專利名稱：多層涂覆的切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過排屑來用于加工的工具，所述工具包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、 陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬質(zhì)合金主體和硬且耐磨的金屬氮化物涂層，所 述涂層包括交替的立方結(jié)構(gòu)的(Ti、A1)N層和立方結(jié)構(gòu)的MeN層，其中Me為金屬元素Ti、 &、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Al中的一種或多種。所述涂層通過物理氣相沉積(PVD)生長，并優(yōu) 選通過陰極電弧蒸鍍來生長。本發(fā)明在產(chǎn)生高溫的金屬切削應(yīng)用，例如高溫合金和不銹鋼 的加工中特別有用。
背景技術(shù)：
自從二十世紀(jì)八十年代早期以來，TiN層已經(jīng)被廣泛用于表面保護(hù)應(yīng)用。為了提 高這些涂層的抗氧化性，在二十世紀(jì)八十年代中期開始向TiN中添加鋁的工作[參見例如 H. A. Jehn 等，J. Vac. Sci. Technol. A 4，2701 (1986)和 0. Knotek 等，J. Vac. Sci. Technol. A 4，2695 (1986)]。發(fā)現(xiàn)這樣形成的化合物，立方相(Ti、Al) N,具有優(yōu)異的抗氧化性，并且其能 夠使得在加工期間具有更高的切削速度、延長工具壽命、加工更硬的材料并改善制造經(jīng)濟(jì) 性。通過(Ti、Al)N的沉淀硬化，已經(jīng)在金屬切削應(yīng)用中獲得了改善的涂覆性能[參見例如 A. HSrling等，Surf. Coat. Tech. 191 (2005)]，并且還公開于 US 7，083, 868 和 US 7，056, 602 中。通過應(yīng)用如下不同的多層概念，也已經(jīng)獲得了涂層優(yōu)化交替的含Ti和Al的層 (US 6，309，738)、含氧和不含氧的層(US 6，254，984)、堆疊在多層中的層中一個層自身由 多層構(gòu)成(US 6，077，596)、交替的氮含量(US 5，330，853)或使用一種準(zhǔn)穩(wěn)定化合物(US 5，503，912)或作為非周期性多層(US 6，103，357)。JP 6136514公開了一種耐磨的多層硬質(zhì)涂層結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括在工具表面上的 交替的Ti(C、N)和(Al、Ti)(C、N)的層。在相對較低的溫度下，通過PVD沉積所述涂層。為了環(huán)境保護(hù)的干式加工工藝，即不使用切削液(潤滑劑)的金屬切削操作和利 用改進(jìn)工藝的加速加工速度的趨勢，由于升高的工具切削刃的溫度而對工具材料的特性提 出了甚至更高的要求。特別地，在高溫下的涂層穩(wěn)定性，例如抗氧化性和耐磨性變得更加關(guān) 鍵。本發(fā)明的目的是提供一種涂覆的切削工具，其在高溫下的金屬切削應(yīng)用中獲得了 改進(jìn)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，通過在多層涂層中結(jié)合兩種不同的立方結(jié)構(gòu)的材料，導(dǎo)致 了改進(jìn)的高溫金屬切削性能。所述涂層作為納米復(fù)合材料而硬化，從而在立方TiN和立方 AlN區(qū)域中的(Ti、A1)N的亞穩(wěn)態(tài)分解期間調(diào)整其強(qiáng)度，其中，另外的MeN層提供了用于鎖 定主要的全部立方涂層結(jié)構(gòu)(通過X射線衍射測得)的手段，因此抑制了否則會發(fā)生的有 害的六方AlN相的形成。


圖Ia 示出(1)主體、(2)多層涂層、(3)MeN層、(4) (Ti、Al)N層和(5)重復(fù)周期 的示意性涂層結(jié)構(gòu)。圖Ib 示出(1)主體、⑵現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)部單-和/或多層涂層、(3)本發(fā)明的多 層涂層和(4)現(xiàn)有技術(shù)的外部單-和/或多層涂層的示意性涂層結(jié)構(gòu)。圖2a 示出(1)真空室、(2a)陰極材料A、(2b)陰極材料B、(3)固定裝置、⑷用 于偏壓的供電電源、(5a)陰極電弧供電電源、(5b)陰極電弧供電電源、(6)用于工藝氣體的 進(jìn)口和(7)用于真空泵的出口的沉積室的示意圖(側(cè)視圖)。圖2b 示出⑴真空室、⑵用于不同陰極材料的四個位置和(3)固定裝置的沉積 室的示意圖(俯視圖)。圖3:㈧為具有TiN(明反差)和(Ti、Al)N(暗反差)的涂層的截面STEM顯微照 片，(B)為本發(fā)明的典型多層涂層的顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4:從(A)純(Ti、Al)N層和⑶本發(fā)明的多層TiN/(Ti、A1)N涂層獲得的X射 線衍射圖。將衍射峰指示為(l)TiN、⑵(Ti、Al)N和(3)硬質(zhì)合金。圖5 用于殘余應(yīng)力的設(shè)置(set-up)的示意圖，所述殘余應(yīng)力通過XRD分析。圖6 :TiN(2nm)和(Ti、Al)N(7. 9nm)的 TiN/(Ti、A1) N 多層涂層的 STEM 顯微照片， 所述顯微照片示出了 (A)所述(Ti、Al)N層、⑶在㈧中的區(qū)域上的電子衍射圖、(C)Ti EDS圖(明反差)和(D)Al EDS圖(明反差)。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種通過排屑來用于加工的切削工具，所述切削工具包括硬 質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬質(zhì)合金主體，以及包括金屬 氮化物化合物的多晶層狀、多層結(jié)構(gòu)，并以下列方式涂覆于其上的硬且耐磨的涂層以立 方結(jié)構(gòu)的(TihAlx)N層和立方結(jié)構(gòu)的MeN層的重復(fù)形式(見圖la)... MeN(3) / (Ti1^xAlx) N (4) /MeN (3) / (Ti1^xAlx) N (4) /MeN (3) / (Ti1^xAlx) N (4) /MeN (3) /· · ·，其中 0. 3 < χ < 0. 95，優(yōu) 選0. 45 < χ < 0. 75，并且Me為金屬元素Ti、&、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Al中的一種或多種， 優(yōu)選為Ti、V、Nb、Ta和Al中的一種或多種。所述層狀結(jié)構(gòu)的總厚度為0. 5 20 μ m，優(yōu)選為1 10 μ m，最優(yōu)選為2 5 μ m。在 整個多層結(jié)構(gòu)中，圖Ia中的重復(fù)周期(5)，即雙層dM+d(Ti,A1)N的總厚度基本不變(即，其變 化不超過20% )。所述重復(fù)周期為5nm彡20nm,優(yōu)選為5歷彡.彡IOnm,且1/10 < (dMeN/ d(Ti,Ai)N) < 1/3，其中厚度 dMeN 比 dMeN 彡 Inm 大。在第一實(shí)施方案中，Me為Ti。在第二實(shí)施方案中，Me為&。在第三實(shí)施方案中，Me為V。在第四實(shí)施方案中，Me為Nb。在第五實(shí)施方案中，Me為Ta。在第六實(shí)施方案中，Me為Al。在第七實(shí)施方案中，Me為金屬元素Ti、V、Nb或Al中的兩種以上。在第八實(shí)施方案中，Me為金屬元素V、Nb或Al中的兩種以上。
5
在第九實(shí)施方案中，Me為金屬元素Ti、Zr、V或Nb中的兩種以上。在第十實(shí)施方案中，Me為金屬元素&、V或Nb中的兩種以上。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，可利用TiN、TiC、Ti(C、N)或(Ti、Al)N，優(yōu)選(Ti、Al)N的內(nèi)部(3) 單-和/或多層涂層和/或TiN、TiC、Ti (C、N)或(Ti、A1)N，優(yōu)選(Ti、A1)N的外部(4) 單-和/或多層涂層來涂覆圖Ib中的所述主體(1)，使得總涂層厚度為1 20 μ m，優(yōu)選為 1 10 μ m，最優(yōu)選為2 7 μ m。所述MeN層的壓縮應(yīng)力水平在-12.0< .MeN<-3.0GPa之間，優(yōu)選在
-12.0< .MeN<-8.0GPa 之間，而(IVxAlx)N 層的應(yīng)力水平在-6. 0 < . (Ti1^xAlx)N)
<-0. 5GPa 之間變化，優(yōu)選在-6. 0 < . (Ti1^xAlx)N) < -3. OGPa 之間變化。所述MeW(TihAlx)N多層涂層的平均組成為46原子％
<Zr+Hf+V+Nb+Ta+Mo+Ti+Al < 54 原子 ％，優(yōu)選為48 原子％< Zr+Hf+V+Nb+Ta+Mo+Ti+Al < 52 原子％，以及余量的 N。本發(fā)明的涂覆方法基于在下列條件下的純的和/或合金化陰極的陰極電弧沉積 使用Ti/Al-陰極生長(TihAlx)N層，所述Ti/Al-陰極的組成在(70原子％的Ti+30原 子％的々1)和(5原子％的11+95原子％的々1)之間，并且優(yōu)選在(40原子％的11+60原 子％的々1)和(30原子％的11+70原子％的々1)之間。使用純的或合金化的陰極來生長 所述MeN層，其中Me為金屬元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Al的一種或多種，優(yōu)選為Ti、 V、Nb、Ta或Al的一種或多種。根據(jù)陰極的尺寸，蒸發(fā)電流在50A和200A之間，并且在使用 63mm直徑的陰極時優(yōu)選在50A和100A之間。在總壓力為0. 5Pa 9. OPa，優(yōu)選為1. 5Pa 5. OPa的Ar+N2的氣氛中，優(yōu)選在純N2的氣氛中，生長所述層。偏壓為-IOV -300V，優(yōu)選 為-20V -100V。沉積溫度在350°C和700°C之間，優(yōu)選在400°C和650°C之間。本發(fā)明還涉及根據(jù)以上的切削刀具的應(yīng)用，其在以下條件下，對不銹鋼和高溫合 金進(jìn)行加工切削速度為50 400m/分鐘，優(yōu)選為75 300m/分鐘；根據(jù)切削速度和刀片 形狀，在銑削的情況下，平均每齒進(jìn)給量為0. 08 0. 5mm、優(yōu)選為0. 1 0. 4mm。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1使用具有94重量％的WC-6重量％的Co的組成(WC的粒度為0. 8 μ m)的硬質(zhì)合 金刀片。在沉積之前，在堿性溶液和醇的超聲波浴中清洗所述刀片。將系統(tǒng)抽真空至低于 2. 0 X IO-3Pa的壓力，之后，利用Ar離子來濺射清洗所述刀片。使用陰極電弧沉積生長TiN/ (TihAlx)N層。用于(TihAlx)N的陰極材料為Ti/Al (33原子％的Ti+67原子％的Al)，直 徑為63mm (圖2a中的位置(2a))，并且對于TiN層，使用純Ti (直徑為63mm，圖2a中的位置 (2b))。對于兩種陰極材料，都在99. 995%的純N2氣氛中，在4Pa的總壓力下，使用-40V的 偏壓和60A的蒸發(fā)電流來沉積所述層。通過改變到陰極的蒸發(fā)電流、沉積系統(tǒng)的設(shè)置(即 在四個位置(2)中的陰極材料，見圖2b)和固定裝置的旋轉(zhuǎn)速度，獲得層厚度的變化(見表 1)。對于所有的刀片，總涂層厚度接近3 μ m。沉積溫度為約450°C。使用包括掃描TEM(STEM)的截面透射電子顯微鏡(TEM)以研究所述層的微結(jié)構(gòu)。 試樣準(zhǔn)備包括對上表面和下表面兩者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械研磨/拋光和離子束濺射蝕刻以及通過在所述刀片的刃口上使用聚焦離子束(FIB)銑削的TEM試樣的切斷。圖3(A)為具有 TiN(明反差)和(Tia36Ala64)N(暗反差)的多層涂層的截面STEM顯微照片。所述微結(jié)構(gòu) 為柱狀，并且致密，在幾個界面上具有大的單晶顆粒(示意性地示于(B)中)。使用Cu Ka輻射和θ -2 θ構(gòu)型獲得了作為沉積層的XRD圖。圖4示出了(A)單 相(Ticu6Ala64)N 層和⑶具有 TiN 和(Ticu6Ala64)N 的多層 TiN/(Ti、Al)N 涂層的 XRD 圖。 指示的峰對應(yīng)于單相(I)TiN, (2) (Ti、Al)N和(3)硬質(zhì)合金。與圖4中的結(jié)果類似，表1中 總結(jié)的所有沉積涂層顯示了單相立方TiN和(Ti、Al)N結(jié)構(gòu)。通過使用sin2法的XRD測量(見表1)對所述涂層的TiN和(TihAlx) N層的殘余 應(yīng)力進(jìn)行評價(jià)。分別在TiN 220-和(TihAlx)^ZO-反射上使用CuK-輻射來進(jìn)行所述測量。 不能對比<4nm更薄的層的應(yīng)力值進(jìn)行推斷。將測角儀的設(shè)置示于圖5中。使用側(cè)傾技術(shù) (_幾何幾何測量)獲得數(shù)據(jù)，11，-角(正和負(fù))、等距離位于0 0.82 ( 65° )的sin2 范圍內(nèi)。使用=0. 25的泊松比和E = 450Gpa的楊氏模量對所述殘余應(yīng)力值進(jìn)行評價(jià)。通過使用具有在IOKV下運(yùn)行的Thermo Noran EDS檢測器的LEO Ultra 55掃描電 子顯微鏡的能量色散光譜(EDS)分析區(qū)域，對所述涂層的總平均組成進(jìn)行評價(jià)。使用Noran System Six (NSS ver 2)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)(見表1)。表 權(quán)利要求
一種通過排屑來用于加工的切削工具，所述切削工具包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬質(zhì)合金主體以及硬且耐磨的涂層，其特征在于，所述涂層包括以立方結(jié)構(gòu)的(Ti1 xAlx)N層和立方結(jié)構(gòu)的MeN層的重復(fù)形式...MeN/(Ti1 xAlx)N/MeN/(Ti1 xAlx)N/MeN/(Ti1 xAlx)N/MeN/(Ti1 xAlx)N...的金屬氮化物化合物的多晶層狀、多層結(jié)構(gòu)，其中0.3＜x＜0.95，優(yōu)選0.45＜x＜0.75，并且Me為金屬元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Al的一種或多種，所述重復(fù)形式的重復(fù)周期為λ，所述重復(fù)周期λ在整個層壓結(jié)構(gòu)中基本不變，所述整個層壓結(jié)構(gòu)的總厚度在0.5和20μm之間，優(yōu)選1至10μm；重復(fù)周期λ為5nm≤20nm，優(yōu)選為5nm≤.≤10nm以及層厚度關(guān)系為1/10＜(dMeN/d(Ti、Al)N)＜1/3，其中厚度dMeN比dMeN≥1nm大。
2.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為Ti。
3.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為&。
4.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為V。
5.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為Nb。
6.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為Ta。
7.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為Al。
8.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為金屬元素Ti、V、Nb或Al中的兩種或 多種。
9.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為金屬元素Zr、V、Nb或Ta中的兩種或 多種。
10.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為金屬元素Ti、Zr、V或Nb的兩種或多種。
11.如權(quán)利要求1的切削工具，其特征在于，Me為金屬元素Zr、V或Nb中的兩種或多種。
12.如前述權(quán)利要求的切削工具，其特征在于，所述多層涂層的總厚度為2 10μ m。
13.如前述權(quán)利要求的切削工具，其特征在于，所述MeN層的壓縮應(yīng)力水平在 -12.0< .MeN<-3.0GPa之間，優(yōu)選在-12.0< . MeN<-8.0GPa之間，而所述(Ti1^xAlx)N 層的應(yīng)力水平在-6. 0 < . (TihAlx)N) < -0. 5GPa 之間變化，優(yōu)選在-6. 0 < · (Ti1^xAlx) N) < -3. OGPa之間變化。
14.如前述權(quán)利要求的切削工具，其特征在于，所述MeN/(TihAlx) N多層涂層的平均組成為46 原子 ％< Zr+Hf+V+Nb+Ta+Mo+Ti+Al < 54 原子 ％，優(yōu)選為 48 原子％< Zr+Hf+V+Nb+Ta+Mo+Ti+Al < 52 原子％，以及余量的 N。
15.如前述權(quán)利要求的切削工具，其特征在于，利用PVD，優(yōu)選利用陰極電弧蒸鍍來沉 積所述涂層。
16.如前述權(quán)利要求的切削工具，其特征在于，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，可利用TiN、TiC、Ti(C、 N)或(Ti、A1)N，優(yōu)選(Ti、A1)N的內(nèi)部單-和/或多層涂層和/或TiN、TiC、Ti (C、N)或 (Ti、A1)N,優(yōu)選(Ti、A1)N的外部單-和/或多層涂層來涂覆所述主體，至總厚度為1 20 μ m，優(yōu)選為1 10 μ m，最優(yōu)選為2 7 μ m。
17.制備如權(quán)利要求1的切削工具的方法，其特征在于，所述層具有重復(fù)形式MeN/(TihAlx)N/MeN/(TihAlx)N/MeN/(TihAlx)N/MeN/·..，其中 Me 為金屬元素 Ti、Zr、Hf、V、 Nb、Ta、Mo和Al的一種或多種，優(yōu)選為Ti、V、Nb、Ta或Al的一種或多種，所述(Ti1^xAlx)N 和MeN層為立方結(jié)構(gòu)，其中0. 3 < χ < 0. 95，優(yōu)選0. 45 < χ < 0. 75，并在下列條件下通過 使用純的和/或合金化的Ti+Al以及Me陰極的陰極電弧沉積來生長所述層，以獲得期望的 層組成蒸發(fā)電流在50A和200A之間；在總壓力為0. 5Pa 9. OPa，優(yōu)選為1. 5Pa 5. OPa 的Ar+N2氣氛中，優(yōu)選在純N2中；偏壓在-IOV和-300V之間，優(yōu)選在-20V和-100V之間；溫 度在350°C和700°C之間，優(yōu)選在400°C和650°C之間。
18.如前述權(quán)利要求的切削刀具的應(yīng)用，其用于在以下條件下對不銹鋼和高溫合金進(jìn) 行加工切削速度為50 400m/分鐘，優(yōu)選為75 300m/分鐘；根據(jù)切削速度和刀片形狀， 在銑削的情況下，平均每齒進(jìn)給量為0. 08 0. 5mm，優(yōu)選為0. 1 0. 4mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削工具，所述切削工具包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、基于立方氮化硼的材料或高速鋼的硬質(zhì)合金主體，并在所述主體表面的至少一個功能部分上涂覆硬且耐磨的涂層。所述涂層包括以立方結(jié)構(gòu)的(Ti1-xAlx)N層和立方結(jié)構(gòu)的MeN層的重復(fù)形式...MeN/(Ti1-xAlx)N/MeN/(Ti1-xAlx)N/MeN/(Ti1-xAlx)N/MeN/(Ti1-xAlx)N...的金屬氮化物化合物的多晶層狀、多層結(jié)構(gòu)，其中0.3＜x＜0.95，并且Me為金屬元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Al的一種或多種。所述層狀結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期λ為5nm≤20nm，層厚度關(guān)系為1/10＜(dMeN/d(Ti、Al)N)＜1/3，以及厚度dMeN≥1nm，在其最高達(dá)20μm的整個總厚度中所述重復(fù)周期λ基本不變。所述涂層作為納米復(fù)合材料而硬化，從而在立方TiN和立方AlN區(qū)域中的(Ti1-xAlx)N發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)分解期間調(diào)整其強(qiáng)度，其中，另外的立方結(jié)構(gòu)的MeN層提供了用于鎖定主要的全部立方涂層結(jié)構(gòu)的手段，因此抑制了六方AlN相的形成，從而導(dǎo)致了高溫金屬切削性能的提高。
文檔編號C04B41/89GK101952482SQ200980106128
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者芒努斯·奧登, 阿克塞爾·克努特松, 雅各布·舍倫, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司