具有圖案化表面區域的涂布切削工具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及適合于車削、銑削、鉆削或其它切肩形成機械加工方法的涂布切削工 具（coated cutting tool)〇
【背景技術】
[0002] 使用堅硬耐火涂層對硬質合金切削工具進行涂布，顯著改進了的工具耐磨性和切 削性能，并因此增加了工具壽命和機械加工作業中的生產率。為了進一步改進所述工具的 耐磨性和性能，它們通常對于所述硬質合金基底和涂層的材料性質以及對于用于特定應用 的工具的幾何結構進行優化。材料性質的優化通常以削弱特定應用的主要磨損機制為目 的，而切削工具的幾何結構的優化通常以改進切削工藝如切肩去除或工件的粗糙度為目 的。因而，通過一種優化實現的正面效果可能對所述切削工具和/或切削工藝的其它性質 沒有效果或具有負面效果。
[0003] 例如，涂布的硬質合金切削工具刀片經常包含具有內層和氧化鋁外層的涂層，所 述內層由一個或多個選自碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、碳氧化鈦和碳氮氧化鈦亞層的亞層構 成。已知所述氧化錯層在切削工具刀片的前刀面上改進對凹坑磨損（crater wear)的抗性， 然而在所述切削工具刀片的后刀面上，氧化鋁具有的有吸引力的性質較少，而TiCN貢獻了 高度抗磨損性。因為在許多應用中，前刀面上的凹坑磨損是關鍵的磨損機制，所以優先考慮 所述氧化鋁層的性質。改進抗凹坑磨損性的一種方法是增加氧化鋁層的厚度。然而，對于 凹坑磨損，這種優化是以其它性質為代價的，所述性質例如對所述涂層的特別是在刃口線 (edge line)或后刀面上剝落（flanking)的抗性。
[0004] 作為對此的一種解決方案，已經使用了不同的后處理。舉例來說，US 5, 776, 588公 開了涂布有多層耐磨涂層的切削工具，所述涂層包括例如最內部的TiCN層、中間的Al2O3層 和最外面的TiN層。所述TiN層和Al2O3層被機械手段除去，所述手段例如從所述切削工具 的刃口線振動翻轉、刷洗、噴丸（shot blast)、磨削，使得最內部的TiCN層暴露，以便改進 對所述涂層在刃口線處剝落的抗性。在另一個實例中，US7, 431，747公開了涂布有多層耐 磨涂層的切削工具，所述耐磨涂層包括沉積在硬質材料層上的氧化鋁層。所述氧化鋁層通 過激光處理從后刀面的至少一部分上選擇性去除，使得底層的硬質材料層暴露，以便同時 避免后刀面上磨損痕跡（wear mark)寬度的增加并保留對前刀面上凹坑磨損的抗性。
[0005] 雖然這些后處理可以改進切削工具刀片的切削性能的總體性質，但限制了氧化鋁 層的最大厚度，并因此限制了由所述厚度增加引起的抗凹坑磨損性的改進。
【發明內容】
[0006] 本發明的一個目的是改進涂布切削工具的切削性能。另一個目的是改進涂布切削 工具的耐磨性。本發明的又一個目的是改進涂布切削工具的抗凹坑磨損性，特別是通過在 所述涂布切削工具上局部提供改進的耐磨性而不損害所述涂布切削工具其它部分的性質。 另一個目的是提供用于機械加工鐵基材料例如鋼的改進的切削工具。
[0007] 這由根據獨立權利要求的涂布切削工具實現。在從屬權利要求中公開優選的實施 方式。
[0008] 根據本發明的涂布切削工具包含基底和表面涂層，所述表面涂層沉積在所述基底 上并覆蓋所述基底的至少一部分。所述表面涂層具有厚度T。，并且所述基底在所述基底的 涂布部分內的圖案化表面區域之內包含進入所述基底中的多個凹進（recess)。每個所述凹 進具有深度D，其小于100 μ m，優選〈75 μ m;和所述凹進的半深度[D/2]處的寬度Wi，其中 WiS 2T c。Tc在2 μ m和30 μ m之間、優選在5 μ m和25 μ m之間、更優選在5 μ m和22 μ m之 間，并且所述凹進被所述表面涂層至少部分填充。
[0009] 與沒有提供這種圖案化表面區域的切削工具相比，根據本發明的切削工具已顯示 出更高的抗凹坑磨損性。所述凹坑磨損通常是化學和磨蝕類型的磨損。這個區域中的機械 負載和溫度二者都很高。根據本發明的工具在這些方面的至少一個中具有改進的性質。
[0010] 在基底中形成凹進的一個優點是它提供了基底的增加的表面積。施加進入所述凹 進中的涂層提供了具有向下進入所述基底中的延伸部分的涂層。因此，所述填充的凹進在 所述圖案化表面區域內提供了所述涂層的有效厚度，所述有效厚度大于所述涂層本身的標 稱（nominal)厚度T。。所述表面區域中涂層材料的體積增加是改進的一種原因。局部地， 所述涂層的有效厚度已經由于所述圖案而增加。只要所述涂層持續磨損并且不剝落（spall off)，涂層厚度增加意味著耐磨性增加。因為可在對于磨損而言關鍵的區域形成凹進，所以 涂布切削工具的耐磨性得到改進，而不損害所述切削工具在其它區域的性能。
[0011] 所述基底中的凹進的另一個優點在于所述涂層/基底界面的取向與例如所述工 具表面處切肩滑移的滑移方向不平行。這增加抗脫層（delamination)性。
[0012] 根據本發明的切削工具可以是切削工具刀片或圓角工具（round tool)。
[0013] 合適的基底材料是陶瓷、金屬陶瓷、硬質合金、立方氮化硼、多晶金剛石或高速鋼， 優選硬質合金。
[0014] 所述圖案化表面區域優選布置在對于磨損而言關鍵的區域中。所述圖案化表面區 域可以至少部分覆蓋后刀面和/或前刀面。如果所述圖案是在前刀面上，則所述圖案化表 面區域優選布置在距刃口線至少100 μ m、優選多于150 μ m的距離處。如果所述圖案化表面 區域是在后刀面上，則所述區域優選距刃口線至少50 μπι。所述刃口線在此定義為，在從與 所述圖案化表面區域垂直的方向研宄所述圖案化表面區域時沿著所述工具刃口的線。圖案 布置得過于接近刃口將意味著所述切削刃口不均勻磨損的風險增加。
[0015] 本發明的切削工具包含沉積在基底上的表面涂層。該表面涂層通常是至少覆蓋在 切削期間經受磨損的區域的耐磨涂層。如果所述切削工具是具有前刀面和后刀面的刀片， 則所述涂層可施加在這些表面的一個或兩個上。
[0016] 涂層厚度Τ。是所述涂層沉積在凹進外面的平表面上的厚度。在所述圖案區域內 但是在凹進外面的基底表面在本申請中稱為基底的第一表面。這種基底的第一表面是排列 有凹進的表面，而限定每個凹進、所述凹進的壁和底部的表面不是所述基底的第一表面的 一部分。
[0017] 所述凹進的寬度We被認為是在所述基底的第一表面處的寬度。寬度W 1是在所述 凹進的半深度[D/2]處的凹進寬度并且WiS 2Τ。。在一種實施方式中，We〈2T。。
[0018] 所述凹進具有深度D，其是從所述基底的第一表面、即凹進外面的基底表面向下至 所述凹進底部的距離。所述凹進的底部可包含人造物（artifact)或不規則處，例如通過例 如未優化的激光工藝造成的局部深窄孔。這種人造物的實例可在圖3中看到。深度D優選 大于2 μ m，更優選大于5 μ m。深度D小于100 μ m，優選〈75 μ m。深度應該足夠大以便影響 工具的壽命，并且足夠小以便不負面地影響刃口的韌性。所述凹進的深度太大將不會增加 工具的壽命，因為大的磨損深度總歸會削弱工具的刃口。在一種實施方式中，所述凹進的高 寬比（aspect ratio)是 D/We〈2,優選為 0.5-1. 5〇
[0019] 根據本發明的一種實施方式的涂布切削工具包含涂層和優選由硬質合金制成的 基底。所述基底在其表面中包含具有凹進例如孔或槽的幾何圖案。這些凹進用所述涂層至 少部分填充，使得所述涂層至少已經開始在所述凹進中結合（coalesce)。每個凹進被所述 表面涂層至少部分填充，使得所述表面涂層在所述凹進中長在一起。這在所述表面涂層沉 積期間實現。因為在所述凹進中一定深度處的寬度小于在所述凹進的對立側壁上生長的表 面涂層的總厚度的兩倍，所以所述表面涂層的一部分最后將在所述凹進中結合。所述涂層 可具有復制所述基底表面輪廓的第一種初始生長類型，和第二種生長類型，其中所述涂層 在所述凹進內結合，使得生長涂層的一部分表面會合生長涂層的另一部分表面，并且當所 述涂層的生長是第二種生長類型時，所述涂層結合。這是有利的，因為其提供了局部更大的 涂層厚度，并因此提供了更高的耐磨性。
[0020] 根據本發明的一種實施方式，所述切削工具具有涂層，其中沉積在所述凹進中的 涂層厚度大于沉積在所述基底的第一表面上的涂層。
[0021] 所述凹進的形狀優選使得在所述凹進底部處的寬度小于在所述基底的第一表面 處的寬度I。由于可避免空隙和孔隙，這是有利的。所述凹進可具有與所述第一基底表面 垂直的側壁，或者所述壁可以是傾斜的。所述凹進的側壁與所述第一基底表面之間的角度 優選在45°和90°之間。在本發明的一種實施方式中，所述表面涂層具有外表面，并且其 中在所述外表面處/上的剩余凹進的最大深度處的點位于所述基底的第一表面之上，使得 所述涂層沿著與所述基底的第一表面平行的線連續穿過數個凹進。這可例如在所述工具的 橫截面處研宄。這在增加耐磨性上是有利的。
[0022] 在本發明的一種實施方式中，所述涂層至少在所述圖案化表面區域內完全填充所 述凹進并且覆蓋周圍的基底表面。在本發明的一種實施方式中，所述圖案化基底表面區域 的底層結構沒有留在