：内部非周期性TiAlN薄片涂层，其由AlzTi1-zN和AlvTi1-vN的交替层组成，其中z＝0.55-0.70且v＝0.35-0.53；和外部(Ti,Al)N薄片涂层，其由AlmTi1-mN和AlnTi1-nN和AlkTi1-kN的交替层组成，其中m＝0-0.1，n＝0.35-0.53且k＝0.55-0.70。所述硬质合金基底包含7.5-10.5重量％Co和0.8-1.0重量％Cr。
EP 2 008 743 A1公开了一种用于车削耐热性超级合金和不锈钢的涂层切削刀具刀片，其包含硬质合金基底和PVD涂层，所述PVD涂层包含平均组成为0.4-0.7的非周期性(Ti,Al)N薄片涂层。所述单个薄片具有组成AlxTi1-xN，其中x＝0.4-0.7，和TiyAl1-yN，其中y＝0.6-1。所述硬质合金基底包含5-8重量％Co和0.3-1.5重量％Cr。
本发明
现在已经提供了一种涂层切削刀具，其在含Cr的硬质合金基底上具有(Ti,Al,Cr)N纳米层PVD涂层，在需要高的抗热裂性与高刃韧性组合的ISO P材料的加工中，如铣削操作中，所述刀具的性能优于先前已知的切削刀具。
此外，在需要高耐磨性与高刃韧性组合的耐热性超级合金(HRSA)和钛(即ISO S材料)的加工中，如车削操作中，根据本发明的涂层切削刀具的性能优于先前已知的切削刀具。
所述涂层切削刀具可以是涂层切削刀片，例如用于车削的涂层切削刀片或用于铣削的涂层切削刀片，或者用于钻削的涂层切削刀片，或者用于螺纹加工的涂层切削刀片，或者用于切断和切槽的涂层切削刀片。所述涂层切削刀具也可以是涂层整体硬质合金钻头或立铣刀。
根据本发明，提供了一种涂层切削刀具，其包含硬质合金刀体和PVD涂层，所述硬质合金刀体具有如下组成：5-18重量％Co、0.1-2.5重量％Cr、0-10重量％除WC之外的一种或多种来自元素周期表中的第4、5和6族的金属的碳化物或碳氮化物，和余量的WC，所述PVD涂层是具有平均组成TiaAlbCrcN的(Ti,Al,Cr)N纳米层PVD涂层，其中a＝0.25-0.7，b＝0.3-0.7且c＝0.01-0.2，a+b+c＝1，所述PVD涂层是纳米层PVD涂层A/B/A/B/A…，其中子层A和B分别由以下组成：A：TiuAlvCrwN，u＝0.1-0.4，v＝0.5-0.8，w＝0.01-0.3，u+v+w＝1，和B：TixAlyCrzN，x＝0.4-0.7，y＝0.3-0.6，z＝0-0.2，x+y+z＝1，u<x且v>y，所述纳米层PVD涂层的厚度是0.5-10μm。
图1中示出了沉积在刀体上的纳米层(Ti,Al,Cr)N PVD涂层的示意图。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含6-15重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含6-14重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含8-12重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含9-11重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含10-15重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含12-15重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含6-8重量％Co。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含0.1-2.5重量％Cr。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含0.2-2重量％Cr。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含0.4-1.8重量％Cr。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含0.6-1.6重量％Cr。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体包含0.8-1.4重量％Cr。
在一个实施方式中，所述硬质合金具有如下组成：8-12重量％Co，优选9-11重量％Co，和0.6-1.8重量％Cr，优选0.8-1.6重量％Cr，和余量的WC。这是当涂层切削刀具是用于铣削ISO P材料的涂层切削刀片时的优选实施方式。
在一个实施方式中，所述硬质合金具有如下组成：12-15重量％Co，和0.8-2重量％Cr，优选1-1.8重量％Cr，和余量的WC。这是当涂层切削刀具是用于铣削ISO P材料的涂层切削刀片时的另一种优选实施方式。
在一个实施方式中，所述硬质合金具有如下组成：6-8重量％Co和0.4-1.2重量％Cr，优选0.5-1重量％Cr，和余量的WC。这是当涂层切削刀具是用于车削ISO S材料的涂层切削刀片时的优选实施方式。
所述硬质合金刀体中的Cr/Co重量比适宜为0.01至0.2，或0.02至0.19，或0.03-0.18，或0.04-0.16，或0.05-0.15，或0.06-0.14，或0.07-0.13，或0.08-0.12。
所述硬质合金刀体还可以以50-300重量ppm，或100-200重量ppm的量包含加入一种或多种金属Me，其为Ti、Ta、Nb、V和Zr。
所述硬质合金刀体可包含0-5重量％、或0-3重量％、或0-1重量％、或0-0.5重量％、或0-0.1重量％的除WC之外的一种或多种来自元素周期表中的第4、5和6族的金属的碳化物或碳氮化物。
来自元素周期表中的第4、5和6族的金属适宜属于Ti、Ta、Nb、V、Zr、Cr、W和Mo的群组。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体在Co粘结相中基本上不具有沉淀相(WC除外)。
所述硬质合金可含有少量、<1体积％或<0.5体积％的所谓η相沉淀或其它杂质，而没有任何有害作用。
所述硬质合金刀体适宜具有如下原子百分比比率Me/Co，即(原子％Ti+原子％Ta+原子％Nb+原子％V+原子％Zr)/原子％Co，其低于或等于0.014-(CW_Cr)×0.008且高于0.0005，优选高于0.0007，其中Cw_Cr 0.75-0.95，优选0.80-0.92，其中：
CW_Cr＝(磁性％Co+1.13×重量％Cr)/重量％Co。
硬质合金的磁性由Co粘结相的铁磁性决定，而硬质相(WC等)是非铁磁性的。粘结相中的Co对所测得的磁矩的贡献总是100％纯Co的(理论)磁矩的仅1％。这例如可能是由于硬质合金组合物中的一些金属如W和Cr在烧结期间可以溶解在Co粘结相中，并且与纯Co相比降低了Co粘结相的铁磁性。因此，术语磁性％Co是指相对于纯Co的磁矩所测量的磁矩。
所述硬质合金刀体的磁矫顽力适宜为14-30kA/m，或16-29kA/m，或18-28kA/m。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体的磁矫顽力为25-29kA/m。
在一个实施方式中，所述硬质合金刀体的磁矫顽力为18-24kA/m。
对于矫顽力测量，参考标准DIN IEC 60404-7(开放磁路中的矫顽磁场强度的确定)。
所述硬质合金刀体中的WC晶粒度d适宜为0.20-0.80μm，或0.25-0.75μm，或0.30-0.70μm，或0.30-0.50μm。
WC晶粒度d由磁矫顽力值确定。例如在Roebuck等,Measurement Good PracticeNo.20(测量良好的实践20号),National Physical Laboratory(国家物理实验室),ISSN1368-6550,1999年11月,2009年2月修订,第3.4.3章节,第19-20页中描述了矫顽力与WC晶粒度之间的关系。为了本申请的目的，WC晶粒度d根据上述文献中第20页的公式(8)确定：
K＝(c1+d1WCo)+(c2+d2WCo)/d。重排得到：
d＝(c2+d2WCo)/(K-(c1+d1WCo))，其中
d＝硬质合金刀体的WC晶粒度，K＝硬质合金刀体的矫顽力(以kA/m计)，本文中根据标准DIN IEC 60404-7测量，WCo＝硬质合金刀体中的重量％Co，c1＝1.44，c2＝12.47，d1＝0.04，且d2＝-0.37。
纳米层PVD涂层的平均组成TiaAlbCrcN具有优选a＝0.28-0.55，最优选a＝0.3-0.45，优选b＝0.4-0.65，最优选b＝0.5-0.6，并且优选c＝0.02-0.15，最优选c＝0.03-0.12，a+b+c＝1。
对于纳米层PVD涂层的为TiuAlvCrwN的子层A，u适宜为0.15-0.35，优选为0.2-0.3，v适宜为0.55-0.75，优选为0.6-0.7，w＝0.02-0.2，优选为0.05-0.15，u+v+w＝1。
对于纳米层PVD涂层的为TixAlyCrzN的子层B，x适宜为0.45-0.6，优选为0.45-0.55，y适宜为0.35-0.55，z＝0-0.15，优选为0-0.10，最优选为0-0.05，x+y+z＝1。
在一个实施方式中，y是0.35-0.45。
在一个实施方式中，y是0.45-0-55。
在一个实施方式中，z是0。
在一个实施方式中，所述纳米层PVD涂层具有分别由以下组成的子层A和B：
A：TiuAlvCrwN，u＝0.15-0.35，v＝0.55-0.75，w＝0.02-0.2，和
B：TixAlyCrzN，x＝0.45-0.6，y＝0.35-0.55，z＝0-0.15。
所述纳米层PVD涂层的平均组成TiaAlbCrcN的Ti/Al原子比率，即纳米层PVD涂层的平均组成TiaAlbCrcN中的a/b，适宜为0.4-1.2，优选为0.4-1.0，更优选为0.4-0.85，甚至更优选为0.5-0.8，最优选为0.6-0.75。
所述纳米层PVD涂层可以是非周期性的或周期性的，这取决于例如PVD涂层装置的设计，待涂覆的坯料相对于靶材的移动等。
在一个实施方式中，所述纳米层PVD涂层是非周期性涂层。
在一个实施方式中，所述纳米层PVD涂层是周期性涂层。
每个纳米层A和B的厚度是3-100nm，或3-75nm，或5-50nm，或5-25nm。
每μm纳米层PVD涂层的子层A和B的总数适宜为15-200，或25-150，或50-125。
所述纳米层PVD涂层(在涂层切削刀具的前刀面或后刀面或两者上)的厚度是0.5-10μm，或1-8μm，或1-6μm，或2-6μm。
在一个实施方式中，纳米层PVD涂层(在涂层切削刀具的前刀面或后刀面或两者上)的厚度是3-5μm。这是当涂层切削刀具是用于铣削ISO P材料的涂层切削刀片时的优选实施方式。
在一个实施方式中，所述纳米层PVD涂层(在涂层切削刀具的前刀面或后刀面或两者上)的厚度是1-4μm，优选1.5-3.5μm。这是当涂层切削刀具是用于车削ISO S材料的涂层切削刀片时的优选实施方式。
通过例如光学显微镜，在前刀面上距离刃中部200μm的区域内，以及在后刀面上距离刃中部200μm的区域内，测量纳米层PVD涂层的厚度。在两个区域中的每一个上，测量涂层三个位置处的层厚度并计算平均值。
所述纳米层PVD涂层之上可存在其它层，但其总厚度应该不超过纳米层PVD涂层厚度的50％，优选不超过25％。在可能的其它层中，可以存在例如用于着色目的的最外面的0.1-1μm厚的(Ti,Al)N的PVD层。此外，在可能的其它层中，可以存在用于粘附目的的最内层的0.1-0.5μm厚的例如TiN的PVD层。
(Ti,Al,Cr)N纳米层涂层还可包含少量的一种或多种其它金属元素Me，其基本上不会改变所要求保护的(Ti,Al,Cr)N涂层的性质，其例如由PVD沉积过程中使用的靶材中的杂质产生，例如小于纳米层涂层中的Ti+Al+Cr+Me的总和的1原子％，或小于0.5原子％，或小于0.3原子％，或小于0.1原子％。Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Fe、W和Si中的一种或多种。
所述纳米层PVD涂层可以在真空室中通过阴极电弧蒸发来沉积。为了获得所需的纳米层PVD涂层，提供具有合适组成的靶材并安装在真空室中。适当使用DC偏压，并且如PVD领域的普通技术人员已知的那样调整其它工艺参数，例如N2流量和压力、偏压、阳极电流、温度和时间。
偏压适宜为30-100V，或40-90V，或50-80V。
纳米层PVD涂层沉积期间的温度适宜为250-750℃，优选为300-600℃，最优选为350-500℃。
所述涂层切削刀具的硬质合金刀体(即在沉积PVD涂层之后)适宜具有-1至-4GPa、或-1.2至-3GPa的残余应力RScc。因为所述值是负值，所以残余应力是压缩性的。
所述PVD涂层适宜具有-0.5至-4.5GPa、或-1.5至-3.5GPa的残余应力RSPVD。因为所述值是负值，所以残余应力是压缩性的。
硬质合金刀体的残余应力RScc与PVD涂层的残余应力RSPVD之间的差值使得所述差值绝对值│RScc-RSPVD│适宜为0至1.5GPa，或0至1GPa，或0至0.8GPa，或0至0.6GPa，或0至0.4GPa。
使用如I.C.Noyan,J.B.Cohen,Residual Stress Measurement by Diffractionand Interpretation(通过衍射和分析进行的残余应力测量),Springer-Verlag,纽约,1987(第117-130页)所述的众所周知的sin2ψ方法，通过X射线衍射测量来评价残余应力。此外参见例如V Hauk,Structural and Residual Stress analysis by NondestructiveMethods(通过非破坏性方法进行的结构性和残余应力分析),Elsevier,阿姆斯特丹,1997。对于PVD涂层，使用CuKα辐射在(Ti,Al,Cr)N(200)反射上进行测量。对于硬质合金刀体，使用CuKα辐射在WC(300)反射上进行测量。已经在选定sin2ψ范围内等距的6到11个、优选8个ψ角下使用了侧倾技术(ψ几何结构)。Φ角在90°的Φ扇区内的等距分布是优选的。为了确认双轴应力状态，样品应在ψ中倾斜的同时对于Φ＝0和90°旋转。建议研究剪切应力的可能存在，因此应测量负ψ角和正ψ角。在Euler 1/4摇架的情况下，这是通过对于不同的ψ角也在Φ＝180和270°下测量样品来实现的。测量应在尽可能平坦的表面上进行，优选在刀片的后刀面上进行。为了计算残余应力值，对于PVD涂层使用泊松比ν＝0.33和杨氏模量E＝350GPa，并且对于硬质合金刀体使用泊松比ν＝0.19和杨氏模量E＝650GPa。使用商业上可获得的软件如来自Bruker AXS的DIFFRACPlus Stress32第7.7版，优选分别定位(Ti,Al,Cr)N(200)和WC(300)反射，通过Pseudo-Voigt-Fit函数来评价数据。以所获得的双轴应力的平均值计算总应力值。
实施例
实施例1(发明)：
提供硬质合金铣削坯料(几何结构R390-1108T3M-PM)，其具有如下组成：10.0重量％Co、1.0重量％Cr、0.013重量％Ti、0.010重量％Ta和余量的WC。因此，Cr/Co重量比是0.10。所述坯料由压制粉末制成并烧结。根据DIN IEC 60404-7，在来自FoersterInstruments Inc.(霍斯特仪器公司)的
Figure BDA0001544980620000111
KOERZIMAT CS 1.096中测得其磁矫顽力值为21.5kA/m，并且它们的磁性％Co值为7.9，对应于CW_Cr比率0.90。根据本说明书中先前定义的矫顽力确定的WC晶粒度为0.45μm。
纳米层PVD涂层在真空室中通过阴极电弧蒸发而沉积。所述真空室包含四个弧形凸缘。将具有Ti50Al50组成的靶材安装在彼此相对的两个凸缘中。此外，将具有Ti25Al65Cr10组成的靶材安装在彼此相对的其余两个凸缘中。参见图2。
未涂覆的坯料被安装于在PVD室中经历三重旋转的销上。
提供基底台，其包含在上下两个层面上具有用于坯料销的位置的多个树状物。
首先，进行Ar等离子体蚀刻步骤。
在随后的涂覆步骤中，沉积纳米层(Ti,Al,Cr)N PVD涂层。表2中描述了所使用的工艺参数。选择合适的电弧电流以达到所需的沉积速率。
90分钟的涂覆时间导致前刀面上的涂层厚度为2.7μm并且后刀面上的涂层厚度为3.6μm(在对照坯料上)。
表2.
N2压力 偏压 偏压类型 时间 台转速 温度
4.10<sup>-2</sup>毫巴 70V DC 75分钟 3rpm 550℃
所述涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成。
在设备Hitachi S-4300FEG-SEM中通过EDS(能量色散光谱法)测得，所述涂层具有平均组成Ti0.38Al0.56Cr0.06N。
A和B的子层厚度在约10nm至约25nm的范围内。平均约15nm。每μm的子层A和B的数目为约70。
实施例2(发明)：
根据实施例1中描述的方法，使用具有相同几何结构和组成的硬质合金铣削坯料制造涂层切削刀具，但是其中替代地使用靶材Ti50Al40Cr10和Ti25Al65Cr10。
所述涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成，但平均A+B层厚度为60-120nm。
所述涂层具有平均组成Ti0.37Al0.53Cr0.10N。
所述涂层厚度经测量在前刀面上为2.9μm并且在后刀面上为3.8μm(在对照坯料上)。
实施例3(发明)：
根据实施例1中描述的方法，使用具有相同几何结构和组成的硬质合金铣削坯料制造涂层切削刀具，但是其中涂覆温度降低到500℃并且偏压升高到70V。
所述涂层厚度在前刀面上为约2.5μm并且在后刀面上为3.5μm(在对照坯料上)。
在设备Hitachi S-4300FEG-SEM中，通过EDS(能量色散光谱法)测得，所述涂层具有平均组成Ti0.38Al0.56Cr0.06N。
测量涂层硬质合金刀体和PVD涂层的残余应力。结果示于表3中。
表3.
Figure BDA0001544980620000131
实施例4(比较)：
根据实施例1中描述的方法，使用具有相同几何结构和组成的硬质合金铣削坯料制造涂层切削刀具，但是其中替代地使用靶材Ti75Al25和Ti40Al60。
所述涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成，但平均A+B层厚度为60-120nm。
所述涂层具有平均组成Ti0.60Al0.40N。
所述涂层厚度经测量在前刀面上为2.3μm并且在后刀面上为3.3μm(在对照坯料上)。
实施例5(比较)：
根据实施例1中描述的方法，使用具有相同几何结构和组成的硬质合金铣削坯料制造涂层切削刀具，但是其中使用具有相同组成的靶材Ti50Al40Cr10。
所述涂层由Ti50Al40Cr10N的整体层组成。
所述涂层厚度经测量在前刀面上为2.3μm并且在后刀面上为3.5μm(在对照坯料上)。
实施例6(比较)：
根据实施例1中描述的方法，使用具有相同几何结构和组成的硬质合金铣削坯料制造涂层切削刀具，但是其中使用具有相同组成的靶材Ti25Al65Cr10。
所述涂层由Ti25Al65Cr10N的整体层组成。
所述涂层厚度经测量在前刀面上为2.7μm并且在后刀面上为3.5μm(在对照坯料上)。
实施例7和11中使用的术语的解释：
以下表述/术语在金属切削中通常使用，尽管如此在下表中进行了解释：
Vc(m/min)： 切削速度(米/分钟)
fz(mm/齿)： 进给速率(毫米/齿)(在铣削中)
fn(mm/rev)： 进给速率/转(在车削中)
z(数目)： 切削器中的齿数
ae(mm)： 径向切削深度(毫米)
ap(mm)： 轴向切削深度(毫米)
实施例7：
对来自实施例1-6的刀片测试抗热裂性、刃线韧性、剥落和耐磨性，这些是ISO-P铣削中的主要磨损类型。
抗热裂性：
工件材料：Toolox33，PK158 600×200×100mm，P2.5.Z.HT
z＝1
Vc＝250m/min
fz＝0.20mm
ae＝12.5mm
ap＝3.0
有切削液
当裂纹导致>0.30mm的刃崩裂时，达到截止标准。刀具寿命呈现为达到这些标准的切入口数量。
刃线韧性：
工件材料：未硬化Dievar，P3.0.Z.AN
z＝1
Vc＝200m/min
fz＝0.20mm
ae＝12mm
ap＝3.0
切削长度＝12mm
无切削液
截止标准是至少0.5mm的刃线崩裂或在后刀相或前刀相处测得深度为0.2mm。刀具寿命呈现为达到这些标准的切入口数量。
剥落试验：
试验在低碳钢中进行，其与切削液组合导致涂层在前刀相处剥落。
工件材料：SS2244-05，PL121 600×200×20mm
z＝1
Vc＝150m/min
fz＝0.15mm
ae＝12.5mm
ap＝1.0
有切削液
在10次切削(切削7分钟)后测量剥落面积。
耐磨性：
耐磨性测试评价对连续的后刀面和月牙洼磨损的抗性。
工件材料：Toolox33，硬度300HB，PK158 600×200×100mm，P2.5.Z.HT
z＝1
Vc＝220m/min
fz＝0.15mm
ae＝50mm
ap＝2.0
无切削液
刀具寿命的截止标准是后刀面磨损为0.13mm。
结果呈现于下表3中。在实际值后面注明性能等级(++、+、0、-)。
表3.
Figure BDA0001544980620000171
得出的结论是，根据本发明的样品在抗裂纹性方面的性能优于比较样品。同时，刃线韧性、剥落和耐磨性的结果是令人满意或甚至优异的。
实施例8(发明)：
提供硬质合金车削坯料(具有几何结构CNMG 120408-MM)和铣削坯料(具有几何结构R245-12T3MPM1)，其具有如下组成：10.0重量％Co、0.039重量％Cr和余量的WC。因此，Cr/Co重量比是0.039。所述坯料由压制粉末制成并烧结。根据DIN IEC 60404-7，在来自Foerster Instruments Inc.的
Figure BDA0001544980620000172
KOERZIMAT CS 1.096中测得其磁矫顽力值为20.45kA/m，并且它们的磁性％Co值为8.45，对应于CW_Cr比率0.89。根据本说明书中先前定义的矫顽力确定的WC晶粒度为0.47μm。
使用与实施例1中相同的工艺步骤和参数提供纳米层(Ti,Al,Cr)NPVD涂层，但是其中用于每个PVD涂层的两组不同的靶材是下表4中可见的靶材。
表4.
样品编号 第一靶材组成 第二靶材组成 纳米层中的A/B
1 Ti<sub>33</sub>Al<sub>67</sub> Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub> Ti<sub>33</sub>Al<sub>67</sub>N/Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
2 Ti<sub>40</sub>Al<sub>60</sub> Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub> Ti<sub>40</sub>Al<sub>60</sub>N/Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
3 Ti<sub>50</sub>Al<sub>50</sub> Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub> Ti<sub>50</sub>Al<sub>50</sub>N/Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
4 Ti<sub>60</sub>Al<sub>40</sub> Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub> Ti<sub>60</sub>Al<sub>40</sub>N/Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
5 Ti<sub>75</sub>Al<sub>25</sub> Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub> Ti<sub>75</sub>Al<sub>25</sub>N/Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
每个样品上的涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成。
通过靶材组成估计每个纳米层PVD涂层的平均组成，得到Ti/Al比，并且如表5所示。测量每个纳米层PVD涂层的厚度并在表5中示出。
进行三项测试以评价涂层的以下性能：
-后刀面耐磨性–刀片后角(clearance)侧上的连续磨损
-月牙洼耐磨性–刀片前刀面上的连续磨损
-抗梳形裂纹性–不连续的磨损-对热间歇的抗性
后刀面磨损测试：
纵向车削
工件材料：Sverker 21(工具钢)，硬度～210HB，D＝180，L＝700mm
Vc＝125m/min
fn＝0.072mm/rev
ap＝2mm
无切削液
刀具寿命的截止标准是后刀面磨损VB为0.15mm。
月牙洼磨损测试：
纵向车削
工件材料：Ovako 825B，球轴承钢。热轧和退火，硬度～200HB，D＝160，L＝700mm
Vc＝160m/min
fn＝0.3mm/rev
ap＝2mm
有切削液
刀具寿命结束的标准是月牙洼面积为0.8mm2。
抗梳形裂纹性：
操作：面铣削
刀具夹：R245-080027-12M，Dc＝80mm
工件材料：Toolox 33(工具钢)，L＝600mm，I＝200mm，h＝100mm
刀片类型：R245-12T3M-PM1
切削速度Vc＝320m/min
进给速率fz＝0.3mm/rev
切削深度ap＝2mm
径向啮合ae＝15mm
有切削液
刀具寿命结束的标准是最大崩裂高度VB>0.3mm。
参见下表5中的结果。
表5.
Figure BDA0001544980620000191
得出的结论是，所有样品的后刀面磨损、月牙洼磨损和抗热裂性的总体组合都处于可接受的水平。但是，可以看到Ti/Al比范围产生总体上优异的性能。
实施例9(发明)：
提供硬质合金车削坯料(具有几何结构CNMG 120408-SM)，其具有如下组成：7重量％Co、0.7重量％Cr、0.013重量％Ti、0.010重量％Ta和余量的WC。因此，Cr/Co重量比是0.10。所述坯料由压制粉末制成并烧结。根据DIN IEC 60404-7，在来自FoersterInstruments Inc.的
Figure BDA0001544980620000201
KOERZIMAT CS 1.096中测得其磁矫顽力值为27.0kA/m，并且它们的磁性％Co值为5.1，对应于CW_Cr比率0.84。根据本说明书中先前定义的矫顽力确定的WC晶粒度为0.39μm。
使用与实施例1中相同的靶材、工艺步骤和工艺参数，提供纳米层(Ti,Al,Cr)NPVD涂层，不同之处在于较短的沉积时间，得到较薄的涂层。
所述涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成，但平均A+B层厚度为60-120nm。
所述纳米层PVD涂层厚度经测量在后刀面上为2.0μm。
所述涂层具有平均组成Ti0.38Al0.56Cr0.06N。
实施例10(比较)：
提供硬质合金车削坯料(具有几何结构CNMG 120408-SM)，其具有如下组成：6重量％Co、0.22重量％Ta、0.14重量％Nb和余量的WC。因此，硬质合金中不存在Cr。所述坯料由压制粉末制成并烧结。根据DIN IEC 60404-7，在来自Foerster Instruments Inc.的
Figure BDA0001544980620000202
KOERZIMAT CS 1.096中测得其磁矫顽力值为21.8kA/m，并且它们的磁性％Co值为5.4。根据本说明书中先前定义的矫顽力确定的WC晶粒度为0.51μm。
使用与实施例1中相同的靶材、工艺步骤和工艺参数，提供纳米层(Ti,Al,Cr)NPVD涂层，不同之处在于较短的沉积时间，得到较薄的涂层。
所述涂层由二元A+B+A+B+…非周期性多层，即具有非重复厚度的层组成，但平均A+B层厚度为60-120nm。
所述纳米层PVD涂层厚度经测量在后刀面上为2.0μm。
所述涂层具有平均组成Ti0.38Al0.56Cr0.06N。
实施例11：
对来自实施例9-10的刀片测试在车削中的耐磨性。
耐磨性：
耐磨性测试评价对连续的后刀面和月牙洼磨损的抗性。
工件材料：Inconel718：奥氏体镍铬基超级合金，老化，硬度～450HB
纵向车削
Vc和fn的三种不同组合：
1.Vc＝50m/min，fn＝0.2mm/rev
2.Vc＝70m/min，fn＝0.2mm/rev
3.Vc＝50m/min，fn＝0.3mm/rev
ap＝1.5mm
有切削液
刀具寿命的截止标准是主切削刃上的VBmax/切口/PD≥0.3mm或次切削刃上≥0.25mm
表6.
Figure BDA0001544980620000221
*达到主切削刃上VBmax/切口/PD≥0.3mm或次切削刃上≥0.25mm时的分钟数
得出的结论是，根据本发明的样品在刀具寿命方面的性能优于比较样品。

Claims (13)

1.一种涂层切削刀具，其包含硬质合金刀体和PVD涂层，所述硬质合金刀体具有如下组成：5-18重量％Co、0.1-2.5重量％Cr、0-10重量％除WC之外的来自元素周期表中的第4、5和6族的金属的碳化物或碳氮化物，和余量的WC，所述PVD涂层是具有平均组成TiaAlbCrcN的(Ti,Al,Cr)N纳米层PVD涂层，其中a＝0.25-0.7，b＝0.3-0.7且c＝0.01-0.2，a+b+c＝1，所述PVD涂层是纳米层PVD涂层A/B/A/B/A…，其中子层A和B分别由以下组成：A：TiuAlvCrwN，u＝0.1-0.4，v＝0.5-0.8，w＝0.01-0.3，u+v+w＝1，和B：TixAlyCrzN，x＝0.4-0.7，y＝0.3-0.6，z＝0-0.05，x+y+z＝1，u<x且v>y，并且其中所述纳米层PVD涂层的平均组成TiaAlbCrcN的Ti/Al原子比是0.5-0.75，所述纳米层PVD涂层的厚度是0.5-10μm。
2.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其中所述子层A和B分别由以下组成：
A：TiuAlvCrwN，u＝0.15-0.35，v＝0.55-0.75，w＝0.02-0.2，和
B：TixAlyCrzN，x＝0.45-0.6，y＝0.35-0.55，z＝0-0.05。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的涂层切削刀具，其中每μm的所述纳米层PVD涂层的子层A和B的总数是25-150。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体具有6-14重量％Co的组成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体具有0.2-2重量％Cr的组成。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体中的Cr/Co比是0.03-0.18。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体还以50-300重量ppm的量包含一种或多种金属Me，其为Ti、Ta、Nb、V和Zr。
8.根据权利要求7所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体的原子百分比比率Me/Co低于或等于0.014-(CW_Cr)×0.008且高于0.0005，其中Cw_Cr为0.75-0.95，其中CW_Cr＝(磁性％Co+1.13×重量％Cr)/重量％Co。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的涂层切削刀具，其中根据磁矫顽力值确定，所述硬质合金刀体中的WC晶粒度d为0.20-0.80μm。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述纳米层PVD涂层的厚度是1-6μm。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体的残余应力RScc是-1至-4GPa。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述PVD涂层的残余应力RSPVD是-0.5至-4.5GPa。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的涂层切削刀具，其中所述硬质合金刀体的残余应力RScc与所述PVD涂层的残余应力RSPVD之间的差值使得所述差值绝对值│RScc-RSPVD│为0至1.5GPa。
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