CN101088758A - 具有涂层的切削工具刀片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有CVD涂层的切削工具刀片，其具有改进的韧性，其能够承受高温，而不牺牲刀刃安全性。所述的刀片涂层包含具有低拉伸应力50－500MPa范围内的TiC_xN_y层，以及具有平均Ra＜0.12m的高表面光洁度的α－Al₂O₃层，其由AFM法测定出来，通过对所述的涂层进行强烈湿喷砂操作而得到所述的高表面光洁度。

Description

具有涂层的切削工具刀片

技术领域

本发明涉及一种高性能的具有涂层的切削工具刀片，其特别适用于在高的切削速度下，在干和湿的条件下，在从磨光到粗轧的领域中，车削低合金钢、碳素钢和韧淬钢，其能够承受高温，而不牺牲刀刃安全性。该工具刀片基于WC、立方碳化物以及具有富钴表面层的Co粘结相，使得刀片具有良好的抗塑性变形能力以及良好的韧性。另外，该涂层包含一些经过表层后处理的耐磨层，其大大提高了工具刀片的切削性能。

背景技术

大部分现有的切削工具都基于涂覆有一些硬质层，如TiC、TiCxNy、TiN、TiCxNyOz以及Al₂O₃的硬质合金刀片。为了适应不同的切削应用领域以及不同的工件材料，各层的顺序及其厚度是经过认真选择的。最常用的涂覆技术是化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。具有CVD涂层的刀片在刀腹面和凹口磨损方面较不具有涂层的刀片有很大的进步。

CVD法适用于一个很高的温度范围，950℃-1050℃。由于高的沉积温度以及沉积涂层材料和硬质合金工具刀片之间热膨胀系数的不同，CVD法使得涂层产生冷却裂纹和高拉伸应力(有时高达1000MPa)。在某些切削条件下，该高拉伸应力是不利的，这是因为其能够导致冷却裂纹的产生直至延伸至硬质合金刀体，以及导致切削刀刃部的断裂。

在金属切削领域，常常需要努力提高切削条件，即在不影响抗裂能力或在低速断续切削过程中进行切割的情况下，使其具有承受较高的切削速度的能力。

通过将刀具同富粘结相表层和最佳的较厚涂层结合到一起，使得其在应用方面有了显著的进步。

然而，随着涂层厚度的增加，由于涂层脱落危险的增加以及使得切削工具安全性能降低的减小的韧性，所有这些提高的消极效果，使得对于耐磨的积极效果失去了平衡。其特别适用于较软的工件材料，如低碳钢和不锈钢以及当涂层厚度超过5-10μm时。另外，较厚涂层通常具有较均匀的表面，在切削涂抹(smearing)材料，如低碳钢和不锈钢时，其是一消极因素。如多个专利，如EP0298729，EP1306150和EP0736615所述，通过刷涂或湿法喷砂，可以对涂层进行后光滑处理，以应用补救措施。在US5861210中，其目的就是得到光滑的切削刃和使Al₂O₃成为前刀面上的最外层，将间隙面上的TiN作为磨损检测层。得到了具有良好的抗剥落性能的涂层。

每一种将表层，如涂层表面暴露的技术，如湿或干喷砂处理的机械冲击，都将对表面抛光和涂层的应力状态(α)有一定的影响。

强力喷砂冲击能够降低CVD涂层的拉伸应力，但是其常常会由于沿冷却裂缝产生的沟槽而付出损失表层光洁度的代价，其甚至能够造成涂层脱落。

强化处理甚至能够造成应力状态的巨大变化，如EP-A-1311712所述的，从高拉伸应力到高压缩应力的转变，其中，应用了干喷砂技术。

目前，令人很吃惊的发现，具有某种硬质合金基体组分和某种涂层结构和厚度相结合的切削工具刀片，在可控的条件下，利用湿喷砂技术对其进行后处理，同现有技术的切削工具刀片相比，其具有良好的切削性能。

钴粘结相同W进行高合金化。以CW-比率的形式的粘结相中的W含量如下所示：

CW-比率＝Ms/(wt-％Co*0.0161)

其中Ms＝测量的饱和磁性强度hAm²/kg，wt-％Co为硬质合金中的钴含量。低CW-比率相当于Co粘结相中的高W含量。应用的后处理使得涂层具有良好的拉伸应力值，具有某种重要的结晶特性的Al₂O₃层和具有良好的表面光洁度的最外层。

所述的同喷砂技术的结合有效扩大了应用的涂层厚度的限度，而没有性能恶化。从而，本发明应用领域的扩大成为可能。对韧性和涂层结合性所取得的进步是令人惊讶的。

为了通过喷砂技术显著改变涂层的应力状态，喷砂技术介质，如Al₂O₃粒必须以高脉冲对表层进行冲击。冲击力能够由以下条件控制，例如喷浆压力(湿喷砂)、喷砂喷管和涂层表层之间的距离、喷砂介质的晶粒尺寸、喷砂介质浓度和喷砂喷口的冲击角度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的韧性的CVD涂层工具刀片，其具有承受高温而不会出现刀刃部安全或韧性问题的能力。

附图说明

图1示出了测角仪设备的X射线测量的残余应力值，其中：

E＝欧拉1/4摇架

S＝试样

I＝X入射射线

D＝X衍射射线

θ＝衍射角

ω＝θ

ψ＝沿欧拉1/4摇架的倾斜角

φ＝以试样的轴线为中心的旋转角

具体实施方式

本发明涉及一种涂层切削工具刀片，其包括大致呈多边形或圆形的刀体，该刀体具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，所述的切削刀片还具有涂层和碳化物基体。所述刀体的成分为：4.4-6.6，优选为5.0-6.0，最优选为5.0-5.8wt-％的Co，4-8.5wt-％的立方碳化物，余量的WC，优选为85-91wt-％的WC，最优选为87-90wt-％的WC，优选的是，平均晶粒尺寸为1-4μm，CW-比率在0.78-0.92之间，以及由立方碳化物TiC、TaC和/或NbC组成的表面层。

由立方碳化物组成的所述表面层的厚度为从10μm，或可选地从15μm，或可选地从20μm，至40μm，或可选地至35μm，或可选地至30μm，或可选地至25μm。

所述涂层具有至少一个TiC_xN_y层以及一个100％Al₂O₃的完全结晶层。一个这样的α-Al₂O₃层为前刀面上且沿切削刀刃线的最外可见层，并且该层通过具有极高能量的密集湿喷砂处理，以在Al₂O₃层和TiC_xN_y层上都产生拉伸应力松弛。所述Al₂O₃最外层至少在前刀面上的切削接触区内具有很光滑的表面。

令人很吃惊的发现，如果大体呈多边形或圆形的涂层切削工具刀片具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，则其韧性就会显著提高，所述刀具被至少部分涂覆，并制造为具有如下性能：

次末的TiC_xN_y层的厚度从3μm，优选从4μm，更优选从5μm，最优选从6μm，至15μm，优选至13μm，最优选至10μm，其中，x≥0，y≥0，且x+y＝1，优选由MTCVD制得，其拉伸应力为50-500MPa，优选为50-450MPs，最优选为50-400MPa，以及

外侧α-Al₂O₃层，其厚度从3μm，优选从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选至11μm，最优选至10μm，其为前刀面上的最外层，并且沿刀刃线，其至少在前刀面的切削接触区上具有平均粗糙度Ra＜0.12，优选为≤0.10μm，该平均粗糙度在10μm×10μm的区域上利用原子力显微镜(AFM)进行测量得出，且I(012)/I(024)的XRD衍射强度(峰高减去背景值)比值≥1.3，优选≥1.5。

优选的，在TiC_xN_y层和α-Al₂O₃层之间存在厚度为0.2-2μm的TiC_xN_yO_z结合层，x≥0，z＞0，且y≥0。这两层的总厚度≤25μm。。

而且，如本发明所述，附加层可引入基底和上述层之间的涂层结构中，所述的附加层可以由选自以下金属的金属氮化物和/或碳化物和/或氧化物组成：Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al，涂层的总厚度为＜5μm。

由于已经发现，在切削过程中发生随着温度升高方面，同涂层中存在的某些拉伸应力相比，此种诱发的压缩应力不稳定，因此优选的，TiCxNy层内残留一些拉伸应力。还发现，如果压缩应力由喷砂诱发，就需要很高的喷砂冲击力，此种情况下，沿切削刀刃常常会产生涂层剥落。

内部TiCxNy层中的残余应力σ由利用如I.C.Noyan，J.B.Cohen，Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation，Springer-Verlag，New York，1987(pp 117-130)一文所述的常见的sin²ψ法的XRD测量法进行测定。通过用如图1所示的测角仪装置，利用TiC_xN_y(422)反射上的CuK_α辐射进行测量。所述的测量是在尽可能平滑的表面上进行的。建议利用具有6至11个ψ-角的边部倾斜法(ψ-几何)，该角度在sin²ψ的0-0.5(ψ＝45°)的范围内是等间距的。同时，优选90°的φ-区段内φ角也是等间距分布的。为了确保双轴向应力的状态，试样应当以Φ＝0°和90°旋转并以ψ倾斜。。建议对剪切应力存在的可能性进行研究，也因此对负的和正的ψ角进行测定。在欧拉1/4支架的情况下，通过在φ＝180°以及270°不同的ψ角的情况下，完成对试样的测定。所述的sin²ψ法用于测定残余应力，优选利用某个商业软件，如Bruker AXS的DIFFRAC^Plus Stress32 v.1.04，其杨氏模量是固定的，E＝480MPa，以及在MTCVD Ti(C，N)层和利用Pseudo-Voigt-Fit函数定位反射的情况下，其泊松比值为v＝0.20。此种情况下用到了下述参数：E-模量＝480MPa，泊松比值v＝0.20。在双轴向应力状态下，拉伸应力为实得双轴向应力的平均值。

对于α-Al₂O₃来说，由于所需要的高2θ角的XRD反射通常很弱，因此一般是不可能利用sin²ψ法的。然而，发现了使α-Al₂O₃层的状态同切削性能相关的一种有用的替代方法。

对于Al₂O₃粉末来说，衍射强度比值I(012)/I(024)接近1.5。粉末衍射纪录JCPDS No.43-1484规定强度I₀(012)＝72，I₀(024)＝48。对于硬质合金上的具有拉伸应力(σ大约≥350MPa)的CVD Al₂O₃层来说，其强度比值I(012)/I(024)远远小于期望值0.5，通常＜1。这可能是因为拉伸应力引起的晶体结构的无序(disorder)。已经发现，当此层由于例如强喷砂处理而产生应力松弛，或其被完全从基体去掉以及被粉末化，则比值I(012)/I(024)就更接近、等于、甚至会高于1.5。所施加的喷砂力越大，比值就越高。因此，该强度比值能够作为α-Al₂O₃层的一个重要的状态指标。

本发明提供了一种具有CVD涂层的切削工具刀片，所述的涂层具有倒数第二层的TiCxNy层和外部α-Al₂O₃层。通过专利EP603144所述的方法，能够得到Al₂O₃，此Al₂O₃层在012-晶向上具有织构系数TC(012)＞1.3的结晶织构，优选织构系数＞1.5，或通过专利US5851687以及US5702808所述的方法，得到Al₂O₃，提供在110-晶向上的织构系数TC(110)＞1.5。然而，在其中一个实施例中，通过专利EP738336所述的方法得到Al₂O₃，该Al₂O₃层在104-晶向上的结晶织构的织构系数TC(104)＞1.5，优选TC(104)＞2.0，最优选为TC(104)＞2.5。为了得到具有高光洁度的表面以及低的拉伸应力水平，涂层需要进行湿法喷砂处理，其中，喷浆在水中由Al₂O₃的F150粒度(FEPA标准)组成，空气压强为2.2-2.6bar，速度为10-20秒/刀片。喷射枪定位于离刀具约100mm的地方，其成90°的喷角。所述的刀具间隙边和黑色的前刀面的颜色不同。最外层的薄0.1-2μm彩色(黄色)TiN层，TiCxNy层(灰色或棕色)，ZrCxNy层(微红色或棕色)，其中x≥0，y≥0，x+y＝1，或优选沉积TiC层(灰色)。然后，对所述的刀具进行喷砂，去掉最外层，露出黑色的Al₂O₃层。前刀面上的涂层将具有低的期望低拉伸应力50-500MPa，而间隙边具有高拉伸应力，范围为500-700MPa，前刀面上的拉伸应力低于间隙面上的拉伸应力，其依赖于涂层的选择和所用的硬质合金刀具的热膨胀(CTE)系数。在本发明的另一实施例中，对具有涂层的刀具的前刀面和间隙边均进行喷砂，在间隙边上喷射有色耐热漆层或在其上沉积形成有色PVD层，以对用过的切削刀刃进行标识。

实施例1

准备如下所述的试样：

A)硬质合金切削刀片，其组分为1.5wt-％Co，2.9wt-％TaC，0.5wt-％NbC，1.9wt-％TiC，0.4wt-％TiN，余量为WC，其平均晶粒尺寸大约为2μm，具有由立方碳化物组成的表面层，其厚度为18μm。

饱和磁化强度Ms测定为0.077hAm²/kg，其cw-比值为0.87。将所述刀片在930℃的温度下利用CVD法涂覆0.5μm厚的TiN涂层，随后的是在885℃的温度下，将TiCl₄、H₂、N₂和CH₃CN用作处理气体，利用MTCVD法涂覆7μm厚的TiCxNy层。在同一涂覆周期的随后的工艺步骤中，利用TiCl₄、CO和H₂，在1000℃沉积形成0.5μm厚的TiCxOz层，然后，通过利用2％CO₂、3.2％HCl和94.8％H₂混合气体，对反应器吹洗2分钟，开始Al₂O₃的工艺过程，继而沉积形成7μm厚的Al₂O₃层。在顶部沉积形成厚约为0.5μm的薄TiN层。沉积过程中的工艺条件如下所示：

	TiN	TiCxNy	TiCxOz	Al2O3启动	Al2O3
						步骤	1和6	2	3	4	5
TiCl4	1.5％	1.4％	2％
						N2	38％	38％		余量
CO2				2％	4％
						CO			6％
AlCl3					3.2％
						H2S	-				0.3％
HCl				3.2％	3.2％
						H2	余量	余量	余量	-	余量
CH3CN	-	0.6％
						压力	160mbar	60mbar	60mbar	60mbar	70mbar
温度	930℃	885℃	1000℃	1000℃	1000℃
						时间	30min	4.5h	20min	2min	7h

另一刀片为：

B)和A)中的刀片属于同一类型的硬质合金切削工具刀片，其不同之处仅仅在于TiCxNy层和α-Al₂O₃层的厚度，其厚度分别为6μm和9μm，其生产的工艺条件相同，除了TiCxNy层和Al₂O₃层的沉积时间分别为4小时和10小时。

A)和B)中刀具的沉积Al₂O₃层的XRD分析表明，其仅仅含有织构系数TC(104)＝2.6的α-相，织构系数由下式确定：

$\mathrm{TC}\left(014\right)=\frac{I\left(014\right)}{I_0\left(014\right)}{\left\{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hk}1\right)}{I_0\left(\mathrm{hk}1\right)}\right\}}^{-1}$

其中：

I(hk1)＝测定的(hk1)反射强度

I₀(hk1)＝粉末衍射列表JCPD No43-1484中的标准强度

n＝公式中用到的反射数量

用到的(hk1)反射为：(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)

利用先前提到的喷砂法对A)和B)中具有涂层的刀片进行后处理，对刀片的前刀面进行喷砂，其喷砂压力为2.4巴，暴露时间为20秒。

由常用的粗糙度系数Ra表示的涂层表面的光洁度通过表面成像系统AG(SIS)设备上的AFM测定。在前刀面的切削接触区任意选择10个平整表面区域(10μm×10μm)，对其粗糙度进行测量。这十块区域的平均Ra值MPa为0.11μm。

利用Bragg-Brentano衍射仪(西门子D5000)进行X射线衍射分析，利用Cu Kα-辐射线，对I(012)/I(024)比值进行测定。

所得的间隙边上的I(012)/I(024)比值约为1.2。前刀面上相应的测量值表明，所得的I(012)/I(024)比值约为2.1。

利用装备有激光摄像定位系统，欧拉1/4支架，作为X射线源(CuKα-辐射线)的旋转阳极以及区域探测器(Hi-星核)的X射线衍射仪Bruker D8 Discover-GADDS对残余应力进行测定。用尺寸为0.5mm的准直管聚焦光束。利用测角仪设置2θ＝126°，ω＝63°以及φ＝0°、90°、180°、270°对TiCxNy层(422)反射进行分析，对于每个Φ角，进行八个ψ在0°和70°之间的倾斜。所述的sin²ψ法用来测定残余应力，其利用软件Bruker AXS的DIFFRAC^PlusStress32 v.1.04，其杨氏模量固定，E＝480GPa，泊松比值为v＝0.20，以及利用Pseudo-Voigt-Fit函数进行定位反射。从而确定了双轴向应力状态，以及将所述的平均值作为残余应力值。在前刀面和间隙边上进行测定。所得的A)和B)刀片的间隙边拉伸应力约为630MPa。相应的A)刀片前刀面上的拉伸应力约为370MPa，B)刀片前刀面上的拉伸应力约为380Mpa。

实施例2

对实施例1中的刀片A)和刀片B)进行测试，并将其同商业上可获得的未喷砂刀片(P15领域的高性能刀片)进行关于间断切削的纵向车削操作中的韧性进行比较。

材料：碳素钢SS1312

切削参数：

切削速度＝150m/min

切削深度＝1.5mm

给进量＝开始为0.15mm，逐渐以0.08mm/min的速度递增，直至刀刃部断裂。

对每个变型的10个刀刃进行测试

刀具型号：CNMG120408-PM

结果：

	断裂时的平均给进量(mm/rev)
		商业上可获得的刀片	0.206
A)	0.282
		B)	0.240

实施例3

对实施例1中所述的刀片A)进行测试，并将其同如实施例2中所述的商业可获得刀片在进行断面加工SS2541时的总抗塑性变形性进行比较。

切削参数：

切削速度＝200m/min

给进量＝0.35mm/rev

切削深度＝2mm

工具使用寿命标准：腹面磨损＞＝0.5mm

刀片型号：CNMG120408-PM

结果：

	达到工具使用寿命时的切削周期数
		商业可获得刀片	59.5
A)	64

实施例4

对实施例1中所述的刀片A)和B)进行测试，并将其同如实施例2中所述的工业用刀片在进行断面加工SS2541时的总抗塑性变形性进行比较。所述的测试包含两个不同的刀片尺寸，其由两个不同刀片型号表示：CNMG160612-PR(切削刃长度＝16mm)，以及CNMG190612-PR(切削刃长度＝19mm)。

切削参数：

切削速度＝220m/min

给进量＝0.35mm/rev

切削深度＝3mm

工具使用寿命标准：腹面磨损＞＝0.5mm

结果：

	达到工具使用寿命时	的切削周期数
				CNMG160612-PR	CNMG190612-PR
商业可获得刀片	36	50
			A)	52	72
B)	51	77

Claims (10)

1.一种硬质合金的涂层切削工具刀片，其包括大体多边形或圆形的主体，该主体具有至少一个前刀面和至少一个间隙面，其特征在于：所述刀片的成分为：4.4-6.6，优选为5.0-6.0，最优选为5.0-5.8wt-％的Co，4-8.5wt％的立方碳化物，余量的WC，CW-比值范围为0.78-0.92，以及厚度为10-40μm的、由立方碳化物TiC、TaC和/或NbC组成的表面层，所述的刀片至少部分地涂覆有10-25μm厚的涂层，所述的涂层包含：至少一个TiCxNy层，其中x≥0，y≥0且x+y＝1，优选地，利用MTCVD沉积形成该TiCxNy层，以及α-Al₂O₃层，该层为外层，其至少在前刀面上，且在所述的至少一前刀面上，

-TiCxNy层，其厚度从3μm，优选从4μm，更优选从5μm，最优选从6μm，至15μm，优选至13μm，最优选至10μm，其拉伸应力的范围为50-500MPa，优选为50-450Mpa，且

-α-Al₂O₃，其厚度从3μm，优选从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选至11μm，最优选至10μm，其为最外层，XRD-衍射强度比值为I(012)/I(024)≥1.3，优选≥1.5，且其至少在前刀面的切屑接触区上、且在所述至少一个间隙面上具有平均Ra值MRa＜0.12μm，优选≤0.10μm，

-所述的TiCxNy层的拉伸应力的范围为500-700Mpa，且

-所述的α-Al₂O₃层的XRD-衍射强度比值I(012)/I(024)＜1.5，优选涂覆有一层薄的0.1-2μm的TiN、TiCxNy、ZrCxNy或TiC层，使得刀片的表面上具有不同的颜色，

或者在所述至少一个前刀面上以及所述的至少一个间隙面上，

-TiCxNy层，其厚度从3μm，优选从4μm，更优选从5μm，最优选从6μm，至15μm，优选至13μm，最优选至10μm，其拉伸应力的范围为50-500MPa，优选为50-450Mpa，以及

-α-Al₂O₃层，其厚度从3μm，优选从3.5μm，最优选从4μm，至12μm，优选至11μm，最优选至10μm，其XRD-衍射强度比值I(012)/I(024)≥1.3，优选≥1.5，且其为前刀面上的最外层，至少在前刀面上的切削接触区内其平均Ra值MRa＜0.12μm，优选≤0.10μm，且在所述间隙面上，所述的最外层具有有色耐热漆层或有色PVD层。

2.如前述权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：介于TiCxNy层和Al₂O₃层之间具有0.2-2μm的薄TiCxNyOz结合层，其中x≥0，z＞0以及y≥0。

3.如前述任意权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的α-Al₂O₃层具有在104-晶向上、织构系数TC(104)＞1.5的织构。

4.如权利要求3所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的α-Al₂O₃层具有在104-晶向上、织构系数TC(104)＞2.0的织构。

5.如权利要求4所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的α-Al₂O₃层具有在104-晶向上、织构系数TC(104)＞2.5的织构。

6.如前述任意权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的α-Al₂O₃层具有在012-晶向上、织构系数TC(012)＞1.3、优选织构系数TC(012)＞1.5的织构。

7.如前述任意权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的α-Al₂O₃层具有在110-晶向上、织构系数TC(110)＞1.5的织构。

8.如前述任意权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的涂层具有由金属氮化物和/或碳化物和/或氧化物组成的附加层，且所述的金属元素选自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al，总的层厚度＜5μm。

9.如前述任意权利要求所述的切削工具刀片，其特征在于：所述的由立方碳化物组成的表面层的厚度为从15μm，或从20μm，至35μm，或者至30μm，或者可选地至25μm。

10.如权利要求9所述的切削工具刀片，其特征在于：所述由立方碳化物组成的表面层的厚度为从15μm至25μm。

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