涂覆的切削工具的制作方法

本发明涉及一种包含基体和涂层的涂覆的切削工具，其中所述涂层是通过cvd沉积的并且包含ti(c,n)层和α-al2o3层。

背景技术：

1、在金属切削工业中，涂覆的切削工具是本领域中公知的。cvd涂覆的切削工具和pvd涂覆的切削工具是两种最主要类型的涂覆的切削工具。这些涂层的优点是高耐化学性和高耐磨料磨损性，这对于实现涂覆的切削工具的长工具寿命来说是重要的。已知包含ti(c,n)层以及氧化铝层的cvd涂层在例如钢的车削或铣削中表现良好。

2、在s.shoja等人的“关于cvdα-氧化铝织构涂层切屑流变形的计算和实验的施密德因子(calculated and experimental schmid factors for chip flow deformation oftextured cvdα-alumina coatings)”，表面与涂层技术(surface&coatings technology)，412(2021年)126991中，公开了施密德因子(schmid factors)可用于分析cvdα-al2o3织构层及其在以特定角度施加载荷时塑性变形的能力。对理想的理论涂层和沉积的涂层二者进行分析。公开了与012或110取向的α-al2o3层相比，001α-al2o3层的磨损率低且变形更均匀，这是由较高的基面滑移激活可能性和施密德因子的低扩散提供的最大塑性的结果。当法向载荷与样品法线成45°时，所公开的沉积涂层显示出相对频率<85％，施密德因子在0.4至0.5之间。

3、本发明的一个目的是提供一种用于金属切削的涂覆的切削工具，所述涂覆的切削工具有非常高的耐磨性，尤其是在钢的金属切削期间提高了耐后刀面磨损和耐月牙洼磨损。

技术实现思路

1、上述目的中的至少一者是通过根据项1所述的切削工具来实现的。优选的实施方式公开在从属项中。

2、本发明涉及一种切削工具，包含至少部分地涂覆有涂层的基体，所述涂层包含α-al2o3层，其中所述α-al2o3层包含从粘结层延伸1μm的o1部分，所述o1部分表现出利用ebsd所测量的用与所述α-al2o3层的表面法线成45°角施加的法向力所计算的{0001}<11-20>滑移系的施密德因子，确定所述施密德因子分布，其中>90％的分析区域的施密德因子在0.4至0.5之间，优选>97％的分析区域的施密德因子在0.4至0.5之间。

3、所述α-al2o3层在区域o1、即在所述α-al2o3层的与所述粘结层相邻的最下部中这种高频度的施密德因子在0.4至0.5之间在有助于在钢的车削中提高耐一次和二次后刀面磨损以及提高耐月牙洼磨损方面已显示出意想不到的优势。这些涂覆的切削工具在所述氧化铝涂层的初始阶段中所述施密德因子分布高度均匀且窄，其中折断对工具寿命尤其不利。发现所述涂层实现了崩刃减少。

4、在本发明的一个实施方式中，所述切削工具包含至少部分地涂覆有涂层的基体，所述涂层包含ti(c,n)层、α-al2o3层以及其间的粘结层，其中厚度为3-25μm的所述ti(c,n)层由柱状晶粒构成，其中所述ti(c,n)层在使用利用cukα辐射的x射线衍射测量时的平均晶粒尺寸d422为25-50nm，所述晶粒尺寸d422是根据谢乐公式由(422)峰的半峰全宽(fwhm)计算的：

5、

6、其中d422是所述ti(c,n)的平均晶粒尺寸，k是形状因子且在此设定为0.9，λ是cukα辐射的波长且在此设定为b422是(422)反射的fwhm值，θ是布拉格角，其中所述ti(c,n)层包含与所述粘结层相邻的b1部分，并且其中b1部分中的ti(c,n)晶粒的平均晶粒尺寸大于所述ti(c,n)层的整个厚度上的平均晶粒尺寸d422，在所述ti(c,n)层的b1部分中，在利用tkd(透射菊池衍射)在与所述基体平行延伸的平面视图上的5×5μm分析区域中测量时，所述ti(c,n)晶粒的平均晶粒尺寸为130-165nm。

7、在本发明的一个实施方式中，这种所述α-al2o3层下部中的取向增加是通过在所述ti(c,n)沉积结束时改变沉积工艺条件来实现的，使得一些细ti(c,n)晶粒变宽并形成更粗晶粒化的ti(c,n)部分。其后，再次改变工艺条件，这次是为了提供所述ti(c,n)晶粒的最佳外表面。以这种方式，所形成的所述ti(c,n)的最外表面与所述粗晶粒化的ti(c,n)的最外表面相似，已知所述粗晶粒化的ti(c,n)是在所述粘结层之前沉积至所述α-al2o3层的有前途的层。如果所述b1部分中的平均晶粒尺寸太小，则随后沉积的α-al2o3层的粘附性不会增加。如果b1部分中的平均晶粒尺寸太大，则随后的α-al2o3的取向度会降低。

8、由于分辨率有限，难以在sem中研究非常细晶粒化的ti(c,n)的晶粒尺寸。在此，所述ti(c,n)层的细晶粒化的部分的平均晶粒尺寸改为经由xrd和谢乐公式来定义。尽管来自xrd的信号也包括来自更粗晶粒化的ti(c,n)的b1部分的信息，但认为这种贡献是有限的。

9、另一方面，对所述粗晶粒化的b1部分中的晶粒尺寸的研究具有的挑战在于，它只是所述ti(c,n)层的一部分，由此必须选择精度非常高的方法。选择利用tkd的平面视图研究，因为所获得的信息既包括关于晶粒尺寸的信息，也包括关于非常局部尺度上的ti(c,n)晶粒取向的信息。

10、在本发明的一个实施方式中，所述的层，其中所述α-al2o3层表现出根据哈里斯公式(harris formula)定义的、通过利用cukα辐射和θ-2θ扫描的x射线衍射所测量的织构系数tc(hkl)：

11、

12、其中i(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，i0(hkl)是根据icdd的pdf卡片第00-010-0173号的标准强度，n是计算中所使用的反射次数，并且其中所使用的(hkl)反射是(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(11 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 0 12)，其特征在于，tc(0 0 12)≥7.5、优选≥7.7、更优选≥7.8。

13、在本发明的一个实施方式中，所述的层，其中所述α-al2o3层表现出tc(110)≤0.2、优选≤0.1。

14、在本发明的一个实施方式中，所述al2o3层是α-al2o3层，优选所述α-al2o3层的平均厚度为1μm-15μm、优选3-10μm。

15、在本发明的一个实施方式中，在利用tkd在与基体表面平行延伸的所述ti(c,n)层的平面视图上、且在至少5×5μm的区域中测量时，在所述ti(c,n)层的所述b1部分中的所述ti(c,n)层表现出如下取向，其中≥93％、优选≥95％的分析区域具有与所述ti(c,n)层的表面法线成15度以内的<211>方向，其中所述ti(c,n)层的表面法线平行于所述基体表面的表面法线。

16、ti(c,n)层的最接近所述粘结层并由此也最接近所述α-al2o3层的、具有沿<211>方向的高取向的部分被认为在力图沉积高度001取向的α-al2o3层方面是有利的。如果分析区域中小于93％具有与所述ti(c,n)层的表面法线成15度以内的<211>方向，则随后的α-al2o3层的001取向将不太明显。

17、在本发明的一个实施方式中，所述ti(c,n)层的所述b1部分在所述涂层的生长方向上所测量的厚度为0.5-1.5μm、优选0.6-0.9μm、最优选0.6-0.8μm。

18、细晶粒化的ti(c,n)作为耐磨层是有利的，这可能是由于其大量的晶界或由于所述层的厚度更平滑或更均匀。因此，所述ticn层的细晶粒化的部分应当是相对厚的。有助于增加粘附性和增加取向的所述粗晶粒化的部分应当相对有限，所述b1部分的厚度优选为0.5-1.5μm、更优选0.6-0.9μm、最优选0.6-0.8μm。如果所述b1部分太薄，则粘附性和/或取向将不会增强。

19、在本发明的一个实施方式中，所述ti(c,n)层表现出利用cukα辐射和θ-2θ扫描所测量的x射线衍射图案，其中tc(hkl)是根据哈里斯公式定义的，其中i(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，i0(hkl)是根据icdd的pdf卡片第42-1489号的标准强度，n是反射次数，计算中所使用的反射是(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(422)，其中tc(422)≥3、优选≥4。

20、在本发明的一个实施方式中，ti(c,n)的晶粒尺寸d422为25-40nm、优选25-35nm。细晶粒化的ti(c,n)与α-al2o3层之间的粘附性增加对于具有非常细晶粒的ti(c,n)层例如当ti(c,n)的晶粒尺寸d422为25-40nm或者甚至25-35nm时是尤其有利的。

21、在本发明的一个实施方式中，所述ti(c,n)层的平均厚度为4-20μm、优选5-15μm。

22、在本发明的一个实施方式中，所述粘结层包含选自钛碳氧化物、钛氮氧化物和钛碳氧氮化物中的至少一种化合物。

23、钛碳氧化物、钛氮氧化物和钛碳氧氮化物的粘结层的优势在于，它能够提供所述ti(c,n)层与所述α-al2o3层之间的外延关系。

24、在本发明的一个实施方式中，所述粘结层的平均厚度为0.25-2.5μm、优选0.5-2.0μm。

25、在本发明的一个实施方式中，所述涂层的平均厚度为5.0μm-30.0μm、优选10-20μm。

26、在本发明的一个实施方式中，所述基体是硬质合金、金属陶瓷或陶瓷。

27、本发明的ti(c,n)层中(通过电子微探针分析所测量的)所含的碳对碳与氮之和的原子比(c/(c+n))优选为0.50-0.65、更优选0.55-0.62。

28、从如下定义和结合附图考虑的实施例中，本发明的其它目的和特征将变得明显。

29、定义

30、术语“切削工具”在本文中意在表示适合于金属切削应用的切削工具，如刀片、立铣刀或钻头。应用领域例如可以为金属如钢的车削、铣削或钻削。

31、方法

32、ti(c,n)层的平均晶粒尺寸，d422

33、为了研究所述ti(c,n)层中ti(c,n)晶粒的平均晶粒尺寸，使用配备有pixcel检测器的panalytical cubix3衍射仪在后刀面上进行x射线衍射(xrd)。将所述涂覆的切削工具安装在样品固定器中，以确保样品的后刀面与样品固定器的基准表面平行并还确保后刀面处于适当的高度。使用cu-kα辐射用于测量，电压为45kv，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范围内测量来自所述涂覆的切削工具的衍射强度。使用panalytical公司的x’pert highscore plus软件进行数据分析，包括数据的背景拟合、cu-kα2去除和分布拟合。

34、使用从panalytical公司的x’pert highscore plus软件获得的对分布拟合曲线的积分峰半峰全宽，以根据谢乐公式(eq1)(birkholz，2006年)计算层的晶粒尺寸。

35、平均晶粒尺寸d422根据谢乐公式由(422)峰的半峰全宽(fwhm)计算：

36、

37、其中d422是所述ti(c,n)的平均晶粒尺寸，k是形状因子且在此设定为0.9，λ是cukα1射线的波长且在此设定为b422是(422)反射的fwhm值，并且θ是布拉格角，即入射角。

38、从所述测量获得的fwhm含有来自仪器导致的增宽和由小晶粒尺寸引起的增宽二者。为了补偿这一点，使用高斯近似(birkholz，2006年)。b422是减去仪器增宽(0,00174533弧度)后fwhm处的线增宽(以弧度计)，并在公式(2)中定义：

39、b422＝√((fwhmobs)2-(fwhmins)2)(2)

40、其中b422是用于晶粒尺寸计算的增宽(以弧度计)，fwhmobs是测量的增宽(以弧度计)，fwhmins是仪器增宽(以弧度计)。

41、由于所述ti(c,n)层上方可能的其它层会影响进入所述ti(c,n)层和离开整个涂层的x射线强度，因此需要考虑层中相应化合物的线性吸收系数来对这些做出校正。或者，可以通过不会实质影响xrd测量结果的方法如化学蚀刻来除去在所述ti(c,n)单层上方的其它层。

42、ti(c,n)的b1部分的晶粒尺寸和取向

43、在所述ti(c,n)层最上区域、位于最接近将所述al2o3层与粘结至所述ti(c,n)层的粘结层的区域b1中，所述ti(c,n)的晶粒增大以改善粘附性。经由所述区域b1的平面视图来分析该区域中所述ti(c,n)晶粒的平均晶粒度。该平面视图在与所述基体的表面平行的平面中延伸，因此可以研究柱状晶粒的宽度，而不会受到来自例如重叠晶粒的任何干扰。

44、通过fib原位提取技术(langford&clinton，2004年)制造感兴趣的区域的平面视图薄箔试样来生产用于b1区域的晶粒面积分析的样品。所述样品是从抛光的横截面上提取的。所述样品制备使用了采用ga+离子源的helios nanolab 650。

45、对感兴趣的区域在边缘处用79pa离子电流和3kv加速电压对表面进行十字蚀刻来标记，以确保感兴趣的区域正好在试样的中心。随后，使用利用430pa离子电流和30kv加速电压沉积的大约2μm厚的保护性pt层来涂覆该区域。在保护性pt沉积之后，使用公知的原位提取技术(langford&clinton，2004年)来制备样品。

46、将试样减薄到<200nm的厚度，以确保电子透明度。

47、在配备有oxford-symmetry ebsd检测器的helios nanolab 650中，通过使用透射菊池衍射(tkd)分析b1区域中的晶粒尺寸。使用20kv加速电压和13-26na射束电流。以10nm的步长分析至少5×5μm(至少640个晶粒)的区域，使用speed 1binning mode(622×512像素)。使用aztec crystal软件包(v2.0)分析平均晶粒尺寸(等效圆)，应用aztec crystal软件(v2.0)的一次自动清理用于温和降噪。分析样品，使得试样的表面平行于基体表面，从而确保平面取向之外的涂层平行于样品法线。将晶粒检测阈值设定为10°和至少40个像素的区域。

48、取向测定为分析区域的与设定轴成特定角偏差以内的以(％)计的量。对于区域b1，选择<211>ti(c,n)方向作为平行于表面法线的方向。取向计算为分析区域的与<211>ti(c,n)方向偏离≤15°的量。使用aztec crystal软件(v2.0)用于确定取向。

49、将电化学学会杂志(j.electrochem.soc.)[jesoan]，(1950年)，第97卷，299-304页中的ti(c,n)参照图案用于ti(c,n)测量，使用89个反射器用于测量。

50、最下al2o3-o1部分的施密德因子分布

51、所述al2o3层的靠近所述粘结层的部分在本发明中是非常高度取向的。为了分析这一区域，制备了所述涂层的横截面，并详细研究了从所述粘结层延伸1μm高度的所述o1部分中的al2o3晶粒。通过ebsd测量从抛光的横截面测定所述o1部分的施密德因子分布。抛光横截面的制备通过如下步骤进行：将各cnmg120408-pm刀片安装在akase的黑色导电酚醛树脂中，其后将其磨约1mm，然后分两步抛光：使用金刚石浆液的粗抛光(9μm)和细抛光(1μm)。应用使用胶体二氧化硅溶液的最终抛光。

52、用以45°角施加到涂层生长方向/样品法线的法向力来计算{0001}<11-20>滑移系(基面滑移)的施密德因子。确定施密德因子分布，确定施密德因子在0.4至0.5之间的分析区域的以百分比计的量。

53、以50nm的步长分析至少80μm宽的区域，使用speed 1binning mode(622×512像素)。为了分析所述o1部分的施密德因子，沿尺寸为10μm宽和1μm高的界面随机选择了o1的四个矩形的部分。施密德因子计算四个矩形部分之和。没有对数据进行降噪。使用azteccrystal软件(v2.0)用于确定施密德因子。

54、所述o1部分的施密德因子分布使用均配备有oxford-symmetry ebsd检测器的zeiss supra 55和helios nanolab 650来分析。使用20kv加速电压和13-26na射束电流。将样品安装在70°预倾斜的固定器上，以确保最大收集效率。

55、晶体学报b辑(acta crystallogr，sec b)[acbcar]，第49b卷973-980页中的氧化铝(α)参照图案用于al2o3测量，使用89个反射器用于测量。

56、sem研究

57、抛光横截面和样品顶表面的sem研究是在使用30μm孔径、在3kv加速电压下工作的carl zeiss ag-supra 40型中进行的。使用二次电子检测器获取图像。

58、ti(c,n)和al2o3的x射线衍射测量

59、为了研究整个层的织构，使用配备有pixcel检测器的panalytical cubix3衍射仪在切削工具刀片的后刀面上进行x射线衍射。将所述涂覆的切削工具刀片安装在样品固定器中，以确保所述切削工具刀片的后刀面平行于所述样品固定器的基准表面并还确保所述后刀面处于适当的高度。使用cu-kα辐射用于测量，电压为45kv，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范围内测量来自所述涂覆的切削工具的衍射强度。

60、使用panalytical公司的x’pert highscore plus软件做出数据分析，包括数据的减去背景、cu-kα2去除和分布拟合。稍后做出拟合的一般描述。然后使用来自该程序的输出(分布拟合曲线的积分峰面积)，通过使用如下所公开的哈里斯公式(3)，将特定层(例如ti(c,n)或α-al2o3层)的测量强度数据与根据pdf卡片的标准强度数据之比进行比较来计算所述层的织构系数。因为所述层的厚度有限，由于通过所述层的路径长度不同，所以在不同2θ角度处的一对峰的相对强度与对于块体样品时的峰的相对强度不同。因此，在计算tc值时，还要考虑层的线性吸收系数，对分布拟合曲线的提取的积分峰面积强度应用薄膜校正。由于在例如α-al2o3层上方可能的其它层会影响进入所述α-al2o3层和离开整个涂层的x射线强度，因此同样需要考虑层中相应化合物的线性吸收系数来对这些做出校正。这同样适用于如果ti(c,n)层位于例如α-al2o3层下方的情况下所述ti(c,n)层的x射线衍射测量。或者，可以通过不会实质影响xrd测量结果的方法例如化学蚀刻来除去在氧化铝层上方的其它层，如tin。

61、为了研究所述α-al2o3层的织构，使用cukα辐射进行x射线衍射，并根据哈里斯公式(3)计算所述α-al2o3层的不同生长方向的柱状晶粒的织构系数tc(hkl)：

62、

63、其中i(hkl)＝(hkl)反射的测量(积分面积)强度，i0(hkl)＝根据icdd的pdf卡片第00-010-0173号的标准强度，n＝待用于计算中的反射次数。在这种情况下所使用的(hkl)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)。在计算所述比率之前，对测量的积分峰面积进行薄膜校正并对在所述α-al2o3层上方(即在顶部上)的任何其它层进行校正。

64、根据之前公开的哈里斯公式(3)计算所述ti(c,n)层的不同生长方向的柱状晶粒的织构系数tc(hkl)，其中i(hkl)是(hkl)反射的测量(积分面积)强度，i0(hkl)是根据icdd的pdf卡片第42-1489号的标准强度，n是待用于计算中的反射次数。在这种情况下所使用的(hkl)反射是(1 11)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)。

65、应当注意，峰重叠是在对包含例如几个结晶层和/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，并且必须对此加以考虑和补偿。来自所述α-al2o3层的峰与来自所述ti(c,n)层的峰的重叠可能会影响测量，并需要加以考虑。还应当注意的是，例如，在所述基体中的wc可以具有接近本发明的相关峰的衍射峰。