CN110651063A - 涂层切削工具及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂层切削工具，所述涂层切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷或者HSS的基材，所述基材具有涂层，所述涂层包含氮化物层和HIPIMS沉积的氧化物层，所述氮化物层是Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Si和Al中的一种或多种的氮化物的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积的层，所述氧化物层是(AlaMe1‑a)2O3层，0.05≤a≤1，其中Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种，所述氧化物层位于所述氮化物层之上。同样，公开了一种用于生产涂层切削工具的方法，所述涂层切削工具包含所述氮化物层和氧化物层，所述氮化物层和氧化物层是通过HIPIMS工艺沉积的。

Description

涂层切削工具及其生产方法
本发明涉及一种涂层切削工具，其包含硬质合金、金属陶瓷、HSS或者陶瓷的主体，所述主体具有PVD涂层，所述涂层包含金属氮化物和含铝的氧化物。本发明还涉及它的生产方法和它用于机械加工ISO-S材料的用途。
背景技术
一直期望改进用于金属机械加工的切削工具，以使得它们更持久，经受更高的切削速度和/或其它日益苛刻的切削作业。通常，用于金属机械加工的切削工具包含硬质基材材料例如硬质合金，其具有通常通过化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)沉积的薄的硬涂层。更具体地，所述切削工具可以是以下形式：用于车削或者铣削的刀片，钻头或者立铣刀。
金属氮化物例如(Ti，Al)N和氧化物层例如氧化铝的层组合是公知的。尽管如此，氮化物和氧化物层在机械加工操作中的表现非常不同，这取决于不同的性能和参数例如结晶度、硬度、密度、制造方式等。
切削工具的硬涂层可以通过多种不同的方法沉积，所述方法通常可以分成两个主要的类别：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。在PVD沉积类别中，存在多个子类别例如阴极电弧沉积、离子镀和反应性溅射。电弧沉积的涂层和溅射的涂层在PVD涂覆领域中被视为是具有不同性能的PVD涂层的子类别。一种最近开发的特定类型的溅射是高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)。HIPIMS沉积的层的独特结构和性能很难通过通常可用的物理测量区别于其它溅射的涂层来定义和量化。因此，在PVD涂层领域，术语HIPIMS涂层本身被用作有别于其它类型的PVD涂层的这种类型的PVD涂层的定义。
机械加工ISO-S材料例如钛和耐热超级合金(HRSA)对于切削工具提出了特殊需求。例如，ISO-S材料的导热率差，这在机械加工过程中产生了高温，从而造成磨损。同样，ISO-S材料的强的加工硬化的倾向导致了切削工具上切屑瘤的风险，其影响工件的品质，例如表面光洁度差。此外，当机械加工钛时，由于钛的高反应性可能会出现问题，特别是在机械加工期间产生的高温下更是如此。典型的污点是与切屑瘤的形成有关的。
因此，本发明的目的是提供一种涂层切削工具，其在减少切屑瘤的量方面优于先前在ISO-S材料的机械加工中所用的切削工具，并且因此实现更高的切削速度和/或提供更长的工具寿命。
发明内容
本发明的目的已经令人惊讶地通过一种涂层切削工具来实现，所述涂层切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷或者HSS的基材，所述基材具有涂层，所述涂层包含氮化物层和HIPIMS沉积的氧化物层，所述氮化物层是Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Si和Al中的一种或多种的氮化物的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积的层，所述氧化物层是(AlaMe1-a)2O3层，0.05≤a≤1，其中Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种，所述氧化物层位于所述氮化物层之上。
所述氮化物层的厚度适当地为0.5-5μm，或者1-4μm。
所述氧化物层的厚度适当地为0.1-5μm，或者0.3-3μm，或者0.5-1μm。
所述氮化物层可以由通式TibZrcHfdVeTafNbgCrhSiiAljN表示，其中0≤b≤1，0≤c≤1，0≤d≤1，0≤e≤1，0≤f≤1，0≤g≤1，0≤h≤1，0≤i≤1和0≤j≤1，b+c+d+e+f+g+n+i+j＝1。
在一个实施方案中，所述氮化物层是Al和以下中的一种或多种的氮化物：Zr，Hf，V，Ta，Nb，Si和Cr，优选是Ti和Cr中的一种或多种和Al的氮化物。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式TibAl1-bN的(Ti，Al)N层，其中0＜b＜1，或者0.1＜b＜0.9，或者0.2＜b＜0.7，或者0.3＜b＜0.6。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式TibCrhAl1-b-hN的(Ti，Al，Cr)N层，其中0＜b＜1，0＜h＜1，0＜b+h＜1。在一个实施方案中，0.1＜b＜0.9且0.05＜h＜0.8，或者0.2＜b＜0.8且0.05＜h＜0.5。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式CrhAl1-hN的(Al，Cr)N层，其中0＜h＜1。在一个实施方案中，0.2＜h＜0.8，或者0.25＜h＜0.75，或者0.25＜h＜0.35。
合适地，在(AlaMe1-a)2O3层中，0.1≤a≤1，或者0.25≤a≤1，或者0.5≤a≤1，或者0.75≤a≤1，或者0.25≤a≤0.9，或者0.25≤a≤0.7。
在一个实施方案中，所述(AlaMe1-a)2O3层是(AlaCr1-a)2O3层。
在一个实施方案中，所述(AlaMe1-a)2O3层是Al2O3层。
所述Al2O3层合适地是γ晶体结构。
所述(AlaMe1-a)2O3层合适地是γ晶体结构。
在一个实施方案中，所述氧化物层是涂层的最顶层。
在一个实施方案中，所述涂层具有在所述氧化物层(A)的顶部的另外的层，来用于磨损保护、装饰或者磨损识别的目的。这个最顶层的厚度合适的是0.1-10μm并且可以例如是氮化物，例如TiN、(Ti，Al)N、CrN、HfN，碳化物，例如TiC，硼化物，例如TiB2，或者氧化物(AlMe2O3、ZrO2、TiO2、V2O5)(包括金属夹层)，或者前述的多个层。
所述涂层在其表面上适当地基本上没有靶材的小滴。
为了改进所述氮化物层和所述氧化物层之间的附着力，可以沉积金属Al或者Al+Me的薄(2-200nm)层，Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种。在所述氧化物层的PVD沉积期间，金属层是部分或者完全氧化的。因此在一个实施方案中，在所述氮化物层和所述氧化物层之间存在薄(2-200nm)部分的(Al，Me，O)，其中原子比(Al+Me)/O等于或者大于2/3。所述(Al，Me，O)部分可以作为连续层或者作为(Al，Me，O)的包含物。
所述涂层切削工具的基材可以是用于金属机械加工的切削工具领域中常用的任何种类。基材包括硬质合金，金属陶瓷，cBN，陶瓷和HSS。
在一个实施方案中，所述基材是硬质合金，其组成为10-14重量％的Co，任选地高达10重量％的元素周期表第4、5和6族的一种或多种金属的碳化物或者碳氮化物，和余量的WC。
所述元素周期表第4、5和6族的金属合适地属于Ti、Ta、Nb、V、Zr、Cr、W和Mo的族。
所述硬质合金体的磁矫顽力合适地是15-25kA/m，或者17-22kA/m。
对于矫顽力测量来说，其参考标准DIN IEC 60404-7。
所述硬质合金体中WC的晶粒度d合适地是0.20-0.80μm，或者0.30-0.70μm，或者0.40-0.60μm。
WC的晶粒度d是由磁矫顽力的值确定的。矫顽力和WC的晶粒度之间的关系描述在例如Roebuck等人，Measurement Good Practice No.20，National Physical Laboratory，ISSN 1368-6550，1999年11月，2009年2月修订，第3.4.3节，第19-20页中。为了本申请的目的，WC的晶粒度d是根据上述文献第20页的式(8)来确定的：
K＝(c1+d1Wco)+(c2+d2Wco)/d。重排得到：
d＝(c2+d2Wco)/(K-(c1+d1Wco))，其中
d＝硬质合金体的WC晶粒度，K＝硬质合金体的矫顽力，单位为kA/m，这里是根据标准DIN IEC 60404-7测量的，Wco＝硬质合金体中的Co的重量％，c1＝1.44，c2＝12.47，d1＝0.04并且d2＝-0.37。
所述涂层切削工具可以是涂层切削刀片，例如用于车削的涂层切削刀片或者用于铣削的涂层切削刀片，或者用于钻削的涂层切削刀片，或者用于车螺纹的涂层切削刀片，或者用于切断和槽铣的涂层切削刀片。所述涂层切削工具还可以是涂层整体钻头或者立铣刀。在一个优选的实施方案中，所述涂层切削工具是涂层整体钻头或者涂层立铣刀。
现在还已经提供一种用于生产涂层切削工具的方法，所述涂层切削工具包含带有涂层的基材，所述涂层包含氮化物层和氧化物层，所述氮化物层是至少Ti和Al的氮化物，所述氧化物层包含铝。
所述方法包含以下步骤：将0.5-5μm的氮化物层沉积到基材上，随后沉积0.1-5μm的氧化物层，所述氮化物层是Zr、Hf、V、Ta、Nb、Si、Cr和Al中的一种或多种的氮化物，所述氧化物层是(AlaMe1-a)2O3层，0.05≤a≤1，Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种，所述氮化物层和所述氧化物层是通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积的。
在一个实施方案中，在磁控溅射期间的基材温度是350-600℃，或者400-500℃。
对于用HIPIMS沉积所述氮化物层来说，DC偏压合适地是20-100V，或者30-75V。
对于用HIPIMS沉积所述氮化物层来说，平均功率密度合适地是20-100W·cm-2，或者30-75W·cm-2。
在沉积所述氮化物层的HIPIMS工艺中使用的脉冲期间，最大局部峰值功率密度合适地大于100W·cm-2，或者大于500W·cm-2，或者大于900W·cm-2。
在沉积所述氧化物层的HIPIMS工艺中使用的脉冲期间，最大局部峰值功率密度合适地大于50W·cm-2，或者大于100W·cm-2，或者大于200W·cm-2。
在沉积所述氮化物层的HIPIMS工艺中使用的脉冲期间，最大局部峰值电流密度合适地大于0.4A·cm-2，或者大于0.8A·cm-2，或者大于1.2A·cm-2。
在沉积所述氧化物层的HIPIMS工艺中使用的脉冲期间，最大局部峰值电流密度合适地大于0.2A·cm-2，或者大于0.4A·cm-2，或者大于0.6A·cm-2。
对于用HIPIMS沉积所述氧化物层来说，单极偏压合适地是20-400V，或者50-200V，或者75-150V。
对于用HIPIMS沉积所述氧化物层来说，平均功率密度合适地是5-150W·cm-2，或者10-60W·cm-2。
在沉积所述氮化物层和沉积所述氧化物层二者的HIPIMS工艺中使用的脉冲宽度合适地是2μs-200ms，或者10μs-100ms。
所述氮化物层可以由通式TibZrcHfdVeTafNbgCrhSiiAljN表示，其中0≤b≤1，0≤c≤1，0≤d≤1，0≤e≤1，0≤f≤1，0≤g≤1，0≤h≤1，0≤i≤1和0≤j≤1，b+c+d+e+f+g+h+i+j＝1。
在一个实施方案中，所述氮化物层是Al和以下中的一种或多种的氮化物：Zr，Hf，V，Ta，Nb，Si和Cr，优选是Ti与Cr中的一种或多种和Al的氮化物。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式TibAl1-bN的(Ti，Al)N层，其中0＜b＜1，或者0.1＜b＜0.9，或者0.2＜b＜0.7，或者0.3＜b＜0.6。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式TibCrhAl1-b-hN的(Ti，Al，Cr)N层，其中0＜b＜1，0＜h＜1，0＜b+h＜1。在一个实施方案中，0.1＜b＜0.9且0.05＜h＜0.8，或者0.2＜b＜0.8且0.05＜h＜0.5。
在一个实施方案中，所述氮化物层是通式CrhAl1-hN的(Al，Cr)N层，其中0＜h＜1。在一个实施方案中，0.2＜h＜0.8，或者0.25＜h＜0.75，或者0.25＜h＜0.35。
合适地，在(AlaMe1-a)2O3层中，0.1≤a≤1，或者0.25≤a≤1，或者0.5≤a≤1，或者0.75≤a≤1，或者0.25≤a≤0.9，或者0.25≤a≤0.7。
在一个实施方案中，所述(AlaMe1-a)2O3层是(AlaCr1-a)2O3层。
在一个实施方案中，所述(AlaMe1-a)2O3层是Al2O3层。
所述Al2O3层合适地是γ晶体结构。
所述(AlaMe1-a)2O3层合适地是γ晶体结构。
本发明最后涉及本文所定义的涂层切削工具用于机械加工ISO-S材料的用途。
实施例
实施例1(本发明)：
提供了硬质合金整体立铣刀生坯，其组成为12重量％的Co，0.46重量％的Cr和余量的WC。
由矫顽力19kA/m所确定的晶粒度dwc是0.5μm。
样品1：
(Ti，Al)N层是通过HIPIMS，使用根据US2014/0339917A1的说明书所提供的连续功率脉冲来沉积的。使用Oerlikon Balzers S3P Ingenia装置。使用下面的工艺参数/条件：
总压力：0.61Pa
Ar-压力：0.43Pa
N2-压力：0.18Pa
基材温度：430℃
偏压：-40V DC
偏流：-4.1A
功率/Ti40Al60靶：9.06kW
靶直径：160mm
脉冲期间估计的最大局部峰值功率密度：900W·cm-2
脉冲期间估计的最大局部峰值电流密度：1.2A·cm-2
脉冲接通时间：7.56ms
脉冲频率：20Hz
沉积时间：180分钟
层厚度在侧刀面上测量是2.8μm。沉积的(Ti，Al)N层的硬度测量是3300HV0.015。降低的E-模量测量是450GPa。
此外，通过HIPIMS使用连续功率脉冲沉积了非常薄的(2-20nm)金属(Al，Cr)层(少量Cr归因于所用Al靶上的含铬边缘)。使用了下面的工艺参数/条件：
Ar-压力：0.6Pa(＝总压力)
基材温度：430℃
偏压：100V单极脉冲
偏流：-0.2A，+0.3A
偏压接通时间：10μs
偏压关闭时间：10μs
功率：在3×Al靶(具有Al50Cr50边缘)上为5kW
靶直径：160mm
平均功率密度：8.3W·cm-2
脉冲接通时间：50ms
脉冲频率：6.67Hz
沉积时间：13s
此外，Al2O3层(具有少量Cr)是通过HIPIMS使用根据US2014/0339917A1的说明书提供的连续功率脉冲在相同的反应器中沉积的。使用下面的工艺参数/条件：
总压力：0.72Pa
Ar-压力：0.6Pa
O2-压力：0.12Pa
基材温度：430℃
偏压：100V单极脉冲
偏流：-1.2A，+1.3A
偏压接通时间：10μs
偏压关闭时间：10μs
功率：在3×Al靶(具有Al50Cr50边缘)上为10kW
靶直径：160mm
脉冲期间估计的最大局部峰值功率密度：200W·cm-2
脉冲期间估计的最大局部峰值电流密度：0.6A·cm-2
脉冲接通时间：50ms
脉冲频率：6.67Hz
沉积时间：140分钟
所沉积的Al2O3层包含＜1原子％的Cr。
所沉积的Al2O3层通过XRD测定是γ-Al2O3层。
层厚度测量是0.65μm。沉积的Al2O3层的硬度测量是2800HV0.015。降低的E-模量测量是370GPa。
样品2：
对比样品(其中基材与样品1相同)具有(Ti，Al)N涂层，该涂层由与(Ti，Al)N基材相邻的结合层组成，并且该涂层通过在Oerlikon Balzers Innova装置中使用两个Ti0.50Al0.50靶的电弧蒸发来沉积。使用下面的工艺参数/条件：
N2-压力：0.8Pa
基材温度：550℃
偏压：70V
沉积时间：4分钟
然后主层是纳米层化的(Ti，Al)N，其平均组成为Ti0.44Al0.56N，其是使用两个Ti0.33Al0.67靶和四个Ti0.50Al0.50靶来沉积。
N2流量：1400sccm
基材温度：550℃
偏压：60V
沉积时间：80分钟
最后，(Ti，Al)N的装饰层是使用两个Ti0.33Al0.67靶来沉积的。使用下面的工艺参数/条件：
N2流量：1400sccm
基材温度：550℃
偏压：60V
沉积时间：5分钟
所述涂层本身的表面粗糙度是在单个样品1和2上测量的，其中所述基材的表面在沉积所述涂层之前已经进行了抛光。这样做是为了使得基材的粗糙度对所测量的表面粗糙度值的影响最小化。表面粗糙度Ra是通过利用Hommel-Etamic装置并使用软件Turbo WaveV7.32测量的。描形针取样长度4.8mm，0.5mm/s。(根据DIN EN ISO11562/DIN EN ISO4287)。表1显示了结果。
表1.
Ra(μm)
样品1 0.04
样品2 0.09
然后，在钛合金的铣削操作中测试所述涂层立铣刀。
用于整体圆形立铣刀的工具几何结构为Coromant CoroMill Plura 2S342-1000-100-CMA，直径10mm，4个凹槽，圆角半径1mm。所述工具的凹槽角是42°，一种冷却剂沿着凹槽离开。这个测试所用的全部工具是来自于同一生产订单。
工件材料：Ti6Al4V，175×175×50mm
机器：Mori Seiki
液体冷却，外部喷嘴，冷却剂Blasocut B25(浓度9％)穿过外部喷嘴
测试1：
ap＝2.5mm
ae＝2.0mm
Vc＝100m/分钟(切削速度，米/分钟)
fz＝0.04mm/齿(进给速率，毫米/齿)
走刀次数＝230
铣削长度＝40.25m
机械加工时间＝79.03分钟
在圆角处的平均磨损深度：0.06mm，在切削深度处的平均磨损深度(DOC)：0.05mm。在圆角处的最大磨损深度：0.07mm，在DOC处的最大磨损深度：0.05mm。
对比样品的磨损是(在与本发明实施例相同的设置下，经过160次走刀，相当于28m或者54.98分钟的机械加工时间)：在圆角处的平均磨损深度：0.05mm，在DOC处平均磨损深度：0.23mm。在圆角处的最大磨损深度：0.10mm，在DOC处的最大磨损深度：0.30mm(两个刀刃磨损是0.30mm，两个刀刃磨损是0.15mm)。
测试2(再次重复)：
ap＝2.5mm
ae＝1.0mm
Vc＝100m/分钟(切削速度，米/分钟)
fz＝0.11mm/齿(进给速率，毫米/齿)
走刀次数＝120(对于全部工具)
铣削长度＝21m
机械加工时间＝11.53分钟
在圆角处的平均磨损深度：0.08mm，在DOC处的平均磨损深度：0.13mm。在圆角处的最大磨损深度：0.14mm，在DOC处的最大磨损深度：0.23mm。
对比样品的磨损：
在圆角处的平均磨损深度：0.08mm，在DOC处的平均磨损深度：0.21mm。在圆角处的最大磨损深度：0.21mm，在DOC处的最大磨损深度：0.50mm。
在机械加工后，立铣刀是通过SEM以放大倍率500×(用于前刀面)和300×(用于侧刀面)来检查的。
在本发明的切削工具(样品1)的刀刃处暴露的(Ti，Al)N上的基于Ti的工件材料的污点明显少于在对比切削工具(样品2)的刀刃处的(Ti，Al)N上的污点。对于前刀面和侧刀面二者都是这种情况。
此外，本发明切削工具(样品1)的切削刃上的切屑瘤明显少于对比切削工具(样品2)的刀刃上的切屑瘤。对于前刀面和侧刀面二者都是这种情况。

Claims (15)

1.一种涂层切削工具，所述涂层切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷或者HSS的基材，所述基材具有涂层，所述涂层包含氮化物层和HIPIMS沉积的氧化物层，所述氮化物层是Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Si和Al中的一种或多种的氮化物的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积的层，所述氧化物层是(AlaMe1-a)2O3层，0.05≤a≤1，其中Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种，所述氧化物层位于所述氮化物层之上。
2.根据权利要求1所述的涂层切削工具，其中所述氮化物层是通式TibAl1-bN的(Ti，Al)N层，其中0＜b＜1，或者0.1＜b＜0.9，或者0.2＜b＜0.7，或者0.3＜b＜0.6。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述(AlaMe1-a)2O3层是(AlaCr1-a)2O3层。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述氮化物层的厚度是0.5-5μm并且所述氧化物层的厚度是0.1-5μm。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的涂层切削工具，其中在所述(AlaMe1-a)2O3层中0.1≤a≤1，或者0.25≤a≤1，或者0.5≤a≤1。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述基材是硬质合金。
7.一种用于生产涂层切削工具的方法，所述方法包含以下步骤：将0.1-5μm的氮化物层沉积到基材上，随后沉积0.1-3μm的氧化物层，所述氮化物层是Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Si和Al中的一种或多种的氮化物，所述氧化物层是(AlaMe1-a)2O3层，0.05≤a≤1，Me是Ti、Mg、Ag、Zr、Si、V、Fe、Hf、B和Cr中的一种或多种，所述氮化物层和所述氧化物层是通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)工艺沉积的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在沉积所述氮化物层的HIPIMS工艺中使用的最大局部峰值功率密度大于100W·cm-2，或者大于500W·cm-2，或者大于900W·cm-2。
9.根据权利要求7-8中的任一项所述的方法，其中在沉积所述氧化物层的HIPIMS工艺中使用的最大局部峰值功率密度大于50W·cm-2，或者大于100W·cm-2，或者大于200W·cm-2。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的方法，其中在沉积所述氮化物层的HIPIMS工艺中使用的最大局部峰值电流密度大于0.4A·cm-2，或者大于0.8A·cm-2，或者大于1.2A·cm-2。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中在沉积所述氧化物层的HIPIMS工艺中使用的最大局部峰值电流密度大于0.2A·cm-2，或者大于0.4A·cm-2，或者大于0.6A·cm-2。
12.根据权利要求7-11中的任一项所述的方法，其中在沉积所述氮化物层和沉积所述氧化物层二者的HIPIMS工艺中使用的脉冲宽度是2μs-200ms。
13.根据权利要求7-12中的任一项所述的方法，其中在沉积所述氮化物层和沉积所述氧化物层二者的HIPIMS工艺期间，所述基材的温度是350℃至600℃。
14.根据权利要求7-13中的任一项所述的方法，其中所述氮化物层是通式TibAl1-bN的(Ti，Al)N层，其中0＜b＜1，或者0.1＜b＜0.9，或者0.2＜b＜0.7，或者0.3＜b＜0.6。
15.根据权利要求1-6中的任一项所述的涂层切削工具用于机械加工ISO-S材料的用途。
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