CVD涂层切削工具的制作方法

本发明涉及一种cvd涂层切削工具，其包括基材和涂层，其中所述涂层包括至少一个α-al2o3层。
背景技术：
：在用于金属加工的切削工具的
技术领域：
中，cvd涂层的使用是增强工具耐磨性的众所周知的方法。通常使用的cvd涂层是陶瓷涂层，例如tin、tic、ticn和al2o3。多年来，al2o3涂层的耐磨性知识已经增加，并且已经在一些公开物中详细研究了不同al2o3涂层的性质。us2007/0104945a1公开了一种包括α-al2o3涂层的切削工具，其显示出沿着<001>的强织构。本发明的目的本发明的一个目的是提供一种具有α-al2o3层的涂层切削工具，其在车削、铣削和/或钻削中展现改进的切削性能。另一个目的是提供一种切削工具，其具有改进的耐月牙洼磨损性以及针对在切削刃塑性变形时剥落的改进抗性。技术实现要素：上述目的中的至少一个是通过根据权利要求1所述的涂层切削工具实现的。优选的实施方式在从属权利要求中公开。本发明涉及一种涂层切削工具，其包括基材和涂层，其中所述涂层包括一个或多个层，并且其中所述涂层包括至少一个通过化学气相沉积(cvd)沉积的厚度为1-20μm的α-al2o3层，其中所述α-al2o3层具有使用cukα辐射和θ-2θ扫描测量的x射线衍射(xrd)图，其中织构系数tc(hkl)是根据harris公式定义的其中所用的(hkl)反射是(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)和(0012)，i(hkl)＝(hkl)反射的测量强度(积分峰面积)，i0(hkl)＝根据icdd的00-10-0173号pdf卡的标准强度，n＝计算中使用的反射次数(在这种情况下为8次反射)，并且其中1<tc(024)<4且3<tc(0012)<6。所述基材由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或诸如cbn的超硬材料制成。通常通过热cvd沉积α-al2o3层。可选地，可以使用其它cvd沉积工艺。对于如下文所公开的涂层的任何其它层，情况也是如此。α-al2o3层包含结晶晶粒，并且在下文中，所述α-al2o3层的包含与基材表面平行的(001)面的晶粒将被称为(001)取向晶粒。以相应的方式，所述α-al2o3层的包含与基材表面平行的(012)面的晶粒将被称为(012)取向晶粒。本发明的涂层切削工具包括新的和改进的α-al2o3层，其中所述层包含(001)取向晶粒和(012)取向晶粒的混合物。所述层令人惊讶地显示出，通过高的耐月牙洼磨损性和针对由于切削刃塑性变形而剥落的抗性的组合而提供改进的切削性能。这种耐磨性能的组合已经证明，对于用于例如重型车削操作(例如钢材的韧性车削)中的切削工具是非常有用。如果在切削期间产生的热量足够高以致削弱硬质合金中的粘结相，使得切削刃在切削期间由于切削刃上的载荷而变形，则可能发生切削刃的塑性变形。切削刃的变形对于涂层是非常苛求的，因为涂层是陶瓷并且不具有很大延展性。然后涂层通常会破裂，之后从基材上剥落。本发明的α-al2o3层提供了针对这种磨损机制的更大抗性，以及保持了对月牙洼磨损的高抗性。本发明的α-al2o3层包含(001)取向晶粒和(012)取向晶粒的特定组合。解释是(001)取向晶粒有助于高的耐月牙洼磨损性，并且(012)取向晶粒有助于针对在切削刃塑性变形时涂层破裂和剥落的高抗性。表示优选织构的手段是，基于在相应样品上测量的一组已确定的xrd反射来计算使用harris公式(上面的公式(1))计算的织构系数tc(hkl)。使用jcpdf卡标准化xrd反射的强度，所述jcpdf卡指示相同材料(即α-al2o3)但具有随机取向(例如在材料粉末中)的xrd反射的强度。结晶材料层的织构系数tc(hkl)>1指示，结晶材料的晶粒在其平行于基材表面的(hkl)晶面中的取向比随机分布的频率高。织构系数tc(0012)在本文中用于指示具有平行于基材表面的(001)面的优选晶体生长。(001)晶面平行于α-al2o3晶系中的(006)晶面和(0012)晶面。以相应的方式，(012)晶面平行于α-al2o3晶系中的(024)晶面。在本发明的一个实施方式中，所述α-al2o3层显示1<tc(024)<3且3.5<tc(0012)<5.5。在一个实施方式中，所述α-al2o3层显示1.5<tc(024)<2.5且4<tc(0012)<5。在本发明的一个实施方式中，所述α-al2o3层的第三强的tc(hkl)是tc(110)。在本发明的一个实施方式中，所述α-al2o3层的tc(0012)和tc(024)之和≥6.5。在本发明的一个实施方式中，α-al2o3层具有通过ebsd在所述α-al2o3层的平行于涂层的外表面的一部分中测量的{001}极图，其中在与涂层外表面的法线为0°≤β≤90°的倾斜角范围内，在取向差角大小(binsize)为0.25°下，基于极图的数据的极点图(poleplot)示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤90°内的强度的比≥40％，优选≥50％，更优选≥60％且≤80％，并且所述α-al2o3层具有通过ebsd在所述α-al2o3层的平行于涂层的外表面的一部分中测量的{012}极图，其中在与涂层外表面的法线为0°≤β≤90°的倾斜角范围内，在取向差角大小为0.25°下，基于极图数据的极点图示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤90°内的强度的比≥40％，优选≥50％，或≥40％且≤60％。{001}极图和{012}极图优选来自α-al2o3层的同一部分。α-al2o3层的所述部分优选位于距α-al2o3层最内部分≥1μm处。α-al2o3层的最内部分通常是粘结层与α-al2o3层之间的界面。在本发明的一个实施方式中，α-al2o3层包含柱状晶粒，α-al2o3层优选为柱状层。优选地，α-al2o3层分别包含{001}和{012}取向的柱状晶粒，它们存在于α-al2o3层的整个的全部厚度内。在本发明的一个实施方式中，α-al2o3层包含柱状α-al2o3层晶粒，并且其中沿着在所述α-al2o3层的中间部位的平行于基材表面的线测量，所述柱状晶粒的平均宽度为0.5-2μm。在本发明的一个实施方式中，α-al2o3层的平均厚度为2-10μm或3-7μm。在本发明的一个实施方式中，涂层还包括tin、ticn、tic、tico、ticno中的一种或多种的层。在本发明的一个实施方式中，从基材表面开始，涂层包括以下顺序的层：tin、ticn、ticno和α-al2o3。在本发明的一个实施方式中，涂层包括最外面的磨损指示颜色层，例如tin。在本发明的一个实施方式中，基材由硬质合金组成，所述基材具有从所述基材的表面到主体中深度为约15-35μm的表面区，其中所述表面区富集粘结相并且基本上不含立方碳化物。该表面区或所谓的梯度区是有利的，因为它为切削刃提供了韧性，这防止了切削刃的断裂。本发明的层与该梯度区的组合是有利的，因为梯度区增加了由于切削刃的塑性变形而剥落的风险，并且该层的优点在于它能够抵抗在切削刃塑性变形时的剥落。在本发明的一个实施方式中，基材由硬质合金组成，所述硬质合金的co含量为6-12重量％，优选8-11重量％。这些co含量可以被认为是相对高的，并且这些较高的水平意味着由于切削刃的塑性变形而剥落的风险增加。由于本发明的层可以承受一些塑性变形而不会剥落，因此可以与较高的co含量相结合。在本发明的一个实施方式中，切削工具是切削刀片，并且其中所述切削刀片的内切圆的直径≥15mm。内切圆是可以在平面图内部绘制的最大可能的圆，在这种情况下，例如，该图可以是从其前刀面所见的刀片。对于这些相对大的刀片，针对由于切削刃的塑性变形而剥落的抗性甚至更重要，并且本发明的层可以提供所需的抗性以及高的耐月牙洼磨损性。从以下结合附图考虑的具体实施方式中，本发明的其它目的和特征将变得清楚。方法xrd检查为了研究层的织构，使用配备有pixcel检测器的panalyticalcubix3衍射仪在侧刀面上进行x射线衍射。将涂层切削工具安装在样品架上，以确保样品的侧刀面平行于样品架的参考表面，并且侧刀面还处于适当的高度。使用cu-kα辐射进行测量，其中电压为45kv并且电流为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的范围内，即在10°至70°的入射角θ范围内，测量来自涂层切削工具的衍射强度。使用panalytical的x'perthighscoreplus软件进行数据分析，所述数据分析包括背景减除、cu-kα2剥离和数据的图形拟合。然后使用该程序的输出(图形拟合曲线的积分峰面积)，通过使用如上文所公开的harris公式(1)，比较所测量的强度数据与根据特定层(例如α-al2o3层)的pdf卡的标准强度数据的比来计算层的织构系数。由于该层是有限厚度的膜，因此在不同2θ角处的一对峰的相对强度与其块状样品的相对强度是不同的，这是由于穿过该层的路径长度的差异所导致的。因此，对所提取的图形拟合曲线的积分峰面积强度进行薄膜校正，在计算tc值时还考虑了层的线性吸收系数。由于上述的可能的其它层例如α-al2o3层会影响进入α-al2o3层并离开整个涂层的x射线强度，也需要对这些影响进行校正，其中考虑了层中的相应化合物的线性吸收系数。可选地，可以通过基本上不影响xrd测量结果的方法(例如化学蚀刻)除去氧化铝层上方的其它层，例如tin。为了研究α-al2o3层的织构，使用cukα辐射进行x射线衍射，并且根据如上文所公开的harris公式(1)来计算α-al2o3层的柱状晶粒的不同生长方向的织构系数tc(hkl)，其中i(hkl)＝(hkl)反射的测量(积分面积)强度，i0(hkl)＝根据icdd的00-010-0173号pdf卡的标准强度，n＝计算中使用的反射数。在这种情况下，使用的(hkl)反射是：(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)和(0012)。在计算所述比之前，对所测量的积分峰面积进行薄膜校正，并且还对α-al2o3层上方(即在其上面)的任何其它层进行校正。应注意，峰重叠是在包括例如多个结晶层和/或沉积在包含结晶相的基材上的涂层的x射线衍射分析中可能发生的现象，并且该现象必须被本领域技术人员考虑到并进行补偿。来自α-al2o3层的峰与来自ticn层的峰的峰重叠可能影响测量并且需要被考虑到。还应注意，例如，基材中的wc可能具有与本发明的相关峰接近的衍射峰。ebsd检查如本文所述，研究了由ebsd(电子背散射衍射)提供的极点图。ebsd技术是基于对由背散射电子产生的kikuchi型衍射图的自动分析。通过使用gatan公司的656型dimple研磨机利用20mm毡轮抛光涂层表面，施加20克砝码并使用名称为“masterpolish2”的buehlers抛光悬浮液，来制备涂层刀片的表面以用于电子背散射衍射(ebsd)表征。进行抛光直至获得足够大且光滑的α-al2o3层表面。立即清洁表面以除去残留的抛光悬浮液并用清洁空气喷雾干燥。将所制备的样品安装在样品架上并插入扫描电子显微镜(sem)中。样品相对于水平面倾斜70°并朝向ebsd检测器倾斜。用于表征的sem是在15kv下操作的zeisssupra55vp，使用60μm物镜孔径，应用“高电流”模式并且在0.128托的sem室压力下以可变压力(vp)模式操作。所用的ebsd检测器是使用oxfordinstruments“aztec”软件3.1版操作的oxfordinstrumentsnordlysmax检测器。通过将聚焦电子束施加到抛光表面上并使用0.05μm的步长对500×300(x×y)测量点依次采集ebsd数据，来进行ebsd数据采集。由“aztec”软件使用的用于数据采集的参考相位是：“electrochem.soc.[jesoan],(1950),第97卷,第299-304页”并且在“aztec”软件中被称为“ti2cn”。附图说明图1.样品1的xrd衍射图。该图基于原始数据，并且未施加任何校正。α-al2o3层的(006)峰和(0012)峰分别在约41.7°和90.7°处可见。(012)峰和(024)峰分别在约25.6°和52.6°处可见。图2.样品1的α-al2o3层的横截面的sem图像。图3.样品1的α-al2o3层的如图2中黑框所示区域的ebsd图像。图4.样品1的α-al2o3层的横截面的sem图像。图5.样品1的α-al2o3层的如图4中黑框所示区域的ebsd图像。图6.来自样品1的ebsd极图数据的{001}的极点图，在0°≤β≤90°的倾斜角范围内，取向差角大小为0.25。x标记表示角度β并且范围是从0°到90°。y标记表示强度并且由m.u.d.表示。图7.来自样品1的ebsd极图数据的{012}的极点图，在0°≤β≤90°的倾斜角范围内，取向差角大小为0.25。x标记表示角度β并且范围是从0°到90°。y标记表示强度并且由m.u.d.表示。具体实施方式实施例将结合以下实施例更详细地公开本发明的实施方式。这些实施例是示例性的而非限制性的实施方式。在以下实施例中，在切削试验中制造、分析和评估涂层切削工具(刀片)。实施例1–样品制备样品1(发明)用于车削的iso型cnmg120408的硬质合金基材是由7.2重量％的co、2.7重量％的ta、1.8重量％的ti、0.4重量％的nb、0.1重量％的n和余量wc制造的，所述基材包括从基材表面到主体中深度约25μm的co富集表面区，所述表面区基本上不含立方碳化物。因此，硬质合金的组成为约7.2重量％co、2.9重量％tac、1.9重量％tic、0.4重量％tin、0.4重量％nbc和86.9重量％wc。通过使用众所周知的mtcvd技术，在885℃下使用ticl4、ch3cn、n2、hcl和h2，基材首先涂覆薄的约0.4μm的tin层、然后涂覆约7μm的ticn层。在ticn层的mtcvd沉积的初始部分中ticl4/ch3cn的体积比为6.6，然后是使用3.7的ticl4/ch3cn比的时间段。在mtcvdticn层之上是通过由四个单独的反应步骤组成的方法在1000℃下沉积的1-2μm厚的粘结层。首先在400毫巴下使用ticl4、ch4、n2、hcl和h2进行htcvdticn步骤，然后在70毫巴下使用ticl4、ch3cn、co、n2、hcl和h2进行第二步骤(ticno-1)，然后在70毫巴下使用ticl4、ch3cn、co、n2和h2进行第三步骤(ticno-2)，最后在70毫巴下使用ticl4、co、n2和h2进行第四步骤(ticno-3)。在随后的al2o3成核开始之前，将粘结层在co2、co、n2和h2的混合物中氧化4分钟。在粘结层之上，在1000℃和55毫巴下以两个步骤沉积α-al2o3层。第一步骤使用1.2体积％alcl3、4.7体积％co2、1.8体积％hcl和余量h2，得到约0.1μmα-al2o3，并且第二步骤使用2.2体积％alcl3、4.4体积％co2、5.5体积％hcl、0.33体积％h2s和余量h2，得到约4μm的总的α-al2o3层厚度。样品2(参考)用于车削的iso型cnmg120408的硬质合金基材是由以下制造的：7.5重量％co、2.7重量％ta、1.8重量％ti、0.4重量％nb、0.1重量％n和余量wc。所述基材包括从基材表面到主体中深度约25μm的co富集表面区，所述表面区基本上不含立方碳化物。通过使用众所周知的mtcvd技术，在885℃下使用ticl4、ch3cn、n2、hcl和h2，基材首先涂覆薄的约0.4μm的tin层、然后涂覆约7μm的ticn层。ticn层的mtcvd沉积的ticl4/ch3cn的体积比为2.2。在mtcvdticn层之上是通过由两个单独的反应步骤组成的方法在1000℃下沉积的1-2μm厚的粘结层。首先在55毫巴下使用ticl4、ch4、n2和h2进行htcvdticn步骤，然后在55毫巴下使用ticl4、co和h2进行第二步骤，从而产生粘结层。在α-al2o3成核开始之前，将粘结层在co2、hcl和h2的混合物中氧化2分钟。此后，在1000℃和55毫巴下以三个步骤沉积α-al2o3层。第一步骤使用2.3体积％alcl3、4.6体积％co2、1.7体积％hcl和余量h2，得到约0.1μmα-al2o3，并且第二步骤使用2.2％alcl3、4.4％co2、5.5％hcl、0.33％h2s和余量h2，然后第三步骤使用2.2％alcl3、8.8％co2、5.5％hcl、0.55％h2s和余量h2，得到约5μm的总的α-al2o3层厚度。涂层还包括约1μm厚tin的最外层。样品3(参考)用于车削的iso型cnmg120408的硬质合金基材是由以下组成制造的：7.2重量％co、2.7重量％ta、1.8重量％ti、0.4重量％nb、0.1重量％n和余量wc。所述基材包括从基材表面到主体中深度约25μm的co富集表面区，所述表面区基本上不含立方碳化物。通过使用众所周知的mtcvd技术，在885℃下使用ticl4、ch3cn、n2、hcl和h2，基材首先涂覆薄的约0.4μm的tin层、然后涂覆约7μm的ticn层。在ticn层的mtcvd沉积的初始部分中ticl4/ch3cn的体积比为3.7，接着是使用ticl4/ch3cn的比为2.2的时间段。在mtcvdticn层之上是通过由四个单独的反应步骤组成的方法在1000℃下沉积的1-2μm厚的粘结层。首先在400毫巴下使用ticl4、ch4、n2、hcl和h2进行htcvdticn步骤，然后在70毫巴下使用ticl4、ch3cn、co、n2、hcl和h2进行第二步骤(ticno-1)，然后在70毫巴下使用ticl4、ch3cn、co、n2和h2进行第三步骤(ticno-2)，最后在70毫巴下使用ticl4、co、n2和h2进行第四步骤(ticno-3)。在随后的al2o3成核开始之前，将粘结层在co2、co、n2和h2的混合物中氧化4分钟。此后，在1000℃和55毫巴下以两个步骤沉积α-al2o3层。第一步骤使用1.2体积％alcl3、4.7体积％co2、1.8体积％hcl和余量h2，得到约0.1μmα-al2o3，并且第二步骤使用1.2％alcl3、4.7％co2、2.9％hcl、0.58％h2s和余量h2，得到约5μm的总的α-al2o3层厚度。涂层还包括约1μm厚tin的最外层。在光学显微镜中通过在1000倍放大率下研究每种涂层的横截面来分析层厚度，并且粘结层和初始tin层都包括在表1中给出的ticn层厚度中。表1.样品ticn厚度(μm)al2o3厚度(μm)tin厚度(μm)样品19.34.0-样品28.54.51样品39.05.01用如上文公开的xrd方法研究织构系数。结果呈现于表2中。表2.样品tc(104)tc(110)tc(113)tc(024)tc(116)tc(214)tc(300)tc(0012)样品10.130.790.171.870.20.1704.67样品21.490.610.350.82.060.382.310样品30.420.130.060.150.260.10.046.85研究了柱状α-al2o3晶粒的宽度，并且样品1的平均宽度为约1μm。通过ebsd在α-al2o3层的平行于涂层外表面的一部分中测量极图。使用oxfordinstruments“hkltango”软件版本5.12.60.0(64位)和oxfordinstruments“hklmambo”软件版本5.12.60.0(64位)进行所采集的ebsd数据的晶体取向数据提取。使用“hklmambo”软件从采集的ebsd数据中检索使用相等面积投影和上半球投影的极图。所检索的极图关于z方向垂直于涂层外表面的{001}和{012}极点。{001}和{012}极点的极图都产生自相同的ebsd数据，并且因此产生自源自α-al2o3层的同一部分的数据。对于极点图中的取向差角大小并且对于从β＝0°至β≤90°的角度测量范围β，使用0.25°的组距来提取{001}和{012}极图的极点图。从β＝0至β≤15°范围内的极点图中的强度与从β＝0°至β≤90°范围内的极点图中的总强度有关。样品1的{001}和{012}的极点图分别示于图6和图7中。在0°-90°测量中，0°-15°的相对强度在极点图{001}中为约66％；并且在0°-90°测量中，0°-15°的相对强度在极点图{012}中为约52％。在切削磨损试验之前，使用氧化铝于水中的浆料在湿式喷砂设备中对刀片的前刀面上进行喷砂，并且切削刀片的前刀面与冲击机浆料的方向之间的角度为约90°。氧化铝磨料为f220，浆料对枪的压力为1.8巴，空气对枪的压力为2.2巴，每单位面积的平均喷砂时间为4.4秒，并且从枪喷嘴到刀片表面的距离为约145mm。喷砂的目的是影响涂层中的残余应力和表面粗糙度，从而改善刀片在随后的车削试验中的性质。实施例2-月牙洼磨损试验在滚珠轴承钢(ovako825b)的纵向车削中使用以下切削数据来测试涂层切削工具，即样品1、2和3；切削速度vc：220m/分钟切削进给量f：0.3mm/转切削深度ap：2mm刀片类型：cnmg120408-pm使用水混溶性金属加工液。评估每个切削工具的一个切削刃。在分析月牙洼磨损时，使用光学显微镜测量暴露基材的面积。当暴露基材的表面积超过0.2mm2时，认为达到了工具的寿命。在2分钟切削后在光学显微镜下评估每种切削工具的磨损。然后继续切削过程，在每次2分钟操作后进行测量，直至达到工具寿命标准。当月牙洼区域的尺寸超过0.2mm2时，基于最后两次测量之间假定的恒定磨损率来估算直至满足工具寿命标准时的时间。除了月牙洼磨损外，还观察到侧刀面磨损，但侧刀面磨损在此试验中不影响工具寿命。两次平行试验的平均结果如表3所示。表3.样品样品1样品2样品3寿命(分钟)301732实施例3-塑性变形凹陷试验在旨在评估针对切削刃在塑性变形时剥落的抗性的试验中测试涂层切削工具，即样品1、2和3。工件材料由低合金钢(ss2541-03)组成。进行该工件的纵向车削并以两种不同的切削速度进行评估。使用以下切削数据；切削速度vc：105或115m/分钟切削深度ap：2mm进给量f：0.7mm/转切削时间：0.5分钟没有使用金属加工液。在平行试验中对于每种切削速度测试两种切削刃。在0.5分钟内进行切削，然后在光学显微镜下评估切削刃。由于切削刃的塑性变形引起的剥落分类如下：0＝无剥落，1＝轻微剥落，2＝大量剥落。还关于剥落深度对剥落进行分类，使得ac＝氧化铝层的剥落，gac＝向下剥落到基材。在表4中，给出了每种测试切削刃的ac/gac值。表4.实施例4-热间歇试验在旨在评估针对热裂纹和刃线崩口的抗性的试验中测试涂层切削工具，即样品1、2和3。工件材料由钢(ss1672)组成，即具有正方形横截面的“梁木”(balk)。对该工件进行纵向车削并评估。进行预定数量的10次循环，然后在光学显微镜下评估每种切削刃。进行三次平行试验，并且平均值呈现于表5中。使用以下切削数据；切削速度vc：220m/分钟切削深度ap：3mm进给量f：0.3mm/转切削长度：19mm没有使用金属加工液。表5.从切削试验中可以得出结论，样品1在针对切削刃塑性变形时剥落的高抗性和针对前刀面的月牙洼磨损的高抗性以及针对热裂纹和刃线崩口的抗性的组合中，显示出改进的磨损性能。在实施例2和4的切削试验中，样品1(发明)和样品3(参考)性能优于样品2(参考)，而在实施例3的切削试验中，样品1和样品2性能优于样品3。虽然已经结合上述示例性实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式；相反，本发明旨在涵盖权利要求内的多种修改和等同布置。当前第1页12