專利名稱：PVDAl的制作方法
技術領域：
本發明描述一種用于金屬加工的刀具，該刀具具有一個由燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼構成的刀體，在所述刀體表面上沉積有一層堅硬且耐磨的難熔涂層。該涂層粘著于刀體之上并覆蓋住刀具的所有功能區域。該涂層由一層或多層難熔化合物構成，其中至少一層由物理氣相沉積法(PVD)沉積的細晶體氧化鋁(Al2O3)組成，對于非Al2O3層，如果存在的話，是由金屬氮化物和/或碳化物構成的，其中金屬選自于Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
刀具，如燒結碳化物刀具在金屬加工中的應用已為人所熟知，采用選自周期表第IV、第V和第VI族的過渡金屬或硅，硼和鋁等元素的氧化物，碳化物或氮化物制成薄且堅硬的表面涂層可以顯著增加刀刃的耐磨性能，涂層厚度通常在1至15μm之間，沉積這些涂層時最廣泛采用的技術是PVD和CVD(化學氣相沉積法)。采用純陶瓷涂層如Al2O3層覆蓋金屬碳化物和氮化物，從而進一步改善刀具性能的技術也為人所熟知(U.S.5,674,564，U.S.5,487,625)。
涂布有氧化鋁涂層的燒結碳化物刀具成為商品已有20多年的歷史。通常采用的CVD技術包括在一個高溫基體表面上由反應性氣氛沉積材料的過程。Al2O3結晶成幾種不同的晶相，如稱為“α系列”的α、κ和χ相，其中氧原子為hcp(六方緊密排列)堆垛，以及稱為“γ系列”的γ、θ、η和δ相，其中氧原子為fcc(面心立方)堆垛。對于在1000～1050℃這一常規CVD溫度下沉積到燒結碳化物上的CVD涂層來說，最常見的Al2O3晶相為穩定的α相和亞穩的κ相，但有時也可觀察到亞穩的θ相。
α-、κ-和/或θ-相的CVD Al2O3涂層為全晶晶體，晶粒大小在0.5至5μm之間，并具有完美的晶面結構。
約1000℃的固有沉積溫度使得在燒結碳化物基體上的CVD Al2O3涂層的總應力增大，所以總應力主要是基體和涂層間熱膨脹系數不同所產生的熱應力，而沉積過程所產生的具有壓縮特性的特征應力對總應力貢獻較少。拉伸應力可能超過Al2O3的斷裂限，并造成涂層開裂嚴重，從而降低了刀刃的性能，如在濕加工中冷卻劑流體中的磨蝕性化學品可能會沿擴散式的路徑利用涂層中的裂縫。
一般來說，在干或濕的切削條件下加工多種鋼和鑄鐵時CVD涂布的刀具性能非常好。但也存在多種采用PVD涂布的刀具更為適用的切削操作或加工條件，如需要鋒利刀刃的鉆、割和車螺紋以及其它操作。這些切削操作常被歸類到“PVD涂布刀具的應用領域”中。
與CVD技術的高溫相比，等離子體輔助CVD技術(PACVD)可在較低的基體溫度下沉積涂層，從而避免了熱應力的主導作用。在基體溫度為450～700℃下沉積在燒結碳化物上的無裂紋的薄PACVDAl2O3膜已經被制出(DE 41 10 005；DE41 10 006；DE42 09 975)。沉積Al2O3的PACVD方法包括鹵化鋁如AlCl3與供氧體如CO2之間的反應，由于在該化學反應中Al反應不完全，氯被大量包夾到Al2O3涂層中，其含量可能高達3.5％。另外，除結晶α-和/或γ-Al2O3相之外，這些PACVD Al2O3涂層還包含大量含有大量鹵素雜質的無定形氧化鋁，降低了所述涂層的化學和機械性能，從而使這種涂層材料在用作刀具材料時性能并非最佳。
本發明的領域具體而言是涉及PVD Al2O3涂層碳化物刀具或由類似堅硬材料如金屬合金、陶瓷和高速鋼制成的工具的技術。
現有幾種能夠在刀具上制成難熔薄膜的PVD技術，其中最為完善的方法有離子滲鍍法、DC-和RF-磁控管濺射、電弧放電蒸發、IBAD(離子束輔助沉積)和活化反應性蒸發(ARE)。每種方法都有其優點，并且制成的涂層的內在性能如顯微結構/晶粒大小、硬度、應力狀態、與下層基體的內在粘接和粘附依賴所選擇的PVD方法可能不同。在典型PVD溫度400～500℃下PVD沉積Al2O3的早期嘗試產生無定形氧化鋁涂層，用在刀具上時該涂層不能顯著改善耐磨性能。通過HF二極管或磁控管濺射的PVD沉積僅在基體溫度達1000℃時方能產生晶狀α-Al2O3(Thornton和Chin，Ceramic Bulletin，56(1977)504)。類似地，采用ARE法沉積Al2O3時只有在基體溫度約為1000℃時方能產生致密且堅硬的Al2O3涂層(Bunshah和Schramm，Thin Solid Films，40(1977)211)。
隨著DD 252 205和DE 195 18 779中所公開的雙極脈沖DMS技術(雙重磁控管濺射)的發明，為絕緣涂層如Al2O3的沉積提供了更廣泛的機會，而且該方法已有可能在基體溫度范圍為500至800℃時沉積晶狀Al2O3層。在雙極雙重磁控管系統中，二個磁控管交替作為陰極和陽極，從而在一長的操作時間中維持了一個金屬陰極。在足夠高的頻率下，在絕緣涂層上可能的放電被壓制，而且，如“放電弧”等討厭的現象也得到了限制。因此，根據DE 195 18 779，在基體溫度小于800℃時DMS濺射技術可以沉積并產生高質量的、緊密粘附的、晶體α-Al2O3薄膜。對于“α-Al2O3層”來說，α晶粒的典型大小在0.2至2μm之間，其中也可部分包含來自Al2O3多晶型物“γ-系列”中的γ相。涂層中γ晶粒要比α晶粒小得多。γ-Al2O3晶粒典型在0.05至0.1μm之間。在γ和α-相均有改善的Al2O3層中，γ-Al2O3相的優選生長方向為(440)織構。與現有等離子體輔助沉積技術如DE 49 09 975中所描述的PACVD相比，這種新型的脈沖DMS濺射沉積方法所具有的決定性的、重要的優點是Al2O3涂層中不含雜質，如氯原子等鹵素原子。
圖1為含有雜質Cl的PACVD(AlCl3作為前體)沉積Al2O3涂層的EDS分析圖。
圖2為本發明γ-Al2O3涂層的EDS分析圖。
圖3為含γ相的Al2O3涂層的X-衍射圖。
圖4為還含有θ相的Al2O3涂層的X-衍射圖。
圖5為基體溫度為650℃時沉積的Al2O3層的電子衍射圖。
本發明提供一種供金屬加工的刀具，如車削(車螺紋和切割)、銑和鉆，其包含一個由燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼構成的硬質合金刀體，在刀體上采用DMS PVD法沉積一堅硬且耐磨的難熔涂層，依賴于所采用的具體刀體材料，基體溫度為450至750℃、優選為550至650℃。所述耐磨涂層由一層或多層難熔化合物構成，其中至少一層、優選最外層由Al2O3組成，對于刀體和Al2O3層之間的內層，如果存在的話，是由金屬氮化物和/或碳化物構成的，其中金屬選自于Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。與現有技術相反，Al2O3層由晶粒小于0.1μm的高質量、致密、細晶粒的晶體γ-Al2O3構成。此外，γ-Al2O3層基本無裂紋和鹵素雜質。后一特性在圖1和圖2中加以描述，其中圖1為含有雜質Cl的PACVD(AlCl3作為前體)沉積Al2O3涂層的EDS分析圖，圖2為本發明γ-Al2O3涂層的EDS分析圖。在后一Al2O3涂層中無可檢測到的雜質存在。
與現有技術中α-Al2O3涂布的刀具相比，本發明的γ-Al2O3涂層也使刀具的刀刃具有非常高的表面光潔度，同時還使被加工工件的表面光潔度得以改善。這種非常高的表面光潔度可以歸功于涂層中非常細的晶粒。“γ-Al2O3”涂層也可部分含有來自“γ-系列”的其它相如θ，δ和η相。優選可采用X-衍射鑒別本發明Al2O3涂層中γ-和/或θ-相。當采用Cuκα射線時，發生在2θ角為45.8°和66.8°上來自γ-Al2O3層之晶面(400)和(440)上的反射可毫無疑問地鑒定γ相(圖3)。有時也能鑒別中來自γ相中(222)、(200)和(311)晶面上的較弱的反射。當θ相存在于本發明的Al2O3涂層中時，所述晶相可通過來自(200，20-2)晶面上的反射得以鑒定(圖4)。
鑒定Al2O3晶相的第二種方法基于透射式電子顯微鏡(TEM)的電子衍射。圖5為基體溫度為650℃時沉積的Al2O3層的電子衍射圖。圖象表現出晶粒遠小于電子束直徑的多晶相的衍射環，同時環的強度和環間的距離又一次毫無疑問地鑒定出是γ相的Al2O3。
本發明的細晶粒晶體γ-Al2O3強烈趨向[440]方向。晶體結構因子TC可如下定義TC(hkl)=I(hkl)I0(hkl){1NΣI(hkl)I0(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度I0(hkl)＝源自ASTM標準粉末衍射數據的標準強度n＝用于計算的反射數目，所用的(hkl)反射為(111)、(311)、(222)、(400)和(440)，而且只要TC(hkl)大于1，在該[hkl]方向就有一個晶面。TC(hkl)數值越大，該晶面的權重就越大。根據本發明，晶面(440)的TC大于1.5。
當本發明晶粒非常細小的γ-Al2O3涂布的燒結碳化物刀具被用于加工鋼和鑄鐵時，與現有技術相比，如以下實施例所示可以觀察到幾個重要的改進。令人吃驚的是完全不含較粗且熱力學穩定的α-Al2O3相的PVD γ-Al2O3在某些金屬加工操作中的耐磨性能與在約1000℃下沉積的CVD α-Al2O3涂層相等。此外，晶粒細小的PVD γ-Al2O3涂層所表現出來的耐磨性比現有技術中的PVD涂層明顯要好。這些觀察結果提出了明顯改善PVD涂布刀具的切削性能并延長使用壽命的可能性。同時低的沉積溫度也使得在高速鋼工具上沉積PVD γ-Al2O3涂層成為可能。
如果采用柔和濕噴沙法或采用刷子如第9402534-4號瑞典專利中公開的基于SiC的刷子處理本發明γ-Al2O3涂布的刀具的刀刃時，可以預料能夠進一步改善切削性能。
本發明的總涂層厚度在0.5至20μm、優選為在1至15μm之間，其中非Al2O3涂層的厚度在0.1至10μm、優選為在0.5至5μm之間。晶粒細小的γ-Al2O3涂層也可直接沉積到基體材料為燒結碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼的刀具之上，所述γ-Al2O3涂層的厚度在0.5至15μm、優選為在1至10μm之間。類似地，也可在Al2O3涂層的頂部進一步沉積金屬氮化物和/或碳化物涂層，其中金屬選自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
本發明采用雙極雙重磁控管濺射技術沉積γ-Al2O3涂層，其中基體溫度為450-700℃、優選為550-650℃，采用鋁靶，Ar和O2混合氣，工作壓力在1至5μbar之間。基體可以是飄浮的或脈沖偏置的，準確條件在某種程度上仍賴于所采用設備的結構。
技術人員有能力確定是否已獲得所需的晶粒大小和晶相組成，修正本發明說明書中的沉積條件，如果需要，在本發明范圍內改變Al2O3層的納米結構。
本發明所描述的涂層包括金屬氮化物和/或碳化物構成的涂層，其中金屬選自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al，可以通過PVD技術、CVD和/或MTCVD技術(中等溫度化學氣相沉積法)沉積。
在實施例1、2和5中證明了本發明晶粒細小的γ-Al2O3PVD涂層與現有技術中PVD涂層相比的優越性。在實施例3、4和6中通過與傳統CVD沉積的單相κ-Al2O3層和單相α-Al2O3層作比較證明了細晶粒γ-Al2O3涂層的令人吃驚的優良耐磨性能。實施例1A)用于車縲紋的型號為R166.0G-16MM01-150的商品燒結碳化物刀片，其組成為10wt％Co，其余為WC，采用離子滲鍍技術涂布約2μm厚的TiN層。
B)在一獨立的實驗中利用脈沖磁控管濺射技術在A)中TiN涂布的刀具上涂布1μm厚細晶粒γ-Al2O3層。沉積溫度為650℃，工作壓力為1μbar。
C)用于車縲紋的型號為R166.0G-16MM011-150的商品燒結碳化物刀片，其組成為10wt％Co，其余為WC，采用離子滲鍍技術涂布約3μm厚的TiN層。
在生產鑄鐵(SS0125；180-240HB)發動機油塞的用戶處于車螺紋操作中測試B)和C)中的涂層刀片。油塞螺紋的尺寸為M36×1.5。
車削數據速度154m/min每個螺紋車削5次以下結果表示成每個刀刃所加工的油塞數量。
C)現有技術300個塞子大坑狀磨損刀刃損壞B)本發明＞500個塞子刀刃處無可檢測磨損刀刃可生產更多塞子上述結果表明在車削性能上本發明氧化鋁涂布的刀片性能更為優越。實施例2D)PVD-TiN涂布的型號為LCMX 040308-53的商品燒結碳化物鉆頭，其組成為10wt％Co，其余為WC，涂層厚度為3μm。
E)在一獨立的實驗中利用脈沖磁控管濺射技術在D)中TiN涂布的工具上涂布1μm厚細晶粒γ-Al2O3層。沉積溫度為650℃，工作壓力為1μbar。
E)中的氧化鋁涂層是透明的并且非常光滑。氧化鋁涂層的斷層SEM研究顯示出晶粒非常細小的結構。XRD分析表面氧化鋁相為純γ-Al2O3。
在鉆孔操作中測試D)和E)中的涂層鉆頭，工件材料為低合金的非硬化鋼(SS 2541)。
切削數據速度 150m/min進刀 0.12mm/rev孔徑 25mm孔深 46mm采用冷卻劑在刀刃處產生側面磨損和坑狀磨損。側面磨損的程度決定了刀具的壽命，以下結果表示成每個刀刃所加工的孔洞數量。
D)現有技術150個孔洞側面磨損0.15mm200個孔洞側面磨損0.22mm刀刃損壞E)本發明 150個孔洞側面磨損0.07mm200個孔洞側面磨損0.09mm250個孔洞側面磨損0.10mm刀刃輕微損壞上述結果表明本發明氧化鋁涂層鉆頭與現有技術的鉆頭相比能夠鉆更多的孔。實施例3F)型號為CNMA 120412-KR的燒結碳化物刀片，其組成為6wt％Co，其余為WC，首先涂布一層8μm厚的TiCN，然后在其上再涂布一層4.7μm厚的α-Al2O3。采用常規CVD技術沉積TiCN和α-Al2O3層。Al2O3層的平均粒徑為1.2μm。
G)采用與F)相同型號和組成的燒結碳化物刀片，首先用常規CVD技術涂布一層3.6μm厚的TiCN，然后在一獨立的實驗中利用脈沖磁控管濺射技術在其上再涂布一層2.3μm厚的細晶粒γ-Al2O3層。沉積溫度為650℃，工作壓力為1μbar。
在連續車削滾珠軸承鋼(Ovako 825)操作中測試F)和G)中的涂層刀片，測量刀刃的坑狀磨損。
切削數據速度 210m/min進刀 0.25mm/rev切削深度 2.0mm采用冷卻劑為測量刀刃處的坑狀磨損，周期性中斷切削操作。采用顯微鏡測量側面坑狀磨損。記錄Al2O3層磨穿的加工時間(即當剛好可以看見TiCN涂層時)。為定義一個有關Al2O3層的特征耐磨指數，將Al2O3層的厚度(μm)除以上述加工時間(min)。以下將結果表示成磨損指數。
F)現有技術α-Al2O3層 0.5μm/minC)本發明 0.5μm/min令人吃驚的是上述結果表明細晶粒γ-Al2O3層的耐磨性能與CVD沉積的較粗顆粒的α-Al2O3層的耐磨性能一樣好。實施例4H)型號為CNMA 120412-KR的燒結碳化物刀片，其組成為6wt％Co，其余為WC，首先涂布一層8μm厚的TiCN，然后在其上再涂布一層1.1μm厚的κ-Al2O3。采用常規CVD技術沉積TiCN和Al2O3層。Al2O3層的平均粒徑為1μm。
I)采用與H)相同型號和組成的燒結碳化物刀片，采用離子滲鍍技術涂布約2.5μm厚的TiN層。
J)采用I)中TiN涂布的工具，在一獨立的實驗中利用脈沖磁控管濺射技術涂布一層1.2μm厚的細晶粒γ-Al2O3層。沉積溫度為600℃，工作壓力為1μbar。
K)采用I)中TiN涂布的工具，在一獨立的實驗中利用脈沖磁控管濺射技術涂布一層1.7μm厚的細晶粒γ-Al2O3層。沉積溫度為730℃，工作壓力為1μbar。
在連續車削滾珠軸承鋼(Ovako 825)操作中測試H)、J)和K)中的涂層刀片，測量刀刃的坑狀磨損。
切削數據速度 250m/min進刀 0.25mm/rev切削深度 2.0mm采用冷卻劑為測量刀刃處的坑狀磨損，周期性中斷切削操作。采用顯微鏡測量坑狀磨損。記錄Al2O3層磨穿的加工時間(即當剛好可以看見TiCN涂層時)。為定義一個有關Al2O3層的特征耐磨指數，將Al2O3層的厚度(μm)除以上述加工時間(min)。以下將結果表示成磨損指數。
H)現有技術κ-Al2O3層 0.44μm/minJ)本發明TiN+γ-Al2O3層 0.40μm/minK)本發明TiN+γ-Al2O3層 0.46μm/min令人吃驚的是上述結果表明細晶粒γ-Al2O3層的耐磨性能與CVD沉積的較粗顆粒的κ-Al2O3層的耐磨性能一樣好。實施例5在與實施例4相同的車削條件和車削數據情況下測試H)，J)和K)中的涂層刀片，記錄刀刃面上出現預定坑狀磨損的時間。以下將結果表示成出現預定坑狀磨損的加工時間。
I)現有技術TiN4minJ)本發明TiN+γ-Al2O3層9minK)本發明TiN+γ-Al2O3層9.7min上述結果表明在PVD TiN層上涂布細晶粒γ-Al2O3層可明顯改善刀具的抗坑狀磨損性能。實施例6L)型號為CNMA 120412-KR的燒結碳化物刀片，其組成為6wt％Co，其余為WC，首先涂布一層6μm厚的TiCN，然后在其上再涂布一層4.8μm厚的α-Al2O3。采用常規CVD技術沉積TiCN和Al2O3層。Al2O3層的平均粒徑為1μm。
M)采用與L)相同型號和組成的燒結碳化物刀片，首先涂布一層5μm厚的TiAlN層，然后在維持真空的情況下涂布一層4.4μm厚的細晶粒γ-Al2O3層，兩層均采用脈沖磁控管濺射技術沉積。沉積溫度為600℃，工作壓力為1μbar。
在連續車削低合金的非硬化鋼(SS 2541)操作中測試L)和M)中的涂層刀片，測量刀刃的坑狀磨損。
切削數據速度 250m/min進刀 0.25mm/rev切削深度 2.0mm采用冷卻劑為測量刀刃處的坑狀磨損，周期性中斷切削操作。采用顯微鏡測量坑狀磨損。記錄Al2O3層磨穿的加工時間(即當剛好可以看見TiCN涂層時)。為定義一個有關Al2O3層的特征耐磨指數，將Al2O3層的厚度(μm)除以上述加工時間(min)。以下將結果表示成磨損指數。
L)現有技術κ-Al2O3層 0.69μm/minM)本發明 0.73μm/min令人吃驚的是上述結果表明細晶粒γ-Al2O3層的耐磨性能與CVD沉積的較粗顆粒的κ-Al2O3層的耐磨性能一樣好。
權利要求書按照條約第19條的修改1、具有一個由燒結碳化物或金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼構成的刀體的刀具，至少在刀體表面的功能區域上涂布一層厚度在0.5至20μm、優選為在1至15μm之間致密的、粘著的、堅硬的和耐磨的涂層，所述涂層的特征在于它包含一層或多層難熔化合物層，其中至少有一層厚度在0.5至15μm、優選為在1至10μm之間的涂層是通過反應性脈沖磁控管濺射技術沉積的，以時間進行平均，磁控管靶上的平均能量密度至少為10W/cm2，依涂層刀體的材料而定基體溫度為450-700℃、優選為550-650℃，所述涂層基本由晶粒非常細小的結晶γ-Al2O3相組成，晶粒小于0.1μm，對于(440)和(400)晶面來說，所述晶粒非常細小的結晶γ-Al2O3層至少在上述一個晶面有明顯的X射線衍射反射，其硬度至少為20Gpa，壓縮應力至少為1Gpa，并且不含鹵素雜質。
2、如權利要求1所述的刀具，其特征在于所述Al2O3層優選生長方向為[440]方向，該晶面結構因子大于1.5，并如下定義TC(hkl)=I(hkl)I0(hkl){1NΣI(hkl)I0(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度I0(hkl)＝源自ASTM標準粉末衍射數據的標準強度n＝用于計算的反射數目，
所用的(hkl)反射為(111)，(311)，(222)，(400)和(440)。
3、如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于所述晶粒細小的結晶γ-Al2O3層含有部分來自Al2O3多晶系γ-系列的其它氧化鋁相(XRD技術可檢測)。
4、如權利要求3所述的刀具，其特征在于所述其它氧化鋁相是θ-相。
5、如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于含有至少一層厚度在0.1至10μm、優選為在0.5至5μm之間的金屬氮化物和/或碳化物層，其中所述金屬元素選自于Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
6、如權利要求5所述的刀具，其特征在于所述涂層由TiC、TiCN、TiN或TiAlN組成。
7、如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于外部涂層為Al2O3。
8、如權利要求1至6之一所述的刀具，其特征在于外部涂層為TiN。
9、一種制造涂層刀具的方法，其中至少一層由權利要求1中所述的晶粒細小的結晶γ-Al2O3構成的難熔涂層是通過在真空下磁控管濺射到移動的基體上沉積而成的，該方法的特征在于在Ar和O2混合氣體中采用反應性脈沖磁控管濺射沉積Al2O3層，壓力為1至5μPa，脈沖頻率設為10至100kHz、優選為50kHz，以靜置基體為參照，沉積速度至少為1nm/s，以時間進行平均，磁控管靶上的平均能量密度至少為10W/cm2，依涂層刀體的材料而定基體溫度為450-700℃、優選為550-650℃。
10、如權利要求9所述的方法，其特征在于采用二個磁控管濺射沉積Al2O3層，磁控管采用Al靶，二個磁控管交替作為濺射裝置的陰極和陽極。
11、如權利要求9或10所述的方法，其特征在于還采用PVD法(物理氣相沉積法)、特別是脈沖磁控管濺射法沉積其他非Al2O3層。
12、如權利要求11所述的方法，其特征在于維持真空采用同一涂層裝置沉積所有涂層，Al2O3層和非Al2O3層。
13、如權利要求9或10所述的方法，其特征在于采用CVD法(化學氣相沉積法)沉積其他非Al2O3層。
權利要求
1.具有一個由燒結碳化物或金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼構成的刀體的刀具，至少在刀體表面的功能區域上涂布一層厚度在0.5至20μm、優選為在1至15μm之間致密的、粘著的、堅硬的和耐磨的涂層，所述涂層的特征在于它包含一層或多層難熔化合物層，其中至少有一層厚度在0.5至15μm、優選為在1至10μm之間的涂層基本由晶粒非常細小的結晶γ-Al2O3相組成，對于(440)和(400)晶面來說，所述晶粒非常細小的結晶γ-Al2O3層至少在上述一個晶面有明顯的X射線衍射反射，其硬度至少為20Gpa，壓縮應力至少為1Gpa，并且不含鹵素雜質。
2.如權利要求1所述的刀具，其特征在于所述Al2O3層優選生長方向為[440]方向，該晶面結構因子大于等于1.5，并如下定義TC(hkl)=I(hkl)I0(hkl){1NΣI(hkl)I0(hkl)}-1]]>其中I(hkl)＝(hkl)反射的測量強度I0(hkl)＝源自ASTM標準粉末衍射數據的標準強度n＝用于計算的反射數目，所用的(hkl)反射為(111)，(311)，(222)，(400)和(440)。
3.如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于所述晶粒細小的結晶γ-Al2O3層含有部分來自Al2O3多晶系γ-系列的其它氧化鋁相(XRD技術可檢測)。
4.如權利要求3所述的刀具，其特征在于所述其它氧化鋁相是θ-相。
5.如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于含有至少一層厚度在0.1至10μm、優選為在0.5至5μm之間的金屬氮化物和/或碳化物層，其中所述金屬元素選自于Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
6.如權利要求5所述的刀具，其特征在于所述涂層由TiC、TiCN、TiN或TiAlN組成。
7.如任一前述權利要求所述的刀具，其特征在于外部涂層為Al2O3。
8.如權利要求1至6之一所述的刀具，其特征在于外部涂層為TiN。
9.一種制造涂層刀具的方法，其中至少一層由權利要求1中所述的晶粒細小的結晶γ-Al2O3構成的難熔涂層是通過在真空下磁控管濺射到移動的基體上沉積而成的，該方法的特征在于在含氬氣體中通過脈沖磁控管濺射沉積Al2O3層，脈沖頻率設為10至100kHz、優選為50kHz，以靜置基體為參照，沉積速度至少為1nm/s，以時間進行平均，磁控管靶上的平均能量密度至少為10W/cm2，依涂層刀體的材料而定基體溫度為450-700℃、優選為550-650℃。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于采用二個磁控管濺射沉積Al2O3層，磁控管采用Al靶，二個磁控管交替作為濺射裝置的陰極和陽極。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特征在于還采用PVD法(物理氣相沉積法)、特別是脈沖磁控管濺射法沉積其他非Al2O3層。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于維持真空采用同一涂層裝置沉積所有涂層，Al2O3層和非Al2O3層。
13.如權利要求9或10所述的方法，其特征在于采用CVD法(化學氣相沉積法)沉積其他非Al2O3層。
全文摘要
本發明描述一種用于金屬加工的涂層刀具,涂層由一層或多層難熔化合物構成,其中至少一層是由晶粒細小的結晶γ－相氧化鋁(Al
文檔編號B23B51/00GK1278307SQ9881083
公開日2000年12月27日 申請日期1998年11月6日 優先權日1997年11月6日
發明者西格弗里德·席勒, 克勞斯·格迪克, 弗雷德·菲策克, 奧拉夫·齊維茨基, 馬茨·舍斯特蘭德, 比約恩·永貝里, 維韋卡·阿爾弗雷德松, 托馬斯·希爾丁 申請人:桑德維克公司, 應用研究協會弗勞恩霍費爾公司