CN103748265A - 晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具 - Google Patents

晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具 Download PDF

Info

Publication number
CN103748265A
CN103748265A CN201280035098.3A CN201280035098A CN103748265A CN 103748265 A CN103748265 A CN 103748265A CN 201280035098 A CN201280035098 A CN 201280035098A CN 103748265 A CN103748265 A CN 103748265A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
cutting tool
volume
cvd
coated cutting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280035098.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103748265B (zh
Inventor
德克·施廷斯
萨卡里·鲁平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Walter AG
Original Assignee
Walter AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=46852001&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CN103748265(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Walter AG filed Critical Walter AG
Publication of CN103748265A publication Critical patent/CN103748265A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103748265B publication Critical patent/CN103748265B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/40—Oxides
    • C23C16/403—Oxides of aluminium, magnesium or beryllium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]
    • Y10T428/24967—Absolute thicknesses specified
    • Y10T428/24975—No layer or component greater than 5 mils thick

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

本发明提供如下的切削工具刀片，其由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或超硬材料例如立方氮化硼（CBN）的基底和具有5至40μm的总厚度的涂层组成，所述涂层由一个或多个耐火层组成，在所述耐火层中，至少一层为具有1至20μm的厚度的α-Al2O3层。为了提供本发明切削工具刀片的改进的切削性质、改进的抗崩刃性和改进的耐凹坑磨损性，在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度大于∑3、∑7、∑11、∑17、∑19、∑21、∑23和∑29-型晶界的晶界之和（=∑3～29-型晶界）的总长度的80%，通过EBSD测量晶界特征分布。本发明的切削工具可以通过如下方法获得，其中所述至少一个α-Al2O3层通过化学气相沉积（CVD）来沉积，所述CVD工艺的反应气体包含H2、CO2、AlCl3和X及任选加入的N2和Ar，其中X为气态的H2S、SO2、HF、SF6或其组合，其中在所述CVD反应室中CO2与X的体积比在2<CO2/X<10范围内。

Description

晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具
发明领域
本发明涉及切削工具刀片，其由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或超硬材料例如立方氮化硼（CBN）的基底和由一个或多个耐火层组成的硬涂层组成，在所述耐火层中，至少一层为α-Al2O3层，且涉及制造所述切削工具刀片的方法。
背景技术
晶界对材料性质例如晶粒生长、蠕变、扩散、电学性质、光学性质和最后但并非最不重要的机械性质具有显著的影响。有待考虑的重要性质例如为晶界在材料中的密度、界面的化学组成和结晶学织构，即晶界面取向和晶粒取向差（misorientation）。重位点阵（CSL）晶界起到特殊的作用。CSL晶界的特征在于多重性指数∑，该多重性指数∑定义为在晶界处相遇的两种晶粒的晶格点密度与当重叠两种晶格时重位的位点的密度之间的比率。对于简单结构，通常容许具有低∑值的晶界具有低界面能和特殊性质的趋势。因此，可以考虑控制特殊晶界的比例和自CSL模型推出的晶粒取向差的分布，这对陶瓷的性质和增强这些性质的方法是重要的。
近年来，已经形成了称为电子背散射衍射（EBSD）的基于扫描电子显微镜（SEM）的技术，并且已经将其用于研究在陶瓷材料中的晶界。EBSD技术基于由背散射电子产生的Kikuchi型衍射图的自动分析。该方法的综述由以下文献提供：D.J.Prior、A.P.Boyle、F.Brenker、M.C.Cheadle、A.Day、G.Lopez、L.Peruzzo、G.J.Potts、S.M.Reddy、R.Spiess、N.E.Timms、P.W.Trimby、J.Wheeler、L.
Figure BDA0000457126410000011
Theapplication of electron backscatter diffraction and orientation contrastimaging in the SEM to textural problems in rocks（对在岩石中的织构问题应用在SEM中的电子背散射衍射和取向衬度成像），Am.Mineral.84(1999)1741-1759。对于待研究材料的各晶粒，在检索相应衍射图之后确定结晶取向。可用的商业软件通过使用EBSD相对不复杂地完成织构分析以及晶界特征分布（GBCD）的确定。对界面应用EBSD允许对于边界的大样品群表征晶界的取向差。通常，取向差分布与材料的加工条件相联系。经由常规的取向参数例如欧拉角（Euler angle）、角/轴对或罗德里格斯矢量（Rodriquez vector），获得晶界取向差。将CSL模型广泛用作表征工具。在过去十年间，已经形成了称作晶界工程（GBE）的研究领域。GBE旨在通过研发更佳工艺条件来增强晶界的结晶学且以此方式获得更佳的材料。EBSD近来已经用于表征硬涂层，参见H.Chien、Z.Ban、P.Prichard、Y.Liu、G.S.Rohrer，“Influence ofMicrostructure on Residual Thermal Stresses in TiCxN1-x and alpha-Al2O3Coatings on WC-Co Tool Inserts”(微观结构对在WC-Co工具刀片上的TiCxN1-x和α-Al2O3涂层中的残留热应力的影响)，Proceedings of the17th Plansee Seminar2009（编者：L.S.Sigl、P.Rodhammer、H.Wildner，Plansee Group，奥地利）第2卷，HM42/1-11。
US-A-7,442,433公开了一种工具涂层，其中上层为平均层厚在1至15μm范围内的由α-Al2O3构成的氧化铝层，其中所述α-Al2O3层具有通过使用EBSD分析的在60至80%范围内的∑3与总∑N+1的分布比（考虑到金刚砂型六方排列结构，N为等于或大于2的任何偶数，但是如果从分布频率的观点看N的上限为28，则不存在诸如4、8、14、24和26的偶数）。要求该涂层在高速间歇切削中展示出优异的抗崩刃性。根据US-A-7,442,433的α-Al2O3涂层的沉积自体系H2-CO2-AlCl3-H2S进行，由此应用在0.1～0.2体积%范围内的H2S且应用在11.2～15体积%范围内的CO2。在根据US-A-7,442,433的所有涂层中，比率CO2/H2S大于75。
发明目的
本发明的一个目的在于提供具有α-Al2O3层的涂层切削工具，与现有技术相比，其展示出改进的切削性质、改进的抗崩刃性和改进的耐凹坑磨损性（crater wear resistance）。
发明内容
本发明提供如下的切削工具刀片，其由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或超硬材料例如立方氮化硼（CBN）的基底和具有5至40μm的总厚度的涂层组成，所述涂层由一个或多个耐火层组成，在所述耐火层中，至少一层为具有1至20μm的厚度的α-Al2O3层，其中在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度大于∑3、∑7、∑11、∑17、∑19、∑21、∑23和∑29-型晶界的晶界之和（=∑3～29-型晶界）的总长度的80%，通过EBSD测量晶界特征分布。
本发明的切削工具刀片的涂层包括新的改进的氧化铝层，其中α-Al2O3相由沉积态的（as-deposited）α-Al2O3组成，其中∑3-型晶界在由EBSD测量的晶界特征分布中占优势。已经惊奇地发现，如果大于∑3～29-型晶界的晶界之和的总长度的80%是∑3-型晶界，则可以实现切削工具刀片的改进的切削性质、改进的抗崩刃性和改进的耐凹坑磨损性。如将结合本发明的方法所论述的，由EBSD测量的本发明占优势的∑3-型晶界特征分布可以通过特定的沉积条件来控制。本发明通过完善的晶界工程（GBE）增强α-Al2O3涂层的性质，从而可以获得极高量的∑3-型晶界。
在本发明切削工具刀片的一个优选的实施方案中，在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度为∑3～29-型晶界的晶界之和的总长度的82%至99%或84%至97%或86%至92%，通过EBSD测量晶界特征分布。非常优选在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度大于∑3～29-型晶界的晶界之和的总长度的95%。
在本发明切削工具刀片的另一优选的实施方案中，所述涂层包括毗邻基底表面的第一层，所述第一层由Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合组成，其使用CVD或MT-CVD沉积，具有1至20μm、优选5至10μm的厚度，优选所述第一层由碳氮化钛Ti(CN)组成。已经发现，该类型的层与本发明类型的α-Al2O3层的组合为本发明切削工具刀片提供改进的耐后刀面磨损性。
在本发明切削工具刀片的又一另外优选的实施方案中，所述涂层包括在所述基底表面与所述第一层之间的中间层，所述中间层由氮化钛TiN组成，其使用CVD或MT-CVD沉积，且具有小于5μm、优选0.3至3μm、更优选0.5至2μm的厚度。已经发现，在所述基底表面与所述第一层之间提供该类型的中间层改进所述第一层的粘接，且因此也改进本发明的α-Al2O3层的粘接。
优选本发明的α-Al2O3层直接沉积在所述第一层之上。然而，根据本发明，还可以在所述第一层与所述α-Al2O3层之间提供一个或多个另外的中间层。
在本发明切削工具刀片的又一另外优选的实施方案中，
a）所述涂层的最上层为所述α-Al2O3层，或
b）所述涂层的最上层为Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合的层（顶涂层），所述层具有0.5至3μm、优选0.5至1.5μm的厚度，沉积在所述α-Al2O3层之上，或
c）所述切削工具刀片的表面区域、优选所述切削工具刀片的前刀面包括所述α-Al2O3层a）作为最上层，而所述切削工具刀片的剩余表面区域包括Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合的层b）作为最上层，所述层b)具有0.5至3μm、优选0.5至1.5μm的厚度，沉积在所述α-Al2O3层之上。
在所述α-Al2O3层之上的所述顶涂层可以作为磨损指示物或作为其它功能的层而提供。其中仅所述切削工具刀片的表面区域的部分、优选所述切削工具刀片的前刀面包括所述α-Al2O3层作为最上层，而剩余表面区域被作为最上层的顶涂层覆盖的实施方案，可以通过喷砂或任何其它公知的方法除去沉积的顶涂层来制造。
在本发明的切削工具刀片的又一另外优选的实施方案中，所述基底由硬质合金组成，优选由如下硬质合金组成，所述硬质合金由4至12重量%的Co，任选0.5～10重量%的来自周期表IVb、Vb和VIb族金属、优选Ti、Nb、Ta或其组合的立方碳化物，及余量的WC组成。
对于钢机械加工应用，所述硬质合金基底优选含有7.0至9.0重量%的来自周期表IVb、Vb和VIb族金属，优选Ti、Nb和Ta的立方碳化物，且对于铸铁机械加工应用，所述硬质合金基底优选含有0.3至3.0重量%的来自周期表IVb、Vb和VIb族金属，优选Ti、Nb和Ta的立方碳化物。
在本发明切削工具刀片的又一另外优选的实施方案中，所述基底由包括距基底表面具有5至30μm、优选10至25μm厚度的粘结相富集表面区的硬质合金组成，所述粘结相富集表面区具有是所述基底芯中的至少1.5倍的Co含量且具有比在所述基底芯中的立方碳化物含量0.5倍小的立方碳化物含量。在该实施方案中的α-Al2O3层的厚度优选为约4至12μm，最优选为4至8μm。
优选所述硬质合金体的粘结相富集表面区基本不含立方碳化物。所述粘结剂富集表面区增强所述基底的韧性且拓宽所述工具的应用范围。具有粘结剂富集表面区的基底对于在钢中的金属切削操作用切削工具刀片是特别优选的，而在铸铁中的金属切削操作用切削工具刀片优选在没有粘结剂富集表面区的情况下制造。
本发明还提供制造如此处所限定切削工具刀片的方法，其中所述至少一个α-Al2O3层通过化学气相沉积（CVD）来沉积，所述CVD工艺的反应气体包含H2、CO2、AlCl3和X及任选加入的N2和Ar，其中X为气态的H2S、SO2、SF6或其组合，其中在所述CVD反应室中CO2与X的体积比在2<CO2/X<10范围内。
已经惊奇地发现，通过EBSD获得的本发明占优势的∑3-型晶界特征分布可以通过特定的沉积条件来控制。本发明类型的∑3-型晶界特征可以通过在α-Al2O3沉积期间控制在CVD反应中的CO2与X的体积比来获得。如果体积比CO2/X低于2，则所述α-Al2O3层的生长速率将太低。如果体积比CO2/X高于10，则∑3-型晶界的量将减少。
在本发明方法的一个优选的实施方案中，在所述CVD反应室中CO2与X的体积比在3<CO2/X<8范围内，优选在4<CO2/X<6范围内。已经发现，如果所述体积比CO2/X在这些优选的范围内，特别是在存在SO2的情况下，则可以进一步增加∑3-型晶界的量。
在本发明方法的另一优选的实施方案中，在所述CVD反应室中所述组分X或组分X的组合的体积比例在所述CVD反应室中气体总体积的0.2体积%至5.0体积%、优选0.5体积%至3.0体积%且更优选0.6体积%至2.0体积%范围内。
如果所述组分X的体积比例低于0.2体积%，则通常将获得太低的沉积速率。如果使用H2S，则原则上应该避免太高含量的H2S，因为该H2S为易燃且极其危险的气体。必须由认证人员使用空气监测设备例如硫化氢检测器或检测气体的多用气表测试空气中H2S的存在和浓度。还需要防止火灾和爆炸的措施。
在本发明方法的又一另外优选的实施方案中，在所述CVD反应室中的CO2/AlCl3体积比等于或小于1.5和/或在所述CVD反应室中的AlCl3/HCl体积比等于或小于1。已经惊奇地发现，将在所述CVD反应室中的CO2/AlCl3体积比限制到最大1.5可以促进形成大量的∑3-型晶界。进一步发现，将在所述CVD反应室中的AlCl3/HCl体积比限制到最大1.0也可以促进形成大量的∑3-型晶界。如果两个条件都符合，则甚至可以改进∑3-型晶界的形成。
在本发明方法的又一另外优选的实施方案中，在所述CVD工艺中的组分X为H2S或SO2或者H2S与SO2的组合，由此，如果在所述CVD工艺中的组分X为H2S与SO2的组合，则SO2的体积比例不超过H2S的体积量的20%。已经发现，如果在H2S与SO2的组合中SO2的量超过H2S的体积量的20%，则涂层的均匀性会降低，产生所谓的“狗骨效应”（dog-bone effect）。
在本发明方法的又一另外优选的实施方案中，所述CVD工艺的反应气体包含以在所述CVD反应室中气体总体积的4至20体积%、优选10至15体积%的体积量加入的N2和/或Ar。
在本发明方法的又一另外优选的实施方案中，所述CVD工艺在850至1050℃、优选950至1050℃、最优选980至1020℃的温度下进行和/或所述CVD工艺在50至120毫巴、优选50至100毫巴的反应气体压力下进行。
通过根据本发明的方法沉积所述α-Al2O3层，可以控制∑3-型晶界的量，以使得∑3-型晶界的总长度大于∑3、∑7、∑11、∑17、∑19、∑21、∑23和∑29-型晶界的晶界之和（=∑3～29-型晶界）的总长度的80%。如将在下文实施例中所显示的，相对于现有技术涂层，这些种类的涂层在高速间歇切削中展示出优异的抗崩刃性且在连续车削中展示出增强的耐凹坑磨损性。
EBSD样品处理和测量
对于本发明，通过如此处所述的EBSD研究晶界的分布。EBSD技术基于由背散射电子产生的Kikuchi型衍射图的自动分析。参考D.J.Prior、A.P.Boyle、F.Brenker、M.C.Cheadle、A.Day、G.Lopez、L.Peruzzo、G.J.Potts、S.M.Reddy、R.Spiess、N.E.Timms、P.W.Trimby、J.Wheeler、L.
Figure BDA0000457126410000081
The application of electron backscatterdiffraction and orientation contrast imaging in the SEM to texturalproblems in rocks（对在岩石中的织构问题应用在SEM中的电子背散射衍射和取向衬度成像），Am.Mineral.84(1999)1741-1759。对于各晶粒，在检索相应衍射图之后确定结晶取向。应用市售的软件。
制备用于EBSD的氧化铝涂层的表面。接着，使用分别具有3μm和1μm的平均粒度的金刚石浆料首先将涂层表面抛光。然后，使用具有0.04μm的平均粒度的硅胶将样品抛光。谨慎进行以保证抛光的表面光滑且与原始涂层表面平行。最后，将试样超声清洁，之后进行EBSD检验。
在清洁之后，α-Al2O3涂层的抛光表面通过装备有EBSD的SEM进行研究。所使用的SEM为具有HKL NL02EBSD检测器的Zeiss Supra55VP。通过将聚焦的电子束单独地定位在每个像素上来顺序地收集EBSD数据。样品表面的法线与入射光束成70°且在15kV下进行分析。应用10Pa的压力以避免充电效应。高电流模式与60μm或120μm的孔一起使用。对于抛光表面以0.1μm/步的步长对于500×300个点进行采集，其中500×300个点对应于50×30μm的表面区域。在有或没有噪声过滤的情况下进行数据处理。使用商业软件确定噪声过滤和晶界特征分布。晶界特征分布的分析基于来自Grimmer（H.Grimmer、R.Bonnet，Philosophical Magazine A61(1990)493-509）的可用数据。使用Brandon标准（ΔΘ<Θ0(∑)-0.5，其中Θ0215°）说明实验值与理论值的允许偏差ΔΘ（D.Brandon Acta metall.14(1966)1479-1484）。计数对应于给定的∑-值的特殊晶界且将其表示为总晶界的分数。
对于本发明的目的和在此处的定义，用于计算∑-型晶界的∑-值基于没有降噪的EBSD数据。应该谨慎地进行以使得如此处所述在足够的平滑度下进行试样制备。用于本发明的目的的软件为来自OxfordInstruments的名为Flamenco的5.0.9.0版HKL采集软件。对于晶界分析，使用来自Oxford Instruments的名为Tango的HKL后处理软件。
附图说明
图1为在根据实施例3的车削测试之后根据现有技术的具有涂层2的切削刀片的前刀面。
图2为在根据实施例3的车削测试之后根据本发明的具有涂层6的切削刀片的前刀面。
具体实施方式
实施例
实施例1-α-Al 2 O 3 涂层
具有6.0重量%的Co和余量的WC的组成的切削刀片用硬质合金基底（硬度约1600HV），通过应用MT-CVD使用0.6体积%的CH3CN、3.8体积%的TiCl4、20体积%的N2和余量的H2，而涂布有Ti(C,N)层。Ti(C,N)MT-CVD层的厚度为约5μm。
向单独的基底样品的该(C,N)层上通过应用CVD而沉积由约8μmα-Al2O3组成的7个不同层，其在此处称为涂层1至7。涂布以下刀片几何结构：SNUN140408（特别用于EBSD研究）、CNMG120412、WNMG080412-NM4、WNMG080416-NM9、DNMG150608-NM4。对于α-Al2O3，涂层参数在表1中给出。
通过在50至100毫巴的压力下从体系H2-N2-CO-TiCl4-AlCl3将0.05μm至约1μm、优选0.5μm至约1μm厚的粘结层沉积在MTCVD层之上，开始α-Al2O3的沉积。为了制备该粘结层，在约1000℃的温度下将MTCVD层用3体积%的TiCl4、0.5体积%的AlCl3、4.5体积%的CO、30体积%的N2和余量的H2的气体混合物处理约30分钟。在开始下一步骤之前，在沉积之后使用H2吹扫10分钟。
通过在约750至1050℃的温度下、优选在约980至1020℃下且最优选在1000至1020℃下（P=80至100毫巴）用4体积%的CO2、9体积%的CO、25体积%的N2、余量的H2的气体混合物处理(Ti,Al)(C,N,O)粘结层5至10分钟，使α-Al2O3在所述层上成核。在氧化之后使用Ar吹扫10分钟。
通过在约1000℃的温度下在没有前体X的情况下以如在表1中所指出的体积量引入AlCl3、CO2、Ar2、N2、HCl和H2的气体混合物历时约10分钟，开始氧化铝的沉积。除了HCl之外，同时分流这些前体。在开始之后2分钟（在引入X之前8分钟）将HCl流分流到反应器中。
表1-α-Al 2 O 3 的涂层参数
Figure BDA0000457126410000101
实施例2-EBSD检验
将实施例1样品的氧化铝层抛光并清洁，然后如上文对于EBSD样品处理和测量所述的，完成EBSD测量。
在没有降噪和降噪的情况下，在表2中给出关于∑3-型晶界相对量的EBSD测量结果的数据。如在表2中所可以看出的，∑3-型晶界相对总∑3～29-型晶界的量由于降噪而减小。对于具有较低比例的∑3-型晶界的现有技术涂层，由于降噪引起的减小程度更大。
表2-在降噪和没有降噪的情况下∑3-型晶界相对于总∑3-29-型晶 界的百分比
Figure BDA0000457126410000111
实施例3-车削测试
使用以下切削参数在没有冷却剂的情况下在碳钢（C45）中测试沉积在WNMG080412-NM4刀片上的实施例1涂层2和6：
几何结构：WNMG080412-NM4
切削速度(vc)=280m/分钟
进给(f)=0.32mm/转
切削深度(ap)=2.5mm。
在车削12分钟之后刀片的前刀面示于图1（涂层2-现有技术）和图2（涂层6-本发明）中。根据本发明的刀片显著地显示出较低程度的凹坑磨损。
实施例4-车削测试
使用以下切削参数在没有冷却剂的情况下在碳钢（C45）中测试沉积在WNMG080412-NM4刀片上的实施例1涂层3、6和7：
几何结构：WNMG080412-NM4
切削速度(vc)=220m/分钟
进给(f)=0.32mm/转
切削深度(ap)=2.5mm。
工具寿命示于表3中。具有含高比例∑3-型晶界的涂层6和7（本发明）的刀片显示出优越的耐凹坑磨损性。
表3-车削测试结果
涂层 工具寿命（分钟）
3（现有技术） 13.5
6（本发明） 21
7（本发明） 18
实施例5-刀刃韧性测试
使用以下切削参数在铸铁（GG25）的纵向车削中在刀刃韧性（抗崩刃性）方面测试沉积在CNMG120412刀片上的实施例1涂层3、6和7：
刀片几何结构：CNMG120412
切削速度：vc=300m/分钟
进给(f)=0.32mm/转
切削深度：ap=2.5mm。
在切削4分钟和8分钟之后检验刀片。如在表4中所示的，与现有技术的涂层相比较，当根据本发明制造涂层时，刀刃韧性显著增强。
表4-刀刃韧性
Figure BDA0000457126410000131

Claims (15)

1.一种切削工具刀片，其由以下组成
硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或超硬材料例如立方氮化硼(CBN)的基底
和具有5至40μm的总厚度的涂层，所述涂层由一个或多个耐火层组成，在所述耐火层中，至少一层为具有1至20μm的厚度的α-Al2O3层，
其中在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度大于∑3、∑7、∑11、∑17、∑19、∑21、∑23和∑29-型晶界的晶界之和(=∑3～29-型晶界)的总长度的80％，通过EBSD测量晶界特征分布。
2.根据权利要求1所述的切削工具刀片，其中在所述至少一个α-Al2O3层中∑3-型晶界的长度为∑3～29-型晶界的晶界之和的总长度的82％至99％或84％至97％或86％至92％，通过EBSD测量所述晶界特征分布。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的切削工具刀片，其中所述涂层包括毗邻基底表面的第一层，所述第一层由Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合组成，其使用CVD或MT-CVD沉积，具有1至20μm、优选5至10μm的厚度，优选所述第一层由碳氮化钛Ti(CN)组成。
4.根据权利要求3所述的切削工具刀片，其中所述涂层包括在所述基底表面与所述第一层之间的中间层，所述中间层由氮化钛TiN组成，其使用CVD或MT-CVD沉积且具有小于5μm、优选0.3至3μm、更优选0.5至2μm的厚度。
5.根据权利要求3或4中的任一项所述的切削工具刀片，其中所述α-Al2O3层沉积在所述第一层之上。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的切削工具刀片，其中
a）所述涂层的最上层为所述α-Al2O3层或
b）所述涂层的最上层为Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合的层，所述层具有0.5至3μm、优选0.5至1.5μm的厚度，沉积在所述α-Al2O3层之上，或
c）所述切削工具刀片的表面区域、优选所述切削工具刀片的前刀面包括所述α-Al2O3层a）作为最上层，而所述切削工具刀片的剩余表面区域包括Ti、Zr、V和Hf中的一种或多种的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物或其组合的层b）作为最上层，所述层b）具有0.5至3μm、优选0.5至1.5μm的厚度，其沉积在所述α-Al2O3层之上。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的切削工具刀片，其中所述基底由硬质合金组成，优选由如下硬质合金组成，所述硬质合金由4至12重量%的Co，任选0.5～10重量%的来自周期表IVb、Vb和VIb族金属、优选Ti、Nb、Ta或其组合的立方碳化物，及余量的WC组成。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的切削工具刀片，其中所述基底由包括距基底表面具有5至30μm、优选10至25μm厚度的粘结相富集表面区的硬质合金组成，所述粘结相富集表面区具有是在所述基底芯中的至少1.5倍的Co含量且具有比在所述基底芯中立方碳化物含量0.5倍小的立方碳化物含量。
9.一种制造根据前述权利要求中的任一项所述的切削工具刀片的方法，其中所述至少一个α-Al2O3层通过化学气相沉积（CVD）来沉积，所述CVD工艺的反应气体包含H2、CO2、AlCl3和X及任选加入的N2和Ar，其中X为气态的H2S、SO2、SF6或其组合，其中在所述CVD反应室中CO2与X的体积比在2<CO2/X<10范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述CVD反应室中CO2与X的体积比在3<CO2/X<8范围内，优选在4<CO2/X<6范围内。
11.根据权利要求9或10中的任一项所述的方法，其中在所述CVD反应室中所述组分X或组分X的组合的体积比例在所述CVD反应室中气体总体积的0.2体积%至5.0体积%、优选0.5体积%至3.0体积%且更优选0.6体积%至2.0体积%范围内。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中在所述CVD反应室中CO2/AlCl3的体积比等于或小于1.5和/或在所述CVD反应室中AlCl3/HCl的体积比等于或小于1。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中在所述CVD工艺中的组分X为H2S或SO2或者H2S与SO2的组合，由此，如果在所述CVD工艺中的组分X为H2S与SO2的组合，则SO2的体积比例不超过H2S的体积量的20%。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其中所述CVD工艺的反应气体包含以在所述CVD反应室中气体总体积的4至20体积%、优选10～15体积%的体积量加入的N2和/或Ar。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的方法，其中所述CVD工艺在850至1050℃、优选950至1050℃、最优选980至1020℃的温度下进行和/或所述CVD工艺在50至120毫巴、优选50至100毫巴的反应气体压力下进行。
CN201280035098.3A 2011-09-16 2012-09-17 晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具 Active CN103748265B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11181643.5 2011-09-16
EP11181643.5A EP2570511B1 (en) 2011-09-16 2011-09-16 Grain boundary engineered alpha-alumina coated cutting tool
PCT/EP2012/068214 WO2013038000A1 (en) 2011-09-16 2012-09-17 Grain boundary engineered alpha-alumina coated cutting tool

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103748265A true CN103748265A (zh) 2014-04-23
CN103748265B CN103748265B (zh) 2016-08-31

Family

ID=46852001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280035098.3A Active CN103748265B (zh) 2011-09-16 2012-09-17 晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9206510B2 (zh)
EP (1) EP2570511B1 (zh)
JP (1) JP6162703B2 (zh)
KR (1) KR101965013B1 (zh)
CN (1) CN103748265B (zh)
ES (1) ES2728705T3 (zh)
WO (1) WO2013038000A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106536101A (zh) * 2015-07-13 2017-03-22 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
CN106536100A (zh) * 2015-07-13 2017-03-22 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
KR20180025780A (ko) * 2015-07-13 2018-03-09 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
CN108754386A (zh) * 2018-07-27 2018-11-06 北方工业大学 耐热冲击MCrAlY涂层及其制备方法
CN110284038A (zh) * 2019-04-26 2019-09-27 中南大学 一种具有强(111)织构的pvd涂层及其制备方法
CN110637105A (zh) * 2017-06-07 2019-12-31 山特维克知识产权股份有限公司 涂层切削工具
CN114951823A (zh) * 2021-02-26 2022-08-30 株式会社泰珂洛 包覆切削工具

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201205673D0 (en) 2012-03-30 2012-05-16 Element Six Abrasives Sa Polycrystalline superhard material and method of making same
DE102013104254A1 (de) 2013-04-26 2014-10-30 Walter Ag Werkzeug mit CVD-Beschichtung
KR101822514B1 (ko) * 2013-12-17 2018-01-26 쿄세라 코포레이션 피복공구
WO2015111752A1 (ja) * 2014-01-27 2015-07-30 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
BR112016017381B1 (pt) * 2014-01-30 2022-03-08 Sandvik Intellectual Property Ab Ferramenta de corte revestida por alumina
EP2902528B1 (en) * 2014-01-30 2016-06-29 Walter Ag Alumina coated cutting tool with zigzag alumina grain boundaries
JP6657594B2 (ja) 2014-05-16 2020-03-04 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
JP6548072B2 (ja) 2014-05-30 2019-07-24 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
WO2016208663A1 (ja) * 2015-06-26 2016-12-29 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
JP6738556B2 (ja) * 2015-06-26 2020-08-12 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
JP6439200B2 (ja) * 2015-11-25 2018-12-19 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
JP6439201B2 (ja) * 2015-11-25 2018-12-19 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
JP6535922B2 (ja) * 2015-11-25 2019-07-03 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
JP6507457B2 (ja) * 2016-01-08 2019-05-08 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
JP6507456B2 (ja) * 2016-01-08 2019-05-08 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
JP6507458B2 (ja) * 2016-02-24 2019-05-08 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具の製造方法
US10865476B2 (en) * 2017-03-23 2020-12-15 Kennametal Inc. Control and characterization of texture in CVD α-Al2O3 coatings
JP7142098B2 (ja) * 2018-10-03 2022-09-26 京セラ株式会社 被覆工具及び切削工具
EP3848485A1 (en) * 2020-01-10 2021-07-14 Sakari Ruppi Improved alpha alumina layer deposited with controlled textures
JP7167965B2 (ja) 2020-07-08 2022-11-09 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
JP7167966B2 (ja) 2020-07-08 2022-11-09 株式会社タンガロイ 被覆切削工具

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1655392A1 (en) * 2004-11-05 2006-05-10 Seco Tools Ab Alumina layer with enhanced texture
JP2006326713A (ja) * 2005-05-24 2006-12-07 Mitsubishi Materials Corp 厚膜化α型酸化アルミニウム層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
CN101468401A (zh) * 2007-12-28 2009-07-01 三菱麻铁里亚尔株式会社 硬质包覆层发挥优异耐磨性的表面包覆切削工具
US7597511B2 (en) * 2007-12-28 2009-10-06 Mitsubishi Materials Corporation Surface-coated cutting tool with hard coating layer having excellent abrasion resistance

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4619866A (en) * 1980-07-28 1986-10-28 Santrade Limited Method of making a coated cemented carbide body and resulting body
JPH1177405A (ja) * 1997-09-03 1999-03-23 Mitsubishi Materials Corp 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具
US6071601A (en) * 1997-05-12 2000-06-06 Mitsubishi Materials Corporation Coated cutting tool member
JP2004284003A (ja) 2003-02-28 2004-10-14 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
EP1609883B1 (en) * 2004-06-24 2017-09-20 Sandvik Intellectual Property AB Coated metal cutting tool
SE528432C2 (sv) * 2004-11-05 2006-11-14 Seco Tools Ab Med aluminiumoxid belagt skärverktygsskär samt metod för att framställa detta
JP4518260B2 (ja) * 2005-01-21 2010-08-04 三菱マテリアル株式会社 硬質被覆層が高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
JP4716251B2 (ja) * 2005-03-24 2011-07-06 三菱マテリアル株式会社 高硬度鋼の高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
JP2006334756A (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層が高速重切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
SE529051C2 (sv) 2005-09-27 2007-04-17 Seco Tools Ab Skärverktygsskär belagt med aluminiumoxid
JP4788893B2 (ja) * 2006-01-30 2011-10-05 三菱マテリアル株式会社 難削材の切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具の製造方法
JP5263572B2 (ja) 2008-02-05 2013-08-14 三菱マテリアル株式会社 高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
JP5424097B2 (ja) * 2009-06-22 2014-02-26 三菱マテリアル株式会社 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
EP2409798B1 (en) 2009-03-18 2017-04-19 Mitsubishi Materials Corporation Surface-coated cutting tool
JP5326707B2 (ja) * 2009-03-18 2013-10-30 三菱マテリアル株式会社 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
JP5428569B2 (ja) * 2009-06-24 2014-02-26 三菱マテリアル株式会社 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
JP5370919B2 (ja) 2009-06-19 2013-12-18 三菱マテリアル株式会社 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
DE102011053705A1 (de) 2011-09-16 2013-03-21 Walter Ag Schneideinsatz und Verfahren zu dessen Herstellung
ES2567039T5 (es) 2011-09-16 2019-07-03 Walter Ag Herramienta de corte revestida con alúmina alfa que contiene azufre

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1655392A1 (en) * 2004-11-05 2006-05-10 Seco Tools Ab Alumina layer with enhanced texture
JP2006326713A (ja) * 2005-05-24 2006-12-07 Mitsubishi Materials Corp 厚膜化α型酸化アルミニウム層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具
CN101468401A (zh) * 2007-12-28 2009-07-01 三菱麻铁里亚尔株式会社 硬质包覆层发挥优异耐磨性的表面包覆切削工具
US7597511B2 (en) * 2007-12-28 2009-10-06 Mitsubishi Materials Corporation Surface-coated cutting tool with hard coating layer having excellent abrasion resistance

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102126102B1 (ko) * 2015-07-13 2020-06-23 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
CN106536101A (zh) * 2015-07-13 2017-03-22 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
KR20180025778A (ko) * 2015-07-13 2018-03-09 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
CN106536100A (zh) * 2015-07-13 2017-03-22 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
CN106536101B (zh) * 2015-07-13 2019-03-26 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
KR102126103B1 (ko) * 2015-07-13 2020-06-23 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
KR20180025780A (ko) * 2015-07-13 2018-03-09 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
KR20180025779A (ko) * 2015-07-13 2018-03-09 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
CN106536100B (zh) * 2015-07-13 2019-06-14 住友电工硬质合金株式会社 表面被覆切削工具
KR102126104B1 (ko) * 2015-07-13 2020-06-23 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 표면 피복 절삭 공구
CN110637105B (zh) * 2017-06-07 2022-03-04 山特维克知识产权股份有限公司 涂层切削工具
CN110637105A (zh) * 2017-06-07 2019-12-31 山特维克知识产权股份有限公司 涂层切削工具
CN108754386A (zh) * 2018-07-27 2018-11-06 北方工业大学 耐热冲击MCrAlY涂层及其制备方法
CN110284038B (zh) * 2019-04-26 2020-07-28 中南大学 一种具有强(111)织构的pvd涂层及其制备方法
CN110284038A (zh) * 2019-04-26 2019-09-27 中南大学 一种具有强(111)织构的pvd涂层及其制备方法
CN114951823A (zh) * 2021-02-26 2022-08-30 株式会社泰珂洛 包覆切削工具
CN114951823B (zh) * 2021-02-26 2024-03-29 株式会社泰珂洛 包覆切削工具

Also Published As

Publication number Publication date
EP2570511A1 (en) 2013-03-20
ES2728705T3 (es) 2019-10-28
CN103748265B (zh) 2016-08-31
KR20140068003A (ko) 2014-06-05
EP2570511B1 (en) 2019-03-20
US20140193622A1 (en) 2014-07-10
KR101965013B1 (ko) 2019-04-02
JP6162703B2 (ja) 2017-07-12
JP2014526391A (ja) 2014-10-06
US9206510B2 (en) 2015-12-08
WO2013038000A1 (en) 2013-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103748265A (zh) 晶界工程化的α-氧化铝涂层切削工具
KR101822514B1 (ko) 피복공구
CN103403222B (zh) 切削工具用涂层
KR20120102076A (ko) 금속, 초경합금, 서멧 또는 세라믹 물질로 구성된 코팅체 및 상기 코팅체의 코팅 방법
KR101801660B1 (ko) 피복 공구
CN109500414B (zh) 被覆切削工具
CN107921551B (zh) 被覆工具
KR20120128595A (ko) 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법
JP5918457B1 (ja) 被覆工具
CN102933742B (zh) 织构化的氧化铝层
KR102513060B1 (ko) 코팅된 절삭 공구
KR101894309B1 (ko) 피복 공구
US10202688B2 (en) Coated tool and cutting tool
JP6130204B2 (ja) 切削工具
WO2020158427A1 (ja) 切削工具及びその製造方法
WO2020158426A1 (ja) 切削工具及びその製造方法
KR20240004460A (ko) 절삭 공구

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant