專利名稱：涂覆有氧化物的切削刀片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于通過去屑進行加工的刀具，包括硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、 基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬合金基體以及硬質且耐磨的氧化物，其被設計用于在 優選以高速切削速度加工鋼和不銹鋼中使用。所述涂層由一層或更多層組成，其中的至少 一層為含有鉻的織構化的物理氣相沉積(PVD)的剛玉相氧化鋁(Al，Cr)203。
背景技術：
利用化學氣相沉積(CVD)制造的織構化α -Al2O3層例如在ΕΡ603144、ΕΡ1528125、 ΕΡ1477581、ΕΡ659153、ΕΡ1655387、ΕΡ659903、ΕΡ738336、ΕΡ1655388、ΕΡ1655392、 US2007/104945 以及 US2004/202877 中公開。ΕΡ1479791公開了一種由硬質合金或金屬陶瓷以及硬質涂層組成的切削刀具；其 中，該硬質涂層包括α -Al2O3層，該α -Al2O3層通過CVD形成，其中最高峰值——α -Al2O3基 面相對于表面法線的傾斜度的測量值——在0-10°的范圍內，如由電子背散射衍射(EBSD) 確定的。ΕΡ744473公開了通過PVD制造的織構化Y -Al2O3層。US5310607公開了一種硬質涂層，該硬質涂層包括(Al，Cr)203晶體以及含量超過 5at%的鉻，其中，(Al，CiO2O3為單晶體。在低于900°C的溫度下沉積該涂層。該硬質涂層 通過CVD或PVD工藝沉積。在利用涂有氧化鋁的硬質合金刀具對鋼進行加工時，切削刃根據不同的磨損機制 (比如化學磨損、研磨磨損以及粘附磨損)并且由沿切削刃形成的裂縫引起的刀刃崩裂而 磨損。任何磨損機制的支配都由具體應用確定，而且取決于加工材料的性質、采用的切削參 數以及刀具材料的性質。一般而言，很難同時改進所有的刀具性質，且商用硬質合金等級 關于上述一種或幾種磨損類型通常已經是最優的，且因此對特定領域來說也已經是最優選 的。例如，可通過控制氧化鋁層的織構來實現此目標。
發明內容
本發明的目的是提供一種涂覆有耐磨且硬質的氧化物、并提高加工鋼和不銹鋼的 性能的切削刀具。根據本發明的切削刀具刀片包括硬質、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或 高速鋼的硬合金基體，該基體包括金屬加工性質優良的剛玉相織構化氧化物層(Al，Cr)203。
圖Ia示出了具有標記為a軸(100)、b軸(010)以及c軸(001)的六方晶體結構 的示意圖。圖Ib示出了纖維織構的示意圖，其具有涂層表面(S)，六方結構(圖la)的c軸 (001)的傾斜角(φ)，以及涂層表面的法線(η)。
圖2示出了沉積室的示意性側視圖，示出有真空室(1)、陰極材料A(2a)、陰極材料 B(2b)、固定裝置(3)、用于偏壓的電源(4)、陰極電弧電源(5a)、陰極電弧電源(5b)、用于工 藝氣體的入口(6)以及用于真空泵的出口 (J)。圖3示出了根據本發明的涂層的斷裂橫截面的次級模式掃描電子顯微照片。(A) 基體、(B)粘結層、(C) (Al，Cr) 0 層、(D) (Al，Cr)N 層以及(E) TiN 層。 圖4示出了織構化(Al，CiO2O3層的χ射線衍射圖。硬質合金的峰值由實線標注， 而源自(Al，CiO2O3的峰值由虛線標注。圖5示出了根據本發明的(A)極圖(001)以及(B) (Al, Cr)203層的極點圖(001) (pole plot graph)。
具體實施例方式根據本發明，提供了一種用于通過去屑進行加工的切削刀具，該切削刀具對鋼和 不銹鋼的金屬切削特別有用，包括硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高 速鋼的硬合金基體，該基體上沉積有涂層，所述涂層包括優選根據現有技術的、優選小于0. 5 μ m的例如TiN或(Al，Cr)N的第一(最里面 的)粘結層(圖3⑶)；(Al1^yCry)2O3 層，其中 0. 4 彡 y 彡 0. 6，優選 y = 0. 5,厚度為 0. 5 μ m_10 μ m，優選 1 μ m-5 μ m,最優選2 μ m_4 μ m,并具有織構化柱狀晶粒。(Al，Cr) 203層具有通過PVD形成的 剛玉結構以及纖維織構，該纖維織構在涂層表面法線的方向上旋轉對稱，且基面相對于涂 層表面法線(圖5A)的傾斜角φ (圖lb)或對于極點圖(圖5B)中的最大峰值的傾斜角φ例如 由電子背散射衍射(EBSD)或χ射線衍射(XRD)確定的為70°<φ<90°,優選為80°<φ<90°。所述(Al，Cr) 0層具有-4.5 < σ < _0. 5GPa的壓縮應力水平，優選具有_3. 0 < σ < "I. OGpa的壓縮應力水平。(AlyCry)2O3的成分y例如由EDS (能量散射光譜)或WDS (波長色散光譜)確定。所述基體還可根據現有技術涂覆有例如TiN、TiC、Ti (C，N)、(Al，Cr) N或(Ti，Al) N、優選為(Ti,A1)N, (Al,Cr)N的內部單層和/或多層涂層，和/或例如TiN、TiC、Ti (C,N)、 (Al，Cr)N或(Ti，Al)N、優選為(Ti，Al)N、(Al，Cr)N的外部單層和/或多層涂層，總厚度達 1 μ m 至Ij 20 μ m,優選 1 μ m 至Ij 10 μ m,最優選 2 至Ij 7 μ m。用于本發明的層的沉積方法基于下列條件下的合金陰極或復合陰極的陰極電弧 蒸鍍利用Al+Cr陰極來生長仏1，0) 203層，該41+0陰極的成分介于(40at%&Al+60at% 的Cr)與(60at %的Al+40at %的Cr)之間，優選為介于(45at %的Al+55at %的Cr)與 (55站％的Al+45at%& Cr)之間。蒸鍍電流根據陰極大小處于50A與200A之間，優選在 使用直徑為63mm的陰極的情況下處于60A與90A之間。這些層在1. OPa到5. OPa、優選為 1. OPa到2. 5Pa的總壓強下在Ar+02氣氛中生長，優選在純O2氣氛中生長。偏壓為-100V 到-250V，優選為-125V到-175V。沉積溫度處于300°C與550°C之間，優選處于350°C與 450°C之間。本發明還涉及根據以上所述的切削刀具刀片的用途，用于以75-600m/分鐘、 優選為150-500m/分鐘的切削速度，且根據切削速度和刀片型號，在銑削的情況下每齒 0. 08-0. 5_、優選為0. 1-0. 4mm的平均進給，加工鋼和不銹鋼。
示例 1等級A 使用硬質合金刀片，成分為IOwt %的Co和平衡WC。在沉積之前，在 堿性溶液和酒精的超聲波槽中清洗刀片。將該系統的壓強抽為小 于2. OX 10_3Pa，此后，用Ar離子噴射清潔刀片。首先，在1. 5Pa的總壓強以及大約400°C的 沉積溫度下，于99. 995%的純O2氣氛中，通過直徑為63mm的合金(50at %的Al+50at %的 Cr)陰極的陰極電弧蒸鍍，生長出厚度為0. 2 μ m的TiN粘結層及隨后的厚度為2. 5 μ m的織 構化(Al，Cr)203層，到3μπι的總涂層厚度。在沉積過程中，蒸鍍電流為75Α，并且將偏壓保 持在-150V。最后，涂覆由0. 3μπι的(Al，Cr)N和0.2μπι的TiN組成的頂部彩色涂層。涂層的斷裂橫截面SEM顯微照片在圖3中示出具有㈧基體、(B)粘結層、(C) (Al， Cr)0 層、(D) (Al，Cr)N 層以及(E)TiN 層。用CuKa輻射和θ-2 θ構造來獲得沉積層的XRD圖。圖4示出了根據本發明具 有織構化剛玉相的(Al，CiO2O3層的涂層的XRD圖。源自(Al，Cr)203層的峰值用虛線標注， 而硬質合金的峰值用實線標注。在c軸(001)方向(圖la)上的沉積剛玉相(Al，Cr) 203層的EBSD極圖(圖5(A)) 和極點圖(圖5(B))分別示出了在涂層表面法線(圖lb)方向上(旋轉對稱)的纖維織構， 且基面相對于涂層表面法線的傾斜角φ介于70°到90°之間(圖lb)。極點圖的最大峰值 接近90°。利用裝有HKLNordlys II ^SD檢測器、在20kV的電壓下運行的LEO Ultra 55 掃描電子顯微鏡來獲得EBSD數據，并用Channel 5軟件來估算所述數據。利用Sin2V法通過XRD測量結果來估算(Al，Cr)203層的殘余應力σ。利用(Al， Cr)203 (116)反射上的CrKa輻射來執行這些測量。殘余應力值用ν = 0. 26的泊松比和E =420GPa的楊氏模量估算時為2. 4士0. 3GPa。利用在IOkV的電壓下運行的具有Thermo Noran EDS檢測器的LEO Ultra 55掃 描電子顯微鏡、通過能量散射光譜(EDS)分析來估算(AlhyCry)2O3的成分，其中y = 0. 61。 用Noran System 6 (NSS第二版)軟件來估算數據。示例 2等級B 根據現有技術，通過在成分為IOwt %的Co和平衡WC的硬質合金刀片上進 行的 PVD 來沉積 3. 0 μ m 的 Ti0.34A10.66N 層。示例 3等級C 根據現有技術，通過在成分為IOwt %的Co和平衡WC的硬質合金刀片上進 行的CVD來沉積3. 0 μ m的Ti (C，N) +3 μ m的α -Al2O3組成的涂層。示例 4等級D 用具有5襯％的Co和平衡WC成分的硬質合金刀片重復示例1。示例 5等級E 根據現有技術，通過在成分為5襯％的Co和平衡WC的硬質合金刀片上進 行 PVD 來沉積 3. 0 μ m 的 Ti0.34A10.66N 層。示例 6等級F 根據現有技術，通過在成分為5襯％的Co和平衡WC的硬質合金刀片上進 行CVD來沉積3. 0 μ m的Ti (C，N) +3. 0 μ m的α -Al2O3組成的涂層。示例 7
在加工鋼的過程中測試等級A、等級B和等級C。
權利要求
切削刀具刀片，包括硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬合金基體，所述基體涂覆有硬質且耐磨的涂層，所述涂層包括一層或若干層，其中的至少一層為(Al，Cr)2O3層，其特征在于，所述層具有剛玉相晶體結構和(A11 yCry)2O3成分，其中0.4≤y≤0.6，優選y＝0.5，且厚度為0.5μm到10μm，優選1μm 5μm；以及具有纖維織構，所述纖維織構在涂層表面法線的方向上旋轉對稱，且基面相對于所述涂層表面法線的傾斜角為或對于極點圖中的最大峰值的傾斜角為FPA00001214649600011.tif,FPA00001214649600012.tif,FPA00001214649600013.tif,FPA00001214649600014.tif
2.根據權利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述基面相對于所述涂層表面 法線的傾斜角φ為80°<φ<90°。
3.根據權利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述層具有_4.5<σ < -0. 5Gpa的殘余應力，優選具有-3. 0 < σ < -1. OGPa的殘余應力。
4.根據權利要求1所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述層通過PVD沉積，優選通過 陰極電弧蒸鍍沉積。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的切削刀具刀片，其特征在于，所述基體根據現 有技術涂覆有例如 TiN, TiC, Ti (C, N), (ALCr)Ni^ (Ti，Al) N、優選為(Ti，Al) N、(Al，Cr) N 的內部單層和/或多層涂層，和/或例如TiN、TiC、Ti (C，N)、(Al，Cr)N或(Ti，Al)N、優選 為(Ti，Al) N、(Al，Cr) N的外部單層和/或多層涂層，總的涂層厚度達1 μ m到20 μ m,優選 1 μ m 至Ij 10 μ m。
6.制作根據權利要求1所述的切削刀具刀片的方法，其特征在于，通過以下條件 來沉積(Al，CiO2O3層利用Al+Cr陰極的陰極電弧蒸鍍，所述Al+Cr陰極具有(40at % 的Al+60at %的Cr)與(60at %的Al+40at %的Cr)之間的成分，優選具有(45at %的 Al+55at %的Cr)與(55at %的Al+45at %的Cr)之間的成分；在1. OPa到5. OPa、優選為1.OPa到2. 5Pa的總壓強下，在-100V到-250V、優選為-125V到-175V的偏壓下，以及在 300 V到550 V之間、優選為350 V到450 V之間的沉積溫度下，在Ar+02氣氛、優選純O2氣 氛中，以及取決于陰極大小的50A到200A之間的蒸鍍電流。
7.根據權利要求1-5的切削刀具刀片的用途，用于以75-600m/分鐘、優選 為150-500m/分鐘的切削速度，且根據切削速度和刀片型號，在銑削的情況下每齒 0. 08-0. 5_、優選0. 1-0. 4mm的平均進給，加工鋼和不銹鋼。
全文摘要
本發明涉及一種切削刀具刀片，包括硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬合金基體，所述基體涂覆硬質耐磨的涂層，所述涂層包括一層或若干層，其中的至少一層為(Al，Cr)2O3層。本發明對于加工鋼和不銹鋼特別有用。總厚度為2μm-20μm的所述涂層包括一層或若干層，其中的至少一層為厚度為1μm-5μm的(Al，Cr)2O3層，其具有剛玉相晶體結構和成分(Al1-yCry)2O3，其中，0.4＜y＜0.6。(Al，Cr)2O3層的特征還在于具有纖維織構，所述纖維織構在涂層表面法線的方向上旋轉對稱，且基面相對于所述涂層表面法線的傾斜角或者對于極點圖中的最大峰值的傾斜角如由例如電子背散射衍射(EBSD)或X射線衍射(XRD)確定的為
文檔編號C23C14/08GK101960053SQ200980108072
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月3日 優先權日2008年3月7日
發明者湯米·拉爾森, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司