[发明专利]涂层切削工具和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于切屑成形机械加工金属的涂层切削工具和其制造方法，所述涂层切削工具包括表面涂有化学气相沉积(CVD)涂层的基底。特别地，本发明涉及具有包括至少一个细粒碳氮化钛层的CVD涂层的涂层切削工具。

背景技术

由耐用材料例如硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成的用于切屑成形机械加工金属的切削工具，例如圆化工具，即立铣刀、钻头等，和刀片，通常具有耐磨涂层以延长切削工具的使用寿命。常使用CVD涂布耐磨涂层，因为该技术具有数种优点。其能够实现切削工具生产的高生产量、在复杂几何形状上保形涂布且可以容易地用于沉积绝缘涂层的层，例如氧化铝。

特别地，车削用硬质合金切削工具通常涂有包括不同材料的层状结构的CVD涂层以提供足够的耐磨性，其中选择单独层的组成、微观结构、织构等以对于具体应用改善涂层的特定性质。现今使用的主导涂层包括沉积在基底表面上的Ti基层，下文将其称为Ti(C,N,O)层，其包括选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、氧碳化钛和氧碳氮化钛的一层或多层，下文将其称为(TiC、TiN、Ti(C,N)、Ti(C,O)、Ti(C,N,O)层；和沉积在Ti(C,N,O)层上的氧化铝层，下文将其称为Al₂O₃层。已经证明，与高温CVD(HTCVD)工艺相比较，中等温度CVD(MTCVD)工艺对于沉积Ti(C,N)层有利。

Larsson和Ruppi,Thin Solid Films(固体薄膜)402(2002)203～210公开了对于与使用HTCVD沉积的Ti(C,N)涂层相比较，使用MTCVD在切削工具基底上沉积的Ti(C,N)涂层的微观结构和性质的研究。HTCVD Ti(C,N)涂层展示出没有优选生长方向且平均晶粒度小于0.2μm的等轴晶粒。相比之下，MTCVD Ti(C,N)涂层在X-射线衍射测量中具有相对较大的TC(422)值，下文将其称为(422)织构，和具有约0.5μm的宽度的柱状晶粒。将微观结构的不同归属于较低温度和侵蚀性前体例如乙腈(CH₃CN)。与HTCVD Ti(C,N)涂层相比较，MTCVD Ti(C,N)涂层具有较好的抗崩刃性，但抗凹坑磨损性较差。然而，抗片状剥落性对于MTCVD Ti(C,N)涂层仍然是关键性的，特别是在例如包括间歇切削操作的球墨铸铁中车削的高要求应用中。

EP1 187 970A1公开了使用MTCVD工艺，如上述MTCVD工艺的，用包括乙腈、四氯化钛、氮气和氢气的前体且另外用烃例如C₂H₄或C₃H₆沉积的具有(422)织构的柱状Ti(C,N)层，据公开产生在柱状Ti(C,N)层中包含的碳与碳和氮之和的高原子比(C/C+N)，即至少0.70，且因此产生高硬度和与标准乙腈工艺相比改善的耐磨性。使用这些前体形成的柱状Ti(C,N)层为具有0.05至0.5μm的平均晶粒宽度的细粒层且具有高抗断裂性。虽然硬度改善，但该柱状Ti(C,N)层的抗氧化性可能不足，特别是对于在涂层中产生大量热的切削操作而言。

发明内容

本发明的一个目的在于提供在切削操作中具有改善的性质的涂层切削工具。本发明的另一个目的在于提供具有改善的耐磨性例如较高的抗片状剥落性的涂层切削工具。本发明的另一目的在于提供在球墨铸铁车削中和在高速切削中具有高性能的切削工具。

通过根据权利要求1所述的切削工具和根据权利要求9所述的方法实现这些目的。在从属权利要求中公开优选的实施方式。

本发明涉及包括基底和涂层的涂层切削工具，其中所述涂层包括Ti(C,N,O)层，所述Ti(C,N,O)层包括至少一个柱状MTCVD Ti(C,N)层，所述MTCVD Ti(C,N)层具有0.05～0.4μm、优选0.05～0.25μm、更优选0.1～0.2μm的平均晶粒宽度，所述平均晶粒宽度是通过如下方式测量的：在其表面法线与所述基底的表面法线垂直的横截面上，在所述涂层切削工具的前刀面上，沿与所述基底的表面平行的方向上的直线，在所述MTCVD Ti(C,N)层的最低界面和最高界面之间的中间位置处，实施测量。在所述MTCVD Ti(C,N)层中包含的碳与碳和氮之和的原子比(C/(C+N))为0.50～0.65，优选为0.55～0.62，更优选为0.56～0.60，最优选为0.57～0.59，其是通过电子探针微量分析使用电子微探在沿所述线间隔50μm的10个位置处测量的。