專利名稱：用于獲得改進的耐磨性的涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層，并且更具體地涉及通過物理氣相沉積(PVD)而沉積的涂層。
背景技術(shù)：
包括燒結(jié)碳化物切削刀具在內(nèi)的切削刀具已用于對不同金屬和合金進行機加工的有涂層和無涂層兩種情況中。為了增大切削刀具的耐磨性和壽命，已經(jīng)將一層或多層耐火材料施加到切削刀具表面上。例如，已經(jīng)通過化學氣相沉積(CVD)將TiC、TiCN, TiN和Al2O3施加到燒結(jié)碳化物基底上。此外，在認識到與具體切削應(yīng)用相關(guān)的CVD涂層的一些缺點后，切削刀具制造者還提供了通過PVD施加的耐火涂層。例如，在切削刀具群體中已普遍接受了通過PVD施加的TiN涂層。
TiN涂層的一個缺點是在相對低的溫度下易氧化。例如，證明了 TiN涂層在大約550°C下開始氧化。其結(jié)果是，已將鋁加入TiN涂層中，以努力提高抗氧化性。另外，已另外將硅加入TiN涂層中，以提高抗氧化性。但是，將硅加入TiN和/或TiAlN涂層中可能在涂層中引發(fā)顯著的應(yīng)力，由此由于與切削刀具表面的分層作用而導致涂層的過早失效。美國專利6，586，122針對于將硅結(jié)合到TiN和TiAlN涂層中以提高抗氧化性同時減小涂層的殘余壓應(yīng)力的方法。在美國專利6，586，122中披露的合成方法引發(fā)了一個相分離的涂層，其中，一個高硅濃度的Si3N4納米相被分散遍及一個低硅濃度的TiSiN基質(zhì)相。將一個高硅濃度的Si3N4納米相分散遍及一個低硅濃度的基質(zhì)相可以減小由于TiN或TiAlSiN涂層中Ti被Si取代而引發(fā)的晶格應(yīng)變。不過，引發(fā)這樣一個相分離的涂層所要求的合成方法是非常規(guī)的，并且需要改變傳統(tǒng)的PVD方法和/或設(shè)備，從而潛在地限制了這些方法的廣泛應(yīng)用并增加了涂覆的刀具的生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些實施方案中可以證實在一種或多種切削應(yīng)用中有改進的耐磨性。在某些實施方案中，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。在另一方面，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素。該涂層的外層包括由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相；以及由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相。在某些實施方案中，在此描述的涂層顯示出殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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兀素以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬兀素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該涂層具有一個殘余壓應(yīng)力 和/或壓剪應(yīng)力。在另一方面，在此描述了用于制造涂覆的切削刀具的方法。在某些實施方案中，制造一種涂覆的切削刀具的方法包括提供一個切削刀具基底并通過物理氣相沉積將一個涂層的內(nèi)層沉積在該基底上，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素。通過物理氣相沉積將該涂層的一個外層沉積在該內(nèi)層上，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，通過物理氣相沉積將一個外層沉積在該內(nèi)層上，該外層包括由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相；以及由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相。在另一方面，在此描述了用于增大一種涂覆的切削刀具的切削壽命的方法。在某些實施方案中，一種增大涂覆的切削刀具的切削壽命的方法包括將一種或多種涂層疲勞機制引導至該涂層的內(nèi)層與外層之間的一個界面上，是通過由一種經(jīng)物理氣相沉積而沉積的組合物來產(chǎn)生該內(nèi)層并且由一種經(jīng)物理氣相沉積而沉積的組合物來產(chǎn)生該外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬兀素，其中，該外層中的娃的量朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，弓丨導包括在該涂層的內(nèi)層和外層的一個界面處啟動一種或多種涂層疲勞機制。在下面的詳細說明中更詳細地描述這些以及其他的實施方案。


圖I展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的基底。圖2展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的輝光放電光P曰。圖3展示了圖2的輝光放電光譜的局部視圖。圖4展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一個涂層的能量色散譜。

圖5展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的X射線衍射圖。圖6展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種經(jīng)過涂覆后的處理的切削刀具的輝光放電光譜。圖7是圖6的輝光放電光譜的局部視圖。圖8是根據(jù)在此描述的一個實施方案的一個經(jīng)過涂覆后的處理的涂層的能量色散譜。圖9是根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種經(jīng)過涂覆后的處理的切削刀具的X射線衍射圖。
具體實施例方式通過參考以下詳細說明和實例以及它們的上述和以下的說明可以更容易地理解在此描述的實施方案。但是，在此描述的要素、設(shè)備和方法不限于在這些詳細說明和實例中呈現(xiàn)的具體實施方案。應(yīng)認識到，這些實施方案僅是本發(fā)明原理的展示。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易理解不脫離本發(fā)明的精神和范圍所做的許多修改和修正。在一方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些實施方案中可以證實在一種或多種切削應(yīng)用中有改進的耐磨性。在某些實施方案中，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。在另一方面，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素。該涂層的外層包括由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相；以及由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相。現(xiàn)在轉(zhuǎn)向在此描述的一種涂覆的切削刀具的組分，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底。在此描述的一種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底。在某些實施方案中，一個基底包括一種燒結(jié)碳化物、碳化物、陶瓷、金屬陶瓷或鋼。在某些實施方案中，一個燒結(jié)碳化物基底包括碳化鎢(WC)。在某些實施方案中，在一個基底中存在的WC的量是至少約70的重量百分比。在某些實施方案中，在一個基底中存在的WC的量是至少約80的重量百分比或至少約85的重量百分比。此外，在某些實施方案中，一個燒結(jié)碳化物基底的粘結(jié)劑包括鈷或鈷合金。在某些實施方案中，在一個燒結(jié)碳化物基底中存在的鈷的量的范圍是從約3重量百分比至約15重量百分比。在某些實施方案 中，在一個燒結(jié)碳化物基底中存在的鈷的量的范圍是從約5重量百分比至約12重量百分比或從約6重量百分比至約10重量百分比。在某些實施方案中，一個燒結(jié)碳化物基底可以呈現(xiàn)出在該基底的表面開始并向內(nèi)延伸的一個粘結(jié)劑富集區(qū)。在某些實施方案中，一個燒結(jié)碳化物基底進一步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、銀、銀、鉭、鉻、錯和/或鉿。在某些實施方案中，鈦、鈮、釩、鉭、鉻、鋯和/或鉿與該基底中的WC形成固溶體碳化物。在某些實施方案中，該基底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約0. I重量百分比至約5重量百分比。此外，在某些實施方案中，一個燒結(jié)碳化物基底包括氮。在某些實施方案中，在此描述的一種涂覆的切削刀具的基底包括在該基底的一個前刀面與多個肋側(cè)面的相接處形成的一個或多個切削刃。圖I展示了根據(jù)在此描述的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的基底。如圖I所展示的，基底10具有在基底前刀面14與脅側(cè)面16的相接處形成的多個切削刃12。在某些實施方案中，一種涂覆的切削刀具的基底可以包括一個鑲片、鉆頭尖、鋸片或其他切削裝置。如在此描述的，粘合在該基底上的一個涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素。在此描述的周期表的族是根據(jù)CAS命名法識別的。在某些實施方案中，適合于在此處描述的一個涂層的內(nèi)層的生產(chǎn)中與鋁組合的來自IVB族、VB族和VIB族的一種或多種金屬元素包括鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭和/或鉻。此外，在某些實施方案中，適于用于生產(chǎn)此處描述的一個涂層的內(nèi)層的來自IIIA族、IVA族和VIA族的一種或多種非金屬元素包括硼、碳、氮和/或氧。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的內(nèi)層具有根據(jù)以下關(guān)系所述的一種組成(Ala Zrb Hfc Vd Nbe Taf Crg TiHa+b+c+d+e+f+g)) (OxCyN1-(W),其中 0<a<l,0^b<l,0^c<l,0^d<l,0^e<l,0^f<l,0^g<l,0^x<l,0^y< 1，并且(a+b+c+d+e+f+g) < I,并且(x+y) < I。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的內(nèi)層具有根據(jù)以下關(guān)系所述的一種組成=AlaTU其中0 < a < I。在某些實施方案中，一個內(nèi)層具有組成AlaTihN,0. 3彡a彡0. 8。在某些實施方案中，0. 35彡a彡0. 75。在某些實施方案中，0. 4 ^ a ^ 0. 7或 0. 42 < a < 0. 65。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的內(nèi)層的AlaTihN是處于晶相的。在某些實施方案中，一個內(nèi)層的AlaTU顯示一種立方晶體結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，一個內(nèi)層的AlaTihN的立方晶體結(jié)構(gòu)是面心立方的(fee)。在某些實施方案中，一個內(nèi)層的AlaTU顯示一種六邊形晶體結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，一個內(nèi)層的AlaTihN顯示了立方晶體結(jié)構(gòu)與六邊形晶體結(jié)構(gòu)的一種混合。此外，在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的內(nèi)層是多晶的，具有至少約IOnm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有至少約20nm或至少約50nm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有范圍從約IOnm至約IOOnm或從約20nm至約80nm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有范圍從約30nm至約70nm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有大于IOOnm的平均晶粒尺寸。 在此描述的一個涂層的內(nèi)層可以具有并非與本發(fā)明的目的不一致的任何所希望的厚度。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有范圍從約I Pm至約IOiim的厚度。在某些實施方案中，一個內(nèi)層具有范圍從約2 ii m至約8 ii m或從約3 y m至約7 y m的厚度。在某些實施方案中，一個內(nèi)層具有范圍從約I. 5 ii m至約5 ii m或從約2 y m至約4 y m的厚度。在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層具有小于約I U m或大于約10 y m的厚度。如在此進一步描述的，在某些實施方案中，一個涂層的內(nèi)層是通過物理氣相沉積而直接沉積在該切削刀具基底的一個表面上?？商娲?，在某些實施方案中，可以將一個或多個附加層沉積在該基底的一個表面與該內(nèi)層之間，這樣使得該內(nèi)層不與該基底的表面直接接觸。在此描述的一個涂層還包括在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，適合于在此處描述的一個涂層的外層的生產(chǎn)中與鋁和硅組合的來自IVB族、VB族和VIB族的一種或多種金屬元素包括鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭和/或鉻。此夕卜，在某些實施方案中，適于用于生產(chǎn)此處描述的一個涂層的外層的來自IIIA族、IVA族和VIA族的一種或多種非金屬元素包括硼、碳、氮和/或氧。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的外層具有根據(jù)以下關(guān)系所述的一種組成(Alm Zrn Hf0 Vp Nbq Tar Crs Ti卜一咖+種廿+扣)Siz) (OvCwN1-(^w))，其中 0 < m < 1，0 ^ n < 1,0 ^ O < 1,0 ^ p < 1,0 ^ q < 1,0 ^ r < 1,0 ^ s < 1,0 < z < 1,0 ^ v < 1，0 ^ w < 1，并且(m+n+o+p+q+r+s+z) < 1，并且(v+w) < I0在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的外層包括由AlSizN所構(gòu)成的一個相，其中，0<m< 1，并且0<z< 1，并且(m+z) < I。在某些實施方案中，該AlmTi1^z)SizN相的硅含量朝向該涂層的內(nèi)層減少。在某些實施方案中，0.05 0.75。在某些實施方案中，0. I 0.65。在某些實施方案中，0. 15 0.60。在某些實施方案中，0. 01 ^ z ^ 0. 3。在某些實施方案中，0. 02 ^ z ^ 0. 25。在由所構(gòu)成的一個外層相的某些實施方案中，0.05彡m彡0.75并且0. Ol彡Z彡0. 3，或0. 05彡m彡0. 75并且0. 02彡z彡0. 25。在某些實施方案中，0. I彡m彡0. 65并且0. 01彡z彡0. 3，或0. I彡m彡0. 65并且0. 02彡z彡0. 25。在某些實施方案中，0. 15彡m彡0. 60并且0. 01彡z彡0. 3，或0. 15彡m彡0. 60并且0. 02彡z彡0. 25。在某些實施方案中，在此描述的包括AlJV0^SizN構(gòu)成的相的一個涂層的外層進一步包括由AlgSikN構(gòu)成的一個附加相，其中0 < k < I。在某些實施方案中，一個AlgSikN相的硅含量朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，一個AlgSikN相的硅含量并不朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，在此描述的包括由AlJi
I—(m+z) ^ 構(gòu)成的相的一個涂層的外層進一步包括由一種或多種硅化鈦TihSi1構(gòu)成的一個附加相，其中，h是范圍從I至5的一個整數(shù)，并且I是范圍從I至4的一個整數(shù)。在某些實施方案中，例如，一個外層的硅化鈦
I—I m P rn <~i rn <~i rn <~i ~rn <~i
是 TiSi、TiSi2、Ti5Si3、Ti5Si4 或 Ti3Si0在AlgSikN和/或硅化鈦的一個附加相存在于該外層中的某些實施方案中，由
AlmTi I —(m+z) ^
所構(gòu)成的相是該外層的主要相，構(gòu)成了該外層的大于50%。在某些實施方案中，AlJi^^Si^構(gòu)成了該外層的大于60%或大于70%。在某些實施方案中，一個AlgSikN附加相構(gòu)成了該外層的高達約35%。在某些實施方案中，一個AlgSikN附加相構(gòu)成了該外層的從約1%至約30%。在某些實施方案中，一個AlgSikN附加相構(gòu)成了該外層的從約5%至約25%或從約10%至約20%。在某些實施方案中，一個硅化鈦附加相構(gòu)成了該外層的從約1%至約20%或從約5%至約15%。可以使用X射線衍射(XRD)技術(shù)和里特沃爾德(Rietveld)精修方法來確定在此描述的一個外層的相組成百分比。里特沃爾德方法是一種全譜擬合方法。對比了測得的樣品輪廓線(profile)和一個計算的輪廓線。通過本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的幾個參數(shù)的變化，使兩個輪廓圖之間的差異最小化。對存在于該外層中的所有相都進行了考慮以進行一個正確的里特沃爾德精修。可以根據(jù)XRD使用要求一個平坦表面的掠入射技術(shù)來對包括在此描述的一個涂層的一種切削刀具進行分析?？梢愿鶕?jù)切削刀具的幾何形狀來分析該切削刀具的前刀面或脅側(cè)面。對于在此描述的涂覆的切削刀具的組成相分析，使用裝配有一個Eulerean載臺的一個PANalytical Xpert MRD衍射系統(tǒng)。使用裝配有一個銅x射線管的平行光束光學系統(tǒng)來進行X射線衍射分析。操作參數(shù)為45KV和40MA。用于掠入射分析的典型光學系統(tǒng)包括具有1/16度反散射狹縫的一個X射線鏡和一個0. 04弧度的索勒狹縫。接收光學系統(tǒng)包括一個扁平的石墨單色器、平行板瞄準儀、以及一個密封的比例計數(shù)器。以為了最大化涂層的峰強度并且最小化或消除來自基底的干擾峰而選擇的一個掠射角來收集X射線衍射數(shù)據(jù)。選擇計數(shù)時間和掃描速率，以提供用于里特沃爾德分析的最佳數(shù)據(jù)。在收集掠入射數(shù)據(jù)之前，使用X射線分束來設(shè)置樣品高度。擬合一個背景輪廓線，并在該樣品數(shù)據(jù)上進行峰值搜索，以識別所有的峰位置和峰強度。峰位置和強度數(shù)據(jù)被用于使用任何可商購的晶相數(shù)據(jù)庫來識別該樣品涂層的晶相組成。對于該樣品中存在的每個晶相，輸入晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。典型的里特沃爾德精修參數(shù)設(shè)置為背景計算方法多項式
樣品幾何形狀平板線性吸收系數(shù)由平均樣品組成計算的加權(quán)方式針對高的值(against lobs)輪廓線函數(shù)Pseudo-Voight輪廓線基礎(chǔ)寬度對每個樣品進行選擇最小二乘類型牛頓-拉夫遜(Newton-Raphson)極化系數(shù)1.0里特沃爾德精修典型地包括樣品位移 樣品從與X射線對齊中的偏移背景輪廓被選擇為最好地描述衍射數(shù)據(jù)的背景輪廓尺度函數(shù) 每個相的尺度函數(shù)B總長度 應(yīng)用到相中的所有原子上的位移參數(shù)晶胞參數(shù)a、b、c 和 a、@、YW參數(shù)描述峰的FWHM實現(xiàn)可接受的擬合優(yōu)度的任何另外的參數(shù)所有里特沃爾德相分析結(jié)果都以重量百分比值報告出。在某些實施方案中包括AlmTiHn^SizN和AlgSikN和/或硅化鈦相時，在此描述的一個涂層的外層不包括如下一個相，其中硅已經(jīng)與鋁和/或周期表的IVB族、VB族和VIB族的一種或多種金屬元素分離。在某些實施方案中，例如，在此描述的一個涂層的外層不包括或基本不包括一個氮化娃相，包括Si3N4在內(nèi)。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的外層的一個或多個相是結(jié)晶的。在某些實施方案中，例如，由Alni
Tii—(m+z) SizN 構(gòu)成的一個外層的相是結(jié)晶的。在某些實施方案
中，一個外層的結(jié)晶的Al111
Tii—(m+z) SizN 相顯示一種立方晶體結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，一個AlJV0^SizN相的立方晶體結(jié)構(gòu)是fee。在某些實施方案中，由AlpkSikN構(gòu)成的一個外層的一個附加相是結(jié)晶的。在某些實施方案中，一個外層的結(jié)晶的AlpkSikN相顯不了一種六邊形結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，一個AlgSikN相的六邊形結(jié)構(gòu)是纖鋅礦。在某些實施方案中，由硅化鈦組成的一個外層的附加相是結(jié)晶的。在某些實施方案中，例如，一個Ti5Si3相顯示了一種六邊形結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的外層是多晶的。在某些實施方案中，例如，一個多晶外層具有至少約IOnm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層具有至少約20nm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層具有范圍從約IOnm至約IOOnm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層具有范圍從約20nm至約80nm或從約30nm至約70nm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個涂層的外層具有大于IOOnm的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層的一個或多個結(jié)晶的相是多晶的，具有在此描述的、平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，例如，由AlJV0l^SizN構(gòu)成的一個外層的相是多晶的，具有在此敘述的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，存在于該外層中的一個AlgSikN附加相是多晶的，具有在此敘述的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層的兩個或更多個多晶的相具有相同的或基本相同的平均晶粒尺寸。在某些實施方案中，一個外層的兩個或更多個多晶的相具有不同的平均晶粒尺寸。在此描述的一個涂層的外層可以并非與本發(fā)明的目的不一致的任何厚度。在某些實施方案中，一個外層具有范圍從約O. Iym至約IOym的厚度。在某些實施方案中，ー個外層具有范圍從約O. 2 μ m至約5 μ m的厚度。在某些實施方案中，一個外層具有范圍從約
O.5 μ m至約5 μ m或從約Iym至約4 μ m的厚度。如在此描述的，在某些實施方案中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，該外層中的硅的量以至少約7原子百分比/ μ m的速率朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，該外層中的硅的量以至少約8原子百分比/μ m或至少約8. 5原子百分比/μ m的速率朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，該外層中的硅的量以至少約9原子百分比/μ m或至少約9. 5原子百分比/μ m的速率朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，該外層中的硅的量以范圍從約5原子百分比/ μ m至約15原子百分比/ μ m的速率朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，該外層中的硅的量以范圍從約7原子百分比/μ m至約11原子百分比/ym的速率朝向該內(nèi)層減少。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層的外層是通過物理氣相沉積而直接沉積在該內(nèi)層的表面上。可替代地，在某些實施方案中，可以將ー個或多個附加層布置在該內(nèi)層與該外層之間。此外，在某些實施方案中，該外層是該涂層的最外層。在某些實施方案中，該外層不是該涂層的最外層。在某些實施方案中，例如，可以將ー個或多個附加層施加到該外層上，以完成該涂層。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層具有通過洛氏A壓痕粘附荷載試驗而測量的、大于或等于60kg的粘附力。在某些實施方案中，一個涂層具有通過洛氏A壓痕粘附荷載試驗而測量的、大于或等于IOOkg的粘附力。在測量ー個涂層在該基底上的粘附カ吋，在60kg和IOOkg的選定荷載下使用具有洛氏A級Brale圓錐形金剛石壓痕器的一個洛氏硬度試驗機。該粘合強度被定義為該涂層剝落時的最小荷載。在此敘述的大于或等于60kg的涂層粘附カ表示在60kg荷載處發(fā)現(xiàn)沒有涂層的剝落。類似地，在此敘述的大于或等于IOOkg的涂層粘附カ表示在IOOkg荷載處發(fā)現(xiàn)沒有涂層的剝落。在某些實施方案中，在此描述的涂層顯示出殘余壓應(yīng)カ。在某些實施方案中，在此描述的ー種涂覆的切削刀具包括ー個基底以及粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的ー個內(nèi)層和在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的ー個外層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬元素組成的組中的ー種或多種金屬元素以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬元素組成的組中的ー種或多種金屬兀素以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬兀素組成的組中的ー種或多種非金屬元素，其中，該涂層具有殘余壓應(yīng)カ和/或壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射(post coat blasting)之前具有至少約2500Mpa的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的ー個涂層在涂覆后噴射之前具有至少約2700Mpa或至少約2800Mpa的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之前具有范圍從約2500Mpa至約3000Mpa或從約2600Mpa至約2900Mpa的殘余壓應(yīng)力。
在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之前具有至少約20Mpa的壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之前具有至少約50Mpa或至少約70Mpa的壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之前具有范圍從約20Mpa至約130Mpa或從約30Mpa至約IOOMpa的壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層是處于一種涂覆后噴射過的狀態(tài)。在該外層為最外層的某些實施方案中，該外層接受了涂覆后噴射。在某些實施方案中，在此描述的一個外層被噴射了ー種無機噴射劑。在某些實施方案中，例如，一個外層被噴射了 Al2O3顆粒。在某些實施方案中,涂覆后噴射可以增大涂層的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層在涂覆后噴射之后的殘余壓應(yīng)カ與該涂層在涂覆后噴射之前的殘余壓應(yīng)カ之比是至少I. 2。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層在涂覆后噴射之后的殘余 壓應(yīng)カ與涂覆后噴射之前的殘余壓應(yīng)カ之比是至少I. 3或至少I. 5。在某些實施方案中，在此描述的一個涂層在涂覆后噴射之后的殘余壓應(yīng)カ與該涂層在涂覆后噴射之前的殘余壓應(yīng)カ之比的范圍是從約I. I至約3或從約I. 2至約2。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之后具有至少約3400Mpa的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的ー個涂層在涂覆后噴射之后具有至少約3500Mpa或至少約3600Mpa的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的ー個涂層在涂覆后噴射之后具有范圍從約3400Mpa至約4000Mpa或從約3500Mpa至約3800Mpa的殘余壓應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之后具有至少約40Mpa的壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之后具有至少約50Mpa或至少約60Mpa的壓剪應(yīng)力。在某些實施方案中，在此描述的包括一個內(nèi)層和沉積在該內(nèi)層上的一個外層的一個涂層在涂覆后噴射之后具有范圍從約20Mpa至約IOOMpa或從約30Mpa至約70Mpa的壓剪應(yīng)力。使用Sin2V方法、參考AlTiSiN結(jié)晶相上的(200)反射來確定在此描述的ー個涂層的殘余應(yīng)カ和剪切應(yīng)力。用于殘余應(yīng)カ確定的儀器是裝配有ー個用于樣品操縱的Eulerian載臺的一臺PANalytical Xpert Pro MRD。x射線源是在45KV和40MA下操作的ー個長的細焦點X射線銅管。該儀器配置有用于確定這些涂層中的應(yīng)カ的平行光束光學器件。該入射光學器件包括具有十字狹縫瞄準儀的8_的多毛細管透鏡。接收光學系統(tǒng)包括ー個O. 27度的平行板瞄準儀、ー個扁平的石墨単色器、以及ー個密封的比例計數(shù)器。對于殘余應(yīng)カ水平的測量，選擇0、28· 88、43· 08、56· 77、75. 0、-28. 88、-43. 08、-56. 77和-75. O的υ傾斜度(Chi tilt)。針對每個傾斜角調(diào)整步長和計時的數(shù)據(jù)采集參數(shù)以獲得用于精確確定峰位置的足夠的峰強度。然后使用以下等式針對吸收度和透明度來校正峰數(shù)據(jù)吸收度校正
權(quán)利要求
1.一種涂覆的切削刀具，包括 一個基底；以及 粘合在該基底上的Iv涂層，該涂層包括 通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；以及 在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬兀素組成的組中的一種或多種金屬兀素以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。
2.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該內(nèi)層是多晶的。
3.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該外層是多晶的。
4.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該內(nèi)層包括AlJVaN，其中O< a < I。
5.如權(quán)利要求4所述的涂覆的切削刀具，其中0.35 < a < 0. 75。
6.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該外層包括AlmTindSizN,其中，0< m<1，并且 0 < z < 1，并且(m+z) < I。
7.如權(quán)利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中0.05彡m彡0. 7，并且0. 01彡z彡0. 3。
8.如權(quán)利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中該Aljih—Si#具有一個立方晶相。
9.如權(quán)利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中該外層進一步包括AlgSikN,其中OSk<I。
10.如權(quán)利要求9所述的涂覆的切削刀具，其中該AlgSikN具有一種六邊形晶體結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該基底包括一種燒結(jié)碳化鎢。
12.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層具有至少約2500Mpa的殘余壓應(yīng)力。
13.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層是處于一種涂覆后噴射過的狀態(tài)下，具有至少約3400Mpa的殘余壓應(yīng)力。
14.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層是處于一種涂覆后噴射過的狀態(tài)下，具有的在該涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力與在非涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力之比是大于或等于I. 2。
15.一種涂覆的切削刀具，包括 一個基底；以及 粘合在該基底上的Iv涂層，該涂層包括 通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；以及 在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該外層包括由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相、以及由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相。
16.如權(quán)利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的該相包括AlniTiH1^SizN,其中 O <m< 1，并且 O < z < 1，并且(m+z) < I。
17.如權(quán)利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中AlmTiI-(m+z) ^ 具有一個立方晶體結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中AlmTiHn^SizN組成大于50%的該外層。
19.如權(quán)利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的該相包括AVkSikN,其中 0 彡 k < I。
20.如權(quán)利要求19所述的涂覆的切削刀具，其中Al1^tSikN具有一個六邊形晶體結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求19所述的涂覆的切削刀具，其中AlgSikN組成從約1%至約35%的該外層。
22.如權(quán)利要求15所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層在涂覆后噴射過的狀態(tài)下具有大于或等于I. 2的在涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力與在非涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力的比。
23.一種涂覆的切削刀具，包括 一個基底；以及 粘合在該基底上的Iv涂層，該涂層包括 通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；以及 在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的IVB族、VB族和VIB族的金屬兀素組成的組中的一種或多種金屬兀素以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中該涂層具有殘余壓應(yīng)力。
24.如權(quán)利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層具有大于或等于約2500Mpa的殘余壓應(yīng)力。
25.如權(quán)利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層是處于一種涂覆后噴射過的狀態(tài)下。
26.如權(quán)利要求25所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層具有大于或等于約3400Mpa的殘余壓應(yīng)力。
27.如權(quán)利要求23所述的涂覆的切削刀具，其中該涂層是處于一種涂覆后噴射過的狀態(tài)下，具有的在該涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力與在非涂覆后噴射過的狀態(tài)下的殘余壓應(yīng)力之比是大于或等于I. 2。
28.一種用于制造涂覆的切削刀具的方法，包括 提供一個基底；并且通過物理氣相沉積將一個涂層的內(nèi)層沉積在該基底上，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；并且 通過物理氣相沉積將該涂層的一個外層沉積在該內(nèi)層上，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中，該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，進一步包括使該外層經(jīng)受涂覆后噴射。
30.一種用于制造涂覆的切削刀具的方法，包括 提供一個基底；并且 通過物理氣相沉積將一個涂層的內(nèi)層沉積在該基底上，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；并且 通過物理氣相沉積將該涂層的一個外層沉積在該內(nèi)層上，該外層包括由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相；以及由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的一個相。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中由鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的該相包括AlJi1-O1^SizN,其中 0 < m < 1，并且 0 < z < 1，并且(m+z) < I。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中由鋁和硅以及選自周期表的IIIA族、IVA族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素所構(gòu)成的該相包括AlgSikN,其中 OS k < I。
33.一種用于增大涂覆的切削刀具的切削壽命的方法，包括 將一種或多種涂層疲勞機制引導至該涂層的內(nèi)層與外層之間的一個界面上，是通過由一種經(jīng)物理氣相沉積而沉積的組合物來產(chǎn)生該內(nèi)層，該內(nèi)層包括鋁和選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素；并且 由一種經(jīng)物理氣相沉積而沉積的組合物來產(chǎn)生該外層，該外層包括鋁和硅以及選自周期表的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族和VIA族的非金屬元素組成的組中的一種或多種非金屬元素，其中該外層中的硅的量朝向該內(nèi)層減少。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中該一種或多種涂層疲勞機制包括裂紋擴展。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，其中該一種或多種涂層疲勞機制包括涂層分層。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，其中引導包括在該涂層的內(nèi)層與外層的界面處啟動一種或多種疲勞機制。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于獲得改進的耐磨性的涂層。在一個方面，在此描述的涂覆的切削刀具在某些實施方案中可以證實在一種或多種切削應(yīng)用中有改進的耐磨性。在某些實施方案中，在此描述的一種涂覆的切削刀具包括一個基底和粘合在該基底上的一個涂層，該涂層包括通過物理氣相沉積而沉積的一個內(nèi)層以及在該內(nèi)層之上通過物理氣相沉積而沉積的一個外層。
文檔編號C23C14/22GK102672214SQ201210069798
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者A·因斯佩克特, M·F·貝布勒, M·J·羅, N·F·韋格爾, 班志剛 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司