CN101652502B - 具有陶瓷涂层的切削刀片 - Google Patents

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Abstract

具有多层陶瓷涂层的切削工具刀片。所述多层陶瓷涂层为交替子层的分层结构，所述交替子层是氧化物材料与和该氧化物材料具有良好粘附力的第二材料的界面层的交替层。所述陶瓷涂层通过化学气相沉积而沉积；每一随后沉积的界面层用于中断前一沉积的氧化物材料子层，并用作随后氧化物材料子层的沉积用表面。所述第二材料是所述氧化物材料的至少一种元素在硬质材料中的固溶体。

Description

具有陶瓷涂层的切削刀片
技术领域
本发明涉及改良的涂层系统，并具体但不排它地涉及新颖的厚涂层及其制造方法，例如用于施加至适合的基材以提供具有增强性能比如更长工作寿命的切削工具(cutting tool)、刀片(insert)及可更换的切削头(cutting head)。
背景技术
使用切削工具以通过切削、车削、铣削、钻削等来加工金属工件。为了确保有效率地将碎屑从工件上除去，同时确保切削工具的长工作寿命，要求切削工具刀片硬且韧。
然而，硬度可能与脆度相关。由于即硬又韧，由硬质陶瓷颗粒在金属基质中构成的复合材料是用于刀片的极受欢迎的选择。已经开发出许多这样的陶瓷金属复合材料或金属陶瓷(cermet)。由碳化钨晶粒在钴基质之中构成的所谓硬质金属或烧结碳化物(cemented carbide)，具体为WC-Co，是选择用来制造切削工具刀片以用于许多用途的材料。
在加工中，刀片除去碎屑并使工件成形，但也将它们自身磨损掉。切削工具刀片的磨损发生在它们与所述工件的接触表面，并通常可归因于与该工件的力学、化学和热相互作用。
机床停机而更换刀片通常是昂贵的作业。许多研究涉及通过施加硬涂层而改善刀片的耐磨损性。硬度是塑性变形阻力的度量标准，并且硬度和耐磨损性之间具有关联。虽然涂层增加了耐磨损性，但是它们常容易发生灾害性失效方式比如剥落等。
涂层可通过一系列涂层技术而形成在刀片之上，所述涂层技术通常分类为PVD(物理气相淀积)或CVD(化学气相沉积)。
PVD提供极良好的性能。涂覆是直接从出发点到接受点来进行的(coating is only line-of-sight)。PVD涂层的特征在于来自沉积加工的压缩残余应力。由于涂层厚度增加时通过剥落所致涂层破坏的危险，PVD通常限制为薄涂层。
CVD涂覆不是直接从出发点到接受点的(CVD coatings are not toline-of-sight)。而且，沉积温度典型地要比PVD技术的更高，这促进在涂层和基材之间产生扩散诱导的界面，这允许实现良好的粘附。事实上，良好的粘附是对刀片涂层的一个重要要求。
此外，存在一些只对一种或其它涂层技术实用的材料和材料-基材组合。
40多年来，CVD(化学气相沉积)被用于涂覆刀片，由此改善它们在机械加工中的性能。TiN、TiC和TiC，N的涂层可以通过将四氯化钛与其它气体反应并除去由此形成的气态氯化物而沉积在合适的基材上：
TiCl4+N2+H2→TiN+氯化物和其它气体；
TiCl4+CH4+H2→TiC+氯化物和其它气体；
TiCl4+N2+CH4+H2→TiCN+氯化物和其它气体。
Al2O3涂层可以以类似的方式制备：
Al+HCl+H2→AlCl3+H2；
AlCl3+H2+CO2+H2S→Al2O3+氯化物和其它气体，
其中H2S用作催化剂；增强Al2O3涂层的沉积速率和厚度均匀性。
应该意识到，在过去数年中，其它化学气相沉积路线已经可以用于TiN、TiC、TiCN和Al2O3的沉积，并且上述使用氯化钛和氯化铝的路线仅作为非限定性实例给出。
事实上，各式各样的硬涂层，比如各种碳化物、氮化物、氧化物、硼化物和它们的混合物，可通过一种或其它各种PVD和/或CVD技术而沉积。在所述硬质材料比如铸铁的加工之中产生例如高温。在这样的高温下，许多涂层材料比如碳化物和氮化物是反应性的，且可能与工件和/或与冷却流体及空气相互作用。Al2O3(氧化铝)不仅高度耐化学性并且极其坚硬。因而氧化铝是用于增加刀片寿命的流行涂层材料。
Ruppi的题为“低温下沉积的增强Al2O3-Ti(C，N)多涂层(EnhancedAl2O3-Ti(C，N)Multi-Coating Deposited at Low Temperature)”的欧洲专利号EP1245700涉及烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷和/或高速钢的涂层体用作金属切削工具并具有K-Al2O3和/或γ-Al2O3的多层，所述多层任选地散布有碳氮化钛Ti(C，N)层，其也可以通过MTCVD施加。
包含基于Ti的层和Al2O3层的其它已知的多层涂层可见于以下参考文献：
JP11269650A2    JP2000119855A2  JP2000107909A2  JP03122280A2
JP2000096235A2  JP2000096234A2  JP11347806A2    JP11310878A2
JP2002144109A2  JP2001062604A2  JP2000158208A2  JP2000158207A2
EP0594875A1     JP59025970A2    JP2005246596A2  JP2004188577A2
US6689450       JP2004299023A2  JP2004299021A2  JP2004188576A2
JP2004188575A2  JP2000052130A2  JP11254208A2    JP11090737A2
JP11000804A2    JP10310878A2    JP10310877A2
氧化铝以许多形式存在。γ-氧化铝和κ-氧化铝是亚稳相。在许多机械加工方案中，比如车床上的间歇式车削，和当在无冷却剂的情形下车削时，例如，涂层有α-氧化铝的刀片已被发现比涂层有γ-氧化铝或κ-氧化铝的刀片进行得更好。
由氧化铝的相图可见，在高于1050℃的温度在标准压力下，γ-氧化铝和κ-氧化铝转换至稳定的α-氧化铝同素异形体(刚玉)。由于氧化铝的热分散性能差且在加工中产生高温，因而前刀面在某些切削加工中尤其是使用干式切削时可能达到1050℃，并且，在刀片的前刀面遭受极高压力时所述相变可能在较低温度下发生。在机械加工期间，刀片的氧化铝表面的重结晶可能导致加速磨损。
也可能的是，在切削加工期间在刀片所遭受的所述高温度-压力条件下，1000℃的温度并不罕见，各种机制比如滑移、孪晶、晶界滑移以及可能的扩散蠕变开始出现在α-Al2O3中，这允许有充分的延性以防止脆性破坏。参见Ruppi、Laarsson和Flink著的“CVDα-氧化铝和κ-氧化铝涂层的纳米压痕硬度、微观结构和耐磨损性(Nanoindentation Hardness，Microstructure and Wear Resistance of CVD α-Alumina and κ-Alumina)”。
所述沉积层的生长过程、结构和性能取决于沉积条件比如基材的性质和温度、以及气流的内容物和动能。菱形α-氧化铝相是稳定的同素异形体，而各种多形体中的最硬一种通常在1000-1100℃的沉积温度下实现。参见例如Prengel等人著的“表面涂层技术(Surface CoatingTechnology)”，68-69，217(1994)，尽管已通过等离子辅助CVD实现了在580℃沉积。参见Krylov等人著的例如，Appl.Phys.A 80 1657(2004)。通过使用适当的模板(也即有利的基材)，尤其是Chromia，Andersson通过反应性磁控溅射在低至280℃的温度实现了α-氧化铝沉积。参见博士论文的“Controlling the Formation and Stability of Alumina Phases”，JonMartin  Andersson，
Figure G2008800107641D00041
Universitet，Institute of Technology，2005。
α-氧化铝的较厚涂层可以使用CVD技术来沉积。然而，这样的涂层通常显示穿过涂层厚度的定向晶粒生长，造成某种程度上容易发生裂纹扩展的柱状微观结构。
用于避免κ-氧化铝中柱状生长的已知技术为通过沉积不同材料的薄层来定期地中断所述κ-氧化铝的沉积，之后可恢复κ-氧化铝的沉积。TiN即是一类已经用于中断所述κ-氧化铝生长的材料。参见S.Ruppi与A.Larsson著的“Microstructure and Deposition Characteristics of κ-Al2O3”，Journal de Physique IV France 8(1999)，EuroCVD 12，Part 8350-355。通过定期地引入TiN的薄层(0.1μm至1μm)，所述κ-氧化铝晶体生长可被阻止并可使氧化铝的新层成核。所得κ-氧化铝几乎等轴并显示比CVDκ-氧化铝的典型柱状微观结构好的抗裂纹扩展性。
令人遗憾的是，该技术并不对切削刀片等提供良好的结果，因为所述κ-氧化铝-TiN层具有较差的粘附力，导致涂层剥落，实际可能导致加快磨损。
因此，对于厚的、高质量的、显示高延性并且裂纹扩展及剥落的趋势小的α-氧化铝涂层仍存在需求，而本发明致力于解决该需求。
发明内容
本发明的目的在于通过新颖的基材-涂层组合而提供改良的切削工具和用于切削工具的刀片。下述刀片包括用于加工金属的可替换的刀片或尖端(tip)或刀头、切削头、实心碳化物端铣刀(solid carbide end mills)和可钎焊至卡盘的切板。
根据本发明的第一方面，提供了用于刀片的陶瓷涂层：所述陶瓷涂层为分层结构，其包含下述构型：即氧化物材料子层和与该氧化物材料具有良好粘附力的第二材料的界面层交替的构型。所述涂层通过化学气相沉积而沉积。每一随后沉积的界面层用作中断之前沉积的氧化物材料子层，并用作随后氧化物材料子层沉积用的表面。所述界面层的第二材料包含所述氧化物材料层的元素的至少之一在硬质材料中的固溶体。
典型地，所述界面层包含所述氧化物材料在选自TiN、TiC和TiCN的硬质材料中的固溶体。
优选，所述氧化物材料为氧化铝，且所述界面层的第二材料选自TiAlON、TiAlOC和TiAlCON。
优选，所述氧化物材料为Al2O3且所述界面层为TiAlCON。
最优选所述氧化物材料为α-Al2O3。
本发明的优选涂层结构的具体特征在于，通过在柱状结构形成之前沉积界面层来阻止氧化物材料子层的每一层的生长。
根据本发明的另一个方面，多层涂层包含权利要求1的陶瓷涂层和所述陶瓷层之前的第一硬质材料的底涂层(undercoat layer)。
典型地，所述底涂层的第一硬质材料选自TiC、TiCN和TiN。
典型地，所述底涂层具有2μm至15μm范围的厚度。
典型地，在所述底涂层和所述分层结构之间提供结合层(bondinglayer)。
任选地，所述结合层包含下述之一：(a)TiOCN层；(b)TiAlOCN层；(c)TiOCN层继之以TiAlOCN层，和(d)夹层结构，其包含第一TiOCN层继之以TiAlOCN层继之以第二TiOCN层。
在所述底涂层的第一硬质材料包含沉积在钨烧结碳化物的基材之上的TiCN的情况下，优选将基底层比如TiN在所述底涂层沉积之前沉积到所述基材的表面之上，以防止所述基材表面的脱碳。
典型地，所述基底层具有0.1μm-1.5μm的厚度。
所述陶瓷涂层典型地沉积到选自硬质金属、金属陶瓷、高速钢和陶瓷的基材之上。
任选地在所述陶瓷涂层之上提供TiN外层。
任选地，选择性地从前刀面除去所述TiN外层。
根据本发明的第二个方面，提供了：包含钨烧结碳化物基材和多层涂层的切削工具刀片，所述多层涂层包含：(a)TiN基底层；(b)TiCN底涂层；(c)包含TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构的结合层；(d)具有分层结构的陶瓷涂层，所述分层结构包含和TiAlOCN界面层交替的α-Al2O3子层。
任选在刀片的外表面上提供进一步的TiN层。
根据本发明的第三个方面，提供了结合层，其用于帮助将α-Al2O3的CVD层结合至选自TiN、TiC和TiCN的第一硬质材料的底涂层之上，其中，所述结合层选自(a)TiOCN；(b)TiAlOCN；(c)双层，该双层包含TiOCN继之以TiAlOCN，和(d)TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构。
根据本发明，还提供在具有基材的切削刀片之上形成CVD-沉积多层陶瓷涂层的方法，该方法包含：
在所述基材之上沉积交替层，该交替层是氧化物材料层和粘附于所述基材之上的所述氧化物材料的界面层的交替层，其中，所述界面层包含所述氧化物材料的至少一种元素在硬质材料中的固溶体。
所述方法可以包括在紧前面的氧化物层中形成柱状结构之前，在所述紧前面的氧化物层上沉积所述界面层。
根据需要，在紧前面的氧化物层之上沉积所述界面层用作随后的氧化物层沉积用表面。
所述方法可进一步包括：
在所述基材之上沉积基底层；
在该基底层之上沉积底涂层，该底涂层包含硬质材料；
在所述底涂层之上且所述氧化物材料层与界面层的所述交替层之下沉积结合层。
根据所述方法的某些实施方案：
所述基底层包含TiN；
所述底涂层选自TiC、TiCN和TiN；所述结合层包含TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构；
所述氧化物材料包含α-Al2O3；且
所述界面层包含TiAlCON。
根据需要，该方法进一步包括：
在多层陶瓷涂层之上沉积TiN外层。
同样，根据需要，该方法包括：
选择性地从所述切削刀片的前刀面除去所述TiN外层。
还提供如下方法：对具有包含硬质材料的底涂层的切削刀片进行处理，以为随后α-Al2O3层的CVD沉积作准备；所述方法包括：
在所述α-Al2O3层的CVD沉积之前在所述底涂层之上形成结合层，其中所述结合层为下述之一：
(a)TiOCN层；
(b)TiAlOCN层；
(c)TiOCN层继之以TiAlOCN层；和
(d)夹层结构，其包含第一TiOCN层继之以TiAlOCN层继之以第二TiOCN层。
根据某些实施方案，所述方法包含：
形成TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构。
根据需要，所述方法包含：
通过CVD形成所述结合层以使所述结合层具有0.1μm至1.0μm的总厚度。
此处所提及为TiAlOCN或TiAlCON的材料是Al和O原子在TiCN中的固溶体。同样地，此处所提及为TiAlON和TiAlOC的材料是Al和O原子在分别TiN和TiC中的固溶体。
应注意此处所述为TiN、TiC、TiCN等的材料并不必是化学计量的。事实上，仅在提供了下标的地方，比如对于Al2O3，可以假定指出了相对比例。
TiOCN涉及具有大不相同比例的氧、碳和氮的材料的总族(genericfamily)。
TiAlOCN也涉及具有大不相同比例的氧、碳和氮的材料的总族。此外，铝含量可以显著改变。此外，所述涂层的微观结构并未被完全地表征，并可以包括在所述晶体结构内部或沿着晶界的第二相夹杂。
附图说明
为了更好地理解本发明并显示可以如何对其进行实施，现在将纯粹通过举例来参考附图。
现在特别详细参见所述附图，应强调的是所示细节为举例说明并仅用于本发明所述优选实施方案的说明性讨论的目的，并在此用于提供被认为是最有用和容易被理解的本发明的主旨和概念方面的描述。在这点上，不曾试图比基本理解本发明所需更详细地给出本发明的结构性细节；所述图之附带的说明使得本领域技术人员显而易见本发明的多种形式可以如何在实践中得以体现。在所述附图中：
图1是本发明一个实施方案所述的刀片的涂层的示意横截面图。
图1A描绘经涂层的切削刀片，该刀片具有一般形状，所述涂层是本发明的涂层；
图2是显示穿过本发明所述的试验性涂层的横截面的SEM显微照片；和
图3是X射线衍射光谱，其显示在所述涂层内部所辨识的晶相。
表
表1概括了图2所示试验性涂层的沉积期间的温度、压力和气相组成。
具体实施方式
存在许多可用于沉积Al2O3(又称为铝氧化物、刚玉和氧化铝)的CVD技术。
所述气相典型地包含挥发性气体，其化学地在所述基材上反应，沉积Al2O3；该反应的其它产物是被转移掉的气相化学品。使用常规的热CVD，Al2O3要求超过1000℃的温度用于其沉积。等离子体CVD允许在低于900℃的温度下沉积这样的涂层。在该工艺中，化合物利用等离子体放电和加热而被分解并相互反应。结果，可在所述基材表面上产生非常纯的氧化铝膜。常规对Al2O3所使用的CVD工艺包括腐蚀性反应物AlCl3。在低压力下使用AlCl3/CO2/H2的气体混合物容易产生柱状生长而非等轴涂层。所述AlCl3/CO2/H2的气体混合物在大气压下可以导致大晶粒的生长。
三异丙氧基铝是可用来沉积α-氧化铝的另一个前体。另一个途径包括在氩-氧等离子体中的铝靶的反应性溅射。
乙酰丙酮铝也已被用作大气压下的氧化铝的金属-有机化学气相沉积的前体，参见“MOCVD of Aluminum Oxide Barrier Coating”Jun C.Nable等J.Phys.IV France 12(2002)Pr 4-139。
三(四甲基-庚二酮)铝[Al(thd)3]和三(乙酰丙酮)铝[Al(acac)3]也被用于所述Al2O3膜的CVD。参见“Diketonates as Precursors MOCVD ofAluminium Oxide Films Using Aluminium”，A.Devi，S.A.Shivashankar和A.G.Samuelson著。
又一个途径是乙酰丙酮铝前体的高温分解，其可在例如435-550℃的较低温度下施行以沉积氧化铝薄膜。
在高温下，晶粒生长比成核有利，通过CVD工艺的α-氧化铝沉积往往导致以相邻晶体间的尖锐边界和弱晶间键为特征的较粗糙的柱状晶粒结构。因而，这样的α-氧化铝涂层往往容易发生穿过涂层厚度的裂纹扩展。沉积温度并不是影响晶粒生长和成核速度的唯一参数，其它参数比如反应物的分压、基材温度、H2S或其它催化剂的使用可以影响最终的微观结构，它们的操控提供了控制由此所形成涂层的特征的方法。
如下所述的本发明优选实施方案的特定特征是具有优良等轴晶粒微观结构的结合良好的、厚的、多层α-氧化铝涂层。这通过交替地沉积氧化铝子层或片层(strata)与第二材料的界面层而实现，所述第二材料界面层与所述α-氧化铝子层具有良好的粘附力，比如，例如被认为是氧化铝分别在TiOCN、TiON或TiOC中的固溶体的TiAlCON、TiAlON、或TiAlOC。所述第二层由TiCl4、AlCl3、N2、CH4、H2、CO2和H2S的混合物通过化学气相沉积而沉积。这样，所述α-氧化铝沉积定期地被极薄的所述第二材料层的沉积所中断，后者不仅中断上述片层的α-氧化铝的晶粒生长，也提供新α-氧化铝晶体在新的片层中的成核用位置，形成多层α-氧化铝结构。因此，在紧前面的α-氧化铝层中产生柱状结构之前，所述第二材料的界面层形成在该紧前面的α-氧化铝层之上。从而阻止了厚的、定向的、柱状α-氧化铝生长的形成，这显著地减少了陶瓷涂层发生裂纹扩展的容易性。
不同于US20020176755A1所述的系统和大多数其它的氧化铝耐磨损涂层，应注意到所述优选实施方案的涂层系统涉及α-氧化铝而并不涉及κ-Al2O3或γ-Al2O3。应理解的是，除了是稳定的同素异形体之外，α-氧化铝还是最致密的同素异形体(与其它同素异形体的约3.6-3.8gcm/m3对照，约4g/cm3的密度)。已发现在切削加工期间所受到的压力-温度制度下，所述α-氧化铝证明比其它同素异形体更韧且能够塑性变形以减轻应力。另外，已发现所述第二材料的界面层有助于确保与所述氧化铝的良好界面结合，提供高的涂层完整性。认为所述第二材料的界面层提供高密度的位点用于新Al2O3晶体的成核，从而得到大数量的小晶体。还认为Al和O两者在所述第二材料中间层中的存在提供了对Al2O3中的Al与O的化学结合，还提供了成核位置有利于形成大密度氧化铝晶粒，这又利于生长小晶粒。
现在参照图1，显示了刀片10的涂层的示意性横截面。如图1A可见，刀片10由未涂层的主体或基材12和多层涂层14组成。所述主体12可由含有例如除了铁和碳之外的各种量的耐火金属比如铬、钨、钼和钛的高速钢合金制造。或者，所述主体12可包括陶瓷晶须比如Si3N4、Al2O3、Al2O3/TiC、SiAlON、Al2O3/SiC晶须复合材料等。更常见地，所述主体12为金属陶瓷型复合材料，比如在金属粘合剂中的TiC或TiN。然而，最常见的是，所述主体12是所谓的硬质金属烧结碳化物型复合材料，比如碳化钨(WC)和其它金属基质(常为钴(Co))所烧结的碳化物，以下称为钨烧结碳化物(tungsten cemented carbide)。烧结碳化物记载于Kluwer Academic/Plenum Publishers在1999年出版的“Tungsten Properties，Chemistry，Technology of the Element，Alloys and Chemical Compounds”第321页。所述未涂层主体12可以是上述任何已知的组成并在以下被称作基材12。
典型地，所述基材12在对其沉积所述多层涂层14之前通过在超声波中脱脂、喷砂和清洁而准备。
所述多层涂层14包含第一硬质材料的较厚底涂层16。底涂层16典型为4μm至15μm厚，且特别善于耐侧面和前缘磨损。薄的(0.1μm至1.5μm)任选的基底层18，典型为TiN，通常在所述底涂层16之前沉积。所述基底层18允许所述刀片10受到较严格的CVD条件，该条件可能是在不对其基材12脱碳的条件下沉积所述底涂层16所需的，由此最小化在所述基材12的表面附近形成不期望的、脆性η相(M12C、M6C，其中M为Co和W)。
薄的结合层20(0.1μm至1μm)沉积在所述底涂层16之上。所述结合层20可以是夹层结构，其由夹在TiOCN底部结合层24和TiOCN顶部结合层26之间的TiAlOCN内结合层22组成。
TiCON可通过许多途径沉积。例如：
TiCl4+N2+H2+CH4+CO2→TiCON+氯化物和其它气体。
TiAlCON也可以通过许多途径沉积。例如：
TiCl4+N2+H2+CH4+CO2+AlCl3→TiAlCON+氯化物和其它气体。
厚的陶瓷涂层28沉积在所述结合层20之上。所述陶瓷涂层28具有α-Al2O3氧化物层30与界面层32的分层结构。首先，第一氧化物层30A被沉积。认为由于所述TiOCN顶部结合层26，所述氧化物层30A以高晶粒密度并因而小晶粒尺寸地沉积，良好地结合至所述结合层20。
所述界面层32是第二材料，该第二材料是氧和铝在TiCN、TiC或TiN基质中的固溶体。据猜测，所述氧化物层30与所述界面层32的优异结合起因于，所述界面层32中的Al和O与所述氧化物层30的相互作用，通过所述界面层32提供更适当的晶格间距和更相容的化学结合可能性以用于所述氧化物层30在其上的成核。
如果允许无阻碍地生长，则所述氧化物层30的晶粒典型地为大且柱状。在某些情形中，它们也可以具有优选取向。然而，在本实施方案中，极薄的例如TiAlCON的第一界面层32A沉积在所述第一氧化物层30A之上。第一界面层32A中断所述第一氧化物层30A的晶粒生长，并且被认为提供用于成核和晶粒生长的新位置，第二氧化物层30B可沉积在该位置之上。然后，第二个极薄的界面层32B可沉积在其之上。
通过交替氧化物层30与界面层32，可以通过CVD生长具有小等轴晶粒尺寸的厚陶瓷涂层28。各界面层32阻止之前氧化物层30的晶粒生长，且还可能提供高密度位置用于新的陶瓷晶体在其上成核。
应理解的是，由于Hall-Petch效应大多数材料的硬度和耐磨损性被发现随着晶粒尺寸减小而提高。另外且最重要的是，连续的重成核阻止了厚的、定向的、柱状晶体的生长，并因此显著地降低了由此形成的陶瓷涂层的裂纹扩展容易性。
陶瓷涂层28内的氧化物层30与界面层32的优选数目依赖于各专门应用的设计标准。认为在一定程度上，所述界面层32的组成，特别是所述固溶体界面层32中的Al和O含量决定了晶粒尺寸。应注意的是，尽管所述界面层32的组成受活性物种的分压所影响，但其并不因此由简单方式所决定，并且所述涂层中的各种元素的浓度将始终与其在所述反应性气体中的浓度不同。
在优选实施方案中，基材12是钨烧结碳化物，而底涂层16的第一硬质材料是TiCN，该TiCN特别善于降低侧面磨损和洼磨损。为了避免所述基材12的脱碳，优选在其下提供基底层18，否则所述脱碳会导致由沉积所述TiCN底涂层16所要求的严格工艺条件而造成脆性η相的形成。TiN已被发现是用于该目的的基底层18的适合选项，并在本领域中很好地被证实。
所述结合层20沉积在所述TiCN底涂层16与所述陶瓷涂层28之间，所述陶瓷涂层28由α-Al2O3氧化物层30与TiAlCON界面层32依次沉积(30A、32A、30B、32B、30C、32C......)的交替层累积而成。
对界面层32A、32B、32C...使用TiAlCON促进了α-Al2O3氧化物层30B、30C、30D...在其上的成核。该交替的α-Al2O3氧化物层30A、30B、30C...与所述TiAlCON界面层32A、32B...已被发现具有优异的粘附。
氧化物层30与界面层32的数目将依赖于所需陶瓷涂层28的厚度而不同。通常，通过改变工作温度和/或过程气体的分压和所述基底层18尤其是其上表面的活性，可以使氧化物30的成核优于晶粒生长，从而会获得更小晶粒尺寸。还认为所述α-Al2O3氧化物层30A、30B、30C几乎完全等轴，或至少远不如源自连续CVDα-Al2O3生长的柱状晶体生长具有定向性。
有用地，为提供有吸引力的表面光洁度，可将外层34沉积至上述涂层14之上。TiN可被用于该目的，由此提供有吸引力的如已知的金色表面光洁度。任选地，该TiN外层34可被从刀片的至少一个前刀面除去。
实施例1
作为概念的证据，参照图2，显示了刀片100的横截面的SEM显微照片，该刀片100包含本发明优选实施方案所述的基材112和多层涂层114。在该图像的底部，显示了烧结碳化钨的所述基材112。该碳化钨的角形晶体具有约1μm的平均晶粒尺寸。所述多层涂层114包含约1μm的TiN薄基底涂层118。在所述TiN基底涂层118的顶上，沉积了约7μm的较厚柱状TiCN底涂层116。结合层120沉积在其上。结合层系统120实际上是TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构，但由于相互扩散，所述SEM显微照片对比度差并且没有分辨出不同的子层。
显示了分层的厚陶瓷涂层128，其具有厚度约1μm的α-Al2O3氧化物层130A、130B、130C与厚度约0.1μm的TiAlOCN界面层132A、132B、132C交替的交替子层。因此，所述氧化物层与界面层的厚度比率为大约10。该比率可具有其它值，但优选为7-15。也可看到厚度约0.5μm的TiN外层134。
用于所述化学气相沉积的气体的温度、压力和流动速率示于表1。这些细节提供了用于制造本发明优选实施方案的全部使能性描述。
图2所示的涂层通过X射线衍射(XRD)使用来自Cu-Ka源的X射线进行了检验。图3中显示了X射线衍射谱。如本领域所熟知，纵轴为X射线检测器所接收到光子的每秒钟计数的数目，而横轴(2θ)是衍射角(所述检测器设定于该角度)，其中θ是所述X射线的入射角。所有主峰标示如下：1为α-Al2O3；2为TiN；3为TiCN(MT)；4为WC。如所清楚显示，所述氧化物层真正是α-Al2O3而非其它同素异形体。此外，从所述峰的锐度和较低的背景噪声可见所述涂层只有晶体尺寸大于100nm的的晶体结构。
Figure G2008800107641D00141
实施例2-4例示了，与B级刀片(也即涂有已知现有技术涂层的刀片)一起采用相同的条件检测了A级刀片(也即根据本发明公开进行了涂覆的刀片)的优点。B级现有技术刀片涂层从最内层至外层的的详细情况如下：厚度约0.6μm的最内部的TiN层，继之以使用MTCVD技术的具有柱状晶粒的厚度约6μm的第二厚层TiCN MT。第三层是厚度约0.15μm的TiN，且第四层是厚度约0.3μm的TiC。第五层是厚度约0.1μm的TiOCN且第六层是厚度约3μm的α-Al2O3厚层。最外层是厚度约0.8μm厚的TiN。
这些实施例概括于表格中。
实施例2
 操作  铣削
 材料  GG25
 刀片类型  ADKT1505
 切削速度  300m/min
 进料  0.2mm/t
 齿数(number of teeth)  1
 切削深度  4mm
 切削宽度  30mm
 冷却剂  无
 结果  工具寿命(min)
 A级(本发明所述涂层)  86.5
 B级(现有技术)  57
实施例3
 操作  铣削
 材料  GGG50
 刀片类型  ADKT1505
 切削速度  220m/min
 进料  0.15mm/t
 齿数  1
 切削深度  3mm
 切削宽度  30mm
 冷却剂  无
 结果  工具寿命(min)
 A级(本发明所述涂层)  30
 B级(现有技术)  20
实施例4
 操作  铣削
 材料  SAE4340
 刀片类型  ADKT1505
 切削速度  200m/min
 进料  0.15mm/t
 齿数  1
 切削深度  3mm
 切削宽度  30mm
 冷却剂  无
 结果  工具寿命(min)
 A级(本发明所述涂层)  67.5
 B级(现有技术)  45
虽然以上提供了优选实施方案的材料组合，但也可以是其它材料和组合，且可取代其它合金化元素。
因此，本发明的范围通过所附权利要求界定，且包括本领域技术人员在阅读上述描述时会想到的上述各种特征的组合和子组合以及它们的变形和改变。
在所述权利要求中，词语“包含(comprise)”及其变形比如“包含(comprises)”、“包含(comprising)”等表示包括所列成分，但通常并不排除其它成分。

Claims (21)

1.经涂覆的切削刀片，其包含基材和形成在该基材之上的CVD沉积多层陶瓷涂层，所述多层陶瓷涂层包含：
交替的、彼此粘附的α-Al2O3层和复数个界面层从而各界面层在紧前面的α-Al2O3层之上并且在紧随后的α-Al2O3层之下形成，其中，
各界面层是至少一种选自TiAlON、TiAlOC和TiAlCON的材料。
2.根据权利要求1所述的经涂覆的切削刀片，其中，
所述多层陶瓷涂层包含至少6层，所述6层包括与3层所述界面层交替的3层α-Al2O3。
3.根据权利要求1所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述界面层是TiAlCON。
4.根据权利要求1所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述α-Al2O3层的厚度与界面层的厚度之比为7-15。
5.根据权利要求1所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
在所述基材和所述陶瓷涂层之间的底涂层，所述底涂层包含选自TiC、TiCN和TiN的硬质材料。
6.根据权利要求5所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述底涂层具有2μm至15μm范围的厚度。
7.根据权利要求5所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
在所述底涂层和所述陶瓷涂层之间的结合层。
8.根据权利要求7所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述结合层为下述之一：
(a)TiOCN层；
(b)TiAlOCN层；
(c)TiOCN层继之以TiAlOCN层；和
(d)夹层结构，其包含第一TiOCN层继之以TiAlOCN层继之以第二TiOCN层。
9.根据权利要求7所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
所述基材和所述底涂层之间的基底层。
10.根据权利要求9所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述基底层包含TiN。
11.根据权利要求10所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述基底层具有0.1μm-1.5μm的厚度。
12.根据权利要求9所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
在所述多层陶瓷涂层之上的TiN外层。
13.根据权利要求12所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述TiN外层不存在于所述切削刀片的前刀面。
14.根据权利要求1所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
形成在所述基材之上的基底层；
形成在所述基底层之上的底涂层，所述底涂层包含硬质材料；和
形成在所述底涂层之上且在所述多层陶瓷涂层之下的结合层。
15.根据权利要求14所述的经涂覆的切削刀片，其进一步包含：
形成在所述多层陶瓷涂层之上的TiN外层。
16.根据权利要求14所述的经涂覆的切削刀片，其中：
所述基底层包含TiN；
所述底涂层选自TiC、TiCN和TiN；
所述结合层包含TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构；
所述界面层包含TiAlCON。
17.在具有基材的切削刀片之上形成CVD-沉积多层陶瓷涂层的方法，该方法包含：
在所述基材之上沉积交替的、彼此粘附的α-Al2O3层和复数个界面层，其中，所述复数个界面层选自TiAlON、TiAlOC和TiAlCON，其中在紧前面的α-Al2O3层中形成柱状结构之前，在所述紧前面的α-Al2O3层上沉积所述界面层，并且所述界面层用作随后α-Al2O3层的沉积用表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包含：
在所述基材之上沉积基底层；
在所述基底层之上沉积底涂层，所述底涂层包含硬质材料；
在所述底涂层之上且在所述α-Al2O3层与所述界面层的交替层之下沉积结合层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述基底层包含TiN；
所述底涂层选自TiC、TiCN和TiN；
所述结合层是下述之一：
(a)TiOCN层，
(b)TiAlOCN层，
(c)TiOCN层继之以TiAlOCN层；和
(d)TiOCN、TiAlOCN和TiOCN的夹层结构；
所述界面层包含TiAlCON。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含：
在所述多层陶瓷涂层之上沉积TiN外层。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包含：
选择性地从所述切削刀片的前刀面除去所述TiN外层。
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