具有图案化表面区域的涂布切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适合于车削、铣削、钻削或其它切肩形成机械加工方法的涂布切削工 具（coated cutting tool)〇
【背景技术】
[0002] 使用坚硬耐火涂层对硬质合金切削工具进行涂布，显著改进了的工具耐磨性和切 削性能，并因此增加了工具寿命和机械加工作业中的生产率。为了进一步改进所述工具的 耐磨性和性能，它们通常对于所述硬质合金基底和涂层的材料性质以及对于用于特定应用 的工具的几何结构进行优化。材料性质的优化通常以削弱特定应用的主要磨损机制为目 的，而切削工具的几何结构的优化通常以改进切削工艺如切肩去除或工件的粗糙度为目 的。因而，通过一种优化实现的正面效果可能对所述切削工具和/或切削工艺的其它性质 没有效果或具有负面效果。
[0003] 例如，涂布的硬质合金切削工具刀片经常包含具有内层和氧化铝外层的涂层，所 述内层由一个或多个选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、碳氧化钛和碳氮氧化钛亚层的亚层构 成。已知所述氧化错层在切削工具刀片的前刀面上改进对凹坑磨损（crater wear)的抗性， 然而在所述切削工具刀片的后刀面上，氧化铝具有的有吸引力的性质较少，而TiCN贡献了 高度抗磨损性。因为在许多应用中，前刀面上的凹坑磨损是关键的磨损机制，所以优先考虑 所述氧化铝层的性质。改进抗凹坑磨损性的一种方法是增加氧化铝层的厚度。然而，对于 凹坑磨损，这种优化是以其它性质为代价的，所述性质例如对所述涂层的特别是在刃口线 (edge line)或后刀面上剥落（flanking)的抗性。
[0004] 作为对此的一种解决方案，已经使用了不同的后处理。举例来说，US 5, 776, 588公 开了涂布有多层耐磨涂层的切削工具，所述涂层包括例如最内部的TiCN层、中间的Al2O3层 和最外面的TiN层。所述TiN层和Al2O3层被机械手段除去，所述手段例如从所述切削工具 的刃口线振动翻转、刷洗、喷丸（shot blast)、磨削，使得最内部的TiCN层暴露，以便改进 对所述涂层在刃口线处剥落的抗性。在另一个实例中，US7, 431，747公开了涂布有多层耐 磨涂层的切削工具，所述耐磨涂层包括沉积在硬质材料层上的氧化铝层。所述氧化铝层通 过激光处理从后刀面的至少一部分上选择性去除，使得底层的硬质材料层暴露，以便同时 避免后刀面上磨损痕迹（wear mark)宽度的增加并保留对前刀面上凹坑磨损的抗性。
[0005] 虽然这些后处理可以改进切削工具刀片的切削性能的总体性质，但限制了氧化铝 层的最大厚度，并因此限制了由所述厚度增加引起的抗凹坑磨损性的改进。
【发明内容】
[0006] 本发明的一个目的是改进涂布切削工具的切削性能。另一个目的是改进涂布切削 工具的耐磨性。本发明的又一个目的是改进涂布切削工具的抗凹坑磨损性，特别是通过在 所述涂布切削工具上局部提供改进的耐磨性而不损害所述涂布切削工具其它部分的性质。 另一个目的是提供用于机械加工铁基材料例如钢的改进的切削工具。
[0007] 这由根据独立权利要求的涂布切削工具实现。在从属权利要求中公开优选的实施 方式。
[0008] 根据本发明的涂布切削工具包含基底和表面涂层，所述表面涂层沉积在所述基底 上并覆盖所述基底的至少一部分。所述表面涂层具有厚度T。，并且所述基底在所述基底的 涂布部分内的图案化表面区域之内包含进入所述基底中的多个凹进（recess)。每个所述凹 进具有深度D，其小于100 μ m，优选〈75 μ m;和所述凹进的半深度[D/2]处的宽度Wi，其中 WiS 2T c。Tc在2 μ m和30 μ m之间、优选在5 μ m和25 μ m之间、更优选在5 μ m和22 μ m之 间，并且所述凹进被所述表面涂层至少部分填充。
[0009] 与没有提供这种图案化表面区域的切削工具相比，根据本发明的切削工具已显示 出更高的抗凹坑磨损性。所述凹坑磨损通常是化学和磨蚀类型的磨损。这个区域中的机械 负载和温度二者都很高。根据本发明的工具在这些方面的至少一个中具有改进的性质。
[0010] 在基底中形成凹进的一个优点是它提供了基底的增加的表面积。施加进入所述凹 进中的涂层提供了具有向下进入所述基底中的延伸部分的涂层。因此，所述填充的凹进在 所述图案化表面区域内提供了所述涂层的有效厚度，所述有效厚度大于所述涂层本身的标 称（nominal)厚度T。。所述表面区域中涂层材料的体积增加是改进的一种原因。局部地， 所述涂层的有效厚度已经由于所述图案而增加。只要所述涂层持续磨损并且不剥落（spall off)，涂层厚度增加意味着耐磨性增加。因为可在对于磨损而言关键的区域形成凹进，所以 涂布切削工具的耐磨性得到改进，而不损害所述切削工具在其它区域的性能。
[0011] 所述基底中的凹进的另一个优点在于所述涂层/基底界面的取向与例如所述工 具表面处切肩滑移的滑移方向不平行。这增加抗脱层（delamination)性。
[0012] 根据本发明的切削工具可以是切削工具刀片或圆角工具（round tool)。
[0013] 合适的基底材料是陶瓷、金属陶瓷、硬质合金、立方氮化硼、多晶金刚石或高速钢， 优选硬质合金。
[0014] 所述图案化表面区域优选布置在对于磨损而言关键的区域中。所述图案化表面区 域可以至少部分覆盖后刀面和/或前刀面。如果所述图案是在前刀面上，则所述图案化表 面区域优选布置在距刃口线至少100 μ m、优选多于150 μ m的距离处。如果所述图案化表面 区域是在后刀面上，则所述区域优选距刃口线至少50 μπι。所述刃口线在此定义为，在从与 所述图案化表面区域垂直的方向研宄所述图案化表面区域时沿着所述工具刃口的线。图案 布置得过于接近刃口将意味着所述切削刃口不均匀磨损的风险增加。
[0015] 本发明的切削工具包含沉积在基底上的表面涂层。该表面涂层通常是至少覆盖在 切削期间经受磨损的区域的耐磨涂层。如果所述切削工具是具有前刀面和后刀面的刀片， 则所述涂层可施加在这些表面的一个或两个上。
[0016] 涂层厚度Τ。是所述涂层沉积在凹进外面的平表面上的厚度。在所述图案区域内 但是在凹进外面的基底表面在本申请中称为基底的第一表面。这种基底的第一表面是排列 有凹进的表面，而限定每个凹进、所述凹进的壁和底部的表面不是所述基底的第一表面的 一部分。
[0017] 所述凹进的宽度We被认为是在所述基底的第一表面处的宽度。宽度W 1是在所述 凹进的半深度[D/2]处的凹进宽度并且WiS 2Τ。。在一种实施方式中，We〈2T。。
[0018] 所述凹进具有深度D，其是从所述基底的第一表面、即凹进外面的基底表面向下至 所述凹进底部的距离。所述凹进的底部可包含人造物（artifact)或不规则处，例如通过例 如未优化的激光工艺造成的局部深窄孔。这种人造物的实例可在图3中看到。深度D优选 大于2 μ m，更优选大于5 μ m。深度D小于100 μ m，优选〈75 μ m。深度应该足够大以便影响 工具的寿命，并且足够小以便不负面地影响刃口的韧性。所述凹进的深度太大将不会增加 工具的寿命，因为大的磨损深度总归会削弱工具的刃口。在一种实施方式中，所述凹进的高 宽比（aspect ratio)是 D/We〈2,优选为 0.5-1. 5〇
[0019] 根据本发明的一种实施方式的涂布切削工具包含涂层和优选由硬质合金制成的 基底。所述基底在其表面中包含具有凹进例如孔或槽的几何图案。这些凹进用所述涂层至 少部分填充，使得所述涂层至少已经开始在所述凹进中结合（coalesce)。每个凹进被所述 表面涂层至少部分填充，使得所述表面涂层在所述凹进中长在一起。这在所述表面涂层沉 积期间实现。因为在所述凹进中一定深度处的宽度小于在所述凹进的对立侧壁上生长的表 面涂层的总厚度的两倍，所以所述表面涂层的一部分最后将在所述凹进中结合。所述涂层 可具有复制所述基底表面轮廓的第一种初始生长类型，和第二种生长类型，其中所述涂层 在所述凹进内结合，使得生长涂层的一部分表面会合生长涂层的另一部分表面，并且当所 述涂层的生长是第二种生长类型时，所述涂层结合。这是有利的，因为其提供了局部更大的 涂层厚度，并因此提供了更高的耐磨性。
[0020] 根据本发明的一种实施方式，所述切削工具具有涂层，其中沉积在所述凹进中的 涂层厚度大于沉积在所述基底的第一表面上的涂层。
[0021] 所述凹进的形状优选使得在所述凹进底部处的宽度小于在所述基底的第一表面 处的宽度I。由于可避免空隙和孔隙，这是有利的。所述凹进可具有与所述第一基底表面 垂直的侧壁，或者所述壁可以是倾斜的。所述凹进的侧壁与所述第一基底表面之间的角度 优选在45°和90°之间。在本发明的一种实施方式中，所述表面涂层具有外表面，并且其 中在所述外表面处/上的剩余凹进的最大深度处的点位于所述基底的第一表面之上，使得 所述涂层沿着与所述基底的第一表面平行的线连续穿过数个凹进。这可例如在所述工具的 横截面处研宄。这在增加耐磨性上是有利的。
[0022] 在本发明的一种实施方式中，所述涂层至少在所述图案化表面区域内完全填充所 述凹进并且覆盖周围的基底表面。在本发明的一种实施方式中，所述图案化基底表面区域 的底层结构没有留在