用於切削刀具刀片的熱穩定(Ti,Si)N層的製作方法

2023-09-18 14:17:45 1

專利名稱：用於切削刀具刀片的熱穩定(Ti,Si)N層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種切削刀具刀片，所述切削刀具刀片包括硬合金基體，該基體由硬 質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼製成；和塗層，該塗層設計成在產生高 溫的金屬切削應用中(尤其是在加工超合金和不鏽鋼時)使用。所述塗層包括至少一層熱 穩定的均勻立方(Ti，Si，Me)N相，其中Me是金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Fe和Zn中 的一種或多種。通過物理氣相沉積(PVD)並且優選通過陰極電弧蒸發來生成該塗層。
背景技術：
由於TiN在溫度升高時差的抗氧化性，其已經廣泛用作切削刀具上的硬層，然 而，關注點已經轉移到更複雜的三元和四元化合物，比如具有改進的高溫性能的Ti-Al-N、 Ti-Al-Si-N和Ti-Cr-Al-N。例如，已經報導了 由於包括與X射線非結晶Si3N4或SiNx結 合的NaCl型晶相的兩相結構，所以Ti-Al-Si-N超硬，H > 40GPa。EP 1174528公開了一種塗覆有多層的切削刀具刀片。第一硬塗層膜形成在刀片 上，而第二硬塗層膜形成在第一硬塗層膜上。第一硬塗層膜包括Ti、Al和Cr中的一種或多 種以及N、B、C和0中的一種或多種。第二硬塗層膜包括Si和選自由元素周期表中第4、5 和6族的金屬元素以及鋁組成的組中的一種或多種金屬元素，以及選自由N、B、C和0組成 的組中的一種或多種非金屬元素。EP 1736565公開了一種切削刀具刀片，整體式立銑刀或鑽頭，其包括基體和塗層。 所述塗層由一個或多個難熔化合物層組成，其中的至少一個層包括立方(Me，Si)X相，其中 Me是元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和Al中的一種或多種，而X是N、C、0或B中的一種 或多種。WO 2006/118513公開了一種切削刀具刀片，整體式立銑刀或鑽頭，其包括基體和 塗層。所述塗層由立方C-(Me，Si)N相組成，而沒有共存的非晶相。EP 1722009公開了一種切削刀具刀片，整體式立銑刀或鑽頭，其包括基體和塗層。 所述塗層由一個或多個難熔化合物層組成，其中的至少一個層包括h-MelMe2X相，其中Mel 是元素V、Cr、Nb和Ta中的一種或多種，而Me2是元素Ti、Zr、Hf、Al和Si中的一種或多 種，而X是元素N、C、0或B中的一種或多種。EP 0588350公開了一種在基體上的Ti-Si-N複合材料硬層，其通過使用具有成分 TiaSib的蒸發源來實現，其中a在75-85at%的範圍內而b在15-25at%的範圍內。US 6033768公開了一種硬塗層，所述硬塗層由二元、三元或四元的TiAl基多組分 材料的層組成，所述多組分材料包括氮化物、碳氮化物，其中鋁的含量是10_70at %。該層包 含在整個層上不均勻分布的大約0. l_4at%的釔。JP 2004-338058公開了一種硬塗層，所述硬塗層包括複合的Ti、Si和Y的 氮化物層。所述層具有如下濃度分布結構其中Si含量最大點與Si含量最小點以 0.01 μ m-o. 1 μ m的間隔交替重複地存在。JP2004-338008和JP 2004-322279公開了類似 的硬塗層，所述硬塗層分別包括複合的(Ti，Si，Cr)N層和(Ti，Si，Zr)N層。
為了保護環境而傾向於進行幹加工工藝(即在不使用切削液(潤滑劑)的情況下 進行金屬切削操作)的趨勢以及利用改進工藝而加速的加工速度由於升高的刀具切削刃 溫度而對刀具材料的特性提出了更高的要求。特別地，塗層在高溫時的穩定性、例如抗氧化 性和耐磨性已經變得更為重要。

發明內容
本發明的目的是提供一種帶有熱穩定(Ti，Si)N塗層的切削刀具，所述切削刀具 在溫度升高的金屬切削應用中產生了提高的性能。已經出乎意料地發現通過在(Ti，Si)N層中引入少量的金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、 Mo、W、Mn、Fe和Zn引起提高的高溫金屬切削性能。


圖1是作為Si含量(χ)的函數的(TihSix)N層的X射線衍射圖。圖2是在1000°C下進行2小時熱處理之前和之後以及在室溫下獲得的作為Si含 量(χ)的函數的(TihSix)N層的硬度(H)0圖3是在室溫下(I)和在1000°C進行2小時熱處理之後(II)的(TihSix)N層的 X射線衍射圖，其中X = O. 09。圖4是根據本發明的立方OV0^SixYz)N層(χ = 0. 09,ζ = 0. 02)的橫截面透射 電子顯微照片，其中示出了(A)硬質合金和(B)層。
具體實施例方式根據本發明，提供了一種切削刀具，所述切削刀具用於通過排屑來加工，所述切削 刀具包括硬合金基體，所述基體由硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼 製成，在所述基體上沉積有耐磨且耐高溫的塗層，所述塗層包括在整個層上具有恆定的元 素成分的至少一個立方結構的(TiHh)SixMez)N層，其中0. 04 < χ < 0. 20，優選為0. 06 < χ
<0. 12，並且 0 < ζ < 0. 10，優選為 0. 005 < ζ < 0. 05，其中 Me 是金屬元素 Y、Hf、Nb、Ta、 Mo、W、Mn、Fe和Zn中的一種或多種，優選是Y、Nb、Mo和Fe。所述層具有0. 5 μ m至10 μ m 的厚度，優選為0. 5μπι-5μπι。所述層具有-6. OGpa < σ < _0· 5GPa的壓應力水平，優選是_4· OGpa < σ
<-L OGpa0所述層在室溫下具有28 < H < 44的硬度，優選為33GPa < H < 40GPa。(Ti1^xtz)SixMez) N中的成分χ和ζ例如通過EDS或WDS來確定。所述基體可以根據現有技術塗覆有單層和/或多層內塗層以及/或者單層和/ 或多層外塗層，所述單層和/或多層內塗層例如是TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，優選是 01^1)隊所述單層和/或多層外塗層例如是1^11(、11((，唚或(Ti，Al)N，優選是(Ti， Al) N,所述基體的總塗層厚度是1-20 μ m,優選是1-10 μ m,最優選是2-7 μ m。用於本發明的塗層的沉積方法是基於在以下條件下進行的合金化陰極或複合陰 極的陰極電弧蒸發使用具有表示為IV0^SixMez的成分的Ti+Si+Me陰極來生成c_(Ti， Si, Me)N 層，其中 0. 04 < χ < 0. 20，優選為 0. 06 < χ < 0. 12，並且 0 < ζ < 0. 10，優選為
40. 005 < ζ < 0. 05，其中，Me是金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Fe和Zn中的一種或多種， 優選是Y、Nb、Mo和Fe。蒸發電流在50A和200A之間。所述層是在總壓強為0. 5Pa-7. OPa, 優選為1. 5Pa-5. OPa的Ar+N2的氣氛中，優選在純N2的氣氛中生成的。偏壓為-IOV到-80V， 優選為-40V到-60V。沉積溫度在400°C和700°C之間，優選在500°C和600°C之間。本發明還涉及根據上文的切削刀具刀片的用途，所述切削刀具刀片用於以 50-400m/分鐘、優選以75-300m/分鐘的速度、在平均進給量下來加工超合金和不鏽鋼，根 據切削速度和刀片型號，所述平均進給量在銑削的情況下是每齒0. 08mm-0. 5mm，優選是 0. lmm-0. 4mm。示例 1使用了成分為94襯％的WC和6襯％的Co的硬質合金刀片。在沉積之前，將刀片在鹼性溶液和酒精的超聲波清洗槽中進行清洗。系統被抽真 空到壓強低於2. OX 10_3Pa，之後利用Ar離子來噴濺清洗所述刀片。在50(TC下，使用成分 在純Ti與Tia75Sia25之間變化的、直徑為63mm的陰極通過陰極電弧蒸發來生成OVxSix) N層，其中0<x<0.20。在總壓強為4Pa的純N2氣氛中、使用-50V的偏壓和60A的蒸發 電流來使所述層沉積到大約3 μ m的總厚度。通過使用具有Thermo Noran EDS檢測器的、在IOkV下工作的LEO Ultra 55掃 描電子顯微鏡進行的能量色散譜(EDS)分析來估算出(IVxSix)N層的成分χ。使用Noran System Six (NSS第2版)軟體來評估數據。使用CuKa輻射和θ -2 θ構造來獲得所沉積的(Ti^Six)N層的X射線衍射(XRD) 圖，參見圖1，其是對應於所有層的NaCl結構的Si含量(χ)的函數。通過使用 sin2 Ψ 方法(例如見 I. C. Noyan, J. B. Cohen, Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation (通過哲 射禾口分析進 亍的殘餘應力測 fi), Springer-Verlag, New York, 1987)進行的 XRD 測量來評估(TihSix) N 的殘餘應力 σ。 使用CuKa射線在(TihSix)N(422)上的反射來執行所述測量。對於使用ν = 0. 25的泊松 比和E = 450Gpa的楊氏模量評估的不同層來說，殘餘應力值為-4. OGPa < σ < -2. OGPa0為了模擬在金屬加工期間出現的明顯的熱效應，在惰性氣體Ar的氣氛中、在 1000°C下通過等溫熱處理對所述刀片進行120分鐘的受控試驗。在將表面機械拋光之後，使用MTS Nanolndenter XP系統、通過納米壓痕技術來 估算出所述層的硬度數據，該MTS Nanolndenter XP系統具有最大尖端負載為25mN的 Berkovich鑽石尖端。圖2示出了在1000°C進行2小時熱處理之前和之後以及在室溫下獲 得的作為Si含量(χ)的函數的(IVxSix)N層的硬度(H)。在χ = 0. 09時獲得了 (TihSix) N層的最佳硬度，其對應於金屬加工應用的最優的層的成分。圖3示出了在進行1000°C下的熱處理之前(I)和之後(II)、使用CuKa射線和 Θ-2Θ構造獲得的(Ti^Six)N層的XRD圖，其中χ = 0.09。所述熱處理對NaCl結構沒有影響。示例 2A級使用了示例1的刀片，所述刀片具有χ = 0. 09的(TihSix)N成分，所述成分 具有39Gpa的硬度和-3. IGpa的壓應力水平。示例 3
B級使用Ti1-(M)SixYz陰極來重複示例1，其中χ = 0. 10且ζ = 0. 03。最終的(TiHi^SixYz)N層的成分是χ = 0.09且ζ = 0.02。所沉積的層的硬度是 38GPa，而殘餘應力水平是-3. 5GPa。圖4示出了立方(Ti1-^z)SixYz)N層(x = 0. 09，ζ = 0.02)的橫截面透射電子顯微 照片，所述照片展示了密集的、柱狀且均勻的微觀結構。示例 4C級使用Ti1-(M)SixNbz陰極來重複示例1，其中χ = 0. 10且ζ = 0. 06。最終的(TiLdSixNbz)N層的成分是χ = 0.10且ζ = 0.05。所沉積的層的硬度 是38GPa，而殘餘應力水平是-3. IGPa0示例 5D級使用TiHwSixMoz陰極來重複示例1，其中χ = 0. 10且ζ = 0. 03。最終的(TiHwSixMoz)N層的成分是χ = 0. 08且ζ = 0. 03。所沉積的層的硬度 是36Gpa，而殘餘應力水平是-2. IGPa0示例 6E級使用TiHwSixFez陰極來重複示例1，其中χ = 0. 08且ζ = 0. 05。最終的(IV0^SixFez)N層的成分是χ = 0.08且ζ = 0.04。所沉積的層的硬度 是38GPa，而殘餘應力水平是-2. 5GPa。示例 7F級使用TiHwSixYzZ2FezZ2陰極來重複示例1，其中χ = 0. 10且ζ = 0. 04。最終的TiHj^SixYzZ2FezZ2層的成分是χ = 0. 09且ζ = 0. 04。所沉積的層的硬度 是36Gpa，而殘餘應力水平是-2. 2GPa。示例 8A級-F級在硬化鋼中根據如下條件進行試驗型號CNMG120408-MF1應用連續車削工件材料AISI 5115切削速度180m/分鐘進給量0. 15mm/ 轉切削深度1匪刀具壽命標準、後刀面磨損量(vb) > 0. 3mm
權利要求
一種切削刀具刀片，包括基體，所述基體由硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼製成；以及硬且耐磨的塗層，所述塗層包括至少一個金屬氮化物層，其特徵在於，所述層是在整個層上具有恆定的元素成分的立方結構的(Ti1 (x+z)SixMez)N層，其中0.04＜x＜0.20，優選為0.06＜x＜0.12，並且，0＜z＜0.10，優選為0.005＜z＜0.05，其中Me是金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Fe和Zn中的一種或多種，優選是Y、Nb、Mo和Fe，且所述層的厚度為0.5μm至10μm，優選為0.5μm至5μm。
2.如權利要求1所述的切削刀具刀片，其特徵在於，所述層在室溫下具有28< H < 44 的硬度，優選為33GPa < H < 40GPa。
3.如權利要求1所述的切削刀具刀片，其特徵在於，所述層具有_6.0GPa<σ<-0. 5GPa的壓應力水平，優選為-4. OGPa < σ < -1. OGpa0
4.如權利要求1所述的切削刀具刀片，其特徵在於，通過PVD、優選通過陰極電弧蒸發 來沉積所述層。
5.如權利要求1所述的切削刀具刀片，其特徵在於，所述基體根據現有技術塗覆有單 層和/或多層內塗層以及/或者單層和/或多層外塗層，所述單層和/或多層內塗層例如是 TiN、TiC、Ti(C，N)或(Ti，Al)N，優選是(Ti，Al)N，所述單層和/或多層外塗層例如是TiN、 TiC, Ti (C, N)或(Ti，Al) N，優選是(Ti，Al) N，所述基體的總塗層厚度是Iym至20 μπι，優 選是1 μ m至10 μ m，最優選是2 μ m至7 μ m。
6.製造根據權利要求1所述的切削刀具刀片的方法，其特徵在於，所述層是通過在如 下條件下進行陰極電弧蒸發而生成的厚度為0. 5 μ m至10 μ m、優選為1 μ m至5 μ m的立方 (Ti，Si，Me)N相層使用具有表示為Ti^riSixMez的成分的Ti+Si+Me陰極，其中0. 04 < χ<0. 20，優選為 0. 06 < χ < 0. 12，並且 0 < ζ < 0. 10，優選為 0. 005 < ζ < 0. 05，其中 Me 是金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Fe和Zn中的一種或多種，優選是Y、Nb、Mo和Fe ；並 且根據陰極尺寸，蒸發電流在50Α和200Α之間；在總壓強為0. 5Pa至7. OPa、優選為1. 5Pa 至5. OPa的Ar+N2氣氛中，優選在純N2氣氛中；偏壓在-IOV和-80V之間；溫度在400°C和 700°C之間。
7.根據權利要求1-5所述的切削刀具刀片的用途，所述切削刀具刀片用於以 50-400m/分鐘、優選以75-300m/分鐘的速度、在平均進給量下來加工超合金和不鏽鋼，根 據切削速度和刀片型號，所述平均進給量在銑削的情況下是每齒0. 08mm-0. 5mm，優選是 0. lmm-0. 4mm。
全文摘要
本發明涉及一種切削刀具刀片，所述切削刀具刀片包括基體，所述基體由硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼製成；以及硬且耐磨的塗層，所述塗層包括至少一個金屬氮化物層。所述塗層包括至少一層熱穩定的立方結構(Ti1-(x+z)SixMez)N相，其中0.04＜x＜0.20且0＜z＜0.10，且在整個層上具有恆定的元素成分，其中Me是金屬元素Y、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Fe和Zn中的一種或多種，所述層的厚度為0.5μm至10μm。使用陰極電弧蒸發來沉積所述層，且所述層對於加工不鏽鋼和超合金特別有用。
文檔編號C23C30/00GK101960051SQ200980108053
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
發明者喬恩·安德森, 拉爾斯·胡爾特曼, 阿克塞爾·弗林克, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司