CN1116571A - 氧化铝涂层刀具 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供了一种刀具，它至少部分涂有至少两层耐热层，一层所说的涂层是细晶α-Al₂O₃层，作为沿切削刃棱的外层；另一层是TiCxNyOz层或ZrCxNy层作为后刀面的外层。涂层刀具表现出优异的侧面和月牙洼耐磨损性能和很高的抗剥落能力，尤其是当用于加工低碳钢和不锈钢的情况。用肉眼很容易鉴别已用过的切削刃。

Description

氧化铝涂层刀具

本发明涉及一种氧化铝涂层切削刀具，它适用于金属的车、铣、钻加工或类似的成屑加工(chip forming machining)方法。

现代金属的高生产率成屑加工要求可靠的具有优异耐磨损性能的刀具，至今此目的是通过使用一种装备有一层耐磨涂层的硬质合金刀体来实现的。硬质合金刀体通常是夹固在刀杆上的一个可转位刀片。

最常使用的耐磨层有TiC，TiN，TiCN和Al₂O₃。既可使用单一涂层，也可使用多层涂层。利用CVD，PVD或类似的涂层技术在硬质合金体上沉积不同的涂层。

在过去的5到10年内，涂层硬质合金刀具在可靠性及刀具寿命方面得到了显著的提高。

在比如在车削加工的过程中，刀具在其前倾面上，不断受到形成的金属屑的磨损而造成月牙洼磨损。已加工的工件也沿刀具的后刀面(Clearance face)滑移造成侧面磨损。

在高速切削中，刀刃在前倾面上可达到很高的温度。这导致了扩散型月牙洼磨损。在刀具的后刀面上，温度显著降低，因而主要呈现为磨蚀型磨损。

通常认为，Al₂O₃涂层由于其抵抗扩散型磨损的优异性能，它在前倾面上使用最好。MeCxNyOz型的涂层一般在后刀面上使用较好(其中Me是一种金属，它选自周期表中IVB，VB，VIB族的金属)，此型涂层通常是TiCxNyOz(因而进一步表示为TiCxNyOz)。另一方面Al₂O₃涂层在后刀面上磨损相对较快，因而在该面上相对快地产生侧面磨损。对于厚度＞4微米的Al₂O₃涂层，侧面磨损尤其大。侧面磨损影响已加工好的工件表面。因而可缩短刀具寿命。对于TiCxNyOz型涂层，情况几乎相反，它与Al₂O₃相比有低的侧面磨损和快的月牙洼磨损。

最好是使刀具后刀面和前倾面上同时具有高的耐磨性。

影响涂层刀具切削性能的其他因素有涂层的碎裂或剥落。剥落加快了刀具的磨损，特别是侧面磨损。剥落可能是涂层结合差的结果或者，可能是由于工件材料粘涂(Snearing)或焊接在切削刃上，导致随后涂层落掉。当形成的金属屑与涂层材料之间的结合强度足够高时也会发生这种情况。

一些钢，例如不锈钢和低碳钢，由于粘涂和引起的剥落而比其它钢难以加工。

现在要求每个零件少加工。对加工零件的高表面光洁度的要求使得只能使用具有干净平滑又很少磨损的切削刃的刀具。对于加工操作者，用肉眼已越来越难以区别用过的和没有用过的切削刃(鉴别刀刃)。如果外涂层是颜色为黑灰或黑色的Al₂O₃，鉴别刀刃尤其困难。例如，由于弄错，在无人管理的夜班时使用已用过的刀刃，可导致零件报废或甚至不必要的生产停顿。如果刀片的外涂层是TiCxNyOz或者尤其外层是金黄色的TiN—、ZrN—或HfN—涂层时，能够较容易地鉴别刀刃。

在美国专利4643 620中，通过机械处理例如涂刷，研磨或滚光，降低了沿着刀刃的涂层厚度。目的主要是降低涂层沿刀刃的厚度，这种做法声称能够提高刀具的韧性行为。

欧洲专利EP—B—298729揭示了一种降低切削过程中刀刃损伤的方法，该方法是使用机械抛光，研磨、涂刷研磨来降低涂层表面的粗糙度。这个方法根据本发明人的发现，不足以使粘涂达到最小。

用图1A—1G说明了本发明，这些图是不同后处理后的表面状况。

本发明的目的是克服原有技术涂层刀体的缺点，并提高下列方面的性能：

—使鉴别“已用过的刀刃”成为可能。

—降低工件材料粘涂/焊接在切削刃上的倾向。

—切削刃耐剥落性，

—同时具有高的耐月牙洼磨损和侧面磨损的性能。

发明人尽很大努力寻找降低工件材料粘涂在切削刃上的手段，以便提高刀刃耐剥落和耐侧面磨损的性能。通过相当数量的不同外涂层的切削试验，现已发现Al₂O₃比TiCxNyOz型涂层不易粘涂。特别是结晶平滑的α—Al₂O₃，很适合作为沿切削刃的涂层材料，以便最大限度地降低粘度，从而减小刀刃棱(edge line)剥落的危险。

细晶α—Al₂O₃涂层，例如可以是瑞典专利申请9203852—0和9400089—0中揭示的任何一种类型，或者也很可能是任何其它具有另外定向生长方向的细晶α—Al₂O₃涂层。

尽管具有以上专利申请所述的细晶α—Al₂O₃外涂层的刀具有优异的切削性能，但由于它们具有例如以下一些缺点，所以并不符合今天的要求。

—用肉眼难于鉴别“已用过的刀刃”。

—对于Al₂O₃外涂层＞4μm的刀具，通常具有高的起始侧面磨损。

如上所述，可通过使用TiCxNyOz外涂层来达到鉴别刀刃和提高侧面耐磨损性能的目的。然而，这样的外涂层在加工上述难加工材料时，将急剧增大沿刀刃棱的粘涂。

发明人通过用机械的方法，或者只去除刀刃棱或者去除前倾面和刀刃棱两者上的TiCxNyOz涂层，解决了这个问题。

通过使用这个方法并保持后刀面的TiCxNyOz涂层不受损，可以同时满足几项要求：

—在前倾面和后刀面上同时具有优异的耐磨性能。

—优异的耐剥落性能，以及

—易于鉴别已使用过的切削刃。

根据本发明，现已有一种切削刀片，其刀体通常为多边形或圆形，它有一个顶面，一个底面并至少有一个后刀面。该后刀面与所述顶面及底面相交，形成组成为硬质合金、钛基碳氮化物或铁基陶瓷的切削刃。此刀片至少部分涂有至少两种耐热层。一层是细晶α—Al₂O₃层作为沿切削刃棱的外涂层，这一层晶粒大小为0.5—4.0μm，优选地为0.5—2.0μm；另一层是TiCxNyOz层或ZrCxNy层，优选为TiN—，ZrN—，TiCN—，和/或TiC层，它作为后刀面的外涂层。α—Al₂O₃层最好有(012)方向或(104)方向上的织构。织构系数TC可定义为： $\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_0\left(\mathrm{hkl}\right)}\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_0\left(\mathrm{hkl}\right)}{\}}^{-1}$

式中I(hkl)＝测量的晶面(hkl)的衍射强度

I₀(hkl)＝ASTM标准粉末衍射图样数据的标准强度。

n＝计算中使用的衍射线数目。所用的(hkl)衍射线有(012)，(104)，(110)，(113)、(024)、(116)。

根据本发明，(012)晶面族的TC值大于1.3，优选地大于1.5，(104)晶面族的TC值大于1.5，优选地大于2.5，最优选地大于3.0。

α—Al₂O₃层的厚度为2—12μm，优选地为4—8μm另一层的厚度为0.1—5μm，优选地为1—4μm。涂层的总厚度(含有其它层)＜20μm。

根据本发明的方法，由硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷制成的切削刀片至少部分涂有至少两层耐热层，次外层是细晶α—Al₂O₃层，最外层是MeCxNyOz层。其中Me是一种金属，选自周期表中IVB，VB，VIB族的金属，优选地为Ti或Zr。此MeCxNyOz外层在沿刃刀刃棱或刀刃棱及前倾面上被磨掉而在后刀面上所说的涂层基本不动。

用来除去涂层的方法有：用含有例如SiC或其它研磨介质的刷杆的刷子进行涂刷抛光，用金刚石研磨膏进行抛光，在罩住或不罩后刀面的情况下用如Al₂O₃粉进行可控直接喷砂抛光处理。这些方法结合起来使用也是可以的。

本发明中用机械方法进行处理的目的就是如所述的那样，在沿刀刃或也在整个前倾面上去除TiCxNyOz外层，露出细晶α—Al₂O₃层。沿刀刃棱的涂层厚度并不希望减小。所用的机械方法应尽量轻柔，使得能够只去除TiCxNyOz外层而尽可能不损伤刀刃棱上的Al₂O₃层。实施例1

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为5.5％钴，8.6％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)及余量的WC。利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：0.7μm TiC，0.5μmTi(CO)，8.0μmTi(CN)，3.0μmAl₂O₃及2.8μmTiN。

Al₂O₃层的沉积是根据瑞典专利申请9203853—0的方法，此方法能得到细晶α—Al₂O₃。TiN层的沉积是在400毫巴下进行的，其它层的沉积是根据先有技术工艺进行。

根据下面所述对涂层刀片用不同的方法进行后处理：

1A方案：不进行后处理。

1B方案：在1.0巴下用150目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理。

1C方案：在1.5巴下用150目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理。

1D方案：在2.0巴下用150目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理。

1E方案：在2.0巴下用325目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理。

1F方案：利用含有SiC的筒形尼龙刷进行涂刷抛光处理。

1G方案：同1F，但刷子的中心离刀片近，以便得到更有效的处理。

不同的处理造成TiN外层不同程度的修磨和平整度：

1B方案：表面比1A更平滑。TiN层覆盖刀片的所有表面。

1C方案：比1A表面更平滑。TiN层覆盖刀片的所有表面。

1D方案：比1A表面更平滑。TiN层沿整个刀刃棱被去除，露出Al₂O₃层。

1E方案：同1B。

1F方案：表面比1A更平滑、TiN层覆盖刀片的所有表面。

1G方案：表面比1A更平滑。TiN层沿整个刀刃棱被去除，露出Al₂O₃层。

图1A—1G描述了各方案的表面状况。实施例2：

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为5.5％Co，8.6％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)和余量的WC，利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：0.6μmTiC，0.4μmTi(CO)，8.1μmTi(CN)，8.1μmAl₂O₃和0.9μmTiN。

Al₂O₃层的沉积是根据瑞典专利申请9203853—0的方法，此方法能得到细晶α—Al₂O₃。TiN层的沉积是在400毫巴下进行的，其它层的沉积是根据原有技术工艺。

根据下面所述对涂层刀片用不同的方法进行后处理：

2A方案：不进行后处理，

2B方案：用150目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理，得到更平滑的表面。这里TiN外层在沿刀刃棱及在整个前倾面上被去掉，露出黑色Al₂O₃层。

2C方案：利用含有SiC的筒形尼龙刷进行涂刷抛光处理。这项处理使得表面平滑，并在沿刀刃棱上只去除了TiC外层，露出Al₂O₃层。实施例3：

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为5.5％Co，8.6％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)及余量的WC。利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：1.0μmTiC，0.4μmTi(Co)，7.9μmTi(CN)和5.5μmAl₂O₃。

Al₂O₃层的沉积是根据瑞典专利申请9203853—0的方法，此方法能得到细晶α—Al₂O₃。

用150目Al₂O₃砂对刀片进行水砂抛光处理(3方案)实施例4

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为6.5％Co，8.7％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)及余量的WC。该刀片具有一层25μn厚的富余结合相的表面区。利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：7.9μmTiC，4.2μm Al₂O₃和3.5μmTiC。

Al₂O₃层的沉积是根据瑞典专利申请9203853—0的方法，此方法能得到细晶α—Al₂O₃。

4A方案：不进行后处理，

4B方案：利用含有SiC的筒形尼龙刷进行涂刷抛光处理，这项处理使得表面平滑，沿刀刃棱露了Al₂O₃层。实施例5

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为6.5％Co，8.7％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)及余量的WC。该刀片具有一层25μm厚的富余结合相的表面区。利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：7.0μmTiC和5.1μmAl₂O₃。

Al₂O₃层的沉积是根据瑞典专利申请9203853—0的方法，此方法能得到细晶α—Al₂O₃。

用150目Al₂O₃砂对刀片进行水砂抛光处理(5方案)。实施例6

硬质合金切削刀片CNMG 120408—QM的组成为6.5％Co，8.7％立方碳化物(TiC—TaC—NbC)及余量的WC。该刀片具有一层25μm厚的富余结合相的表面区。利用CVD技术根据下列顺序对它进行涂覆：5.4μmTi(CN)，5.3μmAl₂O₃和1.3μmTiN。

Al₂O₃层的沉积是根据原来技术工艺，这次方法得到一层α—和k—的多晶型体。TiN层的沉积是在400毫巴下进行的，其它层的沉积是根据原来技术工艺。

6A方案：不进行后处理，

6B方案：利用150目Al₂O₃砂进行水砂抛光处理。这项处理使表面更平滑，TiN外层在沿刀刃棱以及在整个前倾面上被去除，露出Al₂O₃层。

6C方案：利用含有SiC的筒形尼龙刷进行涂刷抛光处理，使表面平滑，沿整个刀刃棱露出Al₂O₃。实施例7

用实施例1—6的刀片端面车削加工一种合金钢(AISI 1518，W—no.10580)，对其进行刀刃棱剥落的试验。工件的形状是这样的即在每一转中切削刃能三次接触工件。

切削数据：

切削速度130—220米/分

进给量：0.2mm/转

切深：2.0mm

刀片对工件进行一次切削。下述结果表示刀刃棱在切削时造成涂层剥落的百分数。方案    后处理    是否露出Al₂O₃层  刀刃上刀刃棱

                                    剥落的％1A      无             无                 631B      喷砂           无                 801C      喷砂           无                 841D      喷砂           是                 181E      喷砂           无                 701F      涂刷           无                 661G      涂刷           是                 02A      无             无                 572B      喷砂           是                 02C      涂刷           是                 03       喷砂           是                 04A      无             无                 874B      涂刷           是                 05     喷砂        是        06A    无          无        836B    喷砂        是        276C    涂刷        是        33

从上可以看出，最好的结果是当刀刃棱露出细晶α—Al₂O₃层时得到的。后处理使得涂层表面更平滑，但若不露出α—Al₂O₃层，就不能提高耐剥落的性能。具有α/k多晶体露出在刀刃棱上的6B和6C方案，其耐剥落性不如具有α—Al₂O₃层露出在刃线带上的方案好。实施例8

用实施例4和5的切削刀片进行轴向车削加工一种滚珠轴承钢SKF 25B

切削数据

切削速度：180米/分

进给量：0.36mm/转

切深：2.0mm，使用冷却液。

2.5分钟后测量了侧面磨损以便研究起始磨损。

方案    侧面磨损mm

4B         0.13

5          0.20

这个实施例表明，侧面上的TiC外层提高了侧面耐磨损的性能。

Claims (9)

1.一种切削刀片，其组成为硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷，它包含有一个多边形或圆形刀体，刀体有一个顶面，一个底面和至少一个后刀面，此后刀面与所说的顶面和底面相交形成切削刃，所说的刀片至少部分涂有至少两层耐热层，一层是细晶α—Al₂O₃，另一层是TiCxNyOz层或ZrCxNy，其特征为所说的Al₂O₃层是沿切削刃棱的外层，所说的TiCxNyOz或ZrCxNy层是后刀面的外层。

2.根据权利要求1的切削刀片，其特征为所述α—Al₂O₃层在(012)方向或(104)方向产生具有织构系数的织构，织构系数TC定义为 $\mathrm{TC}\left(\mathrm{hkl}\right)=\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_0\left(\mathrm{hkl}\right)}\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_0\left(\mathrm{hkl}\right)}{\}}^{-1}$

式中I(hkl)＝测量的晶面(hkl)的衍射强度

I₀(hkl)＝ASTM标准粉末衍射图样数据的标准强度。

n＝计算中使用的衍射线数目。所用的(hkl)衍射线有(012)，(104)，(110)，(113)、(024)、(116)

其中(012)晶面族的TC值大于1.3，优选地大于1.5，(104)晶面族的TC值大于1.5，优选地大于2.5，最优选地大于3.0。

3.根据前述任一项权利要求的切削刀片，其特征在于后刀面上的外层是TiN，ZrN，TiCN或TiC。

4.根据前述任一项权利要求的切削刀片，其特征在于Al₂O₃层的厚度为2—12μm。

5.一种制造切削刀片的方法，此刀片包含有一个多边形或圆形刀体，刀体有一个顶面，一个底面和至少一个后刀面，该后刀面与所说的顶面及底面相交，形成由硬质合金，钛基碳氮化物或陶瓷构成的切削刃；在所说的刀片的涂层组成中至少部分是至少两层耐热层，次外层是细晶α—Al₂O₃层，最外层是MeCxNyOz层，其中Me是一种金属，选自周期IVB，VB，VIB族的金属；其特征在于所说的MeCxNyOz外层至少在沿刀刃棱处被去除掉，而在后刀面上所说的涂层基本不动。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于所说的外层去除途径为用含有例如SiC的刷子进行涂刷或者用例如Al₂O₃砂进行喷砂处理。

7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于所说的α—Al₂O₃层在(012)或(104)方向有织构。

8.根据权利要求5—7的方法，其特征在于所说的MeCxNy-Oz层含有TiN，ZrN，TiCN或TiC。

9.根据权利要求5—8的方法，其特征在于所说的α—Al₂O₃层厚度为2—12μm。

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