氧化鋁涂層切削工具的制作方法
【專利摘要】一種涂層切削工具刀片，其由包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化硼的基體構(gòu)成，所述基體在其上沉積有總厚度最大為60μm的包含一個或多個層的涂層，所述層包含通過化學氣相沉積(CVD)沉積的厚度為1～45μm的α?Al2O3耐磨層，其中當在所述α?Al2O3層的橫截面的SEM顯微照片中觀察時，所述α?Al2O3層包含至少兩個部分，第一厚度部分和緊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狀的α?Al2O3晶粒結(jié)構(gòu)，并且在從所述第一厚度部分到第二厚度部分的過渡處，所述α?Al2O3晶粒的25個相鄰晶粒中的至少1個、優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少5個、更優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少15個的晶粒邊界經(jīng)歷方向改變成為與所述第一厚度部分中的晶粒邊界基本垂直的方向，其中基本垂直包括90±45度、優(yōu)選90±30度的方向改變。
【專利說明】
氧化鋁涂層切削工具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及涂層切削工具刀片及其制造方法，所述涂層切削工具刀片由包含硬質(zhì) 合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化硼的基體(substrate)構(gòu)成，所述基體至少部分涂布有 總厚度最大為60μπι的涂層，所述涂層由一個或多個層構(gòu)成，所述層包含通過化學氣相沉積 (CVD)而沉積的厚度為2~45μηι的α-Α1 2〇3耐磨層。
【背景技術(shù)】
[0002] 在1990年代初，在工業(yè)規(guī)模中實現(xiàn)了 α-Α12〇3多晶型的控制，基于美國專利 5137774、US 5654035、US 5980988、US 7442431 和US 5863640的商品描述了具有優(yōu)選的纖 維織構(gòu)的α_Α?2〇3涂層的沉積。US 6333103描述了控制α-Α?2〇3在（1 0 10)平面上成核和生 長的改進方法。US 6869668描述了利用ZrCl4作為織構(gòu)改性劑在α-Α?2〇3中得到強（1 0 0)織 構(gòu)的方法。上面論述的現(xiàn)有技術(shù)方法使用了約l〇〇〇°C的沉積溫度。US 7094447描述了一種 獲得明顯的（〇 1 2)織構(gòu)的技術(shù)。在US 7442432和US 7455900中分別公開了產(chǎn)生明顯的（1 0 4)和（1 1 6)織構(gòu)的沉積技術(shù)。US 7993742和US 7923101公開了（0 0 1)織構(gòu)的氧化鋁 層。對(0 1 2)、（1 0 4)和(0 0 1)織構(gòu)的氧化鋁層進行比較并發(fā)現(xiàn)(0 0 1)織構(gòu)優(yōu)于其它 織構(gòu)。在上述公開內(nèi)容中，通過利用XRD確定α-Α?2〇3層的織構(gòu)，并通過利用哈里斯(Harris) 公式計算織構(gòu)系數(shù)(TC)來對其定量。在US 7763346和US 7201956中，EBSD被用于限定(0 0 1)織構(gòu)，并且通過(0 0 1)基面相對于涂層表面的斜度來量化所述織構(gòu)。
[0003] 織構(gòu)的α-Α?2〇3層由柱狀晶粒組成，并且所述α-Α?2〇3晶粒被與所述基體表面具有 相對大角度的面(facet)所終止，產(chǎn)生粗糙的表面形態(tài)。
[0004] US 7923101描述了具有（0 0 1)織構(gòu)的α-Α12〇3層的表面的一定程度的變平。US 2012/003452描述了在含有一種或多種選自1^、￥、2^0和8的元素的€1412〇3層中，得到了平 頂表面。這些層沉積在α _Α?2〇3層上，所述α_Α?2〇3層又沉積在熱處理的薄ΑΙ2Ο3膜上。
[0005] US 7597511公開了表面涂層切削工具，其包含具有硬涂層的硬質(zhì)合金或碳氮化鈦 基金屬陶瓷的基體，所述硬涂層包括總平均層厚度為3~20μπι的下面的Ti化合物層和在需 要ZrCl 4的2-步CVD處理中形成的上面的AIZrO層，所述上面的層被稱為"重整" AIZrO層。所 述"重整"AIZrO層顯示為具有這樣的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)在垂直于厚度方向的平面中具有等多 邊形形狀的大粒度晶粒，而在具有平滑面的厚度方向上具有伸長的形狀。所述涂層被描述 為顯示出良好的切削性能，然而，通常已知，除A1氧化物外，Zr氧化物的沉積增加生產(chǎn)成本 并且由于新拋光Zr的自身易燃性而對操作安全性提出了高要求。
[0006] 發(fā)明目的
[0007] 本發(fā)明的目的是提供如下的涂層切削工具刀片，其具有包含α-Α1203的涂層，所述 涂層顯示出改進的表面光潔度，降低的表面粗糙度和在許多金屬切削應(yīng)用中、尤其在鑄鐵 的切削中重要的改進的機械性質(zhì)，尤其是增強的后刀面(flank)耐磨性和抗崩刃性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明，提供了由包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化硼的基體構(gòu) 成的涂層切削工具刀片，所述基體在其上沉積有總厚度最大為60μπι的涂層，所述涂層由一 個或多個層、優(yōu)選耐火層構(gòu)成，所述層包含通過化學氣相沉積(CVD)而沉積的厚度為1~45μ m、優(yōu)選2~45μηι的a-Ah〇3耐磨層，優(yōu)選外部耐磨層，其中
[0009] 當在所述α-Α12〇3層的橫截面的SEM顯微照片中觀察時，
[0010]所述α-Α12〇3層包含至少兩個部分，第一厚度部分和緊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狀的α-Α1203晶粒結(jié)構(gòu)，和
[0012] 在從所述第一厚度部分到第二厚度部分的過渡處，所述α-Α1203晶粒的25個相鄰晶 粒中的至少1個、優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少5個、更優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少15個的晶 粒邊界經(jīng)歷方向改變(directional change)成為與所述第一厚度部分中的晶粒邊界基本 垂直的方向，其中基本垂直包括90±45度、優(yōu)選90±30度的方向改變。在一種實施方式中， 所述方向改變在45度和90度之間，優(yōu)選在60度和90度之間。
[0013] 在本發(fā)明的一種實施方式中，提供了由包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方 氮化硼的基體構(gòu)成的涂層切削工具刀片，所述基體在其上沉積有總厚度最大為60μπι的涂 層，所述涂層包含一個或多個層，所述層包含通過化學氣相沉積(CVD)而沉積的厚度為1~ 45μηι、優(yōu)選2~45μηι的α-Α?2〇3耐磨層，其中延伸至所述α-Α?2〇3層外表面的α-Α?2〇3晶體中的 至少70%、優(yōu)選至少80%、更優(yōu)選至少90%被垂直于軸的面所終止，所述軸與所述基體表面 的法線呈0至35度、優(yōu)選0至20度、更優(yōu)選0至10度，優(yōu)選終止所述α-Α1 2〇3晶體的這些面是{0 0 1}晶面。在所述α-Α12〇3層的外表面處終止所述α-Α12〇3晶體的面的這種取向可以通過 EBSD或通過所述層的橫截面的SEM顯微照片進行確定。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，還提供了如本文中所述和請求保護的涂層切削工具刀片的制造方 法，所述方法包括用總厚度最大為60μπι的涂層涂布基體的步驟，所述基體包含硬質(zhì)合金、金 屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化硼，所述涂層包含一個或多個層，所述層包含從包含H 2、C02、 A1C13、HC1和X的反應(yīng)氣體混合物通過化學氣相沉積(CVD)而沉積的厚度為1~45μπι、優(yōu)選2 ~45μπι的α-Α1 2〇3耐磨層，其中X選自H2S、SF6和S02、或其組合，并且所述反應(yīng)氣體混合物還任 選包含N 2、Ar、C0或其組合的添加物，其中
[0015] 所述α-Α1203層的沉積過程至少包括以下步驟：
[0016] 在第一處理條件下進行所述α-Α1203層的第一厚度部分的沉積，以沉積具有沿著第 一晶向的擇優(yōu)生長的α-Α1 203層，和
[0017] 改變沉積條件，以在有用于沉積具有沿著與所述第一晶向基本垂直的第二晶向的 擇優(yōu)生長的α-Α120 3層的第二處理條件下進行所述α-Α1203層的第二厚度部分的沉積，其中 在第二沉積條件下的沉積終止所述α-Α1 203層的沉積過程。所述第一晶向可以沿著〈0 0 1>， 而所述基本垂直的方向可以沿著〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向。
[0018] 在本發(fā)明的一種實施方式中，所述第一晶向可以沿著與{0 1 2}垂直的方向，而所 述基本垂直的方向可以沿著〈1 1 〇>或〈0 1 〇>晶向。
[0019] 在本發(fā)明的一種實施方式中，所述第一晶向可以沿著〈0 1 0>，而所述基本垂直的 方向可以沿著〈〇 〇 1>晶向。
[0020] 在本發(fā)明的一種實施方式中，所述第一晶向可以沿著〈1 1 0>，而所述基本垂直的 方向可以沿著〈0 0 1>晶向。
[0021] 在本發(fā)明的一種實施方式中，所述第一晶向可以沿著與{1 0 4}垂直的方向，而所 述基本垂直的方向可以沿著〈1 1 〇>或〈0 1 〇>晶向。
[0022] 令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，雖然第一處理條件改變?yōu)橥ǔＳ糜诔练e具有沿著與第一晶向基 本垂直的第二晶向的擇優(yōu)生長的α-Α12〇3層的第二處理條件，但是本發(fā)明的α-Α1 2〇3層的總 體纖維織構(gòu)由沉積具有沿著第一晶向、例如〈0 0 1>晶向的擇優(yōu)晶體生長的α-Α1203層的第 一處理條件所決定。優(yōu)選地，如果所述第一晶向是〈〇 〇 1>，則所述第二處理條件是通常用 于產(chǎn)生沿著所述α-Α12〇3層的〈1 1 0>或〈1 0 0>晶向、最優(yōu)選沿著〈1 1 0>晶向的晶體生長 的條件。所述第二處理條件是在沒有作為織構(gòu)改性劑的任何其它金屬氧化物、例如Zr氧化 物的情況下沉積α-Α1 203層的條件。
[0023]在本發(fā)明的α-Α1203層的第一厚度部分中，α-Α120 3晶粒具有基本柱狀的α-Α1203晶 粒結(jié)構(gòu)，并且在從所述第一厚度部分到第二厚度部分的過渡處，晶粒邊界經(jīng)歷方向改變成 為基本垂直于所述第一厚度部分中的晶粒邊界的方向。可以在所述α-Α1 203層的橫截面的 SEM顯微照片中觀察所述α-Α1203晶粒的晶粒邊界生長的方向改變。根據(jù)本發(fā)明，對于α-Α1 2〇3晶粒的25個相鄰晶粒中的至少1個，優(yōu)選25個相鄰晶粒中的5個，更優(yōu)選25個相鄰晶粒 中的15個，所述晶粒邊界的方向改變在SEM顯微照片中是可見的。要注意的是，在本發(fā)明的 意義上，術(shù)語"方向改變成為基本垂直于第一厚度部分中的晶粒邊界的方向"包括90±45 度、優(yōu)選90 ± 30度的方向改變。另外，所述晶粒邊界生長方向的方向改變不必一定在所述第 一與第二厚度部分之間形成銳角。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，這樣的方向改變也可以從所述第 一到第二厚度部分按曲線的方式發(fā)生。
[0024] 令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，通過本發(fā)明的沉積方法，可以得到很光滑的表面形態(tài)。改變所述 擇優(yōu)生長和所述晶粒邊界方向的生長條件的突變有助于平頂晶粒的形成和α-Α1 203層表面 的平滑化。本發(fā)明的α-Α1203層的表面由粗糙度降低的比較大的平晶粒支配。這可以在，例 如，圖lb和2b中看出。
[0025] 然而，還令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果主要沿著〈0 0 1>晶向確定所述α-Α1203層的生長， 則得到本發(fā)明的很光滑的表面。試驗已經(jīng)顯示，如果所述(〇 〇 1)織構(gòu)弱或如果所述α-Α12〇3 層在第一步驟中的生長優(yōu)選垂直于{〇 1 2}或{1 0 4}或{0 1 0}晶面、即分別以（0 1 2)或 (1 0 4)或(0 1 0)纖維織構(gòu)發(fā)生，則也可以得到平滑效果。
[0026] 厚度為約8~ΙΟμπι的沒有頂層且沒有后處理的現(xiàn)有技術(shù)α-Α1203層顯示出約0.30~ 0.35μπι或更高的粗糙度(Ra)。與其相反，在沒有頂層且沒有后處理的α-Α12〇 3層上測定時，根 據(jù)本發(fā)明的α-Α12〇3層表現(xiàn)出約0 · 05~0 · 2μπι、優(yōu)選約0 · 05~0 · 15μπι或更小的低得多的粗糙 度(Ra)值。因此，在組成相當和厚度相同的情況下，根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的涂層的粗糙度(Ra)K 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的涂層的低至少5〇-60%。厚度為約4~8以111的較薄€[-41203層在根據(jù)本發(fā) 明產(chǎn)生時，顯示出約0.04~約0.15、優(yōu)選約0.03~約0. ΙΟμπι的甚至更低的粗糙度(Ra)值。 [0027]如果在本發(fā)明的α-Α120 3上面沉積頂層，則所述頂層的粗糙度也很光滑，雖然所述 頂層的測定粗糙度(Ra)可能比在沉積態(tài)(38-(16口08；^6(1)的€[-41203層上直接測定的粗糙度 稍高。然而，當所述頂層沉積為多層的薄亞層時，粗糙度值可與在根據(jù)本發(fā)明的沉積態(tài)α_ Α?203層上直接測定的值幾乎相同。
[0028]通過本發(fā)明得到的涂層的平坦且光滑的表面形態(tài)是所述涂層的有吸引力且技術(shù) 上有益的外觀的先決條件。本發(fā)明的涂層表現(xiàn)出有光澤的具有低表面粗糙度的高品質(zhì)工具 表面，其除了光學效果外，還使得比現(xiàn)有技術(shù)涂層更容易進行磨損檢測。例如，α-Α1203層通 常涂有薄的TiN頂層，從而為所述工具提供金色至黃色的顏色。當根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的由成面晶 粒組成的較厚α-Α1 203層涂有薄的TiN頂層時，將得到暗淡的棕黃色顏色。與其相反，當根據(jù) 本發(fā)明的α-Α1 203涂層涂有薄的TiN頂層時，將得到有光澤的金黃色顏色。當其它種類的頂 層，如!'^1、2匕￥和批中一種或多種的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物或硼碳氮化 物或其組合沉積在所述α-Α1 203層上面時，也可以得到這種效果。還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提高了沉積 在根據(jù)本發(fā)明的α-Α1 2〇3層上的11111(：、11^411立方11411立方11410~或其組合的外觀 和性能。
[0029] 然而，并且更加重要的是，本發(fā)明涂層的光滑表面改進了工具的耐磨性質(zhì)。本發(fā)明 的α-Α1203層表現(xiàn)出尤其在鋼和鑄鐵的間斷性切削中有用的增強的機械性質(zhì)，例如改進的后 刀面耐磨性和抗崩刃性。在此，在切削刃處的光滑表面拓撲結(jié)構(gòu)尤其在所述工具進入工件 材料時的第一時刻期間降低了崩刃的趨勢。相比于現(xiàn)有技術(shù)，作為頂層材料的立方TiAIN或 TiAlCN的沉積相當大地提高了間斷性切削操作中的工具性能。通過將這些層本身或與其它 立方材料，例如TiN或六角相例如A1N或TiAIN-起沉積為多層，可以進一步改進立方TiAIN 或TiAlCN頂涂層的表面光潔度和性能，所述六角相是由于沉積條件或振蕩反應(yīng)或者由于在 沉積或熱處理期間的自組織過程而形成的。
[0030] 本發(fā)明的α-Α1203層的光滑表面結(jié)構(gòu)還能夠使得以更高的強化效應(yīng)和均勻的品質(zhì) 進行后處理，例如噴砂。
[0031]
[0032] 以下定義應(yīng)該定義在本說明書和權(quán)利要求書中用于描述本發(fā)明的術(shù)語。
[0033] 如在本文中使用時和如其通常與通過氣相沉積產(chǎn)生的薄膜相結(jié)合使用時，術(shù)語 "纖維織構(gòu)"將生長晶粒的取向與隨機取向區(qū)別開來。在薄膜和涂層中通常區(qū)別三種類型的 織構(gòu)：隨機織構(gòu)，此時晶粒沒有擇優(yōu)取向；纖維織構(gòu)，其中所述涂層中的晶粒是取向的，使得 一組幾何學上相等的晶面{h k 1}被發(fā)現(xiàn)優(yōu)先平行于基體取向，同時所述晶粒繞垂直于該 面并因此優(yōu)先垂直于所述基體取向的纖維軸有旋轉(zhuǎn)自由度；和在單晶基體上的外延對齊 (或面內(nèi)織構(gòu)），其中面內(nèi)對齊將所述晶粒的全部三個軸相對于所述基體固定。要強調(diào)，在較 早的專利文獻中以及在此論述的涂層全部表現(xiàn)出纖維織構(gòu)，術(shù)語"(h k 1)織構(gòu)"因此是指 具有優(yōu)先平行于基體表面取向的{h k 1}面的纖維織構(gòu)。
[0034] 術(shù)語"沿著<h k 1>晶向的生長"是指晶體以如下的方式生長:它們的相應(yīng){h k 1} 晶面平行于在其上生長晶體的基體表面取向。通過米勒-布拉韋(1；11161-8抑￥3丨8)指數(shù)11、 k、i和1定義晶體的晶面，用3-指數(shù)記數(shù)法表示，省略指數(shù)i[i=-(h+k)]。沿著<h k 1>晶向 的"擇優(yōu)"生長是指沿著<h k 1>晶向的生長比沿著其它晶向的生長更頻繁發(fā)生。必須注意， 術(shù)語"沿著<h k 1>晶向的生長"涉及具有平行于基體的{h k 1}面的擇優(yōu)取向的(h k 1)纖 維織構(gòu)，只有當〈h k 1>方向垂直于{h k 1}面時才是適當?shù)摹＿@對于a-Ah〇3所屬的三角-六 角晶系通常無效，然而，它適用于對應(yīng)的〈1 0 〇>和U 0 〇}、〈1 1 〇>和{1 1 〇}、以及〈0 0 1>和{0 0 1}對。推測"沿著<h k 1>晶向的擇優(yōu)生長"是在CVD沉積過程期間沿著<h k 1>晶 向的沉積速率比沿著其它晶向更高的結(jié)果。
[0035] 因此，如果α-Α?2〇3晶粒顯示"沿著〈0 0 1>晶向的擇優(yōu)生長"，這意味著α-Α?2〇3晶 粒以其平行于基體表面的{〇 Ο 1}晶面比其它晶面更頻繁地生長。
[0036] 表達沿著<h k 1>晶向的擇優(yōu)生長的一種手段是織構(gòu)系數(shù)TC(h k 1)，其利用哈里 斯公式，基于在相應(yīng)試樣上測定的規(guī)定的XRD反射集進行計算。所述XRD反射的強度利用 JCPDF卡標準化，所述JCPDF卡指示相同材料例如α-Α12〇3但具有隨機取向例如在所述材料的 粉末中的XRD反射的強度。結(jié)晶材料層的織構(gòu)系數(shù)TC(h k 1)>1表示，至少與在哈里斯公式 中用于確定織構(gòu)系數(shù)TC的XRD反射相比，結(jié)晶材料的晶粒以其平行于基體表面的{h k 1}晶 面比隨機分布更頻繁地取向?？棙?gòu)系數(shù)TC(0 0 12)在本文中用于指示沿著〈0 0 1>晶向的 擇優(yōu)晶體生長。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)，是因為來自α-Α12〇3的（0 0 6)反射被來自在所述涂層系統(tǒng)中經(jīng)常作 為層施加的TiCN的反射部分重疊。
[0037] 如在本文中使用的，術(shù)語"第一處理條件"是指適合于產(chǎn)生具有沿著第一晶向、在 一種實施方式中這是〈〇 〇 1>晶向的擇優(yōu)晶體生長的α-Α1203層的CVD處理條件。所述第一處 理條件從所述層沉積的成核開始決定了沉積的α_Α1 2〇3層的總纖維織構(gòu)。如在本文中使用 的，術(shù)語"第二處理條件"是指適合于產(chǎn)生具有與所述第一晶向基本垂直的擇優(yōu)晶體生長的 α-Α1203層的CVD處理條件。在〈0 0 1>是第一晶向的實施方式中，所述第二處理條件適合于 產(chǎn)生具有沿著〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向的擇優(yōu)晶體生長的α_Α12〇3層。這意味著，如果將"第二 處理條件"從α_Α12〇3層沉積的成核開始應(yīng)用于α-Α1 203層的整個沉積，則這些"第二處理條 件"是產(chǎn)生具有與所述第一晶向基本垂直的擇優(yōu)晶體生長的α-Α1 203層的條件。當"第二處理 條件"在"第一處理條件"之后應(yīng)用時，不改變所沉積的α_Α1 2〇3層的總纖維織構(gòu)，因為所述 "第一處理條件"決定總纖維織構(gòu)，即所述晶粒仍然擇優(yōu)以其平行于基體表面的第一晶面 (例如{〇 0 1})比以其它晶面更頻繁地生長。然而，推測在所述"第二處理條件"下，沿著第 一晶向（例如〈0 0 1>)的生長速率降低，而沿著與所述第一晶向（例如〈0 0 1>)基本垂直的 其它晶向的生長速率增加。不被理論束縛，本發(fā)明人推測在所述"第二處理條件"下，氧化鋁 在CVD處理中向其它面的沉積速率比在所述"第一處理條件"下?lián)駜?yōu)的那些面增加。
[0038]在所述第一處理條件下，所述α-Α1203晶粒以柱狀方式生長，它們的晶粒邊界基本 垂直于沉積所述晶粒的基體的表面生長。在這一點上，術(shù)語"基本垂直"考慮和包括了如下 事實：以這種方式沉積的柱狀α-Α1 203晶粒通常在從基體表面到氧化鋁層表面的方向上經(jīng)歷 橫截面變寬。推測所述柱狀晶粒的橫截面的這種變寬是下述事實的結(jié)果:雖然所述生長沿 著所述第一晶向（例如〈〇 〇 1>)擇優(yōu)發(fā)生，但始終在一定程度上還沉積到已沉積晶粒的基 本垂直于所述擇優(yōu)生長方向的其它面上，雖然比在擇優(yōu)生長方向上的沉積慢。
[0039]根據(jù)本發(fā)明，作為從第一到第二處理條件的改變的結(jié)果，已經(jīng)在第一處理條件下 沉積的數(shù)個α-Α1203晶粒的晶粒邊界將它們的方向從"基本垂直"于基體表面改變?yōu)?基本垂 直"于所述基體表面的法線。因此，在例如通過SEM觀察的橫截面中，那些晶?？雌饋砘旧?具有"Τ"形狀或類似的形狀，由此很清楚，在實踐中，從第一到第二厚度部分的晶粒邊界方 向的改變通常將不呈現(xiàn)完美的90度角。因此，術(shù)語"基本垂直"在本發(fā)明的意義上包括90± 45度、優(yōu)選90 ± 30度的方向改變。
[0040]要理解，由于在所述生長條件或晶粒邊界方向分別改變后所述晶粒橫截面的變 寬，和由于相鄰氧化鋁晶粒之間有限的側(cè)隙，只有一部分α_Α12〇3晶粒經(jīng)歷生長形態(tài)的這種 改變并生長直至α-Α1 203層的表面，而一些其它晶粒因 α-Α1203晶粒的變寬部分而過度生長， 因此這些過度生長的晶粒要么不生長直至外層表面，要么它們在橫截面寬度上減少。這可 以，例如，在各個層的橫截面的SEM顯微照片中很好地觀察。
[0041]通常適合于產(chǎn)生具有擇優(yōu)晶體生長取向的α-Α12〇3層的CVD處理條件，如對于第一 和第二處理條件所定義的，是本領(lǐng)域中通常已知的并在科學和專利文獻(參見例如上文引 用的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻）中進行了描述。本說明書提供了合適的第一和第二處理條件的其 它實例。在這一點上，必須注意，產(chǎn)生沿著晶向或與其垂直的擇優(yōu)晶體生長的CVD處理條件 可以在廣泛的范圍內(nèi)變化。因此，本發(fā)明的范圍和所主張的解決潛在問題的主題的定義不 應(yīng)該限于具體的CVD處理參數(shù)和反應(yīng)氣體組成。相反，本發(fā)明基于以下令人驚訝的發(fā)現(xiàn):通 過本發(fā)明的方法，按如本文中限定的第一和第二處理條件的順序，尤其通過改變處理條件 來沉積α-Α1 203層，以實現(xiàn)晶粒邊界生長的改變，從而實現(xiàn)了涂層切削工具刀片的改進的表 面光潔度、降低的表面粗糙度和改進的機械性質(zhì)。通過了解本發(fā)明及其背后的理念，本領(lǐng)域 技術(shù)人員將容易找到獲得如根據(jù)本發(fā)明定義的α_Α1 2〇3層的這種特定晶體生長的CVD處理條 件的參數(shù)。如上所述，分別產(chǎn)生α-Α120 3的擇優(yōu)生長方向或纖維織構(gòu)的處理條件是本領(lǐng)域已 知的并在文獻中找到。然而，應(yīng)用如本文中定義的第一和第二處理條件的特定順序來獲得 改進的表面光潔度、降低的表面粗糙度和改進的機械性質(zhì)是令人驚訝的并且之前從未有描 述。
【具體實施方式】
[0042]如上所述，本發(fā)明的α-Α1203層，至少在所述第一厚度部分中，具有通過所述第一處 理條件產(chǎn)生的所述α-Α1203晶粒沿著第一晶向的擇優(yōu)生長取向，并且所述α-Α120 3層的總體 纖維織構(gòu)由這些第一處理條件所決定。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，延伸到所述α-Α12〇3層外表面的α-Α1 2〇3晶體的至少70%、優(yōu)選至少80%、更優(yōu)選至少90%表現(xiàn)出被垂直于 軸的晶面所終止的面，所述軸與所述基體表面的法線呈0到30度、優(yōu)選0到20度、更優(yōu)選0到 10度，這可通過EBSD測量。在本發(fā)明的一種實施方式中，所述第一晶向是〈0 0 1>并且所述 面被{〇 〇 1}晶面終止。
[0043]在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，在沉積態(tài)和未噴砂態(tài)的a-Ah〇3層的外表面具 有以下表面粗糙度特征：
[0044] i)當所述α-Α1203層具有8μπι或更高的厚度時，表面粗糙度Ra為0 · 05~0 · 2μπι，優(yōu)選 0 · 05 ~0 · 15μπι;
[0045] ii)當所述α-Α1203層具有小于8μπι的厚度時，表面粗糙度Ra為0.03~0.2μπι，優(yōu)選 0·03~0· ΙΟμπι;
[0046] 其中在沒有頂層和沒有后處理的沉積態(tài)α-Α1203層上測定所述表面粗糙度。
[0047]在本發(fā)明的一種實施方式中，所述α-Α1203層具有沿著〈0 0 1>晶向的擇優(yōu)生長取 向。在另一種實施方式中，所述α-Α1203層具有垂直于{0 1 2}晶面的擇優(yōu)生長取向。在又一 種實施方式中，所述α-Α1203層具有垂直于{1 0 4}晶面的擇優(yōu)生長取向。在又一種實施方式 中，所述α-Α1203層具有垂直于{0 1 0}晶面的擇優(yōu)生長取向。
[0048]在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，整個α-Α1203層的總體纖維織構(gòu)的特征在于織 構(gòu)系數(shù)TC(0 0 12)>3,進行定義TC(0 0 12)如下：
[0050] 其中
[0051] (h k l) = (hkl)反射的測定強度
[0052] Io(h k 1)=根據(jù)JCPDF-卡號42-1468的標準粉末衍射數(shù)據(jù)的標準強度
[0053] n=用于計算的反射數(shù)，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]下面描述測量織構(gòu)系數(shù)TC的方法。
[0055]雖然本發(fā)明的氧化鋁層可以是整個涂層的最上層，但優(yōu)選地，在所述α-Α1203層上 面至少部分地提供頂涂層。因此，在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，所述涂層包含厚度在 0.05μπι至3μπι之間、優(yōu)選0.2μπι至2μπι之間、更優(yōu)選0.5μπι至1.5μπι之間的優(yōu)選通過CVD或PVD在 α-Α12〇3層的上面沉積的頂涂層，所述頂涂層包含一個或多個選自TiN、TiC、TiCN、ZrN、ZrCN、 !1作、!^^￥(：、114111141^41~或其組合或多層的層。
[0056]在所述α-Α1203層上面的頂涂層可以作為磨損指標和/或其它功能層提供。為了檢 測磨損，所述涂層應(yīng)該優(yōu)選以彩色涂層材料例如TiN、TiCN、AlN或CrN或者金屬例如Ti、Al或 Cr終止。也可以通過上述涂層的氧化或陽極氧化來產(chǎn)生顏色，例如藍色、綠色、紫色或金屬 色。通過氧化或陽極氧化產(chǎn)生彩色涂層的技術(shù)是已知的并在文獻中進行了描述。
[0057]本發(fā)明還包括如下的那些實施方式，其中所述切削工具刀片僅有部分表面積、優(yōu) 選所述切削工具刀片的前刀面(rake face)應(yīng)該包含所述α-Α?2〇3層作為最外層，而剩余的 表面積應(yīng)該用作為最外層的頂涂層所覆蓋。可以通過借助噴砂或任何其它公知的方法從α-Α1 2〇3層應(yīng)該是最外層的那些區(qū)域除去所沉積的頂涂層而產(chǎn)生這些實施方式。這種實施方式 的優(yōu)點在于，因為所述最外α_Α1 2〇3表面和所述最外層之間的界面比較光滑，可以使用比較 低的噴砂壓力和/或溫和的噴砂介質(zhì)除去所述最外層。從通常粗糙的α-Α1 203層除去最外層 的噴砂可能稍有問題，需要比較高的噴砂壓力和/或侵蝕性的噴砂介質(zhì)來除去還在所述α-Α1 2〇3層的凹處的最外層。因此可在高度控制所述最外層的除去的情況下產(chǎn)生這種實施方式 的涂層切削工具。
[0058]在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，所述涂層在所述基體上和在所述α-Α1203層下 面包含一個或多個耐火層，其中所述一個或多個耐火層選自：一種或多種選自Ti、Al、Zr、V 和Hf中的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物和硼碳氮化物或其組合，其通過化 學氣相沉積(CVD)或中溫化學氣相沉積(MT-CVD)而沉積，并且每個耐火層具有0.5~20μπι、 優(yōu)選1~1〇Μ?的厚度。
[0059] 在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，緊挨在基體表面上面并與基體表面接觸的第 一耐火層選自：一種或多種選自!';[、41、21'、￥、!^的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮 化物和硼碳氮化物或其組合或多層，優(yōu)選!1((：少）、1^111(：、1^(8，(：少）、^^，2^(：少)或其 組合或多層。更優(yōu)選地，與所述基體表面相鄰的第一耐火層由Ti(C，N)構(gòu)成或包含Ti(C，N)。 通過CVD或MT-CVD沉積第一耐火層，并優(yōu)選所述第一耐火層具有0.5~20μπι、更優(yōu)選1~ΙΟμπι 的厚度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種類型的第一耐火層與本發(fā)明類型的α-Α1203層結(jié)合，提供了良好的總 的耐磨性。
[0060] 特別合適的第一耐火層包含如下或由如下構(gòu)成：作為單層或多層的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亞穩(wěn)或穩(wěn)定的412〇3相或其組合，優(yōu)選通過低壓中溫化學氣相沉積 (LP-MT-CVD)而沉積的立方 Th-xAlxN 或 Th-xAlxCyNz，其中 x>0.7。所述立方 Th-xAlxN 或 Th- xAlxCyNz可以與六角AlN、TiAlN或TiAlCN的層一起共沉積。所述六角相層與所述立方層相比 應(yīng)該非常薄，優(yōu)選小于約50nm，更優(yōu)選小于20nm。所述LP-MT-CVD層在600~850°C、優(yōu)選650 ~750°C的溫度和在2~50毫巴范圍內(nèi)、優(yōu)選小于10毫巴的壓力下進行沉積。
[0061 ] 還特別優(yōu)選所述第一耐火層包含由利用CVD或MT-CVD或LP-MT-CVD沉積的TiN構(gòu)成 并且厚度小于5μΜ、優(yōu)選0.3~3μηι、更優(yōu)選0.5~2μηι的層作為與所述基體直接接觸的最下 層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提供與基體表面直接接觸的這種類型的最下層改進了第一耐火層的附著，并 因此也改進了本發(fā)明的α-Α1 203層的附著。
[0062]在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，緊挨在α-Α1203層下面并與α-Α1 203層接觸的 耐火層由立方(Ti，Al)N、立方(11，六1)((：，幻構(gòu)成或由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述多層結(jié)構(gòu)由交替 的立方(Ti，Al)N或立方(1^1)((：川層和一個或多個由11、2^￥和!^中的一種或多種的碳 化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物和硼碳氮化物或其組合構(gòu)成的耐火層構(gòu)成。
[0063] 本發(fā)明的切削工具刀片的基體由硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化硼構(gòu) 成。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基體由硬質(zhì)合金構(gòu)成，優(yōu)選由如下的硬質(zhì)合金 構(gòu)成，所述硬質(zhì)合金由如下物質(zhì)組成:4~12重量％的(：〇,任選的0.3~10重量％的來自周期 表第IVb、Vb和VIb族金屬，優(yōu)選Ti、Nb、Ta或其組合的立方碳化物、氮化物或碳氮化物，和余 量的WC。對于鋼機械加工應(yīng)用，所述硬質(zhì)合金基體優(yōu)選含有7.0~9.0重量％的立方碳化物， 而對于鑄鐵機械加工應(yīng)用，所述硬質(zhì)合金基體優(yōu)選含有0.3~3.0重量％的立方碳化物，如 上所定義的。
[0064] 在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，所述基體由包含富含粘結(jié)相的表面區(qū)的硬質(zhì) 合金構(gòu)成，所述表面區(qū)具有從基體表面起5~30μπι、優(yōu)選10~25μπι的厚度，所述富含粘結(jié)相 的表面區(qū)具有是所述基體的核心中的至少1.5倍高的Co含量，并具有小于所述基體的核心 中的立方碳化物含量的0.5倍的立方碳化物含量。在這種實施方式中，所述α-Α1 203層的厚度 優(yōu)選為約4~12μηι，最優(yōu)選4~8μηι。
[0065] 優(yōu)選地，所述硬質(zhì)合金體的富含粘結(jié)相的表面區(qū)基本沒有立方碳化物。提供富含 粘結(jié)相的表面區(qū)提高了所述基體的韌度并拓寬了所述涂層切削工具的應(yīng)用范圍。具有富含 粘合相的表面區(qū)的基體對于用于鋼的金屬切削操作的切削工具刀片是特別優(yōu)選的，而用于 鑄鐵的金屬切削操作的切削工具刀片優(yōu)選在沒有富含粘結(jié)相的表面區(qū)的情況下制造。
[0066] 在本發(fā)明方法的一種實施方式中，在沉積具有沿著〈0 0 1>晶向的擇優(yōu)晶體生長 的α-Α1203層的第一處理條件下的α-Α1 203層的沉積可以優(yōu)選進行1小時和20小時之間、優(yōu)選 2小時和12小時之間、更優(yōu)選3小時和7小時之間的時間，并且在可用于沉積具有與〈0 0 1> 晶向基本垂直、優(yōu)選沿著〈1 1 〇>或〈1 〇 〇>晶向的擇優(yōu)晶體生長的α-Α1203層的第二處理條 件下的α-Α1 203層的沉積可以優(yōu)選進行5分鐘和3小時之間、優(yōu)選10分鐘和2小時之間、更優(yōu)選 15分鐘和1小時之間的時間。
[0067]根據(jù)層厚度來表達，在第一處理條件下的α-Α1203層的沉積優(yōu)選進行到沉積具有沿 著〈0 0 1 >晶向的擇優(yōu)晶體生長的a-Ah〇3層到約2μηι~約45μL?、優(yōu)選約3μηι~約15μL?、更優(yōu)選 約5μπι~約12μπι的厚度，并且在第二處理條件下的α-Α1 203層的沉積優(yōu)選進行到第一處理條 件下沉積的α-Α1203層厚度的約5~30%的厚度。確定沉積步驟的哪種涂層厚度將給出最佳 結(jié)果在本領(lǐng)域技術(shù)人員的認知之內(nèi)。
[0068] 如果不施加在第二處理條件下的α-Α?2〇3層，在沉積具有沿著第一晶向（例如〈0 0 1>晶向）的擇優(yōu)晶體生長的α-Α1203層的第一處理條件下沉積α-Α120 3層產(chǎn)生被與基體表面 成比較大的角度的面終止的α-Α1203晶粒，從而導(dǎo)致粗糙的表面形態(tài)。
[0069] 在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方式中，在CVD反應(yīng)室中沉積具有沿著〈0 0 1>晶向的擇 優(yōu)晶體生長的α-Α1203層的第一處理條件包括：
[0070] 在10毫巴和100毫巴之間，優(yōu)選在30毫巴和80毫巴之間的范圍內(nèi)的壓力，
[0071] 在800 °C~1050 °C，優(yōu)選930 °C~1030 °C的范圍內(nèi)的溫度，
[0072] 并且反應(yīng)性氣體濃度在以下范圍內(nèi)：
[0073] 2%和7.5%之間、優(yōu)選3%和5%之間的C02，
[0074] 0 · 5 %和5 %之間、優(yōu)選1 · 5 %和4 %之間的HC1，
[0075] 0.5%和5%之間、優(yōu)選1.8%和4%之間的A1C13,和
[0076] 0.2%和1.1%之間、優(yōu)選0.3%和0.6%之間的X，并且
[0077] 在CVD反應(yīng)室中可用于沉積具有與〈0 0 1>晶向基本垂直、優(yōu)選沿著〈1 1 0>或〈1 0 〇>晶向的擇優(yōu)晶體生長的α-Α12〇3層的第二處理條件包括：
[0078] 在100毫巴和300毫巴之間，優(yōu)選在150毫巴和250毫巴之間的范圍內(nèi)的壓力，
[0079] 在800 °C至1050 °C，優(yōu)選930 °C至1030 °C的范圍內(nèi)的溫度，
[0080]并且反應(yīng)性氣體濃度在以下范圍內(nèi)：
[0081] 大于5% 的 C02，
[0082] 5%和25%之間、優(yōu)選5%和12%之間的HC1，
[0083] 0.5%和3%之間、優(yōu)選1.0%和1.8%之間的A1C13,和
[0084] 小于0 · 35%、優(yōu)選小于0 · 25%的X。
[0085] 除了控制沉積壓力以及C02、A1C13和X的流量之外，在晶粒邊界與第一厚度部分中 的晶粒邊界基本垂直的第二厚度部分中的α-Α1 203晶粒生長還可以通過添加比較大量的HC1 來提高。已知HC1抑制沿著〈0 0 1>晶向的生長。為了達到這種效果，所添加的HC1的量應(yīng)該 在約5體積％和約25體積％之間，優(yōu)選在約5體積％和約12體積％之間。使用這種范圍的HC1 流量，可以通過在大于200毫巴、優(yōu)選250毫巴和300毫巴之間的壓力下沉積層來控制可用于 沉積具有沿著〈1 〇 〇>晶向的擇優(yōu)生長的α-Α1203的第二處理條件，并且在100毫巴和200毫 巴之間、優(yōu)選150毫巴和200毫巴之間的壓力下實現(xiàn)可用于沉積具有沿著〈1 1 0>晶向的擇 優(yōu)生長的α-Α12〇3的第二處理條件。
[0086]在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，在沉積α-Α?2〇3層的CVD反應(yīng)室中的第一處理 條件中和/或第二處理條件中，組分X是H2S和SF6的組合。這種H2S和SF 6的組合特別適合于在 第二生長條件下產(chǎn)生沿著α-Α1203層的〈1 1 0>或〈1 0 0>晶向的晶體生長。在這種情況下， SF6的體積比例優(yōu)選不超過H2S體積量的15%。
[0087]為了在第一生長條件下產(chǎn)生沿著α-Α1203層的〈0 0 1>晶向的晶體生長，X優(yōu)選是 H2S或SF6或其組合。如果H2S與SF6組合使用，為了產(chǎn)生預(yù)期的效果，SF 6的體積量應(yīng)該優(yōu)選是 H2S體積量的約25~50%。
[0088]在本發(fā)明的方法的又一種優(yōu)選實施方式中，在沉積α-Α?2〇3層的CVD反應(yīng)室中的第 一處理條件和/或第二處理條件包括添加 N2、Ar、CO或其組合，其中N2、Ar和⑶的體積比例之 和不超過反應(yīng)氣體混合物中H2的總體積量的20%。通過添加 N2、Ar和/或C0,可以在整個CVD 反應(yīng)器中調(diào)整生長速率和涂層厚度變化。調(diào)節(jié)對反應(yīng)性氣體的這些添加來達到期望的生長 速率屬性在本領(lǐng)域技術(shù)人員的認知之內(nèi)。
【附圖說明】
[0089]圖1顯示了根據(jù)如下的α-Α1203層的橫截面的SEM顯微照片：
[0090] a)現(xiàn)有技術(shù)(實施例1)，
[0091] b)本發(fā)明（實施例2);
[0092]圖2分別顯不了圖la)和lb)的根據(jù)如下的α-Α?2〇3層的表面形貌的SEM顯微照片： [0093] a)現(xiàn)有技術(shù)(實施例1)，
[0094] b)本發(fā)明（實施例2);
[0095]圖3顯示了在切削工具刀片的硬質(zhì)合金基體上沉積的具有交替的TiN和TiCN亞層 的多層頂層的根據(jù)本發(fā)明的α-Α1203層的橫截面的SEM顯微照片，其中a)是切削刃的橫截面， b)是前刀面的橫截面(實施例3,涂層3.2)。
[0096]圖4顯示了在切削工具刀片的硬質(zhì)合金基體上沉積的具有交替的TiN和TiCN亞層 的多層頂層的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的α-Α12〇3層的橫截面的SEM顯微照片(實施例3，涂層3.1)。 [0097]在圖lb)、3a)和3b)中，在α-Α1 203層的上部，與根據(jù)本發(fā)明的從第一處理條件下進 行沉積到第二處理條件下進行沉積的生長方式的突變相對應(yīng)的晶粒邊界的方向變化是清 晰可見的。
[0098] 方法
[0099] X-射線衍射(XRD)測量和TC確定
[0100] 在GE Sensing and Inspection Technologies的XRD3003PTS衍射儀上利用Cu Kf輻射進行X-射線衍射(XRD)測量。X-射線管在集中到一點的40kV和40mA下運行。在初級 側(cè)(primary side)上使用利用固定尺寸測量孔徑的多毛細管準直透鏡的平行光束鏡頭，在 此選擇試樣的照射面積以避免X-射線束溢出所述試樣的涂層面。在次級側(cè) (86(3〇11(^巧8丨(16)上使用具有0.4°發(fā)散的索勒狹縫(3〇1]^81;[1:)和0.251]11]1厚的附1^濾光 器。在20° <2Θ〈100°的角度范圍內(nèi)以0.25°的增量進行Θ-2Θ掃描。在涂層刀片的平面、優(yōu)選在 后刀面上進行所述測量。在作為最外層的氧化鋁層上直接進行所述測量。在待測量的氧化 鋁層上面的涂層中存在的任何層，如果有的話，通過基本上不影響XRD測量結(jié)果的方法、例 如蝕刻除去。為了計算織構(gòu)系數(shù)TC，使用峰高強度。將本底扣除和5個測量點的拋物線峰值 擬合應(yīng)用于XRD原始數(shù)據(jù)。沒有做進一步校正，例如Κ α2剝離或薄膜校正。
[0101] 掃描電子顯微術(shù)(SEM)的試樣制備
[0102] 在橫截面中切割刀片，安裝在固定器中，然后如下進行處理：
[0103] 1.用Struers Piano220砂碟和水打磨6分鐘
[0104] 2.用9μηι MD-Largo金剛石懸液拋光3分鐘
[0105] 3.用3以11110-0&(3金剛石懸液拋光3:40分鐘
[0106] 4.用Ιμπι MD-Nap金剛石懸液拋光2分鐘
[0107] 5.用0P-S膠態(tài)二氧化硅懸液拋光/蝕刻12分鐘
[0108] (膠態(tài)二氧化硅的平均粒度= 0·04μπι)
[0109] 在SEM檢查之前用超聲波清潔所述試樣。
[0110] CVD 涂層
[0111] 在具有1250mm高度和325mm外徑的Bernex BPX 325S型徑流反應(yīng)器中制備CVD涂 層。將分別攜帶NH3和金屬氯化物的氣流單獨進料到所述反應(yīng)器中，使得在反應(yīng)區(qū)之前直接 發(fā)生混合。經(jīng)過裝料盤的氣流是從中央氣體管徑向的。
[0112] 粗糙度測量
[0113] 根據(jù)ISO 4287，DIN 4768進行粗糙度測量。將來自CSM儀器的白光ConScan用于粗 糙度測量。
[om]實施例
[0115] 在本文中的實施例中所用的試驗刀片的基體是由6.0重量％的Co和余量的WC構(gòu)成 的具有富含粘結(jié)相的表面區(qū)的硬質(zhì)合金切削工具刀片。所述基體的維氏硬度（Vickers hardness)測得為約1600HV。使用以下刀片幾何結(jié)構(gòu)：
[0116] CNMA120412(特別是用于SEM和粗糙度測量)和
[0117] WNMG080412-NM4(用于切削試驗）。
[0118] 預(yù)涂層:
[0119] 通過以下程序?qū)τ糜诔练e根據(jù)本文中的實施例的α-Α1203涂層的基體進行預(yù)涂布。
[0120] 為了確保涂層與基體的良好附著，在全部涂布程序中，通過在850°C的溫度和150 毫巴的壓力下通過CVD在基體表面上施加0.3μπι厚的TiN層開始所述過程。所述反應(yīng)氣體組 成是〇. 8體積％的11(：14、44.1體積％的他、55.1體積％的出。
[0121] 通過在850~880°C的溫度下，使用0.7體積％的013^ 1.9體積％的11(：14、20體 積％的犯和余量的H2的反應(yīng)氣體組成進行MT-CVD，用5μπι厚的Ti (C，N)層涂布所述預(yù)涂布的 刀片。
[0122] 在MT-CVD過程完成后，將溫度升高到1000°C，在該溫度下，利用2.5體積％的 TiCl4、3.5體積％的〇14、30體積％的犯和余量的H2的反應(yīng)氣體組成，在400~500毫巴的壓力 下，在所述MT-CVD層上CVD沉積另一個富N的TiCN層20分鐘至大約0.3μπι的厚度。
[0123] 然后，在約1000°C的溫度和80毫巴的壓力下，利用3體積％的1^14、0.5體積％的 A1C13、4.5體積％的⑶、30體積％的犯和余量的H2的反應(yīng)氣體組成，在所述MT-CVD TiCN層上 面沉積約0.5~Ιμπι厚的（Ti，A1) (C，N，0)粘結(jié)層約30分鐘。在所述沉積過程之后，利用H2吹 掃10分鐘，然后開始下一步。
[0124] 在沉積所述α-Α1203層之前，在約1000~1020 °C的溫度下和約80~100毫巴的壓力， 通過用4體積％的⑶2、9體積％的⑶、25體積％的仏和余量的出的氣體混合物下處理所述 (Ti，Al)(C，N，0)粘結(jié)層2~10分鐘，進行成核(氧化)步驟。在所述成核步驟之后，利用Ar吹 掃10分鐘。
[0125] 實施例1:根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的氧化鋁層(涂層1-比較例)
[0126] 在1000°C的溫度和66毫巴的壓力下，通過引入2.5體積％的六1(：13、4.1體積％的0)2 和余量的出的反應(yīng)氣體混合物，開始如上所述的預(yù)涂布基體上的氧化鋁沉積。同時引入反 應(yīng)氣體組分。在2分鐘后，向流入反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體混合物添加2.5體積％的量的HC1。在 另外8分鐘后，向流入反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體混合物添加0.33體積％的量的H 2S。
[0127]將沉積條件保持約8小時以得到約8μπι厚的α-Α1203層。在目測檢查中，所述α-Α1 203 層顯得深色而無光澤。通過粗糙度測量、切削試驗、SEM和XRD分析所述涂層。
[0128] 實施例2:根據(jù)本發(fā)明的氧化鋁層(涂層2)
[0129]如上關(guān)于實施例1所述的進行預(yù)涂布基體上的氧化鋁沉積，不同之處在于α-Α1203 層的沉積時間是6.5小時而不是8小時。在6.5小時沉積時間后，所述處理參數(shù)改變?yōu)橐阎?利于沿著所述α_Α12〇3層的〈110>晶向的擇優(yōu)晶體生長的"第二處理條件"。在所述"第二處理 條件"中，反應(yīng)氣體混合物的組成是1.5體積％的六1(：1 3、5.7體積％的0)2、7.5體積％的此1、 0.05體積％的!125和余量的Η 2。溫度保持在1000 °C，但壓力變?yōu)?50毫巴。在所述"第二處理條 件"下的沉積時間是1.5小時，由此得到的α-Α120 3層的總厚度與實施例1中一樣是8μπι。在目 測檢查中，所述α-Α12〇3層顯得深色但有光澤。通過粗糙度測量、切削試驗、SEM和XRD分析所 述涂層。
[0130] 通過SEM分析實施例1和2的α-Α1203涂層。橫截面顯微照片示于圖1中，表面形貌顯 微照片示于圖2中。圖la)和2a)顯示了實施例1(比較例）的涂層1，圖lb)和2b)顯示了實施例 2(發(fā)明）的涂層2。從圖la)和lb)的橫截面圖像以及從圖2a)和2b)的表面形貌圖像能夠清楚 看出，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備的α_Α1 2〇3涂層的表面相比，根據(jù)本發(fā)明的α-Α1203涂層的表面由 于晶粒邊界生長方向的突變而光滑得多。實施例1的涂層顯示出α-Α1 203層的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。 實施例2的涂層顯示出有柱狀晶粒的第一厚度部分和第二厚度部分，其中在從第一厚度部 分到第二厚度部分的過渡處，一些晶粒邊界相對于第一厚度部分中的晶粒邊界方向經(jīng)歷方 向改變。在實施例1(現(xiàn)有技術(shù))的涂層中，沒有發(fā)現(xiàn)這樣的方向改變。
[0131] 實施例3:頂涂層1
[0132] 重復(fù)實施例1和2的過程，但另外在所述α-Α1203層的上面沉積頂涂層。所述頂涂層 是由5個交替的TiN和TiCN亞層構(gòu)成并以TiCN終止的1. Ιμπι厚的多層。
[0133] 將試樣命名為涂層3.1(=根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實施例1加上頂涂層)和涂層3.2(=根據(jù) 本發(fā)明實施例2加上頂涂層）。
[0134] 通過SEM分析所述α-Α1203涂層3.1和3.2。圖3a)和3b)中顯示了分別在切削刃上和 前刀面上的涂層3.2的橫截面顯微照片。圖3a)和3b)的橫截面圖像清楚顯示了α-Α1 203層以 及頂涂層的表面的極其光滑性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的涂層3.1的橫截面顯微照片示于圖4中。它 清楚顯示了由于α-Α1 203晶粒不同的成面而明顯更粗糙的表面。
[0135] 實施例4:頂涂層2
[0136] 重復(fù)實施例1和2的過程，但另外在所述α-Α1203層的上面沉積不同于實施例3中的 頂涂層。所述頂涂層是1.5μπι厚的立方TiAIN層。沉積所述TiAIN層的反應(yīng)氣體混合物含有來 自氯化物管線的0.03體積％的1^14、0.37體積％的六1(：1 3和54.4體積％的出以及來自氨管 線的0.25體積％的1€13和44.95體積％的出。在700 °C的溫度和10毫巴的壓力下進行40分鐘的 沉積。
[0137] 試樣命名為涂層4.1(=根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實施例1加上頂涂層)和涂層4.2( =根據(jù)本 發(fā)明實施例2加上頂涂層）。
[0138] 實施例5:根據(jù)本發(fā)明的氧化鋁層(涂層5)
[0139] 如上關(guān)于實施例2所述的進行預(yù)涂布基體上的氧化鋁沉積，不同之處在于α-Α1203 層在第一處理條件下的沉積時間是4小時，并且在第二處理條件下的沉積時間是1小時。由 此得到的α-Α1203層的總厚度是5μπι。
[0140]在涂層1、2和5上進行粗糙度(Ra)測量，每個試樣5次測量的平均值結(jié)果如下：
[0142] 實施例6:金屬切削試驗1
[0143] 在下列條件下，在無冷卻劑的鑄鐵的縱向車削中，對涂層1(現(xiàn)有技術(shù))和2(本發(fā) 明）在接觸面積上的崩刃（剝落)進行測試： 工件： 圓柱形棒 Μ料： SS0130 刀片類型: CNMA120412
[0144] 切削速度: 380 m/分鐘 進給: 0.4 mm:/轉(zhuǎn) 切削深度: 2.0 mm
[0145] 分別在2分鐘和6分鐘的切削時間后檢查所述刀片，結(jié)果如下：
[0147] 結(jié)果顯示，根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的刃韌度相比于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品顯著改進。
[0148] 實施例7:金屬切削試驗2
[0149] 在下列條件下，在無冷卻劑的車削操作中測試實施例3和4的涂層3.1、3.2、4.1和 4.2的后刀面磨損： 工件： 圓柱形棒 材料： 56NiCrMoV7
[0150] 刀片類型： WNMG080412-NM4 切削速度： 125 m/分鐘 進給： 0.32 mm/轉(zhuǎn)
[0151 ] 切削深度： 2.5 mm
[0152]在切削6分鐘后，檢查所述刀片在切削刃上的最大后刀面磨損[νβ^：]，結(jié)果如下：
[0154] 實施例8:EBSD分析
[0155] 在使用60μπι的孔徑和15kV的加速電壓、以高電流方式工作的具有場致發(fā)射陰極的 Zeiss SUPRA40VP掃描電子顯微鏡(SEM)中，以電子束與拋光試樣表面為70°的入射角，在約 12mm的工作距離處進行涂層2的EBSD分析。所述EBSD系統(tǒng)是EDAX(Digivie W照相機），并且 TSL 0頂Data Collection 6和TSL 0頂Analysis 6.2軟件包分別用于數(shù)據(jù)收集和分析。
[0156] 對涂布有涂層2的WNMG0804012-匪4A幾何結(jié)構(gòu)的刀片以涂層態(tài)、即沒有任何拋光 或其它表面準備的涂層態(tài)在前刀面的平面部分上進行EBSD測量。對照相機照片進行4X4像 素組合和本底扣除。曝光時間相當于30幀/秒。圖尺寸是60Χ60μπι，具有0.15μπι的步長和六 角網(wǎng)格測量點。通過霍夫變換進行衍射圖樣的指標化。利用0.27的平均置信指標(C1)將由 此記錄的185031個數(shù)據(jù)點指標化。C1 >0.1的點的分數(shù)是76.7 %，C1 >0.3的分數(shù)是44.6 %。在 所述衍射圖樣的自動指標化期間通過TSL 0ΙΜ Analysis 6.2軟件計算C1。對于給定的衍射 圖樣，可以發(fā)現(xiàn)滿足通過圖像分析例行程序檢測的衍射帶的幾種可能的取向。所述軟件利 用投票方案對這些取向（或解法)分等級。所述置信指標基于所述投票方案并以CliWi-V 2)/V?j給出，其中VjPV2是第一和第二解法的投票數(shù)，和Vas是來自所檢測帶的總的可能投 票數(shù)。所述置信指標范圍從〇至1。雖然有甚至在置信指標為〇時圖樣仍然可以被正確指標化 的情況，但C1仍可以被視為圖樣品質(zhì)的統(tǒng)計度量，其高度取決于表面粗糙度。為了得到對于 EBSD滿意的圖樣品質(zhì)和指標化，必須將有粗糙表面的試樣拋光到極低的粗糙度。大于0.3的 C1值相當于自動圖樣指標化的99%的準確度，通常以Cl>0.1指標化的圖樣被認為是正確 的。為了正確的指標化，即為了得到平均C1大于0.1的EBSD圖，利用典型0.05μπι粒度的研磨 劑/蝕刻劑進行長時間拋光，從而達到遠低于〇 · 〇 5 μ m的R a值是必要的[Μ · Μ · Ν 0 w e 11等， Microscopy Today(今日顯微鏡學）2005，44_48]。
[0157] 根據(jù)在沉積態(tài)的涂層2上得到的圖像和圖樣品質(zhì)，能夠因此得出結(jié)論，>75%的大 部分表面積由具有幾乎平行于試樣表面并且也平行于基體表面的平晶面的晶粒組成。相 反，從沉積態(tài)的現(xiàn)有技術(shù)表面涂層1得不到足夠品質(zhì)的EBSD圖樣，是因為表面形態(tài)被具有以 更高角度相交的面的晶粒所述支配，產(chǎn)生晶粒間深度大約為Ιμπι的剖面。涂層1的EBSD圖被 指標化，平均C1僅為0.04。
【主權(quán)項】
1. 一種涂層切削工具刀片，其由包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化棚的基 體構(gòu)成，所述基體在其上沉積有總厚度最大為60WI1的由一個或多個層構(gòu)成的涂層，所述層 包含通過化學氣相沉積(CVD)沉積的厚度為1~45WI1的α-Α?2化耐磨層， 其特征在于 當在所述α-Α12〇3層的橫截面的沈Μ顯微照片中觀察時， 所述α-Α?2化層包含至少兩個部分，第一厚度部分和緊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狀的α-Α?2化晶粒結(jié)構(gòu)，和 在從所述第一厚度部分到所述第二厚度部分的過渡處，所述α-Α?2化晶粒的25個相鄰晶 粒中的至少1個、優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少5個、更優(yōu)選25個相鄰晶粒中的至少15個的晶 粒邊界經(jīng)歷方向改變成為與所述第一厚度部分中的晶粒邊界基本垂直的方向，其中基本垂 直包括90 ± 45度、優(yōu)選90 ± 30度的方向改變。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削工具刀片，其中所述a-Ab化層至少在所述第一厚度 部分中具有所述α-Α?2化晶粒沿著<0 0 1〉晶向或垂直于{0 1 2}或{1 0 4}或{0 1 0}晶面 的擇優(yōu)生長取向。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任一項所述的涂層切削工具刀片，其中延伸到所述a-Ab化層 的外表面的a-Ab化晶體的至少70%、優(yōu)選至少80%、更優(yōu)選至少90%被垂直于軸的面所終 止，所述軸與基體表面的法線呈0至35度、優(yōu)選0至20度、更優(yōu)選0至10度，優(yōu)選終止所述α- Ab化晶體的運些面是{0 0 1}晶面。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的涂層切削工具刀片，其中所述a-Ab化層的外表面 具有W下的表面粗糖度特征： i)當所述α-Α?2〇3層具有祉m或更高的厚度時，表面粗糖度Ra為0.05~0.2皿，優(yōu)選0.05 ~0.15μπι; i i)當所述α-Α1誠3層具有小于如m的厚度時，表面粗禮度Ra為0.03~0.2μπι，優(yōu)選0.03~ 0· ΙΟμιη， 其中在沒有頂層和沒有任何后處理的沉積態(tài)α-Α?2化層上測定所述表面粗糖度。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的涂層切削工具刀片，其中整個所述a-Ab化層的 總纖維織構(gòu)的特征在于織構(gòu)系數(shù)TC(0 0 12)〉3,如下定義TC(0 0 12):其中 化k 1)=化kl)反射的測定強度 1〇化k 1)=根據(jù)JCPDF-卡號42-1468的標準粉末衍射數(shù)據(jù)的標準強度 n =用于計算的反射數(shù)，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. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的涂層切削工具刀片，其中所述涂層包含厚度在 0.05皿至3皿之間、優(yōu)選0.2皿至2皿之間、更優(yōu)選0.5皿至1.5皿之間的優(yōu)選通過CVD或PVD在 所述a-Ab化層的上面沉積的頂涂層，所述頂涂層包含一個或多個選自TiN、TiC、TiCN、ZrN、 ZrCN、HfN、HfCN、VC、TiAlN、TiAlC財PAlN或其多層的層，和/或 其中所述涂層在所述基體上面和在所述α-Ab化層下面包含一個或多個耐火層，其中所 述一個或多個耐火層由選自Ti、Al、化、V和Hf中的一種或多種金屬的碳化物、氮化物、碳氮 化物、氧碳氮化物和棚碳氮化物或其組合構(gòu)成，其通過化學氣相沉積(CVD)或中溫化學氣相 沉積(MT-CVD)而沉積，并且每個耐火層具有0.5~20μπι、優(yōu)選1~10皿的厚度，和/或 其中緊挨在所述基體表面上面并與所述基體表面接觸的第一耐火層選自Ti(C，N)、 TiN、TiC、Ti(B，C，N)、HfN和Zr(C，N)或其組合，優(yōu)選與所述基體表面相鄰的所述第一耐火層 由Ti(C，N)構(gòu)成，和/或 其中緊挨在α-Α?2〇3層下面并與所述α-Α?2〇3層接觸的耐火層由立方(Ti，Al)N、立方(Ti， A1)(C，N)構(gòu)成或由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述多層結(jié)構(gòu)由交替的立方(Ti，Al)N或立方(Ti，Al)(C， N)層和一個或多個由Ti、Zr、V和Hf中的一種或多種的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化 物和棚碳氮化物或其組合構(gòu)成的耐火層構(gòu)成。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的涂層切削工具刀片，其中所述基體由硬質(zhì)合金 組成，優(yōu)選由具有如下組成的硬質(zhì)合金構(gòu)成:4~12重量％的防，任選的0.3~10重量％的來 自周期表的第I Vb、Vb和V化族金屬，優(yōu)選Ti、Nb、Ta或其組合的立方碳化物、氮化物或碳氮化 物，和余量的WC。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的涂層切削工具刀片，其中所述基體由包含富含 粘結(jié)相的表面區(qū)的硬質(zhì)合金構(gòu)成，所述表面區(qū)具有從所述基體表面起5~30μπι、優(yōu)選10~25 WI1的厚度，所述富含粘結(jié)相的表面區(qū)具有是所述基體的核屯、中的至少1.5倍高的Co含量并 具有小于所述基體的核屯、中的立方碳化物含量的0.5倍的立方碳化物含量。9. 涂層切削工具刀片的制造方法，所述方法包括用總厚度最大為60WI1的涂層涂布基體 的步驟，所述基體包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或立方氮化棚，所述涂層包含一個或多 個層，所述層包含從反應(yīng)氣體混合物通過化學氣相沉積(CVD)而沉積的厚度為1~45WI1的α- Α?2〇3耐磨層 其特征在于 所述α-Α?2化層的沉積過程至少包括W下步驟： 在第一處理條件下進行所述a-Ab化層的第一厚度部分的沉積，W沉積具有沿著第一晶 向的擇優(yōu)生長的α-Α?2化層，和 改變沉積條件，W在可用于沉積具有沿著與上述第一晶向基本垂直的第二晶向的擇優(yōu) 生長的a-Ab化層的第二處理條件下進行所述a-Ab化層的第二厚度部分的沉積，其中在第 二沉積條件下的沉積終止所述α-Α?2化層的沉積過程。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過化學氣相沉積(CVD)從包含出、0)2、AlCl3、肥1 和X的反應(yīng)氣體混合物沉積所述α-Α?2化層，其中X選自出S、SF6和S〇2或其組合，并且所述反應(yīng) 氣體混合物還任選包含化、Ar、C0或其組合的添加物， 其特征在于 所述α-Α?2化層的沉積過程至少包括W下步驟： 在第一處理條件下進行所述α-Α?2化層的第一厚度部分的沉積，W沉積具有沿著<0 0 1 〉晶向的擇優(yōu)生長的α-Α?2化層，和 改變沉積條件，W在可用于沉積具有沿著與所述<0 0 1〉晶向基本垂直的晶向、優(yōu)選沿 著<1 1 0〉或<1 ο 0〉晶向的擇優(yōu)生長的α-Α?2化層的第二處理條件下進行所述α-Ab化層的 第二厚度部分的沉積，在此在第二沉積條件下的沉積終止所述α-Α?2化層的沉積過程。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10中的任一項所述的方法，其中在沉積具有沿著<0 0 1〉晶向的 擇優(yōu)晶體生長的a-Ab化層的第一處理條件下的所述a-Ab化層的沉積進行1小時和20小時 之間、優(yōu)選2小時和12小時之間、更優(yōu)選3小時和7小時之間的時間，并且 在可用于沉積具有與<0 0 1〉晶向基本垂直、優(yōu)選沿著<1 1 0〉或<1 0 0〉晶向的擇優(yōu) 晶體生長的a-Ab化層的第二處理條件下的所述a-Ab化層的沉積進行5分鐘和3小時之間、 優(yōu)選10分鐘和2小時之間、更優(yōu)選15分鐘和1小時之間的時間，和/或 其中在所述第一處理條件下的所述α-Α?2化層的沉積進行到沉積具有沿著<0 0 1〉晶向 的擇優(yōu)晶體生長的α-ΑΙ 2化層到約2皿~約45皿、優(yōu)選約3皿~約15皿、更優(yōu)選約扣m~約12皿 的厚度，并且在所述第二處理條件下的所述α-Α?2化層的沉積優(yōu)選進行到所述第一處理條件 下沉積的α-Α?2化層厚度的約5~30%的厚度。12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11中的任一項所述的方法，其中 在CVD反應(yīng)室中的沉積具有沿著<0 0 1〉晶向的擇優(yōu)晶體生長的a-Ab化層的所述第一 處理條件包括： 在10毫己和100毫己之間，優(yōu)選在30毫己和80毫己之間的范圍內(nèi)的壓力， 在800 °C~1050 °C，優(yōu)選930 °C~1030 °C的范圍內(nèi)的溫度， 并且反應(yīng)性氣體濃度在W下范圍內(nèi)： 2 %和7.5 %之間、優(yōu)選3 %和5 %之間的C〇2， 0.5 %和5 %之間、優(yōu)選1.5 %和4 %之間的肥1， 0.5%和5%之間、優(yōu)選1.8%和4%之間的41(：13，和 0.2%和1.1 %之間、優(yōu)選0.3%和0.6%之間的X，并且 在CVD反應(yīng)室中的可用于沉積具有與<0 0 1〉晶向基本垂直、優(yōu)選沿著<1 1 0〉或<1 0 0〉晶向的擇優(yōu)晶體生長的α-Α?2化層的所述第二處理條件包括： 在100毫己和300毫己之間，優(yōu)選在150毫己和250毫己之間的范圍內(nèi)的壓力， 在800 °C~1050 °C，優(yōu)選930 °C~1030 °C的范圍內(nèi)的溫度， 并且反應(yīng)性氣體濃度在W下范圍內(nèi)： 大于5%的C〇2， 5%和25%之間、優(yōu)選5%和12%之間的肥1， 0.5%和3%之間、優(yōu)選1.0%和1.8%之間的A1C13,和 小于0.35%、優(yōu)選小于0.25%的X。13. 根據(jù)權(quán)利要求9至12中的任一項所述的方法，其中在所述CVD反應(yīng)室中的沉積所述 a-Ab化層的所述第一處理條件中和/或所述第二處理條件中，所述組分X是出S和Si^6的組 合，其中SF6的體積比例不超過出S體積量的15%。14. 根據(jù)權(quán)利要求9至13中的任一項所述的方法，其中在所述CVD反應(yīng)室中的沉積所述 α-Α?2化層的所述第一處理條件和/或第二處理條件包括添加化、Ar、CO或其組合，其中化、Ar 和CO的體積比例之和不超過所述反應(yīng)氣體混合物中出的總體積量的20%。15. 根據(jù)權(quán)利要求9至14中的任一項所述的方法，所述方法包括 在所述α-Α?2化層的上面沉積頂涂層，和/或 在所述基體上面和在所述α-Α?2化層下面沉積一個或多個耐火層，和/或 緊挨著所述基體表面上面并與所述基體表面相接觸沉積第一耐火層， 相應(yīng)的層如權(quán)利要求7至10中所限定的。16.通過根據(jù)權(quán)利要求9至15中的任一項所述的方法可得到或得到的涂層切削工具刀 片。
【文檔編號】C23C16/40GK105940141SQ201580006502
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年1月29日
【發(fā)明人】薩卡里·魯皮, 欣德里克·恩斯特倫, 喬納斯·勞里德森, 奧斯卡·阿爾姆, 彼得·馬特森, 托米·拉爾森, 埃里克·林達爾, 揚·恩奎斯特, 德克·施廷斯
【申請人】山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司