用于切削刀具的耐热涂层的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于切削刀具的耐热涂层。在一个方面，描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在某些实施例中这些涂层展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。在此所述的涂覆的切削刀具包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝(AlON)子层或复合AlON子层以及一个氧化铝(Al2O3)子层或复合氧化铝子层。
【专利说明】用于切削刀具的耐热涂层
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于切削刀具的涂层，并且更特别地涉及通过化学气相沉积（CVD)而 沉积的涂层。
【背景技术】
[0002] 包括烧结碳化物切削刀具在内的切削刀具已经在有涂层和无涂层两种情况中用 于对不同金属和合金进行机加工。为了提高切削刀具的耐磨损性、性能和寿命，已经将一 层或多层耐热材料施加到切削刀具的表面上。例如，已经通过CVD并且通过物理气相沉积 (PVD)将TiC、TiCN、TiN和/或Al 2O3施加到烧结碳化物基体上。虽然在各种应用中在抑制 磨损和延长刀具寿命方面是有效的，但是基于上述耐热材料的单层或多层构造的耐热涂层 已经逐渐达到其性能极限，由此要求发展用于切削刀具的新的涂层结构。
【发明内容】
[0003] 在一个方面，在此描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在一些 实施例中这些涂层可以展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。简单地说，在此所述 的涂覆的切削刀具包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个耐热 层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以 及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，附着到该切削刀具基体上的涂层 进一步包括在该耐热层与该基体之间的一个或多个内层和/或沉积在该耐热层上的一个 或多个外层。
[0004] 在另一方面，在此描述了用于制作涂覆的切削刀具的方法。一种用于制作涂覆的 切削刀具的方法包括提供一个基体并且在该基体上通过化学气相沉积而沉积一个涂层，该 涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复 合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，将一个或多个 内涂覆层在该耐热层沉积之前沉积在该基体上。另外，可以将一个或多个外层沉积在该耐 热层上。
[0005] 在下面的详细说明中进一步说明这些和其他实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1展示了根据在此说明的一个实施例的一个切削刀具基体。
[0007] 图2展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。
[0008] 图3展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。
[0009] 图4展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。
[0010] 图5是根据在此说明的一个实施例的一个涂覆的切削镶片的截面扫描电子显微 镜（SEM)图像。
[0011] 图6是根据在此描述的一个实施例的一个涂层的耐热层表面的SEM图像。
[0012] 图7(a)是具有在此所述的涂层结构的一个切削镶片的照片，该切削镶片已经经 受了如实例3所述的铣削测试。
[0013] 图7(b)-(C)是已经经受了实例3所述的铣削测试的多个对比切削镶片的照片。
【具体实施方式】
[0014] 通过参考以下详细说明和实例以及它们的上述和以下说明可以更容易地理解在 此描述的实施例。但是，在此描述的元素、设备和方法并不限于在详细说明和实例中提及 的具体实施例。应该认识到，这些实施例仅是本发明原理的展示。在不脱离本发明的精神 和范围而做出的许多修改和修正，对于本领域的普通技术人员将是容易明白的。
[0015] I.涂覆的切削刀具
[0016] 在一个方面，描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在某些实施 例中这些涂层展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。在此所述的涂覆的切削刀具 包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多 个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝（AlON)子层或复合AlON子层以及一个氧化铝 (Al 2O3)子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，附着到该基体上的涂层进一步包括在该 耐热层与该基体之间的一个或多个内层和/或沉积在该耐热层上的一个或多个外层。
[0017] 现在转向具体的部件，在此描述的涂覆的切削刀具包括一个基体。一个涂覆的切 削刀具可以包括并非与本发明的目的不一致的任何基体。在一些实施例中基体是一个端铣 刀、钻头或可转位切削镶片。可转位切削镶片可以具有用于铣削或车削应用的任何希望的 ANSI标准几何形状。在此描述的涂覆的切削刀具的基体可以是由烧结碳化物、碳化物、陶 瓷、金属陶瓷或钢形成的。在某些实施例中，烧结碳化物基体包括碳化钨（WC)。在一个切削 刀具基体中存在的WC的量可以是至少约80重量百分比或至少约85重量百分比。此外，烧 结碳化物的金属粘结剂可以包括钴或钴合金。例如，在一个烧结碳化物基体中存在的钴的 量的范围可以是从3重量百分比至约15重量百分比。在某些实施例中，在一个烧结碳化物 基体中存在的钴的量的范围是从5至12重量百分或从6至10重量百分比。另外，一个烧 结碳化物基体可以呈现出在该基体的表面处开始并向内延伸的一个粘结剂富集区。
[0018] 烧结碳化物切削刀具基体还可以包括一种或多种添加剂，例如像以下元素和/或 它们的化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在某些实施例中，钛、铌、钒、 钽、铬、锆和/或铪与该基体中的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，该基体可以包括 一种或多种固溶体碳化物，该固溶体碳化物的量的范围是从〇. 1至5重量百分比。此外，一 个烧结碳化物基体可以包括氮。
[0019] 一个切削刀具基体可以包括在该基体的一个前刀面与一个或多个肋侧面的相接 处形成的一个或多个切削刃。图1展示了根据在此说明的一个实施例的一个切削刀具基 体。如图1所展示的，基体（10)具有在基体前刀面（14)与多个肋侧面（16)的相接处形成 的多个切削刃（12)。该基体（10)还包括一个孔口（18)，用于将基体（10)固定到一个刀夹 具上。
[0020] 如在此描述的，附着到该基体上的一个涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个 子层组，一个子层组包括一个AlON子层或复合AlON子层以及一个氧化铝子层或复合氧化 铝子层。该耐热层的子层组可以是彼此相邻的或是通过该耐热层中的一个或多个插入层而 彼此间隔开的。另外，任何希望数量的子层组都可以形成该耐热层。在一些实施例中，例如， 该耐热层包括至少四个子层组。
[0021] 多个单独的子层组可以显示出多个构造。在一些实施例中，该耐热层的至少一个 子层组可以具有选自表I的构造。
[0022] 表I-耐热层的子层组构造
[0023]
【权利要求】
1. 一种涂覆的切削刀具，包括： 一个基体；以及 附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个 子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子 层。
2. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧氮化铝子层包括一个氧氮化 铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多 种氧化物。
3. 如权利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相包括Zr02、Hf02、或它们 的混合体。
4. 如权利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧氮化铝子层除了该氧氮化铝 相和金属氧化物相之外进一步包括一个金属氧氮化物相，该金属氧氮化物相包括至少一种 选自周期表的第IVB族的金属元素的氧氮化物。
5. 如权利要求4所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧氮化物相是TiON。
6. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝子层包括一个氧化铝相 和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧 化物。
7. 如权利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相是由氧化锆、氧化铪、 或它们的混合体形成的。
8. 如权利要求7所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相进一步包括氧化钛。
9. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝层是由掺杂有一种或多 种选自周期表第IVB族中的金属元素的氧化铝形成的。
10. 如权利要求9所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧化铝掺杂有量值为该复合氧化铝 子层的0. Olwt. %至5wt. %的锆、钛或其混合物。
11. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，这些子层组是彼此相邻的。
12. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该耐热层包括至少四个子层组。
13. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一个子层组是由该氧氮化铝子层 和复合氧化铝子层形成的。
14. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一个子层组是由该氧氮化铝子层 和氧化铝子层形成的。
15. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，第一子层组包括一个氧氮化铝子层或 复合氧氮化铝子层以及一个复合氧化铝子层，并且第二子层组包括一个复合氧氮化铝子层 和一个氧化铝子层。
16. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧氮化铝子层、复合氧氮化铝子层、 氧化铝子层以及复合氧化铝子层各自具有小于1 U m的厚度。
17. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧氮化铝子层、复合氧氮化铝子层、 氧化铝子层以及复合氧化铝子层各自具有0. 1 U m至0. 8 y m的厚度。
18. 如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中该耐热层具有5 y m至25 y m的厚度。
19. 如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中该耐热层具有6 iim至15 iim的厚度。
20. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝子层或该氧化铝子层具 有小于该复合氧氮化铝子层的硬度（HV0. 05)。
21. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，进一步包括在该耐热层与该基体之间的一 个或多个内层。
22. 如权利要求21所述的涂覆的切削刀具，其中，一个内层包括选自铝和周期表的第 IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表 的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族中的一种或多种非金属元素。
23. 如权利要求22所述的涂覆的切削刀具，其中，该一个或多个内层是选自下组，该组 由以下各项组成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化铝。
24. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该基体是烧结碳化物或金属陶瓷。
25. 如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该涂层进一步包括在该耐热层上方的 一个或多个外层，一个外层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元 素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第 VIA族中的一种或多种非金属元素。
26. -种制作涂覆的切削刀具的方法，包括： 提供一个基体；并且 在该基体上通过化学气相沉积而沉积一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包 括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子 层或复合氧化铝子层。
27. 如权利要求26所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层包括一个氧氮化铝相和一 个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化 物。
28. 如权利要求27所述的方法，其中，该金属氧化物相包括Zr02、Hf02、或它们的混合 体。
29. 如权利要求27所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层是从一种气态混合物沉积 的，该气态混合物包括一种铝源、氧源、氮源和IVB族金属元素来源。
30. 如权利要求29所述的方法，其中，该铝源是A1C13，并且该IVB族金属元素来源包 括一种或多种IVB族金属氯化物。
31. 如权利要求27所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层除了该氧氮化铝相和金属 氧化物相之外进一步包括一个金属氧氮化物相，该金属氧氮化物相包括至少一种选自周期 表的第IVB族的金属元素的氧氮化物。
32. 如权利要求31所述的方法，其中，该金属氧氮化物相是TiON。
33. 如权利要求26所述的方法，其中，该复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和一个金 属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。
34. 如权利要求33所述的方法，其中，该金属氧化物相包括氧化锆和氧化钛。
35. 如权利要求33所述的方法，其中，该复合氧化铝层是从一种气态混合物沉积的，该 气态混合物包括一种铝源、氧源和IVB族金属元素来源。
36. 如权利要求35所述的方法，其中，该铝源是A1C13，并且该IVB族金属元素来源包 括一种或多种IVB族金属氯化物。
37. 如权利要求26所述的方法，其中，该耐热层包括至少四个子层组。
38. 如权利要求37所述的方法，其中，这些子层组是彼此相邻的。
39. 如权利要求26所述的方法，其中，第一子层组包括一个复合氧氮化铝子层以及一 个复合氧化铝子层，并且第二子层组包括一个复合氧氮化铝子层和一个氧化铝子层。
40. 如权利要求26所述的方法，其中，在该耐热层沉积之前在该基体上沉积该涂层的 一个或多个内层。
41. 如权利要求40所述的方法，其中，一个内层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB 族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、 第IVA族、第VA族和第VIA族中的一种或多种非金属元素。
42. 如权利要求41所述的方法，其中，该一个或多个内层是选自下组，该组由以下各项 组成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化铝。
【文档编号】B23C5/06GK104416206SQ201410421076
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】沃尔克马·索特克, 卡尔·海因兹·温德特, 哈特穆特·韦斯特法尔, 皮特·莱希特, 刘一雄 申请人:钴碳化钨硬质合金公司