切削刀片及其制造方法技术

由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体及多层涂层制成的切削刀片，所述多层涂层借助于CVD法施加到所述基底主体上，该多层涂层的总厚度为5至40μm，且从基底表面起包括一个或多个硬质材料层，在所述硬质材料层之上的、层厚度为1至20μm的α氧化铝（α-Al2O3）层，和任选地一个或多个在所述α-Al2O3层的至少一些部分之上的、作为装饰或磨损识别层的另外的硬质材料层，所述切削刀片的特征在于：所述α-Al2O3层具有结晶学择优取向，其特征在于，对于(0012)生长方向，式(I)的织构系数TC(0012)≥5，其中I(hkl)为通过X-射线衍射而测量到的衍射反射的强度，I0(hkl)为根据pdf卡42-1468的衍射反射的标准强度，n为用于计算的反射的数目，且以下反射用于计算TC(0 0 12)：(0 1 2)、(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(1 1 6)、(3 0 0)和(0 0 12)，所述α-Al2O3层具有在0至+300MPa范围内的残余应力，且所述基底在距基底表面0至10μm的范围内具有在-2000至-400MPa范围内的最小残留应力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体及多层涂层制成的涂层切削刀片，所述多层涂层借助于CVD法施加到所述基底主体上，且从所述基底表面起，所述多层涂层具有一个或多个硬质材料层，在所述硬质材料层之上的α氧化铝(C1-Al2O3)层，和任选地在所述a -Al2O3层之上的至少部分的、作为装饰或磨损识别层的一个或多个另外的硬质材料层。
技术介绍
用于材料加工、特别是用于切削金属加工的切削刀片包括硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体，其在大多数情况下设置有单层或多层表面涂层，以改进切削和/或磨损性质。这些表面涂层包括元素周期表1va至VIIa族元素和/或铝的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氮氧化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物或硼氧碳氮化物、混合金属相和上述化合物的相混合物构成的相互叠置的硬质材料层。上述化合物的实例为TiN、TiC、TiCN和A1203。混合金属相的实例为TiAIN，其中在晶体中，金属被另一金属部分地替代。通过CVD法(化学气相沉积)、PCVD法(等离子体辅助CVD法)或通过PVD法(物理气相沉积)施加上述种类的涂层。由于机械、热和/或化学处理而在几乎每种材料中都获得预应力。在通过借助于CVD法涂布基底主体制造切削刀片的过程中，例如在涂层与基底之间和在由不同热膨胀系数材料涂层的单独的层之间产生预有应力。所述预应力可为预张应力或预压缩应力。当借助于PVD法施加涂层时，在使用该方法时通过离子轰击将附加应力引入该涂层中。在借助于PVD法施加的涂层中 ，预压缩应力通常占优势，而CVD法通常在涂层中产生预张应力。预应力在涂层中和在基底主体中的作用可能对切削刀片的性质没有显著影响，但它们也可能对切削刀片的耐磨性具有显著有利或不利的作用。超过相应材料的抗张强度的预张应力导致在涂层中垂直于预张应力方向的破裂和开裂。通常，在涂层中的一定量的预压缩应力由于由此防止或封闭表面裂纹且改进涂层的疲劳性质并因此改进切削刀片的疲劳性质而是所需要的。然而，过高的预压缩应力可导致涂层的粘附问题和剥落。存在3种预应力:宏观应力，其几乎均匀地分布在材料的宏观区域上；微观应力，其在微观区域例如晶粒中是均匀的；及不均匀的微观应力，其在微观面上也不均匀。从实用角度来看且对于切削刀片的机械性质，宏观应力具有特殊的意义。通常使用单位兆帕(MPa)说明预应力，其中预张应力具有正号(+ )且预压缩应力具有负号(_)。已知用例如TiN、TiC、TiCN、TiAIN、Al2O3或其组合的硬质材料层涂布的硬质金属切削刀具可具有优异的耐磨性，但它们可能在如下的情形下由于相对于无涂层的切削刀具或借助于PVD法涂布的切削刀具的韧性损失而更容易出现故障，这种情形包括在断续切削操作如在例如曲轴铣削中的热机械交替荷载。类似的考虑适用于以断续切削模式或在不利切削条件(例如，由机器或工件夹具引起的振动)下的车削加工。对于在不利条件下的所述应用，由于切削材料的尤其因张应力引起的脆化随CVD涂层的厚度而增加，因此迄今使用具有有限层厚度(很少大于ΙΟμπι)的CVD涂层。高度耐磨型的切削材料相比之下常包括20 μπι或更大的层厚度，但它们仅可以在有利的条件下以连续切削模式使用。在用于车削加工钢铁或铸铁的切削刀片的情况下，因此需要高耐磨性以及高韧性，这是常常不能同时实现的两种性质。DE-A-19719195描述了具有以连续CVD法在900°C至1100°C之间的温度下沉积的多层涂层的切削刀片。由于在该CVD法中的气体组成的改变而在该多层涂层中发生从一层到下一层的材料改变。最外层(覆盖层)包含Zr或Hf的碳化物、氮化物或碳氮化物的单相或多相层，其中内部的预压缩应力占优势。下面的层包含TiN、TiC或TiCN且毫无例外地具有内部的预张应力。在该外层中测量的预压缩应力在_500MPa至-2500MPa之间。这旨在改进断裂韧性。为了增加在切削刀片或其它刀具基底主体上的涂层中的预压缩应力，已知的是对它们进行机械表面处理。已知的机械表面法为刷涂和射流喷砂处理。射流喷砂处理包括在增加的压力下借助于压缩空 气将粒度至高达约600 μπι的细粒射流喷砂剂引导到涂层的表面上。这种表面处理可降低在最外层中以及在下面层中的预张应力或预压缩应力。关于射流喷砂处理，可区分为在其中细粒射流喷砂剂在干燥条件下使用的干式射流喷砂处理和其中粒状射流喷砂剂悬浮在液体中的湿式射流喷砂处理。发现射流喷砂剂的选择对切削刀片涂层中和基底中预应力的改变具有显著的影响，特别地，射流喷砂剂的硬度与涂层的硬度和厚度有关。可以表明，在使用硬度大于涂层最外层硬度的射流喷砂剂时，在射流喷砂步骤中的磨损机制为摩擦，且仅在该层的近表面区域至约Iym的穿透深度处出现高压缩应力，且它们很快地再次弛豫。在更深的层中或在基底中，张应力基本不降低或者压缩应力基本不增加。在涂布工艺之后在基底中占优势的预应力保持不变。不可能实现刀具韧性的增加。[0011 ] 如果射流喷砂剂的硬度等于涂层的最外层的硬度，则在射流喷砂操作中的磨损机制为表面剥落，且存在可作用到更深涂层且根据层厚度也作用到基底的高压缩应力。在湿式射流喷砂下的层厚度(》10 μ m)的情况下，在基底中的应力仅可少许改变且抗张强度可增加。尽管如此，如果希望在即使具有厚层的基底中也增加压缩应力，则必需使用很久的干式射流喷砂操作，这引起晶格位错的增加且可导致涂层的粘附问题。如果射流喷砂剂的硬度小于涂层的最外层的硬度，则表面轰击(喷丸强化)也基本上假设为该最外层的磨损机制。最外涂层的磨损率较低，使得可进行较久的射流喷砂时间，而没有任何值得一提的层去除。另一优势在于，在这方面，在涂层的最外层中没有生成或仅生成轻微程度的位错。取决于方法参数(尤其是射流喷砂剂、压力、持续时间和角度)和层厚度的相应选择，可以在由硬质金属和涂层组成的复合材料的不同深处实现预应力改变。换言之，由于射流喷砂处理，可以在涂层的不同层中以及在基底中出现压缩应力。DE-A-10123554描述了使用最大直径为150μ的粒状射流喷砂剂的射流喷砂方法。结果，在最外层和下面的层中，优选在靠近基底表面的区域中，实现了预张应力的降低或压缩应力的增加。优选在最外层中实现若干GPa的压缩应力。多年来已经使用的用于金属加工的具有α氧化铝或Y氧化铝的外部磨损保护层的切削刀片详细描述在文献中。已经发现在PVD或CVD法的沉积中具有晶体生长的给定优选方向的α氧化铝涂层可具有特殊的优势，特别是具有改进的磨损特性，其中，对于切削刀片的不同应用，氧化铝层的不同的择优取向也可能特别有利。晶体生长的择优取向通常相对于通过密勒指数定义的晶格平面例如(OOl)面进行指定，且称为织构或纤维织构，并且通过所谓的织构系数(TC)进行定义。例如，具有具备(001)织构的α氧化铝的耐磨层的切削刀片在凸面磨损和月牙洼磨损以及塑性变形方面在钢铁机械加工中相对于其它择优取向具有优势。US-A-2007/0104945描述了具有具备(001)织构和柱状微观结构的a -Al2O3耐磨层的切削刀具。择优取向通过在X-射线衍射谱(XRD衍射图)中(006)峰的高强度而示出，且通过在CVD法中、在给定条件下进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削刀片，其由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体和多层涂层制成，所述多层涂层借助于CVD法施加到所述基底主体上，所述多层涂层具有5至40μm的总厚度，且从基底表面起，所述多层涂层具有一个或多个硬质材料层，在所述硬质材料层之上的、层厚度为1至20μm的α氧化铝（α‑Al2O3）层，和任选地一个或多个在所述α‑Al2O3层之上的至少部分的、作为装饰或磨损识别层的另外的硬质材料层，所述切削刀片的特征在于：所述α‑Al2O3层具有结晶学择优取向，其特征在于，对于(0012)生长方向，织构系数TC(0 0 12)≥5，TC(0 0 12)=I(0 0 12)I0(0 0 12)[1nΣn-1nI(hkl)I0(hkl)]-1,]]>其中I(hkl)为通过X‑射线衍射而测量到的衍射反射的强度，I0(hkl)为根据pdf卡42‑1468的衍射反射的标准强度，n为用于计算的反射的数目，且以下反射用于计算TC(0 0 12)：(0 1 2)、(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(1 1 6)、(3 0 0)和(0 0 12)，所述α‑Al2O3层具有在0至+300MPa范围内的预应力，且所述基底在距所述基底表面0至10μm的区域内具有在‑2000至‑400MPa范围内的预应力最小值。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.16 DE 102011053705.81.一种切削刀片，其由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体和多层涂层制成，所述多层涂层借助于CVD法施加到所述基底主体上，所述多层涂层具有5至40 μ m的总厚度，且从基底表面起，所述多层涂层具有一个或多个硬质材料层，在所述硬质材料层之上的、层厚度为I至20 μ m的α氧化铝(a -Al2O3)层，和任选地一个或多个在所述a -Al2O3层之上的至少部分的、作为装饰或磨损识别层的另外的硬质材料层，所述切削刀片的特征在于: 所述C1-Al2O3层具有结晶学择优取向，其特征在于，对于(0012)生长方向，织构系数TC (O O 12)≥ 5， 1(0 O 12) 'l I(hkl) 1 TCXO O 12) = —-— -Y η ,1,,(()()12) n ft I1ChkD 其中 I (hki)为通过X-射线衍射而测量到的衍射反射的强度， 10(hkl)为根据pdf卡42-1468的衍射反射的标准强度， η为用于计算的反射的数目，且 以下反射用于计算TC(0 O 12):(O I 2)、(I O 4)、(I I O)、(I I 3)、(I I 6)、(3 O O)和(O O 12)， 所述a -Al2O3层具有在O至+300MPa范围内的预应力，且 所述基底在距所述基底表面O至10 μ m的区域内具有在-2000至-400MPa范围内的预应力最小值。2.根据权利要求1所述的切削刀片，其特征在于所述切削刀片的制造包括:在施加所述多层涂层之后，使用粒状射流喷砂剂对所述基底进行干式或湿式射流喷砂处理，优选地是进行干式射流喷砂处理，其中所述射流喷砂剂优选具有比金刚砂(a -Al2O3)低的硬度水平。3.根据前述权利要求中的一项所述的切削刀片，其特征在于布置在所述基底表面之上且在所述a -Al2O3层之下的所述硬质材料层和任选地在所述a -Al2O3层之上的至少部分布置的所述硬质材料层包括元素周期表1Va至VIIa族元素和/或铝的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氮氧化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物或硼氧碳氮化物和/或混合金属相和/或上述化合物的相混合物。4.根据前述权利要求中的一项所述的切削刀片，其特征在于布置在所述基底表面之上且在所述a -Al2O3层之下的所述硬质材料层包括TiN、TiCN和/或TiAlCNO，其中所述硬质材料层分别包括在0.1ym至15 ym范围内的层厚度，其中如果存在TiAlCNO的硬质材料层且其直接布置在所述Q-Al2O3层之下，则所述TiAlCNO的硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：德克·施廷斯，萨卡里·鲁平，托马斯·富尔曼，
申请(专利权)人：瓦尔特公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE