低應(yīng)力硬質(zhì)涂層及其施用的制作方法
【專利摘要】一方面，在此描述了涂覆的切削刀具，該涂覆的切削刀具包括一個基體以及附著到該基體上的一個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該耐火層包含M1-xAlxN，其中x≥0.68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。
【專利說明】低應(yīng)力硬質(zhì)涂層及其施用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于切削刀具以及磨損零件的硬質(zhì)耐火涂層，并且特別地涉及通過物 理氣相沉積所沉積的、展現(xiàn)出高厚度、高硬度和低應(yīng)力的耐火涂層。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常通過物理氣相沉積（PVD)技術(shù)將一層或多層耐火材料施加到切削刀具表面 上以提高多種特性，包括該切削刀具的耐磨損性、性能和壽命。例如通常通過PVD施加氮化 鈦（TiN)涂層到燒結(jié)碳化物切削刀具基體上。然而，TiN在約500°C下開始氧化而形成金紅 石型Ti02，由此促進(jìn)涂層快速劣化。將鋁結(jié)合到立方晶格中可以通過在涂層表面處形成一 個保護(hù)性的富含鋁的氧化膜而使TiN涂層的降解氧化減慢。
[0003] 雖然提供了對高溫穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用，但是鋁還可能引起TiN涂層的結(jié)構(gòu)改變從 而對涂層性能產(chǎn)生負(fù)面影響。增大結(jié)合到TiN涂層中的鋁的量可以引起六角密堆積（hep) 氮化鋁（A1N)相的生長，從而將該涂層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)從單一立方相改變?yōu)榱⒎较嗪土窍嗟?混合。超過70原子百分比的鋁含量可以進(jìn)一步將AlTiN層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變?yōu)閱我坏膆ep 相。顯著量的六角相可以導(dǎo)致AlTiN硬度的顯著減小，從而導(dǎo)致涂層過早失效或其他不希 望的性能特征。不能充分控制六角相的形成阻礙了通過將鋁添加到TiN涂層所產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn) 的充分實(shí)現(xiàn)。
[0004] 另外，由于在沉積過程中離子轟擊所產(chǎn)生的高的殘余壓縮應(yīng)力，PVD涂層（包括 AlTiN)的厚度受限。殘余壓縮應(yīng)力僅隨著涂層厚度增大，這樣使得該涂層易于層離或發(fā)生 其他粘附失效模式?？梢詼p小該基體的偏置電壓以減輕PVD涂層中的殘余壓縮應(yīng)力。然而， 偏置電壓的減小可能顯著損害涂層硬度。例如，在AlTiN和類似系統(tǒng)中，偏置電壓的減小促 進(jìn)了六角相的形成。
[0005] 鑒于這些考慮，對于提供具有高的鋁含量、高硬度、高厚度和/或低的殘余壓縮應(yīng) 力的PVD式AlTiN涂層存在重大障礙。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] -方面，在此針對上述障礙的解決方案是提供具有高的鋁含量、高硬度、高厚度和 /或低的殘余壓縮應(yīng)力的切削刀具和磨損部件PVD涂層。例如，在一些實(shí)施例中，在此描述 的一個涂覆的切削刀具包括一個基體和附著到該基體上的一個通過PVD而沉積的耐火層， 該耐火層包含MhAlJ，其中x彡0. 4并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有大于5ym的厚度、 至少25GPa的硬度以及小于2. 5GPa的殘余壓縮應(yīng)力。另外，該耐火層可以具有大于15重 量百分比并且直至35重量百分比的六角相含量。如在此進(jìn)一步所述，該包含MhAlxN的耐 火層可以是一個單一的完整層或可以由多個子層形成。
[0007] 另一方面，在此描述的涂覆的切削刀具包括一個基體以及附著到該基體上的一 個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該耐火層包含MhAlxN，其中 x彡0. 68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。
[0008] 在另一方面，在此描述了用于制造涂覆的切削刀具的方法。在一些實(shí)施例中，一種 用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個基體并且通過陰極電弧沉積在該切削刀具 基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個耐火層，該耐火層包含MhAlxN，其中x> 0. 4 并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有大于5ym的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2. 5GPa 的殘余壓縮應(yīng)力。在一些實(shí)施例中，該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏壓沉積的。 例如，該偏壓可以是在-20V到小于約-40V的范圍內(nèi)。
[0009] 在另一個實(shí)施例中，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個切削刀 具基體并且在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個包含MhAlxN的耐火層其中 x> 0. 64并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有至少25GPa的硬度，其中該耐火層是在一個陰 極電弧沉積設(shè)備中沉積的，該設(shè)備包括至少一個具有環(huán)形延伸部的陽極。
[0010] 另一方面，在此描述的制作涂覆的切削刀具的方法可以限制或控制在所沉積的耐 火層中六角相的形成。在一些實(shí)施例中，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一 個基體并且通過陰極電弧沉積在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個MhAlxN 耐火層，其中0.4并且M是鈦、鉻或鋯，其中該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏 壓沉積的，并且通過使用至少一個具有小于約80mm的直徑的陰極靶而將耐火層中的六角 相限制在0至35重量百分比。
[0011] 另外，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個基體并且通過陰極電弧 沉積在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個MhAlxN耐火層，其中X> 0. 4并且 M是鈦、鉻或鋯，其中該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏壓沉積的，并且通過減小一 個或多個電弧轉(zhuǎn)向磁場的幅度而將耐火層中的六角相限制在〇至35重量百分比。
[0012] 此外，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個基體并且通過陰極電弧 沉積在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個耐火層，該耐火層包含MhAlxN，其 中x彡0. 4并且M是鈦、鉻、鋯或鋯，其中該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏壓沉積 的，并且通過將該耐火層作為多個子層組沉積而將耐火層中的六角相限制在0至35重量百 分比，一個子層組包括一個形成立方相的納米層和相鄰的MhAlxN納米層。
[0013]另外，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個基體并且通過陰極電弧 沉積在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個MhAlxN耐火層，其中X> 0. 4并且 M是鈦、鉻或鋯，其中該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏壓沉積的，并且通過在一個 陰極電弧設(shè)備中沉積該耐火層而將耐火層中的六角相限制在〇至35重量百分比，該設(shè)備包 括至少一個具有環(huán)形延伸部的陽極。
[0014] 在下面的詳細(xì)說明中更加詳細(xì)地說明了這些和其他實(shí)施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1展示了根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的一個切削刀具基體。
[0016] 圖2是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0017] 圖3是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0018] 圖4是根據(jù)在此描述的一個實(shí)施例采用了環(huán)形延伸部的一種陽極構(gòu)型的截面示 意圖。
[0019] 圖5是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的耐火涂層的X射線衍射圖。
[0020] 圖6是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的耐火涂層的X射線衍射圖。
[0021]圖7是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的耐火涂層的X射線衍射圖。
[0022] 圖8是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的耐火涂層的X射線衍射圖。
[0023]圖9展示了根據(jù)在此說明的多個實(shí)施例用于確定臨界負(fù)載（L。）的PVD涂層剝片 的多個非限制性參考實(shí)例。
[0024] 圖10展示了根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0025] 圖11是根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的耐火涂層的X射線衍射圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]通過參考以下詳細(xì)說明和實(shí)例以及它們的上述和以下說明可以更容易地理解在 此描述的實(shí)施例。但是，在此描述的元素、設(shè)備和方法并不限于在詳細(xì)說明和實(shí)例中提及的 具體實(shí)施例。應(yīng)該認(rèn)識到這些實(shí)施例僅是本發(fā)明原理的展示。在不脫離本發(fā)明的精神和范 圍而做出的許多修改和修正，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是容易明白的。
[0027] I.涂覆的切削刀具
[0028]-方面，在此描述的一個涂覆的切削刀具包括一個基體和附著到該基體上的一個 通過PVD而沉積的耐火層，該耐火層包含MhAlxN，其中x> 0. 4并且M是鈦、鉻或鋯，該耐 火層具有大于5ym的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2. 5GPa的殘余壓縮應(yīng)力。在某些 實(shí)施例中，x彡0. 55或彡0. 6。另外，耐火層可以具有大于15重量百分比并且直至35重量 百分比的六角相含量。
[0029]另一方面，一個涂覆的切削刀具包括一個基體以及附著到該基體上的一個涂層， 該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該耐火層包含MhAlJ，其中x> 0. 68 并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。
[0030]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向具體的部件，在此描述的涂覆的切削刀具包括一個基體。一個涂覆的切 削刀具可以包括并非與本發(fā)明的目的不一致的任何基體。在一些實(shí)施例中基體是一個端銑 刀、鉆頭或可轉(zhuǎn)位切削鑲片?？赊D(zhuǎn)位切削鑲片可以具有用于銑削或車削應(yīng)用的任何希望的 ANSI標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀。在此描述的涂覆的切削刀具的基體可以是由燒結(jié)碳化物、碳化物、陶 瓷、金屬陶瓷或鋼形成的。在某些實(shí)施例中，燒結(jié)碳化物基體包括碳化鎢（WC)。在一個切削 刀具基體中存在的WC的量可以是至少約80重量百分比或至少約85重量百分比。此外，燒 結(jié)碳化物的金屬粘結(jié)劑可以包括鈷或鈷合金。例如，在一個燒結(jié)碳化物基體中存在的鈷的 量的范圍可以是從3重量百分比至約15重量百分比。在某些實(shí)施例中，在一個燒結(jié)碳化物 基體中存在的鈷的量的范圍是從5至12重量百分或從6至10重量百分比。另外，一個燒 結(jié)碳化物基體可以呈現(xiàn)出在該基體的表面處開始并向內(nèi)延伸的一個粘結(jié)劑富集區(qū)。
[0031]燒結(jié)碳化物切削刀具基體還可以包括一種或多種添加劑，例如像以下元素和/或 它們的化合物中的一種或多種：鈦、鈮、釩、鉭、鉻、鋯和/或鉿。在某些實(shí)施例中，鈦、鈮、釩、 鉭、鉻、鋯和/或鉿與該基體中的WC形成固溶體碳化物。在此類實(shí)施例中，該基體可以包括 一種或多種固溶體碳化物，該固溶體碳化物的量的范圍是從0. 1至5重量百分比。此外，一 個燒結(jié)碳化物基體可以包括氮。
[0032]-個切削刀具基體可以包括在該基體的一個前刀面與一個或多個肋側(cè)面的相接 處形成的一個或多個切削刃。圖1展示了根據(jù)在此說明的一個實(shí)施例的一個切削刀具基 體。如圖1所展示的，基體（10)具有在基體前刀面（14)與多個肋側(cè)面（16)的相接處形成 的多個切削刃（12)。該基體（10)還包括一個孔口（18)，用于將基體（10)固定到一個刀夾 具上。
[0033] 除了切削刀具之外，基體可以包括具有多樣化的構(gòu)造和應(yīng)用的多個磨損部件。
[0034] 如在此描述的，包括通過PVD沉積的耐火層的一個涂層附著到該基體上，該耐火 層包含MhAlJ，其中x彡0.4并且M是鈦、鉻或锫，該耐火層具有大于5iim的厚度、至少 25GPa的硬度以及小于2. 5GPa的殘余壓縮應(yīng)力。替代地，包括通過PVD而沉積的耐火層的 一個涂層附著到該基體上，該耐火層包含MhAlJ，其中x> 0. 68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐 火層包括一個立方晶相和至少25GPa的硬度。在一些實(shí)施例中，在此說明的MhAlJ耐火層 中的x具有選自下表I中的一個值。
[0035] 表I-M^AlxN納米層的A1含量（原子％ )

【權(quán)利要求】
1. 一種涂覆的切削刀具，包括： 一個基體；以及 附著到該基體上的一個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該 耐火層包含MhAlxN，其中x > 0. 68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相和至 少25GPa的硬度。
2. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中x > 0. 69。
3. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中0. 7 < x < 0. 85。
4. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有至少100kg的臨界負(fù)載 (Lc)。
5. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有至少150kg的L。。
6. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有小于35重量百分比的六角 相。
7. 如權(quán)利要求3所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有小于30重量百分比的六角 相。
8. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有2至8 ii m的厚度。
9. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層是直接附著到該基體上的。
10. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層是通過一個或多個中間耐火 層附著到該基體上的。
11. 如權(quán)利要求10所述的涂覆的切削刀具，其中，該一個或多個中間耐火層包括選自 鋁和周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬元素組成的組中的一種或多種金屬元素以及選 自周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一種或多種非金屬元素。
12. 如權(quán)利要求11所述的涂覆的切削刀具，其中，該一個或多個中間耐火層是選自下 組，該組由以下各項組成：TiN、AlTiN、TiC、TiCN以及A1203。
13. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該涂層進(jìn)一步包括在該耐火層上方的 一個或多個外部耐火層。
14. 如權(quán)利要求13所述的涂覆的切削刀具，其中，該一個或多個外部耐火層包括選自 鋁和周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬元素組成的組中的一種或多種金屬元素以及選 自周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一種或多種非金屬元素。
15. 如權(quán)利要求2所述的涂覆的切削刀具，具有至少27GPa的硬度。
16. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該基體是由燒結(jié)碳化物、碳化物、陶瓷 或鋼形成的。
17. -種涂覆的切削刀具，包括： 一個基體；以及 附著到該基體上的一個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該 耐火層包含MhAlJ，其中x彡0. 55并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有大于5 y m的厚度、 至少25GPa的硬度以及小于2. 5GPa的殘余壓縮應(yīng)力。
18. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該殘余壓縮應(yīng)力是小于2. OGPa。
19. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該殘余壓縮應(yīng)力是小于1. 5GPa。
20. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層的厚度是大于10 iim。
21. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有大于15重量百分比的六 角相。
22. 如權(quán)利要求21所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有最多35重量百分比的六 角相。
23. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中0. 6 < x < 0. 85。
24. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層具有最多35GPa的硬度。
25. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中耐火層是以小于-40V的偏壓沉積的。
26. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該耐火層包括多個子層組，一個子層 組包括一個形成立方相的納米層以及一個相鄰的MhAlxN納米層。
27. 如權(quán)利要求26所述的涂覆的切削刀具，其中該形成立方相的納米層包括一種或多 種金屬元素的立方氮化物、碳化物或碳氮化物，該一種或多種金屬元素是選自釔、硅和周期 表的IIIA族、IVB族、VB族和VIB族中的金屬元素所組成的組中。
28. 如權(quán)利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中該形成立方相的納米層是選自下組， 該組由以下各項組成：氮化鈦、碳化鈦、氮化鋯、立方氮化硼、碳化鉭、碳化鈮、氮化鈮、氮化 鉿、碳化鉿、碳化釩、氮化釩、氮化鋯、氮化鋁鈦、氮化鋁鉻、碳氮化鈦以及碳氮化鋁鈦。
29. 如權(quán)利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中該形成立方相的納米層是選自下組， 該組由以下各項組成：氮化鈦和氮化鋁鈦。
30. 如權(quán)利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中該形成立方相的納米層包括六角相。
31. 如權(quán)利要求26所述的涂覆的切削刀具，其中該形成立方相的納米層具有5至50nm 的厚度。
32. 如權(quán)利要求31所述的涂覆的切削刀具，其中該MhAlJ納米層具有10至200nm的 厚度。
33. 如權(quán)利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中該基體是由燒結(jié)碳化物、碳化物、陶瓷 或鋼形成的。
34. -種制作涂覆的切削刀具的方法，包括： 提供一個切削刀具基體；并且 在該基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個包含MhAlxN的耐火層其中 x彡0. 64并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相以及至少25GPa的硬度，其中該 涂層是用一個陰極電弧沉積設(shè)備來沉積的，該陰極電弧沉積設(shè)備包括至少一個具有環(huán)形延 伸部的陽極。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中x彡0. 69。
36. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中0. 7 < x < 0. 85。
37. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中該耐火層具有至少100kg的L。。
38. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中該耐火層被直接沉積在該基體上。
39. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中該陽極環(huán)形延伸部與一個陰極的前表面部分地重 疊。
40. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中該陰極電弧沉積設(shè)備包括一個或多個具有Al73Ti27構(gòu)造的陰極。
41. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中該陰極電弧沉積設(shè)備包括一個或多個具有Al75Ti25 構(gòu)造的陰極。
42.如權(quán)利要求36所述的方法，其中該陰極電弧沉積設(shè)備包括一個或多個具有Al8(lTi2(l構(gòu)造的陰極。
【文檔編號】C23C14/06GK104368833SQ201410401183
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】V·庫瑪, R·M·佩尼西, P·李希特, 劉一雄 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司