CN1853832A - 涂层硬质合金刀具 - Google Patents

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Abstract

一种涂层硬质合金刀具，它包括选用硬质合金、工具钢、金属陶瓷或者任何超硬材料作为基体，还包括二层或二层以上的涂层，其中至少一层涂层的成分为钛－铝－钽－镍(Ti－Al－Ta－N)，至少另外一层涂层的成分为钛－铝－钽－Me－镍(Ti－Al－Ta－Me－N)，此种Me选自硅(Si)、钒(V)、硼(B)的其中一种元素或多种元素。这种磨损件具有高强度抗磨性的显著特点，尤其在对刀具具有高强度要求的情况下，它可以延长使用寿命。

Description

涂层硬质合金刀具
技术领域
本发明涉及一种涂层硬质合金刀具，它包括选用硬质合金、金属陶瓷、超硬材料及工具钢作为基体，还包括一个含有二层或二层以上的涂层，该涂层的总厚度为0.5μm至15μm，涂层单独一层的厚度为0.0003～5.0μm。
背景技术
硬质合金、金属陶瓷、超硬材料及工具钢都可应用于那些会受高冲击磨损的刀具上。硬质合金这一术语可以理解为由某种超硬材料相与某种金属粘合剂组成的复合材料。金属基陶瓷材料包括由一种或多种金属陶瓷相与一种或多种金属相组成的全部材料。超硬材料包括所有硬度大于1000HV的材料。这些超硬材料包括元素周期表中簇IVa至VIa元素与碳、氮、硼或硅元素复合成的复合材料。当然，这一类材料还包括金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅与氧化铝复合材料(sialons)，氧化铝、氮化铝以及氮化硅，在此只列出最重要的一些材料。根据德国工业标准DIN17300的工具钢是指那些用途被确定为刀具的钢。
为了提高抗磨性，将耐磨损的碳化基，氮化基，硼化基，硅化基及氧化基超硬材料涂层应用在刀具的基体上。这些涂层结构上可能包含一层或多层，且通常具有1500HV至4000HV范围内的硬度。在实施例中将对单层结构或多层结构的涂层进行参照，这些涂层都含有氮化钛、氮化钛碳、氮化钛铝或氧化铝。
在载荷状态下，摩擦系统除了刀具之外，还包括产生磨损和摩擦力的反向运动工件、适当的介质、有效的作用力、运动顺序以及环境因素。特别是在作用力有效、刀具与反向运动工件的相对速度高的情况下，磨损件与反向运动工件的表面接触区域会产生相当大的温升。譬如，当温度达到1000℃时，在某些情况下，在加工刀具的表面甚至能测到更高的温度。产生这种情况的原因有以下几点：切削区域发生了变形和剥落，主要接触面的碎屑摩擦，以及侧面的加工件摩擦。
钛铝镍(TiAlN)基的超硬材料涂层广泛地应用于改善刀具的磨损性能。人们对此进行了研究：不同的铝(Al)含量对于改善耐磨损和抗氧化产生了影响，以及氮化钛涂层中其他元素对耐磨损也有影响，尤其是利用PVD工艺生产的氮化钛涂层。
例如，“固体薄膜，343(1999)p.242-145”所描述的钛铝硼镍(TiAlBN)涂层，它是在450℃氩等离子区中制备的。但是，在干加工过程中，该薄膜还是不可能取得任何显著的耐磨损性能的改善。
“表面涂层技术，133-134(2000)145-151”披露了通过阴极弧蒸镀制备的钛铝硅镍(TiAlSiN)涂层，该涂层含3.8At.％至8.2At.％的硅，在上述条件下所获得的硬度值为35至45GPa。
另外，对于钛铝镍涂层，其中的钛(Ti)同时也可以用铬(Cr)、铪(Hf)、锆(Zr)或铌(Nb)代替。
例如，WO 2004/059030披露了一种磨损性能有所改进的铝铬镍(AlCrN)涂层。
EP 0558061披露了使用铪、锆、铬或铌元素部分或全部代替氮化钛中的钛元素，此类型的超硬材料涂层通过铌或钽(Ta)金属中间层与基体粘接。
JP 2003-034859披露了一种耐磨的MeAlCrVCN涂层，该涂层的Me至少采用钛(Ti)、铌(Nb)、钨(W)、钽(Ta)或钼(Mo)元素中的一种元素。
EP 1201776披露了一种由高速钢制成的齿轮切削刀具，该刀具多层的涂层组合包括TiAlTaN或TiAlTaCN和TiAlN或TiAlCN两种方式，该刀具适用于加工低合金钢或者低刚度钢。这种二层组合的结果使得刀具延长了使用寿命，具有碎片粘附的低敏感性。
例如在合金钢干铣削过程中，如果出现刀具的高冲击力，如主接触面和侧面之类，刀具接触区域的表面将达到一个非常高的温度。例如成型切刀的进给区域也会出现类似的高冲击。在这些使用情况下，尤其是如果不使用冷却剂的话，上述所知的涂层方法的耐磨损性至今为止都不能令人满意。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种刀具，该刀具在高热冲击下具有高耐磨损性，在与磨损体接触过程中，产生尽可能小的摩擦系数。
根据本发明，该目的通过权利要求1实现。
按照本发明的涂层包括至少二层涂层。在本发明中，第一涂层的成分为(TiaAlbTac)N，其中
a+b+c＝1，0.3≤b≤0.75且0.001≤c≤0.30。在下文中，该涂层称为A。
第二涂层的成分为(TidAleTafMg)N，并且d+e+f+g＝1，0.50≤e≤0.70，0≤f≤0.25。M表示选自硅、钒和硼中的一种元素或多种元素，硅元素的含量为0.05At.％至10At.％，钒元素的含量为0.1At.％至25At.％，硼元素的含量为0.005At.％至1At.％。在下文中，该涂层称为B。
在涂层A的合金中添加钽元素，可导致其热硬度大大地增强。人们已经发现，钽元素可将中心面立方固溶体一直稳定在大约800℃的高温。虽然在较高温度下会出现位相分解，并导致立方氮化铝区域的沉淀，但是这种沉淀可使涂层在900℃左右时，硬度进一步增加大约10％。甚至在1100℃的温度时，下述真空状态下的退火试验，所测的硬度值仍在涂层起始状态的硬度范围内。因此，钽元素作为涂层A的一个元素，在某一温度范围内提高了涂层的热硬度，尤其指在加工处理无冷却剂的情况下，涂层表面与磨损件之间的接触区域所产生的温度。因此，当相关温度处于700℃至1100℃范围内时，在合金中添加钽元素可最大程度地防止磨损性磨损，并以自适应方式取得预防效果。然而，TiAlN中的钽元素在700℃和更高温度时，可使摩擦系数增大。不仅在惰性氧化铝球而且在奥氏体钢上发现了这一现象。此外，涂层A的韧性在许多应用场合中表现不足；例如本文中可能已提及的铣削加工和高速切削。涂层B含有从硅、钒和硼中选出的至少一种元素，硅、钒和硼在高温下具有降低摩擦的效果。另外，涂层B所含的钽比涂层A中的钽更少，其结果是涂层B比涂层A更具韧性。利用涂层A和涂层B的顺序可以调整微观结构的韧性；譬如在铣削加工的过程中，通过上述方法可对涂层韧性产生正面影响，确保涂层剥落时有足够的稳定性。通过钽含量和钛/铝比例两方面的调整，可以调节涂层的耐磨损性。在本文中，根据0.1At.％至30At.％的钽含量，铝含量显然可以在30At.％至75At.％之间进行调整。对于涂层B而言，钛/铝比例同样可以根据权利要求1所述的大范围进行选择，钽含量作为一项应变量，其范围为0At.％至25At.％。涂层A铝含量的最佳范围为45At.％至66At.％。钽含量少于0.1At.％时不能充分地提高强度。而钽含量超过30At.％时会使涂层A变得特别脆化。涂层A钽含量的最佳范围为1At.％至25At.％。相反地，对于更韧性的涂层B而言，可以选择较低的钽含量，此钽含量的范围为0At.％至25At.％，最佳为0.2At.％至10At.％。涂层B的硅对防止氧化具有积极作用。为了在这方面获得足够的效果，有利的硅含量为0.1At.％。如果硅含量超过10At.％，在许多使用场合下，脆化会非常令人不满意。因此硅含量的最佳上限为3At.％。经研究发现，恰当的0.1At.％至3At.％硅含量充分地降低了刀具与反向运动工件之间的摩擦力。钒元素所产生的作用力的增加要比硅少得多，因此也就不能将涂层的断裂韧度增加到一个更高程度。因此在选择涂层B的钒含量时可以比硅含量更高。
大量的试验证明，最佳钒含量为0.1At.％至25At.％，最佳为2At.％至20At.％。由于形成了金红石相的缘故，钒元素对于降低摩擦具有十分明显的效果。涂层B的硼元素含量的最佳范围为0.001At.％至0.5At.％。硼元素通过减少别的元素的扩散比，增强了涂层的抗氧化能力。由于形成了六方晶系相要素，硼含量超过1At.％时会降低涂层硬度。通过使用多层结构的涂层，可对涂层的微观结构进行理想的调整，从而对断裂韧性也进行理想的调整。涂层的层数可介于大约10层直至10000层或更多层的范围。按照配制的要求，可以比较容易地排列出涂层每层进行周期性交替的顺序。在两个不同涂层的情况下，这种排列顺序的结果为A、B、A、B、A、B……
如果出现第三层C涂层的话，则排列顺序的结果为A、B、C、A、B、C、A、B、C……
在出现不同要素的第四层或更多涂层的情况下，相应的排列顺序依此类推。不同要素的涂层同样具有不同的晶核形成率或晶核增长率。因此，涂层的每层厚度也就明显地不一样。如果涂层单独某层主要为立体结构，由于立体相比六方晶系相更具有突出的抗磨损结构，应当对最佳的断裂韧性与强度比进行调节。例如位于立体要素间的少量放射性非晶质微观要素，其增加了涂层的断裂韧性。为了增加涂层粘接，与基体接触的涂层包含氮化钛是有利的。
如果采用硬质合金作为基体，可以获得最令人满意的涂层与基体的粘接。
如果将涂层硬质合金刀具用作切削刀具的话，可以得到较长的使用寿命。本文中切削刀具的典型应用是可靠的硬质合金铣削刀具及可转位的切削刀具刀刃。当然，本发明的优点也可在成形刀具上实现。
涂层具体应用时，可以采用各种各样的涂层加工工艺。利用单组分靶材或多组分靶材，在电弧蒸镀或溅镀模式下，物理气相沉积法(PVD)工艺是关键步骤之一。在这种情况下，用来产生涂层A的靶材，其铝含量介于30At.％至75At.％之间，钽含量介于0.1At.％至30At.％之间，其余含量为钛。
用来产生涂层B的靶材包含50At.％至70At.％的铝，0At.％至25At.％的钽，以及从硅、钒和硼中选出的至少一种元素，其余含量为钛。在选择硅元素的情况下，硅含量为0.05At.％至10At.％，在选择钒元素的情况下，钒含量为0.1At.％至25At.％，在选择硼元素的情况下，硼含量为0.005At.％至1At.％。
与物理气相沉积法(PVD)工艺一起可供选择的方法，可采用不同的化学气相沉积法(CVD)工艺来实施本发明。作为实施例，根据本发明所述的涂层可以通过等离子体增强化学气相淀积工艺PECVD或有机金属化学气相淀积工艺MOCVD产生。
具体实施方式
在具体实施例的基础上，对本发明详细描述如下。
含TiAlTaN/TiAlTaMeN双层涂层已应用于可转位切削刀具刀刃，该刀刃的材料为硬质合金，它用电弧蒸镀靶材，利用传统工业的PVD工艺，通过在N2-Ar气体中用粉末冶金制备所得。在这种制备过程中，考虑到所用的工艺、涂层的合金元素含量与靶材所用的元素含量完全匹配。表1至表5列出了涂层生产过程中所用靶材的成分。所使用的材料源或靶材位置为四组。在各种情况下，两组使用同一成分的靶材位置会出现相反的垂直偏移。出于对比的目的，对原有技术的参照范例的生产也采用相同的涂层程序。对于所有范例而言，范例加工腔的占用和安装的选择都是相同的。
出于使用寿命对比试验的目的，下列参数将被采用：
可转位切削刀具刀刃：SEKN 1203AF SN用S40T制造。
加工材料：42CrMo4
加工条件： 干式加工
加工参数：vc＝230m/min，f＝0.30mm/rev，ap＝2.0mm，ae＝96mm
实施例1
实施例1采用四层涂层，包括涂层1和涂层2(范例B 2a)，以及涂层1b和涂层2(范例B 2b)的周期性交替顺序，以说明钽含量变动的影响，如第一层涂层(1a、1b)具有恒定的铝/钛比(铝/钛＝2)，则在任何情况下，第二层涂层的成分是稳定的(参见表1)。
与参照范例相比，采用涂层B 2a的使用寿命提高了78％。如果采用涂层B 2b的话，则可能双倍地提高使用寿命。
实施例2
实施例2采用四层涂层，包括涂层1b和涂层2(范例B 3a)，或者涂层1c和涂层2(范例B 2b)的周期性交替顺序，以说明铝/钛比(铝/钛＝1.5；铝/钛＝2)的影响，如第一层涂层具有稳定的钽含量，则在任何情况下，第二层涂层的成分是相同的(参见表2)。
这样，将参照范例与涂层B 3a和涂层B 2b二者比较后，可以获得使用寿命的提高；在涂层B 3a的情况下，这种提高了84％。另外，这些试验表明了铝/钛比对稳定的钽含量的影响。
实施例3
实施例3表明了硼对使用寿命特性的影响(参见表3)。
与参照范例相比，采用涂层B 4的使用寿命提高了42％。
实施例4
实施例4表明了硅对使用寿命特性的影响。(参见表4)
与参照范例相比，采用涂层B 5的使用寿命提高了91％。
实施例5
实施例5表明了钒对使用寿命特性的影响。(参见表5)
与参照范例相比，采用涂层B 6的使用寿命提高了250％。
  Ti(At.％)*   Al(At.％)*   Ta(At.％)*   V(At.％)*
  参照范例   现有技术   单层涂层   TiAlN   50   50
  B 2a   按本发明   涂层1a   TiAlTaN   33.00   66.00   1.00
  涂层2   TiAlTaVN   49.80   49.80   0.20   0.20
  B 2b   按本发明   涂层1b   TiAlTaN   31.50   63.50   5.00
  涂层2   TiAlTaVN   49.80   49.80   0.20   0.20
表1(带*号为基于金属片段)
  Ti(At.％)*   Al(At.％)*   Ta(At.％)*   V(At.％)*
  参照范例   现有技术   单层涂层   TiAlN   50   50
  B 3a   按本发明   涂层1b   TiAlTaN   38.00   57.00   5.00
  涂层2   TiAlTaVN   49.80   49.80   0.20   0.20
  B 2b   按本发明   涂层1c   TiAlTaN   31.50   63.50   5.00
  涂层2   TiAlTaVN   49.80   49.80   0.20   0.20
表2(*基于金属片段)
  Ti(At.％)*   Al(At.％)*   Ta(At.％)*   B(At.％)*
  参照范例   现有技术   单层涂层   TiAlN   50   50
  B 4   按本发明   涂层1   TiAlTaN   49.50   49.50   1.00
  涂层2   TiAlTaBN   32.83   65.67   1.00   0.50
表3(*基于金属片段)
  Ti(At.％)*   Al(At.％)*   Ta(At.％)*   Si(At.％)*
  参照范例   现有技术   单层涂层   TiAlN   50   50
  B 5   按本发明   涂层1   TiAlTaN   49.50   49.50   1.00
  涂层2   TiAlTaSiN   38.00   55.00   5.00   2.00
表4(*基于金属片段)
  Ti(At.％)*   Al(At.％)*   Ta(At.％)*   V(At.％)*
  参照范例   现有技术   单层涂层   TiAlN   50   50
  B 6   按本发明   涂层1   TiAlTaN   49.50   49.50   1.00
  涂层2   TiAlTaVN   16.50   66.00   1.00   16.50
表5(*基于金属片段)。

Claims (24)

1.一种涂层硬质合金刀具，它包括选用硬质合金、金属陶瓷、超硬材料及工具钢作为基体，还包括一个含有二层或二层以上的涂层，该涂层的总厚度为0.5μm至15μm，涂层单独一层的厚度为0.0003～5.0μm，
其特征在于，其中至少一层涂层的成分为(TiaAlbTac)N，且a+b+c＝1，0.3≤b≤0.75，0.001≤c≤0.30；
至少另外一层涂层的成分为(TidAleTafMg)N，且d+e+f+g＝1，0.50≤e≤0.70，0≤f≤0.25；
此处所述的M选自硅(Si)、钒(V)、硼(B)的其中一种元素或多种元素，
硅元素：0.0005≤g≤0.10；
钒元素：0.001≤g≤0.25；
硼元素：0.00005≤g≤0.01。
2.根据权利要求1所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述f含量小于c含量。
3.根据权利要求1或2所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述0.01≤c≤0.25。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述0.001≤f≤0.20。
5.根据权利要求4所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述0.002≤f≤0.10。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述M为硅元素，且0.001≤g≤0.03。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述M为钒元素，且0.10≤g≤0.20。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述M为硼元素，且0.0001≤g≤0.005。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，含不同成分的涂层层次周期性地交替变化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述涂层的单独一层具有不同的厚度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述涂层的单独一层最显著的特点是其立体结构。
12.根据权利要求11所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，仍出现了少量放射性非晶质微观要素。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，与基体粘接的那层涂层为氮化钛。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，最外层的涂层将所含C作为降低摩擦的要素。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，最外层的涂层为一金属层。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，最外层的涂层为一氧化层。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述基体为硬质合金。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述刀具是一切削工具。
19.根据权利要求18所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述切削工具是一可转位切削刀具刀刃。
20.根据权利要求1至17中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述刀具是一成形刀具。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述涂层采用化学气相沉积法(CVD)工艺。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述涂层采用物理气相沉积法(PVD)工艺。
23.根据权利要求22所述的刀具生产所用的喷镀靶材，其特征在于，所述喷镀靶材含有30At.％至75At.％的铝，含有0.1At.％至30At.％的钽，其余含量为钛。
24.根据权利要求22所述的刀具生产所用的喷镀靶材，其特征在于，所述喷镀靶材含有50At.％至70At.％的铝，含有0At.％至25At.％的钽，以及至少一种选自硅、钒、硼的元素，其余含量为钛，在选择硅元素的情况下，硅含量为0.05At.％至10At.％，在选择钒元素的情况下，钒含量为0.1At.％至25At.％，在选择硼元素的情况下，硼含量为0.005At.％至1At.％。
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