專利名稱：具有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的三氧化二鋁陶瓷工具的制作方法
背景技術(shù)：
目前大部分切削嵌件包含由燒結(jié)碳化物制成的基底，因?yàn)樵摕Y(jié)碳化物有高韌性和優(yōu)良的耐磨性。但具有陶瓷基底的切削工具和切削嵌件(“陶瓷工具”)的應(yīng)用日益增加。這類陶瓷工具在高-速精加工操作中有廣泛應(yīng)用并用于以高切削速率機(jī)加工難以用機(jī)器加工的材料中。陶瓷工具的應(yīng)用增多可能是由于合金陶瓷和陶瓷-基質(zhì)復(fù)合物的改進(jìn)以及陶瓷加工工藝的進(jìn)展。在切削工具中所用的陶瓷通常是無機(jī)非金屬材料。
陶瓷工具的制備通常包括粉末陶瓷的熔凝和燒結(jié)。燒結(jié)為熔凝粉末提供所需的致密化，并可任選在壓力下進(jìn)行。在無壓燒結(jié)中，該粉末首先成型為坯件或未燒結(jié)體，然后經(jīng)燒結(jié)可達(dá)到所需的致密化。陶瓷的熱壓法包括在模具中加熱并同時(shí)單向壓制該粉末。盡管熱-壓陶瓷是較昂貴的，但與冷-壓制材料相比其可制備具有較細(xì)粒度、較高密度和較高橫向斷裂強(qiáng)度的陶瓷。
目前在切削工具中使用的陶瓷是基于氧化鋁(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。其它陶瓷如氧化鎂、氧化釔、氧化鋯、氧化鉻和碳化鈦可用作添加劑以有助于燒結(jié)或形成具有改進(jìn)熱-機(jī)械性的合金陶瓷。
含氧化鋁基底的陶瓷工具可用于高切削速度的金屬機(jī)加工，這是由于氧化鋁基底的化學(xué)惰性和高強(qiáng)度。市售的重要氧化鋁陶瓷工具是加入氧化鎂作為燒結(jié)助劑和晶粒長大抑止劑的基本上是細(xì)粒(小于5μm)的Al2O3。氧化鋁陶瓷也可與鈦或鉻的低價(jià)氧化物成合金以形成固溶體。三種主要的可市購的氧化鋁基的工具材料是Al2O3/Ti、Al2O3/ZrO2和用碳化硅(SiC)須晶增強(qiáng)的Al2O3。其它Al2O3基陶瓷可具有TiN、TiB2、Ti(C，N)和Zr(C，N)的添加劑。
氧化鋁-氧化鋯(Al2O3/ZrO2)是一種合金陶瓷。加入氧化鋯提高了氧化鋁基底較高的斷裂韌性和耐熱沖擊性。用氧化鋯韌化氧化鋁利用了特定的結(jié)晶學(xué)變化、馬氏體型變換，其產(chǎn)生于吸收能量的機(jī)制。亞穩(wěn)態(tài)矩形ZrO2的存在提供了在應(yīng)力下轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的單斜結(jié)構(gòu)的可能。該轉(zhuǎn)變作為一種應(yīng)力吸收劑，并甚至在有裂紋存在時(shí)可防止進(jìn)一步破裂。
通常該二氧化鋯顆粒集中在氧化鋁的晶界。雖然破裂是晶間的，但認(rèn)為在因破裂引起斷裂前這些顆粒的存在提供了附加的韌性。三種最通用的組合物是含10、25和40重量％的ZrO2，其余為氧化鋁。含40重量％ZrO2的組合物接近低共熔濃度。較高的ZrO2含量的組合物的硬度較低但韌性較高。
切削嵌件可經(jīng)涂敷以增加其耐磨性?？捎苫瘜W(xué)汽相淀積法(‘CVD’)或物理汽相淀積法(‘PVD’)在切削工具上涂敷單涂層或多涂層。氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)和氧化鋁(Al2O3)是適于碳化物基的切削工具的最常用的CVD涂層材料。已研發(fā)在陶瓷基底上的薄涂層(2-5μm)其主要是用于限制在工具和工件材料之間的化學(xué)相互作用，并改進(jìn)耐磨性。最近的研究工作實(shí)例是將最新的CVD涂敷工藝用于陶瓷切削嵌件其包括美國專利申請No.6447896的涂敷增強(qiáng)的陶瓷切削工具；美國專利申請No.2002/0076284的涂敷的氮化硅陶瓷切削工具；含有美國專利申請No.2002/0054794的以氧化鋁基質(zhì)相分散的硬質(zhì)相的涂敷的復(fù)合陶瓷切削嵌件。
需研發(fā)一種適于陶瓷工具的新的涂敷工藝，以進(jìn)一步改進(jìn)陶瓷工具的耐磨性和耐化學(xué)性，從而滿足機(jī)加工生產(chǎn)率日益增長的需要。
發(fā)明概述至少一方面，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種包括含基底的切削工具，其中該基底包含氧化鋁和氧化鋯和擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。本發(fā)明的目的還在于提供一種在基底上形成擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的方法。擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層增加施加在切削工具上的耐磨層的粘附性。擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層包括含氮和氯化鋁的混合物和至少在基底中存在的氧化鋯之問的反應(yīng)產(chǎn)物。
在另一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種包括基底的切削嵌件，其中該基底包含氧化鋁和氧化鋯，含鋯的氮化物、氧化鋯和鋁的氮化物的中間層和至少一層耐磨涂層。
本發(fā)明方法的實(shí)施方案包括使基地底經(jīng)受氯化鋁和氮的作用，其中該基底含氧化鋁和氧化鋯；用至少一種化學(xué)汽相淀積法或物理汽相淀積法(pressure vapor deposition process)涂敷該基底。該基底可包含按基底總重量計(jì)的0.5-45重量％的氧化鋯。該方法可包括使基底經(jīng)受含氯化鋁和氮的氣體混合物的作用。
在基底上的涂層可用CVD或PVD以及其它方法涂敷。每種涂層可獨(dú)立地含有選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種，諸如，但不限于，選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
讀者將理解前述的本發(fā)明的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)，以及基于本發(fā)明實(shí)施方案的下列詳述中的其它優(yōu)點(diǎn)。讀者也可在制造和/或應(yīng)用本發(fā)明中的實(shí)施方案中充分領(lǐng)悟本發(fā)明的附加細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡介本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可參閱附圖而更好地理解
圖1是所制備截面的放大1000倍的顯微照片，示出在Al2O3/ZrO2陶瓷基底表面上形成的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層；圖2A和2B是放大1000倍的顯微照片，用于對比無擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的CVD涂敷的Al2O3/ZrO2陶瓷基底(圖2A)和有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的CVD涂敷的Al2O3/ZrO2陶瓷基底(圖2B)；圖3A和3B是在兩個(gè)Al2O3/ZrO2陶瓷切削嵌件的CVD涂層上以恒定10kg負(fù)荷進(jìn)行劃痕試驗(yàn)后的Al2O3/ZrO2陶瓷切削嵌件的顯微照片，一個(gè)切削嵌件的制備是無擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層(圖3A)，而另一個(gè)切削嵌件是制備有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層(圖3B)；圖4A和4B示出比較機(jī)加工試驗(yàn)結(jié)果的示圖(案例1和案例2)，其是在不同切削條件和用工件材料進(jìn)行的，以說明有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層和耐磨涂層的氧化鋁和氧化鋯基底的陶瓷切削嵌件的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種包含有氧化鋁和氧化鋯的基底和擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的切削工具。該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層產(chǎn)生于試劑和基底中的氧化鋯和氧化鋁中至少一種之間的反應(yīng)。擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層可包含鋯的氮化物和鋁的氮化物，并且這些化合物的存在增加了其后涂層的粘附性。所以擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層可用作基底和耐磨層之間的中間層。擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的存在可明顯改進(jìn)經(jīng)涂敷的Al2O3陶瓷切削嵌件的工具壽命。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案在于基底的氧化鋁和氧化鋯中的至少一種與氮(N2)和氯化鋁(AlCl3)的混合物在表面區(qū)的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)可以是在N2和AlCl3的氣體混合物與基底組分之間進(jìn)行?？捎靡阎糠蠓椒òǖ幌抻贑VD和PVD涂敷單層或多層耐磨層。
擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的厚度決定于反應(yīng)物向基底中的擴(kuò)散。擴(kuò)散是由于分子無規(guī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能引起的分子混雜的過程，換句話說是由于各原子在基底即本發(fā)明的含氧化鋯的氧化鋁陶瓷基底的表面區(qū)的無規(guī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。在較高溫度下，擴(kuò)散速率增加，所以某些反應(yīng)物可以某種深度進(jìn)入基底，化學(xué)結(jié)合到表面區(qū)。該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層并不起耐磨涂層的作用，而是在陶瓷基底和耐熔金屬基的CVD涂層之間作為中間層以增加粘附性。實(shí)驗(yàn)已表明，在有氧化鋯的氧化鋁陶瓷基底上直接涂敷CVD涂層常常不能達(dá)到優(yōu)良粘附。該涂層在機(jī)加工過程中常會(huì)出現(xiàn)剝離和裂紋，從而造成陶瓷工具的短的使用壽命。
本發(fā)明提供的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層可在陶瓷基底上形成相當(dāng)勻質(zhì)的、穩(wěn)定的和高粘附性的層。認(rèn)為該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層含有一種在氮及氯化鋁和基底中所存在的氧化鋯之間的反應(yīng)產(chǎn)物。擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的厚度可通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間、基底的表面粗糙度以及其它參數(shù)等中的至少之一來控制以產(chǎn)生所需涂層厚度。
本發(fā)明的切削工具的一些實(shí)施方案包括含氧化鋁和氧化鋯的基底。通常目前市售可得的基底包含0.5-45重量％的氧化鋯。在某些實(shí)施方案如需有較硬基底的方案中，該基底可含0.5-26重量％的氧化鋯，或優(yōu)選2-26重量％的氧化鋯，或更優(yōu)選9-11重量％的氧化鋯。
切削工具的一些實(shí)施方案可包含一層或多層耐磨涂層或耐化學(xué)涂層，這里共同稱為”耐磨涂層”。該一層或多層耐磨涂層是在作為介于第一耐磨單層和多層與基底之間的粘結(jié)界面的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層上，增加了涂層與含氧化鋯的氧化鋁陶瓷基底的粘附性。該切削工具可包含可由CVD或PVD淀積的任何層。具體而言，該耐磨涂層可獨(dú)立地包含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬碳氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種或其組合，諸如但不限于氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)。適用于切削工具的通常工業(yè)用多層涂層可包括如氮化鈦的第一耐磨涂層、碳氮化鈦的第二耐磨涂層和氮化鈦的第三耐磨涂層。
每一耐磨涂層的厚度可以是適于特殊機(jī)加工應(yīng)用或適于待機(jī)加工材料的所需任何厚度。在基底表面上的涂層總厚度通常為約1-20μm，或更多為1-5μm。單獨(dú)耐磨涂層通常的厚度可為0.25-2μm。
本發(fā)明的切削工具的實(shí)施方案也可包含有氧化鋁和氧化鋯的基底、含鋯的氮化物、氧化鋯和鋁的氮化物的中間層和至少一層耐磨涂層。
本發(fā)明還涉及一種涂敷切削工具的方法。該方法的實(shí)施方案包括使包含氧化鋁和氧化鋯的基底經(jīng)受氯化鋁和氮的作用，并用至少一種選自CVD和PVD的方法涂敷該基底。本發(fā)明方法的實(shí)施方案包括含0.5-45重量％的氧化鋯的基底。在某些需要較硬基底的實(shí)施方案中，該基底含0.5-26重量％的氧化鋯或優(yōu)選2-26重量％的氧化鋯或更優(yōu)選為9-11重量％的氧化鋯。
該基底可經(jīng)受含氯化鋁和氮的氣體混合物的作用。該氣體混合物可含濃度為25-99重量％，更優(yōu)選75-99重量％的氯化鋁。該氣體混合物可含有其為惰性或基本惰性的其它成分，“基本惰性”意指該添加的成分不干擾擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的形成。當(dāng)使用含氯化鋁和氮的氣體混合物形成擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層時(shí)，則可使用任何壓力，盡管較高壓力會(huì)使氣相和固相之間發(fā)生更多相互反應(yīng)。在擴(kuò)散過程中所用的氣體混合物的壓力可用于控制形成擴(kuò)散增強(qiáng)層的反應(yīng)。較高壓力可有利于氧化鋯和氮之間的較高反應(yīng)性。所以為提供合適的控制，可優(yōu)選維持壓力為200-1500毫巴或甚至400-1000毫巴。
在固體中的擴(kuò)散可在任何溫度下進(jìn)行?？杉訜嵩摎怏w混合物或基底以增加擴(kuò)散速率。較高溫度可產(chǎn)生較高擴(kuò)散速率，但該操作溫度不能高到在固態(tài)基底中引起任何不利的變化。所以對含氧化鋁和氧化鋯的基底，可以優(yōu)選是氣體混合物或基底的溫度為50-1400℃或50-1200℃。希望更窄的溫度范圍以保持工業(yè)上合適的擴(kuò)散速率而不影響基底，所以所希望的氣體混合物或基底的溫度為500-1200℃或更優(yōu)選1000-1200℃。
除非另有指明，在本說明書和權(quán)利要求中所用的表示成分的量、時(shí)間、溫度等的數(shù)值意指在所有情況下均由術(shù)語”約”修正。因此除非有相反指明，該在下面說明書和權(quán)利要求中所列出的數(shù)字參數(shù)均是近似值，其可根據(jù)由本發(fā)明要獲得的所需特性而變化。最少也不打算限制相當(dāng)于權(quán)利要求范圍的原則的應(yīng)用，每一數(shù)值參數(shù)至少按所列的有效位數(shù)和應(yīng)用通常的舍入原理進(jìn)行。
雖然設(shè)定的本發(fā)明的寬范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在具體實(shí)施例中示出的數(shù)值是盡可能精確。但任何數(shù)值均可固有包含在其各實(shí)驗(yàn)測量中所產(chǎn)生的來自標(biāo)準(zhǔn)偏差的某些誤差。
本發(fā)明實(shí)施方案的實(shí)施例下面的實(shí)施例表明了在含氧化鋁和氧化鋯的基底上的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的形成和在該基底上的耐磨涂層的粘附性的增加。此實(shí)施例的陶瓷基底含90重量％的Al2O3和10重量％的ZrO2。該基底的密度為4.0g/cm3，硬度為1800Hv，韌性為4.5MN/m3/2，傳熱系數(shù)為0.07cal/cm·sec·℃。
該基底在壓力為500毫巴下經(jīng)受含氯化鋁和氮的氣體混合物的作用。將該基底加熱到約1020℃。在氣體混合物中的Al2′O3/N2的比約為7。
圖1是本發(fā)明所制備的切削工具10的截面在放大1000倍時(shí)的顯微照片，以透視圖示出在頂部12和截面面13之間的邊界11。在經(jīng)受氣體混合物作用后該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層14清楚地示于基底15上。如圖1所示，該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層14是在整個(gè)基底15的表面上均勻地形成。圖1中在基底15上的該擴(kuò)散-粘結(jié)層14的厚度約為1/2微米(0.5μm)。
圖2A和2B是涂敷有Al2O3/ZrO2的陶瓷基底的截面的放大1000倍的顯微照片，該基底上涂敷有多層耐磨涂層。圖2A示出經(jīng)涂敷的陶瓷基底20的截面的顯微照片，該基底20有第一涂層TiN22、第二涂層TiCN23和第三涂層TiN24，其直接涂在基底21上，沒有中間擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。圖2B示出在第一涂層TiN27和基底26之間有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層30的經(jīng)涂敷的陶瓷基底25的截面的顯微照片。該經(jīng)涂敷的陶瓷基底25也有第二涂層TiCN28和第三涂層TiN29。如在圖2A所示出的，該第一涂層TiN22在整個(gè)Al2O3/ZrO2的陶瓷基底21上粘附不好且分布不均勻，不良的粘附性可由在第一涂層TiN22和基底21之間的顯微照片的暗區(qū)域31所表明。與此相反，該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層30在第一涂層TiN27和基底26兩者上具有優(yōu)良的粘附性和均勻的分布。在圖2A和2B的基底20和25中所示的多涂層是用CVD淀積的TiN-TiCN-TiN，其總厚度為3微米。在基本Al2O3/ZrO2的陶瓷基底26上形成的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層可由各種化學(xué)元素或化合物組成，包括氮化鋯、氧化鋯和氮化鋁，其以產(chǎn)生均勻分布的混合金屬方式熔融在一起。經(jīng)涂敷的切削工具的試驗(yàn)劃痕試驗(yàn)進(jìn)行性能試驗(yàn)以測定在基底和第一耐磨涂層之間含擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的切削工具是否會(huì)對CVD或PVD涂層(單層或多層)提供強(qiáng)粘附。制備兩種切削工具，一種具有直接涂于基底上的多層耐磨涂層，第二種在基底和由上述方法形成的多層耐磨涂層之間具有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。兩種切削嵌件同樣用CVD法以三微米厚度涂敷TiN-TiCN-TiN。圖3A和圖3B是每種經(jīng)涂敷的陶瓷基底在以恒定10kg負(fù)荷下進(jìn)行劃痕試驗(yàn)后的照片。圖3A的切削嵌件40不包含擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層，而圖3B的切削嵌件50包含擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。如圖3A所示，該CVD涂層41沿著劃痕42有剝離和碎屑，并在施加的劃痕壓力下露出白色的陶瓷表面43。事實(shí)上無擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的CVD涂層的弱粘附也通過對在圖3A中有寬的劃痕42與在圖3B中具有窄的劃痕52比較而表明。圖3A中寬的劃痕42的形成是因?yàn)樵撃湍ネ繉?1對劃痕試驗(yàn)中所施加的劃痕負(fù)荷(對兩案例均為10kg恒定壓力)有低的耐裂性和耐剝離性。而在圖3B中窄的劃痕52的形成是由于該CVD涂層51對在Al2O3/ZrO2陶瓷基底和施加的CVD涂層之間的擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層上具有強(qiáng)的粘附性。該劃痕試驗(yàn)明顯表明，擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層改進(jìn)了CVD涂層在Al2O3/ZrO2陶瓷基底上的粘附性。
機(jī)加工試驗(yàn)在各種切削條件下和用各種工件材料進(jìn)行一列系對比機(jī)加工試驗(yàn)，以證明包含中間擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層和多層耐磨涂層的切削工具的優(yōu)點(diǎn)。
案例1適于汽車零件的鐵材料的機(jī)加工選用三種Al2O3/ZrO2陶瓷切削工具作對比機(jī)加工試驗(yàn)--如示于表1。所有切削嵌件具有相同的類型和幾何形狀，稱為SNEN120412，按ISO標(biāo)準(zhǔn)其為內(nèi)切直徑為12mm的正方形，厚度為4.76mm，彎端半徑為1.20mm。案例1的切削嵌件在切削刃周圍有單一的T-焊接區(qū)。
表1用于對比試驗(yàn)中的Al2O3陶瓷切削嵌件-案例1
該案例1的機(jī)加工試驗(yàn)在下列切削條件下進(jìn)行切削速率＝1600英尺/分(480米/分)進(jìn)刀速率＝0.01英寸/轉(zhuǎn)(0.25mm/轉(zhuǎn))切削深度＝0.020英寸(0.5mm)標(biāo)明為C1B的嵌件是直接在基底上涂敷，而標(biāo)明為C1C的嵌件是按上述的本發(fā)明方法涂敷。試驗(yàn)結(jié)果示于圖4A。很明顯，具有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的切削嵌件C1C(TiN-TiCN-TiN，CVD涂敷)具有最好的性能。與切削嵌件C1B(TiN，CVD涂敷)相比，該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的工具壽命增加80％以上，與未涂敷的切削嵌件C1C相比，工具壽命增加將近200％。
案例2合金鋼的機(jī)加工選用三種Al2O3/ZrO2陶瓷切削工具作對比機(jī)加工試驗(yàn)--如示于表2。所有切削嵌件具有相同的類型和幾何形狀，稱為RCGX251200，按ISO標(biāo)準(zhǔn)其為直徑25mm的圓形，余隙角為7度，厚度為12.7mm。案例2的切削嵌件在切削刃周圍有雙T-焊接區(qū)。
表2用于對比試驗(yàn)中的Al2O3陶瓷切削嵌件-案例2
該案例2的機(jī)加工試驗(yàn)在下列切削條件下進(jìn)行切削速率＝1000英尺/分(305米/分)進(jìn)刀速率＝0.03-0.055英寸/轉(zhuǎn)(0.76-1.40mm/轉(zhuǎn))切削深度＝0.027-0.055英寸(0.69-1.40mm)案例2的機(jī)加工試驗(yàn)結(jié)果列于圖4B。其清楚表明，具有TiN CVD涂層的切削嵌件C2B和具有TiN-TiCN-TiN CVD涂層的切削嵌件C2C均比現(xiàn)有技術(shù)的TiN CVD涂層的切削嵌件C2A有較好的工具壽命特性。
應(yīng)理解，本說明書是說明理解有關(guān)本發(fā)明的那些方面。為簡化本發(fā)明的描述，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的某些方面和不便于更好理解本發(fā)明的某些方面沒有列出。雖然描述了本發(fā)明的一些實(shí)例方案，但本領(lǐng)城的一般技術(shù)人員在考慮上述描述時(shí)應(yīng)理解，可使用本發(fā)明的許多改型和變化方案。所有本發(fā)明的這種變化和改型方案均由上述描述和下面的權(quán)利要求所包括。
權(quán)利要求
1.一種切削工具，其包含-基底，其中該基底含氧化鋁和氧化鋯；-擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。
2.權(quán)利要求1的切削工具，其還包含-耐磨涂層。
3.權(quán)利要求1的切削工具，其中該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層包含含氮和氯化鋁的氣體混合物與氧化鋯之間的反應(yīng)產(chǎn)物。
4.權(quán)利要求1的切削工具，其中該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層的厚度為0.25-2.0微米。
5.權(quán)利要求1的切削工具，其中該擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層含選自氧化鋯、鋯的氮化物和鋁的氮化物中的至少一種。
6.權(quán)利要求1的方法，其中該基底含0.5-45重量％的氧化鋯。
7.權(quán)利要求6的方法，其中該基底含0.5-26重量％的氧化鋯。
8.權(quán)利要求7的方法，其中該基底含2-26重量％的氧化鋯。
9.權(quán)利要求8的方法，其中該基底含9-11重量％的氧化鋯。
10.權(quán)利要求1的方法，其中該基底含0.3-35重量％的鋯。
11.權(quán)利要求10的方法，其中該基底含6-20重量％。
12.權(quán)利要求2的切削工具，其中該涂層含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種。
13.權(quán)利要求12的切削工具，其中該涂層含選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
14.權(quán)利要求2的切削工具，其還含第二涂層。
15.權(quán)利要求14的切削工具，其中該第二涂層包含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種。
16.權(quán)利要求15的切削工具，其中該第二涂層包含選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
17.權(quán)利要求12的切削工具，其中該涂層的厚度為1-20微米。
18.權(quán)利要求15的切削工具，其中該第二涂層的厚度為1-20微米。
19.一種切削工具，其包含-基底，其中該基底包含氧化鋁和氧化鋯；-中間層，其包含鋯的氮化物、氧化鋯和鋁的氮化物；-第一耐磨涂層。
20.權(quán)利要求19的切削工具，其還包含-第二耐磨涂層。
21.權(quán)利要求20的切削工具，其中該第一耐磨涂層和該第二耐磨涂層的厚度總共為1-20微米。
22.權(quán)利要求21的切削工具，其中該第一耐磨涂層和該第二耐磨涂層獨(dú)立地含有選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種。
23.權(quán)利要求22的切削工具，其中該第一耐磨涂層和該第二耐磨涂層獨(dú)立地含有選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
24.權(quán)利要求21的切削工具，其中還含有第三耐磨涂層。
25.權(quán)利要求24的切削工具，其中該第三耐磨涂層含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種。
26.權(quán)利要求25的切削工具，其中該第三耐磨涂層含有選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
27.權(quán)利要求24的切削工具，其中該第一耐磨涂層包含氮化鈦，該第二耐磨涂層包含碳氮化鈦，該第三耐磨涂層包含氮化鈦。
28.權(quán)利要求27的切削工具，其中該中間層的厚度為0.25-2微米。
29.權(quán)利要求28的切削工具，其中該第一耐磨涂層、第二耐磨涂層、第三耐磨涂層中的至少之一是用化學(xué)汽相淀積法涂敷的。
30.權(quán)利要求29的切削工具，其中氧化鋯濃度為0.5-45重量％。
31.一種涂敷切削工具的方法，其包括-使基底經(jīng)受氯化鋁和氮的作用，其中該基底包含氧化鋁和氧化鋯；-用化學(xué)汽相淀積法或物理汽相淀積法中的至少一種對該基底涂敷第一涂層。
32.權(quán)利要求31的方法，其中該基底含0.5-45重量％的氧化鋯。
33.權(quán)利要求32的方法，其中該基底含0.5-26重量％的氧化鋯。
34.權(quán)利要求33的方法，其中該基底含2-26重量％的氧化鋯。
35.權(quán)利要求34的方法，其中該基底含0.5-11重量％的氧化鋯。
36.權(quán)利要求35的方法，其中該基底含9-11重量％的氧化鋯。
37.權(quán)利要求32的方法，其中使基底經(jīng)受氯化鋁和氮的作用，包括將基底經(jīng)受含氯化鋁和氮的氣體混合物的作用。
38.權(quán)利要求37的方法，其中該氣體混合物的壓力為200-1500毫巴。
39.權(quán)利要求38的方法，其中該氣體混合物的壓力為500-1000毫巴。
40.權(quán)利要求32的方法，其中該氣體混合物的溫度為50-1400℃。
41.權(quán)利要求40的方法，其中該氣體混合物的溫度為50-1200℃。
42.權(quán)利要求41的方法，其中該氣體混合物的溫度為500-1200℃。
43.權(quán)利要求42的方法，其中該氣體混合物的溫度為1000-1200℃。
44.權(quán)利要求43的方法，其中該氣體混合物中的氯化鋁濃度為25-99重量％。
45.權(quán)利要求44的方法，其中該氣體混合物中的氯化鋁濃度為75-99重量％。
46.權(quán)利要求31的方法，其中用化學(xué)汽相淀積法或物理汽相淀積法中的至少之一涂敷該基底，以產(chǎn)生一種包含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少之一的涂層。
47.權(quán)利要求46的方法，其中該涂層含選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
48.權(quán)利要求31的方法，其還包括-用化學(xué)汽相淀積法或物理汽相淀積法中的至少之一以對該基底涂敷第二涂層。
49.權(quán)利要求48的方法，其中對該基底涂敷第二涂層，使該第二涂層包含選自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金屬的金屬碳化物、金屬氮化物、金屬硅化物和金屬氧化物中的至少一種的涂層。
50.權(quán)利要求49的方法，其中該第二涂層包含選自氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鈦鋁加碳(TiAlN+C)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鋁鈦加碳(AlTiN+C)、氮化鈦鋁加碳化鎢/碳(TiAlN+WC/C)、氮化鋁鈦加碳化鎢/碳(AlTiN+WC/C)、氧化鋁(Al2O3)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鎢碳(WC/C)、氮化鉻(CrN)和氮化鋁鉻(AlCrN)中的至少一種。
51.權(quán)利要求46的方法，其中該第一涂層的厚度為0.25-20微米。
52.權(quán)利要求51的方法，其中該第一涂層的厚度為0.25-5.0微米。
53.權(quán)利要求49的方法，其中該總涂層的厚度為1-20微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷切削工具，諸如具有擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層和CVD涂層的含氧化鋯的氧化鋁陶瓷切削工具，其特別適用于機(jī)加工現(xiàn)代金屬材料。該方法包括與引入的含氮和氯化鋁的混合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以在陶瓷基底和CVD涂層之間形成擴(kuò)散粘結(jié)增強(qiáng)層。該形成的擴(kuò)散粘附增強(qiáng)層強(qiáng)粘附到有氧化鋯的氧化鋁陶瓷基底上，并明顯提高CVD涂層的特性，由此在有氧化鋯的鋯－基氧化鋁陶瓷切削工具的工具壽命方面改進(jìn)了其機(jī)加工性能。
文檔編號C23C30/00GK1997766SQ200580020993
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者X·丹尼爾·方, 戴維·J·威爾斯, 吉勒斯·費(fèi)斯蒂厄 申請人:Tdy工業(yè)公司