專利名稱：用于加工鑄鐵的改進(jìn)的硬質(zhì)合金體的制作方法
在US 5137774中揭示了用α-Al2O3作為硬質(zhì)合金鑲嵌件上的涂層，在車削鑄鐵時(shí)與κ-Al2O3相比性能有所改進(jìn)。此外，在US 5635247和5700569和US申請(qǐng)序號(hào)08/962683(代理人案卷號(hào)024444-370)中，描述了多種涂覆氧化鋁的硬質(zhì)合金鑲嵌件，其中氧化鋁沉積在Ti(C，N)層或多層上。但是在本發(fā)明人所做的試驗(yàn)中，注意到當(dāng)用鑲嵌件車削鑄鐵時(shí)，α-Al2O3層與下面的TiCN層的粘附以及TiCN層與硬質(zhì)合金基體的粘附經(jīng)常不能令人滿意。由于刃口碎屑導(dǎo)致磨損加速使涂層失敗。
從這些試驗(yàn)中，本發(fā)明人已經(jīng)確定出刃口碎屑的主要原因?yàn)榛w-涂層間的粘附以及TiCN和α-Al2O3之間的粘附脆弱。
Vuorinen等人在“TiC/硬質(zhì)合金界面的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶的TEM研究”(硬質(zhì)材料科學(xué)，1983，433-447頁)中，對(duì)有6μm厚CVD沉積的TiC層的TiC-硬質(zhì)合金界面作了研究。用透射式電子顯微鏡(TEM)發(fā)現(xiàn)TiC層由兩個(gè)區(qū)域組成?？拷w、延伸厚度為1.5-2μm的是一層微細(xì)的等軸TiC晶粒層。其上是一層較大晶粒(典型地為2-4μm)的TiC層。
在“固體薄膜”，232(1993)，73-82頁登載的Vuorinen等人的另一項(xiàng)研究，題目為“硬質(zhì)合金上化學(xué)蒸汽沉積的碳化鈦的界面特征”中，TiC涂層在非滲碳條件下CVD-沉積在硬質(zhì)合金基體上。在沒有η-碳化物的情況下，發(fā)現(xiàn)TiC成核并在{0001}-和{1010}-WC面上外延生長(zhǎng)。
由于用具有α-Al2O3外層的帶涂層硬質(zhì)合金鑲嵌件進(jìn)行鑄鐵的車削加工時(shí)性能提高，有關(guān)鑲嵌件的可接受性的研究還在繼續(xù)。
本發(fā)明的目的是避免或減輕現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種改進(jìn)的帶涂層硬質(zhì)合金鑲嵌件，它有氧化鋁涂層，具有可接受的壽命，用于切削鑄鐵。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種帶涂層的硬質(zhì)合金體，包括硬質(zhì)合金基體、多層Ti(C，N)中間層和Al2O3外層，其中Ti(C，N)中間層包括第一柱狀晶粒Ti(C，N)內(nèi)層和第二等軸晶粒Ti(C，N)外層。
本發(fā)明的另一方面是一種帶涂層的硬質(zhì)合金體，包括其上順序排列有一系列涂層的硬質(zhì)合金基體，所述涂層從基體開始順序?yàn)?a)選自TiC、TiN和Ti(C，N)的、最厚為1μm的粘合層；(b)多層TiCN層，包括第一柱狀晶粒Ti(C，N)內(nèi)層，晶粒的寬度(W)為涂層厚度的0.1-0.15倍，長(zhǎng)度(L)為涂層厚度的0.5-0.8倍，和第二等軸晶粒外層，晶粒大小為0.2-1.0μm，Ti(C，N)層的總厚度在用于銑削加工時(shí)為3-5μm，在用于車削時(shí)為5-10μm；(c)厚度為約0.5-3μm的(TiAl)(CO)層；(d)厚度為約4-10μm的α-Al2O3層；和(e)厚度為約1μm或更薄的TiN外層。


圖1是本發(fā)明帶涂層的硬質(zhì)合金鑲嵌件的一個(gè)角的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明涂層的TEM顯微圖。
圖3A和3B是現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的鑲嵌件在車削試驗(yàn)后切削刃口的放大40倍的SEM顯微圖(二次電子成像)。
圖4A和4B是現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的鑲嵌件在銑削試驗(yàn)后切削刃口的放大29倍的SEM顯微圖。
硬質(zhì)合金中主要的相是WC和富Co的粘合劑相。可以選擇性地加入第三相—立方體過渡金屬碳化物相(Ti，Ta，Nb，W，C)，通常稱之為γ相，以便改進(jìn)直接WC-Co合金的耐磨性。在許多工業(yè)用硬質(zhì)合金中WC是主要的成分。WC具有簡(jiǎn)單的六角晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元兩個(gè)原子W在(0，0，0)，C在(2/3，1/3，1/2)。
作為液相燒結(jié)的結(jié)果，WC的基本平衡形式為由三個(gè){1010}和兩個(gè){1000}面限制的三角形晶粒。于是基體-涂層的界面由以下界面組成涂層-WC涂層-Co涂層-γ(當(dāng)有的時(shí)候)涂層-η(當(dāng)形成的時(shí)候)內(nèi)部TEM觀察顯示出TiCN和TiN涂層在WC晶粒界面上外延生長(zhǎng)，正如也可以使用的TiC一樣。如此形成的外延生長(zhǎng)的涂層-WC之間的界面成為主要的，對(duì)第一涂層與硬質(zhì)合金基體的良好粘附起作用。當(dāng)涂覆操作之前對(duì)基體進(jìn)行了化學(xué)清洗時(shí)尤其是這樣。但由于η相反應(yīng)可逆，如下所述，這一情形較為復(fù)雜。
相對(duì)于合金的C含量來說，WC-Co硬質(zhì)合金的兩相區(qū)(或WC-Co-γ的三相區(qū))非常窄，C-含量的微小變化會(huì)導(dǎo)致形成三相區(qū)合金(或WC-Co-γ四相區(qū)合金)，C含量降低時(shí)形成η-碳化物。參見，例如，上述“固體薄膜”文獻(xiàn)第74頁圖1。當(dāng)用常規(guī)CVD技術(shù)施加Ti(C和/或N)涂層時(shí)，形成TiC和/或TiCN或TiN(低壓下)的碳部分得自于基體，從而使基體脫碳。于是基體的外部轉(zhuǎn)變成η-相的M12C型。至少是在帶涂層鑲嵌件的刃口經(jīng)常形成此η-相(即使是非常薄的)(在脫碳程度最高時(shí)表面-體積比最高)。
要強(qiáng)調(diào)的是此η-相反應(yīng)是可逆的，特別在比較薄和涂覆在碳含量較高的基體上的時(shí)候。在退火過程中，此η-相將轉(zhuǎn)變回富Co合金和WC。由上可知，這一情況在切削的刃口非常顯著。
對(duì)于鑄鐵來說，4-6μm的較厚的α-Al2O3層是優(yōu)選使用的。氧化鋁層施加在TiCN層上面。在氧化鋁層沉積的過程中，基體-TiCN界面經(jīng)受長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)的熱處理。在氧化鋁層沉積的過程中，在基體-涂層界面上將發(fā)生可逆的η-碳化物反應(yīng)，使TiCN層和硬質(zhì)合金基體之間形成一層富Co層。當(dāng)η-相的形成被限于靠近基體表面的區(qū)域時(shí)尤其是這樣，如同采用現(xiàn)代CVD法的情況。結(jié)果，外延的TiCN-WC界面將被涂層-Co界面代替，使得粘附程度下降。
為了避免這一情況，第一TiCN層必須在基體不脫碳的情況下沉積。這一涂層是用CH3CN和CH4氣作為前體沉積的。結(jié)果形成具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的涂層。柱狀晶粒的寬度為涂層厚度的0.1-0.5倍(就是說，一般寬度為0.3-1.5μm)，長(zhǎng)度接近涂層的厚度，優(yōu)選為涂層厚度的0.5-0.8倍(就是說，一般長(zhǎng)度為1.5-8.0μm)。為了使外延界面量最佳并確保在界面處有良好的粘附，操作應(yīng)開始于不用CH3CN沉積第一層TiCN、TiC或TiN層，過程要非常短，形成厚度最大為1μm，優(yōu)選最厚約0.5μm的層。鎢將擴(kuò)散到此界面層。這一內(nèi)部擴(kuò)散降低了涂層-WC界面的不適合，對(duì)良好粘附來說是重要的。
但即使在加粘合層的情況下，所得的柱狀TiCN層與氧化鋁層的粘附也不理想。為了改進(jìn)粘附狀況，在柱狀TiCN晶粒涂層的上面加上一層由等軸晶粒組成的CVD TiCN層。等軸晶粒的粒徑為0.2-1.0μm，優(yōu)選0.3-0.5μm。在此等軸晶粒層上面可以成功地加上一層粘合層使粘結(jié)情況明顯改進(jìn)。整個(gè)TiCN層由柱狀和等軸晶粒的TiCN層組成，如圖2的TEM顯微圖清楚示意。
粘合層是含有Al的Ti(CO)立方體層。重要的是控制該粘合層使粘合層-氧化鋁界面處獲得晶須狀的形態(tài)。此層的正確化學(xué)和微觀構(gòu)造是通過調(diào)節(jié)前體的TiCl4和AlCl3的量來控制的。在正確的比例下，晶須生長(zhǎng)，粘合層中可發(fā)現(xiàn)多達(dá)10％的Al。
硬質(zhì)合金鑲嵌件上的整個(gè)涂層包括下面各層(圖1)1、由直接沉積在化學(xué)清洗過的、突出的WC晶粒占優(yōu)勢(shì)的基體上的TiC、TiCN或TiN組成的CVD粘合層1。此種基體也可以根據(jù)已知的技術(shù)通過改性燒結(jié)法獲得。該層的特征是W在該層中發(fā)生擴(kuò)散，并且具有外延涂層-WC界面。外延的方向關(guān)系如下在{0001}WC面(111)TiCN∥(0001)WC；[110]TiCN∥WC在{1010}WC面(001)TiCN∥(1010)WC；[110]TiCN∥WC外延界面決定了基體—涂層界面間的良好粘附，這在車削/銑削鑄鐵時(shí)特別重要。
此粘合層的厚度應(yīng)不大于1μm，優(yōu)選不大于約0.5μm。
2、CVD沉積的柱狀晶體TiCN涂層2。這一層用CH3CN和CH4作為前體在MTCVD(中間溫度CVD)條件下沉積。沉積溫度為約800℃-900℃，優(yōu)選約840℃-860℃?；w的脫碳被避免了，沒有η-碳化物形成，并且排除了可逆η-碳化物反應(yīng)的可能性。保護(hù)了步驟1中產(chǎn)生的外延界面。應(yīng)當(dāng)指出此層2還能夠直接加在有外延的硬質(zhì)合金基體上，并且粘附良好。但沒有CH3CN的粘合(在更高溫下)可以得到更好的粘附狀況，在WC晶粒上有更顯著的外延生長(zhǎng)。
3、在TiCN之間可以選擇性地加TiN層3。
4、由等軸結(jié)晶組成的CVD TiCN層4，沉積在由柱狀結(jié)晶組成的MTCVD層上面。
層2和4的總厚度為5-10μm，優(yōu)選6-8μm。柱狀TiCN層的厚度為2μm到TiCN層(層2和4)總厚度的90％，根據(jù)基體的碳含量而定。
5、由立方體(TiAl)(CO)組成的粘合層5。此層的厚度為0.5-3.0μm，優(yōu)選約1.5μm。由于此層中的鋁含量高，具有晶須狀的生長(zhǎng)。
6、α-Al2O3涂層6，其厚度對(duì)于車削來說為4-10μm，優(yōu)選約6μm，對(duì)于銑削來說為1-4μm，優(yōu)選約2μm。
7、厚度≤1μm的TiN頂層。
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。但應(yīng)理解實(shí)施例僅是例子，本發(fā)明并不限于實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)。實(shí)施例1按現(xiàn)有技術(shù)制備兩個(gè)試樣(1)-TiCN CVD層，厚6μm-粘合層-α+κ氧化鋁層，厚6μm(2)-TiCN MTCVD層，厚6μm-根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的粘合層-κ氧化鋁層，厚6μm和兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的涂層(3)-有外延的CVD粘合層-4μm厚的柱狀晶粒TiCN MTCVD層，用CH3CN和CH4沉積，晶粒寬約0.5μm、長(zhǎng)2.5μm，-2μm厚的等軸晶粒TiCN CVD層，粒徑約0.5μm-粘合層-6μm厚的α-Al2O3層(4)-有外延的CVD粘合層-4μm厚的柱狀晶粒TiCN MTCVD層，用CH3CN和CH4沉積，晶粒寬約0.5μm、長(zhǎng)2.5μm-選擇性的TiN層-2μm厚的等軸晶粒TiCN CVD層，粒徑約0.5μm-粘合層-6μm厚的α-Al2O3層所有的涂層有相同的TiCN和氧化鋁層厚度(6μm+6μm)。在刮痕粘附試驗(yàn)儀中將鑲嵌件進(jìn)行比較。用帶有聲音發(fā)射檢驗(yàn)儀(acoustic emission detertor)(AE)的刮痕粘附試驗(yàn)儀(Revetest，LSRH提供)進(jìn)行刮痕粘附試驗(yàn)。用AE信號(hào)記錄臨界負(fù)載并進(jìn)一步用SEM證實(shí)。使用一個(gè)新的鉆石唱針，在每次試驗(yàn)后檢查它的狀況。結(jié)果概括在表1。
表1<
>本發(fā)明試樣的粘附性能明顯增強(qiáng)，涂層由100％α-Al2O3組成。實(shí)施例2將實(shí)施例1的試樣1-4在鑄鐵中進(jìn)行切削試驗(yàn)。切削參數(shù)如下操作車削材料鑄鐵，SS0130切削速度450m/min切削深度3.0mm進(jìn)料速度0.3mm/轉(zhuǎn)鑲嵌件幾何形狀SNUN 120408未使用冷卻劑鑲嵌件的刃口碎屑和壽命列于表2。本發(fā)明制備的鑲嵌件比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)異。
表2
實(shí)施例3將實(shí)施例1和2討論的鑲嵌件1和4在鑄鐵中按實(shí)施例1給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行車削試驗(yàn)，除了切削速度要高一些，為550m/min。
從圖3A和3B分別示意的鑲嵌件1和4在車削5分鐘后的SEM顯微圖可以看出，本發(fā)明的鑲嵌件碎屑的傾向明顯降低。實(shí)施例4用透射式電子顯微鏡(TEM)研究本發(fā)明制備的涂層——實(shí)施例1中的涂層4。涂層截面的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。TiCN層明顯地由本發(fā)明的兩個(gè)不同的層組成?？梢钥吹匠练e在較厚(最大1μm)粘合層上的α-Al2O3層。在基體—涂層界面上還可看到一些WC晶粒。用TEM證實(shí)了WC-TiCN界面的外延關(guān)系。實(shí)施例5將按本發(fā)明沉積的涂層用于銑削。除了涂層厚度之外，沉積的過程與實(shí)施例1中的涂層4相同。
-有外延和從基體擴(kuò)散的W的TiCN粘合層-4μm厚的柱狀晶粒TiCN層，用CH3CN和CH4沉積，晶粒寬約0.5μm、長(zhǎng)2.5μm
-TiN層(選擇性的)-2μm厚的等軸晶粒TiCN CVD層，粒徑約0.5μm-TiCO粘合層+氧化鋁-2μm厚的α-Al2O3層將該涂層與如下的按現(xiàn)有技術(shù)制備的相同厚度的涂層進(jìn)行對(duì)比。
-厚度4μm的等軸晶粒CVD TiCN層，粒徑0.7μm-現(xiàn)有技術(shù)的粘合層-α+κ氧化鋁，2μm銑削數(shù)據(jù)操作表面銑削切削速度300m/min每齒進(jìn)料0.15mm/齒切削深度2.5mm切削寬度70mm鑲嵌件幾何形狀SEKN 1203AFTN未使用冷卻劑在銑削2400mm深后檢查鑲嵌件。從SEM顯微4A和4B可以看出，本發(fā)明制備的鑲嵌件的刃口碎屑明顯降低。此鑲嵌件的壽命比現(xiàn)有技術(shù)長(zhǎng)約35％。
使用的所有基體均是可商購的硬質(zhì)合金，WC-6％(重量)Co，硬度約HV 1600。
作為原則，前文說明書已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和模式。但本發(fā)明在這里試圖被保護(hù)的并不限于所公開的具體形式，因?yàn)檫@些應(yīng)被看作是舉例說明而不是限制。在不偏離本發(fā)明精神的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種帶涂層的硬質(zhì)合金體，包括硬質(zhì)合金基體，多層的Ti(C，N)中間層和Al2O3外層，其中Ti(C，N)中間層包括第一柱狀晶粒Ti(C，N)內(nèi)層和第二等軸晶粒Ti(C，N)外層。
2.權(quán)利要求1的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中在基體和第一柱狀晶粒Ti(C，N)內(nèi)層之間有一層選自TiC、TiN和Ti(C，N)的粘合層。
3.權(quán)利要求2的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中在第一和第二Ti(C，N)層之間有一TiN層。
4.權(quán)利要求3的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中Ti(C，N)中間層的總厚度為5-10μm。
5.權(quán)利要求4的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中柱狀層的厚度為2μm到Ti(C，N)中間層總厚度的90％。
6.權(quán)利要求1的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中在Ti(C，N)層和Al2O3層之間有一(TiAl)(CO)層。
7.權(quán)利要求6的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中(TiAl)(CO)層的厚度為約0.5-3μm。
8.權(quán)利要求1的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中的Al2O3層厚度為約4-10μm。
9.權(quán)利要求8的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中的Al2O3是α-Al2O3。
10.權(quán)利要求1的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中在Al2O3層上有一TiN層。
11.權(quán)利要求10的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中TiN層厚度為約1μm或更薄。
12.權(quán)利要求1的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中所述的柱狀晶粒Ti(C，N)的寬度為涂層厚度的0.1-0.5倍，長(zhǎng)度為涂層厚度的0.5-0.8倍。
13.權(quán)利要求12的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中所述的等軸晶粒Ti(C，N)的粒徑為0.2-1.0μm。
14.一種帶涂層的硬質(zhì)合金體，包括其上順序排列有一系列涂層的硬質(zhì)合金基體，所述涂層的順序從基體開始為(a)選自TiC、TiN和Ti(C，N)的、厚度不大于1μm的粘合層；(b)多層TiCN層，包括第一柱狀晶粒Ti(C，N)內(nèi)層，晶粒的寬度(W)為涂層厚度的0.1-0.5倍，長(zhǎng)度(L)為涂層厚度的0.5-0.8倍，和第二等軸晶粒外層，晶粒大小為0.2-1.0μm，Ti(C，N)層的總厚度在用于銑削時(shí)為3-5μm，用于車削時(shí)為5-10μm；(c)厚度為0.5-3μm的(TiAl)(CO)層；(d)厚度為4-10μm的α-Al2O3層；和(e)厚度為1μm或更薄的TiN外層。
15.權(quán)利要求14的帶涂層硬質(zhì)合金體，其中等軸晶粒的粒徑為0.3-0.5μm。
16.用帶涂層的硬質(zhì)合金鑲嵌件切削鑄鐵的方法，其改進(jìn)之處包括用權(quán)利要求1的鑲嵌件作為鑲嵌件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種經(jīng)改進(jìn)的、用于切削鑄鐵的、帶涂層的硬質(zhì)合金鑲嵌件。該鑲嵌件在基體和α－Al
文檔編號(hào)B23B27/14GK1256183SQ9912592
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月9日
發(fā)明者薩卡里·魯皮 申請(qǐng)人:塞科機(jī)床公司