专利名称：用于加工金属材料的切割工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于加工金属材料的切割工具。具体而言，本发明涉及一种此类型的切割工具，其包括硬金属主体；以及在至少一个表面区域中，施加到所述硬金属主体的多层涂层。
背景技术：
此类型的切割工具尤其用作可转位刀片，以用于进行车削(turning)且用于与对铁基材料，例如钢、铸造材料和不锈钢进行车削类似的切割工艺。在此情况下，切割工具可尤其用于精加工、中等加工和粗加工操作。在这方面，对精加工、中等加工和粗加工进行区分的方法是，分成小切屑截面区域(切割速度较高)到大切屑截面区域(切割速度相对较慢)。众所周知，要增加使用寿命，可通过热活化化学气相沉积(CVD)将很耐磨的硬质 材料层施加到易受磨损且由耐磨硬金属构成的切割工具。在此情况下，硬金属层通常作为具有不同化学成分的多层涂层。此类型的多层涂层可能会采用TiCxNyOzBv和Al2O3层，其中x+y+z+v =I0在此情况下，可假定单个参数x、y、z和V为不同的值，具体而言，在某些情况下，单层中的一个或多个所述参数可为值O。使用此类型的多层涂层时，可能会形成具有硬度值(根据EN ISO 14577-1确定)的表面，所述硬度值在15GPa到40GPa的范围内。由于采用CVD工艺生产的表面通常具有(多)晶体结构，因此在很多情况下，(最外)表面可通过使用通常包括陶瓷研磨剂的干喷或湿喷进行的加压喷射修匀而变得平滑。已知可使用Al2O3作为切割工具的外层。在某些情况下，TiN, TiCxNy (其中x+y =I)薄层或此类型的层的组合也沉积在所述外层上。Al2O3可结晶成许多不同的相，其中的两相主要关于采用CVD工艺来沉积Al2O3薄层，以获得切割工具的硬质材料层a -Al2O3和K -Al2O30 a -Al2O3是热力学稳定的六角相，且K -Al2O3是热力学亚稳相。有可能会沉积出(大体上)纯a -Al2O3层或(大体上)纯K -Al2O3层。但也有可g纟形成包括a -Al2O3和K -Al2O3混合物的层，在此情况下，可获得各种混合比。通过适当地选择沉积在Al2O3层正下方的层(尤其是所述层的具体化学成分、形态和织构)，而且通过适当地选择CVD工艺中的涂层参数以形成Al2O3层，现代CVD工厂可对a-Al2O3或k-Al2O3进行可靠且有目的的沉积。通常在CVD工艺中生产所述多层涂层，其中热活化的温度在500°C以上。因此，所形成的层处于高温，随后通常冷却到室温。当使用切割工具加工金属材料时，多层涂层中的温度有时会增加而回到高温。由于所生产的层处于高温而且由于单层的热膨胀系数不同，因此会在冷却到室温后形成各层中的张应力和压应力。层中的这些不同应力的作用在于，可在冷却到室温后或在材料加工期间，使切割工具的外层出现破裂。此破裂和各层之间剩余的应力梯度与切割工具可达到的使用寿命直接相关，因为一个或多个层的区域的散裂会从已形成的裂缝开始逐渐发生和/或所述散裂由较高的残余应力梯度造成。在尤其临界的位置，一个或多个层中的某些部分可能会分开，具体而言，这些位置是由一个层与立即邻接该层的下一层之间的接口形成的。在上文所述的多层涂层的情况中，关于层顺序、单层的化学成分的选择、单层的层厚度以及织构的组合，存在多种可能。要生产性能特别好，尤其是使用寿命较长的切割工具，主要取决于单层的准确顺序、单层的织构以及单层中剩余的张应力和压应力。已发现，多层涂层的层织构发生变化尤其可对切割工具所达到的质量产生重要影响。准确的层顺序与(例如)通过加压喷射工艺对(最外)表面进行的修匀之间的相互作用可对所形成的切割工具的性能产生重要影响。在本文中，特别发现的是，使用加压喷射工艺对切割工具所达到的质量有决定性影响，具体取决于多层涂层中的层顺序而且取决于待平滑的最外层。由于层具有热稳定性，因此与使用K -Al2O3相比，使用a -Al2O3用于涂层工具的硬 质材料层通常被认为是有利的。EP I 696 051 Al描述了一种用于切割工具刀片的硬质材料涂层,其包括形成于TiCxNy层上的100% a -Al2O3多晶层。预定义的层顺序且尤其是100% a -Al2O3层的使用据悉会对工具涂层中的应力状况产生积极影响。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种用于加工金属材料的切割工具，其包括硬金属主体；以及在至少一个表面区域中，施加到所述硬金属主体的多层涂层，而且所述切割工具在各种切割条件下改进性能并提高耐用性。所述目标可通过根据权利要求I的切割工具来实现。从属权利要求中详细说明了有利发展。根据本发明，一种用于加工金属材料的切割工具包括硬金属主体；以及在至少一个表面区域中，施加到所述硬金属主体的多层涂层。在从所述硬金属主体到切割工具表面的方向上，所述多层涂层包括以下项，顺序如下(i.)至少一个层TiCxlNyl (其中xl+yl=1，xl 彡 O、yl > 0) ；(ii.)至少一个层 TiCx2Ny2Oz2 (其中 x2+y2+z2 = 1，0 彡 z2 彡 0.03且 0.5 彡 x2 彡 0. 85))至少一个层 TiN 或 TiCx31Ny31(其中 0. 2 彡 x31 彡 0. 8 且x31+y31 = I)，或 TiNy32Bv32 (其中 0. 0001 彡 v32 彡 0. 05 且 y32+v32 = I) ； (iv.)至少一个层 TiNy41Bv41Oz41 (其中 y41+v41+z41 = I 且 0. 0001 彡 v41 彡 0. 05 且 0. 01 彡 z41 彡 0. 6)，或TiCx42Ny42Oz42 (其中 x42+y42+z42 = I 且 0 彡 y42 彡 0. 5 且 0. 01 彡 z42 彡 0. 6);以及(v.)至少一个外层K-Al2O315所述至少一个层TiCx2Ny2Oz2在(311)方向上进行织构化，其中织构系数TC(311)彡1.3。因此，下面所提及的层(iii.)包括TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32。下面所提及的层(i V.)包括TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42。在选择标号的情况下,应考虑以下情况关于层(i.)TiCxlNyl，也有可能xl =0;在层(ii.)TiCx2Ny2Oz2的情况下，也有可能z2=0 ;在层(iv.的第二替代方案)TiCx42Ny42Oz42的情况下,也有可能y42 = O。至少一个层TiCxlNyl的层厚度优选在0. Iiim与I Pm之间，具体而言，在0. Iiim与0.8 iim之间。至少一个层TiCx2Ny2Oz2的层厚度优选在5 iim与1511111之间，具体而言，在811111与14iim之间。可由TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32构成的至少一个层的层厚度优选在0. I y m与3 y m之间。可由TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42构成的至少一个层的层厚度优选在O.Oliim与0. 5iim之间。至少一个外层K-Al2O3的层厚度优选在2 ii m与10 ii m之间，具体而言,在3. 5 ii m与6. 5 y m之间。
已发现，可使用指定的层顺序且尤其是具有TiCx2Ny2Oz2层在(311)方向上的优选织构的外层K -Al2O3与布置在这两层之间的中间层的组合，将多层涂层中的应力条件设置得特别好。具体而言，可在层沉积之后，采用机械修匀工艺，尤其是加压注射修匀来设置优选应力条件。在此情况下，多层涂层的指定层顺序尤其确保单层从硬金属主体尤其良好且稳定地过渡到与外层一样远的位置，从而可以可靠地设置单层中所需的应力条件。在指定特征的情况下，使用切割工具后会形成稳定表面的压应力可能被设置在K -Al2O3层最外面的边缘区域，而且过渡可能会受影响，从而在更向内的层的方向上产生张应力。在本文中，张应力指代沿着层平面而且在层面积减少的方向上作用的应力。压应力指代沿着层平面而且在层面积增加的方向上作用的应力。尤其显而易见的是，可在从表面到硬金属主体的方向上形成尤其有利的应力梯度。由于存在这些特征，因此可在各种切割条件下改进性能并提高耐用性。将外层构建成K-Al2O3层可能会对切割工具的性能产生积极影响，因为与a -Al2O3相比，K -Al2O3在机械修匀工艺中的塑性变形程度更高，而且压应力可在表面处设置得更好。也可在至少一个外层K-Al2O3的表面上形成一个或多个层。在使用切割工具以及对表面进行相关加热的过程中，与a-Al2O3相比，K-Al2O3层韧性较高而且在高温时损失的硬度相对较小，从而可改进性能并提高耐用性。由于与a-Al2O3相比，其热传导性相对较低，因此仅有相对较少的热传到更向内的层，从而避免对切割工具进行不利的强烈加热。所 述层均具有多晶结构。多层涂层尤其可通过热活化化学气相沉积(CVD)来形成。所述多层涂层至少可施加到切割工具的表面区域中，从而在使用切割工具期间与有待加工的材料接合。优选所述切割工具由可转位刀片形成。预期所述切割工具优先用于加工铁基材料。根据一项发展，所述层彼此直接邻接(两层之间不会形成其他层)。所指定的单层本身也可形成多个层，而且，例如，单层中还可具有不同的化学计量比。在本说明书中，与织构化相关的信息始终指代用hkl符号表示的密勒指数。在此情况下，根据相应层的JCPDS数据库(或JCPDF数据库)的符号来分配hkl值。此处，织构系数TC的计算公式如下
Tr 一 I (hkl)丨 h,(hkl)= Y/nVl一~Tl
17 n / Jfhkh ' 1 0,(M/)
n其中I(hkl)指代根据相应(hkl)值(来自至少一个对应的峰值)所测量的强度，I。，_指代根据JCros (或JCPDF)数据库的对应标准强度，以及n为根据(hkl)值的相应成分所预期的所有强度的指数。根据一项配置，至少一个外层K-Al2O3具有在-IOOMPa(压应力)与700MPa(张应力)之间的平均应力。在本文中，“平均应力”指代在垂直于层平面的方向上的整体层厚度的平均值。在本文中，应考虑到，尤其是沿着此方向，层的一部分可具有张应力而且层的另一部分可具有压应力。在此情况下，确定应力可尤其采用XRD (X射线衍射)测量和已知的sin2 ￥法(例如，如以下文件所述1 C 诺扬(I. C. Noyan)、J B 柯亨(J. B. Cohen),《采用衍射进行的残余应力测量与说明》(Residual Stress Measurement by Diffractionand Interpretation),施普林格出版社(Springer-Verlag),纽约，1987 年版(第 117 到130页))。也可采用此方法确定下文所述的层中的其他应力。已发现，指定范围内的平均应力可使切割工具的耐用性变得特别好。应力的大小可通过(例如)加压喷射修匀工艺来设置，其中，与加压喷射修匀工艺中的各参数一样，可改变加压喷射所使用的材料的成分(例如，陶瓷研磨剂)、材料的颗粒大小分布、喷射压力以及较小程度地改变处理的持续时间和喷射到表面上的角度。根据一项配置，至少一个外层K-Al2O3的最外面的区域具有平均压应力。这可采用上文所述的处理方法来实现。应考虑到，通过在外层K-Al2O3的层厚度上设置适当的压力梯度并结合平均张应力，可在整个外层K-Al2O3上达到所述压应力。由于外层是由K -Al2O3形成的，因此可以可靠地设置此类压力梯度。根据一项优选配置，至少一个层TiCxlNyl的层厚度在0. Iiim与I Pm之间，至少一个层TiCx2Ny2Oz2的层厚度在5 ii m与15 ii m之间，由TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32形成的至少一个层的层厚度在0. I ii m与3 ii m之间，由TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42形成的至少一个层的层厚度在0. 01 ii m与0. 5 ii m之间，以及至少一个外层k -Al2O3的层厚度在2 y m与10 y m之间。已发现，如果所形成的多层涂层具有单层的这些厚度，则可尤其容易获得所需的性倉泛。 根据一项实施例，在平行于层表面的平面上，至少一个外层K-Al2O3具有少于
3U m的粒径。在K -Al2O3的情况下，此粒径可由CVD工艺的参数设置。已发现，可使用此粒径获得具有平滑表面的特别耐用的涂层。根据一项实施例，所述至少一个层TiCx2Ny2Oz2具有比例z2> O。获得氧在层中的此类有限比例的方法可为，在CVD工艺期间经由工艺气体中的CO用氧进行系统掺杂。z2的值可由，例如，工艺气体中CO的流率来设置。结合TiCx2Ny2Oz2层以及K -Al2O3外层的优先织构化，用氧气逐渐掺杂尤其具有以下效果可以可靠地设置层中的应力条件，而且可确保单层之间的良好粘合。硬金属主体优选由WC形成，所述WC包括Co，其占重量5.5%到10% ;以及周期系统的组IVb、Vb、VIb中的至少一种金属的立方碳化物(cubic carbide)，其占重量5%到9%。在这方面，周期系统的组IVb、Vb或VIb中的至少一种金属优选由Ti、Hf、Zr或其组合形成。具体而言，对通过这种方式形成的硬金属主体来说，由于所指定的多层涂层具有适当的物理和化学性质，因此可使切割工具特别坚固且耐用。所述硬金属主体优选具有边缘区，所述边缘区的厚度在5 ii m与30 ii m之间，具体而言，在15 y m与25 y m之间，而且其中相对于硬金属主体的内部，Co的比例增加，而且相对于硬金属主体的内部，周期系统的组IVb、Vb、VIb中的至少一种金属的立方碳化物的比例减少。已发现，将至少一个外层构建成单个层的外层K-Al2O3尤其会产生特别好的结果。本文中，“单个层”尤其意味着存在至少一个显著的微晶单层，而且在垂直于层平面的方向上，多个微晶并非主要按照一个在另一个上方的方式进行布置。在此类型的一个外层中，可特别可靠地设置压力条件。如果多层涂层包括邻接硬金属主体的至少一个层TiN，所述层的层厚度达到
IU m,则可在多层涂层与硬金属主体之间形成特别好的粘合。根据一项优选配置，至少一个层TiCx2Ny2Oz2包括片状圆柱形晶体。此外，由TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32形成的至少一个层优选包括细粒成薄片树状的晶体。类似地，由TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42形成的至少一个层优选包括细粒成薄片树状的晶体。通过这些结构，层之间形成良好的粘着，形成粒径较小的外层K -Al2O3也是如此。根据一项配置，所述至少一个外层K -Al2O3可用机械方式修匀，尤其可用加压喷射修匀进行喷射。这种类型的加工直接反映出切割工具的性能，所述性能由外层的剩余结构形成和确定。机械修匀一方面可使外层的外面变平滑，且另一方面，同时可能会在涂层中产生所需的应力条件。通过适当地调整加压喷射修匀工艺的参数，可按照所需的方式达到这两种效果。与加压喷射修匀工艺的各参数一样，尤其可改变加压喷射所使用的材料的成分(例如，陶瓷研磨剂)、材料的颗粒大小分布、喷射压力以及较小程度地改变处理的持续时间和喷射到表面上的角度。根据一项优选发展，所述至少一个外层K-Al2O3在(110)方向上进行优先织构化，其中织构系数TCaitl) ^ 1.3。在这方面，所述外层也优选在(004)方向上进行优先织构化，其中织构系数TC(_) ^ 1.3，而且在(015)方向上进行优先织构化，其中织构系数TC(015)彡I. 3。在此情况下，优选应用以下情况TC(11Q) > TC(_，以及TCaitl) > TC(015) 0已发现，涂层中的应力条件可设置得特别好，而且具体而言，可在结合其他层对外层进行此类织构化的情况下，获得平滑表面。根据一项优选配置，0. 01彡z2彡0. 02。在此情况下，因此，层TiCx2Ny2Oz2的氧含量z2的范围在0. 01与0. 02之间。已发现，尤其可使用此氧含量来获得切割工具的特别优选的性能。在这方面，有三个效应尤其起到决定性作用。在z2的值增加的情况下，TiCx2Ny2Oz2 层的结构得以改进，从而可根据霍尔佩奇(Hall-Petch)效应使层的韧性更高。此外，在范围0. 01彡z2彡0. 02内，可在TiCx2Ny2Oz2层形成后，达到所述层中残余张应力的最小值。另夕卜，可在此范围内达到此层特别高的压痕硬度。这些效应尤其对切割工具的耐磨性有积极影响。根据一项配置，0 ^ z2 ^ 0. 01而且0. 5彡x2彡0. 75。
参考附图，通过下文对示例性实施例的描述，将容易了解本发明进一步的优点和发展。图I所示为根据一项实施例的硬金属主体上的多层涂层的断裂面的扫描电子显微镜图像。图2所示为硬金属主体上的多层涂层的地表面的光学显微镜图像。图3所示为TiCx2Ny2Oz2层的表面的扫描电子显微镜图像。图4为描绘切割工具中的层顺序的示意图(未按比例绘制)。
具体实施例方式下文参考图I到图4描述一项实施例。根据下文所述的实施例，切割工具为可转位刀片，用于对金属材料进行切割加工。在示例性实施例中，所述切割工具为可转位刀片，用于车削且用于与对铁基材料，例如钢、铸造材料和不锈钢进行车削类似的切割加工。所述切割工具用于精加工、中等加工和粗加工。具体而言，示例性切割工具是用于针对iso P，M，K 15-35范围，尤其是P15-P35范围进行车削的切割刀片。此使用范围具有较大的负载分布(load profile)，而且包括多种应用，例如，干切割和湿切割，其中在不同类别的含铁材料，例如，合金钢、不锈钢或具有多种合金成分的铸造材料上进行连续(或平滑)或间断的切割操作。所述切割工具包括硬金属主体-10-，其具有至少一个功能表面区域，尤其是切割边缘以及与所述切割边缘邻接的切屑引导结构。在示例性实施例中，硬金属主体优选由WC形成，所述WC包括Co，其占重量5. 5%到10%;以及周期系统的组1￥13、￥13、￥113中的至少一种金属的立方碳化物，其占重量5%到9%。在下文所述的实例中，硬金属主体尤其包括占重量7 ± I %的Co以及占重量8. I ± 0. 5 %的Ta (Nb) C，所述Ta (Nb) C的粒径在I y m与2 y m之间(规范H718)。在所述实例中，硬金属主体-10-具有边缘区(与下文所述的多层涂层邻接)，所述边缘区的厚度在5 y m与30 U m之间，且其中相对于硬金属主体的内部，Co的比例增加(富集)，而且相对于硬金属主体的内部，周期系统的组IVb、Vb、VIb中的至少一种金属的立方碳化物的比例减少(消耗)。硬金属主体-10-的至少一个功能表面区域具有由多个不同层形成的多层涂层。所述不同层都通过CVD工艺连续沉积在硬金属主体-10-的表面上。使用前体TiCl4、CH3CN、CH4, H2, N2, CO、CO2, HC1、H2S和AlCl3来沉积各层，如下文将详细描述。在这方面，可尤其通过金属Al和HCl生产并供应A1C13。采用LPCVD (低压化学气相沉积)工艺在SuC0TecSCT600-TH型涂层系统中沉积所述层，所述涂层系统根据其操作说明书进行操作。层-Il-TiCxlNyl(其中 xl+yl = 1，xl 彡 0，yl > 0)的厚度在 0. I Pm与 Iym 之间， 所述层直接形成于硬金属主体-10-的表面上。在图I和图2所示的实例中，层-11-由厚度为约0. 5 y m到I y m的层TiN(即，xl = 0)形成。层-11-用作中间层，以便确保硬金属主体-10-与随后的层之间粘合良好。层-12-TiCx2Ny2Oz2 (其中 x2+y2+z2 = I，0 彡 z2 彡 0. 03 且 0. 5 彡 x2 彡 0. 85)的厚度在5iim与15iim之间，所述层直接沉积在层-11-的表面上。但所述层也可具有，例如，0 < z2 < 0.01以及0.5 < x2 < 0.75。优选z2 > O。然而，具体而言，优选范围
0.01彡z2彡0.02。在图I到图3所示的实例中，层-12-的厚度为约IOii m。在图I到图3所示的实例中，层-12-具有，例如，约TiCtl 59Na41的成分，其中痕量(trace)为0，优选其中
0.01彡z2彡0. 02。采用中等温度工艺、通过用CO对前体TiCl4和CH3CN进行逐渐掺杂来生产层-12-。所述层-12-包括片状圆柱形晶体，如图3所示。已发现，在中等温度工艺中采用在约0. 21/min与约11/min之间的CO流率会对所需层-12-的形成产生特别有利的影响。形成层-12-，以使其在(311)方向上进行优先织构化，其中织构系数TC311彡I. 3。在此情况下，确定TC311的公式如下
rr _ I(JM)丨 h,(hk!)_ = i/ V T一~Tl
La {hk!、1 1 OXhkl)
n其中I(hkl)指代根据相应(hkl)值(来自至少一个对应的峰值)所测量的强度，I。，_指代根据JCros (或JCPDF)数据库的对应标准强度，以及n为根据(hkl)值的相应成分所预期的所有强度的指数。已发现，工艺气体中CO的目标混合物可使层-12-与0逐渐掺杂，所述目标混合物结合在(311)方向上的优先织构化具有以下效果多层涂层中的应力条件可设置得特别好，而且单层可使复合物尤其稳定。在此情况下，范围z2 < 0. 03，具体而言，范围0. 01 ^ z2 ^ 0. 02经证实是较好的。具体而言，尤其是如果0. 01 ^ z2 ^ 0. 02，则层-12-中的应力可保持在相对较低的张应力水平。层(单层)中因此所形成的合应力可通过8丨112￥法进行确定，而且为约200±4710^。单层的压痕硬度HitO. 003/30/1/30按照EN ISO 14577-1 确定，而且为约 29. I ± I. 3GPa。由TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32形成的至少一个层_13_直接形成于层_12_上。在此情况下，0. 2 < x31 <0.8 且 x31+y31 = 1，或者 0. 0001 ^ v32 ^ 0. 05 且 y32+v32 =
I。层-13-的层厚度在0. Iiim与3iim之间。在图I和图2所示的实例中，所述层的平均层厚度为约0. 5 ii m。由TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42形成的至少一个层_14_直接形成于层-13-上。在此情况下，y41+v41+z41 = I 且 0. 0001 ( v41 ( 0. 05 且 0. 01 ( z41 ( 0. 3，或者x42+y42+z42 = I且0彡y42彡0. 5且0. 01彡z42彡0. 3。层-14-的层厚度在0. 01 y m与0.5i!m之间。层-13-和层-14-尤其可用于为随后的K-Al2O3外层-15-提供特别好的粘合。此粘合可尤其通过所指定的层顺序以特别有利的方式来实现。使用前体TiCl4、N2、CH4、H2、BC13和CO而且通过各蚀刻和冲洗步骤来生产层-13-和层-14-。已发现，特别有利的是，在生产层-14-期间，工艺气体中不存在与CO进一步分离的碳。层-13-和层-14-各包括细粒成薄片树状的晶体。层-14-尤其会主要影响下文所述 的K-Al2O3外层-15-，尤其是粒径分布以及微晶或织构的方向。K-Al2O3外层-15-直接形成于层-14-上。K-Al2O3外层-15-的层厚度在2 ii m与IOiim之间，优选在3.5iim与6.5iim之间。在图I和图2所示的实例中，外层-15-的层厚度为约5iim。在平行于层表面的平面中，K-Al2O3外层-15-的平均粒径少于3 iim，优选在I. 3 与I. 8 之间。在此情况下，根据每单位面积的单层(表面上的微晶)数目，通过平均正方形侧长度来确定平均粒径，其中以外层-15-的表面的扫描电子显微镜图像作为依据。也就是说，确定了每单位面积的微晶数目，其中假设这些微晶均具有正方形底。由此便可确定平均粒径。K -Al2O3外层-15-由单个层的涂层形成。这样便有可能确保通过目标氯化作用和对氧分压进行准确设置，用前体HC1、A1C13、CO2, H2S和H2来沉积K -Al2O3层-15-。K-Al2O3外层-15-在(110)方向、(004)方向和(015)方向上进行优先织构化。对于(110)方向上的织构系数而言，TCaitl)彡1.3。对于(004)方向上的织构系数而言，TC(004)彡I. 3 ;以及对于(015)方向上的织构系数而言，TC(015)彡I. 3。具体而言，在各情况下，(110)方向上的织构系数大于(004)方向和(015)方向上的织构系数，即TC(110) > TC(004)且TCaitl) > TCftll5)。在图I和图2所示的示例性外层-15-的情况下，可测量出以下项，例如TC(11Q) = 2. 7 ；TC(004) = I. 85 以及 TCftll5) = I. 73。在此情况下，为了确定外层-15-和层-12-的相应织构系数，均通过Cu Ka辐射来实施GA-XRD (X射线衍射)测量，而且参考JCPDS数据库(或JCPDF数据库)使用上文所述的公式来计算织构系数。在所示实例中，以这种方式沉积的K-Al2O3外层-15-的压痕硬度HIT 0. 003/30/1/30按照EN ISO 14577-1确定，为 22. 5±0. 5GPa。K -Al2O3外层-15-的表面在湿加压喷射工艺中进行后处理。就多层涂层的上部层中的粗糙度和应力而言，此后处理可显著改变表面。在湿加压喷射工艺中，使用水溶液中的Al2O3粉末，其中通过筛目值(mesh value)为500、280/320以及180/220的粒径分布来进行测试。在筛目值为280/300且喷射压力在约3巴与4巴之间以及入射到表面的角度在35°与45°之间的情况下，可达到最佳效果。在此情况下，可在功能表面区域中达到值Ra< 0.25 um的表面粗糙度，其中通过光干涉过程来确定这些值。此例中所述的表面处理具有以下效果总的来说，外层-15- K -Al2O3中可形成-IOOMPa (压应力)与700MPa (张应力)之间的平均应力，而且在此情况下，位于表面处的外层-15- K -Al2O3最外面的边缘区域具有平均压应力。因此，在外层-15-最外面的边缘区域中，通过这种方式有利地达到使表面产生良好阻力的压应力。同时，在外层-15-中所获得的应力梯度沿着朝下方各层的方向，且会使多层涂层(-11-、-12-、-13-、-14、-15_)广生特殊的稳定性和阻力。具体而言，这些有利的应力条件产生的原因是，外层-15-K -Al2O3具有相对高的塑性变形性和用氧对层-12-进行掺杂，以及采用加压喷射工艺进行表面处理。采用切割刀片蚀刻后的光学显微镜显微薄片以及帽罩研磨工艺来确定所述单层的厚度。在图I和图2所示的实例中，多层涂层(-11-、-12-、-13-、-14、-15_)的平均整体厚度为约15 V- m。下文描述测试实例，所述实例表明，与已知的切割工具相比，可用所述的切割工具
改进性能。下表共列举了十个实例，随后会描述这些实例。
实例刀片对照的切割加工的每转走刀量切割深度切割速度改进
编号类型工具__材料[mm]__[mm]__[m/min][%]
~IIA1.72200 2523""""
一2IIB1.7131 "0.3222060
3~IIIC 一1.49231.25 _2-10 —43 ~~16-33
~4ID1.6562025MtH
~5IVE1.35050422019
~6VF1.72250422016
~~7~~VIG —0.60250.32350 —18
8VI—G0.6025— 0.25 —250010
—~9VIG ~~0.7060 — 0.25 一225015
—10VIIH1.72250.252.522029关于刀片类型(列2)，下文参考ISO标准1832，其定义了各种类型的刀片。关于各种加工材料(列4)，均参考材料编号。标题为“改进[%]”的那列指代与对照切割工具相比，本发明的切割工具的使用寿命(或寿命)的相应改进。实例I在实例I中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用已知的切割工具A的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(I)CNMG-432。加工的材料是合金钢，材料编号为I. 7220。采用0. 2mm每转的走刀量、5mm的切割深度以及变化的切割速度进行材料加工。形成了多个切口。在从硬金属主体到表面的方向上，切割工具A的多层涂层由以下各层构成厚度为约0.3 iim的TiN层；厚度为约6.3 iim的TiCxNy层；厚度为约0. 2 ii m的TiCxNyOz层；厚度为约0. 4 y m的TiCxNy层；厚度为约0. 6 y m的TiCxNyOz层；以及厚度为约5.5 iim的a-Al2O3外层。使用本发明的切割工具时，与切割工具A相比，耐用性(或寿命)改进了 23%。实例2在实例2中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用已知的切割工具B的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(II)WNMG060408。加工的材料是合金钢，材料编号为I. 7131。采用0. 3_每转的走刀量、2_的切割深度以及220m/min的切割速度进行材料加工。切割工具B的多层涂层具有与实例I所述的切割工具A相同的层顺序。使用本发明的切割工具时，与切割工具B相比，耐用性(或寿命)改进了 60%。实例3
在实例3中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用已知的切割工具C的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(III)SNMM250732。加工的材料是不锈钢，材料编号为I. 4923。采用I. 25mm每转的走刀量、2mm与IOmm之间的切割深度以及43mm/min的切割速度进行材料加工。在从硬金属主体到表面的方向上，切割工具C的多层涂层由以下各层构成厚度为约0. 3 y m的TiN层；厚度为约
9iim的TiCxNy层；以及厚度为约4 iim的a-Al2O3外层。厚度为约3 y m的TiN层已被施加到所述外层。使用本发明的切割工具时，与切割工具C相比，耐用性(或寿命)的改进在16%与33%之间。实例 4
在实例I中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用已知的切割工具D的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(I)CNMG-432。加工的材料是合金钢，材料编号为I. 6562。采用0. 2mm每转的走刀量、5mm的切割深度以及变化的切割速度进行材料加工。形成了多个切口。切割工具D的多层涂层具有与实例3中所述的切割工具C相同的结构。使用本发明的切割工具时，与切割工具D相比，耐用性(或寿命)改进了 11%。实例5在实例5中，在使用上文所述的本发明的切割工具，其表面处理采用加压喷射工艺，以及在使用以相同方式形成的切割工具E，其表面处理未采用加压喷射工艺的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(IV)CNMG 120412。加工的材料是100Cr6，材料编号为I. 3505。采用0. 4mm每转的走刀量、变化的切割深度以及220m/min的切割速度进行材料加工。对各片段进行湿切割。使用通过加压喷射工艺进行表面处理的切割工具时，耐用性(或寿命)改进了19%。实例 6在实例6中，在使用上文所述的本发明的切割工具，其表面处理采用加压喷射工艺，以及在使用以相同方式形成的切割工具F，其表面处理未采用加压喷射工艺的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(V)CNMG 120812。加工的材料是42CrMo4，材料编号为I. 7225。采用0. 4mm每转的走刀量、变化的切割深度以及220m/min的切割速度进行材料加工。对各片段进行湿切割。使用通过加压喷射工艺进行表面处理的切割工具时，耐用性(或寿命)改进了16%。实例I在实例7中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用切割工具G的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(VI)CNMA 120408。加工的材料是GG25，材料编号为0. 6025。采用0. 3mm每转的走刀量、2mm的切割深度以及350m/min的切割速度进行材料加工。实施干式纵向车削。在从硬金属主体到表面的方向上，切割工具G的多层涂层由以下各层构成厚度为约0. 3 ii m的TiN层；厚度为约5. 5 y m的TiCxNy层；厚度为约0. 7 ii m的TiCxNyOz ；以及厚度为约4. 5 y m到5 y m的a -Al2O3外层。此外，厚度为约I U m的TiCxNy层已形成于所述外层上。使用本发明的切割工具时，与切割工具G相比，耐用性(或寿命)改进了 18%。实例 8在实例8中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用实例7所述的切割工具G的情况下，进行相同的材料加工。加工的材料对应于实例7。采用0.25mm每转的走刀量、2mm的切割深度以及500m/min的切割速度进行材料加工。实施湿式纵向车削。使用本发明的切割工具时，与切割工具G相比，耐用性(或寿命)改进了 10%。实例9在实例9中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用实例7所述的切割工具G的情况下，进行相同的材料加工。加工的材料是GGG60，材料编号为0. 7060。采用0. 25mm 每转的走刀量、2mm的切割深度以及250m/min的切割速度进行材料加工。实施纵向车削。使用本发明的切割工具时，与切割工具G相比，耐用性(或寿命)改进了 15%。实例 10在实例10中，在使用上文所述的本发明的切割工具以及使用切割工具H的情况下，进行相同的材料加工。根据ISO 1832，这两种切割工具的类型为(VII)CNMG 120408。加工的材料是合金钢，材料编号为I. 7225。采用0. 25mm每转的走刀量、2. 5mm的切割深度以及220m/min的切割速度进行材料加工。实施纵向车削。在从硬金属主体到表面的方向上，切割工具H的多层涂层由以下各层构成厚度为约0. 3 y m的TiN层；厚度为约3 y m到
4iim的TiCxNy层；厚度为约2.5iim的TiCxNy层(其中x值和y值不同)；厚度为约0.4iim的TiNyBv层；以及厚度为约2iim的K-Al2O3外层。此外，厚度为约0. 2 y m到0. 3 y m的TiN层已形成于外层上。使用本发明的切割工具时，耐用性(或寿命)改进了 29%。
权利要求
1.一种用于加工金属材料的切割工具，其包括硬金属主体(10);以及在至少ー个表面区域中，施加到所述硬金属主体(10)的多层涂层， 其中在从所述硬金属主体(10)到所述切割工具的表面(O)的方向上，所述多层涂层包括以下项，顺序如下 至少ー个层= l，xl ≤0、yl >0;至少ー个层(12)TiCx2Ny2Oz2，其中 x2+y2+z2 = 1，0 ≤ z2 ≤ 0. 03 且 0. 5 ≤ x2 ≤ 0. 85 ;至少ー个层(13) :TiN，或TiCx31Ny31，其中 0. 2 ≤ x31 ≤ 0. 8且x31+y31 = 1，或TiNy32Bv32,其中 0. 0001 く v32 ≤ 0. 05 且 y32+v32 = I ； 至少ー个层(14) =TiNy41Bv41Oz41,其中 y41+v41+z41 = I 且 0. 0001 ≤ v41 ≤ 0. 05且 0. 01 ≤ z41 ^ 0. 6,或 TiCx42Ny42Oz42,其中 x42+y42+z42 = I 且 0 ≤ y42 ≤ 0. 5 且0.01 く z42 ^ 0. 6 ;以及 至少ー个外层(15) K -Al2O3, 其中所述至少ー个层(12) TiCx2Ny2Oz2在(311)方向上进行织构化，其中织构系数TC(311) ^ I. 3。
2.根据权利要求I所述的切割工具，其特征在于，所述至少一个外层(15)K-Al2O3具有在-IOOMPa(压应力)与700MPa(张应カ)之间的平均应力。
3.根据前述权利要求中任ー权利要求所述的切割工具，其特征在于 所述至少ー个层(Il)TiCxlNyl具有0. Iiim与Iiim之间的层厚度， 所述至少ー个层(12) TiCx2Ny2Oz2具有5 ii m与15 ii m之间的层厚度， 所述至少ー个层(13) TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32具有0. I y m与3 y m之间的层厚度， 所述至少ー个层(14) TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42具有0. 01 y m与0. 5 y m之间的层厚度，以及 所述至少一个外层(15) K-Al2O3具有2 iim与IOiim之间的层厚度。
4.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在干，在平行于层表面(0)的平面上，所述至少一个外层(15) K-Al2O3具有少于3 iim的粒径。
5.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在干，所述至少ー个层(12)TiCx2Ny2Oz2 具有比例 z2 > O。
6.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在干，所述硬金属主体(10)由WC构成，所述WC包括Co，其占重量5. 5%到10% ;以及周期系统的组IVb、Vb、VIb中的至少ー种金属的立方碳化物,其占重量5%到9%。
7.根据权利要求6所述的切割工具，其特征在于，所述硬金属主体(10)具有边缘区，所述边缘区具有5 ii m与30 ii m之间的厚度，且其中相对于所述硬金属主体的内部，Co的比例增加，而且相对于所述硬金属主体(10)的所述内部，周期系统的组IVb、Vb、VIb中的至少ー种金属的立方碳化物的比例减少。
8.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个外层(15)为单个层的涂层k-A1203。
9.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在干，所述多层涂层包括邻接所述硬金属主体(10)的至少ー个层TiN，其具有达到I y m的层厚度。
10.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个层(12)TiCx2Ny2Oz2包括片状圆柱形晶体。
11.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个层(13)TiN或TiCx31Ny31或TiNy32Bv32包括细粒成薄片树状的晶体。
12.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个层(14)TiNy41Bv41Oz41或TiCx42Ny42Oz42包括细粒成薄片树状的晶体。
13.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个外层(15) K-Al2O3用机械方式修匀，尤其采用加压喷射修匀进行喷射。
14.根据前述权利要求中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，所述至少ー个外层(15) K-Al2O3在(110)方向上进行优先织构化，其中织构系数TC_彡1.3。
15.根据前述权利要求中ー项权利要求所述的切割工具，其特征在干，0.01 ≤z2 ≤0. 02。
16.根据权利要求I到14中一项权利要求所述的切割工具，其特征在于，0< z2^0. 01且 0. 5 ≤x2 ≤0. 75。
全文摘要
本发明提供一种用于加工金属材料的切割工具，其包括硬金属主体(10)；以及在至少一个表面区域中，施加到所述硬金属主体(10)的多层涂层。在从所述硬金属主体(10)到所述切割工具的表面(O)的方向上，所述多层涂层包括以下项，顺序如下至少一个层(11)TiCx1Ny1，其中x1+y1＝1，x1≥0、y1＞0；至少一个层(12)TiCx2Ny2Oz2，其中x2+y2+z2＝1，0≤z2≤0.03且0.5≤x2≤0.85；至少一个层(13)TiN，或TiCx31Ny31，其中0.2≤x31≤0.8且x31+y31＝1，或TiNy32Bv32，其中0.0001≤v32≤0.05且y32+v32＝1；至少一个层(14)TiNy41Bv41Oz41，其中y41+v41+z41＝1且0.0001≤v41≤0.05且0.01≤z41≤0.6，或TiCx42Ny42Oz42，其中x42+y42+z42＝1且0≤y42≤0.5且0.01≤z42≤0.6，至少一个外层(15)κ-Al2O3。所述至少一个层(12)TiCx2Ny2Oz2在(311)方向上进行织构化，其中织构系数TC(311)≥1.3。
文档编号C23C30/00GK102770581SQ201080045020
公开日2012年11月7日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年10月5日
发明者克里斯托夫·捷特, 彼特·莱希莱特纳, 约瑟夫·图尔纳, 维尔纳·布尔金, 马丁·卡特莱恩 申请人:森拉天时奥地利有限公司