具有涂层的切削刀具刀片制造技术

本发明专利技术涉及一种金属切削刀具的刀片以及一种制造该刀片的方法，该刀片具有包括金属氧化物复层的涂层，特别当用于加工低碳钢和不锈钢时，其呈现出特别高的抗塑性变形性以及优良的抗侧面磨损和抗月牙洼磨损性以及高的抗剥落性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种切削刀具的刀片以及一种制造该刀片的方法，该刀片涂覆具有提高的抗剥落性和抗塑性变形性的金属氧化物复层，尤其适于通过车削、铣削、钻削或者通过类似的切屑成形加工方法加工钢材。
技术介绍
当使用硬质合金切削刀片加工金属时，由于各种机制例如磨蚀和化学磨损、切削刃破碎和断裂等，该刀片被磨损。一些金属比其它金属更加难以加工，因为，除了上述磨损机制，还发生粘着磨损并且导致涂层剥落。这些金属的实例有不锈钢和低碳钢。当在切削操作期间污物不断的粘附到并且将材料从切削刃剥离时，可导致粘着磨损，这缩短了刀具寿命。而且，当高速切削时，传递给切削刃的热能相当可观并且切削刃可局部地或者完全地发生塑性变形。切削刃的这种退化模式被称为塑性变形磨损。多层涂层包括交替地层叠在基底上的不同材料的第一层和第二层，具有第一厚度的每个第一涂层以及具有第二厚度的每个第二涂层在本领域是公知的。这两层涂层优选应该具有不同的晶体结构和/或至少不同的晶格间距。这种结构的一个实例是，当Al2O3生长周期性地被短暂的TiN沉积过程所中断时，形成(Al2O3+TiN)x复层结构，例如见Proceedings of the 12th European CVD Conference第8-349页。GB2048960A公开了一种多层涂层，具有交替的从0.02到0.1μm厚度的多个层，这些交替的层由具有不同成分的硬质材料构成。美国专利No.5,827,570公开了一种硬质合金陶瓷基底，其具有耐磨复合陶瓷涂层，该涂层包括掺杂的两相金属氧化物层，其包括连续金属氧化物相和非连续金属氧化物相，该连续金属氧化物相包括氧化铝、氧化钇或氧化锆，该非连续金属氧化物相包括氧化铝、氧化钇或氧化锆的分散的、不连续的第二相。在美国专利4,749,629中，通过使用层积的氧化物涂层，实现了对ZrO2的结合，该涂层的总厚度为0.3-20μm，由交替的、不同的氧化物层例如Al2O3、ZrO2和Y2O3构成，并且其中每个氧化物层具有0.1-3μm范围内的厚度。对于所加工构件的高标准表面精加工的要求仅允许使用这样的刀片，其刃线整洁、光滑并且形成的磨损程度很低。对于机器操作人员而言，利用肉眼辨别很少使用的和未使用的切削刃(“识别已经用过的切削刃”)变得越来越困难。当顶层是Al2O3而使得顶层呈现深灰色或黑色时，这尤其困难。例如在执行无人操作的夜班任务时，如果错误地使用已经用过的切削刃，可导致构件废弃或者甚至导致非期望的生产停顿。如果刀片具有TiCxNyOz的顶层，或者特别的如果该顶层是金色的TiN层时，可以更加容易的进行切削刃识别。EP-B-693574公开了一种切削刀片，其在前刀面和切削刃线上具有最外的Al2O3层，因为该Al2O3层能够经受扩散型磨损。间隙面具有最外的MeCxNyOz类型的层，因为该层具有高的抗侧面磨损性以及“识别已经用过的切削刃”的可能性，其中Me是从包括元素周期表的IVB、VB、VIB族的金属的组中选择的金属(进一步指TiCxNyOz)。这通过以机械方式仅从刃线或者从前刀面和刃线去除TiCxNyOz层而实现。
技术实现思路
本专利技术目的在于，在以下特性方面，对切削刀片进行改进-切削刃处硬质合金抗塑性变形的特性；-抗扩散型月牙洼磨损的特性； -在铣削中改进的抗剥落特性并且梳状裂纹的数量降低；-对切削刀片添加颜色，以便能够根据颜色进行等级鉴别。已经意外发现，具有这样一种涂层的切削刀片满足所有这些目的，该涂层具有多个厚度小于100nm的ZrO2和Al2O3层。意外的，在该多层涂层中或在下面的Ti(C，N)层中没有发现热裂纹，而在Ti(C，N)+α-Al2O3涂层中一般存在热裂纹。还发现根据本专利技术具有多层涂层的该刀片具有均匀的蓝色，该颜色与观察角度无关。附图简要说明附图说明图1以30000X示出根据本专利技术的示例性复层的扫描电子显微镜(SEM)显微照片，其中A为Al2O3B为ZrO具体实施方式根据本专利技术，提供一种切削刀片，包括一般为多边形或圆形形状的基底，其具有上表面、相对的下表面以及至少一个与所述上和下表面相交以形成切削刃的间隙面，该基底由硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷制成，在基底上沉积多层涂层。所述基底还可预先涂覆有根据现有技术的厚度在微米范围内的薄层，该薄层为TiN、TiC、TiCxNy或者TiAlN中的至少一种，其中x+y＝1，X＞0并且y＞0。当用于加工钢材或铸铁并且特别是不锈钢时，根据本专利技术的涂覆切削刀片与现有技术的刀片相比呈现出改进的耐磨性和韧性性质。牢固粘结到基底上的所述涂层包括0.1-20μm、优选0.1-12μm厚的薄片状复层结构MX+NX+MX+NX…。交替的MX层和NX层包括金属氧化物，其中金属元素M和N从铝、锆、钛、铪和铬中选择，优选从铝、锆和钛中选择。该MX层和NX层具有10-150nm、更优选20-150nm的优选平均晶粒尺寸以及10-＜100nm、优选10-90nm的厚度。层厚被确定为在扫描电子显微镜结构微观照片中的至少10个随机的MX层和NX层测量的平均值。平均晶粒尺寸可超过平均层厚。在这种情形，晶粒在平行于基底表面的方向中比在垂直于基底表面的方向中更大。重复周期具有≥20nm但是＜200nm、优选＜190nm、更优选＜175nm的厚度。“重复周期”指的是具有不同金属元素的两个相邻层的厚度。涂层总厚度应该＞2μm，优选＞5μm，更优选＞7μm，但是应该＜50μm，优选＜15μm，更优选＜10μm。优选的，所述复层具有由在CIE标准比色图表中的颜色坐标所限定的蓝色颜色，其中x＝0.2+/-0.1；y＝0.2+/-0.1。在一个实施例中，该重复周期在整个复层结构中基本恒定。在另一个实施例中，单独MX层和NX层的序列在整个复层结构中的厚度基本是非周期的。单独的层厚如上所定义的。一个单独层的厚度并不依赖于位于其紧下方的单独层的厚度，并且与位于所述的一个单独层上方的单独层无关。因此，对于非周期的涂层结构，不存在重复周期，该重复周期指的是厚度，在该厚度后该结构对其自身进行重复。在一个实施例中，MX为α-Al2O3并且NX为TiOz，其中1.2＜＝z＜＝2，优选1.5＜＝z＜＝2。优选Al2O3层的厚度≥TiOz层的厚度，更优选Al2O3层的厚度是TiOz层厚度的1.2-1.5倍，最优选Al2O3层的厚度大约为TiOz层厚度的1.4倍。在一个实施例中，MX为α-Al2O3并且NX为ZrO2，其具有基本为纯四方的结构，如由XRD所确定的，该结构具有低于10vol-％的单斜ZrO2。优选Al2O3层的厚度≥ZrO2层的厚度，更优选Al2O3层的厚度是ZrO2层厚度的1.1-1.4倍，最优选Al2O3层的厚度大约为ZrO2层厚度的1.2倍。在一个实施例中，MX为α-Al2O3并且NX为ZrO2，其具有单斜和四方形混合结构，如由XRD所确定的，该结构具有大约40到60vol-％的单斜ZrO2。优选Al2O3层的厚度≥ZrO2层的厚度，更优选Al2O3层的厚度是ZrO2层厚度的1.1-1.4倍，最优选Al2O3层的厚度大约为ZrO2层厚度的1.2倍。在一个实施例中，α-Al2O3在(300)方向中具有织构系数TC(hkl)＞1.5、优选＞3的织构，TC(hkl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削刀具的刀片，具有上表面（前刀面）和至少一个与所述上表面相交以形成切削刃的间隙面，该刀片由硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷制成，所述刀片涂覆有硬质涂层，该涂层包括薄片状复层结构ＭＸ＋ＮＸ＋ＭＸ＋ＮＸ…，交替的ＭＸ层和ＮＸ层包括金属氧化物，金属元素Ｍ和Ｎ从铝、锆、钛、铪和铬中选择，其特征在于，所述复层的重复周期≥２０ｎｍ但是＜２００ｎｍ，优选＜１９０ｎｍ，更优选＜１７５ｎｍ。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔比约恩曼德，马库斯罗德马尔，
申请(专利权)人：山特维克知识产权股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SE[]