内锚定的多层耐火涂层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及耐火涂层，并且具体地讲，设及通过化学气相沉积法(CVD)沉积W用于 切削工具应用的耐火涂层。
【背景技术】
[0002] 切削工具(包括烧结碳化物切削工具）已用于带涂层的和不带涂层的条件两者中 W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Ah〇3施加于烧结碳化物基底。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】
[0003] 在一个方面，本文描述了制品，所述制品包括耐火涂层，该耐火涂层采用内错定的 多层结构。简而言之，本文所述的带涂层的制品包括基底和通过CVD沉积的涂层，该涂层粘 附到基底，该涂层包括耐火层，该耐火层包括多个子层组，子层组包括IVB族金属氮化物子 层和相邻层氧化侣子层，IVB族金属氮化物子层包括与氧化侣子层接合的多个结节。在一些 实施例中，子层组的IVB族金属氮化物子层和相邻氧化侣子层为纳米层。此外，涂层还可包 括耐火层与基底之间的一个或多个内层。另外，涂层可包括在耐火层上的一个或多个外层。
[0004] 运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】
[0005] 图1示出了根据本文所述的一个实施例的切削工具基底。
[0006] 图2示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的示意性横截面。
[0007] 图3为根据本文所述的一个实施例的耐火层的扫描电子显微镜(SEM)横截面图像。 [000引图4为图3中提供的耐火层的一部分的SEM图像。
[0009] 图5(a)为根据本文所述的一个实施例的子层组的氧化侣子层表面的SEM图像平面 图，而图5 (b)为之前的CVD氧化侣表面的SEM图像平面图。
【具体实施方式】
[0010] 参考W下【具体实施方式】和实例W及前述和下述内容可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，运些实施例仅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。
[0011] 在一个方面，本文描述了制品，所述制品包括耐火涂层，该耐火涂层采用内错定的 多层结构。在一些实施例中，具有本文所述的耐火涂层的制品适用于高磨损和/或磨耗应用 中，诸如金属切削操作。本文所述的带涂层的制品包括基底和通过CVD沉积的涂层，该涂层 粘附到基底，该涂层包括耐火层，该耐火层包括多个子层组，子层组包括IVB族金属氮化物 子层和相邻层氧化侣子层，IVB族金属氮化物子层包括与氧化侣子层接合的多个结节。在一 些实施例中，子层组的IVB族金属氮化物子层和相邻氧化侣子层为纳米层。此外，涂层还可 包括耐火层与基底之间的一个或多个内层。另外，涂层可包括在耐火层上的一个或多个外 层。
[0012] 现在转到具体的组成部分，本文所述的带涂层的制品包括基底。带涂层的制品可 包括不违背本发明目的的任何基底。例如，基底可为切削工具或用于磨损应用中的工具。切 削工具包括但不限于可转位切削刀片、端锐刀或钻孔器。可转位切削刀片可具有用于锐削 或车削应用的任何所需ANSI标准几何形状。本文所述的带涂层的制品的基底可由烧结碳化 物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷或钢形成。在一些实施例中，烧结碳化物基底包含碳化鹤(WC)。 WC可W至少约80重量％的量或W至少约85重量％的量存在于切削工具基底中。另外，烧结 碳化物的金属粘结剂可包含钻或钻合金。钻例如可重量％至15重量％范围内的量存在 于烧结碳化物基底中。在一些实施例中，钻W5-12重量％或6-10重量％范围内的量存在于 烧结碳化物基底中。此外，烧结碳化物基底可表现出始于基底表面并从基底表面向内延伸 的粘结剂富集区。
[0013] 烧结碳化物基底还可包含一种或多种添加剂，诸如下列元素和/或其化合物中的 一种或多种:铁、妮、饥、粗、铭、错和/或给。在一些实施例中，铁、妮、饥、粗、铭、错和/或给与 基底的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，基底可W0.1-5重量％范围内的量包含一种 或多种固溶体碳化物。另外，烧结碳化物基底可包含氮。
[0014] 切削工具基底可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切削刀片基底。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（10)还包括用于将基底 (10)固定到刀架上的孔(18)。
[0015] 如本文所述，粘附到基底的涂层包括通过CVD沉积的耐火层，该耐火层包括多个子 层组，子层组包括IVB族金属氮化物子层和相邻氧化侣子层，IVB族金属氮化物子层包括与 氧化侣子层接合的多个结节。耐火层的子层组可彼此相邻或者通过耐火层中的中间层彼此 间隔开。另外，任何所需数量的子层组均可形成耐火层。例如，耐火层可包括4至100个子层 组。
[0016] 图2示出根据一个实施例的带涂层的切削工具的示意图，其中耐火层沉积在涂层 的内层上。图2的带涂层的切削工具(20)包括切削工具基底(21)和粘附到基底(21)的涂层 (22)。涂层(22)包括耐火层(23)，该耐火层具有多个子层组(24)。为了便于图2中的举例说 明，耐火层(23)由四个子层组(24)形成，每个子层组(24)包括氧化侣子层(25)和IVB族金属 氮化物子层(26)，IVB族金属氮化物子层(26)具有用于与氧化侣子层(25)接合的结节。任何 数量的子层组(24)均可用于耐火层(23)中，具体取决于耐火层(23)的所需厚度和/或其他 性能因素。涂层的内层(27)定位在耐火层(23)与切削工具基底(21)之间。如本文中进一步 所述，内层(27)可为单层或多层。
[0017] 单独的子层组可沿着耐火层的厚度表现出多种构造。一般来讲，子层组的IVB族金 属氮化物子层为厚度小于lOOnm的纳米层。IVB族金属氮化物子层例如可具有选自表1的厚 度。
[001引表1-IVB族金属氮化物子层厚度
[0019]
[0020] 重要的是，IV族金属氮化物子层包括用于与子层组的相邻氧化侣子层接合的多个' 结节。结节可表现出大致球形形状、楠圆形形状或不规则形状。在一些实施例中，结节形状 在单个IVB族金属氮化物子层内改变。另外，结节形状可在独立子层组的整个IVB族金属氮 化物子层中改变。IVB族金属氮化物子层的结节的尺寸可通常小于Ιμπι。在一些实施例中，结 节具有选自表1I的尺寸。
[0021] 表1I-IVB族金属氮化物子层的结节尺寸
[0022] _
[0023] ~另外，结节可分散在IVB族金属氮化物子层的表面上。此外，结节可存在于子层组 的IVB族金属氮化物子层的一侧或两侧上。当存在于IVB族金属氮化物子层的两侧上时，结 节可与相邻子层组的氧化侣子层接合。IVB族金属氮化物子层的结节可有助于错定由多个 子层组形成的层合结构，从而导致耐火层的性能增强。图3为根据W下实例1中列出的CVD参 数形成的耐火层的W20,000倍的放大率拍摄的横截面反散射图像。耐火层(30)由多个 子层组形成，每个子层组包括TiN子层（白色）和相邻氧化侣子层（黑色）。如图像所示， TiN子层包括与相邻氧化侣子层接合的结节。结节表现出作为整个耐火层中的白斑的各种 规则和不规则形态。图4提供了在图3中详细示出的耐火层的一部分的SEM图像。图4的SEM图 像W50,000倍的放大率拍摄。TiN结节在图4中显而易见并且延伸越过TiN子层的两个表面， 从而在高溫下，诸如切削操作中经常遇到的那些高溫下，提供抗分层性并且改善耐火层特 性。
[0024] IVB族金属氮化物子层的结节可通过一种途径或途径的组合在氮化物子层的CVD 期间形成。在一些实施例中，例如，IVB族金属反应气体的流量可斜升W促成IVB族金属氮化 物子层的不均匀生长，从而导致层中的结节形成。另外，从氧化侣到IVB族金属氮化物(诸如 TiN)