CN110100046A

CN110100046A - 涂层切削工具

Info

Publication number: CN110100046A
Application number: CN201880005278.4A
Authority: CN
Inventors: 德克·施廷斯; 托斯滕·曼斯
Original assignee: Walter AG
Current assignee: Walter AG
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP2020506811A; US11286570B2; US20200002819A1; WO2018138255A1; CN110100046B; KR102531798B1; KR20190103223A; EP3574129A1; JP7101178B2

Abstract

本发明涉及一种包含基底和涂层的涂层切削工具，其中涂层包含4‑14μm厚Ti_1‑xAl_xN的内层、0.05‑1μm TiCN的中间层和至少一个1‑9μmα‑Al₂O₃的外层，其中，使用CuKα辐射和θ‑2θ扫描进行测量，所述α‑Al₂O₃层表现出X射线衍射图谱，并且织构系数TC(hkl)是根据Harris公式限定的，其中所用的(hkl)反射是(0 2 4)、(1 1 6)、(3 0 0)和(0 0 12)，I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度(峰强度)，I0(hkl)＝根据ICDD的00‑042‑1468号PDF卡的标准强度，n＝计算中使用的反射数量，并且3<TC(0 0 12)<4。

Description

涂层切削工具

技术领域

本发明涉及一种具有硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢、立方氮化硼或高速钢基体以及通过CVD工艺沉积并且厚度在5μm至24μm的范围内的单层或多层磨损保护涂层的工具，其中所述磨损保护涂层至少包含Ti_1-xAl_xN层，其中0.40≤x≤0.95，其厚度在4μm至14μm的范围内并具有>90体积％面心立方(fcc)晶体结构。本发明还涉及用于制造本发明工具的方法。

背景技术

用于金属切削操作例如钻削、铣削和车削的切削工具由于它们通常用于非常磨蚀和发热的操作中，所以需要是高度耐磨和抗氧化的。涂层的切削工具是本领域中已知的，并且可以通过PVD和/或CVD施加硬质材料层。

US8389134公开了一种CVD涂层的切削工具，其包含Al₂O₃外层和Ti_1-xAl_xN内层。

发明目的

本发明的目的是提供用于钢或铸造材料的切屑成形金属机械加工的涂层工具，与现有技术相比，所述工具在干式机械加工中以及在使用冷却剂下表现出改善的耐磨性和改善的抗梳状裂纹性。另一个目的是提供一种适用于钢车削的涂层切削工具。

发明内容

本发明涉及一种包含基底和涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包含4-14μm厚Ti_1-xAl_xN的内层、0.05-1μm TiCN的中间层和至少一个1-9μmα-Al₂O₃的外层，其中，使用CuKα辐射和θ-2θ扫描进行测量，所述α-Al₂O₃层表现出X射线衍射图谱，并且织构系数TC(hkl)是根据如下Harris公式限定的，

其中所用的(hkl)反射是(0 2 4)、(1 1 6)、(3 0 0)和(0 0 12)，I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度(峰强度)，I0(hkl)＝根据ICDD的00-042-1468号PDF卡的标准强度，n＝计算中使用的反射数量，并且其中3<TC(0 012)<4。

所述切削工具是用于切屑金属切削的工具，并且可以例如是钻头、铣刀或用于钻削、铣削或车削的刀片。所述切削工具优选是用于车削、优选用于钢车削的刀片。

本发明的切削工具上的耐磨涂层包含高度耐磨的Ti_1-xAl_xN层和非常抗月牙洼磨损的α-Al₂O₃层。这两层是对所述切削工具涂层的耐磨性贡献最大的层。所述涂层可包含其它层，以例如改善层的粘附性和/或改善所述涂层切削工具的视觉外观。这样的附加层例如可以是TiN、TiCN、TiAlN、TiCO、TiCNO、AlTiCNO、AlTiCO等。

所述TiCN中间层相对较薄，仅0.05-1μm。该TiCN层的目的是为随后的耐磨α-Al₂O₃层提供良好的粘附性和合适的起始层。在本发明的一个实施方式中，所述TiCN中间层的厚度为0.05-0.3μm。相对于α-Al₂O₃层和/或Ti_1-xAl_xN层，所述TiCN层通常非常薄。

在本发明的一个实施方式中，所述TiCN中间层的TC(111)为>3，其中织构系数TC(111)如下限定，

其中I(hkl)是通过X射线衍射测量的衍射反射的强度，I₀(hkl)是根据pdf卡00-042-1489的衍射反射的标准强度，n是计算中使用的反射数量，并且为了计算TC(111)，使用反射(111)、(200)、(220)和(311)。

所述中间TiCN层优选与所述Ti_1-xAl_xN层为外延关系，即，晶粒以相同的取向连续生长通过这些层而不是在界面处再次成核。这是优选的，既由于高粘附性，也因为可以认为高度取向。高度取向，即高TC值，是有利的，因为它提供高耐磨性。

在本发明的一个实施方式中，所述α-Al₂O₃层中的Σ3晶界长度与总晶界长度之比为>30％。所述晶界长度用EBSD在所述α-Al₂O₃层的抛光表面上测量。所述抛光表面平行于基底的表面。Σ3晶界被认为对所述α-Al₂O₃层的高耐磨性有贡献。在一个实施方式中，所述EBSD测量在所述α-Al₂O₃层厚度的30％至70％的剩余层厚度处进行，优选在大约所述α-Al₂O₃层厚度的中间进行。

在本发明的一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xN层具有至少90体积％、优选至少95体积％、特别优选约98体积％的面心立方(fcc)晶体结构。

在本发明的一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xN层具有柱状微结构。

在本发明的一个实施方式中，在Ti_1-xAl_xN微晶的晶界处存在Ti_1-yAl_yN的析出物，所述析出物具有比内部微晶更高的Al含量并且包含具有六方晶体结构(hcp)的AlN，其中y>x。

在本发明的一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xN层具有0.60≤x≤0.90的化学计量系数。

在本发明的一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xN层相对于晶体学{111}平面具有优先的晶体生长取向，其特征在于织构系数TC(111)>3，优选>3.5，其中所述织构系数TC(111)如下限定：

其中

-I(hkl)是通过X射线衍射测量的衍射反射的强度，

-I₀(hkl)是根据pdf卡00-046-1200的衍射反射的标准强度，

-n是计算中使用的反射数量，以及

-为了计算TC(111)，使用反射(111)、(200)、(220)和(311)。

在本发明的一个实施方式中，所述TiCN层的厚度为0.1-0.3μm，优选0.1-0.2μm。

在本发明的一个实施方式中，所述TiCN层的TiCN晶粒的平均高宽比为≤1，其中所述高宽比定义为高度(即层厚度)与宽度之比。

在本发明的一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xN层的厚度t(Ti_1-xAl_xN)相对于所述α-Al₂O₃层的厚度t(α)的关系是，t(Ti_1-xAl_xN):t(α)为2:1至3:1。这些厚度关系在增加耐磨性方面已显示出优势。

在本发明的一个实施方式中，所述涂层包含优选厚度为0.1-2μm、优选0.2-1μm或0.2-0.5μm的TiN最内层。该最内层直接沉积在所述基底上。该最内层优选与所述Ti_1-xAl_xN层直接接触。

在本发明的一个实施方式中，涂层包含在Ti_1-xAl_xN和TiCN之间的TiN中间层。该中间TiN层的厚度优选为0.05-0.1μm。该中间TiN层优选与所述Ti_1-xAl_xN层直接接触。该中间TiN层优选与所述TiCN层直接接触。

所述基底可以由硬质合金、金属陶瓷、钢、陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成。在本发明的一个实施方式中，所述基底是硬质合金的。所述硬质合金优选具有的粘结相含量为4-9重量％。所述硬质合金优选包含80-90重量％WC。所述硬质合金优选在所述粘结相中包含Co。

附图说明

图1显示了样品A1(本发明)的贯穿切割的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图2显示了样品A1(本发明)的贯穿切割的扫描电子显微镜(SEM)图像。

实施例

沉积过程

在本实施例中，使用具有切削刀片几何形状CNMA120408的硬质合金基底。所述硬质合金组成是86.1重量％WC、5.5重量％Co、8.0重量％(NbC、TaC和TiC)和0.4重量％其它碳化物。所述基底具有约20μm的粘结相富集表面区域。

所述基底在Bernex BPX325S型CVD涂层室中进行CVD涂覆，所述涂覆室的反应器高度为1250mm、反应器直径为325mm并且负载体积为40升。

本发明的示例性涂层和参比涂层使用本文所述的设备和下表1a、1b、2a和2b中给出的工艺条件获得。然而，产生CVD涂层的工艺条件可以在一定程度上取决于所使用的设备而变化，这是本领域公知的。因此，修改用于实现本发明涂层性能的沉积条件和/或设备在本领域技术人员的权限内。

样品A1(发明)：

从基底的表面开始，对基底沉积下列层的涂层：0.25μm TiN，9.0μm Ti_1-xAl_xN，0.075μm TiN，0.3μm TiCN，3.2μmα-Al₂O₃。沉积条件显示在表1a1和1b1中。

在850℃的温度下在基底上沉积TiN基层。反应气体包含TiCl₄、N₂、H₂。

在725℃的温度下沉积Ti_1-xAl_xN层。反应气体包含TiCl₄、AlCl₃、NH₃、H₂。

然后在725℃的温度下在所述Ti_1-xAl_xN层上直接沉积中间TiN层。反应气体包含TiCl₄、NH₃、H₂。

然后在850℃的温度下在所述中间TiN层上直接沉积TiCN层。反应气体包含TiCl₄、CH₃CN、N₂、H₂。

作为粘合层，将所述TiCN层在氧化步骤中用CO、CO₂和H₂氧化。

然后在850℃的温度下在所述粘合层上沉积α-Al₂O₃层。反应气体包含AlCl₃、CO₂、H₂、HCl、H₂S、CO。所述α-Al₂O₃层的沉积以两个沉积步骤进行，其中在第一步骤中生长成核层，并在第二步骤中，使所述α-Al₂O₃层生长至期望的厚度。

表1a1.在样品A1上沉积期间的工艺参数

层	温度[℃]	压力[mbar]	时间[分钟]
				TiN	850	150	60
Ti<sub>1-x</sub>Al<sub>x</sub>N	725	8	90
				TiN	725	8	3
TiCN	850	75	5
				氧化	850	75	5
α-Al2O3	850	75	20
				α-Al2O3	850	75	210

表1b1.在样品A1上沉积期间的反应气体

样品A2(发明)：

从基底的表面开始，对基底沉积下列层的涂层：0.5μm TiN，4.7μm Ti_1-xAl_xN，0.25μm TiN，0.6μm TiCN，3.0μmα-Al₂O₃。沉积条件显示在表1a2和1b2中。

在700℃的温度下沉积Ti_1-xAl_xN层。反应气体包含TiCl₄、AlCl₃、NH₃、H₂。

然后在700℃的温度下在所述Ti_1-xAl_xN层上直接沉积中间TiN层。反应气体包含TiCl₄、NH₃、H₂。

表1a2.在样品A2上沉积期间的工艺参数

层	温度[℃]	压力[mbar]	时间[分钟]
				TiN	850	150	90
Ti<sub>1-x</sub>Al<sub>x</sub>N	700	7	75
				TiN	700	7	10
TiCN	850	75	10
				氧化	850	75	5
α-Al2O3	850	75	30
				α-Al2O3	850	100	240

表1b2.在样品A2上沉积期间的反应气体

样本B1(参比)：

对硬质合金基底从所述基底的表面开始沉积下列层的涂层：0.4μm TiN，7.8μmTiCN，1.3μm TiAlCNO，3.4μmα-Al₂O₃。所述TiCN和所述α-Al₂O₃层二者的沉积均以两个沉积步骤进行，其中在第一步骤中生长成核层，并且在第二步骤中，使所述层生长至期望的厚度。沉积条件显示在表2a1和2b1中。

表2a1.在样品B1上沉积期间的工艺参数

层	温度[℃]	压力[mbar]	时间[分钟]
				TiN	920	160	45
TiCN	900	60	44
				TiCN	900	90	110
TiAlCNO	1010	120	35
				氧化	1010	65	5
α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	1015	65	30
				α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	1015	65	180

表2b1.在样品B1上沉积期间的反应气体

样本B2(参比)：

对硬质合金基底从所述基底的表面开始沉积下列层的涂层：0.3μm TiN，4.6μmTiCN，<0.1μm TiAlCNO，2.4μmα-Al₂O₃。沉积条件显示在表2a2和2b2中。

表2a2.在样品B2上沉积期间的工艺参数

层	温度[℃]	压力[mbar]	时间[分钟]
				TiN	800	600	90
TiCN	800	80	120
				TiAlCNO	800	70	20
氧化	800	75	4
				α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	800	55	30
α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	800	200	240

表2b2.在样品B2上沉积期间的反应气体

从所述涂层制备横截面SEM显微照片，样品A1的横截面显示在图1和2中。样品A1和样品A2的Ti_1-xAl_xN层是Ti_0.15Al_0.85N层，即x＝0.85。

涂层分析和结果

将所述涂层在X射线衍射测量中进行分析。

X射线衍射测量在GE Sensing and Inspection Technologies的XRD3003PTS衍射仪中使用CuKα-辐射进行。X射线管以40kV和40mA的点聚焦运行。使用具有固定尺寸测量孔径的多毛细管准直透镜的平行光束光学部件用在初级侧，从而以避免X射线束溢出样品的涂层面这样的方式限定样品的照射区域。在次级侧，使用具有发散度为0.4°的Soller狭缝和25μm厚的Ni K_β滤光器。进行薄膜校正和吸收校正，并且使用的线性吸收系数为μ^α-Al2O3＝0.01258μm^-1和μ^TiCN＝0.08048μm^-1和μ^TiAlN＝0.02979μm^-1。考虑并校正了重叠层的吸收。

表3.TC值

Ti<sub>1-x</sub>Al<sub>x</sub>N层	TC(1 1 1)	TC(2 0 0)	TC(2 2 0)	TC(3 1 1)
					样品A1	3.77	0.02	0.06	0.15
样品A2	3.04	0	0.07	0.89
					TiCN层	TC(1 1 1)	TC(2 0 0)	TC(2 2 0)	TC(3 1 1)
样品A1	3.43	0.02	0.06	0.15
					样品A2	3.51	0.19	0.10	0.20
样品B1	1.34	0.11	0.35	2.21
					样品B2	2.63	0.12	0.62	0.63
α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>层	TC(0 2 4)	TC(1 1 6)	TC(3 0 0)	TC(0 0 12)
					样品A1	0.05	0.05	0	3.90
样品A2	0.01	0.04	0	3.95
					样品B1	1.64	0.55	0.16	1.65
样品B2	0.01	0.01	0	3.98

此外，通过电子背散射衍射(EBSD)分析涂层的织构和晶界取向。为此目的，首先使用平均粒度分别为6μm、3μm和1μm的金刚石浆对涂层表面(样品)进行抛光。然后，使用平均粒度为0.04μm的胶态氧化硅对样品进行抛光。最后的抛光步骤手动完成，并且抛光时间逐步增加，直到样品质量足以完成EBSD图，即EBSD图谱的标定将在15-35帧/秒的典型扫描速率下达到平均置信指数(CI)>0.2。精确的制备条件将取决于各个样品和设备，并且可以由本领域技术人员容易地确定。要注意确保抛光表面光滑并与原始涂层表面平行。最后，在EBSD检查之前将样品进行超声波清洗。

前刀面上的平表面用于抛光，并且EBSD测量在距刀片的切削刃<250μm的距离处进行。由于硬质合金基底的粗糙度，也暴露了上述实施例的涂层的下部TiCN或Ti_1-xAl_xN层的区域。EBSD图用EDAX系统(Digiview IV相机)采用8×8或更低的分级(binning)和15–35帧/秒的典型扫描速率在Zeiss Supra 40VP场发射扫描电子显微镜上采用60μm孔径、15kV加速电压、高电流模式和6mm至15mm之间的工作距离采集。上部的α-Al₂O₃层、TiCN层或Ti_1-xAl_xN层的EBSD测量区域通过根据原子序数衬度检查SEM中的表面来选择。图的大小为至少10×10μm，步长≤0.04μm。因此，上部α-Al₂O₃层的测量在生长厚度的30％至70％的剩余层厚度处进行。这是在抛光和EBSD测量之后，通过制备已使用聚焦离子束(FIB)获得EBSD图的区域的贯穿横截面并取在所述EBSD图的宽度上均匀分布的>5次厚度测量的平均值来检查。与层厚度相比，电子衍射图谱的信息深度小(大约几十纳米)。样品B1和B2中TiCN层的测量深度为TiCN和α-Al₂O₃之间界面下方的0.5-1μm。对于样品A2，可以获取并处理0.6μm厚TiCN层的EBSD图。由此获得的织构信息表示TiCN层厚度上的近似平均值。由于样品A2中的TiCN层的织构通过外延到底下的Ti_1-xAl_xN层而赋予，因此在TiCN层中没有显著的织构梯度。所述织构和外延关系通过横截面中的EBDS分析来检查。对于样品A1，由于厚度太小，未能获得TiCN层的EBSD图。同样在这种情况下，如EBSD横截面分析和表3-1中给出的XRD结果所示，TiCN层的织构和晶界取向由下面的Ti_1-xAl_xN层限定。

对于数据采集和分析，分别使用来自EDAX的软件包OIM Data Collection 7.3.1和OIM Analysis 7.3.1。由所述数据计算取向分布函数并绘制为001反极图以评估优先晶体取向。样品A1、A2和B2的α-Al₂O₃层具有强{0001}纤维织构，而样品B1具有弱的双峰织构，在反极图中显示强度最大值在{0001}和{01-12}附近。本发明涂层的TiCN层具有强{111}织构，而比较样品的TiCN层具有{211}织构。纤维织构的强度和清晰度通过001反极图中出现在优先结晶取向方向上的最大强度来表征。

为了评价晶界取向，鉴别了ΣN晶界。采用Brandon标准(ΔΘ<Θ₀(Σ)^-0.5，其中Θ₀＝15°)来解释实验值与理论值的允许偏差ΔΘ(D.Brandon，Acta metall.14(1966)1479-1484.)。层中Σ3晶界的量计算为α-Al₂O₃层的Σ3/ΣN的分数(N≤49)。在对α-Al₂O₃的计算中使用的ΣN(N≤49)晶界对应于在H.Grimmer，Acta Crystallographica A(1989)，A45，505-523中给出的菱形晶格材料中的共同晶格旋转。另外，Σ3晶界的量被计算为Σ3晶界长度相对于总晶界长度的分数。

对于本发明和这里的定义，ODF计算和织构计算，以及用于计算Σ型晶界的Σ值，是基于没有降噪或改变标定和取向数据的其它清理程序的EBSD数据。应注意如本文所述进行的样本制备具有足够的光滑度。

EBSD测量的结果在表4中给出。值得注意的是，在本发明的涂层中，所述α-Al₂O₃层具有Σ3晶界相对于总晶界长度的高得多的分数。

表4：EBSD数据

磨损试验

对几何形状CNMA120408的硬质合金刀片如上所述进行涂层。将所述刀片在车削试验中没有冷却剂的情况下针对56NiCrMo钢进行测试。使用以下切削参数：

切削速度，v_c：150m/分钟

进刀，f：0.32mm

切削深度，a_p：2.5mm

对样品A1和B1以纵向车削进行测试。将同一个切削刃运行3分钟，取出并在LOM中分析，重新安装并再次运行3分钟。将此重复4次，使得总切削时间达到12分钟。表5中显示了切削刃的侧面磨损(VB_最大)，为两次重复的平均值。

表5

工具	侧面磨损，VB<sub>max</sub>[mm]
		A1(发明)	0.16
B1(参比)	0.25

虽然已经结合各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，它旨在覆盖所附权利要求内的各种修改和等效安排。此外，应该认识到，本发明的任何公开的形式或实施方式可以作为设计选择的一般事件并入任何其它公开或描述或建议的形式或实施方式中。因此，旨在仅受如所附权利要求的范围所指示的限制。

Claims

1.一种包含基底和涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包含4-14μm厚Ti_1-xAl_xN的内层、0.05-1μm TiCN的中间层和至少一个1-9μmα-Al₂O₃的外层，其中，使用CuKα辐射和θ-2θ扫描进行测量，α-Al₂O₃层表现出X射线衍射图谱，并且织构系数TC(hkl)是根据Harris公式限定的，

其中所用的(hkl)反射是(0 2 4)、(1 1 6)、(3 0 0)和(0 0 12)，

I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度(峰强度)，

I0(hkl)＝根据ICDD的00-042-1468号PDF卡的标准强度，

n＝计算中使用的反射数量，

其特征在于3<TC(0 0 12)<4。

2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于TiCN中间层的厚度为0.05-0.3μm。

3.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于TiCN中间层的TC(111)>3，其中织构系数TC(111)是如下限定的，

其中

-I(hkl)是通过X射线衍射测量的衍射反射的强度，

-I₀(hkl)是根据pdf卡00-042-1489的衍射反射的标准强度，

-n是计算中使用的反射数量，以及

-为了计算TC(111)，使用反射(111)、(200)、(220)和(311)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于所述α-Al₂O₃层中的Σ3晶界长度与总晶界长度之比>30％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于Ti_1-xAl_xN层具有至少90体积％、优选至少95体积％、特别优选约98体积％的面心立方(fcc)晶体结构。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于Ti_1-xAl_xN层具有柱状微结构。

7.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于在Ti_1-xAl_xN微晶的晶界处存在Ti_1-yAl_yN的析出物，所述析出物具有比内部微晶更高的Al含量并且包含具有六方晶体结构(hcp)的AlN，其中y>x。

8.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于Ti_1-xAl_xN层具有0.60≤x≤0.90的化学计量系数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于Ti_1-xAl_xN层相对于晶体学{111}平面具有优先的晶体生长取向，其特征在于织构系数TC(111)>3，优选>3.5，其中所述织构系数TC(111)是如下限定的：

其中

-I(hkl)是通过X射线衍射测量的衍射反射的强度，

-I₀(hkl)是根据pdf卡00-046-1200的衍射反射的标准强度，

-n是计算中使用的反射数量，以及

-为了计算TC(111)，使用反射(111)、(200)、(220)和(311)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于TiCN层与Ti_1-xAl_xN层为外延关系。

11.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于TiCN层的厚度为0.1-0.3μm，优选0.1-0.2μm。

12.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于TiCN层的TiCN晶粒的平均高宽比≤1。

13.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于Ti_1-xAl_xN层的涂层厚度t(Ti_1- _xAl_xN)相对于α-Al₂O₃层的厚度t(α)的关系是，t(Ti_1-xAl_xN):t(α)为2:1至3:1。

14.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于TiN最内层的厚度为0.1-2μm。

15.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于所述基底是硬质合金的。