通过化学气相淀积产生的增强氧化铝层制造技术

本发明专利技术介绍了一种制作实质上比现有技术具有更好耐磨性和韧性的α－Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］层的新的改进方法。本发明专利技术的α－Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］层在（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ，Ｎ）的粘结层上形成，所述的（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ，Ｎ）粘结层的铝含量向着外表面增加。α－Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］的形核是通过由铝化和氧化步骤组成的形核步骤而得到的。根据本发明专利技术的α－Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］层厚度范围为１－２０μｍ，由柱状颗粒构成。氧化铝颗粒的长／宽比为２－１２，优选５－９。该层的特征在于通过ＸＲＤ测定的强（０１２）生长织构，以及几乎完全不存在（１０４）、（１１０）、（１１３）和（１１６）衍射峰。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于金属加工的切削工具嵌入物，具有硬质合金、金属陶瓷或陶瓷衬底，上面淀积了硬耐磨被覆层。被覆层与衬底粘接并覆盖其所有零件。被覆层由一层或多层耐火材料层构成，其中至少一层为高度织构化的阿尔法-氧化铝(α-Al2O3)。当适当形核时，κ-Al2O3层可以生长到较大厚度(＞10μm)。通过在插入生长中的κ-Al2O3层的例如TiN的薄层上再形核，可以保证甚至更厚的κ-Al2O3层的生长。当确保形核时，通过使用相对低的淀积温度(＜1000℃)，可以避免淀积过程中的κ→α相变。在金属切削中，已确认有相变发生。除相稳定性外，在多数金属切削应用中应优选α-Al2O3层的原因还有几个。如早先所示，α-Al2O3在铸铁中表现出更好的耐磨性(US 5,137,774)。另外，以α-Al2O3形核的层不含任何相变裂缝和应力。因此，形核的α-Al2O3的延展性比完全或部分由于相变而形成的α-Al2O3的延展性强，甚至比κ-Al2O3的延展性强，κ-Al2O3的可塑性受到缺陷结构的限制。但是，已发现稳定的α-Al2O3相比亚稳κ-Al2O3更难以形核，及更难以在适当的CVD温度下生长。如US 5,137,774所示，通过实验确认α-Al2O3可以在例如Ti2O3表面，(Ti，Al)(C，O)的粘结层上形核，或者如US 5,654,035所示，使用CO/CO2混合物，通过控制氧化电势可以使其形核。所有这些方法的要点是形核必须在TiC、TiN、Ti(C，N)或Ti(C，O，N)的111面上发生，否则会得到κ-Al2O3。应该注意，在现有技术方法中，一般使用高淀积温度淀积α-Al2O3。当形核控制不完全时，就象许多现有技术产品的情形那样，生成的α-Al2O3层至少部分是由于κ-Al2O3→α-Al2O3相变而形成的。特别是考虑厚Al2O3层时。这些种类的α-Al2O3层由大颗粒构成，存在相变裂缝。这些覆层比由形核的α-Al2O3构成的α-Al2O3覆层具有更低的机械强度和延展性。工业规模控制α-Al2O3多晶型物随二十世纪九十年代初基于美国专利5,137,774的商品的出现而得到实现。后来对该专利的改进用来淀积具有优选的被覆织构的α-Al2O3。在US 5,654,035中，公开了在(012)方向上织构的氧化铝层，在US 5,980,988中公开了在(110)方向上织构的氧化铝层。在US 5,863,640中，公开了沿(012)、或(104)或(110)的择优生长。US 6,333,103记载了控制α-Al2O3沿(10(10))方向形核和生长的改进方法。意外发现，具有强的、充分控制的(112)生长织构的α-Al2O3层优于现有技术的随机或其它织构如(011)。根据本专利技术的覆层基本上不存在相变应力，由位错密度低、切削能力提高的柱状α-Al2O3颗粒构成。发现了一种控制α-Al2O3的形核步骤从而可以得到强(012)织构的方法。本专利技术的特征在于，主要存在(012)织构(TC)，同时不存在现有技术的覆层中通常发现的其它常见织构。这种Al2O3层特别地被拟用于要求韧性的钢应用，如间歇切削、用冷却剂的车削，特别是使用冷却剂的间歇车削。其它领域是铸铁，在此这种氧化铝层的边缘强度(edge strength)优于现有技术。在通过常规的CVD或MTCVD，优选MTCVD可以得到的Ti(C，N)覆层上淀积α-Al2O3之前，需要几个步骤。首先，在Ti(C，N)层上淀积US 5,137,774中记载的改进粘结层(在该专利中称为κ-粘结层)，其特征在于存在Al浓度梯度。另外，淀积该粘结层时应用氮气。该层表面上的铝含量比根据5,137,774的粘结层显著高出约30％，并且粘结层明显含有氮。为进一步增加铝含量，使用AlCl3/H2气体混合物对该粘结层的表面进行其它处理。之后，使用CO2/H2气体混合物进行小心控制的氧化处理。氧化步骤时间短，继之可以使用AlCl3/H2混合物进行短期处理，然后再次进行短期氧化步骤。这种脉动(Al-处理/氧化)处理将为α-Al2O3产生理想的形核位。在改进的粘结层的表面上生长氧化铝层通过将按下面的顺序排序反应气来开始CO、AlCl3、CO2。温度应优选为约1000℃。本专利技术还涉及由衬底构成的切削工具嵌入物，所述的衬底至少部分被覆有总厚度为10-40μm、优选15-25μm的覆层，该覆层由一个或多个耐火材料层构成，其中至少一层为α-Al2O3层。该α-Al2O3层密集且无缺陷。它由具有强(012)织构的柱状颗粒组成。柱状颗粒的长/宽比为2-12，优选5-9，宽度为0.5-2.5μm，优选0.5-1.0(s＝2-5μm)或1.5-2.5(s＝5-15μm)。S＝氧化铝层的总厚度。根据本专利技术层的α-Al2O3的织构系数(TC)由下式确定TC(hkl)=I(hkl)I0(hkl){1nΣI(hkl)I0(hkl)}-1]]>式中I(hkl)＝(hkl)反射的强度I0(hkl)＝根据JCPDS卡号46-1212的标准强度n＝计算使用的反射数目使用的(hkl)反射为(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)。氧化铝层的织构定义如下TC(012)＞1.8，TC(024)＞1.8，优选2.5-3.5，并同时TC(104)、TC(110)、TC(113)、TC(116)＜0.4，优选＜0.3。注意面012和024的强度是相关的。衬底含有硬质材料，如硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、高速钢或超硬材料如立方氮化硼(CBN)或金刚石，优选硬质合金或CBN。这里的CBN是指含有至少40体积％CBN的切削工具材料。在一个优选实施方案中，衬底为具有富含粘结相的表面区的硬质合金。覆层含有与CVD Ti(C，N)、CVD TiN、CVD TiC、MTCVD Ti(C，N)、MTCVD Zr(C，N)、MTCVD Ti(B，C，N)、CVD HfN或它们的组合、优选Ti(C，N)的主体相邻，厚度为1-20μm、优选1-10μm的第一层，以及与所述的第一层相邻，厚度为约1-40μm、优选1-20μm、最优选1-10μm的α-Al2O3层。优选在衬底与所述的第一层之间存在一个TiN中间层，厚度为＜3μm、优选0.5-2μm。在一个实施方案中，α-Al2O3层是最上层。在另一个实施方案中，在α-Al2O3层上面存在一个Ti、Zr和Hf中一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物层，厚度为约0.5-3μm、优选0.5-1.5μm。或者该层的厚度为约1-20μm、优选2-8μm。在再一个实施方案中，被覆层包括一个优选位于α-Al2O3上面的κ-Al2O3和/或γ-Al2O3层，厚度为0.5-10μm、优选1-5μm。表1 “被覆层a”(专利技术)的淀积工艺规定如下 步骤1MTCVD被覆气体混合物TiCl4＝4.0％CH3CN ＝1.0％N2＝20％余量 H2持续时间 250分温度 850℃压力 100毫巴步骤2粘结层气体混合物TiCl4＝2.8％AlCl3＝0.8-4.2％CO ＝5.8％CO2＝2.2％N2………＝5-6％余量 H2持续时间 60分温度 1000本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削工具嵌入物，由至少部分被总厚１０－４０μｍ、优选１５－２５μｍ的被覆层被覆的衬底构成，所述的被覆层由一个或多个耐火材料层构成，其中至少一层为氧化铝层，所述的切削工具嵌入物的特征在于，所述的氧化铝层由柱状α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］颗粒构成，所述的柱状α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］颗粒具有下面的织构系数：ａ）ＴＣ（０１２）和ＴＣ（０２４）均大于１．８，优选为２．５－３．５，以及ｂ）ＴＣ（１０４）、ＴＣ（１１０）、ＴＣ（１１３）、ＴＣ（１１６）均小于０．４，优选小于０．３，织构系数ＴＣ（ｈｋｌ）的定义如下：＊＊＊式中Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射的实测强度，Ｉ↓［０］（ｈｋｌ）＝根据ＪＣＰＤＳ卡号４６－１２１２的标准强度ｎ＝计算使用的反射数目使用的（ｈｋｌ）反射为：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：萨卡里鲁皮，
申请(专利权)人：山高刀具公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]