一種涂層切削工具和一種制造涂層切削工具的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于金屬機械加工如切屑形成機械加工的涂層切削工具，所述涂 層切削工具包括基體和基體上的涂層，并設(shè)及一種制造運種涂層切削工具的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 例如切削刀片、銳刀、鉆具等的切削工具可被用于材料如金屬的切屑形成機械加 工。運種切削工具通常由諸如硬質(zhì)合金、立方氮化棚或高速鋼的耐用材料制成。為了改善 切削工具的性能，例如磨損性能，運種切削工具通常設(shè)置有表面涂層。通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)或物理氣相沉積（PVD)可將運種涂層沉積在切削工具上。
[0003] 至今已經(jīng)使用了不同類型的表面涂層，例如TiN、TiAlN。在利用涂層切削工具進 行金屬機械加工的過程中，由于機械加工的材料的剪切和摩擦，在切削工具的切削刀片附 近區(qū)域的溫度將會升高。因此涂層處的溫度會變得非常高，即iiocrc或更高。在8〇o°c~ 900°C下，立方TiAlN通常分解為立方TiN和立方A1N，然后在大約1000°C下，立方A1N轉(zhuǎn)變 為六方纖鋒礦結(jié)構(gòu)A1N，運是一種不太期望的相。在EP2628826A1中公開了一種ZrAlN和 TiN的交替層的多層涂層。開發(fā)運種類型的涂層W提供涂層的高的熱穩(wěn)定性，從而即使經(jīng)受 運種高溫也具有高的硬度。
[0004] 試圖進一步開發(fā)在經(jīng)受高溫時具有改善性能的表面涂層。特別地，期望提供在高 溫下具有低的可能性分解為不期望的相（例如六方A1N相）的涂層。因此試圖提供一種具 有如下涂層的涂層切削工具，所述涂層具有在高溫下相對穩(wěn)定的組成。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽0化]因此，本發(fā)明的目的是提供一種在機械加工操作過程中具有改善性能的涂層切削 工具。特別地，目的是提供一種具有如下涂層的切削工具，所述涂層具有在高溫下更穩(wěn)定的 組成。
[0006] 因此，本發(fā)明設(shè)及一種涂層切削工具，所述涂層切削工具包含基體和基體上的 涂層，其中涂層包含由TixZr/l。Xy>N組成的層，其中0 <X《0. 3,0.2《y《0.8且 0. 1《（1-x-y)《0. 7。
[0007] 所述涂層的組成將會降低A1N在高溫下分解為不期望的相（例如六方A1N相）的 可能性。由此獲得在高溫下、特別是在大約iiocrc下更加穩(wěn)定的涂層組成。 陽00引所述涂層可包含由TiχZryAluxy>N組成的層，其中，x>0.05,優(yōu)選地，x>0. 1。所 述涂層可包含由TixZr/luXy>N組成的層，其中，X《0. 25,優(yōu)選地X《0. 2。從而使組成的 穩(wěn)定性進一步增加。
[0009] 所述涂層可包含由TixZr/l。Xy>N組成的層，其中，y《0. 6,優(yōu)選地y《0. 4。從 而可獲得具有本文公開的優(yōu)點的、具有較少量Zr的組成。
[0010] 所述涂層可包含由TiχZryAl。χy>N組成的層，其中，y>0. 3或y>0.4。從而使組 成的穩(wěn)定性進一步地增加。高Zr的組成可提供對亞穩(wěn)態(tài)分解（亞穩(wěn)態(tài)分解）過程的更好 的耐性，在所述亞穩(wěn)態(tài)分解過程中TiN、AIN和ZrN可變得分離。
[0011] "舟/1(1Xy)N的層可具有立方晶體結(jié)構(gòu)。從而可改善所述切削工具的切削性能， 例如壽命和磨損性能。
[0012] TiyZryAluXy>N的層可具有柱狀微結(jié)構(gòu)。從而可改善涂層的耐凹坑磨損性能，還改 善了涂層的硬度?；蛘撸琓iyZr/lu,y,N的層可具有納米晶體或無定形結(jié)構(gòu)。 陽OU] TixZryAl。Xy)N的層的X射線衍射圖可具有（200)晶面（plane)的主峰（dominant peak),即在XRD衍射圖中（200)峰可為最高峰。從而晶粒主要取向在所涂覆的層的生長方 向的（200)方向。
[0014] 可通過PVD如電弧蒸發(fā)或瓣射沉積TixZryAluXy>N的層。從而該層可具有壓應(yīng)力， 改善了所涂覆的層的初性。通過電弧蒸發(fā)，可改善沉積速度并且可改善電離度，生成致密 層，改善附著力（a化esion)并且改善所涂覆的層在基體上的幾何覆蓋。
[0015] 可使用包含陰極、陽極和磁力裝置（magneticmeans)的電弧沉積源（arc depositionsource)沉積TixZ；TyAl;ixyjN的層，所述磁力裝置能夠使磁場線W短連接 (shortconnection)方式從祀材表面導(dǎo)向陽極。在文獻US2013/0126347A1中進一步地描 述了運種電弧沉積源。從而在要求包含的組成范圍內(nèi)所述層可具有立方晶體結(jié)構(gòu)和柱狀微 結(jié)構(gòu)。US2013/0126347A1教導(dǎo)了腔室內(nèi)電離狀態(tài)可改善涂覆參數(shù)，例如沉積速率和涂層質(zhì) 量。 陽016] 所述涂層可包含粘附層（a化esionlayer)和在所述粘附層之上的TixZryAluXyjN 的層。作為一個實施方式，所述涂層可僅由粘附層和在所述粘附層之上的TiyZryAluyy,N的 層組成。粘附層可W為Ti、TiN、化、化N或任何其它的過渡金屬或過渡金屬氮化物的層，優(yōu) 選地具有在1皿~200皿范圍的厚度，如5皿~10皿。
[0017] 所述涂層可具有由洛氏（Rockwell)壓痕試驗評價的至少50kg，優(yōu)選地至少 100kg，更優(yōu)選地至少150kg的附著強度（a化esivestrength)。由如在VDI3198中描述的 洛氏C壓痕試驗步驟可對附著力進行評價，但其中壓痕載荷可在50kg~150kg的范圍內(nèi)變 化。根據(jù)VDI3198中描述的標準，可將涂層所通過的壓痕試驗的壓痕載荷取作涂層的附著 強度。
[0018] 所述涂層可W為多層涂層，所述多層涂層還包含一個或多個選自TiN、TiAlN、 TiSiN、TiSiCN、TiCrAlN和CrAlN或其組合的層。涂層可包含一個或多個具有如下組成的 層，所述組成至少包含第一元素和第二元素，所述第一元素選自Ti、A1、化、Si、V、佩、Ta、Mo 和W，所述第二元素選自B、C、N和0。涂層可具有大于0. 5μηι和/或小于20μηι、優(yōu)選地小 于10μπι的厚度。從而可將涂層的性能優(yōu)化至特定的應(yīng)用需求。
[0019] TiχZryAluχy>N的層可具有大于5皿和/或小于20μm、優(yōu)選地小于10μm的厚度。 從而涂層基本可由一層TiZrAlN形成，或者由一層或多層TiZrAlN與其它涂覆層的組合形 成。
[0020] 所述基體可包含硬質(zhì)合金或多晶立方氮化棚。運些是具有良好的切削性能、適用 于切削工具的硬質(zhì)材料。所述切削工具可W為切削刀片、銳刀或鉆具的形式，優(yōu)選地用于諸 如金屬的材料的切屑形成機械加工。
[0021] 另一個目的是提供一種制造具有涂層的切削工具的方法，所述涂層具有在高溫下 更穩(wěn)定的組成。
[0022] 因此，本發(fā)明還設(shè)及一種制造涂層切削工具的方法，所述方法包括提供基體， 和沉積包含由TixZryAl;iXy>N組成的層的涂層，其中0 <X《0. 3,0. 2《y《0.8且 0. 1《（Ι-χ-y)《0. 7。
[0023] 可通過PVD，優(yōu)選地通過電弧蒸發(fā)，沉積所述層。
[0024] 所述層可使用包含陰極、陽極和磁力裝置的電弧沉積源進行沉積，所述磁力裝置 能夠使磁場線W短連接方式從祀材表面導(dǎo)向陽極。在文獻US2013/0126347A1中對運種電 弧沉積源進行了進一步地描述。
【附圖說明】
[0025] 圖1示出了表明所要求保護組成的實例的TiN-ZrN-AlN的擬Ξ元相圖。
[0026] 圖2示出了本文公開的涂層的Ξ種組成的X射線衍射圖。
[0027] 圖3示出了兩種不同組成的沉積原樣態(tài)（as-deposited)的和退火的涂層的X射 線衍射圖。
【具體實施方式】 W測定義
[0029] 權(quán)利要求中限定的組成可包含不可避免的雜質(zhì)（例如低于1原子％~3原子％ (at. % ))，其取代任何金屬元素Ti、Zr和A1和/或N，同時保持本發(fā)明的有益效果并且不 背離要求保護的范圍。例如，N可W由低于1原子％~3原子％的含量的元素0、C或B取 代。
[0030] 公開了一種涂層切削工具的實施方式，所述涂層切削工具具有硬質(zhì)合金基體和在 基體上的包含Ti,ZryAl<i 的層的涂層。運種層在本文中被稱為TiZrAlN層。組成中Ti的 量（即X)在0<x《0. 3的范圍內(nèi)，優(yōu)選其中x>0.05,更優(yōu)選其中x>0. 1。組