專利名稱::多層涂層切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明涉及一種涂層切削刀具,其中涂層具有由(Ti,Al,Cr,Si)N組成的非周期性多層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
:最近刀具的發(fā)展已經(jīng)朝向更尖的切削刃。這要求更薄的涂層,以便保持尖的切削刃,因?yàn)楹竦耐繉訒?huì)導(dǎo)致對(duì)切削性能不利的增加的刃鈍化(edgerounding)。由于較高的界面剪切力,因此較厚的涂層也更易于使刃線剝落,刃越尖,則這種情況越嚴(yán)重。如果較薄的涂層被沉積,則要求增加的硬度,即抗磨料磨損性來(lái)維持刀具的耐磨性。實(shí)現(xiàn)薄的硬涂層的一種方法是使用多層納米復(fù)合材料涂層。用于這種多層納米復(fù)合材料涂層的常見涂層組分是(Ti,Al)N。提高PVD涂層的如硬度和抗氧化性的特性的另一方法是通過添加諸如Cr、Si、B的元素。對(duì)于含A1的氮化物PVD涂層,眾所周知,高的鋁含量(>40at%)有利于獲得高的抗后刀面磨損性和抗氧化性。但是,太高的鋁含量也導(dǎo)致增加的月牙洼磨損,這是由于A1N從亞穩(wěn)態(tài)硬立方相到更穩(wěn)定的較軟的六角相的相轉(zhuǎn)變的緣故。尖刃在許多切削操作,例如鉆孔操作中是重要的。當(dāng)鉆孔時(shí),不是僅在切削刃中發(fā)現(xiàn)有磨損。通常,在鉆頭的邊緣也發(fā)現(xiàn)明顯磨損。當(dāng)打算修復(fù)鉆頭,即重新研磨和重新涂層時(shí),嚴(yán)重的邊緣磨損出現(xiàn)問題,因?yàn)檎麄€(gè)磨損區(qū)都必須被去除。一般地,當(dāng)重新涂層鉆頭時(shí),對(duì)于每次重新涂層,總涂層厚度增加。邊緣上增加的涂層厚度將增加邊緣上的磨損,其中該邊緣遠(yuǎn)離角落一定距離。同樣,增加的涂層厚度將增加刃鈍化。因此,更薄的、更耐磨的涂層是非常有利的。切削刀具上的(Ti,Al,Cr,Si)N涂層在本領(lǐng)域是已知的。EP1219723A公開了用于切削刀具的硬膜,該硬膜由Tii-a-b-c-dAlaCrbSicBd(C卜eNe)組成,其中0.5〈a〈0.8、b>0.06、0£c<0.1、0^d<0.1、0<c+d<0.1、和0.5〈e〈1。該硬膜可以是多層結(jié)構(gòu)的形式。US2006/0222893公開了包括重復(fù)的層堆的多層涂層,其包括至少一個(gè)50-150nm的(Al,Cr)N層禾口/或至少一個(gè)75-200nm的(Ti,Si)N層以及(Al,Cr,Ti,Si)N+(Ti,Si)N+(Al,Cr,Ti,Si)N+(Al,Cr)N構(gòu)成的至少一個(gè)層堆?;旌系?Al,Cr,Ti,Si)N層具有多層結(jié)構(gòu),且這通過同時(shí)操作所有靶材(target)來(lái)獲得。這導(dǎo)致涂層具有非常薄的層,在幾納米范圍內(nèi)。(Al,Cr,Ti,Si)N層具有20士10nm的厚度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供具有較高的抗月牙洼磨損性和較高的抗后刀面磨損性的涂層切削刀具。本發(fā)明的另一目的是提供具有增加的硬度的涂層。本發(fā)明的另一目的是提供適合于尖刃的涂層。本發(fā)明的另一目的是提供經(jīng)歷較少的邊緣磨損的涂層鉆頭。已經(jīng)令人驚訝地發(fā)現(xiàn),通過用具有根據(jù)本發(fā)明的組分的非周期性多層涂敷的涂層切削刀具,可滿足這些目的。圖l示出在鉆200個(gè)孔之后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的涂有(Ti,Al,Cr,Si)N涂層的鉆頭上的邊緣磨損。圖2示出在鉆200個(gè)孔之后根據(jù)本發(fā)明的涂有(Ti,Al,Cr,Si)N涂層的鉆頭上的邊緣磨損。具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明,提供了一種涂層切削刀具,包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速鋼制成的硬合金基體和涂層,該涂層包括具有交替的X和Y單個(gè)金屬氮化物層、組分為(Ti,Al,Cr,Si)N的非周期性多層結(jié)構(gòu)。非周期性應(yīng)理解為,多層結(jié)構(gòu)中特定單個(gè)層的厚度與緊接在它下面的單個(gè)層的厚度沒有關(guān)系,也與上面的特定單個(gè)層沒有關(guān)系。這種多層結(jié)構(gòu)在至少IO個(gè)連續(xù)單個(gè)層的序列中不具有任何重復(fù)的周期。多層結(jié)構(gòu)在此意味著包括至少5個(gè)單個(gè)層的結(jié)構(gòu)。但是,其可包括高達(dá)幾千個(gè)單個(gè)層。單個(gè)層的平均厚度大于O.lnm,但小于100nm,優(yōu)選為大于0.5nm,但小于50nm,最優(yōu)選為大于lnm,但小于30nm。多層結(jié)構(gòu)中任何十個(gè)連續(xù)層的總和小于300nm。整個(gè)涂層的總厚度是0.51im到20pm,優(yōu)選為1pm到10|im,最優(yōu)選為lfim至lj5(im。粘著地結(jié)合到基體或預(yù)涂覆基體的所述多層結(jié)構(gòu)包括交替的層X和Y的疊層狀、非周期性多層結(jié)構(gòu),其中單個(gè)層X和Y是金屬氮化物,優(yōu)選為多晶金屬氮化物,優(yōu)選為具有立方結(jié)構(gòu),其中金屬元素選自鈦(Ti)、鋁(A1)、硅(Si)、鉻(Cr)或其混合物。單個(gè)層X和Y的化學(xué)組分5彼此不同。由于小的厚度的緣故,在沒有相鄰層的幫助下,多層結(jié)構(gòu)中每個(gè)單個(gè)層的組分不易被測(cè)量??蓽y(cè)量的是在整個(gè)多層結(jié)構(gòu)上的平均組分。但是,每個(gè)單個(gè)層的組分可從所用的靶材組分估算出來(lái),但不能給出確切的組分。當(dāng)已經(jīng)沉積了較厚的層時(shí),厚到足以被分析,己經(jīng)顯示,與耙材材料的組分相比,沉積層的組分可有百分之幾的不同。由于該事實(shí),以下根據(jù)本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)的單個(gè)層的任何組分是從沉積過程中使用的靶材組分估計(jì)出來(lái)的。多層結(jié)構(gòu)中的平均化學(xué)組分在涂層橫截面范圍內(nèi)使用EDS(能量色散譜儀)來(lái)測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的整個(gè)多層結(jié)構(gòu)的平均組分是(Ti(1.a.b.c)AlaCrbSic)N,其中0<a<0.5、優(yōu)選為0.05<a<0.4、最優(yōu)選為0.25<a<0.3,其中(Kb0.15、優(yōu)選為0.02<1<0.10、最優(yōu)選為0.04<1<0.08,其中0.0Kc〈0.17、優(yōu)選為0.02〈c〈(U0、最優(yōu)選為0.04<c<0.08,且a+b+c<l。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,基體預(yù)涂覆有TiN、TiC、TiCN或(Ti,Al)N的薄的單層或多層涂層,且厚度在0.1-1nm之間,優(yōu)選為0,05-0.5pm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,單個(gè)層X和Y的組分可以是(Al,Cr)N、(Ti,Si)N、(Al,Ti,Si)N、TiN、(Al,Si)N和(Al,Ti,Cr,Si)N中的任一個(gè)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,涂層包括交替的(Al,Cr)N和(Ti,Si)N的單個(gè)層的多層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,基體是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼制成的切削刀具刀片。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,基體是硬質(zhì)合金或高速鋼制成的鉆頭或端銑刀。本發(fā)明還涉及一種制造涂層切削刀具的方法。該方法包括以下步驟提供硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼或高速鋼制成的硬合金基體,將涂層通過PVD技術(shù)沉積到所述基體上,該涂層包括非周期性多層結(jié)構(gòu)。可通過使用選自鈦(Ti)、鋁(A1)、硅(Si)、鉻(Cr)或其合金的元素制成的靶材在N2或混合的N2+Ar氣氛中沉積涂層。耙材中的金屬元素的組分可不同于整個(gè)多層結(jié)構(gòu)中金屬元素的平均組分,且仍形成本發(fā)明范圍內(nèi)的涂層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,靶材是(Al,Cr)、(Ti,Si)、(AI,Ti,Si)、Ti、(Al,Si)、(Al,Ti,Cr,Si)中的任一種。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,靶材是(Al,Cr)和(Ti,Si)。包括多層結(jié)構(gòu)的涂層可通過不同的PVD技術(shù)并通過交替地形成單個(gè)層來(lái)沉積。單個(gè)層的厚度的非周期序列可通過從單個(gè)層靶材隨機(jī)打開和閉合閘板(shutter),或者通過隨機(jī)打開和閉合所述靶材來(lái)制成。另一可想到的方法是通過在所述耙材前面隨機(jī)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)待涂覆基體。這優(yōu)選地通過將基體放置在為獲得非周期性結(jié)構(gòu)而布置的3維旋轉(zhuǎn)基體臺(tái)上來(lái)完成。3維旋轉(zhuǎn)可相對(duì)于旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向順時(shí)針或逆時(shí)針調(diào)節(jié)。多層結(jié)構(gòu)以這樣一種方式沉積,即.*使得單個(gè)層的平均厚度大于0.1nm,但小于100nm,優(yōu)選為大于0.5nm,但小于50nm,最優(yōu)選為大于lnm,但小于30nm。多層結(jié)構(gòu)中任意10個(gè)連續(xù)層的和小于300nm。整個(gè)涂層的厚度是0.5pm到20pm,優(yōu)選為1pm到10pm,最優(yōu)選為1inm至lj5,。根據(jù)本發(fā)明方法制成的整個(gè)多層結(jié)構(gòu)的平均組分是(Ti(i.a.b.c)AlaCrbSic)N,其中0<a<0.5、優(yōu)選為0.05<a<0.4、最優(yōu)選為0.25<a<0.3,其中(Kb0.15、優(yōu)選為0.02〈bO.10、最優(yōu)選為0.04<1)<0.08,其中0.01〈c〈0.17、優(yōu)選為0.02〈c〈0.10、最優(yōu)選為0.04〈cO.08,且a+b+c<l。大多數(shù)PVD技術(shù)可用于根據(jù)本發(fā)明的方法,優(yōu)選使用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或陰極電弧沉積或其組合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,本方法中使用的基體是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼制成的切削刀具刀片。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,本方法中使用的基體是硬質(zhì)合金或高速鋼制成的鉆頭或端銑刀。示例l(本發(fā)明)直徑8mm的鉆頭、直徑10mm的球頭整體端銑刀和可轉(zhuǎn)位刀片由具有10wt。/。的Co和余量WC的組分的硬質(zhì)合金基體制成。這三種不同類型的刀具都使用陰極電弧蒸發(fā)涂覆有非周期性多層(Ti,Al,Cr,Si)N涂層。涂層厚度調(diào)節(jié)為適合于具體的刀具及其應(yīng)用。多層結(jié)構(gòu)從由兩種不同化學(xué)組分構(gòu)成的兩對(duì)電弧靶材沉積,其中刀具安裝在為獲得非周期性結(jié)構(gòu)而布置的3維旋轉(zhuǎn)基體臺(tái)上。在Ar+N2氣氛中進(jìn)行電弧蒸發(fā)。沉積之后,鉆頭上的涂層經(jīng)受濕噴砂處理。在表l中示出電弧靶材的組分、在涂層橫截面上使用EDS測(cè)量的涂層的平均組分、以及在鉆頭和端銑刀的周邊上和在所述刀片的后刀面上使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量的每個(gè)刀具的涂層厚度。多層結(jié)構(gòu)具有非周期性,即非重復(fù)性的厚度的單個(gè)層的序列。橫截面透射電子顯微鏡調(diào)査揭示,單個(gè)氮化物層厚度從lnm到30nm,且每個(gè)層系統(tǒng)中層的總數(shù)目超過IOO。表1刀具靶材1耙材2平均化學(xué)組分厚度[Hm]鉆頭Alo.7。Cr0.3oTio.53Aio.29Sio.06Cro.063.3端銑刀Alo.7oCr0.3oTio.9oSio.ioTio.53Aio.29Sio.06Cro.063.3刀片Alo.70Cro.30Ti。.9oSi(uoTio.53Aio.29Sio.06Cro.063.0示例2(參照)為了對(duì)比,與示例l中的形狀和組分相同的基體被涂覆有不同的商用涂層。表2涂層基體厚度Oim)商用*(Ti,Al,Cr,Si)N鉆頭,8mm3.1端銑刀,10mm3.1商用2均勻AlQ.7。Crc.30N鉆頭,8mm2.4端銑刀,10mm2.4商用3Ti0.84Al0.16N,納米層鉆頭,8mm2.7商用4Tio.51AlQ.49N,納米層刀片4.54艮據(jù)US2006/0222893生產(chǎn)示例3將根據(jù)示例1制成的鉆頭與根據(jù)示例2制成的鉆頭進(jìn)行對(duì)比。在以下切削條件中,在底部鉆孔操作中測(cè)試每種鉆頭類型的兩個(gè)鉆頭9工件材料操作Ve[m/分鐘〗進(jìn)給速度[mm/轉(zhuǎn)]:a,孔深度[mm]:內(nèi)部冷卻SS254I-03(34CrNiMo6)鉆孔1000.1520可在下面看到結(jié)果。結(jié)果是兩次試驗(yàn)的平均數(shù)。刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)是后刀面磨損Vb-0.3mm,前刀面磨損/剝落k^0.5mm,斷裂或長(zhǎng)屑(longchip)。鉆頭類型No.孔數(shù)本發(fā)明1550商用1525商用2600商用31010示例4將根據(jù)示例1制成的鉆頭和根據(jù)示例2制成的鉆頭對(duì)比。在以下切削條件中,在鉆通孔操作中測(cè)試每種鉆頭類型的3個(gè)鉆頭工件材料SS2244-05(42CrMo4)操作鉆孔V。[m/分鐘]:70進(jìn)給速度[mm/轉(zhuǎn)]:0.15a,孔深度[mm]:18內(nèi)部冷卻是可在下面看到結(jié)果。結(jié)果是三次試驗(yàn)的平均數(shù)。刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)是10后刀面磨損V『0.3mm,前刀面磨損或剝落、=0.5mm,斷裂或長(zhǎng)屑。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>示例5球頭整體端銑刀,直徑10mm,用于機(jī)加工根據(jù)示例l制成的硬化鋼,并且與根據(jù)示例2制成的球頭整體端銑刀進(jìn)行對(duì)比。在以下切削條件中,在銑削操作下測(cè)試每種類型的兩個(gè)端銑刀-<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>可在下面看到結(jié)果。刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)是平均后刀面磨損Vb為0.15mm,或最大后刀面磨損Vb,,為0.20mm。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>示例6將根據(jù)示例1制成的可轉(zhuǎn)位刀片和根據(jù)示例2制成的可轉(zhuǎn)位刀片進(jìn)行對(duì)比。在以下切削條件中,在銑削操作下測(cè)試每種類型的兩個(gè)可轉(zhuǎn)位刀片工件材料操作-Vc[m/分鐘]:ae,[mm〗ap,[mm]:fz,[mm/齒〗Dievar47HRC,硬化鋼銑削1202.04.00.12可在下面看到結(jié)果。結(jié)果是兩次測(cè)試的平均數(shù)。刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)是Vb為0.2mm,或者破裂或缺口磨損為0.30mm。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1.一種涂層切削刀具,包括基體和涂層,所述涂層包括單個(gè)金屬氮化物層X和Y交替的非周期性多層結(jié)構(gòu),其特征在于,所述涂層的平均組分是(Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N,其中0<a<0.5、0<b<0.15、0.01<c<0.17、并且a+b+c<1。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的涂層切削刀具,其特征在于,單個(gè)層的平均厚度為O.lnm到100nm。3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的涂層切削刀具,其特征在于,0.05<a<0.4、0.02<1)<0.10并且0.02<(:<0.10。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的涂層切削刀具,其特征在于,所述多層結(jié)構(gòu)包括交替的(Ti,Si)N和(Al,Cr)N的單個(gè)層。5.—種制作涂層切削刀具的方法,包括提供基體,通過PVD技術(shù)在所述基體上沉積涂層,所述涂層包括單個(gè)金屬氮化物層X和Y交替的非周期性多層結(jié)構(gòu),其特征在于,所述多層結(jié)構(gòu)的平均組分是(Ti(1+b-c)AlaCrbSic)N,其中0<a<0.5、0<b<0.15、0.01<c<0.17并且a+b+c<1。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,單個(gè)層的平均厚度為O.lnm到100nm。7.根據(jù)權(quán)利要求5和6中任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,0.05<a<0.4、0.02<1<0.10并且0.02<(;<0.10。8.根據(jù)權(quán)利要求5、6和7中任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述多層結(jié)構(gòu)通過使用(Ti,Si)和(Al,Cr)靶材來(lái)沉積。全文摘要本發(fā)明涉及一種涂層切削刀具,包括基體和涂層,涂層包括單個(gè)金屬氮化物層X和Y交替的非周期性多層結(jié)構(gòu),其具有(Ti<sub>(1-a-b-c)</sub>Al<sub>a</sub>Cr<sub>b</sub>Si<sub>c</sub>)N的平均組分,其中0<a<0.5、優(yōu)選為0.05<a<0.4、最優(yōu)選為0.25<a<0.3,其中0<b<0.15、優(yōu)選為0.02<b<0.10、最優(yōu)選為0.04<b<0.08,其中0.01<c<0.17、優(yōu)選為0.02<c<0.10、最優(yōu)選為0.04<c<0.08,以及a+b+c<1,并且其中單個(gè)層的平均厚度是0.1nm到100nm。所述涂層切削刀具較硬并且具有較高的抗月牙洼磨損性以及較高的抗后刀面磨損性。文檔編號(hào)C04B41/87GK101578396SQ200780048445公開日2009年11月11日申請(qǐng)日期2007年12月14日優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日發(fā)明者瑪麗亞·阿斯特蘭德申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司