專利名稱：涂層硬質合金體及其使用方法
技術領域：
本發明涉及涂層。更明確地說，本發明涉及含有氧化鋁層的多層涂層。
背景技術：
在下面的技術現狀的討論中，參考了某些結構和/或方法。但是，下面的參考不應理解為承認這些結構和/或方法構成了現有技術。申請人明確保留權利以申明這些結構和/或方法不是本發明的現有技術。
美國專利6,22,469披露了使用κ-Al2O3涂層的金屬切割刀片優于α-Al2O3涂層切割刀片，特別是需要高速車削的地方。然而，已發現在間歇車削和需要冷卻劑車削中，α-Al2O3涂層切割刀片的性能更好。這可能是因為在α-和κ-型之間，α型更易延展。
由于結構缺陷，κ-Al2O3不能塑性變形。當使用溫度較低時，例如利用冷卻劑，κ-Al2O3也不能轉換為α-Al2O3。另一方面，溫度和特別是壓力明顯足夠高時，可活化在α-Al2O3相中的足夠量的滑移系。結果，含有κ-Al2O3的刀片由于缺少塑性而在切割中更易斷裂。
發明概述本發明的一個目的是避免或減少現有技術的問題。
本發明的另一個目的是提供一種特別有效的涂層硬質合金體，用于切割鋼或鑄鐵。
涂層燒結的硬質合金體的典型實施方式包括一個硬質合金體、與該硬質合金體相鄰的第一層，該第一層含有Ti(C，N)，厚度為約3到約20μm、與所述第一層相鄰的氧化鋁層，該氧化鋁層含有α-Al2O3或κ-Al2O3，厚度為約1到約15μm，和與氧化鋁層相鄰的含有Ti、Zr和Hf中一個或多個的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的較遠層，所述較遠層的厚度為約1到15μm。
在涂層燒結的硬質合金體的一個典型實施方式中，一個減少摩擦層與較遠層相鄰，該減少摩擦層包括γ-Al2O3、κ-Al2O3和毫微結晶Ti(C，N)中的一個或多個。減少摩擦層的厚度為約1到約5μm。
一方面，涂層燒結的硬質合金體可用于切割鑄鐵，其中Al2O3是α-Al2O3。
另一方面，涂層燒結的硬質合金體可用于切割鋼，其中Al2O3層是α-Al2O3。
附圖簡述通過下面優選實施方式以及附圖的詳細描述，可了解到本發明的目的和優點。其中，相同的數字表示相同的構件。
圖1分別表示α-Al2O3、κ-Al2O3和Ti(C，N)的刀具使用壽命對應于切割速度的對數值的圖。圖1(a)表示火口磨損，圖1(b)表示側面磨損。
圖2表示本發明的切割刀片。
圖3表示本發明的另一切割刀片。
圖4表示本發明的另一切割刀片。
圖5表示按照本發明制備的刀片的切削結果。
圖6表示按照本發明制備的刀片的切削結果。
圖7表示按照本發明制備的刀片的切削結果。
優選實施方式詳述早已發現(參見，例如美國專利5,137,774)α-Al2O3對用于切割鑄鐵的硬質合金刀片來說是較好的涂層，而在切割鋼等領域中，硬質合金刀片上的κ-Al2O3涂層被認為有相等的作用或更好。圖1分別表示a-Al2O3、κ-Al2O3和Ti(C，N)的刀具使用壽命相對于對數形式的切割速度的圖。圖1(a)顯示了火口磨損。α-Al2O3(以100表示)、κ-Al2O3(以102表示)和Ti(C，N)(以104表示)在大約350m/min的切割速度處相交。圖1(b)顯示了側面磨損。由圖1(b)可看出，α-Al2O3100、κ-Al2O3102和Ti(C，N)104的各個刀具壽命隨著刀具速度的降低而增加，對于任一切割速度，α-Al2O3100和κ-Al2O3102之間及κ-Al2O3102和Ti(C，N)104之間的側面磨損刀具壽命增加。由圖1，顯示了鋼中α-Al2O3和κ-Al2O3的磨損性質是相似的。然而，驚奇地發現在那些要求韌性的應用中，用α層代替κ層作為中間層，可以得到更好的刀口強度。另外，它還顯示出當Al2O3應用于多層結構和在Al2O3層上有相對厚的Ti(C，N)層時，強調了α-Al2O3和κ-Al2O3之間的區別。
如圖2所示，本發明的一個具體方面，顯示了一個硬質合金體200，在上面涂敷了Ti(C，N)層202，厚度為約3到約20μm，優選約5到約15μm。如果需要，可以在硬質合金和Ti(C，N)層202之間涂敷一層任選的TiN粘合層204，厚度為約0.5到約2μm，優選約0.5到約1μm。
Ti(C，N)層202可以由通過CVD(化學蒸汽沉積)、MTCVD(中間溫度化學蒸汽沉積)工藝或它們的組合所涂敷的Ti(C，N)而制得。在一個特別優選的實施方式中，Ti(C，N)層202包含與硬質合金體200相鄰的柱形Ti(C，N)的第一部分206和等軸Ti(C，N)的第二外層部分208(參見圖3)。在這個例子中，第一部分206占Ti(C，N)層202的總厚度的約5到95％，優選約10到約80％。在一個典型實施方式中，第一部分206和第二外層部分208根據與美國專利6,221,469相應的柱形/等軸層的寬度、長度和粒度而制備，該專利的全文被引入此處，作為參考。
在另一個典型實施例中，Ti(C，N)層202含有MTCVD Ti(C，N)多層，它也可以含有至少一個散置于Ti(C，N)多層之間的TiN和/或TiC的210層。
在Ti(C，N)層202之上為粘合層212。粘合層212可以促進隨后涂敷的氧化鋁層的粘合和相控制。例如，粘合層212可以包括(TiAl)(CO)，厚度為約0.5到約2μm，優選約0.5到約1μm，以提高隨后涂敷的Al2O3的粘合并保證其相控制。
Al2O3層214可以是單獨的α-或κ-層，或含有所述Al2O3相的多層。根據美國專利5,700,569的描述，κ-Al2O3可以作為多層涂敷，該專利的全文被引入此作為參考。α-Al2O3可以根據現有技術涂敷。
在Al2O3層214之上為另一層216，含有約1到約15μm，優選約2到約6μm厚的含有Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物的層或它們的多層。優選，層216為MTCVD Ti(C，N)或Ti(C，O，N)。在一個具體的實施方式中，層216也可含有具有約4到約150層Ti(C，N)的疊層多層，各層分別為約0.05到約1μm的厚度。
(TiAl)(CO)的粘合層218的厚度為約0.5到約2μm，可以設置于Al2O3層214和層216中間。
在層216之上配置了一個含有毫微結晶Ti(C，N)、γ-Al2O3或κ-Al2O3的減少摩擦層220。根據美國專利6,472,060的描述，它的全文被引入此作為參考，可以涂敷毫微結晶Ti(C，N)。減少摩擦層220有助于減少在切割時Ti(C，N)和所要切割的金屬表面之間的摩擦。減少摩擦層220的厚度為約1到約5μm，優選約2到約4μm。
如果需要，TiN層，具有金色涂層性質的薄層，可以被涂敷作為涂層硬質合金200的最外層222。任選的TiN層厚度為0.5到2μm，優選約0.1到約1μm。
在圖4中，顯示了本發明的一個典型實施方式，其中涂層硬質合金體200首先用帶有任選的如上所述的粘合劑204的Ti(C，N)層202涂敷。含有α-Al2O3和κ-Al2O3的疊層氧化鋁多層224通過一粘合層226被涂敷于Ti(C，N)層202之上。α-Al2O3和κ-Al2O3的疊層氧化鋁多層224可包含約4到多達約150層的各相氧化鋁，其中根據美國專利5,700,569沉積κ-Al2O3并根據傳統技術沉積α-Al2O3。多層中各層厚度為約0.05到約1μm。
在氧化鋁多層224之上為多層228，它或者可以只含有Ti(C，N)多層或者含有散置于含有Ti、Zr、Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或Al2O3中一種或多種的層之間的Ti(C，N)層。例如，多層可以包含Ti(C，N)-TiC、Ti(C，N)-TiN、Ti(C，N)-κ-Al2O3、Ti(C，N)-α-Al2O3、Ti(C，N)-Ti(C，O，N)、Ti(C，N)-Zr(C，N)、Ti(C，N)-Hf(C，N)層或它們的組合。在多層228中可以有4到150層。多層228的厚度為約1到約15μm，優選約2到約6μm。粘合層230，總厚度為約0.1到約1μm，可以設置于氧化鋁多層224和多層228之間，例如在氧化鋁多層和Ti(C，N)多層之間。在Ti(C，N)多層228之上為減少摩擦層232和任選的TiN層234。在一個典型實施方式中，減少摩擦層232和TiN層234可以是根據圖2參照減少摩擦層220和TiN層222得到，如上所討論。
在一個優選的特別適用于要求極端韌性的領域的實施方式中，涂層厚度如下第一Ti(C，N)基層為4到10μm，優選7μm，氧化鋁層為4到10μm，優選約7μm，最上面的Ti(C，N)層為2到6μm，優選約4μm。總涂層厚度為15到25μm量級。
本發明進一步與下面的實施例結合進行說明，它們被認為是本發明的例證。但是應知道，本發明不限于這些實施例的具體細節。
實施例1對根據本發明的兩個相同的多層涂層進行測試。這些涂層之間的唯一區別就是Al2O3層的相組成。涂層的具體組成如下
根據下列條件，用間隙車削冷卻劑對涂層進行比較切割速度Vc＝300m/min加料f＝0.4mm/v工作件料SS1672操作帶有冷卻劑的間隙車削圖5(a)表示實施例1的涂層1，圖5(b)顯示了實施例1的涂層2。由圖5(a)和圖5(b)可以清楚地看到，帶有α-Al2O3的涂層表現出少得多的碎屑。
實施例2根據下列條件，用鑄鐵測試相同的涂層切割速度Vc＝400m/min切割深度ap＝2.5mm加料f＝0.4mm/v工作件料SS0130，鑄鐵圖6表示實施例2指定條件下，在車削2分鐘后，涂層1(圖6(a))和涂層2(圖6(b))的刃口。在Al2O3層上存在相對厚的碳氮化物層的條件下，相之間的區別變得非常清楚，涂層2，例如α-Al2O3涂層明顯優于涂層1，即κ-Al2O3涂層。
實施例3根據下列條件，在較低的切割速度下測試涂層1和2
切割速度Vc＝250m/min切割深度ap＝2.5mm加料f＝0.4mm/v工作件料SS0130，鑄鐵圖7(a)和圖7(b)分別顯示了涂層1和2的邊緣碎屑結果。圖7(a)和圖7(b)顯示出涂層2在較低的切割速度下比涂層1具有少得多的邊緣碎屑。
實施例4在相同條件下測試實施例1的涂層，除了沒有冷卻劑。涂層的刀口強度以車削邊緣線表示，作為與工作件料接觸的邊緣線的百分比。這個試驗的結果如表1所示。
表1涂層的刀口強度
盡管本發明以優選的實施方式進行了描述，但本領域的技術人員應該明白對本發明進行的增加、刪除、修改或替代可以不脫離所附的本發明權利要求的精神和范圍。
權利要求
1.一種涂層燒結的硬質合金體，包括一個硬質合金體；鄰接該硬質合金體的第一層，所述第一層含有Ti(C，N)，厚度為約3到約20μm；鄰接所述第一層的氧化鋁層，該氧化鋁層含有α-Al2O3或κ-Al2O3，厚度為約1到約15μm；鄰接該氧化鋁層的含有Ti、Zr和Hf中的一個或多個的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的較遠層，所述較遠層的厚度為約1到15μm。
2.如權利要求1的涂層硬質合金體，包括一個與較遠層鄰接的減少摩擦層，所述減少摩擦層包括γ-Al2O3、κ-Al2O3和毫微結晶Ti(C，N)中的一個或多個，其中該減少摩擦層的厚度為約1到約5μm。
3.如權利要求1的涂層硬質合金體，包括介于涂層硬質合金體和第一層之間的TiN的粘合層。
4.如權利要求3的涂層硬質合金體，其中粘合層的厚度為約0.5到約2μm。
5.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中所述第一層的Ti(C，N)包括CVD Ti(C，N)、MTCVD Ti(C，N)或它們的組合。
6.如權利要求5的涂層硬質合金體，其中所述第一層包括鄰接硬質合金體的柱形Ti(C，N)的第一部分和等軸Ti(C，N)的第二部分。
7.如權利要求6的涂層硬質合金體，包括介于第一和第二部分之間的TiN層。
8.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中第一層包括含有MTCVDTi(C，N)、TiN和TiC的多層。
9.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中氧化鋁層為α-Al2O3。
10.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中氧化鋁層為κ-Al2O3。
11.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中氧化鋁層包括一個含有約4到約150層氧化鋁的多層。
12.如權利要求11的涂層硬質合金體，其中所述多層的各層厚度為約0.05到約1.0μm。
13.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中所述第一層包括含有約4到約150層Ti(C，N)的多層。
14.如權利要求13的涂層硬質合金體，其中所述多層的各層厚度為約0.05到約1.0μm。
15.如權利要求13的涂層硬質合金體，其中Ti(C，N)多層包括散置于含有Al2O3和Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物中的一種或多種的多層之間的Ti(C，N)多層。
16.如權利要求15的涂層硬質合金體，其中所述多層的各層厚度為約0.05到約1.0μm。
17.如權利要求1的涂層硬質合金體，包括布置于較遠層之上的TiN層，該TiN層的厚度為約0.5到約2μm。
18.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中第一層的厚度為5到10μm。
19.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中氧化鋁層的厚度為5到10μm。
20.如權利要求1的涂層硬質合金體，其中較遠層的厚度為2到5μm。
21.一種切割鑄鐵的方法，包含使用如權利要求9的刀片。
22.一種切割鋼的方法，包含使用如權利要求9的刀片。
23.一種切割鋼的方法，包含使用如權利要求10的刀片。
24.一種切割鋼的方法，包含使用如權利要求11的刀片。
全文摘要
一種涂層燒結的硬質合金體，包括一個硬質合金體、與該硬質合金體相鄰的第一層，所述第一層含有Ti(C，N)，厚度為約3到約20μm、與所述第一層相鄰的氧化鋁層，該氧化鋁層含有α－Al
文檔編號B23B27/14GK1432663SQ0215837
公開日2003年7月30日 申請日期2002年12月30日 優先權日2001年12月28日
發明者薩卡里·魯皮, 安娜·桑德伯格, 愛德華·萊蒂拉 申請人:塞科機床公司