涂层切削工具和其制造方法
【专利摘要】本发明提供包括基底和表面涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包括Ti(C,N,O)层，所述Ti(C,N,O)层包括至少一个柱状细粒MTCVD?Ti(C,N)层，所述MTCVD?Ti(C,N)层具有0.05～0.4μm的平均晶粒宽度，且在所述MTCVD?Ti(C,N)层中包含的碳与碳和氮之和的原子比(C/(C+N))平均为0.50～0.65。还提供了包括沉积所述MTCVD?Ti(C,N)层的制造所述涂层切削工具的方法。
【专利说明】涂层切削工具和其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于切屑成形机械加工金属的涂层切削工具和其制造方法，所述涂层切削工具包括表面涂有化学气相沉积(CVD)涂层的基底。特别地，本发明涉及具有包括至少一个细粒碳氮化钛层的CVD涂层的涂层切削工具。
【背景技术】
[0002]由耐用材料例如硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成的用于切屑成形机械加工金属的切削工具，例如圆化工具，即立铣刀、钻头等，和刀片，通常具有耐磨涂层以延长切削工具的使用寿命。常使用CVD涂布耐磨涂层，因为该技术具有数种优点。其能够实现切削工具生产的高生产量、在复杂几何形状上保形涂布且可以容易地用于沉积绝缘涂层的层，例如氧化铝。
[0003]特别地，车削用硬质合金切削工具通常涂有包括不同材料的层状结构的CVD涂层以提供足够的耐磨性，其中选择单独层的组成、微观结构、织构等以对于具体应用改善涂层的特定性质。现今使用的主导涂层包括沉积在基底表面上的Ti基层，下文将其称为Ti (C，N, O)层,其包括选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、氧碳化钛和氧碳氮化钛的一层或多层，下文将其称为(TiC, TiN, Ti (C，N)、Ti (C，O)、Ti (C，N, O)层；和沉积在 Ti (C，N, O)层上的氧化铝层，下文将其称为Al2O3层。已经证明，与高温CVD (HTCVD)工艺相比较，中等温度CVD(MTCVD)工艺对于沉积Ti (C，N)层有利。
[0004]Larsson 和 Ruppi, Thin Solid Films (固体薄膜)402 (2002) 203 ~210 公开了对于与使用HTCVD沉积的Ti (C，N)涂层相比较，使用MTCVD在切削工具基底上沉积的Ti (C，N)涂层的微观结构和性质的研究。HTCVD Ti (C，N)涂层展示出没有优选生长方向且平均晶粒度小于0.2 μ m的等轴晶粒。相比之下，MTCVD Ti (C，N)涂层在X-射线衍射测量中具有相对较大的TC(422)值，下文将其称为(422)织构，和具有约0.5 μ m的宽度的柱状晶粒。将微观结构的不同归属于较低温度和侵蚀性前体例如乙腈(CH3CN)。与HTCVD Ti (C，N)涂层相比较，MTCVD Ti (C，N)涂层具有较好的抗崩刃性，但抗凹坑磨损性较差。然而，抗片状剥落性对于MTCVD Ti (C，N)涂层仍然是关键性的，特别是在例如包括间歇切削操作的球墨铸铁中车削的高要求应用中。
[0005] EPl 187 970A1公开了使用MTCVD工艺，如上述MTCVD工艺的，用包括乙腈、四氯化钛、氮气和氢气的前体且另外用烃例如C2H4或C3H6沉积的具有(422)织构的柱状Ti (C，N)层，据公开产生在柱状Ti (C，N)层中包含的碳与碳和氮之和的高原子比(C/C+N)，即至少0.70，且因此产生高硬度和与标准乙腈工艺相比改善的耐磨性。使用这些前体形成的柱状Ti (C，N)层为具有0.05至0.5 μ m的平均晶粒宽度的细粒层且具有高抗断裂性。虽然硬度改善，但该柱状Ti (C，N)层的抗氧化性可能不足，特别是对于在涂层中产生大量热的切削操作而言。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的在于提供在切削操作中具有改善的性质的涂层切削工具。本发明的另一个目的在于提供具有改善的耐磨性例如较高的抗片状剥落性的涂层切削工具。本发明的另一目的在于提供在球墨铸铁车削中和在高速切削中具有高性能的切削工具。
[0007]通过根据权利要求1所述的切削工具和根据权利要求9所述的方法实现这些目的。在从属权利要求中公开优选的实施方式。
[0008]本发明涉及包括基底和涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包括Ti (C，N, O)层，所述Ti (C，N, O)层包括至少一个柱状MTCVD Ti (C，N)层，所述MTCVD Ti (C，N)层具有0.05~0.4 μ m、优选0.05~0.25 μ m、更优选0.1~0.2 μ m的平均晶粒宽度，所述平均晶粒宽度是通过如下方式测量的:在其表面法线与所述基底的表面法线垂直的横截面上，在所述涂层切削工具的前刀面上，沿与所述基底的表面平行的方向上的直线，在所述MTCVD Ti (C，N)层的最低界面和最高界面之间的中间位置处，实施测量。在所述MTCVD Ti (C，N)层中包含的碳与碳和氮之和的原子比(C/ (C+N))为0.50~0.65，优选为0.55~0.62，更优选为0.56~
0.60，最优选为0.57~0.59，其是通过电子探针微量分析使用电子微探在沿所述线间隔50 μ m的10个位置处测量的。
[0009]在本发明的一个实施方式中，所述柱状MTCVD Ti (C, N)层的平均厚度为5~15 μ m。
[0010]本发明的细粒MTCVD Ti (C，N)层的一个优点在于，与常规MTCVD相比，其能够实现光滑的表面。优选本发明的MTCVD Ti (C，N)层可以具有平滑效果，即所述MTCVD Ti (C，N)层的外表面具有比基底表面低的表面粗糙度Rz。
[0011]在本发明的一个实施方式中，所述涂层还包括沉积在所述Ti (C，N，O)层上的外层，例如Al2O3层或适合在切削操作中获得高耐磨性的其它层，任选在其间和/或在其上具有一个或多个另外的层，例如作为最外层沉积的着色层。
[0012]在本发明的一个实施方式中，所述Ti (C，N，O)层还包括另外的层，例如在所述MTCVD Ti (C，N)层之前沉积在所述基底上充当扩散屏障的TiN层。另外的层的另一实例为在沉积外层例如所述Al2O3层之前沉积在所述MTCVD Ti (C，N)层上的一层或多层。这些层例如可以通过机械锚定而提供所述外层的改善的粘着。
[0013]在本发明的一个实施方式中，所述Ti (C，N，O)层包括最里面的TiN层，其具有足以提供扩散屏障的厚度、优选0.3至0.6 μ m的厚度。
[0014]在本发明的一个实施方式中，所述Ti (C，N，O)层包括最外面的Ti (C，O)层，以提供大表面积以便生长Al2O3层。
[0015]在本发明的一个实施方式中，所述Ti (C，N, O)层包括沉积在所述MTCVD Ti (C，N)层上的 HTCVD Ti (C，N)层。
[0016]在本发明的一个实施方式中，所述涂层包括沉积在所述基底上由根据TiN/MTCVDTi (C，N) /Ti (C，O)的层序列组成的Ti (C，N，O)层。任选存在沉积在所述MTCVD Ti (C，N)层和所述Ti(C，0)层之间的HTCVD Ti (C，N)层。优选所述TiN层的厚度为0.3 μ m至0.6 μ m。优选所述MTCVD Ti (C，N)层的厚度为5~15 μ m，更优选为8 μ m至12 μ m，以提供给磨耗的后刀面足够的耐磨性。优选所述HTCVD Ti (C，N)层的厚度为0.2 μ m至0.4 μ m。优选所述Ti (C，O)层的厚度为0.3 μ m至0.8 μ m。优选所述涂层还包括沉积在所述Ti (C，O)层上的Al2O3层。取决于应用，所述Al2O3层可以为C1-Al2O3或κ-Al2O3或其混合物。例如，为了在球墨铸铁中的车削中使用，所述Al2O3层优选为a -Al2O30
[0017]在本发明的一个实施方式中，所述涂层包括具有2~6 μ m、优选3~5 μ m的厚度的 a -Al2O3 层。
[0018]在本发明的一个实施方式中，所述涂层包括C1-Al2O3层，所述C1-Al2O3层具有在X-射线衍射测量中相对较大的TC(012)值，下文将其称为(012)织构，例如根据US7, 163，735B2沉积的a -Al2O，和2~6 μ m、优选3~5 μ m的厚度以便适合在球墨铸铁中的车削中使用。在本申请中，所述Q-Al2O3层主要作为热屏障使用，且耐磨性基本上由所述MTCVDTi (C，N)层提供。如果所述 Al2O3层厚度进一步增加，则抗片状剥落性减小，且其还可能给出较粗糙的顶部表面，这在切削期间在涂层上产生更大的粘着力，可能因片状剥落而增加磨损。
[0019]在本发明的另一实施方式中,所述Al2O3层为a-Al2O3层,所述a-Al2O3层具有在X-射线衍射测量中相对较大的TC(006)值，下文将其称为(001)织构，因为所述C1-Al2O3层的晶体的(0001)面的法线(C-轴)与基底表面的法线对齐，例如根据US7，993，742B2沉积的a -Al2O,和2~6 μ m、优选3~5 μ m的厚度。所述(001) a -Al2O3层的耐磨性通过增加厚度而改善，但太厚的Al2O3层减小抗片状剥落性。
[0020]所述MTCVD Ti (C，N)层的柱状晶粒在长度和宽度上及在沿所述MTCVD Ti (C，N)层的垂直于基底表面的生长方向的纵轴上是细长的。该晶粒宽度不是单轴的，而是可以在不同方向上不同。另外，所述晶粒通常并不与所述生长方向完全对齐。因此，所述晶粒宽度不易于测量。为了本申请的目的，所述柱状晶粒的宽度被视为在平行于所述基底的表面的方向上延伸，其在垂直于所述MTCVD Ti (C，N)层的生长方向的方向上，且在所述MTCVDTi (C，N)层的抛光横截面的以15000Χ放大倍率的扫描电子显微镜(SEM)显微照片中测量。通过在邻近晶粒之间的对比度不同来确定晶界，且晶粒宽度被测量为沿如下文所进一步解释的直线在相邻晶界之间的距离。
[0021]在根据本发明的切削工具的一个实施方式中，所述MTCVD Ti (C, N)层具有如下的X-射线衍射图，其中织构系数TC (hkl)被定义为
【权利要求】
1.一种包括基底和表面涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包括Ti (C，N，O)层，所述Ti (C，N, O)层包括至少一个柱状MTCVD Ti (C，N)层，所述MTCVD Ti (C，N)层具有0.05~0.4 μ m的平均晶粒宽度，所述平均晶粒宽度是通过如下方式测量的:在其表面法线与所述基底的表面法线垂直的横截面上，在所述涂层切削工具的前刀面上，沿与所述基底的表面平行的方向上的直线，在所述柱状MTCVD Ti (C，N)层的最低界面和最高界面之间的中间位置处，实施测量， 其特征在于 在所述MTCVD Ti (C，N)层中包含的碳与碳和氮之和的原子比(C/(C+N))平均为0.50~0.65，其是用电子探针微量分析在沿所述直线间隔50 μ m的10个位置处测量的。
2.根据权利要求1所述的涂层切削工具，其中所述平均晶粒宽度为0.1~0.2 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述C/(C+N)比率为0.56~0.60。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述MTCVDTi (C，N)层具有如使用CuKa辐射测量的X-射线衍射图，其中织构系数TC(hkl)被定义为
其中I(hkl) = (hki )反射的测量强度， 10(hkl)=根据I⑶D的PDF卡42-1489号的标准强度， η=在计算中使用的反射数， 所使用的(hkl)反射为:(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)，且 TC(422)和 TC(311)之和大于 5.5。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述柱状MTCVDTi (C，N)层的平均厚度为5~15 μ m。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具，还包括Al2O3层。
7.根据权利要求6所述的涂层切削工具，其中所述Al2O3层为具有2~6μ m的平均厚度的α_Α1203层。
8.根据权利要求6或7所述的涂层切削工具，其中所述Ti(C，N, O)层还包括邻近于所述 Al2O3 层的 Ti (C，O)层。
9.包括CVD工艺的制造涂层切削工具的方法，其中所述方法包括以下步骤: -在真空室中提供基底， -提供前体到所述真空室中， -将包括至少一个柱状MTCVD Ti (C，N)层的Ti (C，N, O)层沉积在所述基底上， 其中在800~850°C的温度下，使用至少包含TiCl4、CH3CN或其它腈和H2的前体，且以4~10的Ti/CN比率，沉积所述柱状MTCVD Ti (C，N)层，其中所述Ti/CN比率基于提供到所述真空室的TiCl4和CH3CN或其它腈的体积百分比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述Ti/CN比率为6~7。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述前体由TiCl4、CH3CN和H2组成。
12.根据权利要求9~11中的任一项所述的方法，其中TiCl4的气流为在所述MTCVDTi (C，N)层沉积期间总前体气流的约2-4体积％。
13.根据权利要求9~12中的任一项所述的方法，其中所述一种或多种腈的气流为在所述MTCVD Ti (C，N)层沉积期间总前体气流的0.2体积％至最高达0.5体积％。
14.根据权利要求9~13中的任一项所述的方法，包括沉积如下的Ti(C，N, O)层，其从所述基底起包括 TiN, MTCVD Ti (C，N)、HTCVD Ti (C，N)和 Ti (C，O)。
15.根据权利要求 9~14中的任一项所述的方法，还包括沉积a-Al2O3层。
【文档编号】C23C16/36GK104053815SQ201280061862
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年12月14日 优先权日:2011年12月14日
【发明者】卡尔·比约恩曼德 申请人:山特维克知识产权股份有限公司