用于切削工具的绿色耐火涂层的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关专利申请资料
[0002] 本专利申请特此根据35U.S.C. § 120要求提交于2013年1月25日的美国专利申 请No. 13/750, 252的优先权，该专利据此全文以引用方式并入。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于切削工具的耐火涂层，并且具体地讲，涉及通过化学气相沉积法 (CVD)沉积的呈绿色的涂层。
【背景技术】
[0004] 切削工具（包括陶瓷切削工具）已用于带涂层和不带涂层条件两者以便加工各种 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 加于陶瓷基底。虽然在多种应用中能有效抑制磨损并延长工具寿命，但基于上述耐火材料 的单层或多层构造的耐火涂层已日益达到其性能极限，从而要求开发用于切削工具的新涂 层结构。
【发明内容】
[0005] 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。本文所述的带涂层切削工具包括基底和粘附于基底 的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧 氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所 述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。在一些实施例中，金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的 金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。另 外，复合层还可包含硫氮化锆相。
[0006] 在可供选择的实施例中，通过化学气相沉积法所沉积的复合层包含氧氮化铝相、 包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。涂层的复合层在一些实施例中还包含除 氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。此外，金属氧化物 相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/ 或与锆形成混合氧化物。
[0007] 本文所述的复合层在一些实施例中展现出在490nm至580nm波长范围内的颜色。 此外，粘附于基底的涂层可具有至少60N的临界负载（L。)。
[0008] 本文还描述了制备带涂层切削工具的方法。制备带涂层切削工具的方法包括提供 基底以及通过化学气相沉积法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮 化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述 金属氧氮化物相包括氧氮化锆。如本文所述，沉积复合层还可包含硫氮化锆相。另外，沉积 复合层的金属氧化物相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另 外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。
[0009] 复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源和锆源的气体混合物沉积。如本文 进一步所述，气体沉积混合物还可包含硫源。
[0010] 在另一个方面，制备带涂层切削工具的方法包括提供基底以及通过化学气相沉积 法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的 金属氧化物相以及硫氮化锆相。复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源、锆源和硫 源的气体混合物沉积。
[0011] 这些和其他实施例在下文的【具体实施方式】中进一步描述。
【附图说明】
[0012] 图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层切削工具的基底。
[0013] 图2为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的剖面光学图像。
[0014] 图3为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的XRD光谱。
[0015] 图4为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的复合层的形貌和抛光表 面扫描电镜（SEM)图像。
【具体实施方式】
[0016] 通过参考以下【具体实施方式】和实例以及它们以前和下面的描述可以更容易地理 解本文所述的实施例。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，这些实施例只是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。
[0017] I.带涂层切削工具
[0018] 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。本文所述的带涂层切削工具包括基底和粘附于基底 的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧 氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所 述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。在一些实施例中，金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的 金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。另 外，复合层还可包含硫氮化错相。有趣的是，本文所述的复合层可展现出490nm至580nm波 长范围内的颜色。
[0019] 现在转向特定部件，本文所述的带涂层切削工具包括基底。带涂层切削工具的基 底可以包含不违背本发明目的的任何材料。在一些实施例中，基底包含陶瓷、碳化物、陶瓷、 金属陶瓷或钢。
[0020] 陶瓷基底在一些实施例中包含碳化钨（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，陶瓷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％范围内的量存在于陶瓷基底中。在一些实施例中，钴以约5重量％至约12重量％或者 约6重量％至约10重量％范围内的量存在于陶瓷基底中。此外，陶瓷基底可显示具有开始 于基底表面处并从基底表面向内延伸的粘结剂富集区。
[0021] 陶瓷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/或铪在基 底中形成含WC的固溶体碳化物。基底在一些实施例中包含约0. 1重量％至约5重量％范 围内的量的一种或多种固溶体碳化物。另外，陶瓷基底可包含氮。
[0022] 在一些实施例中，本文所述的带涂层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。图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层 切削工具的基底。如图1所示，基底（10)具有在基底前刀面（14)与后刀面（16)的接合点 处形成的切削刃（12)。基底还包括可用于将基底（10)固定到刀架上的孔隙（18)。
[0023]在一些实施例中，带涂层切削工具的基底是刀片、钻头、端铣刀、锯片或其他切削 设备。
[0024]如本文所述，粘附于基底的涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合 层，所述复合层包含氧氮化铝（A10N)相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝 相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。A10N相可以不违背本发明 目的的任何量存在于复合层中。A10N相例如可以是复合层的主相，用作本文进一步讨论的 金属氧化物和金属氧氮化物相的基体。在一些实施例中，A10N相以选自表I的量存在于复 合层中。
[0025]表I-复合层的A10N相（体积％ )
[0027]本文所述的A10N相的铝、氮和氧含量可以根据所选的CVD参数而变化。A10N相 的铝例如可在20至50原子％的范围内。在一些实施例中，A10N相的铝在25至40原子％ 或者32至38原子％的范围内。A10N相的氮可在40至70原子％的范围内。在一些实施 例中，A10N相的氮在55至70原子％或者63至67原子％的范围内。此外，A10N相的氧可 在1至20原子％的范围内。在一些实施例中，A10N相的氧在2至15原子％或者4至6原 子％的范围内。
[0028]A10N相可以是多晶形。例如，A10N相可显示出六方晶体结构、立方晶体结构或六 方晶体结构与立方晶体结构的混合物。或者，A10N相是无定形的。此外，A10N相可显示出 晶体结构和无定形结构的混合物，其中所述晶体结构是六方的、立方的或它们的组合。A1 0N相在一些实施例中展示出晶粒尺寸在10nm至2ym范围内的细晶粒结构。
[0029] 如本文所述，复合层还包含包括氧化锆在内的金属氧化物相。在一些实施例中，金 属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化 物和/或与锆形成混合氧化物。例如，当金属元素为铝时，除氧化锆之外，金属氧化物相还 可包括A1203和/或AIZrO。金属氧化物相可以是复合层的次相，其被包含或设置在A10N基 体中。在一些实施例中，金属氧化物相以选自表II的量存在于复合层中。
[0030] 表II-复合层的金属氣化物相（体积％ )
[0032] 金属氧化物相可以是晶体。例如，金属氧化物相可显示出立方晶体结构、单斜晶体 结构、四方晶体结构、六方晶体结构或它们的混合物。金属氧化物相在一些实施例中展示出 晶粒尺寸在l〇