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CN108884562A - 用H-ALN层和TI1-XAlXCYNZ层的涂覆的切削刀具 - Google Patents

用H-ALN层和TI1-XAlXCYNZ层的涂覆的切削刀具 Download PDF

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CN108884562A
CN108884562A CN201780018229.XA CN201780018229A CN108884562A CN 108884562 A CN108884562 A CN 108884562A CN 201780018229 A CN201780018229 A CN 201780018229A CN 108884562 A CN108884562 A CN 108884562A
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aln
cutting tool
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德克·施廷斯
托斯滕·曼斯
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Walter AG
Original Assignee
Walter AG
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Abstract

一种涂覆的切削刀具，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼制成的基底以及多层耐磨涂层，其中，所述多层耐磨涂层具有5μm至25μm的总厚度并且包括通过化学汽相沉积(CVD)或中温化学汽相沉积(MT‑CVD)沉积的耐火涂层，并且所述多层耐磨涂层包括至少一对层(a)和(b)，层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上，其中，层(a)是具有六方晶体结构的氮化铝(h‑AlN)的层，且厚度为10nm至750nm，并且层(b)是由通式Ti1‑xAlxCyNz表示的氮化钛铝或碳氮化钛铝的层，其中，0.4<x<0.95，0≤y≤0.10且0.85<z<1.15，其厚度为0.5pm至15pm，并且层(b)的Ti1‑ xAlxCyNz的至少90％具有面心立方(fcc)晶体结构。

Description

用H-ALN层和TI1-XAlXCYNZ层的涂覆的切削刀具
技术领域
本发明涉及一种切削刀具刀片，该切削刀具刀片由涂覆的切削刀具构成，该切削刀具包括由硬质合金、金属陶瓷，陶瓷、钢或立方氮化硼制成的基底以及通过化学汽相沉积(CVD)或中温化学汽相沉积(MT-CVD)沉积在上面的多层耐磨涂层，并且该多层耐磨涂层包括至少一层TiAlN或TiAlCN。
背景技术
通常由通过CVD或PVD技术沉积的硬质耐火涂层改进切削刀具的耐磨性。已知多晶结构的涂层相对于基底表面以优先的结晶取向(纤维织构)生长。优先结晶取向(纤维织构)可取决于若干因素，诸如，涂层组成、成核和沉积条件，沉积表面等。已知的是，涂层的优先结晶取向可能对涂覆的切削刀具的机械和切削性能具有显着影响。例如，已经描述了具有优先结晶取向的α-Al2O3涂层(其中结晶平面{0 0 1}垂直于基底表面生长)，在许多切削应用中表现出优异性能。
优先结晶取向(纤维织构)可以由层生长条件引起，这可能由于动力学或热力学原因而有利于沿着某些结晶方向(生长织构)生长，或者它可以由结晶取向或者底层或基底的结构引起(通过取向附生的织构)。通过选择合适的工艺条件控制CVD涂层中的优先结晶取向(纤维织构)已得到很好的建立，特别是对于最常涂敷的涂层组成，诸如Ti(C,N)、TiAl(C,N)或α-Al2O3。确定优先结晶取向(纤维织构)的参数可以是反应气体和/或催化剂气体的选择和流量比。
JP2014-128837公开了一种表面涂覆的切削刀具，其被描述为在高速间歇切削中发挥改进的抗崩刃性和抗缺陷性。硬质涂层通过CVD沉积并且包括其中0.80≤x≤0.95和0.005≤y≤0.05的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层。(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的总厚度为1至20μm，并且该层沿其厚度被其中0.50≤x≤0.70且0.005≤y≤0.05的、Al含量较低的多个1-10nm的薄的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)分层中断。分层在层厚度方向上以每1μm层厚度10至50层的密度而存在，并且分层在CVD沉积工艺中通过在工艺气体混合物中施加铝前体AlCl3和Al(CH3)3的较低浓度的脉冲而获得。分层的效果是(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的柱状晶粒生长中的中断，并且该中断被认为限制了涂层性能的各向异性并且导致有利的机械行为。(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层具有立方晶体结构。
WO 2014/034730公开了一种具有CVD硬质涂层的切削刀具，该CVD硬质涂层由交替的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层A和B构成，其中，A层的组成为0.70≤x≤0.80且0.0005≤y≤0.005并且平均晶粒宽度W≤0.1μm且晶粒长度L≤0.1μm，并且B层的组成为0.85≤x≤0.95且0.0005≤y≤0.005并且平均晶粒宽度0.1μm≤W≤2.0μm且晶粒长度0.5μm≤L≤5.0μm，并且交替堆叠结构的最顶层是A层。在优选的实施方式中，两个层通过电子背向散射衍射(EBSD)测量确定均由六方相和立方相的混合物构成，其中，A层具有≥50％的立方/(立方+六方)相的表面积分数，并且B层包括较高表面积分数的六方相，其中，比例六方/(立方+六方)相≥50％。
未审查的日本专利申请JP 2002-273607A公开了一种交替的TiCN层和AlN层的CVD多层涂层，其中，TiCN层通过MT-CVD工艺生长并且具有(422)或(311)织构的优先生长取向。添加AlN中间层被认为增强涂层的抗氧化性和抗裂性。没有给出关于AlN层的相的信息。两个层都优选具有柱状微观结构。AlN层不改变MT-TiCN层的织构，并且它们似乎不会引起TiCN层的晶粒细化。
发明内容
发明的目的
本发明的目的是在于提供一种涂覆的切削刀具，其具有晶粒更细和光滑的表面涂层，在间歇切削中具有提高的耐磨性，特别是来自切削刃的涂层的提高的对磨料磨损和崩刃的抗性。
发明的描述
本发明提供一种涂覆的切削刀具，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼制成的基底以及多层耐磨涂层，其中，多层耐磨涂层具有5μm至25μm的总厚度，并且包括通过化学汽相沉积(CVD)或中温化学汽相沉积(MT-CVD)沉积的耐火涂层，并且多层耐磨涂层包括至少一对层(a)和(b)，其中，层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上，其中
-层(a)是具有六方晶体结构的氮化铝(h-AlN)的层，且厚度为10nm至750nm，并且
-层(b)是由通式Ti1-xAlxCyNz表示的氮化钛铝或碳氮化钛铝的层，其中，0.4≤x≤0.95，0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，其厚度为0.5μm至15μm，并且层(b)的Ti1-xAlxCyNz的至少90％具有面心立方(fcc)晶体结构。
TiAlCN和TiAlN层通常被认为是有用的硬质耐火涂层，以提高切削刀具的耐磨性和切削性能，特别是用于金属加工。然而，如果TiAlCN或TiAlN层过薄，则它将更快地磨损并且可能不会对耐磨性和切削性能产生有益效果。另一方面，如果在CVD沉积期间TiAlCN或TiAlN层生长得过厚，则它可能产生不期望的相和微观结构，这会损害其耐磨性和切削性能，并且晶粒尺寸可能变大，以导致不期望的硬度性能或由于来自涂层的晶粒的扯掉所造成的不均匀的磨损发展。
本发明人现已发现，通过将具有六方晶体结构(h-AlN)的氮化铝的层(a)沉积在本文中定义的类型的Ti1-xAlxCyNz层(b)下方，以在涂层中得到一对或多对层(a)和(b)，可以提高包括TiAlCN或TiAlN层的硬质涂层的性能。由此，涂层的最外部的耐磨层优选为Ti1- xAlxCyNz层(b)，作为顶部涂层。作为替代方案，一个或多个薄的顶部涂层可以沉积在Ti1- xAlxCyNz层(b)的顶上，诸如厚度为例如约0.5μm的薄TiN层(其通常被涂敷用作润滑和/或装饰)和/或在这种切削刀具的最外部表面上的磨损指示顶部层。
本发明的涂层可以包括一个单对h-AlN层(a)和Ti1-xAlxCyNz层(b)或者依次包括若干对h-AlN层(a)和Ti1-xAlxCyNz层(b)，这取决于切削刀具的期望性能。
本发明包括在基底表面与第一对层(a)和(b)之间和/或在多对层(a)和(b)之间包括另外的硬质耐火层的那些实施方式。如下面将更详细地讨论的那样，在本发明中，至少一个另外的硬质耐火层设置在基底表面与紧挨着第一对层(a)和(b)中的第一h-AlN层(a)下方之间。这种另外的硬质耐火层可以优选地选自具有柱状或等轴晶体形态(优选为柱状晶体形态)的TiAlCN、TiAlN、TiCN和TiN。选自TiAlCN、TiAlN、TiCN和TiN的所述另外的硬质耐火层可具有相同或不同的优选的结晶生长取向(纤维织构)，在本文中，其特征在于织构系数TC。
本发明的发明人已经惊奇地发现，在一对或若干对h-AlN层(a)和Ti1-xAlxCyNz层(b)内的Ti1-xAlxCyNz层(b)可以以优选的结晶生长取向(纤维织构)生产，优选为{111}织构，这与设置在基底表面与紧挨着第一对层(a)和(b)中的第一h-AlN层(a)下方之间的所述另外的硬质耐火层是否具有相同或不同的优选的结晶生长取向(纤维织构)以及这种另外的硬质耐火层是否具有柱状或等轴晶体形态无关。
不受理论束缚，发明人假定六方氮化铝层(h-AlN)的层(a)的设置提供了高密度的成核地点，以用于在CVD工艺中使Ti1-xAlxCyNz层(b)的成核高度生长到期望的面心立方(fcc)晶体结构。此外，发明人发现，通过提供六方氮化铝(h-AlN)的层(a)，能够生产具有期望的晶体生长取向(纤维织构)和微观结构的细晶粒的Ti1-xAlxCyNz层(b)，以提高整个涂层的性能。还发现，在紧挨着设置于h-AlN层(a)下方的另外的硬质耐火层上提供六方氮化铝(h-AlN)的层(a)允许优选的结晶生长取向(纤维织构)从所述另外的硬质耐火层改变到h-AlN层(a)的顶上的Ti1-xAlxCyNz层(b)，例如，从所述另外的硬质耐火层中的{200}或{422}织构改变到Ti1-xAlxCyNz层(b)中的{111}织构。
同时，还令人惊讶地发现，尽管六方h-AlN层(a)和面心立方(fcc)Ti1-xAlxCyNz层(b)的晶体对称性非常不同，层(a)和(b)之间以及层(a)和沉积在六方h-AlN层(a)下方的另外的硬质耐火层之间的结合和粘合是非常良好的。考虑到现有技术的知识，这是不可预料得到的，具有不同晶体对称性的已知其它层之间(例如fcc TiCN与菱形α-Al2O3之间)的结合和粘合是相当不令人满意的。
发明人还发现，通过提供六方氮化铝(h-AlN)的层(a)，能够获得具有低表面粗糙度的Ti1-xAlxCyNz层(b)的非常光滑的表面结构。假设这必定与Ti1-xAlxCyNz层(b)的晶体生长取向(纤维织构)和不太明显的表面刻面有关。
在本发明的一个实施方式中，涂覆的切削刀具的多层耐磨涂层包括一个单对的h-AlN层(a)和Ti1-xAlxCyNz层(b)以及紧挨着在h-AlN层(a)下方的至少一个另外的硬质耐火层。假设h-AlN层(a)用作再成核层，其防止Ti1-xAlxCyNz层(b)在下侧的硬质耐火层上取向附生生长。这导致有利的效果。所述另外的硬质耐火层的晶粒生长被h-AlN层(a)中断，并由此，Ti1-xAlxCyNz晶粒的生长分别在h-AlN层(a)上开始或成核，而不是从所述另外的耐火层的晶粒继续。因此，所述另外的硬质耐火层以及Ti1-xAlxCyNz层(b)的晶粒尺寸受到限制并保持相对较小。此外，由于h-AlN层(a)，Ti1-xAlxCyNz层(b)在所述另外的硬质耐火层上不以取向附生方式生长，由此，Ti1-xAlxCyNz层(b)可以以与所述另外的硬质耐火层不同的优先结晶取向(织构)生长。这提供了使下侧的另外的耐火层和上侧的Ti1-xAlxCyNz层(b)两者以不同的期望优先结晶取向生长的可能性。这允许在各个层的优先结晶取向的方面优化涂层性能。
例如，已知的是，在Ti1-xAlxN涂层的fcc相中，弹性各向异性随化学组成而显着变化。杨氏模量比E111/E100从TiN(x＝0)的约0.7连续增加到AlN(x＝1)的2.1[F.Tasnadi等人，《应用物理快报》(“Applied Physics Letters”，97,231902(2010)]，使得纯TiN或富Ti的Ti1-xAlxN涂层在具有{100}优先结晶取向(织构)时具有优异的耐磨性，而对于富Al或纯AlN涂层，在{111}优先结晶取向(织构)的情况下预期具有更好的耐磨性。由此，本发明开辟了发展出结合了不同耐磨层的最佳结晶织构的织构设计的多层耐磨涂层的可能性。
在本发明的另一实施方式中，涂覆的切削刀具的多层耐磨涂层包括两对或更多对h-AlN层(a)和Ti1-xAlxCyNz层(b)的层序列。优选地是，涂覆的切削刀具的多层耐磨涂层包括2、3、4、5、6、7、8、9或10对的层(a)和(b)的层序列。优选地是，至少一个另外的硬质耐火层紧挨着设置在第一h-AlN层(a)下方，即，在基底表面与第一对层(a)和(b)之间。通过提供若干对的层(a)和(b)的层序列，即使在较高的总涂层厚度下，Ti1-xAlxCyNz层仍将保持相对小的平均晶粒尺寸，由此防止形成粗糙晶粒的微观结构，粗糙晶粒的微观结构损害耐磨性和切削性能，例如通过拉出大晶粒。同时，与作为具有与多对层(a)和(b)的厚度大致相同的厚度的单个层沉积的Ti1-xAlxCyNz层(b)相比，获得了具有不太明显的表面刻面的、具有低表面粗糙度的外部Ti1-xAlxCyNz层(b)的光滑表面结构。
根据本发明，每个h-AlN层(a)的厚度在从10nm至750nm的范围内。如果h-AlN层(a)过薄，则可能不会形成期望的六方相，这是因为当基底或紧挨着下方的所述另外的硬质耐火层也具有立方结构时，AlN涂层在AIN的亚稳态立方相中继续生长几纳米。如果h-AlN层(a)过厚，则由于六方相的柔软性而导致整个涂层的耐磨性可能较差。更优选地是，h-AlN层(a)的厚度为从10nm至400nm，优选为从25nm至250nm，最优选为从40nm至100nm。
根据本发明，每个Ti1-xAlxCyNz层(b)的厚度为从0.5μm至15μm。优选地是，每个Ti1- xAlxCyNz层(b)的厚度为从1μm至8μm。如果Ti1-xAlxCyNz层(b)过薄，则h-AlN层(a)的立方相与六方相的总比率变得过低，并且由于六方相的柔软性而导致耐磨性劣化。另外，在过薄的Ti1-xAlxCyNz层(b)中，期望的生长织构可能不会充分产生。如果Ti1-xAlxCyNz层(b)过厚，则每个Ti1-xAlxCyNz层(b)的晶粒尺寸可能变得过大，导致脆性行为和不均匀磨损。
在本发明的另一实施方式中，每对层(a)和(b)内的h-AlN层(a)的厚度与Ti1- xAlxCyNz层(b)的厚度的厚度比在从0.01到0.5的范围内，其中，层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上。如果厚度比过低，则h-AlN层(a)可能变得太薄，以致不能完全覆盖下方的基底并形成提供用于Ti1-xAlxCyNz层(b)生长的成核地点的结构。如果该比过高，则由于六方相的柔软性而导致耐磨性劣化。
在本发明的另一实施方式中，h-AlN层(a)的氯含量小于5原子百分比，优选小于2.5原子百分比，最优选小于1原子百分比，或氯含量为2-3原子百分比。不受关于h-AlN层(a)中的氯含量的来源和影响的理论束缚，发明人认为由于h-AlN层(a)的沉积中通常观察到的高生长速率和相对低的工艺温度，氯在晶粒边界或其它结晶缺陷处被结合到涂层的细晶粒结构中。虽然期望细晶粒结构获得用于Ti1-xAlxCyNz层(b)生长的再成核效应，但h-AlN层(a)中的过高氯含量将导致层的软化。因此，有利的是，整个涂层的氯含量在上面针对h-AlN层(a)特定的范围内。而且，本领域技术人员将通过少量实验知道或找出如何设定工艺条件，以获得期望的氯含量。
在本发明的另一实施方式中，在层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上的情况下，一对层(a)和(b)内的类型(b)的Ti1-xAlxCyNz层具有柱状晶粒形态和优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(1 1 1)>1.8，TC(1 1 1)定义如下：
其中，
I(111)＝(111)反射的测量强度
I0(111)＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(111)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
根据本发明的具有富Al化学组成的类型(b)的Ti1-xAlxCyNz层的弹性各向异性使得弹性模量沿着<111>结晶方向最高，并且{111}织构的Ti1-xAlxCyNz层展示出优异的耐磨性。特别地是，发明人发现{111}织构的层展示出优异的对热裂纹出现的抗性。
如前所述，本发明的多层耐磨涂层可在基底表面与第一对层(a)和(b)之间(即，在类型(a)的第一h-AlN层下方)包括至少一个另外的硬质耐火层。在本发明的优选实施方式中，多层耐磨涂层包括选自由氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛铝(TiAlN)和碳氮化钛铝(TiAlCN)构成的组中的层，所述层紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层的下方，并且优选具有柱状晶粒形态。在本发明的多层耐磨涂层中的所述另外的硬质耐火层与所述一对层(a)和(b)的组合允许本领域技术人员为了特定目的而设计涂层，例如，将{211}织构的MT-TiCN层的高抗磨料磨损性与类型(b)的{111}织构的Ti1-xAlxCyNz层的抗热冲击性结合起来。
在本发明的一个实施方式中，紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方的前述另外的硬质耐火层为TiAlN、TiAlCN、TiN或TiCN层并且具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(2 0 0)>1.8，TC(2 0 0)定义如下：
I(200)＝(200)反射的测量强度
I0(200)＝当所述层是TiAlN或TiAlCN层时，根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(200)反射的标准强度，并且当所述层是TiN或TiCN层时，根据JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(200)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝当所述层是TiAlN或TiAlCN层时，根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度，并且当所述层是TiN或TiCN层时，根据JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
作为所述另外的硬质耐火层的TiAlN、TiAlCN、TiN或TiCN层具有与{200}织构相关的有利的机械性能，并且如果与具有优异耐磨性的{111}织构的Ti1-xAlxCyNz层(b)组合，则它提供了优越的涂层整体性能。
在本发明的另一实施方式中，紧挨着沉积在第一h-AlN层(a)下方的前述另外的硬质耐火层是碳氮化钛(TiCN)的层并且具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(4 2 2)>1.8，TC(4 2 2)定义如下：
其中，
I(422)＝(422)反射的测量强度
I0(422)＝根据所应用的JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(422)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝5)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)、(311)和(422)。
具有{211}织构的TiCN层如果用作所述另外的硬质耐火层的话则具有有利的性能，特别是在连续切削操作中的抗磨料磨损性方面，并且如果与具有优异的耐磨性的{111}织构的Ti1-xAlxCyNz层(b)组合，则它在对切削刀具施加热机械冲击的操作中提供有利的性能。
在本发明的另一实施方式中，紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方的前述另外的硬质耐火层是氮化铝钛(TiAlN)或碳氮化钛铝(TiAlCN)的层并且具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(1 1 1)>1.8，TC(1 1 1)定义如下：
其中，
I(111)＝(111)反射的测量强度
I0(111)＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(111)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
本发明的该实施方式提供了具有多个{111}织构的氮化铝钛(TiAlN)或碳氮化钛铝(TiAlCN)层的涂层，其由于涂层材料的机械性能的各向异性而具有优异的耐磨性，同时具有比由同一材料制成的单层更小的晶粒。
在本发明的一个实施方式中，类型(a)的第一h-AlN层具有小于0.1原子百分比的W含量，和/或小于0.1原子百分比的Co含量，和/或小于0.5原子百分比的Ti含量，优选地是，Ti含量小于0.3原子百分比。
根据本发明，每个Ti1-xAlxCyNz层(b)的至少90％具有面心立方(fcc)晶体结构。然而，甚至更优选的是，Ti1-xAlxCyNz层(b)的至少95％或至少97％具有面心立方(fcc)晶体结构。
当选择不适当的工艺条件时，层(b)的Ti1-xAlxCyNz可能以大量的六方相沉积，这比fcc结构更软，具有较差的耐磨性。因此，期望的是使Ti1-xAlxCyNz层(b)在沉积的状态下具有接近100％的面心立方(fcc)晶体结构。
如果h-AlN层(a)下方的所述另外的硬质耐火层是TiAlN、TiAlCN、TiN或TiCN层，则本申请的发明人通过透射电子显微镜中的电子衍射或通过HR-TEM图像的快速傅里叶变换观察到h-AlN的{001}平面取向成平行于正下方的层的{001}平面。正下方的层的这种{001}平面通常不取向成分别平行于基底表面或垂直于层生长方向。例如，如果所述另外的硬质耐火层是TiAlN或TiAlCN，其在{111}织构下具有优选生长取向，即，结晶平面{111}与基底表面平行地生长，则{001}晶面包括与{111}晶面的约54.7o的角度，并且{001}晶面(刻面)终止所述另外的硬质耐火层。而且，与fcc结构的所述另外的硬质耐火层是否具有{200}、{422}或{111}织构无关，h-AlN层(a)上方的Ti1-xAlxCyNz层(b)可以优选以{111}织构生长，即，与该硬质耐火层处于非取向附生关系。由此，发明人发现h-AlN层(a)可用于破坏下方的硬质耐火层与h-AlN层(a)上方的Ti1-xAlxCyNz层(b)之间的取向附生，并且同时为Ti1- xAlxCyNz层(b)的生长提供高密度的再成核地点。
附图说明
附图示出了根据下述示例制备的样品的SEM显微照片。
图1a、1b示出了(根据本发明)样品#1的横截面(图1a)和表面上的俯视图(图1b)的SEM显微照片；
图2a、2b示出了(根据本发明)样品#2的横截面(图2a)和表面上的俯视图(图2b)的SEM显微照片；
图3a、3b示出了(根据本发明)样品#3的横截面(图3a)和表面上的俯视图(图3b)的SEM显微照片；
图4a、4b示出了(比较例)样品#4的横截面(图4a)和表面上的俯视图(图4b)的SEM显微照片；
图5a、5b示出了(根据本发明)样品#5的横截面(图5a)和表面上的俯视图(图5b)的SEM显微照片；
图6a、6b示出了(比较例)样品#6的横截面(图6a)和表面上的俯视图(图6b)的SEM显微照片；
定义和方法
纤维织构和织构系数TC
如本文中所使用的且与通常通过汽相沉积产生的薄膜关联使用的术语“纤维织构”或“织构”分别将生长晶粒的取向与随机的取向区分开。通常在薄膜和涂层中区分三种类型的织构：(i)随机织构，当晶粒没有优先取向时；(ii)纤维织构，其中，涂层中的晶粒被取向成使得找到一组几何上等效的晶体平面{h k l}优先取向成平行于基底，同时存在晶粒围绕纤维轴线的旋转自由度，该纤维轴线垂直于该平面，并由此优先取向成垂直于基底；(iii)在单晶基底上的取向附生对准(或面内织构)，其中，面内对准固定晶粒相对于基底的所有三个轴线。
晶体的晶面由米勒指数h、k、l限定。A的意思是表示优选生长，即，找到一组几何上等效的晶面{h k l}优先取向成平行于基底，它是使用Harris公式基于在相应样品上测量到的所限定的一组XRD反射计算出来的织构系数TC(h k l)。使用JCPDF卡来标准化XRD反射的强度，其指示相同材料(例如，TiCN)的XRD反射的强度，但具有随机取向，诸如在材料的粉末中。晶体材料的层的织构系数TC(h k l)>1表明：与用于确定织构系数TC的Harris公式中使用的XRD反射相比，晶体材料的晶粒取向成其{h k l}晶面平行于基底表面比在随机分布下更频繁。
X射线衍射(XRD)测量
X射线衍射测量在使用CuKα-辐射的GE感测和检查技术公司的XRD3003PTS衍射仪上进行。X射线管在40kV和40mA下以点聚焦运行。采用具有固定尺寸的测量孔径的多毛细管准直透镜的平行束光学器件在主侧上使用，由此将样品的照射区域限定成使得避免X射线束在样品的涂覆面上的外溢。在辅助侧上，使用具有0.4°散度的Soller狭缝和25μm厚的NiKβ滤光器。已经进行了以0.04°的增量和4秒计数时间在20°<2θ<155°的角度范围内的对称θ-2θ扫描。在XRD上，将用于薄膜吸收的XRD原始数据强度校正应用于所有的样品，这考虑了层的有限厚度与散状材料中的自然穿透深度不同。此外，对样品应用吸收校正，其中，在计算TC的层上方沉积有附加层。最后，应用Kα2剥离(Rachinger方法)、背景减除和具有5个测量点的抛物线峰值拟合。因此，本文中指出的任何XRD峰值强度意指相应校正的强度。为了计算织构系数TC(hkl)，应用了由Harris提出的形式[Harris,G.B.,《哲学杂志系列7》(Philosophical Magazine Series 7),43/336,1952，第113-123页]。在此，校正的净峰值强度Icorr与从用于TiN或TiCN层的PDF卡00-42-1489以及从用于TiAlN或TiAlCN层的PDF卡00-046-1200取得的相对强度Ipdf相关。
透射电子显微镜(TEM)的EDS分析
透射电子显微镜(TEM)分析在具有场发射阴极的FEI Titan 80-300显微镜中在300kV的加速电压下进行。对于EDS分析，使用Oxford Inca公司的EDS系统。用于TEM的样品的制备通过原位提升技术进行：使用组合的FIB/SEM设备，从表面切出薄的横截面片并将样品减薄至足够的电子透明度。
通过电子背向散射衍射(EBSD)进行的晶体结构确定
层(b)的Ti1-xAlxCyNz的面心立方(fcc)晶体结构的百分比通过在样品的抛光横截面上的EBSD分析来确定。根据以下程序进行抛光：使用磨削盘Struers Piano 220和水进行6分钟的磨削；使用Struers的9μm的D-Largo金刚石悬浮液进行3分钟的抛光；使用Struers的3μm MD-dac金刚石悬浮液进行3分40秒的抛光；使用Struers的1μm MD-Nap金刚石悬浮液进行2分钟的抛光；使用Struers OP-S硅胶悬浮液进行至少12分钟的化学抛光，其平均粒径为0.04μm。在SEM/EBSD分析之前，将样本在乙醇中进行超声清洗并去磁。在FE-SE中检查相应制备的样本(通常使用Everhart-Thornley二级电子检测器以2.5kV的加速电压和3-10mm的工作距离)展示出面心立方Ti1-xAlxCyNz层的晶粒被抛光为平坦表面，从而展示出明显的取向对比度，而在fcc-Ti1-xAlxCyNz层的晶粒边界处析出的h-AlN或h-AlN层与fcc相晶粒相比被猛烈得多地蚀刻，且因此这些比例的涂层的表面小于fcc相并且没有平坦的表面。由于这种形态，包括h-AlN的涂层中的比例将在下面描述的EBSD分析中产生较差的EBSD图案。
EBSD分析在具有场发射阴极的Zeiss SUPRA40VP扫描电子显微镜(SEM)中使用60μm或120μm孔径和15kV加速电压进行，在高电流模式下工作，电子束到抛光的样品表面的入射角为70°，约12mm工作距离。EBSD检测器是EDAX Digiview相机，并且使用TSL OIM DataCollection 7和TSL OIM Analysis 7软件包分别用于数据收集和分析。用于EBSD图的典型采集和处理参数如下：选择图尺寸，平行于基底表面的长度约为25μm，并且使得使用≤0.15μm的步长尺寸和测量点构成的六方网格覆盖涂层的整个厚度。使用对应于每秒20到100帧的曝光时间，对相机图片进行4x4或8x8合并以及可选的还有动态背景减除。然而，通常的是，上述制备程序产生的样品在不进行背景减除程序的情况下得到具有足够质量的Ti1- xAlxCyNz层的衍射图案。通过霍夫变换完成衍射图案的标引。由此记录的数据点理想地应该用>0.2的平均置信指数(CI)来标引。在衍射图案的自动标引期间，通过TSL OIM Analysis7软件计算CI。
在第一步骤中，EBSD图被裁剪，仅获得Ti1-xAlxCyNz层(b)的数据点，以待分析。在第二步骤中，执行晶粒CI标准化，以施加5°的晶粒容差角和5个数据点的最小晶粒尺寸。在第三步骤中，应用过滤器CI>0.1来执行如此生成的数据集的分隔，即，在晶粒CI标准化之后具有较低置信度指数的所有的数据点都被忽略。比率(在CI标准化和过滤之后作为fcc相标引的数据点的数量/裁剪的图中的数据点的总数)对应于所分析的Ti1-xAlxCyNz层内的fcc相的面积比(以面积％给出)。然而，由于在晶粒边界处的图案重叠和形貌导致从fcc相的Ti1- xAlxCyNz获得的EBSD图案的较差标引，故而由此获得的值表示层中的fcc相的最小分数，而实际分数更高。通常，在Ti1-xAlxCyNz涂层中，其中XRD和SEM没有给出h-AlN的指示，并因此实践中由约100％的fcc相构成，上述EBSD测量和处理方法产生作为fcc相标引的>95面积％的EBSD图。
CVD涂层
CVD涂层在径向流动反应器中制备，型号为Bernex BPX 325S，其具有1250mm的高度和325mm的外径。充电托盘上方的气流是从中心气体管径向的。
示例
样品制备
为了制备根据本发明和比较例的切削刀具，对硬质合金切削刀具基底主体(组成：90.5重量％WC，1.5重量％TaC+NbC以及8.0重量％Co；几何形状：SEHW1204AFN)进行涂覆，这在具有1250mm的高度和325mm的直径的Bernex BPX 325S型圆柱形CVD反应器中进行。
使用第一前体气流PG1和第二前体气流PG2从中心气体分配管径向地引导基底主体上方的气流。至于制备期望的涂层所需的，第一前体气流PG1包括气体AlCl3、TiCl4、CH3CN、N2和氢气H2，并且至于制备期望的涂层所需的，第二前体气流PG 2包括NH3和H2。第一前体气流PG1和第二前体气流PG2被分开地引入反应器中，并且在进入反应区之前(即，在气体分配管出口之后)立即合并。
在下表1中给出用于不同层类型的沉积的实验条件。
表1：用于CVD层的沉积条件
制备具有不同层序列的涂层。下面的表2示出了根据本发明和比较例的各个样品层的层类型、层序列、沉积时间、厚度、纤维织构和织构系数。
在表2中：
L1＝紧挨在基底主体表面上的第一层
L2＝紧挨在第一h-AlN层(a)下方的层
L(a)＝h-AlN型的层(a)
L(b)＝Ti1-xAlxCyNz型的层(b)
n.d.＝没有确定
*＝对于所有Ti1-xAlxCyNz层的积分TC(hkl)
对TEM样品并且对AlN层、即层(a)进行EDS分析。在样品#1、#2和#3中未发现可测量 含量的W和Co。Ti含量在样品#1中为<0.3原子百分比，在样品#2中为0.14原子百分比，并且 在样品#3中为<0.5原子百分比。Cl含量在样品#1中为2.9原子百分比，在#样品2中为2.6原 子百分比，并且在样品#3中为2.2原子百分比。
切削测试
使用样品1至6的切削刀具刀片的铣削操作在以下条件下进行：
工件材料：钢DIN 42CrMo4
冷却液：无
每齿进刀量：fz＝0.2mm
切削深度：ap＝3mm
切削速度：vc＝283m/分钟
设定角度：κ＝45°
在4000mm的铣削距离上以800mm的步长观察到主切削刃上的最大后刀面磨损VBmax的产生和梳状裂纹的数量。下面的表3示出了VBmax在铣削距离上的产生。在铣削测试中，根据本发明的具有涂层的切削刀具(样品5)展示出比比较例明显更高的抗后刀面磨损性。
表3：切削测试结果

Claims (13)

1.一种涂覆的切削刀具，包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼制成的基底以及多层耐磨涂层，其中
所述多层耐磨涂层具有5μm至25μm的总厚度，并且包括通过化学汽相沉积(CVD)或中温化学汽相沉积(MT-CVD)沉积的耐火涂层，并且
所述多层耐磨涂层包括至少一对层(a)和(b)，其中，层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上，其中
-层(a)是具有六方晶体结构的氮化铝(h-AlN)的层，且厚度为10nm至750nm，其中，氯含量小于5原子百分比，优选小于2.5原子百分比，最优选小于1原子百分比，或为2-3原子百分比，并且
-层(b)是由通式Ti1-xAlxCyNz表示的氮化钛铝或碳氮化钛铝的层，其中，0.4≤x≤0.95，0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，其厚度为0.5μm至15μm，并且层(b)的Ti1-xAlxCyNz的至少90％具有面心立方(fcc)晶体结构，
-其中，所述多层耐磨涂层包括选自由氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛铝(TiAlN)和碳氮化钛铝(TiAlCN)构成的组中的层，所述层紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方，并且优选地是，所述层具有柱状晶粒形态。
2.根据权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，所述多层耐磨涂层包括一对层(a)和(b)，
或者
所述多层耐磨涂层包括由两对或更多对层(a)和(b)组成的层序列，优选为由2、3、4、5、6、7、8、9或10对层(a)和(b)组成的层序列。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，(a)类型的h-AlN层的厚度为10nm至400nm，优选为25nm至250nm，更优选为40nm至100nm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，类型(b)的fcc-Ti1- xAlxCyNz层的厚度为1μm至8μm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，在层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上的情况下，每对层(a)和(b)内的类型(a)的h-AlN层的厚度与类型(b)的Ti1- xAlxCyNz层的厚度的厚度比在0.01至0.5的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，在层(b)紧挨着沉积在层(a)的顶上的情况下，一对层(a)和(b)内的类型(b)的Ti1-xAlxCyNz层具有柱状晶粒形态和优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(1 1 1)>1.8，TC(1 1 1)定义如下：
其中，
I(111)＝(111)反射的测量强度
I0(111)＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(111)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方的层具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(2 0 0)>1.8，TC(2 0 0)定义如下：
其中
I(200)＝(200)反射的测量强度
I0(200)＝当所述层是TiAlN或TiAlCN层时，根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(200)反射的标准强度，并且当所述层是TiN或TiCN层时，根据JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据(200)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝当所述层是TiAlN或TiAlCN层时，根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度，并且当所述层是TiN或TiCN层时，根据JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方的层是碳氮化钛(TiCN)层并且具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(4 2 2)>1.8，TC(4 2 2)定义如下：
其中，
I(422)＝(422)反射的测量强度
I0(422)＝根据所应用的JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(422)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-42-1489号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝5)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)、(311)和(422)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，紧挨着沉积在类型(a)的第一h-AlN层下方的层是氮化钛铝(TiAlN)或碳氮化钛铝(TiAlCN)的层并且具有优选的结晶生长取向，其特征在于，织构系数TC(1 1 1)>1.8，TC(1 1 1)定义如下：
其中，
I(111)＝(111)反射的测量强度
I0(111)＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(111)反射的标准强度
I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡第00-046-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度
n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)
(hkl)i所使用的(hkl)i反射是：(111)、(200)、(220)和(311)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，层(b)的Ti1-xAlxCyNz的至少95％、优选至少97％具有面心立方(fcc)晶体结构。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，类型(a)的所述第一h-AlN层的W含量小于0.1原子百分比。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，类型(a)的所述第一h-AlN层的Co含量小于0.1原子百分比。
13.根据前述权利要求中任一项所述的涂覆的切削刀具，其中，类型(a)的所述第一h-AlN层的Ti含量小于0.5原子百分比，优选小于0.3原子百分比。
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