具有金属基氮化物层的刀体和涂布该刀体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种刀体用硬质且耐磨的涂层，所述涂层包含至少一个具有改进的高温性能的金属基氮化物层，其中所述层是(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中的一种或多种，所述层包含单一立方相或单一六方相或其混合物，优选具有氯化钠结构的立方相，厚度在0.5μm和15μm之间。使用阴极电弧蒸发以沉积所述层并且所述层用于产生高温的金属切削应用。
【专利说明】具有金属基氮化物层的刀体和涂布该刀体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及刀体用硬质且耐磨的涂层，所述涂层包含至少一种Zr基氮化物层。本 发明还涉及一种涂布所述刀体的方法和其用途。
【背景技术】
[0002] 已将TiN广泛用作切削工具上的硬质层。然而，由于其高温耐氧化性相对差， 因此已经将焦点转向较复杂的三元和四元化合物,例如具有改进的高温性能的Ti-Al-N、 Ti-Al-Si-N和Ti-Cr-Al-N。例如，已经报道Ti-Al-Si-N为超硬的，HMOGPa，这可根据由 NaCl型晶相与X射线无定形Si3N4或SiNx组合而组成的二相结构来解释。
[0003] EP0588350公开了使用蒸发技术沉积在刀体上的Ti-Si-N复合材料的硬质层，得 到组成为TiaSi b的层，其中a在75原子％和85原子％之间并且b在15原子％和25原子％ 之间。
[0004] JP2004-338058公开了包含Ti、Si和Y的复合（compound)氮化物层的硬质涂 层。所述层具有由梯度层组成的层状结构，其中各层具有最大的Si含量和最小的Si含量。 JP2004-338008 和 JP2004-322279 公开了分别包含复合（Ti, Si, Cr)N 层和（Ti, Si, Zr)N 的 类似硬质涂层。
[0005] CN101338411公开了通过在混合的氦气和氮气放电（discharge)中在基材上共溉 射纯Zr和纯Si靶材至2至3 μ m的总厚度而生长的Zr-Si-N层。
[0006] EP1736565公开了如下的切削工具刀片、整体立铣刀（solid end mill)或钻具，其 包括刀体（body)和由一层或多层难熔化合物构成的涂层，其中至少一层包含立方（Me, Si) X相，其中Me是元素 Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和A1中的一种或多种，并且X是元素 N、 C、0或B中的一种或多种。
[0007] W02005100635A1 公开了 AlxSiyMezN 涂层，(λ 001 彡 z 彡 0· 08,其中 Me 是金属掺杂 元素，例如Zr。
[0008] 当今工业在不断地寻求进行经济且高产量/给进（feed-through)制造的解决方 案。为了满足这些要求，需要具有先进性能的新材料以在操作期间改进工具寿命。在金属 切削工具行业，大部分这种工作集中于通过设计应用中使用的涂层材料的性质而改进切削 工具的磨损特性。通常，高产量/给进切削工艺使得工具温度急剧提高并因此使具有高温 耐磨性的涂层材料成为必要。
[0009] 发明目的
[0010] 本发明的一个目的在于提供具有改进的高温性能的涂层材料。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种制造所述涂层材料的方法。
【发明内容】
[0012] 根据本发明的第一方面，通过刀体用硬质且耐磨的涂层实现所述目的，所述 涂层包括至少一个金属基氮化物层，其中所述层是（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中的一种或多种，所述 层包含单一立方相或单一六方相或其混合物，优选地氯化钠结构的立方相，和所述层的厚 度在0.5μπι和15μπι之间。从而实现了具有高温耐磨性的硬质且耐磨的涂层。所述涂层 改进的高温性质例如被观察为在通过排屑进行金属加工时改进的凹坑（crater)耐磨性， 从而产生高温性能。
[0013] 根据本发明的一个实施方式，0〈χ〈0· 15、优选地0〈χ〈0· 085。
[0014] 根据本发明的一个实施方式，0〈ζ〈0. 15、优选地0〈ζ〈0. 10。通过添加少量如下元素 Me中的一种或多种而实现优异的耐高温性：￥、11、恥、了&、0、1〇、1和/或八1。
[0015] 根据本发明的一个实施方式，]^是元素了&、11、他、(>和41中的一种或多种。
[0016] 根据本发明的一个实施方式，TC(200)>1.5,并且同时TC(lll)、TC(220)和 TC(311)都应〈1.5,其中
[0017] 如下从XRD数据确定TC(hkl):
[0018]
【权利要求】
1. 一种刀体用硬质且耐磨的涂层，所述涂层包含至少一个金属基氮化物层，其特征在 于所述层是（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中的一种或多种，和所述层包含单一立方相或单一六方相或其混合 物、优选地氯化钠结构的立方相，和所述层的厚度在0. 5 μ m和15 μ m之间。
2. 根据权利要求1所述的硬质且耐磨的涂层，其中0〈x〈0. 15。
3. 根据权利要求2所述的硬质且耐磨的涂层，其中0〈x〈0. 085。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中0〈z〈0. 15。
5. 根据权利要求4所述的硬质且耐磨的涂层，其中0〈z〈0. 10。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中Me为元素 Ta、Ti、Nb、 Cr和A1中的一种或多种。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中TC(200)>1. 5,并且 同时 TC(111)、TC(220)和 TC(311)都应〈1.5,其中 如下从XRD数据确定TC(hkl):
I? (hkl)是（hkl)反射的测量强度，和1。扯1)是根据035-0753号JCPDS卡的标准 强度，和η = 4是计算中使用的（hkl)反射的数目。
8. 根据权利要求7所述的硬质且耐磨的涂层，其中TC (200) >2. 0。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中所述至少一个金属基 氮化物层的厚度在0. 5 μ m和10 μ m之间。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中所述至少一个金属 基氮化物层的纳米硬度>20Gpa。
11. 根据权利要求10所述的硬质且耐磨的涂层，其中所述至少一个金属基氮化物层的 纳米硬度在25GPa和40GPa之间。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中所述涂层由以下组 成：最内部的单层和/或多层，其包含例如！1队11(：、11((：，沁或（11，1)1优选地（11，八1) N单层，然后是所述（Zr，Si，Me) N层和外部单层和/或多层，其包含例如TiN、TiC、Ti (C，N) 或（Ti，Al)N，优选地TiN单层，总涂层厚度在Ιμπι和20μπι之间、优选地在Ιμπι和15μπι 之间、最优选地在1 μ m和7 μ m之间。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的硬质且耐磨的涂层，其中将所述至少一个金 属基氮化物层沉积到通过排屑进行加工的切削工具刀片上，所述刀片包括烧结碳化物硬质 合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的刀体。
14. 制造硬质且耐磨的涂层的方法，其特征在于，使用复合和/或合金化阴极，用在50A 和200A之间的蒸发电流，通过阴极电弧蒸发，在含有N2和任选地含载气例如Ar的反应性气 氛中，在1. OPa和7. OPa之间、优选地在1. 5Pa和4. OPa之间的总气体压力下，在0V和300V 之间、优选地在10V和150V之间的负衬底偏压下，在200°C和800°C之间、优选地在300°C和 600°C之间的温度下，生长金属基氮化物层，其中所述层是（Zri_x_zSi xMez)Ny，其中0〈x〈0. 30， 0· 90〈y〈L 20,0彡ζ〈(λ 25,其中Me是如下元素中的一种或多种：Y、Ti、Nb、Ta、Cr、Mo、W* Al。
15.根据权利要求13所述的切削工具刀片的用途，其用于通过排屑进行加工，其特别 地会产生高温，切削速度为50-400m/分钟、优选75-300m/分钟，在铣削情况下，每齿平均进 给量为〇. 08-0. 5mm、优选0. 1-0. 4mm，其取决于切削速度和刀片几何形状。
【文档编号】C23C14/06GK104160060SQ201380012559
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月7日
【发明者】乔恩·安德森, 里卡德·福森, 诺琳·加富尔, 马茨·约翰松, 芒努斯·奥登 申请人:山高刀具公司