专利名称：用于获得改进的耐磨性的涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层，并且更具体地涉及通过物理气相沉积(PVD)而沉积的涂层。
背景技术：
包括烧结碳化物切削刀具在内的切削刀具已用于对不同金属和合金进行机加工的有涂层和无涂层两种情况中。为了增大切削刀具的耐磨性和寿命，已经将一层或多层耐火材料施加到切削刀具表面上。例如，已经通过化学气相沉积(CVD)将TiC、TiCN, TiN和Al2O3施加到烧结碳化物基底上。此外，在认识到与具体切削应用相关的CVD涂层的一些缺点后，切削刀具制造者还提供了通过PVD施加的耐火涂层。例如，在切削刀具群体中已普遍接受了通过PVD施加的TiN涂层。
TiN涂层的一个缺点是在相对低的温度下易氧化。例如，证明了 TiN涂层在大约550°C下开始氧化。其结果是，已将铝加入TiN涂层中，以努力提高抗氧化性。另外，已另外将硅加入TiN涂层中，以提高抗氧化性。但是，将硅加入TiN和/或TiAlN涂层中可能在涂层中引发显著的应力，由此由于与切削刀具表面的分层作用而导致涂层的过早失效。美国专利6，586，122针对于将硅结合到TiN和TiAlN涂层中以提高抗氧化性同时减小涂层的残余压应力的方法。在美国专利6，586，122中披露的合成方法引发了一个相分离的涂层，其中，一个高硅浓度的Si3N4纳米相被分散遍及一个低硅浓度的TiSiN基质相。将一个高硅浓度的Si3N4纳米相分散遍及一个低硅浓度的基质相可以减小由于TiN或TiAlSiN涂层中Ti被Si取代而引发的晶格应变。不过，引发这样一个相分离的涂层所要求的合成方法是非常规的，并且需要改变传统的PVD方法和/或设备，从而潜在地限制了这些方法的广泛应用并增加了涂覆的刀具的生产成本。
发明内容
在一个方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些实施方案中可以证实在一种或多种切削应用中有改进的耐磨性。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。在另一方面，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。该涂层的外层包括由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的一个相；以及由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中一种或多种非金属元素所构成的一个相。在某些实施方案中，在此描述的涂层显示出残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属兀素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属兀素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该涂层具有一个残余压应力 和/或压剪应力。在另一方面，在此描述了用于制造涂覆的切削刀具的方法。在某些实施方案中，制造一种涂覆的切削刀具的方法包括提供一个切削刀具基底并通过物理气相沉积将一个涂层的内层沉积在该基底上，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。通过物理气相沉积将该涂层的一个外层沉积在该内层上，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。在某些实施方案中，通过物理气相沉积将一个外层沉积在该内层上，该外层包括由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的一个相；以及由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中一种或多种非金属元素所构成的一个相。在另一方面，在此描述了用于增大一种涂覆的切削刀具的切削寿命的方法。在某些实施方案中，一种增大涂覆的切削刀具的切削寿命的方法包括将一种或多种涂层疲劳机制引导至该涂层的内层与外层之间的一个界面上，是通过由一种经物理气相沉积而沉积的组合物来产生该内层并且由一种经物理气相沉积而沉积的组合物来产生该外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属兀素，其中，该外层中的娃的量朝向该内层减少。在某些实施方案中，弓丨导包括在该涂层的内层和外层的一个界面处启动一种或多种涂层疲劳机制。在下面的详细说明中更详细地描述这些以及其他的实施方案。
图I展示了根据在此描述的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的基底。图2展示了根据在此描述的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的辉光放电光P曰。图3展示了图2的辉光放电光谱的局部视图。图4展示了根据在此描述的一个实施方案的一个涂层的能量色散谱。
图5展示了根据在此描述的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的X射线衍射图。图6展示了根据在此描述的一个实施方案的一种经过涂覆后的处理的切削刀具的辉光放电光谱。图7是图6的辉光放电光谱的局部视图。图8是根据在此描述的一个实施方案的一个经过涂覆后的处理的涂层的能量色散谱。图9是根据在此描述的一个实施方案的一种经过涂覆后的处理的切削刀具的X射线衍射图。
具体实施例方式通过参考以下详细说明和实例以及它们的上述和以下的说明可以更容易地理解在此描述的实施方案。但是，在此描述的要素、设备和方法不限于在这些详细说明和实例中呈现的具体实施方案。应认识到，这些实施方案仅是本发明原理的展示。本领域的普通技术人员将容易理解不脱离本发明的精神和范围所做的许多修改和修正。在一方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些实施方案中可以证实在一种或多种切削应用中有改进的耐磨性。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。在另一方面，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。该涂层的外层包括由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的一个相；以及由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中一种或多种非金属元素所构成的一个相。现在转向在此描述的一种涂覆的切削刀具的组分，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底。在此描述的一种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底。在某些实施方案中，一个基底包括一种烧结碳化物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷或钢。在某些实施方案中，一个烧结碳化物基底包括碳化钨(WC)。在某些实施方案中，在一个基底中存在的WC的量是至少约70的重量百分比。在某些实施方案中，在一个基底中存在的WC的量是至少约80的重量百分比或至少约85的重量百分比。此外，在某些实施方案中，一个烧结碳化物基底的粘结剂包括钴或钴合金。在某些实施方案中，在一个烧结碳化物基底中存在的钴的量的范围是从约3重量百分比至约15重量百分比。在某些实施方案 中，在一个烧结碳化物基底中存在的钴的量的范围是从约5重量百分比至约12重量百分比或从约6重量百分比至约10重量百分比。在某些实施方案中，一个烧结碳化物基底可以呈现出在该基底的表面开始并向内延伸的一个粘结剂富集区。在某些实施方案中，一个烧结碳化物基底进一步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、银、银、钽、铬、错和/或铪。在某些实施方案中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与该基底中的WC形成固溶体碳化物。在某些实施方案中，该基底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约0. I重量百分比至约5重量百分比。此外，在某些实施方案中，一个烧结碳化物基底包括氮。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具的基底包括在该基底的一个前刀面与多个肋侧面的相接处形成的一个或多个切削刃。图I展示了根据在此描述的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的基底。如图I所展示的，基底10具有在基底前刀面14与胁侧面16的相接处形成的多个切削刃12。在某些实施方案中，一种涂覆的切削刀具的基底可以包括一个镶片、钻头尖、锯片或其他切削装置。如在此描述的，粘合在该基底上的一个涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。在此描述的周期表的族是根据CAS命名法识别的。在某些实施方案中，适合于在此处描述的一个涂层的内层的生产中与铝组合的来自IVB族、VB族和VIB族的一种或多种金属元素包括钛、锆、铪、钒、铌、钽和/或铬。此外，在某些实施方案中，适于用于生产此处描述的一个涂层的内层的来自IIIA族、IVA族和VIA族的一种或多种非金属元素包括硼、碳、氮和/或氧。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的内层具有根据以下关系所述的一种组成(Ala Zrb Hfc Vd Nbe Taf Crg TiHa+b+c+d+e+f+g)) (OxCyN1-(W),其中 0<a<l,0^b<l,0^c<l,0^d<l,0^e<l,0^f<l,0^g<l,0^x<l,0^y< 1，并且(a+b+c+d+e+f+g) < I,并且(x+y) < I。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的内层具有根据以下关系所述的一种组成=AlaTU其中0 < a < I。在某些实施方案中，一个内层具有组成AlaTihN,0. 3彡a彡0. 8。在某些实施方案中，0. 35彡a彡0. 75。在某些实施方案中，0. 4 ^ a ^ 0. 7或 0. 42 < a < 0. 65。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的内层的AlaTihN是处于晶相的。在某些实施方案中，一个内层的AlaTU显示一种立方晶体结构。在某些实施方案中，一个内层的AlaTihN的立方晶体结构是面心立方的(fee)。在某些实施方案中，一个内层的AlaTU显示一种六边形晶体结构。在某些实施方案中，一个内层的AlaTihN显示了立方晶体结构与六边形晶体结构的一种混合。此外，在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的内层是多晶的，具有至少约IOnm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有至少约20nm或至少约50nm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有范围从约IOnm至约IOOnm或从约20nm至约80nm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有范围从约30nm至约70nm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有大于IOOnm的平均晶粒尺寸。 在此描述的一个涂层的内层可以具有并非与本发明的目的不一致的任何所希望的厚度。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有范围从约I Pm至约IOiim的厚度。在某些实施方案中，一个内层具有范围从约2 ii m至约8 ii m或从约3 y m至约7 y m的厚度。在某些实施方案中，一个内层具有范围从约I. 5 ii m至约5 ii m或从约2 y m至约4 y m的厚度。在某些实施方案中，一个涂层的内层具有小于约I U m或大于约10 y m的厚度。如在此进一步描述的，在某些实施方案中，一个涂层的内层是通过物理气相沉积而直接沉积在该切削刀具基底的一个表面上。可替代地，在某些实施方案中，可以将一个或多个附加层沉积在该基底的一个表面与该内层之间，这样使得该内层不与该基底的表面直接接触。在此描述的一个涂层还包括在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。在某些实施方案中，适合于在此处描述的一个涂层的外层的生产中与铝和硅组合的来自IVB族、VB族和VIB族的一种或多种金属元素包括钛、锆、铪、钒、铌、钽和/或铬。此夕卜，在某些实施方案中，适于用于生产此处描述的一个涂层的外层的来自IIIA族、IVA族和VIA族的一种或多种非金属元素包括硼、碳、氮和/或氧。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的外层具有根据以下关系所述的一种组成(Alm Zrn Hf0 Vp Nbq Tar Crs Ti卜一咖+种廿+扣)Siz) (OvCwN1-(^w))，其中 0 < m < 1，0 ^ n < 1,0 ^ O < 1,0 ^ p < 1,0 ^ q < 1,0 ^ r < 1,0 ^ s < 1,0 < z < 1,0 ^ v < 1，0 ^ w < 1，并且(m+n+o+p+q+r+s+z) < 1，并且(v+w) < I0在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的外层包括由AlSizN所构成的一个相，其中，0<m< 1，并且0<z< 1，并且(m+z) < I。在某些实施方案中，该AlmTi1^z)SizN相的硅含量朝向该涂层的内层减少。在某些实施方案中，0.05 0.75。在某些实施方案中，0. I 0.65。在某些实施方案中，0. 15 0.60。在某些实施方案中，0. 01 ^ z ^ 0. 3。在某些实施方案中，0. 02 ^ z ^ 0. 25。在由所构成的一个外层相的某些实施方案中，0.05彡m彡0.75并且0. Ol彡Z彡0. 3，或0. 05彡m彡0. 75并且0. 02彡z彡0. 25。在某些实施方案中，0. I彡m彡0. 65并且0. 01彡z彡0. 3，或0. I彡m彡0. 65并且0. 02彡z彡0. 25。在某些实施方案中，0. 15彡m彡0. 60并且0. 01彡z彡0. 3，或0. 15彡m彡0. 60并且0. 02彡z彡0. 25。在某些实施方案中，在此描述的包括AlJV0^SizN构成的相的一个涂层的外层进一步包括由AlgSikN构成的一个附加相，其中0 < k < I。在某些实施方案中，一个AlgSikN相的硅含量朝向该内层减少。在某些实施方案中，一个AlgSikN相的硅含量并不朝向该内层减少。在某些实施方案中，在此描述的包括由AlJi
I—(m+z) ^ 构成的相的一个涂层的外层进一步包括由一种或多种硅化钛TihSi1构成的一个附加相，其中，h是范围从I至5的一个整数，并且I是范围从I至4的一个整数。在某些实施方案中，例如，一个外层的硅化钛
I—I m P rn <~i rn <~i rn <~i ~rn <~i
是 TiSi、TiSi2、Ti5Si3、Ti5Si4 或 Ti3Si0在AlgSikN和/或硅化钛的一个附加相存在于该外层中的某些实施方案中，由
AlmTi I —(m+z) ^
所构成的相是该外层的主要相，构成了该外层的大于50%。在某些实施方案中，AlJi^^Si^构成了该外层的大于60%或大于70%。在某些实施方案中，一个AlgSikN附加相构成了该外层的高达约35%。在某些实施方案中，一个AlgSikN附加相构成了该外层的从约1%至约30%。在某些实施方案中，一个AlgSikN附加相构成了该外层的从约5%至约25%或从约10%至约20%。在某些实施方案中，一个硅化钛附加相构成了该外层的从约1%至约20%或从约5%至约15%。可以使用X射线衍射(XRD)技术和里特沃尔德(Rietveld)精修方法来确定在此描述的一个外层的相组成百分比。里特沃尔德方法是一种全谱拟合方法。对比了测得的样品轮廓线(profile)和一个计算的轮廓线。通过本领域的普通技术人员已知的几个参数的变化，使两个轮廓图之间的差异最小化。对存在于该外层中的所有相都进行了考虑以进行一个正确的里特沃尔德精修。可以根据XRD使用要求一个平坦表面的掠入射技术来对包括在此描述的一个涂层的一种切削刀具进行分析。可以根据切削刀具的几何形状来分析该切削刀具的前刀面或胁侧面。对于在此描述的涂覆的切削刀具的组成相分析，使用装配有一个Eulerean载台的一个PANalytical Xpert MRD衍射系统。使用装配有一个铜x射线管的平行光束光学系统来进行X射线衍射分析。操作参数为45KV和40MA。用于掠入射分析的典型光学系统包括具有1/16度反散射狭缝的一个X射线镜和一个0. 04弧度的索勒狭缝。接收光学系统包括一个扁平的石墨单色器、平行板瞄准仪、以及一个密封的比例计数器。以为了最大化涂层的峰强度并且最小化或消除来自基底的干扰峰而选择的一个掠射角来收集X射线衍射数据。选择计数时间和扫描速率，以提供用于里特沃尔德分析的最佳数据。在收集掠入射数据之前，使用X射线分束来设置样品高度。拟合一个背景轮廓线，并在该样品数据上进行峰值搜索，以识别所有的峰位置和峰强度。峰位置和强度数据被用于使用任何可商购的晶相数据库来识别该样品涂层的晶相组成。对于该样品中存在的每个晶相，输入晶体结构数据。典型的里特沃尔德精修参数设置为背景计算方法多项式
样品几何形状平板线性吸收系数由平均样品组成计算的加权方式针对高的值(against lobs)轮廓线函数Pseudo-Voight轮廓线基础宽度对每个样品进行选择最小二乘类型牛顿-拉夫逊(Newton-Raphson)极化系数1.0里特沃尔德精修典型地包括样品位移 样品从与X射线对齐中的偏移背景轮廓被选择为最好地描述衍射数据的背景轮廓尺度函数 每个相的尺度函数B总长度 应用到相中的所有原子上的位移参数晶胞参数a、b、c 和 a、@、YW参数描述峰的FWHM实现可接受的拟合优度的任何另外的参数所有里特沃尔德相分析结果都以重量百分比值报告出。在某些实施方案中包括AlmTiHn^SizN和AlgSikN和/或硅化钛相时，在此描述的一个涂层的外层不包括如下一个相，其中硅已经与铝和/或周期表的IVB族、VB族和VIB族的一种或多种金属元素分离。在某些实施方案中，例如，在此描述的一个涂层的外层不包括或基本不包括一个氮化娃相，包括Si3N4在内。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的外层的一个或多个相是结晶的。在某些实施方案中，例如，由Alni
Tii—(m+z) SizN 构成的一个外层的相是结晶的。在某些实施方案
中，一个外层的结晶的Al111
Tii—(m+z) SizN 相显示一种立方晶体结构。在某些实施方案中，一个AlJV0^SizN相的立方晶体结构是fee。在某些实施方案中，由AlpkSikN构成的一个外层的一个附加相是结晶的。在某些实施方案中，一个外层的结晶的AlpkSikN相显不了一种六边形结构。在某些实施方案中，一个AlgSikN相的六边形结构是纤锌矿。在某些实施方案中，由硅化钛组成的一个外层的附加相是结晶的。在某些实施方案中，例如，一个Ti5Si3相显示了一种六边形结构。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的外层是多晶的。在某些实施方案中，例如，一个多晶外层具有至少约IOnm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层具有至少约20nm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层具有范围从约IOnm至约IOOnm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层具有范围从约20nm至约80nm或从约30nm至约70nm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个涂层的外层具有大于IOOnm的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层的一个或多个结晶的相是多晶的，具有在此描述的、平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，例如，由AlJV0l^SizN构成的一个外层的相是多晶的，具有在此叙述的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，存在于该外层中的一个AlgSikN附加相是多晶的，具有在此叙述的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层的两个或更多个多晶的相具有相同的或基本相同的平均晶粒尺寸。在某些实施方案中，一个外层的两个或更多个多晶的相具有不同的平均晶粒尺寸。在此描述的一个涂层的外层可以并非与本发明的目的不一致的任何厚度。在某些实施方案中，一个外层具有范围从约O. Iym至约IOym的厚度。在某些实施方案中，ー个外层具有范围从约O. 2 μ m至约5 μ m的厚度。在某些实施方案中，一个外层具有范围从约
O.5 μ m至约5 μ m或从约Iym至约4 μ m的厚度。如在此描述的，在某些实施方案中，该外层中的硅的量朝向该内层減少。在某些实施方案中，该外层中的硅的量以至少约7原子百分比/ μ m的速率朝向该内层減少。在某些实施方案中，该外层中的硅的量以至少约8原子百分比/μ m或至少约8. 5原子百分比/μ m的速率朝向该内层減少。在某些实施方案中，该外层中的硅的量以至少约9原子百分比/μ m或至少约9. 5原子百分比/μ m的速率朝向该内层減少。在某些实施方案中，该外层中的硅的量以范围从约5原子百分比/ μ m至约15原子百分比/ μ m的速率朝向该内层減少。在某些实施方案中，该外层中的硅的量以范围从约7原子百分比/μ m至约11原子百分比/ym的速率朝向该内层減少。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层的外层是通过物理气相沉积而直接沉积在该内层的表面上。可替代地，在某些实施方案中，可以将ー个或多个附加层布置在该内层与该外层之间。此外，在某些实施方案中，该外层是该涂层的最外层。在某些实施方案中，该外层不是该涂层的最外层。在某些实施方案中，例如，可以将ー个或多个附加层施加到该外层上，以完成该涂层。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层具有通过洛氏A压痕粘附荷载试验而测量的、大于或等于60kg的粘附力。在某些实施方案中，一个涂层具有通过洛氏A压痕粘附荷载试验而测量的、大于或等于IOOkg的粘附力。在測量ー个涂层在该基底上的粘附カ吋，在60kg和IOOkg的选定荷载下使用具有洛氏A级Brale圆锥形金刚石压痕器的一个洛氏硬度试验机。该粘合強度被定义为该涂层剥落时的最小荷载。在此叙述的大于或等于60kg的涂层粘附カ表示在60kg荷载处发现没有涂层的剥落。类似地，在此叙述的大于或等于IOOkg的涂层粘附カ表示在IOOkg荷载处发现没有涂层的剥落。在某些实施方案中，在此描述的涂层显示出残余压应カ。在某些实施方案中，在此描述的ー种涂覆的切削刀具包括ー个基底以及粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的ー个内层和在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的ー个外层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的ー种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的ー种或多种金属兀素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属兀素组成的组中的ー种或多种非金属元素，其中，该涂层具有残余压应カ和/或压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射(post coat blasting)之前具有至少约2500Mpa的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的ー个涂层在涂覆后喷射之前具有至少约2700Mpa或至少约2800Mpa的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之前具有范围从约2500Mpa至约3000Mpa或从约2600Mpa至约2900Mpa的残余压应力。
在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之前具有至少约20Mpa的压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之前具有至少约50Mpa或至少约70Mpa的压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之前具有范围从约20Mpa至约130Mpa或从约30Mpa至约IOOMpa的压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层是处于一种涂覆后喷射过的状态。在该外层为最外层的某些实施方案中，该外层接受了涂覆后喷射。在某些实施方案中，在此描述的一个外层被喷射了ー种无机喷射剂。在某些实施方案中，例如，一个外层被喷射了 Al2O3颗粒。在某些实施方案中,涂覆后喷射可以增大涂层的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层在涂覆后喷射之后的残余压应カ与该涂层在涂覆后喷射之前的残余压应カ之比是至少I. 2。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层在涂覆后喷射之后的残余 压应カ与涂覆后喷射之前的残余压应カ之比是至少I. 3或至少I. 5。在某些实施方案中，在此描述的一个涂层在涂覆后喷射之后的残余压应カ与该涂层在涂覆后喷射之前的残余压应カ之比的范围是从约I. I至约3或从约I. 2至约2。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之后具有至少约3400Mpa的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的ー个涂层在涂覆后喷射之后具有至少约3500Mpa或至少约3600Mpa的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的ー个涂层在涂覆后喷射之后具有范围从约3400Mpa至约4000Mpa或从约3500Mpa至约3800Mpa的残余压应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之后具有至少约40Mpa的压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之后具有至少约50Mpa或至少约60Mpa的压剪应力。在某些实施方案中，在此描述的包括一个内层和沉积在该内层上的一个外层的一个涂层在涂覆后喷射之后具有范围从约20Mpa至约IOOMpa或从约30Mpa至约70Mpa的压剪应力。使用Sin2V方法、參考AlTiSiN结晶相上的(200)反射来确定在此描述的ー个涂层的残余应カ和剪切应力。用于残余应カ确定的仪器是装配有ー个用于样品操纵的Eulerian载台的一台PANalytical Xpert Pro MRD。x射线源是在45KV和40MA下操作的ー个长的细焦点X射线铜管。该仪器配置有用于确定这些涂层中的应カ的平行光束光学器件。该入射光学器件包括具有十字狭缝瞄准仪的8_的多毛细管透镜。接收光学系统包括ー个O. 27度的平行板瞄准仪、ー个扁平的石墨単色器、以及ー个密封的比例计数器。对于残余应カ水平的测量，选择0、28· 88、43· 08、56· 77、75. 0、-28. 88、-43. 08、-56. 77和-75. O的υ傾斜度(Chi tilt)。针对每个倾斜角调整步长和计时的数据采集參数以获得用于精确确定峰位置的足够的峰強度。然后使用以下等式针对吸收度和透明度来校正峰数据吸收度校正
权利要求
1.一种涂覆的切削刀具，包括 一个基底；以及 粘合在该基底上的Iv涂层，该涂层包括 通过物理气相沉积而沉积的一个内层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；以及 在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属兀素组成的组中的一种或多种金属兀素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。
2.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该内层是多晶的。
3.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该外层是多晶的。
4.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该内层包括AlJVaN，其中O< a < I。
5.如权利要求4所述的涂覆的切削刀具，其中0.35 < a < 0. 75。
6.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该外层包括AlmTindSizN,其中，0< m<1，并且 0 < z < 1，并且(m+z) < I。
7.如权利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中0.05彡m彡0. 7，并且0. 01彡z彡0. 3。
8.如权利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中该Aljih—Si#具有一个立方晶相。
9.如权利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中该外层进一步包括AlgSikN,其中OSk<I。
10.如权利要求9所述的涂覆的切削刀具，其中该AlgSikN具有一种六边形晶体结构。
11.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该基底包括一种烧结碳化钨。
12.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层具有至少约2500Mpa的残余压应力。
13.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层是处于一种涂覆后喷射过的状态下，具有至少约3400Mpa的残余压应力。
14.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层是处于一种涂覆后喷射过的状态下，具有的在该涂覆后喷射过的状态下的残余压应力与在非涂覆后喷射过的状态下的残余压应力之比是大于或等于I. 2。
15.一种涂覆的切削刀具，包括 一个基底；以及 粘合在该基底上的Iv涂层，该涂层包括 通过物理气相沉积而沉积的一个内层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；以及 在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该外层包括由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的一个相、以及由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中一种或多种非金属元素所构成的一个相。
16.如权利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的该相包括AlniTiH1^SizN,其中 O <m< 1，并且 O < z < 1，并且(m+z) < I。
17.如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中AlmTiI-(m+z) ^ 具有一个立方晶体结构。
18.如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中AlmTiHn^SizN组成大于50%的该外层。
19.如权利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的该相包括AVkSikN,其中 0 彡 k < I。
20.如权利要求19所述的涂覆的切削刀具，其中Al1^tSikN具有一个六边形晶体结构。
21.如权利要求19所述的涂覆的切削刀具，其中AlgSikN组成从约1%至约35%的该外层。
22.如权利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层在涂覆后喷射过的状态下具有大于或等于I. 2的在涂覆后喷射过的状态下的残余压应力与在非涂覆后喷射过的状态下的残余压应力的比。
23.一种涂覆的切削刀具，包括 一个基底；以及 粘合在该基底上的Iv涂层，该涂层包括 通过物理气相沉积而沉积的一个内层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；以及 在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属兀素组成的组中的一种或多种金属兀素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中该涂层具有残余压应力。
24.如权利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层具有大于或等于约2500Mpa的残余压应力。
25.如权利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层是处于一种涂覆后喷射过的状态下。
26.如权利要求25所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层具有大于或等于约3400Mpa的残余压应力。
27.如权利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中该涂层是处于一种涂覆后喷射过的状态下，具有的在该涂覆后喷射过的状态下的残余压应力与在非涂覆后喷射过的状态下的残余压应力之比是大于或等于I. 2。
28.一种用于制造涂覆的切削刀具的方法，包括 提供一个基底；并且通过物理气相沉积将一个涂层的内层沉积在该基底上，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；并且 通过物理气相沉积将该涂层的一个外层沉积在该内层上，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中，该外层中的硅的量朝向该内层减少。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括使该外层经受涂覆后喷射。
30.一种用于制造涂覆的切削刀具的方法，包括 提供一个基底；并且 通过物理气相沉积将一个涂层的内层沉积在该基底上，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；并且 通过物理气相沉积将该涂层的一个外层沉积在该内层上，该外层包括由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的一个相；以及由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中一种或多种非金属元素所构成的一个相。
31.如权利要求30所述的方法，其中由铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的该相包括AlJi1-O1^SizN,其中 0 < m < 1，并且 0 < z < 1，并且(m+z) < I。
32.如权利要求30所述的方法，其中由铝和硅以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素所构成的该相包括AlgSikN,其中 OS k < I。
33.一种用于增大涂覆的切削刀具的切削寿命的方法，包括 将一种或多种涂层疲劳机制引导至该涂层的内层与外层之间的一个界面上，是通过由一种经物理气相沉积而沉积的组合物来产生该内层，该内层包括铝和选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素；并且 由一种经物理气相沉积而沉积的组合物来产生该外层，该外层包括铝和硅以及选自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素，其中该外层中的硅的量朝向该内层减少。
34.如权利要求33所述的方法，其中该一种或多种涂层疲劳机制包括裂纹扩展。
35.如权利要求33所述的方法，其中该一种或多种涂层疲劳机制包括涂层分层。
36.如权利要求33所述的方法，其中引导包括在该涂层的内层与外层的界面处启动一种或多种疲劳机制。
全文摘要
本发明涉及用于获得改进的耐磨性的涂层。在一个方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些实施方案中可以证实在一种或多种切削应用中有改进的耐磨性。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基底和粘合在该基底上的一个涂层，该涂层包括通过物理气相沉积而沉积的一个内层以及在该内层之上通过物理气相沉积而沉积的一个外层。
文档编号C23C14/22GK102672214SQ201210069798
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月16日 优先权日2011年3月18日
发明者A·因斯佩克特, M·F·贝布勒, M·J·罗, N·F·韦格尔, 班志刚 申请人:钴碳化钨硬质合金公司