專利名稱：涂層切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于金屬加工的涂層切削刀具，其具有硬質(zhì)合金的基底，且在所述基底的表面上，通過物理氣相沉積(PVD)或等離 子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)而沉積有硬且耐磨的耐火涂層。
背景技術(shù)：
沉積諸如鋁、碳化鈦和/或氮化鈦材料的薄陶瓷涂層(l-20微米) 到例如硬質(zhì)合金切削刀具上的工藝是公知的技術(shù)，而且當(dāng)在金屬加工 中使用涂層切削刀具時(shí)，這種涂層切削刀具的工具壽命得到了相當(dāng)大 的延長(zhǎng)。在某些情況下，工具延長(zhǎng)的使用壽命可能延續(xù)得長(zhǎng)于非涂層 切削刀具的使用壽命的幾倍。這些陶瓷涂層一般包括單層，或者多層 的組合。目前商用的切削刀具的特征在于具有雙層或多層結(jié)構(gòu)的多 層組合。總的涂層厚度在l微米和20微米之間變化，且各分層的厚度 在幾個(gè)微米到百分之幾微米之間變化。沉積這些層的公知技術(shù)為CVD和PVD(參見例如U.S.4619866和 U.S.4346123) 。 PVD涂層的、硬質(zhì)合金或高速鋼制成的商用切削刀具 通常具有TiN， Ti(C,N)或(Ti，Al)N組成的、在組成上均相的單層，或者 所述相組成的多層涂層，每層都為單相材料。存在幾種PVD技術(shù)，能夠在切削刀具上產(chǎn)生出薄的、耐火涂層。 最公知的方法是離子鍍，磁控濺射，電弧放電蒸發(fā)和IBAD (離子束輔 助沉積)以及上述方法的混合工藝。每種方法都有它自己的優(yōu)點(diǎn)，且 所產(chǎn)生涂層的內(nèi)在性能，諸如微觀結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸，硬度，應(yīng)力情況， 內(nèi)聚力和與下面基底的粘附性都可以根據(jù)所選擇的具體的PVD方法而 變化。這樣，通過最優(yōu)化上述性能中的一種或幾種，用在特定加工操
作中的PVD涂層切削刀具的耐磨性或刀刃完整性方面的提高能夠得到 實(shí)現(xiàn)。直到近來為止，顆粒加強(qiáng)的陶瓷都公知為呈塊狀的構(gòu)成材料，而不是納米復(fù)合物。在J.F.Kuntz等人的文章中(MRS期刊，2004年1 月，pp22-27)公開了具有納米分散顆粒的氧化鋁塊陶瓷。在例如 U.S.6660371, U.S.4702907和U.S.4701384中公開了氧化鋯和含鈦韌化 的氧化鋁CVD層。在這些公開文獻(xiàn)中，通過CVD技術(shù)沉積涂層，且 因此所形成的Zr02相為熱力學(xué)穩(wěn)定相，也就是單斜晶相。而且，CVD 沉積涂層通常處于拉伸應(yīng)力下，或者低水平壓縮應(yīng)力下，而PVD或 PECVD涂層由于這些沉積工藝的固有性質(zhì)而一般處于較高水平壓縮應(yīng) 力下。在US2005/0260432中描述了氧化鋁+氧化鋯CVD涂層的噴射， 給出了壓縮應(yīng)力水平。噴射工藝是已知的，其用以引入處于適當(dāng)水平 的壓縮應(yīng)力。氧化鋯的亞穩(wěn)相，諸如四方或立方相已經(jīng)顯示出通過一種已知 為變形韌化的機(jī)理(Hannink等人，J.Am.Ceram. Soc 83(3)461-87; Evans， Am. Ceram. Soc 73(2) 187-206(1990))而進(jìn)一步改善了塊狀陶瓷。這種 亞穩(wěn)相已經(jīng)顯示出，通過加入穩(wěn)定元素(諸如Y或Ce)，或者通過缺 氧環(huán)境(諸如真空)的作用(Tomasze wski等人，J .Mater. Sci Lett 7 (19 8 8) 788-80)而得以促進(jìn)，這通常是PVD應(yīng)用所需要的。PVD工藝參數(shù)的 變化已經(jīng)顯示出，導(dǎo)致了在氧化鋯(尤其是立方氧化鋯相)中的亞穩(wěn) 相的氧化學(xué)計(jì)量和構(gòu)成的變化(Ben Amor等人，Mater. Sci. Eng. B57(1998) 28)。在EP 0709483和US6103357中描述了用于切割應(yīng)用的多層PVD 層，這種多層由金屬氮化物或金屬碳化物組成，EP0709483中揭示了金 屬氮化物和金屬碳化物的對(duì)稱多層結(jié)構(gòu)，US6103357描述了金屬氮化 物和碳化物的非周期性的疊層多層。 瑞典專利申請(qǐng)No.SE0500867-7和SE0600104-4公開了一種用于金 屬加工的切削刀具刀片，在其上面，至少在其表面的作用部分上涂敷 有薄的、粘性的、堅(jiān)硬的且耐磨涂層。這種涂層包括金屬氧化物+金屬 氧化物納米復(fù)合層，該復(fù)合層由兩種組分組成，顆粒尺寸為1-100納米。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種PVD或PECVD涂層的切削刀具，其中 涂層具有提高的耐磨性，且具有提高的粘附性。


圖1為通過本發(fā)明的涂層切削刀具截取的橫截面的示意圖，顯示 了涂有疊層多層B的基底A，層B包括交替的類型C的金屬氧化物+ 金屬氧化物納米復(fù)合層和類型D的金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合 層。具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于諸如車削、銑削和鉆削的金屬加工 的切削刀具，其包括硬合金制成的基底，硬合金包括硬質(zhì)合金，金屬 陶瓷，陶瓷，立方氮化硼或高速鋼，優(yōu)選的為硬質(zhì)合金或金屬陶瓷， 在基底上沉積有包括疊層多層的耐磨涂層。切削刀具的形狀包括可轉(zhuǎn) 位刀片以及刀柄式工具，諸如鉆頭，端銑刀等。在疊層多層下方，涂 層還可以包括至少一個(gè)金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物的第 一、內(nèi)部單層或多層，其中金屬原子為Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si中的一種或多種，且與現(xiàn)有技術(shù)一致，厚度在0.2微 米到20微米之間。涂層被涂敷在整個(gè)基底上，或者至少涂敷在基底的 作用表面上，例如切削刃、前刀面、側(cè)刀面以及參與金屬切削工藝的 任何其他表面。根據(jù)本發(fā)明的涂層被粘結(jié)在基底上，且包括交替的PVD或PECVD 金屬氧化物層的疊層多層，MeiX+Me2X+MeiX+Me2X...，其中金屬原
子Mej和Me2為Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y禾B Si中 的一種或多種，優(yōu)選為Hf， Ta， Zr和Al，最優(yōu)選為Zr和Al，且Me,和Me2中的至少一個(gè)為在金屬氧化物基體中分散的金屬氧化物組分的納 米復(fù)合層，下文稱之為金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層，而且對(duì)于 一種或多種金屬原子的濃度，疊層多層具有沿著從涂層外表面朝向基 底的方向的組成梯度，所述梯度使得疊層多層最外部分的平均濃度和 疊層多層最內(nèi)部分的平均濃度之間的差以絕對(duì)單位為至少5at-%。層 MqX和Me2X在組成或結(jié)構(gòu)上，或者在組成和結(jié)構(gòu)上都是不同的。在 整個(gè)多層中，各M^X或Me2X層厚的順序優(yōu)選為非周期性的。非周期 性理解為，疊層多層中的具體各層的厚度并不取決于緊接在該層下方 的層的厚度，而且并不與該具體各層上方的單層存在任何關(guān)系。因此， 在各涂層厚度的順序上，疊層多層并不具有任何重復(fù)的周期性。此外， 各層厚度大于0.4納米但是小于50納米，優(yōu)選大于1納米且小于30納 米，最優(yōu)選大于5納米且小于20納米。疊層多層的總厚度在0.2微米 到20微米之間，優(yōu)選為0.5微米到5微米之間。一個(gè)金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層包括至少兩種組分，其具 有不同的組成和不同的結(jié)構(gòu)。每種組分為一種金屬元素的單相氧化物， 或者兩種或多種金屬氧化物的固溶體。材料的微觀結(jié)構(gòu)的特征在于， 被組分B圍繞的組分A的納米尺寸的顆?；蚓е钠骄w粒或晶柱尺 寸為1-100納米，優(yōu)選為1-70納米，最優(yōu)選為1-20納米。組分B的中 數(shù)線性截距為0.5-200納米，優(yōu)選為0.5-50納米，最優(yōu)選為0.5-20納米。金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層的氧含量低于化學(xué)計(jì)量氧含 量，其中氧金屬原子比例為化學(xué)計(jì)量的氧金屬原子比例的85-99%, 優(yōu)選為90-97%。組分A和B的體積量分別為40-95%和5-60%。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，疊層多層被直接沉積到金屬碳化
物、金屬氮化物或金屬碳氮化物制成的第一、內(nèi)部單層或多層上，其中金屬原子為Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y和Si中的一 種或多種，且厚度在0.2微米到20微米的范圍內(nèi)，且至少一個(gè)金屬氧 化物+金屬氧化物納米復(fù)合層的一種或多種金屬原子為比所述第一、內(nèi) 部單層或多層中的一種或多種金屬原子更硬的碳化物或氮化物形成元 素。而且，優(yōu)選的是，在疊層多層中，沿著從涂層外表面朝向基底的 方向，更硬的至少一個(gè)金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層的碳化物或 氮化物形成元素的金屬原子的濃度增大。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，Me!X為金屬氧化物+金屬氧化物 納米復(fù)合層，其包括組分A的顆?；蚓е蛧@的組分B， M^X為金 屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層，其包括組分A的顆?；蚓е蛧@ 的組分B。 MeiX的組分A與Me2X的組分A —樣，Me,X和Me2X的 組分B —樣，但是組分A的金屬原子與組分B的金屬原子不同。MeiX 中的組分A的體積量〉Me2X中的組分A的體積量，優(yōu)選的是，以絕對(duì) 單位，MetX中的組分A的體積量至少比Me2X中的組分A的體積量多 2.5%，最優(yōu)選的是，以絕對(duì)單位，Me,X中的組分A的體積量至少比 Me2X中的組分A的體積量多5%。疊層多層在組分A的金屬原子中具 有組成梯度，在組分B的金屬原子中也具有組成梯度，由于整個(gè)多層 中平均MeiX和/或Me2X層的厚度的關(guān)系上的變化，因而在疊層多層 中，增加金屬原子量的方向?qū)τ诮M分A和組分B是相反的。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，MqX為金屬氧化物+金屬氧化物 納米復(fù)合層，Me2X為金屬化物+金屬氧化物納米復(fù)合層。M^X的組分 A的金屬原子與Me2X組分A的金屬原子不同。MeiX的組分B與Me2X 的組分B —樣。MeiX中的組分A的體積量等于Me2X中的組分A的 體積量。由于整個(gè)多層中平均Me,X和/或Me2X層的厚度的關(guān)系上的 變化，因而疊層多層在組分A的金屬原子方面具有組成梯度。在多層 的最內(nèi)部分，MeiX的組分A的金屬原子的平均量可以例如接近百分之 零，即平均的MeiX層厚接近零，因此使得Me2X的組分A的金屬原 子的平均量達(dá)到最大。由于朝著多層的最外部分的逐漸增大的平均MeiX層的厚度，因此MeiX的組分A的金屬原子的平均量可以朝著多層的最外部分增大到最大量。在本發(fā)明另一實(shí)例實(shí)施例中，第一、內(nèi)部單層或多層包括Ti基碳 化物、氮化物或碳氮化物。MeiX為金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層，其包含組分A的顆粒或晶柱，組分A優(yōu)選呈四方或立方氧化鋯；和圍繞的組分B，組分B優(yōu)選呈非晶態(tài)或晶態(tài)氧化鋁，其為阿爾法(a ) 相和伽瑪(Y)相中的一個(gè)或兩個(gè)，Me2X為Al203層，其優(yōu)選為阿爾 法(a )相和伽瑪(Y)相中的一個(gè)或兩個(gè)。由于整個(gè)多層中平均MqX 和/或Me2X層的厚度的關(guān)系上的變化，因而疊層多層在組分A的金屬 原子方面具有組成梯度。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，第一、內(nèi)部單層或多層包括Ti基碳化物、 氮化物或碳氮化物。MeiX為金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層，其 包含組分A的顆?；蚓еM分A呈鉿的氧化物；和圍繞的組分B， 組分B呈非晶態(tài)或晶態(tài)氧化鋁，其為阿爾法(ct )相和伽瑪(y )相 中的一個(gè)或兩個(gè)，Me2X為Al203層，其優(yōu)選為阿爾法(a)相和伽瑪 (Y )相中的一個(gè)或兩個(gè)。由于整個(gè)多層中平均Me,X和/或Me2X層 的厚度的關(guān)系上的變化，因而疊層多層在組分A的金屬原子方面具有 組成梯度。在疊層多層的頂部，涂層還可以包括至少一個(gè)金屬碳化物、金屬 氮化物或金屬碳氮化物的外部單層或多層，其中金屬原子為Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y和Si中的一種或多種。該層的厚度 為0.2微米-5微米。根據(jù)本發(fā)明的層通過PVD技術(shù)、PECVD技術(shù)或者上述技術(shù)的混 合而實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)的例子是RF (射頻)磁控濺射，DC磁控濺射和 脈沖雙磁控濺射(DMS)。涂層在基底溫度為20(TC-850。C下形成。
當(dāng)采用PVD工藝類型時(shí)，利用合成氧化物耙材來沉積金屬氧化物 +金屬氧化物納米復(fù)合層。利用金屬靶體，在周圍反應(yīng)氣體中的反應(yīng)工 藝是一種替代性工藝路線。對(duì)于通過磁控濺射方法生產(chǎn)金屬氧化物層 的情況，可以利用兩種或多種單個(gè)金屬靶體，其中通過接入和斷開各 靶體，對(duì)金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合組成進(jìn)行操縱。在優(yōu)選方法中，靶體為化合物，具有反映出期望組成的組分。對(duì)于射頻(RF)濺射的情況，通過單獨(dú)地對(duì)各靶體施加受控制的功率水平，對(duì)組分進(jìn)行控制。非周期性層的結(jié)構(gòu)可以通過在大規(guī)模PVD或PECVD工藝中基底 的多重旋轉(zhuǎn)而形成。實(shí)例1利用RF濺射PVD方法，在基底上沉積非周期性疊層多層，其包 括交替的金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合Ah03+Zr02層和八1203層。通過高純度氧化物靶體，依據(jù)溫度和氧化鋯和氧化鋁的比例，應(yīng) 用不同的工藝條件，從而沉積上納米復(fù)合層。通過在氧化鋯靶體上施 加一個(gè)功率水平，而在氧化鋁耙體上施加獨(dú)立的功率水平，對(duì)在所形成的納米復(fù)合層中的兩種氧化物的含量進(jìn)行控制。將氧化鋁添加到氧 化鋯熔劑中，目的是形成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具有亞穩(wěn)Zr02相。 對(duì)于本例，在各氧化物靶體上的靶體功率水平為80W。調(diào)節(jié)濺射速度， 以獲得與鋁相比，高兩倍的at-。/。的鋯。氧金屬原子比例為化學(xué)計(jì)量 的氧金屬原子比例的94%。在氬氣環(huán)境中，利用氧化鋁靶體來沉積八1203層。選擇用于各交替層的濺射時(shí)間，使得朝著涂層表面連續(xù)地增大 八1203層的厚度。
利用XRD和TEM對(duì)所產(chǎn)生的層進(jìn)行分析。XRD分析顯示出，在 納米復(fù)合層中沒有晶態(tài)A120 3的痕跡，而A120 3層主要由伽瑪A120 3 組成。TEM的研究顯示出，沉積涂層包括交替的金屬氧化物+金屬氧化 物納米復(fù)合層的疊層多層，所述復(fù)合層包括由線性截距為2納米的非 晶相(組分B)圍繞的平均顆粒尺寸為4納米的顆粒(組分A)，和伽 瑪八120 3層。納米復(fù)合層的顆粒為立方Zr02，而圍繞的相具有較高的 鋁含量。單層厚度范圍為4至20納米，且總的多層厚度為約l微米。 八120 3層的厚度朝著涂層表面連續(xù)增大產(chǎn)生了 Zr梯度，使得以絕對(duì)單 位的平均Zr量在多層的最內(nèi)部分大約比在多層的最外部分高30at-y。， 如利用EDS在各部分中的幾個(gè)連續(xù)層上的平均Zr量測(cè)量到的。在納米復(fù)合層中，兩種組分A和B的相對(duì)體積量分別近似為70% 和30%，如從從TEM圖像的ERDA分析和EDS線掃描確定的。
權(quán)利要求
1.一種切削刀具，包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速鋼的基底，至少在該基底的表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂層，其特征在于，所述涂層包括交替的PVD或PECVD金屬氧化物層的疊層多層，Me1X+Me2X+Me1X+Me2X...，金屬原子Me1和Me2為Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一種或多種，優(yōu)選為Hf，Ta，Zr和Al，最優(yōu)選為Zr和Al，且Me1X和Me2X中的至少一個(gè)為由具有不同組成和不同結(jié)構(gòu)的兩種組分，組分A和組分B構(gòu)成的金屬氧化物+金屬氧化物的納米復(fù)合層，所述兩種組分由一種金屬元素的單相氧化物或者兩種或多種金屬氧化物的固溶體組成，其中層Me1X和Me2X在組成或結(jié)構(gòu)上、或者在組成和結(jié)構(gòu)兩者上都是不同的，并且各具有大于0.4納米小于50納米的層厚，所述疊層多層的總厚度在0.2微米到20微米之間的范圍內(nèi)，并且對(duì)于一種或多種金屬原子的濃度，所述疊層多層具有沿著從涂層外表面朝向基底的方向的組成梯度，所述梯度使得疊層多層最外部分的平均濃度和疊層多層最內(nèi)部分的平均濃度之間的差以絕對(duì)單位為至少5at-％。
2. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的切削刀具，其特征在于，所述各Me,X 和Me2X的層厚均大于1納米且小于30納米。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的切削刀具，其特征在于，所述涂層還 包括金屬碳化物、金屬氮化物或者金屬碳氮化物的第一、內(nèi)部單層或 多層，且層厚在0.2微米到20微米之間，其中金屬原子選自下列元素 中的一種或多種Ti， Nb， V， Mo, Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的切削刀具，其特征在于，所述至少一個(gè) 金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層的一種或多種金屬原子為比所述 第一、內(nèi)部單層或多層中的一種或多種金屬原子更強(qiáng)的碳化物或氮化 物形成元素。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的切削刀具，其特征在于，所述 涂層在疊層多層的頂部還包括至少一個(gè)金屬碳化物、金屬氮化物或者金屬碳氮化物的外部單層或多層，且層厚在0.2微米到5微米之間，其 中金屬原子選自下列元素中的一種或多種Ti， Nb， V， Mo， Zr， Cr， Al， Hf， Ta， Y或Si。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的切削刀具，其特征在于，所述 組分A的平均顆粒尺寸為1-100納米，優(yōu)選為l-70納米，最優(yōu)選為1-20納米。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的切削刀具，其特征在于，所述組分B 的中數(shù)線性截距為0.5-200納米，優(yōu)選為0.5-50納米，最優(yōu)選為0.5-20 納米。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的切削刀具，其特征在于，組分 A和B的體積量分別為40-95%和5-60%。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的切削刀具，其特征在于，所述 組分A包含四方或立方氧化鋯，所述組分B由非晶或晶態(tài)氧化鋁，其 阿爾法(a )相和伽瑪(Y)相之一或兩者組成。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的切削刀具，其特征在于，Me,X 為金屬氧化物+金屬氧化物納米復(fù)合層，Me2X為阿爾法(a )相和伽 瑪(Y)相之一或兩者的晶態(tài)氧化鋁層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削刀具，包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速鋼制成的基底，至少在該基底表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂層，其中所述涂層包括交替的PVD或PECVD金屬氧化物層的疊層多層，Me₁X+Me₂X+Me₁X+Me₂X...，其中金屬原子Me₁和Me₂為下列元素中的一種或多種Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si，且Me₁X和Me₂X中的至少一個(gè)為由具有不同組成和不同結(jié)構(gòu)的兩種組分，組分A和組分B構(gòu)成的金屬氧化物+金屬氧化物的納米復(fù)合層，這兩種組分由一種金屬元素的單相氧化物或者兩種或多種金屬氧化物的固溶體組成，其中層Me₁X和Me₂X在組成或結(jié)構(gòu)上、或者在組成和結(jié)構(gòu)兩者上都是不同的，并且各具有大于0.4納米但是小于50納米的層厚，所述疊層多層的總厚度在0.2微米到20微米之間的范圍內(nèi)，并且對(duì)于一種或多種金屬原子的濃度，所述疊層多層具有沿著從涂層外表面朝向基底的方向的組成梯度，所述梯度使得疊層多層最外部分的平均濃度和疊層多層最內(nèi)部分的平均濃度之間的差以絕對(duì)單位為至少5at-％。
文檔編號(hào)B32B33/00GK101164772SQ2007101671
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者戴維·于伊·特林, 拉爾斯·胡爾特曼, 漢斯·霍格貝里, 瑪麗安娜·科林, 英麗德·賴內(nèi)克 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司