具有圖案化表面區(qū)域的涂布切削工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適合于車削、銑削、鉆削或其它切肩形成機(jī)械加工方法的涂布切削工 具（coated cutting tool)〇
【背景技術(shù)】
[0002] 使用堅(jiān)硬耐火涂層對硬質(zhì)合金切削工具進(jìn)行涂布，顯著改進(jìn)了的工具耐磨性和切 削性能，并因此增加了工具壽命和機(jī)械加工作業(yè)中的生產(chǎn)率。為了進(jìn)一步改進(jìn)所述工具的 耐磨性和性能，它們通常對于所述硬質(zhì)合金基底和涂層的材料性質(zhì)以及對于用于特定應(yīng)用 的工具的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。材料性質(zhì)的優(yōu)化通常以削弱特定應(yīng)用的主要磨損機(jī)制為目 的，而切削工具的幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化通常以改進(jìn)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(yōu)化實(shí)現(xiàn)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(zhì) 沒有效果或具有負(fù)面效果。
[0003] 例如，涂布的硬質(zhì)合金切削工具刀片經(jīng)常包含具有內(nèi)層和氧化鋁外層的涂層，所 述內(nèi)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(gòu) 成。已知所述氧化錯層在切削工具刀片的前刀面上改進(jìn)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(zhì)較少，而TiCN貢獻(xiàn)了 高度抗磨損性。因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，前刀面上的凹坑磨損是關(guān)鍵的磨損機(jī)制，所以優(yōu)先考慮 所述氧化鋁層的性質(zhì)。改進(jìn)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(yōu)化是以其它性質(zhì)為代價(jià)的，所述性質(zhì)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(jīng)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(nèi)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(jī)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(zhuǎn)、刷洗、噴丸（shot blast)、磨削，使得最內(nèi)部的TiCN層暴露，以便改進(jìn) 對所述涂層在刃口線處剝落的抗性。在另一個實(shí)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(zhì)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(zhì)材料層暴露，以便同時(shí) 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(jìn)切削工具刀片的切削性能的總體性質(zhì)，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(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一個目的是改進(jìn)涂布切削工具的切削性能。另一個目的是改進(jìn)涂布切削 工具的耐磨性。本發(fā)明的又一個目的是改進(jìn)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(jìn)的耐磨性而不損害所述涂布切削工具其它部分的性質(zhì)。 另一個目的是提供用于機(jī)械加工鐵基材料例如鋼的改進(jìn)的切削工具。
[0007] 這由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的涂布切削工具實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中公開優(yōu)選的實(shí)施 方式。
[0008] 根據(jù)本發(fā)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(nèi)的圖案化表面區(qū)域之內(nèi)包含進(jìn)入所述基底中的多個凹進(jìn)（recess)。每個所述凹 進(jìn)具有深度D，其小于100 μ m，優(yōu)選〈75 μ m;和所述凹進(jìn)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(yōu)選在5 μ m和25 μ m之間、更優(yōu)選在5 μ m和22 μ m之 間，并且所述凹進(jìn)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(qū)域的切削工具相比，根據(jù)本發(fā)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(xué)和磨蝕類型的磨損。這個區(qū)域中的機(jī)械 負(fù)載和溫度二者都很高。根據(jù)本發(fā)明的工具在這些方面的至少一個中具有改進(jìn)的性質(zhì)。
[0010] 在基底中形成凹進(jìn)的一個優(yōu)點(diǎn)是它提供了基底的增加的表面積。施加進(jìn)入所述凹 進(jìn)中的涂層提供了具有向下進(jìn)入所述基底中的延伸部分的涂層。因此，所述填充的凹進(jìn)在 所述圖案化表面區(qū)域內(nèi)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(biāo) 稱（nominal)厚度T。。所述表面區(qū)域中涂層材料的體積增加是改進(jìn)的一種原因。局部地， 所述涂層的有效厚度已經(jīng)由于所述圖案而增加。只要所述涂層持續(xù)磨損并且不剝落（spall off)，涂層厚度增加意味著耐磨性增加。因?yàn)榭稍趯τ谀p而言關(guān)鍵的區(qū)域形成凹進(jìn)，所以 涂布切削工具的耐磨性得到改進(jìn)，而不損害所述切削工具在其它區(qū)域的性能。
[0011] 所述基底中的凹進(jìn)的另一個優(yōu)點(diǎn)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(jù)本發(fā)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(zhì)合金、立方氮化硼、多晶金剛石或高速鋼， 優(yōu)選硬質(zhì)合金。
[0014] 所述圖案化表面區(qū)域優(yōu)選布置在對于磨損而言關(guān)鍵的區(qū)域中。所述圖案化表面區(qū) 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(qū)域優(yōu)選布置在距刃口線至少100 μ m、優(yōu)選多于150 μ m的距離處。如果所述圖案化表面 區(qū)域是在后刀面上，則所述區(qū)域優(yōu)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(qū)域垂直的方向研宄所述圖案化表面區(qū)域時(shí)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(fēng)險(xiǎn)增加。
[0015] 本發(fā)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(jīng)受磨損的區(qū)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(jìn)外面的平表面上的厚度。在所述圖案區(qū)域內(nèi) 但是在凹進(jìn)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(jìn)的表面，而限定每個凹進(jìn)、所述凹進(jìn)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(jìn)的寬度We被認(rèn)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(jìn)的半深度[D/2]處的凹進(jìn)寬度并且WiS 2Τ。。在一種實(shí)施方式中，We〈2T。。
[0018] 所述凹進(jìn)具有深度D，其是從所述基底的第一表面、即凹進(jìn)外面的基底表面向下至 所述凹進(jìn)底部的距離。所述凹進(jìn)的底部可包含人造物（artifact)或不規(guī)則處，例如通過例 如未優(yōu)化的激光工藝造成的局部深窄孔。這種人造物的實(shí)例可在圖3中看到。深度D優(yōu)選 大于2 μ m，更優(yōu)選大于5 μ m。深度D小于100 μ m，優(yōu)選〈75 μ m。深度應(yīng)該足夠大以便影響 工具的壽命，并且足夠小以便不負(fù)面地影響刃口的韌性。所述凹進(jìn)的深度太大將不會增加 工具的壽命，因?yàn)榇蟮哪p深度總歸會削弱工具的刃口。在一種實(shí)施方式中，所述凹進(jìn)的高 寬比（aspect ratio)是 D/We〈2,優(yōu)選為 0.5-1. 5〇
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的涂布切削工具包含涂層和優(yōu)選由硬質(zhì)合金制成的 基底。所述基底在其表面中包含具有凹進(jìn)例如孔或槽的幾何圖案。這些凹進(jìn)用所述涂層至 少部分填充，使得所述涂層至少已經(jīng)開始在所述凹進(jìn)中結(jié)合（coalesce)。每個凹進(jìn)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(jìn)中長在一起。這在所述表面涂層沉 積期間實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谒霭歼M(jìn)中一定深度處的寬度小于在所述凹進(jìn)的對立側(cè)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(jìn)中結(jié)合。所述涂層 可具有復(fù)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(jìn)內(nèi)結(jié)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(dāng)所 述涂層的生長是第二種生長類型時(shí)，所述涂層結(jié)合。這是有利的，因?yàn)槠涮峁┝司植扛蟮?涂層厚度，并因此提供了更高的耐磨性。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述切削工具具有涂層，其中沉積在所述凹進(jìn)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(jìn)的形狀優(yōu)選使得在所述凹進(jìn)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(jìn)可具有與所述第一基底表面 垂直的側(cè)壁，或者所述壁可以是傾斜的。所述凹進(jìn)的側(cè)壁與所述第一基底表面之間的角度 優(yōu)選在45°和90°之間。在本發(fā)明的一種實(shí)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(jìn)的最大深度處的點(diǎn)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(xù)穿過數(shù)個凹進(jìn)。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(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述涂層至少在所述圖案化表面區(qū)域內(nèi)完全填充所 述凹進(jìn)并且覆蓋周圍的基底表面。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述圖案化基底表面區(qū)域 的底層結(jié)構(gòu)沒有留在