具有扩散粘结增强层的三氧化二铝陶瓷工具制造技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷切削工具，诸如具有扩散粘结增强层和ＣＶＤ涂层的含氧化锆的氧化铝陶瓷切削工具，其特别适用于机加工现代金属材料。该方法包括与引入的含氮和氯化铝的混合物进行化学反应以在陶瓷基底和ＣＶＤ涂层之间形成扩散粘结增强层。该形成的扩散粘附增强层强粘附到有氧化锆的氧化铝陶瓷基底上，并明显提高ＣＶＤ涂层的特性，由此在有氧化锆的锆－基氧化铝陶瓷切削工具的工具寿命方面改进了其机加工性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
目前大部分切削嵌件包含由烧结碳化物制成的基底，因为该烧结碳化物有高韧性和优良的耐磨性。但具有陶瓷基底的切削工具和切削嵌件(“陶瓷工具”)的应用日益增加。这类陶瓷工具在高-速精加工操作中有广泛应用并用于以高切削速率机加工难以用机器加工的材料中。陶瓷工具的应用增多可能是由于合金陶瓷和陶瓷-基质复合物的改进以及陶瓷加工工艺的进展。在切削工具中所用的陶瓷通常是无机非金属材料。陶瓷工具的制备通常包括粉末陶瓷的熔凝和烧结。烧结为熔凝粉末提供所需的致密化，并可任选在压力下进行。在无压烧结中，该粉末首先成型为坯件或未烧结体，然后经烧结可达到所需的致密化。陶瓷的热压法包括在模具中加热并同时单向压制该粉末。尽管热-压陶瓷是较昂贵的，但与冷-压制材料相比其可制备具有较细粒度、较高密度和较高横向断裂强度的陶瓷。目前在切削工具中使用的陶瓷是基于氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。其它陶瓷如氧化镁、氧化钇、氧化锆、氧化铬和碳化钛可用作添加剂以有助于烧结或形成具有改进热-机械性的合金陶瓷。含氧化铝基底的陶瓷工具可用于高切削速度的金属机加工，这是由于氧化铝基底的化学惰性和高强度。市售的重要氧化铝陶瓷工具是加入氧化镁作为烧结助剂和晶粒长大抑止剂的基本上是细粒(小于5μm)的Al2O3。氧化铝陶瓷也可与钛或铬的低价氧化物成合金以形成固溶体。三种主要的可市购的氧化铝基的工具材料是Al2O3/Ti、Al2O3/ZrO2和用碳化硅(SiC)须晶增强的Al2O3。其它Al2O3基陶瓷可具有TiN、TiB2、Ti(C，N)和Zr(C，N)的添加剂。氧化铝-氧化锆(Al2O3/ZrO2)是一种合金陶瓷。加入氧化锆提高了氧化铝基底较高的断裂韧性和耐热冲击性。用氧化锆韧化氧化铝利用了特定的结晶学变化、马氏体型变换，其产生于吸收能量的机制。亚稳态矩形ZrO2的存在提供了在应力下转变成稳定的单斜结构的可能。该转变作为一种应力吸收剂，并甚至在有裂纹存在时可防止进一步破裂。通常该二氧化锆颗粒集中在氧化铝的晶界。虽然破裂是晶间的，但认为在因破裂引起断裂前这些颗粒的存在提供了附加的韧性。三种最通用的组合物是含10、25和40重量％的ZrO2，其余为氧化铝。含40重量％ZrO2的组合物接近低共熔浓度。较高的ZrO2含量的组合物的硬度较低但韧性较高。切削嵌件可经涂敷以增加其耐磨性。可由化学汽相淀积法(‘CVD’)或物理汽相淀积法(‘PVD’)在切削工具上涂敷单涂层或多涂层。氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)和氧化铝(Al2O3)是适于碳化物基的切削工具的最常用的CVD涂层材料。已研发在陶瓷基底上的薄涂层(2-5μm)其主要是用于限制在工具和工件材料之间的化学相互作用，并改进耐磨性。最近的研究工作实例是将最新的CVD涂敷工艺用于陶瓷切削嵌件其包括美国专利申请No.6447896的涂敷增强的陶瓷切削工具；美国专利申请No.2002/0076284的涂敷的氮化硅陶瓷切削工具；含有美国专利申请No.2002/0054794的以氧化铝基质相分散的硬质相的涂敷的复合陶瓷切削嵌件。需研发一种适于陶瓷工具的新的涂敷工艺，以进一步改进陶瓷工具的耐磨性和耐化学性，从而满足机加工生产率日益增长的需要。专利技术概述至少一方面，本专利技术的一个目的在于提供一种包括含基底的切削工具，其中该基底包含氧化铝和氧化锆和扩散粘结增强层。本专利技术的目的还在于提供一种在基底上形成扩散粘结增强层的方法。扩散粘结增强层增加施加在切削工具上的耐磨层的粘附性。扩散粘结增强层包括含氮和氯化铝的混合物和至少在基底中存在的氧化锆之问的反应产物。在另一方面，本专利技术的目的在于提供一种包括基底的切削嵌件，其中该基底包含氧化铝和氧化锆，含锆的氮化物、氧化锆和铝的氮化物的中间层和至少一层耐磨涂层。本专利技术方法的实施方案包括使基地底经受氯化铝和氮的作用，其中该基底含氧化铝和氧化锆；用至少一种化学汽相淀积法或物理汽相淀积法(pressure vapor deposition process)涂敷该基底。该基底可包含按基底总重量计的0.5-45重量％的氧化锆。该方法可包括使基底经受含氯化铝和氮的气体混合物的作用。在基底上的涂层可用CVD或PVD以及其它方法涂敷。每种涂层可独立地含有选自周期表族IIIA、IVB、VB和VIB金属的金属碳化物、金属氮化物、金属硅化物和金属氧化物中的至少一种，诸如，但不限于，选自氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛铝(TiAlN)、氮化钛铝加碳(TiAlN+C)、氮化铝钛(AlTiN)、氮化铝钛加碳(AlTiN+C)、氮化钛铝加碳化钨/碳(TiAlN+WC/C)、氮化铝钛加碳化钨/碳(AlTiN+WC/C)、氧化铝(Al2O3)、二硼化钛(TiB2)、碳化钨碳(WC/C)、氮化铬(CrN)和氮化铝铬(AlCrN)中的至少一种。读者将理解前述的本专利技术的细节和优点，以及基于本专利技术实施方案的下列详述中的其它优点。读者也可在制造和/或应用本专利技术中的实施方案中充分领悟本专利技术的附加细节和优点。附图简介本专利技术的特点和优点可参阅附图而更好地理解附图说明图1是所制备截面的放大1000倍的显微照片，示出在Al2O3/ZrO2陶瓷基底表面上形成的扩散粘结增强层；图2A和2B是放大1000倍的显微照片，用于对比无扩散粘结增强层的CVD涂敷的Al2O3/ZrO2陶瓷基底(图2A)和有扩散粘结增强层的CVD涂敷的Al2O3/ZrO2陶瓷基底(图2B)；图3A和3B是在两个Al2O3/ZrO2陶瓷切削嵌件的CVD涂层上以恒定10kg负荷进行划痕试验后的Al2O3/ZrO2陶瓷切削嵌件的显微照片，一个切削嵌件的制备是无扩散粘结增强层(图3A)，而另一个切削嵌件是制备有扩散粘结增强层(图3B)；图4A和4B示出比较机加工试验结果的示图(案例1和案例2)，其是在不同切削条件和用工件材料进行的，以说明有扩散粘结增强层和耐磨涂层的氧化铝和氧化锆基底的陶瓷切削嵌件的优点。专利技术详述本专利技术涉及一种包含有氧化铝和氧化锆的基底和扩散粘结增强层的切削工具。该扩散粘结增强层产生于试剂和基底中的氧化锆和氧化铝中至少一种之间的反应。扩散粘结增强层可包含锆的氮化物和铝的氮化物，并且这些化合物的存在增加了其后涂层的粘附性。所以扩散粘结增强层可用作基底和耐磨层之间的中间层。扩散粘结增强层的存在可明显改进经涂敷的Al2O3陶瓷切削嵌件的工具寿命。本专利技术的一个实施方案在于基底的氧化铝和氧化锆中的至少一种与氮(N2)和氯化铝(AlCl3)的混合物在表面区的化学反应。该反应可以是在N2和AlCl3的气体混合物与基底组分之间进行。可用已知涂敷方法包括但不限于CVD和PVD涂敷单层或多层耐磨层。扩散粘结增强层的厚度决定于反应物向基底中的扩散。扩散是由于分子无规运动的动能引起的分子混杂的过程，换句话说是由于各原子在基底即本专利技术的含氧化锆的氧化铝陶瓷基底的表面区的无规运动的结果。在较高温度下，扩散速率增加，所以某些反应物可以某种深度进入基底，化学结合到表面区。该扩散粘结增强层并不起耐磨涂层的作用，而是在陶瓷基底和耐熔金属基的CVD涂层之间作为中间层以增加粘附性。实验已表明，在有氧化锆的氧化铝陶瓷基底上直接涂敷CVD涂层常常不能达到优良粘附。该涂层在机加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削工具，其包含：－基底，其中该基底含氧化铝和氧化锆；－扩散粘结增强层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：X丹尼尔方，戴维J威尔斯，吉勒斯费斯蒂厄，
申请(专利权)人：TDY工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]