CN114286874A - 涂布的切削工具 - Google Patents

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Abstract

一种涂布的切削工具(1)，所述涂布的切削工具(1)具有前刀面(4)、后刀面(5)和切削刃区域，所述切削刃区域在所述切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面之间并且与所述切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面邻接，所述切削刃区域与刃线(6)相交并限定了限定切削刃半径re的切削刃扇区，所述涂布的切削工具包含具有厚度在1μm～40μm之间的涂层的基材(1)，其中所述涂层包含α‑Al2O3层(2)和位于所述基材和所述α‑Al2O3层之间的MTCVD TiCN层(3)，其中所述α‑Al2O3层表现出根据哈里斯公式(I)定义的、通过利用CuKα辐射和θ‑2θ扫描的X射线衍射所测量的织构系数TC(hkl)，
Figure DDA0003523834050000011
其中I(hkl)是在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度，n是计算中所使用的反射个数，所使用的(hkl)反射为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(0 1 8)、(3 0 0)、(0 2 10)、(0 0 12)和(0 1 14)并且所使用的其相应的参考强度为I0(1 0 4)＝10000、I0(1 1 0)＝4686、I0(1 1 3)＝9734、I0(0 2 4)＝4903、I0(1 1 6)＝9562、I0(0 1 8)＝724、I0(3 0 0)＝5632、I0(0 2 10)＝728、I0(0 0 12)＝168和I0(0 1 14)＝448。

Description

涂布的切削工具
技术领域
本发明涉及一种涂布的切削工具，所述涂布的切削工具包含具有涂层的基材，其中所述涂层包含至少一个织构化(textured)的α-Al2O3层和位于所述基材和所述α-Al2O3层之间的织构化的MTCVD TiCN层。本发明还涉及一种制造涂布的切削工具的方法和涂布的切削工具的用途。
发明背景
为了在钢材车削中获得优异的机械加工性能，(001)织构化的α-Al2O3 CVD涂层已成为现有技术10多年。与其它涂层相比，(001)织构化的α-Al2O3 CVD涂层能够更好地承受月牙洼磨损，这是优异车削性能的决定性性能。在过去十年的发展期间，CVDα-Al2O3涂层着眼于将(001)织构控制和优化到比以前更高的程度。
较高(001)织构化的CVDα-Al2O3涂层的一个缺点是，当刀片在机械加工操作期间发生塑性变形时，它们更容易在后刀面上剥落。当刀片发生塑性变形时，越少织构化的CVDα-Al2O3涂层在后刀面上的剥落越不明显。
如果需要高抗月牙洼磨损性，即高织构化的(001)α-Al2O3 CVD涂层，则必须接受对塑性变形的敏感性。否则，必须选择抗月牙洼磨损性与抗塑性变形性之间的折衷，从而导致较少(001)织构化的α-Al2O3CVD涂层。
当今的工业不断寻求经济且高生产率制造的解决方案。在金属切削工具行业内，这项工作的主要部分集中在通过设计应用中所用的涂布材料的性质来改善切削工具的磨损行为。因此，需要具有改进的抗磨损性和抗塑性变形性的涂布的切削工具。
本发明的一个目的是提供一种在切削操作中具有改进性能的涂布的切削工具刀片。本发明的另一个目的是提供一种具有改进的抗磨损性如高抗月牙洼磨损性和抗塑性变形性的涂布的切削工具。
发明内容
根据第一方面，通过根据项1的涂布的切削工具来实现上述目的。根据一个实施方式，提供了一种涂布的切削工具，所述涂布的切削工具具有前刀面、后刀面和切削刃区域，所述切削刃区域在切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面之间并且与所述切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面邻接，所述切削刃区域与刃线相交并限定了限定切削刃半径re的切削刃扇区，所述涂布的切削工具包含具有厚度在1μm～40μm之间的涂层的基材，其中所述涂层包含α-Al2O3层和位于所述基材和所述α-Al2O3层之间的MTCVD TiCN层，其中所述α-Al2O3层表现出根据哈里斯(Harris)公式定义的、通过利用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射所测量的织构系数TC(hkl)，
Figure BDA0003523834030000021
其中I(hkl)是在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度，n是计算中所使用的反射个数，所使用的(hkl)反射为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(11 6)、(0 1 8)、(3 0 0)、(0 2 10)、(0 0 12)和(0 1 14)并且所使用的其相应的参考强度为I0(1 0 4)＝10000、I0(1 1 0)＝4686、I0(1 1 3)＝9734、I0(0 2 4)＝4903、I0(1 1 6)＝9562、I0(0 1 8)＝724、I0(3 0 0)＝5632、I0(0 2 10)＝728、I0(0 0 12)＝168和I0(0 1 14)＝448，
其中后刀面上基材的表面粗糙度为Ra≥0.24μm，所述后刀面上基材的表面粗糙度是在后刀面的刀尖处由1.1×1.1mm2区域Sf的横截面所拍摄的SEM图像测量的，其中所述区域Sf在距切削刃区域约0.4mm的距离处开始，
前刀面上基材的表面粗糙度为0.05μm<Ra<18μm，所述前刀面上基材的表面粗糙度是在前刀面的刀尖处由1.1×1.1mm2区域Sr的横截面所拍摄的SEM图像测量的，其中所述区域Sr在距切削刃区域约0.4mm的距离处开始，
所述MTCVD TiCN层表现出根据哈里斯公式所定义的、通过利用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射所测量的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)是在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度，n是计算中所使用的反射个数，所使用的(hkl)反射为(1 11)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)、(4 2 2)和(5 1 1)，并且所使用的其相应的参考强度为：I0(1 1 1)＝7871、I0(2 0 0)＝10000、I0(2 2 0)＝5369、I0(3 1 1)＝2550、I0(3 3 1)＝1128、I0(4 2 0)＝2366、I0(4 2 2)＝2479和I0(5 1 1)＝1427，其中在区域Sf中所测量的前刀面上的TC(4 2 2)≥5.5，并且
所述α-Al2O3层在所述前刀面上表现出的织构系数TC(0 0 12)≥8.5，该织构系数TC(0 0 12)是在区域Sr中所测量的。由于前刀面和后刀面上的表面粗糙度的差异以及MTCVD TiCN层和MTCVDα-Al2O3层的高织构的组合，实现了高的抗月牙洼磨损性和抗剥落性的组合。
根据前述项中任一项所述的涂布的切削工具的一个实施方式，其中所述前刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≥6.0，优选≥7.0。
根据一个实施方式，在所述后刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≤3.5。
根据一个实施方式，在所述后刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≤3.0。从而实现了好得多的抗氧化铝剥落性。
根据一个实施方式，在所述前刀面上的所述MTCVD TiCN层的TC(4 2 2)是所述后刀面上的所述MTCVD TiCN层的TC(4 2 2)的至少两倍。
根据一个实施方式，所述α-Al2O3层在所述前刀面上表现出织构系数TC(0 0 12)≥9，最优选≥9.5。由于所述α-Al2O3层的织构非常高，因此实现了高抗月牙洼磨损性。
根据一个实施方式，所述α-Al2O3层的厚度为1.5～20μm，优选2.5～15μm，最优选5～10μm。
根据一个实施方式，所述MTCVD TiCN层的厚度为1.5～20μm，优选2.5～15μm，最优选5～10μm。
根据一个实施方式，在所述前刀面上的区域Sr中所述基材的表面粗糙度Ra为0.05μm<Ra<0.15μm。
根据一个实施方式，在所述前刀面上的区域Sr中所述基材的表面粗糙度Ra小于在后刀面上的区域Sf中基材的表面粗糙度Ra的70％。
根据一个实施方式，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷。
根据一个实施方式，在前刀面上所测量的TiCN层的平均晶粒尺寸在0.3～0.5μm之间，所述平均晶粒尺寸是利用平均晶粒截距法在从基材向涂层的外表面的方向上所观察的层厚度的80％处所测量的。
根据本发明的第二方面，提供一种制造切削工具刀片的方法，其特征在于
-将硬质合金的生坯烧结成包含前刀面和后刀面的基材；
-将基材前刀面上的至少区域Sr抛光至利用轮廓仪测量具有0.05μm<Ra<0.18μm的表面粗糙度；
-在包含TiCl4、CH3CN和H2的气体混合物中在830℃～900℃之间的温度下通过中温化学气相沉积来沉积TiCN层；
-在包含H2S、CO2、HCl和AlCl3以及H2的气体混合物中在50～150毫巴之间的气体压力下在950℃～1050℃之间的温度下通过化学气相沉积来沉积织构化的α-Al2O3层。
根据第三方面，本发明提供根据上述实施方式中任一项的切削工具刀片的用途，用于通过车削进行的机械加工。
附图说明
图1是通过根据本发明实施方式的涂布的切削工具刀片的一部分的横截面图。
图2是图1中所示切削工具刀片的前刀面上的涂层的X射线θ-2θ衍射图。
图3是图1中所示切削工具刀片的后刀面上的涂层的X射线θ-2θ衍射图。
图4是图1中所示涂布的切削刀片的前刀面的断裂横截面的SEM显微照片。
图5是图1中所示涂布的切削刀片的后刀面的断裂横截面的SEM显微照片。
定义和方法
涂层沉积
在能够容纳10000个半英寸(half-inch)尺寸的切削刀片的径向Ionbond Bernex型BPXpro 530L串联CVD设备中沉积下述实例中的涂层。
X射线衍射测量
使用Bruker D8 Advance衍射仪使用利用CuKα辐射的XRD对涂布的切削工具的后刀面和前刀面上的织构系数值TC(hkl)进行了测量，所述Bruker D8 Advance衍射仪在40kV和40mA下运行Cu管，安装有LynxEye XE-T检测器，并且在θ-2θ模式下运行。衍射仪安装有固定光束光学器件：在初始侧有2.3°Soller狭缝和0.6mm发散狭缝，在二级侧有8mm的抗散射狭缝，然后是2.5°Soller狭缝和0.5mm的Ni滤光器。在18°～143°的范围内以2θ中0.05°的步长记录衍射图案，并持续约5分钟的总测量时间。将涂布的切削工具安装在样品保持器中，以确保测量的样品表面平行于样品保持器的参考表面，并且还处于适当的高度。
使用Bruker TOPAS 5程序利用Le Bail方法使用全图案拟合进行数据分析。该程序的输出即轮廓拟合曲线的积分峰面积，在下述校正之后，然后使用如上述所公开的哈里斯公式(1)通过对TiCN和α-Al2O3层的测量强度数据对参考强度之比进行比较来用于计算所述层的织构系数。
由于通过层的路径长度不同，在不同的2θ角处由所述层散射的峰的相对强度的差异与大块样品相比是不同的，因此对测量的强度进行薄膜校正。因此，在计算TC值时，将薄膜校正应用于轮廓拟合曲线的提取积分峰面积强度，同时考虑层的线性吸收系数。因为上述可能的其它层如α-Al2O3层将影响进入α-Al2O3层和退出整个涂层的X射线强度，所以考虑到层中各种化合物的线性吸收系数，也需要对这些进行校正。如果TiCN层位于例如α-Al2O3层的下方，这同样适用于TiCN层的X射线衍射测量。或者，通过基本上不影响XRD测量结果的方法如化学腐蚀能够除去氧化铝层上方的诸如TiN的其它层。
为了研究α-Al2O3层的织构，利用CuKα辐射进行X射线衍射，并根据如上述所公开的哈里斯公式(1)计算了α-Al2O3层晶粒的不同生长方向的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)等于在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度。在这种情况下，所使用的(hkl)反射及其相应的参考强度为：I0(1 0 4)＝10000、I0(1 1 0)＝4686、I0(1 1 3)＝9734、I0(0 2 4)＝4903、I0(1 1 6)＝9562、I0(0 1 8)＝724、I0(3 0 0)＝5632、I0(0 2 10)＝728、I0(0 0 12)＝168和I0(0 1 14)＝448。测量的积分峰面积在计算所述比之前经过薄膜校正并针对α-Al2O3层上方(即之上)的任何其它层进行校正。
根据如上述所公开的哈里斯公式(1)计算了TiCN层的柱状晶粒不同生长方向的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)等于在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度。在这种情况下，所使用的(hkl)反射及其相应的参考强度为：I0(1 1 1)＝7871、I0(2 00)＝10000、I0(2 2 0)＝5369、I0(3 1 1)＝2550、I0(3 3 1)＝1128、I0(4 2 0)＝2366、I0(42 2)＝2479和I0(5 1 1)＝1427。反射(5 1 1)和(3 3 3)完全重叠，因此由(5 1 1)和(3 33)的强度之和(其是测量的值)计算得出(5 1 1)峰的强度。按如下进行这种校正。使用关于(1 1 1)和(3 3 3)反射的强度的参考强度的关系：Ic(3 3 3)＝I(1 1 1)*I0(3 3 3)/I0(11 1)，将I(5 1 1)设置为(5 1 1)和(3 3 3)的积分峰面积之和，然后减去(3 3 3)反射的计算值Ic(3 3 3)。用于I0(3 3 3)的值＝476。在计算所述比之前，对测量的积分峰面积进行薄膜校正并针对例如α-Al2O3层上的任何其它层进行校正。
需要注意的是，峰重叠是在包含例如几个结晶层的涂层和/或沉积在包含结晶相的基材上的涂层的X射线衍射分析中能够发生的现象，并且进行分析的技术人员必须考虑并补偿。源自α-Al2O3层的峰与源自TiCN层的峰的峰重叠可能会影响测量，并且需要加以考虑。还应注意，例如，基材中的WC能够具有接近本涂层的相关峰的衍射峰。
从SEM图像测量表面粗糙度
由从抛光或断裂的横截面拍摄的SEM图像能够对基材和涂层之间界面的表面粗糙度值进行评价。按如下实施此处所使用的方法。
使用Zeiss Ultra扫描电子显微镜在涂布的刀片上采集在图4和5的图像中所例示的断裂横截面，所述Zeiss Ultra扫描电子显微镜安装有InLens和SE2检测器，在10000倍率下在3～4mm之间的工作距离下在2kV下工作，在横截面的基材和涂层之间的界面创建约35μm×27μm的图像。在识别界面之后，使用OriginLab公司的Origin2018b(b9.5.5.409)中的Digitizer工具将图像数字化，并按如下计算Ra值：
·图像是使用Origin工具Digitizer导入的。
·轴是根据图像中的刻度定义的。
·以约0.5μm的平均间隔采集基材和涂层之间的界面上的各个点，曲线特征的间隔较短，直线特征的间隔较长，从而形成表面粗糙度轮廓。
·对获得的轮廓进行线性最小二乘拟合。
·从轮廓上的各个数据点中减去获得的线性最小二乘线，确保最终的图像旋转不会影响评价。
·使用如下公式计算Ra值：
Figure BDA0003523834030000081
其中n＝轮廓上使用的点的数量，并且yi是点i与最小二乘线之间的距离，单位为μm。
轮廓仪中的表面粗糙度
使用源自Alicona公司的3D光学表面轮廓仪Infinite Focus XL 200-G5对涂布之前基材的区域表面粗糙度进行了研究。根据ISO 25178在Infinite Focus XL中进行表面粗糙度的测量。对于测量，使用100x物镜，其中垂直分辨率设置为10nm并且横向分辨率设置为1μm。表面粗糙度值Sa和S10z对于倾斜的平坦表面通过使用高斯(Gaussian)滤光器在基材的抛光的前刀面和烧结的后刀面上从450×450μm2的区域；选定区域计算，并且截止波长设置为90μm。将整个450×450μm2分析区域通过使用软件的默认设置用于表面粗糙度和支承(bearing)分析中。根据支承分析，生成支承曲线并评价如下两个参数：
Sa值是根据公式2在选定区域(A)内距平均平面的绝对值的平均高度：
Figure BDA0003523834030000091
Sz值是选定区域(A)内的最大峰高值和最大谷深之和。
S10z值是根据公式3在选定区域(A)内的五个最大峰高(Spi)和五个最大谷深(Svi)的平均值：
Figure BDA0003523834030000092
Spk，降低的峰高，即在芯材料之上的峰的平均高度。
Sk，芯粗糙度深度，即芯材料的高度。
晶粒尺寸
柱状晶粒的晶粒尺寸，即柱的直径，用平均晶粒截距法在层厚度的80％处来确定。
用于表征的切削刀片和区域
图1是根据本发明实施方式的涂布的切削工具的拐角区域的横截面。所述切削工具包含涂布有α-Al2O3层2的基材1和布置在基材和α-Al2O3层之间的MTCVD TiCN层3。切削工具刀片包含前刀面4、后刀面5(由相邻的后刀面形成)以及后刀面5与前刀面4之间的刃区域，所述刃区域限定切削刃。
当根据图1在横截面中观察切削工具刀片时，切削刃区域与刃线6相交并限定了限定切削刃半径re的切削刃扇区，并在刃线6的一侧从所述刃线6向刃扇区与前刀面4之间的第一相交线7延伸，并且在刃线6的另一侧从所述刃线6向刃扇区与后刀面5之间的第二相交线8延伸。第一相交线7是刃扇区的切线与前刀面4的切线重合的地方，并且第二相交线8是刃扇区的切线与后刀面5的切线重合的地方。
在前刀面上的区域Sr和后刀面上的区域Sf中对表面粗糙度、晶粒尺寸和XRD进行了测量。区域Sr的尺寸为1.1×1.1mm2并且位于前刀面的刀尖处。区域Sr从涂布的切削工具刀片的前刀面的外表面垂直延伸通过涂层和基材表面而进入基材，并且区域Sr在距第一相交线7约0.4mm的距离处开始。区域Sf的尺寸为1.1×1.1mm2并且位于后刀面的刀尖处。区域Sr从涂布的切削工具刀片的后刀面的外表面垂直延伸通过涂层和基材表面而进入基材，并且区域在距第二相交线8约0.4mm的距离处开始。图1显示了通过区域Sr和Sf截取的横截面并且其适用于从SEM图像测量基材表面的表面粗糙度Ra。
详细说明
在下文中，将通过非限制性实例对根据本公开内容的涂布的切削工具和方法进行更详细地描述。
实例
实例1(发明)
制造了用于车削的ISO型CNMG120408-M3的第一种类型的硬质合金基材X，其组成为5.5重量％的Co、2.0重量％的Ti、3.4重量％的Ta、2.0重量％的Nb和剩余物WC。基材包含基本上不含立方碳化物的富Co表面区域，所述区域的深度为从基材表面到本体内约17μm。此外，制造了ISO型CNMG120408-M3和CNMA120408的第二种类型的硬质合金基材Y，其组成为9.0重量％的Co、2.0重量％的Ti、3.4重量％的Ta、2.0重量％的Nb和剩余物WC。所述基材包含基本上不含立方碳化物的富Co表面区域，所述区域的深度为从基材表面到本体内约20μm。
使用湿刷法在前刀面上对基材X的一个样品M和基材Y的一个样品M-Y进行抛光。使用的设备为Sinjet IBX12型号，其设置由两个操作构成，其中第一个操作使用具有扁平SiC240K晶粒尺寸刷毛的刷子进行粗抛光和刃制备。第二个操作进行细抛光并且刷子是Diamond1000K刷毛。进行抛光，直到在如上定义的区域Sr中实现0.05μm<Ra<0.18μm的表面粗糙度，所述表面粗糙度是根据上述说明利用轮廓仪测量的。
通过采用熟知的MTCVD技术在860℃下使用TiCl4、CH3CN、N2、HCl和H2对刀片首先涂布约0.4μm的薄TiN层，然后涂布约9μm的TiCN层。在TiCN层的MTCVD沉积的初始部分中TiCl4/CH3CN的体积比为9，随后的时期使用的TiCl4/CH3CN的比例为2.5。将TiN和TiCN沉积的细节示于表1中。
表1.TiN和TiCN的MTCVD
Figure BDA0003523834030000111
在MTCVD TiCN层之上是0.5～2μm厚的粘结层，所述粘结层是在1000℃下通过由四个独立的反应步骤构成的方法沉积的。首先是在400毫巴下使用TiCl4、N2、HCl和H2的HTCVDTiN-1步骤，然后是在60毫巴下使用TiCl4、HCl、CH3CN、CO、N2和H2的第二步骤(TiCNO-1)，然后是在60毫巴下使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2的第三步骤(TiCNO-2)，最后是在60毫巴下使用TiCl4、N2和H2的第四步骤(TiN-2)。在第三沉积步骤期间，一些气体连续变化，如表2中所示的第一起始水平和第二停止水平所示。在随后的α-Al2O3成核开始之前，将粘结层在CO2、CO、N2和H2的混合物中氧化4分钟。将粘结层沉积的细节示于表2中。
表2.粘结层的沉积
Figure BDA0003523834030000121
将α-Al2O3层沉积在粘结层之上。前两个α-Al2O3步骤在1000℃和60毫巴下沉积，并且第三个步骤在1000℃和150毫巴下沉积。第一步骤(Al2O3-1)提供约0.1μm的α-Al2O3，第二步骤(Al2O3-2)提供约7μm的总α-Al2O3层厚度并且第三步骤(Al2O3-3)提供约0.3μm的厚度，参见表3。
表3.α-Al2O3的沉积步骤
Figure BDA0003523834030000122
在涂布之后，将刀片进行常规的湿式喷砂(wet-blasting)处理。
实例2(参考)
关于基材X的一个样品A和基材Y的一个样品K不对前刀面和后刀面进行处理，并根据实例1中的涂布方法进行涂布。将涂布的刀片进行常规的湿式喷砂处理。
实例3(参考)
使用湿刷法对基材X的一个样品B和基材Y的一个样品L在后刀面上进行抛光。抛光进行至在如上定义的区域Sf中实现0.05μm<Ra<0.18μm的表面粗糙度，所述表面粗糙度是根据上述说明利用轮廓仪测量的。样品B的前刀面和样品L的前刀面保持为烧结状态。根据实例1中的方法对样品B和样品L进行涂布。在涂布之后，对刀片进行常规的湿式喷砂处理。
实例4-表面分析
实例4a-来自SEM图像的表面粗糙度
从三个CNMA120408刀片(样品M)的断裂横截面采集SEM图像，所述刀片具有抛光的前刀面和烧结的后刀面，分别从各个刀片的后刀面和前刀面提供一个图像。使用上述描述来评价各个SEM图像，从而将Ra值示于表4中。
表4.根据实例1在前刀面上抛光并涂布的三个刀片(样品M)的Ra值(单位为μm)
Figure BDA0003523834030000131
实例4b-来自表面轮廓仪的表面粗糙度
根据上述描述使用3D光学表面轮廓仪并在如上所述的在前刀面上的区域Sr和后刀面上的区域Sf中对样品K、L和M的基材的抛光的前刀面和烧结的后刀面的表面形貌进行了研究。对于样品M的Sa，前刀面为0.16μm并且后刀面为0.33μm。对于样品M的S10z值，前刀面为2.1μm并且后刀面为5.0μm。此外，在后刀面上的区域Sf中利用光学表面轮廓仪对后刀面的Ra值进行了测量，单位为μm。从烧结后原样的基材表面上利用轮廓仪在样品“M-后刀面”上的区域Sf中测量的Ra值(0.25μm)能够看出，它对应于在样品“M-后刀面”上的SEM图像即通过区域Sf和Sr的切削刀片的横截面的SEM图像上测量的三个Ra值的平均值0.26μm。为了评价涂布的切削工具的基材的表面粗糙度Ra，使用利用从抛光或断裂的横截面拍摄的SEM图像的上述方法。
表5.表面分析
样品 Ra(μm) Sa(μm) S10z(μm) Sk(μm) Spk(μm)
K-前刀面 0.326 3.432 1.066 0.369
L-前刀面 0.322 2.939 1.064 0.353
M-前刀面 0.161 2.121 0.436 0.102
K-后刀面 0.257 0.333 8.662 1.075 0.463
L-后刀面 0.102 0.133 1.559 0.333 0.069
M-后刀面 0.248 0.330 5.023 1.045 0.493
实例5-织构分析
实例1、2和3中的切削工具包含涂布有涂层的基材，所述涂层包含TiCN和α-Al2O3刚玉的层，其中所述层表现出根据如下哈里斯公式所定义的、利用CuKα辐射和θ-2θ扫描通过X射线衍射(XRD)所测量的织构系数TC(hkl)：
Figure BDA0003523834030000141
其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是参考强度，n是计算中所使用的反射个数，其中关于所使用的(hkl)反射，在α-Al2O3的情况下为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(0 1 8)、(3 0 0)、(0 2 10)、(0 0 12)和(0 1 14)，并且在TiCN的情况下为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)、(4 2 2)和(5 11)。
XRD用于根据如上述所公开的方法分析α-Al2O3和TiCN层的TC值，参见表6和7。表6显示了根据实例1涂布的样品M的五个不同CNMA120408切削工具的抛光的前刀面和烧结的后刀面的α-Al2O3层的TC(hkl)。表7显示了根据实例1涂布的样品M的五个不同CNMA120408切削工具的抛光的前刀面和烧结的后刀面的TiCN层的TC(hkl)。
表6.根据实例1的抛光的前刀面和烧结的后刀面的α-Al2O3层的TC(hkl)。
Figure BDA0003523834030000151
表7.根据实例1涂布的切削工具的抛光的前刀面和烧结的后刀面的TiCN层的TC(hkl)。
Figure BDA0003523834030000152
图2显示了根据表6的CNMG120408切削工具的抛光的前刀面的X射线衍射图案。明显的特征是在约91°处的α-Al2O3(0 0 12)峰和在124°处的Ti(C,N)(4 2 2)峰。图3显示了根据表7的CNMG120408切削工具的烧结的后刀面的X射线衍射图案。明显的特征是在约91°处的α-Al2O3(0 0 12)峰和在124°处的Ti(C,N)(4 2 2)峰。
实例6-晶粒尺寸
图4是涂布的CNMA120408样品M的断裂横截面的扫描电子显微镜(在2kV下运行的Zeiss Ultra，工作距离为3.7mm)图像，显示了具有MT-TiCN和α-Al2O3层的抛光的前刀面。能够看出，MT-TiCN形态是细晶粒状和柱状的，并且α-Al2O3层表现出具有柱状晶粒的高织构。
图5是涂布的CNMA120408样品M的断裂横截面的扫描电子显微镜(在2kV下运行的Zeiss Ultra，工作距离为3.7mm)图像，显示了具有MT-TiCN和α-Al2O3层的烧结的抛光后刀面。图5中的MT-TiCN层表现出柱状晶粒结构，但图4中的MT-TiCN层的结构比图3中的晶粒更粗。图4中的α-Al2O3层的织构比图3中所示的前刀面上的α-Al2O3层的更低。
由图4，利用平均晶粒截距法在层厚度的80％处确定了柱状TiCN的晶粒尺寸，即柱的直径。前刀面上区域Sr中TiCN的平均晶粒尺寸为0.39μm。
用于切削测试的变体
表8.
变体 基材 涂层 前刀面 后刀面
A(参考) X 根据实例1 烧结后原样 烧结后原样
B(参考) X 根据实例1 烧结后原样 抛光的
F X 根据实例1 抛光的 烧结后原样
K(参考) Y 根据实例1 烧结后原样 烧结后原样
L(参考) Y 根据实例1 烧结后原样 抛光的
M Y 根据实例1 抛光的 烧结后原样
切削测试1
使用如下切削数据在通用结构钢(C45E)中在交替纵向/端面车削操作中对ISO型CNMG120408(基材Y)的涂布的切削工具、即涂布并喷砂处理后原样的变体K、M和L进行了测试：
Figure BDA0003523834030000173
机械加工是干式进行的。
对每个切削工具的一个切削刃进行了评价。所有变体中的所有刃都以相同的时间和方式运行，然后使用光学显微镜进行比较，并对于刀片的与工件材料接触的区域下方的刀尖部分中间隙侧上的可见的氧化铝剥落进行排名。
表9.抗氧化铝剥落性
Figure BDA0003523834030000171
切削测试2
使用如下切削数据在退火状态的42CrMo4钢中在纵向车削操作中对ISO型CNMG120408(基材X)的涂布的切削工具、即涂布并喷砂处理的A、B和F进行了测试：
Figure BDA0003523834030000172
Figure BDA0003523834030000182
机械加工是干式进行的。
对每个切削工具的一个切削刃进行了评价。所有变体中的所有刃都以相同的时间和方式运行，然后使用光学显微镜进行比较，并根据月牙洼磨损程度进行排名。月牙洼磨损越多＝抗月牙洼磨损性越差。
表10.抗月牙洼磨损性
Figure BDA0003523834030000181
由磨损比较可以估计，具有抛光的前刀面和烧结后原样的间隙面的变体由于更好的抗月牙洼磨损性而会具有延长25％的工具寿命。
尽管已经根据一些优选实施方式对本发明进行了说明和描述，但是应当认识到，在不背离如权利要求书所限定的本发明的情况下，可以对其完成变体和变化。例如，可以对后刀面进行用于增加表面粗糙度的处理如激光处理或研磨。

Claims (15)

1.涂布的切削工具(1)，所述涂布的切削工具(1)具有前刀面(4)、后刀面(5)和切削刃区域，所述切削刃区域在所述切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面之间、并且与所述切削工具刀片的刀尖区域中的所述后刀面和所述前刀面邻接，所述切削刃区域与刃线(6)相交并限定了限定切削刃半径re的切削刃扇区，所述涂布的切削工具包含具有厚度在1μm～40μm之间的涂层的基材(1)，其中所述涂层包含α-Al2O3层(2)以及位于所述基材和所述α-Al2O3层之间的MTCVD TiCN层(3)，
其中所述α-Al2O3层表现出根据哈里斯公式定义、通过利用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射所测量的织构系数TC(hkl)，
Figure FDA0003523834020000011
其中I(hkl)是在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度，n是计算中所使用的反射个数，所使用的(hkl)反射为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(0 1 8)、(3 0 0)、(0 2 10)、(0 0 12)和(0 1 14)并且所使用的其相应的参考强度为I0(10 4)＝10000、I0(1 1 0)＝4686、I0(1 1 3)＝9734、I0(0 2 4)＝4903、I0(1 1 6)＝9562、I0(0 1 8)＝724、I0(3 0 0)＝5632、I0(0 2 10)＝728、I0(0 0 12)＝168和I0(0 1 14)＝448，
特征在于，
-所述后刀面上所述基材的表面粗糙度Ra为Ra≥0.24μm，所述后刀面上所述基材的表面粗糙度Ra是在所述后刀面(5)的刀尖处由1.1×1.1mm2区域Sf的横截面所拍摄的SEM图像测量的，其中所述区域Sf在距所述切削刃区域约0.4mm的距离处开始，
-所述前刀面上所述基材的表面粗糙度为0.05μm<Ra<0.18μm，所述前刀面上所述基材的表面粗糙度是在所述前刀面(4)的刀尖处由1.1×1.1mm2区域Sr的横截面所拍摄的SEM图像测量的，其中所述区域Sr在距所述切削刃区域约0.4mm的距离处开始，
-所述MTCVD TiCN层表现出根据哈里斯公式所定义的、通过利用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射所测量的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)是在相应的参考强度I0(hkl)下(hkl)反射的测量积分面积强度，n是计算中所使用的反射个数，所使用的(hkl)反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)、(4 2 2)和(5 1 1)，并且所使用的其相应的参考强度为：I0(1 1 1)＝7871、I0(2 0 0)＝10000、I0(2 2 0)＝5369、I0(3 1 1)＝2550、I0(3 3 1)＝1128、I0(4 2 0)＝2366、I0(4 2 2)＝2479和I0(5 1 1)＝1427，其中在区域Sf中所测量的所述前刀面上的TC(4 2 2)≥5.5，
-所述α-Al2O3层在所述前刀面上表现出织构系数TC(0 0 12)≥8.5，该织构系数TC(0 012)是在区域Sr中所测量的。
2.根据权利要求1所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≥6.0，优选≥7.0。
3.根据权利要求1或2所述的涂布的切削工具，其中在所述后刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≤3.5。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述后刀面上的所述MTCVD TiCN层表现出TC(4 2 2)≤3.0。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上的所述MTCVD TiCN层的TC(4 2 2)是在所述后刀面上的所述TiCN层的TC(4 2 2)的至少两倍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上所述α-Al2O3层表现出织构系数TC(0 0 12)≥9，最优选≥9.5。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中所述α-Al2O3层的厚度为1.5～20μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中所述MTCVD TiCN层的厚度为1.5～20μm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上的区域Sr中所测量的所述基材的表面粗糙度Ra小于在所述后刀面上的区域Sf中所测量的所述基材的表面粗糙度Ra的70％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上的区域Sr中所测量的所述基材的表面粗糙度为0.05μm<Ra<0.15μm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上的区域Sr中所测量的所述基材的表面粗糙度为0.10μm<Ra<0.18μm。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中在所述前刀面上所测量的所述TiCN层的平均晶粒尺寸在0.3～0.5μm之间，所述平均晶粒尺寸是利用截距法在所述层厚度的80％处所测量的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的涂布的切削工具，其中所述基材由如下中的任意者制成：硬质合金、金属陶瓷和陶瓷。
14.一种制造根据权利要求1的涂布的切削工具刀片的方法，
特征在于
-将硬质合金、金属陶瓷或陶瓷的生坯烧结成包含前刀面和后刀面的基材；
-将所述基材前刀面上的至少区域Sr抛光至利用轮廓仪测量具有0.05μm<Ra<0.18μm的表面粗糙度；
-在包含TiCl4、CH3CN和H2的气体混合物中在830℃～900℃之间的温度下通过中温化学气相沉积来沉积TiCN层；
-在包含H2S、CO2、HCl和AlCl3以及H2的气体混合物中在50～150毫巴之间的气体压力下在950℃～1050℃之间的温度下通过化学气相沉积来沉积织构化的α-Al2O3层。
15.根据前述权利要求1～13中任一项所述的涂布的切削工具在钢优选合金钢、碳钢或韧性硬化钢的车削操作中的用途。
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