CN113728125B - 涂覆的切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涂覆的切削工具，所述涂覆的切削工具包含具有涂层的基材，所述涂层包含氮化铝层，所述氮化铝层包含氮化铝相(P)，所述氮化铝相(P)显示如下电子衍射图案，其中在高达q＝8.16nm^‑1的散射矢量下，存在在所述立方和六方氮化铝衍射图案中发现的任一反射以外的至少一个附加反射(R)。

Description

涂覆的切削工具

本发明涉及一种涂覆的切削工具，所述涂覆的切削工具具有包含氮化铝层的涂层。

背景技术

一直期望改善用于金属机械加工的切削工具，使它们使用寿命更长，承受更高的切削速度和/或其它要求越来越高的切削操作。

通常，用于金属机械加工的切削工具包含：硬质材料如硬质合金、立方氮化硼或金属陶瓷的基材；和沉积在所述基材表面上的薄耐磨涂层。

理想情况下，涂层应具有高硬度，但同时具有足够的韧性，以便尽可能长时间地承受苛刻的切削条件。

理想情况下，用于金属切削工具的涂层还应具有尽可能低的热导率，因为这种性能与涂层的耐热性相关。

通过物理气相沉积(PVD)沉积的氮化铝涂层是熟知的。然而，氮化铝涂层的主要应用领域是在半导体行业，而仅已知有较少的在金属切削中作为耐磨涂层的应用。氮化铝的晶体结构为立方结构(闪锌矿结构或岩盐结构)和六方结构(纤锌矿结构)。

例如，在物理期刊(Zeitschrift für Physik)，22卷(1924年)，第201-214页中提供了立方氮化铝的参考晶体学数据。例如在应用物理期刊(Journal of AppliedPhysics)，73卷(1993年)，第8198-8200页中提供了六方氮化铝的参考晶体学数据。此外，在ICDD pdf-Nr.00-046-1200中发现关于立方氮化铝的来自粉末衍射分析的晶体学数据，并在ICDD pdf-Nr.00-025-1133中发现关于六方氮化铝的来自粉末衍射分析的晶体学数据。

立方氮化铝包含最大晶格面间距的晶格面之间的90°的角，并且六方氮化铝包含最大晶格面间距的晶格面之间的60°的角。

在通过PVD沉积的氮化铝中，通常会发现六方相。六方氮化铝的耐磨性不是很好，并且容易发生塑性变形，这也是它在金属切削中的应用受到限制的原因。以往作为切削工具用涂层的PVD沉积氮化铝的主要用途是作为最上层设置在某种其它耐磨层上以提供润滑。

本发明的目的是提供一种工具寿命改善了的涂覆的切削工具。

附图说明

图1显示了根据本发明的氮化铝层的X射线2θ衍射图。

图2显示了具有常规六方结构的氮化铝层的X射线2θ衍射图。

图3显示了根据本发明的氮化铝层和具有常规六方结构的氮化铝层的X射线chi扫描。

图4显示了氮化铝相(P)的电子衍射图像，其中将立方氮化铝衍射图案标记为黑斑。

图5显示了氮化铝相(P)的电子衍射图像，其中将六方氮化铝衍射图案标记为黑斑。

图6显示了氮化铝相(P)的电子衍射图像，其中在最内部衍射斑之间显示出角度。将六方氮化铝衍射图案标记为白斑。

图7显示了根据本发明的氮化铝层的暗场TEM图像。

图8显示了参考六方氮化铝涂层的裂纹扩展。

图9显示了根据本发明的氮化铝涂层的裂纹扩展。

发明内容

现在提供一种涂覆的切削工具，所述涂覆的切削工具包含具有涂层的基材，所述涂层包含氮化铝层，所述氮化铝层包含氮化铝相(P)，所述氮化铝相(P)显示如下电子衍射图案，其中在高达q＝8.16nm^-1的散射矢量下，存在在立方和六方氮化铝衍射图案中发现的任一反射以外的至少一个附加反射(R)。

由此，氮化铝层包含既非六方也非立方的至少一种氮化铝相。

在一个实施方式中，电子衍射图案中的氮化铝相(P)显示源自 之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)。

在一个实施方式中，在电子衍射图案中的氮化铝相(P)显示源自之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)。

在一个实施方式中，在电子衍射图案中的氮化铝相(P)显示源自之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)。

在一个实施方式中，在电子衍射图案中的氮化铝相(P)显示源自之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)和源自/> 之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)。

在一个实施方式中，在电子衍射图案中的氮化铝相(P)显示源自之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)、源自/>之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)和源自/>之间的晶格面间距的至少一个附加反射(R)。

在电子衍射分析中，源自氮化铝相(P)的图案在一个实施方式中与参考立方氮化铝衍射图案以及六方衍射图案存在不匹配。这种不匹配意味着，衍射斑的位置与立方或六方晶体结构的文献结构数据相比缺乏匹配。这由如下示出：对于特定的晶格间距，来自参考图案的一些衍射斑完全缺失，并且氮化铝相(P)的源自特定晶格间距的衍射斑之间的角度与参考图案中的该角度不同。

在一个实施方式中，在氮化铝相(P)中，存在具有相同晶格面间距(d)的晶格面，所述具有相同晶格面间距(d)的晶格面彼此之间的角度为40°～58°之间，优选46°～55°之间，最优选48°～52°之间。

在一个实施方式中，一个晶格面间距(d)对应于电子衍射图案中的最内部的斑。所述对应于电子衍射图案中最内部的斑的晶格面间距(d)合适地在之间。

在一个实施方式中，在氮化铝相(P)中缺失六方氮化铝的晶格面间距(110取向，pdf-Nr.00-025-1133)。

在一个实施方式中，在氮化铝相(P)中缺失立方氮化铝的晶格面间距(200取向，pdf-Nr.00-046-1200)。

在一个实施方式中，在氮化铝相(P)中缺失六方氮化铝的晶格面间距(110取向，pdf-Nr.00-025-1133)和立方氮化铝的晶格面间距/>(200取向，pdf-Nr.00-046-1200)。

氮化铝相(P)合适地包含之间、优选/>之间的晶格面间距，该晶格面间距合适地由位于氮化铝相(P)的37～39°之间的2θ处的XRD峰确定。

在一个实施方式中，氮化铝相(P)的具有之间、优选之间的晶格面间距的优选取向为相对于表面法线倾斜50°～70°，优选相对于表面法线倾斜55°～65°。

氮化铝相(P)合适地以畴的形式存在于氮化铝层中。

氮化铝相(P)的畴合适地存在于整个氮化铝层中。

氮化铝相(P)的畴的平均尺寸合适地为小于或等于优选小于或等于

氮化铝相(P)的畴的平均尺寸合适地为优选/>

氮化铝相(P)的畴之间的平均距离合适地为优选/> 最优选

在氮化铝层中，存在释放相干衍射信号的区域。这能够在暗场TEM中看到。这些区域合适地分布在整个氮化铝层中。释放相干衍射信号的区域的平均尺寸合适地为50～500nm，优选75～300nm。

在一个实施方式中，氮化铝层除了氮化铝相(P)之外还包含六方和/或立方结构、优选六方结构的相。

氮化铝层中氮化铝相(P)相对于氮化铝总量的量合适地为至少50体积％，优选至少75体积％，更优选至少90体积％。

在一个实施方式中，所述氮化铝层中氮化铝相(P)相对于氮化铝总量的量基本上为100体积％。

所述氮化铝层合适地具有≥2700HV、优选≥2800HV的维氏硬度。

所述氮化铝层合适地具有2700～3300HV或2800～3200HV的维氏硬度。

所述氮化铝层合适地具有≥380GPa、优选≥400GPa的折减杨氏模量。

所述氮化铝层合适地具有380～430GPa或400～425GPa的杨氏模量。

所述氮化铝层合适地具有≥42％、优选≥44％的塑性变形比率。高的塑性变形比率意味着更具延展性的层，即脆性低的层，并且这在金属切削操作中是有益的，因为它降低了对切削工具的涂层造成损坏的风险。

文献中氮化铝的热导率值变化很大，并且报道了最高达170W/mK的值。本发明的氮化铝层显示比较低的值，这在金属切削操作中是有益的。

氮化铝层合适地具有5～50W/mK、优选15～40W/mK的热导率。

对于切削工具上的耐磨涂层，低热导率有利于将切削过程中工具基材上的热负荷保持在尽可能低的水平。

在一个实施方式中，氮化铝层含有0.05～10原子％、优选0.1～5原子％、最优选0.8～2原子％的量的Ar。

氮化铝层的厚度合适地为0.3～20μm，优选0.5～10μm，最优选1～5μm。

在一个实施方式中，所述涂层在氮化铝层之下或之上包含一层或多层另外的金属氮化物和/或氧化物层。金属氮化物合适地为属于IUPAC元素周期表中第4～6族的一种或多种金属以及任选的Al和/或Si的一种或多种氮化物。这种金属氮化物的实例为TiN和(Ti,Al)N。氧化物的实例为氧化铝。

所述涂覆的切削工具的基材可以为用于金属机械加工的切削工具领域中常见的任何种类。所述基材合适地选自：硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷、PCD和HSS。

在一个优选实施方式中，所述基材为硬质合金。

所述涂覆的切削工具可以为涂覆的切削刀片，例如用于车削的涂覆的切削刀片或用于铣削的涂覆的切削刀片、或用于钻孔的涂覆的切削刀片、或用于螺纹加工的涂覆的切削刀片或用于分割和开槽的涂覆的切削刀片。涂覆的切削工具也可以为涂覆的整体刀具，例如整体钻头、立铣刀或丝锥。

氮化铝层合适地通过高功率脉冲磁控管溅射(HIPIMS)来沉积。

因此，在此进一步提供一种制造如本文所公开的涂覆的切削工具的方法，所述方法包括：提供基材；和以HIPIMS模式在>0.2kW/cm²、优选>0.4kW/cm²、最优选>0.7kW/cm²的峰值功率密度下，在>0.2A/cm²、优选>0.3A/cm²、最优选>0.4A/cm²的峰值电流密度下并且在≥1000V的最大峰值电压下沉积氮化铝层。

最大峰值电压合适地为1000～3000V，优选1500～2500V。

磁控管溅射期间的基材温度合适地为350～600℃或400～500℃。

HIPIMS工序中使用的DC偏置电压合适地为20～150V，优选30～100V。

HIPIMS工序中的平均功率密度合适地为20～100W·cm^-2，优选30～75W·cm^-2。

HIPIMS工序中使用的脉冲长度合适地为2μs～200ms，优选10μs～100ms，更优选20μs～20ms，最优选40μs～1ms。

方法

XRD-相分析：

通过掠入射模式(GIXRD)在来自Panalytical公司(Empyrean)的衍射仪上获得了关于相分析的X射线衍射图案。将具有线聚焦的CuKα辐射用于分析(高压40kV，电流40mA)。入射光束由2mm掩模和1/8°发散狭缝以及产生平行X射线束的X射线镜来限定。侧向发散由Soller狭缝(0.04°)控制。对于衍射光束路径，使用了0.18°平行板准直器和正比计数器(0D检测器)。在掠入射模式(Ω＝1°)下进行测量。在步长为0.03°并且计数时间为10秒的条件下2θ范围为约28°～45°。对于XRD线轮廓分析，使用与上述相同的参数进行参考测量(使用LaB6粉末)以校正仪器展宽。

使用布拉格(Bragg)定律nλ＝2dsinθ从反射的峰位置计算出晶格面间距(d)，即：

反射阶数(n)×波长(λ)＝2×晶格面间距(d)×Sinθ，

其中θ是由XRD中的峰位置(2Theta[θ])给出的，λ是从所使用的X射线波长(对于Cu)给出的，并且此处n＝1。

从使用XRD轮廓数据(峰宽)的Williamson-Hall方程，能够计算涂层中相的平均畴尺寸。

XRD-质构分析

为了分析涂层中的质构，使用了来自Seifert/GE(PTS 3003)的衍射仪(Chi-Scan)。使用具有多毛细管透镜(用于产生平行光束)的CuKα辐射进行分析(高压40kV，电流40mA)。入射光束由2mm的针孔限定。对于衍射的光束路径，使用了能量色散检测器(Meteor0D)。所述测量是通过在步长为1°并且计数时间为30秒的条件下通过将Chi轴从-89到89°倾斜来完成的。

TEM-分析

通过来自FEI的透射电子显微镜(FEI TITAN 80-300)获得了透射电子显微镜数据(选定区域的衍射图案和暗场图像)。对于分析，使用了300kV的高压。

当本文提及电子衍射实验时，这些是在平行照明下进行的TEM测量。目标区域是用选区光阑选择的。

对于TEM样品的制备，使用了FIB(聚焦离子束)载网(lift out)。对于最终的抛光，在5kV下将Ga离子束调整为200pA的电流。

垂直于涂层表面分析了涂层的横截面。

FIB-SEM分析

对于FIB横截面，使用FIB-SEM Crossbeam 540(制造商：蔡司公司)。对于横截面，应用如下参数(在Pt沉积之后)：粗切削30kV 30nA；细切削30kV 3nA；抛光：30kV 700pA。SEM图像通过SE2-和InLens-检测器在5kV高电压和300pA的电子束电流下获得。

维氏硬度：

维氏硬度是使用德国辛德尔芬根的Helmut Fischer公司的Picodentor HM500借助于纳米压痕(负载-深度图)测量的。对于测量和计算，应用了Oliver和Pharr评价算法，其中将根据维氏的金刚石试验体压入层中，并在测量期间记录力-路径曲线。使用的最大负载为15mN(HV 0.0015)，负载增加和负载减少的时间段分别为20秒并且保持时间(蠕变时间)为10秒。从该曲线计算硬度。

折减杨氏模量

利用关于确定维氏硬度所描述的纳米压痕(负载-深度图)确定了折减杨氏模量(折减弹性模量)。

塑性变形比率：

从如关于确定维氏硬度所述而获得的负载压痕曲线来估计数字。由加载和卸载曲线所包围的面积对应于塑性变形能。加载曲线下的面积给出了塑性和弹性变形能。然后能够计算出塑性变形能的量。

热导率：

使用具有如下特性的时间-畴-热反射比(TDTR)方法：

1.使用激光脉冲(泵)对样品进行局部加热。

2.根据热导率和热容量，热能从样品表面向基材转移。表面温度随时间降低。

3.被反射的激光部分取决于表面温度。将第二个激光脉冲(探测脉冲)用于测量表面的温度下降。

4.通过使用数学模型，能够计算热导率。参考(D.G.Cahill,科学仪器综述(Rev.Sci.Instr.)75,5119(2004))。

厚度：

通过半球帽研磨(calotte grinding)确定涂层的厚度。由此使用直径为30mm的钢球以研磨圆顶形凹陷，并进一步测量环的直径，由此计算层厚度。在距刀尖2000μm的距离处测量切削工具前刀面(RF)的层厚度，并在后刀面(FF)的中间对后刀面进行测量。

实例

实施例1(发明)：

在HTC1000 Hauzer设备中使用HIPIMS模式在镜面抛光的刀片的WC-Co基基材上沉积氮化铝膜。

所述基材的组成为10重量％的Co和余量的WC。切削刀片的几何形状为S15。

平均功率： 20kW

脉冲功率： 1.14MW

最大峰值电压： 2000V

脉冲电流： 600A

脉冲开启时间： 80μs

频率： 800Hz

温度： 450℃

靶的尺寸： 18×83cm

靶的材料： Al

总压力： 5.68×10^-3mbar

氩气流量： 500sccm

偏置电位： -80V(DC)

靶-基材的距离： 约20cm

沉积时间： 3小时

涂层厚度： 1μm，在平行于靶表面的2重旋转表面(后刀面) 上测量

实施例2(参考)：

在Oerlikon Balzers S3P Ingenia设备中使用HIPIMS模式在镜面抛光的刀片的WC-Co基基材上沉积另一个氮化铝膜。

所述基材的组成为10重量％的Co和余量的WC。切削刀片的几何形状为S15。

每个源的平均功率： 3.3kW

脉冲开启时间： 50ms

脉冲电流： 45A

频率： 6Hz

温度： 450℃

靶的尺寸：

靶的材料： Al(含Cr的刃)

总压力： 0.9Pa

氩气流量： 240sccm

偏置电位： -100V(双极)

靶-基材的距离： 约12cm

沉积时间： 90分钟

涂层厚度： 0.64 μm，在平行于靶表面的2重旋转表 面(后刀面)上测量

对来自实施例1和2的样品进行掠入射XRD(GIXRD)分析。将本发明涂层的XRD图案示于图1中并将比较的(六方)参考涂层的XRD图案示于图2中。

可以看出，本发明的涂层在35°～40°(2θ)之间显示宽峰，而比较的(六方)参考涂层在相同间隔内显示尖峰。

分别在图1和图2中，实线的XRD曲线为在约31.5°和36°2θ处具有源自WC的明显信号的原始衍射曲线。然而，在图1和2中约36°～37°2θ处作为肩峰观察到了源自氮化铝的信号。在图2中，在约38°2θ处还有一个尖锐的氮化铝峰。图1和2中的虚线是通过峰轮廓拟合从原始衍射曲线中提取的氮化铝的衍射曲线。

对在2θ为约37～38°处观察到的衍射峰的位置和宽度的详细分析给出了表1中所见的关于本发明涂层和参考六方氮化铝涂层的数据：

表1.

XRD峰的轮廓(宽度)受给出特定衍射的畴的平均尺寸影响。通过使用Williamson-Hall方程，能够计算相关长度(在此被认为与平均畴尺寸相同)。对于本发明的涂层，能够看出，在本发明的涂层中产生特定衍射的畴的尺寸远小于参考涂层中的这种畴。

由于所用X射线的波长为因此由XRD数据进行更详细的结构分析的可能性受到限制。此外，因为微晶结构非常精细，所以XRD不能用于确定晶格面之间的角度。

然而，从XRD分析能够得到关于氮化铝层生长方向的信息。在图3中，显示了根据约处的衍射信号进行的chi扫描。对于本发明的涂层，与六方参考涂层相比，晶格面(在约/>处)相对于表面法线的倾斜(作为平均值)更小。此外，使用高斯(Gaussian)轮廓对所述峰进行拟合。拟合的高斯轮廓的最大值的位置对应于相对于垂直平面的倾斜角，并且轮廓的变化对应于峰的半高全宽(FWHM)。

进一步对样品进行电子衍射分析。图4～6显示了从本发明的涂层获得的相同电子衍射图案。图4中包含的黑点对应于立方图案(来自文献)并且图5中的黑点对应于六方图案(来自文献)。

对于实验数据的评价，使用高达q＝8.16nm^-1的散射矢量。该矢量在衍射图中显示为图4和5中的虚线环。从电子衍射图像中可以看出，涂层的测量的衍射图案与立方AlN和六方AlN的理论衍射图案(分别为图4和5中的黑点)之间没有完美匹配。对于立方和六方晶体，它们各自具有许多源自其结构中的晶格面的特定反射，但是对于本发明的涂层，缺少这些反射中的一些。因此结论是，本发明的涂层的晶体对称性既不是立方的也不是六方的。

从电子衍射图案可以看出，存在源自至少三个d间距的反射(参见图4和5中的实线环)，它们与立方或六方结构中的任何d间距都不匹配。

在图6中，最内部的衍射斑之间的角度被标记并测量为48°。

即使使用畸变的晶胞(角度变化±5°；晶胞参数变化)，也无法对用于拟合立方或六方氮化铝衍射图案的氮化铝相(P)而获得的衍射图案进行索引。结论是，该氮化铝相(P)不是畸变的立方或六方结构，而是自身独特的结构。

通过使用扫描电子显微镜(SEM)，能够检测μm范围内的微晶尺寸。然而，TEM DF图像显示，存在区域形式的子结构，对衍射信号有相干贡献，每个子结构的尺寸为从约10nm到约数百nm(平均为约50～200nm)。在这种区域内还看到了具有相同晶体取向的更小的畴结构，并且它们的尺寸在2～10nm的范围内。这些具有相同晶体取向的畴结构之间的距离似乎在相同的范围内、即2～10nm。在图7中看到了根据本发明的氮化铝层的暗场TEM图像的实例。

对涂覆的工具的后刀面进行硬度测量(负载15mN)以确定维氏硬度、折减杨氏模量(EIT)和塑性变形比率(n pl)。表2显示了结果。为了表征涂层的韧性(杨氏模量)，在500mN负载下进行了维氏压痕并制备了横截面。

表2.

从SEM照片可以得出结论，六方氮化铝参考涂层的裂纹扩展的特征在于直裂纹直接穿过涂层而向下延伸到基材。根据本发明的涂层的裂纹扩展的特征在于裂纹未到达基材并且还发生偏离。参见图8关于六方参考涂层的所得裂纹状态并且参见图9关于根据本发明的涂层的所得裂纹状态。

最后，对于根据本发明的涂层，确定热导率在26±3W/mK的范围内。

Claims (16)

1.一种涂覆的切削工具，所述涂覆的切削工具包含具有涂层的基材，所述涂层包含氮化铝层，所述氮化铝层包含氮化铝相，所述氮化铝相显示如下电子衍射图案，其中在高达q＝8.16nm^-1的散射矢量下，存在在立方和六方氮化铝衍射图案中发现的任一反射以外的至少一个附加反射，

其中所述氮化铝相在所述氮化铝层中以畴的形式存在，所述畴的平均尺寸为小于或等于

其中所述氮化铝层具有≥2700HV的维氏硬度，

其中所述氮化铝层具有≥380GPa的折减杨氏模量，且

其中所述氮化铝相包含之间的晶格面间距。

2.根据权利要求1所述的涂覆的切削工具，其中一个附加反射源自之间的晶格面间距。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中一个附加反射源自之间的晶格面间距。

4.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中一个附加反射源自之间的晶格面间距。

5.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中在所述氮化铝相中，存在具有相同晶格面间距的晶格面，所述具有相同晶格面间距的晶格面彼此之间的角度为40°～58°之间。

6.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中在所述氮化铝相中，存在具有相同晶格面间距的晶格面，所述具有相同晶格面间距的晶格面彼此之间的角度为46°～55°之间。

7.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中在所述氮化铝相中，存在具有相同晶格面间距的晶格面，所述具有相同晶格面间距的晶格面彼此之间的角度为48°～52°之间。

8.根据权利要求5所述的涂覆的切削工具，其中一个晶格面间距对应于所述电子衍射图案中的最内部的斑。

9.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中

在所述氮化铝相中缺失六方氮化铝的晶格面间距和/或在所述氮化铝相中缺失立方氮化铝的晶格面间距/>

10.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中所述氮化铝相具有的之间的晶格面间距的取向为相对于表面法线倾斜50°～70°。

11.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中所述氮化铝层具有≥42％的塑性变形比率。

12.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中所述氮化铝层的厚度为0.5～10μm。

13.根据权利要求1～2中任一项所述的涂覆的切削工具，其中所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷、PCD和HSS。

14.一种制造根据权利要求1～13中任一项所述的涂覆的切削工具的方法，包括：

提供基材；和

以HIPIMS模式在>0.2kW/cm²的峰值功率密度下，在>0.2A/cm²的峰值电流密度下，并且在1500～3000V的最大峰值电压下沉积氮化铝层，且其中HIPIMS工序中所用的脉冲长度为40μs～1ms。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述峰值功率密度>0.4kW/cm²，且所述峰值电流密度>0.3A/cm²。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述峰值功率密度>0.7kW/cm²，且所述峰值电流密度>0.4A/cm²。