专利名称：在刀具上沉积细粒氧化铝涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种在刀具上沉积细粒的、结晶Al2O3(氧化铝)涂层的方法，其中刀具基材为烧结硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或高速钢，该方法是用化学反应物AlCl3、O2、H2和Ar通过等离子体化学气相沉积法(PACVD)进行的。等离子体是通过加在两个电极或两组电极上的双极脉冲直流电压而产生的。通过本发明的方法，可以高沉积速率、平稳、高质量地沉积由单相γ-Al2O3或γ-和α-Al2O3混合物组成的涂层。当用于刀具时，所述的涂层具有良好的耐磨性。根据本发明的方法，结晶Al2O3涂层可在低至500℃的沉积温度下得到。
众所周知，对于金属削切中所用的烧结硬质合金刀具，其耐磨性可通过采用金属氧化物、碳化物或氮化物的硬表面薄层而显著增加，其中金属选自周期表Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族的过渡金属，或选自硅、硼和铝。涂层的厚度通常在1～15μm间变化。用于沉积这种涂层的最广泛的技术为PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)。二十多年前即可从市场上购得涂铝的硬质合金刀具。通常所用的CVD技术涉及在约1000℃高温下，从AlCl3、CO2、和H2的反应性气体氛中将物料沉积在基材表面上。
Al2O3结晶成多种不同的晶相，如氧原子以hcp(密排六方晶格)形堆积的被称为“α-系”的α(alfa)、κ(kappa)和χ(chi)，以及氧原子以fcc(面心立方晶格)堆积的被称为“γ-系”的γ(gamma)、θ(theta)、η(eta)、δ(delta)。1000～1050℃下，按CVD法在硬质合金上沉积涂层中的最常见的Al2O3的晶相为稳定的α-相和亚稳态的κ-相，但是，偶尔也能观察到亚稳态的θ-相。这些α-、κ-和／或θ-相的Al2O3涂层均为全部结晶且晶粒大小为0．5～5μm，且该涂层具有良好小面化的晶粒组织。
约1000℃的原有高沉积温度使硬质合金基材上的CVD Al2O3涂层中的总应力为拉伸应力。因此，总应力取决于硬质合金基材与涂层之间的不同热膨胀系数所引起的热应力。拉伸应力可超过Al2O3的断裂极限，引起涂层大范围的破裂，从而在整个Al2O3层上产生网状的冷却裂缝。
希望能找到另一种可用于制备耐磨涂层如铝的沉积方法，特别是可在较低的基材温度下操作的方法。因此，它不仅能涂覆对温度更敏感的工具基材，如高速钢，也能消除涂覆中由热应力引起的冷却裂缝。在较低温度下沉积的耐磨涂层可产生更精细的晶粒组织，并可能获得更高的涂层硬度。
能在刀具上制成耐磨涂层如TiC、TiN和Al2O3的潜在的低温沉积技术有PVD(物理气相沉积)和PACVD(等离子化学气相沉积)。但是在沉积诸如Al2O3等高绝缘层时，采用这些基于等离子体的技术会产生一些问题。氧化铝层不仅在基材表面上生长，还在等离子体区域的所有表面上生长，同时在阴极／电极上生长。此外，这些绝缘层被带电，引起电击穿和电弧。后一现象自然地不利影响了涂层的生长速率和质量。
一种解决上述问题的方法是在DD 252 205和US5，698，314中公开的双极脉冲DMS技术(双磁控管喷镀)。在双极双磁控管体系中，两个磁控管可交替作为阴极和阳极，因此可使磁控管长期保持为金属态。在足够高的频率时，绝缘层上可能的表面充电将被抑制，从而限制了电弧带来的麻烦。根据US 5，698，314，DMS喷镀技术可在基材温度低于800℃时沉积并制成高质量的、良好附着性的结晶α-Al2O3薄层。
由于较低的操作压力，PVD技术通常具有所谓“视线”法的缺点，即仅能涂覆面向离子源的表面。该缺陷可通过在沉积期间，旋转基材而在一定程度上得到弥补。
现有技术中，US5，516，588和5，587，233公开了在基材温度为450～700℃时，可沉积α-和γ-Al2O3多晶形Al2O3层的等离子辅助CVD法。该PACVD法包括在等离子体中卤化铝、AlCl3与CO2、H2和Ar间的反应，该等离子体通过在基材上施加单极脉冲直流电压而产生，其中基材作为阴极来连接，这意味着基材始终保持为负电位。采用直流电压，包括单极脉冲直流电压技术来产生等离子体的缺点在于无法完全抑制绝缘层上的表面带电。具体地说，电荷主要集中在尖角并沿基材边缘分布，这导致涂层厚度以及涂层质量的急剧降低。
以更常用的术语来说，绝缘铝涂层不仅在基材上生长，而且在等离子体区域的所有表面上以及在电极上生长的事实将负面影响等离子体的稳定性，而且整个沉积过程会以放电的消失而最终结束。
另外一个影响涂层生长速度的因素在于每次当单极脉冲直流电压处于零电位时，沉积过程将被中断。在US 5，093，151中，采用单极脉冲直流电压来产生等离子体，此时在脉冲期间，有意识地使单极脉冲直流电压不为零电位，而保持在剩余电压，该电压始终大于反应混合物H、H2、Ar、O、O2和AlCl3中任一元素的最低电离电势。剩余电压与脉冲的最大电压的比率据说是0．02～0．5。使电压不为零电位对沉积速率产生有利影响，但同时在绝缘表面上产生了更多的电荷聚集。
本发明的目的在于避免或减少现有PACVD技术的问题，且本发明提供了一种在基材温度为500～800℃时，沉积硬质的、密集的、细晶粒α-Al2O3和γ-Al2O3的涂层的方法。通过本发明方法制成的涂层为透明的，且具有非常光滑的抛光平面。所述涂层的另一特点在于具有大于或等于19GPa的高硬度，以及约为5～200nm的晶粒大小。
本发明方法基于化学反应物AlCl3、H2和Ar与供氧体O2、CO2、CO和N2O的反应混合物的等离子活化，优选供氧体为O2。通过在两个电极或两组电极上加以双极脉冲直流电压来产生等离子体，其中将待涂覆的基材固定在电极上并电连接。或者可以反应器壁作为电极。这两个电极或两组电极可交替作为阳极和阴极。加在电极上电压脉冲在正、负电势间的交替是非常有利。首先，负脉冲期间在绝缘表面上累积的不期望的电荷可在正脉冲期间释放，且通过选择足够高的双极脉冲直流电压的频率，即＞5KHz，可消除电弧。这使得操作过程可稳定、长期进行。第二，如果在正、负脉冲之间没有停顿时间，等离子体将连续地活化，从而获得比现有单极脉冲直流电压技术更高的沉积速率。本发明方法的另一优点在于实际上，涂层的生长速率在所有被涂覆的表面、边缘、边角和平面上均是一致的。本发明方法，即双极脉冲直流电压PACVD法也可成功用于沉积非绝缘涂层，如TiC、TiN、TiCN和TiAlN，或其它选自于Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr和W的金属元素的碳化物和氮化物。
图1为以双极脉冲直流电压PACVD技术在硬质合金刀具上沉积α-Al2O3涂层的上表面的显微图和一个抛光截面的显微图。图2为与图1相同的α-Al2O3涂层的X-射线衍射图(XRD)。氧化铝的α相由(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、和(116)晶面的反射明确标示出。
将本发明所用的涂覆设备按图3所示的最简单的形式描述，即具有反应管(1)、电阻加热炉(2)、电极(3)、供气器(4)、防护罩(5)和电源(6)。待涂覆的基材放置在两个电极的任一个或两个电极之上。为达到实用的目的，在这种确定的电极排列中，基材放置在较低的电极上。
图4为一种不同的涂覆体系，即具有反应管(1)、电阻加热炉(2)、电极(3)、进气管(4)、防护罩(5)和电源(6)和待涂覆的刀具(7)。该涂覆体系适用于大规模生产诸如涂覆氧化铝的硬质合金刀具。在该体系中，反应器中所有的电极用作基材台，且反应物经中心管送入反应器中，或者反应器壁用作电极。
在采用双极脉冲直流电压技术时，为得到优化的涂覆质量和生长速率，频率、脉冲振幅、正负脉冲开／关次数可按图5所示进行变化。频率可在5～100KHz范围内，优选8～20KHz。脉冲振幅可在300～1000伏特间，优选在600～900伏特之间变化。在脉冲直流电压的周期T内，可以改变正、负脉冲启动的时间以及正、负脉冲关闭(零电位)的时间，从而改进涂覆性质以及操作的稳定性。下列参数P+、P-、t+、t-、A+和A-的定义如下正脉冲启动时间=P+负脉冲启动时间=P-正脉冲关闭时间=t+负脉冲关闭时间=t-正脉冲振幅=A+负脉冲振幅=A-其中P-≥ P+≥0．1P-，优选0．5P-≥ P+≥0．1P-，且P-≥0．1T。可设置正、负脉冲的关闭时间大于或等于零，即t-≥0和t+≥0。振幅A+基本上等于振幅A-的大小。
下面为可用的气体组分、操作压力和基材温度可选范围 优选范围AlCl30．1-2％0．2-0．4％O20．1-3．9％ 0．1-2．0％H225-95％ 70-80％Ar 5-75％ 20-30％操作压力0．05-1KPa 0．1-0．4Kpa基材温度500-800℃ 600-700℃在熟练技术人员的职责范围内，可以确定是否获得了所需的晶粒大小和相组成，并可根据本发明说明书，如果需要的话，来修正沉积条件，使Al2O3涂层的结构在本发明范围内。
本发明方法的优点通过实施例1-3来体现。实施例1A)含有6重量％Co和其余为WC的CNMA 120412-KR型硬质合金刀片先涂上一层6μm的TiCN，然后在顶层涂上1．5μm的κ-Al2O3层。TiCN和Al2O3层均通过常用的CVD技术沉积。Al2O3层的平均晶粒大小为1μm。
B)与A相同类型和组成的硬质合金刀片首先通过离子电镀法涂上约2．5μm的TiN层。
C)将由B得到的刀片，在另一实验中，按如下所示的条件，采用双极脉冲直流电压技术，涂上5．3μm的细晶粒α-Al2O3层。
D)将由B得到的刀片，在另一实验中，按如下所示的条件，用双极脉冲直流电压技术，涂上5．9μm的细晶粒γ-Al2O3层。
C DAlCl30．4％ 0．2％O20．4％ 0．3％H276％76％Ar 24％24％操作压力 0．2KPa 0．2KPa基材温度 700℃ 700℃频率 16．6KHz16．6KHz正脉冲启动时间(P+)=负脉冲启动时间(P-)正脉冲关闭时间(t+)=0负脉冲关闭时间(t-)=0用Cuκα辐射进行X-射线衍射(XRD)分析，氯含量分析和硬度测量HV(0．02)得到下列结果
C DXRD α-Al2O3(图2) γ-Al2O3(图6)HV(0．02) 21GPa 21GPa表观 半透明透明Cl含量 0．5％0．5％然后在下列条件下，在滚珠轴承钢(Ovako 825)中连续旋转，来测试A、C和D中获得的涂覆刀片速率 250m／min进刀量 0．25mm／转切割深度 2．0mm用冷却剂周期性中断切割操作以测量刀刃的刀口磨损。用光学显微镜测量刀口磨损。记录机加工时间，直至Al2O3层完全磨掉(即当TiCN内涂层可见)。为了定义Al2O3层固有的耐磨性数值，将Al2O3层的厚度(μm)除以按上述定义的加工时间(分钟)。下列结果显示了磨损速率的数值A)现有技术的涂层 1．0μm／minB)本发明的α-Al2O30．76μm／minC)本发明的γ-Al2O30．92μm／min从上述结果可以很明显地看出，用本发明方法制备的细晶粒γ-Al2O3和α-Al2O3层令人惊讶地具有至少与CVD技术沉积的粗晶粒κ-Al2O3层一样好的耐磨性。
下面两个实施例通过略微不同的晶相图和XRD图，阐明本发明方法得到Al2O3涂层的另一种可能性。实施例2E)含有6重量％Co和其余为WC的CNMA 120412-KR型硬质合金刀片通过离子电镀技术首先涂上一层约2．5μm的TiN，然后，在另一实验中，用双极脉冲直流电压技术，按下列沉积条件，涂上一层3μm的细晶粒Al2O3EAlCl30．2％O20．4％H276％Ar24％操作压力 0．2KPa基材温度 550℃频率 16．6KHz正脉冲启动时间(P+)=负脉冲启动时间(P-)正脉冲关闭时间(t+)=0负脉冲关闭时间(t-)=0XRD分析(图7)显示了在2θ角66．8°处有一对应于γ-Al2O3(440)面的宽峰。该宽XRD峰表示一种非常细的γ-Al2O3晶粒。涂层的显微硬度HV(0．02)测定为19Gpa。氯含量测定为1．5％，涂层为完全透明的。
FAlCl30．2％O20．4％H276％Ar 24％操作压力 0．2KPa基材温度 650℃频率 8．3Khz正脉冲启动时间(P+)=负脉冲启动时间(P-)正脉冲关闭时间(t+)=0负脉冲关闭时间(t-)=75μsXRD分析(图8)显示了在2θ角66．8°处有一对应于γ-Al2O3(440)面明显的峰。涂层的显微硬度HV(0．02)测定为22GPa。
权利要求
1.一种在基于烧结的硬质合金、或金属陶瓷、陶瓷或高速钢的刀具上涂以硬度大于或等于19GPa的细晶粒(5-200nm)α-Al2O3和／或γ-Al2O3涂层的等离子体化学气相沉积法，该方法的特点在于等离子体由加在两个电极或两组电极上的双极脉冲直流电压产生的，并将待涂覆的基材固定在电极上且为电连接，所述的电极或电极组可交替作为阳极和阴极；化学反应物为AlCl3、H2和Ar，以及供氧体为O2、CO2、CO或N2O；根据待涂覆的刀具材料，脉冲频率设置在5～100KHz之间，优选8～20KHz，脉冲振幅为300～1000伏特，优选600～900伏特，基材温度为500～800℃，优选550～650℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于供氧体为O2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于化学反应物的体积％为AlCl30．1-2．0，优选0．2-0．4，O20．1-3．9，优选0．1-2，H225-95，优选70-80和Ar5-75，优选20-30。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于总操作压力设置为0．05-1KPa，优选0．1-0．4KPa。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于负脉冲启动时间P-大于或等于正脉冲启动时间(P+)，后者大于或等于10％的负脉冲启动时间，即P-≥P+≥0．1P-，负脉冲启动时间大于或等于10％的周期T，即P-≥0．1T，负和正脉冲的关闭时间大于或等于零，即t-≥0和t+≥0。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于双极脉冲直流电压的正的振幅(A+)与负振幅(A-)的大小基本上相等。
全文摘要
本发明涉及一种在由烧结硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或高速钢构成的刀具上沉积耐火氧化铝(Al
文档编号C23C16/515GK1280632SQ98811569
公开日2001年1月17日 申请日期1998年11月26日 优先权日1997年11月26日
发明者克里斯蒂娜·特施纳, 因戈尔夫·恩德勒, 阿尔布雷克特·莱昂哈特, 比约恩·永贝里, 马茨·舍斯特兰德 申请人:桑德维克公司