專利名稱：Pvd涂覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切削工具，該切削工具針對金屬加工具有改進(jìn)的性能，該切削工具具有硬質(zhì)合金基底和位于該基底的表面上的硬且耐磨的涂層。涂層是通過物理氣相沉積(PVD)而沉積的。涂層由金屬氮化物與氧化鋁(Al2O3)結(jié)合組成。涂層由分層的多層結(jié)構(gòu)組成。為了優(yōu)化性能，刀片被進(jìn)一步處理成分別在前刀面和側(cè)面上具有不同的外層。
背景技術(shù)：
用于金屬的切屑成形加工的現(xiàn)代高產(chǎn)率工具需要具有優(yōu)良磨損性能的可靠工具。從20世紀(jì)60年代末期開始，就已知可以通過向工具表面涂覆適當(dāng)?shù)耐繉右燥@著地提高工具的壽命。用于磨損應(yīng)用的最早涂層通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成并且該涂層技術(shù)仍然廣泛用于切削工具應(yīng)用。物理氣相沉積(PVD)在20世紀(jì)80年代中期提出，并且從那時起從單層穩(wěn)定金屬化合物像TiN或Ti(C，N)進(jìn)一步發(fā)展成包括多組分和多層涂層，它們還包括亞穩(wěn)定化合物像(Ti，Al)N或非金屬化合物像Al2O3。
在Shinzato等人的Thin Sol.Films，97(1982)333-337一文中描述了使用高至900℃的沉積溫度在硬質(zhì)合金切削工具上射頻濺射氧化鋁。在Knotek等人的Surf.Coat.Techn.(表面涂覆技術(shù))，59(1993)14-20一文中描述了使用氧化鋁的PVD涂層用于磨損保護(hù)，其中氧化鋁被沉積為耐磨碳氮化物層上的最外層。氧化鋁層據(jù)說可以將粘附磨損減小到最低，并且可以充當(dāng)化學(xué)侵蝕的屏障。美國專利號5,879,823中公開了一種工具材料，該工具材料涂覆有PVD氧化鋁，作為層疊當(dāng)中的一層或兩層，非氧化層例如包含TiAl。該工具可以具有TiN的外層。Al2O3可以為α、κ、θ、γ型或無定形的。在美國專利號6,210,726中公開了氧化鋁涂覆的工具，其中氧化物多晶型物為γ型，具有400或440晶體結(jié)構(gòu)。美國專利號5,310,607公開了PVD沉積氧化鋁，含有大于5％的Cr。對于Cr含量超過20％的氧化鋁，可以發(fā)現(xiàn)具有大于20GPa的硬度和α相的晶體結(jié)構(gòu)。如果沒有Cr添加物，就會給出具有5GPa硬度的無定形氧化鋁。
現(xiàn)今的大多數(shù)涂覆工具都具有金色的TiN以易于通過肉眼區(qū)別出使用過的和未使用的切削刃。TiN并不總是優(yōu)選的頂層，尤其是在其中切屑可能粘附至TiN層的應(yīng)用中不是優(yōu)選的。在EP-A-1193328中公開了涂層的部分噴砂，其目的是在保持底層涂層的有益性能的同時能夠磨損檢測。前刀面上的磨損在本質(zhì)上主要是化學(xué)上的并且需要化學(xué)性能穩(wěn)定的化合物，而在側(cè)面上的磨損在本質(zhì)上主要是機(jī)械上的并且需要更硬的并且耐磨的化合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有多層涂層的改進(jìn)的切削工具組成。
本發(fā)明的另一個目的是分別在前刀面和側(cè)面上使用不同外層的概念來進(jìn)一步提高PVD涂覆切削工具的性能。
優(yōu)選通過PVD工藝形成的涂層包括緊鄰基底的(Ti，Al)N化合物、在(Ti，Al)N層上面的氧化鋁層和至少另外兩個(Ti，Al)N和氧化鋁的交替層以及最外層的ZrN。ZrN層在后處理中被從前刀面上除去，且優(yōu)選通過噴砂或刷除而被除去。通常需要幾次重復(fù)的刷除或噴砂來完全除去前刀面上的ZrN層。不完全的除去通常會導(dǎo)致ZrN殘留物局部焊接到切屑上，這會降低工具壽命。為了減小頂部ZrN層的粘附，在氧化鋁層上、ZrN層下方沉積亞化學(xué)計量的ZrN1-x的中間層。亞化學(xué)計量ZrN1-x具有減小的強(qiáng)度并且便于頂部ZrN層的除去。
依照本發(fā)明，現(xiàn)在提供了一種切削工具刀片，它具有頂面(前刀面)、相對面和至少一個與所述頂面和相對面相交的間隙面以界定切削刃，其包括硬質(zhì)合金基底和硬層系統(tǒng)。硬質(zhì)合金具有如下組成重量百分比為86-90％的WC、重量百分比為1-2％的(Ta，Nb)C和重量百分比為8-13％的Co，且優(yōu)選為重量百分比為88-89％的WC、重量百分比為1.2-1.8％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10-11％的Co。硬層系統(tǒng)具有3-30微米的總厚度，并且包括-(Ti，Al)N的第一層，具有1-5微米且優(yōu)選2-4微米的厚度，-氧化鋁層，優(yōu)選為γ-氧化鋁，具有1-4微米且優(yōu)選1-2微米的厚度，-((Ti，Al)N+氧化鋁)*N的多層，其中N≥2，具有小于0.5微米且優(yōu)選0.1-0.3微米的厚度，-優(yōu)選亞化學(xué)計量ZrN1-x，優(yōu)選x＝0.01-0.1，且優(yōu)選厚度小于0.1微米的薄層，以及-ZrN層，具有小于1微米且優(yōu)選為0.1-0.6微米的厚度，在前刀面和刀口上沒有ZrN層，其中，(Ti，Al)N層優(yōu)選具有60/40＜Al/Ti＜70/30且最優(yōu)選為Al/Ti＝67/33的原子組成。
本發(fā)明還涉及一種用于制造涂覆切削工具刀片的方法，該刀片具有頂面(前刀面)、相對面和至少一個與所述頂面和相對面相交以界定切削刃的間隙面，該方法包括下列步驟-提供一種硬質(zhì)合金基底，該基底具有如下組成重量百分比為86-90％的WC、重量百分比為1-2％的(Ta，Nb)C和重量百分比為8-13％的Co，且優(yōu)選為重量百分比為88-89％的WC、重量百分比為1.2-1.8％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10-11％的Co，-使用PVD方法，在硬質(zhì)合金基底上沉積一個硬層系統(tǒng)，其具有3-30微米的總厚度，并且該硬層系統(tǒng)包括-(Ti，Al)N的第一層，具有1-5微米且優(yōu)選2-4微米的厚度，
-氧化鋁層，優(yōu)選為γ-氧化鋁，具有1-4微米且優(yōu)選為1-2微米的厚度，-((Ti，Al)N+氧化鋁)*N的多層，其中N≥2，具有小于0.5微米且優(yōu)選0.1-0.3微米的厚度，-優(yōu)選亞化學(xué)計量ZrN1-x，優(yōu)選x＝0.01-0.1，且優(yōu)選小于0.1微米的薄層，以及-最外側(cè)的ZrN層，具有小于1微米且優(yōu)選0.1-0.6微米的厚度，其中，(Ti，Al)N層優(yōu)選具有60/40＜Al/Ti＜70/30且最優(yōu)選為Al/Ti＝67/33的原子組成，并且-通過后處理且優(yōu)選通過刷除或噴砂，除去前刀面和刀口上的所述ZrN層。
實例1硬質(zhì)合金刀片ADMT 160608R，其具有如下組成重量百分比為88％的WC、重量百分比為1.5％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10.5％的Co，使用PVD技術(shù)依照下列次序在一個工序中涂覆方案A；層疊(Ti0.33Al0.67N-Al2O3-Ti0.33Al0.67N-Al2O3-Ti0.33Al0.67N-Al2O3)，方案B；層疊(Ti0.33Al0.67N-Al2O3)方案C；Ti0.33Al0.67N層。
刀片在干燥的臺肩銑削應(yīng)用中進(jìn)行測試。
工件材料馬氏體不銹鋼X90CrMoV18(1.4112)。
切削速度140米/分鐘工具壽命標(biāo)準(zhǔn)所生產(chǎn)的零件的數(shù)目表1工具壽命中銑邊之后所生產(chǎn)的零件

結(jié)果顯示出提高的層厚度在銑邊中對工具壽命的影響。
實例2硬質(zhì)合金刀片ADMT 160608R，其具有如下組成重量百分比為88％的WC、重量百分比為1.5％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10.5％的Co，使用PVD技術(shù)依照下列次序在一個工序中涂覆3微米的(Ti，Al)N(Al/Ti 67/33％)、1.5微米納晶態(tài)γ-氧化鋁、0.2微米的(Ti，Al)N(Al/Ti67/33％)、0.2微米的納晶態(tài)γ-氧化鋁、0.1微米的(Ti，Al)N(Al/Ti67/33％)、0.1微米的納晶態(tài)γ-氧化鋁、0.1-0.5微米的ZrN。
頂層的ZrN通過在濕噴砂工藝中使用氧化鋁而被清理掉。
噴砂和未噴砂的刀片都用于對Ti合金(剛度為1400N/mm2)進(jìn)行銑邊。
在890毫米的切削距離之后測量最大側(cè)面磨損，得到如下結(jié)果。
表2.銑邊之后的磨損(毫米)

它很清楚地顯示出，從頂部前刀面上除去ZrN導(dǎo)致相當(dāng)小的磨損。
權(quán)利要求
1.一種PVD涂覆硬質(zhì)合金刀片，其具有頂面(前刀面)、相對面和至少一個與所述頂面和相對面相交以界定切削刃的間隙面，其特征在于－硬質(zhì)合金基底具有如下組成重量百分比為86-90％的WC、重量百分比為1-2％的(Ta，Nb)C和重量百分比為8-13％的Co，且優(yōu)選為重量百分比為88-89％的WC、重量百分比為1.2-1.8％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10-11％的Co，并且涂覆有－硬層系統(tǒng)，其具有3-30微米的總厚度，包括－(Ti，Al)N的第一層，具有1-5微米且優(yōu)選2-4微米的厚度，－氧化鋁層，優(yōu)選為γ-氧化鋁，具有1-4微米且優(yōu)選為1-2微米的厚度，－((Ti，Al)N+氧化鋁)*N的多層，其中N≥2，具有小于0.5微米且優(yōu)選0.1-0.3微米的厚度，以及－ZrN層，具有小于1微米且優(yōu)選為0.1-0.6微米的厚度，在前刀面和刀口上沒有ZrN層，其中，(Ti，Al)N層優(yōu)選具有60/40＜Al/Ti＜70/30且最優(yōu)選為Al/Ti＝67/33的原子組成。
2.如權(quán)利要求1所述的切削工具刀片，其特征在于，在ZrN頂層下面具有亞化學(xué)計量ZrN1-x，優(yōu)選x＝0.01-0.1，且厚度優(yōu)選小于0.1微米的薄層。
3.一種用于制造涂覆切削工具刀片的方法，該刀片具有頂面(前刀面)、相對面和至少一個與所述頂面和相對面相交以界定切削刃的間隙面，其特征在于，該方法包括下列步驟－提供一種硬質(zhì)合金基底，該基底具有如下組成重量百分比為86-90％的WC、重量百分比為1-2％的(Ta，Nb)C和重量百分比為8-13％的Co，且優(yōu)選為重量百分比為88-89％的WC、重量百分比為1.2-1.8％的(Ta，Nb)C和重量百分比為10-11％的Co，－使用PVD方法，在硬質(zhì)合金基底上沉積一個硬層系統(tǒng)，該硬層系統(tǒng)具有3-30微米的總厚度，并且包括－(Ti，+Al)N的第一層，具有1-5微米且優(yōu)選2-4微米的厚度，－氧化鋁層，優(yōu)選為γ-氧化鋁，具有1-4微米且優(yōu)選為1-2微米的厚度，－((Ti，Al)N+氧化鋁)*N的多層，其中N≥2，具有小于0.5微米且優(yōu)選0.1-0.3微米的厚度，以及－最外側(cè)的ZrN層，具有小于1微米且優(yōu)選0.1-0.6微米的厚度，其中，(Ti，Al)N層優(yōu)選具有60/40＜Al/Ti＜70/30且最優(yōu)選為Al/Ti＝67/33的原子組成，并且－通過后處理且優(yōu)選通過刷除或噴砂，除去前刀面和刀口上的所述ZrN層。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在((Ti，Al)N+氧化鋁)*N的多層上面沉積亞化學(xué)計量ZrN1-x，優(yōu)選x＝0.01-0.1，且厚度優(yōu)選小于0.1微米的薄層。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種切削工具，該切削工具針對金屬加工具有改進(jìn)的性能，該切削工具具有硬質(zhì)合金基底和位于該基底的表面上的硬且耐磨的涂層。涂層通過物理氣相沉積(PVD)而被沉積。涂層由金屬氮化物與氧化鋁(Al
文檔編號C22C29/08GK1927512SQ20061015167
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者法伊特·席爾 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司