专利名称：织构化的氧化铝层的制作方法
织构化的氧化铝层
背景技术：
本发明涉及包含涂覆有织构化a-氧化铝(a-Al2O3)层的主体的涂层切削工具，涉及该切削工具的制造方法和用途。所述层通过化学气相沉积(CVD)生长，并且本发明提供在芯片形成加工中耐磨性优异并且性能良好的氧化物层。通常，基于CVD氧化铝的涂层由碳氮化钛内部层和Ci-Al2O3外部层组成。约15年前，发现通过控制氧化铝层的晶体学取向(织构)可进一步改进氧化铝层。这通过研发新的合成路线可实现，所述新的合成路线包括使用成核和生长顺序、粘结层、反应气体的使用顺序、添加织构改性剂和/或通过使用氧化铝转化层。通常，通过使用X射线衍射(XRD)技术和织构系数的概念确定所述织构。使用多种粘结/成核层和生长顺序来合成织构化的氧化铝层·US 7094447公开了生产耐磨性和韧性改进了的织构化a -Al2O3层的方法。通过使用由铝化和氧化步骤组成的成核顺序，使该a-Al2O3层形成于(Ti，Al) (C, O, N)粘结层上。该层特征在于由XRD确定的强的{012}生长织构。US 7442431公开了通过使用由短脉冲和含Ti脉冲吹洗和氧化脉冲组成的成核顺序以在(Ti，Al) (C, O, N)粘结层上制造织构化a-Al2O3层的方法。该层特征在于由XRD确定的强的{110}生长织构。US 7455900公开了通过使用由短脉冲和Ti+Al脉冲所组成之吹洗和氧化脉冲组成的成核顺序以在(Ti，Al) (C，0，N)粘结层上制造织构化a-Al2O3层的方法。该层特征在于由XRD确定的强的{116}生长织构。US 7442432公开了使用从US 7455900中所公开的技术修改的但与其相似的技术以在(Ti，Al) (C，O, N)粘结层上制造织构化a -Al2O3层的方法。该层特征在于由XRD确定的强的{104}生长织构。US 2007104945公开了织构化a -Al2O3涂覆的切削工具刀片，为此获得了成核控制的a-Al2O3层织构。该层特征在于由XRD确定的强的{006}生长织构。US 2008187774公开了织构硬化a -Al2O3涂覆的切削工具刀片，其具有由XRD确定的{006}生长织构。US 6333103公开了生长在TiCo粘结层上的织构化a-Al2O3层，其特征在于由XRD确定的{1010}生长织构。使用反应气体的排序合成织构化的氧化铝层US 5654035公开了涂覆有耐火单层或多层的主体，其中特定层特征在于受控微观结构和相组成，其具有相对于所述涂层主体表面的在择优方向生长的晶面(生长织构)。所述织构化a -Al2O3层通过以如下的顺序对反应气体排序而获得C02、CO和A1C13。该层特征在于由XRD确定的强的{012}生长织构。US 5766782公开了涂覆有包括a -Al2O3的耐火单层或多层的切削工具，其中特定层特征在于相对于所述涂层主体表面的受控微观结构。所述织构化a-Al2O3层通过以如下的顺序对反应气体排序而获得，即，使得首先将CO2和CO供至在N2和/或Ar气氛中的反应器，然后将H2和AlCl3供至所述反应器。该层特征在于由XRD确定的{104}生长织构。使用织构改性剂合成织构化的氧化铝层US 7011867公开了包含一层或多层耐火化合物的涂层切削工具，在所述层中的至少一层是具有柱状晶粒结构和由XRD确定的强的{300}生长织构的Ci-Al2O3层。通过在生长期间向反应气体添加ZrCl4作为织构改性剂而获得所述微观结构和织构。US 5980988公开了通过在生长期间使用SF6作为织构改性剂而获得的{110}织构化a -Al2O3层。通过XRD确定所述织构。US 5702808公开了通过在生长期间确定SF6和H2S的顺序而获得的{110}织构化a -Al2O3层。通过XRD确定所述织构。使用转化层合成织构化的氧化铝层
US RE4111公开了通过使用厚度为20_200nm的初始热处理氧化铝核层(转化层)而获得的{001}织构化a-Al2O3层。通过电子背散射衍射(EBSD)确定所述织构。对EBSD的说明以及通过使用极图、极曲线图、取向分布函数(ODF)和织构系数来分析织构评定可例如见 Valerie Randle 和 OlafEngler, (ISBN 90-5699-224-4) 13 - 40页，Introduction to TextureAnalysis:Macrotexture, Microtexture, and OrientationMapping。 通常，所述织构评定可包括i )构建 0DF，ii )识别所述分量欧拉角Φ i、Φ和Φ2 (参见图I)和它们相应的ODF密度以及织构系数，iii)构建一个或多个与织构分量有关的极图，并且iv)构建一个或多个与织构分量有关的极曲线图。本发明的目标是提供通过CVD沉积的具有优异耐磨性和芯片形成切削性能的织构控制α -Al2O3层。提供所述a -Al2O3层的制造方法也是本发明的目标。令人意想不到的是，已经发现，仅通过导致先进的金属切削性能的层的生长条件，获得对独特a -Al2O3层织构的控制。
图I是ODF表示中使用的相对于晶体学取向的欧拉角Φρ Φ和Φ2的定义。图2是a)本发明{01-15}织构化a -Al2O3层(II)和Ti (C，N)层(I)和b)现有技术{001}织构化Q-Al2O3层(II)和Ti (C，N)层(I)的离子束抛光横截面的背散射SEM显微图。图3是a)具有分别标记有A和A'的{01-15}和{10-15}解的本发明{01-15}织构化a -Al2O3层和b)现有技术{0001}织构化a -Al2O3层的ODF等值线图(0DF欧拉角和
密度)。图4是a)本发明{01-15}织构分量、b)本发明{10-15}织构分量和c)现有技术{0001}织构化Q-Al2O3层的EBSD极图。图5是a)本发明{01-15}织构分量、b)本发明{10-15}织构分量和c)现有技术{0001}织构化Q-Al2O3层的EBSD极曲线图。x是从所述极图(参见图4)的中心(x=0)至边缘(X =90)的角度。MUD是单位分布的倍数。发明详述根据本发明，提供了用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶 瓷、陶瓷、立方氮化硼的材料的硬质合金主体，所述主体上沉积有包含至少一个Ci-Al2O3层的硬质耐磨涂层，所述Ci-Al2O3层被设计为具有参照所述涂层主体的表面法线的101-15}和/或{10-15}织构(晶体学取向)，优选为轴对称的(纤维织构)。所述织构显示出的ODF织构系数>1，优选1〈该织构系数〈50，最优选2〈该织构系数〈10，并且以ODF表示(欧拉空间)的织构分量分别满足如下的{01-15}和{10-15}解i ) {01-15}在 1〈0DF 密度〈100、优选 10〈0DF 密度〈50 的情况下，O ° 彡 Φ!彡 90 °，17 ° <Φ〈47 °、优选 22 ° <Φ〈42 °，并且 I ° <Φ2〈59。、优选10。<Φ2<50°，和 / 或ii) {10-15}在 1〈0DF 密度〈100、优选 10〈0DF 密度〈50 的情况下，0° ( (^彡90°，17° <Φ〈47°、优选 22° <Φ〈42°，并且 61° <Φ2〈119°、优选70。<Φ2<110°。所述ODF构建自EBSD数据，该EBSD数据通过使用32X32X32点分辨率的级数展开、5°的高斯半宽度和5° —组中的=34而得自在代表性区域上离子束抛光的a -Al2O3顶表面层上。所述a -Al2O3层的厚度为O. 5 μ m至40 μ m,优选O. 5 μ m至20 μ m,最优选I μ m至10 μ m,具有柱状晶粒结构，在整个所述层厚度内，所有柱基本上具有O. 2 μ m至5 μ m、优选O. 2μπι至2. 5μπκ最优选O. 2μπι至I. 5μπι的相同柱宽，邻近所述层厚度中间处测量所述柱宽。根据现有技术，所述涂层可以包含内部单层和/或多层涂层、和/或外部单层和/或多层涂层以达到总涂层厚度为O. 5至40 μ m、优选O. 5至20 μ m、并且最优选I至10 μ m，其中所述内部单层和/或多层涂层例如为TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，优选Ti (C，O, N)，所述外部单层和/或多层涂层例如为TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，优选TiN和/或Ti (C，O, N)。任选地，所述涂层主体以例如湿喷砂、刷涂操作等进行后处理，从而获得希望的表面质量和/或刀刃形状。用于本发明a -Al2O3层的沉积方法基于现有技术中已知的化学气相沉积，其条件为在950°C至1050°C的温度下，在混合的H2、CO2, CO、H2S、HCl和AlCl3中，在50至150毫巴的气体压力下。根据本发明，所述0)2/0)气体流量比在0.3彡(0)2/0))低彡1.2、优选O. 5彡(C02/C0) I低彡I. O的低气体流量比和1.8 ^ (C02/C0) |高彡3. O、优选I. 8彡(CO2/CO) I 2. 5的高气体流量比之间向上和向下地、连续地或阶式地循环变化，所述循环变化的周期为I分钟至60分钟，优选2分钟至30分钟。根据本发明确定所述气体流量和气体混合物是在本领域技术人员知识范围以内的。本发明还涉及上述切削工具刀片用于通过排屑进行加工的用途，切削速度为75至600m/分钟，优选150至600m/分钟，取决于切削速度和刀片几何形状，在铣削情况下的平均每齿进给量为O. 08至O. 8mm,优选O. I至O. 6mm。
实施例I首先，将具有5. 5wt%Co、8wt%立方碳化物且余量WC的构成的烧结碳化物切削刀片涂覆以6 μ m厚度的MTCVD Ti (C，N)层。在随后的处理步骤中和在相同涂覆周期期间，通过以20分钟的周期在条件I和条件2 (见表I)之间向上和向下的连续斜升所述气体流量比C02/C0,沉积 5 μ m 厚的 a -Al2O3 层。表I
实施例2 以恒定的2. 0C02/C0气体流量比重复实施例I。实施例3:使用在15kV运行并配备有HKL Nordlys II EBSD检测器的LEOUltra 55扫描电子显微镜，通过SEM和EBSD来表征得自实施例I和2的层。版本为5. O. 9. O的商业Channel5软件用于数据采集。同样的软件用于数据分析计算0DF，即欧拉角和密度以及织构系数、极图和极曲线图。通过使用JEOL SM-09010横截面抛光系统来离子束抛光所述Q-Al2O3层的顶表面，获得用于EBSD的样品。图2显示对于a)实施例I (本发明)和b)实施例2 (参照)在图像中标记有II的Q-Al2O3层的离子束抛光横截面的背散射SEM显微图。两个层均显示柱状晶粒结构。本发明的层显示在O. 2μπι至I. 7μπι范围的柱宽，该柱宽窄于参照层的柱宽。图3显示得自a)具有分别标记有A和A'的{01-15}和{10-15}解、织构系数为6. 3的实施例I织构化a -Al2O3层和b)织构系数5. 5的实施例2 {0001}织构化a -Al2O3层的EBSD数据的ODF等值线图(0DF欧拉角和密度)。对于{01-15}织构分量的欧拉角ΦρΦ和Φ2集中(最高的ODF密度)在约0°彡(^1彡90°、Φ约30°和小2约30°，而对于{10-15}织构分量的欧拉角Φ和Φ2集中在约0°彡(^1彡90。、Φ约30。和Φ2约90°。从Channel 5软件获得对于{01-15}的ODF密度值23。该结果证明了在实施例I中所述层的{10-15}纤维织构。此外，描绘了所述纤维织构的极图和极曲线图。图4显示来自实施例I的层的a) {01-15}织构分量和b) {10-15}织构分量的极图。图4c)显示实施例2的极图。图5显示得自实施例I的层的a){01_15}织构分量和b) {10-15}织构分量的极曲线图。图5c)显示实施例2的极曲线图。X是从图4中极图的中心(X =0)至边缘(X =90)的角度。MUD是单位分布的倍数。实施例4
得自实施例I和实施例2的涂层刀片与竞争者级别的刀片一起，以如下的切削条件在连续车削应用中进行测试。工作件圆柱形棒材材料Ck45刀片类型CNMG120408切削速度400m/分钟进给量0.45mm/ 转切削深度2· Omm说明冷却剂切削12分钟后，以mm测量的刀刃磨损，Vb,显不于表2中。表 权利要求
1.用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬质合金主体，所述主体上通过CVD沉积有包含至少一个厚度为O.5μηι至40μηι的a-Al2O3层的硬质耐磨涂层,其特征在于所述a-Al2O3层是{01-15}和/或{10-15}织构。
2.根据权利要求I所述的切削工具刀片，其特征在于所述织构是纤维织构。
3.根据权利要求I或2所述的切削工具刀片，其特征在于所述织构的ODF织构系数>1，优选I〈所述织构系数〈50。
4.根据权利要求1、2或3所述的切削工具刀片，其特征在于所述织构在1〈0DF密度〈100的情况下显示出以ODF表示的如下织构分量，其满足具有如下欧拉角的{01-15}和{10-15}解之一或这两者 i)0°彡 <^<90°，17° <Φ〈47。和 1° <Φ2〈59°，和 ii)0°彡 <^<90°，17° <Φ〈47。和 61° <Φ2〈119。。
5.根据权利要求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.根据权利要求4所述的切削工具刀片，其特征在于10〈所述ODF密度〈50。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片，其特征在于所述Ci-Al2O3层具有柱状晶粒织构，在整个所述层厚度内，所有柱基本上具有O. 2μπι至5μπι的相同柱宽。
8.根据权利要求7所述的切削工具刀片，其特征在于在整个所述层内，所述柱宽为O.2 μ m 至 2. 5 μ m。
9.根据权利要求I所述的切削工具刀片，其特征在于所述涂层包含内部单层和/或多层涂层、和/或外部单层和/或多层涂层以达到总厚度为O. 5至40 μ m，优选O. 5至20 μ m，其中所述内部单层和/或多层涂层例如为TiN、TiC或Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，优选Ti (C，O, N)，所述外部单层和/或多层涂层例如为TiN、TiC、Ti (C，O, N)或其它Al2O3多晶型物，优选TiN和/或Ti (C，O, N)。
10.制造包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的主体的切削工具刀片的方法，在50至150毫巴的气体压力下，在混合的H2、CO2, CO、H2S, HCl和AlCl3中，在950°C至1050°C的温度下，通过化学气相沉积，在所述主体上沉积包含至少一个a -Al2O3层的硬质耐磨涂层，其特征在于所述C02/C0气体流量比在O. 3 ( (C02/C0) I低彡I. 2的低气体流量比和I. 8 ( (C02/C0) I高彡3. O的高气体流量比之间向上和向下地、连续地或阶式地循环变化，所述循环变化的周期为I分钟至60分钟，优选2分钟至30分钟。
11.根据权利要求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气体流量比为O. 5彡(C02/C0) I低彡I. 0，并且高气体流量比为1.8 ^ (C02/C0) |高彡2· 5。
12.根据权利要求I至9所述的切削工具刀片用于通过排屑进行加工的用途，切削速度为75至600m/分钟，优选150至600m/分钟，取决于切削速度和刀片几何形状，在铣削情况下的平均每齿进给量为O. 08至O. 8mm,优选O. I至O. 6mm。
全文摘要
本发明涉及用于通过排屑进行加工的切削工具刀片，其包含基于烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或立方氮化硼的材料的硬质合金主体，所述主体上通过CVD沉积硬质耐磨涂层。所述涂层包含至少一个厚度为0.5μm至40μm、具有{01-15}和/或{10-15}织构、显示优异耐磨性和金属切削性能的α-Al2O3层。本发明还涉及所述切削工具刀片的制造方法和用途。
文档编号C23C16/455GK102933742SQ201180028307
公开日2013年2月13日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年6月8日
发明者托米·拉尔森, 马茨·约翰松 申请人:山高刀具公司