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切削工具
申请号	CN202280029086.3	申请日	2022-04-22	公开(公告)号	CN117178079A	公开(公告)日	2023-12-05
申请人	山特维克科洛曼特公司;			发明人	拉卢卡·莫尔然布伦宁; 里纳斯·冯菲安特; 扬·恩奎斯特;
摘要	本发明涉及一种用于金属切削的切削工具，其中所述切削工具包含至少部分地涂覆有3‑30μm涂层的基体，所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成，所述涂层包含一个以上层，其中至少一个层是厚度为3‑25μm的Ti(C,N)层，其中所述Ti(C,N)层由平均晶粒尺寸≥25nm且≤35nm的柱状晶粒构成。
权利要求	1.一种用于金属切削的切削工具，其中所述切削工具包含至少部分地涂覆有3‑30μm涂层的基体，所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成，所述涂层包含一个以上层，其中至少一个层是厚度为3‑25μm的Ti(C,N)层，其中所述Ti(C,N)层由柱状晶粒构成，其中在通过利用CuKα 辐射的X射线衍射测量所述Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸D422时，所述晶粒尺寸D422根据谢乐公式由(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算：其中D422是所述Ti(C,N)层中Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸；K是形状因子，这里设置为 0.9；λ是CuKα1辐射的波长，这里设置为 B422是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，其中D422≥25nm且≤35nm。 2.根据权利要求1所述的切削工具，其中在使用CuKα辐射和θ‑2θ扫描进行测量时，所述至少一个厚度为4.5‑25μm的Ti(C,N)层表现出X射线衍射图案，其中TC(hkl)根据哈里斯公式定义：其中I(hkl)是所测量的(hkl)反射的强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42‑1489号PDF卡的标准强度，n是反射个数，计算中使用的反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)，其中TC(422)≥3。 3.根据权利要求2所述的切削工具，其中所述至少一个Ti(C,N)层的厚度为6‑25μm并且TC(422)≥4。 4.根据权利要求2或3所述的切削工具，其中所述至少一个Ti(C,N)层表现出X射线衍射图案，其中所述TC(422)最高，TC(311)仅次于最高。 5.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层中的C/(C+N)比值为50％至70％，优选地为55％至65％。 6.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述涂层包含TiN最内层。 7.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层是所述涂层的最外层。 8.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述切削工具是钻头、铣削刀片或车削刀片，优选是车削刀片。 9.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具在金属切削中的用途。 10.根据权利要求9所述的切削工具在高合金钢、硬化钢、铸铁或不锈钢的金属切削中的用途，优选地用于高合金钢的金属切削。
说明书全文	切削工具技术领域 [0001] 本发明涉及一种涂覆的切削工具，其包含基体和涂层，其中所述涂层包含平均晶粒尺寸在25nm至35nm之间的Ti(C,N)层。背景技术 [0002] 在用于金属加工的切削工具技术领域，使用CVD涂层是增强工具耐磨性的一种众所周知的方法。通常使用诸如TiN、TiC、Ti(C,N)和Al2O3的陶瓷材料的CVD涂层。 [0003] EP2791387公开了一种具有细晶粒碳氮化钛层的涂覆的切削工具。该涂层有利地在球墨铸铁的车削和高速切削中显示出高的抗剥落性。柱状MTCVD Ti(C,N)层被描述为具有0.05‑0.4μm的平均晶粒宽度。 [0004] 一直需要找到与已知切削工具涂层相比能够延长切削工具的寿命和/或能够承受更高的切削速度的切削工具涂层。发明内容 [0005] 本发明的一个目的是提供一种在金属切削应用中具有改善的耐磨性的涂覆的切削工具。进一步的目的是改善其在车削操作中、特别是对钢和硬化钢进行车削时的耐性。进一步的目的是提供一种耐磨涂层，该耐磨涂层在对钢和硬化钢进行车削时提供高的耐月牙洼磨损性和耐后刀面磨损性。 [0006] 这些目的中的至少一个通过根据项1所述的涂覆的切削工具来实现。 [0007] 在从属项中列出了优选的实施方式。 [0008] 本公开内容涉及一种用于金属切削的切削工具，其中所述切削工具包含至少部分地涂覆有3‑30μm涂层的基体，所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成，所述涂层包含一个以上层，其中至少一个层是厚度为3‑25μm的Ti(C,N)层，其中所述Ti(C,N)层由柱状晶粒构成，其中 [0009] 在通过利用CuKα 辐射的X射线衍射测量所述Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸D422时，所述晶粒尺寸D422根据谢乐公式由(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算： [0010] [0011] 其中D422是所述Ti(C,N)层中Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸；K是形状因子，这里设置为0.9；λ是CuKα1辐射的波长，这里设置为 B422是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，其中D422≥25nm且≤35nm。 [0012] 令人惊讶地发现，具有非常细晶粒的Ti(C,N)层的切削工具在用于金属切削应用(诸如高合金钢的车削)时表现出非常高的耐磨性。认为，结晶度和具有大量晶界的柱状晶粒的组合有助于高耐磨性。 [0013] 在本发明的一个实施方式中，在使用CuKα辐射和θ‑2θ扫描测量时，所述至少一个Ti(C,N)层表现出X射线衍射图案，其中TC(hkl)根据哈里斯(Harris)公式定义： [0014] [0015] 其中I(hkl)是所测量的(hkl)反射的强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42‑1489号PDF卡的标准强度，n是反射个数，计算中使用的反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)，其中TC(422)≥3。 [0016] 在本发明的一个实施方式中，所述至少一个Ti(C,N)层的厚度为6‑25μm并表现出X射线衍射图案，其中TC(422)≥4。 [0017] 在本发明的一个实施方式中，所述至少一个Ti(C,N)层的厚度为4.5‑25μm，并表现出X射线衍射图案，其中TC(422)最高，TC(311)仅次于最高。在本发明的一个实施方式中，所述Ti(C,N)层中的C/(C+N)比值为50％至70％，优选地为55％至65％。该组成的优点在于该Ti(C,N)层显示出高的化学稳定性。 [0018] 在本发明的一个实施方式中，所述涂层包含TiN最内层。 [0019] 在本发明的一个实施方式中，所述Ti(C,N)层是所述涂层的最外层。 [0020] 本发明还涉及上述切削工具在金属切削中的用途。 [0021] 在本发明的一个实施方式中，所述切削工具用于高合金钢、硬化钢、铸铁或不锈钢的金属切削，优选地用于高合金钢的金属切削。 [0022] 在本发明的一个实施方式中，所述切削工具是钻头、铣削刀片或车削刀片，优选地车削刀片。 [0023] 可以对本文所述的涂覆的切削工具进行后处理，诸如喷砂、刷涂或喷丸强化(shot peening)的任何组合。喷砂后处理可以是例如使用氧化铝粒子的湿式喷砂或干式喷砂。 [0024] 通过结合附图考虑的以下定义和实施例，本发明的又一些其它目的和特征将变得显而易见。附图说明 [0025] 将参考附图描述本发明的实施方式，其中： [0026] 图1示出了作为本发明涂层示例的样品A的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0027] 图2示出了作为参考涂层示例的样品B的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0028] 图3示出了作为参考涂层示例的样品C的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0029] 图4示出了作为本发明涂层示例的样品A的外表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0030] 图5示出了作为参考涂层示例的样品B的外表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0031] 图6示出了作为参考涂层示例的样品C的外表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 [0032] 图7示出了样品A的Ti(C,N)层中的平面图的TKD(透射菊池衍射)映射。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0033] 图8示出了样品B的Ti(C,N)层中的平面图的TKD(透射菊池衍射)映射。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0034] 图9示出了样品C的Ti(C,N)层中的平面图的TKD(透射菊池衍射)映射。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0035] 图10示出了样品A的Ti(C,N)层中的平面图的透射电子显微镜(TEM)分析的明场图像。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0036] 图11示出了样品B的Ti(C,N)层中的平面图的透射电子显微镜(TEM)分析的明场图像。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0037] 图12示出了样品C的Ti(C,N)层中的平面图的透射电子显微镜(TEM)分析的明场图像。所述平面图距离基体‑涂层界面约6μm。 [0038] 定义 [0039] 术语“切削工具”在本文中旨在表示适用于金属切削应用的切削工具，诸如刀片、立铣刀或钻头。应用领域例如可以是诸如钢的金属的车削、铣削或钻孔。 [0040] 方法 [0041] XRD [0042] 为了研究所述层的织构或取向以及平均晶粒尺寸，使用配备有PIXcel检测器的PANalytical CubiX3衍射仪在后刀面(flank face)上进行X射线衍射(XRD)。将涂覆的切削工具安装在样品支架中，以确保样品的后刀面平行于样品支架的参考表面，并且确保后刀面处于适当的高度。对于测量使用Cu‑Kα辐射，其中电压为45kV且电流为40mA。使用1/2度的防散射狭缝和1/4度的发散狭缝。在20°至140°的2θ范围内、即在10°至70°的入射角θ范围内测量涂覆的切削工具的衍射强度。使用PANalytical的X’Pert HighScore Plus 软件进行数据分析，包括数据的背景拟合、Cu‑Kα2剥离和图形拟合(profile fitting)。 [0043] 根据谢乐公式(Eq1)，使用从PANalytical的X’Pert HighScore Plus软件获得的图形拟合曲线的积分峰半峰全宽来计算所述层的晶粒尺寸(Birkholz，2006)。 [0044] 根据以下谢乐公式，由(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算平均晶粒尺寸D422： [0045] [0046] 其中D422是所述Ti(C,N)的平均晶粒尺寸；K是形状因子，这里设置为0.9；λ是CuKα1辐射的波长，这里设置为 B是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，即入射角。 [0047] β是减去仪器增宽(0.00174533弧度)后的FWHM处的线增宽(以弧度计)，θ是入射角。对于减去仪器增宽的增宽计算，使用了高斯近似(Eq2)(Birkholz，2006)： [0048] β＝√((FWHM表观)2‑(FWHM仪器)2) [0049] 其中β是用于晶粒尺寸计算的实际增宽(以弧度计)，FWHM表观是测量的增宽(以半径计)，FWHM仪器是仪器增宽(以弧度计)。 [0050] 所述层的织构或取向是基于X射线衍射图案定义的，使用CuKα辐射和θ‑2θ扫描进行测量，其中所述TC(hkl)是根据以下哈里斯公式定义的： [0051] [0052] 其中I(hkl)是所测量的(hkl)反射的强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42‑1489号PDF卡的标准强度，n是反射个数，计算中使用的反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)。 [0053] 由于Ti(C,N)层上方可能存在的其它层将影响进入所述Ti(C,N)层并离开整个涂层的X射线强度，因此考虑到层中相应化合物的线性吸收系数，需要对这些进行校正。或者，可以通过基本上不影响XRD测量结果的方法，例如化学蚀刻，除去所述Ti(C,N)单层之上的其它层。 [0054] 应注意，峰重叠是在包含例如多个结晶层的涂层和/或沉积在包含结晶相的基体上的涂层的X射线衍射分析中可能发生的现象，这需要被本领域技术人员考虑并进行补偿。还应注意，例如基体中的WC可能具有接近本发明的相关峰的衍射峰。 [0055] 使用配备有波长色散光谱仪(WDS)的JEOL电子微探针JXA‑8530F通过电子微探针分析进行元素分析，以确定图1、2和3中所呈现的Ti(C,N)层的C/(C+N)比。所述Ti(C,N)层的分析是在前刀面的抛光横截面上进行的。对于每种类型的Ti(C,N)层，在距离所述基体和所述TiN层之间的界面4‑6μm处，沿着平行于基体表面的直线，以50μm的间距在10个点中分析3个样品。数据是使用10kV、29nA和Ti(C,N)参考获得的，所述Ti(C,N)参考的组成为10.22重量％的C、10.68重量％的N、78.86重量％的Ti和0.24重量％的O。实施例 [0056] 现在将更详细地公开本发明的示例性实施方式，并与参考实施方式进行比较。制造涂覆的切削工具(刀片)，并在切削测试中进行分析和评价。 [0057] 硬质合金基体采用常规工序制造，所述常规工序包括研磨、混合、喷雾干燥、压制和烧结。在能够容纳10000个半英寸尺寸的切削刀片的Ionbond型尺寸为530的径向CVD反应器中对烧结过的基体进行CVD涂覆。将基体放置在板上，并从腔室的中间和沿所述板的一半半径的位置选择待进一步测试和分析的样品。所述硬质合金基体(刀片)的ISO型几何形状为CNMG‑120408‑PM。所述硬质合金的组成为7.2重量％的Co、2.9重量％的TaC、0.5重量％的NbC、1.9重量％的TiC、0.4重量％的TiN和余量的WC。 [0058] CVD沉积 [0059] 在400毫巴和885℃下的工序中在所有基体上沉积约0.2μm TiN的第一个最内层涂层。使用48.8体积％的H2、48.8体积％的N2和2.4体积％的TiCl4的气体混合物。此后，如下面所公开的，沉积Ti(C,N)层。 [0060] 在样品A上，在80毫巴、870℃下，在2.95体积％的TiCl4、0.45体积％的CH3CN和余量的H2的气体混合物中以一个步骤沉积Ti(C,N)层。 [0061] 在样品B上，在80毫巴、830℃下，在2.95体积％的TiCl4、0.45体积％的CH3CN和余量的H2的气体混合物中以一个步骤沉积Ti(C,N)层。 [0062] 在样品C上，以两个步骤沉积Ti(C,N)层，即内部Ti(C,N)和外部Ti(C,N)。在55毫巴、885℃下，在3.0体积％的TiCl4、0.45体积％的CH3CN、37.6体积％的N2和余量的H2的气体混合物中沉积内部Ti(C,N)10分钟。在55毫巴、885℃下，在7.8体积％的N2、7.8体积％的HCl、2.4体积％的TiCl4、0.65体积％的CH3CN和余量的H2的气体混合物中沉积外部Ti(C,N)。 [0063] 涂层分析 [0064] 使用光学显微镜在切削工具样品的前刀面上测量层厚度。样品A‑C的涂层的层厚度示于表1中。 [0065] 表1.层厚度 [0066]样品层厚度TiN[μm] 层厚度Ti(C,N)[μm] A 0.2 9.3 B 0.2 8.3 C 0.2 9.0 [0067] 通过X射线衍射分析所述Ti(C,N)层的晶粒尺寸，如上所公开的，分析422峰。如上所公开的，使用电子微探针分析来分析所述Ti(C,N)层的C/(C+N)比值。所述样品A、B和C的所得晶粒尺寸和碳含量在表2中呈现。 [0068] 表2.晶粒尺寸和碳含量 [0069] 样品晶粒尺寸[nm] Ti(C,N)中的C/(C+N)比值A 33 60.3％ B 37 59.5％ C >67* 55.8％ [0070] 无校正使用谢乐，因为不存在由小晶粒尺寸引起的峰加宽 [0071] 如上所公开的，使用X射线衍射来分析所述Ti(C,N)层的取向。结果在表3中呈现。 [0072] 表3.织构系数 [0073]样品 TC(111) TC(200) TC(220) TC(311) TC(331) TC(420) TC(422) A 0.31 0.01 0.20 1.58 0.64 0.18 4.08 B 0.38 0.01 0.06 1.71 0.37 0.14 4.33 C 0.41 0.01 0.07 1.98 0.41 0.16 3.96 [0074] 还通过所述Ti(C,N)层的平面图的TEM图像研究了所述样品中的所述Ti(C,N)的晶粒尺寸。首先通过在中间切削刀片来制备各样品的横截面，随后对所述横截面进行抛光。然后，使用提离(lift‑out)技术，在距离涂层‑基体界面约6μm处，从平行于基体表面的Ti(C,N)涂层中取出FIB(聚焦离子束)薄片。使用离子束对所述薄片进行减薄，直到实现电子透明。在以300kV操作的赛默飞世尔科技公司Titan透射电子显微镜上获得明场扫描TEM图像。用安装在赛默飞世尔科技公司Helios FIB‑SEM上的Oxford Aztec系统收集TKD(透射菊池衍射)映射。用AztecCrystal软件生成具有晶界覆盖的IPF(反极图)映射。明场图像如图10‑ 12中所示。TKD图像如图7‑9中所示。可以看出，在所有样品中都存在晶粒尺寸分布。还可以看出，与样品B中的所述Ti(C,N)相比，样品A中的所述Ti(C,N)显示出更小的晶粒。 [0075] 切削测试1 [0076] 在SS2310(一种高合金钢)工件材料中在纵向车削操作中对所述切削工具进行测试。切削速度Vc为125m/分钟，进给fn为0.072mm/转，切削深度ap为2mm，并且使用可与水混溶的切削液。持续进行机械加工，直到达到寿命终止标准。评价每个切削工具的一个切削刃。 [0077] 工具寿命标准设置为：初级或次级后刀面磨损>0.3mm或月牙洼面积>0.2mm2。一旦满足这些标准中的任一个，就认为达到了所述样品的寿命。所述切削测试的结果呈现在表4中。 [0078] 表4.切削测试1结果 [0079] 样品寿命[分钟] 标准设置寿命A 84 次级后刀面磨损 B 52 次级后刀面磨损 C 40 初级后刀面磨损 [0080] 如表4中所示，与样品B和C相比，样品A显示出出乎意料的高耐磨性，具有接近两倍的寿命。 [0081] 切削测试2 [0082] 还在SS1672钢的方棒100100mm工件材料中在间歇端面车削操作中对所述切削工具进行了测试。切削速度Vc为250m/分钟，进给fn为0.1mm/转，切削深度ap为2.5mm，并且使用可与水混溶的切削液。持续进行机械加工，直到达到寿命终止标准。评价每个切削工具的一个切削刃。 [0083] 在评价工具磨损时，沿着其中主刃与所述工件材料接触的接触长度测量所述主刃线的损伤％。工具寿命标准设置为≥40％的损伤，使得基体在与所述工件材料接触的区域中沿着所述主刃线暴露。每三次循环，即在三次端面通过(facing pass)之后测量工具磨损。一旦满足标准，就认为达到了工具的寿命。为了计算40％损伤的最终工具寿命，在达到40％损伤之前和之后的损伤之间进行了简单的插值。在表5中呈现了每种类型的样品的4次平行切削测试的平均结果。偶尔会观察到切削刃断裂，这些都从结果中除去了。这里仅包括显示连续磨损的样品，从而反映涂层对工具寿命的贡献。 [0084] 表5.切削测试2结果 [0085] 样品寿命[循环]A 24.2 B 15.7 C 7.2 [0086] 虽然已经结合各种示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式，相反，本发明旨在涵盖所附权利要求中的各种修改和等价布置。此外，应当认识到，作为设计选择的一般事项，本发明的任何公开的形式或实施方式都可以被结合在任何其它公开、描述或建议的形式或实施方式中。因此，其意图仅限于由所附权利要求的范围所指示。

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