CN106984838A - 涂层切削工具 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种涂层切削工具。具体地，本申请涉及一种涂层切削工具，其包含主体(1)和所述主体上的硬质且耐磨的PVD涂层(4)，其中所述主体包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或多晶立方氮化硼基材料，并且所述涂层包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层(2)和第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层是单层，并且所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层是层合结构，其中所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层(2)包含(Ti1‑xAlx)Nz层，其中0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且其中所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)包含(Ti1‑x1‑ y1Alx1Cry1)Nz1层，其中0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。

Description

涂层切削工具
技术领域
本发明涉及用于成屑金属加工的涂层切削工具，其包含主体和涂层，用于与受控的加工表面粗糙度相组合产生高的工具温度的金属切削应用例如钢、铸铁、超合金、不锈钢和硬化钢的机械加工中。包含两个子涂层的涂层基于借助于物理气相沉积(PVD)来沉积的(Ti,Al)N。
背景技术
自从1980年代中期以来，已作出努力以改善工具涂层的性质例如耐磨性以及性能。当时，习惯做法是将切削工具用TiN涂覆。然而，由于其在高温下相对差的抗氧化性，在1980年代中期建议并执行了Al在(Ti,Al)N中的合金化，取得良好结果。
目前，基于(Ti,Al)N的涂层是在金属切削应用中使用的最常见的硬质和保护性涂层材料之一。作为单层或层合涂层结构的一部分的(Ti,Al)N的立方B1结构，结合了有吸引力的机械性质例如高硬度和改进的温度和氧化抗性，在金属机械加工应用中提供了良好性能。(Ti,Al)N的技术优势及其特别是在高温下的出色物理性质，部分根据旋节线分解过程来解释，在所述过程中，立方(Ti,Al)N同构分解成共格(coherent)的富含立方c-AlN和c-TiN的晶畴。弹性性质与共格的富含c-AlN和c-TiN的晶畴之间的晶格失配的组合引起显著的时效硬化，已显示在此期间(Ti,Al)N薄层的硬度提高在15％至20％之间。在进一步老化时，c-AlN转变成热动力学稳定的六方纤锌矿B4结构h-AlN，产生包含c-TiN和h-AlN的双相结构，其机械性能降低。
为了进一步提高工具涂层的性能，已研究了宽范围的三元和四元系统。例如，已显示将Cr合金化在(Ti,Al,Cr)N中改善了涂层在金属切削应用中的行为。国际公开专利申请WO2012/069475公开了一种具有硬质且耐磨的涂层的涂层切削工具，所述涂层包含(TicAlaCrbMed)(CzOyNx)层，其中0.10<a<0.60，b+d>0.20，c>0.05，0≤d<0.25，0.75<x<1.05，0≤y<0.25并且0≤z≤0.25，并且层厚度在0.5至10μm之间。
目前，工业界继续在寻找用于经济和高生产率/贯穿进给制造的解决方案。为了满足这些需求，需要具有先进性能的新材料以提高在操作期间的工具寿命。在金属切削工具工业中，绝大部分的这种尝试聚焦于通过设计在这种应用中使用的涂层材料的性质来改善切削工具的磨损行为。通常，高生产率/贯穿进给切削过程引起工具温度的急剧提高，因此，具有高温耐磨性的涂层材料是重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种涂层切削工具，其具有在产生高温并具有受控的机械加工表面粗糙度的金属切削应用中显示出改进的高温特性、改进的性能的涂层。
根据本发明的第一方面，在主体上提供了硬质且耐磨的PVD涂层，其中所述主体包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或多晶立方氮化硼基材料，并且所述涂层包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层和第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层是单层，所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层是层合结构，其中所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层包含(Ti1-xAlx)Nz层，其中0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)包含(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1层，其中0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。
在本说明书和权利要求书中所描述的主体，应该被理解为在其上沉积所述硬质且耐磨的PVD涂层的基底。对于切削工具来说，常见的是该主体例如切削工具刀片可以是同质主体或包含背衬体的主体，其他材料被放置在所述背衬体上，覆盖前刀面上的切削刃、即所谓的镶刃主体，或者它覆盖完整前刀面，即所谓的完整面主体。所述镶刃或完整面解决方案通常用于基于多晶金刚石或多晶立方氮化硼材料的切削技术中。
根据一个实施方式，0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3。
根据一个实施方式，0.7<z≤1.1，优选地0.8<z≤1.1，更优选地0.9≤z<1.1。
根据一个实施方式，0.55<x1<0.75，更优选地0.55<x1<0.70。
根据一个实施方式，0.05≤y1<0.15。
根据一个实施方式，0.7<z1≤1.1，优选地0.8<z1≤1.1，更优选地0.9≤z1≤1.1。
根据一个实施方式，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层具有0.1μm至2μm之间、优选地0.3μm至1μm之间、最优选地0.3μm至0.8μm之间的厚度。
根据一个实施方式，所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B/…，其中层A是(Ti1-xAlx)Nz，0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且层B是(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1，0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。
根据一个实施方式，当通过例如第二子涂层的中间区域即其厚度的30％至70％之间的区域的横截面透射电子显微术测量时，所述A和B层具有1nm至100nm之间、优选地5nm至50nm之间、最优选地5nm至30nm之间的平均单层厚度，并且所述平均层厚度是来自于测量至少10个相邻层的厚度的平均值。
根据一个实施方式，所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层具有0.5μm至10μm之间、优选地1至5μm之间、最优选地1μm至3μm之间的厚度。
根据一个实施方式，所述涂层切削工具包含最靠内的单层或层合层结构，其布置在所述主体上并与其相接触并包含下列组合物中的任一种：TiN，TiC，Ti(C,N)或(Ti,Al)N。优选地，所述最靠内的层结构是(Ti,Al)N的单层，后面跟随着功能性硬质和耐磨涂层。
根据一个实施方式，所述最靠内的层结构具有0.05μm至0.3μm之间、优选地0.1μm至0.3μm之间的厚度。
根据一个实施方式，所述涂层切削工具包含最靠外的单层或层合层结构，其布置在所述涂层上并包含下列组合物中的任一者：TiN，TiC，Ti(C,N)或(Ti,Al)N。优选地，所述最靠外的层结构是TiN或(Ti,Al)N的单层，后面跟随着功能性硬质和耐磨涂层。
根据本发明的一个实施方式，所述最靠外的层结构由(Ti1-xAlx)Nz构成。
根据一个实施方式，所述最靠外的层结构具有0.05μm至0.5μm之间、优选地0.1μm至0.3μm之间的厚度。
根据一个实施方式，所述涂层以及任何最靠内或最靠外的层结构的总厚度为0.8μm至15μm之间，优选为1μm至10μm之间，最优选为1μm至6μm之间。
根据一个实施方式，当通过EDS测定时，所述涂层以及任何最靠内或最靠外的层结构的平均组成为：55原子％<％Ti<62原子％，优选地57原子％<％Ti<62原子％，更优选地57原子％<％Ti<60原子％，32原子％<％Al<40原子％，优选地34原子％<％Al<40原子％，更优选地34原子％<％Al<38原子％，1原子％<％Cr<9原子％，优选地3原子％<％Cr<9原子％，更优选地3原子％<％Cr<7原子％，％Ti+％Al+％Cr＝100原子％，其余为N。
根据一个实施方式，所述主体由硬质合金构成，其包含WC和4-15重量％Co。
根据一个实施方式，所述主体是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的至少一种立方氮化硼(cBN)晶粒度分布。根据一个实施方式，所述粘合剂含有最多3体积％WC。
根据一个实施方式，所述主体是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的至少25体积％的立方氮化硼(cBN)。根据一个实施方式，所述用于前面描述的实施方式的粘合剂包含具有以下元素中的一种或多种的至少一种氮化物、硼化物、氧化物、碳化物或碳氮化物化合物：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W和Al。其实例是TiCN、TiB2和WC。
根据一个实施方式，所述主体是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的30体积％<cBN<75体积％，优选地35体积％<cBN<70体积％，并具有0.5μm至10μm之间、优选地0.5μm至5μm之间的平均cBN晶粒度。根据一个实施方式，所述粘合剂含有80重量％<Ti(C,N)<95重量％，所述粘合剂的其余部分包含来自以下元素中的两种或更多种的化合物：Ti，N，B，Ni，Cr，Mo，Nb，Fe，Al和O。
根据一个实施方式，所述主体是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的30体积％<cBN<75体积％，优选地45体积％<cBN<70体积％，更优选地55体积％<cBN<65体积％，并且平均cBN晶粒度在0.5μm至5μm之间，优选地在1μm至3μm之间。所述粘合剂含有：80重量％<Ti(C,N)<90重量％；小于1重量％的含有下列元素中的一种或多种的合金：Ni，Co，Cr；小于10重量％的Mo；并且所述粘合剂的其余部分包含下列化合物中的至少一种：TiB2，Al2O3。
根据一个实施方式，所述主体是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的35体积％<cBN<70体积％，并具有其中至少约50％的cBN晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的双峰cBN晶粒度分布。所述粘合剂含有至少一种包括铝(Al)的化合物和至少一种包括钛(Ti)的化合物。其实例是碳氮化钛、碳化钛、氮化钛、氮化铝和硼化铝。
根据本发明的涂层切削工具的一个优点在于所述硬质和耐磨涂层具有改进的温度抗性。根据本发明的涂层切削工具的另一个优点在于获得了在产生高温的金属切削应用中具有改进性能的涂层切削工具。根据本发明的涂层切削工具的另一个优点在于其使用导致机械加工表面的粗糙度降低。
根据本发明的第二方面，提供了生产包含主体和硬质耐磨涂层的涂层切削工具的方法，所述方法通过应用PVD(物理气相沉积)技术、优选为阴极电弧蒸发来进行，所述方法包括：
1.在沉积之前清洁所述主体，以及
2.通过分别使用复合或合金的(Ti,Al)和(Ti,Al,Cr)阴极来生长(Ti,Al)N和(Ti,Al,Cr)N层，其中施加50A至200A之间的蒸发电流，使用总气体压力在1.0Pa至8.0Pa之间、优选地1.0Pa至5.0Pa之间、更优选地2.0Pa至5.0Pa之间、最优选地3.0Pa至5.0Pa之间的包含纯N2或混合的N2与例如Ar气的反应气体气氛，施加20V至300V之间、优选地40V至150V之间、最优选地50V至100V之间的负衬底偏压，并应用200℃至800℃之间、优选300℃至600℃之间的沉积温度。
根据本发明的第三方面，提供了根据任何上述实施方式的涂层切削工具的用途，其用于以50-400m/min、优选地75-300m/min的切削速度进行机械加工，并且取决于切削速度和刀片几何形状，在铣削的情况下每齿的平均进给量为0.08-0.5mm，优选为0.1-0.4mm。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施方式的示意图。
图2示出了本发明的一个实施方式的示意图。
图3示出了本发明的一个实施方式的示意图。
图4示出了本发明的一个实施方式的X-射线衍射图。
优选实施方式的详细描述
根据图1中示意性示出的本发明的一个实施方式，提供了一种涂层切削工具，其包含主体1和所述主体上硬质且耐磨的涂层4，涂层4包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2，其是单一(Ti1-xAlx)Nz层，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，厚度在0.3μm至0.8μm之间，所述涂层4还包含第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3，其是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B…，其中层A是(Ti1-xAlx)Nz，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且层B是(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1，其中0.55<x1≤0.7，0.05≤y1<0.15，并且0.9≤z1≤1.1，其厚度在1μm至3μm之间。当通过例如第二子涂层3的中间区域即其厚度的30％至70％之间的区域的横截面透射电子显微术测量时，所述A和B层具有1nm至100nm之间、优选地5nm至50nm之间、最优选地5nm至30nm之间的平均单层厚度，并且所述平均层厚度是来自于测量至少10个相邻层的厚度的平均值。
显然，单个硬质耐磨涂层4可以是复杂涂层设计的一部分，并被用作所述复杂涂层的内部、中间和/或外部层。
根据图2中示意性示出的本发明的一个实施方式，提供了一种涂层切削工具，其包含：主体1；所述主体上的硬质耐磨涂层4，涂层4包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2，其是单一(Ti1-xAlx)Nz层，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，具有0.3μm至0.8μm之间的厚度，涂层4还包含第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3，其是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B…，其中层A是(Ti1-xAlx)Nz，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且层B是(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1，其中0.55<x1≤0.7，0.05≤y1<0.15并且0.9≤z1≤1.1，厚度在1μm至3μm之间；以及最靠外的单层结构6，其布置在硬质耐磨涂层4上，由TiN或(Ti,Al)N构成，优选为(Ti1-xAlx)Nz层的单层，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，其厚度在0.05μm至0.3μm之间。当通过例如第二子涂层3的中间区域即其厚度的30％至70％之间的区域的横截面透射电子显微术测量时，所述A和B层具有1nm至100nm之间、优选地5nm至50nm之间、最优选地5nm至30nm之间的平均单层厚度，并且所述平均层厚度是来自于测量至少10个相邻层的厚度的平均值。
根据图3中示意性示出的本发明的一个实施方式，提供了一种涂层切削工具，其包含：主体1；布置在主体1上并与其相接触的最靠内的单层或层合层结构5，其厚度在0.05至0.3μm之间，包含例如TiN、TiC、Ti(C,N)或(Ti,Al)N；主体上的硬质耐磨涂层4，所述涂层4包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2，其是单一(Ti1-xAlx)Nz层，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，厚度在0.3μm至0.8μm之间，所述涂层4还包含第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3，其是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B…，其中层A是(Ti1- xAlx)Nz，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且层B是(Ti1-x1- y1Alx1Cry1)Nz1，其中0.55<x1≤0.7，0.05≤y1<0.15并且0.9≤z1≤1.1，厚度在1μm至3μm之间；以及最靠外的单层结构6，其布置在硬质耐磨涂层4上，由TiN或(Ti,Al)N构成，优选为(Ti1-xAlx)Nz层的单层，其中0.15<x<0.35，优选地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，其厚度在0.05μm至0.3μm之间。当通过例如子涂层3的中间区域即其厚度的30％至70％之间的区域的横截面透射电子显微术测量时，所述A和B层具有1nm至100nm之间、优选地5nm至50nm之间、最优选地5nm至30nm之间的平均单层厚度，并且所述平均层厚度是来自于测量至少10个相邻层的厚度的平均值。
根据本发明的一个实施方式，总厚度，即如果存在的话最靠内的层结构5、如果存在的话最靠外的层结构6和涂层4的厚度之和，在0.8μm至15μm之间，优选地1μm至10μm之间，最优选地1μm至6μm之间。
使用在20kV下运行的LEO Ultra 55扫描电子显微镜和对装备有Thermo NoranEDS的涂层表面的法线入射，通过能量色散谱(EDS)分析区来估算层的平均组成。将工业标准品和ZAF校正用于定量分析。金属组成使用Noran System Six(NSS ver 2)软件来评估。
根据本发明的一个实施方式，所述硬质耐磨涂层4由单层(Ti1-x-yAlx)Nz的第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2、层合的(Ti1-x-yAlxCry)Nz(y＝0)和(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1层的第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3以及最靠外的(Ti1-x-yAlxCry)Nz(y＝0)单层6构成，并且当通过EDS测定时平均组成为：55原子％<％Ti<62原子％，优选地57原子％<％Ti<62原子％，更优选地57原子％<％Ti<60原子％；32原子％<％Al<40原子％，优选地34原子％<％Al<40原子％，更优选地34原子％<％Al<38原子％；1原子％<％Cr<9原子％，优选地3原子％<％Cr<9原子％，更优选地3原子％<％Cr<7原子％；％Ti+％Al+％Cr＝100原子％；并且其余为N。
另外，当通过EDS测定时，涂层4、最靠内的层结构5和最靠外的层结构6可能含有的氧(O)和碳(C)浓度之和在0至3原子％之间，优选地在0至2原子％之间。
使用Bruker AXS D8advance x-射线衍射仪和呈Bragg-Brentano配置的Cu Kα辐射，通过X-射线衍射测定法(XRD)来进行涂层相检测。通常，在多晶混合相材料中每个相的检测极限小于5体积％。
根据本发明的一个实施方式，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2由立方氯化钠相构成。
根据本发明的一个实施方式，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2由混合的立方氯化钠和六方相构成。
根据本发明的一个实施方式，所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3由立方氯化钠相构成。
根据本发明的一个实施方式，所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3由混合的立方氯化钠和六方相构成。
另外，涂层4可以还含有接近于XRD技术的检测极限的少量无定形相。
所述功能性硬质耐磨涂层4在主体1上的沉积方法基于PVD技术，优选为反应性阴极电弧蒸发，使用复合或合金的(Ti,Al)和(Ti,Al,Cr)阴极以使得分别生长(Ti,Al)N和(Ti,Al,Cr)N层。在沉积之前，通过应用已建立的非原位和原位清洁工序将主体1充分清洁。通过分别选择适合的反应气体气氛和(Ti,Al)与(Ti,Al,Cr)阴极的组成来获得所需层组成。使(Ti,Al)N和(Ti,Al,Cr)N层在下述条件下生长：蒸发电流在50A至200A之间，较高电流用于较大的阴极尺寸；在包含纯N2或混合的N2和例如Ar气体的反应气体气氛中，总气体压力在1.0Pa至8.0Pa之间，优选为1.0Pa至5.0Pa之间，更优选为2.0Pa至5.0Pa之间，最优选为3.0Pa至5.0Pa之间；且负衬底偏压在20V至300V之间，优选为40V至150V之间，最优选为50V至100V之间。沉积温度在200℃至800℃之间，优选在300℃至600℃之间。通过使得主体1通过从阴极和上述生长参数的一种组合单独地获得的沉积通量来沉积单层，而通过使得主体1交替地通过从至少两种不同的阴极与相同的其他上述生长参数的组合获得的沉积通量来生长层合层。
图4示出了本发明的一个实施方式的θ-2θX-射线衍射图，证实了在硬质金属(WC:Co)主体(1)上沉积的涂层的氯化钠结构，所述涂层包含(Ti,Al)N的第一(Ti,Al)基氮化物的层(2)和由层合的(Ti,Al)N和(Ti,Al,Cr)N层构成的第二(Ti,Al)基氮化物的层(3)，当通过在20kV下运行的EDS测定时，平均涂层组成为Ti＝58原子％，Al＝36原子％和Cr＝6原子％。在2θ(x-轴)中约37°、43°和62.5°处的宽衍射峰分别是氯化钠结构的(111)、(200)和(220)晶格面。其余的峰源自于WC:Co主体(1)。
最靠内的层5和最靠外的层6的沉积方法基于PVD技术，优选为反应性阴极电弧蒸发，使用纯的、复合或合金的金属阴极用于例如分别生长TiN、TiC、Ti(C,N)或(Ti,Al)N层。通过分别选择适合的反应气体气氛和阴极组成来获得所需层组成。层在下述条件下生长：蒸发电流在50A至200A之间，较高电流用于较大的阴极尺寸；在包含纯N2或混合的N2和例如Ar气体的反应气体气氛中，总气体压力在1.0Pa至8.0Pa之间，优选为1.0Pa至5.0Pa之间，更优选为2.0Pa至5.0Pa之间，最优选为3.0Pa至5.0Pa之间；且负衬底偏压在20V至300V之间，优选为40V至150V之间，最优选为50V至100V之间。沉积温度在200℃至800℃之间，优选在300℃至600℃之间。
根据本发明的一个实施方式，主体是用于通过排屑进行机械加工的切削刀片，其包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)基材料或高速钢的硬合金的主体1。所述主体也可以是其他金属切削工具，例如钻具和端铣刀。
根据一个实施方式，主体由硬质合金构成，其包含WC/Co–94重量％/6重量％。
根据一个实施方式，主体由硬质合金构成，其包含WC/Co–95重量％/5重量％。
根据一个实施方式，主体由硬质合金构成，其包含WC/Co–87重量％/13重量％。
根据本发明的一个实施方式，主体1是PCBN材料，其包含在粘合剂中的35体积％<cBN<70体积％，并具有其中至少约50％的cBN晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的双峰cBN晶粒度分布。粘合剂含有至少一种包含Al的化合物和至少一种包含Ti的化合物。这种PCBN材料及其生产方法的实例在已公布的PCT申请WO2014/177503中描述。
根据本公开的PCBN材料的cBN晶粒度分布和晶粒度根据已公布的PCT申请WO2014/177503中描述的方法来估算。
实施例
对于下表2-9来说，N是层合的子涂层中A+B层(双层)的数目，原子％是指涂层的金属部分。
实施例1
将具有ISO几何形状CNMG120408且组成为WC/Co–95/5重量％的A级硬质合金刀片用作通过阴极电弧蒸发进行层沉积的主体1。
在沉积之前，将刀片在碱性溶液和醇的超声浴中清洁。将系统排气至压力低于2.0x10-3Pa，然后将固定在旋转夹具上的刀片用Ar离子溅射清洁。
在4.5Pa纯N2气氛、-25V的偏压、约500℃的生长温度和150A的蒸发电流下，将由单一(Ti1-xAlx)Nz层(其中0≤x<0.6并且0.9≤z≤1.1)构成的第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层2从(Ti,Al)复合阴极直接沉积在WC:Co主体上直至子涂层总厚度约为0.5μm，阴极的组成被选择成使得产生期望的涂层组成(参见表1)。
第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B…，其中层A是(Ti1-xAlx)Nz，0≤x<0.6，层B是(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1，0.55<x1<0.65，0.05<y1<0.15并且0.9≤z1≤1.1。在4.5Pa纯N2气氛、-40V的偏压、约500℃的生长温度和150A的蒸发电流下，从(Ti,Al)和(Ti,Al,Cr)复合阴极沉积第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层3直至子涂层总厚度约为2.0μm，阴极的组成被选择成使得产生期望的涂层金属组成(参见表1)。一般来说，层合的涂层结构可以通过在其他沉积条件固定的情况下使得涂层主体交替地通过来自于用于生长不同层的至少两种不同阴极组成的沉积通量来获得。在这里，这通过将用于生长(Ti1-xAlx)Nz的阴极和用于生长(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1的阴极在沉积系统中彼此相反并面对地放置来实现。通过夹具旋转，刀片将交替地通过来自于每个阴极的沉积通量，由此将在完整的一轮中从冷凝的蒸气形成两个连续层(所谓的双层)。通过夹具的旋转速度控制的这些层的平均个体厚度在1nm至100nm之间。
表1
通过在20kV下运行的EDS获得的生成态涂层的金属组成示出在表2中。
表2
实施例2
在实施例1中，同时也利用如表3中示出的涂层金属组成对具有ISO几何形状TPUN160308且组成为WC/Co–96/4重量％的B级硬质合金刀片进行沉积。
表3
实施例3
在实施例1中，同时也利用如表4中示出的涂层金属组成对具有ISO几何形状XOMX120408TR-ME12且组成为WC/Co–87/13重量％的C级硬质合金刀片进行沉积。
表4
实施例4
使用D级PCBN刀片重复实施例1，所述PCBN刀片包含在粘合剂中的至少30体积％的cBN。粘合剂包含选自属于周期表的第4、5和6族和Al的一种或多种元素的至少一种氮化物、硼化物、氧化物、碳化物或碳氮化物化合物，例如Ti(C,N)和AlN。
除了在实施例1中生长的层之外，在4.5Pa纯N2气氛、-40V的偏压、约500℃的生长温度和150A的蒸发电流下，从(Ti,Al)复合阴极沉积由单一(Ti1-x-yAlx)Nz,层(其中0≤x<0.6并且0.9≤y≤1.1)构成的最靠外的顶层6，直至子涂层总厚度约为0.1μm，所述(Ti,Al)复合阴极的组成被选择成使得产生期望的涂层组成(参见表1)。
生成态涂层和它们的沉积参数以及通过在20kV下运行的EDS获得的它们的金属组成，示出在表5中。
表5
实施例5
在实施例4中，同时也利用表6中示出的涂层金属组成来沉积E级PCBN刀片，所述PCBN刀片包含在粘合剂中的30体积％<cBN<70体积％、优选地40体积％<cBN<65体积％，并且平均cBN晶粒度在0.5μm至4μm之间。粘合剂含有80重量％<Ti(C,N)<95重量％，其余部分包含来自下列元素中的两种或更多种的化合物：Ti，N，B，Ni，Cr，Mo，Nb，Fe，Al和O，例如TiB2和Al2O3。
表6.
实施例6
在实施例4中，同时也利用表7中示出的涂层金属组成来沉积F级PCBN刀片，所述PCBN刀片包含在粘合剂中的45体积％<cBN<70体积％、优选地55体积％<cBN<65体积％，并且平均cBN晶粒度在0.5μm至4μm之间、优选为1μm至3μm之间。粘合剂含有：80重量％<Ti(C,N)<90重量％；小于1重量.％的含有一种或多种下述元素的合金：(Ni，Co和Cr)；小于10重量％Mo；并且其余部分主要是TiB2和Al2O3。
表7.
实施例7
在实施例4中，同时也利用表8中示出的涂层金属组成来沉积G级PCBN刀片，所述PCBN刀片包含在粘合剂中的超过70体积％cBN、优选地80体积％<cBN<95体积％，并具有其中部分cBN晶粒的晶粒度<10μm、优选地在0.5μm至10μm之间、更优选地在1μm至6μm之间并且另一部分cBN晶粒的晶粒度>10μm、优选地在10μm至25μm之间、更优选地在15μm至25μm之间的双峰cBN晶粒度分布。粘合剂包含下列元素中的两种或更多种的化合物：Al，B，N，W，Co，Ni，Fe，Al和/或O。
表8.
实施例8
在实施例4中，同时也利用表9中示出的涂层金属组成来沉积H级PCBN刀片，所述PCBN刀片包含在粘合剂中的35体积％<cBN<70体积％，并具有其中至少约50％的cBN晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的双峰cBN晶粒度分布。粘合剂含有至少一种包含Al的化合物和至少一种包含Ti的化合物。
表9.
实施例9
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表2的样品(实施例1中的涂层的A级)：
表10示出了本发明的相对切削性能，表明样品2的性能提高。
表10.
实施例10
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表3的样品(实施例2中的涂层的B级)：
表11.
表11示出了本发明的相对切削性能，指示了涂层11的性能提高。
实施例11
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表4的样品(实施例3中的涂层的C级)：
表12示出了本发明的工具寿命结果，指示了样品21和22的性能提高。
表12.
实施例12
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表9的样品(实施例8中的涂层的H级)，其包括未涂覆的PCBN H级刀片：
表13示出了本发明的工具寿命结果，指示了样品65的明显的性能提高。
表13.
实施例13
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表9的样品(实施例8中的涂层的H级)：
Rmr是用于表面粗糙度概貌的材料配比的标准度量，并且通常用于评估耐磨性。表14示出了与样品66相比，样品65和67的材料配比、通过50次后的Rmr 50％深度降低。
表14.
实施例14
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表9的样品(实施例8中的涂层的H级)：
表15显示了与样品66、67和未涂覆的H级相比，样品65显示最好的凹坑耐磨性。
表15.
实施例15
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表9的样品(实施例8中的涂层的H级)：
几何形状：TCGW110208S-01015-L1-C
应用：ID车削，直径24.69mm，长度7.6mm
工件材料：100Cr6，60HRc
切削速度：143m/min
进给量：0.15mm/rev
切削深度：0.15mm
冷却：是，但仅用于切屑抽离
性能判据：工具寿命
表16示出了与现有技术样品相比，样品65的性能提高。
表16.
实施例16
对于切削试验来说，在具有下列数据的车削作业中使用来自于表9的样品(实施例8中的涂层的H级)：
几何形状：DNGA150612S-01525-L1-B
应用：OD车削，直径45mm，长度26mm
工件材料：25MoCr4E，58-64HRc
切削速度：260m/min
进给量：0.15mm/rev
切削深度：0.2mm
冷却：否
性能判据：工具寿命
表17示出了与现有技术样品相比，样品65的性能提高。
表17.

Claims (19)

1.一种涂层切削工具，其包含主体(1)和所述主体上的硬质且耐磨的PVD涂层(4)，其中所述主体包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石或多晶立方氮化硼基材料，并且所述涂层包含第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层(2)和第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)，所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层是单层，并且所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层是层合结构，其特征在于所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层(2)包含(Ti1-xAlx)Nz层，其中0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且其中所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)包含(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1层，其中0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。
2.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述第一(Ti,Al)基氮化物的子涂层(2)具有0.1μm至2μm之间的厚度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)是由交替的A和B层构成的层合结构：A/B/A/B/A/B/…，其中层A是(Ti1-xAlx)Nz，0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且层B是(Ti1-x1-y1Alx1Cry1)Nz1，0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。
4.根据权利要求3所述的涂层切削工具，其中所述A和B层具有1nm至100nm之间的平均单层厚度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中0.15<x<0.35。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的涂层切削工具，其中0.55<x1<0.75。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的涂层切削工具，其中0.05≤y1<0.15。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的涂层切削工具，其中0.8<z1≤1.1。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述第二(Ti,Al)基氮化物的子涂层(3)具有0.5μm至10μm之间的厚度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述涂层切削工具包含最靠内的单层或层合层结构(5)，其布置在所述主体(1)上并与其相接触，并且包含下列组合物中的至少一种：TiN，TiC，Ti(C,N)或(Ti,Al)N。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述涂层切削工具包含最靠外的单层或层合层结构(6)，其布置在所述涂层(4)上，并且包含下列组合物中的至少一种：TiN，TiC，Ti(C,N)和(Ti,Al)N。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述涂层(4)以及任何最靠内的(5)或最靠外的(6)层结构的总厚度在0.8μm至15μm之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述涂层(4)，以及如果存在的话任何最靠内的(5)或最靠外的(6)层结构，的平均组成为55原子％<％Ti<62原子％，32原子％<％Al<40原子％，1原子％<％Cr<9原子％，％Ti+％Al+％Cr＝100原子％，其余为N。
14.根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具，其中所述主体(1)是包含WC和4-15重量％Co的硬质合金。
15.根据权利要求1-13中任一项所述的涂层切削工具，其中所述主体(1)是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的至少25体积％的立方氮化硼(cBN)，并且所述粘合剂包含选自下列元素中的一种或多种的至少一种氮化物、硼化物、氧化物、碳化物或碳氮化物化合物：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W和Al。
16.根据权利要求1-13中任一项所述的涂层切削工具，其中所述主体(1)是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的30体积％<cBN<75体积％，并且平均cBN晶粒度在0.5μm至10μm之间，所述粘合剂含有80重量％<Ti(C,N)<95重量％，并且所述粘合剂的其余部分包含来自下列元素中的两种或更多种的化合物：Ti，N，B，Ni，Cr，Mo，Nb，Fe，Al和O。
17.根据权利要求1-13中任一项所述的涂层切削工具，其中所述主体(1)是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的35体积％<cBN<75体积％，并且具有其中至少约50％的cBN晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的双峰cBN晶粒度分布，并且所述粘合剂含有至少一种包含Al的化合物和至少一种包含Ti的化合物。
18.根据权利要求1-13中任一项所述的涂层切削工具，其中所述主体(1)是多晶立方氮化硼(PCBN)，其包含在粘合剂中的30体积％<cBN<75体积％，并具有0.5μm至5μm之间的平均cBN晶粒度，所述粘合剂含有：80重量％<Ti(C,N)<90重量％；小于1重量％的含有一种或多种下列元素的合金：Ni，Co，Cr；小于10重量％的Mo；并且所述粘合剂的其余部分包含下列化合物中的至少一种：TiB2，Al2O3。
19.一种制造根据权利要求1-18中任一项所述的涂层切削工具的方法，所述方法通过应用物理气相沉积(PVD)技术、优选为阴极电弧蒸发来进行，所述方法包括：
-在沉积之前清洁所述主体，以及
-通过分别使用复合或合金的(Ti,Al)和(Ti,Al,Cr)阴极来生长(Ti,Al)N和(Ti,Al,Cr)N层，其中施加50A至200A之间的蒸发电流，使用总气体压力在1.0Pa至8.0Pa之间的包含纯N2或混合的N2与例如Ar气的反应气体气氛，施加20V至300V之间的负衬底偏压，并应用200℃至800℃之间、优选300℃至600℃之间的沉积温度。
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