用于切削刀具的耐熱涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于切削刀具的耐熱涂層。在一個方面，描述了切削刀具，這些切削刀具具有附著到其上的涂層，在某些實施例中這些涂層展示出希望的耐磨損性以及增加的切削壽命。在此所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，該涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包括多個子層組，一個子層組包括一個氧氮化鋁(AlON)子層或復(fù)合AlON子層以及一個氧化鋁(Al2O3)子層或復(fù)合氧化鋁子層。
【專利說明】用于切削刀具的耐熱涂層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于切削刀具的涂層，并且更特別地涉及通過化學(xué)氣相沉積（CVD)而 沉積的涂層。

【背景技術(shù)】
[0002] 包括燒結(jié)碳化物切削刀具在內(nèi)的切削刀具已經(jīng)在有涂層和無涂層兩種情況中用 于對不同金屬和合金進(jìn)行機加工。為了提高切削刀具的耐磨損性、性能和壽命，已經(jīng)將一 層或多層耐熱材料施加到切削刀具的表面上。例如，已經(jīng)通過CVD并且通過物理氣相沉積 (PVD)將TiC、TiCN、TiN和/或Al 2O3施加到燒結(jié)碳化物基體上。雖然在各種應(yīng)用中在抑制 磨損和延長刀具壽命方面是有效的，但是基于上述耐熱材料的單層或多層構(gòu)造的耐熱涂層 已經(jīng)逐漸達(dá)到其性能極限，由此要求發(fā)展用于切削刀具的新的涂層結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在一個方面，在此描述了切削刀具，這些切削刀具具有附著到其上的涂層，在一些 實施例中這些涂層可以展示出希望的耐磨損性以及增加的切削壽命。簡單地說，在此所述 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，該涂層包括一個耐熱 層，該耐熱層包括多個子層組，一個子層組包括一個氧氮化鋁子層或復(fù)合氧氮化鋁子層以 及一個氧化鋁子層或復(fù)合氧化鋁子層。在一些實施例中，附著到該切削刀具基體上的涂層 進(jìn)一步包括在該耐熱層與該基體之間的一個或多個內(nèi)層和/或沉積在該耐熱層上的一個 或多個外層。
[0004] 在另一方面，在此描述了用于制作涂覆的切削刀具的方法。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在該基體上通過化學(xué)氣相沉積而沉積一個涂層，該 涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包括多個子層組，一個子層組包括一個氧氮化鋁子層或復(fù) 合氧氮化鋁子層以及一個氧化鋁子層或復(fù)合氧化鋁子層。在一些實施例中，將一個或多個 內(nèi)涂覆層在該耐熱層沉積之前沉積在該基體上。另外，可以將一個或多個外層沉積在該耐 熱層上。
[0005] 在下面的詳細(xì)說明中進(jìn)一步說明這些和其他實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1展示了根據(jù)在此說明的一個實施例的一個切削刀具基體。
[0007] 圖2展示了根據(jù)在此說明的一個實施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0008] 圖3展示了根據(jù)在此說明的一個實施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0009] 圖4展示了根據(jù)在此說明的一個實施例的涂覆的切削刀具的示意圖。
[0010] 圖5是根據(jù)在此說明的一個實施例的一個涂覆的切削鑲片的截面掃描電子顯微 鏡（SEM)圖像。
[0011] 圖6是根據(jù)在此描述的一個實施例的一個涂層的耐熱層表面的SEM圖像。
[0012] 圖7(a)是具有在此所述的涂層結(jié)構(gòu)的一個切削鑲片的照片，該切削鑲片已經(jīng)經(jīng) 受了如實例3所述的銑削測試。
[0013] 圖7(b)-(C)是已經(jīng)經(jīng)受了實例3所述的銑削測試的多個對比切削鑲片的照片。

【具體實施方式】
[0014] 通過參考以下詳細(xì)說明和實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)說明和實例中提及 的具體實施例。應(yīng)該認(rèn)識到，這些實施例僅是本發(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。
[0015] I.涂覆的切削刀具
[0016] 在一個方面，描述了切削刀具，這些切削刀具具有附著到其上的涂層，在某些實施 例中這些涂層展示出希望的耐磨損性以及增加的切削壽命。在此所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，該涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包括多 個子層組，一個子層組包括一個氧氮化鋁（AlON)子層或復(fù)合AlON子層以及一個氧化鋁 (Al 2O3)子層或復(fù)合氧化鋁子層。在一些實施例中，附著到該基體上的涂層進(jìn)一步包括在該 耐熱層與該基體之間的一個或多個內(nèi)層和/或沉積在該耐熱層上的一個或多個外層。
[0017] 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。在一些實施例中基體是一個端銑 刀、鉆頭或可轉(zhuǎn)位切削鑲片。可轉(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)。
[0018] 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〇. 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。
[0019] 一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。
[0020] 如在此描述的，附著到該基體上的一個涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包括多個 子層組，一個子層組包括一個AlON子層或復(fù)合AlON子層以及一個氧化鋁子層或復(fù)合氧化 鋁子層。該耐熱層的子層組可以是彼此相鄰的或是通過該耐熱層中的一個或多個插入層而 彼此間隔開的。另外，任何希望數(shù)量的子層組都可以形成該耐熱層。在一些實施例中，例如， 該耐熱層包括至少四個子層組。
[0021] 多個單獨的子層組可以顯示出多個構(gòu)造。在一些實施例中，該耐熱層的至少一個 子層組可以具有選自表I的構(gòu)造。
[0022] 表I-耐熱層的子層組構(gòu)造
[0023]

【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，該涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包括多個子層組，一個 子層組包括一個氧氮化鋁子層或復(fù)合氧氮化鋁子層以及一個氧化鋁子層或復(fù)合氧化鋁子 層。
2. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該復(fù)合氧氮化鋁子層包括一個氧氮化 鋁相和一個金屬氧化物相，該金屬氧化物相包括周期表第IVB族中的金屬元素的一種或多 種氧化物。
3. 如權(quán)利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，該金屬氧化物相包括Zr02、Hf02、或它們 的混合體。
4. 如權(quán)利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，該復(fù)合氧氮化鋁子層除了該氧氮化鋁 相和金屬氧化物相之外進(jìn)一步包括一個金屬氧氮化物相，該金屬氧氮化物相包括至少一種 選自周期表的第IVB族的金屬元素的氧氮化物。
5. 如權(quán)利要求4所述的涂覆的切削刀具，其中，該金屬氧氮化物相是TiON。
6. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該復(fù)合氧化鋁子層包括一個氧化鋁相 和一個金屬氧化物相，該金屬氧化物相包括周期表第IVB族中的金屬元素的一種或多種氧 化物。
7. 如權(quán)利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中，該金屬氧化物相是由氧化鋯、氧化鉿、 或它們的混合體形成的。
8. 如權(quán)利要求7所述的涂覆的切削刀具，其中，該金屬氧化物相進(jìn)一步包括氧化鈦。
9. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該復(fù)合氧化鋁層是由摻雜有一種或多 種選自周期表第IVB族中的金屬元素的氧化鋁形成的。
10. 如權(quán)利要求9所述的涂覆的切削刀具，其中，該氧化鋁摻雜有量值為該復(fù)合氧化鋁 子層的0. Olwt. %至5wt. %的鋯、鈦或其混合物。
11. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，這些子層組是彼此相鄰的。
12. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該耐熱層包括至少四個子層組。
13. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一個子層組是由該氧氮化鋁子層 和復(fù)合氧化鋁子層形成的。
14. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一個子層組是由該氧氮化鋁子層 和氧化鋁子層形成的。
15. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，第一子層組包括一個氧氮化鋁子層或 復(fù)合氧氮化鋁子層以及一個復(fù)合氧化鋁子層，并且第二子層組包括一個復(fù)合氧氮化鋁子層 和一個氧化鋁子層。
16. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該氧氮化鋁子層、復(fù)合氧氮化鋁子層、 氧化鋁子層以及復(fù)合氧化鋁子層各自具有小于1 U m的厚度。
17. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該氧氮化鋁子層、復(fù)合氧氮化鋁子層、 氧化鋁子層以及復(fù)合氧化鋁子層各自具有0. 1 U m至0. 8 y m的厚度。
18. 如權(quán)利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中該耐熱層具有5 y m至25 y m的厚度。
19. 如權(quán)利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中該耐熱層具有6 iim至15 iim的厚度。
20. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該復(fù)合氧化鋁子層或該氧化鋁子層具 有小于該復(fù)合氧氮化鋁子層的硬度（HV0. 05)。
21. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，進(jìn)一步包括在該耐熱層與該基體之間的一 個或多個內(nèi)層。
22. 如權(quán)利要求21所述的涂覆的切削刀具，其中，一個內(nèi)層包括選自鋁和周期表的第 IVB族、第VB族和第VIB族的金屬元素構(gòu)成的組中的一種或多種金屬元素以及選自周期表 的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族中的一種或多種非金屬元素。
23. 如權(quán)利要求22所述的涂覆的切削刀具，其中，該一個或多個內(nèi)層是選自下組，該組 由以下各項組成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化鋁。
24. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中該基體是燒結(jié)碳化物或金屬陶瓷。
25. 如權(quán)利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，該涂層進(jìn)一步包括在該耐熱層上方的 一個或多個外層，一個外層包括選自鋁和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金屬元 素構(gòu)成的組中的一種或多種金屬元素以及選自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第 VIA族中的一種或多種非金屬元素。
26. -種制作涂覆的切削刀具的方法，包括： 提供一個基體；并且 在該基體上通過化學(xué)氣相沉積而沉積一個涂層，該涂層包括一個耐熱層，該耐熱層包 括多個子層組，一個子層組包括一個氧氮化鋁子層或復(fù)合氧氮化鋁子層以及一個氧化鋁子 層或復(fù)合氧化鋁子層。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，該復(fù)合氧氮化鋁子層包括一個氧氮化鋁相和一 個金屬氧化物相，該金屬氧化物相包括周期表第IVB族中的金屬元素的一種或多種氧化 物。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該金屬氧化物相包括Zr02、Hf02、或它們的混合 體。
29. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該復(fù)合氧氮化鋁子層是從一種氣態(tài)混合物沉積 的，該氣態(tài)混合物包括一種鋁源、氧源、氮源和IVB族金屬元素來源。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中，該鋁源是A1C13，并且該IVB族金屬元素來源包 括一種或多種IVB族金屬氯化物。
31. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該復(fù)合氧氮化鋁子層除了該氧氮化鋁相和金屬 氧化物相之外進(jìn)一步包括一個金屬氧氮化物相，該金屬氧氮化物相包括至少一種選自周期 表的第IVB族的金屬元素的氧氮化物。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，該金屬氧氮化物相是TiON。
33. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，該復(fù)合氧化鋁子層包括一個氧化鋁相和一個金 屬氧化物相，該金屬氧化物相包括周期表第IVB族中的金屬元素的一種或多種氧化物。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中，該金屬氧化物相包括氧化鋯和氧化鈦。
35. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中，該復(fù)合氧化鋁層是從一種氣態(tài)混合物沉積的，該 氣態(tài)混合物包括一種鋁源、氧源和IVB族金屬元素來源。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中，該鋁源是A1C13，并且該IVB族金屬元素來源包 括一種或多種IVB族金屬氯化物。
37. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，該耐熱層包括至少四個子層組。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中，這些子層組是彼此相鄰的。
39. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，第一子層組包括一個復(fù)合氧氮化鋁子層以及一 個復(fù)合氧化鋁子層，并且第二子層組包括一個復(fù)合氧氮化鋁子層和一個氧化鋁子層。
40. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，在該耐熱層沉積之前在該基體上沉積該涂層的 一個或多個內(nèi)層。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其中，一個內(nèi)層包括選自鋁和周期表的第IVB族、第VB 族和第VIB族的金屬元素構(gòu)成的組中的一種或多種金屬元素以及選自周期表的第IIIA族、 第IVA族、第VA族和第VIA族中的一種或多種非金屬元素。
42. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中，該一個或多個內(nèi)層是選自下組，該組由以下各項 組成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化鋁。
【文檔編號】B23C5/06GK104416206SQ201410421076
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】沃爾克馬·索特克, 卡爾·海因茲·溫德特, 哈特穆特·韋斯特法爾, 皮特·萊希特, 劉一雄 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司