專利名稱：涂層刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂有非常耐磨溥表層的硬質(zhì)合金刀體，更特別地是，它涉及這樣的硬質(zhì)合金刀體，其上的涂敷在碳化物層、氮化物層和(或)碳氮化物層之間的含氧溥層可改善涂層刀體的特性。
涂層刀片廣泛使用于加工工業(yè)中，用它來加工鐵和鐵合金。借助碳化物、氮化物、碳氮化物或氧化物涂層，來延長刀具的壽命是一門完善的技術(shù)。刀具通常涂敷有由碳化物、氮化物、鈦(Ti)或同類金屬的碳氮化物組成的表層，許多情形中涂層包括一層或多層氧化鋁，這種涂敷材料無法利用傳統(tǒng)使用的化學(xué)氣相沉積涂敷工藝(CVD)方便直接地涂覆于硬質(zhì)合金基體上，所以，通常的作法是，先于三氧化二鋁(Al2O3)的涂覆而覆蓋一層碳化物、碳氮化物和(或)鈦的氮化物。
當(dāng)硬質(zhì)合金基體在溫度800-1200℃下借助CVD工藝涂覆一層碳化物、碳氮化物或氮化物耐磨涂層時，基體組元如鎢、鈷、碳將熱滲透到不斷增長的涂層中，從而影響晶體生長方向、顯微結(jié)構(gòu)和涂層結(jié)合力，同時涂層的物理、化學(xué)和機(jī)械特性也將由于基體滲出物的存在受到影響。
美國第5135801號專利揭示一種具有最深(離基體最近)含氧層的涂層硬質(zhì)合金刀體。上述發(fā)明的目的是抑制碳滲進(jìn)涂層，把上述含氧層如TiCO層直接使用于硬質(zhì)合金基體上，使基體脫碳作用降至最低限度。
但是，本發(fā)明描述一種方法，在直接敷于基體的第一TiCxN1-x(0≤x≤1)層與敷于TiCO層上的另一TiCxN1-x(0≤x≤1)層之間，涂敷TiCO溥層作為中間層，用它來抑制物質(zhì)由基體向涂膜的滲透。中間層同樣可組成連續(xù)層。此外，在上述提及的碳氮化物、氮碳化合物組合層的上面，涂敷其它層，如Al2O3層，金屬碳化物層和(或)金屬氮化物層。
很意外地發(fā)現(xiàn)，上述TiCO或TiCON中間層可有效的抑制鈷和鎢由基體向涂層的擴(kuò)散、大大地影響到顯微結(jié)構(gòu)和上述涂層的化學(xué)特性，從而引起涂層刀具抗磨性能顯著提高。此外，鈷滲透的抑制可借助減小涂層接合面處鈷濃縮的有害作用來改善夾層涂層接合物中相鄰?fù)繉又g的粘附力。


圖1所示為放大1600倍后的被研磨和腐蝕的涂層截面，按本發(fā)明，其中A硬質(zhì)合金B(yǎng)第一涂層(TiCN)C第二涂層(TiCO)
D第三涂層(TiCN)E第四涂層(Al2O3)圖2所示為放大4000倍后的，與圖1中名稱相同的同一涂層的折斷面。Met指的是鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)或鉭(Ta)。
1.直接涂敷于硬質(zhì)合金刀體上的第一MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層。我們知道，第一層可由好幾層MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層組成，第一層最好由TiC組成。該層的厚度大于1但小于5μm，最好是在1.5-3μm之間。如果出現(xiàn)于硬質(zhì)合金刀體上的表面粘結(jié)相在其沉積之前被清除，第一層的最小厚度可減小至0.5μm。粘合相可用噴沙法清除，但按WO 92/20841，最好用電解法來消除。
2.直接涂敷于第一MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層上的第二MetCxOyNz涂層。本層厚0.1-5μm之間，最好在0.2-1μm之間，MetCxOyNz的組成結(jié)構(gòu)是0.7≤x+y+z≤1.3，且0.2＜y＜0.8，最優(yōu)值為0.4≤y≤0.6。最優(yōu)地是，Met為Ti，且z=0。
3.直接涂敷于MetCxOyNz涂層上的第三Met CxN1-x(0≤x≤1)涂層。第三耐磨層的厚度為1-20μm，最優(yōu)為5-12μm，本層由TiCxN1-x組成最佳，這里0.05＜x＜0.95，最優(yōu)為0.3≤x≤0.7。與前～TiCN涂層比較，當(dāng)其用于刀具時，本TiCN涂層顯示出有所改善的耐磨性能，這主要是因為第三層具有較優(yōu)晶向的緣故。按本發(fā)明，較佳地是，TiCN涂層在(220)方向上(由x光繞射(xRD)測量確定)具有較優(yōu)的結(jié)晶生長方向。晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TC，可確定為TC(hkl)= (I(hkl))/(I0(hkl)) { 1/(n) Σ (I(hkl))/(I0(hkl)) }-1其中I(hkl)=(hkl)反射測量強(qiáng)度；I0(hkl)=ASTM標(biāo)準(zhǔn)粉狀繞射數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，n=用于計算中的反射數(shù)目，所使用的(hkl)反射是(111)、(200)、(220)。
按本發(fā)明，晶面(220)的晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TC應(yīng)大于1.3，大于1.5更佳，大于1.8最佳。
在上述碳氮化物、氧化物和碳氮化物層結(jié)合體的上部，可涂覆更多的涂層，如Al2O3涂層多種金屬碳化物涂層和(或)氮化物涂層。更好地是，按瑞典專利申請9203852-0號，這些涂層包括成分為微粒α氧化鋁的最外涂層，緊隨其后的是TiN溥層，它在用噴沙法把氧化鋁層光滑平整之后進(jìn)行涂敷。
按本發(fā)明，涂層可涂敷于以純WC-Co和WC-立方碳化物-Co為基本結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀體上，這里的立方相位由碳化物或Ti、Ta、Nb的碳氮化物組成。按瑞典專利申請9203851-2和9200530-5號，涂層還可用于通常所說的有濃度梯度硬質(zhì)合金中，這種硬質(zhì)合金具有濃縮粘結(jié)相的表面區(qū)。
本發(fā)明同時涉及一種制造刀體的方法，該刀體包括具有涂層的硬質(zhì)合金基體，涂層由下列幾個涂層組成。
1.第一涂層或相鄰于基體的MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層。此處Met從Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb中選取，基體與含有氫、氮、碳?xì)浠锖鸵环N或多種上述金屬鹵化物的氣體相接觸，在壓力為5-1050毫巴、最佳為30-100毫巴下，該涂層形成碳化物、氮化物或碳氮化物。
2.直接涂敷于第一層上的第二涂層，在處理壓力為5-1050毫巴，最佳為30-100毫巴下，在含有氫、氮、一氧化碳和一種或多種上述金屬鹵化物的氣體中進(jìn)行MetCxOyNz涂敷，它形成碳氧化物或碳氮氧化物。
3.直接涂敷于第二層上的第三涂層，在處理壓力為5-1050毫巴、最佳為200-600毫巴下，在含有氫、氮、碳?xì)浠锖鸵环N或多種上述金屬鹵化物的氣體中進(jìn)行MetCxN1-x(0≤x≤1)涂敷，它形成碳氮化物。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，外部氧化鋁層在含有氫、二氧化碳和鹵化鋁的氣體中，用氣相沉積方法進(jìn)行涂覆。最優(yōu)地是，該氧化鋁層是一種α一氧化鋁層，它在含有氫、二氧化碳和鹵化鋁的氣體中用氣相沉積的方法進(jìn)行涂覆。
最佳地是，TiN最外層，在含有氫、氮和鹵化鈦的氣體中，用氣相沉積的方法涂覆在氧化鋁涂層上面。
CVD涂敷過程的操作溫度可在800-1200℃之間，最佳溫度是900-1070℃，不同的操作步驟可在同一或不同的涂層設(shè)備上完成。在第二MetCxOyNz涂層CVD處理階段，根據(jù)含有氧元素氣體母體的不同，可在該涂層中出現(xiàn)除氮、碳外的其它原子夾雜物，如硫(S)、碲(Te)、硒(Se)、磷(P)、和(或)砷(As)。
第一和第二涂層可用物理氣相沉積(PVD)方法交替地進(jìn)行涂覆。如活性磁控管濺射、離子渡、陰極電弧放電涂層等。
實(shí)例1先于中間層TiCO涂敷(氣體成分4%TiCl4，7%CO，3%HCl，其余H2，壓力50毫巴、基體溫度1000℃)，對具有成分為5.5%CO、8.6%立方碳化物(TiC-TaC-NbC)、其余為WC的硬質(zhì)合金刀片CNMG120408涂覆TiC1小時，緊隨TiCO層的涂敷，是在400毫巴壓力下涂覆TiCN耐磨層4小時，接著是涂覆微粒α-Al2O3涂層6小時(根據(jù)瑞典專利申請9303852-0號)。(實(shí)例A)上述所論實(shí)例A中所用硬質(zhì)合金在涂敷工序前進(jìn)附加電解面清洗作業(yè)。(例B)如上所述，使用于例A和B中的硬質(zhì)合金刀片用相同的CVD工藝進(jìn)行處理，但不包括第二TiCO涂層。(例C)用150號氧化鋁細(xì)粒濕噴例A、B、C、以便使涂敷表面光滑平整，之后涂覆TiN溥層。噴砂處理與最外TiN涂層相結(jié)合，使刀片具有從被使用刀刃處易于辨別的閃亮表面。
可依據(jù)以下因素來檢驗涂層刀片η相涂層的存在及其厚度(μm)、涂層厚度(μm)，反映TiCN耐磨涂層(220)生長方向的晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)(TC)和Al2O3涂層晶體平均粒度(μm)。其結(jié)果如下η相ABC(先有技術(shù))微量沒有0.5Tic1.50.71.6TiCO0.40.4--TiCN7.07.07.2Al2O35.5 5.3 5.7TiN0.10.10.1晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TiCN2.01.91.2粒度Al2O3-層 1.9 1.7 1.7
實(shí)例2先于含氧、氮中間層TiCON的涂敷(氣體成分4%TiCl4、7%CO，3%HCl，25%N2，其余為H2，壓力為50毫巴，基體溫度1000℃)，具有成分為5.5%CO，8.6%立方碳化物(TiC-TaC-NbC)，其余為WC的硬質(zhì)合金刀片CNMG120408涂覆TiC1.5小時，緊隨TiCON涂層的涂敷，是在600毫巴壓力下，涂覆TiCN耐磨涂層4小時，接著再涂覆TiN涂層2小時。(例D)。
使用于變種D中的硬質(zhì)合金刀片，用相同的CVD工藝進(jìn)行處理，但不包括TiCON中間層。(例E)依據(jù)η相涂層的存在及其厚度(μm)涂膜厚度(μm)、反映TiCN耐磨層(220)生長方向的晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)(TC)來檢驗涂層刀片，其結(jié)果如下η相DE(先有技術(shù))1.11.7Tic1.92.1TiCON0.5--TiCN8.28.5TiN1.61.4晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TiCN1.81.1
實(shí)例3先于TiCO中間層的涂敷(生產(chǎn)氣體成分3%TiCl4、4%CO、4%HCl、其余為Hz，壓力為100毫巴、基體溫度1000℃)，具有成分為6.5%CO，8.7%立方碳化物(TiC-TaC-NbC)，其余為WC，且具有25μm厚的粘結(jié)相狀濃縮表面區(qū)的硬質(zhì)合金刀片CN-MG120408，涂覆TiC0.5小時，緊接著涂覆TiCN0.25小時。緊隨中間涂層的涂敷，是在200毫巴壓力下涂覆TiCN耐磨層4小時，接著是微粒αAl2O3涂層的涂敷(按瑞典專利申請9203852-0號)，它需涂覆1小時。最上層TiN涂層涂覆1小時。(例F)在涂敷工序之前對例F中的硬質(zhì)合金刀片，進(jìn)行附加電解面清理作業(yè)。(例G)使用于例F和G中的硬質(zhì)合金刀片，用同一CVD工藝進(jìn)行處理，但不包括TiCO中間涂層。(例H)依據(jù)η相層的存在及其厚度(μm)、涂層厚度(μm)、反映TiCN耐磨涂層(220)生長方向的晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)(TC)來檢驗涂層刀片。
η相FGH(先有技術(shù))0.7微量1.0TiC1.20.31.4TiCN0.30.20.4TiCO0.40.4－－TiCN3.63.73.9Al2O32.1 1.9 2.2TiN0.20.20.2晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TiCN1.71.61.1
實(shí)例4依據(jù)刀刃變形引起的涂層剝落，來測試?yán)鼳-H涂層刀片，條件為合金鋼(AISI4340)沿縱向車削，進(jìn)刀量為0.7mm/r，切削深度為2.0mm，同時改變切削速度，以便引起切削刃不同程度的塑性變形。依據(jù)測量刀刃凹陷的塑性變形，來檢驗刀刃，并用下述結(jié)果來估計隨之產(chǎn)生的涂層剝落。
按本發(fā)明，在刀刃至少凹陷80μm時，刀片A、B、D、F、G沒有發(fā)現(xiàn)任何剝落。
刀片C在刀刃下降了40μm時，后刀面上出現(xiàn)涂層連續(xù)損傷。
刀片E在刀刃下降了35μm時，后刀面上出現(xiàn)涂層連續(xù)損傷。
刀片H在刀刃下降了45μm時，后刀面上出現(xiàn)涂層連續(xù)損傷。
實(shí)例5依據(jù)灰鑄鐵(AISINo.35B)端面車削時前刀面的剝落、來測試實(shí)例1中的涂層刀片。被加工工件的形狀應(yīng)滿足每轉(zhuǎn)1周切削中斷2次的要求。
切削數(shù)據(jù)速度=500m/min走刀量=0.5mm/r切削深度=3.0mm依照位于刀片前刀面上氧化鋁涂層的剝落，來檢驗刀片，其結(jié)果表示為剝落的前刀面區(qū)域與切屑接觸區(qū)域面積之比。
結(jié)果表面剝落刀片A(本發(fā)明)0%刀片B(本發(fā)明)0%刀片C(先前技術(shù))19%實(shí)例6依據(jù)灰鑄鐵(AISINo.35B)表面加工時前刀面的剝落，來檢測涂層刀片。被加工工件的形狀應(yīng)滿足每轉(zhuǎn)1周切削中斷2次的要求。
切削數(shù)據(jù)速度=400m/min走刀量=0.3mm/r切削深度=3.0mm依據(jù)切削刀片前刀面上氧化鋁層的剝落，來檢驗刀法，其結(jié)果可表示為剝落的前刀面區(qū)域與前刀面上切屑接觸區(qū)域面積之比。
結(jié)果表面剝落刀片F(xiàn)(本發(fā)明)0%刀片G(本發(fā)明)0%刀片H(先前技術(shù))26%
權(quán)利要求
1.一種涂層硬質(zhì)合金刀體，其特征在于，所述涂層包括第一涂層或相鄰于基體的MetCxN1-x(0≤x≤1)金屬涂層組，緊隨第一層的是由MetCxOyNz組成的第二涂層(此處0.7≤x+y+z≤1.3、且0.2＜y＜0.8，最佳值為0.04≤y≤0.6)，緊隨第二層的是MetCxN1-x(0≤x≤1)耐磨涂層，此處金屬M(fèi)et選取于金屬族Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta中，且第一涂層或涂層組MetCxN1-x(0≤x≤1)的厚度大于1μm，但小于5μm，或當(dāng)基體不含表面鈷(Co)時在0.5-5μm之間。
2.按權(quán)利要求1，涂層刀體的特征在于，第三MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層厚度大于第一和第二涂層的總厚度。
3.按權(quán)利要求1或2，涂層刀體的特征在于，第二涂層厚度在0.1-0.5μm之間，最優(yōu)厚度在0.2-1.0μm之間。
4.按上述任何權(quán)利要求，涂層刀體的特征在于，相鄰于基體的第一MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層或涂層組的厚度在1.3-3μm之間，或當(dāng)基質(zhì)不含表面鈷時在0.5-2μm之間。
5.按權(quán)利要求3或4，涂層刀體的特征在于，第三MetCxN1-x(0≤x≤1)耐磨層的厚度小于20μm，最佳值在5-12μm之間。
6.按上述任何權(quán)利要求，涂層刀體的特征在于，第三MetCxN1-x(0≤x≤1)耐磨涂層由TiCxN1-x組成，此處，0.05≤x≤0.95，最優(yōu)值為0.3≤x≤0.7。
7.按權(quán)利要求6，涂層刀體的特征在于，第三耐磨涂層最好在(220)方向上結(jié)晶生長，其晶體結(jié)構(gòu)系數(shù)TC大于1.3，大于1.5更佳、大于1.8最佳。TC確定為TC(hkl)= (I(hkl))/(I0(hkl)) { 1/(n) Σ (I(hkl))/(I0(hkl)) }-1這里I(hkl)=hkl被測反射強(qiáng)度，I0(hkl)=ASTM標(biāo)準(zhǔn)粉狀繞射數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，n=用于計算中的反射數(shù)目，所使用的(hkl)反射是(111)、(200)、(220)。
8.按上述任何權(quán)利要求，涂層刀體的特征在于，所述涂層刀體包括一外部氧化鋁涂層。
9.按權(quán)利要求8，涂層刀體的特征在于，氧化鋁涂層由粒度為S的單相α氧化鋁組成，其中0.5＜S＜3μm。
10.按權(quán)利要求8和9，涂層刀體的特征在于，所述刀體包括一最外TiN涂層。
11.按權(quán)利要求10，涂層刀體的特征在于，最外TiN涂層厚在0.01-1μm之間。
12.一種制造由硬質(zhì)合金基體組成、具有涂層刀體的方法，其特征在于，它包括①第一涂層組或相鄰于基體的MetCxN1-x(0≤x≤1)涂層組，這里Met從Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb中選取，基體與含有氫、氮、碳?xì)浠锖鸵环N或多種上述金屬鹵化物的氣體相接觸，在溫度范圍為800°-1200℃、最佳為900°-1070℃，且處理壓力為5-1050毫巴、最優(yōu)為30-100毫巴情況下，形成一種氮化物；②第二涂層，它在含有氫、氮、一氧化碳和一種或多種上述金屬鹵化物的氣體中直接涂敷MetCxOyNz于第一涂層上。這里0.7≤x+y+z≤1.3，且0.2＜y＜0.8，y的最佳值為0.4＜y＜0.6，它在溫度范圍為800-1200℃、最佳為900°-1070℃、處理壓力為5-1050毫巴、最佳為30-100毫巴的條件下，形成一種碳氧化物或碳氮氧化物；③第三涂層，它在含有氫、氮、氫碳化物和一種或多種上述金屬鹵化物氣體中直接涂敷MetCxN1-x(0≤x≤1)于第二涂層上。在溫度范圍為800-1200℃，最佳為900-1070℃、處理壓力為5-1050毫巴，最佳為200-600毫巴條件下，它形成一種碳氮化物。
13.按權(quán)利要求12，制造涂層刀體的方法，其特征在于，外部氧化鋁涂層在含有氫、二氧化碳和鹵化鋁的氣體中，用氣相沉積的方法進(jìn)行涂覆。
14.按權(quán)利要求12，制造涂層刀體的方法，其特征在于，一種外部α氧化鋁涂層在含有氫、二氧化碳和鹵化鋁的氣體中，用氣相沉積的方法進(jìn)行涂覆。
15.按權(quán)利要求13和14，制造涂層刀體的方法，其特征在于，一種最外層TiN涂層，在含有氫、氮和鹵化鈦的氣體中用氣相沉積的方法，涂覆于氧化鋁涂層之上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于切屑形成機(jī)加工的CVD工藝涂敷的硬質(zhì)合金刀具，更特別地是，它涉及一種具有中間涂層的涂層，該中間涂層起阻礙滲透的作用，從而影響下一層涂膜的結(jié)構(gòu)和粘附力。
文檔編號C23C16/36GK1112863SQ9510307
公開日1995年12月6日 申請日期1995年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月22日
發(fā)明者安德斯·萊南德, 萊夫·阿凱森 申請人:桑德維克公司