專利名稱：在硬質合金切削工具上固定的氧化物涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及切削工具領域，尤其是涉及用于切削、銑、鉆孔和其它用途如鉆車、套孔、車螺紋以及開槽的陶瓷涂覆過的硬質合金刀具插件的涂層。
背景技術：
涂層能改進切削工具的性能尤其是在碳化物或硬質合金切削工具上的陶瓷或氧化物涂層。自從碳化物切削工具插件已涂有例如氧化鋁(Al2O3)陶瓷以來，一直在繼續努力改進涂層與基體的粘合力。當開始將氧化鋁涂層直接施加到碳化物或硬質合金型基體上時，氧化鋁中的氧就會與基體發生反應而降低粘合力。
已知通過涂覆耐磨性的碳化物層可以改進由燒結硬質合金基體(用粘合劑金屬粘結的金屬碳化物)制成的工具插件的性能。見UK專利1,291,387和1,291,388，這些專利公開了涂覆具有改進粘合力的碳化物涂層的方法；尤其是，控制沉積該碳化物時所用氣體的組份以使之能在與耐磨性碳化物介面上的燒結硬質金屬中形成脫碳區。然而，被稱作η層的脫碳區會導致最終引起破裂的硬化和脆化。還已知，可在燒結金屬的基體上涂覆陶瓷或氧化物耐磨涂層(通常為氧化鋁)。然而，正如早已闡述過的，直接涂于燒結金屬體上的氧化物層會毀壞燒結金屬的組織和結合能力。有許多專利都曾公開過使用碳化物、碳氮化物和/或氮化物的中間層。見US專利4,399,168和4,619,866。中間的碳化鈦(TiC)層可改進韌性但仍有η層存在，結果限制了涂覆過的切削刀具插件在精加工中的使用。在TiC層之前先涂上氮化鈦(TiN)層雖能消除η層但韌性仍然低于要求值。見US專利4,497,874。已提出用碳氮化鈦(TiCN)中間層代替TiC中間層。見US專利4,619,866和4,399,168。還提出了在硬質合金基體和外面氧化物磨損層中間有一個由鉭、鈮和釩中的至少一種的碳化物或碳氧化物組成的薄表面氧化粘結層。見U.S專利4,490,191。
當用于提高涂層與膠合的碳化物基體的粘合力時，陶瓷涂層(Al2O3)對TiC和許多TiCN中間涂層并不能很好地粘合。由于熱膨脹的不同，存在著分層的傾向。由熱膨脹不同引起的應力，各涂層會完成得不一致。這些中間涂層的主要特征在于如
圖1所示介于中間涂層和氧化物層的直線界面。這一點將會導致弱粘接。通過使基體粗糙而稍稍提高粘合力，但是因粗糙產生的突出部分對于均勻性地完成來說其距離過大。
根據本發明，在硬質金切削工具上提供一種陶瓷涂層以提高耐磨性以及粘合強度。
發明概述簡單地說，根據本發明，可以提供一種包括至少具有兩種耐磨涂層的硬質合金基體的切削工具插件。涂層之一是陶瓷涂層。陶瓷涂層下面的中間涂層是由氮碳原子比介于約0.7和約0.95的碳氮化物組成，借此碳氮化物涂層形成聯鎖陶瓷涂層的釘齒，因此改善了陶瓷涂層的粘合力和疲勞強度。優選的是，碳氮化物中的氮碳原子比按X-射線衍射法測定是在約0.75-0.95之間。
按照本發明的一個實施方案，硬質合金切削工具插件在硬質合金基體和氧化鋁表面涂層之間具有兩層中間涂層。靠近基體的涂層是1-4微米的氮化鈦層。氮化鈦層上面的涂層是2-4微米厚的碳氮化鈦層和氧化鋁涂層為1-10微米。
按最佳實施方案，切削工具插件的硬質合金基體具有如下的四種涂層2微米氮化鈦內涂層，3微米碳氮化鈦中間涂層，6微米氧化鋁中間涂層，和2微米的Ti(C，N)，即TiC、TiN、TiCxNy外涂層。
對于用在碳氮化物涂層中來說鈦并非是唯一的合適金屬。除了鈦以外，所述金屬還可包括鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢。
按照本發明，切削工具插件基體代表性地含有來自鐵族的3％-30％的粘合劑金屬，包括除鐵以外的鎳和鈷及其混合物以及介于70％-97％選自碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鋯和碳化鉿中的一種碳化物。除了碳化物以外，切削工具插件基體還可以包含氮化物。
按照最佳實施方案，切削工具插件基體具有粘合劑相富集的表面層，也就是說，表面層富集有高百分比的鈷或其它粘合劑金屬。
簡短地說，根據本發明，可提供一種制造具有耐磨涂層的涂覆切削工具插件的方法，該方法包括的步驟有，通過調節用于所述涂層的化學氣相淀積的反應物，沉積具有氮碳原子比在約0.7-約0.95之間的金屬碳氮化物涂層，和直接在所述碳氮化物涂層上面沉積一陶瓷涂層，因而使所述碳氮化物的涂層和陶瓷涂層具有聯鎖的顯微釘齒。
附圖的簡要說明本發明的另外特征和其它目的以及優點在參照附圖，根據下面詳細的描述將會變得更清楚，在附圖中圖1是具有現有技術的氧化物涂層和中間涂層的硬質合金切削工具插件的精加工部分的顯微照片；和圖2-4是本發明的具有中間涂層和氧化物涂層的硬質合金切削工具插件的精加工部分的顯微照片。
最佳實施方案的描述根據本發明，具有陶瓷或氧化物耐磨涂層的硬質合金切削工具具有新型的加強中間涂層。硬質合金基體具有涂有碳氮化鈦涂層的薄金屬氮化物涂層。耐磨陶瓷涂層涂覆在金屬碳氮化物涂層上。使提供的金屬碳氮化物中間層具有導致氧化物涂層的優越粘合力的氮碳原子比，這由于氧化物涂層和金屬碳氮化物涂層間所形成的聯鎖釘齒。
設計出一種試驗用來定量評價陶瓷涂覆的硬質合金切削工具插件的性能。該試驗是在立式車床上完成。壞料是一種具有直徑大于約4英寸的圓柱形棒材。該棒材具有4個軸向槽，其寬度為3/4英寸而沿棒材長度的深度為1.5英寸。該棒材是具有25-30HRC硬度的普通碳鋼AISI-SAE 1045。待試驗的刀具用于減小坯料的直徑如下
很明顯坯料每轉一周，切削工具插件沖擊槽的邊緣四次。刀具的插件一直在運行直到觀察到其擊穿整個涂層或另外的損壞。采用下列描述的試驗觀察損壞的地方并且該損壞是較強烈磨損和切削損壞型前兆的磨損類型。
在下面的實施例中，通過使用X-射線衍射方法測量碳氮化鈦中間層或涂層中的氮碳原子比以先檢測碳氮化物層的點陣間距，然后計算氮與碳的原子比或以氮與碳為基礎的氮的原子百分比。已知碳化鈦的點陣間距是1.53埃而氮化鈦的點陣間距是1.5埃。范圍或差距是0.03埃。這樣，發現了具有1.5073埃點陣間距的碳氮化鈦層對于氮化鈦和碳化鈦來說其間距為0.0227埃。因此，碳氮化物層中的氮與碳原子比是用0.03除以0.0227或基于總碳和氮量為75.7％的氮。
實施例1對比例將K20材料(K20是一種按ISO標準ISO 5131991(E)表示的用于機加工的硬質切削材料類型的牌號，所述標準是按適合于硬質合金切削材料使用的材料和加工條件的分類)的碳化鎢基基體(94％的碳化鎢，6％鈷)在BernexProgrammat 250涂覆爐中按眾所周知的程序加以涂覆。使用已知為化學氣相淀積法(CVD)的涂覆法，其中使氣體和液體(轉化為氣體)在800°-1100℃和50-900毫巴的低壓下在待涂覆的基體上通過。用于涂覆硬質合金基體的反應如下TiN的CVD-使用H2+N2+四氯化鈦(TiCl4)TiCN的CVD-使用H2+N2+TiCl4+乙腈(CH3CN)或CH4Al2O3的CVD-使用H2+HCl+氯化鋁(AlCl3)+CO2+H2S用于涂覆氮化鈦層、碳氮化鈦層和氧化物層的主要涂覆時間和氣氛列于下面表I、II和III中。將氣體反應物、AlCl3反應器的產物以及液體反應物引入爐中。
表I
表II
表III
碳氮化鈦層的X-射線分析證實了1.516埃的點陣間距，根據上述的分析，表明碳氮化物層中的氮碳原子比為14∶30或以總碳和氮計，氮含量為46.7％。將按本例涂覆過的切削工具進行上述機加工試驗。僅只14.5秒鐘后，就發現了磨損。
圖1是表示基體上面的一層或多層涂層的精加工部分的顯微照片。注意碳氮化鈦和氧化物層之間的界面幾乎是一直線，也就是說，不存在聯鎖的釘齒。
實施例II根據本發明，在碳化鎢基的基體上在如上所述的涂覆爐中按表IV、V和VI所述的涂覆時間和氣氛制備涂層。
表IV
表V
表VI
表IV、V和VI除了表明操作時間，反應壓力和溫度外，還表明氣體反應物、三氯化鋁發生器反應物和液體反應物的速率。引入三氯化鋁發生器的氣體反應物流過能產生定量流入涂覆爐內的三氯化鋁的鋁金屬屑。
碳氮化鈦層的X-射線分析證實了1.5073埃的點陣間距，根據上述的分析，表明碳氮化物層中氮與碳之比為23∶30或以總碳和氮為基礎的氮含量為75.7％。
使已涂覆過的切削工具插件進行上述機加工試驗。切削試驗表明180秒時無損壞。圖2表明基體上的涂層精加工部分的顯微照片。該顯微照片說明穿透氧化層并將其固定在位的碳氮化鈦層的釘齒或鉸鍵。
實施例III實施例III按實施例II同樣進行制備，只是在碳氮化物層的沉積過程中涂覆爐中氮量低些。發現碳氮化鈦層的點陣間距為1.509，該值表示氮碳原子比為21∶30或氮含量為70％。
在機加工試驗中，僅在5英寸的切削長度后(估計為40-50秒)就顯示損壞。示于圖3中實施例II的氧化物和碳氮化鈦層之間的鉸鍵的顯微結構雖存在但非常小。
實施例IV實施例IV按實施例II同樣進行制備，只是提高了氮的流速。碳氮化鈦層的點陣間距為1.503埃，這表示氮碳原子比為27∶30或90％的氮。在機加工試驗中切削工具插件在120秒鐘后沒有損壞。實施例IV的顯微結構示于圖4中且表明在碳氮化物層和氧化物層間延伸明顯的釘齒或鉸鍵。
實施例V在下列實施例中，使按本發明涂覆的切削工具插件在下列切削條件下進行機加工試驗。坯料是3000灰鑄鐵200BHN。使用試驗的刀具以按下減少坯料直徑
根據本發明，兩種鋼插件，每個刃口切削108個工件。進行對比，C-5氧化鋁涂覆的刀具插件每個刃口切削50個工件。按照本發明，刀具插件改進100％。
實施例VI在下面實施例中，機加工試驗的坯料是ARMA鋼250BHN。加工條件如下
根據本發明，使用刀具插件，每個刃口切削170個工件。進行比較，用C-5氧化鋁涂覆的刀具插件，每個刃口可切削85件。按照本發明的刀具插件改進是100％。
按專利法要求已對我們的發明細節和特點進行了說明，要求專利證書保護的內容陳述在下面權利要求書中。
權利要求
1.一種包含硬質合金基體的切削工具插件，具有至少兩種耐磨性涂層，包括外陶瓷涂層和該陶瓷涂層下的氮碳原子比介于0.7-0.95的金屬碳氮化物的涂層，它能使金屬碳氮化物形成伸入陶瓷涂層的突出部分，因而改進陶瓷涂層的粘合力和疲勞強度。
2.按權利要求1所述的切削工具插件，其中，金屬碳氮化物，基于金屬碳氮化物層的氮和碳總含量具有70％-90％的氮含量。
3.按權利要求1所述的切削工具插件，其中，金屬碳氮化物按X-射線衍射測定具有介于0.75和0.95的氮與碳的原子比。
4.按權利要求1所述的切削工具插件，具有1-4微米厚的氮化鈦涂層，2-4微米厚的碳氮化鈦涂層，和1-10微米厚的氧化鋁涂層。
5.按權利要求3所述的切削工具插件，具有2微米厚的氮化鈦涂層，3微米厚的碳氮化鈦涂層和具有Ti(C，N)2微米厚外涂層的6微米厚的氧化鋁涂層。
6.按權利要求1所述的切削工具插件，其中，金屬碳氮化物層中的金屬選自元素周期表中IVB、VB和VIB族中的一種。
7.按權利要求6所述的切削工具插件，還包含一個由來自鐵分族3％-30％的粘合劑金屬和選自碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鋯和碳化鉿的70％-約97％的碳化物所組成的基體。
8.按權利要求7所述的切削工具插件，其中，在基體中氮化物替代部分碳化物。
9.按權利要求6所述的切削工具插件，其中基體表面層富集粘合劑金屬。
10.制造切削工具插件的方法，該方法包括的步驟有涂覆氯化鈦涂層、金屬碳氮化物涂層和陶瓷涂層，所有這些涂層都是用化學氣相淀積法，其中在碳氮化物層的化學氣相淀積過程中要控制反應物以便使氮碳原子之比介于0.75-0.95，并其中，在其上沉積陶瓷涂層以便使碳氮化物層具有伸入陶瓷層而提高涂層粘合力的釘齒。
全文摘要
一種切削工具插件,包括具有至少兩種耐磨涂層的硬質合金的基體,所述耐磨涂層包括外陶瓷涂層和該陶瓷涂層下面的具有氮碳原子比介于0.7和0.95的金屬碳氮化物涂層,該涂層能使金屬碳氮化物形成伸入陶瓷涂層的突出部分以改進陶瓷涂層的粘合力和疲勞強度。
文檔編號C23C16/34GK1202845SQ96198584
公開日1998年12月23日 申請日期1996年10月23日 優先權日1995年10月27日
發明者羅伊·V·萊弗雷茲, 約翰·博斯特 申請人:泰里迪尼工業公司