专利名称：带有含硼和氮的超硬涂层的基质及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种带有超硬材料外涂层的基质，以及制造这种基质的方法。更具体地，本发明涉及一种切削刀具以及制造这种切削刀具的方法，所说的切削刀具有一个含硼和氮的外结合层，本发明人认为该结合层是氮化硼，其中的主晶相是立方氮化硼(cBN)。
随着新技术的发展，许多新型材料，包括新型硬质材料，在工业上成为有用的材料。这样的新型硬质材料无限制地包括烧结的超细粉末金属，金属基复合材料，热处理硬化的钢(硬度在50～65Rockwell C之间)、高温合金。这些新材料各种性能的超常组合，例如，硬度、韧性和耐磨性，使得它们非常适用于重工业、空间工业、运输和消耗品。
为了使这些新型的硬质材料实现其最佳的商业潜力，人们必需克服这些材料存在的制造和加工方法方面的困难。这些困难存在的原因之一是这些材料非常难以钻孔、切削和成形，而且加工费用昂贵。通过使用带有超硬涂层的更强的切削刀具，人们可以最好地克服这些困难。
目前，两种基本的超硬商业切削刀具包括多晶金刚石(PCD)切削刀具和多晶立方氮化硼(PCBN)切削刀具。金刚石的Knoop硬度在约57GPa～100GPa之间。立方氮化硼的Knoop硬度约为45Gpa。
PCBN切削刀具一般用于硬质铁基材料的加工。PCD切削刀具的典型用途是硬质非铁基合金和难以切削的复合材料的加工。在典型的多晶(PCD或PCBN)切削刀具中，切削刀刃包括一个钎焊在碳化物刀坯上的超硬刀头。所说的刀头包括微米尺寸的金刚石或立方氮化硼(cBN)晶体，用合适的结合剂生长并结合在胶结的碳化物支持体上。在高压-高温(HP-HT)条件下，如在50kbar和约1500℃下合成并烧结所说的晶体和刀坯。
HP-HT制造过程以及这些刀头的加工过程都需要高的成本。结果是PCD切削刀具和PCBN切削刀具非常昂贵。除了昂贵以外，这些切削刀具通常包括一个单一刀头的刀具，其中所说的刀头具有较少的平面几何类型。虽然这些切削刀具非常昂贵并且类型较少，目前它们仍然是适用于经济地加工这些新型硬质的难切削材料的最好的(有时是唯一的)切削刀具。
通过金刚石低压沉积技术的发展，人们能够在切削刀具基质上沉积有限的涂层(或薄膜)而对切削刀具的几何形状没有明显的限制。虽然金刚石涂覆的切削刀具具有超过PCD切削刀具的优点，但是对于使用金刚石涂覆的切削刀具仍然有某些明显的限制。
金刚石切削刀具(即PCD和金刚石涂覆的切削刀具)的一个基本局限性是在高温使用过程中金刚石氧化成二氧化碳和一氧化碳。金刚石切削刀具的另一个主要局限性是金刚石(即碳)与某些材料的高化学活性。更具体地，含有铁、钴或镍中的任一种或多种的材料溶解金刚石中的碳原子。这些局限性表明，虽然金刚石切削刀具提供了某些优点，仍然有许多材料需要带有超硬涂层的切削刀具，但是对于这些材料，使用金刚石涂覆的切削刀具是不合适的。
非常明显的是，需要提供一种带有粘结的超硬涂层的切削刀具，以克服金刚石涂覆的切削刀具存在的上述问题。更具体地，需要提供一种带有粘结的超硬涂层的切削刀具，其中，所说的涂层在高温使用过程中不会氧化。同时需要提供一种带有粘结的超硬涂层的切削刀具，其中，所说的涂层不会与含有铁、钴或镍中的任一种或多种的工件材料发生化学反应。
一种通过在高温下形成防护性氧化物而进行钝化的超硬材料是氮化硼。此外，在典型的金属加工温度下，氮化硼不会与铁、钴或镍中的任一种或多种发生化学反应。因此，含有铁、钴或镍的一种或多种的工件不会溶解氮化硼。氮化硼的这些优异的特性存在于氮化硼的所有晶型；但是，表现出高硬度以提供超硬涂层的那些氮化硼晶型包括氮化硼的立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)晶型，其中，cBN具有特别好的性能，是优选的晶型。但是，期望主要为cBN的涂层含有一些其它晶型的氮化硼(例如，无定形氮化硼(aBN)和六方氮化硼(hBN))并且其中含有aBN，仍然表现出优异的硬度、抗化学反应性和钝化特性。
因此，明显的是，氮化硼涂覆的切削刀具，尤其是cBN涂覆的切削刀具，用于在高温下加工新型的硬质难切削材料，将具有非常理想的性能。同样明显的是氮化硼涂覆的切削刀具，尤其是cBN涂覆的切削刀具，用于加工含有铁、钴或镍中的任一种或多种的新型硬质难切削材料的加工时，将具有非常理想的性能。
文献包括一些提出了结合中间层的使用在基质上沉积cBN薄膜(或涂层)的一些文章。
例如，Murakawa等人的题为“反应离子镀法制备的C-BN薄膜的特性”的文章(第1009-1104页)提出在基质和cBN外层之间使用中间层的两种不同的基本方法。一种方法是单独使用存在硼和氮梯度的缓冲中间层。该文章提出这种涂层组合的后处理退火。另一种方法是在上述的缓冲层和基质之间使用钛中间层。
Gissler在表面与界面分析(Surface and Interface Analysis),Vol.22,(1994)，第139-148页中的题为“立方氮化硼和金属氮化硼薄膜的制备与表征”的文章中提出依次沉积多个Ti/BN涂层，随后进行退火处理。这篇Gissler的文章还提出向硼和氮中加入元素，如钛，以形成Ti-B-N化合物。但是，在Gissler对具有高硬度的Ti-B-N-C体系中的涂层的参考文献涉及到不用中间层的TiB2涂层。Mitterier等人在表面与涂层工艺(Surface and Coatings Technology),41(1990)第351-363页中的“在Ti-B-C-N体系中的超硬涂层的溅射沉积”。
Ikeda等人在表面与涂层工艺(Surface and Coating Technology)，50(1991)的第33-39页中的题为“通过类电弧等离子增强离子镀法进行的立方氮化硼薄膜的形成与表征”的文章中提出了一种涂层组合，即用一个钛基涂层、一个具有浓度梯度的硼和氮涂层，从靠近钛层的富硼BN组合物(iBN)到靠近外层的组分BN，和一个cBN外层。Ikeda等人提出用离子镀技术沉积所说的iBN层。
专利文献也给出了一些讨论结合中间层的使用在基质上沉积cBN涂层的一些专利。在这方面，Hirano等人的美国专利No.4,731,303“立方氮化硼涂层材料及其生产工艺”提出使用Al、Ga、In和Tl的任一种或多种的氮化物或氮氧化物中间层。Watanabe等人的美国专利No.4,892,791和美国专利No.5,137,772“涂覆立方氮化硼的坯体及其制造方法”都表明了使用含有第Ⅳb、Ⅲb、Ⅴb、Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族元素的氮化物或硼化物的中间层。
上述文献给出了沉积含硼和氮的超硬涂层的各种方法。但是，仍然需要提供一种沉积这样的涂层的方法，使得该涂层具有足够的厚度以便用于切削刀具和耐磨制品。
因此将会清楚的是，除了提供具有结合的超硬涂层的切削刀具以外，还希望提供一种具有结合的超硬涂层的切削刀具，这种刀具优选的是含有硼和氮，更优选的是含有cBN，其中，所说的涂层有足够的厚度以提供足够的使用寿命。
本发明的主要目的是提供一种带有超硬材料的结合涂层的基质，优选的是含有硼和氮，更优选的是含有cBN，其中，所说的涂层有足够的厚度以提供足够的使用寿命。
本发明的另一个目的是提供一种带有超硬材料的结合涂层的切削刀具，优选的是含有硼和氮，更优选的是含有cBN，其中，所说的涂层具有足够的厚度以提供足够的使用寿命。
在本发明的一种形式中，本发明是一种切削刀具，包括一种具有一个后倾面和一个前倾面的基质，其中，所说的后倾面和前倾面相交形成一个切削刀刃。在基质上有一个涂层。所说的涂层包括一个在至少一部分基质上的基本结合层；一个在所说的基本结合层上的含有硼和第一种元素的第一中间结合层；一个在所说的第一中间结合层上的含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层；一个在所说的第二中间结合层上的含有硼和氮的外结合层；和一个耐磨涂层组合，其中所说的耐磨涂层组合的最内层是在所说的外结合层上。
在本发明的另一种形式中，本发明是一种在包括一个基质的切削刀具上沉积一种涂层组合的方法，其中，所说的方法包括下列步骤在所说的基质上沉积一个基础结合层；在所说的基础结合层上沉积含有硼和第一种元素的第一中间结合层；在所说的第一中间结合层上沉积含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层；在第二中间结合层上沉积含有硼和氮的外结合层；沉积一种耐磨涂层组合，其中所说的耐磨涂层组合的最内层在所说的外结合层上。
在本发明的另一种形式中，本发明是一种至少在其一部分上带有涂层的基质。所说的涂层包括一个在至少一部分基质上的基础结合层；一个在所说的基础结合层上的含有硼和第一种元素的第一中间结合层；一个在所说的第一中间结合层上的含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层；一个在所说的第二中间结合层上的含有硼和氮的外结合层；以及一个耐磨涂层组合，其中，所说的耐磨涂层组合的最内层在所说的外结合层上。
下面是构成本专利申请的一部分的附图的简要说明
图1是本发明切削工具的特定实施方案的等尺寸图；图2是图1的切削刀具沿剖面线2-2的横截面图，用于说明第一个特定实施方案的涂层组合；图3是用于实施本发明的方法的设备的力学示意图。
参考附图，图1和2说明了本发明的第一个特定实施方案，是一个切削刀具(通常表示为20)。切削刀具20存在一个前倾面22和一个后倾面24，两者相交形成一个切削刀刃26。第一个特定实施方案(20)的涂层组合一般是一个试样的典型，该试样是实际试验的一部分，即下文提出的试验No.1。
关于基质材料的类型，所说的基质可以包括金属、陶瓷、聚合物、和这些材料的组合形成的复合材料，以及这些材料的组合。金属可以是元素、合金和/或金属间化合物。金属包括IUPAC的第2-14族的元素。陶瓷包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、它们的混合物、它们的固溶体、以及它们的组合物。聚合物包括在对其一部分涂覆了所说的涂层组合后获得理想的力学和/或物理性能的有机和/或无机基的聚合物。复合材料包括金属基复合材料(MMC)、陶瓷基复合材料(CMC)、聚合物基复合材料(PMC)以及它们的组合。优选的复合材料包括金属陶瓷、胶结的碳化物、特别是钴胶结的碳化钨、复合材料可以包括金刚石作为尖端的或金刚石涂覆的基质、PCBN或PCD。
其它典型的材料包括碳化钨基材料，其中存在简单碳化物或固溶体形式的其它碳化物(如TaC、NbC、TiC、VC)。在胶结碳化物的情况下，钴结合剂的含量范围在约0.2wt％和20wt％之间，虽然更典型的范围在约5wt％和约16wt％之间。应该清楚的是可以使用其它结合剂材料。除了钴和钴合金以外，合适的金属结合剂包括镍、镍合金、铁、铁合金以及上述材料(即钴、钴合金、镍、镍合金、铁和/或铁合金)的任何组合。此外，应该理解的是Nemeth等人的U.S.Reissue Patent No.34,180“优选的富含结合剂的胶结碳化物体及其制造方法(授权于本专利申请的受让人)”中提出的在靠近基质表面处的富含结合剂(钴)的基质可以适合于用所说的涂层组合进行处理。
多层涂层组合30包括一个用括号32表示的结合涂层组合和用括号34表示的耐磨涂层组合。所说的多层涂层组合的总厚度范围在约1微米(μm)～5μm或更多之间，更优选的是所说的总厚度范围在约3μm和约5μm之间。
参考图1和2的特定涂层组合，所说的结合涂层组合32包括一个靠近基质28表面的基础结合层38。基础结合层38含有钛金属。但是，应该清楚的是，所说的基础结合层可以含有(或包括)铝、镁、锆或铪。基础层38的厚度范围在约10埃()和约10,000之间，其中，典型的厚度约为1,000。
第一个中间结合层40在基础层38上。第一个中间层40含有硼和碳。硼与碳的原子比(B∶C)在约2.7～3.3之间。第一个中间层40的厚度范围在约10埃()和约10,000之间，其中，典型的厚度约为2,000第二个中间结合层42在第一个中间层40上。第二个中间层42含有硼、碳和氮。硼-氮原子比(B∶N)在29∶71和54∶46之间的范围内(优选的是29∶71和41∶59之间)，其中，碳的原子百分数范围在约11％和约26％之间。换句话说，氮与碳的原子比(N∶C)范围在约74∶26和约89∶11之间，其中，硼的原子百分数约在29％～54％之间。第二个中间层42的厚度范围在约10埃()和约10,000之间，其中，典型的厚度约为2,000。
外结合层44在第二个中间结合层42上。外结合层44含有硼和氮，硼和氮的原予比约在0.6～5.7之间，即，硼的原子百分数约在38％～85％之间。外结合层44的厚度范围约在1000埃()～20,000之间，其中典型的厚度约为10,000。
多层耐磨涂层组合34在结合涂层组合32之上。在这个特定实施方案中，有一个基本耐磨涂层组合顺序。但是，申请人认为可以沉积多种顺序的基本耐磨涂层组合以适应某些用途。通过多种顺序的耐磨涂层组合的沉积，总的涂层的总厚度可以增加到要求的厚度。
参考耐磨涂层组合34，基础耐磨涂层48在外结合层44之上。基础耐磨涂层48含有硼、碳和氮。硼-氮的原子比(B∶N)的范围在29∶71和54∶46之间(优选的是在29∶71和41∶59之间)，其中，碳的原子百分数范围在约11％和约26％之间。换句话说，氮与碳的原子比(N∶C)范围在约74∶26和约89∶11之间，其中，硼的原子百分数在约29％和约54％之间。基础耐磨涂层48的厚度范围在约10埃()和约10,000之间，其中，典型的厚度约为2,000。
外耐磨涂层50含有硼和氮，原子比在约0.6～5.7之间，即硼的原子百分数在约38％和约85％之间。耐磨层50的厚度范围在约1000埃()和约20,000之间，其中，典型的厚度约为10,000。
至少部分涂敷本发明的涂层组合的切削刀具可以方便地用于所谓的“硬车削”或“硬加工”中来取代研磨。硬车削可以包括把硬化的合金切割到最终的或精加工的形式的过程，硬化的合金包括铁基合金，如钢。可以把硬化的合金切割到精度至少为约±0.0127mm(0.005英寸)，优选的是至少约±0.0076mm(0.003英寸)，以及在车床上或旋转中心上的优于约20微米rms的表面光洁度。切削速度、进刀、和切削深度(DOC)可以包括与取得理想结果相匹配的任何情况。切削速度范围可以为约50～300米/分钟，优选的是约为75～200米/分钟，更优选的是80～150米/分钟。类似地，进刀范围可以为约0.05～1mm/转，优选的是约为0.1～0.6mm/转，更优选的是约为0.3～0.6mm/转。此外，DOC的范围可以为0.05～1mm，优选的是约为0.1～0.25mm，更优选的是约为0.1～0.3mm。可以在有或没有切削或冷却流体的情况下使用上述切削参数。
整个多层组合30的总厚度范围应该在约1微米(μm)～5μm或更多之间，优选的范围在约3μm～5μm之间。可以理解的是，沉积多种顺序的耐磨涂层组合的能力提供了沉积具有选定的厚度的涂层的能力。通过在切削刀具30上取得理想的涂层总厚度，可以预期切削刀具30具有令人满意的使用寿命。
关于涂敷这些涂层的方法，可以预期以下沉积技术可以提供合适的结果。涂敷cBN涂层的典型方法包括离子束辅助PVD技术，氮离子渗入、等离子化学传递，射频溅射、离子镀、rf等离子CVD和电子回旋加速共振CVD。申请人还认为不平衡磁子溅射技术可以提供合适的结果。
CVD合成cBN的技术典型包括，例如在NASA Tech Briefs,Vol.18,No.8 p.53中的“立方BN在金刚石中间层上的沉积”；Z.Song,F.Zhang,Y.Guo,&G.Chin的“立方氮化硼薄膜在镍基质上的织构生长”，应用物理快报，Vol.65,No.21,1994,pp.2669-2671；M.Kuhr,S.Rinke,& W Kulisch的“用感应耦合等离子体沉积立方氮化硼”，表面与涂层技术，Vol.74-75,1995,pp.806-812；Murakawa & S.Watanabe，“在平行磁场中用热阴极等离子放电合成立方BN薄膜”涂层技术，Vol.43,1990,pp.128-136中所述的那些技术。
PVD合成cBN的技术典型包括，例如，在M.Mieno & T.Yosida的“通过溅射制备立方氮化硼薄膜”日本应用物理学报，Vol.29,No.7,July1990,pp.L1175-L117；Kester等人的“立方氮化硼薄膜的相控制”，应用物理学报，Vol.72,No.2(1990年7月)；Wada等人的“通过离子束辅助沉积形成CBN薄膜”，真空科学技术学报A.,Vol.10,No.3(1992年5月/6月)；Ikeda等人的“通过类电弧等离子感应离子镀法形成立方氮化硼薄膜”，真空科学技术学报，Vol.8,No.4(1990年7月/8月)；T.Ikeda,T.Satou,& H.Stoh的“通过类电弧等离子增强离子镀法进行的立方氮化硼薄膜的形成与表征”，表面与涂层技术，Vol.50,1991,pp.33-39中所描述的那些方法。
用于试验Nos.1和2的特定方法是离子束辅助的电子束PVD法，用于形成含氮涂层。在Aharon Inspektor(本专利申请的申请人)的题为“含氮和硼的涂层及其制备方法”的美国专利申请中提出了一种PVD技术，该专利申请与本专利申请同日公布并授权给Kennametal Inc.(与本专利申请相同的受让人)。Aharon Inspektor的题为“含氮和硼的涂层及其制备方法”的上述专利申请在本文中引作参考。
下文给出用于制造实际的试验，即试验Nos.1和2的特定设备和过程的描述。
合适的设备是带有20℃水冷高真空室的AIRCO TEMESCAL FC1800快速循环电子束(e-束)蒸发器单元，装备有四个小型电子束枪，并使用射频(RF)偏转基质夹具。所说的单元也可以包括一个残余气体分析器(Inficon的IQ200)，一个用于室加热的石英灯，一个离子源(Commonwealth Scientific Corp.of Alexandria,Virginia的Mark Igridless end-Hall type of ion gun)，一个Faraday杯(与Inficon的IQ6000相接)，辅助的基质加热用灯丝(或一个附加的石英灯)。虽然这种特定的方案使用单一的离子枪，但是本申请人认为两个离子枪可以适合于所说的涂层组合的沉积。
图4表示基质夹具100，一个用于从材料源104上产生蒸气的电子束102、Faraday杯106和离子源108。测量了在基质夹具100的平面112与垂直于蒸气源表面并基本平行于蒸气源观察线的线之间的角度α。测量了在基质夹具106的平面(112)与离子源108的观察线(110)之间的角度β。材料源104的表面与基质平面(112)之间的距离表示为“d1”。离子源108与基质夹具100的平面(112)之间的距离表示为“d2”。
参考图4所示的设备的安排，操作参数包括角度α在约45度～75度之间，角度β在约65度～80度之间，距离d1约为444mm，距离d2在约90mm～165mm之间。
试验No.1的试样包括总数为8个的切削刀具试样，其中，4个切削刀具用具有下列组成和基本性质的钴胶结的碳化钨(WC-Co)基质(即组合物No.1)约5.4～5.9wt％的钴、约1.4～2.4wt％的钽、不超过约0.2wt％的钛、不超过约0.2wt％的铌、其余为碳化钨。对于组合物No.1，碳化钨的平均晶粒尺寸约为1-4微米(μm)，比重在约14.80～15.10克/立方厘米(gm/cc)之间，Rockwell A硬度在约92.4～93.0之间，磁饱和率在约85～98％之间，其中，100％等于约202微特斯拉立方米/千克钴(μTm3/kg)(约160高斯立方厘米/克钴(gauss-cm3/gm))，矫顽力在约230～300奥斯特(oersteds)之间。
另外4个切削刀具用具有下列组成和基本性质的钴胶结碳化钨(即组合物No.2)基质约5.7～6.3wt％的钴、不超过0.1wt％的钽、不超过0.1wt％的钛、不超过0.1wt％的铌、约0.3～0.5wt％的铬、其余为碳化钨。对于组合物No.1，碳化钨的平均晶粒尺寸约为1-5微米(μm)，比重在约14.80～15.00克/立方厘米(gm/cc)之间，RockwellA硬度在约92.6～93.4之间，磁饱和率在约83～95％之间，其中，100％等于约202微特斯拉立方米/千克钴(μTm3/kg)(约160高斯立方厘米/克钴(gauss-cm3/gm))，矫顽力在约250～320奥斯特(oersteds)之间。
试验No.2的试验包括总数为10个的切削刀具，其中，2个切削刀具具有组合物No.1的钴胶结的碳化钨(WC-Co)基质。6个切削刀具具有组合物No.2的钴胶结碳化钨基质。
这些切削刀具中的2个具有赛隆(SiAlON)陶瓷基质。所说的赛隆陶瓷包括双相的硅铝氧氮化物相α-赛隆和β-赛隆陶瓷，基本用美国专利No.4,563,433的方法制造，密度约为3.26g/cm3,Knoop硬度在200g时为约18GPa，断裂韧性(KIC)约为6.5 Mpa m1/2，弹性模量约为304GPa，剪切模量约为119GPa，体模量约为227GPa，泊松比约为0.27，抗张强度约为450MPa，横向弯曲强度约为745MPa，极限耐压强度约为3.75Gpa。
试验No.1和2的第一步是基质清洗步骤。该步骤的目的是清洗相应的环境(包括靠近基质表面的空间)和基质表面。
参考用于表Ⅰ～ⅩⅢ中的测量单位，气体流量用标准立方厘米/分钟(sccm)、压力用帕斯卡(Pa)、温度用摄氏度(℃)、离子束能量用电子伏特(eV)、电子束设定用最大功率设定的百分数(％)、蒸发速率在蒸发源的平面和基质夹具(在离蒸发源表面约254mm，离蒸发源中心约165mm处的位置上)之间测量，用纳米/秒(nm/sec)表示。
下面的表Ⅰ列出了试验No.1和2的清洗步骤的参数。
表Ⅰ清洗基质的参数
对于试验No.1和2，下一步包括直接在基质表面上沉积钛金属薄膜。该步骤的目的是准备(或调节)基质表面以用于沉积后续的涂层。钛是反应性金属，即所谓的“吸气材料”。换句话说，钛与沉积室内或基质表面上的氧和其它污染物反应形成钛化合物，从而除去污染物。申请人认为其它金属，例如，镁、铝、锆或铪也可以用于准备沉积涂层的基质。
下面的表Ⅱ列出了沉积这种钛的基础结合层的参数。
表Ⅱ沉积钛基础结合层的参数
对于试验No.1和2，在沉积钛基础结合层后，在沉积所说的结合层组合的下一步骤包括在钛涂层上沉积含有硼和碳的第一中间结合层。在这方面，沉积第一中间结合层的参数列于下面的表Ⅲ。
表Ⅲ沉积硼-碳第一中间结合层的参数
对于试验No.1和2，在沉积所说的第一中间结合层(含有硼和碳)后，在沉积所说的结合层组合中的下一步骤包括在所说的第一中间结合层上沉积含有硼、氮和碳的第二中间结合层。在这方面，下面的表Ⅳ列出了通过试验No.1和2沉积所说的第二中间结合层的参数。
表Ⅳ沉积硼-氮-碳第二中间结合层的参数
对于试验No.1和2，在沉积了第二中间结合层后，在沉积所说的结合层组合的下一步骤中包括沉积含有硼和氮的外结合层(最优选的是cBN的形式)。下面表Ⅴ列出了根据试验No.1和2沉积这种涂层的参数。
表Ⅴ沉积硼-氮外结合层的参数
对于试验No.1和2，沉积所说的外结合层完成了所说的结合层组合的沉积。
参考结合层组合，上面的试验表明所说的第一中间结合层和所说的第二中间结合层有两种共有的元素；即硼和碳。但是，申请人不打算把本发明的范围限制在这些共有的元素内。虽然所说的第一中间结合层和所说的第二中间结合层有两种共有的元素，但是申请人认为在这些涂层之间仅有至少一种元素是共有的。申请人还认为在所说的第一中间结合层和所说的第二中间结合层之间，其它元素以及多种元素可以是共有的。例如，所说的第一中间结合层可以含有三种元素(除了硼和碳)，这三种元素是与所说的第二中间结合层的成分是共有的。
特定试验的试样还表明所说的第二结合层和所说的外结合层有两种元素是共有的；即，硼和氮。但是，申请人不打算把本发明的范围限制在这些共有的元素内。虽然所说的第二中间结合层和所说的外结合层有两种元素是共有的，但是申请人认为在这两层之间仅有至少一种元素是共有的。申请人还认为在所说的第二中间结合层和所说的外结合层之间可以有其它元素以及多种元素是共有的。例如，所说的第二中间结合层可以含有三种元素(除了硼和氮)，这些元素与所说的外结合层中的成分是共有的。
所说的第一中间结合层、第二中间结合层和外结合层的特定实施方案表明在所有三层中有一种元素是共有的，即硼是共有的元素。申请人不打算把本发明的范围限制于一种涂层组合(即第一中间结合层、第二中间结合层和外结合层)，其中，对于所有的层有一种元素是共有的。
此外，申请人不打算把本发明的范围限制于一种涂层组合，其中，硼是唯一的共有元素。申请人认为在所说的第一中间结合层、第二中间结合层和外结合层之间可以有一种或多种元素是共有的。
参考多层耐磨涂层组合的沉积，这种涂层组合是完成所说的结合层组合之后的下一系列步骤。所说的多层耐磨涂层组合对于每个试验是不同的，所以，为了便于理解，下文列出了每个试验的多层耐磨涂层组合。
试验No.1的多层耐磨涂层组合参考用于试验No.1的多层耐磨涂层组合，基础耐磨涂层含有硼、碳和氮。表Ⅵ中列出了沉积该涂层的参数。
表Ⅵ沉积硼-碳-氮基础耐磨涂层的试验No.1参数
在沉积基础耐磨涂层之后，下一步是沉积外耐磨涂层。下面的表Ⅶ列出了沉积该涂层的参数。
表Ⅶ沉积硼-氮外耐磨涂层的试验No.1参数
这就完成了试验No.1的整个涂层组合的沉积。
因此，试验No.1的试样的整个涂层组合包括一个结合层组合和一个耐磨涂层组合。结合层组合包括下列涂层Ti/B-C/B-C-N/B-N。耐磨涂层组合包括下列涂层B-C-N和B-N。
试验No.2的多层耐磨涂层组合对于根据试验No.2制备的试样，所说的基础耐磨涂层含有钛，硼和氮。下面的表Ⅷ列出了沉积该涂层的参数。
表Ⅷ沉积钛-硼-氮基础耐磨涂层的试验No.2参数
下一步包括沉积含有硼和氮的外耐磨涂层。表Ⅸ列出了沉积该涂层的参数。
表Ⅸ沉积硼-氮外耐磨涂层的试验No.2的参数
外研磨涂层的沉积完成了试验No.2的总涂层组合。总涂层组合包括一个含有四个涂层(Ti/B-C/B-C-N/B-N)的结合层和一个耐磨涂层组合，所说的耐磨涂层组合包括一个含有钛、硼和氮的基础涂层和一个含有硼和氮的外涂层。
在各个沉积步骤中可以使用的蒸气源材料可以包括钛、碳化硼、硼化钛(TiB2)和硼。钛和碳化硼每种可以包括99.9wt％的市售材料，而硼和硼化钛可以包括99.5wt％的市售材料。
试验No.1和2的试样表明在所说的外结合层和所说的基础耐磨涂层之间有两种元素是共有的。对于试验No.1的试样，所说的共有元素是硼和氮。对于试验No.2的试样，共有的元素也是硼和氮。虽然这不是所说的涂层组合的要求，但是申请人认为，对于优选的涂层组合，在所说的外结合层和所说的基础耐磨涂层之间至少有一种元素是共有的。
试验No.1和2的试样还表明在所说的外耐磨涂层和所说的基础耐磨涂层之间有两种元素是共有的。对于试验No.1和2的试样，在这些涂层之间的共有元素都是硼和氮。虽然这不是所说的涂层组合的要求，但是申请人认为，对于优选的涂层组合，在所说的外耐磨涂层和所说的基础耐磨涂层之间至少有一种元素是共有的。
虽然试验No.1和2的试样没有表明在所说的基础耐磨涂层和所说的外涂层之间存在中间层，但是申请人认为，一种或多种中间层可能是有用的。此外，虽然试验No.1和2的试样没有表明可重复的耐磨涂层组合，但是申请人认为，所说的耐磨涂层组合可以重复一次或多次，以便得到足够厚度的总的涂层。在这方面，所说的涂层的总厚度(即所说的结合层组合和所说的耐磨涂层组合的厚度和)的范围应该在约1μm～5μm或更多之间，涂层总厚度的优选的范围是约3μm～5μm之间。
本发明的上述方案有许多优点，包括可以使用含有硼和氮的涂层的刀具，例如切屑形成切削刀片，用于钻孔、车削、研磨、和/或成形硬质的、难切削的材料，以及其它可变换角度的和可变换角度的刀具。此外，这种刀具可以用于加工金属、陶瓷、聚合物、它们的组合的复合材料，以及它们的组合。特别是这种刀具可以用于切削、钻孔和成形与金刚石不相容的材料，例如，铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金、硬化钢、硬质铸铁、软质铸铁以及烧结的铁。
虽然已经参考某些优选的方案非常详细地描述了本发明，其它方案也是可能的。实例包括如用于电子应用中的TAB结合剂、模具、冲头等用途的耐磨部件上的涂层，在采矿工具、建筑工具、土壤钻探工具、衍生钻探工具中的碳化物刀头上的涂层；用于抗磁(MR)计算机磁盘驱动器中的滑板上薄涂层；以及在条形码扫描器窗口的透明涂层。
在本申请中说明的所有专利和其它文献在本文中都引作参考。
从本文提出的本发明的说明书或实践的内容出发，本发明的其它实施方案对于熟悉该技术的那些人都是显而易见的。本说明书以及其中描述的实际的试验仅作为说明，本发明的范围和实质由下面的权利要求书表明。
权利要求
1.一种切削刀具，包括一种有一个前倾面和一个后倾面的基质，其中，所说的前倾面和后倾面相交形成一个切削刀刃；一种在所说的基质上的涂层，所说的涂层包括一个基础结合层，所说的基础结合层在至少一部分所说的基质上；一个含有硼和第一种元素的第一中间结合层，所说的第一中间结合层在所说的基础结合层之上；一个含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层，所说的第二中间结合层在所说的第一中间结合层之上；一个含有硼和氮的外结合层，所说的外结合层在所说的第二中间结合层之上；一个耐磨涂层组合，所说的耐磨涂层组合的最内层在所说的外结合层之上。
2.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的基础结合层包括一种反应性金属，所说的反应性金属选自由钛、锆、铪、镁和铝组成的组中。
3.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的第一种元素是碳。
4.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的耐磨涂层组合包括一个在所说的外结合层之上的基础耐磨涂层。
5.根据权利要求4的切削刀具，其中，所说的耐磨涂层组合还包括一个在所说的基础耐磨涂层之上的外耐磨涂层。
6.根据权利要求5的切削刀具，其中，所说的第一种元素是碳；所说的基础耐磨涂层含有硼、氮和碳；所说的外耐磨涂层含有硼和氮。
7.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的第一中间结合层和所说的第二中间结合层至少有一种元素是共有的。
8.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的第二中间结合层和所说的外结合层至少有一种元素是共有的。
9.根据权利要求1的切削刀具，其中，所说的第一中间结合层、第二中间结合层和所说的外结合层至少有一种元素是共有的。
10.一种在包括一个基质的切削刀具上沉积一种涂层组合的方法，所说的方法包括下列步骤在所说的基质上沉积一个基础结合层；在所说的基础结合层上沉积一个含有硼和第一种元素的第一中间结合层；在所说的第一中间结合层上沉积一个含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层；在所说的第二中间结合层上沉积一个含有硼和氮的外结合层；沉积一个耐磨涂层组合，其中，所说的耐磨涂层组合的最内层在所说的外结合层之上。
11.根据权利要求10的方法，其中，所说的基础结合层包括一种反应性金属，所说的反应性金属选自由钛、锆、铪、镁和铝组成的组中。
12.根据权利要求10的方法，其中，所说的第一种元素是碳。
13.根据权利要求10的方法，其中，沉积所说的耐磨涂层组合的步骤包括在所说的外结合层之上沉积一个基础耐磨涂层。
14.根据权利要求13的方法，其中，所说的沉积耐磨涂层组合还包括在所说的基础耐磨涂层之上沉积一个外耐磨涂层。
15.根据权利要求14的方法，其中，所说的基础耐磨涂层含有硼、氮和碳；所说的外耐磨涂层含有硼和氮。
16.一种至少一部分上带有涂层的基质，所说的涂层包括一个基础结合层，所说的基础结合层在至少一部分所说的基质上；一个含有硼和第一种元素的第一中间结合层，所说的第一中间结合层在所说的基础结合层之上；一个含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层，所说的第二中间结合层在所说的第一中间结合层之上；一个含有硼和氮的外结合层，所说的外结合层在所说的第二中间结合层之上；和一个耐磨涂层组合，所说的耐磨涂层组合的最内层在所说的外结合层之上。
17.根据权利要求16的基质，其中，所说的基础结合层包括一种反应性金属，所说的反应性金属选自由钛、锆、铪、镁和铝组成的组中，所说的第一种元素是碳。
18.根据权利要求16的基质，其中，所说的耐磨涂层组合包括一个在所说的外结合层之上的基础耐磨涂层。
19.根据权利要求18的基质，其中，所说的耐磨涂层组合还包括在所说的基础耐磨涂层之上的外耐磨涂层。
全文摘要
一种切削刀具,包括一个基质(28)和一个基质(28)之上的涂层。所说的涂层包括一个在至少一部分基质(28)之上的基础结合层(38)。一个在基础结合层(38)之上的含有硼和第一种元素的第一中间结合层(40)。一个在第一中间结合层(40)之上的含有硼、第一种元素和氮的第二中间结合层(42)。一个在第二中间结合层(42)之上的含有硼和氮并且优选的是立方氮化硼形式的外结合层(44)。一个耐磨涂层组合(34),其中,耐磨涂层组合的最内层(34)在外结合层(44)之上。
文档编号C23C28/04GK1215437SQ97193587
公开日1999年4月28日 申请日期1997年1月15日 优先权日1996年4月4日
发明者A·因斯皮克多 申请人:钴碳化钨硬质合金公司