CN110603342A

CN110603342A - 具有多层涂层的金属切削工具

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Publication number: CN110603342A
Application number: CN201880030027.1A
Authority: CN
Inventors: 乌尔里希·阿尔伯斯
Original assignee: Walter Open Co Ltd
Current assignee: Walter Open Co Ltd
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2038-05-15
Also published as: JP2020520814A; US11104986B2; WO2018210866A1; JP7299164B2; KR102478915B1; CN110603342B; ES2767356T3; US20200181756A1; EP3404126A1; EP3404126B1; KR20200010251A

Abstract

一种金属切削工具，其包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体和多层耐磨保护涂层，其中所述耐磨保护涂层包括：‑总组成为Ti_mAl_(1‑m)N的下层(LL)，其中0.25<m<0.55，并且所述下层(LL)的总厚度为500nm至3μm，其中所述下层(LL)由50至600对的按顺序(A‑B‑A‑B‑…)交替堆叠的亚层(A)和(B)组成，所述亚层(A)的组成为Ti_aAl_(1‑a)N，0.45≤a≤0.55且厚度为1nm至10nm，其中亚层(A)和(B)的叠层中的所述第一亚层(A)的层厚度为5nm至50nm，所述亚层(B)的组成为Ti_bAl_(1‑b)N，0.25≤b≤0.40且厚度为1nm至10nm，并且亚层(A)和(B)的化学计量组成不同，其中(a‑b)≥0.10；‑直接沉积在下层(LL)上且总组成为Ti_nAl_oSi_pN的上层(UL)，其中n+o+p＝1且0.30≤n≤0.50，0.40≤o≤0.60且0.05≤p≤0.20，所述上层(UL)的总厚度为500nm至3μm，其中所述上层(UL)由30至400个按顺序(C‑D‑E‑C‑D‑E‑...)交替堆叠的亚层(C)、(D)和(E)的三亚层组组成，所述上层(UL)的亚层(C)以与所述下层(LL)的亚层(A)相同的方式限定，并且所述上层(UL)的亚层(D)以与所述下层(LL)的亚层(B)相同的方式限定，并且亚层(C)和(D)具有不同的化学计量组成，其中(a‑b)≥0.10，所述亚层(E)的组成为Ti_xAl_ySi_zN，其中x+y+z＝1且0.20≤x≤0.45，0.20≤y≤0.45且0.20≤z≤0.45，并且厚度为1nm至10nm。

Description

具有多层涂层的金属切削工具

发明领域

本发明涉及一种金属切削工具，所述金属切削工具包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体，以及优选通过PVD工艺施加在所述主体上的多层耐磨保护涂层。本发明的金属切削工具特别适合于超级合金的机械加工，并且在高切削温度下表现出改进的工具寿命和抗扩散磨损性。

背景技术

ISO-S类材料的耐热超级合金(HRSA)和钛，包括钛合金，在高温下具有出色的机械强度和抗蠕变(固体在应力下缓慢移动或变形的倾向)性、良好的表面稳定性、以及耐腐蚀和抗氧化性。由于其优异的性能，这些材料例如用于制造航空发动机以及燃烧和涡轮区段中的动力燃气轮机，用于石油和天然气工业中的应用，船舶应用，医疗关节植入物，高耐腐蚀性应用等。钛能够在可对大多数其它建筑材料造成相当大腐蚀的非常苛刻的环境下使用。这是由于钛氧化物TiO₂具有很高的抵抗力，并且以约0.01mm厚的层覆盖表面。如果氧化层受损并且有氧气存在，则钛会立即再生成氧化物。钛例如特别适用于热交换器，脱盐设备，喷气发动机零件，起落架，航空航天框架中的结构零件等。

然而，尤其在对切削工具提出特别要求的时效硬化条件下，HRSA和钛的可加工性均较差。

HRSA材料的可加工性按照以下顺序难度增加：铁基材料，镍基材料和钴基材料。所有材料在高温下都具有高强度，并且在切削期间产生碎断式切屑，这产生高而动态的切削力。在机械加工期间，差的导热性和高硬度在工具中产生高温。高强度、加工硬化和粘附硬化特性产生最大切削深度处的缺口磨损和切削刃的极其磨蚀性环境。硬质合金级的切削工具应具有高的刃韧性和涂层对基材的粘附性，以提供良好的对塑性变形和涂层分层(剥落)的抗性。

钛和钛合金的导热性差，并且在高温下仍会保持强度，从而在切削刃处产生高切削力和热量。具有磨损倾向的高剪切薄切屑会在前刀面上形成狭窄的接触区域，从而在靠近切削刃处产生集中的切削力。过高的切削速度会在切屑和切削工具材料之间产生化学反应，这可导致刀片突然崩裂和断裂。因此，切削工具材料应具有良好的热硬度，并且不应(或仅缓慢地)与钛发生反应。

细粒、未涂覆的硬质合金通常用于HRSA和钛工件材料的机械加工。但是，由于切削刃处的高温以及HRSA和钛对碳和钴的亲和力，即使在相对低的切削速度下也会导致高扩散磨损。在机械加工HRSA材料和钛时由PVD或CVD涂层导致的生产率和工具寿命的提高，相当地局限于已经从用于机械加工钢或铸铁的工具所知道的那些。在某些已知情况下，涂层工具甚至比未涂覆的相同工具在工具寿命方面表现得更差。该效果被认为与涂层和工件材料之间的扩散或焊接过程有关。

存在几种克服上述问题的方法。

在一种方法中，切削速度和切削力保持足够低，以将切削刃处的温度保持在加速扩散磨损的温度极限以下。然而，出于经济原因，不期望慢的切削速度，并且即使工件材料的很小变化也可能以仍然发生扩散磨损的方式改变切削条件。

在另一种方法中，加速的扩散磨损发生的温度极限是通过将钌合金化到工具的硬质合金体的钴粘结剂中来增加的。然而，钌是非常昂贵的合金元素，这增加了机械加工过程的总成本。并且，使钌合金化而导致的加速扩散磨损的温度极限的增加，不如在增加的切削速度和钌合金化硬质合金的成本之间实现经济上可行的平衡所期望的那样高。

在又一种方法中，通过使用液氮或二氧化碳对切削区域进行强冷(低温冷却)来降低扩散磨损。但是，这种方法复杂并且需要昂贵的设备。另外，强冷却可能会对切削性能和工件材料表面的性能产生不希望的影响。

近来，提出了通过等离子活化CVD(PA-CVD)制备的TiB₂涂层作为用于减少扩散磨损的扩散阻挡层，与未涂覆的和常规CVD涂覆的硬质合金工具相比，这导致了车削操作中工具寿命的增加。但是，PA-CVD工艺中的温度和相对长的保持时间可导致不希望的晶粒生长和工具的硬质合金体的脆化。这对于优选由细粒硬质合金制成的整体硬质金属(SHM)工具尤其不利。

US 2016/175939公开了一种用于机械加工“难切削材料”如不锈钢、或钛合金的表面涂层工具，该工具包括基材和在所述基材上形成的涂膜，所述涂膜包括其中一个或多个A亚层和一个或多个B亚层交替堆叠的层，所述A亚层和所述B亚层的厚度各自不小于2nm且不大于100nm，所述A亚层的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8,0.2<b<0.4,0.01<c<0.1,a+b+c＝1)，所述B亚层的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6,0.3<e<0.7,0.01<f<0.1,d+e+f＝1)，并且满足0.05<a-d≦0.2和0.05<e-b≦0.2的条件。

US 2016/193662也公开了一种用于机械加工“难切削材料”的表面涂层工具，所述硬涂层形成在基材的表面上，并且包括其中第一层和第二层交替层压至少两次的结构，其中：第一层由组成为Ti_1-aAl_a(0.3≦a≦0.7)的TiAl氮化物组成，第二层具有纳米级多层结构或其中纳米级多层结构重复层压至少两次的结构，所述纳米级多层结构包括厚度为3nm至20nm的薄亚层A、薄亚层B、薄亚层C和薄亚层D，其中：所述薄亚层A由组成为Al_1-b-cTi_bSi_c(0.3≦b≦0.7,0≦c≦0.1)的AlTiSi氮化物组成，所述薄亚层B和薄亚层D由具有组成为Ti_1-dAl_d(0.3≦d≦0.7)的TiAl氮化物组成，所述薄亚层C由组成为Al_1-eCr_e(0.3≦e≦0.7)的AlCr氮化物组成，薄亚层A中的铝(Al)含量与薄亚层B中的铝含量不同，且所述第一层中的氮含量大于所述第二层中的氮含量。这种涂层的沉积在涂覆过程中需要高度的复杂性，并且在非常低的氮气压力下施加的电弧离子镀覆过程导致所得涂层中大量不利的大粒子(液滴)。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种涂层金属切削工具，其克服了现有技术的缺点并且适合于机械加工ISO-S类工件材料，特别是耐热超级合金(HRSA)和钛，包括钛合金，并且显示出改善的工具寿命、切削刃处改善的摩擦化学性能、特别是改善的抗扩散磨损性。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种金属切削工具，所述工具包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体，以及多层耐磨保护涂层，其中所述耐磨保护涂层包括：

-总组成为Ti_mAl_(1-m)N的下层(LL)，其中0.25<m<0.55，并且所述下层(LL)的总厚度为500nm至3μm，

其中下层(LL)由50至600对的按顺序(A-B-A-B-…)交替堆叠的亚层(A)和(B)组成，

所述亚层(A)的组成为Ti_aAl_(1-a)N，其中0.45≤a≤0.55，并且厚度为1nm至10nm，其中所述亚层(A)和(B)的叠层中的第一亚层的层厚度为1nm至100nm，

所述亚层(B)的组成为Ti_bAl_(1-b)N，其中0.25≤b≤0.40且厚度为1nm至10nm，

并且所述亚层(A)和(B)的化学计量组成不同，其中(a-b)≥0.10，

-直接沉积在所述下层(LL)上且总组成为Ti_nAl_oSi_pN的上层(UL)，其中n+o+p＝1且0.30≤n≤0.50，0.40≤o≤0.60且0.05≤p≤0.20，所述上层(UL)的总厚度为500nm至3μm，

其中所述上层(UL)由30至400个按顺序(C-D-E-C-D-E-...)交替堆叠的亚层(C)、(D)和(E)的三亚层组组成，

所述上层(UL)的所述亚层(C)以与所述下层(LL)的所述亚层(A)相同的方式限定，并且所述上层(UL)的所述亚层(D)以与所述下层(LL)的所述亚层(B)相同的方式限定，

并且所述亚层(C)和(D)具有不同的化学计量组成，其中(a-b)≥0.10，

所述亚层(E)的组成为Ti_xAl_ySi_zN，其中x+y+z＝1且0.20≤x≤0.45，0.20≤y≤0.45且0.20≤z≤0.45，且厚度为1nm至10nm。

优选地，通过PVD工艺，更优选地通过阴极电弧气相沉积(Arc-PVD)将多层耐磨保护涂层施加在主体上。

如上所述，在使用具有几何形状限定的切削刃的工具机械加工HRSA和钛工件材料时，面临的挑战之一是工件材料与切削工具表面粘附的危险，从而导致涂层与工件材料之间的扩散焊接和/或其它摩擦化学反应。对用于钛铣削操作中的工具的磨损切削刃的研究支持以下假设：两种过程涉及工具的降解和破坏。在一种过程中，涂层由于与工件材料的化学反应而降解。在另一种过程中，工件材料的小切屑焊接到涂层上，然后这些切屑焊接到工件材料的较大部分上，即焊接到切屑或甚至焊接到工件本身上，并从涂层上撕下并带走它们之间已经焊接过的涂层部分。

现已出人预料地发现，本发明适用于克服这些问题。并且，甚至更出人预料的是，具有本文所述的组成和层结构的本发明涂层显示出钛和钛合金工件材料对涂层的甚至更强的粘附性。从这种观察到的行为，人们未免将预期通过将工件材料焊接到涂层上并在车削操作中剥落涂层而增加对涂层的破坏。然而，出人预料地发现，本发明的涂层即使对工件材料表现出更强的粘附性，也导致在涂层之上形成稳定的工件材料层，从而保护其在切削刃处免受热量和扩散过程的影响，从而与具有现有技术涂层的工具相比，显著延长了工具寿命。

不受理论的束缚，发明人认为，观察到的改善性能归因于本发明涂层中的层组成、顺序和结构的特定组合。看来工件材料对涂层的粘附性主要是由于上层(UL)的亚层(E)中的Si含量以及与无Si下层(LL)的组合，并且上层(UL)中的无硅亚层由于与用于机械加工“难切削材料”的工具上的先前已知的现有技术涂层相比提高了硬度和耐磨性，而提供了出色的耐磨保护。

上述假设由磨损切削刃中的FIB铣削(聚焦离子束；在具有FIB柱的Zeiss横梁SEM上，使用Ga离子进行铣削)支持，显示了磨损切削刃的横截面。在本文中，可以观察到磨损过程中的不同现象。具有本发明涂层的工具的磨损明显不同于在根据现有技术的例如在US9,476,114中所公开的涂覆的工具上所看到的磨损。在根据本发明的涂覆工具的切削刃上可以看到钛涂污，但是靠近涂层和基材的Ti的晶体结构和组成与涂污表面上的组成和结构不同。

根据本发明，下层(LL)和上层(UL)内的亚层的厚度在1nm至10nm的范围内。这种交替组成的薄层可以通过周期性地引导基材经过PVD系统中的不同混合靶材来生产。下层(LL)和上层(UL)内的亚层的厚度也可以≥2nm，或≥3nm，或≥4nm。可以在涂层的横截面的SEM上确定亚层的厚度，其中可以区分交替地组成不同的亚层(例如树的年轮)，因此亚层的厚度可以通过总的层厚度除以可见亚层的数量来计算。或者，可以从总的层厚度和沉积条件，即基材经过沉积层的靶材的次数来确定亚层的厚度。

如概述的那样，下层(LL)中的亚层(A)和(B)的叠层中的第一亚层可以以比其余(后续)亚层更大的厚度沉积，并且第一层亚层的层厚度为1nm至100nm，优选为10nm或更大。此外，下层(LL)中的亚层(A)和(B)的叠层中的第一亚层优选是组成为Ti_aAl_(1-a)N的亚层(A)，其中0.45≤a≤0.55，或者叠层中的第一亚层至少是Al含量≤0.65，优选≤0.60的亚层。例如，可以由市售的约等量的Ti和Al的Ti：Al靶来沉积a＝约0.50的Ti_aAl_(1-a)N层。提供层厚度约为10nm或更大且具有上述组成的第一亚层(A)(也称为起始亚层)的优点是，该层沉积有面心立方(fcc)晶体结构，并且在随后沉积的薄亚层(A)和(B)中也促进和稳定了fcc晶体结构。

在Al含量较高的TiAlN层中，例如在Ti_bAl_(1-b)N，0.25≤b≤0.40的亚层(B)中，尤其当b<0.35时，即Al含量＞0.65时，一般会有形成六方晶结构的部分的趋势，这由于涂层的硬度退化而是不希望的。然而，结果发现，即使在Al含量较高的TiAlN亚层中，如果下层的亚层(A)和(B)的叠层的沉积是由具有fcc晶体结构的厚度优选>10nm的第一亚层开始并且通过在Al含量较低的亚层(A)之间堆叠Al含量较高的亚层(B)，也可以稳定fcc晶体结构。

根据本发明的一个优选实施方式，下层(LL)直接沉积在主体(基材)的表面上。根据本发明的另一个实施方式，多层涂层在主体(基材)和下层(LL)之间包含一个或多个另外的硬质材料层，其中所述一个或多个另外的硬质材料层包含元素周期体系第4a、5a和6a族元素中的一种或多种，Al，Si，和非金属N、C、O和B中的一种或多种。例如，硬质材料层可优选由TiN、TiC、TiCN等构成。

本发明的多层涂层可以在上层(UL)之上包括一个或多个另外的硬质材料层，其中所述一个或多个另外的硬质材料层包含元素周期体系4a、5a和6a族元素中的一种或多种，Al，Si，和非金属N、C、O和B中的一种或多种。

本发明的金属切削工具的主体可以由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢组成。然而，已经发现，如果工具的主体(基材)由硬质合金制成，则本发明的切削工具在对HRSA和钛工件材料进行机械加工时显示出改善的性能和工具寿命。特别优选的是具有相对高的Co粘结剂含量和细晶粒的碳化钨(WC)相的硬质合金的主体。因此，所述工具显示出韧性和硬度的有利组合，并使得能够制备精密的切削刃几何形状。因此，在本发明的一个优选实施方式中，切削工具的硬质合金主体包含6重量％至20重量％的Co粘结剂，或8重量％至16重量％的Co粘结剂，或10重量％至14重量％的Co粘结剂，或11重量％至13％重量的Co粘结剂。平均WC晶粒尺寸优选为0.3μm至2.0μm，或0.4μm至1.5μm，或0.5μm至1.2μm。

如果硬质合金的平均WC晶粒尺寸太大，例如如在许多常规硬质合金工具中常见的那样高达约10μm，则在分别通过磨削进行切削刃制备或刃修圆的过程中，尤其如果要制备半径为约5-10μm级别的尖锐切削刃时，存在WC晶粒被拉出或破碎的高风险。因此，可以在具有细粒平均WC晶粒尺寸的硬质合金主体上制备更尖锐和更精密的切削刃。此外，细粒的WC晶粒尺寸有助于提高切削工具的硬度。然而，同时，有利的是，调节Co粘结剂的含量以实现韧性和硬度的良好组合。

根据本发明的工具可以是整体硬质金属(SHM)工具或可转位切削刀片。然而，结果证明，根据本发明的主体和多层涂层的创造性组合特别有利于整体硬质金属(SHM)旋转切削工具，特别是用于铣削ISO-S类工件材料的材料的铣削工具，优选耐热超级合金(HRSA)，钛，钛α-合金，钛β-合金，钛混合型α+β合金，例如Ti-6Al-4V型钛混合型α+β合金。

通过以下对本发明的非限制性实施例和实施方式的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。

附图说明

图1示例了典型端铣刀的磨损类型和位置。“δa”是刀具的啮合长度。“KT”是月牙洼磨损的深度。“VB1”、“VB2”和“VB3”代表不同类型的侧面磨损。

图2示例了不同类型的侧面磨损，“(VB1)均匀的侧面磨损”、“(VB2)非均匀的侧面磨损”和“(VB3)局部侧面磨损”。“δa”是刀具的啮合长度。

图3示出了具有下层(LL)和上层(UL)的本发明涂层TSS3的横截面的20,000倍放大率的SEM。在上层(UL)中，可以很好地看到堆叠的亚层(C)-(D)-(E)，其中含硅亚层(E)看起来比亚层(C)和(D)暗。在下层(LL)中，可以观察到类似“柱状晶粒”的结构，由此在各个晶粒中存在堆叠的纳米亚层(A)-(B)。由于亚层(A)和(B)均不如亚层(E)那样包含Si，因此亚层(A)和(B)之间的对比度非常低，因此所述堆叠结构在图3的图示中难以看到。

图4示出了在Ti合金工件材料上进行切削测试后，本发明涂层TSS3的横截面的1,610倍放大率的SEM。(HM)表示硬质金属基材材料；(TSS3)表示切削测试后剩余的其余涂层；在图4中比(TSS3)稍微更亮的(Ti)，是来自粘附到工具、尤其是其中发生侧面磨损(VB)的工具的工件材料的“钛涂污”。“钛涂污”填满了由于侧面磨损而使涂层磨损的区域。(Pt)表示铂保护层，它不是本发明切削工具的一部分，而是SEM测量所必需的。

材料和方法

电子微探针显微分析(EMPA)

使用配备有Oxford INCA EDS的Supra 40VP(Carl Zeiss Microscopy GmbH，耶拿，德国)，通过电子微探针显微分析(EMPA)，以12kV的加速电压和30秒每个点的测量时间来测定涂层的化学组成。

X射线衍射(XRD)

在PANalytical Empyrean X射线衍射仪上，以入射角为1°的GI(掠入射)模式，使用CuKα-辐射进行X射线衍射测量。X射线管在40kV和40mA的点聚焦下运行。在主要侧使用平行光束光学元件，该元件使用掩模为2mm、发散孔径为1/8°、Soller狭缝的发散度为0.04°的X射线镜，由此以使得避免X射线束在样品涂层面上溢出的方式限定样品的照射区域。在次级侧，使用接收角为0.18°的平行板准直仪和比例计数检测器。为了对XRD反射进行分类，使用了JCPDS数据库。

硬度/杨氏模量：

硬度和杨氏模量(降低的杨氏模量)的测量是通过纳米压痕法在HM500Picodentor(Helmut Fischer GmbH，辛德尔芬根，德国)上，采用Oliver和Pharr评估算法进行的，其中将根据维氏的金刚石测试体压入层中，并在测量过程中记录力-路径曲线(最大负载：15mN；负载/卸载时间：20s；蠕变时间：5s)。根据该曲线计算出硬度和(降低的)杨氏模量。应该注意的是，压印深度不应超过涂层厚度的10％，否则基材的特性可使测量结果失真。

扫描电子显微镜(SEM)

使用Supra 40VP(Carl Zeiss Microscopy GmbH，耶拿，德国)通过扫描电子显微镜(SEM)研究了涂层的形貌。横截面用SE2(Everhart-Thornley)检测器进行表征。

聚焦离子束(FIB)铣削

使用带有FIB柱的Zeiss Crossbeam 540(Carl Zeiss Microscopy GmbH，耶拿，德国)准备磨损工具的切削刃的横截面。将加速至30kV的Ga离子用于铣削操作。

硬质合金中WC晶粒尺寸的确定

硬质合金或金属陶瓷的平均WC晶粒尺寸由磁性矫顽力的值确定。矫顽力和WC晶粒尺寸之间的关系例如在Roebuck等,Measurement Good Practice No.20，国家物理实验室，ISSN 1368-6550，1999年11月，2009年2月修订，第3.4.3节，第19-20页中进行了描述。为了本申请的目的，根据上述文献中第20页的式(8)来确定WC晶粒尺寸“d”：K＝(c₁+d₁W_Co)+(c₂+d₂W_Co)/d。重排之后得到：

d＝(c₂+d₂W_Co)/(K-(c₁+d₁W_Co))，

其中d＝硬质合金体的WC晶粒尺寸，K＝硬质合金体的矫顽力，单位为kA/m，本文中根据标准DIN IEC 60404-7测量，W_Co＝硬质合金体中的重量％Co，c₁＝1.44，c₂＝12.47，d₁＝0.04且d₂＝-0.37。

实施例1

基材：

在实施例1中使用的基材是整体硬质金属(SHM)端铣刀，其由WC-12重量％Co的基体组成，其中平均WC晶粒尺寸为0.5μm，并且含有1.4重量％的碳化铬。使用了两种不同的刀具几何形状S1和S2：

涂层

PVD涂层是在配备有6个阴极电弧源的商用电弧蒸发系统Innova(OerlikonBalzers)中制备的。通过在PVD系统中使用组成不同的不同TiAl和TiAlSi混合靶材，可以实现沉积涂层中Ti、Al和Si浓度的变化，并通过三倍旋转周期性地引导基材通过不同的混合靶材。在沉积之前，在0.21Pa的Ar压力下，170V DC基材偏压下，用氩离子蚀刻工艺将基材清洁30分钟。在本实施例中制备的亚层A至E的组成以及用于其生产的混合靶材组成如下：

亚层组成	靶材组成
		A Ti<sub>0.50</sub>Al<sub>0.50</sub>N	TiAl(50:50)
B Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.67</sub>N	TiAl(33:67)
		C Ti<sub>0.50</sub>Al<sub>0.50</sub>N	TiAl(50:50)
D Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.67</sub>N	TiAl(33:67)
		E Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.34</sub>Si<sub>0.33</sub>N	TiAlSi(33:34:33)

为确保涂层仅在所需的fcc晶体结构中生长，在基材表面上直接沉积厚度约为30nm的第一亚层(A)，然后再沉积随后的涂层。亚层的涂覆条件如下，其中第一亚层(A)的电弧电流为175A，而随后亚层(A)的电弧电流为200A。

涂覆条件

在刀具基材S1和S2上制备了根据本发明的以下涂层：

如上所述测量涂层的机械性能(硬度和降低的杨氏模量)，如下：

比较工具是基于与本发明工具相同的SHM基材(S1和S2)。比较工具如下：

涂层
		COMP1	未涂覆的基材
COMP2	根据EP 2 880 199的多层TiAlN电弧PVD涂层(实施例1)
		COMP3	由外部涂布机制造的多层TiAlN–TiSiN电弧PVD涂层“Ionbond Hardcut”

工具磨损的测量

在侧铣测试中测试了本发明工具和比较工具的工具磨损。下面针对进行的不同切削测试描述了所使用的工具和各个测试参数以及结果。

工具磨损被定义为由于切削过程中工具材料的逐渐损耗而导致工具切削部的形状与其原始形状相比发生变化。在当前情况下，测量了侧面磨损(VB)作为指定的工具寿命标准，以比较本发明工具和比较工具。侧面磨损被定义为在切削过程中工具材料从工具侧面的损失，从而导致侧面磨损区的逐渐发展。

侧面磨损测量是在平行于磨损区的表面且垂直于原始切削刃的方向上进行，例如从原始切削刃到与原始侧面相交的磨损区的极限的距离。尽管在侧面的重要部分上的侧面磨损区可具有均匀的尺寸，但取决于工具轮廓和刃崩裂，其值在侧面的其它部分会有所变化。因此，侧面磨损测量的值应与测量时沿着切削刃的面积或位置有关。

侧面磨损测量将区分“均匀侧面磨损(VB1)”、“非均匀侧面磨损(VB2)”和“局部侧面磨损(VB3)”(见图2)。在“均匀侧面磨损(VB1)”中，磨损区域通常具有恒定的宽度，并在与有效切削刃的整个长度相邻的工具侧面的那些部分上延伸。在“非均匀的侧面磨损(VB2)”中，磨损区具有不规则的宽度，并且由磨损区与原始侧面的相交所生成的轮廓在每个测量位置处发生变化。“局部侧面磨损(VB3)”是侧面磨损的放大且局部的形式，其在侧面的特定部位发生，如图1中在位置1、2和3处所示的。位置1和2是在工具的末端处的半径的侧面(在本文中也称为“转角”)上，而位置3本质上是在切削刃的切削深度(“DOC”)的相对端。切削深度(位置3)处的局部侧面磨损(VB3)有时也称为缺口磨损。

在本文的切削测试中，局部侧面磨损(VB3)是在“转角”(位置1和2)以及“DOC”(位置3)处测量的，这是因为侧面磨损在这些位置最高。“VB3_平均”是指工具的所有切削刃(例如：S1＝6个切削刃；S2＝4个切削刃)的所有测量的VB3值(在指定位置)的平均值，并且来自利用每种工具(涂层)类型进行的三次切削测试的平均值。“VB3_最大值”是工具的所有切削刃的所有测量VB3值的最大VB3值，并且是利用每种工具(涂层)类型进行的三次切削测试的最大VB3值。

切削测试1：

在侧铣测试中分别测试了各自基于刀具几何形状S1的本发明工具和比较工具，并测量了局部侧面磨损。切削条件汇总在下表中。

切削条件(切削测试1):

在预定的走刀次数之后或在转角处的平均局部侧面磨损VB3≥0.2mm时，停止机械加工。

下表显示了“切削循环次数”、“切削时间”、“距离”和“走刀次数”之间的转换：

切削循环次数	5833	7583	9333	11083
					切削时间[分钟]	13.06	16.94	20.85	24.76
切削长度[m]	16.80	21.84	26.88	31.92
					走刀	100	130	160	190

在该测试中，在切削刃半径(“转角“；位置1和2)处观察到最大磨损，因此考虑了在那里测量的值。结果示于下表中。

结果(切削测试1)：

切削测试2：

在侧铣测试中分别测试了各自基于刀具几何形状S2的本发明工具和比较工具，并测量了局部侧面磨损。切削条件汇总在下表中。

切削条件(切削测试2):

切削时间[分钟]	34.36	48.11	54.98	79.03
					切削长度[m]	17.5	24.5	28	40.25
走刀	100	140	160	230

结果(切削测试2):

“---”:达到停止标准

可以看出，涂有根据本发明的涂层的工具的磨损在转角处(位置1和2)和在DOC(位置3)处显示出非常均匀的磨损，因此测试一直进行到涂有TSS1的工具是测试中唯一剩下的工具为止。比较工具在160次走刀时显示了在DOC(位置3)处比在转角(位置1和2)处高得多的磨损，并且未达到230次走刀(达到停止标准)。

切削测试3:

切削条件(切削测试3):

结果(切削测试3):

切削测试3中的机械加工条件相当苛刻，因此工具在相对低的走刀次数后即被磨损。

切削测试4:

切削条件(切削测试4):

结果(切削测试4):

在此测试中，还测试了未涂覆工具(COMP1)，因为未涂覆工具仍用于该领域中，因为在钛机械加工中的某些应用中，未观察到涂层导致的好处，并且在端铣刀领域中，当工具是在未涂覆的情况下使用时，工具的修复容易的多且快的多。在工具寿命到期之前停止测试。

Claims

1.一种金属切削工具，所述工具包括由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体和多层的耐磨保护涂层，其中所述耐磨保护涂层包括：

其中所述下层(LL)由50至600对的按顺序(A-B-A-B-…)交替堆叠的亚层(A)和(B)组成，

所述亚层(A)的组成为Ti_aAl_(1-a)N，其中0.45≤a≤0.55，并且厚度为1nm至10nm，其中所述亚层(A)和(B)的叠层中的第一亚层(A)的层厚度为5nm至50nm，

所述亚层(B)的组成为Ti_bAl_(1-b)N，其中0.25≤b≤0.40，并且厚度为1nm至10nm，

并且所述亚层(A)和(B)的化学计量组成不同，其中(a-b)≥0.10；

并且所述亚层(E)的组成为Ti_xAl_ySi_zN，其中x+y+z＝1且0.20≤x≤0.45，0.20≤y≤0.45且0.20≤z≤0.45，并且厚度为1nm至10nm。

2.根据权利要求1所述的工具，其中所述多层的耐磨保护涂层是通过PVD工艺，更优选通过阴极电弧气相沉积(Arc-PVD)施加在所述主体上的。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的工具，所述工具包括在所述上层(UL)之上和/或在基材与所述下层(LL)之间的一个或多个另外的硬质材料的层，所述一个或多个另外的硬质材料的层包含元素周期体系第4a、5a和6a族元素中的一种或多种，Al，Si，和非金属N、C、O和B中的一种或多种。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的工具，其中所述下层(LL)直接沉积在基材的表面上。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的工具，其中所述主体是由硬质合金制成的。

6.根据权利要求5所述的工具，其中所述硬质合金包含6重量％至20重量％的Co粘结剂，或8重量％至16重量％的Co粘结剂，或10重量％至14重量％的Co粘结剂，或11重量％至13重量％的Co粘结剂。

7.根据权利要求5和6中的任一项所述的工具，其中所述硬质合金的平均WC晶粒尺寸为0.3μm至2.0μm，或0.4μm至1.5μm，或0.5μm至1.2μm。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的工具，其中所述工具是整体硬质金属(SHM)旋转切削工具，优选铣削工具。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的工具在用于铣削ISO-S类工件材料的钢材中的用途，所述ISO-S类工件材料优选为耐热超级合金(HRSA)，钛，钛α-合金，钛β-合金，钛混合型α+β-合金，优选Ti-6Al-4V型的钛混合型α+β-合金。