專利名稱：用于產(chǎn)生高溫的金屬切割領(lǐng)域的鍍膜切割工具的制作方法
用于產(chǎn)生高溫的金屬切割領(lǐng)域的鍍膜切割工具本發(fā)明
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于通過去除缺口的加工切割工具嵌體，并且通過物理氣相沉積 (PVD)生長(zhǎng)至少一層具有高^ 含量的(Zr，Al)N層的耐磨損涂層，，而且優(yōu)選通過陰極電弧蒸發(fā)或者磁控濺射。該嵌體在產(chǎn)生高溫的金屬切割領(lǐng)域中尤其有效果，如鋼、不銹鋼和硬化鋼的加工。H. Hasegawa等，Surf. Coat. Tech. 200(2005)已經(jīng)通過陰極電弧蒸發(fā)采用合金和 /或金屬陰極合成了 ZivxAlxN(0彡χ彡1. 0)層。ZivxAlxNU = 0. 37)的峰顯示了在χ = 0. 50時(shí)NaCl結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w鋅礦結(jié)構(gòu)。ΕΡ1785504公開了一種表面鍍膜基材以及在所述基材表面或外部形成高硬度的涂層。所述高硬度涂層包括包含以鋁為主要組分的氮化物的涂層，而且至少一種元素選自由 Zr、Hf、Pd、Ir和稀土元素所組成的組。JP04-017664公開了一種包含至少一種^xAlpx(0. 5彡χ彡1. 0)碳化物、氮化物和氮碳化物的梯度層，其中Al含量從基材界面至該層表面持續(xù)或分段變化。ΕΡ1935999公開了一種具有耐磨涂層的硬質(zhì)合金立銑工具。所述耐磨涂層包括PVD AlMe的氮化物或碳氮化物第一層，其中Me為Zr、V、Nb、Cr或Ti，Al與Me的原子比在1. 20 至1. 50之間，和PVD AlMe的氮化物或碳氮化物第二層，其中Me為Zr、V、Nb、Cr或Ti，Al 與Me的原子比為1. 30至1. 70。朝向?yàn)榱谁h(huán)境保護(hù)的干加工工藝的趨勢(shì)，也就是不使用切割液(潤(rùn)滑劑)的金屬切割操作和采用改進(jìn)工藝加速的加工速度，由于增加了的工具切割邊緣溫度，對(duì)工具材料的特性提出了更高的要求。尤其是在高溫下涂層的穩(wěn)定性，例如抗氧化性和耐磨損性變得
更至關(guān)重要。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種在提高溫度下在金屬切割領(lǐng)域具有改善性能的鍍膜切割工具嵌體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量比(Zr，Α1)Ν層中高^ 含量導(dǎo)致改善高溫性能，而且尤其改善金屬切割中的耐坑蝕磨損性。附圖簡(jiǎn)要說明

圖1 剝離的(Al，層的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖2 =X射線衍射圖與熱處理溫度。圖3 硬度與熱處理溫度和(ZivxAlx)N中組成χ。圖4 (Al，層的高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)橫截面顯微照片。本發(fā)明詳細(xì)描述依據(jù)本發(fā)明，在此提供了一種用于通過去除缺口的加工切割工具，其包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、高速鋼(HSS)、多晶金剛石(PCD)或者多晶立方氮化硼(PCBN)硬質(zhì)合金基體，優(yōu)選硬質(zhì)合金以及金屬陶瓷，在其上沉積包含至少一個(gè)GrxAl1JNy層的耐磨損涂層，其中 0. 45 < χ < 0. 85，優(yōu)選 0. 50 < χ < 0. 75，而且 0. 90 彡 y < 1. 30，優(yōu)選 1. 00 < y < 1.25,更優(yōu)選1. 00 < y < 1. 20，通過如EDS或WDS技術(shù)確定其包含有單一立方相或者單一六方相或者它們的混合物，優(yōu)選通過X射線衍射確定六方相占多數(shù)的立方與六方相的混合物。元素組成X和y在測(cè)量精度內(nèi)，優(yōu)選在整個(gè)涂層內(nèi)變化小于10%。組成的變化還可能由沉積中常規(guī)工藝變化，如沉積中嵌體夾具的旋轉(zhuǎn)，引起。所述層厚度為0. 5 μ m至10 μ m，優(yōu)選0. 5至5 μ m，并且通過層中間區(qū)域高分辨率橫截面透射電子顯微鏡確定具有平均晶粒尺寸< IOOnm的納米晶微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)選< 50nm， 最優(yōu)選< 25nm，例如，在生長(zhǎng)方向30% -70%厚度內(nèi)的區(qū)域。所述平均晶粒尺寸為測(cè)量至少 10個(gè)臨近晶粒尺寸的平均值。所述具有納米晶結(jié)構(gòu)的(Zr，A1)N沉積層硬度> 23GPa，并且優(yōu)選< 35GPa?；w可進(jìn)一步鍍覆內(nèi)部單層和/或多層涂層，優(yōu)選TiN，TiC，Ti (C，N)或(Ti，Al) N，最優(yōu)選TiN或(Ti，Al) N,和/或外部單層或多層涂層，優(yōu)選TiN, TiC, Ti (C，N)，(Ti，Al) N 或氧化物，最優(yōu)選TiN或(Ti，Al)N，對(duì)于整個(gè)涂層厚度，包括0. 7至20μπι的(Zr，Al)N層， 優(yōu)選1-10 μ m,最優(yōu)選2至7 μ m。在一個(gè)實(shí)施例中，通過陰極電弧蒸發(fā)從陰極沉積(Zr，A1)N層，形成所需的層組成，優(yōu)選通過蒸發(fā)合金陰極，在如下條件下蒸發(fā)電流在50至200A之間，偏向電壓在0 至-300V之間，優(yōu)選在-10至-150V之間，并且溫度在200至800°C之間，優(yōu)選在300至600°C 之間，在混合Ar+N2氣氛下，優(yōu)選在純N2下，而且總壓力在1. 0至7. OPa之間，優(yōu)選在1. 5至 4. OPa之間。在第二實(shí)施例中，通過磁控濺射從靶材沉積(&，Α1)Ν，獲得所需的層組成，優(yōu)選通過濺射合金或組合物靶材，在如下條件下應(yīng)用到濺射陰極的能量密度在0. 5至15W/cm2之間，優(yōu)選在1至5W/cm2之間，偏壓在0至-300V之間，優(yōu)選在-10至-150V之間，溫度在200 至800°C之間，優(yōu)選在300至600°C之間，在混合Ar+N2或純隊(duì)氣氛下并且總壓力在0. 1至 7. 01 之間，優(yōu)選在0. 1至2. 51 之間。本發(fā)明還涉及上述切割工具嵌體在鋼、不銹鋼和硬質(zhì)鋼的加工上的應(yīng)用，切割速度為50-500m/min，優(yōu)選75-400m/min，根據(jù)切割速度和嵌體的外形，在車銑情況下每齒平均進(jìn)給量為0. 08-0. 5_，優(yōu)選0. 1-0. 4_。實(shí)施例1采用具有組成Mwt % WC-6wt % Co (細(xì)晶粒)的硬質(zhì)合金嵌體。在沉積之前，根據(jù)常規(guī)工藝清洗嵌體。系統(tǒng)抽真空至壓力小于0. 08Pa，然后嵌體采用氬離子濺射清洗。采用陰極電弧蒸發(fā)使用合金(Zr，Al)陰極生成單(ZrxAlh)Ny層。 該層生長(zhǎng)溫度為400°C，在純隊(duì)氣氛下，總壓力為2. 5Pa，采用-100V偏壓，并且蒸發(fā)電流在 100A至200A之間，總厚度為3 μ m，獲得的層組成如表1。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明在剝離橫截面中典型層的SEM顯微照片，其具有納米晶結(jié)構(gòu)共有的玻璃態(tài)形貌。(ZrxAl1JNy 的金屬組成 χ 采用具有 Thermo Noran EDS 的 LEO Ultra 55 掃描電子顯微鏡，通過能譜儀(EDQ分析表面獲得。用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及ZAF校正定量分析，以及采用 Noran System Six (NSS version 2)軟件計(jì)算(見表 1)。有些GrxAl1JNy層的氮含量y采用入射40MeV碘離子束通過飛行時(shí)間彈性反沖探測(cè)分析(ERDA)獲得。從元素深度剖面獲得的y值，通過層中300nm以下深度的數(shù)據(jù)計(jì)算 (見表1)。
表 權(quán)利要求
1.切割工具嵌體，包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、高速鋼(HSS)、多晶金剛石(PCD)或多晶立方氮化硼(PCBN)基體，實(shí)施硬質(zhì)耐磨涂層，所述涂層包括至少一個(gè)層，其特征在于 所述涂層由(ZrxAl1JNy和單立方相或六方與立方相的混合物組成的納米晶微觀結(jié)構(gòu)組成， 其中0. 45 < χ < 0. 85且0. 90彡y < 1. 30，厚度為0. 5至10 μ m，優(yōu)選在0. 5至5 μ m之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具嵌體，其特征在于所述晶粒尺寸<lOOnm，優(yōu)選<50nmo
3.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的切割工具嵌體，其特征在于0.50 < χ < 0. 75且1. 00<y < 1. 25。
4.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的切割工具嵌體，其特征在于1.00 < y < 1. 20。
5.依據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的切割工具嵌體，其特征在于元素組成χ和y，在測(cè)量精度內(nèi)，優(yōu)選在整個(gè)涂層內(nèi)變化小于10%。
6.依據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的切割工具嵌體，其特征在于所述涂層硬度>23GPa。
7.依據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的切割工具嵌體，其特征在于所述基體具有內(nèi)部單層和 /或多層涂層，優(yōu)選TiN，TiC, Ti (C，N)或(Ti，A1)N，最優(yōu)選TiN或(Ti，A1)N，和/或外部單層或多層涂層，優(yōu)選打隊(duì)11(，11((，吣，(Ti，A1)N或氧化物，最優(yōu)選TiN或(Ti, Al)N,Xi 于整個(gè)涂層厚度，包括0. 7至20 μ m的(Zr，Al) N層，優(yōu)選1_10 μ m,最優(yōu)選2至7 μ m。
8.依據(jù)權(quán)利要求1-7所述的切割工具嵌體，其特征在于通過陰極電弧蒸發(fā)從陰極沉積所述(Zr，Al)N層，獲得所需的層組成，優(yōu)選通過蒸發(fā)合金陰極，在如下條件下蒸發(fā)電流在 50至200A之間，偏向電壓在0至-300V之間，優(yōu)選在-10至-150V之間，并且溫度在200至 800°C之間，優(yōu)選在300至600°C之間，在混合Ar+N2氣氛下，優(yōu)選在純隊(duì)下，而且總壓力在 1. 0至7. 01 之間，優(yōu)選在1. 5至4. 01 之間。
9.依據(jù)權(quán)利要求1-7所述的切割工具嵌體，其特征在于通過磁控濺射從靶材沉積所述 (Zr, A1)N層，獲得所需的層組成，優(yōu)選通過濺射合金或組合物靶材，在如下條件下應(yīng)用到濺射陰極的能量密度在0. 5至15W/cm2之間，優(yōu)選在1至5W/cm2之間，偏壓在0至-300V之間，優(yōu)選在-10至-150V之間，溫度在200至800°C之間，優(yōu)選在300至600°C之間，在混合 Ar+N2或純N2氣氛下并且總壓力在0. 1至7. OPa之間，優(yōu)選在0. 1至2. 5Pa之間。
10.權(quán)利要求1-7任一所述的切割工具嵌體在鋼、不銹鋼和硬質(zhì)鋼的金屬切割領(lǐng)域中的應(yīng)用，切割速度50-500m/min，優(yōu)選75-400m/min，根據(jù)切割速度和嵌體的外形，在車銑情況下每齒平均進(jìn)給量為0. 08-0. 5mm，優(yōu)選0. 1-0. 4mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切割工具嵌體，包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、高速鋼(HSS)、多晶金剛石(PCD)或多晶立方氮化硼(PCBN)基體，通過物理氣相沉積(PVD)，例如陰極電弧蒸發(fā)或磁控濺射生長(zhǎng)，實(shí)施硬質(zhì)耐磨涂層。所述涂層包含至少一個(gè)(ZrxAl1-x)N層，其中0.45＜x＜0.85且0.90＜y＜1.30，厚度在0.5至10μm之間。所述層具有由單立方體相或六方與立方相的混合物組成的納米晶微觀結(jié)構(gòu)。具有提高的耐坑蝕磨損的該嵌體在產(chǎn)生高溫的金屬切割領(lǐng)域中特別有效。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102378831SQ200980158531
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者拉爾斯·約翰遜, 拉爾斯·胡爾特曼, 琳娜·羅格斯特倫, 芒努斯·奧登, 馬茨·約翰松 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司