专利名称：带涂层的切削刀具刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带CVD涂层的切削刀具刀片，该切削刀具刀片适合于通过车削、 铣削、钻削或者通过类似的去屑成形加工方法来加工金属。所述带涂层的刀具刀片在用于 断续切削操作时显示出显著提高的韧性特征。
背景技术：
现代的对金属的高生产率的去屑成形加工需要可靠的切削刀具刀片，该切削刀具 刀片应拥有高耐磨性、良好的韧性性能、制造具有高的表面光洁度的工件的能力、抵抗切屑 锤击(chip hammering)的能力、能够产生适当低的切削力以及优异的抗塑性变形的能力。现代的硬质合金刀具一般为被夹在刀架中的可转位的刀片的形式，但是也能为实 心硬质合金钻具或铣刀的形式。涂覆有各种类型的像TiC、TiCxNy、TiN、TiCxNyOz和Al2O3的 硬层的硬质合金切削刀具刀片在商业上已经应用了很多年。呈多层结构的多个硬层通常增 强这种涂层。各个层的顺序和厚度被仔细地选择，以适合不同的切削应用领域和工件材料。涂层最常见的是利用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术来沉积。CVD技术具有许多优点。其允许大的涂层批次，在复杂形状刀片上制造具有良好的 涂层厚度分布的涂层，能够用于沉积像Al2O3和&02的不导电层。能在相同的涂层段上沉 积许多不同的材料，如 A1203、TiC、Ti (CxNy)、TiN、Ti (CxNyOz)、Zr (CxNy)、Ti (CxNy)和 ZrO20CVD技术一般在相当高的温度范围(900-1050°C )下进行。由于高沉积温度且由 于沉积的涂层材料和硬质合金刀具基体之间的热膨胀系数不匹配，CVD产生具有冷却裂纹 和拉伸应力的涂层。因此，当用于切削操作时，带CVD涂层的刀片比带PVD涂层的刀片表现 得更脆。PVD工艺在明显较低的温度(450-650°C )下进行，且在强的离子轰击下进行，这导 致具有高的压缩应力的无裂纹层。高的压缩应力和不存在冷却裂纹使得带PVD涂层的刀具 刀片比带CVD涂层的刀具刀片更有韧性，且因而通常在诸如铣削的断续切削操作中是优选 的。当与带CVD涂层的刀片相比时，带PVD涂层的刀片的缺陷一般为较低的耐磨性和不足 的涂层粘附性。因此，需要不断地努力来找到提高带CVD涂层的刀具刀片的韧性特征同时保持高 的耐磨性的手段。多个专利公开了通过刷涂或通过湿喷砂对带涂层的切削刀片进行后处理。目 的是实现光滑的切削刃和/或沿刃线暴露Al2O3，如US5，851，687和EP 603 144中所公 开的，或者目的是在TiN用作后刀面处的磨损检测层时的情况下获得还在前刀面上作为 顶层的Al2O3，如US5，861，210中所公开的。将CVD涂层表面暴露于冲击力的每种处理技 术，如湿喷砂或干喷砂，都将降低涂层的拉伸应力，并从而提高带涂层的刀具的韧性，如US 2006/0204757A1中所公开的。EP 1311712中公开了干喷砂方法。这里，利用非常高的喷砂 压力来获得高的压缩应力。这样高的喷砂压力将劣化涂层且产生不均勻的刃线，这对于具 有尖刃(半径<35μπι)的刀片来说尤为明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对耐磨和韧性有要求的切削操作的带CVD涂层的 切削刀具。本发明的另一目的是提供一种制造具有改进的性能的带CVD涂层的切削刀具的方法。已经发现，利用根据本发明的切削刀具刀片能获得显著提高的韧性性能和高的耐 磨性。本发明的发明人发现，当切削低合金钢和不锈钢时，具有包含不同性能的两个相邻的 Ti (C，N)磨损层的涂层的切削刀具刀片拥有高的耐磨性和良好的韧性性能。已发现，在切削过程中，富含N的外层赋予带涂层的刀片较少的涂抹(smearing) 和较少的沿刃线将涂层片拉走，这使得其特别适于切削涂抹材料(smearing materials) 0 更多的富碳(111)和/或(422)织构化的内层赋予刀片良好的后刀面耐磨性。
具体实施例方式本发明涉及带涂层的切削刀具，该切削刀具包括具有至少一个前刀面、至少一个 间隙面和至少一个切削刃的大致多边形或圆形形状的本体，该本体包括涂层和基体。本发 明还涉及制造根据本发明的刀具的方法。本发明涉及一种带涂层的切削刀具，该切削刀具包括涂层和基体，其中，基体至少 部分地涂覆有4-10 μ m厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti (C，N)层，即内Ti (Cx，Ny)层和 外Ti (Ci, Nj)层，其中x+y = 1，i+j = 1，且j >y，并且其中，在切削刃的至少一部分上并 且/或者在前刀面的至少一部分上，内Ti (Cx，Ny)层的残余应力状态和外Ti (Ci, )层的残 余应力状态之间的差Δ为IOOOMPa彡Δ彡2500MPa。内Ti(Cx，Ny)层在低温区域(750_835°C)下沉积，而第二、外Ti (Ci, Nj)层在较高 温度范围(950-1050°C)下沉积。外层具有较高的N含量，即」>7，且具有压缩应力，SP σ 外<0且σ外< σ内，其中σ外为外Ti (C” Nj)层的残余应力状态，而σ内为内Ti (Cx，Ny)层 的残余应力状态。内Ti (Cx, Ny)层和外Ti (Ci, Nj)层之间的应力状态差Δ定义如下如果σ外<0且σ内>0，则Δ = | σ外| + | σ内|，或者如果σ外< 0且ο内< 0，则Δ = I σ外卜| σ内|。在一个实施例中，在切削刃上或在前刀面上，或者在切削刃并且在前刀面 上，内Ti(Cx，Ny)层的残余应力状态和外Ti (Ci, Nj)层的残余应力状态之间的差Δ为 IOOOMPa 彡 Δ 彡 2500MPa。在一个实施例中，内Ti(Cx，Ny)层的残余应力状态为+500MPa至_400MPa，而外 Ti (Ci, Nj)层的残余应力状态为_900MPa至_2400MPa。在一个实施例中，内Ti (Cx, Ny)层和外Ti (Ci, Nj)层的残余应力状态都< 0。在一个实施例中，内Ti (Cx，Ny)层具有晶粒尺寸范围在0.05-0. 5μπι内(以半宽度 和在剖面样品的晶粒上测量的)的柱状晶粒。外Ti (Ci, )层可根据层厚度而从具有柱状 的晶粒变化到具有更等轴的形状的晶粒。不同层的晶粒尺寸在SEM(扫描电子显微镜)上 测量_利用半宽度的研磨和抛光截面表面的显微照片。
在一个实施例中，内Ti(Cx，Ny)层的厚度为2-6 μ m，而外Ti (Ci, Nj)层的厚度为 2-6 μ m0在另一实施例中，内层具有明显的(111)和/或(422)织构。也就是，从中等 强(111)织构到强(422)织构的任何织构，或者上述两种取向的中等强织构的混合。因 此，总和TC(111)+TC(422)用于定义内Ti (Cx，Ny)层。以<111>和<422>方向生长的晶体 具有类似的取向。相应的晶面之间的角度仅为约19°。内Ti (Cx，Ny)层具有织构系数为 TC(111)+TC(422)彡2. 5的明显的晶体织构，其中TC(Ill) >0. 4且TC(422) >0.4，其中 TC定义如下
权利要求
带涂层的切削刀具，其包括涂层和基体，其中所述基体至少部分地涂覆有4 10μm厚的涂层，所述涂层包括两个相邻的Ti(C，N)层，即内Ti(Cx，Ny)层和外Ti(Ci，Nj)层，其中，x+y＝1，i+j＝1，且j＞y，并且其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，所述内Ti(Cx，Ny)层的残余应力状态和所述外Ti(Ci，Nj)层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中所述内Ti(Cx, Ny)层具有 TC(111)+TC(422)彡 2. 5 的织构。
3.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其中所述内Ti(Cx，Ny)层的残余应力 状态为+500MPa至-400MPa，而所述外Ti (CijNj)层的残余应力状态为_900MPa至_2400MPa。
4.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其中所述内Ti(Cx，Ny)层和所述外 Ti (Ci, Nj)层的残余应力状态都为< 0。
5.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其中所述涂层还包括具有立方结构的 第一、最内层 Ti(Cm，Nn)，m+n = 1 且 η > m。
6.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其中，所述刀具涂覆有PVD层，所述 PVD层在所述外Ti (Ci, Nj)层之上且厚度为0. 5-3 μ m。
7.根据权利要求6所述的切削刀具，其中所述PVD层为Al2O3层。
8.制造带涂层的切削刀具的方法，所述带涂层的切削刀具包括涂层和基体，其中所述 涂层包括两个相邻的Ti (C，N)层，即内Ti (Cx, Ny)层和外Ti (Ci, Nj)层，其中，x+y = 1，i+j =1，且j > y，并且其中，使所述涂层经受湿喷砂操作，从而使得在切削刃的至少一部分上 并且/或者在前刀面的至少一部分上，所述内Ti (Cx，Ny)层的残余应力状态和所述外Ti (Ci, Nj)层的残余应力状态之间的差Δ为IOOOMPa彡Δ彡2500MPa。
全文摘要
本发明涉及一种带涂层的切削刀具刀片，该带涂层的切削刀具刀片包括涂层和基体，其中基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti(C，N)层，其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内层的残余应力状态和外层的残余应力状态之间的差Δ为1000MPa≤Δ≤2500MPa。
文档编号C23C14/06GK101941085SQ201010222510
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年7月3日
发明者比约恩·永贝里, 苏珊·诺格伦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司