CN117396634A - 涂层切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种切削工具，该切削工具包含至少部分涂覆有涂层的基体，所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成，所述涂层包含Ti(C,N)层、Al2O3层和在它们之间的粘结层。所述Ti(C,N)层由柱状晶粒构成，其中所述Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸D422为25‑50nm，并且其中所述Ti(C,N)层包含与所述粘结层相邻的B1部分，并且其中B1部分中的Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸大于整个Ti(C,N)层中的平均晶粒直径D422。在Ti(C,N)层的B1部分中，所述Ti(C,N)晶粒具有130‑300nm的平均晶粒尺寸。

Description

涂层切削工具
技术领域
本发明涉及一种涂层切削工具，包含基体和涂层，其中所述涂层通过CVD沉积，并包含Ti(C,N)层和α-Al2O3层。
背景技术
在金属切削工业中，涂层切削工具是本领域中众所周知的。经CVD涂覆的切削工具和经PVD涂覆的切削工具是涂层切削工具中的两种最主要类型。这些涂层的优点是具有高的耐化学性和耐磨损性，这对于实现涂层切削工具的长工具寿命是重要的。已知包含Ti(C,N)层和氧化铝层的CVD涂层在例如钢的车削或铣削中表现良好。
EP2791387A1公开了一种具有细晶粒钛碳氮化物层的涂层切削工具。该涂层有利于在球墨铸铁的车削和高速切削中显示出高的抗剥落性。柱状CVD TiCN层被描述为具有0.05-0.4μm的平均晶粒宽度。
最近的研究已经表明，极细晶粒的Ti(C,N)层和Al2O3层的组合有时会导致Ti(C,N)和Al2O3之间的粘附性差。解决这个问题是受关注的，因为极细晶粒的Ti(C,N)已经显示出有前途的切削工具性质。
本发明的目的是提供一种用于金属切削的涂层具有高粘附性的涂层切削工具。另一个的目的是提供一种在金属切削期间具有高耐磨性、特别地具有高抗剥落性的涂层切削工具。本发明的又一个目的是提供一种在钢中进行金属切削时具有高耐月牙洼磨损性的切削工具。
发明内容
上述目的中的至少一个通过根据项1所述的切削工具来实现。在从属项中公开了优选的实施方式。
本发明涉及一种切削工具，所述切削工具包含至少部分涂覆有涂层的基体，所述涂层包含Ti(C,N)层、Al2O3层和在它们之间的粘结层，其中厚度为3-25μm的所述Ti(C,N)层由柱状晶粒构成，其中在通过利用CuKα辐射的X射线衍射测量时，所述Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸D422为25-50nm，所述晶粒尺寸D422根据谢乐(Scherrer)公式从(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算：
其中D422是所述Ti(C,N)的平均晶粒尺寸；K是形状因子且在此设置为0.9；λ是CuKα辐射的波长且在此设置为B422是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，其中所述Ti(C,N)层包含与所述粘结层相邻的B1部分，并且其中B1部分中的Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸大于所述Ti(C,N)层的整个厚度上的所述平均晶粒尺寸D422，在所述Ti(C,N)层的所述B1部分中，在用TKD(透射菊池衍射)在5×5μm的分析区域中在平行于基体表面延伸的平面视图上测量时，所述Ti(C,N)晶粒具有130-300nm的平均晶粒尺寸。
本发明提供了在极细晶粒的Ti(C,N)层和α-Al2O3层之间增加的粘附性。该增加的粘附性是通过以下来实现的：在Ti(C,N)沉积结束时改变沉积工序条件，使得一些细的Ti(C,N)晶粒变宽并且形成更粗晶粒的Ti(C,N)部分。此后，再次改变工序条件，这次是为了提供Ti(C,N)晶粒的最佳外表面。通过这种方式，形成的Ti(C,N)的最外表面类似于粗晶粒的Ti(C,N)的最外表面，已知该粗晶粒的Ti(C,N)的最外表面通过粘结层与α-Al2O3层显示出高粘附性。如果B1部分中的平均晶粒尺寸太小，则与后续沉积的α-Al2O3层的粘附性不会增加。B1部分中的平均晶粒尺寸适当地小于300nm，因为这对于耐磨性是有利的。
由于分辨率有限，难以在SEM中研究极细晶粒的Ti(C,N)的晶粒尺寸。这里，所述Ti(C,N)层的细晶粒部分的平均晶粒尺寸替代地通过XRD和谢乐公式来限定。即使来自XRD的信号也包括来自更粗晶粒的Ti(C,N)B1部分的信息，该贡献被认为是有限的。
另一方面，对粗晶粒B1部分中晶粒尺寸的研究具有挑战性，即它只是所述Ti(C,N)层的一部分，因此必须选择具有非常高精度的方法。选择利用TKD的平面视图研究，因为所获得的信息既包括关于晶粒尺寸的信息，也包括关于Ti(C,N)晶粒在非常局部尺度上的取向的信息。
在本发明的一个实施方式中，在所述Ti(C,N)层的所述B1部分中的所述Ti(C,N)层在用TKD在所述Ti(C,N)层的平行于所述基体表面延伸的平面视图上测量并且在至少5×5μm的区域中测量时表现出如下取向，其中分析区域的≥93％、优选地≥95％具有与所述Ti(C,N)层的表面法线成15度以内的<211>方向，其中所述Ti(C,N)层的表面法线与所述基体的表面法线平行。
Ti(C,N)层包含最靠近粘结层、从而也最靠近α-Al2O3层的沿<211>高度取向的部分，被认为在努力沉积高度001取向的α-Al2O3时是有利的。如果分析区域的小于93％具有与所述Ti(C,N)层的所述表面法线成15度以内的<211>方向，则后续的α-Al2O3层的001取向将不那么明显。
在本发明的一个实施方式中，在所述涂层的生长方向上测量时，所述Ti(C,N)层的所述B1部分的厚度为0.5-1.5μm，优选地0.6-0.9μm，最优选地0.6-0.8μm。
细晶粒的Ti(C,N)作为耐磨层是有利的，这可能是由于其大量的晶界，或者由于该层的厚度更平坦或均匀。因此，所述TiCN层的细晶粒部分应该相对厚。有助于增加粘附性的粗晶粒部分相对有限，B1部分的厚度优选为0.5-1.5μm，更优选地0.6-0.9μm，最优选地0.6-0.8μm。如果所述B1部分太薄，则粘附性将不会增强。
在本发明的一个实施方式中，所述粘结层包含选自由钛碳氧化物、钛氧氮化物和钛碳氧氮化物组成的组中的至少一种化合物。
由钛碳氧化物、钛氧氮化物或钛碳氧氮化物制成的粘结层的优点在于，它可以在所述Ti(C,N)层和所述α-Al2O3层之间提供外延关系。
在本发明的一个实施方式中，Ti(C,N)的晶粒尺寸D422为25-40nm，优选地25-35nm。
细晶粒Ti(C,N)和α-Al2O3层之间的粘附性增加的本发明特别有利于具有极细晶粒的Ti(C,N)层，诸如当Ti(C,N)的晶粒尺寸D422为25-40nm、或甚至25-35nm时便是如此。
在本发明的一个实施方式中，所述Ti(C,N)层在使用CuKα辐射和θ-2θ扫描测量时呈现出X射线衍射图案，其中根据哈里斯(Harris)公式定义TC(hkl)：
其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42-1489号PDF卡片的标准强度，n是反射次数，计算中所使用的反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 20)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)，其中TC(422)≥3，优选地≥4。
在本发明的一个实施方式中，所述Al2O3层是α-Al2O3层，优选地，所述α-Al2O3层的平均厚度为1μm-15μm，优选地3-10μm。
在本发明的一个实施方式中，其中所述α-Al2O3层在通过使用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射测量时表现出根据哈里斯公式定义的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第00-010-0173号PDF卡片的标准强度，n是计算中使用的反射次数，并且其中所使用的(hkl)反射为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(02 4)、(1 1 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 0 12)，其特征在于，TC(00 12)≥7.5，优选地≥7.7，更优选地≥7.8。
在本发明的一个实施方式中，其中所述α-Al2O3层表现出TC(110)≤0.2，优选地≤0.1。
在本发明的一个实施方式中，在用TKD在5×5μm的分析区域中在平行于基体表面延伸的平面视图上测量时，Ti(C,N)层的所述B1部分中的Ti(C,N)晶粒具有130nm-165nm的平均晶粒尺寸。如果B1部分中的平均晶粒尺寸太大，则粘附性仍然很高，但发现不能达到后续沉积的α-Al2O3层的最高取向。
在本发明的一个实施方式中，在用电子背散射衍射(EBSD)在所述α-Al2O3层的横截面上测量并且作为分析区域至少为1×10μm的至少4个不同区域的平均值测量时，其中所述α-Al2O3层的表面法线平行于所述基体表面的表面法线，所述α-Al2O3层在所述α-Al2O3层的O1部分中(其中所述O1部分从所述粘结层延伸1μm)呈现出以下的取向：其中分析区域的≥80％、优选地≥90％、更优选地≥95％、最优选地≥97％具有在与所述α-Al2O3层的所述表面法线成15度内的<001>方向。
所述α-Al2O3层在区域O1(即在α-Al2O3层最下部中与粘结层相邻)中的该高度取向在钢车削中在有助于增加对耐第一和第二后刀面磨损性、以及有助于增加耐月牙洼磨损性方面已经显示出出乎意料地有利。
在本发明的一个实施方式中，所述Ti(C,N)层的平均厚度为4-20μm，优选地5-15μm。
在本发明的一个实施方式中，所述粘结层的平均厚度为0.25-2.5μm，优选地0.5-2.0μm。
在本发明的一个实施方式中，所述涂层的平均厚度为5.0μm-30.0μm，优选地10-20μm。
在本发明的一个实施方式中，所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成。
本发明的所述Ti(C,N)层中所含的碳对碳和氮之和的原子比率(C/(C+N))优选地为0.50-0.65，更优选地0.55-0.62。
由结合附图考虑的以下定义和实例，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。
定义
术语“切削工具”在本文中旨在表示适用于金属切削应用的切削工具，诸如刀片、立铣刀或钻头。应用领域可以例如是对诸如钢的金属进行车削、铣削或钻孔。
方法
Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸，D422
为了研究所述Ti(C,N)层中Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸，使用配备有PIXcel检测器的PANalytical CubiX3衍射仪在后刀面上进行X射线衍射(XRD)。将涂层切削工具安装在样品支架中，以确保样品的后刀面平行于样品支架的参考表面，并且还确保后刀面处于适当的高度。对于测量使用Cu-Kα辐射，其中电压为45kV且电流为40mA。使用1/2度的防散射狭缝和1/4度的发散狭缝。在20°至140°的2θ范围内、即在10°至70°的入射角θ范围内测量涂层切削工具的衍射强度。使用PANalytical的X’Pert HighScore Plus软件进行数据分析，包括数据的背景拟合、Cu-Kα2剥离和图形拟合(profile fitting)。
根据谢乐公式(Eq1)，使用从PANalytical X’Pert HighScore Plus软件获得的图形拟合曲线的积分峰半峰全宽来计算所述层的晶粒尺寸(Birkholz，2006)。
根据以下谢乐公式，从(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算平均晶粒尺寸D422：
其中D422是所述Ti(C,N)的平均晶粒尺寸；K是形状因子且在此设置为0.9；λ是CuKα1辐射的波长且在此设置为B422是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，即入射角。
从测量中获得的FWHM包括来自仪器的增宽和由小晶粒尺寸引起的增宽。为了对此进行补偿，使用了高斯近似(Birkholz，2006)。B422是减去仪器增宽(0.00174533弧度)后的FWHM处的线增宽(以弧度计)，并在式(2)中定义：
B422＝√((FWHM表观)2-(FWHM仪器)2) (2)
其中B422是用于晶粒尺寸计算的增宽(以弧度计)，FWHM表观是测量的增宽(以弧度计)，FWHM仪器是仪器增宽(以弧度计)。
由于所述Ti(C,N)层上方可能存在的其它层将影响进入所述Ti(C,N)层并离开整个涂层的X射线强度，因此考虑到层中相应化合物的线性吸收系数，需要对这些进行校正。或者，可以通过基本上不影响XRD测量结果的方法，例如化学蚀刻，来去除所述Ti(C,N)单层上方的其它层。
Ti(C,N)的B1部分的晶粒尺寸和取向
在Ti(C,N)层的最上部区域、即位于最靠近将所述Al2O3层粘结至所述Ti(C,N)层上的粘结层处的区域B1中，所述Ti(C,N)的晶粒增大以改善粘附性。通过区域B1的平面视图分析该区域中Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸。该平面视图在平行于基体表面的平面中延伸，因此能够在没有来自例如重叠晶粒的任何干扰的情况下研究柱状晶粒的宽度。
通过利用FIB原位提取技术制造感兴趣区域的平面视图薄箔试样来制造用于B1区域的晶粒区域分析样品(Langford&Clinton，2004)。从抛光的横截面中提取样品。使用Ga+离子源的Helios Nanolab 650用于样品制备。
使用79pA离子电流和30kV加速电压通过在表面进行交叉蚀刻在边缘标记感兴趣区域，以确保准确的感兴趣区域位于试样的中心。随后，向该区域涂覆使用430pA离子电流和30kV加速电压沉积的约2μm厚的保护性Pt层。在沉积保护性Pt之后，使用众所周知的原位提取技术准备样品(Langford&Clinton，2004)。
将试样减薄至<200nm的厚度，以确保电子透明。
在配备有Oxford对称EBSD检测器的Helios Nanolab 650中，使用透射菊池衍射(TKD)分析B1区域中的晶粒尺寸。使用20kV加速电压和13-26nA束流。以10nm的步长分析至少5×5μm(至少640个晶粒)的区域，使用速度1装仓(binning)模式(622×512像素)。使用Aztec Crystal软件包(2.0版)分析平均晶粒尺寸(等效圆)，使用Aztec Crystal软件(2.0版本)进行一次自动清理，以温和地降低噪音。对样品进行分析，使得试样的表面与基体表面平行，从而确保涂层平面外取向与样品法线平行。晶粒检测阈值设置为10°，且面积至少为40像素。
取向被确定为与设定轴线在特定角度偏差内的分析区域的以(％)计的量。对于区域B1，选择<211>Ti(C,N)方向作为平行于表面法线的方向。取向计算为与<211>Ti(C,N)方向偏差≤15°的分析区域的量。Aztec Crystal软件(2.0版)用于确定所述取向。
对于所述Ti(C,N)，电化学学会杂志(J.Electrochem.Soc.)[JESOAN],(1950),第97卷,第299-304页，参考图案用于Ti(C,N)测量，89个反射器用于测量。
最下部Al2O3的取向-O1部分
所述Al2O3层的靠近所述粘结层的部分在本发明中是非常高度取向的。为了分析该区域，制备了所述涂层的横截面，并通过EBSD详细研究了从粘结层在高度上延伸1μm的O1部分中的Al2O3晶粒。通过将各CNMG120408-PM刀片安装在来自AKASEL的黑色导电酚醛树脂中来进行抛光的横截面的制备，然后将其研磨约1mm，然后分两步进行抛光：使用金刚石浆料溶液进行粗抛光(9μm)和精抛光(1μm)。应用使用胶体二氧化硅溶液进行的最终抛光。
Al2O3的最下部的取向被确定为与设定轴线在特定角度偏差内的分析区域的以(％)计的量。对于O1部分，选择<001>Al2O3方向作为平行于表面法线的方向。取向被计算为与<001>Al2O3方向偏差≤15°的分析区域的量。
以50nm的步长分析宽度至少为80μm的区域，使用速度1装仓模式(622×512像素)。为了分析O1的取向，沿着界面随机选择了O1的四个矩形截面，尺寸为10μm宽和1μm高。取向被计算为四个矩形截面的平均值。对数据应用了一个自动清理步骤和一个使用5个最近邻水平的零解去除。Aztec Crystal软件(2.0版)用于确定所述取向。
使用均配备有Oxford对称EBSD检测器的Zeiss Supra 55和Helios Nanolab 650分析O1部分的取向。使用20kV加速电压和13-26nA束流。将样品安装在70°预倾斜样品支架上，以确保最大的收集效率。
对于所述氧化铝(α)，结晶学报(Acta Crystallogr),B辑[ACBCAR],第49B卷第973-980页，参考图案用于Al2O3测量，89个反射器用于测量。
SEM研究
在使用30μm的光圈大小在3kV加速电压下运行的Carl Zeiss AG-Supra 40型中进行抛光横截面和样品顶表面的SEM研究。使用二次电子检测器获取图像。
Ti(C,N)和Al2O3的X射线衍射测量
为了研究整个层的织构，使用配备有PIXcel检测器的PANalytical CubiX3衍射仪在切削工具刀片的后刀面上进行X射线衍射。将涂层切削工具刀片安装在样品支架中，以确保切削工具刀片的后刀面平行于样品支架的参考表面，并且还确保后刀面处于适当的高度。对于测量使用Cu-Kα辐射，其中电压为45kV且电流为40mA。使用1/2度的防散射狭缝和1/4度的发散狭缝。在20°至140°的2θ范围内、即在10°至70°的入射角θ范围内测量涂层切削工具的衍射强度。
使用PANalytical的X'Pert HighScore Plus软件进行数据分析，包括数据的背景扣除、Cu-Kα2剥离和图形拟合。以下进行拟合的一般说明。然后，使用下面公开的哈里斯公式(3)，根据特定层(诸如Ti(C,N)或α-Al2O3层)的PDF卡片，通过比较所测量的强度数据对标准强度数据的比率，使用该程序的输出(图形拟合曲线的积分峰面积)来计算所述层的织构系数。由于所述层是有限厚的，因此由于贯穿所述层的路径长度的差异，与本体样品相比，在不同2θ角处的一对峰的相对强度是不同的。因此，在计算TC值时，还考虑层的线性吸收系数，向图形拟合曲线的提取积分峰面积强度应用薄膜校正。由于例如所述α-Al2O3层上方可能存在的其它层将影响进入所述α-Al2O3层并离开整个涂层的X射线强度，因此考虑到层中相应化合物的线性吸收系数，也需要对这些进行校正。如果所述Ti(C,N)层位于例如α-Al2O3层下方，则这同样适用于所述Ti(C,N)层的X射线衍射测量。或者，可以通过基本上不影响XRD测量结果的方法，例如化学蚀刻，去除氧化铝层上方的其它层，例如TiN。
为了研究所述α-Al2O3层的织构，使用CuKα辐射进行了X射线衍射，并根据哈里斯公式(3)计算了所述α-Al2O3层的柱状晶粒的不同生长方向的织构系数TC(hkl)：
其中I(hkl)＝(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)＝根据ICDD的第00-010-0173号PDF卡片的标准强度，n＝计算中使用的反射次数。在这种情况下，所使用的(hkl)反射为：(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 012)。在计算所述比率之前，对所测量的积分峰面积进行薄膜校正，并针对所述α-Al2O3层上方(即在α-Al2O3层顶上)的任何其它层进行校正。
根据上文公开的哈里斯公式(3)计算所述Ti(C,N)层的柱状晶粒的不同生长方向的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42-1489号PDF卡片的标准强度，n是在计算中使用的反射次数。在这种情况下所使用的(hkl)反射是(1 11)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)。
需要注意的是，峰重叠是在包含例如多个结晶层的涂层和/或沉积在包含结晶相的基体上的涂层的X射线衍射分析中可能发生的现象，并且这必须被考虑和补偿。来自所述α-Al2O3层的峰与来自所述Ti(C,N)层的峰的重叠可能影响测量，并需要被考虑。还应注意，例如基体中的WC可能具有接近本发明的相关峰的衍射峰。
附图说明
将参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了本发明涂层的示例样品D的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中标示出了Ti(C,N)层(1)的B1部分、粘结层(2)和α-Al2O3层(3)的O1部分；
图2示出了参考涂层的示例样品A的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中可见最上部的Ti(C,N)(1)、粘结层(2)和最下部的α-Al2O3(3)，
图3示出了本发明涂层的示例样品G的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中标示出了Ti(C,N)层(1)的B1部分、粘结层(2)和α-Al2O3层(3)的O1部分；
图4示出了参考涂层的示例样品B的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中可见最上部的Ti(C,N)(1)、粘结层(2)和最下部的α-Al2O3(3)；
图5示出了一个样品的B1部分的顶表面的扫描电子显微镜(SEM)图像，该样品具有与样品D中的所述Ti(C,N)相对应的Ti(C,N)层，其中可见所述B1部分的最外表面的形态；
图6示出了一个样品的Ti(C,N)层的顶表面的扫描电子显微镜(SEM)图像，该样品具有与样品B中的所述Ti(C,N)相对应的Ti(C,N)层，其中可见极细晶粒的Ti(C,N)的最外表面的形态；
图7示出了一个样品的Ti(C,N)层的顶表面的扫描电子显微镜(SEM)图像，该样品具有与参考样品A中的所述Ti(C,N)相对应的Ti(C,N)层，其中可见粗晶粒的Ti(C,N)的最外表面的形态；
图8是示出本发明的层和部分，即Ti(C,N)层(1)、所述Ti(C,N)层(1)的B1部分、粘结层(2)、α-Al2O3层(3)、所述α-Al2O3层(3)的O1部分和基体(4)的位置的示意性概览；和
图9是样品D的平面视图的对比色TKD图像，其中可见B1部分中的Ti(C,N)晶粒。
实施例
现在将更详细地公开本发明的示例性实施方式，并与参考实施方式进行比较。在切削测试中对涂层切削工具(刀片)进行了制造、分析和测试。
采用常规工序制造硬质合金基体，包括研磨、混合、喷雾干燥、压制和烧结。所述硬质合金基体(刀片)的ISO型几何形状为CNMG-120408-PM。所述硬质合金的组成为：7.2重量％的Co、2.9重量％的TaC、0.5重量％的NbC、1.9重量％的TiC、0.4重量％的TiN和余量的WC。
在涂层沉积之前，将所述基体暴露于温和的喷射处理中，以去除来***结工序的基体表面上的任何残留物。
CVD沉积
在能够容纳10,000个半英寸尺寸的切削刀片的Ionbond型尺寸530的径向CVD反应器中对烧结的基体进行CVD涂覆。从腔室的中间并且在板的中心和周边之间沿着板的半径一半的位置选择待进一步测试和分析的样品。选择质量流量控制器，使得可以设置例如CH3CN的高流量。
在400毫巴、885℃的工序中，在所有基体上沉积约0.2μm TiN的第一最内部涂层。使用48.8体积％的H2、48.8体积％的N2和2.4体积％的TiCl4的气体混合物。
随后进行Ti(C,N)层沉积，并且根据以下用不同的Ti(C,N)沉积所有样品A-G。如表1中所示，通过工序步骤V和W沉积参考样品A。对于样品B-G，在开始工序步骤X之前，在80毫巴下在50体积％的H2和50体积％的N2中将温度从885℃调节到870℃。如表1中所示，通过工序步骤X沉积参考样品B的所述Ti(C,N)层。关于样品C-G，使用表1和表2中所标示的沉积时间，通过工序步骤X、Y和Z沉积所述Ti(C,N)层。对于所有样品，调节工序时间以达到大致相同的总Ti(C,N)层厚度。
表1
表2
通过由四个单独的反应步骤组成的工序，在1000℃下在所述Ti(C,N)层的顶上沉积0.7-0.9μm厚的粘结层。首先是在400毫巴下使用TiCl4、CH4、N2、HCl和H2的8分钟HTCVD Ti(C,N)步骤；然后是在70毫巴下使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2的第二步骤(Ti(C,N,O)-1)，持续7分钟；然后是在70毫巴下使用TiCl4、CH3CN、CO、N2、H2的第三步骤(Ti(C,N,O)-2)，持续5分钟；最后是在70毫巴下使用TiCl4、N2和H2的第四步骤(TiN)，持续6分钟。在第三沉积步骤期间，CO气体流量从起始值到终止值连续线性增加，如表3中所示。所有其它气体流量都保持不变，但由于总气体流量增加，因此所有气体的浓度都会因此受到一定影响。在开始后续的Al2O3成核之前，在CO2、CO、N2和H2的混合物中将所述粘结层氧化4分钟。
所述粘结层沉积的细节如表3中所示。
表3.粘结层沉积
在所述粘结层的顶上沉积α-Al2O3层。所有的α-Al2O3层都是分两个步骤在1000℃和55毫巴下沉积。第一步骤使用1.2体积％的AlCl3、4.7体积％的CO2、1.8体积％的HCl和余量的H2，得到约0.1μm的α-Al2O3，且下面公开的第二步骤得到约5μm的总α-Al2O3层厚度。第二步骤使用1.16％的AlCl3、4.65％的CO2、2.91％的HCl、0.58％的H2S和余量的H2沉积所述α-Al2O3层。
涂层分析
使用扫描电子显微镜在所述切削工具样品的前刀面上测量层厚度。涂层样品A-G的层厚度如表4中所示。
表4.层厚度
所述Ti(C,N)层的晶粒尺寸作为整个Ti(C,N)层中和靠近所述粘结层的B1部分中的平均值分析。结果呈现在表5中。
分析了所述Ti(C,N)层的B1部分中的Ti(C,N)晶粒的取向和所述α-Al2O3层的O1部分中的α-Al2O3晶粒的取向。结果呈现在表5中。
参考样品A中的所述Ti(C,N)层的晶粒尺寸太大，而无法用XRD进行分析，并且谢乐公式对大于约0.2μm的晶粒尺寸被认为是无效的。在横截面SEM图像中测量时，该层的平均晶粒尺寸大于200nm。
表5.O1部分和B1的晶粒尺寸和取向。
(n.a.＝未分析)
使用X射线衍射分析了所述Ti(C,N)和所述α-Al2O3层的织构系数，结果呈现在表6和表7中。
表6.样品中α-Al2O3层的织构系数
样品 TC(104) TC(110) TC(113) TC(024) TC(116) TC(214) TC(300) TC(0012)
A 0.02 0.25 0.01 0.07 0.01 0.03 0.00 7.61
B 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.99
C 0.02 0.03 0.00 0.01 0.01 0.00 0.00 7.94
D 0.01 0.07 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 7.89
E 0.01 0.08 0.00 0.02 0.01 0.00 0.00 7.89
F 0.09 0.09 0.00 0.03 0.06 0.01 0.01 7.70
G 0.03 0.17 0.00 0.05 0.03 0.01 0.00 7.72
表7.样品中Ti(C,N)层的织构系数TC(422)
样品 TC(422)
A 3.94
B 3.95
C 3.43
D 4.14
E 4.06
F 3.19
G 3.74
性能测试
在工件材料Ovako 825B(100CrMo7-3)(一种高合金钢)中在纵向车削操作中，通过两个平行切削测试(切削测试1和切削测试2)测试了涂层切削工具。切削速度Vc为220m/分钟，进给fn为0.3mm/转，切削深度为2mm，并且使用水混溶性切削流体。持续进行机加工，直到达到寿命终止标准。评价了每个切削工具的一个切削刃。
当一次或二次后刀面磨损>0.3mm或当月牙洼面积(暴露的基体)>0.2mm2时，认为达到了工具寿命标准。只要满足这些标准中的任一个，就认为达到了样品的寿命。切削测试的结果呈现在表8和表9中。
表8.切削测试1
表9.切削测试2
从表8中可以看出，样品C、D、E、F和G都显示出高耐磨性。如表9中所示，与作为非常高性能的参考样品的参考样品A相比，样品D和E在钢的金属切削中也显示出高耐后刀面磨损性和高耐月牙洼磨性两者。
还通过暴露于磨料湿式喷射(wet blasting)对所述切削工具进行了评价。在所述切削工具的前刀面上进行喷射。喷射浆料由水中的20体积％氧化铝组成，并且切削刀片的所述前刀面与所述喷射浆料的方向之间的角度为90°。喷枪嘴和所述刀片表面之间的距离约为145mm。对于所有样品，浆料对于喷枪的压力为1.8巴，而空气对于喷枪的压力为2.2巴。氧化铝砂粒为F230目(FEPA 42-2:2006)。每个面积单位的平均喷射时间为4.4秒。样品B和C不能承受湿式喷射，样品B的涂层显示出严重的剥落，样品C显示出逐点剥落。所有其它样品都经受住了湿式喷射，而没有破坏涂层。
虽然已经结合各种示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式，相反，它旨在涵盖所附权利要求内的各种修改和等价布置。此外，应当认识到，作为设计选择的一般事项，本发明的任何公开的形式或实施方式都可以结合在任何其它公开、描述或建议的形式或实施方式中。因此，其意图仅限于所附权利要求所指示的范围。

Claims (15)

1.一种切削工具，所述切削工具包含至少部分涂覆有涂层的基体，所述涂层包含Ti(C,N)层、Al2O3层和在它们之间的粘结层，其中
厚度为3-25μm的所述Ti(C,N)层由柱状晶粒构成，其中通过利用CuKα辐射的X射线衍射测量时，所述Ti(C,N)层的平均晶粒尺寸D422为25-50nm，所述晶粒尺寸D422根据谢乐公式由(422)峰的半峰全宽(FWHM)计算：
其中D422是所述Ti(C,N)的平均晶粒尺寸；K是形状因子且在此设置为0.9；λ是CuKα辐射的波长且在此设置为B422是(422)反射的FWHM值；且θ是布拉格角，
其中所述Ti(C,N)层包含与所述粘结层相邻的B1部分，并且其中B1部分中的Ti(C,N)晶粒的平均晶粒尺寸大于所述Ti(C,N)层的整个厚度上的所述平均晶粒尺寸D422，在所述Ti(C,N)层的所述B1部分中，在用透射菊池衍射(TKD)在所述Ti(C,N)层的所述B1部分的平行于基体表面延伸的平面视图上测量时，所述Ti(C,N)晶粒具有130-300nm的平均晶粒尺寸。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层的所述B1部分中的所述Ti(C,N)层在用TKD在平行于所述基体表面延伸的平面视图上测量时表现出如下取向，其中分析区域的≥93％、优选地≥95％具有与所述Ti(C,N)层的所述表面法线成15度以内的<211>方向，其中所述Ti(C,N)层的表面法线与所述基体的表面法线平行。
3.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层的所述B1部分的厚度为0.5-1.5μm，优选地0.6-0.9μm，最优选地0.6-0.8μm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述粘结层包含选自由钛碳氧化物、钛氧氮化物和钛碳氧氮化物组成的组中的至少一种化合物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)的晶粒尺寸D422为25-40nm，优选地25-35nm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层在使用CuKα辐射和θ-2θ扫描测量时呈现出X射线衍射图案，其中根据哈里斯公式定义TC(hkl)：
其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第42-1489号PDF卡片的标准强度，n是反射次数，计算中所使用的反射为(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(31 1)、(3 3 1)、(4 2 0)和(4 2 2)，其中TC(422)≥3，优选地≥4。
7.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Al2O3层是α-Al2O3层，优选地具有1μm-15μm、更优选地3-10μm的平均厚度。
8.根据权利要求7所述的切削工具，其中所述α-Al2O3层在通过使用CuKα辐射和θ-2θ扫描的X射线衍射测量时表现出根据哈里斯公式定义的织构系数TC(hkl)，其中I(hkl)是(hkl)反射的测量强度(积分面积)，I0(hkl)是根据ICDD的第00-010-0173号PDF卡片的标准强度，n是计算中使用的反射次数，其中所使用的(hkl)反射为(1 0 4)、(1 1 0)、(1 1 3)、(0 2 4)、(1 1 6)、(2 1 4)、(3 0 0)和(0 0 12)，其特征在于，TC(00 12)≥7.5，优选地≥7.7，更优选地≥7.8。
9.根据权利要求7或8所述的切削工具，其中所述α-Al2O3层表现出织构系数TC(1 1 0)≤0.2，优选地≤0.1。
10.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中，在所述Ti(C,N)层的所述B1部分中，在用TKD在平行于所述基体表面延伸的平面视图上测量时，所述Ti(C,N)晶粒具有130nm-165nm的平均晶粒尺寸。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的切削工具，其中所述α-Al2O3层包含从所述粘结层延伸1μm的O1部分，其中在用电子背散射衍射(EBSD)在所述α-Al2O3层的横截面上测量时，所述O1部分显示出如下取向，其中分析区域的≥80％、优选地≥90％、更优选地≥95％、最优选地≥97％具有在与所述α-Al2O3层的表面法线成15度以内的<001>方向，其中所述α-Al2O3层的表面法线平行于所述基体表面的表面法线。
12.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述Ti(C,N)层的平均厚度为4-20μm，优选地5-15μm。
13.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述粘结层的平均厚度为0.25-2.5μm，优选地0.5-2.0μm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述涂层的平均厚度为5.0μm-30.0μm，优选地10-20μm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的切削工具，其中所述基体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成。
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