低应力硬质涂层及其施用制造技术

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M1-xAlxN，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。

【技术实现步骤摘要】
低应力硬质涂层及其施用
本专利技术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。
技术介绍
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°C下开始氧化而形成金红 石型Ti02，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（hep) 氮化铝（A1N)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hep 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。
技术实现思路
-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MhAlJ，其中x彡0. 4并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5ym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MhAlxN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MhAlxN，其中 x彡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MhAlxN，其中x> 0. 4 并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5ym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MhAlxN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MhAlxN 耐火层，其中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MhAlxN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〇至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MhAlxN，其 中x彡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MhAlxN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MhAlxN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〇至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。）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专利技术原理的展示。在不脱离本专利技术的精神和范 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 -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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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M1‑xAlxN，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。

【技术特征摘要】
2013.08.16 US 13/969,330;2014.04.09 US 14/248,9221. 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MhAlxN，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 (Lc)。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。。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8 ii m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A1203。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. -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MhAlJ，其中x彡0. 55并且M是钛、铬或锆，该耐火层具有大于5 y m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. OGPa。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·库玛，R·M·佩尼西，P·李希特，刘一雄，
申请(专利权)人：钴碳化钨硬质合金公司，
类型：发明
国别省市：美国;US