CN101164772B - 涂层切削刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种切削刀具，包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速钢制成的基底，至少在该基底表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂层，其中所述涂层包括交替的PVD或PECVD金属氧化物层的叠层多层，Me1X+Me2X+Me1X+Me2X...，其中金属原子Me1和Me2为下列元素中的一种或多种：Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si，且Me1X和Me2X中的至少一个为由具有不同组成和不同结构的两种组分，组分A和组分B构成的金属氧化物+金属氧化物的纳米复合层，这两种组分由一种金属元素的单相氧化物或者两种或多种金属氧化物的固溶体组成，其中层Me1X和Me2X在组成或结构上、或者在组成和结构两者上都是不同的，并且各具有大于0.4纳米但是小于50纳米的层厚，所述叠层多层的总厚度在0.2微米到20微米之间的范围内，并且对于一种或多种金属原子的浓度，所述叠层多层具有沿着从涂层外表面朝向基底的方向的组成梯度，所述梯度使得叠层多层最外部分的平均浓度和叠层多层最内部分的平均浓度之间的差以绝对单位为至少5at-％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属加工的涂层切削刀具，其具有硬质合金的基底，且在所述基底的表面上，通过物理气相沉积(PVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)而沉积有硬且耐磨的耐火涂层。
背景技术
沉积诸如铝、碳化钛和/或氮化钛材料的薄陶瓷涂层(1-20微米)到例如硬质合金切削刀具上的工艺是公知的技术，而且当在金属加工中使用涂层切削刀具时，这种涂层切削刀具的工具寿命得到了相当大的延长。在某些情况下，工具延长的使用寿命可能延续得长于非涂层切削刀具的使用寿命的几倍。这些陶瓷涂层一般包括单层，或者多层的组合。目前商用的切削刀具的特征在于：具有双层或多层结构的多层组合。总的涂层厚度在1微米和20微米之间变化，且各分层的厚度在几个微米到百分之几微米之间变化。
沉积这些层的公知技术为CVD和PVD(参见例如U.S.4619866和U.S.4346123)。PVD涂层的、硬质合金或高速钢制成的商用切削刀具通常具有TiN，Ti(C，N)或(Ti，Al)N组成的、在组成上均相的单层，或者所述相组成的多层涂层，每层都为单相材料。
存在几种PVD技术，能够在切削刀具上产生出薄的、耐火涂层。最公知的方法是离子镀，磁控溅射，电弧放电蒸发和IBAD(离子束辅助沉积)以及上述方法的混合工艺。每种方法都有它自己的优点，且所产生涂层的内在性能，诸如微观结构和颗粒尺寸，硬度，应力情况，内聚力和与下面基底的粘附性都可以根据所选择的具体的PVD方法而变化。这样，通过最优化上述性能中的一种或几种，用在特定加工操作中的PVD涂层切削刀具的耐磨性或刀刃完整性方面的提高能够得到实现。
直到近来为止，颗粒加强的陶瓷都公知为呈块状的构成材料，而不是纳米复合物。在J.F.Kuntz等人的文章中(MRS期刊，2004年1月，pp22-27)公开了具有纳米分散颗粒的氧化铝块陶瓷。在例如U.S.6660371，U.S.4702907和U.S.4701384中公开了氧化锆和含钛韧化的氧化铝CVD层。在这些公开文献中，通过CVD技术沉积涂层，且因此所形成的ZrO2相为热力学稳定相，也就是单斜晶相。而且，CVD沉积涂层通常处于拉伸应力下，或者低水平压缩应力下，而PVD或PECVD涂层由于这些沉积工艺的固有性质而一般处于较高水平压缩应力下。在US2005/0260432中描述了氧化铝+氧化锆CVD涂层的喷射，给出了压缩应力水平。喷射工艺是已知的，其用以引入处于适当水平的压缩应力。
氧化锆的亚稳相，诸如四方或立方相已经显示出：通过一种已知为变形韧化的机理(Hannink等人，J.Am.Ceram.Soc 83(3)461-87；Evans，Am.Ceram.Soc 73(2)187-206(1990))而进一步改善了块状陶瓷。这种亚稳相已经显示出，通过加入稳定元素(诸如Y或Ce)，或者通过缺氧环境(诸如真空)的作用(Tomaszewski等人，J.Mater.Sci.Lett7(1988)788-80)而得以促进，这通常是PVD应用所需要的。PVD工艺参数的变化已经显示出，导致了在氧化锆(尤其是立方氧化锆相)中的亚稳相的氧化学计量和构成的变化(Ben Amor等人，Mater.Sci.Eng.B57(1998)28)。
在EP 0709483和US6103357中描述了用于切割应用的多层PVD层，这种多层由金属氮化物或金属碳化物组成，EP0709483中揭示了金属氮化物和金属碳化物的对称多层结构，US6103357描述了金属氮化物和碳化物的非周期性的叠层多层。
瑞典专利申请No.SE0500867-7和SE0600104-4公开了一种用于金属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、坚硬的且耐磨涂层。这种涂层包括金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，该复合层由两种组分组成，颗粒尺寸为1-100纳米。
发明内容
本发明的目的是提供一种PVD或PECVD涂层的切削刀具，其中涂层具有提高的耐磨性，且具有提高的粘附性。
附图说明
图1为通过本发明的涂层切削刀具截取的横截面的示意图，显示了涂有叠层多层B的基底A，层B包括交替的类型C的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层和类型D的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层。
具体实施方式
根据本发明，提供了一种用于诸如车削、铣削和钻削的金属加工的切削刀具，其包括硬合金制成的基底，硬合金包括硬质合金，金属陶瓷，陶瓷，立方氮化硼或高速钢，优选的为硬质合金或金属陶瓷，在基底上沉积有包括叠层多层的耐磨涂层。切削刀具的形状包括可转位刀片以及刀柄式工具，诸如钻头，端铣刀等。在叠层多层下方，涂层还可以包括至少一个金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物的第一、内部单层或多层，其中金属原子为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y或Si中的一种或多种，且与现有技术一致，厚度在0.2微米到20微米之间。涂层被涂敷在整个基底上，或者至少涂敷在基底的作用表面上，例如切削刃、前刀面、侧刀面以及参与金属切削工艺的任何其他表面。
根据本发明的涂层被粘结在基底上，且包括交替的PVD或PECVD金属氧化物层的叠层多层，Me1X+Me2X+Me1X+Me2X...，其中金属原子Me1和Me2为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种，优选为Hf，Ta，Zr和Al，最优选为Zr和Al，且Me1和Me2中的至少一个为在金属氧化物基体中分散的金属氧化物组分的纳米复合层，下文称之为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，而且对于一种或多种金属原子的浓度，叠层多层具有沿着从涂层外表面朝向基底的方向的组成梯度，所述梯度使得叠层多层最外部分的平均浓度和叠层多层最内部分的平均浓度之间的差以绝对单位为至少5at-％。层Me1X和Me2X在组成或结构上，或者在组成和结构上都是不同的。在整个多层中，各Me1X或Me2X层厚的顺序优选为非周期性的。非周期性理解为，叠层多层中的具体各层的厚度并不取决于紧接在该层下方的层的厚度，而且并不与该具体各层上方的单层存在任何关系。因此，在各涂层厚度的顺序上，叠层多层并不具有任何重复的周期性。此外，各层厚度大于0.4纳米但是小于50纳米，优选大于1纳米且小于30纳米，最优选大于5纳米且小于20纳米。叠层多层的总厚度在0.2微米到20微米之间，优选为0.5微米到5微米之间。
一个金属氧化物+金属氧化物纳米复合层包括至少两种组分，其具有不同的组成和不同的结构。每种组分为一种金属元素的单相氧化物，或者两种或多种金属氧化物的固溶体。材料的微观结构的特征在于，被组分B围绕的组分A的纳米尺寸的颗粒或晶柱的平均颗粒或晶柱尺寸为1-100纳米，优选为1-70纳米，最优选为1-20纳米。组分B的中数线性截距为0.5-200纳米，优选为0.5-50纳米，最优选为0.5-20纳米。
金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的氧含量低于化学计量氧含量，其中氧：金属原子比例为化学计量的氧：金属原子比例的85-99％，优选为90-97％。
组分A和B的体积量分别为40-95％和5-60％。
在本发明的一个实例实施例中，叠层多层被直接沉积到金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物制成的第一、内部单层或多层上，其中金属原子为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种，且厚度在0.2微米到20微米的范围内，且至少一个金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的一种或多种金属原子为比所述第一、内部单层或多层中的一种或多种金属原子更硬的碳化物或氮化物形成元素。而且，优选的是，在叠层多层中，沿着从涂层外表面朝向基底的方向，更硬的至少一个金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的碳化物或氮化物形成元素的金属原子的浓度增大。
在本发明的一个实例实施例中，Me1X为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，其包括组分A的颗粒或晶柱和围绕的组分B，Me2X为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，其包括组分A的颗粒或晶柱和围绕的组分B。Me1X的组分A与Me2X的组分A一样，Me1X和Me2X的组分B一样，但是组分A的金属原子与组分B的金属原子不同。Me1X中的组分A的体积量＞Me2X中的组分A的体积量，优选的是，以绝对单位，Me1X中的组分A的体积量至少比Me2X中的组分A的体积量多2.5％，最优选的是，以绝对单位，Me1X中的组分A的体积量至少比Me2X中的组分A的体积量多5％。叠层多层在组分A的金属原子中具有组成梯度，在组分B的金属原子中也具有组成梯度，由于整个多层中平均Me1X和/或Me2X层的厚度的关系上的变化，因而在叠层多层中，增加金属原子量的方向对于组分A和组分B是相反的。
在本发明另一个实例实施例中，Me1X为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，Me2X为金属化物+金属氧化物纳米复合层。Me1X的组分A的金属原子与Me2X组分A的金属原子不同。Me1X的组分B与Me2X的组分B一样。Me1X中的组分A的体积量等于Me2X中的组分A的体积量。由于整个多层中平均Me1X和/或Me2X层的厚度的关系上的变化，因而叠层多层在组分A的金属原子方面具有组成梯度。在多层的最内部分，Me1X的组分A的金属原子的平均量可以例如接近百分之零，即平均的Me1X层厚接近零，因此使得Me2X的组分A的金属原子的平均量达到最大。由于朝着多层的最外部分的逐渐增大的平均Me1X层的厚度，因此Me1X的组分A的金属原子的平均量可以朝着多层的最外部分增大到最大量。
在本发明另一实例实施例中，第一、内部单层或多层包括Ti基碳化物、氮化物或碳氮化物。Me1X为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，其包含组分A的颗粒或晶柱，组分A优选呈四方或立方氧化锆；和围绕的组分B，组分B优选呈非晶态或晶态氧化铝，其为阿尔法(α)相和伽玛(γ)相中的一个或两个，Me2X为Al2O3层，其优选为阿尔法(α)相和伽玛(γ)相中的一个或两个。由于整个多层中平均Me1X和/或Me2X层的厚度的关系上的变化，因而叠层多层在组分A的金属原子方面具有组成梯度。
在本发明另一实施例中，第一、内部单层或多层包括Ti基碳化物、氮化物或碳氮化物。Me1X为金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，其包含组分A的颗粒或晶柱，组分A呈铪的氧化物；和围绕的组分B，组分B呈非晶态或晶态氧化铝，其为阿尔法(α)相和伽玛(γ)相中的一个或两个，Me2X为Al2O3层，其优选为阿尔法(α)相和伽玛(γ)相中的一个或两个。由于整个多层中平均Me1X和/或Me2X层的厚度的关系上的变化，因而叠层多层在组分A的金属原子方面具有组成梯度。
在叠层多层的顶部，涂层还可以包括至少一个金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物的外部单层或多层，其中金属原子为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种。该层的厚度为0.2微米-5微米。
根据本发明的层通过PVD技术、PECVD技术或者上述技术的混合而实现。这些技术的例子是RF(射频)磁控溅射，DC磁控溅射和脉冲双磁控溅射(DMS)。涂层在基底温度为200℃-850℃下形成。
当采用PVD工艺类型时，利用合成氧化物靶材来沉积金属氧化物+金属氧化物纳米复合层。利用金属靶体，在周围反应气体中的反应工艺是一种替代性工艺路线。对于通过磁控溅射方法生产金属氧化物层的情况，可以利用两种或多种单个金属靶体，其中通过接入和断开各靶体，对金属氧化物+金属氧化物纳米复合组成进行操纵。在优选方法中，靶体为化合物，具有反映出期望组成的组分。对于射频(RF)溅射的情况，通过单独地对各靶体施加受控制的功率水平，对组分进行控制。
非周期性层的结构可以通过在大规模PVD或PECVD工艺中基底的多重旋转而形成。
实例1
利用RF溅射PVD方法，在基底上沉积非周期性叠层多层，其包括交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合Al2O3+ZrO2层和Al2O3层。
通过高纯度氧化物靶体，依据温度和氧化锆和氧化铝的比例，应用不同的工艺条件，从而沉积上纳米复合层。通过在氧化锆靶体上施加一个功率水平，而在氧化铝靶体上施加独立的功率水平，对在所形成的纳米复合层中的两种氧化物的含量进行控制。将氧化铝添加到氧化锆熔剂中，目的是形成复合材料，这种复合材料具有亚稳ZrO2相。对于本例，在各氧化物靶体上的靶体功率水平为80W。调节溅射速度，以获得与铝相比，高两倍的at-％的锆。氧∶金属原子比例为化学计量的氧∶金属原子比例的94％。
在氩气环境中，利用氧化铝靶体来沉积Al2O3层。
选择用于各交替层的溅射时间，使得朝着涂层表面连续地增大Al2O3层的厚度。
利用XRD和TEM对所产生的层进行分析。XRD分析显示出，在纳米复合层中没有晶态Al2O3的痕迹，而Al2O3层主要由伽玛Al2O3组成。
TEM的研究显示出，沉积涂层包括交替的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层的叠层多层，所述复合层包括由线性截距为2纳米的非晶相(组分B)围绕的平均颗粒尺寸为4纳米的颗粒(组分A)，和伽玛Al2O3层。纳米复合层的颗粒为立方ZrO2，而围绕的相具有较高的铝含量。单层厚度范围为4至20纳米，且总的多层厚度为约1微米。Al2O3层的厚度朝着涂层表面连续增大产生了Zr梯度，使得以绝对单位的平均Zr量在多层的最内部分大约比在多层的最外部分高30at-％，如利用EDS在各部分中的几个连续层上的平均Zr量测量到的。
在纳米复合层中，两种组分A和B的相对体积量分别近似为70％和30％，如从从TEM图像的ERDA分析和EDS线扫描确定的。
Claims (16)
1.一种切削刀具，包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或高速钢的基底，至少在该基底的表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、硬的且耐磨的涂层，其特征在于，所述涂层包括交替的PVD或PECVD金属氧化物层即Me1X和Me2X层的叠层多层，金属原子Me1和Me2为Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y和Si中的一种或多种，且Me1X和Me2X中的至少一个为由具有不同组成和不同结构的两种组分即组分A和组分B构成的金属氧化物+金属氧化物的纳米复合层，所述两种组分均由一种金属元素的单相氧化物或者两种或多种金属氧化物的固溶体组成，其中层Me1X和Me2X在组成或结构上、或者在组成和结构两者上都是不同的，并且各具有大于0.4纳米小于50纳米的层厚，所述叠层多层的总厚度在0.2微米到20微米之间的范围内，并且对于一种或多种金属原子的浓度，所述叠层多层具有沿着从涂层外表面朝向基底的方向的组成梯度，所述梯度使得叠层多层最外部分的金属原子的平均浓度和叠层多层最内部分的金属原子的平均浓度之间的差以绝对单位为至少5at-％。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，所述各Me1X和Me2X的层厚均大于1纳米且小于30纳米。
3.根据权利要求2所述的切削刀具，其特征在于，所述涂层还包括在叠层多层下方的金属碳化物、金属氮化物或者金属碳氮化物的内部的单层或多层，且层厚在0.2微米到20微米之间，其中金属原子选自下列元素中的一种或多种：Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y或Si。
4.根据权利要求3所述的切削刀具，其特征在于，所述至少一个金属氧化物+金属氧化物的纳米复合层的一种或多种金属原子为比所述内部的单层或多层中的一种或多种金属原子更强的碳化物或氮化物形成元素。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述涂层在叠层多层的顶部还包括至少一个金属碳化物、金属氮化物或者金属碳氮化物的外部单层或多层，且层厚在0.2微米到5微米之间，其中金属原子选自下列元素中的一种或多种：Ti，Nb，V，Mo，Zr，Cr，Al，Hf，Ta，Y或Si。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述组分A的平均颗粒尺寸为1-100纳米。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述组分B的中数线性截距为0.5-200纳米。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，组分A和B的体积量分别为40-95％和5-60％。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述组分A包含四方或立方氧化锆，所述组分B由非晶或晶态氧化铝，其阿尔法(α)相和伽玛(γ)相之一或两者组成。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的切削刀具，其特征在于，Me1X为金属氧化物+金属氧化物的纳米复合层，Me2X为阿尔法(α)相和伽玛(γ)相之一或两者的晶态氧化铝层。
11.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，金属原子Me1和Me2为Hf，Ta，Zr和Al中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，金属原子Me1和Me2为Zr和Al中的一种或多种。
13.根据权利要求6所述的切削刀具，其特征在于，所述组分A的平均颗粒尺寸为1-70纳米。
14.根据权利要求6所述的切削刀具，其特征在于，所述组分A的平均颗粒尺寸为1-20纳米。
15.根据权利要求7所述的切削刀具，其特征在于，所述组分B的中数线性截距为0.5-50纳米。
16.根据权利要求7所述的切削刀具，其特征在于，所述组分B的中数线性截距为0.5-20纳米。
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