CN104968832B - 用于切削工具的绿色耐火涂层 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，本文描述了带涂层切削工具。本文所述的带涂层切削工具包括基底和粘附于所述基底的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相、硫氮化锆相以及除所述氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。

Description

用于切削工具的绿色耐火涂层
相关专利申请资料
本专利申请特此根据35U.S.C.§120要求提交于2013年1月25日的美国专利申请No.13/750,252的优先权，该专利据此全文以引用方式并入。
技术领域
本发明涉及用于切削工具的耐火涂层，并且具体地讲，涉及通过化学气相沉积法(CVD)沉积的呈绿色的涂层。
背景技术
切削工具(包括陶瓷切削工具)已用于带涂层和不带涂层条件两者以便加工各种金属和合金。为了提高切削工具耐磨性、性能和寿命，已将一层或多层耐火材料施加于切削工具表面。已通过CVD并通过物理气相沉积法(PVD)将例如TiC、TiCN、TiN和/或Al2O3施加于陶瓷基底。虽然在多种应用中能有效抑制磨损并延长工具寿命，但基于上述耐火材料的单层或多层构造的耐火涂层已日益达到其性能极限，从而要求开发用于切削工具的新涂层结构。
发明内容
在一个方面，描述了其上粘附有涂层的切削工具，所述涂层在一些实施例中可展示出所需的耐磨性和延长的切削寿命。本文所述的带涂层切削工具包括基底和粘附于基底的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。在一些实施例中，金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。另外，复合层还可包含硫氮化锆相。
在可供选择的实施例中，通过化学气相沉积法所沉积的复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。涂层的复合层在一些实施例中还包含除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。此外，金属氧化物相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。
本文所述的复合层在一些实施例中展现出在490nm至580nm波长范围内的颜色。此外，粘附于基底的涂层可具有至少60N的临界负载(Lc)。
本文还描述了制备带涂层切削工具的方法。制备带涂层切削工具的方法包括提供基底以及通过化学气相沉积法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。如本文所述，沉积复合层还可包含硫氮化锆相。另外，沉积复合层的金属氧化物相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。
复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源和锆源的气体混合物沉积。如本文进一步所述，气体沉积混合物还可包含硫源。
在另一个方面，制备带涂层切削工具的方法包括提供基底以及通过化学气相沉积法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源、锆源和硫源的气体混合物沉积。
这些和其他实施例在下文的具体实施方式中进一步描述。
附图说明
图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层切削工具的基底。
图2为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的剖面光学图像。
图3为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的XRD光谱。
图4为根据本文所述的一个实施例的带涂层切削刀片的复合层的形貌和抛光表面扫描电镜(SEM)图像。
具体实施方式
通过参考以下具体实施方式和实例以及它们以前和下面的描述可以更容易地理解本文所述的实施例。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于具体实施方式和实例中所述的具体实施例。应当认识到，这些实施例只是示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
I.带涂层切削工具
在一个方面，描述了其上粘附有涂层的切削工具，所述涂层在一些实施例中可展示出所需的耐磨性和延长的切削寿命。本文所述的带涂层切削工具包括基底和粘附于基底的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。在一些实施例中，金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。另外，复合层还可包含硫氮化锆相。有趣的是，本文所述的复合层可展现出490nm至580nm波长范围内的颜色。
现在转向特定部件，本文所述的带涂层切削工具包括基底。带涂层切削工具的基底可以包含不违背本发明目的的任何材料。在一些实施例中，基底包含陶瓷、碳化物、陶瓷、金属陶瓷或钢。
陶瓷基底在一些实施例中包含碳化钨(WC)。WC可以至少约70重量％的量存在于基底中。在一些实施例中，WC以至少约80重量％的量或以至少约85重量％的量存在于基底中。另外，陶瓷基底的金属粘结剂可包含钴或钴合金。钴例如可以约3重量％至约15重量％范围内的量存在于陶瓷基底中。在一些实施例中，钴以约5重量％至约12重量％或者约6重量％至约10重量％范围内的量存在于陶瓷基底中。此外，陶瓷基底可显示具有开始于基底表面处并从基底表面向内延伸的粘结剂富集区。
陶瓷基底还可包含一种或多种添加剂，例如，下列元素和/或其化合物中的一者或多者：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪在基底中形成含WC的固溶体碳化物。基底在一些实施例中包含约0.1重量％至约5重量％范围内的量的一种或多种固溶体碳化物。另外，陶瓷基底可包含氮。
在一些实施例中，本文所述的带涂层切削工具的基底包括在基底的前刀面与后刀面的接合点处形成的一个或多个切削刃。图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层切削工具的基底。如图1所示，基底(10)具有在基底前刀面(14)与后刀面(16)的接合点处形成的切削刃(12)。基底还包括可用于将基底(10)固定到刀架上的孔隙(18)。
在一些实施例中，带涂层切削工具的基底是刀片、钻头、端铣刀、锯片或其他切削设备。
如本文所述，粘附于基底的涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝(AlON)相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。AlON相可以不违背本发明目的的任何量存在于复合层中。AlON相例如可以是复合层的主相，用作本文进一步讨论的金属氧化物和金属氧氮化物相的基体。在一些实施例中，AlON相以选自表I的量存在于复合层中。
表I-复合层的AlON相(体积％)
AlON相(体积％)
≥50
≥60
≥70
≥80
85-99
90-99
本文所述的AlON相的铝、氮和氧含量可以根据所选的CVD参数而变化。AlON相的铝例如可在20至50原子％的范围内。在一些实施例中，AlON相的铝在25至40原子％或者32至38原子％的范围内。AlON相的氮可在40至70原子％的范围内。在一些实施例中，AlON相的氮在55至70原子％或者63至67原子％的范围内。此外，AlON相的氧可在1至20原子％的范围内。在一些实施例中，AlON相的氧在2至15原子％或者4至6原子％的范围内。
AlON相可以是多晶形。例如，AlON相可显示出六方晶体结构、立方晶体结构或六方晶体结构与立方晶体结构的混合物。或者，AlON相是无定形的。此外，AlON相可显示出晶体结构和无定形结构的混合物，其中所述晶体结构是六方的、立方的或它们的组合。Al ON相在一些实施例中展示出晶粒尺寸在10nm至2μm范围内的细晶粒结构。
如本文所述，复合层还包含包括氧化锆在内的金属氧化物相。在一些实施例中，金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。例如，当金属元素为铝时，除氧化锆之外，金属氧化物相还可包括Al2O3和/或AlZrO。金属氧化物相可以是复合层的次相，其被包含或设置在AlON基体中。在一些实施例中，金属氧化物相以选自表II的量存在于复合层中。
表II-复合层的金属氧化物相(体积％)
金属氧化物相(体积％)
1-15
2-12
3-10
金属氧化物相可以是晶体。例如，金属氧化物相可显示出立方晶体结构、单斜晶体结构、四方晶体结构、六方晶体结构或它们的混合物。金属氧化物相在一些实施例中展示出晶粒尺寸在10nm至2μm范围内的细晶粒结构。金属氧化物相的晶粒在一些实施例中具有球形或椭圆形几何形状。
除AlON相之外，本文所述涂层的复合层还包含金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧化锆。在一些实施例中，除氧氮化锆之外，金属氧氮化物相还包括选自元素周期表的IVB、VB或VIB族的金属元素的氧氮化物。例如，除氧氮化锆之外还可存在氧氮化钛。金属氧氮化物相在一些实施例中是复合层的次相，其被包含或分散于AlON相中。在一些实施例中，例如，金属氧氮化物相以选自表III的量存在于复合层中。
表III-复合层的金属氧氮化物相(体积％)
金属氧氮化物相(体积％)
0-10
0.5-10
1-9
2-8
如本文所述，复合层还可包含硫氮化锆相。硫氮化锆可以是复合层的次相，其被包含或设置在AlON基体相中。在一些实施例中，例如，硫氮化锆相以选自表IV的量存在于复合层中。
表IV-复合层的硫氮化锆相(体积％)
硫氮化锆相(体积％)
0-20
0.5-20
1-15
2-10
0.1-5
金属氧化物相、金属氧氮化物相和/或硫氮化锆相可基本上均匀分布于整个AlON基体相中。或者，金属氧化物相、金属氧氮化物相和/或硫氮化锆相可多相分布于AlON基体中，从而产生复合层中的这些相中一者或多者的梯度。此外，金属氧化物相、金属氧氮化物相和/或硫氮化锆相可以不同深度引入复合层中。CVD沉积参数的仔细控制可用于控制复合层中各相的空间分布。
可使用辉光放电发射光谱法(GDOES)和能量色散X-射线光谱法(EDX/EDS)测定本文所述复合层的AlON相、金属氧化物相、金属氧氮化物相和硫氮化锆相的体积百分比。在一个实施例中，例如，使用具有1.0mm光斑直径的GDA750辉光放电光谱仪(德国霍夫光谱分析有限公司(Spectrum Analytic Ltd.of Hof,Germany))，通过GDOES来分析本文所述的涂层复合层的组成。可以从涂层的顶部到基底侧面的0.5μm梯级来实施溅镀材料移除以用于分析。此外，使用配有LINK ISIS(牛津公司(Oxford Ltd.))的分析系统的扫描电镜设备LEO430i(德国上科亨的LEO公司(LEO Ltd.of Oberkochen,Germany))，通过EDS来进行本文所述的涂层复合层的另外分析。
对于本文所述的带涂层切削工具的相分析/表征，可将具有布拉格-布伦塔诺(Bragg-Brentano)掠入射系统的衍射仪D5000型(西门子公司(Siemens))和具有Ni滤光片(λ，0.01578纳米)的X-射线Cu Kα与40KV和40MA的操作参数一起使用。
在可供选择的实施例中，通过化学气相沉积法所沉积的复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。如本文所述，涂层的复合层在一些实施例中还包含除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。此外，金属氧化物相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。例如，当金属元素为铝时，除氧化锆之外，金属氧化物相还可包括Al2O3和/或AlZrO。
本文所述涂层的复合层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。在一些实施例中，复合层具有选自表V的厚度。
表V-复合层厚度(μm)
复合层厚度(μm)
0.5-15
1-12
1.5-10
3-7
此外，本文所述涂层的复合层在一些实施例中可显示具有490nm至580nm波长范围内的颜色。复合层的绿色可扩展到复合层的整个厚度。在其中复合层为最外层的实施例中，向带涂层切削工具提供区别性的绿色。复合层也可在复合层的表面上显示出针形或针状晶粒。针形晶粒可包含金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物或它们的组合中的一者或多者，其中所述金属选自元素周期表的IVB或VB族。这些针形结构可经受本文进一步所述的后涂布处理以提供平滑且均匀的表面。图4为复合层的形貌和抛光表面SEM图像，示出了针形或针状表面晶粒。
复合层可直接沉积于切削工具基底表面上。或者，本文所述的涂层还可包括在复合层与基底之间的一个或多个内层。一个或多个内层在一些实施例中包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，在基底与复合层之间的一个或多个内层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素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，一个或多个内层可选自氮化钛、碳氮化钛、碳化钛、氧化钛、氧碳氮化钛、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。
本文所述涂层的内层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。涂层的内层可具有0.5μm至12μm范围内的厚度。在一些实施例中，根据内层在涂层中的位置来选择内层的厚度。作为涂层的初始层直接沉积在基底表面上的内层例如可具有0.5至2.5μm范围内的厚度。沉积在初始层上的内层，诸如TiCN层，可具有2μm至12μm范围内的厚度。此外，其上沉积有本文所述复合层的内层，诸如包含氧化铝的层，可具有1至6μm范围内的厚度。
在一些实施例中，本文所述的复合层是涂层的最外层。或者，本文所述的涂层可包括复合层上方的一个或多个外层。一个或多个外层在一些实施例中包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，复合层上方的一个或多个外层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素的氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，一个或多个外层可选自氮化钛、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。
本文所述涂层的外层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。涂层的外层在一些实施例中可具有0.5μm至5μm范围内的厚度。
另外，在一些实施例中，本文所述的涂层可包括一个或多个粘结层。粘结层可展示出本文所述涂层中的各种位置。在一些实施例中，粘结层设置在涂层的两个内层之间，诸如在氮化钛或碳氮化钛内层与包含氧化铝的内层之间。粘结层也可设置在本文所述的内层与复合层之间。此外，粘结层可设置在涂层的复合层与外层之间。在一些实施例中，粘结层用于增强涂层的各层之间的粘附力和/或使沉积在粘结层上的所需形态的涂层成核。粘结层在一些实施例中由式M(OxCyNz)表示，其中M是选自元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的金属，并且x≥0，y≥0且z≥0，其中x+y+z＝1。例如，在一个实施例中，在TiCN的内层与包含氧化铝的内层之间采用TiC的粘结层。
式M(OxCyNz)的粘结层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。在一些实施例中，M(OxCyNz)层具有约0.5μm的厚度。此外，M(OxCyNz)层可具有0.1μm至5μm范围内的厚度。
粘附于基底的涂层可具有本文所述的复合层、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，本文所述的涂层具有选自表VI的结构。
表VI-涂层结构
*MT＝中温CVD
在其中本文所述的涂层在内层和/或外层中包含氧化铝的一些实施例中，氧化铝可以是α-氧化铝、κ-氧化铝或α和κ-氧化铝的混合物。
另外，包括本文所述复合层的涂层可展示出至少60N的临界负载(Lc)。根据ASTMC1624-05-Standard Test for Adhesion Strength by Quantitative Single PointScratch Testing(用定量单点划痕测试测定粘附强度的标准测试法)测定本文所述涂层的Lc值，其中使用10N的递增负载。在一些实施例中，本文所述的涂层可展示出选自表VII的Lc。
表VII-CVD涂层的Lc值(N)
≥70
≥80
≥90
60-90
70-80
此外，本文所述的涂层在沉积态下可展示出低残余拉伸应力或低至中等残余压缩应力。后涂布喷射和/或抛光在一些实施例中可增大涂层的残余压缩应力。后涂布喷射可以任何所需的方式实施。在一些实施例中，后涂布喷射包括喷丸处理或压力喷射。压力喷射可以多种形式实施，包括压缩空气喷射、湿压缩空气喷射、加压液体喷射、湿喷射、加压液体喷射和蒸汽喷射。
在一个实施例中，例如，可通过用氧化铝和/或烧结碳化物颗粒对涂层进行干喷射来实施本文所述涂层的后涂布处理。或者，可使用5体积％至35体积％的浓度的氧化铝和/或烧结碳化物颗粒在水中的浆液对涂层进行湿喷射。本文所述后涂布喷射技术的氧化铝和/或烧结碳化物颗粒可具有60μm至120μm的尺寸分布。另外，喷射压力可在2巴至3巴的范围内持续1至15秒的时间段，其中喷射嘴离正被喷射的涂层表面2至8英寸。
此外，氧化铝和/或烧结碳化物颗粒的冲击角度可被选择为在45度至90度的范围内。
也可根据美国专利6,869,334的公开内容在本文所述的带涂层切削工具上实施后涂布喷射，所述专利全文以引用方式并入本文。
此外，可用适当金刚石或烧结碳化物磨粒尺寸的糊剂实施抛光。糊剂的磨粒尺寸在一些实施例中在1μm至10μm的范围内。在一个实施例中，使用5-10μm金刚石磨粒糊剂对涂层抛光。此外，可通过不违背本发明目的的任何设备诸如刷子，将磨粒糊剂施加到CVD涂层。在一个实施例中，例如，使用扁平刷将磨粒糊剂施加到CVD涂层。本文所述的抛光涂层在一些实施例中具有小于1μm的表面粗糙度(Ra)。在一些实施例中，抛光涂层具有选自表VIII的表面粗糙度。
表Vlll-抛光涂层表面粗糙度(Ra)
抛光涂层表面粗糙度(Ra)-nm
≤750
≤500
<200
100-800
50-500
25-150
可使用可从纽约普莱恩维尤的维易科仪器公司(Veeco Instruments,Inc.ofPlainview,New York)商购获得的NT系列光学轮廓仪，通过光学轮廓术来测定涂层表面粗糙度。本文所述的涂层可展示出符合抛光的表面形态和结构，诸如条纹和/或依方向而定的抛光线。
II.制备带涂层切削工具的方法
在另一个方面，本文描述了制备带涂层切削工具的方法。制备带涂层切削工具的方法包括提供基底以及通过化学气相沉积法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆。如本文所述，沉积复合层还可包含硫氮化锆相。另外，沉积复合层的金属氧化物相还可包含选自铝、铪和钛的金属元素。当存在时，金属元素可形成另外的金属氧化物和/或与锆形成混合氧化物。例如，当金属元素为铝时，除氧化锆之外，金属氧化物相还可包括Al2O3和/或AlZrO。
复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源和锆源的气体混合物沉积。气体沉积混合物还可包含硫源。
现在转向特定步骤，本文所述的方法包括提供基底。基底可包括上文第I部分中列举的任何基底。在一些实施例中，例如，基底是陶瓷，诸如本文第I部分中所述的烧结碳化钨。此外，根据本文所述的方法沉积的复合层可具有本文第I部分中针对复合层所述的任何构造、组成参数和/或特性，包括选自本文表VI的构造。在一些实施例中，例如，复合层包含其中分散有金属氧化物、金属氧氮化物和硫化锆相的AlON基体相。
在本文所述的一种方法中，复合层可从包含铝源、氧源、氮源、锆源和硫源的气体混合物沉积。在一些实施例中，例如，铝源包括AlCl3，氧源包括CO2，氮源包括NH3，锆源包括ZrC14并且硫源包括H2S。如本文表I-IV中所示的复合层的各相的组成百分比可通过混合物中单独反应气体的不同量来实现。另外，如上文第I部分中所示的AlON相的铝、氮和氧的组成百分比可通过混合物中单独反应气体的不同量来实现。用于沉积本文所述涂层的复合层的一般CVD工艺参数提供于表IX中。
表IX-复合层一般CVD工艺参数
在另一个方面，制备带涂层切削工具的方法包括提供基底以及通过化学气相沉积法在基底上沉积涂层的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。复合层在一些实施例中从包含铝源、氧源、氮源、锆源和硫源的气体混合物沉积。此外，沉积复合层可具有本文第I部分中针对复合层所述的任何结构和/或特性。
复合层在一些实施例中直接沉积在基底的表面上。或者，复合层沉积在涂层的内层上。涂层的内层可具有上文第I部分中针对内层列举的任何构造、组成参数和/或特性。内层例如可包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的一种或多种金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，内层是选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物。其上沉积有复合层的内层例如可选自氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、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。
与复合层一样，本文所述涂层的一个或多个内层可通过CVD来沉积。在一些实施例中，涂层的内层，诸如TiCN层，通过中温(MT)CVD来沉积。各内层的一般CVD沉积参数提供于表X中。
表X-内层沉积的一般CVD参数
内层组成 气体混合物 温度(℃) 压力(毫巴) 持续时间(分钟)
TiN H2、N2、TiCl4 900-930 50-200 20-60
TiCN(MT) H2、N2、TiCl4、CH3CN 750-900 50-100 300-500
TiCN(HT) H2、N2、TiC14、CH4 900-1050 30-500 10-100
TiOCN H2、N2、TiCl4、CH4、CO 900-1050 60-500 30-100
Al2O3 H2、N2CO2、HCl、CO、AlCl3 900-1050 50-100 50-250
此外，本文所述的方法还可包括在复合层上方沉积一个或多个外层。本文所述涂层的一个或多个外层在一些实施例中通过CVD来沉积。涂层的外层可具有上文第I部分中针对外层列举的任何构造、组成参数和/或特性。外层可包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。在一些实施例中，复合层上方的一个或多个外层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素的氮化物、碳氮化物、氧碳氮化物、氧化物或硼化物。例如，一个或多个外层选自氮化钛、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。
另外，制备本文所述带涂层切削工具的方法还可包括对沉积涂层进行后涂布喷射和/或抛光。可以任何所需的方式实施后涂布喷射，包括干喷射和湿喷射技术。在一些实施例中，以上文第I部分中所述的方式实施后涂布喷射。后涂布喷射可将涂层的中等拉伸应力改变为中等压缩应力或者增大沉积态涂层中的压缩应力。也可以任何所需的方式实施抛光，包括本文第I部分中所述的抛光技术。
在以下非限制性实例中对这些和其他实施例进行进一步说明。
实例1-带涂层切削工具主体
通过将烧结碳化钨(WC-Co)切削刀片基底[ANSI标准几何形状CNMG432RN]放入轴流热壁CVD反应器中，来制备本文所述的带涂层切削工具。切削刀片包含约6重量％钴粘结剂，余量为1至5μm尺寸的WC晶粒。根据提供于表XI和XII中的CVD工艺参数，将具有提供于表XIII中的结构的涂层沉积在烧结WC刀片上。
表XI-涂层的CVD沉积
*复合层
表XII-涂层的CVD沉积
*复合层
包括AlON/Al2O3/ZrO2/ZrON/Zr2SN复合层的所得多层涂层展示出提供于表XIII中的结构。图3为带涂层切削刀片的XRD光谱。
表XIII-CVD涂层的特性
涂层 厚度(μm)
TiN 0.6
MT-TiCN 9.0
TiCN 1.3
Al2O3 2.2
AlON/Al2O3/ZrO2/ZrON/Zr2SN 4.0
图2为该实例的带涂层切削刀片的剖面显微照片，展示出涂层结构的各层。该涂层展示出根据ASTM C1624-05-Standard Test for Adhesion Strength by QuantitativeSingle Point Scratch Testing(用定量单点划痕测试测定粘附强度的标准测试法)得出的大于70N的Lc，其中使用10N的递增负载。
实例2-连续车削测试
对于连续车削测试，带涂层切削刀片A和B根据实例1所述的工序生产，并且展示出实例1的涂层结构。此外，带涂层切削刀片A经受用氧化铝颗粒浆液进行湿喷射的后涂布处理，并且带涂层切削刀片B经受用5-10μm金刚石磨粒糊剂进行抛光的后涂布处理。以使刀片的全部表面平滑这样的方式喷射刀片A。该方法还可用于从前刀面和后刀面完全移除牺牲顶层。在远离刃的磨刃半径的长度的大约两倍的长度上沿着后刀面和前刀面对刃进行抛光这样的方式，对刀片B抛光30秒。
对于使用带涂层切削刀片A和B的连续车削测试，还提供了对比切削刀片C。对比切削刀片C采用与切削刀片A和B相同的WC基底，并且包括具有表XIV中所示的参数的CVD涂层。TiN为与对比切削刀片C的WC基底相邻的涂层。
表XIV-对比刀片C的CVD涂层
涂层 厚度(μm)
TiN 0.5
MT-TiCN 8.2
TiCN/TiOCN 1.1
Al2O3 6.8
TiCN/TiN 1.5
对于连续车削测试，测试了A、B和对比物C的每个带涂层刀片的两个切削刃。带涂层刀片A、B和对比物C经受如下的连续车削测试：
工件-1045钢
速度-1000sfm(304.8m/min)
进料速率-0.012ipr(0.3048mm/min)
切削深度-0.08英寸(0.08mm)
导程角：-5°
冷却剂-射流
通过如下的一个或多个失效模式来记录寿命终止：
0.012英寸的均匀磨损(UW)
0.012英寸的最大磨损(MW)
0.012英寸的刀鼻磨损(NW)
0.012英寸的切深处缺口磨损(DOCN)
0.012英寸的后缘磨损(TW)
0.004英寸的月牙洼磨损(CW)
连续车削测试的结果提供于表XV中。
表XV-连续车削测试结果
切削刀片 重复1寿命(分钟) 重复2寿命(分钟) 平均切削寿命(分钟)
A 13.0 12.7 12.9
B 14.7 14.5 14.6
C 9.9 10.4 10.2
如表XV中所提供，具有本文所述结构的带涂层切削刀片A和B相对于对比刀片C而言展示出更优异的切削寿命。带涂层切削刀片A相对于对比刀片C而言显示出127％寿命，并且带涂层切削刀片B相对于对比刀片C而言显示出144％寿命。
实例3-断续车削测试
对于断续车削测试，带涂层刀片A和B根据实例1所述的工序生产，并且通过实例2所述的后涂布处理来制备。对比切削刀片C还与刀片A和B一起提供。
对比刀片C采用与刀片A和B相同的WC基底，并且包括实例2中的表XIV的CVD涂层。对于断续车削测试，测试了A、B和对比物C的每个带涂层刀片的两个切削刃。带涂层刀片A、B和对比物C经受如下的断续车削测试：
工件-4140钢
工件形状-圆形，且具有平行于钢筋长度的41英寸狭槽
速度-500sfm(152m/min)
进料速率-0.012ipr(0.3048mm/min)
切削深度–0.1英寸(0.1mm)
导程角：-5°
冷却剂-射流
通过如下的一个或多个失效模式来记录寿命终止：
0.012英寸的均匀磨损(UW)
0.012英寸的最大磨损(MW)
0.012英寸的刀鼻磨损(NW)
0.012英寸的切深处缺口磨损(DOCN)
0.012英寸的后缘磨损(TW)
0.004英寸的月牙洼磨损(CW)
连续车削测试的结果提供于表XVI中。
表XVI-连续车削测试结果
切削刀片 重复1寿命(分钟)
A 8.3
B 6.2
C 6.3
如表XVI中所展示，带涂层刀片A相对于对比刀片C而言具有更长的刀具寿命并且对切屑和剥落具有更高的抗性。对比刀片C遭受严重失效，切削刃破损。与此同时，切削刀片A保持完整，切削刃上有连续涂层。
已就本发明各个目的的实现描述了本发明的各个实施例。应当认识到，这些实施例只是示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的情况下，其多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (34)

1.一种带涂层切削工具，包括：
基底；和
粘附于所述基底的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及除所述氧氮化铝相之外的金属氧氮化物相，所述金属氧氮化物相包括氧氮化锆，其中所述复合层还包含硫氮化锆相。
2.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述氧氮化铝相包括六方晶体结构、立方晶体结构或无定形晶体结构或它们的混合物。
3.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述氧氮化铝相包含20原子％至50原子％的量的铝、40原子％至70原子％的量的氮以及1原子％至20原子％的量的氧。
4.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述氧化锆分散于所述氧氮化铝相中。
5.根据权利要求4所述的带涂层切削工具，其中所述氧氮化锆分散于所述氧氮化铝相中。
6.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。
7.根据权利要求6所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素形成除所述氧化锆之外的金属氧化物。
8.根据权利要求7所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素为铝并且所述金属氧化物为Al2O3。
9.根据权利要求6所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素与锆形成混合氧化物。
10.根据权利要求9所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素为铝并且所述混合氧化物为AlZrO。
11.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述金属氧氮化物相还包含选自元素周期表的IVB、VB或VIB族的金属元素的氧氮化物。
12.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中粘附于所述基底的所述涂层具有至少60N的临界负载(Lc)。
13.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述复合层呈波长在490nm至580nm范围内的颜色。
14.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述涂层还包括在所述复合层与所述基底之间的一个或多个内层。
15.根据权利要求14所述的带涂层切削工具，其中所述一个或多个内层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。
16.根据权利要求14所述的带涂层切削工具，其中所述一个或多个内层包含选自由铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素组成的组中的金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物。
17.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述涂层还包括在所述复合层上方的一个或多个外层。
18.根据权利要求17所述的带涂层切削工具，其中所述一个或多个外层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。
19.根据权利要求1所述的带涂层切削工具，其中所述基底为基于Si3N4、Al2O3或ZrO2或它们的混合物的陶瓷、金属陶瓷或烧结碳化物。
20.一种带涂层切削工具，包括：
基底；和
粘附于所述基底的涂层，所述涂层包括通过化学气相沉积法所沉积的至少一个复合层，所述复合层包含氧氮化铝相、包括氧化锆在内的金属氧化物相以及硫氮化锆相。
21.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述氧氮化铝相包括六方晶体结构、立方晶体结构或无定形晶体结构或它们的混合物。
22.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述氧氮化铝相包含20原子％至50原子％的量的铝、40原子％至70原子％的量的氮以及1原子％至20原子％的量的氧。
23.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述硫氮化锆相分散于所述氧氮化铝相中。
24.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述金属氧化物相还包含选自铝、铪和钛的金属元素。
25.根据权利要求24所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素形成除所述氧化锆之外的金属氧化物。
26.根据权利要求25所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素为铝并且所述金属氧化物为Al2O3。
27.根据权利要求24所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素与锆形成混合氧化物。
28.根据权利要求27所述的带涂层切削工具，其中所述金属元素为铝并且所述混合氧化物为AlZrO。
29.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中粘附于所述基底的所述涂层具有至少60N的临界负载(Lc)。
30.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述复合层呈波长在490nm至580nm范围内的颜色。
31.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述涂层还包括在所述复合层与所述基底之间的一个或多个内层。
32.根据权利要求31所述的带涂层切削工具，其中所述一个或多个内层包含选自铝及元素周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素的一种或多种金属元素以及选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族的非金属元素的一种或多种非金属元素。
33.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述涂层还包括在所述复合层上方的一个或多个外层。
34.根据权利要求20所述的带涂层切削工具，其中所述基底为基于Si3N4、Al2O3或ZrO2或它们的混合物的陶瓷、金属陶瓷或烧结碳化物。
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