CN1273642C - 涂层硬质合金体及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种涂层烧结的硬质合金体，包括一个硬质合金体、与该硬质合金体相邻的第一层，所述第一层含有Ti(C，N)，厚度为约3到约20μm、与所述第一层相邻的氧化铝层，该氧化铝层含有α-Al2O3或κ-Al2O3，厚度为约1到约15μm、和与该氧化铝层相邻的含有Ti、Zr和Hf中的一个或多个的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的较远层，所述较远层的厚度为约1到15μm。一个减少摩擦层，含有γ-Al2O3、κ-Al2O3和毫微结晶Ti(C，N)中的一个或多个，厚度为约1到约5μm，可与较远层邻接。一种利用烧结的硬质合金体切割钢的方法，这里的氧化铝为α-Al2O3，和一种利用烧结的硬质合金体切割铸铁的方法，这里的氧化铝为α-Al2O3。
Description
技术领域
本发明涉及涂层。更明确地说，本发明涉及含有氧化铝层的多层涂层。
背景技术
在下面的技术现状的讨论中，参考了某些结构和/或方法。但是，下面的参考不应理解为承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人明确保留权利以申明这些结构和/或方法不是本发明的现有技术。
美国专利6,22,469披露了使用κ-Al2O3涂层的金属切割刀片优于α-Al2O3涂层切割刀片，特别是需要高速车削的地方。然而，已发现在间歇车削和需要冷却剂车削中，α-Al2O3涂层切割刀片的性能更好。这可能是因为在α-和κ-型之间，α型更易延展。
由于结构缺陷，κ-Al2O3不能塑性变形。当使用温度较低时，例如利用冷却剂，κ-Al2O3也不能转换为α-Al2O3。另一方面，温度和特别是压力明显足够高时，可活化在α-Al2O3相中的足够量的滑移系。结果，含有κ-Al2O3的刀片由于缺少塑性而在切割中更易断裂。
发明概述
本发明的一个目的是避免或减少现有技术的问题。
本发明的另一个目的是提供一种特别有效的涂层硬质合金体，用于切割钢或铸铁。
涂层烧结的硬质合金体的典型实施方式包括一个硬质合金体、与该硬质合金体相邻的第一层，该第一层含有Ti(C，N)，厚度为约3到约20μm、与所述第一层相邻的氧化铝层，该氧化铝层含有α-Al2O3或κ-Al2O3，厚度为约1到约15μm，和与氧化铝层相邻的含有Ti、Zr和Hf中一个或多个的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的较远层，所述较远层的厚度为约1到15μm，一个与较远层相邻的减少摩擦层，该减少摩擦层包括γ-Al2O3和κ-Al2O3中的一个或多个，其中减少摩擦层的厚度为约1到约5μm。
一方面，涂层烧结的硬质合金体可用于切割铸铁，其中Al2O3是α-Al2O3。
另一方面，涂层烧结的硬质合金体可用于切割钢，其中Al2O3层是α-Al2O3。
附图简述
通过下面优选实施方式以及附图的详细描述，可了解到本发明的目的和优点。其中，相同的数字表示相同的构件。
图1分别表示α-Al2O3、κ-Al2O3和Ti(C，N)的刀具使用寿命对应于切割速度的对数值的图。图1(a)表示火口磨损，图1(b)表示侧面磨损。
图2表示本发明的切割刀片。
图3表示本发明的另一切割刀片。
图4表示本发明的另一切割刀片。
图5表示按照本发明制备的刀片的切削结果。
图6表示按照本发明制备的刀片的切削结果。
图7表示按照本发明制备的刀片的切削结果。
优选实施方式详述
早已发现(参见，例如美国专利5,137,774)α-Al2O3对用于切割铸铁的硬质合金刀片来说是较好的涂层，而在切割钢等领域中，硬质合金刀片上的κ-Al2O3涂层被认为有相等的作用或更好。图1分别表示α-Al2O3、κ-Al2O3和Ti(C，N)的刀具使用寿命相对于对数形式的切割速度的图。图1(a)显示了火口磨损。α-Al2O3(以100表示)、κ-Al2O3(以102表示)和Ti(C，N)(以104表示)在大约350m/min的切割速度处相交。图1(b)显示了侧面磨损。由图1(b)可看出，α-Al2O3100、κ-Al2O3 102和Ti(C，N)104的各个刀具寿命随着刀具速度的降低而增加，对于任一切割速度，α-Al2O3 100和κ-Al2O3 102之间及κ-Al2O3 102和Ti(C，N)104之间的侧面磨损刀具寿命增加。由图1，显示了钢中α-Al2O3和κ-Al2O3的磨损性质是相似的。然而，惊奇地发现在那些要求韧性的应用中，用α层代替κ层作为中间层，可以得到更好的刀口强度。另外，它还显示出当Al2O3应用于多层结构和在Al2O3层上有相对厚的Ti(C，N)层时，强调了α-Al2O3和κ-Al2O3之间的区别。
如图2所示，本发明的一个具体方面，显示了一个硬质合金体200，在上面涂敷了Ti(C，N)层202，厚度为约3到约20μm，优选约5到约15μm。如果需要，可以在硬质合金和Ti(C，N)层202之间涂敷一层任选的TiN粘合层204，厚度为约0.5到约2μm，优选约0.5到约1μm。
Ti(C，N)层202可以由通过CVD(化学蒸汽沉积)、MTCVD(中间温度化学蒸汽沉积)工艺或它们的组合所涂敷的Ti(C，N)而制得。在一个特别优选的实施方式中，Ti(C，N)层202包含与硬质合金体200相邻的柱形Ti(C，N)的第一部分206和等轴Ti(C，N)的第二外层部分208(参见图3)。在这个例子中，第一部分206占Ti(C，N)层202的总厚度的约5到95％，优选约10到约80％。在一个典型实施方式中，第一部分206和第二外层部分208根据与美国专利6,221,469相应的柱形/等轴层的宽度、长度和粒度而制备，该专利的全文被引入此处，作为参考。
在另一个典型实施例中，Ti(C，N)层202含有MTCVD Ti(C，N)多层，它也可以含有至少一个散置于Ti(C，N)多层之间的TiN和/或TiC的210层。
在Ti(C，N)层202之上为粘合层212。粘合层212可以促进随后涂敷的氧化铝层的粘合和相控制。例如，粘合层212可以包括(TiAl)(CO)，厚度为约0.5到约2μm，优选约0.5到约1μm，以提高随后涂敷的Al2O3的粘合并保证其相控制。
Al2O3层214可以是单独的α-或κ-层，或含有所述Al2O3相的多层。根据美国专利5,700,569的描述，κ-Al2O3可以作为多层涂敷，该专利的全文被引入此作为参考。α-Al2O3可以根据现有技术涂敷。
在Al2O3层214之上为另一层216，含有约1到约15μm，优选约2到约6μm厚的含有Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物的层或它们的多层。优选，层216为MTCVD Ti(C，N)或Ti(C，O，N)。在一个具体的实施方式中，层216也可含有具有约4到约150层Ti(C，N)的叠层多层，各层分别为约0.05到约1μm的厚度。
(TiAl)(CO)的粘合层218的厚度为约0.5到约2μm，可以设置于Al2O3层214和层216中间。
在层216之上配置了一个含有毫微结晶Ti(C，N)、γ-Al2O3或κ-Al2O3的减少摩擦层220。根据美国专利6,472,060的描述，它的全文被引入此作为参考，可以涂敷毫微结晶Ti(C，N)。减少摩擦层220有助于减少在切割时Ti(C，N)和所要切割的金属表面之间的摩擦。减少摩擦层220的厚度为约1到约5μm，优选约2到约4μm。
如果需要，TiN层，具有金色涂层性质的薄层，可以被涂敷作为涂层硬质合金200的最外层222。任选的TiN层厚度为0.5到2μm，优选约0.1到约1μm。
在图4中，显示了本发明的一个典型实施方式，其中涂层硬质合金体200首先用带有任选的如上所述的粘合剂204的Ti(C，N)层202涂敷。含有α-Al2O3和κ-Al2O3的叠层氧化铝多层224通过一粘合层226被涂敷于Ti(C，N)层202之上。α-Al2O3和κ-Al2O3的叠层氧化铝多层224可包含约4到多达约150层的各相氧化铝，其中根据美国专利5,700,569沉积κ-Al2O3并根据传统技术沉积α-Al2O3。多层中各层厚度为约0.05到约1μm。
在氧化铝多层224之上为多层228，它或者可以只含有Ti(C，N)多层或者含有散置于含有Ti、Zr、Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或Al2O3中一种或多种的层之间的Ti(C,N)层。例如，多层可以包含Ti(C，N)-TiC、Ti(C，N)-TiN、Ti(C，N)-κ-Al2O3、Ti(C，N)-α-Al2O3、Ti(C，N)-Ti(C，O，N)、Ti(C，N)-Zr(C，N)、Ti(C，N)-Hf(C，N)层或它们的组合。在多层228中可以有4到150层。多层228的厚度为约1到约15μm，优选约2到约6μm。粘合层230，总厚度为约0.1到约1μm，可以设置于氧化铝多层224和多层228之间，例如在氧化铝多层和Ti(C，N)多层之间。在Ti(C，N)多层228之上为减少摩擦层232和任选的TiN层234。在一个典型实施方式中，减少摩擦层232和TiN层234可以是根据图2参照减少摩擦层220和TiN层222得到，如上所讨论。
在一个优选的特别适用于要求极端韧性的领域的实施方式中，涂层厚度如下：第一Ti(C，N)基层为4到10μm，优选7μm，氧化铝层为4到10μm，优选约7μm，最上面的Ti(C，N)层为2到6μm，优选约4μm。总涂层厚度为15到25μm量级。
本发明进一步与下面的实施例结合进行说明，它们被认为是本发明的例证。但是应知道，本发明不限于这些实施例的具体细节。
实施例1
对根据本发明的两个相同的多层涂层进行测试。这些涂层之间的唯一区别就是Al2O3层的相组成。涂层的具体组成如下：
| 涂层1 | 涂层2 | ||
| Ti(C，N) | 7μm(厚度) | Ti(C，N) | 7μm(厚度) |
| κ-Al2O3 | 7μm(厚度) | α-Al2O3 | 7μm(厚度) |
| Ti(C，N) | 4μm(厚度) | Ti(C，N) | 4μm(厚度) |
根据下列条件，用间隙车削冷却剂对涂层进行比较：
切割速度：Vc＝300m/min
加 料：f＝0.4mm/v
工作件料：SS1672
操 作：带有冷却剂的间隙车削
图5(a)表示实施例1的涂层1，图5(b)显示了实施例1的涂层2。由图5(a)和图5(b)可以清楚地看到，带有α-Al2O3的涂层表现出少得多的碎屑。
实施例2
根据下列条件，用铸铁测试相同的涂层：
切割速度：Vc＝400m/min
切割深度：ap＝2.5mm
加 料：f＝0.4mm/v
工作件料：SS0130，铸铁
图6表示实施例2指定条件下，在车削2分钟后，涂层1(图6(a))和涂层2(图6(b))的刃口。在Al2O3层上存在相对厚的碳氮化物层的条件下，相之间的区别变得非常清楚，涂层2，例如α-Al2O3涂层明显优于涂层1，即κ-Al2O3涂层。
实施例3
根据下列条件，在较低的切割速度下测试涂层1和2：
切割速度：Vc＝250m/min
切割深度：ap＝2.5mm
加 料：f＝0.4mm/v
工作件料：SS0130，铸铁
图7(a)和图7(b)分别显示了涂层1和2的边缘碎屑结果。图7(a)和图7(b)显示出涂层2在较低的切割速度下比涂层1具有少得多的边缘碎屑。
实施例4
在相同条件下测试实施例1的涂层，除了没有冷却剂。涂层的刀口强度以车削边缘线表示，作为与工作件料接触的边缘线的百分比。这个试验的结果如表1所示。
表1涂层的刀口强度
| 涂层 | 刀口碎屑(％) | 寿命(min) |
| 涂层1：Ti(C，N)-κ-Al2O3-Ti(C，N) | 26 | 12 |
| 涂层2：Ti(C，N)-α-Al2O3-Ti(C，N) | 8 | 15 |
尽管本发明以优选的实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应该明白对本发明进行的增加、删除、修改或替代可以不脱离所附的本发明权利要求的精神和范围。
Claims (23)
1.一种涂层烧结的硬质合金体，包括
一个硬质合金体；
邻接该硬质合金体的第一层，所述第一层含有Ti(C，N)，厚度为3到20μm；
邻接所述第一层的氧化铝层，该氧化铝层含有α-Al2O3或κ-Al2O3，厚度为1到15μm；
邻接该氧化铝层的含有Ti、Zr和Hf中的一个或多个的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的较远层，所述较远层的厚度为1到15μm；
一个与所述较远层邻接的减少摩擦层，所述减少摩擦层包括γ-Al2O3和κ-Al2O3中的一个或多个，其中该减少摩擦层的厚度为1到5μm。
2.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，包括介于硬质合金体和第一层之间的TiN的粘合层。
3.如权利要求2的涂层烧结的硬质合金体，其中粘合层的厚度为0.5到2μm。
4.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中所述第一层的Ti(C，N)包括CVD Ti(C，N)、MTCVD Ti(C，N)或它们的组合。
5.如权利要求4的涂层烧结的硬质合金体，其中所述第一层包括邻接硬质合金体的柱形Ti(C，N)的第一部分和等轴Ti(C，N)的第二部分。
6.如权利要求5的涂层烧结的硬质合金体，包括介于第一和第二部分之间的TiN层。
7.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中第一层包括含有MTCVD Ti(C，N)、TiN和TiC的多层。
8.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中氧化铝层为α-Al2O3。
9.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中氧化铝层为κ-Al2O3。
10.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中氧化铝层包括一个含有4到150层氧化铝的多层。
11.如权利要求10的涂层烧结的硬质合金体，其中所述多层的各层厚度为0.05到1.0μm。
12.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中所述第一层包括含有4到150层Ti(C，N)的多层。
13.如权利要求12的涂层烧结的硬质合金体，其中所述多层的各层厚度为0.05到1.0μm。
14.如权利要求12的涂层烧结的硬质合金体，其中Ti(C，N)多层包括散置于含有Al2O3和Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物中的一种或多种的多层之间的Ti(C，N)多层。
15.如权利要求14的涂层烧结的硬质合金体，其中所述多层的各层厚度为0.05到1.0μm。
16.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，包括布置于较远层之上的TiN层，该TiN层的厚度为0.5到2μm。
17.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中第一层的厚度为5到10μm。
18.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中氧化铝层的厚度为5到10μm。
19.如权利要求1的涂层烧结的硬质合金体，其中较远层的厚度为2到5μm。
20.一种切割铸铁的方法，包含使用如权利要求8的涂层烧结的硬质合金体。
21.一种切割钢的方法，包含使用如权利要求8的涂层烧结的硬质合金体。
22.一种切割钢的方法，包含使用如权利要求9的涂层烧结的硬质合金体。
23.一种切割钢的方法，包含使用如权利要求10的涂层烧结的硬质合金体。
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