專利名稱：織構(gòu)化的氧化鋁層的制作方法
織構(gòu)化的氧化鋁層
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及包含涂覆有織構(gòu)化a-氧化鋁(a-Al2O3)層的主體的涂層切削工具，涉及該切削工具的制造方法和用途。所述層通過化學(xué)氣相沉積(CVD)生長，并且本發(fā)明提供在芯片形成加工中耐磨性優(yōu)異并且性能良好的氧化物層。通常，基于CVD氧化鋁的涂層由碳氮化鈦內(nèi)部層和Ci-Al2O3外部層組成。約15年前，發(fā)現(xiàn)通過控制氧化鋁層的晶體學(xué)取向(織構(gòu))可進(jìn)一步改進(jìn)氧化鋁層。這通過研發(fā)新的合成路線可實(shí)現(xiàn)，所述新的合成路線包括使用成核和生長順序、粘結(jié)層、反應(yīng)氣體的使用順序、添加織構(gòu)改性劑和/或通過使用氧化鋁轉(zhuǎn)化層。通常，通過使用X射線衍射(XRD)技術(shù)和織構(gòu)系數(shù)的概念確定所述織構(gòu)。使用多種粘結(jié)/成核層和生長順序來合成織構(gòu)化的氧化鋁層·US 7094447公開了生產(chǎn)耐磨性和韌性改進(jìn)了的織構(gòu)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層形成于(Ti，Al) (C, O, N)粘結(jié)層上。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{012}生長織構(gòu)。US 7442431公開了通過使用由短脈沖和含Ti脈沖吹洗和氧化脈沖組成的成核順序以在(Ti，Al) (C, O, N)粘結(jié)層上制造織構(gòu)化a-Al2O3層的方法。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{110}生長織構(gòu)。US 7455900公開了通過使用由短脈沖和Ti+Al脈沖所組成之吹洗和氧化脈沖組成的成核順序以在(Ti，Al) (C，0，N)粘結(jié)層上制造織構(gòu)化a-Al2O3層的方法。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{116}生長織構(gòu)。US 7442432公開了使用從US 7455900中所公開的技術(shù)修改的但與其相似的技術(shù)以在(Ti，Al) (C，O, N)粘結(jié)層上制造織構(gòu)化a -Al2O3層的方法。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{104}生長織構(gòu)。US 2007104945公開了織構(gòu)化a -Al2O3涂覆的切削工具刀片，為此獲得了成核控制的a-Al2O3層織構(gòu)。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{006}生長織構(gòu)。US 2008187774公開了織構(gòu)硬化a -Al2O3涂覆的切削工具刀片，其具有由XRD確定的{006}生長織構(gòu)。US 6333103公開了生長在TiCo粘結(jié)層上的織構(gòu)化a-Al2O3層，其特征在于由XRD確定的{1010}生長織構(gòu)。使用反應(yīng)氣體的排序合成織構(gòu)化的氧化鋁層US 5654035公開了涂覆有耐火單層或多層的主體，其中特定層特征在于受控微觀結(jié)構(gòu)和相組成，其具有相對于所述涂層主體表面的在擇優(yōu)方向生長的晶面(生長織構(gòu))。所述織構(gòu)化a -Al2O3層通過以如下的順序?qū)Ψ磻?yīng)氣體排序而獲得C02、CO和A1C13。該層特征在于由XRD確定的強(qiáng)的{012}生長織構(gòu)。US 5766782公開了涂覆有包括a -Al2O3的耐火單層或多層的切削工具，其中特定層特征在于相對于所述涂層主體表面的受控微觀結(jié)構(gòu)。所述織構(gòu)化a-Al2O3層通過以如下的順序?qū)Ψ磻?yīng)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(yīng)器，然后將H2和AlCl3供至所述反應(yīng)器。該層特征在于由XRD確定的{104}生長織構(gòu)。使用織構(gòu)改性劑合成織構(gòu)化的氧化鋁層US 7011867公開了包含一層或多層耐火化合物的涂層切削工具，在所述層中的至少一層是具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)和由XRD確定的強(qiáng)的{300}生長織構(gòu)的Ci-Al2O3層。通過在生長期間向反應(yīng)氣體添加ZrCl4作為織構(gòu)改性劑而獲得所述微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)。US 5980988公開了通過在生長期間使用SF6作為織構(gòu)改性劑而獲得的{110}織構(gòu)化a -Al2O3層。通過XRD確定所述織構(gòu)。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(gòu)化a -Al2O3層。通過XRD確定所述織構(gòu)。使用轉(zhuǎn)化層合成織構(gòu)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(zhuǎn)化層)而獲得的{001}織構(gòu)化a-Al2O3層。通過電子背散射衍射(EBSD)確定所述織構(gòu)。對EBSD的說明以及通過使用極圖、極曲線圖、取向分布函數(shù)(ODF)和織構(gòu)系數(shù)來分析織構(gòu)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(gòu)評定可包括i )構(gòu)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(yīng)的ODF密度以及織構(gòu)系數(shù)，iii)構(gòu)建一個或多個與織構(gòu)分量有關(guān)的極圖，并且iv)構(gòu)建一個或多個與織構(gòu)分量有關(guān)的極曲線圖。本發(fā)明的目標(biāo)是提供通過CVD沉積的具有優(yōu)異耐磨性和芯片形成切削性能的織構(gòu)控制α -Al2O3層。提供所述a -Al2O3層的制造方法也是本發(fā)明的目標(biāo)。令人意想不到的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅通過導(dǎo)致先進(jìn)的金屬切削性能的層的生長條件，獲得對獨(dú)特a -Al2O3層織構(gòu)的控制。


圖I是ODF表示中使用的相對于晶體學(xué)取向的歐拉角Φρ Φ和Φ2的定義。圖2是a)本發(fā)明{01-15}織構(gòu)化a -Al2O3層(II)和Ti (C，N)層(I)和b)現(xiàn)有技術(shù){001}織構(gòu)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(biāo)記有A和A'的{01-15}和{10-15}解的本發(fā)明{01-15}織構(gòu)化a -Al2O3層和b)現(xiàn)有技術(shù){0001}織構(gòu)化a -Al2O3層的ODF等值線圖(0DF歐拉角和
密度)。圖4是a)本發(fā)明{01-15}織構(gòu)分量、b)本發(fā)明{10-15}織構(gòu)分量和c)現(xiàn)有技術(shù){0001}織構(gòu)化Q-Al2O3層的EBSD極圖。圖5是a)本發(fā)明{01-15}織構(gòu)分量、b)本發(fā)明{10-15}織構(gòu)分量和c)現(xiàn)有技術(shù){0001}織構(gòu)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(shù)。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，提供了用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶 瓷、陶瓷、立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體，所述主體上沉積有包含至少一個Ci-Al2O3層的硬質(zhì)耐磨涂層，所述Ci-Al2O3層被設(shè)計為具有參照所述涂層主體的表面法線的101-15}和/或{10-15}織構(gòu)(晶體學(xué)取向)，優(yōu)選為軸對稱的(纖維織構(gòu))。所述織構(gòu)顯示出的ODF織構(gòu)系數(shù)>1，優(yōu)選1〈該織構(gòu)系數(shù)〈50，最優(yōu)選2〈該織構(gòu)系數(shù)〈10，并且以O(shè)DF表示(歐拉空間)的織構(gòu)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(yōu)選 10〈0DF 密度〈50 的情況下，O ° 彡 Φ!彡 90 °，17 ° <Φ〈47 °、優(yōu)選 22 ° <Φ〈42 °，并且 I ° <Φ2〈59。、優(yōu)選10。<Φ2<50°，和 / 或ii) {10-15}在 1〈0DF 密度〈100、優(yōu)選 10〈0DF 密度〈50 的情況下，0° ( (^彡90°，17° <Φ〈47°、優(yōu)選 22° <Φ〈42°，并且 61° <Φ2〈119°、優(yōu)選70。<Φ2<110°。所述ODF構(gòu)建自EBSD數(shù)據(jù)，該EBSD數(shù)據(jù)通過使用32X32X32點(diǎn)分辨率的級數(shù)展開、5°的高斯半寬度和5° —組中的=34而得自在代表性區(qū)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(yōu)選O. 5 μ m至20 μ m,最優(yōu)選I μ m至10 μ m,具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，在整個所述層厚度內(nèi)，所有柱基本上具有O. 2 μ m至5 μ m、優(yōu)選O. 2μπι至2. 5μπκ最優(yōu)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(jù)現(xiàn)有技術(shù)，所述涂層可以包含內(nèi)部單層和/或多層涂層、和/或外部單層和/或多層涂層以達(dá)到總涂層厚度為O. 5至40 μ m、優(yōu)選O. 5至20 μ m、并且最優(yōu)選I至10 μ m，其中所述內(nèi)部單層和/或多層涂層例如為TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優(yōu)選Ti (C，O, N)，所述外部單層和/或多層涂層例如為TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優(yōu)選TiN和/或Ti (C，O, N)。任選地，所述涂層主體以例如濕噴砂、刷涂操作等進(jìn)行后處理，從而獲得希望的表面質(zhì)量和/或刀刃形狀。用于本發(fā)明a -Al2O3層的沉積方法基于現(xiàn)有技術(shù)中已知的化學(xué)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(jù)本發(fā)明，所述0)2/0)氣體流量比在0.3彡(0)2/0))低彡1.2、優(yōu)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(yōu)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(xù)地或階式地循環(huán)變化，所述循環(huán)變化的周期為I分鐘至60分鐘，優(yōu)選2分鐘至30分鐘。根據(jù)本發(fā)明確定所述氣體流量和氣體混合物是在本領(lǐng)域技術(shù)人員知識范圍以內(nèi)的。本發(fā)明還涉及上述切削工具刀片用于通過排屑進(jìn)行加工的用途，切削速度為75至600m/分鐘，優(yōu)選150至600m/分鐘，取決于切削速度和刀片幾何形狀，在銑削情況下的平均每齒進(jìn)給量為O. 08至O. 8mm,優(yōu)選O. I至O. 6mm。
實(shí)施例I首先，將具有5. 5wt%Co、8wt%立方碳化物且余量WC的構(gòu)成的燒結(jié)碳化物切削刀片涂覆以6 μ m厚度的MTCVD Ti (C，N)層。在隨后的處理步驟中和在相同涂覆周期期間，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(xù)斜升所述氣體流量比C02/C0,沉積 5 μ m 厚的 a -Al2O3 層。表I
實(shí)施例2 以恒定的2. 0C02/C0氣體流量比重復(fù)實(shí)施例I。實(shí)施例3:使用在15kV運(yùn)行并配備有HKL Nordlys II EBSD檢測器的LEOUltra 55掃描電子顯微鏡，通過SEM和EBSD來表征得自實(shí)施例I和2的層。版本為5. O. 9. O的商業(yè)Channel5軟件用于數(shù)據(jù)采集。同樣的軟件用于數(shù)據(jù)分析計算0DF，即歐拉角和密度以及織構(gòu)系數(shù)、極圖和極曲線圖。通過使用JEOL SM-09010橫截面拋光系統(tǒng)來離子束拋光所述Q-Al2O3層的頂表面，獲得用于EBSD的樣品。圖2顯示對于a)實(shí)施例I (本發(fā)明)和b)實(shí)施例2 (參照)在圖像中標(biāo)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(jié)構(gòu)。本發(fā)明的層顯示在O. 2μπι至I. 7μπι范圍的柱寬，該柱寬窄于參照層的柱寬。圖3顯示得自a)具有分別標(biāo)記有A和A'的{01-15}和{10-15}解、織構(gòu)系數(shù)為6. 3的實(shí)施例I織構(gòu)化a -Al2O3層和b)織構(gòu)系數(shù)5. 5的實(shí)施例2 {0001}織構(gòu)化a -Al2O3層的EBSD數(shù)據(jù)的ODF等值線圖(0DF歐拉角和密度)。對于{01-15}織構(gòu)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°，而對于{10-15}織構(gòu)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軟件獲得對于{01-15}的ODF密度值23。該結(jié)果證明了在實(shí)施例I中所述層的{10-15}纖維織構(gòu)。此外，描繪了所述纖維織構(gòu)的極圖和極曲線圖。圖4顯示來自實(shí)施例I的層的a) {01-15}織構(gòu)分量和b) {10-15}織構(gòu)分量的極圖。圖4c)顯示實(shí)施例2的極圖。圖5顯示得自實(shí)施例I的層的a){01_15}織構(gòu)分量和b) {10-15}織構(gòu)分量的極曲線圖。圖5c)顯示實(shí)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(shù)。實(shí)施例4
得自實(shí)施例I和實(shí)施例2的涂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(xù)車削應(yīng)用中進(jìn)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(jìn)給量0.45mm/ 轉(zhuǎn)切削深度2· Omm說明冷卻劑切削12分鐘后，以mm測量的刀刃磨損，Vb,顯不于表2中。表 權(quán)利要求
1.用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬質(zhì)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(zhì)耐磨涂層,其特征在于所述a-Al2O3層是{01-15}和/或{10-15}織構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切削工具刀片，其特征在于所述織構(gòu)是纖維織構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的切削工具刀片，其特征在于所述織構(gòu)的ODF織構(gòu)系數(shù)>1，優(yōu)選I〈所述織構(gòu)系數(shù)〈50。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的切削工具刀片，其特征在于所述織構(gòu)在1〈0DF密度〈100的情況下顯示出以O(shè)DF表示的如下織構(gòu)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(jù)權(quán)利要求4所述的切削工具刀片，其特征在于 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(jù)權(quán)利要求4所述的切削工具刀片，其特征在于10〈所述ODF密度〈50。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片，其特征在于所述Ci-Al2O3層具有柱狀晶粒織構(gòu)，在整個所述層厚度內(nèi)，所有柱基本上具有O. 2μπι至5μπι的相同柱寬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切削工具刀片，其特征在于在整個所述層內(nèi)，所述柱寬為O.2 μ m 至 2. 5 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂層包含內(nèi)部單層和/或多層涂層、和/或外部單層和/或多層涂層以達(dá)到總厚度為O. 5至40 μ m，優(yōu)選O. 5至20 μ m，其中所述內(nèi)部單層和/或多層涂層例如為TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優(yōu)選Ti (C，O, N)，所述外部單層和/或多層涂層例如為TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，優(yōu)選TiN和/或Ti (C，O, N)。
10.制造包含基于燒結(jié)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(xué)氣相沉積，在所述主體上沉積包含至少一個a -Al2O3層的硬質(zhì)耐磨涂層，其特征在于所述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(xù)地或階式地循環(huán)變化，所述循環(huán)變化的周期為I分鐘至60分鐘，優(yōu)選2分鐘至30分鐘。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造切削工具刀片的方法，其特征在于所述低C02/C0氣體流量比為O. 5彡(C02/C0) I低彡I. 0，并且高氣體流量比為1.8 ^ (C02/C0) |高彡2· 5。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至9所述的切削工具刀片用于通過排屑進(jìn)行加工的用途，切削速度為75至600m/分鐘，優(yōu)選150至600m/分鐘，取決于切削速度和刀片幾何形狀，在銑削情況下的平均每齒進(jìn)給量為O. 08至O. 8mm,優(yōu)選O. I至O. 6mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過排屑進(jìn)行加工的切削工具刀片，其包含基于燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬質(zhì)合金主體，所述主體上通過CVD沉積硬質(zhì)耐磨涂層。所述涂層包含至少一個厚度為0.5μm至40μm、具有{01-15}和/或{10-15}織構(gòu)、顯示優(yōu)異耐磨性和金屬切削性能的α-Al2O3層。本發(fā)明還涉及所述切削工具刀片的制造方法和用途。
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(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者托米·拉爾森, 馬茨·約翰松 申請人:山高刀具公司