專利名稱：：切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及一種氧化鋁基陶瓷切削工具，更具體的，涉及一種具有在其表面上形成的涂層的氧化鋁基陶瓷切削工具。
背景技術(shù)：
：氧化鋁由于其優(yōu)異的機(jī)械性能和耐熱性而被廣泛的用作切削工具底材原料。在氧化鋁切削工具的表面上形成TiN涂層來(lái)改善表面粗糙度、降低切削阻力和防止工件在切削工具上的粘附。但是，TiN涂層硬度低，并因此容易因?yàn)樵谇邢鞑僮鬟^(guò)程中存在的摩擦而可能發(fā)生磨損。當(dāng)切削硬材料例如鑄鐵時(shí)，TiN涂層更容易發(fā)生磨損。此外，TiN涂層在曝露于大氣和高于1000。C時(shí)容易氧化。因此，當(dāng)切削工具進(jìn)行高速切削時(shí)，經(jīng)受高溫的TiN涂層容易發(fā)生氧化和從底材上剝離。TiN涂層的脫除導(dǎo)致切削刃被快速磨損。此外，這導(dǎo)致了切削阻力的升高，由此加速了該切削工具的磨損。這縮短了切削工具的壽命。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種涂覆的氧化鋁基陶乾切削工具，其具有提高的耐磨損性。本發(fā)明另外一個(gè)目標(biāo)是提供一種涂覆的氧化鋁基陶資切削工具，其具有在高速切削下提高的機(jī)械性能。本發(fā)明仍然的另外一個(gè)目標(biāo)是提供一種涂覆的氧化鋁基陶資切削工具，其具有提高的工具壽命。技術(shù)方案為了達(dá)到上述目標(biāo)和其他目標(biāo)，本發(fā)明的切削工具包含氧化鋁基底材。優(yōu)選所述的底材包括0.1-25體積％的一種或多種金屬氧化物，或者5-80體積。/。的金屬碳氮化物(metalcarbonitride)和0.01-10體積％的一種或多種金屬氧化物。構(gòu)成所述的金屬氧化物和所述的金屬碳氮化物的金屬選自元素周期表的III-VI族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和Co。所述的加入到氧化鋁中的金屬氧化物存在于氧化鋁顆粒(grains)的邊界上，由此阻止氧化鋁顆粒在燒結(jié)過(guò)程中過(guò)分生長(zhǎng)。結(jié)果，可以獲得細(xì)微的和均勻的氧化鋁基底材。此外，當(dāng)將5-80體積％的金屬碳氮化物加入到氧化鋁中時(shí)，通過(guò)同樣的原理，能夠獲得細(xì)微的氧化鋁顆粒和均勻的微觀結(jié)構(gòu)。此外，金屬碳氮化物提供了比金屬氧化物更大的韌性(toughness)增加，由此擴(kuò)大了氧化鋁基陶瓷切削工具的應(yīng)用，包括高硬度鋼的高速切削。同樣，在切削工具的底材上形成一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層。該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層是在切削工具的底材上以0.3-5.0(xm，優(yōu)選0.5-2.0jim的厚度形成的。所述的Al-Ti-Cr基氮化物涂層的組成可以是AlwTixCrySizCvN"v(W+X+Y+Z=l,V-0~1)。此外，所述的涂層可以通過(guò)物理氣相沉積(PVD)方法來(lái)形成。inserts)的照片。圖2是電子顯微鏡照片，表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的切削工具的4黃截面。圖3是電子顯微鏡照片，表示常規(guī)的切削工具的橫截面。圖4是在進(jìn)行了比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的維氏硬度測(cè)試之后，圖2的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片。圖5是在進(jìn)行了比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的維氏硬度測(cè)試之后，圖3的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片。圖6是電子顯微鏡照片，表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的切削工具的橫截面。圖7和8是表示常規(guī)切削工具的橫截面的電子顯微鏡照片。圖9是在進(jìn)行了比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的維氏硬度測(cè)試之后，圖6的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片。圖10是在進(jìn)行了比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的維氏硬度測(cè)試之后，圖7的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片。圖11是在進(jìn)行了比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的維氏硬度測(cè)試之后，圖8的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片。圖12是本發(fā)明第一實(shí)施方案的切削工具與常規(guī)切削工具的工具壽命比較圖。圖13是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片，其表示了在使用后的切削刃(cuttingedge)的磨損程度。圖14-16是常規(guī)切削工具的光學(xué)顯微鏡照片，其表示了在使用后它們各自的切削刃的磨損程度。圖17是本發(fā)明第二實(shí)施方案的切削工具與常規(guī)切削工具的工具壽命比較圖。圖18是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的切削工具的光學(xué)顯微鏡照片，其表示了在使用后切削刃的磨損程度。圖19-21是常規(guī)切削工具的光學(xué)顯微鏡照片，其表示了在使用后它們各自的切削刃的磨損程度。具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，氧化鋁基陶瓷切削刀片包含了氧化鋁和0.1-25體積％的一種或多種金屬氧化物。構(gòu)成所述的金屬氧化物的金屬選自元素周期表III-VI族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和Co。該切削刀片具有在所述表面上形成的一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層。優(yōu)選該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層的厚度是0.3-5.0(Lim,優(yōu)選0.5-2.0|iim。當(dāng)該涂層的厚度小于0.3jtim時(shí)，該涂層在切削加工過(guò)程中容易發(fā)生磨損和剝離。因此，沒(méi)有提供該涂層的增加工具壽命的作用。此外，當(dāng)所述涂層比0.5pm厚時(shí)，底材和涂覆材料之間的附著強(qiáng)度變差，涂層容易剝離或者損壞。這縮短了工具壽命。圖1是表示不同類型的切削刀片的照片，本發(fā)明能夠用于這些切削刀片。雖然參考切削工具的實(shí)施方案來(lái)描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明也可以用于由陶瓷制成的不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者功能零件。圖2和3是所述的切削刀片和常規(guī)切削刀片各自的橫截面照片，該照片是用電子顯微鏡放大7000倍來(lái)拍攝的，用于比較涂層與底材的附著強(qiáng)度。圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的切削刀片的橫截面，其中組成為(TiAlCrN+TiN)的涂層是通過(guò)PVD，以大約1.2|im的厚度涂覆到氧化鋁基底材上的，該底材的組成為(八1203+8.0%Zr02+0.3%MgO)。圖3表示了常規(guī)切削刀片的橫截面，其中組成為T(mén)iN的涂層是通過(guò)PVD,以大約l.Opm的厚度涂覆到氧化鋁基底材上的，該底材的組成為(八1203+3.0%Zr02+0.3%MgO)。通過(guò)比較圖2和3可以看出，圖2的切削刀片具有無(wú)任何間隙的緊密附著到底材上的涂層，而圖3的切削刀片表現(xiàn)出在涂層和底材之間存在著許多不規(guī)則的間隙(如箭頭所示)。圖4是用于比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的照片，該照片是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍來(lái)拍攝的。圖4表示了在其經(jīng)歷了維氏硬度測(cè)試之后，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的切削刀片的表面。圖5是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍所拍攝的照片，其表示了在其經(jīng)歷了同樣的維氏硬度測(cè)試之后，常規(guī)切削刀片的表面。在兩個(gè)面之間具有136。角的金剛石棱錐(壓頭(indenter))被用于該維氏硬度測(cè)試中。通過(guò)比較圖4和5,證實(shí)圖4的切削工具的涂層沒(méi)有從底材上剝離，并且在它的表面上形成了類似于所述壓頭形狀的棱錐形的凹痕。圖5的切削工具的涂層由于壓頭的壓力而發(fā)生了與底材嚴(yán)重的剝離。這樣的涂層脫離是由于該涂層與底材之間差的附著強(qiáng)度造成的。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案，氧化鋁基陶瓷切削刀片包含氧化鋁、5-80體積％的金屬碳氮化物、和0.1-10體積°/。的一種或多種金屬氧化物。構(gòu)成所述的金屬碳氮化物和所述的金屬氧化物的金屬選自元素周期表III-VI族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和Co。該切削刀片具有形成于表面上的一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層。優(yōu)選該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層的厚度是0.3-5.0(im，優(yōu)選0.5-2.0|am。圖6-8是通過(guò)電子顯微鏡放大7000倍所拍攝的照片，用于比較涂層與底材的附著強(qiáng)度，其表示了所述的切削刀片和常規(guī)切削刀片各自的橫截面。圖6表示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案所構(gòu)造的切削刀片的橫截面，其中組成為T(mén)iAlCrN的涂層是通過(guò)PVD,以大約1.2jxm的厚度涂覆到氧化鋁基底材上的，該底材的組成為(八1203+35%TiCN+0.5%MgO+1.0%Y203)。圖7表示了一種常規(guī)切削刀片的橫截面，其中組成為T(mén)iN的涂層是通過(guò)PVD,以大約0.2pm的厚度涂覆到氧化鋁基底材上的，該底材的組成為(Al2O3+26y。TiCN+0.5。/c)MgO)。圖8表示了另外一種常規(guī)切削刀片的橫截面，其中組成為T(mén)iN的涂層是通過(guò)PVD，以0.2fxm的厚度涂覆到氧化鋁基底材上的，該底材的組成為(A1203+30%TiCN+0.3%MgO)。通過(guò)比較圖6-8可以看出，圖6的切削刀片具有無(wú)任何間隙的緊密附著到底材上的涂層，而圖7和8的切削工具的涂層在表面的幾個(gè)地方發(fā)生了剝離(如箭頭所示)。圖9是用于比較涂層與底材的附著強(qiáng)度的照片，該照片是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍拍攝的。圖9表示了在其經(jīng)歷了維氏硬度測(cè)試之后，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的切削刀片的表面。圖10和11是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍的照片，其表示了在它們經(jīng)歷了維氏硬度測(cè)試之后，圖7和8各自所示的切削刀片的表面。通過(guò)比較圖9-11證實(shí)了圖9的切削工具的涂層沒(méi)有從底材上剝離，并且在它的表面上形成了類似于所述壓頭形狀的棱錐形凹痕。圖10和11的切削工具的涂層在壓頭周圍與切削工具的底材發(fā)生了嚴(yán)重剝離。下面描述#4居本發(fā)明所構(gòu)造的切削刀片的測(cè)試實(shí)施例。[測(cè)試實(shí)施例1]測(cè)量每個(gè)切削:片的工具壽命f其中該工具壽命是將切削工具的切削面(flankface)的磨損量達(dá)到0.25mm所耗費(fèi)的時(shí)間。在所述的切削性能測(cè)試中，使用下面的刀片切削刀片A包含組成為(八1203+8.0%Zr02+0.3%MgO)的底材，并且在其上沒(méi)有形成任何的涂層；切削刀片B包含在底材上的第一TiAlCrN涂層和第二TiN涂層，該底材具有與切削刀片A的底材相同的組成；切削刀片C包含在底材上的TiN涂層，該底材的組成為(八1203+3.0%Zr02+0.3%MgO);切削刀片D包含組成為(八1203+10.0%Zr02+0.5%MgO)的底材，并且在其上沒(méi)有形成任何的涂層。所述的切削刀片是符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的SNGN120412旋轉(zhuǎn)刀片。切削刀片B是根據(jù)本發(fā)明的，而切削刀片C和D是常規(guī)的。切削條件如下切削速度(v一600rpm;供料速度(f^0.3mm/rev;切削深度(d一2mm。此外，每個(gè)切削刀片#皮用來(lái)測(cè)試切削直徑為150mm、長(zhǎng)度為700mm的灰鑄鐵棒。測(cè)試結(jié)果在下面的[表l]和圖12中給出。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>刀片類型SNGN120412加工材料灰鑄鐵(HB190-200)切削條件v=600rpm,f=0.3mm/rev,d=2mm,干燥的可由表l可見(jiàn)，本發(fā)明的涂覆切削刀片B的工具壽命大約是具有相同底材的未涂覆切削刀片A的兩倍。此外，可以看到本發(fā)明的切削刀片B的工具壽命明顯比常規(guī)切削刀片C和D的壽命提高了。另一方面，可以看到切削刀片C的TiN涂層幾乎對(duì)工具壽命的提高沒(méi)有貢獻(xiàn)。此外，本發(fā)明人將切削刀片A-D在與上面的[測(cè)試實(shí)施例l]相同的條件下進(jìn)行切削15分鐘，并且測(cè)量切削后的切削刀片的切削面和凹口磨損量(flankandnotchwearamounts)。凹口磨損量表示最深磨損部分的磨損量。切削面磨損量表示磨損部分的平均磨損量，而非凹口磨損量。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>刀片類型SNGN120412加工材料灰鑄鐵(HBl卯-200)切削條件v=600rpm,f=0.3mm/rev,d=2mm,干燥根據(jù)該切削結(jié)果，本發(fā)明的切削刀片B具有最小的切削面磨損量和凹口磨損量。圖13-16是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍所拍攝的照片，其表示了切削刀片A-D各自的磨損特征[表2]。觀察到切削刀片B的磨損量比其他切削刀片A、C和B的磨損量明顯要小得多。這是因?yàn)榍邢鞯镀珺的涂層與底材的優(yōu)異的附著強(qiáng)度，其阻止了涂層與底材輕易的剝離。所述的涂層降低了切削刀片與工件(甚至在鑄鐵切削的情況中)之間的摩擦系數(shù)，由此抑制了切削工具的磨損。測(cè)量每個(gè)切削刀片的工具壽命，其中切削刀片是切削刀片E包含組成為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>的底材，并且在其上沒(méi)有形成任何的涂層；切削刀片F(xiàn)包含在底材上形成的TiAlCrN涂層，該底材具有與切削刀片E相同的組成；切削刀片G包含在底材上形成的TiN涂層，該底材的組成為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>切削刀片H包含在底材上的TiN涂層，該底材的組成為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>。所述的切削刀片是符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的CNGA120408旋轉(zhuǎn)刀片。切削刀片F(xiàn)是根據(jù)本發(fā)明的，而切削刀片G和H是常規(guī)的。切削條件是切削速度(v)-270rpm;供料速度(f)-O.lmm/rev;切削深度(d^2mm。此外，每個(gè)切削刀片用來(lái)測(cè)試切削直徑為150mm、長(zhǎng)度為700mm的硬化合金鋼棒。該測(cè)試的結(jié)果表示在下面的[表3]和圖17中。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>刀片類型CNGA120408加工材料硬化合金鋼(HRc45-50)切削條件v=270rpm,f=0.1mm/rev,d=0.5mm,濕從上[表3]可以看出，本發(fā)明的涂覆的切削刀片F(xiàn)的工具壽命大約是具有同樣底材的未涂敷的切削刀片E的兩倍。此外，可以看出本發(fā)明的切削刀片F(xiàn)的工具壽命顯著高于常規(guī)的切削刀片G和H。此外，在與上面的[測(cè)試實(shí)施例2]相同的條件下用切削刀片E-H進(jìn)行切削15分鐘，并觀察切削刀片的每個(gè)特征。每個(gè)切削刀片的磨損量如下所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>作為切削結(jié)果，切削刀片F(xiàn)表現(xiàn)出最小的磨損量。圖18-21是通過(guò)光學(xué)顯微鏡放大200倍所拍攝的照片，其表示了切削刀片E-H[表4]各自的磨損特征。具有未涂敷底材的切削刀片E是黑色的，而具有由TiAlCrN或者TiN所制成的涂層的其他切削刀片是黃色的。在切削硬化合金鋼的情況中，在切削部分中發(fā)生了均勻的磨損，沒(méi)有觀察到凹口磨損，這與切削鑄鐵的情況是不同的。這是由于切削刀片F(xiàn)的涂層與底材優(yōu)異的附著強(qiáng)度所導(dǎo)致的，其阻止了涂層輕易從底材上剝離。所述的涂層降低了切削刀片和工件(甚至在鑄鐵切削的情況中)之間的摩擦系數(shù)，由此抑制了切削工具的磨損。雖然已經(jīng)參考其示例性的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體的展示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以進(jìn)行不同的改變或者改進(jìn)，而不脫離本發(fā)明的范圍。工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的氧化鋁基陶瓷切削工具，涂覆材料借助于在底材上牢固的附著來(lái)保持，并且在高硬度材料例如鑄鐵或者硬化鋼的高速切削過(guò)程中不從底材上剝離。因此，提供了一種具有出色的耐磨損性和明顯提高的工具壽命的切削工具。權(quán)利要求1.一種切削工具，其包含氧化鋁基底材和形成在該底材表面上的一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層。2.權(quán)利要求l的切削工具，其中該氧化鋁基底材包含氧化鋁和0.1-25體積％的一種或多種金屬氧化物，其中構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬選自元素周期表的III-VI族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和Co。3.權(quán)利要求1的切削工具，其中該氧化鋁基底材包含氧化鋁、5-80體積％的金屬碳氮化物和0.01-10體積％的一種或多種金屬氧化物，其中構(gòu)成所述金屬碳化物和所述的金屬氧化物的金屬選自元素周期表的III-VI族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和Co。4.權(quán)利要求1-3任何一個(gè)的切削工具，其中該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層是AlwTixCrYSizCvN卜v(W+X十Y十Z^，V-(M)。5.權(quán)利要求1-3任何一個(gè)的切削工具，其中該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層的厚度是0.3-5.0pm。6.;K利要求1-3<壬<可一個(gè)的切削工具，其中該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層的厚度是0.5-2.0|am。7.權(quán)利要求1-3任<可一個(gè)的切削工具，其中該一個(gè)或多個(gè)Al-Ti-Cr基氮化物涂層是通過(guò)PVD方法形成的。全文摘要在本文中公開(kāi)了一種包括細(xì)微的和均勻的氧化鋁基底村的切削工具。在示范性實(shí)施方案中，氧化鋁基底村包括0.1－25體積％的一種或多種金屬氧化物，或者5－80體積％的金屬碳氮化物和0.01－10體積％的一種或多種金屬氧化物。構(gòu)成所述的金屬氧化物和所述的金屬碳氮化物的金屬選自元素周期表的Ⅲ-Ⅵ族(包括La族和Ac族)的元素、Mg和CO。所述的加入到氧化鋁中的金屬氧化物存在于氧化鋁顆粒的邊界上，由此阻止氧化鋁顆粒在燒結(jié)過(guò)程中過(guò)分生長(zhǎng)。文檔編號(hào)B23B27/14GK101568399SQ200680056815公開(kāi)日2009年10月28日申請(qǐng)日期2006年12月26日優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日發(fā)明者千成洙,樸權(quán)熙,羅相雄申請(qǐng)人:特固克株式會(huì)社