用于切削工具的涂层的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关专利申请资料
[0002] 本申请根据35 U.S.C. § 119(e)要求于2013年3月21日提交的美国临时专利申 请序列号61/804, 077的优先权，所述专利申请据此全文引入以供参考。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于切削工具的涂层。
【背景技术】
[0004] 包括烧结碳化物切削工具在内的切削工具已在带涂层和不带涂层两种条件下用 于对各种金属和合金进行机加工。为了提高切削工具耐磨性、性能和寿命，已将一层或多层 耐火材料施加于切削工具表面。已通过化学气相沉积（CVD)和通过物理气相沉积（PVD)将 例如TiC、TiCN、TiN和/或Al 2O3施加于烧结碳化物基底。虽然在多种应用中能有效抑制 磨损并延长工具寿命，但基于上述耐火材料的单层或多层构造的耐火涂层已日益达到其性 能极限，从而要求开发用于切削工具的新涂层结构。
[0005] 为提高性能，一些人已尝试了对Al2O3改性。授予Hillnhagen的DE2736982描述 了陶瓷基质（例如氧化铝），其中储存有另外的材料（例如Zr02)并且储存的材料具有明显 不同的热膨胀系数，从而产生具有极细的微裂纹的涂层。
[0006] 授予Sarin等人的US4702970和授予Sarin等人的US4749629描述了用具有至少 两个相的陶瓷涂层涂布的硬陶瓷基底。第一相为氧化铝、氧化锆或氧化钇的连续氧化物基 质层。至少一个不连续的第二或另外的铝、锆或钇氧化物相或其固溶体作为分立的颗粒分 散在基质层内。该另外的相的材料不同于基质材料。
[0007]在 Russell, W. C.，Strandberg，C.，"Wear Characteristics and Performance of Alumina-Zirconia CVD Coatings'，，Int. J of Refractory Metals&Hard Materials, 14(19 96) 51-58 (Russell, W. C.、Strandberg，C.，"氧化铝-氧化锆CVD涂层的磨损特性和性能"， 《国际耐火金属与硬质材料杂志》，第14卷，1996年，第51-58页）中，作者描述了在氧化铝 基质内使用各种掺杂量的ZrO 2。另外，这篇文章公开了与基底相邻的Ti层，然后是用于粘 附的纯氧化铝层，再是Al2O 3ArO2涂层。
[0008] 授予Tsushima等人的US7276301公开了具有TiOy上层的a -型（Al, Zr) 203层。 沉积具有(6-型晶体结构的（Al，Zr) 203。描述了涂布后热处理作为将（Al，Zr)203转化成 a -型晶体结构的方法。
[0009] 授予Tomita等人的US7597511公开了具有a -型晶体结构并含有Zr的氧化铝层。 据声称，含有Zr的涂层具有特定的晶体学取向，其中所定义的3值大于60%。
【附图说明】
[0010] 图1是带涂层的切削刀片的截面的显微照片，示出了根据本文所述的一个实施例 的涂层结构的各层。
[0011] 图2示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的基底。
[0012] 图3是通过扫描透射电镜产生的ZrAl2O3的截面的高角度环形暗场图像，下文称为 STEM HAADF。根据本文所述的一个实施例，经由X射线能量色散光谱分析，所选的区域在组 成上不同。
[0013] 图4示出了图3的图像中的区域1和区域2的能量色散X射线（EDS)光谱图。
[0014] 图5是根据本文所述的一个实施例产生的ZrAl2O3的截面的光学图像。
【具体实施方式】
[0015] 通过参考以下【具体实施方式】和实例以及它们以前和下面的描述可以更容易地理 解本文所述的实施例。
[0016] 然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于【具体实施方式】和实例中所述的具体 实施例。应当认识到，这些实施例只是示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神 和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
[0017] 在一个方面，描述了具有粘附到其上的涂层的切削工具，在一些实施例中，该涂层 可展示出所需的耐磨性和增加的切削寿命。带涂层的切削工具在一些实施例中包含基底和 粘附到基底上的涂层，该涂层包含通过化学气相沉积法而沉积的至少一个包含ZrAl 2O3的 Zr掺杂层。在一些实施例中，锆以选自表XI的量存在于多晶ZrAl2O 3层中。
[0018]表 XI-多晶 ZrAlf2层的 Zr
[0020] 作为掺杂剂，锆可掺入Al2O3相的晶格中。在此类实施例中，锆不形成与Al 203相分 开的氧化物相。
[0021] 现在转到具体的组成部分，本文所述的带涂层的切削工具包含基底。带涂层的切 削工具的基底可包含不违背本发明目的的任何材料。在一些实施例中，基底包含烧结碳化 物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷、钢、P⑶、PcBN或这些所列材料的组合。
[0022] 烧结碳化物基底在一些实施例中包含碳化钨（WC)。WC可以至少约70重量％的量 存在于基底中。在一些实施例中，WC以至少约80重量％的量或以至少约85重量％的量存 在于基底中。另外，烧结碳化物基底的金属粘结剂可包含钴或钴合金。钴例如可以约3重 量％至约15重量％范围内的量存在于烧结碳化物基底中。在一些实施例中，钴以约5重 量％至约12重量％或约6重量％至约10重量％范围内的量存在于烧结碳化物基底中。此 外，烧结碳化物基底可表现出始于基底表面并从基底表面向内延伸的粘结剂富集区。
[0023] 烧结碳化物基底还可以包含一种或多种添加剂，诸如，下列元素和/或其化合物 中的一者或多者：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/ 或铪与基底中的WC形成固溶体碳化物。基底在一些实施例中包含约0. 1重量％至约5重 量％范围内的量的一种或多种固溶体碳化物。另外，烧结碳化物基底可包含氮。
[0024] 在一些实施例中，本文所述的带涂层的切削工具的基底包括在基底的前刀面与后 刀面的接合点处形成的一个或多个切削刃。在其他实施例中，带涂层的切削工具的基底是 刀片、钻头、锯片或其他切削设备。
[0025] 图1是带涂层的切削刀片的截面的显微照片，示出了根据本文所述的一个实施例 的涂层结构的各层。图2示出了根据图1中所示的实施例的带涂层的切削刀片。图1和图 2的切削刀片包含烧结WC的基底1。基底1涂有多层涂层。从基底开始并向外推进，涂层 包含TiN的内层2、MT TiCN层3、TiCN层4、ZrAl203层5、倒数第二的TiCN层6和TiN外层 1。
[0026] 图3是通过STEM产生的ZrAl2O3的截面的HAADF图像。根据本文所述的一个实施 例，经由X射线能量色散光谱分析，所选的区域在组成上不同。图3的区域1突出显示不存 在Zr的ZrAl 2O3涂层的单个晶粒的截面。区域2突出显示可检测到Zr的相同晶粒的第二 个区域。图4示出了图3中的区域1和区域2的能量色散X射线（EDS)光谱图。EDS确认 了在区域2中存在Zr而在区域1中不存在Zr。该变掺杂已证实在某些金属切削条件下是 有利的。
[0027] 图5是根据本文所述的一个实施例产生的ZrAl2O3的截面的光学图像。在图5中， 显不了 ZrAl2O3涂层。指明了涂层的惨杂和未惨杂区。
[0028] 此外，本文所述的涂层的多晶ZrAl2O3层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。 在一些实施例中，ZrAl 2O3层具有选自表XII的厚度。
[0029]表XII _2^1^)2层厚（um)
[0031] ZrAl2O3层可直接沉积在切削工具基底表面上。或者，本文所述的涂层还可以包括 ZrAl2O3层与基底之间的一个或多个内层。一个或多个内层在一些实施例中包含选自由铝 及周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素以及选自由周期 表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素构成的组的一种或多种非金属元素。在一些实 施例中，基底与ZrAl2O3层之间的一个或多个内层包含选自由铝及周期表的IVB、VB和VIB 族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化 物。例如，一个或多个内层选自由氮化钛、碳氮化钛、碳化钛、氧化钛、氧化锆、氮化锆、碳氮 化锆、氮化铪、碳氮化铪和氧化铝以及它们的混合物构成的组。
[0032] 本文所述的涂层的内层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。涂层的内层可具 有0. 5 ym至25 ym范围内的厚度。在一些实施例中，根据内层在涂层中的位置来选择内层 的厚度。作为涂层的初始层直接沉积在基底表面上的内层例如可具有〇. 5至2. 5 ym范围 内的厚度。沉积在初始层上的内层，诸如TiCN层，可具有2 ym至20 ym范围内的厚度。此 外，其上沉积有本文所述的ZrAl2O3层的内层，诸如包含氧化铝的层，可具有1至6 y m范围 内的厚度。
[0033] 在一些实施例中，本文所述的ZrAl2O3层是涂层的最外层。或者，本文所述的涂层 可包括在ZrAl2O3层上的一个或多个外层。一个或多个外层在一些实施例中包含选自由铝 及周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素以及选自由周期 表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素构成的组的一种或多种非金属元素。在一些实 施例中，在ZrAl2O3层上的一个或多个外层包含选自由铝及周期表IVB、VB和VIB族的金属 元素构成的组的一种或多种金属元素的氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，一个或 多个外层选自由氮化钛、碳氮化钛、碳化钛、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪、碳氮化铪、碳氮氧化 钛、碳氮氧化锆、碳氮