氧化铝涂层切削工具的制作方法

氧化铝涂层切削工具的制作方法
【专利摘要】一种涂层切削工具刀片，其由包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼的基体构成，所述基体在其上沉积有总厚度最大为60μm的包含一个或多个层的涂层，所述层包含通过化学气相沉积(CVD)沉积的厚度为1～45μm的α?Al2O3耐磨层，其中当在所述α?Al2O3层的横截面的SEM显微照片中观察时，所述α?Al2O3层包含至少两个部分，第一厚度部分和紧接在所述第一厚度部分上面的第二厚度部分，所述第一厚度部分具有基本柱状的α?Al2O3晶粒结构，并且在从所述第一厚度部分到第二厚度部分的过渡处，所述α?Al2O3晶粒的25个相邻晶粒中的至少1个、优选25个相邻晶粒中的至少5个、更优选25个相邻晶粒中的至少15个的晶粒边界经历方向改变成为与所述第一厚度部分中的晶粒边界基本垂直的方向，其中基本垂直包括90±45度、优选90±30度的方向改变。
【专利说明】
氧化铝涂层切削工具
技术领域
[0001] 本发明涉及涂层切削工具刀片及其制造方法，所述涂层切削工具刀片由包含硬质 合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼的基体(substrate)构成，所述基体至少部分涂布有 总厚度最大为60μπι的涂层，所述涂层由一个或多个层构成，所述层包含通过化学气相沉积 (CVD)而沉积的厚度为2~45μηι的α-Α1 2〇3耐磨层。
【背景技术】
[0002] 在1990年代初，在工业规模中实现了 α-Α12〇3多晶型的控制，基于美国专利 5137774、US 5654035、US 5980988、US 7442431 和US 5863640的商品描述了具有优选的纤 维织构的α_Α?2〇3涂层的沉积。US 6333103描述了控制α-Α?2〇3在（1 0 10)平面上成核和生 长的改进方法。US 6869668描述了利用ZrCl4作为织构改性剂在α-Α?2〇3中得到强（1 0 0)织 构的方法。上面论述的现有技术方法使用了约l〇〇〇°C的沉积温度。US 7094447描述了一种 获得明显的（〇 1 2)织构的技术。在US 7442432和US 7455900中分别公开了产生明显的（1 0 4)和（1 1 6)织构的沉积技术。US 7993742和US 7923101公开了（0 0 1)织构的氧化铝 层。对(0 1 2)、（1 0 4)和(0 0 1)织构的氧化铝层进行比较并发现(0 0 1)织构优于其它 织构。在上述公开内容中，通过利用XRD确定α-Α?2〇3层的织构，并通过利用哈里斯(Harris) 公式计算织构系数(TC)来对其定量。在US 7763346和US 7201956中，EBSD被用于限定(0 0 1)织构，并且通过(0 0 1)基面相对于涂层表面的斜度来量化所述织构。
[0003] 织构的α-Α?2〇3层由柱状晶粒组成，并且所述α-Α?2〇3晶粒被与所述基体表面具有 相对大角度的面(facet)所终止，产生粗糙的表面形态。
[0004] US 7923101描述了具有（0 0 1)织构的α-Α12〇3层的表面的一定程度的变平。US 2012/003452描述了在含有一种或多种选自1^、￥、2^0和8的元素的€1412〇3层中，得到了平 顶表面。这些层沉积在α _Α?2〇3层上，所述α_Α?2〇3层又沉积在热处理的薄ΑΙ2Ο3膜上。
[0005] US 7597511公开了表面涂层切削工具，其包含具有硬涂层的硬质合金或碳氮化钛 基金属陶瓷的基体，所述硬涂层包括总平均层厚度为3~20μπι的下面的Ti化合物层和在需 要ZrCl 4的2-步CVD处理中形成的上面的AIZrO层，所述上面的层被称为"重整" AIZrO层。所 述"重整"AIZrO层显示为具有这样的结构，所述结构在垂直于厚度方向的平面中具有等多 边形形状的大粒度晶粒，而在具有平滑面的厚度方向上具有伸长的形状。所述涂层被描述 为显示出良好的切削性能，然而，通常已知，除A1氧化物外，Zr氧化物的沉积增加生产成本 并且由于新抛光Zr的自身易燃性而对操作安全性提出了高要求。
[0006] 发明目的
[0007] 本发明的目的是提供如下的涂层切削工具刀片，其具有包含α-Α1203的涂层，所述 涂层显示出改进的表面光洁度，降低的表面粗糙度和在许多金属切削应用中、尤其在铸铁 的切削中重要的改进的机械性质，尤其是增强的后刀面(flank)耐磨性和抗崩刃性。

【发明内容】

[0008] 根据本发明，提供了由包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼的基体构 成的涂层切削工具刀片，所述基体在其上沉积有总厚度最大为60μπι的涂层，所述涂层由一 个或多个层、优选耐火层构成，所述层包含通过化学气相沉积(CVD)而沉积的厚度为1~45μ m、优选2~45μηι的a-Ah〇3耐磨层，优选外部耐磨层，其中
[0009] 当在所述α-Α12〇3层的横截面的SEM显微照片中观察时，
[0010]所述α-Α12〇3层包含至少两个部分，第一厚度部分和紧接在所述第一厚度部分上面 的第二厚度部分，
[0011] 所述第一厚度部分具有基本柱状的α-Α1203晶粒结构，和
[0012] 在从所述第一厚度部分到第二厚度部分的过渡处，所述α-Α1203晶粒的25个相邻晶 粒中的至少1个、优选25个相邻晶粒中的至少5个、更优选25个相邻晶粒中的至少15个的晶 粒边界经历方向改变(directional change)成为与所述第一厚度部分中的晶粒边界基本 垂直的方向，其中基本垂直包括90±45度、优选90±30度的方向改变。在一种实施方式中， 所述方向改变在45度和90度之间，优选在60度和90度之间。
[0013] 在本发明的一种实施方式中，提供了由包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方 氮化硼的基体构成的涂层切削工具刀片，所述基体在其上沉积有总厚度最大为60μπι的涂 层，所述涂层包含一个或多个层，所述层包含通过化学气相沉积(CVD)而沉积的厚度为1~ 45μηι、优选2~45μηι的α-Α?2〇3耐磨层，其中延伸至所述α-Α?2〇3层外表面的α-Α?2〇3晶体中的 至少70%、优选至少80%、更优选至少90%被垂直于轴的面所终止，所述轴与所述基体表面 的法线呈0至35度、优选0至20度、更优选0至10度，优选终止所述α-Α1 2〇3晶体的这些面是{0 0 1}晶面。在所述α-Α12〇3层的外表面处终止所述α-Α12〇3晶体的面的这种取向可以通过 EBSD或通过所述层的横截面的SEM显微照片进行确定。
[0014] 根据本发明，还提供了如本文中所述和请求保护的涂层切削工具刀片的制造方 法，所述方法包括用总厚度最大为60μπι的涂层涂布基体的步骤，所述基体包含硬质合金、金 属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼，所述涂层包含一个或多个层，所述层包含从包含H 2、C02、 A1C13、HC1和X的反应气体混合物通过化学气相沉积(CVD)而沉积的厚度为1~45μπι、优选2 ~45μπι的α-Α1 2〇3耐磨层，其中X选自H2S、SF6和S02、或其组合，并且所述反应气体混合物还任 选包含N 2、Ar、C0或其组合的添加物，其中
[0015] 所述α-Α1203层的沉积过程至少包括以下步骤：
[0016] 在第一处理条件下进行所述α-Α1203层的第一厚度部分的沉积，以沉积具有沿着第 一晶向的择优生长的α-Α1 203层，和
[0017] 改变沉积条件，以在有用于沉积具有沿着与所述第一晶向基本垂直的第二晶向的 择优生长的α-Α120 3层的第二处理条件下进行所述α-Α1203层的第二厚度部分的沉积，其中 在第二沉积条件下的沉积终止所述α-Α1 203层的沉积过程。所述第一晶向可以沿着〈0 0 1>， 而所述基本垂直的方向可以沿着〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向。
[0018] 在本发明的一种实施方式中，所述第一晶向可以沿着与{0 1 2}垂直的方向，而所 述基本垂直的方向可以沿着〈1 1 〇>或〈0 1 〇>晶向。
[0019] 在本发明的一种实施方式中，所述第一晶向可以沿着〈0 1 0>，而所述基本垂直的 方向可以沿着〈〇 〇 1>晶向。
[0020] 在本发明的一种实施方式中，所述第一晶向可以沿着〈1 1 0>，而所述基本垂直的 方向可以沿着〈0 0 1>晶向。
[0021] 在本发明的一种实施方式中，所述第一晶向可以沿着与{1 0 4}垂直的方向，而所 述基本垂直的方向可以沿着〈1 1 〇>或〈0 1 〇>晶向。
[0022] 令人惊讶地发现，虽然第一处理条件改变为通常用于沉积具有沿着与第一晶向基 本垂直的第二晶向的择优生长的α-Α12〇3层的第二处理条件，但是本发明的α-Α1 2〇3层的总 体纤维织构由沉积具有沿着第一晶向、例如〈0 0 1>晶向的择优晶体生长的α-Α1203层的第 一处理条件所决定。优选地，如果所述第一晶向是〈〇 〇 1>，则所述第二处理条件是通常用 于产生沿着所述α-Α12〇3层的〈1 1 0>或〈1 0 0>晶向、最优选沿着〈1 1 0>晶向的晶体生长 的条件。所述第二处理条件是在没有作为织构改性剂的任何其它金属氧化物、例如Zr氧化 物的情况下沉积α-Α1 203层的条件。
[0023]在本发明的α-Α1203层的第一厚度部分中，α-Α120 3晶粒具有基本柱状的α-Α1203晶 粒结构，并且在从所述第一厚度部分到第二厚度部分的过渡处，晶粒边界经历方向改变成 为基本垂直于所述第一厚度部分中的晶粒边界的方向。可以在所述α-Α1 203层的横截面的 SEM显微照片中观察所述α-Α1203晶粒的晶粒边界生长的方向改变。根据本发明，对于α-Α1 2〇3晶粒的25个相邻晶粒中的至少1个，优选25个相邻晶粒中的5个，更优选25个相邻晶粒 中的15个，所述晶粒边界的方向改变在SEM显微照片中是可见的。要注意的是，在本发明的 意义上，术语"方向改变成为基本垂直于第一厚度部分中的晶粒边界的方向"包括90±45 度、优选90 ± 30度的方向改变。另外，所述晶粒边界生长方向的方向改变不必一定在所述第 一与第二厚度部分之间形成锐角。本领域技术人员清楚，这样的方向改变也可以从所述第 一到第二厚度部分按曲线的方式发生。
[0024] 令人惊讶地发现，通过本发明的沉积方法，可以得到很光滑的表面形态。改变所述 择优生长和所述晶粒边界方向的生长条件的突变有助于平顶晶粒的形成和α-Α1 203层表面 的平滑化。本发明的α-Α1203层的表面由粗糙度降低的比较大的平晶粒支配。这可以在，例 如，图lb和2b中看出。
[0025] 然而，还令人惊讶地发现，如果主要沿着〈0 0 1>晶向确定所述α-Α1203层的生长， 则得到本发明的很光滑的表面。试验已经显示，如果所述(〇 〇 1)织构弱或如果所述α-Α12〇3 层在第一步骤中的生长优选垂直于{〇 1 2}或{1 0 4}或{0 1 0}晶面、即分别以（0 1 2)或 (1 0 4)或(0 1 0)纤维织构发生，则也可以得到平滑效果。
[0026] 厚度为约8~ΙΟμπι的没有顶层且没有后处理的现有技术α-Α1203层显示出约0.30~ 0.35μπι或更高的粗糙度(Ra)。与其相反，在没有顶层且没有后处理的α-Α12〇 3层上测定时，根 据本发明的α-Α12〇3层表现出约0 · 05~0 · 2μπι、优选约0 · 05~0 · 15μπι或更小的低得多的粗糙 度(Ra)值。因此，在组成相当和厚度相同的情况下，根据本发明产生的涂层的粗糙度(Ra)K 根据现有技术产生的涂层的低至少5〇-60%。厚度为约4~8以111的较薄€[-41203层在根据本发 明产生时，显示出约0.04~约0.15、优选约0.03~约0. ΙΟμπι的甚至更低的粗糙度(Ra)值。 [0027]如果在本发明的α-Α120 3上面沉积顶层，则所述顶层的粗糙度也很光滑，虽然所述 顶层的测定粗糙度(Ra)可能比在沉积态(38-(16口08；^6(1)的€[-41203层上直接测定的粗糙度 稍高。然而，当所述顶层沉积为多层的薄亚层时，粗糙度值可与在根据本发明的沉积态α_ Α?203层上直接测定的值几乎相同。
[0028]通过本发明得到的涂层的平坦且光滑的表面形态是所述涂层的有吸引力且技术 上有益的外观的先决条件。本发明的涂层表现出有光泽的具有低表面粗糙度的高品质工具 表面，其除了光学效果外，还使得比现有技术涂层更容易进行磨损检测。例如，α-Α1203层通 常涂有薄的TiN顶层，从而为所述工具提供金色至黄色的颜色。当根据现有技术的由成面晶 粒组成的较厚α-Α1 203层涂有薄的TiN顶层时，将得到暗淡的棕黄色颜色。与其相反，当根据 本发明的α-Α1 203涂层涂有薄的TiN顶层时，将得到有光泽的金黄色颜色。当其它种类的顶 层，如!'^1、2匕￥和批中一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物或硼碳氮化 物或其组合沉积在所述α-Α1 203层上面时，也可以得到这种效果。还发现本发明提高了沉积 在根据本发明的α-Α1 2〇3层上的11111(：、11^411立方11411立方11410~或其组合的外观 和性能。
[0029] 然而，并且更加重要的是，本发明涂层的光滑表面改进了工具的耐磨性质。本发明 的α-Α1203层表现出尤其在钢和铸铁的间断性切削中有用的增强的机械性质，例如改进的后 刀面耐磨性和抗崩刃性。在此，在切削刃处的光滑表面拓扑结构尤其在所述工具进入工件 材料时的第一时刻期间降低了崩刃的趋势。相比于现有技术，作为顶层材料的立方TiAIN或 TiAlCN的沉积相当大地提高了间断性切削操作中的工具性能。通过将这些层本身或与其它 立方材料，例如TiN或六角相例如A1N或TiAIN-起沉积为多层，可以进一步改进立方TiAIN 或TiAlCN顶涂层的表面光洁度和性能，所述六角相是由于沉积条件或振荡反应或者由于在 沉积或热处理期间的自组织过程而形成的。
[0030] 本发明的α-Α1203层的光滑表面结构还能够使得以更高的强化效应和均匀的品质 进行后处理，例如喷砂。
[0031]
[0032] 以下定义应该定义在本说明书和权利要求书中用于描述本发明的术语。
[0033] 如在本文中使用时和如其通常与通过气相沉积产生的薄膜相结合使用时，术语 "纤维织构"将生长晶粒的取向与随机取向区别开来。在薄膜和涂层中通常区别三种类型的 织构：随机织构，此时晶粒没有择优取向；纤维织构，其中所述涂层中的晶粒是取向的，使得 一组几何学上相等的晶面{h k 1}被发现优先平行于基体取向，同时所述晶粒绕垂直于该 面并因此优先垂直于所述基体取向的纤维轴有旋转自由度；和在单晶基体上的外延对齐 (或面内织构），其中面内对齐将所述晶粒的全部三个轴相对于所述基体固定。要强调，在较 早的专利文献中以及在此论述的涂层全部表现出纤维织构，术语"(h k 1)织构"因此是指 具有优先平行于基体表面取向的{h k 1}面的纤维织构。
[0034] 术语"沿着<h k 1>晶向的生长"是指晶体以如下的方式生长:它们的相应{h k 1} 晶面平行于在其上生长晶体的基体表面取向。通过米勒-布拉韦(1；11161-8抑￥3丨8)指数11、 k、i和1定义晶体的晶面，用3-指数记数法表示，省略指数i[i=-(h+k)]。沿着<h k 1>晶向 的"择优"生长是指沿着<h k 1>晶向的生长比沿着其它晶向的生长更频繁发生。必须注意， 术语"沿着<h k 1>晶向的生长"涉及具有平行于基体的{h k 1}面的择优取向的(h k 1)纤 维织构，只有当〈h k 1>方向垂直于{h k 1}面时才是适当的。这对于a-Ah〇3所属的三角-六 角晶系通常无效，然而，它适用于对应的〈1 0 〇>和U 0 〇}、〈1 1 〇>和{1 1 〇}、以及〈0 0 1>和{0 0 1}对。推测"沿着<h k 1>晶向的择优生长"是在CVD沉积过程期间沿着<h k 1>晶 向的沉积速率比沿着其它晶向更高的结果。
[0035] 因此，如果α-Α?2〇3晶粒显示"沿着〈0 0 1>晶向的择优生长"，这意味着α-Α?2〇3晶 粒以其平行于基体表面的{〇 Ο 1}晶面比其它晶面更频繁地生长。
[0036] 表达沿着<h k 1>晶向的择优生长的一种手段是织构系数TC(h k 1)，其利用哈里 斯公式，基于在相应试样上测定的规定的XRD反射集进行计算。所述XRD反射的强度利用 JCPDF卡标准化，所述JCPDF卡指示相同材料例如α-Α12〇3但具有随机取向例如在所述材料的 粉末中的XRD反射的强度。结晶材料层的织构系数TC(h k 1)>1表示，至少与在哈里斯公式 中用于确定织构系数TC的XRD反射相比，结晶材料的晶粒以其平行于基体表面的{h k 1}晶 面比随机分布更频繁地取向。织构系数TC(0 0 12)在本文中用于指示沿着〈0 0 1>晶向的 择优晶体生长。在α-Α12〇3晶系中，{0 0 1}晶面平行于{0 0 6}和{0 0 12}晶面。使用TC(0 0 12)而不是TC(0 0 6)，是因为来自α-Α12〇3的（0 0 6)反射被来自在所述涂层系统中经常作 为层施加的TiCN的反射部分重叠。
[0037] 如在本文中使用的，术语"第一处理条件"是指适合于产生具有沿着第一晶向、在 一种实施方式中这是〈〇 〇 1>晶向的择优晶体生长的α-Α1203层的CVD处理条件。所述第一处 理条件从所述层沉积的成核开始决定了沉积的α_Α1 2〇3层的总纤维织构。如在本文中使用 的，术语"第二处理条件"是指适合于产生具有与所述第一晶向基本垂直的择优晶体生长的 α-Α1203层的CVD处理条件。在〈0 0 1>是第一晶向的实施方式中，所述第二处理条件适合于 产生具有沿着〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向的择优晶体生长的α_Α12〇3层。这意味着，如果将"第二 处理条件"从α_Α12〇3层沉积的成核开始应用于α-Α1 203层的整个沉积，则这些"第二处理条 件"是产生具有与所述第一晶向基本垂直的择优晶体生长的α-Α1 203层的条件。当"第二处理 条件"在"第一处理条件"之后应用时，不改变所沉积的α_Α1 2〇3层的总纤维织构，因为所述 "第一处理条件"决定总纤维织构，即所述晶粒仍然择优以其平行于基体表面的第一晶面 (例如{〇 0 1})比以其它晶面更频繁地生长。然而，推测在所述"第二处理条件"下，沿着第 一晶向（例如〈0 0 1>)的生长速率降低，而沿着与所述第一晶向（例如〈0 0 1>)基本垂直的 其它晶向的生长速率增加。不被理论束缚，本发明人推测在所述"第二处理条件"下，氧化铝 在CVD处理中向其它面的沉积速率比在所述"第一处理条件"下择优的那些面增加。
[0038]在所述第一处理条件下，所述α-Α1203晶粒以柱状方式生长，它们的晶粒边界基本 垂直于沉积所述晶粒的基体的表面生长。在这一点上，术语"基本垂直"考虑和包括了如下 事实：以这种方式沉积的柱状α-Α1 203晶粒通常在从基体表面到氧化铝层表面的方向上经历 横截面变宽。推测所述柱状晶粒的横截面的这种变宽是下述事实的结果:虽然所述生长沿 着所述第一晶向（例如〈〇 〇 1>)择优发生，但始终在一定程度上还沉积到已沉积晶粒的基 本垂直于所述择优生长方向的其它面上，虽然比在择优生长方向上的沉积慢。
[0039]根据本发明，作为从第一到第二处理条件的改变的结果，已经在第一处理条件下 沉积的数个α-Α1203晶粒的晶粒边界将它们的方向从"基本垂直"于基体表面改变为"基本垂 直"于所述基体表面的法线。因此，在例如通过SEM观察的横截面中，那些晶粒看起来基本上 具有"Τ"形状或类似的形状，由此很清楚，在实践中，从第一到第二厚度部分的晶粒边界方 向的改变通常将不呈现完美的90度角。因此，术语"基本垂直"在本发明的意义上包括90± 45度、优选90 ± 30度的方向改变。
[0040]要理解，由于在所述生长条件或晶粒边界方向分别改变后所述晶粒横截面的变 宽，和由于相邻氧化铝晶粒之间有限的侧隙，只有一部分α_Α12〇3晶粒经历生长形态的这种 改变并生长直至α-Α1 203层的表面，而一些其它晶粒因 α-Α1203晶粒的变宽部分而过度生长， 因此这些过度生长的晶粒要么不生长直至外层表面，要么它们在横截面宽度上减少。这可 以，例如，在各个层的横截面的SEM显微照片中很好地观察。
[0041]通常适合于产生具有择优晶体生长取向的α-Α12〇3层的CVD处理条件，如对于第一 和第二处理条件所定义的，是本领域中通常已知的并在科学和专利文献(参见例如上文引 用的现有技术参考文献）中进行了描述。本说明书提供了合适的第一和第二处理条件的其 它实例。在这一点上，必须注意，产生沿着晶向或与其垂直的择优晶体生长的CVD处理条件 可以在广泛的范围内变化。因此，本发明的范围和所主张的解决潜在问题的主题的定义不 应该限于具体的CVD处理参数和反应气体组成。相反，本发明基于以下令人惊讶的发现:通 过本发明的方法，按如本文中限定的第一和第二处理条件的顺序，尤其通过改变处理条件 来沉积α-Α1 203层，以实现晶粒边界生长的改变，从而实现了涂层切削工具刀片的改进的表 面光洁度、降低的表面粗糙度和改进的机械性质。通过了解本发明及其背后的理念，本领域 技术人员将容易找到获得如根据本发明定义的α_Α1 2〇3层的这种特定晶体生长的CVD处理条 件的参数。如上所述，分别产生α-Α120 3的择优生长方向或纤维织构的处理条件是本领域已 知的并在文献中找到。然而，应用如本文中定义的第一和第二处理条件的特定顺序来获得 改进的表面光洁度、降低的表面粗糙度和改进的机械性质是令人惊讶的并且之前从未有描 述。
【具体实施方式】
[0042]如上所述，本发明的α-Α1203层，至少在所述第一厚度部分中，具有通过所述第一处 理条件产生的所述α-Α1203晶粒沿着第一晶向的择优生长取向，并且所述α-Α120 3层的总体 纤维织构由这些第一处理条件所决定。因此，在本发明的优选实施方式中，延伸到所述α-Α12〇3层外表面的α-Α1 2〇3晶体的至少70%、优选至少80%、更优选至少90%表现出被垂直于 轴的晶面所终止的面，所述轴与所述基体表面的法线呈0到30度、优选0到20度、更优选0到 10度，这可通过EBSD测量。在本发明的一种实施方式中，所述第一晶向是〈0 0 1>并且所述 面被{〇 〇 1}晶面终止。
[0043]在本发明的又一种优选实施方式中，在沉积态和未喷砂态的a-Ah〇3层的外表面具 有以下表面粗糙度特征：
[0044] i)当所述α-Α1203层具有8μπι或更高的厚度时，表面粗糙度Ra为0 · 05~0 · 2μπι，优选 0 · 05 ~0 · 15μπι;
[0045] ii)当所述α-Α1203层具有小于8μπι的厚度时，表面粗糙度Ra为0.03~0.2μπι，优选 0·03~0· ΙΟμπι;
[0046] 其中在没有顶层和没有后处理的沉积态α-Α1203层上测定所述表面粗糙度。
[0047]在本发明的一种实施方式中，所述α-Α1203层具有沿着〈0 0 1>晶向的择优生长取 向。在另一种实施方式中，所述α-Α1203层具有垂直于{0 1 2}晶面的择优生长取向。在又一 种实施方式中，所述α-Α1203层具有垂直于{1 0 4}晶面的择优生长取向。在又一种实施方式 中，所述α-Α1203层具有垂直于{0 1 0}晶面的择优生长取向。
[0048]在本发明的又一种优选实施方式中，整个α-Α1203层的总体纤维织构的特征在于织 构系数TC(0 0 12)>3,进行定义TC(0 0 12)如下：
[0050] 其中
[0051] (h k l) = (hkl)反射的测定强度
[0052] Io(h k 1)=根据JCPDF-卡号42-1468的标准粉末衍射数据的标准强度
[0053] n=用于计算的反射数，在此所使用的(hkl)反射是：（0 1 2)，（1 0 4)，（1 1 0)， (1 1 3)，（1 1 6)，（3 0 0)和(0 0 12)。
[0054]下面描述测量织构系数TC的方法。
[0055]虽然本发明的氧化铝层可以是整个涂层的最上层，但优选地，在所述α-Α1203层上 面至少部分地提供顶涂层。因此，在本发明的又一种优选实施方式中，所述涂层包含厚度在 0.05μπι至3μπι之间、优选0.2μπι至2μπι之间、更优选0.5μπι至1.5μπι之间的优选通过CVD或PVD在 α-Α12〇3层的上面沉积的顶涂层，所述顶涂层包含一个或多个选自TiN、TiC、TiCN、ZrN、ZrCN、 !1作、!^^￥(：、114111141^41~或其组合或多层的层。
[0056]在所述α-Α1203层上面的顶涂层可以作为磨损指标和/或其它功能层提供。为了检 测磨损，所述涂层应该优选以彩色涂层材料例如TiN、TiCN、AlN或CrN或者金属例如Ti、Al或 Cr终止。也可以通过上述涂层的氧化或阳极氧化来产生颜色，例如蓝色、绿色、紫色或金属 色。通过氧化或阳极氧化产生彩色涂层的技术是已知的并在文献中进行了描述。
[0057]本发明还包括如下的那些实施方式，其中所述切削工具刀片仅有部分表面积、优 选所述切削工具刀片的前刀面(rake face)应该包含所述α-Α?2〇3层作为最外层，而剩余的 表面积应该用作为最外层的顶涂层所覆盖。可以通过借助喷砂或任何其它公知的方法从α-Α1 2〇3层应该是最外层的那些区域除去所沉积的顶涂层而产生这些实施方式。这种实施方式 的优点在于，因为所述最外α_Α1 2〇3表面和所述最外层之间的界面比较光滑，可以使用比较 低的喷砂压力和/或温和的喷砂介质除去所述最外层。从通常粗糙的α-Α1 203层除去最外层 的喷砂可能稍有问题，需要比较高的喷砂压力和/或侵蚀性的喷砂介质来除去还在所述α-Α1 2〇3层的凹处的最外层。因此可在高度控制所述最外层的除去的情况下产生这种实施方式 的涂层切削工具。
[0058]在本发明的又一种优选实施方式中，所述涂层在所述基体上和在所述α-Α1203层下 面包含一个或多个耐火层，其中所述一个或多个耐火层选自：一种或多种选自Ti、Al、Zr、V 和Hf中的金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物和硼碳氮化物或其组合，其通过化 学气相沉积(CVD)或中温化学气相沉积(MT-CVD)而沉积，并且每个耐火层具有0.5~20μπι、 优选1~1〇Μ?的厚度。
[0059] 在本发明的又一种优选实施方式中，紧挨在基体表面上面并与基体表面接触的第 一耐火层选自：一种或多种选自!';[、41、21'、￥、!^的金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮 化物和硼碳氮化物或其组合或多层，优选!1((：少）、1^111(：、1^(8，(：少）、^^，2^(：少)或其 组合或多层。更优选地，与所述基体表面相邻的第一耐火层由Ti(C，N)构成或包含Ti(C，N)。 通过CVD或MT-CVD沉积第一耐火层，并优选所述第一耐火层具有0.5~20μπι、更优选1~ΙΟμπι 的厚度。已经发现，这种类型的第一耐火层与本发明类型的α-Α1203层结合，提供了良好的总 的耐磨性。
[0060] 特别合适的第一耐火层包含如下或由如下构成：作为单层或多层的Ti和/或Α1的 氧化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物，例如!^1^((：，幻、六角411立方或六角1^411 11八1(^、1141^1141(^1亚稳或稳定的412〇3相或其组合，优选通过低压中温化学气相沉积 (LP-MT-CVD)而沉积的立方 Th-xAlxN 或 Th-xAlxCyNz，其中 x>0.7。所述立方 Th-xAlxN 或 Th- xAlxCyNz可以与六角AlN、TiAlN或TiAlCN的层一起共沉积。所述六角相层与所述立方层相比 应该非常薄，优选小于约50nm，更优选小于20nm。所述LP-MT-CVD层在600~850°C、优选650 ~750°C的温度和在2~50毫巴范围内、优选小于10毫巴的压力下进行沉积。
[0061 ] 还特别优选所述第一耐火层包含由利用CVD或MT-CVD或LP-MT-CVD沉积的TiN构成 并且厚度小于5μΜ、优选0.3~3μηι、更优选0.5~2μηι的层作为与所述基体直接接触的最下 层。已经发现，提供与基体表面直接接触的这种类型的最下层改进了第一耐火层的附着，并 因此也改进了本发明的α-Α1 203层的附着。
[0062]在本发明的又一种优选实施方式中，紧挨在α-Α1203层下面并与α-Α1 203层接触的 耐火层由立方(Ti，Al)N、立方(11，六1)((：，幻构成或由多层结构构成，所述多层结构由交替 的立方(Ti，Al)N或立方(1^1)((：川层和一个或多个由11、2^￥和!^中的一种或多种的碳 化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物和硼碳氮化物或其组合构成的耐火层构成。
[0063] 本发明的切削工具刀片的基体由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼构 成。然而，在本发明的优选实施方式中，所述基体由硬质合金构成，优选由如下的硬质合金 构成，所述硬质合金由如下物质组成:4~12重量％的(：〇,任选的0.3~10重量％的来自周期 表第IVb、Vb和VIb族金属，优选Ti、Nb、Ta或其组合的立方碳化物、氮化物或碳氮化物，和余 量的WC。对于钢机械加工应用，所述硬质合金基体优选含有7.0~9.0重量％的立方碳化物， 而对于铸铁机械加工应用，所述硬质合金基体优选含有0.3~3.0重量％的立方碳化物，如 上所定义的。
[0064] 在本发明的另一种优选实施方式中，所述基体由包含富含粘结相的表面区的硬质 合金构成，所述表面区具有从基体表面起5~30μπι、优选10~25μπι的厚度，所述富含粘结相 的表面区具有是所述基体的核心中的至少1.5倍高的Co含量，并具有小于所述基体的核心 中的立方碳化物含量的0.5倍的立方碳化物含量。在这种实施方式中，所述α-Α1 203层的厚度 优选为约4~12μηι，最优选4~8μηι。
[0065] 优选地，所述硬质合金体的富含粘结相的表面区基本没有立方碳化物。提供富含 粘结相的表面区提高了所述基体的韧度并拓宽了所述涂层切削工具的应用范围。具有富含 粘合相的表面区的基体对于用于钢的金属切削操作的切削工具刀片是特别优选的，而用于 铸铁的金属切削操作的切削工具刀片优选在没有富含粘结相的表面区的情况下制造。
[0066] 在本发明方法的一种实施方式中，在沉积具有沿着〈0 0 1>晶向的择优晶体生长 的α-Α1203层的第一处理条件下的α-Α1 203层的沉积可以优选进行1小时和20小时之间、优选 2小时和12小时之间、更优选3小时和7小时之间的时间，并且在可用于沉积具有与〈0 0 1> 晶向基本垂直、优选沿着〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向的择优晶体生长的α-Α1203层的第二处理条 件下的α-Α1 203层的沉积可以优选进行5分钟和3小时之间、优选10分钟和2小时之间、更优选 15分钟和1小时之间的时间。
[0067]根据层厚度来表达，在第一处理条件下的α-Α1203层的沉积优选进行到沉积具有沿 着〈0 0 1 >晶向的择优晶体生长的a-Ah〇3层到约2μηι~约45μL?、优选约3μηι~约15μL?、更优选 约5μπι~约12μπι的厚度，并且在第二处理条件下的α-Α1 203层的沉积优选进行到第一处理条 件下沉积的α-Α1203层厚度的约5~30%的厚度。确定沉积步骤的哪种涂层厚度将给出最佳 结果在本领域技术人员的认知之内。
[0068] 如果不施加在第二处理条件下的α-Α?2〇3层，在沉积具有沿着第一晶向（例如〈0 0 1>晶向）的择优晶体生长的α-Α1203层的第一处理条件下沉积α-Α120 3层产生被与基体表面 成比较大的角度的面终止的α-Α1203晶粒，从而导致粗糙的表面形态。
[0069] 在本发明方法的优选实施方式中，在CVD反应室中沉积具有沿着〈0 0 1>晶向的择 优晶体生长的α-Α1203层的第一处理条件包括：
[0070] 在10毫巴和100毫巴之间，优选在30毫巴和80毫巴之间的范围内的压力，
[0071] 在800 °C~1050 °C，优选930 °C~1030 °C的范围内的温度，
[0072] 并且反应性气体浓度在以下范围内：
[0073] 2%和7.5%之间、优选3%和5%之间的C02，
[0074] 0 · 5 %和5 %之间、优选1 · 5 %和4 %之间的HC1，
[0075] 0.5%和5%之间、优选1.8%和4%之间的A1C13,和
[0076] 0.2%和1.1%之间、优选0.3%和0.6%之间的X，并且
[0077] 在CVD反应室中可用于沉积具有与〈0 0 1>晶向基本垂直、优选沿着〈1 1 0>或〈1 0 〇>晶向的择优晶体生长的α-Α12〇3层的第二处理条件包括：
[0078] 在100毫巴和300毫巴之间，优选在150毫巴和250毫巴之间的范围内的压力，
[0079] 在800 °C至1050 °C，优选930 °C至1030 °C的范围内的温度，
[0080]并且反应性气体浓度在以下范围内：
[0081] 大于5% 的 C02，
[0082] 5%和25%之间、优选5%和12%之间的HC1，
[0083] 0.5%和3%之间、优选1.0%和1.8%之间的A1C13,和
[0084] 小于0 · 35%、优选小于0 · 25%的X。
[0085] 除了控制沉积压力以及C02、A1C13和X的流量之外，在晶粒边界与第一厚度部分中 的晶粒边界基本垂直的第二厚度部分中的α-Α1 203晶粒生长还可以通过添加比较大量的HC1 来提高。已知HC1抑制沿着〈0 0 1>晶向的生长。为了达到这种效果，所添加的HC1的量应该 在约5体积％和约25体积％之间，优选在约5体积％和约12体积％之间。使用这种范围的HC1 流量，可以通过在大于200毫巴、优选250毫巴和300毫巴之间的压力下沉积层来控制可用于 沉积具有沿着〈1 〇 〇>晶向的择优生长的α-Α1203的第二处理条件，并且在100毫巴和200毫 巴之间、优选150毫巴和200毫巴之间的压力下实现可用于沉积具有沿着〈1 1 0>晶向的择 优生长的α-Α12〇3的第二处理条件。
[0086]在本发明的又一种优选实施方式中，在沉积α-Α?2〇3层的CVD反应室中的第一处理 条件中和/或第二处理条件中，组分X是H2S和SF6的组合。这种H2S和SF 6的组合特别适合于在 第二生长条件下产生沿着α-Α1203层的〈1 1 0>或〈1 0 0>晶向的晶体生长。在这种情况下， SF6的体积比例优选不超过H2S体积量的15%。
[0087]为了在第一生长条件下产生沿着α-Α1203层的〈0 0 1>晶向的晶体生长，X优选是 H2S或SF6或其组合。如果H2S与SF6组合使用，为了产生预期的效果，SF 6的体积量应该优选是 H2S体积量的约25~50%。
[0088]在本发明的方法的又一种优选实施方式中，在沉积α-Α?2〇3层的CVD反应室中的第 一处理条件和/或第二处理条件包括添加 N2、Ar、CO或其组合，其中N2、Ar和⑶的体积比例之 和不超过反应气体混合物中H2的总体积量的20%。通过添加 N2、Ar和/或C0,可以在整个CVD 反应器中调整生长速率和涂层厚度变化。调节对反应性气体的这些添加来达到期望的生长 速率属性在本领域技术人员的认知之内。
【附图说明】
[0089]图1显示了根据如下的α-Α1203层的横截面的SEM显微照片：
[0090] a)现有技术(实施例1)，
[0091] b)本发明（实施例2);
[0092]图2分别显不了图la)和lb)的根据如下的α-Α?2〇3层的表面形貌的SEM显微照片： [0093] a)现有技术(实施例1)，
[0094] b)本发明（实施例2);
[0095]图3显示了在切削工具刀片的硬质合金基体上沉积的具有交替的TiN和TiCN亚层 的多层顶层的根据本发明的α-Α1203层的横截面的SEM显微照片，其中a)是切削刃的横截面， b)是前刀面的横截面(实施例3,涂层3.2)。
[0096]图4显示了在切削工具刀片的硬质合金基体上沉积的具有交替的TiN和TiCN亚层 的多层顶层的根据现有技术的α-Α12〇3层的横截面的SEM显微照片(实施例3，涂层3.1)。 [0097]在图lb)、3a)和3b)中，在α-Α1 203层的上部，与根据本发明的从第一处理条件下进 行沉积到第二处理条件下进行沉积的生长方式的突变相对应的晶粒边界的方向变化是清 晰可见的。
[0098] 方法
[0099] X-射线衍射(XRD)测量和TC确定
[0100] 在GE Sensing and Inspection Technologies的XRD3003PTS衍射仪上利用Cu Kf辐射进行X-射线衍射(XRD)测量。X-射线管在集中到一点的40kV和40mA下运行。在初级 侧(primary side)上使用利用固定尺寸测量孔径的多毛细管准直透镜的平行光束镜头，在 此选择试样的照射面积以避免X-射线束溢出所述试样的涂层面。在次级侧 (86(3〇11(^巧8丨(16)上使用具有0.4°发散的索勒狭缝(3〇1]^81;[1:)和0.251]11]1厚的附1^滤光 器。在20° <2Θ〈100°的角度范围内以0.25°的增量进行Θ-2Θ扫描。在涂层刀片的平面、优选在 后刀面上进行所述测量。在作为最外层的氧化铝层上直接进行所述测量。在待测量的氧化 铝层上面的涂层中存在的任何层，如果有的话，通过基本上不影响XRD测量结果的方法、例 如蚀刻除去。为了计算织构系数TC，使用峰高强度。将本底扣除和5个测量点的抛物线峰值 拟合应用于XRD原始数据。没有做进一步校正，例如Κ α2剥离或薄膜校正。
[0101] 扫描电子显微术(SEM)的试样制备
[0102] 在横截面中切割刀片，安装在固定器中，然后如下进行处理：
[0103] 1.用Struers Piano220砂碟和水打磨6分钟
[0104] 2.用9μηι MD-Largo金刚石悬液抛光3分钟
[0105] 3.用3以11110-0&(3金刚石悬液抛光3:40分钟
[0106] 4.用Ιμπι MD-Nap金刚石悬液抛光2分钟
[0107] 5.用0P-S胶态二氧化硅悬液抛光/蚀刻12分钟
[0108] (胶态二氧化硅的平均粒度= 0·04μπι)
[0109] 在SEM检查之前用超声波清洁所述试样。
[0110] CVD 涂层
[0111] 在具有1250mm高度和325mm外径的Bernex BPX 325S型径流反应器中制备CVD涂 层。将分别携带NH3和金属氯化物的气流单独进料到所述反应器中，使得在反应区之前直接 发生混合。经过装料盘的气流是从中央气体管径向的。
[0112] 粗糙度测量
[0113] 根据ISO 4287，DIN 4768进行粗糙度测量。将来自CSM仪器的白光ConScan用于粗 糙度测量。
[om]实施例
[0115] 在本文中的实施例中所用的试验刀片的基体是由6.0重量％的Co和余量的WC构成 的具有富含粘结相的表面区的硬质合金切削工具刀片。所述基体的维氏硬度（Vickers hardness)测得为约1600HV。使用以下刀片几何结构：
[0116] CNMA120412(特别是用于SEM和粗糙度测量)和
[0117] WNMG080412-NM4(用于切削试验）。
[0118] 预涂层:
[0119] 通过以下程序对用于沉积根据本文中的实施例的α-Α1203涂层的基体进行预涂布。
[0120] 为了确保涂层与基体的良好附着，在全部涂布程序中，通过在850°C的温度和150 毫巴的压力下通过CVD在基体表面上施加0.3μπι厚的TiN层开始所述过程。所述反应气体组 成是〇. 8体积％的11(：14、44.1体积％的他、55.1体积％的出。
[0121] 通过在850~880°C的温度下，使用0.7体积％的013^ 1.9体积％的11(：14、20体 积％的犯和余量的H2的反应气体组成进行MT-CVD，用5μπι厚的Ti (C，N)层涂布所述预涂布的 刀片。
[0122] 在MT-CVD过程完成后，将温度升高到1000°C，在该温度下，利用2.5体积％的 TiCl4、3.5体积％的〇14、30体积％的犯和余量的H2的反应气体组成，在400~500毫巴的压力 下，在所述MT-CVD层上CVD沉积另一个富N的TiCN层20分钟至大约0.3μπι的厚度。
[0123] 然后，在约1000°C的温度和80毫巴的压力下，利用3体积％的1^14、0.5体积％的 A1C13、4.5体积％的⑶、30体积％的犯和余量的H2的反应气体组成，在所述MT-CVD TiCN层上 面沉积约0.5~Ιμπι厚的（Ti，A1) (C，N，0)粘结层约30分钟。在所述沉积过程之后，利用H2吹 扫10分钟，然后开始下一步。
[0124] 在沉积所述α-Α1203层之前，在约1000~1020 °C的温度下和约80~100毫巴的压力， 通过用4体积％的⑶2、9体积％的⑶、25体积％的仏和余量的出的气体混合物下处理所述 (Ti，Al)(C，N，0)粘结层2~10分钟，进行成核(氧化)步骤。在所述成核步骤之后，利用Ar吹 扫10分钟。
[0125] 实施例1:根据现有技术的氧化铝层(涂层1-比较例)
[0126] 在1000°C的温度和66毫巴的压力下，通过引入2.5体积％的六1(：13、4.1体积％的0)2 和余量的出的反应气体混合物，开始如上所述的预涂布基体上的氧化铝沉积。同时引入反 应气体组分。在2分钟后，向流入反应器中的反应气体混合物添加2.5体积％的量的HC1。在 另外8分钟后，向流入反应器中的反应气体混合物添加0.33体积％的量的H 2S。
[0127]将沉积条件保持约8小时以得到约8μπι厚的α-Α1203层。在目测检查中，所述α-Α1 203 层显得深色而无光泽。通过粗糙度测量、切削试验、SEM和XRD分析所述涂层。
[0128] 实施例2:根据本发明的氧化铝层(涂层2)
[0129]如上关于实施例1所述的进行预涂布基体上的氧化铝沉积，不同之处在于α-Α1203 层的沉积时间是6.5小时而不是8小时。在6.5小时沉积时间后，所述处理参数改变为已知有 利于沿着所述α_Α12〇3层的〈110>晶向的择优晶体生长的"第二处理条件"。在所述"第二处理 条件"中，反应气体混合物的组成是1.5体积％的六1(：1 3、5.7体积％的0)2、7.5体积％的此1、 0.05体积％的!125和余量的Η 2。温度保持在1000 °C，但压力变为150毫巴。在所述"第二处理条 件"下的沉积时间是1.5小时，由此得到的α-Α120 3层的总厚度与实施例1中一样是8μπι。在目 测检查中，所述α-Α12〇3层显得深色但有光泽。通过粗糙度测量、切削试验、SEM和XRD分析所 述涂层。
[0130] 通过SEM分析实施例1和2的α-Α1203涂层。横截面显微照片示于图1中，表面形貌显 微照片示于图2中。图la)和2a)显示了实施例1(比较例）的涂层1，图lb)和2b)显示了实施例 2(发明）的涂层2。从图la)和lb)的横截面图像以及从图2a)和2b)的表面形貌图像能够清楚 看出，与根据现有技术制备的α_Α1 2〇3涂层的表面相比，根据本发明的α-Α1203涂层的表面由 于晶粒边界生长方向的突变而光滑得多。实施例1的涂层显示出α-Α1 203层的柱状晶粒结构。 实施例2的涂层显示出有柱状晶粒的第一厚度部分和第二厚度部分，其中在从第一厚度部 分到第二厚度部分的过渡处，一些晶粒边界相对于第一厚度部分中的晶粒边界方向经历方 向改变。在实施例1(现有技术)的涂层中，没有发现这样的方向改变。
[0131] 实施例3:顶涂层1
[0132] 重复实施例1和2的过程，但另外在所述α-Α1203层的上面沉积顶涂层。所述顶涂层 是由5个交替的TiN和TiCN亚层构成并以TiCN终止的1. Ιμπι厚的多层。
[0133] 将试样命名为涂层3.1(=根据现有技术实施例1加上顶涂层)和涂层3.2(=根据 本发明实施例2加上顶涂层）。
[0134] 通过SEM分析所述α-Α1203涂层3.1和3.2。图3a)和3b)中显示了分别在切削刃上和 前刀面上的涂层3.2的横截面显微照片。图3a)和3b)的横截面图像清楚显示了α-Α1 203层以 及顶涂层的表面的极其光滑性。根据现有技术的涂层3.1的横截面显微照片示于图4中。它 清楚显示了由于α-Α1 203晶粒不同的成面而明显更粗糙的表面。
[0135] 实施例4:顶涂层2
[0136] 重复实施例1和2的过程，但另外在所述α-Α1203层的上面沉积不同于实施例3中的 顶涂层。所述顶涂层是1.5μπι厚的立方TiAIN层。沉积所述TiAIN层的反应气体混合物含有来 自氯化物管线的0.03体积％的1^14、0.37体积％的六1(：1 3和54.4体积％的出以及来自氨管 线的0.25体积％的1€13和44.95体积％的出。在700 °C的温度和10毫巴的压力下进行40分钟的 沉积。
[0137] 试样命名为涂层4.1(=根据现有技术实施例1加上顶涂层)和涂层4.2( =根据本 发明实施例2加上顶涂层）。
[0138] 实施例5:根据本发明的氧化铝层(涂层5)
[0139] 如上关于实施例2所述的进行预涂布基体上的氧化铝沉积，不同之处在于α-Α1203 层在第一处理条件下的沉积时间是4小时，并且在第二处理条件下的沉积时间是1小时。由 此得到的α-Α1203层的总厚度是5μπι。
[0140]在涂层1、2和5上进行粗糙度(Ra)测量，每个试样5次测量的平均值结果如下：
[0142] 实施例6:金属切削试验1
[0143] 在下列条件下，在无冷却剂的铸铁的纵向车削中，对涂层1(现有技术)和2(本发 明）在接触面积上的崩刃（剥落)进行测试： 工件： 圆柱形棒 Μ料： SS0130 刀片类型: CNMA120412
[0144] 切削速度: 380 m/分钟 进给: 0.4 mm:/转 切削深度: 2.0 mm
[0145] 分别在2分钟和6分钟的切削时间后检查所述刀片，结果如下：
[0147] 结果显示，根据本发明的产品的刃韧度相比于现有技术产品显著改进。
[0148] 实施例7:金属切削试验2
[0149] 在下列条件下，在无冷却剂的车削操作中测试实施例3和4的涂层3.1、3.2、4.1和 4.2的后刀面磨损： 工件： 圆柱形棒 材料： 56NiCrMoV7
[0150] 刀片类型： WNMG080412-NM4 切削速度： 125 m/分钟 进给： 0.32 mm/转
[0151 ] 切削深度： 2.5 mm
[0152]在切削6分钟后，检查所述刀片在切削刃上的最大后刀面磨损[νβ^：]，结果如下：
[0154] 实施例8:EBSD分析
[0155] 在使用60μπι的孔径和15kV的加速电压、以高电流方式工作的具有场致发射阴极的 Zeiss SUPRA40VP扫描电子显微镜(SEM)中，以电子束与抛光试样表面为70°的入射角，在约 12mm的工作距离处进行涂层2的EBSD分析。所述EBSD系统是EDAX(Digivie W照相机），并且 TSL 0頂Data Collection 6和TSL 0頂Analysis 6.2软件包分别用于数据收集和分析。
[0156] 对涂布有涂层2的WNMG0804012-匪4A几何结构的刀片以涂层态、即没有任何抛光 或其它表面准备的涂层态在前刀面的平面部分上进行EBSD测量。对照相机照片进行4X4像 素组合和本底扣除。曝光时间相当于30帧/秒。图尺寸是60Χ60μπι，具有0.15μπι的步长和六 角网格测量点。通过霍夫变换进行衍射图样的指标化。利用0.27的平均置信指标(C1)将由 此记录的185031个数据点指标化。C1 >0.1的点的分数是76.7 %，C1 >0.3的分数是44.6 %。在 所述衍射图样的自动指标化期间通过TSL 0ΙΜ Analysis 6.2软件计算C1。对于给定的衍射 图样，可以发现满足通过图像分析例行程序检测的衍射带的几种可能的取向。所述软件利 用投票方案对这些取向（或解法)分等级。所述置信指标基于所述投票方案并以CliWi-V 2)/V?j给出，其中VjPV2是第一和第二解法的投票数，和Vas是来自所检测带的总的可能投 票数。所述置信指标范围从〇至1。虽然有甚至在置信指标为〇时图样仍然可以被正确指标化 的情况，但C1仍可以被视为图样品质的统计度量，其高度取决于表面粗糙度。为了得到对于 EBSD满意的图样品质和指标化，必须将有粗糙表面的试样抛光到极低的粗糙度。大于0.3的 C1值相当于自动图样指标化的99%的准确度，通常以Cl>0.1指标化的图样被认为是正确 的。为了正确的指标化，即为了得到平均C1大于0.1的EBSD图，利用典型0.05μπι粒度的研磨 剂/蚀刻剂进行长时间抛光，从而达到远低于〇 · 〇 5 μ m的R a值是必要的[Μ · Μ · Ν 0 w e 11等， Microscopy Today(今日显微镜学）2005，44_48]。
[0157] 根据在沉积态的涂层2上得到的图像和图样品质，能够因此得出结论，>75%的大 部分表面积由具有几乎平行于试样表面并且也平行于基体表面的平晶面的晶粒组成。相 反，从沉积态的现有技术表面涂层1得不到足够品质的EBSD图样，是因为表面形态被具有以 更高角度相交的面的晶粒所述支配，产生晶粒间深度大约为Ιμπι的剖面。涂层1的EBSD图被 指标化，平均C1仅为0.04。
【主权项】
1. 一种涂层切削工具刀片，其由包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化棚的基 体构成，所述基体在其上沉积有总厚度最大为60WI1的由一个或多个层构成的涂层，所述层 包含通过化学气相沉积(CVD)沉积的厚度为1~45WI1的α-Α?2化耐磨层， 其特征在于 当在所述α-Α12〇3层的横截面的沈Μ显微照片中观察时， 所述α-Α?2化层包含至少两个部分，第一厚度部分和紧接在所述第一厚度部分上面的第 二厚度部分， 所述第一厚度部分具有基本柱状的α-Α?2化晶粒结构，和 在从所述第一厚度部分到所述第二厚度部分的过渡处，所述α-Α?2化晶粒的25个相邻晶 粒中的至少1个、优选25个相邻晶粒中的至少5个、更优选25个相邻晶粒中的至少15个的晶 粒边界经历方向改变成为与所述第一厚度部分中的晶粒边界基本垂直的方向，其中基本垂 直包括90 ± 45度、优选90 ± 30度的方向改变。2. 根据权利要求1所述的涂层切削工具刀片，其中所述a-Ab化层至少在所述第一厚度 部分中具有所述α-Α?2化晶粒沿着<0 0 1〉晶向或垂直于{0 1 2}或{1 0 4}或{0 1 0}晶面 的择优生长取向。3. 根据权利要求1或2中的任一项所述的涂层切削工具刀片，其中延伸到所述a-Ab化层 的外表面的a-Ab化晶体的至少70%、优选至少80%、更优选至少90%被垂直于轴的面所终 止，所述轴与基体表面的法线呈0至35度、优选0至20度、更优选0至10度，优选终止所述α- Ab化晶体的运些面是{0 0 1}晶面。4. 根据前述权利要求中任一项所述的涂层切削工具刀片，其中所述a-Ab化层的外表面 具有W下的表面粗糖度特征： i)当所述α-Α?2〇3层具有祉m或更高的厚度时，表面粗糖度Ra为0.05~0.2皿，优选0.05 ~0.15μπι; i i)当所述α-Α1诚3层具有小于如m的厚度时，表面粗禮度Ra为0.03~0.2μπι，优选0.03~ 0· ΙΟμιη， 其中在没有顶层和没有任何后处理的沉积态α-Α?2化层上测定所述表面粗糖度。5. 根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具刀片，其中整个所述a-Ab化层的 总纤维织构的特征在于织构系数TC(0 0 12)〉3,如下定义TC(0 0 12):其中 化k 1)=化kl)反射的测定强度 1〇化k 1)=根据JCPDF-卡号42-1468的标准粉末衍射数据的标准强度 n =用于计算的反射数，在此所使用的化kl)反射是：（0 1 2)，（1 0 4)，（1 1 0)，（1 1 3)，（1 1 6)，（3 0 0)和(0 0 12)。6. 根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具刀片，其中所述涂层包含厚度在 0.05皿至3皿之间、优选0.2皿至2皿之间、更优选0.5皿至1.5皿之间的优选通过CVD或PVD在 所述a-Ab化层的上面沉积的顶涂层，所述顶涂层包含一个或多个选自TiN、TiC、TiCN、ZrN、 ZrCN、HfN、HfCN、VC、TiAlN、TiAlC财PAlN或其多层的层，和/或 其中所述涂层在所述基体上面和在所述α-Ab化层下面包含一个或多个耐火层，其中所 述一个或多个耐火层由选自Ti、Al、化、V和Hf中的一种或多种金属的碳化物、氮化物、碳氮 化物、氧碳氮化物和棚碳氮化物或其组合构成，其通过化学气相沉积(CVD)或中溫化学气相 沉积(MT-CVD)而沉积，并且每个耐火层具有0.5~20μπι、优选1~10皿的厚度，和/或 其中紧挨在所述基体表面上面并与所述基体表面接触的第一耐火层选自Ti(C，N)、 TiN、TiC、Ti(B，C，N)、HfN和Zr(C，N)或其组合，优选与所述基体表面相邻的所述第一耐火层 由Ti(C，N)构成，和/或 其中紧挨在α-Α?2〇3层下面并与所述α-Α?2〇3层接触的耐火层由立方(Ti，Al)N、立方(Ti， A1)(C，N)构成或由多层结构构成，所述多层结构由交替的立方(Ti，Al)N或立方(Ti，Al)(C， N)层和一个或多个由Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化 物和棚碳氮化物或其组合构成的耐火层构成。7. 根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具刀片，其中所述基体由硬质合金 组成，优选由具有如下组成的硬质合金构成:4~12重量％的防，任选的0.3~10重量％的来 自周期表的第I Vb、Vb和V化族金属，优选Ti、Nb、Ta或其组合的立方碳化物、氮化物或碳氮化 物，和余量的WC。8. 根据前述权利要求中的任一项所述的涂层切削工具刀片，其中所述基体由包含富含 粘结相的表面区的硬质合金构成，所述表面区具有从所述基体表面起5~30μπι、优选10~25 WI1的厚度，所述富含粘结相的表面区具有是所述基体的核屯、中的至少1.5倍高的Co含量并 具有小于所述基体的核屯、中的立方碳化物含量的0.5倍的立方碳化物含量。9. 涂层切削工具刀片的制造方法，所述方法包括用总厚度最大为60WI1的涂层涂布基体 的步骤，所述基体包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化棚，所述涂层包含一个或多 个层，所述层包含从反应气体混合物通过化学气相沉积(CVD)而沉积的厚度为1~45WI1的α- Α?2〇3耐磨层 其特征在于 所述α-Α?2化层的沉积过程至少包括W下步骤： 在第一处理条件下进行所述a-Ab化层的第一厚度部分的沉积，W沉积具有沿着第一晶 向的择优生长的α-Α?2化层，和 改变沉积条件，W在可用于沉积具有沿着与上述第一晶向基本垂直的第二晶向的择优 生长的a-Ab化层的第二处理条件下进行所述a-Ab化层的第二厚度部分的沉积，其中在第 二沉积条件下的沉积终止所述α-Α?2化层的沉积过程。10. 根据权利要求9所述的方法，其中通过化学气相沉积(CVD)从包含出、0)2、AlCl3、肥1 和X的反应气体混合物沉积所述α-Α?2化层，其中X选自出S、SF6和S〇2或其组合，并且所述反应 气体混合物还任选包含化、Ar、C0或其组合的添加物， 其特征在于 所述α-Α?2化层的沉积过程至少包括W下步骤： 在第一处理条件下进行所述α-Α?2化层的第一厚度部分的沉积，W沉积具有沿着<0 0 1 〉晶向的择优生长的α-Α?2化层，和 改变沉积条件，W在可用于沉积具有沿着与所述<0 0 1〉晶向基本垂直的晶向、优选沿 着<1 1 0〉或<1 ο 0〉晶向的择优生长的α-Α?2化层的第二处理条件下进行所述α-Ab化层的 第二厚度部分的沉积，在此在第二沉积条件下的沉积终止所述α-Α?2化层的沉积过程。11. 根据权利要求9或10中的任一项所述的方法，其中在沉积具有沿着<0 0 1〉晶向的 择优晶体生长的a-Ab化层的第一处理条件下的所述a-Ab化层的沉积进行1小时和20小时 之间、优选2小时和12小时之间、更优选3小时和7小时之间的时间，并且 在可用于沉积具有与<0 0 1〉晶向基本垂直、优选沿着<1 1 0〉或<1 0 0〉晶向的择优 晶体生长的a-Ab化层的第二处理条件下的所述a-Ab化层的沉积进行5分钟和3小时之间、 优选10分钟和2小时之间、更优选15分钟和1小时之间的时间，和/或 其中在所述第一处理条件下的所述α-Α?2化层的沉积进行到沉积具有沿着<0 0 1〉晶向 的择优晶体生长的α-ΑΙ 2化层到约2皿~约45皿、优选约3皿~约15皿、更优选约扣m~约12皿 的厚度，并且在所述第二处理条件下的所述α-Α?2化层的沉积优选进行到所述第一处理条件 下沉积的α-Α?2化层厚度的约5~30%的厚度。12. 根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中 在CVD反应室中的沉积具有沿着<0 0 1〉晶向的择优晶体生长的a-Ab化层的所述第一 处理条件包括： 在10毫己和100毫己之间，优选在30毫己和80毫己之间的范围内的压力， 在800 °C~1050 °C，优选930 °C~1030 °C的范围内的溫度， 并且反应性气体浓度在W下范围内： 2 %和7.5 %之间、优选3 %和5 %之间的C〇2， 0.5 %和5 %之间、优选1.5 %和4 %之间的肥1， 0.5%和5%之间、优选1.8%和4%之间的41(：13，和 0.2%和1.1 %之间、优选0.3%和0.6%之间的X，并且 在CVD反应室中的可用于沉积具有与<0 0 1〉晶向基本垂直、优选沿着<1 1 0〉或<1 0 0〉晶向的择优晶体生长的α-Α?2化层的所述第二处理条件包括： 在100毫己和300毫己之间，优选在150毫己和250毫己之间的范围内的压力， 在800 °C~1050 °C，优选930 °C~1030 °C的范围内的溫度， 并且反应性气体浓度在W下范围内： 大于5%的C〇2， 5%和25%之间、优选5%和12%之间的肥1， 0.5%和3%之间、优选1.0%和1.8%之间的A1C13,和 小于0.35%、优选小于0.25%的X。13. 根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中在所述CVD反应室中的沉积所述 a-Ab化层的所述第一处理条件中和/或所述第二处理条件中，所述组分X是出S和Si^6的组 合，其中SF6的体积比例不超过出S体积量的15%。14. 根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其中在所述CVD反应室中的沉积所述 α-Α?2化层的所述第一处理条件和/或第二处理条件包括添加化、Ar、CO或其组合，其中化、Ar 和CO的体积比例之和不超过所述反应气体混合物中出的总体积量的20%。15. 根据权利要求9至14中的任一项所述的方法，所述方法包括 在所述α-Α?2化层的上面沉积顶涂层，和/或 在所述基体上面和在所述α-Α?2化层下面沉积一个或多个耐火层，和/或 紧挨着所述基体表面上面并与所述基体表面相接触沉积第一耐火层， 相应的层如权利要求7至10中所限定的。16.通过根据权利要求9至15中的任一项所述的方法可得到或得到的涂层切削工具刀 片。
【文档编号】C23C16/40GK105940141SQ201580006502
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】萨卡里·鲁皮, 欣德里克·恩斯特伦, 乔纳斯·劳里德森, 奥斯卡·阿尔姆, 彼得·马特森, 托米·拉尔森, 埃里克·林达尔, 扬·恩奎斯特, 德克·施廷斯
【申请人】山特维克知识产权股份有限公司