涂层切削刀具的制作方法

专利名称：涂层切削刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于金属加工的涂层切削刀具，其具有硬质合金的基
底和在所述基底的表面上的通过物理气相沉积(PVD)或等离子增强化 学气相沉积(PECVD)而沉积上的硬且耐磨的耐火涂层。
背景技术：
在例如硬质合金切削刀具上沉积氧化铝、碳化钛和/或氮化物等材 料的薄陶瓷涂层(l-20/m!)的工艺为沿用已久的技术，当涂层切削刀具用 于金属加工时，其刀具寿命将显著地延长。刀具的延长的使用寿命在 一定条件下可延长得比无涂层切削刀具的使用寿命大几百个百分比。 这些陶瓷涂层通常包括单个层或复合层。现代商用切削刀具的特征在 于具有两层或多层结构的多层组合。总涂层厚度在l/mi和20/xm之间 变化，各个子层的厚度在几微米至百分之几微米之间变化。
用于沉积这种层的已确立的技术是CVD和PVD(例如参见U.S.4， 619， 866和U.S. 4， 346， 123)。硬质合金或高速钢的PVD涂层的商用切 削刀具通常具有单层的TiN， Ti(C， N)或(Ti， A1)N的均相成分，或所述 相的多层涂层，各层均为单相材料。
存在几种能够在切削刀具上形成薄的耐火涂层的PVD技术。最常 用的方法是离子镀，磁控溅射，电弧放电蒸发和IBAD(离子束辅助沉积) 以及上述方法的混合工艺。各种方法具有其自有的优点，且所形成的 层的固有特性，诸如微观结构和粒度，硬度，应力状态，内聚性和对 下面基底的粘附性，这些特性可根据具体选择的PVD方法而变化。因 此，可通过优化上述特性中的一个或多个特性而提高在具体加工操作 中使用的PVD涂层切削刀具的耐磨性和刀刃完整性。
颗粒强化陶瓷已被熟知，其采用体积较大的形式的结构材料，然 而不是纳米组合材料，直到近来为止。具有不同的纳米分散颗粒的氧
化铝块状陶瓷公开在J. F. Kuntz等人的MRS Bulletin Jan 2004， pp 22-27 中。氧化锆和二氧化钛增韧氧化铝CVD层，例如公开在US 6,660,371， US 4，702，907和US 4,701,384中。在这些公开文献中，层通过CVD技术 沉积，因此形成的Zr02相是热力学稳定相，其被称之为单斜晶相。此 外，CVD沉积层通常具有拉伸应力或低水平的压縮应力，而PVD或 PECVD层由于这些沉积工艺的固有性而通常具有高水平的压縮应力。 在US 2005/0260432中描述了对氧化铝+氧化锆CVD层进行喷射而产生 压縮应力水平。已知喷射工艺提供适度水平的压縮应力。
诸如四方相或立方相的氧化锆的亚稳相已经证明通过称为相变 增韧的机理(Hannink等人，J. Am. Ceram. Soc. 83(3) 461-67; Evans, Am. Ceram. Soc.73(2) 187-206 (1990))进一步增强块状陶瓷。通过添加诸如Y 或Ce的稳定性元素，或者通过存在PVD应用通常所需要的诸如真空 (Tomaszewski等人，J. Mater. Sci. Lett 7 (1988) 778-80)的缺氧环境，已 经证明促进了这种亚稳相。PVD工艺参数的变化已经证明导致氧化 锆中的氧化学当量和亚稳相构成的变化，尤其是立方的氧化锆相(Ben Amor等人，Mater. Sci. Eng. B57 (1998) 28)。
用于切割应用的、由金属氮化物或金属碳化物组成的多层PVD层 在揭示金属氮化物和碳化物的对称的多层结构的文献EP0709483和描 述非周期性层压的多层金属氮化物和碳化物的文献US 6,103,357中给 出了叙述。
瑞典专利申请No.SE0500867-7和SE0600104-4公开了 一种用于金
属加工的切削刀具刀片，其中至少在该切削刀具刀片的表面的作用部 分涂敷有薄的、粘附的、硬的耐磨涂层。涂层包括由粒度为l-100nm的 两种组分组成的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层。

发明内容
本发明的目的是提供一种PVD或PECVD涂层切削刀具，其具有改
善的耐磨性和改善的抗热量引起的失效性。


图l是通过本发明的涂层切削刀具所得的横截面的示意性视图，其
示出了涂有具有各个的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层M^XC3)， Me2X(4)的非周期性层压的多层(2)，每层均具有单独的层厚度(5)。各层 厚度的顺序在整个多层上基本上是非周期性的。
具体实施例方式
根据本发明，提供一种用于诸如车削、磨削、钻削的金属加工的 切削刀具，其包括硬质合金的硬合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼 或高速钢制成的基底，优选为硬质合金或金属陶瓷的基底，在该基底 上沉积有包括层压的多层的耐磨涂层。切削刀具的形状包括可转位刀 片以及诸如钻头、端铣刀等的柄式工具。涂层还可在层压的多层下方 包括金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物的第一内部单层或多层， 其中根据现有技术，金属原子为Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si的一种或多种，厚度在0.2至20/mi的范围中。
涂层被涂敷在整个基底或者至少在基底的作用表面上，例如切削 刃，前刀面，侧刀面和参与金属切削工艺的任何其它表面。
根据本发明的涂层被粘附性地结合至基底，并包括交替的PVD或 PECVD金属氧化物层的叠层多层，Me!X+Me2X+Me!X+Me2X…，其中 金属原子Me!和Me2为Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y和Si 中的一种或多种，优选为Hf， Ta， Cr， Zr和Al，最优选为Zr和Al，且 其中MqX和Me2X中的至少一个为金属氧化物基体中的分散金属氧化 物成分的纳米复合层，以下称之为金属氧化物+金属氧化物纳米复合。
MqX和Me2X层在成分或结构或者在这两个特性方面都是不同的。各个 MqX或Me2X层厚度的顺序优选在整个多层上为非周期性的。非周期性 应理解为叠层多层中的具体的单个层的厚度不取决于紧接下方的单个 层，也不与该具体的单个层上方的单个层存在任何关系。因此，叠层 多层在各涂层厚度的顺序中不具有任何重复的周期性。此外，各层厚 度大于0.4nm，但小于50nm，优选为大于lnm且小于30nm，最优选为大 于5nm且小于20nm。叠层多层的总厚度在0.2和20/mi之间，优选在0.5 和5/xm之间。
一个单独金属氧化物+金属氧化物纳米复合层由具有不同成分和 不同结构的两种组分组成。各组分均为一种金属元素的单相氧化物或 两种或多种金属氧化物的固溶体。材料的微观结构的特征在于，由组 分B围绕的组分A的纳米尺寸的晶粒或晶柱的平均晶粒或晶柱尺寸为 l-100nm，优选为l-70nm，最优选为l-20nm。组分B的平均线性截距为 0.5-200謹，优选为0.5-50nm，最优选为0.5-20nm。
金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的氧含量低于化学计量氧含
量，其中氧金属原子比为化学计量的氧金属原子比的85-99%，优
选为90-97%。组分A和B的体积含量分别为40-95%和5-60%。
在本发明的一个示例性实施例中，MqX为包含组分A的晶粒或晶 柱和围绕的组分B的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，组分A优选采 用四方氧化锆或立方氧化锆的形式，组分B优选采用非晶氧化铝或晶态 氧化铝的形式，其为阿尔法(a)和伽玛Cy)相中的一种或两种，M^X为 八1203层，优选为阿尔法(a)和伽玛Cy)相中的一种或两种。
在本发明的另一个示例性实施例中，MqX为包含组分A的晶粒或 晶柱和围绕的组分B的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，组分A采用 铪氧化物的形式，组分B采用非晶氧化铝或晶态氧化铝的形式，其为阿 尔法(a)和伽玛(力相中的 一种或两种，MezX为入1203层，优选为阿尔法(a)
和伽玛(力相中的一种或两种。
在本发明的另一个示例性实施例中，M^X为包含组分A的晶粒或
晶柱和围绕的组分B的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，M^X为包 含组分A和围绕的组分B的晶粒或者晶柱的金属氧化物+金属氧化物纳 米复合层，其中MqX的组分A的金属原子与Me2X的组分A的金属原子 不同，并且/或者MqX的组分B的金属原子与Me2X的组分B的金属原子 不同。
在本发明的又一个示例性实施例中，MqX为包含组分A的晶粒或 晶柱和围绕的组分B的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，组分A采用 四方氧化锆或立方氧化锆的形式，组分B采用非晶氧化铝或晶态氧化铝 的形式，M^X为包含组分A的晶粒或晶柱和围绕的组分B的金属氧化物 +金属氧化物纳米复合层，组分A采用四方氧化锆或立方氧化锆的形式， 组分B采用非晶氧化铝或晶态氧化铝的形式，其中M^X中的组分A的体 积含量大于Me2X中的组分A的体积含量，优选Me,X中的组分A的体积 含量以绝对单位比Me2X中的组分A的体积含量至少大2.5。/。，最优选 Me,X中的组分A的体积含量以绝对单位比Me2X中的组分A的体积含量 至少大5%。
叠层多层还具有由制造方法产生的残余应力，该应力在200至 5000MPa的范围中，优选为在1000至3000MPa的范围中。
涂层在叠层多层的顶部还包括金属碳化物、金属氮化物或金属碳 氮化物的外部单层或多层，其中金属原子为Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y和Si中的一种或多种，该层的厚度为0.2-5jam。
根据本发明的层通过PVD技术、PECVD技术或这些技术的混合而 制成。这种技术的例子为RF(射频)磁控溅射，DC磁控溅射和脉冲双磁 控溅射(DMS)。所述层在200-85(TC的基底温度下形成。
当PVD工艺的类型允许时，利用组合氧化物靶材料沉积金属氧化 物+金属氧化物纳米复合层。在环绕反应气体中，利用金属靶的反应工 艺为可选的工艺路线。对于通过磁控溅射方法制造金属氧化物层的情 况，可使用两种或多种单个金属靶，其中通过接通和切断分离的靶来 控制金属氧化物+金属氧化物纳米复合成分。在优选方法中，靶为化合 物，其具有反映所需层成分的成分。对于射频(RF)溅射的情况，通过对
分离的耙施加独立的可控功率水平来控制成分。
可通过在大规模的PVD或PECVD工艺中多重旋转基底来形成非周 期性的层结构。
組
由交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合Al203+Zr02层和Al203 层组成的非周期性叠层多层利用射频溅射PVD方法而沉积在基底上。
通过高纯度氧化物靶，根据温度和氧化锆对氧化铝的比率，施加 不同的工艺条件，从而沉积纳米复合层。在形成的纳米复合层中的两 种氧化物的含量通过在氧化锆靶上施加一个功率水平和在氧化铝靶上 施加单独的功率水平来进行控制。将氧化铝添加至氧化锆熔剂(flux)， 以形成具有亚稳Zr02相的复合材料。本例的靶功率水平在各氧化物靶 上为80W。调节溅射速率，以使锆的百分比比铝的百分比高两倍。氧 金属原子比为化学计量的氧金属原子比的94%。
在氩气环境中利用氧化铝靶来沉积Al203层。
通过XRD和TEM分析所得的层。XRD分析显示出在纳米复合层 中没有结晶的A1203的痕迹，而八1203层主要由伽玛八1203组成。
TEM研究显示出沉积的涂层由交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的叠层多层组成，其包括由线性截距为2nm的非晶相(组分B) 围绕的平均粒径为4nm的晶粒(组分A)，和伽玛八1203层。纳米复合层的 晶粒为立方Zr02，而围绕的相具有较高的铝含量。各层厚度的范围为6 至20nm，总的多层厚度为大约l/mi。
两种组分A和B的相对体积含量分别为大约70。/。和30。/。，其通过 TEM图像的ERD A分析和ED S线扫描确定。
脆
在氩气和氧气气氛中，利用高纯度铝和锆靶，利用反应射频溅射 PVD方法，将由Al203+Zr02和伽玛Al203层的交替的金属氧化物+金属氧 化物纳米复合层组成的叠层多层涂层沉积在基底上。两种氧化物在所 形成的层中的含量通过在锆靶上施加一个功率水平和在铝靶上施加单 独的功率水平来控制。调节溅射速率，以促使形成复合材料，其具有 高l-2倍at-。/。的锆。在氩气+氧气气氛中，利用铝靶沉积八1203层。
XRD结果显示在纳米复合层中存在亚稳Zr02相。TEM研究显示 沉积的涂层由交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的叠层多层 组成，其包括由线性截距为3nm的非晶相(组分B)围绕的平均粒径为6nm 的晶粒(组分A)，和伽玛Al203层。纳米复合层的晶粒具有较高的锆含量， 而围绕的相具有较高的铝含量。各层厚度的范围为10至20nm，总的多 层厚度为大约3/mi。
两种组分A和B的相对体积含量分别为大约75。/。和25。/。，其通过 TEM图像的ERD A分析和EDS线扫描确定。
塗
在氩气和氧气气氛中，利用高纯度铝+锆靶，利用双磁控溅射PVD 方法，将两个Al203+Zr02的交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层 组成的叠层多层涂层沉积在基底上。两种氧化物在形成的相应的纳米
复合层中的含量通过在两种元素在耙中的相对含量来控制。通过转动 整个基底台、用于基底被安装处的、用于销的单独的保持器和各个销， 使基底进行三重的旋转。
XRD结果显示在层中存在亚稳Zr02相。TEM研究显示沉积的
涂层由两种交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的叠层多层组
成，其包括平均粒径为6nm的晶粒(组分A)。层的晶粒具有较高的锆含 量，而围绕的相具有较高的铝含量。各层厚度的范围为10至20nm，总 的多层厚度为大约3/mi。
通过TEM图像的ERDA分析和EDS线扫描揭示出叠层多层由交替 的层组成第一层具有体积含量为大约70。/。的组分A和体积含量为大约 30。/。组分B，第二层具有体积含量为大约50。/。的组分A和体积含量为大 约50。/。的组分B。
权利要求
1.一种切削刀具，包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成的基底，至少在该基底的表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂层，其特征在于所述涂层包括交替的PVD或PECVD金属氧化物层的叠层多层，Me1X+Me2X+Me1X+Me2X...，其中所述金属原子Me1和Me2为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种，优选为Hf，Ta，Cr，Zr和Al，最优选为Zr和Al，且Me1X和Me2X中的至少一个为由具有不同成分和不同结构的两种组分，组分A和组分B构成的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，所述两种组分由一种金属元素的单相氧化物或两种或多种金属氧化物的固溶体组成，其中所述Me1X层和Me2X层在成分或结构或这两个特性方面均是不同的，且各层厚度大于0.4nm但小于50nm，所述叠层多层的总厚度在0.2和20μm之间。
2. 如前述权利要求所述的切削刀具，其特征在于所述各个MqX 和Me2X层厚度大于lnm且小于30nm。
3. 如前述权利要求所述的切削刀具，其特征在于所述涂层还包括厚度在0.2/mi和20/xm之间的金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化 物的第一、内部单层或多层，其中金属原子选自Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si的一种或多种。
4. 如前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于所述 涂层在叠层多层的顶部上还包括厚度在0.2/mi和5/mi之间的金属碳化 物、金属氮化物或金属碳氮化物的外部单层或多层涂层，其中金属原 子选自Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si的一种或多种。
5. 如前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于所述 组分A的平均粒径为l-100nm，优选为l-70nm，最优选为l-20nm。
6. 如前述权利要求所述的切削刀具，其特征在于所述组分B的 平均线性截距为0.5-200nm，优选为0.5-50nm，最优选为0.5-20nm。
7. 如前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于组分A和B的体积含量分别为40-95%和5-60%。
8. 如前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于所述 组分A包括四方氧化锆或立方氧化锆，所述组分B为非晶氧化铝或晶 态氧化铝，其为阿尔法(a)和伽玛(力相中的一种或两种。
9. 如前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于MeiX 为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，Me2X为阿尔法(a)和伽玛(Y)相 中的 一 种或两种的晶态氧化铝。
全文摘要
本发明涉及切削刀具，包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成的基底，至少在该基底的表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂层，其中，所述涂层包括交替的PVD或PECVD金属氧化物层的叠层多层，Me₁X+Me₂X+Me₁X+Me₂X...，其中金属原子Me₁和Me₂为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种，且Me₁X和Me₂X中的至少一个为由具有不同成分和不同结构的两种组分，组分A和组分B构成的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，这两种组分由一种金属元素的单相氧化物或两种或多种金属氧化物的固溶体组成，其中Me₁X层和Me₂X层在成分或结构或这两个特性方面均是不同的，且各层厚度大于0.4nm但小于50nm，所述叠层多层的总厚度在0.2和20μm之间。
文档编号B32B33/00GK101164773SQ2007101671
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者托尔比约恩·塞林德, 玛丽安娜·科林, 英丽德·赖内克 申请人:山特维克知识产权股份有限公司