CN104368833A

CN104368833A - 低应力硬质涂层及其施用

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Publication number: CN104368833A
Application number: CN201410401183.8A
Authority: CN
Inventors: V·库玛; R·M·佩尼西; P·李希特; 刘一雄
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-15
Also published as: SE1450913A1; GB201414590D0; CN104368833B; GB2519840A; FR3009696A1; US20150050490A1; US10808325B2; KR20150020115A; US9896767B2; DE102014109942B4; US20190106795A1; US20160319439A1; DE102014109942A1; IL233737A0; JP2015036189A; US10184187B2

Abstract

一方面，在此描述了涂覆的切削刀具，该涂覆的切削刀具包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个通过物理气相沉积而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.68并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。

Description

低应力硬质涂层及其施用

技术领域

本发明涉及用于切削刀具以及磨损零件的硬质耐火涂层，并且特别地涉及通过物理气相沉积所沉积的、展现出高厚度、高硬度和低应力的耐火涂层。

背景技术

通常通过物理气相沉积(PVD)技术将一层或多层耐火材料施加到切削刀具表面上以提高多种特性，包括该切削刀具的耐磨损性、性能和寿命。例如通常通过PVD施加氮化钛(TiN)涂层到烧结碳化物切削刀具基体上。然而，TiN在约500℃下开始氧化而形成金红石型TiO₂，由此促进涂层快速劣化。将铝结合到立方晶格中可以通过在涂层表面处形成一个保护性的富含铝的氧化膜而使TiN涂层的降解氧化减慢。

虽然提供了对高温稳定性的增强作用，但是铝还可能引起TiN涂层的结构改变从而对涂层性能产生负面影响。增大结合到TiN涂层中的铝的量可以引起六角密堆积(hcp)氮化铝(AlN)相的生长，从而将该涂层的结晶结构从单一立方相改变为立方相和六角相的混合。超过70原子百分比的铝含量可以进一步将AlTiN层的结晶结构改变为单一的hcp相。显著量的六角相可以导致AlTiN硬度的显著减小，从而导致涂层过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碍了通过将铝添加到TiN涂层所产生的优点的充分实现。

另外，由于在沉积过程中离子轰击所产生的高的残余压缩应力，PVD涂层(包括AlTiN)的厚度受限。残余压缩应力仅随着涂层厚度增大，这样使得该涂层易于层离或发生其他粘附失效模式。可以减小该基体的偏置电压以减轻PVD涂层中的残余压缩应力。然而，偏置电压的减小可能显著损害涂层硬度。例如，在AlTiN和类似系统中，偏置电压的减小促进了六角相的形成。

鉴于这些考虑，对于提供具有高的铝含量、高硬度、高厚度和/或低的残余压缩应力的PVD式AlTiN涂层存在重大障碍。

发明内容

一方面，在此针对上述障碍的解决方案是提供具有高的铝含量、高硬度、高厚度和/或低的残余压缩应力的切削刀具和磨损部件PVD涂层。例如，在一些实施例中，在此描述的一个涂覆的切削刀具包括一个基体和附着到该基体上的一个通过PVD而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。另外，该耐火层可以具有大于15重量百分比并且直至35重量百分比的六角相含量。如在此进一步所述，该包含M_1-xAl_xN的耐火层可以是一个单一的完整层或可以由多个子层形成。

另一方面，在此描述的涂覆的切削刀具包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个通过物理气相沉积而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1- _xAl_xN，其中x≥0.68并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。

在另一方面，在此描述了用于制造涂覆的切削刀具的方法。在一些实施例中，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该切削刀具基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。在一些实施例中，该耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的。例如，该偏压可以是在-20V到小于约-40V的范围内。

在另一个实施例中，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个切削刀具基体并且在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个包含M_1-xAl_xN的耐火层其中x≥0.64并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有至少25GPa的硬度，其中该耐火层是在一个阴极电弧沉积设备中沉积的，该设备包括至少一个具有环形延伸部的阳极。

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积的耐火层中六角相的形成。在一些实施例中，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个M_1-xAl_xN耐火层，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，其中该耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的，并且通过使用至少一个具有小于约80mm的直径的阴极靶而将耐火层中的六角相限制在0至35重量百分比。

另外，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个M_1-xAl_xN耐火层，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，其中该耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的，并且通过减小一个或多个电弧转向磁场的幅度而将耐火层中的六角相限制在0至35重量百分比。

此外，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬、锆或锆，其中该耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的，并且通过将该耐火层作为多个子层组沉积而将耐火层中的六角相限制在0至35重量百分比，一个子层组包括一个形成立方相的纳米层和相邻的M_1-xAl_xN纳米层。

另外，一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个M_1-xAl_xN耐火层，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，其中该耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的，并且通过在一个阴极电弧设备中沉积该耐火层而将耐火层中的六角相限制在0至35重量百分比，该设备包括至少一个具有环形延伸部的阳极。

在下面的详细说明中更加详细地说明了这些和其他实施例。

附图说明

图1展示了根据在此说明的一个实施例的一个切削刀具基体。

图2是根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。

图3是根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。

图4是根据在此描述的一个实施例采用了环形延伸部的一种阳极构型的截面示意图。

图5是根据在此说明的一个实施例的耐火涂层的X射线衍射图。

图6是根据在此说明的一个实施例的耐火涂层的X射线衍射图。

图7是根据在此说明的一个实施例的耐火涂层的X射线衍射图。

图8是根据在此说明的一个实施例的耐火涂层的X射线衍射图。

图9展示了根据在此说明的多个实施例用于确定临界负载(L_c)的PVD涂层剥片的多个非限制性参考实例。

图10展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。

图11是根据在此说明的一个实施例的耐火涂层的X射线衍射图。

具体实施方式

通过参考以下详细说明和实例以及它们的上述和以下说明可以更容易地理解在此描述的实施例。但是，在此描述的元素、设备和方法并不限于在详细说明和实例中提及的具体实施例。应该认识到这些实施例仅是本发明原理的展示。在不脱离本发明的精神和范围而做出的许多修改和修正，对于本领域的普通技术人员将是容易明白的。

I.涂覆的切削刀具

一方面，在此描述的一个涂覆的切削刀具包括一个基体和附着到该基体上的一个通过PVD而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。在某些实施例中，x≥0.55或≥0.6。另外，耐火层可以具有大于15重量百分比并且直至35重量百分比的六角相含量。

另一方面，一个涂覆的切削刀具包括一个基体以及附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个通过物理气相沉积而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.68并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。

现在转向具体的部件，在此描述的涂覆的切削刀具包括一个基体。一个涂覆的切削刀具可以包括并非与本发明的目的不一致的任何基体。在一些实施例中基体是一个端铣刀、钻头或可转位切削镶片。可转位切削镶片可以具有用于铣削或车削应用的任何希望的ANSI标准几何形状。在此描述的涂覆的切削刀具的基体可以是由烧结碳化物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷或钢形成的。在某些实施例中，烧结碳化物基体包括碳化钨(WC)。在一个切削刀具基体中存在的WC的量可以是至少约80重量百分比或至少约85重量百分比。此外，烧结碳化物的金属粘结剂可以包括钴或钴合金。例如，在一个烧结碳化物基体中存在的钴的量的范围可以是从3重量百分比至约15重量百分比。在某些实施例中，在一个烧结碳化物基体中存在的钴的量的范围是从5至12重量百分或从6至10重量百分比。另外，一个烧结碳化物基体可以呈现出在该基体的表面处开始并向内延伸的一个粘结剂富集区。

烧结碳化物切削刀具基体还可以包括一种或多种添加剂，例如像以下元素和/或它们的化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在某些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与该基体中的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，该基体可以包括一种或多种固溶体碳化物，该固溶体碳化物的量的范围是从0.1至5重量百分比。此外，一个烧结碳化物基体可以包括氮。

一个切削刀具基体可以包括在该基体的一个前刀面与一个或多个肋侧面的相接处形成的一个或多个切削刃。图1展示了根据在此说明的一个实施例的一个切削刀具基体。如图1所展示的，基体(10)具有在基体前刀面(14)与多个肋侧面(16)的相接处形成的多个切削刃(12)。该基体(10)还包括一个孔口(18)，用于将基体(10)固定到一个刀夹具上。

除了切削刀具之外，基体可以包括具有多样化的构造和应用的多个磨损部件。

如在此描述的，包括通过PVD沉积的耐火层的一个涂层附着到该基体上，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。替代地，包括通过PVD而沉积的耐火层的一个涂层附着到该基体上，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.68并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相和至少25GPa的硬度。在一些实施例中，在此说明的M_1-xAl_xN耐火层中的x具有选自下表I中的一个值。

表I-M_1-xAl_xN纳米层的Al含量(原子％)

M_1-xAl_xN中x的值
	≥0.4
≥0.5
	≥0.55
≥0.6
	≥0.64
≥0.68
	≥0.69
≥0.7
	≥0.75
0.6-0.85
	0.65-0.8
0.7-0.8
	0.7-0.85

在选自表I的x值的情况下，在一些实施例中，该耐火层可以展现出最多35重量百分比的六角相含量。例如，对于x≥0.64或x≥0.69，该耐火层可能包括大于3重量百分比并且最多30重量百分比的六角相含量。在一些实施例中，耐火层具有根据表II的六角相含量。

表II-耐火层的六角相含量

耐火层六角相(重量％)
	0-35
3-30
	20-35
25-35
	20-30
1-10
	1-5

另外，在一些实施例中，耐火层可以展现出超过35重量百分比的六角含量。此外，在此描述的M_1-xAl_xN耐火层包括一个立方晶体相。在一些实施例中，该立方晶体相是该M_1-xAl_xN耐火层的唯一晶体相。在M_1-xAl_xN耐火层中存在六角相的多个实施例中，立方相可以构成耐火层中结晶M_1-xAl_xN的余量。立方相M_1-xAl_xN总体上是所希望的，因为它维持该耐火层的高硬度和抗高温氧化性。

在此描述的耐火涂层的相的确定(包括六角相的确定)是通过使用x射线衍射(XRD)技术和里德伯尔德(Reitveld)精修法来确定的，该方法是一种完全拟合方法。对比了测得的样品轮廓线(profile)和计算出的轮廓线。通过本领域普通技术人员已知的几个参数的变化，使这两个轮廓图之间的差异最小化。考虑了所分析的涂覆层中存在的所有相以进行正确的里特沃尔德精修。

可以根据XRD使用要求一个平坦表面的掠入射技术来对包括在此描述的耐火涂层的一个切削刀具进行分析。可以根据切削刀具的几何形状来分析该切削刀具的前刀面或胁侧面。使用装配有一个x射线铜管的平行光束光学系统来进行在此描述的涂层的XRD分析。操作参数为45KV和40MA。用于掠入射分析的典型光学系统包括具有1/16度防散射狭缝的一个x射线反射镜和一个0.04弧度的索勒狭缝。接收光学系包括一个扁平的石墨单色器、平行板瞄准仪、以及一个密封的比例计数器。以一个为了最大化涂层的峰强度并且消除来自基体的干扰峰而选择的掠入射角来收集X射线衍射数据。选择计数时间和扫描速率，以提供用于里特沃尔德分析的最佳数据。在收集掠入射数据之前，使用x射线分束来设置样品高度。

拟合一条背景轮廓线，并在该样品数据上进行峰值搜索，以识别所有的峰位置和峰强度。峰位置和强度数据被用于通过使用任何可商购的晶相数据库来识别该样品涂层的晶相组成。

对于该样品中存在的每个晶相，输入晶体结构数据。典型的里德伯尔德精修参数设置为：

里特沃尔德精修典型地包括：

实现一个可接受的“加权R轮廓”的任何附加参数

所有里特沃尔德相分析结果都以重量百分比值报告出。

在此描述的包含M_1-xAl_xN的耐火层具有至少25GPa的硬度。硬度值是根据ISO 14577、使用维氏压痕器以0.25μm压痕深度而确定的。在一些实施例中，具有在此描述的构造、包括选自表I中的一个x值以及选自表II中的六角相含量的耐火层具有根据表III的硬度。

表III-耐火层硬度(GPa)

硬度，GPa
	≥25
≥27
	≥28
25-35
	25-30
26-32
	27-35
28-35
	30-35

除了硬度之外，包含M_1-xAl_xN的耐火层可以具有并非与本发明目的不一致的任何厚度。例如该耐火层可以具有1μm至10μm或2μm至8μm的厚度。在一些实施例中，包含M_1-xAl_xN的耐火层具有大于5μm的厚度。例如，具有在此描述的构造、包括选自表I中的一个x值、选自表II中的六角相含量以及选自表III的硬度的耐火层可以具有选自表IV的厚度。

表IV-耐火层厚度(μm)

厚度μm
	1-3
1-5
	>5
≥6
	≥7
≥8
	≥9
≥10
	6-30
8-20
	9-15

在此描述的耐火层厚度是在切削刀具的肋侧表面上测量的。

如在此进一步所述，在一些实施例中，包含M_1-xAl_xN的耐火层可运作成具有选自表IV的厚度值同时展现小于2.5GPa的残余压缩应力。例如，在一些实施例中，包含M_1-xAl_xN的耐火层可以具有根据表V的残余压缩应力以及超过5μm厚度。

表V-耐火层残余压缩应力

残余压缩应力，GPa
	≤2.2
≤2.0
	≤1.5
≤1.0
	0.5至2.5
0.8至2.0
	1.0至1.5

在没有对压缩进行具体命名的情况下，在此描述的残余应力值可以被指派一个负值以表示该残余应力是压缩性的。如本领域技术人员所理解的，在没有具体命名的情况下，残余应力被指派正值是表示拉伸应力并且负值是表示压缩应力。

对于在此描述的包含M_1-xAl_xN的耐火层而言，使用了经修正的Sin²ψ方法，该方法采用西曼-波林(S-B)聚焦几何形状来确定残余应力和剪切应力。参见V.Valvoda,R.Kuzel,R.Cerny,D.S.Rafaja,J.Musil,C.Kadlec,A.J.Perry，固体薄膜，193/194(1990)401。根据这个方法，使用该掠入射X射线衍射几何形状来确定具有不同米勒(hkl)指数的所有可测量衍射峰的晶面间距。[在相对于样本以固定的射束入射角进行的单一2θ扫描中收集不同(hkl)平面的衍射峰。]由于在佩里(Perry)等人的方法中多个衍射平面与法向样品平面产生多个不同的角度，所以将样品倾斜是不必要的。佩里(Perry)提出，角度Ψ实际上对应于布拉格角θ度减去掠入射角γ，(Ψ＝θ-γ)。因此，单一2θ扫描中，当以不同的2θ角度测量具有不同米勒指数的多个布拉格峰时，Ψ角度的范围是自动选择的。接着从由不同的峰与Sin²Ψ计算的得到这些晶格参数的曲线图中得出残余应力。

例如，对包含M_1-xAl_xN的耐火层(其中M是钛)而言，残余应力和剪切应力是通过x射线衍射使用掠入射Sin²ψ方法、参照AlTiN晶相的多个(hkl)反射而确定的。用于残余应力确定的仪器是装配有一个用于样品操纵的Eulerian载台的一台PANalytical Xpert Pro MRD。x射线源是在45KV和40MA下操作的一个长的小焦点x射线铜管。该仪器配置有用于确定这些涂层中的应力的平行光束光学器件。入射光学系包括一个x射线反射镜以及0.04索勒狭缝。接收光学系包括一个0.27度的平行板瞄准仪、一个扁平的石墨单色器、以及一个密封的比例计数器。

对于残余应力水平的测量，选择AlTiN的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(331)、(420)、和(422)反射。掠入射角被选择成用于最小化这些基体反射同时确保整个耐火层厚度都被包含在分析之中。针对每个(hkl)反射调整步长和计数时间的数据采集参数以获得用于精确确定峰位置的足够峰强度。

然后使用以下等式来针对吸收度和透明度来校正峰数据：

吸收度校正

A = [1 - \frac{\tan (ω - θ)}{\tan θ}] x [1 - e^{(- &upsi;tx \frac{2 \sin θ x \cos (ω - θ)}{\sin^{2} θ - \sin^{2} (ω - θ)})}]

透明度校正

Δ 2 θ = \frac{180}{π} x \frac{2 τ}{R} x \frac{\sin (θ) \cos (θ)}{\sin (ω)}

with

τ = \frac{t}{β} x \frac{(1 - β) {xe}^{- β} - e^{- β}}{1 - e^{- β}}

and

β = \frac{2 μ t \sin θ x \cos (ω - θ)}{\sin^{2} θ - \sin^{2} (ω - θ)}

其中：

t＝层厚度

μ＝线性吸收系数(cm^-1)

θ＝2θ/2(度)

(ω-θ)＝欧米伽偏斜角(度)

ψ＝倾斜角(Psi应力)(度)

τ＝信息深度(微米)

R＝测角仪半径(mm)

使用以下等式针对洛伦兹极化来校正峰数据：

极化校正

LP = \frac{\cos^{2} {2 θ}_{mon} x \cos^{2} 2 θ}{\sin θ}

2θ_mon＝石墨单色器的衍射角

使用Ladell模型去除Kα₂峰。使用一个修改的洛伦兹形状轮廓函数来提炼峰位置。

由以下一般方程来计算耐火层的残余应力：

其中

＝在角度和倾斜度ψ下的晶格常数

d_o＝无应变晶格常数

＝旋转角度

ψ＝样品倾斜度

σ₁&σ₂＝样品表面中的主要应力张量

＝在旋转角处的应力

S₁&1/2S₂＝X射线弹性常数

S_{1} = \frac{- &upsi;}{E}, \frac{1}{2} S_{2} = \frac{1 + &upsi;}{E}

对于本AlTiN分析，将泊松比(υ)设置为0.20，并且从使用FischerscopeHM2000根据ISO标准14577用维氏压痕器进行的纳米压痕分析来确定弹性模量(E，以GPa计)。压痕深度设置为0.25μm。通过选择适用于这些组合物的多个(hkl)反射可以用类似的方式在包含Cr_1-xAl_xN和/或Zr_1-xAl_xN的耐火层上进行XRD残余应力分析，如本领域技术人员所知道的。另外，Cr_1-xAl_xN和/或Zr_1-xAl_xN层的泊松比(υ)和弹性模量(E)还可以通过如在此描述的纳米压痕分析来确定。

在此描述的包含M_1-xAl_xN的耐火层可以展现出至少60kgf的临界负载(L_c)。表征耐火层粘附性的临界负载是根据以下方案确定的。使用具有表面刻度的洛氏硬度测试器，该测试器具有一个洛氏A或C级布拉莱(brale)压痕器，该压痕器没有裂缝、剥落、瑕疵和附着的表面碎片。还使用了点砧(0.25英寸直径)和平砧(2英寸直径)。选择适当预负载(10kg)作为要施加的压痕器负载。选择被涂覆的基体的一个平坦表面并且将其定位在该砧上、该布拉莱压痕器下方，并且将升降螺杆调节至所需要的零刻度位置。以所希望的表面负载(例如，60、100、150kgf等)施加一个或多个压痕。释放该升降螺杆并且将该样品侧向地定位以便施加下一个负载。将多个压痕间隔开以避免相邻压痕的干扰效应或作用。推荐的间距是凹痕直径的3-5部。任何脱粘的但仍然附着的耐火层可以通过将该样品浸没在超声浴中若干分钟来去除。替代地，可以使用一种粘附性胶带来去除脱粘的耐火层。在光学显微镜(10x-100x)下沿着该凹口的表面周长来检查这些带凹口样品的剥片和层离。报道了在以下负载下的临界负载(L_c)：在该负载下发生了超过该凹口直径的涂层剥片和/或层离。图9展示了在本粘附性试验下PVD涂层的剥片的多个非限制性参考实例。在一些实施例中，包含M_1-xAl_xN的耐火层展现了选自表VI中的L_c。

表VI-M_1-xAl_xN耐火层的临界负载(L_c)

≥60kgf
	≥100kgf
≥150kgf

在一些实施例中，包含M_1-xAl_xN并且具有在此的表I-VI中的特性的耐火层是作为一个M_1-xAl_xN连续单层而沉积的。替代地，该耐火层作为多个M_1-xAl_xN子层而沉积的。另外，可以与M_1-xAl_xN子层相结合地采用其他耐火材料的子层来形成该耐火层。在一些实施例中，将包括选自由铝和周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一种或多种非金属元素的子层与这些M_1-xAl_xN子层一起使用以提供该耐火层。M_1-xAl_xN子层和其他耐火材料的子层可以具有任何希望的独立厚度而使得这些子层厚度的总和大于5μm。在一些实施例中，M_1-xAl_xN子层和/或其他耐火材料的子层具有50nm至5μm的厚度。

另外，形成耐火层的M_1-xAl_xN子层可以展现出残余压缩应力的变化。例如，具有低的残余压缩应力的一个或多个单独M_1-xAl_xN子层可以与具有更高的残余压缩应力的一个或多个M_1-xAl_xN子层相结合使用以形成具有小于2.5GPa的总残余压缩应力的耐火层。类似地，M_1-xAl_xN子层与其他耐火材料的子层之间的残余应力水平可以改变，以形成具有小于2.5GPa的总残余压缩应力的耐火层。在一些实施例中，具有低的残余压缩应力的一个或多个M_1-xAl_xN子层可以与具有更高残余压缩应力的一个或多个其他耐火材料子层(例如TiN)相结合使用以形成具有小于2.5GPa的总残余压缩应力的耐火层。替代地，其他耐火材料(例如TiN)的一个或多个子层可以展现出比该耐火层的一个或多个M_1-xAl_xN子层更低的残余压缩应力。子层残余压缩应力发生变化的多个实施例中，耐火层的至少30vol.％是由具有小于2.5GPa的残余压缩应力的子层形成的。在一些实施例中，耐火层的至少40vol.％或至少50vol.％是由具有小于2.5GPa的残余压缩应力的子层形成的。

如以上在对于用于耐火层残余应力分析的经改修改的Sin²Ψ方法的说明中提到的，掠入射角被设定成用于最小化基体反射而同时确保整个耐火层厚度都被包含在该分析之中。因此，对于由M_1-xAl_xN子层以及任选的其他耐火材料的子层形成的耐火层而言，该残余压缩应力分析考虑了这些子层的残余压缩应力以产生该耐火层的一个小于2.5GPa的值。例如，在一些实施例中，具有低的残余压缩应力的M_1- _xAl_xN子层与具有更高的残余压缩应力的M_1-xAl_xN子层相交替以形成该耐火层，由此在该耐火层中提供一个或多个残余应力梯度。如在此描述的，还可以将具有低的残余压缩应力的M_1-xAl_xN子层与具有更高的残余压缩应力的其他耐火材料子层进行交替以形成该耐火层，由此在该耐火层中提供一个或多个残余应力梯度。

除了不同的残余压缩应力值之外，形成耐火层的M_1-xAl_xN子层还可以展现不同的晶粒度。例如，更高的残余压缩应力的M_1-xAl_xN子层可以显示出比较低残余压缩应力的M_1-xAl_xN子层更小的平均晶粒度，由此在该耐火层中建立一个或多个晶粒度梯度。根据以下描述的XRD技术可以确定M_1-xAl_xN子层的晶粒度。

另外，形成该耐火层的M_1-xAl_xN子层可以具有基本上相同的x值或与不同的x值。例如，M_1-xAl_xN子层可以具有选自表I的基本上相同的x值或选自表I的不同的x值。在具有不同的值的情况下，可以在该耐火层中建立铝的组成梯度。

替代地，该耐火层可以作为多个子层组来沉积，一个子层组包括一个形成立方相的纳米层以及一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层。形成立方相的纳米层可以包括一种或多种金属元素的立方氮化物、立方碳化物或立方碳氮化物，该一种或多种金属元素是选自钇、硅和周期表的IIIA族、IVB族、VB族和VIB族中的金属元素所组成的组中。在一些实施例中，例如，该形成立方相的纳米层是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳化钛、氮化锆、碳化钽、碳化铌、氮化铌、氮化铪、碳化铪、碳化钒、氮化钒、氮化铬、氮化铝钛、立方氮化硼、氮化铝铬、碳氮化钛以及碳氮化铝钛。另外，在一些实施例中，形成立方相的纳米层处立方相之外还展现了六角相。例如，AlTiN、AlCrN和/或AlZrN的形成立方相的纳米层可以展现出少量的六角相。

包含沉积在一个形成立方相的纳米层上的M_1-xAl_xN纳米层的一个子层组的厚度可以总体上在从5nm至50nm的范围内变化。在一些实施例中，一个子层组具有10nm至40nm范围内的厚度。一个单独的M_1-xAl_xN纳米层的厚度可以在从5nm至30nm的范围内变化，其中一个单独的形成立方相的纳米层的厚度在从2nm至20nm的范围内变化。

另外，M_1-xAl_xN子层和形成立方相的子层的组合体可以展现出1nm至15nm的晶粒度分布。在此描述的纳米层的晶粒度分布可以通过X射线衍射(XRD)技术来确定。通过XRD进行的微晶或晶粒度确定是对所衍射的样品图案的积分峰宽度和峰形状进行查明的结果。里特沃尔德方法进行的晶粒度分析是基于这些参数的改变以确定与标准峰轮廓相比的样品峰轮廓。这些轮廓参数取决于用于数据收集的仪器设置并且取决于用于精修的轮廓函数。

XRD分析是通过使用掠入射技术和XRD仪器以及以下说明的用于六角相测定的设置而完成的。测量了尺寸-应变标准。为此目的使用了用于粉末衍射的NIST标准SRM 660b线位置和线形状标准。对于标准情况(例如，≥140度2θ)在为了分辨率而进行了光学器件调谐的情况下获得了高品质扫描。该标准结构被加载并且被精修。在以下对六角相测定的描述中提供了适当的里特沃尔德精修参数。用于微晶尺寸的里特沃尔德精修取决于用于确定这些峰的轮廓函数并且典型地包括：

标准情况的精修由于仪器而严格地限定了峰轮廓参数。这个精修被保存为仪器峰加宽标准。通过使用与尺寸标准相同的参数，将该未知的样品数据输入这个标准精修中并且接着完成峰轮廓精修。在未知样品上的峰轮廓精修结果确定了微晶尺寸。

图2是根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。图2的涂覆的切削刀具(20)包括一个切削刀具基体(21)以及附着到该基体(21)上的一个涂层(22)。涂层(22)是由具有多个子层组(24)的耐火层(23)形成的。一个子层组(24)包括一个形成立方相的纳米层(25)和一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层(26)。将这些子层组(24)进行重复或堆叠以提供所希望厚度的耐火层(23)。替代地，耐火层(23)是由一个单一的M_1-xAl_xN子层形成的而不包括子层组。

图10展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。图10的涂覆的切削刀具(50)包括一个切削刀具基体(51)以及附着到该基体(50)上的一个涂层(52)。该涂层是由具有一个M_1-xAl_xN单一完整耐火层(53)形成的，其中x选自本文的表I中。另外，该M_1-xAl_xN耐火层(53)可以具有选自本文的表II-VI中的多种特性的任何组合。在一些实施例中，例如，该M_1-xAl_xN耐火层(53)具有≥0.68或≥0.69的x值和至少25GPa的硬度。

包含M_1-xAl_xN的耐火层可以直接附着到该基体上，如图2和10所示。替代地，该耐火层可以通过一个或多个中间耐火层而附着到该基体上。该涂层的一个或多个中间耐火层可以包括选自由铝和周期表的IVB族、VB族和VIB族金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自由周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族的非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。例如，在一些实施例中,可以在该切削刀具基体与该耐火层之间放置一个或多个TiN、AlTiN、TiC、TiCN或Al₂O₃中间层。一个或多个中间层可以具有并非与本发明的目的不一致的任何希望的厚度。在某些实施例中，一个中间层具有在100nm至5μm范围内的厚度。

另外，该涂层可以进一步包括在该包含M_1-xAl_xN的耐火层上方的一个或多个外部耐火层。该涂层的一个或多个外部耐火层可以包括选自由铝和周期表的IVB族、VB族和VIB族金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自由周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族非金属元素组成的组中的一种或多种非金属元素。例如，在一些实施例中，可以将一个或多个TiN、AlTiN、TiC、TiCN或Al₂O₃外部耐火层布置在该M_1-xAl_xN耐火层上方。一个或多个外部耐火层可以具有并非与本发明的目的不一致的任何希望的厚度。在某些实施例中，一个外部耐火层具有在100nm至5μm范围内的厚度。

图3展示了根据在此说明的一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图。图3的涂覆的切削刀具(30)包括一个切削刀具基体(31)以及附着到该基体(31)上的一个涂层(32)。涂层(32)包括具有多个子层组(34)的一个耐火层(33)。如图2所示，一个子层组(34)包括一个形成立方相的纳米层(35)和一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层(36)。将这些子层组(34)进行重复或堆叠以提供所希望厚度的耐火层(33)。在该切削刀具基体(31)与该耐火层(33)之间放置一个中间层(37)。在一些实施例中，中间层(37)是一个单层。替代地，中间层(37)可以采用多层结构。

II.制作涂覆的切削刀具的方法

在另一方面，在此描述了用于制作涂覆的切削刀具的方法。一种用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一个基体并且通过阴极电弧沉积在该切削刀具基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。

包含M_1-xAl_xN其中x≥0.4并且M是钛、铬或锆的这个耐火层可以具有以上在第I部分中针对耐火层所描述的任何组成参数、结构和/或特性。例如，该M_1-xAl_xN耐火层可以具有选自本文的表I中的x值、选自本文的表II中的六角相含量、选自本文的表III中的硬度、选自本文的表IV中的厚度以及选自本文的表V中的残余压缩应力。

该耐火层可以作为一个M_1-xAl_xN连续单层进行沉积。在一些实施例中，例如，具有选自本文的表I-V中的组成和特性的一个M_1-xAl_xN连续单层是使用一个或多个具有小于约80mm直径的阴极通过阴极电弧沉积而沉积的。在一些实施例中，阴极电弧沉积设备的每个阴极都具有小于80mm的直径。此外，这些具有小于80mm的直径的阴极的组成可以进行选择以便限制在该M_1-xAl_xN耐火层中六角相的形成。例如，阴极的组成可以被选择成具有大于0.5的铝(Al)含量。在一些实施例中，采用具有小于80mm的直径并且组成为Ti_0.33Al_0.67的一个或多个阴极来限制该M_1-xAl_xN耐火层中六角相的形成。在高Al含量的阴极可能促进六角相形成的情况下，这样的结果不合常理。

替代地，该M_1-xAl_xN连续单层可以在减小一个或多个电弧转向磁场的幅度的情况下进行沉积。如本领域技术人员已知的，可以将不同强度的电磁体和/或永磁体放在阴极后面以便使电弧点在这些阴极上的运动转向。根据在此描述的一些实施例，一个或多个电弧转向磁场的幅度的减小可以产生具有在以上第I部分中所描述的组成参数和特性的一个或多个M_1-xAl_xN耐火层。一个或多个电弧转向磁场的幅度的减小可以通过选择一个或多个弱的电磁体来定位在该沉积设备的一个或多个阴极后面而进行。例如，当使用来自欧瑞康公司(OC Oerlikon Balzers AG)的INNOVA阴极电弧沉积设备时，电弧转向磁场的幅度的减小可以通过将一个弱的电磁体(例如，Mag 6)定位在该设备的一个或多个阴极后面来完成。该一个或多个弱的电磁体可以在0.1A至0.8A的电流下工作。在一些实施例中，该弱的电磁体的电流是0.2-0.5A。在此设想到，各种各样的弱的电磁体构造都是可运作的以便提供一个或多个电弧转向磁场的幅度的所需要的减小从而实现具有在此描述的组成和特性的M_1-xAl_xN耐火层。

一个或多个电弧转向磁场的幅度的减小还可以用不同的永磁体构型来进行。例如，该沉积设备的阴极后面的磁盘数量和/或尺寸可以被减小或以其他方式被改变以实现一个或多个电弧转向磁场的幅度的充分减小从而产生在此描述的一个或多个耐火层。在遇到具有变化的构造的阴极电弧沉积设备时使用上述原理来提供一个或多个电弧转向场的幅度的适当减小，这是在本领域技术人员技术能力之内的。

另外，具有在第I部分中所描述的组成和特性的该M_1-xAl_xN连续单层可以用包括至少一个具有环形延伸部的阳极的阴极电弧沉积设备来沉积。在一些实施例中，该阴极电弧沉积设备中的每个阳极都具有一个延伸部。该阳极的环形延伸部可以与相关联阴极的前表面部分地重叠。额外地，可以在该阴极与阳极环形延伸部之间放置一个限制环。图4是根据在此描述的一个实施例采用了环形延伸部的一种阳极构型的截面示意图。如图4所示，阳极(40)包围了该阴极电弧构造中的阴极(41)。环形延伸部(43)伸出到阳极(40)的前表面(44)上方。在环形延伸部(43)与阴极(41)之间放置了一个限制环(45)。

该耐火层还可以作为多个M_1-xAl_xN子层进行沉积。这些单独的M_1-xAl_xN子层的厚度和残余压缩应力可以通过调整目标蒸发速率、偏置电压和/或其他PVD参数来控制。

如在此描述的，该耐火层可以还作为多个子层组进行沉积，一个子层组包括一个形成立方相的纳米层以及一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层。在本文的第I部分中描述了适当的形成立方相的纳米层的组成参数。另外，形成立方相的纳米层和M_1- _xAl_xN纳米层可以展现在第I部分中所提供的厚度和晶粒度分布。形成立方相的纳米层和M_1-xAl_xN纳米层的厚度可以通过在其他PVD参数中尤其调整目标蒸发速率来控制。

在M_1-xAl_xN耐火层的阴极电弧沉积过程中所使用的偏置电压可以总体上在-20V至-80V的范围内。如在此描述的，该包含M_1-xAl_xN的耐火层的至少一部分是以小于-40V的偏压沉积的。例如，该偏压可以在-20V到小于-40V的范围内。在一些实施例中，该整个耐火层是以小于-40V的偏压沉积的。如在此呈现的实例部分中进一步讨论的，出乎意料地发现，在小于-40V的沉积偏压下，使用一个或多个具有小80mm直径的阴极、使用具有环形延伸部的阳极和/或减小一个或多个电弧转向磁场的幅度可以将在由M_1-xAl_xN形成的耐火层中形成的六角相限制在0至35重量百分比。类似地，在小于-40V的偏置电压下，将包含M_1-xAl_xN的耐火层作为多个子层组(包括形成立方相的纳米层)也可以将六角相的形成限制在0至35重量百分比。在一些实施例中，在小于-40V的偏置电压下，上述阴极电弧沉积方法将六角相的形成限制为大于15重量百分比并且最多35重量百分比。能够限制六角相的形成允许所沉积的包含M_1-xAl_xN的耐火层维持希望的硬度。另外，小于-40V的偏置电压可以限制该M_1-xAl_xN耐火层中过度的残余压缩应力。因此，具有希望硬度的包含M_1-xAl_xN的耐火层可以按之前没有实现的厚度进行沉积。当与x≥0.4的值相结合时，包含M_1-xAl_xN的耐火层还可以在高温切削应用中展现出希望的抗氧化性。

在另一个实施例中，一种用于制作在此描述的涂覆的切削刀具的方法包括提供一个切削刀具基体并且在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个包含M_1-xAl_xN的耐火层其中x≥0.64并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有至少25GPa的硬度，其中该耐火层是用包括至少一个具有环形延伸部的阳极的一种阴极电弧沉积设备来沉积的。在一些实施例中，该阴极电弧沉积设备中的每个阳极都具有延伸部。该阳极的环形延伸部可以与相关联阴极的前表面部分地重叠。额外地，可以在该阴极与阳极环形延伸部之间放置一个限制环。例如，在一些实施例中，图4在此展示了具有环形延伸部的一种阳极构型。

额外地，在此描述的方法的阴极电弧沉积设备可以使用具有增大的铝含量的一个或多个阴极。在一些实施例中，例如，该阴极电弧沉积设备的一个或多个阴极具有选自表VII中的构造。

表VII-阴极构造

Al₇₀Ti₃₀
	Al₇₃Ti₂₇
Al₇₅Ti₂₅
	Al₈₀Ti₂₀

例如，在沉积该耐火层时，表VII的阴极可以与一个环形延伸部相结合使用。在另一个实例中，在该耐火层作为多个子层组进行沉积时可以使用表VII的阴极。如在此描述的，一个子层组包括一个形成立方相的纳米层和一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层。在本文的第I部分中描述了适当的形成立方相的纳米层的组成参数。另外，形成立方相的纳米层和M_1-xAl_xN纳米层可以展现在第I部分中所提供的厚度和晶粒度分布。形成立方相的纳米层和M_1-xAl_xN纳米层的厚度可以通过在其他PVD参数中尤其调整目标蒸发速率来控制。

采用了至少一个具有环形延伸部的阳极的该阴极电弧沉积设备所用的偏置电压可以总体上在从-40V至-80V的范围内。在一些实施例中，偏置电压被设定为-40V、-60V或-80V。额外地，在M_1-xAl_xN耐火层的沉积过程中该偏置电压可以在-40V至-80V的范围内变化。

通过包括至少一个具有环形延伸部的阳极的阴极电弧沉积设备而沉积的M_1- _xAl_xN耐火层可以具有本文的第I部分中所描述的任何构造和特性，包括在表I至VI中所列出的特性的任何组合。在一些实施例中，例如，M_1-xAl_xN耐火层具有x≥0.68，x≥0.69或≥0.7的值以及至少25Gpa或至少27GPa的硬度。

在以下非限制性实例中进一步展示这些和其他实施例。

实例1-涂覆的切削刀具

用一个由多个子层组形成的耐火层来涂覆一个切削刀具，每个子层组包括一个形成立方相的TiN纳米层以及一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层，其中M是钛并且x≥0.6。该耐火层是通过阴极电弧蒸发而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状CNGP433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-20V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于该涂层沉积，采用了来自欧瑞康公司(OC Oerlikon Balzers AG)的INNOVA PVD设备。使用表VIII中的阴极构造来交替地相继沉积形成立方相的TiN纳米层和Ti_1-xAl_xN纳米层(x≥0.6)，以提供该耐火层。

表VIII-阴极构造

在表IX中提供了所得的耐火层的特性。耐火层的六角相含量、残余压缩应力以及硬度是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表IX-耐火层特性

如表IX所提供的，耐火层显示出高硬度、低残余压缩应力以及高厚度。此外，图5是实例1的耐火涂层的一个X射线衍射图。如该衍射图所示，该耐火层的TiAlN是以立方形式和六角形式存在。

实例2-涂覆的切削刀具

根据实例1制作一个涂覆的切削刀具，其区别是偏置电压被增大至-45V并且烧结碳化物基体几何形状为ANSI标准几何形状CNGP432。在表X中提供了所得的耐火层的特性。耐火层的六角相含量、残余压缩应力以及硬度是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表X-耐火层特性

类似于实例1，实例2的涂覆的切削刀具显示出高硬度、低残余压缩应力以及高厚度。图6是实例2的耐火涂层的一个X射线衍射图。

实例3-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x>0.6)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具。该Ti_1- _xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状SNG433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-30V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成为Ti_0.33Al_0.67并且该设备的阳极采用了环形延伸部。例如，该INNOVA阴极电弧设备是在其中结合了阳极的环形延伸部的先进等离子体优化器(Advanced Plasma Optimizer，APO)构造中运行。在表XI中提供了所得的耐火层的特性。耐火层的六角相含量、残余压缩应力以及硬度是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表XI-耐火层特性

如表XI所提供的，该耐火层显示出高硬度、低残余压缩应力以及高厚度。图7是实例3的耐火涂层的一个X射线衍射图。如图7所示，该耐火层的TiAlN是单相立方型。另外，这个实例的TiAlN耐火层没有使用形成立方相的层，从而使得它与本文的实例1和2在结构上存在偏差。

实例4-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x>0.6)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具。该Ti_1- _xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状CNGP432]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-30V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成是Ti_0.33Al_0.67并且多个弱的电磁体(例如，Mag 6)被定位在这些阴极后面以便产生具有减小的幅度的电弧转向磁场。用于这些电磁体的电流被设定在0.2至0.4A的范围内。

在表XII中提供了所得的耐火层的特性。耐火层的六角相含量、残余压缩应力以及硬度是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表XII-耐火层特性

如表XII所提供的，该耐火层显示出高硬度、低残余压缩应力以及高厚度。图8是实例4的耐火涂层的一个X射线衍射图。如图8所示，该耐火层的TiAlN是单相立方型。另外，这个实例的TiAlN耐火层没有采用形成立方相的层，从而使得它与本文的实例1和2在结构上存在偏差。

实例5-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x＝0.64)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具(5)。该Ti_1-xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状SNG433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-40V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成为Ti_0.30Al_0.70并且该设备的阳极采用了环形延伸部。例如，该INNOVA阴极电弧设备是在其中结合了阳极的环形延伸部的先进等离子体优化器(APO)构造中运行。根据这个实例5的方案对两个额外的切削刀具(6，7)进行涂覆，唯一的区别在于切削刀具(6)是以-60V的偏压生产的并且切削刀具(7)是以-80V的偏压生产的。在表XIII中提供了所得的耐火层的特性。这些耐火层的硬度、六角相含量以及临界负载是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表XIII-耐火层特性

图11是实例5的切削刀具(1)的Ti_1-xAl_xN涂层的一个X射线衍射图。如图11所示，该Ti_1-xAl_xN涂层展现出立方晶相和六角晶相。

实例6-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x＝0.67)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具(8)。该Ti_1-xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状SNG433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-40V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成为Ti_0.27Al_0.73并且该设备的阳极采用了环形延伸部。该INNOVA阴极电弧设备是在其中结合了阳极的环形延伸部的先进等离子体优化器(APO)构造中运行。根据这个实例6的方案对两个额外的切削刀具(9，10)进行涂覆，唯一的区别在于切削刀具(9)是以-60V的偏压生产的并且切削刀具(10)是以-80V的偏压生产的。在表XIV中提供了所得的耐火层的特性。这些耐火层的硬度和临界负载是根据在本文的第I部分中所描述的它们各自的技术来确定的。

表XIV-耐火层特性

在切削刀具8至10的Ti_0.33Al_0.67N耐火层中存在立方相和六角相。

实例7-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x＝0.7)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具(11)。该Ti_1-xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状SNG433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-40V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成为Ti_0.25Al_0.75并且该设备的阳极采用了环形延伸部。该INNOVA阴极电弧设备是在其中结合了阳极的环形延伸部的先进等离子体优化器(APO)构造中运行。根据这个实例7的方案对两个额外的切削刀具(12，13)进行涂覆，唯一的区别在于切削刀具(12)是以-60V的偏压生产的并且切削刀具(13)是以-80V的偏压生产的。在表XV中提供了所得的耐火层的特性。这些耐火层的硬度、临界负载以及六角相是根据在本文的第I部分中描述的它们各自的技术来确定的。

表XV-耐火层特性

所沉积的Ti_1-xAl_xN涂层展现出小于30wt.％的六角相，其余的晶相是立方相。实例8-涂覆的切削刀具

用一个Ti_1-xAl_xN(x＝0.76)单一完整的耐火层来涂覆一个切削刀具(14)。该Ti_1-xAl_xN耐火层是通过阴极电弧沉积而沉积在一个烧结碳化物(WC-6wt.％Co)可转位镶片基体[ANSI标准几何形状SNG433]上，其中基体温度为550-600℃、偏置电压-60V、氮气分压为4.0-4.5Pa并且氩气分压为0.5-1.0Pa。对于耐火层的沉积，采用了来自欧瑞康公司的INNOVA阴极电弧设备。阴极组成是Ti_0.20Al_0.80并且该设备的阳极采用了环形延伸部。该INNOVA阴极电弧设备是在其中结合了阳极的环形延伸部的先进等离子体优化器(APO)构造中运行。根据这个实例8的方案对一个额外的切削刀具(14)进行涂覆，唯一的区别在于切削刀具(14)是以-80V的偏压生产的。在表XVI中提供了所得的耐火层的特性。这些耐火层的硬度和临界负载是根据在本文的第I部分中描述的它们各自的技术来确定的。

表XVI-耐火层特性

切削刀具(13和14)的沉积的Ti_1-xAl_xN耐火层展现出立方晶相和六角晶相。

已对本发明的不同实施例进行了说明以实现本发明的不同目的。应该认识到，这些实施例仅是本发明原理的展示。对于在不脱离本发明的精神和范围而对本发明所做的许多修改和修正，本领域的普通技术人员将是容易明白的。

Claims

1.一种涂覆的切削刀具，包括：

一个基体；以及

附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个通过物理气相沉积而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.68并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相和至少25GPa的硬度。

2.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中x≥0.69。

3.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中0.7≤x≤0.85。

4.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有至少100kg的临界负载(L_c)。

5.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有至少150kg的L_c。

6.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有小于35重量百分比的六角相。

7.如权利要求3所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有小于30重量百分比的六角相。

8.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有2至8μm的厚度。

9.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层是直接附着到该基体上的。

10.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层是通过一个或多个中间耐火层附着到该基体上的。

11.如权利要求10所述的涂覆的切削刀具，其中，该一个或多个中间耐火层包括选自铝和周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一种或多种非金属元素。

12.如权利要求11所述的涂覆的切削刀具，其中，该一个或多个中间耐火层是选自下组，该组由以下各项组成：TiN、AlTiN、TiC、TiCN以及Al₂O₃。

13.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该涂层进一步包括在该耐火层上方的一个或多个外部耐火层。

14.如权利要求13所述的涂覆的切削刀具，其中，该一个或多个外部耐火层包括选自铝和周期表的IVB族、VB族和VIB族的金属元素组成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一种或多种非金属元素。

15.如权利要求2所述的涂覆的切削刀具，具有至少27GPa的硬度。

16.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该基体是由烧结碳化物、碳化物、陶瓷或钢形成的。

17.一种涂覆的切削刀具，包括：

一个基体；以及

附着到该基体上的一个涂层，该涂层包括一个通过物理气相沉积而沉积的耐火层，该耐火层包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.55并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的残余压缩应力。

18.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该残余压缩应力是小于2.0GPa。

19.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该残余压缩应力是小于1.5GPa。

20.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层的厚度是大于10μm。

21.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有大于15重量百分比的六角相。

22.如权利要求21所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有最多35重量百分比的六角相。

23.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中0.6≤x≤0.85。

24.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层具有最多35GPa的硬度。

25.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中耐火层是以小于-40V的偏压沉积的。

26.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该耐火层包括多个子层组，一个子层组包括一个形成立方相的纳米层以及一个相邻的M_1-xAl_xN纳米层。

27.如权利要求26所述的涂覆的切削刀具，其中该形成立方相的纳米层包括一种或多种金属元素的立方氮化物、碳化物或碳氮化物，该一种或多种金属元素是选自钇、硅和周期表的IIIA族、IVB族、VB族和VIB族中的金属元素所组成的组中。

28.如权利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中该形成立方相的纳米层是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳化钛、氮化锆、立方氮化硼、碳化钽、碳化铌、氮化铌、氮化铪、碳化铪、碳化钒、氮化钒、氮化锆、氮化铝钛、氮化铝铬、碳氮化钛以及碳氮化铝钛。

29.如权利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中该形成立方相的纳米层是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛和氮化铝钛。

30.如权利要求27所述的涂覆的切削刀具，其中该形成立方相的纳米层包括六角相。

31.如权利要求26所述的涂覆的切削刀具，其中该形成立方相的纳米层具有5至50nm的厚度。

32.如权利要求31所述的涂覆的切削刀具，其中该M_1-xAl_xN纳米层具有10至200nm的厚度。

33.如权利要求17所述的涂覆的切削刀具，其中该基体是由烧结碳化物、碳化物、陶瓷或钢形成的。

34.一种制作涂覆的切削刀具的方法，包括：

提供一个切削刀具基体；并且

在该基体的表面上沉积一个涂层，该涂层包括一个包含M_1-xAl_xN的耐火层其中x≥0.64并且M是钛、铬或锆，该耐火层包括一个立方晶相以及至少25GPa的硬度，其中该涂层是用一个阴极电弧沉积设备来沉积的，该阴极电弧沉积设备包括至少一个具有环形延伸部的阳极。

35.如权利要求34所述的方法，其中x≥0.69。

36.如权利要求34所述的方法，其中0.7≤x≤0.85。

37.如权利要求34所述的方法，其中该耐火层具有至少100kg的L_c。

38.如权利要求34所述的方法，其中该耐火层被直接沉积在该基体上。

39.如权利要求34所述的方法，其中该阳极环形延伸部与一个阴极的前表面部分地重叠。

40.如权利要求34所述的方法，其中该阴极电弧沉积设备包括一个或多个具有Al₇₃Ti₂₇构造的阴极。

41.如权利要求36所述的方法，其中该阴极电弧沉积设备包括一个或多个具有Al₇₅Ti₂₅构造的阴极。

42.如权利要求36所述的方法，其中该阴极电弧沉积设备包括一个或多个具有Al₈₀Ti₂₀构造的阴极。