在例如EP603144、EP1528125、EP1477581、EP659153、EP1655387、 EP659903、EP738336、EP1655388、EP1655392、US2007/104945、 US2004/202877中公开了用化学气相淀积(CVD)制备的织构的α-Al2O3 层。
EP1479791公开了由硬质合金或金属陶瓷和硬质涂层构成的切削 工具；其中硬质涂层含有由CVD形成的α-Al2O3层，该α-Al2O3层具有 测量如通过电子背散射衍射(EBSD)确定的在0-10度范围内的α-Al2O3 基面相对于表面法线的倾角的最高峰。
EP744473公开了由PVD制备的织构的γ-Al2O3层。
US5310607公开了含有(Al，Cr)2O3晶体以及铬含量高于5原子％的 硬质涂层，其中(Al，Cr)2O3是单晶。该涂层是在低于900℃的温度淀积 的。该硬质涂层是用CVD或PVD工艺来淀积的。
当使用涂覆有氧化铝的硬质合金工具来对钢进行机械加工时，切 削刀刃依照不同的磨损机理如化学磨损、磨料磨损、粘附磨损并且通 过由沿着切削刀刃形成的裂纹而引发的崩刃(edge chipping)所磨损。任 何一种磨损机理的支配作用是由应用所决定的，并取决于被机械加工 的材料的性能、所采用的切削参数和工具材料的性能。通常，同时改 进所有的工具性能是非常困难的，商售的硬质合金等级已通常针对一 种或几种上述的磨损类型进行了优化，因此而优选用于特定的应用领 域。例如，这可以通过控制氧化铝层的织构来实现。

本发明的一个目的是提供一种用于钢和不锈钢的机械加工的、性 能提高了的、涂覆有耐磨硬质氧化物的切削工具。
根据本发明的切削工具刀片(insert)包含硬质合金、金属陶瓷、陶 瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的主体，并包括具有优异金属机械加 工性能的刚玉相(Al，Cr)2O3的织构氧化物层。
附图说明
图1a展示了标记有a-轴(100)、b-轴(010)和c-轴(001)的六方晶体 结构的示意图。
图1b展示了标记有(S)涂层表面、六方晶体结构(图1a)的c-轴(001) 的倾角()和涂层表面法线(n)的纤维织构的示意图。
图2展示了淀积室的示意性侧视图，该侧视图显示了：(1)真空室、 (2a)阴极材料A、(2b)阴极材料B、(3)工件夹具、(4)用于加偏压的电源、 (5a)阴极弧电源、(5b)阴极弧电源、(6)工艺气体的入口和(7)用于真空泵 的出口。
图3展示了根据本发明涂层的断裂横截面的二次模式(secondary mode)扫描电子显微图。(A)主体、(B)粘合层、(C)(Al，Cr)O层、(D)(Al，Cr)N 层和(E)TiN层。
图4展示了织构的(Al，Cr)2O3层的X射线衍射图案。硬质合金的峰 用实线标记，而源自(Al，Cr)2O3的峰用虚线标记。
图5展示了根据本发明的(Al，Cr)2O3层的(A)(001)极图和(B)(001) 极坐标(pole plot)曲线。

根据本发明，提供了用于通过排屑来进行机械加工的切削工具， 其在钢和不锈钢的金属切削方面特别有用，其包括硬质合金、金属陶 瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的主体，在该主体上淀积有涂 层，所述涂层包括：
根据现有技术优选小于0.5μm的优选例如TiN或(Al，Cr)N的第一 (最内部的)粘合层(图3(B))。
厚度为0.5-10μm、优选1-5μm、最优选2-4μm的0.5≤y≤0.7、优选 y＝0.6的(Al1-yCry)2O3层，其具有织构的柱状晶粒。该(Al，Cr)2O3层具有 通过PVD形成的刚玉结构和纤维织构，所述纤维织构沿着所涂覆表面 法线方向以基面相对于所涂覆表面法线(图5A)的倾角(图1b)或极坐 标中最高峰对应的倾角(图5B)呈旋转对称，其中优选 如通过例如电子背散射衍射(EBSD)或者X射线衍射(XRD) 所测定。
所述(Al，Cr)O层具有-4.5＜σ＜-0.5GPa、优选-3.0＜σ＜-1.0GPa的 压缩应力水平。
(Al1-yCry)2O3的组成y是通过例如EDS或WDS所测定的。
所述主体可以根据现有技术进一步涂覆有总厚度达到1至20μm、 优选1至10μm以及最优选2至7μm的例如TiN、TiC、Ti(C，N)、(Al，Cr)N 或(Ti，Al)N、优选(Ti，Al)N、(Al，Cr)N的单层和/或多层内涂层，和/或例 如TiN、TiC、Ti(C，N)、(Al，Cr)N或(Ti，Al)N、优选(Ti，Al)N、(Al，Cr)N 的单层和/或多层外涂层。
用于本发明的层的淀积方法是基于合金或复合阴极在下列条件下 的阴极弧蒸发：(Al，Cr)2O3层是使用具有(20原子％Al+80原子％Cr)和(60 原子％Al+40原子％Cr)之间、优选(30原子％Al+70原子％Cr)和(50原 子％Al+50原子％Cr)之间组成的Al+Cr阴极来生长的。蒸发电流取决 于阴极尺寸是在50A和200A之间，并优选使用63mm直径的阴极时 在60A和90A之间。所述层是在总压力为2.0Pa至7.0Pa、优选4.0Pa 至7.0Pa的Ar+O2气氛、优选纯O2气氛中生长的。偏压是-50V至-200V、 优选-50V至-100V。淀积温度是在500℃和700℃之间、优选600℃和 700℃之间。
本发明也涉及根据上述的切削工具刀片以75-600m/分钟、优选 150-500m/分钟的切削速度用于钢和不锈钢的机械加工的用途，根据切 削速度和刀片几何形状，在铣削的情况下，每齿的平均走刀量为 0.08-0.5mm、优选0.1-0.4mm。
实施例1
级别A：使用组成为10.3wt％Co和余量WC的硬质合金刀片。
在淀积前，将该刀片在碱溶液和乙醇的超声浴中清洗。该体系被 抽真空至低于2.0×10-3Pa的压力，之后将该刀片用Ar离子溅射清洗。 首先，通过63mm直径的合金化(40原子％Al+60原子％Cr)阴极(图2a 中的位置(2a)和(2b))在总压力为5.5Pa的99.995％纯O2气氛中和约650 ℃的淀积温度下的阴极弧蒸发，生长0.2μm厚的TiN粘合层，继之生 长2.5μm厚的织构的(Al，Cr)2O3层，总涂层厚度达到3μm。在淀积过程 中，蒸发电流为75A，偏压保持在-75V。最后，涂覆由0.3μm(Al，Cr)N 和0.2μm TiN构成的顶部涂层。
该涂层断裂的横截面SEM显微图显示在图3中，其中(A)主体、 (B)粘合层、(C)(Al，Cr)O层、(D)(Al，Cr)N层和(E)TiN层。
所淀积的层的XRD图案是使用CuKα-射线和θ-2θ配置 (configuration)来获得的。图4显示了具有织构的刚玉相氧化铝 (Al，Cr)2O3层的根据本发明涂层的XRD图案。源自(Al，Cr)2O3的峰用虚 线标记，而硬质合金的峰用实线标记。
所淀积的刚玉相(Al，Cr)2O3层在c-轴(001)方向(图1a)的EBSD极图 (图5(A))和极坐标曲线(图5(B))，分别显示了基面相对于所涂覆表面法 线的倾角(图1b)为0°和20°之间的、沿着所涂覆表面法线方向(图 1b)(旋转对称)的纤维织构。极坐标中最高峰接近0°。EBSD数据是使用 装配有HKL NordlysII EBSD探测仪、在20kV下工作的LEO Ultra 55 扫描电子显微镜获得的，并用Channel 5软件评价。
(Al，Cr)2O3涂层的残余应力σ是通过使用sin2ψ法的XRD测量评价 的。该测量是使用CrKα射线在(Al，Cr)2O3的(116)反射面上进行的。残 余应力值为2.1+0.2GPa，其是使用v＝0.26的泊松比和E＝420GPa的杨 氏模量所评价的。
(Al1-yCry)2O3的组成y＝0.49，是使用在10kV工作的带有Thermo Noran EDS探测仪的LEO Ultra 55扫描电子显微镜，通过能量散射谱 (EDS)分析来评测的。数据是使用Noran System Six(NSS ver 2)软件评 价的。
实施例2
级别B：根据现有技术，在组成为10.3wt％Co和余量WC的硬质 合金刀片上，通过PVD淀积了3.0μm的Ti0.34Al0.66N层。
实施例3
级别C：根据现有技术，在组成为10.3wt％Co和余量WC的硬质 合金刀片上，通过CVD淀积了由3.0μm Ti(C，N)+3μm α-Al2O3所构成 的涂层。
实施例4
级别D：使用组成为5.3wt％Co和余量WC的硬质合金刀片重复 实施例1。
实施例5
级别E：根据现有技术，在组成为5.3wt％Co和余量WC的硬质合 金刀片上，通过PVD淀积了3.0μm的Ti0.34Al0.66N层。
实施例6
级别F：根据现有技术，在组成为5.3wt％Co和余量WC的硬质合 金刀片上，通过CVD淀积了由3.0μm Ti(C，N)+3μm α-Al2O3所构成的 涂层。
实施例7
在钢的机械加工中，对级别A、B和C进行试验。
  操作   面铣削(face milling)   刀具直径   125mm   材料   SS1672   刀片类型   SEEX1204AFTN-M15   切削速度   300m/分钟   走刀量   0.2mm/齿   切削深度   2.5mm   切削宽度   120mm
  结果   工具寿命(分钟)   级别A(根据本发明的级别)   7.4   级别B   6.2   级别C   3.3
试验是在相同的最大侧面(flank)磨损时停止的。使用根据本发明 的级别，耐磨损性得到很大改进。
实施例8
在不锈钢的机械加工中，对级别A、B和C进行试验。
  操作   肩铣削(shoulder milling)   刀具直径   32mm   材料   SS1672   刀片类型   XOEX120408-M07   切削速度   275m/分钟   走刀量   0.25mm/齿   切削深度   3mm   切削宽度   8.8mm
  结果   工具寿命(分钟)   级别A(根据本发明的级别)   6.2   级别B   4.1   级别C   失败
试验是在相同的最大侧面磨损时停止的。使用根据本发明的级别， 耐磨损性得到很大改进。
实施例9
在不锈钢的机械加工中，对级别D、E和F进行试验。
  操作   断续车削   材料   SS2348   刀片类型   CNMG120408-MR3   切削速度   80m/分钟   走刀量   0.3mm   切削深度   2mm
  结果   工具寿命(循环数)   级别D(根据本发明的级别)   7   级别E   2   级别F   5
试验是在相同的最大侧面磨损时停止的。使用根据本发明的级别， 耐磨损性得到很大改进。
实施例10
在不锈钢的机械加工中，对级别D、E和F进行试验。
  操作   断续车削   材料   SS1672   刀片类型   CNMG120408-MR3   切削速度   350m/分钟   走刀量   0.3mm   切削深度   2mm
  结果   工具寿命(分钟)   级别D(根据本发明的级别)   11.1   级别E   4.5   级别F   9.2
试验是在相同的最大侧面磨损时停止的。使用根据本发明的级别， 耐磨损性得到很大改进。