CN102812149B - 涂覆的切削工具 - Google Patents

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Abstract

一种涂覆的切削工具，其具有基底和涂层。所述涂层包括至少一个多重纳米层，其包含由结晶(TixAlyCrz)N和非晶Si3N4形成的纳米复合物纳米层，其中0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97。硅的原子比为1-x-y-z且1-x-z＜0.75，所述纳米复合物纳米层的厚度为1nm-100nm。

Description

涂覆的切削工具
发明领域
本发明涉及覆盖涂层的切削工具，所述涂层包含至少一个嵌入非晶Si3N4基体的结晶(TiAlCr)N的纳米复合物的纳米层。
发明背景
为了增加涂覆的切削工具的寿命、提高加工速度以及改善加工表面的质量，新的涂层正不断被开发。在高切削速度下较长的工具寿命在增加生产的同时降低了维护和人员成本。使用在高工作温度下用最少的润滑剂保持硬度或者用于干加工的切削工具降低了成本且环境友好。
已知(US2007/0184306)用硬膜涂覆切削工具，所述硬膜由M1-a-bAlaSib(BxCyN1-x-y)组成，其中M表示Ti和Cr。在此膜中Al(a)的原子比的下和上限分别为0.05和0.5。该硬涂层膜具有无六方晶体和/或非晶相的晶体结构，因为根据发明人，六方相或非晶相的存在降低了所述硬涂层膜的硬度。
JP2002337002公开了一种切削工具，其涂有至少一个层，所述层由以下形成：非晶化合物相，其包括Si，并与Ti、Al、Si混合，具有相对富含的Si并具有至少一种选自C、N、O、B的元素，和结晶化合物相，其与Ti、Al、Si混合，具有相对少量的Si，具有至少一种选自C、N、O、B的元素。
已知通过非晶(a)基体a-Si3N4将至少1μm的两相纳米复合物涂层“粘合”在一起，所述涂层具有纳米结晶(nc)晶粒nc-TiN、nc-(Al1-xTix)N或nc-(Al1-xCrx)N(Veprek等，Thin Solid Films 476(2005)1-29)。a-Si3N4的Si原子与氮以共价键连接，显示101.7±0.1的Si 2p结合能。所述非晶Si3N4基体具有比块体SiNx更大的剪切力和减聚强度。
此涂层的一个优势是提高的硬度，维氏硬度Hv超过40GPa。设计超硬及热稳定纳米复合物的一般概念基于热力学驱动的亚稳线(spinodal)相分离，其导致通过自组织形成稳定的纳米结构。为了在沉积过程中实现这一点，在相对高的沉积温度下(500-600℃)需要充分的高氮活性(分压≥0.02mbar)。氮提供高的热力学驱动力且温度保证了在沉积过程中扩散速率受控的相分离充分快地进行以获得相分离。化学计量TiN和Si3N4的混合体系的吉布斯自由能的热力学计算显示，在上述沉积温度和氮气压力下，相分离具有亚稳线性质。(R.F Zhang，S.Veprek/Material Science and Engineering A 424(2006)128-137和S.Veprek等/Surface and Coatings Technology 200 3884(2006)3876-3885)。因此，当在这些条件下沉积时纳米结晶相不应该有任何Si含量。
纳米复合物涂层nc-(Al1-xTix)N/a-Si3N4的另一优势是薄的a-Si3N4基体使富Al的(Al1-xTix)N亚稳固溶体稳定，防止其分解为立方c-TiN和六方h-AlN以及伴随的涂层软化。已知在不含Si的(Al1-xTix)N涂层中(Al1-xTix)N在约700℃的温度下开始分解。nc-(Al1-xTix)N/a-Si3N4的纳米复合物层在最多1200℃稳定。
纳米复合物的另一重要优势是它们的高抗氧化性，最多超过800℃的温度。这与密集且坚固的a-Si3N4基体有关，所述基体阻止氧沿着晶界扩散。但是，使用不同的测量抗氧化性的方法使得不容易比较公布的“开始氧化温度”和氧化至关重要(critical)的温度。例如，在一种方法(US2007/0184306)中，在干燥空气中以4℃/min的速度加热样品并绘出由于氧化引起的增重。样品开始增重的温度视为氧化开始温度。另一种方法(Veprek等，Surface&Coatings Technology 202(2008)2063-5073)比较了在给定温度下(例如900℃)在空气中一小时后氧化物在纳米复合物涂层和另一种涂层(例如TiAlN)上形成的厚度。另一种方法，与第一种相似，把高倍放大(约1000X)下首先可看到氧化物的温度作为氧化开始温度。
已知的多层涂层在3-5μm厚的更可延展且更柔软的TiAlN底层上具有0.75-1.5μm厚的纳米复合物AlCrSiN顶层(Veprek等，Surface&Coatings Technology 202(2008)2063-5073)。沉积方法使用了具有平面阴极的真空电弧涂覆技术。另一种沉积方法对nc-(TiAl)N/a-Si3N4纳米复合物使用了真空电弧涂覆技术。在此方法中旋转阴极安置在涂覆室的中心或者其门上。其它已知的沉积方法包括非平衡磁控管溅射。
CN101407905公开了涂覆的烧结碳化物切削工具，其涂层包含复合物混合晶体结构层，该层包含由沉积在钛基结合层上的TiAlMSiN构成的纳米结晶/非晶组合物层。M是Ta、Nb、Zr、Cr、Hf和W的一种或多种金属元素。所述TiAlMSiN层的厚度至少为0.5μm。
纳米复合物涂层的已知缺点是杂质，例如氧，即使在几百ppm的水平，仍会导致可获得最大硬度的非常强的降低。
另一缺点为纳米复合物层厚度的限制。已知这些层具有高压缩应力且因此如果它们厚于约3μm就具有剥落的趋势。
具有增强的硬度的纳米复合物涂层的另一缺点为相对低的韧性(Plasma Process.Polym.2007，4 219-228 Zhang等)。韧性是材料形变到断裂过程中吸收能量的能力。为了在纳米复合物涂层中得到高硬度，通常设计阻止塑性形变，并防止晶界和滑动，因此导致延展性损失。延展性与韧性有关，它对硬涂层避免灾变失效非常重要。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供了包含基底和涂层的涂覆的切削工具。所述涂层包含至少一个包含纳米复合物纳米层的多重纳米层。所述纳米复合物纳米层由嵌入非晶Si3N4基体的结晶(TixAlyCrz)N组成。所述式的组分的原子比为0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97，其中硅的原子比为1-x-y-z且1-x-z＜0.75。所述纳米复合物纳米层的厚度为1nm-100nm。
一般地，所述多重纳米层还包含第二纳米层，所述第二纳米层包含金属或陶瓷材料。所述金属材料是选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属。所述陶瓷材料是：(1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种氮化物、碳化物、硼化物或氧化物，(2)金刚石，或(3)BN。所述第二纳米层是结晶且第二纳米层的厚度为1nm-100nm。
在一些实施方案中，所述第二纳米层包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75，同时其中Me是选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属，其中0≤v≤1。
在一些实施方案中，所述多重纳米层包含至少两个不同组成的纳米复合物纳米层。
根据一些实施方案，所述多重纳米层包含至少两个不同组成的第二纳米层。
根据一些实施方案，所述多重纳米层由纳米复合物纳米层组成，所述纳米复合物纳米层与第二纳米层交替层叠。在一些实施方案中，所述多重纳米层在连续的纳米复合物纳米层之间包含两个或更多个第二纳米层。
任选地，所述多重纳米层包含50-300个纳米复合物纳米层。
根据一些实施方案，所述涂层还包含在基底和多重纳米层之间的至少一个中间层。所述中间层是选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、氮化物、碳化物或氧化物。所述至少一个中间层的厚度为0.5μm-10μm。在一些实施方案中，所述至少一个中间层包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75且0≤v≤1；其中Me是选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属。
在本发明的另一个方面，所述涂层还包含一个在基底和中间层之间的粘附层。所述粘附层的组成与所述中间层的组成不同。所述粘附层包含至少一个(MewAl1-w)N层，其中0.5≤w≤1且其中M是钛和/或铬。所述粘附层的厚度为0.1μm-2μm。
任选地，所述中间层为不同组成的至少两个次层，每一个次层的厚度为1nm-500nm。
在本发明的另一方面，所述涂层包含多于一个多重纳米层且还包含在多重纳米层之间的至少一个辅助层。所述至少一个辅助层包含金属或陶瓷材料。所述金属材料由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属组成。所述陶瓷材料选自：(1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，(2)金刚石，(3)类金刚石碳，和(4)BN。
任选地，所述涂层的最外层包含多重纳米层。
在一些实施方案中，所述涂覆的切削工具还包含顶层，即涂层的最外层。所述顶层为金属或陶瓷材料；其中所述金属材料包含一种或多种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的金属；且其中所述陶瓷材料选自：(1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，2)金刚石，(3)类金刚石碳，和(4)BN。
一般地，基底选自：高速钢、硬金属、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、超级研磨材料、PcBN、PCD和金属陶瓷或它们的组合。
在本发明的另一方面，提供了制造所述包含基底和涂层的涂覆的切削工具的方法，所述涂层包含至少一个多重纳米层，所述方法包含以下步骤：
a)将纳米复合物纳米层沉积到基底上，所述纳米复合物纳米层由嵌入非晶Si3N4基体的结晶(TixAlyCrz)N组成，其中0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97，其中硅的原子比为1-x-y-z且其中纳米复合物纳米层的厚度为1nm-100nm；
b)将至少一个第二纳米层沉积在所述纳米复合物纳米层上，所述第二纳米层为结晶且厚度为1nm-100nm。所述第二纳米层包含(a1)金属材料，该金属材料由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属组成；或(a2)包含以下的陶瓷材料：(a21)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物；(a22)金刚石，或(a23)BN；和
c)交替进行步骤a和步骤b 50-300次。
一般地，所述涂层在超过500℃的沉积温度下在至少0.02mbar的氮气分压下用PVD技术沉积。
任选地，所述方法还包含一个或多个以下步骤：
i)在进行步骤a)前在基底上沉积粘附层，其中所述粘附层包含至少一层(MewAl1-w)N，其中0.5≤w≤1且其中M为钛和/或铬；且所述粘附层的厚度为0.1μm-2μm；和
ii)在所述粘附层上沉积至少一个中间层，所述中间层包含选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、氮化物、碳化物或氧化物。在本发明的一些实施方案中，所述中间层包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75且0≤v≤1；Me是选自包含Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属；且所述中间层的厚度为0.5μm-10μm。
根据一些实施方案，所述方法还包含以下步骤：
d)在保护性的氮气气氛下在400℃至1100℃的温度下处理所述涂覆的切削工具，持续20至180分钟。
任选地，所述涂层包含多于一个多重纳米层，所述方法还包含以下步骤：
e)在多重纳米层上沉积至少一个辅助层；所述至少一个辅助层包含：(e1)由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属组成的金属材料；或(e2)选自以下的陶瓷材料：(e21)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物；(e22)金刚石，(e23)类金刚石碳，和(e24)BN；
f)进行步骤a至c；和
g)交替进行步骤e和步骤f至少一次。
附图简述
为了更好地理解本发明并展示可如何实施，在此仅以示例的方式参考附图。
图1A为根据本发明实施方案的切削工具的涂层剖面示意图。
图1B为根据本发明实施方案的切削工具的涂层剖面示意图，显示次层。
图2为根据本发明实施方案的纳米复合物层的XPS(X射线光电子能谱)。
图3为根据本发明实施方案的纳米复合物层的XRD。
图4为通过透射电子显微镜(TEM)拍摄的根据本发明实施方案的纳米复合物层的显微照片(具有2nm比例尺)。
图5为通过扫描透射电子显微镜(STEM)拍摄的根据本发明实施方案的纳米复合物层的显微照片(具有1nm比例尺)。
图6为显示根据本发明实施方案涂覆的切削工具在铣削应用中工具寿命增加的图。
图7为显示根据本发明实施方案涂覆的切削工具在车削应用中工具寿命增加的图。
图8为显示根据本发明实施方案涂覆的切削工具在铣削应用中工具寿命增加的图。
现在详细地具体参考所述附图，应强调的是显示的细节为示例的方式且目的仅仅是为了说明性讨论本发明的优选的实施方案，且为了提供认为是本发明的原理和概念方面最有用且容易理解的描述而呈现。所述描述结合附图使得本发明的若干形式可如何在实践中具体化对于本领域技术人员显而易见。
发明详述
本发明是涂覆了涂层的切削工具，所述涂层包含具有纳米复合物纳米层的多重纳米层。
所述切削工具可为一片式固体切削工具、由***物支架和其中固定的切削***物组成的切削工具、***物支架或切削***物。
所述切削工具的基底可由以下制成：硬金属、高速钢、氧化物、碳化物或硼化物陶瓷、超级研磨材料、PcBN、PCD或金属陶瓷基底或它们的组合。
所述涂层的多重纳米层的纳米复合物纳米层具有嵌入非晶a-Si3N4基体的纳米结晶相nc-(TixAlyCrz)N。纳米结晶相的组分的原子比为0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97。纳米复合物的金属元素中硅的原子比为1-x-y-z。所述纳米复合物纳米层的厚度为约1nm至约100nm。所述纳米复合物纳米层在500℃-600℃的沉积温度和至少0.02mbar的氮气分压下沉积。已知这些沉积条件会引起热力学驱动的亚稳线相分离，所述相分离导致通过自组织形成稳定的纳米结构。
图2是根据本发明实施方案的纳米复合物纳米层的X射线光电子能谱(XPS)图。为了XPS分析，用单色X射线(使用的X射线源为AlKα，1486.6eV)照射样品。在分析前，通过Ar离子溅射对样品进行溅射直到纳米复合物纳米层。测量光谱记录得到100eV的通过能量，从中测定了表面化学组成。光谱以标准(击射角为53±30°)操作模式获得，并绘制为测得的电子数作为结合能的函数。图2显示出两个峰：在101.66eV处的高结合能线(峰A)和在99.40eV处的较低结合能线(峰B)。峰A与对应于Si3N4的Si-N键有关。峰B较难以解释。其可指定为Al KLL俄歇信号，其位置重合来自TiSi2的Si 2p信号(如由Veprek在Towards the Industrialization of Superhard Nanocrystalline Compositesfor High Speed and Dry Machining中提出)、Si-Si键或与Al、Cr或/和Ti的一种金属键合的Si(例如TiSi2)，或者可为在非晶Si3N4与结晶(TiAlCr)N的晶界处形成的金属键。发明人假设峰B是Al KLL俄歇信号的结果或者显示在晶界处形成的金属键。
图3是根据本发明实施方案在眩光角获得的纳米复合物纳米层的XRD图谱。1号线为立方AlTiCrN的峰。2号线为结晶Si3N4参考模式33-1160的峰出现的地方。从图3可看出，在纳米复合物层中出现的唯一的结晶相为立方相且无六方相或三角相或任何结晶Si3N4相。
把图2和图3的数据合在一起，发明人断定纳米复合物纳米层具有立方(TiAlCr)N相和非晶Si3N4相。
图4和5分别显示通过透射电子显微镜(TEM)以2nm比例尺和通过扫描透射电子显微镜(STEM)以1nm比例尺拍摄的纳米复合物层的显微照片。图4的TEM显微照片显示了规则的结晶晶粒的纳米复合物结构和非晶区域。使用STEM和高角检测器，可以形成原子分辨率图像，在所述图像中对比度直接涉及原子数目。因此图5的STEM显微照片显示了具有明亮区域的纳米复合物结构，所述明亮区域比黑暗区域具有更多的原子数。明亮区域对应nc-(TixAlyCrz)N晶粒且围绕明亮区域的黑暗区域对应较轻的Si3N4基体。
所述纳米结晶晶粒是被a-Si3N4基体包围的nc-(TixAlyCrz)N(0.85≤x+y+z≤0.97)。在纳米复合物纳米层中钛的原子比为0.25≤x≤0.75。铬的原子比为0.05≤z≤0.2，用于提高抗氧化性和断裂韧性。在纳米复合物纳米层中铝的原子比为0.25≤y＜0.72。已知当铝和硅的原子比之和超过0.75时会形成六方相的AlN。在纳米复合物纳米层的金属元素中硅的原子比为0.03≤1-x-y-z≤0.15且1-x-z＜0.75。包含纳米复合物纳米层的涂层即使在升高的温度下也具有抗高温性和高硬度。
图1A显示了本发明的实施方案的具有基底1涂覆多重纳米层4的切削工具的示意图。纳米复合物纳米层5和结晶纳米层6交替，形成了多重纳米层4。所述结晶纳米层6包含金属或陶瓷材料。所述金属材料是选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属。所述陶瓷材料包含选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的硼化物、碳化物、氮化物或氧化物或它们的任何组合。在一些实施方案中，所述陶瓷材料可为金刚石或BN。结晶纳米层的组成与纳米复合物纳米层的组成不同。在本发明的一些实施方案中，在连续纳米复合物纳米层5之间有两个或更多个结晶纳米层6。提高粘结性的结晶纳米层6的一些实例具有式(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中Me为选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属，其中0≤v≤1。在结晶纳米层6中的钛的原子比为0≤a≤1。在结晶纳米层6中的铝的原子比为0≤b＜0.75。
纳米复合物纳米层和结晶纳米层两者的厚度范围都可为约1nm-约100nm。多重纳米层具有约50-约300个纳米复合物纳米层。
所述多重纳米层有效地结合了硬纳米复合物纳米层和结晶纳米层的优势。一个益处是改进了裂纹吸收性，导致涂层韧性提高。对于用于金属加工应用的涂层，没有韧性的高硬度没用且这两者的质量对于切削工具在许多应用中都重要。根据本发明的多重纳米层可具有结晶纳米层，所述结晶纳米层具有以上定义的一种或多种组成，这导致不同应用所要求的涂层的不同特性。
本发明的另一优势为所述涂层的厚度可厚于3μm而不剥落。这是由于多重纳米层结构和结晶纳米层的存在，所述结晶纳米层具有比纳米复合物纳米层低的压缩应力。
工具寿命与切削速度、切割尺寸、工具角度、工具形状、冷却剂、颤动等相关。切削速度是到目前为止对工具寿命影响最大的变量。涂层的较高的耐热性导致较快的RPM而不破坏切削工具。本发明的涂层保持已知纳米复合物涂层的较高工作温度和抗氧化性，即使这些涂层的多重纳米层并入了结晶纳米层，所述结晶纳米层总共达所述多重纳米层的近乎一半。TiCN的最大工作温度为约550℃，TiAlN为约800℃，与之相比本发明的最大工作温度为约1100℃。
在本发明的一些实施方案中，如图1A所示在多重纳米层和基体1之间有中间层3，其给予了涂层韧性。中间层3是陶瓷层，其可以为选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的硼化物、氮化物、碳化物或氧化物或它们的任何组合。在本发明的一些实施方案中，中间层3包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中Me为选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属，其中0≤v≤1。中间层3中的钛的原子比为0≤a≤1。中间层3中的铝的原子比为0≤b＜0.75。中间层3的厚度为约0.5μm-约10μm。
在本发明的一些实施方案中，如图1A所示，在中间层和基底之间有粘附层2，其厚度为约0.1μm-约2μm。所述粘附层具有式(MwAl1-w)N(0.5≤w≤1)，其中M是钛和/或铬。
图1B显示了本发明的另一实施方案的示意图，所述实施方案为基底1涂覆了三个多重纳米层4i，4ii，4iii(与辅助层7i和7ii交替)的切削工具。所述辅助层可以为金属层，所述金属层具有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru的一种或多种金属。在其它实施方案中，所述辅助层可以为选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的硼化物、碳化物、氮化物或氧化物或它们的任何组合。或者，所述辅助层可包含类金刚石碳、金刚石或氮化硼。涂层的最外层可为多重纳米层(如图1A所示)或辅助层7iii(如图1B所示)。辅助层7i、7ii、7iii等都可包含类似的组合物，或者一个或多个辅助层的组成不同。
在本发明的一些实施方案中，所述涂层可以具有两个多重纳米层或者多于三个多重纳米层。在一些实施方案中，在连续的多重纳米层之间有两个或更多个辅助层。在本发明的一些实施方案中，中间层包含至少两个组成不同的中间次层3i、3ii，如图1B所示。
所述切削工具可任选地在防止氧化的保护性气氛(例如氮气)中进行涂覆后热处理。热处理温度为400℃-1100℃，优选为700℃-900℃。热处理的持续时间为30分钟-180分钟。该处理进一步稳定和坚固了纳米复合物纳米层的亚稳线相分离。
许多因素都有助于延长涂覆的切削工具的寿命，特别是当在挑战性的环境下(例如较快的加工速度或低可加工性工件)加工时。这些因素中的一些是高耐磨性、提高的切削温度、抗冲击性、涂层对基底的附着性及韧性。已使用了各种标准来显示改进的涂层，例如硬度、工作温度和磨损量。这些会在下面的实施例中显示。
实施例1
作为原理的证明，参考图1A，切削工具的基底(1)为硬金属且涂层通过PVD方法沉积。
通过使用具有圆形平面阴极的真空电弧涂覆技术的已知的方法在烧结碳化物上按以下方式进行涂覆。
首先，涂覆设备的阴极提供有TiAl、AlTi和AlTiCrSi靶，烧结碳化物的铣削***物的基底、烧结碳化物的立铣刀和烧结碳化物的车削***物。
涂覆设备的真空室抽真空后，通过其中的加热器将基底加热到超过500℃的高沉积温度，并将氮气送入真空室内。真空室内保持超过4Pa的高压，开始电弧放电以在基底表面形成粘附层TiAlN(0.5μm厚)。然后将中间层AlTiN(2.5μm厚)沉积在粘附层上。(1)纳米复合物纳米层和(2)结晶纳米层TiAlN的交替纳米层的多重纳米层涂层然后通过分别使靶TiAl和AlTiCrSi蒸发来沉积。将-30V到-300V的偏压施加到基底上使得基底在涂覆过程中相对于地电势保持负电势。所述纳米层均为约6nm厚。
然后使涂覆的切削工具在高于400至最高800℃的温度下，在保护性氮气气氛中进行至少30分钟至最多120分钟的热处理。然后使切削工具在保护性氮气气氛中逐渐冷却至室温。此涂层在下文将称作样品1。
样品1的层的组成在表1中。
表1
(*c是结晶结构且a是非晶结构)。
实施例2
在与实施例1中所述的相同的基底上和相同的条件下制备比较涂层。比较样品2是厚度约4μm的单层TiAlN。比较样品3是厚度约4μm的(Ti，Al，Si)N层。比较样品4是厚度为约4.5μm的(Al，Ti，Cr，Si)N的纳米复合物单层。分析了样品2-4且结果在表2中。
表2
(*c是结晶结构且a是非晶结构)。
实施例3
测试并比较了样品1-4的工具寿命。切削数据显示在表3中。表6比较了样品1、样品3和4用于不锈钢的面铣应用。图7比较了样品1和样品2和样品4用于Inconel的车削应用。图8比较了样品1、样品2和样品4用于硬质钢的铣削应用。在所有这些应用中样品1显示了显著改进的结果。
表3
虽然本发明已描述到一定的详细程度，应该理解，不脱离如下文要求保护的本发明的范围，可作出各种改变和修改。

Claims (1)

1.一种涂覆的切削工具，其包含基底和涂层；其中：
所述涂层包含至少一个多重纳米层，所述多重纳米层包含多个纳米复合物纳米层和第二纳米层；
所述纳米复合物纳米层由嵌入非晶Si3N4基体的纳米结晶立方(TixAlyCrz)N组成，其中0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97，且1-x-z<0.75；
硅的原子比为1-x-y-z；且
所述纳米复合物纳米层的厚度为1nm-100nm且
所述第二纳米层是厚度为1nm-100nm的结晶，并包含：
(a)由选自以下的一种或多种金属组成的金属材料：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru；或者
(b)陶瓷材料，其包含：
(b1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，
(b2)金刚石，或
(b3)BN；
其中所述纳米复合物纳米层的组成不同于所述第二纳米层的组成。
2. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层包含至少两个不同组成的纳米复合物纳米层。
3. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层的厚度为至少3μm。
4. 根据权利要求3的涂覆的切削工具，其中：
所述第二纳米层包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75，且0≤v≤1；且
Me是选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属。
5. 根据权利要求3的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层包含至少两个不同组成的第二纳米层。
6. 根据权利要求3的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层包含与第二纳米层交替层叠的纳米复合物纳米层。
7. 根据权利要求3的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层包含在连续的纳米复合物纳米层之间的两个或更多个第二纳米层。
8. 根据权利要求3的涂覆的切削工具，其中所述多重纳米层包含50-300个纳米复合物纳米层。
9. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中：
所述涂层还包含至少一个在基底和多重纳米层之间的中间层；且
所述中间层包含选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物。
10. 根据权利要求9的涂覆的切削工具，其中：
所述至少一个中间层为(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75，且0≤v≤1；
Me是选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属；且
所述中间层的厚度为0.5μm-10μm。
11. 根据权利要求9的涂覆的切削工具，其中：
所述中间层还包含至少两个不同组成的次层；且
所述次层的厚度为1nm-500nm。
12. 根据权利要求9的涂覆的切削工具，其中：
所述涂层还包含在基底和中间层之间的粘附层，所述粘附层的组成与中间层的组成不同；
所述粘附层包含至少一层(MewAl1-w)N，其中0.5≤w≤1；
M为钛和/或铬；且
所述粘附层的厚度为0.1μm-2μm。
13. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中所述涂层包含：
多于一个多重纳米层和在多重纳米层之间的至少一个辅助层，所述至少一个辅助层包含：
(a)由选自以下的一种或多种金属组成的金属材料：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru；或
(b)选自以下的陶瓷材料：
(b1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，
(b2)金刚石，
(b3)类金刚石碳，和
(b4)BN。
14. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中所述涂层的最外层包含多重纳米层。
15. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其还包含顶层，所述顶层为涂层的最外层且包含：
(a)由选自以下的一种或多种金属组成的金属材料：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru；或
(b)选自以下的陶瓷材料：
(b1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，
(b2)金刚石，
(b3)类金刚石碳，和
(b4)BN。
16. 根据权利要求1的涂覆的切削工具，其中：
所述基底选自高速钢、硬金属、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、超级研磨材料、PcBN、PCD和金属陶瓷及它们的组合。
17. 一种用包含至少一个多重纳米层的涂层涂覆切削工具基底的方法，所述方法包含以下步骤：
a)在基底上沉积纳米复合物纳米层，所述纳米复合物纳米层由嵌入非晶Si3N4基体的纳米结晶立方(TixAlyCrz)N组成，其中0.25≤x≤0.75，0.25≤y＜0.75，0.05≤z≤0.2，0.85≤x+y+z≤0.97且1-x-z<0.75，其中：
硅的原子比为1-x-y-z；
在至少0.02mbar的氮气分压下，沉积温度为至少500℃且不超过600℃，和
所述纳米复合物纳米层的厚度为1nm-100nm；
b)在纳米复合物纳米层上沉积至少一个第二纳米层，所述第二纳米层为结晶，厚度为1nm-100nm且包含：
(a1)由选自以下的一种或多种金属组成的金属材料：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru；或者
(a2)陶瓷材料，其包含：
(a21)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，
(a22)金刚石，或
(a23)BN；和
c)交替进行步骤a和步骤b 50-300次。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述涂层用PVD技术沉积。
19. 根据权利要求17的方法，其还包含一个或多个以下步骤：
i)在进行步骤a)前在基底上沉积粘附层，其中：
所述粘附层包含至少一层(MewAl1-w)N，其中0.5≤w≤1；
M是钛和/或铬；且
所述粘附层的厚度为0.1μm-2μm；和
ii)在粘附层上沉积至少一个中间层，所述中间层包含选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物。
20. 根据权利要求19的方法，其中：
所述至少一个中间层包含(TiaAlbMe1-a-b)(CvN1-v)，其中0≤a≤1，0≤b＜0.75且0≤v≤1；
Me是选自Cr、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Hf、Y和Ru的金属；且
所述中间层的厚度为0.5μm-10μm。
21. 根据权利要求17的方法，其还包含以下步骤：
d)在保护性氮气气氛下在400℃-1100℃的温度下处理涂覆的切削工具，持续20分钟至180分钟。
22. 根据权利要求17的方法，其中所述涂层包含超过一个多重纳米层且所述方法还包含：
e)在所述多重纳米层上沉积至少一个辅助层，所述至少一个辅助层包含：
(e1)由选自以下的一种或多种金属组成的金属材料：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Y和Ru；或
(e2)选自以下的陶瓷材料：
(e21)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Y和Ru的一种或多种元素的一种或多种硼化物、碳化物、氮化物或氧化物，
(e22)金刚石，
(e23)类金刚石碳，和
(e24)BN；
f)进行步骤a-c；和
g)交替进行步骤e和步骤f至少一次。
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