[发明专利]切削刀片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体及多层涂层制成的涂层切削刀片，所述多层涂层借助于CVD法施加到所述基底主体上，且从所述基底表面起，所述多层涂层具有一个或多个硬质材料层，在所述硬质材料层之上的α氧化铝（α-Al₂O₃）层，和任选地在所述α-Al₂O₃层之上的至少部分的、作为装饰或磨损识别层的一个或多个另外的硬质材料层。

背景技术

用于材料加工、特别是用于切削金属加工的切削刀片包括硬质金属、金属陶瓷或陶瓷基底主体，其在大多数情况下设置有单层或多层表面涂层，以改进切削和/或磨损性质。这些表面涂层包括元素周期表Iva至VIIa族元素和/或铝的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氮氧化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物或硼氧碳氮化物、混合金属相和上述化合物的相混合物构成的相互叠置的硬质材料层。上述化合物的实例为TiN、TiC、TiCN和Al₂O₃。混合金属相的实例为TiAlN，其中在晶体中，金属被另一金属部分地替代。通过CVD法（化学气相沉积）、PCVD法（等离子体辅助CVD法）或通过PVD法（物理气相沉积）施加上述种类的涂层。

由于机械、热和/或化学处理而在几乎每种材料中都获得预应力。在通过借助于CVD法涂布基底主体制造切削刀片的过程中，例如在涂层与基底之间和在由不同热膨胀系数材料涂层的单独的层之间产生预有应力。所述预应力可为预张应力或预压缩应力。当借助于PVD法施加涂层时，在使用该方法时通过离子轰击将附加应力引入该涂层中。在借助于PVD法施加的涂层中，预压缩应力通常占优势，而CVD法通常在涂层中产生预张应力。

预应力在涂层中和在基底主体中的作用可能对切削刀片的性质没有显著影响，但它们也可能对切削刀片的耐磨性具有显著有利或不利的作用。超过相应材料的抗张强度的预张应力导致在涂层中垂直于预张应力方向的破裂和开裂。通常，在涂层中的一定量的预压缩应力由于由此防止或封闭表面裂纹且改进涂层的疲劳性质并因此改进切削刀片的疲劳性质而是所需要的。然而，过高的预压缩应力可导致涂层的粘附问题和剥落。

存在3种预应力：宏观应力，其几乎均匀地分布在材料的宏观区域上；微观应力，其在微观区域例如晶粒中是均匀的；及不均匀的微观应力，其在微观面上也不均匀。从实用角度来看且对于切削刀片的机械性质，宏观应力具有特殊的意义。

通常使用单位兆帕（MPa）说明预应力，其中预张应力具有正号（+）且预压缩应力具有负号（-）。

已知用例如TiN、TiC、TiCN、TiAIN、Al₂O₃或其组合的硬质材料层涂布的硬质金属切削刀具可具有优异的耐磨性，但它们可能在如下的情形下由于相对于无涂层的切削刀具或借助于PVD法涂布的切削刀具的韧性损失而更容易出现故障，这种情形包括在断续切削操作如在例如曲轴铣削中的热机械交替荷载。类似的考虑适用于以断续切削模式或在不利切削条件（例如，由机器或工件夹具引起的振动）下的车削加工。对于在不利条件下的所述应用，由于切削材料的尤其因张应力引起的脆化随CVD涂层的厚度而增加，因此迄今使用具有有限层厚度（很少大于10μm）的CVD涂层。高度耐磨型的切削材料相比之下常包括20μm或更大的层厚度，但它们仅可以在有利的条件下以连续切削模式使用。在用于车削加工钢铁或铸铁的切削刀片的情况下，因此需要高耐磨性以及高韧性，这是常常不能同时实现的两种性质。

DE-A-19719195描述了具有以连续CVD法在900℃至1100℃之间的温度下沉积的多层涂层的切削刀片。由于在该CVD法中的气体组成的改变而在该多层涂层中发生从一层到下一层的材料改变。最外层（覆盖层）包含Zr或Hf的碳化物、氮化物或碳氮化物的单相或多相层，其中内部的预压缩应力占优势。下面的层包含TiN、TiC或TiCN且毫无例外地具有内部的预张应力。在该外层中测量的预压缩应力在-500MPa至-2500MPa之间。这旨在改进断裂韧性。