織構化的氧化鋁層的製作方法

2023-08-03 20:50:51

專利名稱：織構化的氧化鋁層的製作方法
織構化的氧化鋁層
背景技術：
本發明涉及包含塗覆有織構化a-氧化鋁(a-Al2O3)層的主體的塗層切削工具，涉及該切削工具的製造方法和用途。所述層通過化學氣相沉積(CVD)生長，並且本發明提供在晶片形成加工中耐磨性優異並且性能良好的氧化物層。通常，基於CVD氧化鋁的塗層由碳氮化鈦內部層和Ci-Al2O3外部層組成。約15年前，發現通過控制氧化鋁層的晶體學取向(織構)可進一步改進氧化鋁層。這通過研發新的合成路線可實現，所述新的合成路線包括使用成核和生長順序、粘結層、反應氣體的使用順序、添加織構改性劑和/或通過使用氧化鋁轉化層。通常，通過使用X射線衍射(XRD)技術和織構係數的概念確定所述織構。使用多種粘結/成核層和生長順序來合成織構化的氧化鋁層·US 7094447公開了生產耐磨性和韌性改進了的織構化a -Al2O3層的方法。通過使用由鋁化和氧化步驟組成的成核順序，使該a-Al2O3層形成於(Ti，Al) (C, O, N)粘結層上。該層特徵在於由XRD確定的強的{012}生長織構。US 7442431公開了通過使用由短脈衝和含Ti脈衝吹洗和氧化脈衝組成的成核順序以在(Ti，Al) (C, O, N)粘結層上製造織構化a-Al2O3層的方法。該層特徵在於由XRD確定的強的{110}生長織構。US 7455900公開了通過使用由短脈衝和Ti+Al脈衝所組成之吹洗和氧化脈衝組成的成核順序以在(Ti，Al) (C，0，N)粘結層上製造織構化a-Al2O3層的方法。該層特徵在於由XRD確定的強的{116}生長織構。US 7442432公開了使用從US 7455900中所公開的技術修改的但與其相似的技術以在(Ti，Al) (C，O, N)粘結層上製造織構化a -Al2O3層的方法。該層特徵在於由XRD確定的強的{104}生長織構。US 2007104945公開了織構化a -Al2O3塗覆的切削工具刀片，為此獲得了成核控制的a-Al2O3層織構。該層特徵在於由XRD確定的強的{006}生長織構。US 2008187774公開了織構硬化a -Al2O3塗覆的切削工具刀片，其具有由XRD確定的{006}生長織構。US 6333103公開了生長在TiCo粘結層上的織構化a-Al2O3層，其特徵在於由XRD確定的{1010}生長織構。使用反應氣體的排序合成織構化的氧化鋁層US 5654035公開了塗覆有耐火單層或多層的主體，其中特定層特徵在於受控微觀結構和相組成，其具有相對於所述塗層主體表面的在擇優方向生長的晶面(生長織構)。所述織構化a -Al2O3層通過以如下的順序對反應氣體排序而獲得C02、CO和A1C13。該層特徵在於由XRD確定的強的{012}生長織構。US 5766782公開了塗覆有包括a -Al2O3的耐火單層或多層的切削工具，其中特定層特徵在於相對於所述塗層主體表面的受控微觀結構。所述織構化a-Al2O3層通過以如下的順序對反應氣體排序而獲得，即，使得首先將CO2和CO供至在N2和/或Ar氣氛中的反應器，然後將H2和AlCl3供至所述反應器。該層特徵在於由XRD確定的{104}生長織構。使用織構改性劑合成織構化的氧化鋁層US 7011867公開了包含一層或多層耐火化合物的塗層切削工具，在所述層中的至少一層是具有柱狀晶粒結構和由XRD確定的強的{300}生長織構的Ci-Al2O3層。通過在生長期間向反應氣體添加ZrCl4作為織構改性劑而獲得所述微觀結構和織構。US 5980988公開了通過在生長期間使用SF6作為織構改性劑而獲得的{110}織構化a -Al2O3層。通過XRD確定所述織構。US 5702808公開了通過在生長期間確定SF6和H2S的順序而獲得的{110}織構化a -Al2O3層。通過XRD確定所述織構。使用轉化層合成織構化的氧化鋁層
US RE4111公開了通過使用厚度為20_200nm的初始熱處理氧化鋁核層(轉化層)而獲得的{001}織構化a-Al2O3層。通過電子背散射衍射(EBSD)確定所述織構。對EBSD的說明以及通過使用極圖、極曲線圖、取向分布函數(ODF)和織構係數來分析織構評定可例如見 Valerie Randle 和 OlafEngler, (ISBN 90-5699-224-4) 13 - 40頁，Introduction to TextureAnalysis:Macrotexture, Microtexture, and OrientationMapping。 通常，所述織構評定可包括i )構建 0DF，ii )識別所述分量歐拉角Φ i、Φ和Φ2 (參見圖I)和它們相應的ODF密度以及織構係數，iii)構建一個或多個與織構分量有關的極圖，並且iv)構建一個或多個與織構分量有關的極曲線圖。本發明的目標是提供通過CVD沉積的具有優異耐磨性和晶片形成切削性能的織構控制α -Al2O3層。提供所述a -Al2O3層的製造方法也是本發明的目標。令人意想不到的是，已經發現，僅通過導致先進的金屬切削性能的層的生長條件，獲得對獨特a -Al2O3層織構的控制。


圖I是ODF表示中使用的相對於晶體學取向的歐拉角Φρ Φ和Φ2的定義。圖2是a)本發明{01-15}織構化a -Al2O3層(II)和Ti (C，N)層(I)和b)現有技術{001}織構化Q-Al2O3層(II)和Ti (C，N)層(I)的離子束拋光橫截面的背散射SEM顯微圖。圖3是a)具有分別標記有A和A'的{01-15}和{10-15}解的本發明{01-15}織構化a -Al2O3層和b)現有技術{0001}織構化a -Al2O3層的ODF等值線圖(0DF歐拉角和
密度)。圖4是a)本發明{01-15}織構分量、b)本發明{10-15}織構分量和c)現有技術{0001}織構化Q-Al2O3層的EBSD極圖。圖5是a)本發明{01-15}織構分量、b)本發明{10-15}織構分量和c)現有技術{0001}織構化Q-Al2O3層的EBSD極曲線圖。x是從所述極圖(參見圖4)的中心(x=0)至邊緣(X =90)的角度。MUD是單位分布的倍數。發明詳述根據本發明，提供了用於通過排屑進行加工的切削工具刀片，其包含基於燒結碳化物、金屬陶 瓷、陶瓷、立方氮化硼的材料的硬質合金主體，所述主體上沉積有包含至少一個Ci-Al2O3層的硬質耐磨塗層，所述Ci-Al2O3層被設計為具有參照所述塗層主體的表面法線的101-15}和/或{10-15}織構(晶體學取向)，優選為軸對稱的(纖維織構)。所述織構顯示出的ODF織構係數>1，優選1〈該織構係數〈50，最優選2〈該織構係數〈10，並且以ODF表示(歐拉空間)的織構分量分別滿足如下的{01-15}和{10-15}解i ) {01-15}在 1〈0DF 密度〈100、優選 10〈0DF 密度〈50 的情況下，O ° 彡 Φ!彡 90 °，17 ° <Φ〈47 °、優選 22 ° <Φ〈42 °，並且 I ° <Φ2〈59。、優選10。<Φ2<50°，和 / 或ii) {10-15}在 1〈0DF 密度〈100、優選 10〈0DF 密度〈50 的情況下，0° ( (^彡90°，17° <Φ〈47°、優選 22° <Φ〈42°，並且 61° <Φ2〈119°、優選70。<Φ2<110°。所述ODF構建自EBSD數據，該EBSD數據通過使用32X32X32點解析度的級數展開、5°的高斯半寬度和5° —組中的=34而得自在代表性區域上離子束拋光的a -Al2O3頂表面層上。所述a -Al2O3層的厚度為O. 5 μ m至40 μ m,優選O. 5 μ m至20 μ m,最優選I μ m至10 μ m,具有柱狀晶粒結構，在整個所述層厚度內，所有柱基本上具有O. 2 μ m至5 μ m、優選O. 2μπι至2. 5μπκ最優選O. 2μπι至I. 5μπι的相同柱寬，鄰近所述層厚度中間處測量所述柱寬。根據現有技術，所述塗層可以包含內部單層和/或多層塗層、和/或外部單層和/或多層塗層以達到總塗層厚度為O. 5至40 μ m、優選O. 5至20 μ m、並且最優選I至10 μ m，其中所述內部單層和/或多層塗層例如為TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優選Ti (C，O, N)，所述外部單層和/或多層塗層例如為TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優選TiN和/或Ti (C，O, N)。任選地，所述塗層主體以例如溼噴砂、刷塗操作等進行後處理，從而獲得希望的表面質量和/或刀刃形狀。用於本發明a -Al2O3層的沉積方法基於現有技術中已知的化學氣相沉積，其條件為在950°C至1050°C的溫度下，在混合的H2、CO2, CO、H2S、HCl和AlCl3中，在50至150毫巴的氣體壓力下。根據本發明，所述0)2/0)氣體流量比在0.3彡(0)2/0))低彡1.2、優選O. 5彡(C02/C0) I低彡I. O的低氣體流量比和1.8 ^ (C02/C0) |高彡3. O、優選I. 8彡(CO2/CO) I 2. 5的高氣體流量比之間向上和向下地、連續地或階式地循環變化，所述循環變化的周期為I分鐘至60分鐘，優選2分鐘至30分鐘。根據本發明確定所述氣體流量和氣體混合物是在本領域技術人員知識範圍以內的。本發明還涉及上述切削工具刀片用於通過排屑進行加工的用途，切削速度為75至600m/分鐘，優選150至600m/分鐘，取決於切削速度和刀片幾何形狀，在銑削情況下的平均每齒進給量為O. 08至O. 8mm,優選O. I至O. 6mm。
實施例I首先，將具有5. 5wt%Co、8wt%立方碳化物且餘量WC的構成的燒結碳化物切削刀片塗覆以6 μ m厚度的MTCVD Ti (C，N)層。在隨後的處理步驟中和在相同塗覆周期期間，通過以20分鐘的周期在條件I和條件2 (見表I)之間向上和向下的連續斜升所述氣體流量比C02/C0,沉積 5 μ m 厚的 a -Al2O3 層。表I
實施例2 以恆定的2. 0C02/C0氣體流量比重複實施例I。實施例3:使用在15kV運行並配備有HKL Nordlys II EBSD檢測器的LEOUltra 55掃描電子顯微鏡，通過SEM和EBSD來表徵得自實施例I和2的層。版本為5. O. 9. O的商業Channel5軟體用於數據採集。同樣的軟體用於數據分析計算0DF，即歐拉角和密度以及織構係數、極圖和極曲線圖。通過使用JEOL SM-09010橫截面拋光系統來離子束拋光所述Q-Al2O3層的頂表面，獲得用於EBSD的樣品。圖2顯示對於a)實施例I (本發明)和b)實施例2 (參照)在圖像中標記有II的Q-Al2O3層的離子束拋光橫截面的背散射SEM顯微圖。兩個層均顯示柱狀晶粒結構。本發明的層顯示在O. 2μπι至I. 7μπι範圍的柱寬，該柱寬窄於參照層的柱寬。圖3顯示得自a)具有分別標記有A和A'的{01-15}和{10-15}解、織構係數為6. 3的實施例I織構化a -Al2O3層和b)織構係數5. 5的實施例2 {0001}織構化a -Al2O3層的EBSD數據的ODF等值線圖(0DF歐拉角和密度)。對於{01-15}織構分量的歐拉角ΦρΦ和Φ2集中(最高的ODF密度)在約0°彡(^1彡90°、Φ約30°和小2約30°，而對於{10-15}織構分量的歐拉角Φ和Φ2集中在約0°彡(^1彡90。、Φ約30。和Φ2約90°。從Channel 5軟體獲得對於{01-15}的ODF密度值23。該結果證明了在實施例I中所述層的{10-15}纖維織構。此外，描繪了所述纖維織構的極圖和極曲線圖。圖4顯示來自實施例I的層的a) {01-15}織構分量和b) {10-15}織構分量的極圖。圖4c)顯示實施例2的極圖。圖5顯示得自實施例I的層的a){01_15}織構分量和b) {10-15}織構分量的極曲線圖。圖5c)顯示實施例2的極曲線圖。X是從圖4中極圖的中心(X =0)至邊緣(X =90)的角度。MUD是單位分布的倍數。實施例4
得自實施例I和實施例2的塗層刀片與競爭者級別的刀片一起，以如下的切削條件在連續車削應用中進行測試。工作件圓柱形棒材材料Ck45刀片類型CNMG120408切削速度400m/分鐘進給量0.45mm/ 轉切削深度2· Omm說明冷卻劑切削12分鐘後，以mm測量的刀刃磨損，Vb,顯不於表2中。表 權利要求
1.用於通過排屑進行加工的切削工具刀片，其包含基於燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬質合金主體，所述主體上通過CVD沉積有包含至少一個厚度為O.5μηι至40μηι的a-Al2O3層的硬質耐磨塗層,其特徵在於所述a-Al2O3層是{01-15}和/或{10-15}織構。
2.根據權利要求I所述的切削工具刀片，其特徵在於所述織構是纖維織構。
3.根據權利要求I或2所述的切削工具刀片，其特徵在於所述織構的ODF織構係數>1，優選I〈所述織構係數〈50。
4.根據權利要求1、2或3所述的切削工具刀片，其特徵在於所述織構在1〈0DF密度〈100的情況下顯示出以ODF表示的如下織構分量，其滿足具有如下歐拉角的{01-15}和{10-15}解之一或這兩者 i)0°彡 <^<90°，17° <Φ〈47。和 1° <Φ2〈59°，和 ii)0°彡 <^<90°，17° <Φ〈47。和 61° <Φ2〈119。。
5.根據權利要求4所述的切削工具刀片，其特徵在於 i )0° 彡 <^<90°，22。<Φ<42° 和 10° <Φ2〈50°，和 ii)0° 彡 <^<90°，22。<Φ<42° 和 70° <Φ2〈110。。
6.根據權利要求4所述的切削工具刀片，其特徵在於10〈所述ODF密度〈50。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的切削工具刀片，其特徵在於所述Ci-Al2O3層具有柱狀晶粒織構，在整個所述層厚度內，所有柱基本上具有O. 2μπι至5μπι的相同柱寬。
8.根據權利要求7所述的切削工具刀片，其特徵在於在整個所述層內，所述柱寬為O.2 μ m 至 2. 5 μ m。
9.根據權利要求I所述的切削工具刀片，其特徵在於所述塗層包含內部單層和/或多層塗層、和/或外部單層和/或多層塗層以達到總厚度為O. 5至40 μ m，優選O. 5至20 μ m，其中所述內部單層和/或多層塗層例如為TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優選Ti (C，O, N)，所述外部單層和/或多層塗層例如為TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優選TiN和/或Ti (C，O, N)。
10.製造包含基於燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的主體的切削工具刀片的方法，在50至150毫巴的氣體壓力下，在混合的H2、CO2, CO、H2S, HCl和AlCl3中，在950°C至1050°C的溫度下，通過化學氣相沉積，在所述主體上沉積包含至少一個a -Al2O3層的硬質耐磨塗層，其特徵在於所述C02/C0氣體流量比在O. 3 ( (C02/C0) I低彡I. 2的低氣體流量比和I. 8 ( (C02/C0) I高彡3. O的高氣體流量比之間向上和向下地、連續地或階式地循環變化，所述循環變化的周期為I分鐘至60分鐘，優選2分鐘至30分鐘。
11.根據權利要求10所述的製造切削工具刀片的方法，其特徵在於所述低C02/C0氣體流量比為O. 5彡(C02/C0) I低彡I. 0，並且高氣體流量比為1.8 ^ (C02/C0) |高彡2· 5。
12.根據權利要求I至9所述的切削工具刀片用於通過排屑進行加工的用途，切削速度為75至600m/分鐘，優選150至600m/分鐘，取決於切削速度和刀片幾何形狀，在銑削情況下的平均每齒進給量為O. 08至O. 8mm,優選O. I至O. 6mm。
全文摘要
本發明涉及用於通過排屑進行加工的切削工具刀片，其包含基於燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬質合金主體，所述主體上通過CVD沉積硬質耐磨塗層。所述塗層包含至少一個厚度為0.5μm至40μm、具有{01-15}和/或{10-15}織構、顯示優異耐磨性和金屬切削性能的α-Al2O3層。本發明還涉及所述切削工具刀片的製造方法和用途。
文檔編號C23C16/455GK102933742SQ201180028307
公開日2013年2月13日 申請日期2011年6月7日 優先權日2010年6月8日
發明者託米·拉爾森, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司