CN106065448B - 化学汽相淀积涂层切削刀片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于切屑形成材料去除作业的涂层切削刀片，其中所述的涂层切削刀片具有一个基材和所述基材上的一个涂层方案。所述涂层方案包括一层CVD过渡涂层。所述涂层方案还包括一个具有多次涂层应用的CVD多层涂层方案。每一次涂层应用包括一层氧化铝涂层和一层含氮涂层。

Description

化学汽相淀积涂层切削刀片及其制造方法
技术领域
本公开内容涉及化学汽相淀积(CVD)涂层切削刀片及其制造方法。
背景技术
本发明涉及一种涂层切削刀片，尤其涉及一种利用化学汽相淀积(CVD)方法进行涂层、可运用于加工、车削和铣削等切屑形成材料去除应用中的涂层切削刀片，及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种CVD涂层切削刀片，它包括在其上面采用涂层方案的基材，其中此涂层方案包括多个涂层，每个涂层采用多层涂层方案，它包括多次的重复涂层应用。每次涂层应用包括一层氧化铝涂层和一层含氮物质涂层(例如钛氮氧化铝或氮化钛或二氮化锆)，通过此涂层方案，即采用CVD方法，实现更高的韧性、良好的抗裂性、可接受的粘结性能、可接受的防磨损性能和可接受的刀刃完整性，以及一种制造此涂层切削刀片的方法。
迄今为止，涂层切削刀片等涂层体在切屑形成材料去除应用中已得到应用。这种涂层切削刀片一般包括切削刀片几何形状的基材和在所述基材上的涂层方案。由所述涂层方案组成的涂层一般包括具有防磨损性能的硬质耐火材料。在切削刀片上使用涂层的一个主要目的在于延长切削刀片在材料去除应用中的使用寿命。以下文档介绍了部分典型的使用硬质耐火材料的涂层方案：欧洲专利申请号1 245 698 B1(Mitsubishi MaterialsCorp.)，欧洲专利申请号1 455 003 A2(Sandvik AB)，欧洲专利申请号1 980 649 B1(Iscar Ltd.)，美国公开专利申请号US2012/0202032(Tatsuoka等)，美国公开专利申请号US2013/0045057(Kojima等)，美国专利号7,132,153(Zackisson等)，美国专利号7,396,371(Cedergren等)，美国专利号7,455,918(Gates、Jr.等)，美国专利号7,470,296(Londholm等)，美国专利号7,597,951(
Figure BDA0000941508080000011
等)，美国专利号7,727,592(Cedergren等)，美国专利号7,785,665(Gates、Jr.等)，美国专利号8,080,312(McNerny等)，美国专利号8,080,323(Ban等)，美国专利号8,323,783(Sottke等)，美国专利号8,557,406(Ban等)，Chinchanikar等人，“高速加工硬化AISI 4340钢过程中单层和多层涂层硬质合金刀片的磨损行为”，《机械科学与技术杂志》，27(5)，(2013年)，第1451页-第1459页，和Halvarsson等人，“CVDκ-Al2O3多层的微观结构和性能”，《材料科学与工程》，A209(1996年)，第337页-第344页。
从上述文档可以明显看出，过去涂层切削刀片采用了许多不同的涂层方案。根据这些文档，这些涂层方案中的每一个方案都应该有其各自的某些优点。即便这些涂层方案都有其各自的某些优点，但是仍需要提供一种不仅能够延长涂层切削刀片的使用寿命，而且能够改善涂层切削刀片在材料去除应用中的性能特点的涂层方案。此外，仍需要提供一种改进的涂层切削刀片，其涂层方案能够拥有高韧性，实现更佳的刀刃完整性，尤其是经常中断的车削和铣削作业。另外，仍需要提供一种改进的涂层切削刀片，其涂层方案包括多层涂层方案，从而在所述涂层方案中更好地抑制无论是由于机械应力或是热循环导致的裂纹增大和扩展。再者，仍需要提供一种改进的涂层切削刀片，其包括一层过渡涂层，用于提升所述多层涂层方案的成核和粘附能力。
因此，极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用。极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中所述切削刀片在这类应用中用于延长刀具使用寿命。极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片运用于材料去除应用中，其中，所述涂层切削刀片在这类应用中具有改进的性能特征。
极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中所述涂层切削刀片在这类应用中采用的涂层方案能够拥有高韧性，实现更佳的刀刃完整性，尤其是经常中断的车削和铣削作业。极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中，所述涂层切削刀片在这类应用中采用的涂层方案包括多层涂层方案，从而在所述涂层方案中更好地抑制无论是由于机械应力或是热循环导致的裂纹增大和扩展。极有必要提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中，所述涂层切削刀片包括一层过渡涂层，用于提升所述多层涂层方案的成核和粘附能力。
发明内容
从其中一种形式来看，本发明涉及一种用于切屑材料去除作业的涂层切削刀片。所述涂层切削刀片包括一个基材和在所述基材上的一个涂层方案。所述涂层方案包括一种通过化学汽相淀积方法而淀积的背面涂层方案，其中背面涂层方案在所述基材的表面上。过渡涂层通过化学汽相淀积方法淀积在背面涂层方案的表面上。多层涂层方案包括多次涂层应用，它通过化学汽相淀积方法淀积在过渡涂层的表面上。每一次涂层应用包括一层采用α氧化铝晶体结构的氧化铝涂层和一层采用含氮涂层晶体结构的含氮涂层。氧化铝晶体结构不同于含氮涂层晶体结构，相邻氧化铝涂层与含氮涂层之间有一个明显边界。
从另一种形式来看，本发明涉及一种制造涂层切削刀片的方法，它包括如下步骤：提供一个基材；采用化学汽相淀积方法涂覆过渡涂层；采用化学汽相淀积方法在过渡涂层上应用多层涂层方案，其中多层涂层方案包括多次涂层应用，其中每次涂层应用的步骤包括：首先涂覆一层氧化铝涂层，涂层淀积参数保持不变，其中氧化铝涂层采用α氧化铝晶体结构；然后通过涂覆一层采用含氮涂层晶体结构的含氮涂层，中断氧化铝涂层的涂覆，其中含氮涂层晶体结构不同于α氧化铝晶体结构，从而在氧化铝涂层与含氮涂层之间形成一个明显边界。
附图说明
以下为构成本专利申请一部分的附图的简要介绍：
附图1示意了一种涂层切削刀片的等距视图，如图所示，所述涂层切削刀片的基材应用了涂层方案，其中，为了露出基材，涂层方案的一部分已被移除；
附图2示意了一种涂层切削刀片的第一个具体实施例的横断面视图，如示意图所示，所述基材和所述涂层采用了所述涂层方案；
附图3示意了一种涂层切削刀片的涂层方案的第二个具体实施例的横断面视图，如示意图所示，所述基材和所述涂层采用了所述涂层方案；
附图4示意了一种涂层刀片的横断面视图的显微照片(比例10μm)，图中示意了在硬质合金基材上的背面涂层方案之上淀积的多个涂层应用形成的鲜明分层。
附图5示意了一种涂层切削刀片的第四个具体实施例的横断面视图，如示意图所示，所述基材和所述涂层采用了所述涂层方案；
附图6A示意了一种发明的磨损涂层切削刀片的横断面的显微照片(比例500μm)，其中所述显微照片上的某个区域被指定为“6B/C”；
附图6B示意了附图6A中被指定为6B/C的区域的显微照片(比例100μm)；
附图6C示意了附图6A中被指定为6B/C、但相对于附图6B旋转且包含涂层标签的区域的显微照片(比例100μm)；
附图7A示意了一种传统磨损涂层切削刀片的横断面视图的显微照片(比例500μm)，其中所述显微照片上的某个区域被指定为“7B/C”；
附图7B示意了附图7A中被指定为7B/C的区域的显微照片(比例100μm)；以及
附图7C示意了附图7A中被指定为7B/C、但相对于附图7B旋转且包含涂层标签的区域的显微照片(比例100μm)。
具体实施方式
本发明涉及一种涂层切削刀片，用于切屑形成材料去除作业。在切屑形成材料去除作业中，所述切削刀片切削工件，使材料成碎屑状从工件中去除。所属技术领域的专业人员通常将这种使材料成碎屑状从工件中去除的材料去除作业称为切屑形成材料去除作业。Moltrecht所著的《工厂实习》[纽约工业出版公司，纽约(1981年)]一书在199-204页中特别介绍了切屑形成的内容以及各种不同的切屑种类(即带状切屑、间断切屑、节状切屑)。Moltrecht在第199-200页介绍到[摘录部分]，“当切削刀具开始接触金属时，会压紧切屑刃前面的金属。随着切削刀具向前推进，切屑刃前面的金属被压到要内部剪切的位置上，引起金属颗粒变形，并沿着一个称为剪切面的平面呈塑性流动……如果待切削金属为钢等韧性金属，则切屑将以连续带状的形式分离……”。Moltrecht还介绍了间断切屑和节状切屑的形成。
再如，在纽约McGraw Hill出版社(1949年)出版的《ASTE工具工程师手册》一书中，其第302-315页详细介绍了金属切屑过程中切屑的形成。在《ASTE手册》一书的第303页，清楚介绍了切屑形成与车削、铣削和钻孔等加工操作之间的关系。以下专利文档讨论了材料去除作业中切屑的形成：美国专利号5,709,907(Battaglia等)(分配给Kennametal Inc.)，美国专利号5,722,803(Battaglia等)(分配给Kennametal Inc.)，和美国专利号6,161,990(Oles等)(分配给Kennametal Inc.)。
附图示意了涂层切削刀片的众多具体实施例。附图1中示意了一种涂层切削刀片，一般指定为20，其中所述涂层切削刀片20具有基材22和在所述基材22上的涂层方案24。所述涂层切削刀片20图示了一种用作涂层切削刀片的典型几何形状。这些涂层方案的具体实施例将在后文逐一详细讨论。
如附图2所示的涂层方案，有一种涂层切削刀片，一般指定为30，它包括基材32和在所述基材32的表面31上的涂层方案32A。涂层方案32A包括背面涂层方案33，其中背面涂层方案包括基材32的表面上的TiN涂层34，TiN涂层34上的MT-TiCN涂层36和MT-TiCN涂层36上的TiCN涂层37。“MT-TiCN涂层”指的是采用化学汽相淀积(CVD)方法在适当温度条件(约750℃与920℃之间)下淀积的一层碳氮化钛涂层。与所述的MT-TiCN涂层不同，“HT-TiCN”或“TiCN”涂层指的是采用CVD方法在大于约950℃(一般介于950℃与1020℃之间)的温度条件下淀积的一层碳氮化钛涂层。
HT-TiCN涂层37上有一层含钛、氧、碳和氮的Ti+O+C+N过渡涂层38。需要记住的是，尽管申请人不用受Ti+O+C+N过渡涂层功能相关的任何特定理论所约束，但是有人认为Ti+O+C+N过渡涂层的作用在于增强多层涂层方案中涂层的成核和粘附能力。
所述多层涂层方案49在Ti+O+C+N过渡涂层38上，其中所述多层涂层方案49包括多次涂层应用(39，43)。尽管附图2示意了两次涂层应用，但是应认识到，对于此具体实施例和本文其他具体实施例，涂层应用次数没作具体规定。例如，在两次和十六次涂层应用之间，相当于四个与三十二个涂层之间，适用于此具体实施例和本文其他具体实施例。涂层应用39包括一层氧化铝涂层40和一层TiOxCyNz涂层42。涂层应用43包括一层氧化铝涂层44和一层TiOxCyNz涂层46。此具体实施例以及本文所有实施例的氧化铝涂层均是氧化铝的α结晶相。对于TiOxCyNz涂层42和46，x、y和z的值分别如下：0<x<0.7、0<y<0.7、0<z<0.7。
选择涂层的组成，所述涂层包括多层涂层方案的涂层应用，以至于每个涂层的淀积会被之后涂层的淀积突然中断。结果，随着之后涂层的开始，会完全中断之前涂层的结晶生长。涂层组成或者涂层参数发生变化都可能导致这类突然中断的现象，从而形成一层独特的晶体结构。此类变化可能造成相邻涂层之间的晶体结构不同。这些中断会造成相邻涂层之间出现明显边界，以至于每个涂层内的复合物无混晶相。
尽管附图2未显示，但是本发明的可选实施例包含一个外涂层方案，它可以通过CVD方法涂覆在重复应用的最外层上。此类外涂层可能包括碳化物、碳氮化物、氮化物或者由IVb组某个元素构成的氧碳氮化物。
下表1给出了涂层方案的厚度范围和附图2中所示涂层切削刀片30的涂层。
表1——涂层方案的厚度和附图2的涂层
涂层或涂层方案 厚度范围(微米) 可选厚度范围(微米)
涂层方案32A 2-35 5-30
背面涂层方案33 1-20 2-18
TiN涂层34 达2 达1
MT-TiCN涂层36 1-18 2-15
HT-TiCN涂层37 达5 达2
Ti+O+C+N过渡涂层38 达3 达2
多层涂层方案49 1-15 2-12
涂层应用39和43 0.1-0.8 0.2-0.7
氧化铝涂层40和44； 0.05-0.7 0.1-0.5
TiOxCyNz涂层42和46 0.01-0.5 0.05-0.25
下表2给出了附图2所示涂层切削刀片30的涂层方案32A的淀积的淀积参数
表2——附图2所示涂层方案的制作过程
Figure BDA0000941508080000061
Figure BDA0000941508080000071
如附图3所示的涂层方案，有一种涂层切削刀片，一般指定为50，它包括基材52和在所述基材52的表面51上的涂层方案52A。涂层方案52A包括背面涂层方案54，其中背面涂层方案包括基材52的表面上的TiN涂层56，TiN涂层56上的MT-TiCN涂层58和MT-TiCN涂层58上的HT-TiCN涂层59。
TiCN涂层59上有一层含钛、氧、碳和氮的Ti+O+C+N过渡涂层60。需要记住的是，尽管申请人不用受Ti+O+C+N过渡涂层功能相关的任何特定理论所约束，但是有人认为Ti+O+C+N过渡涂层的作用在于增强多层涂层方案中涂层的成核和粘附能力。
所述多层涂层方案69在Ti+O+C+N过渡涂层60上，其中所述多层涂层方案69包括多次涂层应用(64，70)。涂层应用64包括一层氧化铝涂层66和一层TiN涂层68，而涂层应用70包括一层氧化铝涂层72和一层TiN涂层74。尽管附图3未显示，但是本发明的可选实施例包含一个外涂层方案，它可以通过CVD方法涂覆在重复应用的最外层上。此类外涂层可能包括碳化物、碳氮化物、氮化物或者由IVb组某个元素构成的氧碳氮化物。
下表3给出了涂层方案的厚度范围和附图3所示涂层切削刀片30的涂层。
表3——涂层方案的厚度和附图3的涂层
Figure BDA0000941508080000072
Figure BDA0000941508080000081
下表4给出了附图3所示涂层切削刀片50的涂层方案52A的淀积的淀积参数
表4——附图3所示涂层方案的制作过程
Figure BDA0000941508080000082
如附图4显微照片中所示的涂层切削刀片的显微结构，涂层刀片的横断面视图示意了在硬质合金基材上的背面涂层方案之上淀积的多个涂层应用形成的鲜明分层。
如附图5所示的涂层方案，有一种涂层切削刀片，一般指定为130，它包括基材132和在所述基材132的表面131上的涂层方案133。涂层方案133包括背面涂层方案134，其中背面涂层方案包括基材132的表面上的TiN涂层136，TiN涂层136上的MT-TiCN涂层138和MT-TiCN涂层138上的HT-TiCN涂层140。
TiCN涂层140上有一层含钛、氧、碳和氮的Ti+O+C+N过渡涂层139。需要记住的是，尽管申请人不用受Ti+O+C+N过渡涂层功能相关的任何特定理论所约束，但是有人认为Ti+O+C+N过渡涂层的作用在于增强多层涂层方案中涂层的成核和粘附能力。
多层涂层方案141在Ti+O+C+N过渡涂层139上，其中所述多层涂层方案141包括多次涂层应用(146，152，158)。涂层应用146包括一层氧化铝涂层148和一层TiAlOCN涂层150。涂层应用152包括一层氧化铝涂层154和一层TiAlOCN涂层156。涂层应用158包括一层氧化铝涂层160和一层TiAlOCN涂层162。在本发明的一个实施例中，最外的重复层是暴露的。在本发明的另一个实施例中，有一个可选外涂层方案，它可以通过CVD方法涂覆在重复应用的最外层上。附图5所示的具体实施例示意了一层TiOCN外涂层164。下表5给出了所示涂层方案的厚度范围和附图5中所示涂层切削刀片130的涂层。
表5——涂层方案的厚度和附图5的涂层
涂层或涂层方案 厚度范围(微米) 可选厚度范围(微米)
涂层方案133 2-35 5-30
背面涂层方案134 1-20 2-18
TiN涂层136 达2 达1
MT-TiCN涂层138 1-18 2-15
HT-TiCN涂层140 达5 达2
Ti+O+C+N过渡层 达3 达2
多层涂层方案141 1-15 2-12
涂层应用146、152和158 0.1-0.8 0.2-0.7
氧化铝涂层148、154和160 0.05-0.7 0.1-0.5
TiAlOCN涂层150、156、162 0.01-0.5 0.05-0.25
TiOCN外涂层164 1.0-3.0 1.5-2.5
下表6给出了附图5所示涂层切削刀片130的涂层方案133的淀积的淀积参数。
表6——附图5所示涂层方案的制作过程
Figure BDA0000941508080000101
执行切削试验，对比标准的传统涂层切削刀片，评估本发明的涂层切削刀片的性能。表7和8给出了使用以下磨损标准进行多次测量得到的测试结果：执行测试时使用的参数如下：切削刀片几何形状CNMG432RN(直刃口)；超前角0°/90°；刀盘直径＝2.48英寸；最大刀具直径＝2.48英寸；通过长度＝12英寸；MMR＝1,95立方英寸/分钟；切削速度＝820表面英尺/分钟；每分钟转速＝1263；设定的切屑载荷(fz)＝0.008ipt；进给速率(Vf)＝10.104ipm；切口轴向深度(Ap)＝0.098英寸；切口径向深度(Ae)＝1.969英寸；机器＝MazakAJV；冷却液＝干燥；工件材料DCI 80-55-06。
表7——涂层切削刀片的测试结果
样品 重复1 重复2 标准偏差 平均 改进百分比
对照物-标准涂层切削刀片 12.00 15.00 2.12 13.50 -
附图2中应用4次Al2O3/TiOCN的涂层切削刀片 19.00 24.00 3.54 21.50 59％
附图2中应用8次Al2O3/TiOCN的涂层切削刀片 15.00 19.00 2.83 17.00 26％
表8——涂层切削刀片的测试结果
样品 重复1 重复2 标准偏差 平均 改进百分比
对照物-标准涂层切削刀片 9.80 14.30 3.18 12.05 -
附图2中应用4次Al2O3/TiOCN的涂层切削刀片 18.50 21.50 2.12 20.00 66％
附图2中应用8次Al2O3/TiOCN的涂层切削刀片 14.60 18.80 2.97 16.70 38％
本发明所述涂层结构的失效模式的一个关键特征就是频繁中断的切屑形成过程中出现的磨损机制。在中断的切削作业中，每次接触工件材料时涂层都会受到冲击。在传统涂层中，连续冲击可能造成涂层出现疲劳失效，容易造成一层或者多层剥落。在本文介绍的发明涂层中，因为涂层单元之间的裂缝会消散(例如包括含Al2O3-Ti层的涂层对)，所以单涂层失效并不会影响整个涂层方案的完整性。换言之，本发明涂层方案将损坏范围限制到某个具体的单涂层步骤(或含Al2O3-Ti的涂层对)，从而防止裂缝在整个涂层方案上扩展。单涂层步骤(或含Al2O3-Ti的涂层对)的失效不会破坏整体涂层方案的完整性，包括底层的含Al2O3-Ti的涂层对。附图6A至6C介绍了这种特性。
附图6A-6C的涂层方案包括基材表面上的一层TiN基底涂层、所述TiN基底涂层上的一层MT-TiCN涂层、所述MT-TiCN涂层上的一层HT-TiCN涂层和在所述HT-TiCN涂层上重复涂覆的含Ti涂层--含Al2O3涂层对，其中，含Ti涂层为HT-TiCN。最外的HT-TiCN涂层在重复涂覆的最外Al2O3涂层之上，TiN涂层在最外的HT-TiCN涂层之上。附图6A示意了发明涂层方案中涂层的部分横断面的显微照片。附图6A包含一个指定为6B/C的区域，附图6B和附图6C中的显微照片示意了该区域。附图6B和附图6C示意了相同的显微照片，但是附图6C相对于附图6B旋转且附图6C包含识别所述涂层的标签。如上所述，附图6A至6C，尤其是附图6B和附图6C示意了涂层单元之间裂缝会消散的特性(例如包括含Al2O3-Ti层的涂层对)。
附图7A至7C示意了传统刀具的传统涂层方案。附图7A至附图7C的传统涂层方案包括基材表面上的一层TiN基底涂层、所述TiN基底涂层上的一层MT-TiCN涂层、所述MT-TiCN涂层上的一层TiCN涂层、所述TiCN涂层上的一层含Ti涂层和所述含Ti涂层上的一层单Al2O3涂层。最外的TiCN涂层在Al2O3涂层之上，TiN涂层在最外的TiCN涂层之上。附图7A示意了传统涂层方案中涂层的部分横断面的显微照片。附图7A包含一个指定为7B/C的区域，附图7B和附图7C中的显微照片示意了该区域。附图7B和附图7C示意了相同的显微照片，但是附图7C相对于附图7B旋转，且附图7C包含识别所述涂层的标签。如附图7A-7C所示，传统涂层方案会由于出现裂缝而导致完全失效，从而暴露出底层涂层结构，加快切削刀具的磨损，从而缩短刀具使用寿命。
每个具体实施例使用的基材可从相同材料组中选择。就这一点而言，合适的基材材料包括硬质合金(例如，碳化钨-钴材料)。钨钴类硬质合金是另一种首选的基材材料，它包含约0.1重量百分比到约20重量百分比的钴以及平衡碳化钨。此类钨钴类硬质合金可能包括添加剂，如钛、钽、铌、锆、铪、钒和铬中的一种或者组合，其中这些条件可以是碳化物和/或氮化物和/或碳氮化物的形式，还可能包括常添加于硬质合金的其他添加剂。在另一种组成中，基材包括含钨硬质合金，成分如下：约89.8重量百分比到约92.3重量百分比的碳化钨、约5.7重量百分比到约11.5重量百分比的钴、多达约3.0重量百分比的钽、多达约2重量百分比的钛、多达约2.4重量百分比的铌和多达约0.80重量百分比的铬。
申请人也考虑基材能够表现出梯度组成的特性，尤其是黏合剂浓度、碳氮化物浓度和碳化物浓度。典型的基材可包括可增强黏合剂粘附能力的表面区域的硬质合金基材，或者可减小黏合剂粘附能力，增强固溶体碳化物的表面区域的硬质合金基材。
对于每个具体实施例，应充分认识到在淀积涂层方案前，基材表面可进行处理，以改善涂层方案与基材的粘附能力。典型的预处理包括在所述基材的表面上去除或者减少黏合剂的过程。对于钨钴类硬质合金基材，此类预处理将会去除基材表面上的钴，或者对表面进行处理，改善涂层粘附能力。另一个典型的预处理是使用机械的方式处理所述基材的表面，粗化所述基材的表面，使其实现良好的涂层粘附能力的过程。
应认识到的是，在一些情况下，涂层方案的表面可能需要在淀积后进行处理，以通过使其平滑，并在涂层上形成应力改变效应来改善性能。去除所述涂层方案表面上的粗糙面，减少或者最小化任何应力集中点就是一个典型的处理方法。另一个典型的处理就是优先去除所述切削刀片所选区域上的涂层(或者部分涂层)。表面处理一般会降低涂层的拉张应力或者增加抗压应力。例如，PCT专利公告号WO 02/077312(Widia GmbH)公开了一种增加外涂层的内压应力或者减小内部抗拉应力的涂层喷丸清理方法(PVD或PCVD或CVD)。
而且，应认识到，为了改善涂层的粘附能力，每个涂层之间可能有通过显微镜可以看清的粗糙界面。这些通过显微镜可以看清的粗糙界面可通过控制CVD(或者中温化学汽相淀积[MT-CVD])参数来生成，以提高涂层的高生长率。可通过使用相对较高的淀积温度和/或相对较高的温度来提高CVD过程(包括MT-CVD过程)的生长率。作为改善涂层间粘附能力的另一个备用方法，在淀积过程中，可以逐渐改变相邻涂层之间的组成，以减少相邻涂层之间尖锐边缘的存在。
鉴于以上情况，可以认识到提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中所述涂层切削刀片在这类应用中采用的涂层方案能够拥有高韧性，实现更佳的刀刃完整性，尤其是经常中断的车削和铣削作业。提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中，所述涂层切削刀片在这类应用中采用的涂层方案包括多层涂层方案，从而在所述涂层方案中更好地抑制无论是由于机械应力或是热循环导致的裂纹增大和扩展。提供一种改进的涂层切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除应用中非常有用，其中，所述涂层切削刀片包括一层过渡涂层，用于提升所述多层涂层方案的成核和粘附能力。
本文所述的专利和其他文档特此列入本文内作参照。从本文所公开的本发明的规范或者实践出发，所属技术领域的专业人员对本发明的其他实施例并不会陌生。所述规范和示例仅供说明之用，不对本发明的范围作任何限制。本发明的真实范围和精神请参见所附权利要求。

Claims (21)

1.一种用于切屑材料去除作业的涂层切削刀片，所述涂层切削刀片包括：
一个基材和在所述基材上的一个涂层方案；
所述涂层方案包括：
一种通过化学汽相淀积方法而淀积的背面涂层方案，所述背面涂层方案在所述基材的表面上；
一层通过化学汽相淀积方法而淀积的过渡涂层，所述过渡涂层在背面涂层方案的表面上；和
一种通过化学汽相淀积方法而淀积的多层涂层方案，它包括多次涂层应用，所述多层涂层方案在所述过渡层的表面上；和
每一次涂层应用包括一层采用α氧化铝晶体结构的氧化铝涂层和一层采用含氮涂层晶体结构的由TiOxCyNz形成的含氮涂层，所述氧化铝晶体结构不同于含氮涂层晶体结构，为此，相邻氧化铝涂层与含氮涂层之间有一个明显边界，其中，所述含氮涂层与相邻的涂层应用的氧化铝涂层接触，TiOxCyNz中的x、y和z的值分别如下：0<x<0.7、0<y<0.7、0<z<0.7，并且，对于每次涂层应用，氧化铝涂层比含氮涂层更接近过渡涂层。
2.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，对于每次涂层应用，氧化铝涂层的厚度介于0.05μm与0.7μm之间，含氮涂层的厚度介于0.01μm与0.5μm之间。
3.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其中所述多层涂层方案的厚度介于1μm与15μm之间。
4.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其中所述背面涂层方案包括一层厚度达到2μm的最内的氮化钛涂层和一层厚度介于1μm与18μm之间的中间MT碳氮化钛涂层以及一层由氮化钛涂层或一层HT碳氮化钛涂层组成的最外涂层。
5.根据权利要求4所述的涂层切削刀片，其中所述最外涂层包括所述HT碳氮化钛涂层。
6.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其中所述基材包括含钨硬质合金，组成如下：89.8重量百分比到92.3重量百分比的碳化钨、5.7重量百分比到11.5重量百分比的钴、多达3.0重量百分比的钽、多达2重量百分比的钛、多达2.4重量百分比的铌和多达0.80重量百分比的铬。
7.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其中所述涂层方案还包括在所述多层涂层方案上的外涂层方案。
8.根据权利要求7所述的涂层切削刀片，其中所述外涂层方案包括一层氧碳氮化钛涂层。
9.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其中所述过渡涂层包括钛、氧、碳和氮。
10.一种制造涂层切削刀片的方法，包括如下步骤：
提供基材；
通过化学汽相淀积方法涂覆过渡涂层；
通过化学汽相淀积方法将多层涂层方案应用到所述的过渡涂层上，其中所述多层涂层方案包括多次涂层应用，其中每次涂层应用的步骤包括：
涂覆一层氧化铝涂层，但不改变涂层淀积参数，其中所述氧化铝涂层采用α氧化铝晶体结构；和
通过涂覆采用含氮涂层晶体结构的由TiOxCyNz形成的含氮涂层，中断所述氧化铝涂层的涂覆，其中所述含氮涂层晶体结构不同于α氧化铝晶体结构，为此，氧化铝涂层与含氮涂层之间形成一个明显边界，
其中，TiOxCyNz中的x、y和z的值分别如下：0<x<0.7、0<y<0.7、0<z<0.7。
11.根据权利要求10所述的方法，对于每次涂层应用，氧化铝涂层的厚度介于0.05μm与0.7μm之间，含氮涂层的厚度介于0.01μm与0.5μm之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述多层涂层方案的厚度介于1μm与15μm之间。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括通过化学汽相淀积方法将背面涂层方案应用于所述基材，其中所述背面涂层方案包括一层厚度达到2μm的最内的氮化钛涂层和一层厚度介于1μm与18μm之间的中间MT碳氮化钛涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将最外背面涂层上应用到所述背面涂层方案的步骤，所述最外背面涂层包括一层HT碳氮化钛涂层。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括通过化学汽相淀积方法在所述多层涂层方案上应用外涂层方案，其中所述外涂层方案包括一层氧碳氮化钛涂层。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述过渡涂层包括钛、氧、碳和氮，要在温度介于950℃和1020℃，压力介于100毫巴与400毫巴之间的条件下涂覆所述过渡涂层，并使用由TiCl4、CH4、CO、N2和氢气组成的气体混合物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述N2的量介于所述气体混合物的15容积百分比与20容积百分比之间，所述CH4的量介于所述气体混合物的2容积百分比与3容积百分比之间，所述TiCl4的量介于所述气体混合物的0.5容积百分比与1.3容积百分比之间，所述CO的量介于所述气体混合物的1.0容积百分比与1.5容积百分比之间，所述氢气的量介于所述气体混合物的74.2容积百分比与81.5容积百分比之间。
18.根据权利要求10所述的方法，要在温度介于920℃和1020℃，压力介于50毫巴与120毫巴之间的条件下涂覆一层氧化铝涂层，并使用由CO2、HCl、H2S、AlCl3和氢气组成的气体混合物。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述CO2的量介于所述气体混合物的2.0容积百分比与2.8容积百分比之间，所述HCl的量介于所述气体混合物的2.5容积百分比与3.5容积百分比之间，所述H2S的量介于所述气体混合物的0.1容积百分比与1.0容积百分比之间，所述AlCl3的量介于所述气体混合物的4.0容积百分比与6.0容积百分比之间，所述氢气的量介于所述气体混合物的85.2容积百分比与89.4容积百分比之间。
20.根据权利要求10所述的方法，要在温度介于950℃和1050℃，压力介于200毫巴与500毫巴之间的条件下涂覆一层含氮涂层，并使用由N2、CH4、HCl、TiCl4、CO和氢气组成的气体混合物。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述N2的量介于所述气体混合物的30容积百分比与45容积百分比之间，所述CH4的量介于所述气体混合物的2容积百分比与3容积百分比之间，所述HCl的量介于所述气体混合物的0.8容积百分比与1.5容积百分比之间，所述TiCl4的量介于所述气体混合物的0.5容积百分比与1.2容积百分比之间，所述CO的量介于所述气体混合物的0.8容积百分比与1.5容积百分比之间，所述氢气的量介于所述气体混合物的47.8容积百分比与65.9容积百分比之间。
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