專利名稱：涂層刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于金屬機械加工的涂層刀具，其具有硬質(zhì)合金基底，并且通過物理氣相沉積(PVD)在所述基底的表面上沉積硬質(zhì)的且耐磨的耐高溫涂層。所述涂層附著(adherently bonded)于基底上并由復(fù)合層組成，該復(fù)合層具有至少兩相并處于壓縮應(yīng)力下。所述層包括由不同組成與不同結(jié)構(gòu)的兩種組分組成的金屬氧化物/氧化物復(fù)合物。所述復(fù)合層的晶粒粒度是納米級的。
向例如硬質(zhì)合金刀具上沉積例如氧化鋁、碳化鈦和/或氮化鈦材料的薄陶瓷涂層(1-20μm)的工藝是很常用的技術(shù)，并且當(dāng)用于金屬的機械加工時，涂層刀具的刀具壽命顯著延長。在某些情況下，所述刀具的使用壽命比未涂層刀具的使用壽命高出幾倍。這些陶瓷涂層通常包括單層或多層組合?，F(xiàn)代工業(yè)(commercial)刀具的特征在于具有雙層或多層結(jié)構(gòu)的多層組合。總涂層厚度在1與20μm之間，且單個子層的厚度在幾微米與百分之幾微米之間。
沉積這些層的常用技術(shù)是CVD和PVD(參見，例如，U.S.4,619,866和U.S.4,346,123)。PVD涂層的硬質(zhì)合金或高速鋼的工業(yè)刀具通常具有組成均勻的TiN、Ti(C，N)或(Ti，Al)N單層，或具有所述相的多層涂層，每層均為單相材料。
存在幾種能夠在刀具上形成薄的耐高溫涂層的PVD技術(shù)。最常用的方法是離子電鍍、磁控濺射、電弧放電蒸發(fā)和IBAD(離子束輔助沉積)以及上述方法的混合方法。每個方法均有自己的優(yōu)點，并且取決于所選的具體PVD方法，所產(chǎn)生的層的固有性質(zhì)例如顯微組織和晶粒粒度、硬度、應(yīng)力狀態(tài)、內(nèi)聚力以及對下面基底的附著力可以發(fā)生改變。因此，通過優(yōu)化一個或幾個上述性質(zhì)，可以改善用于特定機械加工的PVD涂層刀具的耐磨性或刃的完整性(integrity)。
散料(bulk)形式的粒子強化陶瓷作為建筑材料是人們熟知的，但是其直到最近才作為納米復(fù)合材料。J.F.Kuntz et al，MRS Bulletin Jan2004，pp22-27中公開了具有不同納米分散粒子的氧化鋁散料陶瓷(Alumina bulk ceramics)。在例如U.S.6,660,371、U.S.4,702,907和U.S.4,701,384中公開了氧化鋯或氧化鈦增韌的氧化鋁CVD層。在后面的這些公開文件中，通過CVD技術(shù)來進行層的沉積，因此所形成的ZrO2相是熱力學(xué)穩(wěn)定相，即單斜晶(monoclinic)相。另外，CVD沉積的層通常處于拉伸應(yīng)力或低的壓縮應(yīng)力下，但是PVD層由于PVD工藝的固有特性而通常處于高的壓縮應(yīng)力下。DE 10251404中記載了對氧化鋁/氧化鋯CVD層進行噴砂而得到一個壓縮應(yīng)力級。已知在噴砂工藝中引入中級壓縮應(yīng)力。
氧化鋯的亞穩(wěn)相，例如四方晶(tetragonal)相或立方(cubic)晶體相，可通過被稱為轉(zhuǎn)換韌化(transformation toughening)的機理來進一步增強散料陶瓷(Hannink et al，J.Am.Ceram.Soc 83(3)461-87；Evans，Am.Ceram.Soc.73(2)187-206(1990))。已知通過添加穩(wěn)定元素如Y或Ce，或通過通常為PVD應(yīng)用所需的缺氧環(huán)境如真空(Tomaszewski et al，J.Mater.Sci.Lett 7(1988)778-80)，能夠增加(promote)這些亞穩(wěn)相。已知改變PVD工藝參數(shù)可造成氧化學(xué)計量的改變以及在氧化鋯，特別是立方氧化鋯相中形成亞穩(wěn)相(Ben Amor et al，Mater.Sci.Eng.B57(1998)28)。


圖1是本發(fā)明的涂層刀體截面的示意圖，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明以氧化物/氧化物復(fù)合層(2)涂層的基底(1)。插圖是高分辨率的TEM圖像(透射電子顯微鏡)，其中標(biāo)明了氧化物復(fù)合層中的組分A(3)和組分B(4)。
根據(jù)本發(fā)明提供了用于金屬機械加工如車削、銑削和鉆孔的刀具刀片，在該刀具刀片上沉積耐磨的多層涂層，該刀具刀片包括下述物質(zhì)的硬質(zhì)合金的刀體，所述物質(zhì)為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速鋼，優(yōu)選硬質(zhì)合金或金屬陶瓷。刀具的形狀包括帶分度刀片(indexable insert)以及柄式工具如鉆頭、端銑刀等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)還可以用厚度在0.2至20μm之間的金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物的單層或多層來對所述刀體進行預(yù)涂層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si中的一種或多種。將涂層應(yīng)用到整個刀體上或至少其作用表面(functfioning surfaces)上，例如，切削刃、傾斜面、齒根面或參與金屬切削過程的其它任何表面。
根據(jù)本發(fā)明的涂層附著于刀體上，并且其包括至少一個金屬氧化物/氧化物復(fù)合層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si。所述氧化物層的總厚度在0.2與20μm之間，優(yōu)選在0.5與5μm之間。該層由具有不同組成與不同結(jié)構(gòu)的兩種組分組成。每種組分是一種金屬元素的單相氧化物，或兩種或更多種金屬氧化物的固溶體。所述材料的顯微組織的特征在于被組分B包圍的納米級晶?；蚓е?column)，其平均晶粒粒度或平均晶柱大小(column size)為1-100nm，優(yōu)選1-70nm，最優(yōu)選1-20nm(組分A)。組分B平均線性截距(mean linear intercept)為0.5-200nm，優(yōu)選0.5-50nm，最優(yōu)選0.5-20nm。優(yōu)選實施方案中含有四方或立方氧化鋯形式的組分A的晶?；蚓е?，以及無定形或結(jié)晶氧化鋁形式的包圍組分B。在一個可替換的實施方案中，組分B是alpha(α)-和/或gamma(γ)相的結(jié)晶氧化鋁。復(fù)合氧化物(compound oxide)層的氧含量低于化學(xué)計量的氧含量，即化合物氧化物層的氧金屬的原子比為化學(xué)計量的氧金屬的原子比的85-99％，優(yōu)選90-97％。組分A和B的體積含量分別為40-95％和5-60％。由于生產(chǎn)方法，所述的層還具有殘余應(yīng)力，該應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，其范圍為200至5000MPa，優(yōu)選1000至3000MPa。
所述涂層刀體還可以具有金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物的單層或多層的外涂層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si中的一種或多種。該層的厚度為0.2-5μm。
通過PVD技術(shù)或此類技術(shù)的組合來制造根據(jù)本發(fā)明的層。所述此類技術(shù)的例子是RF(射頻)磁控濺射、DC磁控濺射和脈沖雙重磁控濺射(DMS)。在基底溫度200-850℃下形成所述的層。
若所用PVD工藝的類型允許，使用復(fù)合氧化物(composite oxide)靶材料沉積氧化物層?？商鎿Q的工藝途徑是一種在周圍的反應(yīng)性氣體中使用金屬靶的反應(yīng)工藝。對于用磁控濺射方法生產(chǎn)金屬氧化物層，可以使用兩種或更多種單一金屬靶，其中通過啟用或關(guān)閉單獨的靶來控制金屬氧化物的組成。在一個優(yōu)選方法中所述靶是化合物，該化合物的組成反映了所需的層的組成。對于射頻濺射，通過對單獨的靶施加獨立調(diào)節(jié)性的功率值(power level)來控制組成。
實施例1使用具有高純度氧化物靶的RF濺射PVD方法，應(yīng)用不同的工藝條件，在基底上沉積納米復(fù)合材料Al2O3+ZrO2層，所述不同的工藝條件是就溫度而言和就氧化鋯對氧化鋁的比例而言。通過在氧化鋯靶上施加一個功率值，并在氧化鋁靶上施加另一功率值，來控制所形成的層中兩種氧化物的含量。
通過XRD和TEM分析所得層。XRD分析沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)晶Al2O3。
在450℃下純ZrO2層的生長既得到穩(wěn)定的單斜晶相又得到亞穩(wěn)的四方形相。以形成復(fù)合材料為目的，向氧化鋯流(flux)中添加氧化鋁使得亞穩(wěn)ZrO2相變穩(wěn)定。對于該情況，每個氧化物靶上的靶功率值為80W。調(diào)節(jié)濺射速率，使鋯的at％比鋁的高兩倍。氧金屬的原子比為化學(xué)計量的氧金屬的原子比的94％。
TEM分析顯示沉積層為平均晶粒粒度為4nm的晶粒(組分A)的金屬氧化物/氧化物納米復(fù)合材料，所述晶粒被線性截距為2nm的無定形相(組分B)所包圍。該晶粒為立方ZrO2，但包圍相的鋁含量高。
實施例2在氬和氧的氣氛下，使用具有高純度Al和Zr靶的反應(yīng)性RF濺射PVD方法，在基底上沉積納米復(fù)合材料Al2O3+ZrO2層。通過在Zr靶上施加一個功率值，并在Al靶上施加另一功率值，來控制所形成的層中兩種氧化物的含量。調(diào)節(jié)濺射速率，以形成鋯的at％比鋁的at％高1-2倍的復(fù)合材料。
通過XRD和TEM分析所得層。
XRD結(jié)果顯示存在亞穩(wěn)ZrO2相。TEM分析顯示沉積層為平均晶粒粒度為6nm的晶粒(組分A)的金屬氧化物/氧化物納米復(fù)合材料，所述晶粒被線性截距為3nm的無定形相(組分B)所包圍。該晶粒的鋯含量高，而包圍相的鋁含量高。
實施例3如下生產(chǎn)刀片組分86.1重量-％ WC+3.5重量-％ TaC+2.3重量-％ NbC+2.6重量-％ TiC+5.5重量-％Co型號CNMG120408-PM燒結(jié)溫度1450℃將刀片加工成圓刃，然后清洗(clean)，并在涂層溫度885℃下使用CVD技術(shù)以3.5μm厚的Ti(C，N)層對刀片進行涂層，之后刀片被分成兩組樣品(variants)。將樣品A等離子清洗，然后根據(jù)實施例2以納米復(fù)合材料對其進行PVD涂層。將樣品B等離子清洗，然后在同樣的涂層設(shè)備中以氧化鋯層對其進行PVD涂層。對于這兩種樣品，氧化物層的厚度均為約0.5μm。
用車削工序來檢驗刀片，從而根據(jù)下列參數(shù)來比較氧化物層的耐磨性工件Ovako 825B切削深度2mm進刀0.30mm/rev切削速度200m/min切削時間10分鐘使用冷卻流體結(jié)果(凹口面積(crater area))樣品A0.54mm2樣品B1.67mm2這些結(jié)果說明根據(jù)本發(fā)明制造的樣品A的氧化物層具有最佳的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種刀具刀片，包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速鋼的刀體，在該刀具刀片上，至少在其表面的作用部分上施加附著的硬質(zhì)耐磨薄涂層，其特征在于所述涂層包括至少一個金屬氧化物/氧化物復(fù)合物的PVD層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si，并且其中所述的氧化物層的總厚度在0.2與20μm之間，并由不同組成與不同結(jié)構(gòu)的組分A和組分B兩種組分組成，所述組分由一種金屬元素的單相氧化物，或者兩種或更多種金屬氧化物的固溶體組成。
2.如前一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述刀體具有厚度在0.2與20μm之間的金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物的第一單層內(nèi)層或多層內(nèi)層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si中的一種或多種。
3.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述刀體具有厚度在0.2與5μm之間的金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物的單層或多層的外涂層，其中金屬原子選自Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si中的一種或多種。
4.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述組分A的平均晶粒粒度為1-100nm，優(yōu)選1-70nm，最優(yōu)選1-20nm。
5.如前一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述組分B的平均線性截距為0.5-200nm，優(yōu)選0.5-50nm，最優(yōu)選0.5-20nm。
6.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述組分A和組分B的體積含量分別為40-95％和5-60％。
7.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述組分A含有四方或立方氧化鋯，并且所述組分B由結(jié)晶的或無定形的氧化鋁組成。
8.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述組分B由阿爾法(α)-和/或伽瑪(γ)相的結(jié)晶氧化鋁組成。
9.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于氧化物層中的氧金屬的原子比為化學(xué)計量的氧金屬的原子比的85-99％，優(yōu)選90-97％。
10.如前面任一權(quán)利要求所述的刀具刀片，其特征在于所述的刀體為硬質(zhì)合金或金屬陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于金屬機械加工的刀具刀片，在該刀具刀片上，至少在其表面的工作部分上施加附著的硬質(zhì)耐磨薄涂層。該涂層包括由晶粒粒度為1－100nm的兩種組分所組成的金屬氧化物/氧化物復(fù)合物。所述氧化物涂層處于壓縮應(yīng)力下。
文檔編號B32B18/00GK1853831SQ2006100736
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者戴維·于伊·特林赫, 漢斯·霍格貝里, 拉爾斯·胡爾特曼, 瑪麗安娜·科林, 英麗德·賴內(nèi)克 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司