用于切削工具的涂層的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)專利申請(qǐng)資料
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35 U.S.C. § 119(e)要求于2013年3月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)序列號(hào)61/804, 077的優(yōu)先權(quán)，所述專利申請(qǐng)據(jù)此全文引入以供參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于切削工具的涂層。
【背景技術(shù)】
[0004] 包括燒結(jié)碳化物切削工具在內(nèi)的切削工具已在帶涂層和不帶涂層兩種條件下用 于對(duì)各種金屬和合金進(jìn)行機(jī)加工。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(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD)和通過(guò)物理氣相沉積（PVD)將 例如TiC、TiCN、TiN和/或Al 2O3施加于燒結(jié)碳化物基底。雖然在多種應(yīng)用中能有效抑制 磨損并延長(zhǎng)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(dá)到其性 能極限，從而要求開(kāi)發(fā)用于切削工具的新涂層結(jié)構(gòu)。
[0005] 為提高性能，一些人已嘗試了對(duì)Al2O3改性。授予Hillnhagen的DE2736982描述 了陶瓷基質(zhì)（例如氧化鋁），其中儲(chǔ)存有另外的材料（例如Zr02)并且儲(chǔ)存的材料具有明顯 不同的熱膨脹系數(shù)，從而產(chǎn)生具有極細(xì)的微裂紋的涂層。
[0006] 授予Sarin等人的US4702970和授予Sarin等人的US4749629描述了用具有至少 兩個(gè)相的陶瓷涂層涂布的硬陶瓷基底。第一相為氧化鋁、氧化鋯或氧化釔的連續(xù)氧化物基 質(zhì)層。至少一個(gè)不連續(xù)的第二或另外的鋁、鋯或釔氧化物相或其固溶體作為分立的顆粒分 散在基質(zhì)層內(nèi)。該另外的相的材料不同于基質(zhì)材料。
[0007]在 Russell, W. C.，Strandberg，C.，"Wear Characteristics and Performance of Alumina-Zirconia CVD Coatings'，，Int. J of Refractory Metals&Hard Materials, 14(19 96) 51-58 (Russell, W. C.、Strandberg，C.，"氧化鋁-氧化鋯CVD涂層的磨損特性和性能"， 《國(guó)際耐火金屬與硬質(zhì)材料雜志》，第14卷，1996年，第51-58頁(yè)）中，作者描述了在氧化鋁 基質(zhì)內(nèi)使用各種摻雜量的ZrO 2。另外，這篇文章公開(kāi)了與基底相鄰的Ti層，然后是用于粘 附的純氧化鋁層，再是Al2O 3ArO2涂層。
[0008] 授予Tsushima等人的US7276301公開(kāi)了具有TiOy上層的a -型（Al, Zr) 203層。 沉積具有(6-型晶體結(jié)構(gòu)的（Al，Zr) 203。描述了涂布后熱處理作為將（Al，Zr)203轉(zhuǎn)化成 a -型晶體結(jié)構(gòu)的方法。
[0009] 授予Tomita等人的US7597511公開(kāi)了具有a -型晶體結(jié)構(gòu)并含有Zr的氧化鋁層。 據(jù)聲稱，含有Zr的涂層具有特定的晶體學(xué)取向，其中所定義的3值大于60%。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是帶涂層的切削刀片的截面的顯微照片，示出了根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例 的涂層結(jié)構(gòu)的各層。
[0011] 圖2示出了根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層的切削工具的基底。
[0012] 圖3是通過(guò)掃描透射電鏡產(chǎn)生的ZrAl2O3的截面的高角度環(huán)形暗場(chǎng)圖像，下文稱為 STEM HAADF。根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例，經(jīng)由X射線能量色散光譜分析，所選的區(qū)域在組 成上不同。
[0013] 圖4示出了圖3的圖像中的區(qū)域1和區(qū)域2的能量色散X射線（EDS)光譜圖。
[0014] 圖5是根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例產(chǎn)生的ZrAl2O3的截面的光學(xué)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 通過(guò)參考以下【具體實(shí)施方式】和實(shí)例以及它們以前和下面的描述可以更容易地理 解本文所述的實(shí)施例。
[0016] 然而，本文所述的元素、設(shè)備和方法并不限于【具體實(shí)施方式】和實(shí)例中所述的具體 實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)施例只是示例性地說(shuō)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(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。
[0017] 在一個(gè)方面，描述了具有粘附到其上的涂層的切削工具，在一些實(shí)施例中，該涂層 可展示出所需的耐磨性和增加的切削壽命。帶涂層的切削工具在一些實(shí)施例中包含基底和 粘附到基底上的涂層，該涂層包含通過(guò)化學(xué)氣相沉積法而沉積的至少一個(gè)包含ZrAl 2O3的 Zr摻雜層。在一些實(shí)施例中，鋯以選自表XI的量存在于多晶ZrAl2O 3層中。
[0018]表 XI-多晶 ZrAlf2層的 Zr
[0020] 作為摻雜劑，鋯可摻入Al2O3相的晶格中。在此類實(shí)施例中，鋯不形成與Al 203相分 開(kāi)的氧化物相。
[0021] 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(shí)施例中，基底包含燒結(jié)碳化 物、碳化物、陶瓷、金屬陶瓷、鋼、P⑶、PcBN或這些所列材料的組合。
[0022] 燒結(jié)碳化物基底在一些實(shí)施例中包含碳化鎢（WC)。WC可以至少約70重量％的量 存在于基底中。在一些實(shí)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(shí)施例中，鈷以約5重 量％至約12重量％或約6重量％至約10重量％范圍內(nèi)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)。
[0023] 燒結(jié)碳化物基底還可以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(shí)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。基底在一些實(shí)施例中包含約0. 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。
[0024] 在一些實(shí)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(diǎn)處形成的一個(gè)或多個(gè)切削刃。在其他實(shí)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(shè)備。
[0025] 圖1是帶涂層的切削刀片的截面的顯微照片，示出了根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例 的涂層結(jié)構(gòu)的各層。圖2示出了根據(jù)圖1中所示的實(shí)施例的帶涂層的切削刀片。圖1和圖 2的切削刀片包含燒結(jié)WC的基底1?；?涂有多層涂層。從基底開(kāi)始并向外推進(jìn)，涂層 包含TiN的內(nèi)層2、MT TiCN層3、TiCN層4、ZrAl203層5、倒數(shù)第二的TiCN層6和TiN外層 1。
[0026] 圖3是通過(guò)STEM產(chǎn)生的ZrAl2O3的截面的HAADF圖像。根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施 例，經(jīng)由X射線能量色散光譜分析，所選的區(qū)域在組成上不同。圖3的區(qū)域1突出顯示不存 在Zr的ZrAl 2O3涂層的單個(gè)晶粒的截面。區(qū)域2突出顯示可檢測(cè)到Zr的相同晶粒的第二 個(gè)區(qū)域。圖4示出了圖3中的區(qū)域1和區(qū)域2的能量色散X射線（EDS)光譜圖。EDS確認(rèn) 了在區(qū)域2中存在Zr而在區(qū)域1中不存在Zr。該變摻雜已證實(shí)在某些金屬切削條件下是 有利的。
[0027] 圖5是根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例產(chǎn)生的ZrAl2O3的截面的光學(xué)圖像。在圖5中， 顯不了 ZrAl2O3涂層。指明了涂層的慘雜和未慘雜區(qū)。
[0028] 此外，本文所述的涂層的多晶ZrAl2O3層可以具有不違背本發(fā)明目的的任何厚度。 在一些實(shí)施例中，ZrAl 2O3層具有選自表XII的厚度。
[0029]表XII _2^1^)2層厚（um)
[0031] ZrAl2O3層可直接沉積在切削工具基底表面上。或者，本文所述的涂層還可以包括 ZrAl2O3層與基底之間的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層。一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層在一些實(shí)施例中包含選自由鋁 及周期表的IVB、VB和VIB族的金屬元素構(gòu)成的組的一種或多種金屬元素以及選自由周期 表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金屬元素構(gòu)成的組的一種或多種非金屬元素。在一些實(shí) 施例中，基底與ZrAl2O3層之間的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層包含選自由鋁及周期表的IVB、VB和VIB 族的金屬元素構(gòu)成的組的一種或多種金屬元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化 物。例如，一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層選自由氮化鈦、碳氮化鈦、碳化鈦、氧化鈦、氧化鋯、氮化鋯、碳氮 化鋯、氮化鉿、碳氮化鉿和氧化鋁以及它們的混合物構(gòu)成的組。
[0032] 本文所述的涂層的內(nèi)層可以具有不違背本發(fā)明目的的任何厚度。涂層的內(nèi)層可具 有0. 5 ym至25 ym范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，根據(jù)內(nèi)層在涂層中的位置來(lái)選擇內(nèi)層 的厚度。作為涂層的初始層直接沉積在基底表面上的內(nèi)層例如可具有〇. 5至2. 5 ym范圍 內(nèi)的厚度。沉積在初始層上的內(nèi)層，諸如TiCN層，可具有2 ym至20 ym范圍內(nèi)的厚度。此 外，其上沉積有本文所述的ZrAl2O3層的內(nèi)層，諸如包含氧化鋁的層，可具有1至6 y m范圍 內(nèi)的厚度。
[0033] 在一些實(shí)施例中，本文所述的ZrAl2O3層是涂層的最外層。或者，本文所述的涂層 可包括在ZrAl2O3層上的一個(gè)或多個(gè)外層。一個(gè)或多個(gè)外層在一些實(shí)施例中包含選自由鋁 及周期表的IVB、VB和VIB族的金屬元素構(gòu)成的組的一種或多種金屬元素以及選自由周期 表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金屬元素構(gòu)成的組的一種或多種非金屬元素。在一些實(shí) 施例中，在ZrAl2O3層上的一個(gè)或多個(gè)外層包含選自由鋁及周期表IVB、VB和VIB族的金屬 元素構(gòu)成的組的一種或多種金屬元素的氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，一個(gè)或 多個(gè)外層選自由氮化鈦、碳氮化鈦、碳化鈦、氮化鋯、碳氮化鋯、氮化鉿、碳氮化鉿、碳氮氧化 鈦、碳氮氧化鋯、碳氮