一种涂层切削工具和一种制造涂层切削工具的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于金属机械加工如切屑形成机械加工的涂层切削工具，所述涂 层切削工具包括基体和基体上的涂层，并设及一种制造运种涂层切削工具的方法。
【背景技术】
[0002] 例如切削刀片、锐刀、钻具等的切削工具可被用于材料如金属的切屑形成机械加 工。运种切削工具通常由诸如硬质合金、立方氮化棚或高速钢的耐用材料制成。为了改善 切削工具的性能，例如磨损性能，运种切削工具通常设置有表面涂层。通过化学气相沉积 (CVD)或物理气相沉积（PVD)可将运种涂层沉积在切削工具上。
[0003] 至今已经使用了不同类型的表面涂层，例如TiN、TiAlN。在利用涂层切削工具进 行金属机械加工的过程中，由于机械加工的材料的剪切和摩擦，在切削工具的切削刀片附 近区域的溫度将会升高。因此涂层处的溫度会变得非常高，即iiocrc或更高。在8〇o°c~ 900°C下，立方TiAlN通常分解为立方TiN和立方A1N，然后在大约1000°C下，立方A1N转变 为六方纤锋矿结构A1N，运是一种不太期望的相。在EP2628826A1中公开了一种ZrAlN和 TiN的交替层的多层涂层。开发运种类型的涂层W提供涂层的高的热稳定性，从而即使经受 运种高溫也具有高的硬度。
[0004] 试图进一步开发在经受高溫时具有改善性能的表面涂层。特别地，期望提供在高 溫下具有低的可能性分解为不期望的相（例如六方A1N相）的涂层。因此试图提供一种具 有如下涂层的涂层切削工具，所述涂层具有在高溫下相对稳定的组成。
【发明内容】
阳0化]因此，本发明的目的是提供一种在机械加工操作过程中具有改善性能的涂层切削 工具。特别地，目的是提供一种具有如下涂层的切削工具，所述涂层具有在高溫下更稳定的 组成。
[0006] 因此，本发明设及一种涂层切削工具，所述涂层切削工具包含基体和基体上的 涂层，其中涂层包含由TixZr/l。Xy>N组成的层，其中0 <X《0. 3,0.2《y《0.8且 0. 1《（1-x-y)《0. 7。
[0007] 所述涂层的组成将会降低A1N在高溫下分解为不期望的相（例如六方A1N相）的 可能性。由此获得在高溫下、特别是在大约iiocrc下更加稳定的涂层组成。 阳00引所述涂层可包含由TiχZryAluxy>N组成的层，其中，x>0.05,优选地，x>0. 1。所 述涂层可包含由TixZr/luXy>N组成的层，其中，X《0. 25,优选地X《0. 2。从而使组成的 稳定性进一步增加。
[0009] 所述涂层可包含由TixZr/l。Xy>N组成的层，其中，y《0. 6,优选地y《0. 4。从 而可获得具有本文公开的优点的、具有较少量Zr的组成。
[0010] 所述涂层可包含由TiχZryAl。χy>N组成的层，其中，y>0. 3或y>0.4。从而使组 成的稳定性进一步地增加。高Zr的组成可提供对亚稳态分解（亚稳态分解）过程的更好 的耐性，在所述亚稳态分解过程中TiN、AIN和ZrN可变得分离。
[0011] "舟/1(1Xy)N的层可具有立方晶体结构。从而可改善所述切削工具的切削性能， 例如寿命和磨损性能。
[0012] TiyZryAluXy>N的层可具有柱状微结构。从而可改善涂层的耐凹坑磨损性能，还改 善了涂层的硬度。或者，TiyZr/lu,y,N的层可具有纳米晶体或无定形结构。 阳OU] TixZryAl。Xy)N的层的X射线衍射图可具有（200)晶面（plane)的主峰（dominant peak),即在XRD衍射图中（200)峰可为最高峰。从而晶粒主要取向在所涂覆的层的生长方 向的（200)方向。
[0014] 可通过PVD如电弧蒸发或瓣射沉积TixZryAluXy>N的层。从而该层可具有压应力， 改善了所涂覆的层的初性。通过电弧蒸发，可改善沉积速度并且可改善电离度，生成致密 层，改善附着力（a化esion)并且改善所涂覆的层在基体上的几何覆盖。
[0015] 可使用包含阴极、阳极和磁力装置（magneticmeans)的电弧沉积源（arc depositionsource)沉积TixZ；TyAl;ixyjN的层，所述磁力装置能够使磁场线W短连接 (shortconnection)方式从祀材表面导向阳极。在文献US2013/0126347A1中进一步地描 述了运种电弧沉积源。从而在要求包含的组成范围内所述层可具有立方晶体结构和柱状微 结构。US2013/0126347A1教导了腔室内电离状态可改善涂覆参数，例如沉积速率和涂层质 量。 阳016] 所述涂层可包含粘附层（a化esionlayer)和在所述粘附层之上的TixZryAluXyjN 的层。作为一个实施方式，所述涂层可仅由粘附层和在所述粘附层之上的TiyZryAluyy,N的 层组成。粘附层可W为Ti、TiN、化、化N或任何其它的过渡金属或过渡金属氮化物的层，优 选地具有在1皿~200皿范围的厚度，如5皿~10皿。
[0017] 所述涂层可具有由洛氏（Rockwell)压痕试验评价的至少50kg，优选地至少 100kg，更优选地至少150kg的附着强度（a化esivestrength)。由如在VDI3198中描述的 洛氏C压痕试验步骤可对附着力进行评价，但其中压痕载荷可在50kg~150kg的范围内变 化。根据VDI3198中描述的标准，可将涂层所通过的压痕试验的压痕载荷取作涂层的附着 强度。
[0018] 所述涂层可W为多层涂层，所述多层涂层还包含一个或多个选自TiN、TiAlN、 TiSiN、TiSiCN、TiCrAlN和CrAlN或其组合的层。涂层可包含一个或多个具有如下组成的 层，所述组成至少包含第一元素和第二元素，所述第一元素选自Ti、A1、化、Si、V、佩、Ta、Mo 和W，所述第二元素选自B、C、N和0。涂层可具有大于0. 5μηι和/或小于20μηι、优选地小 于10μπι的厚度。从而可将涂层的性能优化至特定的应用需求。
[0019] TiχZryAluχy>N的层可具有大于5皿和/或小于20μm、优选地小于10μm的厚度。 从而涂层基本可由一层TiZrAlN形成，或者由一层或多层TiZrAlN与其它涂覆层的组合形 成。
[0020] 所述基体可包含硬质合金或多晶立方氮化棚。运些是具有良好的切削性能、适用 于切削工具的硬质材料。所述切削工具可W为切削刀片、锐刀或钻具的形式，优选地用于诸 如金属的材料的切屑形成机械加工。
[0021] 另一个目的是提供一种制造具有涂层的切削工具的方法，所述涂层具有在高溫下 更稳定的组成。
[0022] 因此，本发明还设及一种制造涂层切削工具的方法，所述方法包括提供基体， 和沉积包含由TixZryAl;iXy>N组成的层的涂层，其中0 <X《0. 3,0. 2《y《0.8且 0. 1《（Ι-χ-y)《0. 7。
[0023] 可通过PVD，优选地通过电弧蒸发，沉积所述层。
[0024] 所述层可使用包含阴极、阳极和磁力装置的电弧沉积源进行沉积，所述磁力装置 能够使磁场线W短连接方式从祀材表面导向阳极。在文献US2013/0126347A1中对运种电 弧沉积源进行了进一步地描述。
【附图说明】
[0025] 图1示出了表明所要求保护组成的实例的TiN-ZrN-AlN的拟Ξ元相图。
[0026] 图2示出了本文公开的涂层的Ξ种组成的X射线衍射图。
[0027] 图3示出了两种不同组成的沉积原样态（as-deposited)的和退火的涂层的X射 线衍射图。
【具体实施方式】 W測定义
[0029] 权利要求中限定的组成可包含不可避免的杂质（例如低于1原子％~3原子％ (at. % ))，其取代任何金属元素Ti、Zr和A1和/或N，同时保持本发明的有益效果并且不 背离要求保护的范围。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] 公开了一种涂层切削工具的实施方式，所述涂层切削工具具有硬质合金基体和在 基体上的包含Ti,ZryAl<i 的层的涂层。运种层在本文中被称为TiZrAlN层。组成中Ti的 量（即X)在0<x《0. 3的范围内，优选其中x>0.05,更优选其中x>0. 1。组