本發(fā)明涉及用于成屑金屬加工的涂層切削工具，其包含主體和涂層，用于與受控的加工表面粗糙度相組合產(chǎn)生高的工具溫度的金屬切削應(yīng)用例如鋼、鑄鐵、超合金、不銹鋼和硬化鋼的機械加工中。包含兩個子涂層的涂層基于借助于物理氣相沉積(pvd)來沉積的(ti,al)n。

背景技術(shù)：

自從1980年代中期以來，已作出努力以改善工具涂層的性質(zhì)例如耐磨性以及性能。當(dāng)時，習(xí)慣做法是將切削工具用tin涂覆。然而，由于其在高溫下相對差的抗氧化性，在1980年代中期建議并執(zhí)行了al在(ti,al)n中的合金化，取得良好結(jié)果。

目前，基于(ti,al)n的涂層是在金屬切削應(yīng)用中使用的最常見的硬質(zhì)和保護性涂層材料之一。作為單層或?qū)雍贤繉咏Y(jié)構(gòu)的一部分的(ti,al)n的立方b1結(jié)構(gòu)，結(jié)合了有吸引力的機械性質(zhì)例如高硬度和改進的溫度和氧化抗性，在金屬機械加工應(yīng)用中提供了良好性能。(ti,al)n的技術(shù)優(yōu)勢及其特別是在高溫下的出色物理性質(zhì)，部分根據(jù)旋節(jié)線分解過程來解釋，在所述過程中，立方(ti,al)n同構(gòu)分解成共格(coherent)的富含立方c-aln和c-tin的晶疇。彈性性質(zhì)與共格的富含c-aln和c-tin的晶疇之間的晶格失配的組合引起顯著的時效硬化，已顯示在此期間(ti,al)n薄層的硬度提高在15％至20％之間。在進一步老化時，c-aln轉(zhuǎn)變成熱動力學(xué)穩(wěn)定的六方纖鋅礦b4結(jié)構(gòu)h-aln，產(chǎn)生包含c-tin和h-aln的雙相結(jié)構(gòu)，其機械性能降低。

為了進一步提高工具涂層的性能，已研究了寬范圍的三元和四元系統(tǒng)。例如，已顯示將cr合金化在(ti,al,cr)n中改善了涂層在金屬切削應(yīng)用中的行為。國際公開專利申請wo2012/069475公開了一種具有硬質(zhì)且耐磨的涂層的涂層切削工具，所述涂層包含(ticalacrbmed)(czoynx)層，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，并且層厚度在0.5至10μm之間。

目前，工業(yè)界繼續(xù)在尋找用于經(jīng)濟和高生產(chǎn)率/貫穿進給制造的解決方案。為了滿足這些需求，需要具有先進性能的新材料以提高在操作期間的工具壽命。在金屬切削工具工業(yè)中，絕大部分的這種嘗試聚焦于通過設(shè)計在這種應(yīng)用中使用的涂層材料的性質(zhì)來改善切削工具的磨損行為。通常，高生產(chǎn)率/貫穿進給切削過程引起工具溫度的急劇提高，因此，具有高溫耐磨性的涂層材料是重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種涂層切削工具，其具有在產(chǎn)生高溫并具有受控的機械加工表面粗糙度的金屬切削應(yīng)用中顯示出改進的高溫特性、改進的性能的涂層。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在主體上提供了硬質(zhì)且耐磨的pvd涂層，其中所述主體包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、多晶金剛石或多晶立方氮化硼基材料，并且所述涂層包含第一(ti,al)基氮化物的子涂層和第二(ti,al)基氮化物的子涂層，所述第一(ti,al)基氮化物的子涂層是單層，所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層是層合結(jié)構(gòu)，其中所述第一(ti,al)基氮化物的子涂層包含(ti1-xalx)nz層，其中0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層(3)包含(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1層，其中0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。

在本說明書和權(quán)利要求書中所描述的主體，應(yīng)該被理解為在其上沉積所述硬質(zhì)且耐磨的pvd涂層的基底。對于切削工具來說，常見的是該主體例如切削工具刀片可以是同質(zhì)主體或包含背襯體的主體，其他材料被放置在所述背襯體上，覆蓋前刀面上的切削刃、即所謂的鑲?cè)兄黧w，或者它覆蓋完整前刀面，即所謂的完整面主體。所述鑲?cè)谢蛲暾娼鉀Q方案通常用于基于多晶金剛石或多晶立方氮化硼材料的切削技術(shù)中。

根據(jù)一個實施方式，0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3。

根據(jù)一個實施方式，0.7<z≤1.1，優(yōu)選地0.8<z≤1.1，更優(yōu)選地0.9≤z<1.1。

根據(jù)一個實施方式，0.55<x1<0.75，更優(yōu)選地0.55<x1<0.70。

根據(jù)一個實施方式，0.05≤y1<0.15。

根據(jù)一個實施方式，0.7<z1≤1.1，優(yōu)選地0.8<z1≤1.1，更優(yōu)選地0.9≤z1≤1.1。

根據(jù)一個實施方式，所述第一(ti,al)基氮化物的子涂層具有0.1μm至2μm之間、優(yōu)選地0.3μm至1μm之間、最優(yōu)選地0.3μm至0.8μm之間的厚度。

根據(jù)一個實施方式，所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層是由交替的a和b層構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)：a/b/a/b/a/b/…，其中層a是(ti1-xalx)nz，0.1<x<0.4，0.6<z<1.2，并且層b是(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1，0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2。

根據(jù)一個實施方式，當(dāng)通過例如第二子涂層的中間區(qū)域即其厚度的30％至70％之間的區(qū)域的橫截面透射電子顯微術(shù)測量時，所述a和b層具有1nm至100nm之間、優(yōu)選地5nm至50nm之間、最優(yōu)選地5nm至30nm之間的平均單層厚度，并且所述平均層厚度是來自于測量至少10個相鄰層的厚度的平均值。

根據(jù)一個實施方式，所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層具有0.5μm至10μm之間、優(yōu)選地1至5μm之間、最優(yōu)選地1μm至3μm之間的厚度。

根據(jù)一個實施方式，所述涂層切削工具包含最靠內(nèi)的單層或?qū)雍蠈咏Y(jié)構(gòu)，其布置在所述主體上并與其相接觸并包含下列組合物中的任一種：tin，tic，ti(c,n)或(ti,al)n。優(yōu)選地，所述最靠內(nèi)的層結(jié)構(gòu)是(ti,al)n的單層，后面跟隨著功能性硬質(zhì)和耐磨涂層。

根據(jù)一個實施方式，所述最靠內(nèi)的層結(jié)構(gòu)具有0.05μm至0.3μm之間、優(yōu)選地0.1μm至0.3μm之間的厚度。

根據(jù)一個實施方式，所述涂層切削工具包含最靠外的單層或?qū)雍蠈咏Y(jié)構(gòu)，其布置在所述涂層上并包含下列組合物中的任一者：tin，tic，ti(c,n)或(ti,al)n。優(yōu)選地，所述最靠外的層結(jié)構(gòu)是tin或(ti,al)n的單層，后面跟隨著功能性硬質(zhì)和耐磨涂層。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述最靠外的層結(jié)構(gòu)由(ti1-xalx)nz構(gòu)成。

根據(jù)一個實施方式，所述最靠外的層結(jié)構(gòu)具有0.05μm至0.5μm之間、優(yōu)選地0.1μm至0.3μm之間的厚度。

根據(jù)一個實施方式，所述涂層以及任何最靠內(nèi)或最靠外的層結(jié)構(gòu)的總厚度為0.8μm至15μm之間，優(yōu)選為1μm至10μm之間，最優(yōu)選為1μm至6μm之間。

根據(jù)一個實施方式，當(dāng)通過eds測定時，所述涂層以及任何最靠內(nèi)或最靠外的層結(jié)構(gòu)的平均組成為：55原子％<％ti<62原子％，優(yōu)選地57原子％<％ti<62原子％，更優(yōu)選地57原子％<％ti<60原子％，32原子％<％al<40原子％，優(yōu)選地34原子％<％al<40原子％，更優(yōu)選地34原子％<％al<38原子％，1原子％<％cr<9原子％，優(yōu)選地3原子％<％cr<9原子％，更優(yōu)選地3原子％<％cr<7原子％，％ti+％al+％cr＝100原子％，其余為n。

根據(jù)一個實施方式，所述主體由硬質(zhì)合金構(gòu)成，其包含wc和4-15重量％co。

根據(jù)一個實施方式，所述主體是多晶立方氮化硼(pcbn)，其包含在粘合劑中的至少一種立方氮化硼(cbn)晶粒度分布。根據(jù)一個實施方式，所述粘合劑含有最多3體積％wc。

根據(jù)一個實施方式，所述主體是多晶立方氮化硼(pcbn)，其包含在粘合劑中的至少25體積％的立方氮化硼(cbn)。根據(jù)一個實施方式，所述用于前面描述的實施方式的粘合劑包含具有以下元素中的一種或多種的至少一種氮化物、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。其實例是ticn、tib2和wc。

根據(jù)一個實施方式，所述主體是多晶立方氮化硼(pcbn)，其包含在粘合劑中的30體積％<cbn<75體積％，優(yōu)選地35體積％<cbn<70體積％，并具有0.5μm至10μm之間、優(yōu)選地0.5μm至5μm之間的平均cbn晶粒度。根據(jù)一個實施方式，所述粘合劑含有80重量％<ti(c,n)<95重量％，所述粘合劑的其余部分包含來自以下元素中的兩種或更多種的化合物：ti，n，b，ni，cr，mo，nb，fe，al和o。

根據(jù)一個實施方式，所述主體是多晶立方氮化硼(pcbn)，其包含在粘合劑中的30體積％<cbn<75體積％，優(yōu)選地45體積％<cbn<70體積％，更優(yōu)選地55體積％<cbn<65體積％，并且平均cbn晶粒度在0.5μm至5μm之間，優(yōu)選地在1μm至3μm之間。所述粘合劑含有：80重量％<ti(c,n)<90重量％；小于1重量％的含有下列元素中的一種或多種的合金：ni，co，cr；小于10重量％的mo；并且所述粘合劑的其余部分包含下列化合物中的至少一種：tib2，al2o3。

根據(jù)一個實施方式，所述主體是多晶立方氮化硼(pcbn)，其包含在粘合劑中的35體積％<cbn<70體積％，并具有其中至少約50％的cbn晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的雙峰cbn晶粒度分布。所述粘合劑含有至少一種包括鋁(al)的化合物和至少一種包括鈦(ti)的化合物。其實例是碳氮化鈦、碳化鈦、氮化鈦、氮化鋁和硼化鋁。

根據(jù)本發(fā)明的涂層切削工具的一個優(yōu)點在于所述硬質(zhì)和耐磨涂層具有改進的溫度抗性。根據(jù)本發(fā)明的涂層切削工具的另一個優(yōu)點在于獲得了在產(chǎn)生高溫的金屬切削應(yīng)用中具有改進性能的涂層切削工具。根據(jù)本發(fā)明的涂層切削工具的另一個優(yōu)點在于其使用導(dǎo)致機械加工表面的粗糙度降低。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了生產(chǎn)包含主體和硬質(zhì)耐磨涂層的涂層切削工具的方法，所述方法通過應(yīng)用pvd(物理氣相沉積)技術(shù)、優(yōu)選為陰極電弧蒸發(fā)來進行，所述方法包括：

1.在沉積之前清潔所述主體，以及

2.通過分別使用復(fù)合或合金的(ti,al)和(ti,al,cr)陰極來生長(ti,al)n和(ti,al,cr)n層，其中施加50a至200a之間的蒸發(fā)電流，使用總氣體壓力在1.0pa至8.0pa之間、優(yōu)選地1.0pa至5.0pa之間、更優(yōu)選地2.0pa至5.0pa之間、最優(yōu)選地3.0pa至5.0pa之間的包含純n2或混合的n2與例如ar氣的反應(yīng)氣體氣氛，施加20v至300v之間、優(yōu)選地40v至150v之間、最優(yōu)選地50v至100v之間的負襯底偏壓，并應(yīng)用200℃至800℃之間、優(yōu)選300℃至600℃之間的沉積溫度。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了根據(jù)任何上述實施方式的涂層切削工具的用途，其用于以50-400m/min、優(yōu)選地75-300m/min的切削速度進行機械加工，并且取決于切削速度和刀片幾何形狀，在銑削的情況下每齒的平均進給量為0.08-0.5mm，優(yōu)選為0.1-0.4mm。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的一個實施方式的示意圖。

圖2示出了本發(fā)明的一個實施方式的示意圖。

圖3示出了本發(fā)明的一個實施方式的示意圖。

圖4示出了本發(fā)明的一個實施方式的x-射線衍射圖。

優(yōu)選實施方式的詳細描述

根據(jù)圖1中示意性示出的本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種涂層切削工具，其包含主體1和所述主體上硬質(zhì)且耐磨的涂層4，涂層4包含第一(ti,al)基氮化物的子涂層2，其是單一(ti1-xalx)nz層，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，厚度在0.3μm至0.8μm之間，所述涂層4還包含第二(ti,al)基氮化物的子涂層3，其是由交替的a和b層構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)：a/b/a/b/a/b…，其中層a是(ti1-xalx)nz，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且層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之間。當(dāng)通過例如第二子涂層3的中間區(qū)域即其厚度的30％至70％之間的區(qū)域的橫截面透射電子顯微術(shù)測量時，所述a和b層具有1nm至100nm之間、優(yōu)選地5nm至50nm之間、最優(yōu)選地5nm至30nm之間的平均單層厚度，并且所述平均層厚度是來自于測量至少10個相鄰層的厚度的平均值。

顯然，單個硬質(zhì)耐磨涂層4可以是復(fù)雜涂層設(shè)計的一部分，并被用作所述復(fù)雜涂層的內(nèi)部、中間和/或外部層。

根據(jù)圖2中示意性示出的本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種涂層切削工具，其包含：主體1；所述主體上的硬質(zhì)耐磨涂層4，涂層4包含第一(ti,al)基氮化物的子涂層2，其是單一(ti1-xalx)nz層，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，具有0.3μm至0.8μm之間的厚度，涂層4還包含第二(ti,al)基氮化物的子涂層3，其是由交替的a和b層構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)：a/b/a/b/a/b…，其中層a是(ti1-xalx)nz，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且層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之間；以及最靠外的單層結(jié)構(gòu)6，其布置在硬質(zhì)耐磨涂層4上，由tin或(ti,al)n構(gòu)成，優(yōu)選為(ti1-xalx)nz層的單層，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，其厚度在0.05μm至0.3μm之間。當(dāng)通過例如第二子涂層3的中間區(qū)域即其厚度的30％至70％之間的區(qū)域的橫截面透射電子顯微術(shù)測量時，所述a和b層具有1nm至100nm之間、優(yōu)選地5nm至50nm之間、最優(yōu)選地5nm至30nm之間的平均單層厚度，并且所述平均層厚度是來自于測量至少10個相鄰層的厚度的平均值。

根據(jù)圖3中示意性示出的本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種涂層切削工具，其包含：主體1；布置在主體1上并與其相接觸的最靠內(nèi)的單層或?qū)雍蠈咏Y(jié)構(gòu)5，其厚度在0.05至0.3μm之間，包含例如tin、tic、ti(c,n)或(ti,al)n；主體上的硬質(zhì)耐磨涂層4，所述涂層4包含第一(ti,al)基氮化物的子涂層2，其是單一(ti1-xalx)nz層，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，厚度在0.3μm至0.8μm之間，所述涂層4還包含第二(ti,al)基氮化物的子涂層3，其是由交替的a和b層構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)：a/b/a/b/a/b…，其中層a是(ti1-xalx)nz，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，并且層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之間；以及最靠外的單層結(jié)構(gòu)6，其布置在硬質(zhì)耐磨涂層4上，由tin或(ti,al)n構(gòu)成，優(yōu)選為(ti1-xalx)nz層的單層，其中0.15<x<0.35，優(yōu)選地0.2≤x<0.3，并且0.9≤z≤1.1，其厚度在0.05μm至0.3μm之間。當(dāng)通過例如子涂層3的中間區(qū)域即其厚度的30％至70％之間的區(qū)域的橫截面透射電子顯微術(shù)測量時，所述a和b層具有1nm至100nm之間、優(yōu)選地5nm至50nm之間、最優(yōu)選地5nm至30nm之間的平均單層厚度，并且所述平均層厚度是來自于測量至少10個相鄰層的厚度的平均值。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，總厚度，即如果存在的話最靠內(nèi)的層結(jié)構(gòu)5、如果存在的話最靠外的層結(jié)構(gòu)6和涂層4的厚度之和，在0.8μm至15μm之間，優(yōu)選地1μm至10μm之間，最優(yōu)選地1μm至6μm之間。

使用在20kv下運行的leoultra55掃描電子顯微鏡和對裝備有thermonoraneds的涂層表面的法線入射，通過能量色散譜(eds)分析區(qū)來估算層的平均組成。將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)品和zaf校正用于定量分析。金屬組成使用noransystemsix(nssver2)軟件來評估。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述硬質(zhì)耐磨涂層4由單層(ti1-x-yalx)nz的第一(ti,al)基氮化物的子涂層2、層合的(ti1-x-yalxcry)nz(y＝0)和(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1層的第二(ti,al)基氮化物的子涂層3以及最靠外的(ti1-x-yalxcry)nz(y＝0)單層6構(gòu)成，并且當(dāng)通過eds測定時平均組成為：55原子％<％ti<62原子％，優(yōu)選地57原子％<％ti<62原子％，更優(yōu)選地57原子％<％ti<60原子％；32原子％<％al<40原子％，優(yōu)選地34原子％<％al<40原子％，更優(yōu)選地34原子％<％al<38原子％；1原子％<％cr<9原子％，優(yōu)選地3原子％<％cr<9原子％，更優(yōu)選地3原子％<％cr<7原子％；％ti+％al+％cr＝100原子％；并且其余為n。

另外，當(dāng)通過eds測定時，涂層4、最靠內(nèi)的層結(jié)構(gòu)5和最靠外的層結(jié)構(gòu)6可能含有的氧(o)和碳(c)濃度之和在0至3原子％之間，優(yōu)選地在0至2原子％之間。

使用brukeraxsd8advancex-射線衍射儀和呈bragg-brentano配置的cukα輻射，通過x-射線衍射測定法(xrd)來進行涂層相檢測。通常，在多晶混合相材料中每個相的檢測極限小于5體積％。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第一(ti,al)基氮化物的子涂層2由立方氯化鈉相構(gòu)成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第一(ti,al)基氮化物的子涂層2由混合的立方氯化鈉和六方相構(gòu)成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層3由立方氯化鈉相構(gòu)成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第二(ti,al)基氮化物的子涂層3由混合的立方氯化鈉和六方相構(gòu)成。

另外，涂層4可以還含有接近于xrd技術(shù)的檢測極限的少量無定形相。

所述功能性硬質(zhì)耐磨涂層4在主體1上的沉積方法基于pvd技術(shù)，優(yōu)選為反應(yīng)性陰極電弧蒸發(fā)，使用復(fù)合或合金的(ti,al)和(ti,al,cr)陰極以使得分別生長(ti,al)n和(ti,al,cr)n層。在沉積之前，通過應(yīng)用已建立的非原位和原位清潔工序?qū)⒅黧w1充分清潔。通過分別選擇適合的反應(yīng)氣體氣氛和(ti,al)與(ti,al,cr)陰極的組成來獲得所需層組成。使(ti,al)n和(ti,al,cr)n層在下述條件下生長：蒸發(fā)電流在50a至200a之間，較高電流用于較大的陰極尺寸；在包含純n2或混合的n2和例如ar氣體的反應(yīng)氣體氣氛中，總氣體壓力在1.0pa至8.0pa之間，優(yōu)選為1.0pa至5.0pa之間，更優(yōu)選為2.0pa至5.0pa之間，最優(yōu)選為3.0pa至5.0pa之間；且負襯底偏壓在20v至300v之間，優(yōu)選為40v至150v之間，最優(yōu)選為50v至100v之間。沉積溫度在200℃至800℃之間，優(yōu)選在300℃至600℃之間。通過使得主體1通過從陰極和上述生長參數(shù)的一種組合單獨地獲得的沉積通量來沉積單層，而通過使得主體1交替地通過從至少兩種不同的陰極與相同的其他上述生長參數(shù)的組合獲得的沉積通量來生長層合層。

圖4示出了本發(fā)明的一個實施方式的θ-2θx-射線衍射圖，證實了在硬質(zhì)金屬(wc:co)主體(1)上沉積的涂層的氯化鈉結(jié)構(gòu)，所述涂層包含(ti,al)n的第一(ti,al)基氮化物的層(2)和由層合的(ti,al)n和(ti,al,cr)n層構(gòu)成的第二(ti,al)基氮化物的層(3)，當(dāng)通過在20kv下運行的eds測定時，平均涂層組成為ti＝58原子％，al＝36原子％和cr＝6原子％。在2θ(x-軸)中約37°、43°和62.5°處的寬衍射峰分別是氯化鈉結(jié)構(gòu)的(111)、(200)和(220)晶格面。其余的峰源自于wc:co主體(1)。

最靠內(nèi)的層5和最靠外的層6的沉積方法基于pvd技術(shù)，優(yōu)選為反應(yīng)性陰極電弧蒸發(fā)，使用純的、復(fù)合或合金的金屬陰極用于例如分別生長tin、tic、ti(c,n)或(ti,al)n層。通過分別選擇適合的反應(yīng)氣體氣氛和陰極組成來獲得所需層組成。層在下述條件下生長：蒸發(fā)電流在50a至200a之間，較高電流用于較大的陰極尺寸；在包含純n2或混合的n2和例如ar氣體的反應(yīng)氣體氣氛中，總氣體壓力在1.0pa至8.0pa之間，優(yōu)選為1.0pa至5.0pa之間，更優(yōu)選為2.0pa至5.0pa之間，最優(yōu)選為3.0pa至5.0pa之間；且負襯底偏壓在20v至300v之間，優(yōu)選為40v至150v之間，最優(yōu)選為50v至100v之間。沉積溫度在200℃至800℃之間，優(yōu)選在300℃至600℃之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，主體是用于通過排屑進行機械加工的切削刀片，其包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cbn)基材料或高速鋼的硬合金的主體1。所述主體也可以是其他金屬切削工具，例如鉆具和端銑刀。

根據(jù)一個實施方式，主體由硬質(zhì)合金構(gòu)成，其包含wc/co–94重量％/6重量％。

根據(jù)一個實施方式，主體由硬質(zhì)合金構(gòu)成，其包含wc/co–95重量％/5重量％。

根據(jù)一個實施方式，主體由硬質(zhì)合金構(gòu)成，其包含wc/co–87重量％/13重量％。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，主體1是pcbn材料，其包含在粘合劑中的35體積％<cbn<70體積％，并具有其中至少約50％的cbn晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的雙峰cbn晶粒度分布。粘合劑含有至少一種包含al的化合物和至少一種包含ti的化合物。這種pcbn材料及其生產(chǎn)方法的實例在已公布的pct申請wo2014/177503中描述。

根據(jù)本公開的pcbn材料的cbn晶粒度分布和晶粒度根據(jù)已公布的pct申請wo2014/177503中描述的方法來估算。

實施例

對于下表2-9來說，n是層合的子涂層中a+b層(雙層)的數(shù)目，原子％是指涂層的金屬部分。

實施例1

將具有iso幾何形狀cnmg120408且組成為wc/co–95/5重量％的a級硬質(zhì)合金刀片用作通過陰極電弧蒸發(fā)進行層沉積的主體1。

在沉積之前，將刀片在堿性溶液和醇的超聲浴中清潔。將系統(tǒng)排氣至壓力低于2.0x10^-3pa，然后將固定在旋轉(zhuǎn)夾具上的刀片用ar離子濺射清潔。

在4.5pa純n2氣氛、-25v的偏壓、約500℃的生長溫度和150a的蒸發(fā)電流下，將由單一(ti1-xalx)nz層(其中0≤x<0.6并且0.9≤z≤1.1)構(gòu)成的第一(ti,al)基氮化物的子涂層2從(ti,al)復(fù)合陰極直接沉積在wc:co主體上直至子涂層總厚度約為0.5μm，陰極的組成被選擇成使得產(chǎn)生期望的涂層組成(參見表1)。

第二(ti,al)基氮化物的子涂層3是由交替的a和b層構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)：a/b/a/b/a/b…，其中層a是(ti1-xalx)nz，0≤x<0.6，層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純n2氣氛、-40v的偏壓、約500℃的生長溫度和150a的蒸發(fā)電流下，從(ti,al)和(ti,al,cr)復(fù)合陰極沉積第二(ti,al)基氮化物的子涂層3直至子涂層總厚度約為2.0μm，陰極的組成被選擇成使得產(chǎn)生期望的涂層金屬組成(參見表1)。一般來說，層合的涂層結(jié)構(gòu)可以通過在其他沉積條件固定的情況下使得涂層主體交替地通過來自于用于生長不同層的至少兩種不同陰極組成的沉積通量來獲得。在這里，這通過將用于生長(ti1-xalx)nz的陰極和用于生長(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1的陰極在沉積系統(tǒng)中彼此相反并面對地放置來實現(xiàn)。通過夾具旋轉(zhuǎn)，刀片將交替地通過來自于每個陰極的沉積通量，由此將在完整的一輪中從冷凝的蒸氣形成兩個連續(xù)層(所謂的雙層)。通過夾具的旋轉(zhuǎn)速度控制的這些層的平均個體厚度在1nm至100nm之間。

表1

通過在20kv下運行的eds獲得的生成態(tài)涂層的金屬組成示出在表2中。

表2

實施例2

在實施例1中，同時也利用如表3中示出的涂層金屬組成對具有iso幾何形狀tpun160308且組成為wc/co–96/4重量％的b級硬質(zhì)合金刀片進行沉積。

表3

實施例3

在實施例1中，同時也利用如表4中示出的涂層金屬組成對具有iso幾何形狀xomx120408tr-me12且組成為wc/co–87/13重量％的c級硬質(zhì)合金刀片進行沉積。

表4

實施例4

使用d級pcbn刀片重復(fù)實施例1，所述pcbn刀片包含在粘合劑中的至少30體積％的cbn。粘合劑包含選自屬于周期表的第4、5和6族和al的一種或多種元素的至少一種氮化物、硼化物、氧化物、碳化物或碳氮化物化合物，例如ti(c,n)和aln。

除了在實施例1中生長的層之外，在4.5pa純n2氣氛、-40v的偏壓、約500℃的生長溫度和150a的蒸發(fā)電流下，從(ti,al)復(fù)合陰極沉積由單一(ti1-x-yalx)nz,層(其中0≤x<0.6并且0.9≤y≤1.1)構(gòu)成的最靠外的頂層6，直至子涂層總厚度約為0.1μm，所述(ti,al)復(fù)合陰極的組成被選擇成使得產(chǎn)生期望的涂層組成(參見表1)。

生成態(tài)涂層和它們的沉積參數(shù)以及通過在20kv下運行的eds獲得的它們的金屬組成，示出在表5中。

表5

實施例5

在實施例4中，同時也利用表6中示出的涂層金屬組成來沉積e級pcbn刀片，所述pcbn刀片包含在粘合劑中的30體積％<cbn<70體積％、優(yōu)選地40體積％<cbn<65體積％，并且平均cbn晶粒度在0.5μm至4μm之間。粘合劑含有80重量％<ti(c,n)<95重量％，其余部分包含來自下列元素中的兩種或更多種的化合物：ti，n，b，ni，cr，mo，nb，fe，al和o，例如tib2和al2o3。

表6.

實施例6

在實施例4中，同時也利用表7中示出的涂層金屬組成來沉積f級pcbn刀片，所述pcbn刀片包含在粘合劑中的45體積％<cbn<70體積％、優(yōu)選地55體積％<cbn<65體積％，并且平均cbn晶粒度在0.5μm至4μm之間、優(yōu)選為1μm至3μm之間。粘合劑含有：80重量％<ti(c,n)<90重量％；小于1重量.％的含有一種或多種下述元素的合金：(ni，co和cr)；小于10重量％mo；并且其余部分主要是tib2和al2o3。

表7.

實施例7

在實施例4中，同時也利用表8中示出的涂層金屬組成來沉積g級pcbn刀片，所述pcbn刀片包含在粘合劑中的超過70體積％cbn、優(yōu)選地80體積％<cbn<95體積％，并具有其中部分cbn晶粒的晶粒度<10μm、優(yōu)選地在0.5μm至10μm之間、更優(yōu)選地在1μm至6μm之間并且另一部分cbn晶粒的晶粒度>10μm、優(yōu)選地在10μm至25μm之間、更優(yōu)選地在15μm至25μm之間的雙峰cbn晶粒度分布。粘合劑包含下列元素中的兩種或更多種的化合物：al，b，n，w，co，ni，fe，al和/或o。

表8.

實施例8

在實施例4中，同時也利用表9中示出的涂層金屬組成來沉積h級pcbn刀片，所述pcbn刀片包含在粘合劑中的35體積％<cbn<70體積％，并具有其中至少約50％的cbn晶粒的晶粒度<5μm且至少20％的晶粒的晶粒度>5μm的雙峰cbn晶粒度分布。粘合劑含有至少一種包含al的化合物和至少一種包含ti的化合物。

表9.

實施例9

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表2的樣品(實施例1中的涂層的a級)：

表10示出了本發(fā)明的相對切削性能，表明樣品2的性能提高。

表10.

實施例10

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表3的樣品(實施例2中的涂層的b級)：

表11.

表11示出了本發(fā)明的相對切削性能，指示了涂層11的性能提高。

實施例11

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表4的樣品(實施例3中的涂層的c級)：

表12示出了本發(fā)明的工具壽命結(jié)果，指示了樣品21和22的性能提高。

表12.

實施例12

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表9的樣品(實施例8中的涂層的h級)，其包括未涂覆的pcbnh級刀片：

表13示出了本發(fā)明的工具壽命結(jié)果，指示了樣品65的明顯的性能提高。

表13.

實施例13

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表9的樣品(實施例8中的涂層的h級)：

rmr是用于表面粗糙度概貌的材料配比的標(biāo)準(zhǔn)度量，并且通常用于評估耐磨性。表14示出了與樣品66相比，樣品65和67的材料配比、通過50次后的rmr50％深度降低。

表14.

實施例14

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表9的樣品(實施例8中的涂層的h級)：

表15顯示了與樣品66、67和未涂覆的h級相比，樣品65顯示最好的凹坑耐磨性。

表15.

實施例15

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表9的樣品(實施例8中的涂層的h級)：

幾何形狀：tcgw110208s-01015-l1-c

應(yīng)用：id車削，直徑24.69mm，長度7.6mm

工件材料：100cr6，60hrc

切削速度：143m/min

進給量：0.15mm/rev

切削深度：0.15mm

冷卻：是，但僅用于切屑抽離

性能判據(jù)：工具壽命

表16示出了與現(xiàn)有技術(shù)樣品相比，樣品65的性能提高。

表16.

實施例16

對于切削試驗來說，在具有下列數(shù)據(jù)的車削作業(yè)中使用來自于表9的樣品(實施例8中的涂層的h級)：

幾何形狀：dnga150612s-01525-l1-b

應(yīng)用：od車削，直徑45mm，長度26mm

工件材料：25mocr4e，58-64hrc

切削速度：260m/min

進給量：0.15mm/rev

切削深度：0.2mm

冷卻：否

性能判據(jù)：工具壽命

表17示出了與現(xiàn)有技術(shù)樣品相比，樣品65的性能提高。

表17.