[发明专利]具有多层涂层的金属切削工具

说明书

一种金属切削工具，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体和多层耐磨保护涂层，其中所述耐磨保护涂层包括：‑总组成为Ti_mAl_(1‑m)N的下层(LL)，其中0.25m0.55，并且所述下层(LL)的总厚度为500nm至3μm，其中所述下层(LL)由50至600对的按顺序(A‑B‑A‑B‑…)交替堆叠的亚层(A)和(B)组成，所述亚层(A)的组成为Ti_aAl_(1‑a)N，0.45≤a≤0.55且厚度为1nm至10nm，其中亚层(A)和(B)的叠层中的所述第一亚层(A)的层厚度为5nm至50nm，所述亚层(B)的组成为Ti_bAl_(1‑b)N，0.25≤b≤0.40且厚度为1nm至10nm，并且亚层(A)和(B)的化学计量组成不同，其中(a‑b)≥0.10；‑直接沉积在下层(LL)上且总组成为Ti_nAl_oSi_pN的上层(UL)，其中n+o+p＝1且0.30≤n≤0.50，0.40≤o≤0.60且0.05≤p≤0.20，所述上层(UL)的总厚度为500nm至3μm，其中所述上层(UL)由30至400个按顺序(C‑D‑E‑C‑D‑E‑...)交替堆叠的亚层(C)、(D)和(E)的三亚层组组成，所述上层(UL)的亚层(C)以与所述下层(LL)的亚层(A)相同的方式限定，并且所述上层(UL)的亚层(D)以与所述下层(LL)的亚层(B)相同的方式限定，并且亚层(C)和(D)具有不同的化学计量组成，其中(a‑b)≥0.10，所述亚层(E)的组成为Ti_xAl_ySi_zN，其中x+y+z＝1且0.20≤x≤0.45，0.20≤y≤0.45且0.20≤z≤0.45，并且厚度为1nm至10nm。

发明领域

本发明涉及一种金属切削工具，所述金属切削工具包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体，以及优选通过PVD工艺施加在所述主体上的多层耐磨保护涂层。本发明的金属切削工具特别适合于超级合金的机械加工，并且在高切削温度下表现出改进的工具寿命和抗扩散磨损性。

背景技术

ISO-S类材料的耐热超级合金(HRSA)和钛，包括钛合金，在高温下具有出色的机械强度和抗蠕变(固体在应力下缓慢移动或变形的倾向)性、良好的表面稳定性、以及耐腐蚀和抗氧化性。由于其优异的性能，这些材料例如用于制造航空发动机以及燃烧和涡轮区段中的动力燃气轮机，用于石油和天然气工业中的应用，船舶应用，医疗关节植入物，高耐腐蚀性应用等。钛能够在可对大多数其它建筑材料造成相当大腐蚀的非常苛刻的环境下使用。这是由于钛氧化物TiO₂具有很高的抵抗力，并且以约0.01mm厚的层覆盖表面。如果氧化层受损并且有氧气存在，则钛会立即再生成氧化物。钛例如特别适用于热交换器，脱盐设备，喷气发动机零件，起落架，航空航天框架中的结构零件等。

然而，尤其在对切削工具提出特别要求的时效硬化条件下，HRSA和钛的可加工性均较差。

HRSA材料的可加工性按照以下顺序难度增加：铁基材料，镍基材料和钴基材料。所有材料在高温下都具有高强度，并且在切削期间产生碎断式切屑，这产生高而动态的切削力。在机械加工期间，差的导热性和高硬度在工具中产生高温。高强度、加工硬化和粘附硬化特性产生最大切削深度处的缺口磨损和切削刃的极其磨蚀性环境。硬质合金级的切削工具应具有高的刃韧性和涂层对基材的粘附性，以提供良好的对塑性变形和涂层分层(剥落)的抗性。

钛和钛合金的导热性差，并且在高温下仍会保持强度，从而在切削刃处产生高切削力和热量。具有磨损倾向的高剪切薄切屑会在前刀面上形成狭窄的接触区域，从而在靠近切削刃处产生集中的切削力。过高的切削速度会在切屑和切削工具材料之间产生化学反应，这可导致刀片突然崩裂和断裂。因此，切削工具材料应具有良好的热硬度，并且不应(或仅缓慢地)与钛发生反应。