一種刀片基體上的涂覆涂層的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種刀片基體上的涂覆涂層，所涂覆涂層的總厚度為5-40μm，所述涂覆涂層中至少包括采用化學氣相沉積方式沉積的一層氧化鋁層；所述氧化鋁層的厚度為1μm至15μm，具有非常明顯細柱狀晶結構，氧化鋁層中的每個晶粒都以相同的方向排列，定向均勻的生長，柱狀晶的柱具有0.2μm至4μm的相同柱寬。本發明一方面能有效降低涂層的內應力，提高涂層的韌性，阻止裂紋的擴展，減少刀片崩刃；另一方面，能提高刀具的耐磨性能。本發明的切削刀具涂層韌性優秀、耐磨性好，在鋼、鑄鐵、不銹鋼等材料的切削加工領域上具有優異的切削性能。
【專利說明】-種刀片基體上的涂覆涂層
【技術領域】
[0001] 本發明涉及包含涂覆有細柱狀晶α -A1203涂層主體的切削工具，特別是涉及一種 在刀片基體上的涂覆涂層。
【背景技術】
[0002] A1203涂層具有很高的化學穩定性和優良的熱障特性，是高速切削刀具理想的涂層 材料。此外，需要強調的是，CVD仍然是能夠經濟生產高質量的A1 203涂層的唯一技術手段。 通過CVD工藝沉積A1203涂層可以獲得二種不同的相，分別是α_Α1 203, k-A1203和γ_Α1203， 其中α-Α1 203是唯一穩定的A1203相。亞穩定的κ相和Y相將通過如沉積中的熱處理、沉 積后的熱處理以及切削加工中產生的熱量而轉化為穩定的α相。在相變時發生的體積收 縮將降低并最終破壞κ -Α1203涂層的粘附性，如美國專利US5700569。因此，考慮到涂層的 沉積效果和耐磨損性能（尤其在高速切削時），α-Α1 203相應該是最佳和最安全的選擇，如 美國專利US5137774。
[0003] 通常，刀片CVD涂層主要由碳氮化鈦內部層和α-Α1203外部層組成。最近 十幾年來，氧化鋁涂層的晶體學取向（織構）進行了大量的研究：US 20040028951、 US 20060115662、US 20060141271、US 20060199026、US 20070104945、US 6869668、US 6333103等專利公開了分別單獨獲得具有強{012}生長織構、強{110}生長織構、強{116} 生長織構、強{104}生長織構、強{006}生長織構、強{300}生長織構、強{1010}生長織構 的 α-Α1203涂層，各自涂層都表現出優異的切削性能。這些專利主要通過對氧化鋁成核和 生長順序、粘結層、反應氣體的使用順序、添加織構改性劑等措施進行織構改善，并提高了 刀片的使用壽命。這些涂層通過X射線衍射（XRD)技術和織構系數的概念確定所述織構。
[0004] 當α-Α1203涂層厚度為7μπι時，晶粒已很粗大，平均晶粒度達4μπι以上，很難 獲得穩定不易脫落的α -Α1Α厚膜涂層，而且粗大的氧化鋁經常含有孔洞和晶體缺陷。 為了獲得高質量、細顆粒的α-Α120 3涂層，通常采用多層分步沉積的方法。如：美國專利 US6713172公開的氧化鋁采用分層多次沉積的方法，層與層之間通過極薄的鈦氧化物來間 隔，可以獲得表面平均顆粒約〇. 5μπι的α-Α1203涂層。美國專利US5071696通過控制成 核條件及利用κ-Α1 203亞穩定相轉化為α_Α1203相，獲得細顆粒的氧化鋁涂層，顆粒大小 在0. 5?2 μ m之間。ZL201110024134通過氧化鋁在成核過程及生產過程控制C02與C0 之間的比例細化氧化鋁晶粒，涂層厚度為7μπι時，平均晶粒度小于Ιμπι。ZL201110439260 通過涂層過渡層有效的組合，當氧化鋁涂層厚度為d = 0. 5 μ m?4 μ m，其平均晶粒度S為 0. 2 μ m < S < 0. 5 μ m。
[0005] 但是，氧化鋁涂層在傳統的CVD氧化鋁涂層中，晶體的生長方向都是隨機的，這就 會造成涂層易產生裂紋，涂層的內應力增大，涂層的韌性不足等弊端。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種在刀片基體上的涂覆涂層，通 過對氧化鋁層的工藝改進，一方面能有效降低涂層的內應力，提高涂層的韌性，阻止裂紋的 擴展，減少刀片崩刃；另一方面，能提高刀具的耐磨性能。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0008] -種刀片基體上的涂覆涂層，所涂覆涂層的總厚度為5-40 μ m，優選為5-25 μ m， 所述涂覆涂層中至少包括采用化學氣相沉積方式沉積的一層氧化鋁層；所述氧化鋁層的厚 度為1 μ m至15 μ m，具有非常明顯細柱狀晶結構，氧化鋁層中的每個晶粒都以相同的方向 排列，定向均勻的生長，柱狀晶的柱具有〇. 2μπ?至4μπ?的相同柱寬。
[0009] 所述氧化鋁層的晶粒非常均勻，柱狀晶的柱具有0. 7 μ m至1. 5 μ m的相同柱寬。
[0010] 所述氧化鋁層包括氧化鋁成核層，所述氧化鋁成核層是沉積在過渡層上，所述過 渡層包括TiAICNO層和TiCO層；所述TiAICNO層厚度為0. 1-3 μ m，所述TiCO層的厚度為 0· 1 ?0· 5 μ m〇
[0011] 所述TiAICNO層中各元素百分含量進行梯度的變化，其中A1元素、0元素的百分 含量進行梯度遞增變化，Ti元素、C元素、N元素的百分含量進行梯度遞減變化。
[0012] 所述TiAICNO層上生長受控氧含量的TiCO層，在沉積TiCO層過程中，控制C02/C0 氣體流量比在〇. 2彡（C02/C0)彡5。
[0013] 所述的沉積TiCO層過程中，控制C02/C0氣體流量比在0. 4彡（C02/C0)彡0. 8。
[0014] 所述氧化鋁層生長在所述TiCO層上方，沉積氧化鋁層過程包括沉積氧化鋁成核 層過程和沉積氧化鋁涂層過程；所述氧化鋁成核層的厚度為0. 1?0. 8 μ m ;所述氧化鋁涂 層的厚度為2?15 μ m。
[0015] 在沉積氧化鋁成核層過程中，反應氣體包含體積1%?5%的C02、2%?10%的 A1C13、1%?15%的HC1以及其余為H2的氣體混合物；溫度在900?1020°C;壓力為50? 200mbar。
[0016] 在沉積氧化鋁涂層過程中，反應氣體包含體積2%?10 %的A1C13、0. 1?10 %的 C0、1?10%的C02、0?15%的HC1，0. 01 %?1 %的H2S以及其余為H2的氣體混合物；溫度 在 9〇0 ?l〇2〇°C ;壓力 5〇 ?2〇Ombar。
[0017] 所述的涂覆涂層與TiN層、MT-TiCN層、MT-ZrCN層結合，配合基體可以定制各種不 同用途的涂層刀片。
[0018] 所述的刀片基體包含硬質合金，優選為具有結合相富集表面區域的硬質合金，CBN 或CBN燒結合金。
[0019] 本發明氧化鋁柱狀晶涂層生長在過渡層上，該過渡層包含TiAICNO層和沉積TiCO 層。在沉積粘結相AlTiCNO層過程中，是在反應室內通入體積0. 2%?10%的TiCl4、 0· 2%?8% 的 A1C13,0. 2 ?3% 的 C0、0. 3%?5% 的 C02、0. 2%?7% 的 CH4、0 ?15%的隊 以及其余為H2的氣體混合物，在900?1020°C溫度下，并且在50?200mbar的壓強下，沉 積粘結相AlTiCNO層；在沉積TiCO層過程中，是在反應室內通入體積2%?6%的TiCl 4、 1%?3%的C0、0. 2%?9%的C02、0. 2%?7%的CH4、0?15%的N2以及其余為H2的氣 體混合物中，在900?1020°C溫度下，并且在50?200mbar的壓強下，沉積TiCO層；其中， TiCO層是沉積在粘結相AlTiCNO層表面上；所述氧化鋁成核層是沉積在TiCO層表面上； TiAICNO層厚度約為0. 1-1. 5 μ m，通過對涂層工藝進行優化，控制該過渡層各元素百分含 量進行梯度的變化，其中A1、0元素的百分含量進行梯度遞增變化變化，Ti、C、N等元素的 百分含量進行梯度遞減變化。在該層上生長受控氧含量的TiCO層，通過調節優化層co2與 C0之間的比例來控制氧化氣氛，為氧化鋁柱狀晶提供了必要條件，所述co2/co氣體流量比 在 0· 2 彡（C02/C0)彡 5、優選 0· 4 彡（C02/C0)彡 0· 8。
[0020] 本發明在氧化鋁成長過程中，采用C02\C0氣體有效的控制氧化鋁涂層形貌，沿 著同一方向定向的成長，并形成獨有的柱狀晶結構，C0 2/C0氣體流量比在0. 1 < (C02/ C0) < 20、優選2 < (C02/C0) < 6,進行連續地或階梯式地循環變化。
[0021] 與現有技術相比較，本發明的有益效果是：
[0022] 本發明技術的氧化鋁涂層晶體形成非常明顯的柱狀晶。氧化鋁涂層的每個晶體都 以相同的方向排列，定向均勻的生長。均勻的結構可使涂層具有可控的優化性能，晶體定向 排列的α -A1203柱狀晶涂層將會裂紋較少，能有效降低涂層的內應力，提高涂層的韌性，阻 止裂紋的擴展，減少刀片崩刃。同時氧化鋁柱狀晶晶粒比較細，耐磨性能得到了有效的保 證。在切削時即使受到反復的機械沖擊及熱沖擊，涂層也不容易產生剝離或破壞，從而改善 了刀具在連續切削條件下的抗崩刃性能，這對加工不銹鋼，合金鋼，球墨鑄鐵等十分有利。
[0023] 通過本發明最優化的條件限定α -A1203生長形貌，使氧化鋁涂層生長成均勻的柱 狀晶結構，并沿著同一方向定向的生長，能大幅度提高了氧化鋁涂層的耐磨損性和抗崩刃 性能。
[0024] 以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種刀片基體上 的涂覆涂層不局限于實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明柱狀晶α -A1203涂層的表面電鏡照片；
[0026] 圖2為本發明柱狀晶α -A1203涂層的斷面電鏡照片；
[0027] 圖3為現有技術α -A1203涂層的表面電鏡照片；
[0028] 圖4為現有技術α_Α1203涂層的斷面電鏡照片。
【具體實施方式】
[0029] 實施例
[0030] 本發明的一種刀片基體上的涂覆涂層，所涂覆涂層的總厚度為5-40 μ m，優選為 5-25 μ m，所述涂覆涂層中至少包括采用化學氣相沉積方式沉積的一層氧化鋁層；所述氧化 鋁層的厚度為1 μ m至15 μ m，具有非常明顯細柱狀晶結構，氧化鋁層中的每個晶粒都以相 同的方向排列，定向均勻的生長，柱狀晶的柱具有〇. 2μπι至4μπι的相同柱寬。
[0031] 所述氧化鋁層的晶粒非常均勻，柱狀晶的柱具有0. 7μπι至1. 5μπι的相同柱寬。
[0032] 所述氧化鋁層包括氧化鋁成核層，所述氧化鋁成核層是沉積在過渡層上，所述過 渡層包括TiAICNO層和TiCO層；所述TiAICNO層厚度為0. 1-3 μ m，所述TiCO層的厚度為 0· 1 ?0· 5 μ m〇
[0033] 所述TiAICNO層中各元素百分含量進行梯度的變化，其中A1元素、0元素的百分 含量進行梯度遞增變化，Ti元素、C元素、N元素的百分含量進行梯度遞減變化。
[0034] 所述TiAICNO層上生長受控氧含量的TiCO層，在沉積TiCO層過程中，控制C02/C0 氣體流量比在〇. 2彡（C02/C0)彡5。
[0035] 所述的沉積TiCO層過程中，控制C02/C0氣體流量比在0. 4彡（C02/C0)彡0. 8。
[0036] 所述氧化鋁層生長在所述TiCO層上方，沉積氧化鋁層過程包括沉積氧化鋁成核 層過程和沉積氧化鋁涂層過程；所述氧化鋁成核層的厚度為〇. 1?〇. 8 μ m ;所述氧化鋁涂 層的厚度為2?15 μ m。
[0037] 在沉積氧化鋁成核層過程中，反應氣體包含體積1 %?5%的C02、2%?10%的 A1C13、1%?15%的HC1以及其余為H2的氣體混合物；溫度在900?1020°C;壓力為50? 200mbar。
[0038] 在沉積氧化鋁涂層過程中，反應氣體包含體積2%?10 %的A1C13、0. 1?10 %的 CO、1?10%的C02、0?15%的HC1，0. 01 %?1 %的H2S以及其余為H2的氣體混合物；溫度 在 9〇0 ?l〇2〇°C ;壓力 5〇 ?2〇Ombar。
[0039] 所述的涂覆涂層與TiN層、MT-TiCN層、MT-ZrCN層結合，配合基體可以定制各種不 同用途的涂層刀片。
[0040] 所述的刀片基體包含硬質合金，優選為具有結合相富集表面區域的硬質合金，CBN 或CBN燒結合金。
[0041] 本發明氧化鋁柱狀晶涂層生長在過渡層上，該過渡層包含TiAICNO層和沉積TiCO 層。在沉積粘結相AlTiCNO層過程中，是在反應室內通入體積0. 2%?10%的TiCl4、 0· 2%?8% 的 A1C13,0. 2 ?3% 的 C0、0. 3%?5% 的 C02、0. 2%?7% 的 CH4、0 ?15%的隊 以及其余為H2的氣體混合物，在900?1020°C溫度下，并且在50?200mbar的壓強下，沉 積粘結相AlTiCNO層；在沉積TiCO層過程中，是在反應室內通入體積2%?6%的TiCl 4、 1%?3%的C0、0. 2%?9%的C02、0. 2%?7%的CH4、0?15%的N2以及其余為H2的氣 體混合物中，在900?1020°C溫度下，并且在50?200mbar的壓強下，沉積TiCO層；其中， TiCO層是沉積在粘結相AlTiCNO層表面上；所述氧化鋁成核層是沉積在TiCO層表面上； TiAICNO層厚度約為0. 1-1. 5 μ m，通過對涂層工藝進行優化，控制該過渡層各元素百分含 量進行梯度的變化，其中A1、0元素的百分含量進行梯度遞增變化變化，Ti、C、N等元素的 百分含量進行梯度遞減變化。在該層上生長受控氧含量的TiCO層，通過調節優化層C0 2與 C0之間的比例來控制氧化氣氛，為氧化鋁柱狀晶提供了必要條件，所述C02/C0氣體流量比 在 0· 2 彡（C02/C0)彡 5、優選 0· 4 彡（C02/C0)彡 0· 8。
[0042] 本發明在氧化鋁成長過程中，采用C02\C0氣體有效的控制氧化鋁涂層形貌，沿 著同一方向定向的成長，并形成獨有的柱狀晶結構，C0 2/C0氣體流量比在0. 1 < (C02/ C0) < 20、優選2 < (C02/C0) < 6,進行連續地或階梯式地循環變化。
[0043] 以下通過具體的實例及實驗比較，來說明本發明的抗沖擊性和耐磨性。
[0044] 在保持晶粒尺寸的同時大幅提高α-Α1203涂層柱狀晶結構的形貌，在鋼材和鑄 鐵中比現有技術α_Α1 203涂層在耐磨性方面和韌性上得到明顯的提高。根據本發明的涂 層與TiN、MT-TiCN涂層結合可以定制各種不同用途的刀具涂層。采用現代CVD反應器在 850-1050°C以受控的方式進行該工藝。
[0045] 具體實例：組分為8% (質量百分比）Co,4% 〇^、吣)(：、1%1^1余量為1(：的硬 質合金切削刀片，其表面涂覆有TiN層、MT-TiCN層，α -A1203層，厚度分別為0. 5?1 μ m、 7-9 μ m、6-8 μ m。過渡層及氧化鋁層即涂層a詳細的工藝參數如表1所示。
[0046] 表 1
【權利要求】
1. 一種刀片基體上的涂覆涂層，所涂覆涂層的總厚度為5-40 μ m，所述涂覆涂層中至 少包括采用化學氣相沉積方式沉積的一層氧化鋁層；其特征在于：所述氧化鋁層的厚度為 1 μ m至15μπι，具有非常明顯細柱狀晶結構，氧化鋁層中的每個晶粒都以相同的方向排列， 定向均勻的生長，柱狀晶的柱具有0. 2μπ?至4μπ?的相同柱寬。
2. 根據權利要求1所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述氧化鋁層的晶粒 非常均勻，柱狀晶的柱具有〇. 7 μ m至1. 5 μ m的相同柱寬。
3. 根據權利要求1或2所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述氧化鋁層 包括氧化鋁成核層，所述氧化鋁成核層是沉積在過渡層上，所述過渡層包括TiAICNO層和 TiCO層；所述TiAICNO層厚度為0. 1-3 μ m，所述TiCO層的厚度為0. 1?0. 5 μ m。
4. 根據權利要求3所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述TiAICNO層中各 元素百分含量進行梯度的變化，其中A1元素、0元素的百分含量進行梯度遞增變化，Ti元 素、C元素、N元素的百分含量進行梯度遞減變化。
5. 根據權利要求3所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述TiAICNO層上生 長受控氧含量的TiCO層，在沉積TiCO層過程中，控制C0 2/C0氣體流量比在0. 2 < (C02/ CO) < 5。
6. 根據權利要求5所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述的沉積TiCO層過 程中，控制C02/C0氣體流量比在0. 4彡（C02/C0)彡0. 8。
7. 根據權利要求5或6所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述氧化鋁層生 長在所述TiCO層上方，沉積氧化鋁層過程包括沉積氧化鋁成核層過程和沉積氧化鋁涂層 過程；所述氧化鋁成核層的厚度為〇. 1?〇. 8 μ m ;所述氧化鋁涂層的厚度為2?15 μ m。
8. 根據權利要求7所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：在沉積氧化鋁成核層 過程中，反應氣體包含體積1%?5%的C02、2%?10%的A1C1 3、1%?15%的HC1以及其 余為H2的氣體混合物；溫度在900?1020°C ;壓力為50?200mbar。
9. 根據權利要求7所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：在沉積氧化鋁涂層過 程中，反應氣體包含體積2%?10%的A1C1 3、0. 1?10%的C0、1?10%的C02、0?15% 的HC1，0. 01%?1%的H2S以及其余為H2的氣體混合物；溫度在900?1020°C;壓力50? 200mbar。
10. 根據權利要求1或2所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述的涂覆涂層 與TiN層、MT-TiCN層、MT-ZrCN層結合，配合基體可以定制各種不同用途的涂層刀片。
11. 根據權利要求1或2所述的刀片基體上的涂覆涂層，其特征在于：所述的刀片基體 包含硬質合金，優選為具有結合相富集表面區域的硬質合金，CBN或CBN燒結合金。
【文檔編號】C23C16/40GK104085142SQ201410230890
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】陳藝聰, 鄭清平, 劉洋, 盧志紅, 張守全 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司