专利名称：氧氮化铝涂覆的物品及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种涂覆的物品，例如像一种涂覆的切削刀具、一种涂覆的(坚硬的)碳化物钻头以及一种端铣刀。本发明进一步涉及一种涂覆的磨损部件，例如像阀体、冲头和模ロ。更确切地说，本发明涉及具有ー个基底以及在该基底上的涂覆方案的一种涂覆的物品，如ー种切削刀具或磨损部件。该涂覆方案包括通过化学气相沉积(CVD)而沉积的ー个氧氮化铝涂层。总体而言，该涂覆方案进ー步包括一个或多个其他涂层。本发明还涉及ー种用于制造带有氧氮化铝涂层的涂覆的物品(如切削刀具或磨损部件)的方法。该方法包括提供ー个基底、并然后通过化学气相沉积而沉积ー种涂覆方案。该涂覆方案包括至少ー个氧氮化铝涂层。该气态混合物包括以下气体氢气、氮气、三氯化铝、ニ氧化碳、氯化氢、氨、以及任选的ー氧化碳和/或氩气。
背景技术：
迄今为止，在授予Fried Krupp的英国专利申请GB 2038370A中，ー种切削镶片包括一种涂覆方案，该涂覆方案包括ー个金属氮氧化物涂层，其中该金属可以是铝、钛或锆。在一个实例中，一种硬质材料的可分度的切削镶片涂覆有来自TiCl4和CH4的气态混合物的一个碳化钛层。接着，该碳化钛涂层被涂覆有ー个具有等于4的原子百分比的氮含量的Al2O2. Λ. 2层。该气态混合物包括50 %的H2、46. 6 %的N2、O. 4 %的NH4、2 %的CO2以及I %的AlCl3O见第I页第51行至第59行。在授予Sarin的美国专利号4，950，558中，一个陶瓷基底在其上具有一种涂覆方案。这些涂层之ー包括AlxOyNz，它是一种在组成上被分级的涂层。根据Sarin的专利(见第5栏第21行至第39行)，该氧氮化铝涂层可以通过同时进行以下反应来沉积(I) AlCl3 (g) +NH3 (g) — AlN(s)+3HCl(g)(2) 2A1C13 (g) +C02+3H2 — Al2O3 (s) +6HC1 (g)在这些实例中，该氧氮化铝涂层具有ー种分级的组成。虽然早期的产品包括了氧氮化铝的CVD涂层，但仍需要提供ー种具有改进的性能特性的涂覆的物品，如ー种切削刀具或磨损部件，它具有包括氧氮化铝涂层的一种涂覆方案。这样ー种涂覆的切削刀具或磨损部件呈现了具有减小的拉伸应力直至中等的压缩应力的一个氧氮化铝涂层。减小的拉伸应力或中等的压缩应力条件可以归因于较低的热膨胀特性、良好的热稳定性、或者高的硬度中的ー个或多个。高度希望的是提供一种改进的涂覆的物品，如涂覆的切削刀具或涂覆的磨损部件，其具有包括氧氮化铝涂层的一种涂覆方案，其中该切削镶片连同磨损部件都具有改进的性能特性。这些改进的性能特性包括増大的耐磨性以及増大的抗热震性。此外，高度希望的是提供一种涂覆的物品(如一种涂覆的切削刀具或涂覆的磨损部件)，它具有一个表现出减小的拉伸应力直至中等的压缩应力的氧氮化铝涂层。通过提供ー种具有减小的拉伸应力直至中等的压缩应力的氧氮化铝涂层，该涂覆的物品表现出了对裂缝生长的抵抗性。在这样ー种涂层中，拉伸应力条件了支持裂缝生长而压缩应カ条件避免了裂缝和裂缝生长。在类似间断的切割的一种应用中，避免裂缝和裂缝生长是特别有利的。另外，高度希望的是提供一种涂覆的物品(如一种涂覆的切削刀具或涂覆的磨损部件)，其具有一个氧氮化铝涂层，该氧氮化铝涂层具有较低的热膨胀特性，即在该涂层的表面上看不到微裂纹。在定量的意义上，这意味着在30X的光学显微镜下在涂层的月牙洼截面中观察到零裂缝产生。通过提供ー种具有较低热膨胀特性的氧氮化铝涂抗热震性热震稳定性层，该涂覆的物品消除了热开裂的出现，这有益于改进切削刀具的抗热震性。另外，高度希望的是提供一种涂覆的物品(如一种涂覆的切削镶片或一种涂覆的磨损部件)，其具有一个氧氮化铝涂层，该氧氮化铝涂层表现出良好的热稳定性，即该涂层在1200°C下在真空中热处理2小时后仍然存在。这意味着通过X射线衍射检测不到任何的相转变。通过提供ー个具有良好的热稳定性的氧氮化铝涂层，该涂覆的物品表现出改进的耐磨性。最后，高度希望的是提供一种涂覆的物品(如一种涂覆的切削镶片或涂覆的磨损部件)，其具有一个氧氮化铝涂层，该氧氮化铝涂层表现出高的硬度，即当按照ISO 3878测量时硬度值HV0. 5等于至少约2200。通过提供ー个具有高硬度的氧氮化铝涂层，该涂覆的物品表现出改进的耐磨性。
发明内容
本发明在其ー种形式中是用于制造涂覆的物品的ー种方法，该方法包括以下步骤提供ー个基底；由一种气态混合物沉积ー个氧氮化铝涂层，该气态混合物包括量值在该气态混合物的大约30. O的体积百分比与大约65. O的体积百分比之间的氮气；量值在该气态混合物的大约O. 7的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的三氯化铝；量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的氨；量值在该气态混合物的大约O. I的体积百分比与大约I. 5的体积百分比之间的ニ氧化碳；量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约4. 5的体积百分比之间的氯化氢；任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳；任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；并且氢气为该气态混合物的余量。本发明在其另ー种形式中是ー种涂覆的物品。该涂覆的物品具有ー个基底，该基底具有ー个基底表面；以及在该基底上的一个涂覆方案。该涂覆方案包括ー个含钛涂层、以及在该含钛涂层上的ー个氧氮化铝涂层。该氧氮化铝包括多个相的ー种混合，这种多个相的混合具有ー种六边形氮化铝类型结构(空间群P63mc)、ー种立方体的氮化铝类型结构(空间群Fm-3m)以及任选的非晶态结构。该氧氮化铝涂层具有ー种组成，该组成包括量值在大约20的原子百分比与大约50的原子百分比之间的铝、量值在大约40的原子百分比与大约70的原子百分比之间的氮、以及量值在大约I的原子百分比与大约20的原子百分比之间的氧。本发明在其又ー种形式中是通过ー种方法制造的涂覆的物品，该方法包括以下步 骤提供ー个基底；由一种气态混合物沉积ー个氧氮化铝涂层，该气态混合物包括量值在该气态混合物的大约30. O的体积百分比与大约65. O的体积百分比之间的氮气；量值在该气态混合物的大约O. 7的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的三氯化铝；量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的氨；量值在该气态混合物的大约O. I的体积百分比与大约I. 5的体积百分比之间的ニ氧化碳；量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约4. 5的体积百分比之间的氯化氢；任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳；任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；并且氢气为该气态混合物的余量。
以下是对附图的简要说明，这些附图形成本专利申请的一部分图I是ー种代表性的涂层切削镶片的等距视图，其中将该涂覆方案的一部分移除以便露出下面基底；
图2是ー种涂覆方案的ー个具体实施方案的示意性截面图；图3是ー种涂覆方案的ー个第二具体实施方案的示意性截面图；图4是ー种涂覆方案的ー个第三具体实施方案的不意性截面图；图5是ー种涂覆方案的一个第四具体实施方案的示意性截面图；图6是实例I的氧氮化铝涂层的表面的显微照片(放大倍数等于10，000X)；图7是以截面示出实例I的涂覆方案的ー张显微照片(放大倍数等于15，000X)；图8是以截面示出实例I的涂覆顺序的ー张显微照片；图9是实例I的氧氮化铝涂层的掠角入射X射线衍射图谱，其中，入射角为1°、3。、5。、7。和 9。；图10是以截面示出实例2的涂覆顺序的ー张显微照片；并且图11是以截面示出的实例3的涂覆顺序的一张显微照片。
具体实施例方式參见这些附图，图I是总体上表示为30的ー个代表性的涂覆的切削镶片(涂覆的物品)的等距视图。涂覆的切削镶片30具有ー个基底32 (由于已经将该涂层的一部分移除，该基底是可见的)以及ー种涂覆方案34。涂覆的切削镶片30具有一个肋侧面38以及一个前刀面40，其中，ー个切削刃42位于肋侧面38与前刀面40的接合处。涂覆的切削镶片30适合用于形成切屑的材料去除操作中。在ー种形成切屑的材料去除操作中，该切削镶片接合一个エ件从而从エ件上典型地以切屑的形式去除材料。ー种典型地将材料以切屑的形式从エ件上去除的材料去除操作被本领域普通技术人员称为ー种形成切屑的材料去除操作。Moltrecht的书《机械エ厂实践》(Machine Shop Practice)「纽约エ业出版社有限公司，纽约((1981)]在199至204页尤其提供了对于切屑形成、以及不同种类的切屑(即，连续的切屑、不连续的切屑、片段式切屑)的ー种描述。Moltrecht在199至200页的[部分]中说到“当切削刀具与金属第一次接触吋，它挤压切削刃的金属头部。当刀具前进时，切削刃的金属头部被压到它将在内部进行剪切的点上，从而引起该金属的晶粒变形并且沿着一个称为剪切面的平面塑性地流动......当被切削的金属类型为易延展的时候(如钢)，切屑将以连续的带状物掉落……’loltrecht继续说明了一种不连续的切屑以及ー种片段式切屑的形成。作为另ー个实例，在ASTE工具工程师丰册(ASTE Tool Engineers Handbook),纽约耒克劳·希尔图书公司(McGraw Hill Book Co.)纽约(1949)的第302至315页找到的内容提供了对于金属切削过程中的切屑形成的ー个冗长的说明。这个ASTE手册在第303页展示了在切屑形成与机加工操作(如车削、铣削以及钻孔)之间的清楚的关系。以下专利文件讨论了在材料去除操作中的切屑形成授予Battaglia等人的美国专利号5，709, 907 (转让给肯纳金属公司(Kennametal Inc.))、授予Battaglia等人的美国专利号5，722，803 (转让给肯纳金属公司)、以及授予Oles等人的美国专利号6 ，161，990 (转让给肯纳金属公司)。如在上文中所说明的，该涂覆的物品还包括一种涂覆的磨损部件。一种涂覆的磨损部件包括但不限于以下部件阀体、冲头和模ロ。具体的涂覆方案在图2至图5中示出。图2以示意性的形式示出了一个涂覆的切削镶片50的截面。虽然这些附图展示了一种涂覆的切削镶片(或切削刀具)，但应该认识到该涂覆方案适用于磨损部件。该涂覆的切削镶片50具有ー个基底52以及其上的ー种涂覆方案54。该涂覆方案54包括氮化钛的ー个基础涂层56以及在该基底涂层上的一个氧氮化铝涂层58。图3以示意性的形式示出了一个涂覆的切削镶片60的截面。该涂覆的切削镶片60具有ー个基底62以及其上的一种涂覆方案64。该涂覆方案64包括氮化钛的ー个基础涂层66以及在该基底涂层上的氧氮化铝的ー个中间涂层68。K -氧化铝的ー个外部涂层69位于该氧氮化铝涂层之上。图4以示意性的形式示出了一个涂覆的切削镶片70的截面。虽然这个图展示了一种涂覆的切削镶片(或切削刀具)，但应该认识到该涂覆方案适用于磨损部件。该涂覆的切削镶片70具有ー个基底72以及其上的一种涂覆方案74。该涂覆方案74包括具有氮化钛的ー个基础涂层75以及MT-碳氮化钛的ー个中间涂层76。一个氧氮化铝涂层77位于该中间涂层76之上。氮化铝的ー个外部涂层78位于该氧氮化铝涂层77之上。图5以示意性的形式示出了一个涂覆的切削镶片80的截面。虽然这个图展示了一种涂覆的切削镶片(或切削刀具)，但应该认识到该涂覆方案适用于磨损部件。该涂覆的切削镶片80具有ー个基底82以及其上的一种涂覆方案83。该涂覆方案83包括氮化钛的ー个基础涂层84以及在该基础涂层上的一个氧氮化铝涂层85。ー个氧碳氮化钛涂层87位于该氧氮化铝涂层85之上。该外部涂层88是α-氧化铝并且是在该氧碳氮化钛涂层之上。如以上提到的，该氧氮化铝涂层是通过化学气相沉积(CVD)而沉积的。以下在表I中说明了用于沉积该氧氮化铝涂层的这些基本エ艺參数(例如，温度、压カ和气体组成)。关于温度和压力，存在一个较宽的范围和一个较窄的、优选的(或优选地)范围。该气体组成是以该气态混合物的体积百分比来计。表I.AlON涂覆的エ艺參数范围
权利要求
1.一种用于制造涂覆的物品的方法，该方法包括以下步骤 提供一个基底； 由一种气态混合物沉积ー个氧氮化铝涂层，该气态混合物包括 量值在该气态混合物的大约30. O的体积百分比与大约65. O的体积百分比之间的氮气; 量值在该气态混合物的大约O. 5的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的氨； 量值在该气态混合物的大约O. I的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约4. 5的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；以及 作为余量的氢气。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，该沉积步骤在大约750°C与大约1020°C之间的温度下发生。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，该沉积步骤在大约850°C与大约950°C之间的温度下发生。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，该沉积步骤在大约10毫巴与大约900毫巴之间的压カ下发生。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，该沉积步骤在大约50毫巴与大约100毫巴之间的压カ下发生。
6.根据权利要求I所述的方法，其中在该气态混合物中包括 量值在该气态混合物的大约30的体积百分比与大约40的体积百分比之间的氮气； 量值在该气态混合物的大约O. 5的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的氨； 量值在该气态混合物的大约O. 2的体积百分比与大约I. 5的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约3. O的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩；以及 作为余量的氢气。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在该气态混合物中包括量值在该气态混合物的大约O. 2的体积百分比与大约O. 6的体积百分比之间的ニ氧化碳。
8.根据权利要求6所述的方法，其中在该气态混合物中包括量值在该气态混合物的大约O. 7的体积百分比与大约I. 5的体积百分比之间的ニ氧化碳。
9.根据权利要求6所述的方法，其中在该气态混合物中包括量值在该气态混合物的大约O. 5的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的ニ氧化碳。
10.根据权利要求I所述的方法，其中在该气态混合物中包括 量值在该气态混合物的大约40的体积百分比与大约50的体积百分比之间的氮气； 量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. O的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的氨； 量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. 4的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约2. 5的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；以及 作为余量的氢气。
11.根据权利要求I所述的方法，其中在该气态混合物中包括 量值在该气态混合物的大约60的体积百分比与大约65的体积百分比之间的氮气； 量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. O的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的氨； 量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约2. 5的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；以及 作为余量的氢气。
12.根据权利要求I所述的方法，其中在该气态混合物中包括 量值在该气态混合物的大约60的体积百分比与大约65的体积百分比之间的氮气； 量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. O的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的氨；量值在该气态混合物的大约O. 6的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约2. 5的体积百分比与大约3. 6的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；以及 作为余量的氢气。
13.根据权利要求I所述的方法，其中，该氧氮化铝包括多个相的ー种混合，该多个相的混合具有ー种六边形氮化铝类型结构(空间群P63mc)、ー种立方体的氮化铝类型结构(空间群Fm-3m)、以及任选的非晶态结构。
14.根据权利要求I所述的方法，其中，该氧氮化铝具有ー种组成，该组成包括量值在大约20的原子百分比与大约50的原子百分比之间的铝、量值在大约40的原子百分比与大约70的原子百分比之间的氮、以及量值在大约I的原子百分比与大约20的原子百分比之间的氧。
15.根据权利要求I所述的方法，其中，该氧氮化铝具有ー种组成，该组成包括量值在大约32的原子百分比与大约38的原子百分比之间的铝、量值在大约63的原子百分比与大约67的原子百分比之间的氮、以及量值在大约4的原子百分比与大约6的原子百分比之间的氧。
16.根据权利要求I所述的方法，其中，该基底包括ー个具有切削刃的切削刀具基底，由此该涂覆的物品是ー种涂覆的切削刀具。
17.根据权利要求I所述的方法，其中，该基底包括ー个具有磨损表面的磨损部件基底，由此，该涂覆的物品是ー种涂覆的磨损部件。
18.—种涂覆的物品，包括 具有ー个基底表面的ー个基底、以及在该基底上的一种涂覆方案；并且 该涂覆方案包括 ー个含钛涂层； 在该含钛涂层上的一个氧氮化铝涂层； 该氧氮化铝包括多个相的ー种混合，该多个相的混合具有ー种六边形氮化铝类型结构(空间群P63mc)、ー种立方体的氮化铝类型结构(空间群Fm-3m)以及任选的非晶态结构；并且 该氧氮化铝涂层具有ー种组成，该组成包括量值在大约20的原子百分比与大约50的原子百分比之间的铝、量值在大约40的原子百分比与大约70的原子百分比之间的氮、以及量值在大约I的原子百分比与大约20的原子百分比之间的氧。
19.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，该含钛涂层是选自下组，该组由氮化钛以及碳氮化钛组成。
20.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，一个氧化铝涂层位于该氧氮化铝涂层之上。
21.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，一个氮化铝涂层位于该氧氮化铝涂层之上。
22.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，一个氧碳氮化钛涂层位于该氧氮化铝涂层之上。
23.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，该氧氮化铝具有ー种组成，该组成包括量值在大约32的原子百分比与大约38的原子百分比之间的铝、量值在大约63的原子百分比与大约67的原子百分比之间的氮、以及量值在大约4的原子百分比与大约6的原子百分比之间的氧。
24.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，该基底包括ー个具有切削刃的切削刀具基底，由此该涂覆的物品是ー种涂覆的切削刀具。
25.根据权利要求18所述的涂覆的物品，其中，该基底包括ー个具有磨损表面的磨损部件基底，由此，该涂覆的物品是ー种涂覆的磨损部件。
26.—种通过以下方法制造的涂覆的切削刀具或磨损部件，该方法包括以下步骤 提供一个基底； 由一种气态混合物沉积ー个氧氮化铝涂层，该气态混合物包括 量值在该气态混合物的大约30. O的体积百分比与大约65. O的体积百分比之间的氮气; 量值在该气态混合物的大约O. 5的体积百分比与大约I. 3的体积百分比之间的三氯化招; 量值在该气态混合物的大约I. O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的氨； 量值在该气态混合物的大约O. I的体积百分比与大约I. 6的体积百分比之间的ニ氧化碳; 量值在该气态混合物的大约I. 5的体积百分比与大约4. 5的体积百分比之间的氯化氢； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约2. O的体积百分比之间的ー氧化碳； 任选地量值在该气态混合物的大约O的体积百分比与大约25的体积百分比之间的氩气；以及 作为余量的氢气。
全文摘要
本发明涉及氧氮化铝涂覆的物品及其制造方法。一种涂覆的物品(如一种涂覆的切削刀具或涂覆的磨损部件)包括一个基底以及在该基底上的一种涂覆方案。该涂覆方案具有一个含钛涂层、以及在该含钛涂层上的一个氧氮化铝涂层。制造这种涂覆物品的方法包括以下步骤提供一个基底并且由一种气态混合物沉积一个氧氮化铝涂层，该气态混合物包括氮气、三氯化铝、氨、二氧化碳、氯化氢、任选的一氧化碳、任选的氩气、以及氢气。
文档编号C23C16/30GK102677016SQ20121006804
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者H·范登伯格, H·韦斯特法尔, M·S·格林菲尔德, V·佐特克, Y·刘, Z·班 申请人:钴碳化钨硬质合金公司