用于切削工具的多层结构化涂层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于切削工具的涂层，具体地讲涉及通过化学气相沉积法（CVD)沉积 的涂层。
【背景技术】
[0002] 切削工具（包括烧结碳化物切削工具）已在带涂层的和不带涂层的条件中均有应 用以用于加工各种金属和合金。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CVD并通过物理气相沉积法（PVD)将例如TiC、TiCN、 TiN和/或A1203施加于烧结碳化物基底。虽然在多种应用中有效抑制磨损和延长工具寿 命，但基于上述耐火材料的单层或多层构造的耐火涂层天然具有性能极限，因此需要开发 具有改善的性能的新涂层。
【发明内容】
[0003] 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延长的切削寿命。本文所述的带涂层的切削工具包括基底和涂 层，该涂层包括多个交替层，该多个交替层包括A1203的第一层和MeAl 203和MeAl 203肩6〇2复 合物中的至少一者的第二层，其中Me为Zr、Hf或Ti或它们的组合。
[0004] 还提供了制作带涂层的切削工具的方法。本文所述的制作带涂层的切削工具的方 法包括提供切削工具基底，以及通过CVD在切削工具基底表面上沉积涂层，该涂层包括多 个交替层，该多个交替层包括A1203的第一层和MeAl203和MeAl203/Me02复合物中的至少一 者的第二层，其中Me为Zr、Hf、Ti或它们的组合。多个交替层可从基底最近的第一层或第 二层开始。
[0005] 这些和其他实施例在下文的【具体实施方式】中更详细地描述。
【附图说明】
[0006] 图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具。
[0007]图2为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的横截面扫描电镜（SEM) 图像。
[0008]图3为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的放大的横截面扫描透 射电镜（STEM)明视场（BF)图像。
[0009]图4为图3的根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的放大的横截面 STEMBF图像。
[0010] 图5为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的放大的横截面STEM高 角环形暗场（HAADF)图像。
[0011] 图6为根据本文所述的一个实施例的用聚焦离子束处理过的带涂层的切削刀片 的放大的横截面STEMHAADF图像。
[0012] 图7为根据本文所述实施例的多种掺杂工艺的示意图。
【具体实施方式】
[0013] 参考以下【具体实施方式】和实例以及前述和下述内容，将更容易地理解本文所述的 实施例。
[0014] 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，上述实施例仅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。
[0015] I.带涂层的切削工具
[0016] 在一个方面，描述了其上粘附有涂层的切削工具，所述涂层在一些实施例中可展 示出所需的耐磨性和延长的切削寿命。现在参见图1，本文所述的带涂层的切削工具10可 以包括切割刃12、前刀面14、后刀面16和安装孔18。刀片10可以具有多种几何形状和构 型，例如具有或不具有断肩器、安装孔或正或负前角。
[0017] 现在参见图2,本文所述的一个实施例提供了切削刀片20。切削刀片20具有基底 22和粘附到基底22的涂层，该涂层具有多层结构，包括任选的内层24,以及内层24、超晶格 样涂层26和最外层涂层28之间的任选的粘结层。超晶格样涂层包括指定为A和B的重复 涂层，其中A和B代表含掺杂物A1203(B)和未掺杂A1203 (A)序列的周期性。或者，周期性可 以包括含掺杂物A1203(B)和低水平掺杂A1203(A)。掺杂物可以包括Ti、Zr、Hf或它们的组 合。交替的掺杂层和未掺杂层或不同的掺杂水平层可引起超晶格样涂层结构的形成。
[0018] 在本发明的一个实施例中，切削刀片20包括基底22。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、PCD、PcBN、陶 瓷、金属陶瓷或钢。
[0019] 烧结碳化物基底可包含碳化钨（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5-12重量％或6-10重 量％的量存在于烧结碳化物基底中。此外，烧结碳化物基底可以表现出在基底表面开始并 从基底表面向内延伸的粘结剂富集区。
[0020] 烧结碳化物基底还可包含一种或多种添加剂，例如，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。在一些实施例中，基底包含约0. 1重量％至约5重 量％的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。
[0021] 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。在一些实施例中，带涂层的切削工具的基底是 钻头、端铣刀、锯片或其他切削设备。
[0022] 粘附到基底的涂层可以包括内层24与超晶格样层26之间的粘结层。粘结层包含 TiCN和TiAlOC。在一些实施例中，粘结层还包含TiOCN。TiCN、TiAlOC和TiOCN可被提供 为粘结层的次层。此外，结构单元的粘结层通常具有小于5μπι的厚度。在一些实施例中， 粘结层具有选自表I的厚度。
[0023] 表I-粘结层厚度（nm)
[0024]
[0025] 当TiCN、TiAlOC和/或TiOCN的一个或多个次层构成粘结层时，所述次层可各自 具有5-500nm的厚度。在一些其他实施例中，包含氮化物、TiN、ZrN和HfN和/或它们的组 合的漫射阻挡层可直接粘附到基底。漫射阻挡层的厚度可小于2μm。
[0026] 此外，本文所述的涂层还可包括结构单元上的一个或多个外层。外层在一些实施 例中包含选由铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属 元素以及选自由元素周期表的ΠΙΑ、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，结构单元上沉积的一个或多个外层包含选自由铝及元素 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TiN、TiCN和TiOCN构成的组。本文所 述涂层的外层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。涂层的外层在一些实施例中可具有 0. 5μm至5μm范围内的厚度。当将所有组分计算在内时，本文所述的涂层可具有最多至 25μm的厚度。涂层例如可具有2-15μm或5-20μm的总厚度。
[0027]图3为根据本发明的一个实施例的涂层30的横截面的STEM-BF图像。在该图像 中可清楚地看到交替的A/B层32、34。在图像中具有较暗对比度的A层32表示掺杂层，而 在图像中具有较亮对比度的B层34表示具有更少掺杂物或不具有掺杂物的层。
[0028] 交替的暗区域36和亮区域38在晶粒边界可见。暗区域36指示晶粒间2抑2沉积 物。沿着晶粒边界分布的许多Zr02沉积物在图像中可见，但暗区域36是仅在图3中具体 示出的沉积物。
[0029] 图4也是根据本发明的一个实施例的涂层40的横截面的STEM-BF(明视场）图像。 在该图像中可清楚地看到交替的