專利名稱：一種在刀具上涂覆涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刀具，尤其是涉及一種在刀具上涂覆涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
在切削工具表面涂覆涂層是提高切削工具性能的重要途徑之一，涂層刀具具有表 面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)，切削時(shí) 可比未涂層刀具提高壽命5 10倍以上。切削工具的表面涂層技術(shù)作為市場需求發(fā)展起 來的一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，由于該項(xiàng)技術(shù)可使切削工具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，不僅 可有效地提高切削工具使用壽命，而且還能大幅度地提高機(jī)械加工效率，因此該項(xiàng)技術(shù)成 為切削工具制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。Al2O3涂層具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱障特性，是高速切削刀具理想的涂層 材料。此外，需要強(qiáng)調(diào)的是，目前，CVD仍然是能夠經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)高質(zhì)量的Al2O3涂層的唯一技術(shù) 手段。可以通過CVD工藝沉積Al2O3涂層可以獲得三種不同的相，分別是α -Al2O3，k_Al203 和Y-Al2O3，其中α-Al2O3是唯一穩(wěn)定的Al2O3相。亞穩(wěn)定的κ相和、相將通過如沉積中 的熱處理、沉積后的熱處理以及切削加工中產(chǎn)生的熱量而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的α相。在相變時(shí)發(fā) 生的體積收縮將降低并最終破壞κ-Al2O3涂層的粘附性，如美國專利US5700569。因此，考 慮到涂層的沉積效果和耐磨損性能(尤其在高速切削時(shí))，α-Al2O3相應(yīng)該是最佳和最安 全的選擇，如美國專利US5137774。但是，α-Al2O3具有晶粒易長大的特點(diǎn)，這對于切削十 分不利，容易造成崩刃，降低刀具壽命。采用傳統(tǒng)涂層工藝時(shí)，當(dāng)α-Al2O3涂層厚度為7μπι 時(shí)，晶粒已很粗大，平均晶粒度達(dá)4μπι以上，很難獲得穩(wěn)定不易脫落的Ci-Al2O3厚膜涂層， 而且粗大的氧化鋁經(jīng)常含有孔洞和晶體缺陷。為了獲得高質(zhì)量、細(xì)顆粒的α-Al2O3涂層，通 常采用多層分步沉積的方法。如美國專利US6713172公開的氧化鋁采用分層多次沉積的方 法，層與層之間通過極薄的鈦氧化物來間隔，可以獲得表面平均顆粒約0. 5μπι的α -Al2O3 涂層。美國專利US 6673393采用相類似的方法，獲得小于0.5μπι的k-Al203涂層。美國專 利US5071696通過控制成核條件及利用κ -Al2O3亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)化為α -Al2O3相，獲得細(xì)顆粒 的氧化鋁涂層，顆粒大小在0. 5 2 μ m之間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中氧化鋁晶粒粗大、晶粒不均勻等技術(shù)不足，提供 一種適用于切削工具，所形成的涂層具有表面光潔度較高、晶粒均勻較細(xì)密等特點(diǎn)的在刀 具上涂覆涂層的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟1)將數(shù)控刀片放入反應(yīng)室內(nèi)；2)將反應(yīng)室抽成真空狀態(tài)；在步驟2)中，所述抽真空的真空度可為IOmbar以下。3)通過加熱罩將反應(yīng)室加熱、加壓下，通入TiCl4、N2*H2的氣體混合物，在刀具表面上沉積TiN層；在步驟3)中，所述加熱的溫度可為900 950°C，所述加壓的壓力可為50 500mbar ；所述TiCl4、N2和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4為0. 2% 10%，N2為 2% 50%，余為H2 ；所述TiN層的厚度可為0. 5μπι Ιμπι，沉積時(shí)間可為0. 5 lh。4)沉積完TiN層后，將反應(yīng)室溫度穩(wěn)定在850 950°C，并且在50 500mbar的 壓強(qiáng)下，通入TiCl4、N2, CH3CN和吐的氣體混合物，在TiN層表面上沉積MT-TiCN層；在步驟4)中，所述TiCl4、N2、CH3CN和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4為 0.2% 10%，隊(duì)為2% 50%，CH3CN為0. 2% 10%，余為H2 ；所述MT-TiCN層的厚度可 為2 14 μ m，沉積的時(shí)間可為1. 5 訃。5)關(guān)閉氣源，然后通入TiCl4、AlCl3，C0、C02、CH4、N2和H2的氣體混合物，在溫度為 900 1020°C和在壓強(qiáng)為50 200mbar下，沉積粘結(jié)相AlTiCNO層；在步驟5)中，所述TiCl4、AlCl3，C0、C02、CH4、N2*H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分 比 TiCl4 為 0. 2% 10%,AlCl3 為 0. 2% 8%，CO 為 0. 3% 9%，CO2 為 0. 1 % 5%，CH4 為0. 2% 7%，N2為0 15%，余為H2 ；所述粘結(jié)相AlTiCNO層的厚度可為0. 1 1. 5 μ m， 沉積的時(shí)間可為0. 2 Ih。6)在TiCl4、C0、C02、CH4、N2和H2的氣體混合物中，在溫度為900 1020°C和壓強(qiáng) 為50 200mbar下，沉積TiCO層；在步驟6)中，所述11(14、0)、0)2、014為和!12的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4 為2% 6%，0)為3% 9%，0)2為1.5% 10%，014為0.2% 7%，隊(duì)為0 15%，余 為H2 ；所述TiCO層的厚度可為0. 1 0. 3 μ m，沉積的時(shí)間可為1 30min。7)在0)2、六1(13、!1(1和!12的氣體混合物中，在溫度為900 10201和壓強(qiáng)為50 200mbar下，沉積氧化鋁成核層；在步驟7)中，所述C02、A1C13、HC1和吐的氣體混合物中按質(zhì)量百分比0)2為 5%,AlCl3為2% 10%，HCl為 15%，余為H2 ；所述氧化鋁成核層的厚度可為0. 1 0. 8 μ m，沉積的時(shí)間可為0.2 Ih。8)通入A1C13、CO、CO2, HCl，H2S和H2的氣體混合物中，在溫度為900 1020°C禾口 壓強(qiáng)為50 200mbar下，沉積氧化鋁涂層，得在刀具表面涂覆有涂層的刀具。在步驟8)中，所述A1C13、CO、CO2, HCl, H2S和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比 AlCl3 為 0. 10%, CO 為 0 10%，CO2 為 0 5%，HCl 為 0 15%，H2S 為 0. 01% 1%，余為H2 ；所述氧化鋁涂層的厚度可為3 10 μ m，沉積的時(shí)間可為4 15h。本發(fā)明所制備的涂層包括至少一層Ci-Al2O3層，α-Al2O3層由具有均勻細(xì)顆粒 (平均顆粒小于Iym)的柱狀晶粒組成，柱狀晶粒的長寬比為3 13，優(yōu)選4 10，最佳為 6 8，氧化鋁涂層厚度為1 10 μ m，優(yōu)選4 9 μ m。通過掃描電鏡觀察分析，顆粒大小非 常均勻，顆粒分布非常狹窄，90%的顆粒大小在0. 75-1. 25 μ m之間。氧化鋁涂層在結(jié)合層(Ti，A1)CN0上，在該層上生長受控氧含量的TiCNO層，通過 調(diào)節(jié)優(yōu)化層(X)2與CO之間的比例來控制氧化氣氛，使α -Al2O3在形核時(shí)產(chǎn)生大量的細(xì)核， 從而細(xì)化氧化鋁的晶粒，并在氧化鋁成長過程中，采用C0\HC1氣體有效的抑制氧化鋁顆粒 的粗大，使氧化鋁均勻的成長。獲得均勻細(xì)顆粒的氧化鋁涂層的關(guān)鍵之一是在成核過程中控制CO與CO2的比例，來控制氧化氣氛，這個(gè)比例應(yīng)該是0. 1 10，優(yōu)選是1 5。另一個(gè)關(guān)鍵是在氧化鋁成長過 程中，采用C0\HC1氣體有效的抑制氧化鋁顆粒，這個(gè)比例應(yīng)該是0 15，優(yōu)選為3 6。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)優(yōu)化層CO2與CO之間的比例來控制氧化氣氛使α -Al2O3形成大 量的細(xì)核，從而細(xì)化氧化鋁的晶粒，并在氧化鋁成長過程中，采用HCl與CO氣體有效的抑制 氧化鋁顆粒的粗大，使氧化鋁均勻的成長。


圖1為本發(fā)明涂層a氧化鋁涂層的斷面電鏡照片。氧化鋁涂層厚度約為7 μ m，采 用抑制的辦法使α氧化鋁形成柱狀晶結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明涂層a氧化鋁涂層表面Ik倍的電鏡照片。從圖2可以看出，氧化鋁 涂層表面顆粒分布均勻，顆粒比較細(xì)。圖3為本發(fā)明涂層a氧化鋁涂層表面證倍的電鏡照片。從圖3可以看出，氧化鋁 大小非常均勻，分布非常集中，顆粒大小在0. 75 1. 25 μ m之間。圖4為現(xiàn)有技術(shù)涂層b氧化鋁涂層表面Ik倍的電鏡照片圖5為現(xiàn)有技術(shù)涂層b氧化鋁涂層表面證倍的電鏡照片
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1組分為6% Co，余量為WC的硬質(zhì)合金切削刀片，其表面涂覆有TiN層、MT-TiCN層， 厚度分別為0.5 1μπι、7μπι。該層上面還涂覆有一厚度約為8μπι的α-Al2O3層，詳細(xì)的 工藝參數(shù)如表1所示。表 權(quán)利要求
1.一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將數(shù)控刀片放入反應(yīng)室內(nèi)；2)將反應(yīng)室抽成真空狀態(tài)；3)通過加熱罩將反應(yīng)室加熱、加壓下，通入TiCl4、N2和H2的氣體混合物，在刀具表面上 沉積TiN層；4)沉積完TiN層后，將反應(yīng)室溫度穩(wěn)定在850 950°C，并且在50 500mbar的壓強(qiáng) 下，通入TiCl4、N2, CH3CN和H2的氣體混合物，在TiN層表面上沉積MT-TiCN層；5)關(guān)閉氣源，然后通入11(14、六1(13，0)、0)2、014、隊(duì)和!12的氣體混合物，在溫度為900 1020°C和在壓強(qiáng)為50 200mbar下，沉積粘結(jié)相AlTiCNO層；6)在TiCl4,CO、CO2, CH4, N2和H2的氣體混合物中，在溫度為900 1020°C和壓強(qiáng)為 50 200mbar下，沉積TiCO層；7)在C02、A1C13、HCl和H2的氣體混合物中，在溫度為900 1020°C和壓強(qiáng)為50 200mbar下，沉積氧化鋁成核層；8)通入A1C13、CO、CO2,HCl，H2S和H2的氣體混合物中，在溫度為900 1020°C和壓強(qiáng) 為50 200mbar下，沉積氧化鋁涂層，得在刀具表面涂覆有涂層的刀具。
2.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟2)中， 所述抽真空的真空度為IOmbar以下。
3.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟3)中， 所述加熱的溫度為900 950°C，所述加壓的壓力為50 500mbar ；所述TiCl4、N2和H2的 氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4為0. 2% 10%，N2為2% 50%，余為H2 ；所述TiN層 的厚度可0. 5μπι 1 μ m，沉積時(shí)間為0. 5 lh。
4.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟4)中， 所述TiCl4、N2、CH3CN和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4為0. 2% 10%，N2為2% 50%, CH3CN為0. 2% 10%，余為H2 ；所述MT-TiCN層的厚度為2 14 μ m，沉積的時(shí)間為 1. 5 ^1。
5.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟5)中， 所述TiCl4、AlCl3，C0、C02、CH4、NjnH2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4SO. 2% 10%， AlCl3 為 0.2% 8%，C0 為 0.3% 9%，0)2為0.1% 5%，CH4為 0.2% 7%，隊(duì)為0 15%，余為H2 ；所述粘結(jié)相AlTiCNO層的厚度為0. 1 1. 5 μ m，沉積的時(shí)間為0. 2 lh。
6.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟6)中， 所述TiCl4, CO、CO2, CH4, N2和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比TiCl4為2% 6%，CO為 3% 9%，(02為 1.5% 10%，CH4 為 0. 2% 7%，N2 為 15%，余為 H2 ；所述 TiCO 層 的厚度為0. 1 0. 3 μ m，沉積的時(shí)間為1 30min。
7.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟7)中， 所述C02、A1C13、HCl和H2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比(X)2為 5%，AlCl3為20Z0 10%, HCl為 15%，余為H2 ；所述氧化鋁成核層的厚度為0. 1 0.8μπι，沉積的時(shí)間 為0. 2 lh。
8.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于在步驟8)中， 所述八1(13、0)、0)2、抝1，!125 ^PH2的氣體混合物中按質(zhì)量百分比AlCl3為0. 10%，CO為0 10%，0)2為0 5%，HC1為0 15%，H2S為0. 01% 1%，余為H2 ；所述氧化鋁涂 層的厚度為3 1(^111，沉積的時(shí)間為4 1511。
9.如權(quán)利要求1所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于所述涂層包括 至少一層α -Al2O3層，α -Al2O3層由具有平均顆粒小于1 μ m的柱狀晶粒組成，柱狀晶粒的 長寬比為3 13，氧化鋁涂層厚度為1 10 μ m。
10.如權(quán)利要求9所述的一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，其特征在于所述柱狀晶 粒的長寬比為4 10，最佳為6 8，氧化鋁涂層厚度為4 9μ m。
全文摘要
一種在刀具上涂覆涂層的制備方法，涉及一種刀具。將數(shù)控刀片放入反應(yīng)室內(nèi)抽真空，通入TiCl4、N2和H2氣體混合物，在刀具表面上沉積TiN層；通入TiCl4、N2、CH3CN和H2氣體混合物，在TiN層表面沉積MT-TiCN層；關(guān)閉氣源，通入TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2氣體混合物，沉積粘結(jié)相AlTiCNO層；在TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2氣體混合物中，沉積TiCO層；在CO2、AlCl3、HCl和H2氣體混合物中，沉積氧化鋁成核層；通入AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2氣體混合物中，沉積氧化鋁涂層。涂層表面光潔度較高、晶粒均勻較細(xì)密。
文檔編號C23C16/30GK102061454SQ20111002413
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者劉浩, 陳藝聰 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司, 廈門鎢業(yè)股份有限公司