CN104416206A - 用于切削刀具的耐热涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于切削刀具的耐热涂层。在一个方面，描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在某些实施例中这些涂层展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。在此所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，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝(AlON)子层或复合AlON子层以及一个氧化铝(Al2O3)子层或复合氧化铝子层。

Description

用于切削刀具的耐热涂层
技术领域
本发明涉及用于切削刀具的涂层，并且更特别地涉及通过化学气相沉积(CVD)而沉积的涂层。 
背景技术
包括烧结碳化物切削刀具在内的切削刀具已经在有涂层和无涂层两种情况中用于对不同金属和合金进行机加工。为了提高切削刀具的耐磨损性、性能和寿命，已经将一层或多层耐热材料施加到切削刀具的表面上。例如，已经通过CVD并且通过物理气相沉积(PVD)将TiC、TiCN、TiN和/或Al2O3施加到烧结碳化物基体上。虽然在各种应用中在抑制磨损和延长刀具寿命方面是有效的，但是基于上述耐热材料的单层或多层构造的耐热涂层已经逐渐达到其性能极限，由此要求发展用于切削刀具的新的涂层结构。 
发明内容
在一个方面，在此描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在一些实施例中这些涂层可以展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。简单地说，在此所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，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，附着到该切削刀具基体上的涂层进一步包括在该耐热层与该基体之间的一个或多个内层和/或沉积在该耐热层上的一个或多个外层。 
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在该基体上通过化学气相沉积而沉积一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，将一个或多个内涂覆层在该耐热层沉积之前沉积在该基体上。另外，可以将一个或多个外层沉积在该耐热层上。 
在下面的详细说明中进一步说明这些和其他实施例。 
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4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5是根据在此说明的一个实施例的一个涂覆的切削镶片的截面扫描电子显微镜(SEM)图像。 
图6是根据在此描述的一个实施例的一个涂层的耐热层表面的SEM图像。 
图7(a)是具有在此所述的涂层结构的一个切削镶片的照片，该切削镶片已经经受了如实例3所述的铣削测试。 
图7(b)-(c)是已经经受了实例3所述的铣削测试的多个对比切削镶片的照片。 
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
在一个方面，描述了切削刀具，这些切削刀具具有附着到其上的涂层，在某些实施例中这些涂层展示出希望的耐磨损性以及增加的切削寿命。在此所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，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝(AlON)子层或复合AlON子层以及一个氧化铝(Al2O3)子层或复合氧化铝子层。在一些实施例中，附着到该基体上的涂层进一步包括在该耐热层与该基体之间的一个或多个内层和/或沉积在该耐热层上的一个或多个外层。 
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。 
如在此描述的，附着到该基体上的一个涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个AlON子层或复合AlON子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。该耐热层的子层组可以是彼此相邻的或是通过该耐热层中的一个或多个插入层而彼此间隔开的。另外，任何希望数量的子层组都可以形成该耐热层。在一些实施例中，例如，该耐热层包括至少四个子层组。 
多个单独的子层组可以显示出多个构造。在一些实施例中，该耐热层的至少一个子层组可以具有选自表I的构造。 
表I-耐热层的子层组构造 
复合AlON子层/复合Al2O3子层
复合AlON子层/Al2O3子层
AlON子层/复合Al2O3子层
AlON子层/Al2O3子层
另外，形成在此所述的耐热层的多个子层组可以具有相同或不同的构造。在一些实施例中，例如，形成该耐热层的多个子层组具有选自表I的一种单一的构造，例如，复合AlON子层/复合Al2O3子层。替代地，形成该耐热层的多个子层组可以具有选自表I的不同构造。考虑了来自表I的子层组构造的任何组合。例如，该耐热层的一个第一子层组可以包括一个复合AlON子层和一个复合氧化铝子层，并且一个第二子层组包括一个复合AlON子层和一个氧化铝子层。 
现在转到具体的子层，AlON子层可以是多晶的，表现出六方结晶结构、立方结晶结构、或者六方与立方结晶结构的混合体。可替代地，该AlON子层是无定形的。此外，该AlON子层可以表现出结晶结构和无定形结构的一种混合体，其中这些结晶结构是六方的、立方的或者其组合。该AlON子层还可以展示出一种细晶粒结构，其中晶粒具有的尺寸是在10nm到2μm的范围内。 
AlON子层的铝、氮、以及氧的含量可以根据所选定的CVD参数而变化。例如，AlON子层的铝的范围可以是从20原子％到50原子％。在一些实施例中，AlON的铝是处于25原子％到40原子％或者32原子％到38原子％的范围内。AlON子层的氮的范围可以是从40原子％到70原子％。在一些实施例中，AlON子层的氮是处于55原子％到70原子％或者63原子％到67原子％的范围内。此外，AlON子层的氧的范围可以是从1原子％到20原子％。在一些实施例中，AlON的氧是处于2原子％到15原子％或者4原子％到6原子％的范围内。 
此外，复合AlON子层包括一个AlON相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。AlON相可以在该复合子层中以不与本发明的目的相矛盾的任何量存在。例如，AlON相可以是该复合子层的主要相，用作在此进一步讨论的金属氧化物和金属氧氮化物相的基质。在一 些实施例中，AlON相在该复合子层中存在的量是选自表II。 
表II-复合AlON子层的AlON相(体积百分比) 
AlON相(vol.％)
≥50
≥60
≥70
≥80
85-99
90-99
AlON相的铝、氮、以及氧的含量可以根据所选定的CVD参数而变化。例如，该AlON相的铝的范围可以是从20原子％到50原子％。在一些实施例中，该AlON相的铝是处于25原子％到40原子％或者32原子％到38原子％的范围内。该AlON相的氮的范围可以是从40原子％到70原子％。在一些实施例中，该AlON相的氮是处于55原子％到70原子％或者63原子％到67原子％的范围内。此外，该AlON相的氧的范围可以是从1原子％到20原子％。在一些实施例中，该AlON相的氧是处于2原子％到15原子％或者4原子％到6原子％的范围内。 
在一些实施例中，该AlON相是多晶的。例如，该AlON相可以表现出一种六方结晶结构、立方结晶结构、或者六方与立方结晶结构的混合体。可替代地，该AlON相是无定形的。此外，该AlON相可以表现出结晶结构和无定形结构的一种混合体，其中这些结晶结构是六方的、立方的或者其组合。该AlON相还展现了一种细晶粒结构，其中晶粒具有的尺寸是在10nm到2μm的范围内。 
如在此所描述的，复合AlON子层还包括一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括至少一种选自周期表的第IVB族的金属元素的氧化物。例如，该金属氧化物相可以包括ZrO2或HfO2。在一些实施例中，该金属氧化物相包括多种选自周期 表的第IVB族的金属元素的氧化物。例如，该金属氧化物相可以包括ZrO2和HfO2的混合体。该金属氧化物相可以是该复合AlON子层的次要相、被包含或者分散在该AlON基质相中。在一些实施例中，该金属氧化物相在该AlON复合子层中存在的量是选自表III。 
表III-复合AlON子层的金属氧化物相(体积百分比) 
金属氧化物相(Vol.％)
1-15
2-12
3-10
在一些实施例中，复合AlON子层的金属氧化物相是多晶的。例如，该金属氧化物相可以表现出一种立方结晶结构、单斜结晶结构或者四方结晶结构或者它们的混合体。该金属氧化物相还可以展示出一种细晶粒结构，其中晶粒具有的尺寸是在10nm到2μm的范围内。该金属氧化物相的晶粒可以具有一种球形或者椭圆的几何形状。 
一个复合AlON子层可以进一步包括除了该AlON相和金属氧化物相之外的一个金属氧氮化物相，该金属氧氮化物相包括至少一种选自周期表的第IVB族的金属元素的氧氮化物。例如，该金属氧氮化物相可以包括氧氮化钛(TiON)。在一些实施例中，该金属氧氮化物相包括多种选自第IVB族的金属元素的氧氮化物。在一些实施例中，一种金属氧氮化物相具有式MOxN1-x，其中M是选自周期表的第IVB族的金属元素中，并且x＝0.1-0.9。 
该金属氧氮化物相可以是多晶的。在此类实施例中，该金属氧氮化物相可以展示出一种立方结晶结构。此外，该金属氧氮化物相可以展示出一种超细晶粒结构，其中晶粒具有的尺寸是在1nm到20nm的范围内。在一些实施例中，该金属氧氮 化物相可以是该复合AlON子层的次要相、被包含或者分散在该AlON基质相中。例如，在一些实施例中，该金属氧氮化物相在该复合层中存在的量是选自表IV。 
表IV-复合AlON子层的金属氧氮化物相(体积百分比) 
金属氧氮化物相(Vol.％)
0-10
0.5-10
1-9
2-8
在此描述的AlON复合子层中的AlON相、金属氧化物相、金属氧氮化物相的体积百分比可以使用辉光放电光学发射光谱法(GDOES)和能量色散X-射线光谱法(EDX/EDS)来进行测定。例如，在一个实施例中，一个复合AlON子层的组成可以通过GDOES使用GDA750辉光放电光谱仪(德国霍夫的光谱分析有限公司(Spectrum Analytic Ltd.,Hof,Germany))利用1.0mm的斑点直径来进行分析。用于分析的溅射材料的去除可以通过0.5μm的步进从该子层的顶部到基体侧来进行。此外，涂覆子层的额外分析可以通过EDS使用扫描电子显微镜设备LEO 430i(德国奥伯科亨的LEO有限公司(LEO Ltd.,Oberkochen,Germany))利用LINK ISIS(牛津有限公司(Oxford Ltd.))的分析系统来进行。 
如在此描述的，一个子层组还包括一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。氧化铝子层可以是多晶的、展现出不与本发明的目的相矛盾的任何氧化铝多晶型物。例如，在一些实施例中，氧化铝子层是由α-氧化铝、κ-氧化铝或其混合物(α/κ)形成。 
另外，复合氧化铝子层可以采用若干个构造。在一些实施例中，复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB 族中的金属元素的一种或多种氧化物。例如，在一些实施例中，复合氧化铝层的金属氧化物相是由氧化锆、氧化铪或其混合物形成。氧化铝相与金属氧化物相的比率可以在从1:10至10:1的范围内。另外，该金属氧化物相除了氧化锆和/或氧化铪之外还可以包括氧化钛(TiOx)。当存在时，氧化钛可以是该金属氧化物相的次要组分并且被精细地分散在该复合氧化铝子层各处。在精细分散时，氧化钛可以具有小于氧化铝相和氧化锆和/或氧化铪的粒径。 
复合氧化铝子层的氧化铝相可以是多晶的、展现出不与本发明的目的相矛盾的任何氧化铝多晶型物。例如，在一些实施例中，氧化铝相是由α-氧化铝、κ-氧化铝或其混合物(α/κ)形成。在一些实施例中，一个复合氧化铝层具有美国专利6,660,371中所描述的构造，该专利通过引用以其全文结合在此。 
替代地，另一个方面，复合氧化铝子层是由掺杂有一种或多种选自周期表第IVB族中的金属元素的氧化铝形成的。在一些实施例中，该氧化铝掺杂有钛、锆或其混合物。在一些实施例中，该氧化铝掺杂有量值为该复合氧化铝子层的0.0.1wt.％至5wt.％的钛、锆或其混合物。 
AlON子层、复合AlON子层、氧化铝子层和复合氧化铝子层可以具有不与本发明的目的相矛盾的任何厚度。例如，这些子层可以各自具有小于1μm或小于0.5μm的单独厚度。在一些实施例中，一个子层具有至少0.1-0.8μm或0.2-0.5μm的厚度。另外地，氧化铝子层或复合氧化铝子层可以具有小于该子层组的相邻AlON子层或复合AlON子层的硬度。例如，氧化铝子层或复合氧化铝子层可以具有的硬度(HV0.05)的范围是从约1500到1800，其中HV0.05是指使用0.05公斤力的负载时的维氏硬度。该AlON子层或复合AlON子层可以具有约1700至2200的硬度(HV0.05)。在此所叙述的维氏硬度值是根据ASTM国际标准的ASTM E 384 “材料的努普和维氏硬度的标准方法[Standard Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials]”来测定的。 
如在此进一步描述的，形成该耐热层的子层组可以是彼此相邻的。替代地，该耐热层的多个子层组可以通过一个或多个插入层而彼此间隔开。另外，该耐热层可以进一步包括并非与本发明的目的不一致的任何数量的子层组。在一些实施例中，该耐热层包括至少四个子层组，每个子层组具有选自本文中表I的构造。在包括多个子层组时，该耐热层可以具有大于5μm的厚度。在一些实施例中，该耐热层具有5μm至25μm或6μm至20μm的厚度。 
在一些实施例中，在该切削刀具基体表面上直接沉积一个包括多个子层组的耐热层。图2是根据一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图，其中该耐热层直接沉积在该切削刀具基体表面上。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)的耐热层(23)形成的。在图2的实施例中，耐热层(23)是由四个子层组(24)形成的，每个子层组包括一个AlON子层或复合AlON子层(26)以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层(25)。 
可替代地，在此描述的一个涂层可以进一步包括在该耐热层与该基体之间的一个或多个内层。在一些实施例中，一个或多个内层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族的非金属元素构成的组中的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，在该基体与该耐热层之间的一个或多个内层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼 化物。例如，一个或多个内层是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳氮化钛、氧碳氮化钛、碳化钛、氧化钛、氧化锆、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪、碳氮化铪、和氧化铝以及它们的混合物。氧化铝内层可以包括α-氧化铝、κ-氧化铝或α/κ-氧化铝。 
在此描述的涂层的内层可以具有不与本发明的目的相矛盾的任何厚度。一个或多个涂覆内层可以具有的厚度的范围是从0.5μm到15μm。在一些实施例中，内层的厚度是根据该涂层中该内层的位置来选择的。例如，直接沉积在该基体的表面上作为该涂层的初始层的一个内层可以具有的厚度的范围是从0.5到2.5μm。沉积在该初始层上的一个内层，如一个TiCN或TiN层，可以具有的厚度的范围是从2μm到12μm。此外，其上沉积了此处描述的耐热层的一个内层，如一个含氧化铝的层，可以具有的厚度的范围是从0.1到6μm。 
在一些实施例中，在此描述的一个耐热层是该涂层的最外层。可替代地，在此描述的一个涂层可以包括在该耐热层上的一个或多个外层。一个或多个外层可以包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族的非金属元素构成的组中的一种或多种非金属元素。该耐热层上的一个或多个外层可以包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，一个或多个外层是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳氮化钛、氧碳氮化钛、碳化钛、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪、碳氮化铪、和氧化铝以及它们的混合物。 
在此描述的涂层的外层可以具有不与本发明的目的相矛盾的任何厚度。在一 些实施例中，一个涂层外层可以具有的厚度的范围是从0.5μm到5μm。 
另外，在一些实施例中，在此描述的涂层可以包括一个或多个结合层。一个结合层可以在此处描述的涂层中展示不同位置。在一些实施例中，一个结合层被布置在该涂层的两个内层之间，如在一个氮化钛或者碳氮化钛内层与一个含氧化铝的内层之间。一个结合层还可以布置于在此描述的一个内层与耐热层之间。此外，一个结合层可以布置在该涂层的耐热层与一个外层之间。在一些实施例中，结合层被用于增加该涂层的多个层之间的粘附力和/或使在该结合层上沉积的涂覆层具有所希望的形貌。在一些实施例中，一个结合层具有式M(OxCyNz)，其中M是选自周期表的第IVB族、第VB族以及第VIB族的金属元素构成的组中的一种金属，并且x≥0，y≥0并且z≥0，其中x+y+z＝1。例如，在一个实施例中，一个TiC结合层被用在一个TiCN内层与一个含氧化铝的内层之间。 
具有式M(OxCyNz)的一个结合层可以具有不与本发明的目的相矛盾的任何厚度。在一些实施例中，一个M(OxCyNz)层具有约0.5μm的厚度。此外，一个M(OxCyNz)层可以具有的厚度的范围是从0.5μm到5μm。 
图3展示了根据一个实施例的涂覆的切削刀具的示意图，其中该耐热层是沉积在该涂层的内层上。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)的一个耐热层(33)。如图2所示，耐热层(33)是由四个子层组(34)形成的，每个子层组包括一个AlON子层或复合AlON子层(36)以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层(35)。该涂层的一个内层(37)被安置在该耐热层(33)与该切削刀具基体(31)之间。如在此描述的，内层(37)可以是一个单一层或多个层。 
附着到一个切削刀具基体上的涂层可以具有在此描述的耐热层、一个或多个内层和/或一个或多个外层的任何结构。在一些实施例中，一个涂层具有选自表V的结构。参照表V，列出了多个内层，这些内层以直接沉积在基体表面上的这个层开始并且向外朝该耐热层前进。另外，针对该耐热层列出的每个附加结构[例如(复合Al2O3/复合AlON)]是指一个子层组，其中所列出的第一子层组与所列出的最后一个内层相接触。例如，在表V的第一涂层结构中，该耐热层是由彼此相邻的四个子层组(复合Al2O3/复合AlON)形成的。该第一子层组的复合Al2O3子层是与最终的Al2O3内层相接触的。 
表V-涂层结构 
*MT＝中温CVD 
**任选的 
表V中列出的子层构造可以具有与本文第I部分所述的相同的任何组成参数和/或特性。例如，复合Al2O3子层可以包括一个氧化铝相和一个金属氧化物相。替代地，复合Al2O3子层是由掺杂有一种或多种选自周期表第IVB族中的金属元素的氧化铝形成的。 
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在该基体上通过化学气相沉积而沉积一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个AlON子层或复合AlON子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。该基体和AlON子层、复合AlON子层、氧化铝子层和复合氧化铝子层可以具有与本文第I部分所述相同的任何构造和/或特性。 
AlON子层可以从一种气态混合物沉积，该气态混合物包括一种铝源、氧源和氮源。例如，在一些实施例中，AlON子层是从一种气态混合物沉积的，该气态混合物包括AlCl3、H2、N2、NH3、HCl和CO2。用于沉积AlON子层的一般CVD处理参数被提供在了表VI中。 
表VI-AlON子层CVD处理参数 
在上文的第I部分中所描述的AlON子层的铝、氮和氧的组成百分比可以通过改变该混合物中多种单独的反应物气体的量来实现。 
此外，可以从一种气态混合物来沉积一个复合AlON子层，该气态混合物包括一种铝源、氧源、氮源和第IVB族的一种或多种金属元素的来源。在一些实施例中，例如，该铝源是AlCl3，并且该金属元素来源是第IVB族金属氯化物，如ZrCl4、HfCl4或其混合物。此外，如在此描述的，一个复合AlON层除了该AlON相和金属氧化物相之外还可以包括一个金属氧氮化物相，其中该氧氮化物相的金属是选自周期表的第IVB族的金属元素中。在一些实施例中，该金属氧氮化物相包括氧氮化钛(TiON)。例如，氯化钛(TiCl4)可以被添加到用于在该AlON子层中沉积TiON相的气态混合物中。 
如在本文的表II至IV中所列出的复合AlON子层的多个相的组成百分比可以通过改变该沉积混合物中多种单独的反应物气体的量来实现。另外，如在上文的第I部分中所列出的AlON相的铝、氮和氧的组成百分比可以通过改变该混合物中多种单独的反应物气体的量来实现。用于沉积复合AlON子层的一般CVD处理参数被提供在了表VI中。 
表VI-复合AlON子层CVD处理参数 
*M＝第IVB族金属 
**任选的 
氧化铝子层可以从一种气态混合物沉积，该气态混合物具有AlCl3、H2、CO2、HCl以及任选的H2S。用于沉积氧化铝子层的一般CVD处理参数被提供在了表VIII中。 
表VIII-氧化铝子层CVD处理参数 
*任选的 
如在此描述的，复合氧化铝子层可以采用若干个构造。在一些实施例中，复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族的金属元素的一种或多种氧化物。例如，该金属氧化物相可以由氧化锆、氧化铪或者其混合物形成。在一些实施例中，该金属氧化物相可以进一步包括氧化钛。用于沉积复合氧化铝子层的一般CVD处理参数被提供在了表IX中，该复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和金属氧化物相。 
表IX-复合氧化铝子层CVD处理参数 
*M＝第IVB族金属 
**任选的 
复合氧化铝层还可以由掺杂有一种或多种选自周期表第IVB族中的金属元素的氧化铝形成。在一些实施例中，氧化铝掺杂有量值为该复合氧化铝子层的0.01wt.％至5wt.％的钛、锆或其混合物。用于掺杂有多晶钛和/或锆的氧化铝子层的一般CVD沉积参数被提供在了表X中。 
表X-用于掺杂有Ti、Zr的Al2O3子层沉积的CVD参数 
*任选的 
根据所希望的氧化铝掺杂计划可以将ZrCl4和TiCl4添加至该气态混合物中或从中去除。 
在该切削刀具基体的表面上可以直接沉积一个包括多个子层组的耐热层。可替代地，在该涂层的内层上沉积一个耐热层。一个涂覆内层可以具有在上文第I部分中对于一个内层所叙述的任何构造、组成参数和/或特性。一个内层可以包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族的非金属元素构成的组中的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，一个内层是选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，在其上沉积了复合层的一个内层可以是选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧碳氮化钛、氧化钛、氧化锆、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪、 碳氮化铪、和氧化铝以及它们的混合物。 
如在此描述的，多个涂覆内层可以位于该切削刀具基体与耐热层之间。用于不同内层的一般CVD沉积参数被提供在了表XI中。 
表XI-用于内层沉积的CVD参数 
*任选的 
在此所述方法的一些实施例中，在该耐热层上沉积了一个或多个外层。该涂层的外层可以具有在上文第I部分中对于一个外层所叙述的任何构造、组成参数和/或特性。例如，一个外层可以包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的一种或多种金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族的非金属元素构成的组中的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，一个外层是选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼化物。一个外层可以选自下组，该组由以下各项组成：氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧碳氮化钛、氧化钛、氧化锆、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪、碳氮化铪、和氧化铝以及它们的混合物。 
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 
在此描述的一种涂覆的切削刀具是通过将一个烧结碳化钨(WC-Co)切削镶片基体[ANSI标准几何形状HNPJ0905ANSNGD]置于一个Bernex 200CVD反应器中来生产的。该切削镶片包括6wt.％的钴粘结剂与余量的尺寸为1到5μm的WC晶粒。根据表格XII至XIII在该WC-Co切削镶片上沉积一个涂层，该涂层包括一个具有多个子层组的耐热层。确切地说，该耐热层包括四个相邻子层组，每个子层组由一个复合AlON子层和复合氧化铝子层形成。该复合AlON子层具有AlON-ZrO2-TiON结构，并且该复合氧化铝子层具有κ-Al2O3-ZrO2-TiOx结构。这些复合氧化铝子层和复合AlON子层的沉积是以交替方式进行的从而形成该耐热层。 
进一步，将该耐热层沉积在一个TiN-TiCN(MT)-TiOCN-ZrCN-Al2O3内层结构上。图4是本实例的涂层构造的一个示意图。 
表XII-涂层的CVD沉积步骤 
*具有Al2O3、ZrO2、以及TiOx相的混合体的复合氧化铝子层 
**具有AlON、ZrO2、以及TiON相的混合体的复合AlON子层 
表XIII-涂层的CVD沉积步骤 
所得的多层式涂层展示了表XIV中提供的这些特性。 
表XIV-CVD涂层的特性 
单个子层厚度 
图5是所得的涂覆的切削镶片在5000x放大倍数下的截面SEM图像。另外，图6是该耐热层表面在5000x放大倍数下的自顶向下的SEM图像。 
实例2-涂覆的切削刀具 
在此描述的一种涂覆的切削刀具是通过将一个烧结碳化钨(WC-Co)切削镶片基体[ANSI标准几何形状SPHX1205PCERGPB]置于一个Bernex 200CVD反应器中来生产的。该切削镶片包括6wt.％的钴粘结剂与余量的尺寸为1到5μm的 WC晶粒。根据实例1的参数在该切削镶片上沉积一个涂层。所得的多层式涂层展示了与表XIV中提供的这些一致的特性。 
实例3-铣削测试 
根据以下这些参数使实例1的涂覆的切削镶片和多个对比性的切削镶片(1和2)经受铣削试验。这些对比性的涂覆的切削镶片(1和2)包括与实例1相同的烧结WC基体并且具有如下的CVD涂层构造： 
对比例1：TiN-(MT)-TiCN-TiCN-Al2O3-(TiCN/TiN)*(*在后涂覆之后被去除) 
对比例2：TiN-(MT)TiCN-(Al2O3/ZrO2/TiOx)-(AlON/ZrO2/TiON) 
关于该铣削试验，针对实例1、对比例1和对比例2的各个涂覆的镶片测试了两个切削刃。 
铣削参数
工件-4140钢 
导程角-45° 
切削速度–820sfm 
RPM–1171 
给进速率-12.881ipm 
切口轴向深度-0.098英寸 
切口径向深度-1.969英寸 
冷却剂-无 
这些涂覆的镶片的直至寿命终点(EOL)的平均铣削长度(mm)被提供在了表XV中。通过胁侧磨损(VB)>0.3mm和/或由视觉检查确定的切削刃上的微碎裂这些失效模式来记录EOL。 
表XV-铣削试验结果(长度-mm) 
涂覆的切削镶片 切削刃1 切削刃2 平均值
实例1 160 103 131.5
对比例1 54 43 63.5
对比例2 63 91 77
如表XV中所提供的，具有在此描述的结构的实例1的涂覆的切削镶片胜过了对比镶片1和2，展示了在寿命上至少100％的增加。此外，实例1的涂覆的切削镶片展现出了对于热循环所导致的开裂和锛刃的优异抗性。图7提供了实例1的切削镶片(a)和对比镶片1和2(分别为b和c)在铣削测试中经历67次之后的照片。如图7中展示的，实例1的切削镶片相对于对比性切削镶片1和2展现出显著更少的开裂和锛刃。 
实例4-铣削测试 
根据以下这些参数使实例2的涂覆的切削镶片和多个对比性的切削镶片(3和4)经受铣削测试。对比性的涂覆的切削镶片(3和4)包括与实例1相同的烧结WC基体并且具有如下的CVD涂层构造： 
对比例1：TiN-(MT)-TiCN-TiCN-Al2O3-(TiCN/TiN)*(*在后涂覆之后被去除) 
对比例2：TiN-(MT)TiCN-ZrCN-(Al2O3/ZrO2/TiOx)-(AlON/ZrO2/TiON) 
关于该铣削试验，对于实例2、对比例3和对比例4的各个涂覆的镶片测试了两个切削刃。 
铣削参数
工件-灰口铸铁(40级) 
导程角-0°/90° 
切削速度–1312sfm 
RPM–2021 
给进速率-16.168ipm 
切口轴向深度-0.098英寸 
切口径向深度-1.969英寸 
冷却剂-无 
这些涂覆的镶片的直至寿命终点(EOL)的平均铣削长度(mm)被提供在了表XVI中。通过胁侧磨损(VB)>0.3mm和/或由视觉检查确定的切削刃上的微碎裂这些失效模式来记录EOL。 
表XVI-铣削试验结果(长度-mm) 
涂覆的切削镶片 切削刃1 切削刃2 平均值
实例2 77 65 71
对比例3 69 49 59
对比例4 76 63 69.5
如表XVI中所提供的，具有在此描述的结构的实例2的涂覆的切削镶片胜过了对比性镶片3和4，展示了在寿命上至少20％的增加。 
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 (42)

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，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。
2.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧氮化铝子层包括一个氧氮化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。
3.如权利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相包括ZrO2、HfO2、或它们的混合体。
4.如权利要求2所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧氮化铝子层除了该氧氮化铝相和金属氧化物相之外进一步包括一个金属氧氮化物相，该金属氧氮化物相包括至少一种选自周期表的第IVB族的金属元素的氧氮化物。
5.如权利要求4所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧氮化物相是TiON。
6.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。
7.如权利要求6所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相是由氧化锆、氧化铪、或它们的混合体形成的。
8.如权利要求7所述的涂覆的切削刀具，其中，该金属氧化物相进一步包括氧化钛。
9.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝层是由掺杂有一种或多种选自周期表第IVB族中的金属元素的氧化铝形成的。
10.如权利要求9所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧化铝掺杂有量值为该复合氧化铝子层的0.01wt.％至5wt.％的锆、钛或其混合物。
11.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，这些子层组是彼此相邻的。
12.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该耐热层包括至少四个子层组。
13.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一个子层组是由该氧氮化铝子层和复合氧化铝子层形成的。
14.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，至少一个子层组是由该氧氮化铝子层和氧化铝子层形成的。
15.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，第一子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个复合氧化铝子层，并且第二子层组包括一个复合氧氮化铝子层和一个氧化铝子层。
16.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧氮化铝子层、复合氧氮化铝子层、氧化铝子层以及复合氧化铝子层各自具有小于1μm的厚度。
17.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该氧氮化铝子层、复合氧氮化铝子层、氧化铝子层以及复合氧化铝子层各自具有0.1μm至0.8μm的厚度。
18.如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中该耐热层具有5μm至25μm的厚度。
19.如权利要求16所述的涂覆的切削刀具，其中该耐热层具有6μm至15μm的厚度。
20.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中，该复合氧化铝子层或该氧化铝子层具有小于该复合氧氮化铝子层的硬度(HV0.05)。
21.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，进一步包括在该耐热层与该基体之间的一个或多个内层。
22.如权利要求21所述的涂覆的切削刀具，其中，一个内层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族中的一种或多种非金属元素。
23.如权利要求22所述的涂覆的切削刀具，其中，该一个或多个内层是选自下组，该组由以下各项组成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化铝。
24.如权利要求1所述的涂覆的切削刀具，其中该基体是烧结碳化物或金属陶瓷。
25.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热层上方的一个或多个外层，一个外层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族中的一种或多种非金属元素。
26.一种制作涂覆的切削刀具的方法，包括：
提供一个基体；并且
在该基体上通过化学气相沉积而沉积一个涂层，该涂层包括一个耐热层，该耐热层包括多个子层组，一个子层组包括一个氧氮化铝子层或复合氧氮化铝子层以及一个氧化铝子层或复合氧化铝子层。
27.如权利要求26所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层包括一个氧氮化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。
28.如权利要求27所述的方法，其中，该金属氧化物相包括ZrO2、HfO2、或它们的混合体。
29.如权利要求27所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层是从一种气态混合物沉积的，该气态混合物包括一种铝源、氧源、氮源和IVB族金属元素来源。
30.如权利要求29所述的方法，其中，该铝源是AlCl3，并且该IVB族金属元素来源包括一种或多种IVB族金属氯化物。
31.如权利要求27所述的方法，其中，该复合氧氮化铝子层除了该氧氮化铝相和金属氧化物相之外进一步包括一个金属氧氮化物相，该金属氧氮化物相包括至少一种选自周期表的第IVB族的金属元素的氧氮化物。
32.如权利要求31所述的方法，其中，该金属氧氮化物相是TiON。
33.如权利要求26所述的方法，其中，该复合氧化铝子层包括一个氧化铝相和一个金属氧化物相，该金属氧化物相包括周期表第IVB族中的金属元素的一种或多种氧化物。
34.如权利要求33所述的方法，其中，该金属氧化物相包括氧化锆和氧化钛。
35.如权利要求33所述的方法，其中，该复合氧化铝层是从一种气态混合物沉积的，该气态混合物包括一种铝源、氧源和IVB族金属元素来源。
36.如权利要求35所述的方法，其中，该铝源是AlCl3，并且该IVB族金属元素来源包括一种或多种IVB族金属氯化物。
37.如权利要求26所述的方法，其中，该耐热层包括至少四个子层组。
38.如权利要求37所述的方法，其中，这些子层组是彼此相邻的。
39.如权利要求26所述的方法，其中，第一子层组包括一个复合氧氮化铝子层以及一个复合氧化铝子层，并且第二子层组包括一个复合氧氮化铝子层和一个氧化铝子层。
40.如权利要求26所述的方法，其中，在该耐热层沉积之前在该基体上沉积该涂层的一个或多个内层。
41.如权利要求40所述的方法，其中，一个内层包括选自铝和周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族的金属元素构成的组中的一种或多种金属元素以及选自周期表的第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族中的一种或多种非金属元素。
42.如权利要求41所述的方法，其中，该一个或多个内层是选自下组，该组由以下各项组成：TiN、TiCN、TiOCN、ZrCN以及氧化铝。
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