具有金屬基氮化物層的刀體和涂布該刀體的方法
【專利摘要】本發明涉及一種刀體用硬質且耐磨的涂層，所述涂層包含至少一個具有改進的高溫性能的金屬基氮化物層，其中所述層是(Zr1-x-zSixMez)Ny，其中0<x<0.30，0.90<y<1.20，0≤z<0.25，和Me是元素Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Al中的一種或多種，所述層包含單一立方相或單一六方相或其混合物，優選具有氯化鈉結構的立方相，厚度在0.5μm和15μm之間。使用陰極電弧蒸發以沉積所述層并且所述層用于產生高溫的金屬切削應用。
【專利說明】具有金屬基氮化物層的刀體和涂布該刀體的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及刀體用硬質且耐磨的涂層，所述涂層包含至少一種Zr基氮化物層。本 發明還涉及一種涂布所述刀體的方法和其用途。
【背景技術】
[0002] 已將TiN廣泛用作切削工具上的硬質層。然而，由于其高溫耐氧化性相對差， 因此已經將焦點轉向較復雜的三元和四元化合物,例如具有改進的高溫性能的Ti-Al-N、 Ti-Al-Si-N和Ti-Cr-Al-N。例如，已經報道Ti-Al-Si-N為超硬的，HMOGPa，這可根據由 NaCl型晶相與X射線無定形Si3N4或SiNx組合而組成的二相結構來解釋。
[0003] EP0588350公開了使用蒸發技術沉積在刀體上的Ti-Si-N復合材料的硬質層，得 到組成為TiaSi b的層，其中a在75原子％和85原子％之間并且b在15原子％和25原子％ 之間。
[0004] JP2004-338058公開了包含Ti、Si和Y的復合（compound)氮化物層的硬質涂 層。所述層具有由梯度層組成的層狀結構，其中各層具有最大的Si含量和最小的Si含量。 JP2004-338008 和 JP2004-322279 公開了分別包含復合（Ti, Si, Cr)N 層和（Ti, Si, Zr)N 的 類似硬質涂層。
[0005] CN101338411公開了通過在混合的氦氣和氮氣放電（discharge)中在基材上共溉 射純Zr和純Si靶材至2至3 μ m的總厚度而生長的Zr-Si-N層。
[0006] EP1736565公開了如下的切削工具刀片、整體立銑刀（solid end mill)或鉆具，其 包括刀體（body)和由一層或多層難熔化合物構成的涂層，其中至少一層包含立方（Me, Si) X相，其中Me是元素 Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和A1中的一種或多種，并且X是元素 N、 C、0或B中的一種或多種。
[0007] W02005100635A1 公開了 AlxSiyMezN 涂層，(λ 001 彡 z 彡 0· 08,其中 Me 是金屬摻雜 元素，例如Zr。
[0008] 當今工業在不斷地尋求進行經濟且高產量/給進（feed-through)制造的解決方 案。為了滿足這些要求，需要具有先進性能的新材料以在操作期間改進工具壽命。在金屬 切削工具行業，大部分這種工作集中于通過設計應用中使用的涂層材料的性質而改進切削 工具的磨損特性。通常，高產量/給進切削工藝使得工具溫度急劇提高并因此使具有高溫 耐磨性的涂層材料成為必要。
[0009] 發明目的
[0010] 本發明的一個目的在于提供具有改進的高溫性能的涂層材料。
[0011] 本發明的另一目的在于提供一種制造所述涂層材料的方法。
【發明內容】
[0012] 根據本發明的第一方面，通過刀體用硬質且耐磨的涂層實現所述目的，所述 涂層包括至少一個金屬基氮化物層，其中所述層是（Z ri_x_zSixMez) Ny，其中0〈x〈0. 30， 0· 90〈y〈l. 20,0彡ζ〈0· 25,和Me是元素￥、11、恥、了3、〇、]?0、1和41中的一種或多種，所述 層包含單一立方相或單一六方相或其混合物，優選地氯化鈉結構的立方相，和所述層的厚 度在0.5μπι和15μπι之間。從而實現了具有高溫耐磨性的硬質且耐磨的涂層。所述涂層 改進的高溫性質例如被觀察為在通過排屑進行金屬加工時改進的凹坑（crater)耐磨性， 從而產生高溫性能。
[0013] 根據本發明的一個實施方式，0〈χ〈0· 15、優選地0〈χ〈0· 085。
[0014] 根據本發明的一個實施方式，0〈ζ〈0. 15、優選地0〈ζ〈0. 10。通過添加少量如下元素 Me中的一種或多種而實現優異的耐高溫性：￥、11、恥、了&、0、1〇、1和/或八1。
[0015] 根據本發明的一個實施方式，]^是元素了&、11、他、(>和41中的一種或多種。
[0016] 根據本發明的一個實施方式，TC(200)>1.5,并且同時TC(lll)、TC(220)和 TC(311)都應〈1.5,其中
[0017] 如下從XRD數據確定TC(hkl):
[0018]
【權利要求】
1. 一種刀體用硬質且耐磨的涂層，所述涂層包含至少一個金屬基氮化物層，其特征在 于所述層是（Z ri_x_zSixMez)N y，其中 0〈χ〈0· 30,0· 90〈y〈l. 20,0 彡 ζ〈0· 25,和 Me 是元素 Y、Ti、 Nb、Ta、Cr、Mo、W和A1中的一種或多種，和所述層包含單一立方相或單一六方相或其混合 物、優選地氯化鈉結構的立方相，和所述層的厚度在0. 5 μ m和15 μ m之間。
2. 根據權利要求1所述的硬質且耐磨的涂層，其中0〈x〈0. 15。
3. 根據權利要求2所述的硬質且耐磨的涂層，其中0〈x〈0. 085。
4. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中0〈z〈0. 15。
5. 根據權利要求4所述的硬質且耐磨的涂層，其中0〈z〈0. 10。
6. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中Me為元素 Ta、Ti、Nb、 Cr和A1中的一種或多種。
7. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中TC(200)>1. 5,并且 同時 TC(111)、TC(220)和 TC(311)都應〈1.5,其中 如下從XRD數據確定TC(hkl):
I? (hkl)是（hkl)反射的測量強度，和1。扯1)是根據035-0753號JCPDS卡的標準 強度，和η = 4是計算中使用的（hkl)反射的數目。
8. 根據權利要求7所述的硬質且耐磨的涂層，其中TC (200) >2. 0。
9. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中所述至少一個金屬基 氮化物層的厚度在0. 5 μ m和10 μ m之間。
10. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中所述至少一個金屬 基氮化物層的納米硬度>20Gpa。
11. 根據權利要求10所述的硬質且耐磨的涂層，其中所述至少一個金屬基氮化物層的 納米硬度在25GPa和40GPa之間。
12. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中所述涂層由以下組 成：最內部的單層和/或多層，其包含例如！1隊11(：、11((：，沁或（11，1)1優選地（11，八1) N單層，然后是所述（Zr，Si，Me) N層和外部單層和/或多層，其包含例如TiN、TiC、Ti (C，N) 或（Ti，Al)N，優選地TiN單層，總涂層厚度在Ιμπι和20μπι之間、優選地在Ιμπι和15μπι 之間、最優選地在1 μ m和7 μ m之間。
13. 根據前述權利要求中的任一項所述的硬質且耐磨的涂層，其中將所述至少一個金 屬基氮化物層沉積到通過排屑進行加工的切削工具刀片上，所述刀片包括燒結碳化物硬質 合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼的刀體。
14. 制造硬質且耐磨的涂層的方法，其特征在于，使用復合和/或合金化陰極，用在50A 和200A之間的蒸發電流，通過陰極電弧蒸發，在含有N2和任選地含載氣例如Ar的反應性氣 氛中，在1. OPa和7. OPa之間、優選地在1. 5Pa和4. OPa之間的總氣體壓力下，在0V和300V 之間、優選地在10V和150V之間的負襯底偏壓下，在200°C和800°C之間、優選地在300°C和 600°C之間的溫度下，生長金屬基氮化物層，其中所述層是（Zri_x_zSi xMez)Ny，其中0〈x〈0. 30， 0· 90〈y〈L 20,0彡ζ〈(λ 25,其中Me是如下元素中的一種或多種：Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W* Al。
15.根據權利要求13所述的切削工具刀片的用途，其用于通過排屑進行加工，其特別 地會產生高溫，切削速度為50-400m/分鐘、優選75-300m/分鐘，在銑削情況下，每齒平均進 給量為〇. 08-0. 5mm、優選0. 1-0. 4mm，其取決于切削速度和刀片幾何形狀。
【文檔編號】C23C14/06GK104160060SQ201380012559
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年3月6日 優先權日:2012年3月7日
【發明者】喬恩·安德森, 里卡德·福森, 諾琳·加富爾, 馬茨·約翰松, 芒努斯·奧登 申請人:山高刀具公司