经涂覆的切削工具的制作方法

本发明涉及一种用于切屑形成型金属加工的经涂覆的切削工具，所述经涂覆的切削工具由基体和多层耐磨硬质涂层组成，所述硬质涂层的层通过化学气相沉积(cvd)来沉积。

背景技术：

1、金属加工中常用的切削工具由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼等的基础主体以及通过cvd或pvd沉积的单层或多层耐磨硬质材料涂层组成。具体地，一种类型的高性能切削工具包含硬质合金的基础主体(基体)，tic或tin的薄基础层，ticn的层、在大多数情况下沉积为mt-ticn(中温cvd)，随后是α、κ或混合的α+κal2o3层。在ticn层和al2o3层之间设置ti化合物或ti+al化合物结合层也是已知的，所述结合层可以适合于将晶体学性质从下方的ticn层传递到al2o3层中，并且可以对al2o3层的变体、织构和粘附性产生影响。例如，在ti或ti+al化合物结合层的表面的一定程度的氧化可以促进形成α-al2o3优先于κ变体。在us 7,172,807中可以找到实例。

2、此类切削工具的性能和寿命受到各种参数的影响。一些参数或多或少实由于所需的加工应用而给出的，例如工件材料、预期的切削操作等。然而，切削工具本身仍然存在改进的潜力，特别是在涂层性质以及涂层的不同部分和层之间的平衡方面，从而影响不同的磨损类型并提高工具寿命和切削性能。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的一个目的是提供一种经涂覆的切削工具，所述经涂覆的切削工具特别是对于iso p和iso k钢应用在连续和间断切削中具有改善的耐磨性和抗氧化性以及增强的刃线韧性。

3、技术方案

4、该目的已经通过如下得到解决：一种用于切屑形成型金属加工的经涂覆的切削工具，由基体和多层耐磨硬质涂层组成，所述多层耐磨硬质涂层包含：

5、a)ticn层，所述ticn层具有2μm至20μm的总厚度，

6、其中所述ticn层具有总共p个交替的c型和n型子层的多子层结构，其中p是在5至25、优选在5至12范围内的偶数或奇数，

7、其中所述c型和n型子层对于碳和氮的原子比具有不同的化学计量，其中所述c型ticn子层具有在1.0≤c/n≤2.0范围内的c/n比，并且所述n型ticn子层具有在0.5≤c/n<1.0范围内的c/n比，并且其中相邻的c型和n型层的c/n比之间的差≥0.2，并且

8、其中所述ticn层具有以织构系数tc(4 2 2)在3.0至5.5范围内为特征的整体纤维织构，所述tc(4 2 2)定义如下：

9、

10、其中

11、i(h k l)＝(h k l)反射的xrd强度

12、i0(h k l)＝根据icdd的pdf卡片第01-071-6059号的标准粉末衍射数据的标准强度

13、n＝7＝计算中所使用的反射次数，其中使用的七个(h k l)反射为：(11 1)、(2 00)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)，

14、b)单层或多子层含氧ti或ti+al化合物结合层，所述结合层在所述ticn层的上方，具有0.5μm至3μm的总厚度，

15、c)α-al2o3层，所述α-al2o3层在所述结合层的上方，具有2μm至15μm的总厚度，

16、其中所述α-al2o3层具有以织构系数tc(0 0 12)>5为特征的整体纤维织构，所述tc(0 0 12)定义如下：

17、

18、其中

19、i(h k l)＝(h k l)反射的xrd强度

20、i0(h k l)＝在nist标准粉末srm676a上测量的标准强度

21、n＝8＝计算中所使用的反射次数，其中使用的八个(h k l)反射是：(1 0 4)、(1 10)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(3 0 0)、(0 0 12)和(0 1 14)，

22、所述标准强度具有如下值：

23、 {h k l} {1 0 4} {1 1 0} {1 1 3} {0 2 4} {1 1 6} {3 0 0} {0 0 12} {0 1 14} <![cdata[i₀(h k l)]]> 87.93 37.68 100.00 45.76 92.43 53.93 2.05 5.16

24、在下文中，术语“ticn层的{2 1 1}织构”和“α-al2o3层的{0 0 1}织构”意指多晶层中的优选结晶取向，其中与随机取向相比，各晶面更频繁地取向为平行于基体表面(垂直于层的生长方向)。优选的结晶取向在本文中通过xrd测定，并分别通过相应的(平行)晶体{42 2}面和{0 0 12}面的织构系数、ticn层的tc(4 2 2)、以及α-al2o3层的tc(0 012)来表示。

25、尝试改善切削工具的性质和性能必须同时考虑多个方面。已经发现，控制所述α-al2o3层的高{0 0 1}织构(由织构系数tc(0 0 12)>5表示)是高抗氧化性和耐月牙洼磨损性的关键。优选地，所述α-al2o3层的织构系数tc(0 0 12)>6。另一方面，发现后刀面耐磨损性受到涂层序列中ticn层的微观结构和织构的强烈影响。切削工具性能和切削工具寿命的另一个必要特征是刃线韧性，然而，这可能受到涂层在层界面处的粘附性的限制。低粘附性会导致工具折断、崩刃和/或剥落，从而导致工具早期失效。通过特定的涂层序列和各涂层的性质，本发明人发现了一种新型的经涂覆的切削工具，所述经涂覆的切削工具提供了改善的刃线韧性和后刀面耐磨损性以及改善的抗氧化性和耐月牙洼磨损性。

26、在本发明的经涂覆的切削工具的最佳模式中，所述硬质涂层的层通过化学气相沉积(cvd)来沉积，并且具有多子层结构的ticn层是通过mt-cvd在600℃至900℃范围内的反应温度下沉积的mt-ticn层。多晶ticn层由柱状晶粒组成。

27、所述ti或ti+al化合物结合层优选通过ht-cvd在900℃至1200℃范围内的反应温度下沉积，并且所述α-al2o3层也优选通过ht-cvd在900℃至1200℃反应温度下沉积。

28、已知在所述al2o3层下方的所述ti或ti+al化合物层中一定程度的氧化态可促进α变体优先于其它变体的成核和随后的生长。然而，已经发现，α-al2o3层的织构的发展和水平不仅由al2o3层的沉积条件本身决定，而且在一定程度上还由下方的ticn层的微观结构和结晶取向决定。因此，控制所述ticn层对于控制随后的所述α-al2o3层的性质也至关重要。

29、本发明人已经认识到，具有高{211}织构的细晶粒ticn层促进了高度{001}织构化的α-al2o3层的受控成核和沉积以及涂层的高后刀面耐磨损性。因此，在第一次尝试中，将假设所述ticn层的尽可能高的{211}织构，以改善由高度{001}织构化的α-al2o3层和后刀面耐磨损性产生的有利性能。

30、然而，本发明人通过大量实验和分析进一步发现，所述涂层的粘附性、特别是在所述α-al2o3层和下方的结合层之间的界面处的粘附性，受到所述ticn层的微观结构和晶体取向的强烈影响。所述ticn层的高{211}织构促进了高度{001}织构化的α-al2o3层和高后刀面耐磨损性的优点，但发现所述ticn层的高{211}织构通常与所述α-al2o3和所述结合层之间的界面处的非常弱的粘附性(特别是在工具的刃线处导致折断和崩刃)相关，由此损害工具性能和工具寿命。

31、本发明可以通过如本文中所定义的多层耐磨硬质涂层来解决这一矛盾，其中所述ticn层具有特定个数的5至25个交替的具有明确限定的c/n比的c型和n型子层的多子层结构，并且其中所述ticn具有在3.0至5.5的特定范围内的由织构系数tc(4 2 2)表示的{211}织构。优选地，所述织构系数tc(4 2 2)为3.5至5.5或4.0至5.3。

32、一方面，所述ticn层的所述织构系数tc(4 2 2)足够高，以促进后续α-al2o3层的生长和有利性质。另一方面，发现所述ticn层的织构系数tc(4 2 2)的限制可减少或避免所述α-al2o3层与所述结合层之间的粘附性问题。

33、为了实现这些性质，已经发现沉积主要由c型ticn组成的多子层的ticn层是有利的，其中c型ticn的生长被n型ticn子层的沉积规律地中断。假设并且已经发现，所述n型ticn的子层对所述c型ticn生长条件的中断控制了所述ticn层的{211}织构，在本文中用织构系数tc(4 2 2)表示。鉴于所述c型ticn促进了所述ticn层的{211}织构，所述n型ticn子层的类型和个数适合于控制和调节所述ticn层的所述{211}织构的限制。单独沉积n型层单层也被证明会带来缺点，如随机织构的晶体和/或非常粗的晶粒。

34、已经表明，如果在所述ticn层的所述多子层结构中所述n型子层比相邻的c型子层更薄，则可实现所述ticn层的最佳性质和所述{211}织构的控制。优选地，各n型子层具有小于各相邻c型子层的50％或小于40％或小于30％的厚度。另一方面，各n型子层应当具有至少0.05μm或至少0.1μm或至少0.2μm的厚度。否则，所述n型子层对所述ticn多层的织构的控制效果会太低。

35、在所述ticn层的沉积期间，c型和n型子层之间的变化通过沉积条件、尤其是反应气体组成的变化来控制。c型和n型子层的厚度通过在相应的c型和n型条件下的沉积时间来控制。应当提及的是，在不同的c型和n型条件下的沉积速率不必须是相同的，然而，通过简单的实验找到在特定条件下的相应沉积速率是在本领域的技术人员的能力范围内的。

36、还发现，为了实现所述ticn层的期望性质，交替的c型和n型子层的个数不应当太低或太高。已证明，个数为5至25个的交替的c型和n型子层对于将所述ticn层的所述{211}织构控制在有益的织构系数tc(4 2 2)范围内是有利的。

37、根据本发明，所述c型ticn子层具有在1.0≤c/n≤2.0范围内的c/n比，并且所述n型ticn子层具有在0.5≤c/n<1.0范围内的c/n比。在本发明的一个实施方式中，所述c型ticn子层具有在1.2≤c/n<1.5范围内的c/n比，并且所述n型ticn子层具有在0.7<c/n<1.0范围内的c/n比。通过沉积交替的n型ticn子层来中断c型ticn的生长的效果不仅可以受到中断n型子层的c型的个数的影响，还可以受到c/n比的调节以及c型和n型子层之间c/n比之差的影响。在沉积过程中，沉积的层中的c/n比由沉积条件来调节，主要由n-供体和c-供体之比来调节。在以n2和ch3cn作为n和c源的反应气体体系中，c/n比通过这些前驱体气体之比来调节。

38、根据本发明，相邻的c型和n型层的c/n比之间的差≥0.2。在本发明的一个优选的实施方式中，c型和n型层的c/n比之间的差在0.3至1.5或0.4至1.0或0.5至0.8的范围内。如果相邻的c型和n型层的c/n比之间的差太低，则控制所述ticn层的晶体性质的期望效果太弱。

39、本发明的经涂覆的切削工具的基体可以是本领域中已知的适合于金属切削工具的任何类型，如硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼，其中硬质合金是特别适合且优选的。

40、已证明，本发明的经涂覆的切削工具在连续和间断切削中、尤其是在用于iso-p和iso k钢工件应用的车削操作中表现出优异的耐磨性和抗氧化性以及增强的刃线韧性。因此，本发明包括本发明的经涂覆的切削工具用于iso-p和iso k钢材料的连续和间断切削的用途。

41、在本发明的经涂覆的切削工具的一个优选的实施方式中，至少一个tin或tic基础层直接沉积在基体表面上和所述ticn层的下方。合适的基础层具有在0.3至1.5μm或0.3至1.0μm或0.3至0.7μm范围内的厚度。所述基础层可以通过热ht-cvd或mt-cvd来沉积。

42、所述基础层适于改善所述ticn层对所述基体的粘附性。在随后的高温处理期间，如在ht-cvd氧化铝沉积期间，所述基础层还可以用作阻挡层以避免或至少降低诸如co的成分从所述基体扩散到所述ticn涂层中，反之亦然。

43、在本发明的经涂覆的切削工具的一个优选的实施方式中，在所述ticn层的所述多子层结构中，在生长方向上，在所述基础层的上方的第一子层是c型层。在另一个优选的实施方式中，在所述基础层的上方的第一子层和在所述结合层下方的最终子层都是c型层。

44、如上所述，所述多层ticn层的主要部分是c型ticn，已经证明，所述c型ticn是促进所述ticn层的所述{211}织构的类型，这类似地促进所述α-al2o3层的{001}织构，而优选插入所述n型子层以控制所述ticn层的所述{211}织构的发展。然而，如果在所述基础层的上方沉积n型层作为所述第一子层，则发现所述ticn层的{211}织构的发展成低的，结果所述α-al2o3层的所述{001}织构降低。如果所述结合层下方的所述最终子层也是c型层，则所述效果甚至可能增加，并且实现了所述α-al2o3层的所述{001}织构的更好的控制。

45、关于所述ticn层的所述多子层结构，本发明的经涂覆的切削工具存在两种优选的变体。

46、在第一变体中，所述第一c型子层在生长方向上相对厚，具有在5至15μm范围内的厚度，并且随后的c型子层较薄，具有在0.5至4μm范围内的厚度，其中在所述c型层之间沉积有较薄的n型子层。在该变体中，在第一阶段中，第一较厚的c型子层会发展明显的{211}织构，并为后续层设置一种模板。

47、在第二变体中，各c型子在生长方向上层具有在0.5至4μm范围内的厚度，其中在所述c型层之间沉积有薄的n型子层。该变体也表现很好，并且如果在所述ticn层中交替的c型和n型子层的个数在上限范围内并且所述ticn层的总厚度不应当变得太高，则该变体尤其适合。

48、本发明的涂层的所述结合层是沉积在所述ticn层的上方的单层或多子层含氧ti或ti+al化合物层，具有0.5μm至3μm的总厚度。优选地，所述结合层具有多子层结构，且具有ticno或tialcno的总组成。在所述结合层的cvd沉积期间，可以通过向反应气体组合物中添加一氧化碳co来引入氧。在一个优选的实施方式中，在后续al2o3层的成核和生长之前，对所沉积的结合层另外进行氧化步骤。在所述ti或ti+al结合层中氧的存在以及结合层表面的氧化适合于促进al2o3层在α-改性中的生长。

49、本发明还包括一种用于制造如本文中所限定的本发明的经涂覆的切削工具的方法，其中所述多层耐磨硬质涂层通过化学气相沉积(cvd)而沉积在基体上，所述方法包括如下步骤：

50、-通过mt-cvd在600℃至900℃范围内的反应温度下由至少包含ticl4、h2、n2和ch3cn以及任选的hcl的工艺气体组合物以总共p个交替的c型和n型子层的多子层结构来沉积ticn层至2μm至20μm的总厚度，其中p是在5至20范围内的偶数或奇数，

51、其中所述c型和n型子层对于碳和氮的原子比具有不同的化学计量，其中所述c型ticn子层具有在1.0≤c/n≤2.0范围内的c/n比，并且所述n型ticn子层具有在0.5≤c/n<1.0范围内的c/n比，并且其中相邻的c型和n型层的c/n比之间的差≥0.2，所述c/n比通过所述工艺气体组合物中的n2/ch3cn之比来调节，

52、-通过热ht-cvd或mt-cvd由至少包含ticl4、h2、n2、co并且如果存在al则包含alcl3以及任选的ch4和/或hcl的工艺气体组合物，在所述ticn层的上方沉积单层或多子层的含氧ti或ti+al化合物结合层至0.5μm至3μm的总厚度，

53、-在900-1200℃范围内的温度下、在30-150毫巴范围内的压力下、以2-20分钟的时间，并且在包含h2、n2、1-10体积％的co2和1-20体积％的co或者由h2、n2、1-10体积％的co2和1-20体积％的co组成的气体气氛中对所述结合层进行氧化步骤，

54、-通过ht-cvd在900℃至1200℃范围内的反应温度下在经所述氧化步骤处理结合层的上方沉积总厚度为2μm至15μm的α-al2o3层。

55、优选地，所述方法包括如下进一步的步骤：通过热ht-cvd或mt-cvd由至少包含ticl4、h2和n2的工艺气体组合物直接在所述基体表面上沉积至少一层tin或tic基础层至在0.3至1.5μm范围内的基础层厚度。

56、优选通过多个后续沉积步骤来沉积所述ti或ti+al化合物结合层，以获得多子层结构，其中各沉积步骤通过ht-cvd在900℃至1200℃范围内的反应温度下进行。在本文中的实例中，以五步工艺来沉积所述结合层，从ticn子层开始，随后是在反应气体中包含co的工艺条件下的若干步骤以将氧掺入到层中，以及包含alcl3的步骤以将al掺入到层中。所述结合层的总(整体)组成为ti+al+c+n+o。沉积所述结合层之后是在含有h2、n2、co2和co的气体气氛中在900℃至1200℃、优选约1000℃的高温下的氧化步骤。