CN115038811A

CN115038811A - 涂层切削工具

Info

Publication number: CN115038811A
Application number: CN202180012127.3A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·比约恩曼德
Original assignee: Sandvik Coromant AB
Current assignee: Sandvik Coromant AB
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-09
Also published as: EP3872222B1; WO2021170824A1; KR20220147589A; US20230093032A1; EP3872222A1; JP2023515102A; BR112022014881A2

Abstract

本发明涉及一种用于金属机械加工的涂层切削工具(1)，所述涂层切削工具(1)具有硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体(5)和沉积在其上的耐磨涂层(6)，所述涂层(6)包含Ti_1‑ _xAl_xC_yN_z层，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15；以及存在于所述Ti_1‑xAl_xC_yN_z层(8)上的MeC_aN_b部分(9)，0≤a≤1、0≤b≤1、a+b＝1，所述MeC_aN_b部分(9)覆盖所述Ti_1‑xAl_xC_yN_z层(8)的5％至28％。本发明还涉及所述涂层切削工具的制造方法以及所述涂层切削工具在不锈钢的机械加工中的用途。

Description

涂层切削工具

本发明涉及一种用于金属机械加工的涂层切削工具，所述涂层切削工具具有基体和沉积在其上的耐磨涂层，所述耐磨涂层包含Ti_1-xAl_xC_yN_z层，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15。本发明还涉及所述涂层切削工具的制造方法以及所述涂层切削工具在不锈钢的机械加工中的用途。

背景技术

切屑形成金属的机械加工用的工具通常由具有单层或多层耐磨涂层的硬质合金的基体、也称为基材组成，所述耐磨涂层用于改善切削性质和/或磨损性质。这样的耐磨涂层的一个重要类别包含一层或多层的一种或多种金属的氮化物或碳氮化物。重要的实例是Ti和Al的氮化物和碳氮化物，特别是(Ti,Al)N。

上述类型的涂层通常是通过CVD工艺(化学气相沉积)或通过PVD工艺(物理气相沉积)而沉积的。

US 2018/0216224 A涉及了这个问题并公开了一种在硬质合金基材上具有通过CVD工艺沉积的(Ti,Al)N涂层的涂层切削工具。其中公开了通过退火程序在(Ti,Al)N的晶界中形成的w-AlN六方相，其将压应力赋予到所述涂层中。

在机械加工不锈钢时，粘着磨损是一种重要的磨损机制，尤其是在铣削操作中更是如此。粘着磨损或涂污(smearing)的特征是在粘性材料如不锈钢的切削工序期间，工件材料涂抹并粘附在切削刃上，生成可能形成所谓的积屑瘤(built-up edge)的材料层。涂层的剥落是与粘着磨损有关的常见问题。

因此，在对涂污性工件材料如不锈钢进行铣削时，需要改善(Ti,Al)N涂层工具的性能。

发明目的

本发明的目的是提供一种用于涂污性工件材料如不锈钢的金属机械加工、特别是铣削的涂层切削工具，其中所述涂层表现出高的抗剥落性和长的工具寿命。

发明内容

本发明的目的通过一种具有前刀面、后刀面和介于之间的切削刃的涂层切削工具来解决，所述涂层切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体以及总厚度为2至20μm的涂层，所述涂层包含厚度为1至18μm的Ti_1-xAl_xC_yN_z层，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层包含具有晶界并且为柱状结构的微晶，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z包含≥85体积％面心立方(fcc)晶体结构，以及在前刀面上，存在于所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z层上的MeC_aN_b部分，其中0≤a≤1、0≤b≤1、a+b＝1，其中所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层与所述MeC_aN_b部分一起形成所述涂层的最外面部分，Me是Ti和/或Zr，其中所述MeC_aN_b部分在前刀面上距离所述切削刃200至400μm的区域中覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的5％至28％，所述MeC_aN_b部分分布在所述区域上。

在一个优选实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层是CVD层，即，它是通过化学气相沉积(CVD)工艺沉积的。

在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1- _oAl_oC_pN_q析出物，所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Al含量高于所述微晶内部，其中0.95≤o≤1.00、0≤p≤0.10、0.85≤q≤1.15且(o-x)≥0.05。优选地，0.95≤o≤1.00、p＝0、q＝1且0.05≤(o-x)≤0.25。

在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层在所述层的最上面0.3μm部分中在Ti_1- _xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层在所述层的最上面0.8μm部分中在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层在整个层中在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层主要具有面心立方(fcc)晶体结构。然而，所述层中可以存在较软的其它相例如六方AlN的部分，但是不希望它们与fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z结构通过共沉积一起形成，因为它们不利地影响硬度和耐磨性。

因此，本发明涂层(整个层，包括晶界处Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的体积部分，如果其存在的话)中的Ti_1-xAl_xC_yN_z层包含≥85体积％、合适地≥90体积％、优选地≥95体积％、特别优选地≥98体积％的面心立方(fcc)晶体结构。

在一个实施方式中，在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物(Al含量高于所述微晶内部)包含具有六方纤锌矿晶体结构的AlN(w-AlN)，优选在所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物(Al含量高于所述微晶内部)基本上包含具有六方纤锌矿晶体结构的AlN(w-AlN)。所述析出物可以含有低比例的Ti和C。假定在从具有面心立方晶体结构的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶生成所述析出物期间，发生了向六方相的相转变。因为六方w-AlN相的体积比面心立方相大，所述转变显然伴随着体积的扩大。因此进一步假定在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的这种体积扩大导致所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中残余压应力的增加。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z合适地具有的化学计量系数为0.60≤x≤0.90、y＝0且0.85≤z≤1.15，优选地0.70≤x≤0.90、y＝0且0.85≤z≤1.15。在这些实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层除了不可避免的杂质和/或制造时引入的杂质外，基本上不含碳化物碳(carbidecarbon)，并且基本上是纯氮化物层。对于Ti_1-xAl_xC_yN_z层，必须考虑到仅有有限量的碳溶解在所述立方相的晶格中，而过量的碳可能以无定形形式存在，这可能导致所述层的硬度降低并导致不利的摩擦学性质，后者可能对工具的使用寿命具有不利的影响。

在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层具有片层结构，所述片层结构具有厚度不大于150nm、优选不大于100nm、特别优选不大于50nm的多个片层，其中所述多个片层由交替地具有不同的Ti和Al化学计量含量并且具有相同晶体结构(＝结晶相)和/或相同结晶取向的Ti_1-xAl_xC_yN_z层的周期性交替区域形成。

所述MeC_aN_b部分在前刀面上距离所述切削刃200至400μm的区域中覆盖所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z层的5％至28％。因此，在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层上应保留MeC_aN_b部分。所述MeC_aN_b部分对所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的具体覆盖率百分比通过强喷砂操作来提供，但必须加以控制。如果除去的MeC_aN_b过多，则工具寿命显著下降。另一方面，如果除去的MeC_aN_b过少，则工具寿命也相当差。

适当地，所述MeC_aN_b部分在前刀面上距离所述切削刃200至400μm的区域中覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的6％至26％、优选7％至24％、最优选8％至22％，所述MeC_aN_b部分分布在所述区域上。

所述MeC_aN_b部分对所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的覆盖适合通过对放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像的至少约25μm×15μm区域进行图像分析来确定。

在前刀面上所述MeC_aN_b部分适合以这样一种方式分布在前刀面上距离切削刃200至400μm的区域中：如果将2.5μm×2.5μm正方形的网格放在放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像上，则>75％、优选>90％的所述2.5μm×2.5μm正方形显示MeC_aN_b和Ti_1- _xAl_xC_yN_z二者，所述正方形的数量为至少60。

在MeC_aN_b中，Me是Ti和/或Zr。如果MeC_aN_b含有Ti和Zr二者，则它们可按任何原子比存在。适当地，Me是Ti或Zr。在MeC_aN_b中，适当地，0≤a≤0.5、0.5≤b≤1，优选地，0≤a≤0.1、0.9≤b≤1。在一个优选实施方式中，MeC_aN_b是TiN。

所述涂层切削工具在其制造期间经受了强喷砂，从而提供了光滑的表面。在一个实施方式中，前刀面上所述涂层的表面粗糙度Ra为20至60nm，优选30至50nm。表面粗糙度是在距离切削刃200至400μm的区域内测量的。

由于Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶上部的优选带小面的形状，因此Ti_1-xAl_xC_yN_z层在沉积之后的上表面适合是不平整的。所述MeC_aN_b部分是在制造过程中在喷砂程序后剩余的部分，其中沉积在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层上的MeC_aN_b层在很大程度上被去除了。Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶上部的带小面的形状将导致所述MeC_aN_b部分在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界上的优选位置。因此，在本发明的一个实施方式中，MeC_aN_b位于所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的至少部分晶界上。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶Ti_1-xAl_xC_yN_z的晶粒尺寸在本文中被定义为在所述层的中部的柱状Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的平均宽度。在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z的晶粒尺寸为0.2至0.8μm，优选0.3至0.6μm。

在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物占据了Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的体积。在其晶界处具有Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离适合为4至200nm、优选10至100nm、最优选25至75nm。所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物可以被视为晶界相，并且所述在其晶界处具有Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离也可以被视为所述晶界相的厚度。如果所述在其晶界处具有Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离过低，则所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中残余压应力的增加可能太低而无法实现本文所述的改善耐磨性和抗裂性的优点。如果所述在其晶界处具有Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离过高，则析出物的总量高。因为所述析出物适当地含有高比例的六方w-AlN，其比面心立方Ti_1-xAl_xC_yN_z软，所以过高比例的析出物导致所述层的硬度不利地降低并损害切削性质。

例如，在所述涂层的足够薄的电子透明的抛光横截面上、优选通过由聚焦离子束(FIB)制备的样品上，可以在扫描透射电子显微镜(STEM)中显示出所述析出物，并且Ti_1- _xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离可以使用所述STEM图像确定。优选地，使用HAADF检测器(高角环形暗场检测器(High Angle Annular Dark Field detector))，并在BF(明场)图像和HAADF图像的反转对比(inverse contrast)中使所述析出物可见。从而，在BF图像中，Al含量比微晶内部高的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物显得比Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶更亮，而在HAADF图像中，Ti_1- _oAl_oC_pN_q析出物显得比Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶更暗。

在合适的样品厚度和Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶相对于电子束的取向下，通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)可以获得图像，从所述图像可以通过傅里叶变换得到来自Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶以及来自晶界处Ti_1-oAl_oC_pN_q分泌区域的衍射图像。通过对所述衍射图像的指标化(indexing)，可以表明Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶中存在面心立方(fcc)相。此外，当所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物包含w-AlN结构时，通过对所述衍射图像的指标化可以表明，Ti_1-oAl_oC_pN_q晶界析出物的晶畴确实具有w-AlN结构，并且在fcc Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶与w-AlN析出物之间存在外延关系。

在一个替代方式中，可以在扫描电子显微镜(SEM)中看到嵌埋的金相抛光横截面中或与表面平行抛光的样品中的析出物。由此，人们利用了在随后描述的制备过程的最终抛光步骤中w-AlN与立方相区域相比蚀刻得更强烈的效果。由于本发明的析出物含有高比例的六方w-AlN，它们在所制备的抛光横截面中清晰可见。

例如，对用于所述分析的抛光横截面的样品制备而言，将所制造的工具分离，嵌埋在例如酚醛树脂中，然后按以下方式处理：使用砂轮Struers Piano220和水磨削6分钟；使用Struers 9μm MD-Largo金刚石悬浮液抛光3分钟；使用Struers 3μm MD-Dac金刚石悬浮液抛光3分40秒；使用Struers 1μm MD-Nap金刚石悬浮液抛光2分钟；使用Struers OP-S(平均粒度为0.04μm的胶体二氧化硅悬浮液)化学抛光至少12分钟。然后将样品在超声波浴中清洁并消磁，之后进行随后的SEM检查。在如此产生的抛光横截面上，在FE-SEM中对Ti_1- _xAl_xC_yN_z层进行成像，所述FE-SEM使用二次电子检测器，加速电压为2.5kV，并且典型工作距离为3-10mm。由此，在所述样品的抛光横截面中观察到Ti_1-xAl_xC_yN_z层的柱状结构，该结构在未退火条件下具有约100％的面心立方(fcc)结构。所述晶界处的析出物在上述制备中在最后化学抛光步骤中比所述微晶蚀刻得更强烈，由于形貌和原子序数反差可以被鉴定为较暗的区域。所述微晶基本上含有100％面心立方相，而通过退火形成的w-AlN相部分则包含在Ti_1-oAl_oC_pN_q晶界析出物中，由此推测Ti_1-oAl_oC_pN_q晶界析出物主要由w-AlN组成。所述Ti_1- _oAl_oC_pN_q晶界析出物的宽度的确定和所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中fcc相的最小含量的确定通常可以通过测量如此生成的图像或通过应用已建立的图像分析程序在所述图像上进行。

在一个实施方式中，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的残余压应力适合在<0MPa至-5000MPa范围内、优选在-300MPa至-3500MPa范围内，这是通过sin²ψ方法对fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z相的≈81.5-82 2θ度数处的(222)反射测得的。

通过所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中的残余压应力，改善了所述工具对裂纹形成、尤其是梳状裂纹形成的抗性，从而改善了耐磨性。然而，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中的残余压应力过高可能导致所述层的粘附问题和崩裂(chipping)。

在一个实施方式中，在基体上直接设有厚度为0.05μm至2μm、优选0.1μm至1μm的其它层，所述其它层是金属氮化物或金属碳氮化物层，Me是属于元素周期表第4族的元素，优选TiN层或Ti(C,N)层。该其它层适当地具有改善基体与之上的层之间的粘附性的功能。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层适当地具有1至15μm、优选3至12μm、最优选5至10μm的厚度。

所述涂层的总厚度适当地为2至16μm，优选5至12μm。

所述基体优选地是硬质合金基体。

所述硬质合金适当地包含5至15重量％的Co，任选的至多10重量％的一种或多种元素周期表中第4、5和6族金属的碳化物或碳氮化物，以及75至95重量％的WC。在一个实施方式中，所述硬质合金的组成为5至15重量％的Co，任选的至多10重量％的一种或多种元素周期表中第4、5和6族金属的碳化物或碳氮化物，以及余量的WC。所述任选的碳化物或碳氮化物中的元素周期表中第4、5和6族金属适当地属于Ti、Ta、Nb、V、Zr、Cr和Mo的组，另外，W也可以存在于所述碳化物或碳氮化物中。

所述涂层切削工具适当地是铣削刀片或车削刀片、钻头或立铣刀。优选地，所述涂层切削工具是铣削刀片。

本发明还涉及本文所述的具有前刀面、后刀面和介于之间的切削刃的涂层切削工具的制造方法，所述涂层切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体以及2至20μm厚的涂层，所述涂层包含1至18μm厚的Ti_1-xAl_xC_yN_z层，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层包含具有晶界并且为柱状结构的微晶，所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z包含≥85体积％面心立方(fcc)晶体结构，其中所述方法包括按以下顺序的以下步骤：

-通过CVD工艺提供所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层，

-通过CVD工艺直接在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层上提供MeC_aN_b层，0≤a≤1、0≤b≤1、a+b＝1，Me是Ti和/或Zr，

-对所述涂层的表面进行喷砂，直至在前刀面上距离切削刃200至400μm的区域中剩余的MeC_aN_b部分覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的5％至28％，所述MeC_aN_b部分分布在所述区域上。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的沉积适当地在625℃至800℃范围内的工艺温度下进行。

在一个实施方式中，所述方法包括，在喷砂步骤之前，使所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层在700℃–950℃范围内的温度下分别在排除空气或氧气下进行持续时间为0.5至12小时的退火，其中所述条件是以下述方式来选择的：在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处产生Ti_1- _oAl_oC_pN_q析出物，所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物具有比所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶内部更高的Al含量，其中0.95≤o≤1.00，0≤p≤0.10、0.85≤q≤1.15且(o-x)≥0.05。适当地，所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物至少在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的最上面0.3μm部分中、优选至少在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的最上面0.8μm部分中、最优选在整个Ti_1-xAl_xC_yN_z层中的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处产生。

在一个实施方式中，为了沉积所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层，所述CVD工艺包括使用在反应区反应的TiCl₄、AlCl₃、H₂和NH₃作为前体。在一个优选实施方式中，存在包含TiCl₄、AlCl₃和H₂的第一前体气体混合物，以及包含H₂和NH₃的第二前体气体混合物。所述第一和第二前体气体混合物在进入反应区的入口处掺合。

优选地，用于沉积所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的CVD工艺是LP-CVD工艺(低压CVD工艺)，其在CVD反应器内在0.05至8kPa、优选0.1至7kPa、特别优选0.3至2kPa的工艺压力下进行。在更高的工艺压力下，通常不会获得具有面心立方和柱状结构的Ti_1-xAl_xC_yN_z层，而是获得具有可观比例的w-AlN的层。更低的工艺压力需要明显更高的技术努力来产生真空，此外，在更低压力下的涂覆工艺具有更低的布散能力(throwing power)，该能力使涂层厚度均匀分布在形状复杂的部件上。

在一个实施方式中，为了沉积所述MeC_aN_b层，所述CVD工艺包括使用MeCl₄、H₂以及选自氮源和碳源中的一者或二者作为前体。氮源优选是N₂、或N₂和NH₃。碳源优选是CH₃CN。Me是Ti和/或Zr。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层的退火适当地在750℃至900℃、优选800℃至850℃的温度下进行。

所述退火的持续时间适当地为1至6小时。

所述退火优选在沉积所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层之后立即在同一反应器中进行。这是为了避免冷却裂纹，否则如果在沉积MeC_aN_b之前冷却所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层的话，可能出现冷却裂纹。

在一个实施方式中，在沉积所述MeC_aN_b层之前、期间和之后均进行所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层的退火。

在所述方法的一个优选实施方式中，以下述方式选择退火期间的温度和持续时间条件：在退火之后在Ti_1-xAl_xC_yN_z层中产生Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物后，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中面心立方(fcc)晶体结构的剩余含量为≥85体积％、优选≥90体积％、更优选≥95体积％、特别优选≥98体积％。

必要的工艺条件还有在退火期间排除空气或氧气，因为否则所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层可能被氧化。例如，所述方法可以在真空或保护气体气氛如氩气、氢气或氮气下进行。

优选地，对所述涂层的表面进行喷砂，直至在前刀面上距离切削刃200至400μm的区域中剩余的MeC_aN_b部分覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的6％至26％、优选7％至24％、最优选8％至22％，所述MeC_aN_b部分分布在所述区域上。

在MeC_aN_b中，Me是Ti和/或Zr。如果MeC_aN_b含有Ti和Zr二者，则它们可按任何原子比存在。适当地，Me是Ti或Zr。在MeC_aN_b中，适当地0≤a≤0.5、0.5≤b≤1，优选地0≤a≤0.1、0.9≤b≤1。在一个优选实施方式中，MeC_aN_b是TiN。

在一个实施方式中，在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物包含具有六方纤锌矿晶体结构的AlN(w-AlN)。

在一个实施方式中，通过CVD工艺直接在基体上提供厚度为0.05μm至2μm、优选0.1μm至1μm的其它层，所述其它层是金属氮化物或金属碳氮化物层，Me是属于元素周期表第4族的元素，优选TiN层或Ti(C,N)层。为了沉积该其它层，所述CVD工艺包括使用MeCl₄、H₂以及选自氮源和碳源中的一者或二者作为前体。氮源优选是N₂。碳源优选是CH₄或CH₃CN。Me优选是Ti和/或Zr，最优选Ti。

优选地，所述涂层表面的喷砂通过湿式喷砂进行。

“湿式喷砂”在本文中是指使用的介质在形成浆料的液体中包含磨料粒子例如氧化铝粒子的喷砂工艺，其中材料通常被去除到一定程度，导致涂层的表面更光滑。一些残余压应力也被引入涂层中。

湿式喷砂使用喷砂枪，浆料从喷砂枪的喷嘴喷出。在一个实施方式中，湿式喷砂使用在喷嘴出口处1.8至3.5巴、优选2.0至3巴的喷砂压力进行。

在一个实施方式中，浆料中氧化铝粒子的浓度为10至25体积％，优选15至20体积％。

对于例如喷砂中使用的磨粒，有一个众所周知的标准——FEPA(欧洲磨料生产商联合会(Federation of European Producers of Abrasives))来定义粒度。用于湿式喷砂的氧化铝粒子适当地属于FEPA代号F120至F240(即平均磨料粒度为约44至约109μm)、优选F150至F230(即平均磨料粒度为约36至约82μm)中的一种或多种。选择合适的磨料粒度以在MeC_aN_b覆盖率方面获得期望的结果。

在一个实施方式中，湿式喷砂以与所述涂层切削工具表面的角度为40°至90°、优选50°至90°、最优选80°至90°的喷砂方向进行。

在一个实施方式中，喷砂枪喷嘴与所述涂层切削工具表面之间的距离为75至200mm，优选100至150mm。

期望的喷砂时间取决于所有其它喷砂参数，即喷砂压力、氧化铝粒子浓度、喷砂枪喷嘴与涂层切削工具表面之间的距离、以及喷砂角度。

喷砂时间适当地为1至80分钟，优选1.5至60分钟。这些时间范围适用于在喷砂前将刀片、通常约200-400个刀片一起放在支撑网上的喷砂工序。因此，单个刀片的喷砂时间为约0.5至30秒，优选约1至20秒。

在一个实施方式中，当使用大喷砂角、即80°至90°之间时，湿式喷砂的喷砂时间适当地为10至80分钟，优选20至60分钟。这些时间范围适用于在喷砂前将刀片、通常约200-400个刀片一起放在支撑网上的喷砂工序。因此，单个刀片的喷砂时间为约2至10秒。

在一个实施方式中，当使用小喷砂角、即45至70°之间时，湿式喷砂的喷砂时间适当地为1至10分钟，优选2至5分钟。这些时间范围适用于在喷砂前将刀片、通常约200-400个刀片一起放在支撑网上的喷砂工序。因此，单个刀片的喷砂时间为约0.2至2秒。

喷砂的目的既为了使涂层表面光滑也为了去除MeC_aN_b，直到剩余的MeC_aN_b部分仅覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的小部分。如果喷砂后剩余的MeC_aN_b过多，则工具寿命达不到其最佳水平。另一方面，如果喷砂后剩余的MeC_aN_b过少，则会负面影响工具寿命。

最后，本发明还涉及如本文所述的涂层切削工具在不锈钢的机械加工中的用途。

方法

扫描电子显微镜(SEM)：

对于扫描电子显微镜图像，使用来自卡尔蔡司公司的具有场发射阴极(cathode)的Supra 40电子显微镜。寻找和表征晶界析出物的成像条件如上所述。所述MeC_aN_b部分对所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的覆盖适合通过对放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像的至少25μm×15μm区域进行图像分析来确定。

在本文的实例中，使用放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像的约25μm×18μm区域。

用于图像分析的软件是“ImageJ”。在图像分析中，在MeC_aN_b的区域和Ti_1-xAl_xC_yN_z的区域之间提供足够的对比度，如黑色和白色。然后可以确定相应区域的量。

所述MeC_aN_b部分在前刀面上距离切削刃200至400μm的区域上的分布通过将3μm×3μm正方形的网格放在电子图像或打印图像形式的放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像上来进行。确定既包含MeC_aN_b区域又包含Ti_1-xAl_xC_yN_z区域的正方形数量。至少调查70个正方形。非常小的MeC_aN_b的区域、即图像中最大宽度小于0.1μm的MeC_aN_b，被认为是无意义的，因此忽略不计。确定既包含MeC_aN_b区域又包含Ti_1-xAl_xC_yN_z区域的正方形在所有正方形中的百分比。

残余应力测量：

为了分析残余应力，可以根据sin²ψ方法，使用适合于此目的的衍射计，应用从-60°到+60°(增量5°)的25ψ角，来测量所述面心立方Ti_1-xAl_xC_yN_z层的{222}干涉。在背景减除、洛伦兹偏振校正和Kα₂减除(Rachinger分离)后，通过对测量数据拟合轮廓函数来确定干涉线的位置。应用的弹性常数是1/2s₂＝1.93TPa^-1和s₁＝-0.18TPa^-1。

Ti_1-xAl_xC_yN_z层中片层结构的表征

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层中片层结构存在的确认和表征可以通过X射线衍射(XRD)以及通过常规和高分辨率透射电子显微镜(TEM和HR-TEM)进行，例如，如J.Keckes等，“多晶TiAlN薄膜中的自组织周期性软-硬纳米片层(Self-organized periodic soft-hardnano-lamellae in polycrystalline TiAlN thin films)”，固体薄膜(Thin SolidFilms)545(2013)，29-32页中所描述。

表面粗糙度：

表面粗糙度是根据ISO 4287:1997的算术平均偏差，Ra。

附图说明

图1显示了作为铣削刀片的涂层切削工具的一个实施方式。

图2显示了本发明的涂层切削工具的一个实施方式的横截面示意图。

图3显示了具有TiN上层的TiAlN涂层的横截面SEM图像。

图4显示了本发明一个实施方式的涂层的横截面SEM图像。

图5显示了本发明一个实施方式的涂层切削工具的顶视SEM图像，显示了表面上的TiN部分。

图6显示了本发明一个实施方式的涂层切削工具的经过图像处理的顶视SEM图像，显示了表面上的TiN部分。

图7显示了与图6中相同的经过图像处理的SEM图像，在图像上放置了约2.5μm×2.5μm正方形的网格，以确定TiN部分在表面上的分布。

附图详细描述

图1显示了具有前刀面(2)和后刀面(3)和切削刃(4)的切削工具(1)的一个实施方式的示意图。在该实施方式中，切削工具(1)是铣削刀片。

图2示意性地显示了本发明的一个实施方式的具有基体(5)和涂层(6)的涂层切削工具(1)的横截面。涂层(6)由最靠近基体(5)的TiN层(7)和随后的TiAlN层(8)组成。后处理之后，在TiAlN层(8)上保留了TiN部分(9)。

图3显示的SEM图像是具有沉积的TiN上层(9)的TiAlN涂层(8)的横截面。没有对所述涂层进行后处理。

图4显示的SEM图像是本发明一个实施方式的涂层的横截面。在硬质合金基体(5)上存在TiN层(7)，然后是TiAlN层(8)。所述涂层的表面经过后处理，因此是基本平滑的，特别是TiAlN微晶的顶部小面已经磨平。TiN部分(9)以特定程度特别是在TiAlN微晶的晶界上存在。

图5显示了本发明一个实施方式的放大5000倍的SEM图像，显示了约18μm×25μm的区域。在TiAlN层(8)上看到TiN部分(9)。TiN部分(9)在图像上比暴露的TiAlN(8)更亮。

图6显示了本发明一个实施方式的放大5000倍的SEM图像，显示了约18μm×25μm的区域。所述SEM图像经过图像处理，以便能够在图像分析中将TiN区域与TiAlN区域分开。在呈黑色的TiAlN层(8)上看到呈白色的TiN部分(8)。TiN在TiAlN上的覆盖率为约9％。

图7显示了与图6中相同的经过图像处理的SEM图像，在图像上放置了约2.5μm×2.5μm正方形的网格以确定TiN部分(9)的分布。正方形的总数为60。

实施例

实施例1：

作为这些实施例中的基体，使用几何形状为R390-11 M-MM的硬质合金切削刀片(铣削刀片)，所述刀片的组成为90.5重量％WC、8重量％Co和1.5重量％(NbC+TaC)。

图1显示了作为铣削刀片的涂层切削工具(1)的一个实施方式。切削工具(1)具有前刀面(2)、后刀面(3)和介于之间的切削刃(4)。

为了所述硬质合金可转位切削刀片的涂层，使用Bernex BPX325S型CVD涂层反应器，反应器高度为1250mm、反应器直径为325mm、填充布置(charge arrangement)的体积为40升。气体流动相对于所述反应器的纵轴呈径向。

为了粘附Ti_1-xAl_xC_yN_z层，首先通过CVD在表1所示的沉积条件下直接在所述硬质合金基体上沉积约0.3μm厚的TiN层：

表1：

为了制备Ti_1-xAl_xC_yN_z层，将含有起始化合物TiCl₄和AlCl₃的第一前体气体混合物(VG1)以及含有起始组分NH₃作为反应性氮组分的第二前体气体混合物(VG2)分别引入所述反应器中，使得这两种气体流在进入反应区时或其之后发生掺合。所述前体气体混合物(VG1)和(VG2)的气体流体积以达到所述反应气体在所述反应器中的平均保留时间和在标准条件下的气体流总体积的方式进行设置。制备所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的参数如表2所示。所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的厚度为约8μm。

表2.

之后，将制备的切削刀片在表3所示的条件下进行一段时间的热处理。

表3.

时间[小时]	温度[℃]	气氛
			3小时15分钟	850℃	真空

在该热处理时间段期间，沉积了0.3μm的TiN顶层。制备该TiN层的工艺参数如表4所示。因此，在3小时15分钟的热处理中，有45分钟的TiN沉积期。

表4：

为了表征Ti_1-xAl_xC_yN_z层，应用了X射线衍射(XRD)、电子衍射(尤其是EBSD)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)和透射电子显微镜(TEM)。

在沉积的Ti_1-xAl_xC_yN_z中，x＝0.80、y＝0且z＝1。

所述Ti_1-xAl_xC_yN_z的平均晶粒尺寸被确定为0.4μm。所述晶粒尺寸通过在层的中间画一条线、测量每个Ti_1-xAl_xC_yN_z柱状微晶的宽度、并计算平均值来确定。拍摄放大5000倍的横截面SEM图像，并计算约20个微晶的单个宽度的平均值。

样品1完全没有进行后处理，而样品2-8通过不同烈度的不同喷砂程序进行了后处理。

湿式喷砂利用在表中以“目”陈述的尺寸的氧化铝磨料(砂)进行。喷砂枪喷嘴与涂层表面之间的距离对于顶部喷砂为120mm，其它为135mm。在样品2中使用喷丸加工时，使用了干态的ZrO₂系珠子，所述珠子的尺寸在70-120μm之间。喷砂角度是涂层表面平面与喷砂方向之间的角度。喷砂压力是浆料离开喷砂枪喷嘴时的压力。

所述不同处理是：

1.未处理

2.喷丸加工(90°，5.3巴)+精细湿式喷砂(11-15°，2.6巴，FEPA240目磨料粒度，3分钟)

3.TB3(顶部湿式喷砂90°，2.1巴，FEPA 230目磨料粒度，27分钟)

4.ERB(成角度的湿式喷砂55°，2.8巴，FEPA 280目磨料粒度，3分钟)

5.TB1(顶部湿式喷砂90°，2.0巴，FEPA 230目磨料粒度，54分钟)

6.ERB(成角度的湿式喷砂55°，2.8巴，150目磨料粒度，1.8分钟)

7.ERB(成角度的湿式喷砂55°，2.1巴，150目磨料粒度，3分钟)

8.ERB(成角度的湿式喷砂55°，3.2巴，150目磨料粒度，4.5分钟)

各样品残留在外表面上的TiN量是通过对5000倍放大的SEM图像进行图像分析确定的。分析了在前刀面上距离切削刃约250μm的约18μm×25μm区域。用于图像分析的软件是“ImageJ”。

测量了一些样品在后处理后的涂层表面粗糙度Ra。它是在距离切削刃约250μm的前刀面上测量的。

结果见表5。

表5.

样品	TiN覆盖率(％)	表面粗糙度，Ra，(nm)
			1	100	62
2	62	-
			3	25	53
4	23	-
			5	20	42
6	9	-
			7	6	-
8	2	-

所述TiN部分分布在前刀面上距离切削刃250μm的区域上，分布的方式如下：当将2.5μm×2.5μm正方形的网格放置在放大5000倍的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像上时，则提供如下结果：

表6.

*显示TiN和Ti_1-xAl_xC_yN_z二者的2.5μm×2.5μm正方形的比例(在60个正方形中)

图6显示了样品6的放大5000倍的SEM图像，显示了约18μm×25μm的区域。该图像已经过图像处理。看到的TiN部分为白色，看到的TiAlN为黑色。

图7显示了与图6中相同的经过图像处理的SEM图像，在图像上放置了约2.5μm×2.5μm正方形的网格以确定TiN部分在表面上的分布。

使用透射电子显微镜(TEM)的分析确认了，Ti_1-xAl_xC_yN_z层在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。此外，在Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶中存在>95体积％的面心立方(fcc)相，与相邻晶界处的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物中的晶畴存在外延关系，并且在Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物中存在w-AlN相。在其晶界处具有呈w-AlN结构的Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶之间的平均距离为约25nm。

此外，存在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层的片层结构。存在Ti比例较高(Al比例较低)和Ti比例较低(Al比例较高)的交替片层。Ti比例较高的区域通常明显比所述片层结构的富含Al的区域更薄。

此外，总体结构由面心立方(fcc)相组成。整个片层结构由面心立方(fcc)相组成，因此在一个微晶内存在相同的取向。

实施例2：切削测试

样品1-8在以下切削条件下在铣削操作中进行测试(湿式梳状裂纹和剥落测试)：

工件材料：不锈钢：SS2343-28PR

程序：逆铣，湿冷却液

每齿进给量：f_z＝0.2mm

切削深度：a_p＝3mm

切削速度：v_c＝150m/分钟

铣削宽度：a_e＝15mm

程长：200mm

截止标准VBmax是崩裂>0.3mm

结果见表7。

表7.

*直到第一次剥落、即最轻微的可见剥落的程数

**直到截止标准VBmax的程数

Claims

1.一种具有前刀面(2)、后刀面(3)和介于之间的切削刃(4)的涂层切削工具(1)，所述涂层切削工具(1)包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体(5)以及总厚度为2至20μm的涂层(6)，所述涂层(6)包含

-厚度为1至18μm的Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)包含具有晶界并且为柱状结构的微晶，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z包含≥85体积％面心立方(fcc)晶体结构，以及在所述前刀面(2)上，

-存在于所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)上的MeC_aN_b部分(9)，其中0≤a≤1、0≤b≤1、a+b＝1，其中所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)与所述MeC_aN_b部分(9)一起形成所述涂层(6)的最外面部分，Me是Ti和/或Zr，其中所述MeC_aN_b部分(9)在所述前刀面(2)上距离所述切削刃(4)200至400μm的区域中覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)的5％至28％，所述MeC_aN_b部分(9)分布在所述区域上。

2.根据权利要求1所述的涂层切削工具(1)，其中所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)在所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物，所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物的Al含量高于所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶内部，其中0.95≤o≤1.00、0≤p≤0.10、0.85≤q≤1.15且(o-x)≥0.05。

3.根据权利要求2所述的涂层切削工具(1)，其中所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)在所述层的最上面0.3μm部分中在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。

4.根据权利要求2或3中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其中所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)在整个层中在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处包含Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物。

5.根据权利要求2-4中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其特征在于在所述Ti_1- _xAl_xC_yN_z微晶的晶界处的所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物包含具有六方纤锌矿晶体结构的AlN(w-AlN)。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其特征在于所述Ti_1-xAl_xC_yN_z(8)包含≥90体积％面心立方(fcc)晶体结构。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其特征在于所述Ti_1-xAl_xC_yN_z的化学计量系数为0.60≤x≤0.90、y＝0且0.85≤z≤1.15。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其中所述MeC_aN_b部分(9)在所述前刀面(2)上距离所述切削刃(4)200至400μm的区域中覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)的7％至24％，所述MeC_aN_b部分(9)分布在所述区域上。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其特征在于所述MeC_aN_b(9)是TiN或Ti(C,N)。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的涂层切削工具(1)，其特征在于在所述前刀面(2)上的所述涂层的表面粗糙度Ra在距离所述切削刃(4)200至400μm处为20至60nm，优选30至50nm。

11.一种制造具有前刀面(2)、后刀面(3)和介于之间的切削刃(4)的涂层切削工具(1)的方法，所述涂层切削工具(1)包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体(5)以及2至20μm厚的涂层(6)，所述涂层(6)包含1至18μm厚的Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)，其中0.40≤x≤0.95、0≤y≤0.10且0.85≤z≤1.15，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)包含具有晶界并且为柱状结构的微晶，所述Ti_1-xAl_xC_yN_z(8)包含≥85体积％面心立方(fcc)晶体结构，其中所述方法包括以下步骤：

-通过CVD工艺提供所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)，

-通过CVD工艺直接在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)上提供MeC_aN_b层(9)，其中0≤a≤1、0≤b≤1、a+b＝1，Me是Ti和/或Zr，

-对所述涂层(6)的表面进行喷砂，直至在所述前刀面(2)上距离所述切削刃(4)200至400μm的区域中剩余的MeC_aN_b部分(9)覆盖所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)的5％至28％，所述MeC_aN_b部分(9)分布在所述区域上。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在对所述涂层(6)的表面进行喷砂的步骤之前，使所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层(8)在700–950℃范围内的温度下在排除空气或氧气下进行持续时间为0.5至12小时的退火，其中所述条件是以下述方式选择的：在所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶的晶界处产生Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物，所述Ti_1-oAl_oC_pN_q析出物具有比所述Ti_1-xAl_xC_yN_z微晶内部更高的Al含量，其中0.95≤o≤1.00，0≤p≤0.10、0.85≤q≤1.15且(o-x)≥0.05。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于在沉积所述MeC_aN_b层(9)之前、期间和之后均进行所述Ti_1-xAl_xC_yN_z沉积层(8)的退火。

14.根据权利要求11-13中的任一项所述的方法，其特征在于用于沉积所述Ti_1-xAl_xC_yN_z层(8)的CVD工艺是LP-CVD工艺，并且所述CVD工艺在CVD反应器内0.05至8kPa的工艺压力下进行。

15.根据权利要求11-14中的任一项所述的方法，其特征在于所述涂层(6)表面的喷砂是通过使用氧化铝粒子浆料的湿式喷砂进行的，所述浆料从喷砂枪喷嘴喷出，所述湿式喷砂使用在喷嘴出口处1.8至3.5巴、优选2.0至3.0巴的喷砂压力进行，所述浆料中氧化铝粒子的浓度为10至25体积％、优选15至20体积％，所述氧化铝粒子属于FEPA代号F120至F240、优选F150至F230中的一种或多种，所述喷砂枪喷嘴与所述涂层切削工具(1)的表面之间的距离为75至200mm、优选100至150mm，并且所述湿式喷砂以与所述涂层切削工具(1)的表面的角度为40°至90°、优选50°-90°的喷砂方向进行，所述喷砂时间为1至75分钟，优选1.5至60分钟。

16.根据权利要求1-10中的任一项所述的涂层切削工具(1)在不锈钢的机械加工中的用途。