專利名稱：耐磨性能增強的氧化物涂層刀具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于成屑加工的氧化物涂層切削刀具。
在切削刀具上化學氣相沉積氧化鋁是一項成熟的技術。Al2O3以及其它耐高溫材料的耐磨損性能已在文獻中大量討論過。
CVD技術也被用來制造其他金屬的氧化物、碳化物和氮化物涂層，該金屬選自元素周期表中IVB、VB和VIB族中的過渡金屬。許多這類化合物被用作耐磨和保護涂層，但很少受到象TiC、TiN和Al2O3那樣的廣泛關注。
Al2O3以幾種不同的相結晶，α，κ，γ，β，θ等，在CVD制取的耐磨Al2O3涂層中最常見的兩種相是熱力學穩(wěn)定的六方α相和亞穩(wěn)定的κ相。一般地，κ相是粒徑在0.5～3.5μm范圍內(nèi)的細晶結構，常表現(xiàn)出柱狀涂層形態(tài)，而且κ-Al2O3涂層沒有結晶缺陷，且沒有微孔或空洞。κ-Al2O3的結晶結構基本上為斜方的，晶胞可用正交指數(shù)表示，它可轉(zhuǎn)換成具有六方指數(shù)的六方晶胞。
在混合的α＋κ-Al2O3涂層中，α-Al2O3晶粒常較粗大，取決于沉積條件，其粒徑為1～6μm。這種情況下經(jīng)常出現(xiàn)氣孔和結晶缺陷。
在商業(yè)化切削刀具上，常常在TiCxNyOz涂層碳化物或陶瓷基體上涂覆Al2O3(見，例如美國專利號No.3837896，現(xiàn)在的美國再公告專利號No.29420和美國專利號No.5071696)，TiCxNyOz與Al2O3涂層間的界面化學反應尤其重要。
用氧化物涂覆硬質(zhì)合金刀具從而進一步提高它們的耐磨性在本質(zhì)上是公所周知的。在例如美國再公告專利號No.29420和美國專利號Nos.4399168，4018631，4490191和4463033中就有證據(jù)。這些專利揭示了氧化物涂層體以及例如TiC涂層硬質(zhì)合金的不同預處理如何增強了下一步沉積的氧化物層的粘附性能。氧化鋁涂層體在美國專利號No.3736107，5071696和5137774中有進一步揭示，其中Al2O3層依次為α相，κ相，α＋κ混合相。
Smith在US4619866描述了一種在摻雜劑例如硫化氫(H2S)的影響下，通過利用一種金屬鹵化物的水解反應而制備快速生長Al2O3層的方法。所得的涂層包括κ相小晶粒和α相大晶粒的混合相。該工藝制備的涂層具有在被涂覆基體周圍均勻的層厚分布。
美國專利號No.5071696揭示了通過在一種MX層上外延沉積而涂覆有單相κ-Al2O3層的刀體，其中MX是取自周期表的IVB、VB或VIB族的一種金屬的碳化物、碳氮化物或氧碳氮化物。瑞典專利申請9101953-9揭示了一種生長細晶κ-Al2O3涂層的方法。
瑞典專利申請No.9203852-0揭示的單相α-Al2O3層在(012)方向具有擇優(yōu)晶體生長取向。瑞典專利申請No.9304283-6的是在(110)方向上，瑞典專利申請No.9400089-0的是在(104)方向上。
因而本發(fā)明的目的是利用適宜的成核和生長條件在硬質(zhì)合金基體上或優(yōu)選地在上述TiCxNyOz涂層上提供至少一種具有所需顯微結構和結晶學結構的基本單相的多晶κ-Al2O3層，以便把Al2O3層的所說的性質(zhì)穩(wěn)定化。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種加工球軸承鋼時切削性能增強的氧化鋁涂層切削刀片。


圖1是用要求保護的工藝制備的典型Al2O3涂層在2000放大倍數(shù)下的掃描電鏡(SEM)俯視圖。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種在其上沉積有耐磨涂層的硬質(zhì)合金體的刀具。涂層含有一層或多層耐高溫層，其中至少一層是κ相多晶體的致密Al2O3織構層。
根據(jù)本發(fā)明涂覆的切削刀具，在使用切削液加工球軸承鋼時比現(xiàn)有技術的刀具表現(xiàn)出增強的耐磨性。
更確切地，涂層刀具含有一個燒結硬質(zhì)合金體、金屬陶瓷或陶瓷體的基體，優(yōu)選地在一種金屬粘結相中有至少一種金屬碳化物。涂層結構中的各個層可以是TiC或選自由元素周期表中的IVB、VB、VIB族的金屬，B、Al和Si組成的組中的一種金屬的相關碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物和氧碳氮化物和/或其混合物。所說的涂層的至少一層是與基體相接觸。然而，涂層結構中的至少一層是無微孔和結晶缺陷的細晶、致密、基本單相的κ-Al2O3層。這層涂層是具有厚度d＝0.5～25μm，優(yōu)選地1～10μm以及粒徑0.5～6μm；優(yōu)選地0.5～4μm的擇優(yōu)織構層。
根據(jù)本發(fā)明，該Al2O3層經(jīng)X射線衍射法(XRD)測定在(210)方向具有擇優(yōu)晶體生長取向?？棙嬒禂?shù)TC可定義為TC(hk1)=I(hk1)I0(hk1){1nΣI(hk1)I0(hk1)}-1]]>式中，I(hk1)＝(hk1)反射的測試強度，I0(hk1)＝ASTM標準粉末圖樣衍射數(shù)據(jù)的標準強度。
n＝計算中所用的反射面的數(shù)目，所用的(hk1)反射面有(002)，(112)，(013)，(122)，(113)，(032)，(210)，(222)，(050)。
根據(jù)本發(fā)明，(210)晶面的TC值大于1.5，優(yōu)選地大于2.5，最優(yōu)選地大于3.0。
在一個優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的氧化鋁涂層優(yōu)選地是最外層，但也可在其上沉積一層或更多層涂層例如一層薄的厚度為＜1μm的TiN層。
在一個更優(yōu)選的實施例中，所說的氧化鋁層與優(yōu)選地為涂層最內(nèi)層的TiCxNyOz層相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，Al2O3織構層是通過仔細控制Al2O3成核過程中的工藝條件而得到的，此外在Al2O3成核前，把生產(chǎn)氣體的氧化勢例如水蒸汽的濃度控制在5ppm以下是至關重要的。Al2O3的成核是通過按下述控制反應氣體的順序開始的H2和HCl以上述順序先流進反應器，然后是AlCl3，CO2最后流入。成核過程中所加的HCl量應控制在2.5與10vol％之間，優(yōu)選地在3.0與6.0vol％之間，最優(yōu)選地在3.5與5.0vol％之間。成核過程中溫度優(yōu)選地在950℃與1000℃之間，氧化鋁沉積過程中的生長步驟可在與成核步驟相同的溫度下進行，但要添加摻雜劑，一種含硫氣體，優(yōu)選地為H2S，以提高沉積速率。然而，確切的條件在一定程度上取決于所用設備的結構。決定是否已達到所必需的織構和涂層形態(tài)并在必要時根據(jù)現(xiàn)場情況改變成核和沉積條件以便產(chǎn)生織構度和涂層形態(tài)，是熟練技工權限范圍的事。
已發(fā)現(xiàn)一個平滑的涂層表面會進一步提高刀片的切削效果。可通過用細晶粒(400-150目)氧化鋁粉對涂層表面進行輕微的濕法噴砂處理或用基于例如瑞典專利申請9402543-4所揭示的那種SiC的刷子對刀刃進行涂刷處理來獲得平滑的涂層表面。
實施例1A.對組成為5.5wt％的Co，8.6wt％的立方碳化物和余量的WC的硬質(zhì)合金切削刀片用化學氣相沉積工藝涂覆一層4μm厚的TiCN層。在同一涂覆周期的下面工藝中，涂覆一層6μm厚的κ-Al2O3層，Al2O3涂層工藝分為兩部分成核部分和生長部分，在生長部分中用H2S作為摻雜劑對工藝進行催化。在Al2O3的成核過程中要控制工藝參數(shù)以便促進形成Al2O3層的(210)織構。
在Al2O3的沉積過程之前，要把流過反應器的氣體的氧化勢保持在最低水準以確保表面組成有助于κ-Al2O3的沉積。
Al2O3沉積過程中的工藝條件為成核 生長CO2vol％3.53.5AlCl3vol％2.32.3HClvol％3.54.5H2S vol％- 0.4H2vol％余量 余量壓力 毫巴 55 55溫度 ℃ 980980時間 h1 8.5XRD分析表明涂層為單相κ-Al2O3，所具有的晶面(210)的織構系數(shù)TC(210)為3.3。SEM研究表明Al2O3層的厚度為6μm。
B.組成與上述A中相同的硬質(zhì)合金切削刀片，對它進行涂覆并涂覆一層5μm厚的TiCN層，然后一層5.8μm厚的κ-Al2O3的沉積是根據(jù)原有技術進行的。
涂層的XRD分析表明Al2O3為單相κ-Al2O3，(013)晶面的織構系數(shù)TC(013)為3.1。
C.根據(jù)原有技術對根據(jù)A的硬質(zhì)合金切削刀片涂覆TiCN，然后涂覆Al2O3，得到α-Al2O3粗晶粒和κ-Al2O3細晶粒的混合物。在一個拋光的橫截面上發(fā)現(xiàn)TiCN層的厚度為5.0μm，混合相Al2O3層的厚度約為6.2μm，XRD檢測表明κ/α比約為0.4。κ-Al2O3表現(xiàn)出(013)晶面的織構系數(shù)TC(013)為2.6，而α-Al2O3表明沒有擇優(yōu)取向。
D.對取自沉積A的刀片在流動H2氣氛中熱處理8小時。這導致κ-Al2O3100％轉(zhuǎn)變成α-Al2O3。根據(jù)XRD分析，該α-Al2O3層表現(xiàn)出在(104)晶面以及(110)晶面的織構系數(shù)TC為1.5。
對刀片進行球軸承鋼與(DIN100CrMo6相似)的縱向車削加工試驗以檢查其側(cè)面耐磨損性能。
切削數(shù)據(jù)速度200米/分切深2.0mm進給量0.36mm/轉(zhuǎn)使用切削液試驗結果以在切削刀片上達到0.3mm的預定側(cè)面磨損所需的工時列于下表。
達到0.3mm側(cè)面磨損的時間，分鐘試驗1試驗2A.κ-Al2O3(210) 22.5 22.5(發(fā)明)B.κ-Al2O3(013) 15 17.5C.α＋κ-Al2O315 15D.A熱處理 15 17.5實施例2
A.根據(jù)本發(fā)明，對組成為5.5wt％的Co，8.6wt％的立方碳化物和余量的WC的硬質(zhì)合金切削刀片如上述實施例1中一樣，用化學氣相沉積(CVD)工藝涂覆一層4μm的TiCN，然后涂層一層5.8μm的κ-Al2O3。
Al2O3沉積過程中的工藝條件為成核生長CO2vol％3.5 3.5AlCl3vol％2.3 2.3HClvol％5.0 3.5H2S vol％- 0.4H2余量余量壓力 毫巴 55 55溫度 ℃ 980 980時間 h1 8.5XRD分析表明涂層由單相κ-Al2O3構成，其(210)晶面的織構系數(shù)TC(210)為2.2。
B.組成與上述A中相同的硬質(zhì)合金切削刀片，對它進行涂覆并涂覆4μm厚的TiCN，然后6.3μm厚的κ-Al2O3。該κ-Al2O3的沉積是根據(jù)原有技術進行的。
涂層的XRD分析表明Al2O3由具有(013)結晶取向的單相κ-Al2O3構成，其(013)晶面的織構系數(shù)TC為3.2。刀片的SEM研究表明Al2O3層的平均粒徑為2.8μm。
C.根據(jù)上述實施例1的C的硬質(zhì)合金切削刀片。
對刀片進行球軸承鋼(與DIN100CrMo6相似)的縱向車削加工試驗以檢查其側(cè)面耐磨損性能。
切削數(shù)據(jù)速度200米/分切深2.0mm進給量0.36mm/rev
使用切削液試驗結果以在切削刀片上達到0.3mm的預定側(cè)面磨損所需的工時列于下表。
達到0.3mm側(cè)面磨損的時間，分鐘試驗1試驗2A.κ-Al2O3(210) 30 35(發(fā)明)B.κ-Al2O3(013) 22.5 22.5C.α＋κ-Al2O312.5 15實施例3取自實施例1的刀片，在涂覆工藝后用150目的Al2O3對刀片進行濕法噴砂處理以便使涂層平滑。然后對它們進行SS2172-4的端面車削試驗。在這種車削加工中刃棱剝落是關鍵的磨損機制。
切削數(shù)據(jù)速度130m/min進給量0.2mm/rev切深2.0mm工件的形狀應使每轉(zhuǎn)一周過程中切削中斷三次。
刃棱剝落(％)實施例1的刀片B 78實施例1的刀片A 67實施例1的刀片A， 經(jīng)濕法噴砂處理權利要求
1.一種至少部分涂覆有一層或多層耐高溫材料層，其中至少一層為Al2O3的物體，其特征在于所說的氧化鋁的涂層厚度為0.5～25μm，且它由在(210)方向具有織構的單相κ-Al2O3構成，其織構系數(shù)大于1.5，優(yōu)選地大于2.5，最優(yōu)選地大于3.0，織構系數(shù)定義如下TC(hk1)=I(hk1)I0(hk1){1nΣI(hk1)I0(hk1)}-1]]>式中I(hk1)＝(hk1)反射的測試強度，I0(hk1)＝ASTM標準粉末圖樣衍射數(shù)據(jù)的標準強度，n＝計算中所用的反射面的數(shù)目，所用的(hk1)反射面有(002)，(112)，(013)，(122)，(113)，(032)，(210)，(222)，(050)。
2.根據(jù)前述權利要求的物體，其特征在于所說的Al2O3層為最外層。
3.根據(jù)前述任一項權利要求的物體，其特征在于所說的Al2O3層與一層TiCxNyOz層相接觸。
4.根據(jù)權利要求3的物體，其特征在于所說的TiCxNyOz層是涂層的最里層。
5.根據(jù)前述任一項權利要求的物體，其特征在于在所說的氧化鋁層上面是一厚度最高為1μm的TiN薄層。
6.根據(jù)前述任一項權利要求的物體，其特征在于所說的物體是硬質(zhì)合金，鈦基碳氮化物或陶瓷的切削刀具。
7.一種用κ-Al2O3涂層涂覆物體的方法，其中該物體在高溫下與含有一種或多種鋁的鹵化物和一種水解劑和/或氧化劑的載H2氣體相接觸，其特征在于通過使H2O或其它氧化性物質(zhì)的總濃度優(yōu)選地在5ppm以下而使氧化鋁涂層之前的氧化勢保持在低水平，氧化鋁的成核是通過控制反應氣體的順序開始的，HCl和AlCl3在H2氣氛中首先進入反應器，然后CO2進入，HCl量控制在2.5～10vol％之間，優(yōu)選地3.0～6vol％，最優(yōu)選地3.5～5vol％，成核過程中的溫度在950～1000℃之間，并在Al2O3的生長過程中，添加了一種含硫氣體，優(yōu)選地為H2S。
8.一種根據(jù)權利要求7的用κ-Al2O3涂層涂覆物體的方法，其特征在于對氧化鋁進行例如濕法噴砂的后處理。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種涂覆有單層或多層耐高溫材料層(其中一層由單相k-Al
文檔編號C23C30/00GK1148100SQ9611019
公開日1997年4月23日 申請日期1996年7月12日 優(yōu)先權日1995年7月14日
發(fā)明者A·庫施爾 申請人:桑德維克公司