专利名称：经多层涂覆的耐磨损构件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种涂覆的耐磨损构件、以及用于制造涂覆的耐磨损构件的方法，其中该涂层方案是通过物理气相沉积(PVD)来施加的。更确切地说，本发明涉及一种涂覆的耐磨损构件、以及用于制造涂覆的耐磨损构件的方法，其中该涂层方案是通过物理气相沉积(PVD)来施加的。该涂层方案包括氮化钛铝硅和氮化钛铝的交替子层的一个区域。
背景技术：
物理气相沉积(PVD)法(经常被简称为薄膜法)是原子淀积工艺，其中材料从一个固体源中蒸发出来并且以蒸气的形式穿过真空或低压气态(或等离子体)环境到达它在此冷凝的基底上。典型地，PVD法被用于沉积厚度在几个纳米到几千纳米范围内的薄膜；然而，它们也可以用于形成多层的涂层、分级组成的沉积物、非常厚的沉积物和独立式结构。PVD法可以用于沉积元素膜和合金膜以及使用反应性淀积法来沉积化合物膜。在反 应性沉积法中，化合物是通过沉积材料与周围气体环境如氮气的反应而形成的(例如，氮化钦，TiN)。参见 Donald Μ· Mattox 的 Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD)Processing[物理气相沉积(PVD)处理]，Society of Vacuum Coaters[真空涂布机协会]，Albuquerque, New Mexico (1998),第 3-4 页。迄今为止，涂覆的耐磨损构件已经被用于许多应用中，在这些应用中，耐磨损性是所希望的特性。典型地，一个涂覆的耐磨损构件包括一个基底和一个在该基底上的涂层方案。该涂层方案可以包括单一的涂覆层，或者在其替代方案中，它可以包括多个涂覆层。在许多例子中，该涂层方案提供了耐磨特性。一个示例性的耐磨损构件是用于从工件上去除材料(例如，金属)的一种涂覆的切削刀具。涂覆的切削刀具包括而不限于涂覆的切削镶片、涂覆的端铣刀、涂覆的钻头、涂覆的丝锥、以及涂覆的绞刀。金属成型是涂覆的耐磨损构件的另一个使用领域。这样一种涂覆的磨损构件可以是一个涂覆的拉模或类似物。该涂覆的耐磨损构件具有其他摩擦学应用，诸如像阀体、模口、以及穿孔机。在希望使用涂覆的耐磨损构件的应用中，有利的是该涂层方案展示出最佳的硬度水平。在这个方面，硬度反映了该涂层方案为该涂覆的耐磨损构件提供耐磨性的能力。因此，普遍希望的是使用展示出最佳硬度的涂层方案，其中该涂层方案不是过度脆性的、而是具有足够的硬度来提供耐磨损特性。在希望使用一种涂覆的耐磨损构件的应用中，有利的是该涂层方案展示出与基底的可接受的水平的粘附性。在此方面，涂层方案粘附到该基底上的能力典型地导致该涂覆的耐磨损构件的总体使用寿命的增加。由此可见，希望的是提供其涂层方案展示出某个最佳硬度的一种涂覆的耐磨损构件。进一步地由此可见，希望的是提供其涂层方案展示出可接受水平的粘附性的一种耐磨损构件。还可以看到，将希望的是提供展示出了某个最佳硬度以及可接受水平的与基底的粘附性的一种耐磨损构件。总体目标是提供这样一种涂覆的耐磨损构件，该构件展示出在多种应用中改进的性能特性，这些应用是诸如金属切削、金属成型、以及其他摩擦学应用。
发明内容
本发明在其一种形式中是一种涂覆的耐磨损构件，该耐磨损构件包括一个基底，该基底具有一个基底表面以及一个涂层方案。该涂层方案包括一个具有交替的涂覆子层的区域，其中一个涂覆子层是TixAlySi1(KI_x_yN，其中40原子百分比彡X彡80原子百分比；15原子百分比彡y ( 55原子百分比；4原子百分比彡100-x-y ( 15原子百分比；并且另一个涂覆子层是TipAl1(KI_pN，其中45原子百分比彡P彡100原子百分比。作为一种选择，该涂层方案可以进一步包括至少一个粘结区域。本发明在其另一种形式中是一种用于制备涂覆的耐磨损构件的方法，该方法包括以下步骤提供一个基底，该基底具有一个基底表面；并且沉积多个交替涂覆子层的一个区域，其中一个涂覆子层是TixAlySi1(KI_x_yN，其中40原子百分比彡X彡80原子百分比；15原子百分比彡y ( 55原子百分比；4原子百分比彡100-x-y ( 15原子百分比，并且另一个涂覆子层是TipAl1(l(l_pN,其中45原子百分比< P < 100原子百分比。作为一个选择,该方法可以进一步包括沉积至少一个粘结区域的步骤。
以下内容是附图简要说明，形成了本专利申请的一部分图1是一种CNMG432-MP类型的涂覆的切削镶片的等距视图；图2是在一个基底上的涂层方案的一个具体实施方案的简图，其中该涂层方案包括一个粘结涂层区域和多个涂层组，这些涂层组包括氮化钛铝硅和氮化钛铝的多个交替子层，这是多个交替涂覆子层的一个区域；图3是在一个基底上的涂层方案的一个具体实施方案的简图，其中该涂层方案包括一个氮化钛铝结合层、包括氮化钛铝硅和氮化钛铝的交替子层的多个涂层组(是多个交替涂覆子层的一个区域)、以及单层氮化钛铝硅的一个顶部涂覆区域；图4是编号2的TiAlSiN涂层方案的一部分通过透射电子显微术(TEM)得到的TEM显微照片，具有200纳米(nm)的标度；图5是编号2的TiAlSiN涂层方案的选定区域的衍射图(SADP)，其中计算得到的f. c. c.结构的晶格参数是O. 422 ±O. 001纳米；图6是编号4的TiAlSiN涂层方案的截面的SEM显微照片，具有5 μ m的标度；图7是编号6的TiAlSiN涂层方案的一部分通过透射电子显微术(TEM)得到的TEM显微照片，具有20纳米(nm)的标度；图8是编号6的TiAlSiN涂层方案的选定区域的衍射图(SADP)；图9是柱状图，显示了现有技术的商用切削镶片和本发明的切削镶片的一个实施方案的金属切削测试结果；并且图10是现有技术的商用 56Α144Ν涂层的截面的显微照片，具有5μπι的标度，其中该商用Ti56A144N涂覆层具有等于28. 7GPa的硬度。
具体实施例方式参见附图，图1是总体上指定为50的涂覆的切削镶片的一个具体实施方案的等距视图。涂覆的切削镶片50具有一个前刀面52、侧表面54、以及在该前刀面52与该侧表面54的相交处的一个切削刃56。该涂覆的切削镶片50具有一个中央孔58，该孔协助将该切削镶片50附接到一个刀夹具上。涂覆的切削镶片50展现了根据ANSI标准为CNMG432-MP的几何形状。该涂覆的切削镶片50包括一个涂层方案60和一个基底62。图1显示了该涂层方案60的一部分，该部分已经被去除以显示出基底62。该基底62可以包括多种材料中的任何一种。基底62的示例性材料包括但不限于烧结碳化物(例如，钴烧结的碳化钨)、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、多晶立方氮化硼(PcBN)、以及聚晶金刚石(POT)。这些涂覆层是通过物理气相沉积(PVD)来沉积的。尽管本发明的涂层方案的具体实例使用的是阴极电弧沉积PVD技术，但其他PVD技术也适合用于施加本发明的涂层方案。图2是另一个涂覆的切削镶片(总体上指定为100)的简图。涂覆的切削镶片100包括一个基底102,该基底具有一个表面104 ;和一个由括号106表不的涂层方案。涂层方案106是位于该基底102的表面104之上。涂层方案106包括一个由括号108所示的粘结 涂层区域以及一个由括号110所示的交替涂覆子层的区域。如将变得清楚的是，交替涂覆子层的区域包括多个含交替涂覆子层的涂层组。该粘结涂层区域108是介于该基底表面与该交替涂覆子层的区域110之间。该交替涂覆子层的区域110是位于该粘结涂层区域108的顶部。在这个具体的实施方案中，粘结涂层区域108可以是以下说明的两个替代方案中的任何一种。在第一个替代方案中，该粘结涂层区域是一个TipAl1QQ_pN单层，其中45彡P彡100。作为该组成的另一个选择，该组成可以是TipAl1QQ_pN，其中45彡P彡65。关于该单层TipAl100^pN的厚度，该单个氮化钛铝涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 05微米与约4微米之间。作为一个替代方案，该单层TipAl1TO_pN的厚度的范围可以是在约O. 2微米与约4微米之间。在第二个替代方案中，该粘结涂层区域包括多个粘结涂层组，其中每个粘结涂层组包括TiN和TipAl1QQ_pN (BP,TiN/TipAl100_pN))的交替粘结涂覆子层，其中45彡p彡100。作为氮化钛铝的组成的另一个选择，该组成可以是TipAl1QQ_pN，其中45 < P < 65。关于涉及该粘结涂层区域的第二替代方案的厚度参数，氮化钛的涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 05微米之间。作为一个替代方案，氮化钛涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 025微米之间。氮化钛铝涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 05微米之间。作为一个替代方案，氮化钛铝涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 025微米之间。每个涂层组(TiN/TipAl1(KI_pN)的厚度的范围可以是在约O. 004微米与约O.1微米之间。作为一个替代方案，该涂层组(TiN/TipAl1(KI_pN)的厚度的范围可以是在约O. 004微米与约O. 05微米之间。TiN/TipAl1(l(l_pN粘结区域的总厚度的范围可以在大于约零微米与约4微米之间。交替涂覆子层(TiAlSiN/TiAIN)的区域110包括多个涂层组(114A，114B，114C)，其中每个涂层组包括一个氮化钛铝硅(TixAlySi1QQ_x_yN，40 ^ x ^ 80 ； 15 ^ y ^ 55 ；
4彡 100-x-y ^ 15)子层(118A，118B，118C)、以及一个氮化钛铝(TipAl1QQ_pN，45 彡 p 彡 100)子层(120A，120B，120C)，其中该涂层组成是以原子百分比指明的。当提及该氮化钛铝硅涂覆层的组成时存在多种选择，并且对该氮化钛铝涂覆层的组成存在多种选择。这个交替TiAlSiN/TiAIN涂覆区域110的总涂覆厚度的范围是从I微米到6微米。
关于该氮化钛铝硅(TixAlySi1(KI_x_yN)涂覆层的组成，一个选择是(TixAlySi1TO_x_yN)，50原子百分比< X < 70原子百分比；20原子百分比< y < 40原子百分比；7原子百分比(100-x-y ( 10原子百分比。第二个选择是(TixAlySi1QQ_x_yN)，55原子百分比彡x彡65原子百分比；25原子百分比< y < 35原子百分比；8原子百分比< ΙΟΟ-χ-y ( 9原子百分比。关于该氮化钛铝(TipAl1QQ_pN，45彡P彡100)涂覆层的组成，一个选择是TipAl1QQ_pN，其中45原子百分比彡P彡65原子百分比。另一个选择是TipAl1Q(l_pN,其中p=100原子百分比。关于涂覆层118A-C和120A-C的厚度参数，该氮化钛铝硅涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 05微米之间。作为一个替代方案，氮化钛铝硅涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 025微米之间。氮化钛铝涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 05微米之间。作为一个替代方案，氮化钛铝涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 002微米与约O. 025微米之间。关于这些涂层组(114A-114C)的厚度，该涂层组的厚度的范围可以是在约O. 004微米与约O. 05微米之间。 作为一个替代方案，该涂层组的厚度的范围可以是在约O. 004微米与约O. 025微米之间。对于该钛-铝-硅-氮涂层，该涂层的晶体结构是面心立方(f.c.c.)或者f. c. c.与六方密排相(h. c. P相)的混合。其相的构成是通过选定区域衍射(SADP)使用透射电镜(TEM)来确定的。图3是另一个涂覆的切削镶片(总体上指定为130)的简图。涂覆的切削镶片130包括一个基底132，该基底具有一个表面134、和一个由括号136表示的整个涂层方案。涂层方案136是位于该基底132的表面134之上。涂层方案136包括由括号137表示的涂层方案，它实质上是与图2的实施方案的整个涂层方案106相同的。图2中对应涂覆区域的说明适用于图3中适当涂覆区域的说明。涂层方案137包括一个由括号138所示的粘结涂层区域、一个由括号140所示的交替涂覆子层的区域。整个涂层方案136进一步包括由括号142表示的一个顶部涂覆区域。该粘结涂层区域是介于该基底表面与该交替涂覆子层的区域之间。交替涂覆子层的区域是位于该粘结涂层区域上。关于顶部涂覆区域142，该涂覆层包括氮化钛铝硅(TixAlySi1QQ_x_yN，40 ^ x ^ 80 ；15 ^ y ^ 55 ；4 ^ ΙΟΟ-χ-y ( 15)。关于该氮化钛铝硅(TixAlySi1(l(l_x_yN)涂覆层的组成，一个选择是(TixAlySi100_x_yN)，50 彡 X 彡 70; 20 彡 y 彡 40; 7 彡 ΙΟΟ-χ-y ( 10。第二个选择是(TixAlySi100_x_yN)，55 彡 X 彡 65; 25 彡 y 彡 35; 8 彡 ΙΟΟ-χ-y ( 9。对于该钛-招-娃-氮涂层，该涂层的晶体结构是面心立方(f. c. c.)或者f. c. c.与六方密排相(h. c. P相)的混合。其相的构成是通过选定区域衍射(SADP)使用透射电镜(TEM)来确定的。氮化钛铝硅涂覆层的厚度的范围可以是在大于约零微米与约3微米之间。作为一个替代方案，氮化钛铝硅涂覆层的厚度的范围可以是在约O. 2微米与约2微米之间。在这项工作中，使用阴极电弧沉积方法来沉积这些涂层。该涂覆腔室被排空到等于约IX IO-3Pa的压力。然后使用一个辐射加热器将这些部分，即，待涂覆的基底，加热到等于约550° C的温度。在这些实例中，该基底由含约6%钴和约O. 4%铬的碳化钨组成。每个基底的表面通过氩气蚀刻使用约-50伏特到约-200伏特的DC电压在等于约O. 2Pa的氩气压力下进行清洁。钛-铝-硅和钛-铝的粉末冶金靶标在氮气反应气氛中(或惰性气体中的氮气)用于沉积钛-铝-硅-氮涂层和钛-铝-氮涂层。这些涂覆层的化学作用(即，组成)是通过使用具有不同组成的钛-铝-硅和钛-铝靶标来进行控制。沉积每个涂覆层的工作压力是处于约O. 5Pa到约6Pa之间的范围内。存在六个不同组成的钛-铝-硅-氮涂层。每个涂层的基底是含约6%钴和约
O.4%铬的烧结碳化钨。下表I列出了这六个涂层中每个的钛、铝、和硅组分的含量。该整个涂层具有根据以下化学式的组成(以原子百分比计)TixAlySi__x_y)N，其中1和7是以原子百分比计的钛、铝、和硅含量总计。这些涂覆层的组成是通过EDS技术使用SEM来进行测量的。表1-涂层编号I到编号6的组成
权利要求
1.一种涂覆的耐磨损构件，包括一个基底，该基底具有一个基底表面；以及一个涂层方案，该涂层方案包括交替涂覆子层的一个区域，其中一个涂覆子层是 TixAlySi1QQ_x_yN，其中40原子百分比彡X ^ 80原子百分比；15原子百分比彡y ^ 55原子百分比；4原子百分比< ΙΟΟ-χ-y < 15原子百分比，并且另一个涂覆子层是TipAl1(l(l_pN,其中， 45原子百分比< P ^ 100原子百分比。
2.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该一个涂覆子层TixAlySi1(l(l_x_yN具有以下组成50原子百分比< X < 70原子百分比；20原子百分比< y < 40原子百分比；7原子百分比< 100-x-y ( 10原子百分比。
3.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该一个涂覆子层TixAlySi1(l(l_x_yN具有以下组成55原子百分比< X < 65原子百分比；25原子百分比< y < 35原子百分比；8原子百分比< ΙΟΟ-χ-y ( 9原子百分比。
4.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该另一个涂覆子层TipAl1(KI_pN具有以下组成45原子百分比< P < 65原子百分比。
5.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该另一个涂覆子层TipAl1(KI_pN具有以下组成P等于100原子百分比。
6.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该涂层方案进一步包括介于该基底表面与该交替涂覆子层的区域之间的一个粘结涂层区域。
7.如权利要求6所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该粘结涂层区域包括以下粘结涂层区域替代方案中的一个(A) —个单一的TipAl1(l(l_pN粘结涂覆层，其中45原子百分比 SpS 100原子百分比；或者(B)多个粘结涂层组，其中每个粘结涂层组包括氮化钛和 TipAl100^pN的交替粘结涂覆子层，其中45原子百分比彡P ( 100原子百分比。
8.如权利要求6所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该粘结涂层区域包括以下粘结涂覆区域替代方案中的一个(A) —个单一的TipAl1(l(l_pN粘结涂覆层，其中45原子百分比 Sp <65原子百分比；或者(B)多个粘结涂层组，其中每个粘结涂层组包括氮化钛和 TipAl100^pN的交替粘结涂覆子层，其中45原子百分比< P < 65原子百分比。
9.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该涂层方案进一步包括一个单一的TixAlySi1(l(l_x_yN顶部涂覆层,其中，40原子百分比< x < 80原子百分比；15原子百分比y 55原子百分比；4原子百分比< 100-x-y ^ 15原子百分比。
10.如权利要求9所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该粘结涂层区域是在该基底表面之上，该交替涂覆子层的区域是在该粘结涂层区域之上，并且该TixAlySi1(KI_x_yN顶部涂覆层是在交替涂覆子层的区域上。
11.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，对于该交替涂覆子层的区域，该一个氮化钛铝硅涂覆子层具有的厚度是在约两纳米与约五十纳米之间，并且该另一个氮化钛铝涂覆子层具有的厚度是在约两纳米与约五十纳米之间。
12.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，对于该交替涂覆子层的区域，该一个氮化钛铝硅涂覆子层展现出了面心立方晶体结构，或者在替代方案中，是面心立方相与密排六方相的混合。
13.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，其中，该耐磨损构件是一种切削镶片，该切削镶片具有一个前刀面和一个侧表面，该前刀面和该侧表面相交而形成了一个切削刃。
14.如权利要求1所述的涂覆的耐磨损构件，具有的硬度如通过纳米压头使用ISO 14577-1标准程序所测量的是等于约30GPa和约35GPa，并且杨氏模量如通过纳米压头使用 ISO 14577-1标准程序所测量的是等于约420GPa和约550GPa。
15.一种用于制造涂覆的耐磨损构件的方法，包括以下步骤提供一个基底，该基底具有一个基底表面；并且沉积交替涂覆子层的一个区域，其中一个涂覆子层是TixAlySi1(l(l_x_yN，其中40原子百分比Sx <80原子百分比；15原子百分比Sy <55原子百分比；4原子百分比 (100-x-y ( 15原子百分比，并且另一个涂覆子层是TipAl1QQ_pN，其中，45原子百分比 ^ P ^ 100原子百分比。
16.如权利要求15所述的用于制造涂覆的耐磨损构件的方法，进一步包括在沉积该交替涂覆子层的区域的步骤之前、在该基底表面上沉积一个粘结涂层区域的步骤。
17.如权利要求15所述的用于制造涂覆的耐磨损构件的方法，进一步包括在沉积该交替涂覆子层的区域的步骤之后、在该交替涂覆子层的区域上沉积一个顶部TiAlSiN涂覆区域的步骤。
18.如权利要求1所述的交替区域的厚度，其范围是从I微米至6微米。每个子层 (TixAlySi100_x_yN或TipAl1QQ_pN)的厚度的范围是从O. 002微米到O. 05微米。
19.如权利要求7所述的粘结涂层区域的厚度，其范围是从O.2微米到4微米。
全文摘要
本发明涉及经多层涂覆的耐磨损构件及其制造方法。一种涂覆的耐磨损构件及其制造方法，该构件包括一个基底以及一种涂层方案。该涂层方案具有交替涂覆子层的一个区域。一个涂覆子层是TixAlySi100-x-yN，其中40原子百分比≤x≤80原子百分比；15原子百分比≤y≤55原子百分比；4原子百分比≤100-x-y≤15原子百分比。另一个涂覆子层是TipAl100-pN，其中45原子百分比≤p≤100原子百分比。用于制造涂覆的耐磨损构件的方法包括以下步骤提供该基底、并且沉积该交替涂覆子层的区域。
文档编号C23C14/06GK102994948SQ201210341640
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者倪旺阳, R·M·佩尼奇, 刘一雄 申请人:钴碳化钨硬质合金公司