用于切削工具的綠色耐火涂層的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)專利申請(qǐng)資料
[0002] 本專利申請(qǐng)?zhí)卮烁鶕?jù)35U.S.C. § 120要求提交于2013年1月25日的美國專利申 請(qǐng)No. 13/750, 252的優(yōu)先權(quán)，該專利據(jù)此全文以引用方式并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于切削工具的耐火涂層，并且具體地講，涉及通過化學(xué)氣相沉積法 (CVD)沉積的呈綠色的涂層。
【背景技術(shù)】
[0004] 切削工具（包括陶瓷切削工具）已用于帶涂層和不帶涂層條件兩者以便加工各種 金屬和合金。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CVD并通過物理氣相沉積法（PVD)將例如TiC、TiCN、TiN和/或A1203施 加于陶瓷基底。雖然在多種應(yīng)用中能有效抑制磨損并延長工具壽命，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，從而要求開發(fā)用于切削工具的新涂 層結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在一個(gè)方面，描述了其上粘附有涂層的切削工具，所述涂層在一些實(shí)施例中可展 示出所需的耐磨性和延長的切削壽命。本文所述的帶涂層切削工具包括基底和粘附于基底 的涂層，所述涂層包括通過化學(xué)氣相沉積法所沉積的至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包含氧 氮化鋁相、包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相以及除氧氮化鋁相之外的金屬氧氮化物相，所 述金屬氧氮化物相包括氧氮化鋯。在一些實(shí)施例中，金屬氧化物相還包含選自鋁、鉿和鈦的 金屬元素。當(dāng)存在時(shí)，金屬元素可形成另外的金屬氧化物和/或與鋯形成混合氧化物。另 外，復(fù)合層還可包含硫氮化鋯相。
[0006] 在可供選擇的實(shí)施例中，通過化學(xué)氣相沉積法所沉積的復(fù)合層包含氧氮化鋁相、 包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相以及硫氮化鋯相。涂層的復(fù)合層在一些實(shí)施例中還包含除 氧氮化鋁相之外的金屬氧氮化物相，所述金屬氧氮化物相包括氧氮化鋯。此外，金屬氧化物 相還可包含選自鋁、鉿和鈦的金屬元素。當(dāng)存在時(shí)，金屬元素可形成另外的金屬氧化物和/ 或與鋯形成混合氧化物。
[0007] 本文所述的復(fù)合層在一些實(shí)施例中展現(xiàn)出在490nm至580nm波長范圍內(nèi)的顏色。 此外，粘附于基底的涂層可具有至少60N的臨界負(fù)載（L。)。
[0008] 本文還描述了制備帶涂層切削工具的方法。制備帶涂層切削工具的方法包括提供 基底以及通過化學(xué)氣相沉積法在基底上沉積涂層的至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包含氧氮 化鋁相、包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相以及除氧氮化鋁相之外的金屬氧氮化物相，所述 金屬氧氮化物相包括氧氮化鋯。如本文所述，沉積復(fù)合層還可包含硫氮化鋯相。另外，沉積 復(fù)合層的金屬氧化物相還可包含選自鋁、鉿和鈦的金屬元素。當(dāng)存在時(shí)，金屬元素可形成另 外的金屬氧化物和/或與鋯形成混合氧化物。
[0009] 復(fù)合層在一些實(shí)施例中從包含鋁源、氧源、氮源和鋯源的氣體混合物沉積。如本文 進(jìn)一步所述，氣體沉積混合物還可包含硫源。
[0010] 在另一個(gè)方面，制備帶涂層切削工具的方法包括提供基底以及通過化學(xué)氣相沉積 法在基底上沉積涂層的至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包含氧氮化鋁相、包括氧化鋯在內(nèi)的 金屬氧化物相以及硫氮化鋯相。復(fù)合層在一些實(shí)施例中從包含鋁源、氧源、氮源、鋯源和硫 源的氣體混合物沉積。
[0011] 這些和其他實(shí)施例在下文的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述。
【附圖說明】
[0012] 圖1示出了根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層切削工具的基底。
[0013] 圖2為根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層切削刀片的剖面光學(xué)圖像。
[0014] 圖3為根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層切削刀片的XRD光譜。
[0015] 圖4為根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層切削刀片的復(fù)合層的形貌和拋光表 面掃描電鏡（SEM)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 通過參考以下【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。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的。
[0017] I.帶涂層切削工具
[0018] 在一個(gè)方面，描述了其上粘附有涂層的切削工具，所述涂層在一些實(shí)施例中可展 示出所需的耐磨性和延長的切削壽命。本文所述的帶涂層切削工具包括基底和粘附于基底 的涂層，所述涂層包括通過化學(xué)氣相沉積法所沉積的至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包含氧 氮化鋁相、包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相以及除氧氮化鋁相之外的金屬氧氮化物相，所 述金屬氧氮化物相包括氧氮化鋯。在一些實(shí)施例中，金屬氧化物相還包含選自鋁、鉿和鈦的 金屬元素。當(dāng)存在時(shí)，金屬元素可形成另外的金屬氧化物和/或與鋯形成混合氧化物。另 外，復(fù)合層還可包含硫氮化錯(cuò)相。有趣的是，本文所述的復(fù)合層可展現(xiàn)出490nm至580nm波 長范圍內(nèi)的顏色。
[0019] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向特定部件，本文所述的帶涂層切削工具包括基底。帶涂層切削工具的基 底可以包含不違背本發(fā)明目的的任何材料。在一些實(shí)施例中，基底包含陶瓷、碳化物、陶瓷、 金屬陶瓷或鋼。
[0020] 陶瓷基底在一些實(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，陶瓷基底的金屬粘結(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)的量存在于陶瓷基底中。在一些實(shí)施例中，鈷以約5重量％至約12重量％或者 約6重量％至約10重量％范圍內(nèi)的量存在于陶瓷基底中。此外，陶瓷基底可顯示具有開始 于基底表面處并從基底表面向內(nèi)延伸的粘結(jié)劑富集區(qū)。
[0021] 陶瓷基底還可包含一種或多種添加劑，例如，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/或鉿在基 底中形成含WC的固溶體碳化物。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，陶瓷基底可包含氮。
[0022] 在一些實(shí)施例中，本文所述的帶涂層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。圖1示出了根據(jù)本文所述的一個(gè)實(shí)施例的帶涂層 切削工具的基底。如圖1所示，基底（10)具有在基底前刀面（14)與后刀面（16)的接合點(diǎn) 處形成的切削刃（12)。基底還包括可用于將基底（10)固定到刀架上的孔隙（18)。
[0023]在一些實(shí)施例中，帶涂層切削工具的基底是刀片、鉆頭、端銑刀、鋸片或其他切削 設(shè)備。
[0024]如本文所述，粘附于基底的涂層包括通過化學(xué)氣相沉積法所沉積的至少一個(gè)復(fù)合 層，所述復(fù)合層包含氧氮化鋁（A10N)相、包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相以及除氧氮化鋁 相之外的金屬氧氮化物相，所述金屬氧氮化物相包括氧氮化鋯。A10N相可以不違背本發(fā)明 目的的任何量存在于復(fù)合層中。A10N相例如可以是復(fù)合層的主相，用作本文進(jìn)一步討論的 金屬氧化物和金屬氧氮化物相的基體。在一些實(shí)施例中，A10N相以選自表I的量存在于復(fù) 合層中。
[0025]表I-復(fù)合層的A10N相（體積％ )
[0027]本文所述的A10N相的鋁、氮和氧含量可以根據(jù)所選的CVD參數(shù)而變化。A10N相 的鋁例如可在20至50原子％的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，A10N相的鋁在25至40原子％ 或者32至38原子％的范圍內(nèi)。A10N相的氮可在40至70原子％的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施 例中，A10N相的氮在55至70原子％或者63至67原子％的范圍內(nèi)。此外，A10N相的氧可 在1至20原子％的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，A10N相的氧在2至15原子％或者4至6原 子％的范圍內(nèi)。
[0028]A10N相可以是多晶形。例如，A10N相可顯示出六方晶體結(jié)構(gòu)、立方晶體結(jié)構(gòu)或六 方晶體結(jié)構(gòu)與立方晶體結(jié)構(gòu)的混合物?；蛘撸珹10N相是無定形的。此外，A10N相可顯示出 晶體結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)的混合物，其中所述晶體結(jié)構(gòu)是六方的、立方的或它們的組合。A1 0N相在一些實(shí)施例中展示出晶粒尺寸在10nm至2ym范圍內(nèi)的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。
[0029] 如本文所述，復(fù)合層還包含包括氧化鋯在內(nèi)的金屬氧化物相。在一些實(shí)施例中，金 屬氧化物相還包含選自鋁、鉿和鈦的金屬元素。當(dāng)存在時(shí)，金屬元素可形成另外的金屬氧化 物和/或與鋯形成混合氧化物。例如，當(dāng)金屬元素為鋁時(shí)，除氧化鋯之外，金屬氧化物相還 可包括A1203和/或AIZrO。金屬氧化物相可以是復(fù)合層的次相，其被包含或設(shè)置在A10N基 體中。在一些實(shí)施例中，金屬氧化物相以選自表II的量存在于復(fù)合層中。
[0030] 表II-復(fù)合層的金屬氣化物相（體積％ )
[0032] 金屬氧化物相可以是晶體。例如，金屬氧化物相可顯示出立方晶體結(jié)構(gòu)、單斜晶體 結(jié)構(gòu)、四方晶體結(jié)構(gòu)、六方晶體結(jié)構(gòu)或它們的混合物。金屬氧化物相在一些實(shí)施例中展示出 晶粒尺寸在l〇