CN109312474B - Cvd涂层切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于金属的切屑成形加工的涂层切削工具，其包含具有涂覆有化学气相沉积(CVD)涂层的表面的基材。所述涂层切削工具包含涂覆有包含α‑Al2O3层的涂层的基材，其中所述α‑Al2O3层表现出织构系数TC(0 0 12)≥7.2并且其中I(0 0 12)/I(0 1 14)的比≥0.8。所述涂层还包含位于所述基材和所述α‑Al2O3层之间的MTCVD TiCN层。所述MTCVD TiCN层在所述MTCVD TiCN层的平行于所述涂层的外表面、且距所述MTCVD TiCN的外表面小于1μm的一部分中表现出如通过EBSD测量的{211}极图，其中在从所述涂层外表面的法线起0°≤β≤45°的倾斜角范围内，在0.25°的取向差角下，基于所述极图的数据的极点图显示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤45°内的强度的比≥45％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属的切屑成形加工的涂层切削工具，其包含具有涂覆有化学气相沉积(CVD)涂层的表面的基材。根据本发明的涂层切削工具特别可用于在例如金属材料(例如合金钢、碳钢或韧性硬化钢)的铣削、车削或钻削中的耐磨损性上具有高要求的应用中。
背景技术
硬质合金切削工具上的耐磨涂层的化学气相沉积(CVD)已有多年的工业实践。例如TiCN和Al2O3的涂层已经显示出改善了切削刀片在许多不同材料的切削上的耐磨性。内层TiCN和外层α-Al2O3的组合可见于许多设计用于例如钢的铣削或车削的商业切削刀片中。
EP1905870A2公开了一种涂层切削刀片，其包含具有至少一个α-Al2O3层的涂层，该涂层沿<0 0 1>方向显示出强的生长织构。在车削时，刀片的边缘韧性得到改善。
发明目的
本发明的一个目的在于提供一种在切削操作中具有改善的性能的涂氧化铝的切削工具刀片。本发明的另一个目的在于提供一种涂层切削工具，其具有改善的耐磨性，例如较高的耐月牙洼磨损性、在切削刃的塑性变形时的耐涂层剥落性、在润滑或无润滑的切削中的耐热裂纹性和/或增强的边缘线韧性。本发明的另一个目的在于提供一种在铣削中，例如在钢、合金钢、碳钢和韧性硬化钢的铣削中，具有高性能的切削工具。
发明内容
上述目的中的至少一个通过根据权利要求1所述的切削工具实现。优选的实施方式公开在从属权利要求中。
根据本发明的切削工具包含涂覆有涂层的基材，该涂层包含α-Al2O3层，其中α-Al2O3层的厚度为2μm至4μm，并且其中α-Al2O3表现出如通过X射线衍射使用CuKα辐射和θ-2θ扫描所测量的织构系数TC(hkl)，所述织构系数TC(hkl)根据Harris公式定义：
其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，
I0(hkl)是根据ICDD的00-010-0173号PDF卡的标准强度，n是该计算中使用的反射次数，并且其中使用的(hkl)反射是(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(2 14)、(3 0 0)和(0 0 12)，其中TC(0 0 12)≥7.2，优选≥7.4，更优选≥7.5，更优选≥7.6，最优选≥7.7，且优选≤8。并且其中I(0 0 12)/I(0 1 14)的比≥0.8，或≥1，优选≥1.5，更优选≥1.7，最优选≥2，其中I(0 0 12)是0 0 12反射的测量强度(积分面积)，并且I(0 1 14)是0 1 14反射的测量强度(积分面积)。
本发明的涂层还包含位于基材和α-Al2O3层之间的MTCVD TiCN层，其中所述MTCVDTiCN层的厚度为2μm至3μm。MTCVD TiCN层的晶粒是柱状的。
MTCVD TiCN层在所述MTCVD TiCN层的平行于所述涂层的外表面、且距所述MTCVDTiCN的外表面小于1μm、优选小于0.5μm的一部分中表现出如通过EBSD测量的{211}极图，其中在从涂层外表面的法线起0°≤β≤45°的倾斜角范围内，在0.25°的取向差角下，基于极图数据的极点图显示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤45°内的强度的比≥45％。
在一个实施方式中，MTCVD TiCN层在与上文限定的MTCVD TiCN的同一部分中表现出如通过EBSD测量的{110}极图，其中在从涂层外表面的法线起0°≤β≤45°的倾斜角范围内，在0.25°的取向差角下，基于极图数据的极点图显示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤45°内的强度的比≤30％。
MTCVD TiCN层的极图和极点图来自该层的靠近α-Al2O3层的部分。极图和极点图从MTCVD TiCN层的靠近α-Al2O3层的外表面起在1μm内，优选小于0.5μm内。
该MTCVD TiCN层显示出如下优点：最终切削工具的耐磨性可以在如下面示出的铣削切削测试中所呈现的几个方面得到改善。本发明的切削工具显示出较高的耐月牙洼磨损性、较高的在切削刃的塑性变形时的耐涂层剥落性、较高的在润滑和无润滑切削中的耐热裂纹性以及增强的边缘线韧性。已经认识到，MTCVD TiCN层的外侧部分的织构对于切削工具的工具寿命具有高度重要性，并且利用XRD进行的织构测量，该织构测量示出来自整个层的信息，并不足以公开本发明MTCVD TiCN层的改善的性能。替代地，定义了在MTCVD TiCN层涂层的靠近α-Al2O3层的部分中的EBSD测量。
通常用热CVD沉积α-Al2O3层。或者，可以使用其它CVD沉积方法。对于如下公开的所述涂层的任何其它层，情况也是如此。HTCVD在本文中定义为在950℃至1050℃温度范围内的CVD方法，而MTCVD为在800℃至950℃温度范围内的CVD方法。
α-Al2O3层至少覆盖所述切削工具的在切削操作中参与切削的区域，至少覆盖暴露于月牙洼磨损和/或侧刀面磨损的区域。或者，整个切削工具可以涂覆有α-Al2O3层和/或涂覆有所述涂层的任何其它层。
强<0 0 1>织构在本文中是指统计学上优选的生长，其中，与平行于基材表面的其它晶面相比，平行于基材表面的α-Al2O3(0 0 1)晶面频次更高。表达优选织构的手段是，基于在相应样品上测量的一组已确定的XRD反射而计算使用Harris公式(上面的公式(1))计算的织构系数TC(h k l)。XRD反射的强度是使用JCPDF卡来标准化，该JCPDF卡指示相同材料(例如α-Al2O3)但具有随机取向(例如呈粉末状的材料)的XRD反射的强度。结晶材料层的织构系数TC(h k l)>1表明，结晶材料的晶粒在其平行于基材表面的(h k l)晶面中的取向比在随机分布中的频次更高。织构系数TC(0 0 12)在本文中用于表明沿<0 0 1>晶向的优选晶体生长。在α-Al2O3晶系中，(0 0 1)晶面平行于(0 0 6)和(0 0 12)晶面。
在本发明的一个实施方式中，α-Al2O3层的厚度为2μm至4μm，优选2.5μm至3.5μm。
MTCVD TiCN在本文中是指Ti(Cx,N1-x)，其中0.2≤x≤0.8，优选0.3≤x≤0.7，更优选0.4≤x≤0.6。MTCVD TiCN的C/(C+N)比可以例如用电子微探针分析来测量。
在本发明的一个实施方式中，该涂层还包含位于MTCVD TiCN层的最外侧并与α-Al2O3层相邻的粘合层，该粘合层包含HTCVD沉积的TiN、TiCN、TiCNO和/或TiCO或其组合，优选HTCVD TiCN和TiCNO。粘合层用于增强在MTCVD TiCN层和α-Al2O3层之间的粘附性。优选在α-Al2O3层沉积之前使粘合层氧化。粘合层包含非柱状晶粒，例如等轴晶粒。所述粘合层的厚度优选为0.5μm至2μm、0.5μm至1.5μm或0.5μm至1μm。粘合层的厚度可以例如从涂层横截面的SEM图像来测量。
在本发明的一个实施方式中，涂层包含2μm至3μm的MTCVDTiCN和2μm至4μm的α-Al2O3层。该实施方式的粘合层优选为0.5μm至1μm。
在本发明的一个实施方式中，涂层包含最内TiN层，优选厚度为0.3μm至0.6μm。TiN层优选邻近基材定位。
在本发明的一个实施方式中，基材是硬质合金、金属陶瓷或陶瓷。这些基材具有适合本发明的涂层的硬度和韧性。
在本发明的一个实施方式中，涂层切削工具的基材由硬质合金组成，该硬质合金包含8重量％至15重量％Co，优选8.5重量％至14.5重量％Co，任选地0.5重量％至3重量％来自周期表的IVb、Vb和VIb族的金属，优选Nb、Ta、Cr或其组合的立方碳化物、氮化物或碳氮化物，和余量的WC。该实施方式可以是铣削刀片。
在本发明的一个实施方式中，α-Al2O3层是涂层的最外层。或者，一个或多个其它层可以覆盖α-Al2O3层，例如TiN、TiC、Al2O3和/或其组合的层。在本发明的一个实施方式中，所述一个或多个覆盖α-Al2O3层的其它层被从侧刀面或前刀面或切削刃或其组合中除去。
在本发明的一个实施方式中，通过喷砂或刷涂对涂层进行后处理，以释放CVD涂层的拉伸应力并降低表面粗糙度。
在本发明的一个实施方式中，所述切削工具是铣削刀片。
本发明还涉及如本文公开的涂层切削工具在例如钢，优选合金钢、碳钢或韧性硬化钢的铣削操作中的用途。所述切削工具在耐月牙洼磨损和耐侧刀面磨损的苛刻操作中，在切削刃的塑性变形时的耐剥落性以及耐热裂纹形成性方面已经具体地显示出增强的性能。
方法
CVD涂层沉积
以下实施例中的CVD涂层在其尺寸能够容纳10000个半英寸尺寸的切削刀片的径向离子键型CVD设备530中沉积。
X射线衍射测量
为了研究层的织构，使用配备有PIXcel检测器的PANalytical CubiX3衍射仪在侧刀面上进行X射线衍射。将涂层切削工具安装在样品夹持器中，以确保样品的侧刀面与样品夹持器的参考表面平行并且侧刀面还处于适当的高度。使用Cu-Kα辐射进行测量，其中电压为45kV且电流为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的范围内，即在10°至70°的入射角θ范围内，测量来自涂层切削工具的衍射强度。
使用PANalytical公司的X'Pert HighScore Plus软件进行包括数据的背景减除、Cu-Kα2去除和图形拟合的数据分析。然后使用该程序的输出(图形拟合曲线的积分峰面积)，通过使用如上公开的Harris公式(1)，比较所测量的强度数据与根据特定层(例如，TiCN或α-Al2O3层)的PDF卡的标准强度数据的比来计算层的织构系数。因为该层是有限厚度的膜，由于穿过该层的路径长度不同，因此在不同2θ角处的一对峰的相对强度与其大块样品的相对强度不同。因此，在计算TC值时，还考虑层的线性吸收系数而对所提取的图形拟合曲线的积分峰面积强度应用薄膜校正。由于在例如α-Al2O3层上方的可能的其它层将影响进入α-Al2O3层和离开整个涂层的X射线强度，因此还需要考虑层中相应化合物的线性吸收系数而对这些进行校正。如果TiCN层位于例如α-Al2O3层下方，则同样方式适用于TiCN层的X射线衍射测量。或者，可以通过基本上不影响XRD测量结果的方法如化学蚀刻除去氧化铝层上方的其它层，例如TiN。
为了研究α-Al2O3层的织构，使用CuKα辐射进行X射线衍射，并且根据如上公开的Harris公式(1)计算α-Al2O3层的柱状晶粒的不同生长方向的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)＝(hkl)反射的测量(积分面积)强度，I0(hkl)＝根据ICDD的00-010-0173号PDF卡的标准强度，n＝将在计算中使用的反射次数。在这种情况下，使用的(hkl)反射是：(1 0 4)、(1 10)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 0 12)。在I(0 0 12)/I(0 1 14)的比的计算中，(0 0 12)峰和(0 1 14)峰的积分峰面积强度被分开，与任何PDF卡无关。在计算所述比之前，对所测量的积分峰面积进行薄膜校正，并对于α-Al2O3层上方(即在其顶上)的任何其它层进行校正。
根据如前所公开的Harris公式(1)来计算TiCN层的柱状晶粒的不同生长方向的织构系数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42-1489号PDF卡的标准强度，n是在计算中将使用的反射次数。在这种情况下，使用的(hkl)反射是(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)。
应注意，峰重叠是在包含例如多个结晶层和/或沉积在包含结晶相的基材上的涂层的X射线衍射分析中可能发生的现象，并且本领域技术人员必须考虑这点并加以补偿。来自α-Al2O3层的峰与来自TiCN层的峰的峰重叠可能影响测量并且需要考虑。还应注意，例如，基材中的WC可具有接近本发明的相关峰的衍射峰。
EBSD测量
通过使用具有20mm毡轮的Gatan公司的656型凹坑研磨机、施加20克重量并使用名为“Master Polish 2”的Buehlers抛光悬浮液，来抛光所述涂层表面来制备涂层刀片的表面以进行电子背散射衍射(EBSD)表征。进行抛光直到刚刚获得足够大且光滑的MTCVD TiCN涂层的表面，从而确保被表征区域来自MTCVD TiCN涂层的顶部。立即清洁表面以除去残留的抛光悬浮液并用清洁空气喷雾干燥。
将制备的样品安装在样本夹持器上并插入扫描电子显微镜(SEM)中。样品相对于水平面倾斜70°并朝向EBSD检测器。用于表征的SEM是在15kV下操作的Zeiss Supra 55VP，使用60μm物镜孔径，应用“高电流”模式并且在0.128托的SEM室压力下以可变压力(VP)模式操作。使用的EBSD检测器是使用牛津仪器公司“AZtec”软件3.1版操作的牛津仪器公司NordlysMax检测器。通过将聚焦电子束施用到抛光的表面上并使用0.05μm的步长对500×300(X×Y)测量点依次采集EBSD数据，来进行EBSD数据采集。“AZtec”软件使用的用于数据采集的参考相是：“Electrochem.Soc.(电化学协会)[JESOAN],(1950)，第97卷，第299至304页”并且在“AZtec”软件中被称为“Ti2C N”。
附图说明
图1是根据本发明的涂层C01的横截面的SEM图像。该涂层包含TiN层(E)、MTCVDTiCN层(D)、粘合层(B)和最外面的α-氧化铝层(A)。MTCVD TiCN的表现出EBSD极点图的部分(C)在该图中示出。
图2是涂层C01的极图{211}和{110}的轮廓版本。如标签所示，最大强度设置为3。
图3是来自涂层C01的EBSD极图数据的{211}极点图，在0°≤β≤45°的倾斜角度范围内，取向差角为0.25°。
图4是来自涂层C01的EBSD极图数据的{110}极点图，在0°≤β≤45°的倾斜角度范围内，取向差角为0.25°。
图5是来自涂层C06的极图{211}和{110}的轮廓版本。如标签所示，最大强度设置为3。
图6是来自涂层C06的EBSD极图数据的{211}极点图，在0°≤β≤45°的倾斜角度范围内，取向差角为0.25°。
图7是来自涂层C06的EBSD极图数据的{110}极点图，在0°≤β≤45°的倾斜角度范围内，取向差角为0.25°。
具体实施方式
实施例
现在将更详细地公开本发明的示例性实施方式，并与参考实施方式进行比较。在切削测试中制造、分析和评价涂层切削工具(刀片)。
实施例1-涂层制备
涂层C01
通过采用熟知的MTCVD技术，使用TiCl4、CH3CN、N2、HCl和H2，在885℃下首先用大约0.4μm的薄TiN层、然后用约2.5μm的TiCN层涂覆具有Coromant R390-11T308M-PM、CoromantR245-12T3M-PM1和ISO型SNMA 120408几何形状的刀片。TiN和TiCN沉积的细节示于表1中。
表1.TiN和TiCN的MTCVD沉积
内侧TiCN和外侧TiCN的沉积时间分别为10分钟和65分钟。在MTCVD TiCN层的顶上是通过由四个单独的反应步骤组成的方法在1000℃下沉积的0.5μm-1μm粘合层。首先使用TiCl4、CH4、N2、HCl和H2在400毫巴下进行HTCVD TiCN步骤，然后使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2在70毫巴下进行第二步骤(TiCNO-1)，然后使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2在70毫巴下进行第三步骤(TiCNO-2)，最后使用TiCl4、CO、N2和H2在70毫巴下使用第四步骤(TiCNO-3)。在第三和第四沉积步骤期间，如表2中呈现的第一起始水平和第二停止水平所示地连续改变一些气体。在后续Al2O3成核开始之前，将粘合层在CO2、CO、N2和H2的混合物中氧化4分钟。粘合层沉积的细节示于表2中。
表2.粘合层沉积
在粘合层的顶上沉积α-Al2O3层。在两个步骤中在1000℃和55毫巴下沉积α-Al2O3层。第一步骤使用1.2体积％AlCl3、4.7体积％CO2、1.8体积％HCl和余量的H2，得到约0.1μmα-Al2O3，且第二步骤使用1.2％AlCl3、4.7％CO2、2.9％HCl、0.58％H2S和余量的H2，得到约3μm的α-Al2O3层总厚度。
喷砂涂层C01的横截面的SEM图像示于图1中。从基材起看，涂层C01包含TiN层；MTCVD TiCN层，即内侧MTCVD TiCN和外侧MTCVD TiCN；粘合层，即HTCVD TiCN、TiCNO-1、TiCNO-2、TiCNO-3；以及最外的α-Al2O3层。这些层的厚度可以例如在SEM图像中研究。
涂层C02
通过采用熟知的MTCVD技术，使用TiCl4、CH3CN、N2、HCl和H2，在885℃下首先用大约0.4μm的薄TiN层、然后用约1.5μm的TiCN层涂覆如在涂层C01中使用的相同类型的几何形状。在TiCN层的MTCVD沉积的初始部分中TiCl4/CH3CN的体积比为6.6，接下来的期间使用3.7的TiCl4/CH3CN的比。TiN和TiCN沉积的细节示于表1中。
内侧TiCN和外侧TiCN的沉积时间分别为30分钟和10分钟。在MTCVD TiCN层的顶上是通过由四个单独的反应步骤组成的方法在1000℃下沉积的1μm-2μm粘合层。首先使用TiCl4、CH4、N2、HCl和H2在400毫巴下进行HTCVD TiCN步骤，然后使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2在70毫巴下进行第二步骤(TiCNO-1)，然后使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2在70毫巴下进行第三步骤(TiCNO-2)，最后使用TiCl4、CO、N2和H2在70毫巴下使用第四步骤(TiCNO-3)。在第三和第四沉积步骤期间，如表2中呈现的第一起始水平和第二停止水平所示地连续改变一些气体。与涂层C01相比，粘合层的生长步骤时间加倍。在后续Al2O3成核开始之前，将粘合层在CO2、CO、N2和H2的混合物中氧化4分钟。粘合层沉积的细节示于表2中。
在粘合层的顶上沉积α-Al2O3层。在两个步骤中在1000℃和55毫巴下沉积α-Al2O3层。第一步骤使用1.2体积％AlCl3、4.7体积％CO2、1.8体积％HCl和余量的H2，得到0.1μmα-Al2O3，且第二步骤使用1.2％AlCl3、4.7％CO2、2.9％HCl、0.58％H2S和余量的H2，得到约3μm的α-Al2O3层总厚度。
涂层C03
涂层C03对应于涂层C01，但不同之处在于外侧TiCN沉积105分钟而不是65分钟，并且α-Al2O3层厚度沉积到约2μm。
涂层C04
涂层C04对应于涂层C01，但不同之处在于外侧TiCN沉积25分钟而不是65分钟，并且Al2O3层厚度沉积到约4μm。
涂层C05
通过采用熟知的MTCVD技术，使用TiCl4、CH3CN、N2、HCl和H2，在885℃下首先用大约0.4μm的薄TiN层、然后用约1.5μm的TiCN层涂覆与先前涂层相同类型的几何形状。在TiCN层的MTCVD沉积中TiCl4/CH3CN的体积比为2.2。TiN和TiCN沉积的细节示于表3中。
表3.TiN的沉积和TiCN的MTCVD
在MTCVD TiCN层的顶上是0.5μm-1μm粘合层，所述粘合层是在1010℃下使用3.03体积％TiCl4、6.06体积％CO和90.1体积％H2在55毫巴下沉积的。在后续Al2O3成核开始之前，将粘合层在H2、CO2和HCl的混合物中氧化2分钟。
在粘合层的顶上沉积α-Al2O3层。在两个步骤中在1010℃和55毫巴下沉积α-Al2O3层。第一步骤使用2.3体积％AlCl3、4.6体积％CO2、1.7体积％HCl和余量的H2，得到约0.1μmα-Al2O3，且第二步骤使用2.2％AlCl3、4.4％CO2、5.5％HCl、0.33％H2S和余量的H2，得到约2,7μm的α-Al2O3层总厚度。
涂层C06
涂层C06对应于涂层C02，但不同之处在于外侧TiCN沉积40分钟而不是10分钟，并且沉积工艺在该步骤之后停止。
实施例2-织构分析
在光学显微镜下通过在1000x放大率下研究每个涂层的横截面来分析层厚度。厚度也可以在SEM图像中研究。结果呈现在表4中。
根据如上公开的方法，使用XRD分析α-Al2O3和MTCVD TiCN的TC值。在涂覆的ISO型SNMA120408硬质合金基材上进行织构分析。应注意，MTCVD TiCN的TC(311)受到WC峰的干扰，并且在计算如表5中呈现的TC(220)和TC(422)时不对其进行校正。
表4.层厚度和TC
高TC(0 0 12)有利于提供高的耐月牙洼磨损性。α-Al2O3层的织构通过沉积期间的工艺参数控制，并随着α-Al2O3层的层厚度的增加而发展。α-Al2O3层的织构也受先前MTCVDTiCN层的织构的影响。如果α-Al2O3层太薄，则其取向不太明显。C01和C04具有非常高的TC(00 12)，并且也是最耐月牙洼磨损的，如下所示。C03可能太薄而不能提供非常高的TC(0 012)值。参考C02和C05沉积在不同的TiCN上并且利用不同的α-Al2O3CVD工艺，并且没有示出高TC(0 0 12)值。
表5.MTCVD TiCN的织构系数
| 涂层 | TC(220) | TC(422) |
| C01 | 0.56 | 1.96 |
| C02 | 0.71 | 0.95 |
| C03 | 0.46 | 2.36 |
| C04 | 0.75 | 0.78 |
| C05 | 1.76 | 0.47 |
| C06 | 1.05 | 1.06 |
从MTCVD TiCN的TC值可以注意到，TC(422)和TC(220)都相对较低。还可以注意到，当将利用相应的MTCVD TiCN工艺沉积的C04(1.7μm)、C01(2μm)和C03(3.3μm)进行比较时，MTCVD TiCN越厚，则TC(422)值越高，而TC(220)值越低。
在MTCVD TiCN层的平行于涂层外表面且距涂层C01、C02、C03、C04和C06的MTCVDTiCN的外表面小于1μm的一部分中，通过EBSD测量极图。对于该测量，涂层C01和C06具有作为最外层的MTCVD层，而涂层C02、C03和C04的外层在测量之前通过如上所公开的凹坑研磨机抛光而被除去。在任何EBSD分析之前，任何外层都可以由本领域技术人员例如通过研磨和抛光除去。
使用牛津仪器公司“HKL Tango”软件5.12.60.0版(64位)和牛津仪器公司“HKLMambo”软件5.12.60.0版(64位)进行所采集的EBSD数据的晶体取向数据提取。使用“HKLMambo”软件从采集的EBSD数据中检索使用等面积投影和上半球投影的极图。所检索的极图用于Z方向垂直于涂层外表面的{211}极点和{110}极点。对于极点图中的取向差角使用0.25°的组距、且对于角度测量范围β是从β＝0°至β≤45°，来提取{211}和{110}极图两者的极点图。极点图中的在β＝0至β≤15°范围内的强度与极点图中的在β＝0°至β≤45°范围内的总强度有关。涂层C01的{211}和{110}的极点图分别示于图3和图4中。涂层C06的{211}和{110}的极点图分别示于图6和图7中。对于涂层C01、C02、C03、C04和C06，与极点图中的在β＝0°至β≤45°范围内的总信号有关的极点图中的在β＝0至β≤15°范围内的信号呈现在表6中。
表6.EBSD数据
使用10.0°的半宽度和5.0°的数据分组来计算极图的轮廓版本以说明织构。涂层C01的轮廓极图{211}和{110}示于图2中，涂层C06的轮廓极图{211}和{110}示于图5中。在极图的这些轮廓版本中，最大的所谓全局强度设定为3MUD。
实施例3-切削测试
在切削磨损测试之前，使用氧化铝在水中的浆料在湿式喷砂设备中将刀片在前刀面上喷砂，并且切削刀片的前刀面与喷砂器浆料的方向之间的角度为约90°。氧化铝砂粒为F220，浆料对喷枪的压力为1.8巴，空气对喷枪的压力为2.0巴，每单位面积喷砂的平均时间为5秒，且喷枪喷嘴与刀片表面的距离为约137mm。喷砂的目的在于影响涂层中的残余应力和表面粗糙度，从而改善后续磨损测试中刀片的性质。
在五个单独的切削测试中评价涂层C01-C05。
切削测试1
该测试用于评价在切削工具的前刀面处的耐月牙洼磨损性。在月牙洼磨损测试中，涂层C01-C05沉积在硬质合金基材上，所述基材的组成为约9.14重量％Co、1.15重量％Ta、0.27重量％Nb、5.55重量％C和余量的W。
使用以下切削数据，在工件材料Toolox 33中以顺铣方式测试喷砂处理的Coromant R39011-T308M-PM型的涂层切削工具：
切削速度vc：300m/分钟
每齿切削进给量，fz：0.2mm/齿
切削的轴向深度，ap：2mm
切削的径向深度，ae：50mm
齿数，z：1
没有使用切削流体。
在分析月牙洼磨损时，使用光学显微镜测量暴露的基材的面积。在4次切削，即8分钟切削后评价每个切削工具的磨损。对每种类型的涂层进行三次平行测试，结果的平均值示于表7中。
切削测试2
这是评价边缘线中的耐崩裂性的测试。在边缘线韧性磨损测试中，涂层C01-C05沉积在硬质合金基材上，所述基材的组成为约13.5重量％Co、0.57重量％Cr、5.19重量％C和余量的W。
使用以下切削数据，在进入未硬化的工件材料Dievar的切削入口的数量方面对喷砂处理的Coromant R39011-T308M-PM型涂层切削工具进行测试：
切削速度vc：150m/分钟
每齿切削进给量，fz：0.15mm/齿
切削的轴向深度，ap：3mm
切削的径向深度，ae：12mm
齿数，z：1
切削长度：12mm
没有使用切削流体。
在分析边缘线韧性时，研究了直到达到截止标准之前的入口数量。该测试中的截止标准是边缘线的至少0.5mm的崩裂或者在侧刀面或前刀面处的0.2的测量深度。使用光学显微镜研究崩裂。对每种类型的涂层进行8至10次平行测试。结果作为平均值示于表7中。
切削测试3
在塑性变形耐磨损测试中，评价了在切削刃被压时切削刃的耐塑性变形性。涂层C01-C05沉积在硬质合金基材上，所述基材的组成为约9.14重量％Co、1.15重量％Ta、0.27重量％Nb、5.55重量％C和余量的W。
使用以下切削数据，在工件材料Toolox 33中以顺铣方式测试喷砂的CoromantR39011-T308M-PM型的涂层切削工具：
切削速度vc：300m/分钟
每齿切削进给量，fz：0.15mm/转
切削的轴向深度，ap：1.5mm
切削的径向深度，ae：75mm
齿数，z：1
没有使用切削流体。
在分析边缘线压痕处的耐塑性变形性时，使用光学显微镜测量暴露的基材的面积。工具寿命标准设定为暴露基材的宽度≥0.2mm。对每种类型的涂层进行三次平行测试。实验的平均值示于表7中。
切削测试4
耐热裂纹性测试是对热裂纹和作为这些裂纹的结果的崩裂形成的抵抗性的测试。在该测试中，涂层C01-C05沉积在硬质合金基材上，所述基材的组成为约13.5重量％Co、0.57重量％Cr、5.19重量％C和余量的W。
使用以下切削数据，在工件材料Toolox 33中以逆铣方式测试喷砂处理的Coromant R39011-T308M-PM型的涂层切削工具：
切削速度vc：250m/分钟
每齿切削进给量，fz：0.2mm/转
切削的轴向深度，ap：3mm
切削的径向深度，ae：40mm
齿数，z：1
使用切削流体。
在分析磨损时，使用光学显微镜研究涂层的崩裂。寿命标准设定为崩裂深度≥0.3mm或崩裂宽度≥1.0mm。对每种类型的涂层进行2至5次平行测试。结果作为平均值示于表7中。
切削测试5
该测试评价干式加工中的耐热裂纹性。当形成热裂纹时，边缘将遭受塑性变形。在该磨损测试中，涂层C01-C05沉积在硬质合金基材上，所述基材的组成为约9.14重量％Co、1.15重量％Ta、0.27重量％Nb、5.55重量％C和余量的W。
使用以下切削数据，在工件材料Toolox 33中以顺铣方式测试喷砂处理的Coromant R245-12T3M-PM型的涂层切削工具：
切削速度vc：300m/分钟
每齿切削进给量，fz：0.46mm/齿
切削的轴向深度，ap：2mm
切削的径向深度，ae：20mm
齿数，z：1
没有使用切削流体。
在分析月牙洼磨损时，使用光学显微镜测量暴露的基材的面积。工具寿命标准设定为暴露的基材的宽度超过0.25mm。对每种类型的涂层进行两次平行测试。平均值结果示于表7中。
表7.切削测试的结果
可以得出结论，C01是整体性能最佳的涂层。涂层的各层的特定厚度和取向的选择给出了意想不到的最佳性质。本发明的涂层切削工具在广泛的要求严苛的金属切削应用中表现最佳。
虽然已经结合多种示例性实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式；相反，本发明旨在涵盖权利要求内的多种修改和等同布置。
Claims (13)
1.一种涂层切削工具，其包含涂覆有涂层的基材，所述涂层包含α-Al2O3层，其中所述α-Al2O3层的厚度为2μm至4μm，并且其中所述α-Al2O3层表现出如通过X射线衍射使用CuKα辐射和θ-2θ扫描所测量的织构系数TC(hkl)，所述织构系数TC(hkl)根据Harris公式定义：
其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的00-010-0173号PDF卡的标准强度，n是所述计算中使用的反射的次数，并且其中使用的(hkl)反射是(1 04)、(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(0 0 12)≥7.2，且其中I(0 0 12)/I(0 1 14)的比≥0.8，且其中所述涂层还包含MTCVD TiCN层，所述MTCVD TiCN层位于所述基材和所述α-Al2O3层之间，其中所述MTCVDTiCN层的厚度为2μm至3μm，并且其中所述MTCVD TiCN层在所述MTCVD TiCN层的平行于所述涂层的外表面、且距所述MTCVD TiCN的外表面小于1μm的一部分中表现出如通过EBSD测量的{211}极图，其中在从所述涂层外表面的法线起0°≤β≤45°的倾斜角范围内，在0.25°的取向差角下，基于所述极图的数据的极点图显示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤45°内的强度的比≥45％。
2.根据权利要求1所述的涂层切削工具，其中所述MTCVD TiCN层在如权利要求1限定的所述MTCVD TiCN的同一部分中表现出如通过EBSD测量的{110}极图，其中在从所述涂层外表面的法线起0°≤β≤45°的倾斜角范围内，在0.25°的取向差角下，基于所述极图的数据的极点图显示出在β≤15°倾斜角内的强度与在0°≤β≤45°内的强度的比≤30％。
3.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述α-Al2O3层的厚度为2.5μm至3.5μm。
4.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述涂层还包含位于所述MTCVD TiCN层的最外侧并与所述α-Al2O3层相邻的粘合层，所述粘合层包含HTCVD沉积的TiN、TiCN、TiCNO和/或TiCO或其组合。
5.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述涂层还包含位于所述MTCVD TiCN层的最外侧并与所述α-Al2O3层相邻的粘合层，所述粘合层包含HTCVD TiCN和TiCNO。
6.根据权利要求4所述的涂层切削工具，其中所述粘合层的厚度为0.5μm至1μm。
7.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，还包含与所述基材相邻的最内侧TiN层。
8.根据权利要求7所述的涂层切削工具，其中所述TiN层的厚度为0.3μm至0.6μm。
9.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述基材是硬质合金、金属陶瓷或陶瓷。
10.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述基材是Co含量为8重量％至15重量％的硬质合金。
11.根据权利要求1或2所述的涂层切削工具，其中所述切削工具是铣削刀片。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具在钢的铣削操作中的用途。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具在合金钢、碳钢或韧性硬化钢的铣削操作中的用途。
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