用于切削工具的涂層的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)專利申請資料
[0002] 本專利申請根據(jù)35U.S.C. § 119(e)要求提交于2013年3月21日的美國臨時專 利申請序列號61/803, 948的優(yōu)先權(quán)，該臨時專利申請全文據(jù)此以引用方式并入。
技術(shù)領域
[0003] 本發(fā)明涉及用于切削工具的涂層，并且具體地講，涉及通過化學氣相沉積法（CVD) 沉積的涂層。
【背景技術(shù)】
[0004] 切削工具（包括燒結(jié)碳化物切削工具）已用于帶涂層和不帶涂層條件兩者以便加 工各種金屬和合金。為了提高切削工具耐磨性、性能和壽命，已將一層或多層耐火材料施加 于切削工具表面。已通過CVD并通過物理氣相沉積法（PVD)將例如TiC、TiCN、TiN和/或 A1202施加于燒結(jié)碳化物基底。雖然在多種應用中能有效抑制磨損并延長工具壽命，但基于 上述耐火材料的單層或多層構(gòu)造的耐火涂層已日益達到其性能極限，從而要求開發(fā)用于切 削工具的新涂層結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明在一個方面描述了其上粘附有涂層的切削工具，所述涂層在一些實施例中 可展示出所需的耐磨性和延長的切削壽命。本文所述的帶涂層的切削工具包括基底和粘 附于所述基底的涂層，所述涂層包含TiZrAl203多晶層。TiZrAl203多晶層可通過CVD沉積。 另外，TiZrAl203多晶層可表現(xiàn)出各種層內(nèi)組分梯度。例如，TiZrAl203多晶層可具有包括由 A1203構(gòu)成的梯級和由TiZrAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。或者，TiZrAl203多晶層可具有包 括由A1203構(gòu)成的梯級、由ZrAl203構(gòu)成的梯級和由TiAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。在又 一個實施例中，TiZrAl203多晶層可具有包括由A1 203構(gòu)成的梯級、由ZrAl203構(gòu)成的梯級、由 TiAl203構(gòu)成的梯級和由TiZrAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。
[0006] 層內(nèi)組分梯度還以TiZrAl203多晶層的晶粒表現(xiàn)。例如，多晶層的各個晶?？杀憩F(xiàn) 出通過使晶粒內(nèi)存在A1203梯級和TiZrAl203梯級而形成的晶粒內(nèi)組分梯度。在另一個實 施例中，晶粒內(nèi)組分梯度通過使晶粒內(nèi)存在A1203梯級、ZrAl203梯級和TiAl203梯級而形成。 在又一個實施例中，晶粒內(nèi)組分梯度通過使晶粒內(nèi)存在A1203梯級、ZrAl203梯級、TiAl203梯 級和TiZrAl203梯級而形成。
[0007] 本文還提供了制備帶涂層的切削工具的方法。本文所述的制備帶涂層的切削工 具的方法包括提供切削工具基底以及通過化學氣相沉積使包含TiZrAl203多晶層的涂層沉 積于切削工具基底的表面上。CVD工藝利用的氣體混合物可包含A1C13、ZrCl4、TiCl4、氏和 C〇2。另外，根據(jù)本文所述的方法沉積的TiZrAl203多晶層可表現(xiàn)出上述層內(nèi)組分梯度。例 如，CVD沉積TiZrAl203層可具有包括由A1 203構(gòu)成的梯級和由TiZrAl203構(gòu)成的梯級的層 內(nèi)組分梯度。在另一個實施例中，CVD沉積TiZrAl203層可表現(xiàn)出包括由A1 203構(gòu)成的梯級、 由ZrAl203構(gòu)成的梯級和由TiAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。在又一個實施例中，CVD沉積TiZrAl203層可表現(xiàn)出包括由A1 203構(gòu)成的梯級、由ZrAl203構(gòu)成的梯級、由TiAl203構(gòu)成的 梯級和由TiZrAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。如本文進一步描述，層內(nèi)組分梯度可通過使 ZrClJPTiCl4同時和/或交替引入CVD氣體混合物而形成。
[0008] 上述及其他實施例將在下文【具體實施方式】部分詳細描述。
【附圖說明】
[0009] 圖1示出了根據(jù)本文所述的一個實施例的帶涂層的切削工具的基底。
[0010] 圖2是根據(jù)本文所述的一個實施例的CVDTiZrAl203多晶層的晶粒的掃描透射電 子顯微鏡/高角環(huán)形暗場（STEM-HAADF)圖像。
[0011]圖3是能量色散譜（EDS)，其表現(xiàn)出根據(jù)本文所述的一個實施例的CVDTiZrAl203 多晶層的各個晶粒內(nèi)的組分梯度。
[0012] 圖4是結(jié)合根據(jù)本文所述的一個實施例的晶粒的STEM分析生成的EDS譜線輪廓。
[0013] 圖5是TiZrAl203層中晶粒的TEM明場圖像，其中示出了具有不規(guī)則形狀的 TiZrAl203 晶粒。
[0014] 圖6為根據(jù)本文所述的一個實施例的帶涂層切削刀片的剖面光學圖像。
【具體實施方式】
[0015] 參考以下【具體實施方式】和例子以及前述和下述內(nèi)容可更容易地理解本文所述的 實施例。然而，本文所述的元素、設備和方法并不限于【具體實施方式】和實例中所述的具體實 施例。應當認識到，上述實施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范 圍的情況下，多種修改和變更對于本領域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。
[0016] I.帶涂層的切削工具
[0017] 在一個方面，描述了其上粘附有涂層的切削工具，所述涂層在一些實施例中可展 示出所需的耐磨性和延長的切削壽命。本文所述的帶涂層的切削工具包括基底和粘附于所 述基底的涂層，所述涂層包含TiZrAl203多晶層。
[0018] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到具體的組成部分，本文所述的帶涂層的切削工具包含基底。帶涂層的切 削工具的基底可包含不違背本發(fā)明目的的任何材料。在一些實施例中，基底包含燒結(jié)碳化 物、碳化物、陶瓷、金屬陶瓷或鋼。
[0019] 燒結(jié)碳化物基底可包含碳化鎢（WC)。WC可以至少約70重量％的量存在于基底 中。在一些實施例中，WC以至少約80重量％的量或以至少約85重量％的量存在于基底中。 另外，燒結(jié)碳化物基底的金屬粘結(jié)劑可包含鈷或鈷合金。鈷例如可以約3重量％至約15重 量％范圍內(nèi)的量存在于燒結(jié)碳化物基底中。在一些實施例中，鈷以5-12重量％或6-10重 量％的量存在于燒結(jié)碳化物基底中。此外，燒結(jié)碳化物基底可表現(xiàn)出始于基底表面并從基 底表面向內(nèi)延伸的粘結(jié)劑富集區(qū)。
[0020] 燒結(jié)碳化物基底還可包含一種或多種添加劑，諸如，下列元素和/或其化合物中 的一者或多者：鈦、鈮、釩、鉭、鉻、鋯和/或鉿。在一些實施例中，鈦、鈮、釩、鉭、鉻、鋯和/或 鉿與基底中的WC形成固溶體碳化物?；自谝恍嵤├邪s0. 1重量％至約5重量％ 范圍內(nèi)的量的一種或多種固溶體碳化物。另外，燒結(jié)碳化物基底可包含氮。
[0021] 基底在其他實施例中包含多晶立方氮化硼（PcBN)。PcBN基底可包含不違背本發(fā) 明目的的任何量的PcBN。例如，PcBN基底可包含大于85重量在一些實施例中， 本文所述的切削工具基底包含選自表I的量的PcBN。
[0022] 表I-切削工具基底的PcBN的重量％
[0023]
[0024] 此外，本文所述的切削工具的PcBN基底還可包含陶瓷或金屬粘結(jié)劑。用于PcBN 基底的合適陶瓷粘結(jié)劑可包括鈦、鎢、鈷或鋁的氮化物、碳氮化物、碳化物和/或硼化物。在 一些實施例中，例如，PcBN基底包含A1N、A1B2或它們的混合物的粘結(jié)劑。此外，在一些實 施例中，粘結(jié)劑包括任何上述陶瓷或金屬粘結(jié)劑的固溶體。
[0025] 具有本文所述組成參數(shù)的PcBN基底可以各種構(gòu)造提供。例如，帶涂層的切削工具 可包括獨立式整體固體片PcBN基底。或者，以通過硬釬焊或其他接合技術(shù)附接到支架上的 壓實體或刀片形式提供PcBN基底。此外，PcBN基底可為支架上的全頂部或全頂部/全底 部切削刀片。
[0026] 在一些實施例中，本文所述的帶涂層的切削工具的基底包括在基底的前刀面與后 刀面的接合點處形成的一個或多個切削刃。圖1示出了根據(jù)本文所述的一個實施例的帶涂 層的切削工具的基底。如圖1所示，基底（10)具有在基底前刀面（14)與后刀面（16)的接 合點處形成的切削刃（12)?；走€包括可用于將基底（10)固定到刀架上的孔隙（18)。
[0027] 在一些實施例中，帶涂層的切削工具的基底是刀片、鉆頭、鋸片或其他切削設備。
[0028] 粘附于基底的涂層包含TiZrAl203多晶層。例如鈦和鋯可為多晶結(jié)構(gòu)中的摻雜物。 鈦和鋯可以不違背本發(fā)明目的的任何量存在于多晶層中。在一些實施例中，鈦和鋯以選自 表II和III的量存在于TiZrAl203多晶層中。
[0029] 表II-TiZrAl203多晶層的鈦 表III-TiZrAl203多晶層的鋯
[0030]
[0031] 作為摻雜物，鈦和/或鋯可摻入到A1203相的晶格中。在此類實施例中，鈦和/或 鋯不形成與A1203相分離的氧化物相。
[0032] 鈦和鋯通常可分散于整個TiZrAl203多晶層?；蛘?，TiZrAl203多晶層可表現(xiàn)出本 文所述的各種組分梯度。例如，TiZrAl203多晶層可表現(xiàn)出包括由A1 203構(gòu)成的梯級和由 TiZrAl203構(gòu)成的梯級的組分梯度。該層內(nèi)組分梯度可通過使層內(nèi)單次出現(xiàn)A1 203梯級和 TiZrAl203梯級而建立。在其他實施例中，層內(nèi)組分梯度通過使層內(nèi)多次出現(xiàn)A1 203梯級和 TiZrAl203梯級而建立。在此類實施例中，在整個多晶層中A1 203梯級和TiZrAl203梯級可交 替出現(xiàn)。
[0033] 包含A1203梯級和TiZrAl203梯級的層內(nèi)梯度可表現(xiàn)出TiZrAl203層晶粒。例如，多 晶層的各個晶粒可表現(xiàn)出通過使晶粒內(nèi)存在A1203梯級和TiZrAl203梯級而形成的晶粒內(nèi)組 分梯度。在一些實施例中，在整個各個晶粒中A1203梯級和TiZrAl203梯級交替出現(xiàn)。
[0034] 圖2是根據(jù)本文所述的一個實施例的CVDTiZrAl203多晶層的晶粒的STEM-HAADF 圖像。如圖2所示，TiZrAl203層晶粒表現(xiàn)出TiZrAl203區(qū)域和A1 203區(qū)域交替出現(xiàn)。圖2中 的交替區(qū)域符合形成條狀結(jié)構(gòu)的晶粒的生長方向，這是鈦和鋯的存在提供對比的結(jié)果。圖3 的對應STEMEDS光譜還表現(xiàn)出包括鈦和鋯的區(qū)域[圖3(b)]和其中不存在鈦和鋯的區(qū)域 [圖3(a)]形