涂层切削工具的制作方法

本发明涉及一种包含基底和涂层的涂层切削工具，其中所述基底是硬质合金，其中所述硬质合金中的金属粘结剂包含ni。所述涂层是包含tin内层和ticn层的cvd涂层。

背景技术：

1、用于切屑形成金属切削操作的切削工具的市场由cvd(化学气相沉积)涂覆和pvd(物理气相沉积)涂覆的硬质合金主导，其中所述硬质合金通常由co金属粘结剂中的wc制成。正在开发不含co或含减少量的co的替代金属粘结剂，但其在市场上的产品仍然稀少或不存在。尤其是在高温下使用反应性气体进行的化学气相沉积期间，由于气相和硬质合金之间发生相互作用，因此不仅对硬质合金的制造本身要求高，而且对硬质合金的涂覆也要求高。

2、在替代金属粘结剂中，ni和fe的混合物是有前景的候选者：这两种元素在周期表中位于co的两侧。ni显示与ti的高反应性，并且硬质合金中高用量的ni由于在所述硬质合金与所述涂层之间的界面处以及在所述涂层中形成诸如ni3ti的金属间相，从而在含ti涂层的化学气相沉积中引起问题。在所述界面或含ti涂层的内部中的诸如ni3ti的金属间相会对随后沉积在含ti涂层上的涂层的耐磨性产生负面影响。

3、l.von fieandt等人在《表面与涂层技术》334(2018)373-383的“过渡金属基底上的tin的化学气相沉积”中分析了在ni金属基底上沉积tin涂层期间形成ni3ti的问题。得出的结论是，在cvd工序期间，通过过量的n2分压和低的h2分压能够减少ni3ti的形成。

4、本发明的一个目的是提供一种用于金属切削的涂层切削工具，其具有含ni的硬质合金基底和高性能耐磨cvd涂层。另一个目的是在含ni的硬质合金基底、特别是含具有大于60重量％ni的金属粘结剂的基底上提供一种耐磨涂层，包含tin层、ticn层和001取向的α-al2o3。

技术实现思路

1、通过根据项1所述的切削工具实现上述目的中的至少一个。在从属项中公开了优选实施方式。

2、本发明涉及一种涂层切削工具，包含硬质合金的基底和涂层，其中所述硬质合金由金属粘结剂中的硬质成分构成，并且其中所述金属粘结剂包含68摩尔％至80摩尔％的ni、5摩尔％至25摩尔％的fe、0摩尔％至10摩尔％的co、4摩尔％至15摩尔％的w，并且其中所述涂层从所述基底起依次包含tin内层和ticn层，其中所述金属粘结剂中相对于石墨的c活性(碳活性)低于0.15，并且所述金属粘结剂的平均d电子值为7.0至7.43，其中所述基底与所述tin内层之间的界面不含含ti的金属间相。

3、令人惊讶地发现，当所述金属粘结剂中的平均d电子值为7.0至7.43并且相对于石墨的c活性低于0.15时，高质量的tin和ticn能够沉积在其中金属粘结剂中ni含量高的硬质合金基底上。根据本发明的涂层切削工具出人意料地在所述涂层的内部显示较少的孔，这对于针对金属切削应用的耐磨涂层是有前景的。所述tin内层和所述ticn层显示了与以下相关的改善性能：金属间相的形成、孔、和与所述层和随后沉积的层的取向有关的干扰。技术效果可以是在例如钢的金属切削操作中增加的抗后刀面磨损性(flank wearresistance)和/或增加的抗剥落性(flaking resistance)和/或增加的抗月牙洼磨损性(crater wear resistance)。

4、至少在沉积含ti层时，所述硬质合金中的金属粘结剂的组成对通过cvd沉积在其上的层的质量具有影响。tin是切削工具涂层中非常常见的初始层。不受任何理论的束缚，发明人已经得出以下结论：在tin层的cvd沉积期间，认为n2分子解离成n原子/n自由基然后它们能够反应并形成tin。然而，表面中的ni增加了n2从n原子/自由基的复合速率，由此钝化了n并阻止了n原子/自由基在所述表面上解离。在没有n原子/自由基的情况下，不能形成tin。相反，ti可能与ni反应，形成如上所述的niti3。所述金属粘结剂中ni的反应性受金属粘结剂组成的影响。此外，已经发现所述金属粘结剂中的d电子的数量和c活性是重要的。

5、所述金属粘结剂的d电子的平均数不仅由组分co、ni和/或fe设定，而且还受作为金属粘结剂的合金中存在的其它金属元素的影响。例如，所述金属粘结剂中w含量对d电子的平均数具有相对高的影响。所述粘结剂中的w含量非常受c含量影响，使得所述金属粘结剂中过量的c导致较低的w含量，而较少的c导致较高的w含量。

6、c活性是碳能够与其它元素反应的容易程度的热力学量度。它表示为0至1之间的无量纲的量。它与浓度有关，但适当考虑了所有限制碳反应总量的物理相互作用。所述碳活性的定义为

7、c活性＝exp((μ-μ石墨)/rt)

8、其中，μ是碳在材料中的化学势，μ石墨是碳在纯石墨中的化学势，r是气体常数，t是温度。所述碳活性是相图中位置的良好量度，接近1的活性意味着所述硬质合金在微观结构中接近于具有游离碳，而接近0.1的低值意味着所述硬质合金倾向于在微观结构中具有η相(me6c和me12c相)。

9、在本文中，所述硬质合金是指包含分布在连续金属粘结相中的硬质成分的材料。这种材料具有将来自所述硬质成分的高硬度和来自所述金属粘结相的高韧性结合的特性，并且适合作为用于金属切削工具的基底材料。在本文中，“硬质合金”是指包含至少50重量％wc(也可能是硬质合金制造领域中常见的其它硬质成分)和金属粘结剂的材料。

10、所述硬质合金的金属粘结剂可包含在烧结期间溶解在所述金属粘结剂中的元素，诸如源自wc的w和c。根据存在的硬质成分类型，其它元素也能够溶解在所述粘结剂中。

11、在本文中，“切削工具”是指用于金属切削的切削工具，诸如刀片、立铣刀或钻头。应用领域可以是车削、铣削或钻孔。

12、在本文中，金属间相是指两种以上金属元素的金属合金。含ti的金属间相是指这些金属元素中的一种是ti。在本发明的一个实施方式中，所述含ti的金属间相是ni3ti。

13、在所述界面和/或tin层的与所述基底相邻的部分中存在含ti的金属间相会影响tin层以及后续层的生长。所述金属间相干扰柱状生长，并且通常发现孔与所述金属间相结合。通常tin和后续的ticn以柱状晶粒生长，并且在存在金属间相的样品的sem分析中，发现干扰生长。

14、在本发明的一个实施方式中，所述金属粘结剂中的c活性为0.095至0.12。

15、在本发明的一个实施方式中，所述基底和所述涂层之间的界面不含含ti和ni的金属间相。

16、在本发明的一个实施方式中，所述基底和所述涂层之间的界面不含含ti、fe和ni的金属间相。

17、在本发明的一个实施方式中，所述平均d电子值为7.25至7.43。

18、在本发明的一个实施方式中，所述平均d电子值为7.36至7.43。

19、在本发明的一个实施方式中，所述金属粘结剂包含73摩尔％至80摩尔％的ni、5摩尔％至15摩尔％的fe、1摩尔％至5摩尔％的co、8摩尔％至13摩尔％的w。

20、在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金中的金属粘结剂含量为3重量％至20重量％，优选5重量％至15重量％，最优选7重量％至12重量％。

21、在本发明的一个实施方式中，所述涂层的总厚度为2μm至20μm。所述涂层优选为cvd涂层。

22、在本发明的一个实施方式中，所述tin层的厚度为0.1μm至1μm，优选沉积在所述硬质合金基底上。

23、在本发明的一个实施方式中，所述ticn层的厚度为6μm至12μm。

24、在本发明的一个实施方式中，其中所述涂层包含位于所述ticn层和所述涂层切削工具的最外表面之间的α-al2o3层。

25、在本发明的一个实施方式中，位于所述ticn层和所述涂层切削工具的最外表面之间的所述al2o3层的厚度为4至8μm。

26、在本发明的一个实施方式中，所述α-al2o3层表现出根据如下哈里斯(harris)公式定义的织构系数tc(h k l)，所述织构系数tc(h k l)通过使用cukα辐射和θ-2θ扫描的x射线衍射测量，

27、

28、其中i(h k l)是(h k l)反射的测量强度(积分面积)，i0(h k l)是根据icdd的pdf卡00-010-0173号的标准强度，n是在计算中使用的反射次数，其中使用的(h k l)反射是(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 0 12)，其中tc(00 12)≥6，优选地≥7。

29、在本发明的一个实施方式中，所述涂层还包含选自以下的一个以上层：tin、ticn、altin、zrcn、tib2、al2o3或包含α-al2o3和/或κ-al2o3的多层。

30、在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金基底包含η相。在本文中，η相是指选自me6c和me12c的碳化物，其中me选自w和一种以上粘结相金属。常见的碳化物为w6co6c、w3co3c、w6ni6c、w3ni3c、w6fe6c、w3fe3c。

31、在一个实施方式中，所述硬质合金基底包含ti、ta、nb、cr、mo、zr或v中的一种以上的碳化物、碳氮化物或氮化物。