纳米复合材料耐火涂层及其应用制造技术

本申请涉及纳米复合材料耐火涂层及其应用。在一个方面，本发明专利技术描述了制品，所述制品包括耐火涂层，所述耐火涂层采用纳米复合材料结构。在一些实施例中，具有此类耐火涂层的制品适用于高磨损和/或磨耗应用中，诸如金属切削操作。本文所述的带涂层的制品包括基底和通过CVD沉积的涂层，所述涂层粘附到所述基底，所述涂层包括耐火层，所述耐火层具有包括氧化铝的基质相以及包含在所述基质相内的纳米颗粒相，所述纳米颗粒相包括由IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种形成的晶体纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐火涂层，并且具体地讲，涉及通过化学气相沉积法(CVD)沉积以用于切削工具应用的耐火涂层。
技术介绍
切削工具(包括烧结碳化物切削工具)已用于带涂层的和不带涂层的条件两者中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施加于烧结碳化物基底。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。
技术实现思路
在一个方面，描述了制品，该制品包括耐火涂层，该耐火涂层采用纳米复合材料结构。简而言之，本文所述的带涂层的制品包括基底和通过CVD沉积的涂层，该涂层粘附到基底，该涂层包括耐火层，该耐火层具有包含氧化铝的基质相以及包含在基质相内的纳米颗粒相，该纳米颗粒相包含IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种的晶体纳米颗粒。在一些实施例中，纳米颗粒嵌入基质相的氧化铝晶粒内。另外，纳米颗粒可以预定方式分散在整个基质相中。在一些实施例中，例如，纳米颗粒以一个或多个纳米颗粒浓度带分布在氧化铝基质相中。纳米颗粒浓度带可沿着耐火层的厚度表现出周期性间隔或非周期性间隔。在一些实施例中，氧化铝基质相中的纳米颗粒分布被预定并且用本文所述的CVD沉积参数来控制。<br>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切削工具基底。图2(a)-图2(b)为根据本文所述的一个实施例的纳米复合材料耐火层的一部分的透射电子显微镜(TEM)横截面图像。图3(a)-图3(b)为根据本文所述的一个实施例的纳米复合材料耐火层的多部分的TEM图像。图4(a)-图4(b)为根据本文所述的一个实施例的纳米复合材料耐火层的多部分的TEM图像。图5(a)-图5(b)为根据本文所述的一个实施例的纳米复合材料耐火层的多部分的TEM图像。具体实施方式参考以下具体实施方式和实例以及前述和下述内容可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，这些实施例仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本专利技术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。在一个方面，描述了制品，该制品包含耐火涂层，该耐火涂层采用纳米复合材料结构。在一些实施例中，具有此类耐火涂层的制品适用于高磨损和/或磨耗应用中，诸如金属切削操作。本文所述的带涂层的制品包括基底和通过CVD沉积的涂层，该涂层粘附到基底，该涂层包括耐火层，该耐火层具有包含氧化铝的基质相以及包含在基质相内的纳米颗粒相，该纳米颗粒相包含IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种的晶体纳米颗粒。在一些实施例中，纳米颗粒嵌入基质相的氧化铝晶粒内。在嵌入氧化铝晶粒中的情况下，在耐火层沉积期间，纳米颗粒不终止氧化铝晶粒的发展或生长。因此，单独的氧化铝晶粒可表现出纳米颗粒增强物的若干区域。另外，纳米颗粒可以预定方式分散在整个氧化铝基质相中。现在转到具体的组成部分，本文所述的带涂层的制品包括基底。带涂层的制品可包括不违背本专利技术目的的任何基底。例如，基底可为切削工具或用于磨损应用中的工具。切削工具包括但不限于可转位切削刀片、端铣刀或钻孔器。可转位切削刀片可具有用于铣削或车削应用的任何所需ANSI标准几何形状。本文所述的带涂层的制品的基底可由烧结碳化物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷、钢或其他合金形成。在一些实施例中，烧结碳化物基底包含碳化钨(WC)。WC可以至少约80重量％的量或以至少约85重量％的量存在于切削工具基底中。另外，烧结碳化物的金属粘结剂可包含钴或钴合金。钴例如可以1重量％至15重量％范围内的量存在于烧结碳化物基底中。在一些实施例中，钴以5-12重量％或6-10重量％范围内的量存在于烧结碳化物基底中。此外，烧结碳化物基底可表现出始于基底表面并从基底表面向内延伸的粘结剂富集区。烧结碳化物基底还可包含一种或多种添加剂，诸如下列元素和/或其化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与基底的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，基底可以0.1-5重量％范围内的量包含一种或多种固溶体碳化物。另外，烧结碳化物基底可包含氮。切削工具基底可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切削刀片基底。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(10)还包括用于将基底(10)固定到刀架上的孔(18)。如本文所述，粘附到基底的涂层包括耐火层，该耐火层具有包含氧化铝的基质相以及包含在基质相内的纳米颗粒相，该纳米颗粒相包含由IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种形成的晶体纳米颗粒。本文所述的周期表的族根据CAS名称标识，其中IVB族包括钛、锆和铪。一般来讲，晶体纳米颗粒在至少一个维度上的平均尺寸小于100nm。在一些实施例中，晶体纳米颗粒在一个维度上的平均尺寸小于10nm或小于5nm。另外，晶体纳米颗粒在两个或更多个维度上可表现出小于20nm的平均尺寸。例如，晶体纳米颗粒的平均直径选自表I并且平均长度选自表II。表I-晶体纳米颗粒平均直径(nm)≤100≤51-51-3表II-晶体纳米颗粒平均长度(nm)≤500≤1005-50010-10020-2505-20IVB族金属氮化物、碳化物或碳氮化物的晶体纳米颗粒可表现出大致球形形状、椭圆形形状或杆状形状。在一些实施例中，晶体纳米颗粒可具有米状形状或不规则形状。此外，晶体纳米颗粒形状在整个耐火层中可为基本上一致的。作为另外一种选择，晶体纳米颗粒形状在耐火层中可改变。IVB族金属氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一种的晶体纳米颗粒可具有在氧化铝基质相中的任何所需分布，包括基本上均匀的分布以及不均匀的分布。纳米颗粒例如可以预定方式分散在整个基质相中。在一些实施例中，例如，纳米颗粒以一个或多个纳米颗粒浓度带分布在氧化铝基质相中。纳米颗粒浓度带可沿着耐火层的厚度表现出周期性间隔或非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带涂层的制品，所述带涂层的制品包括：基底；以及涂层，所述涂层通过化学气相沉积法(CVD)来沉积，所述涂层粘附到所述基底，所述涂层包括耐火层，所述耐火层具有包括氧化铝的基质相以及包括在所述基质相内的纳米颗粒相，所述纳米颗粒相包括由IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种形成的晶体纳米颗粒。

【技术特征摘要】
2014.12.08 US 14/563,5621.一种带涂层的制品，所述带涂层的制品包括：
基底；以及
涂层，所述涂层通过化学气相沉积法(CVD)来沉积，所述涂层粘
附到所述基底，所述涂层包括耐火层，所述耐火层具有包括氧化铝的
基质相以及包括在所述基质相内的纳米颗粒相，所述纳米颗粒相包括
由IVB族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种形成的晶
体纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的带涂层的制品，其中所述晶体纳米颗粒在至少
一个维度上的平均尺寸为小于20nm。
3.根据权利要求1所述的带涂层的制品，其中所述晶体纳米颗粒为基本
上球形或椭圆形的。
4.根据权利要求3所述的带涂层的制品，其中所述基本上球形或椭圆形
的晶体纳米颗粒在至少一个维度上的平均尺寸为小于5nm。
5.根据权利要求1所述的带涂层的制品，其中所述晶体纳米颗粒为杆状
的。
6.根据权利要求5所述的带涂层的制品，其中所述杆状晶体纳米颗粒的
平均直径为小于5nm，并且平均长度为10nm至500nm。
7.根据权利要求1所述的带涂层的制品，其中所述晶体纳米颗粒以预定
方式分散在整个所述基质相中。
8.根据权利要求1所述的带涂层的制品，其中所述晶体纳米颗粒以一个
或多个纳米颗粒浓度带分布在所述基质相中。
9.根据权利要求8所述的带涂层的制品，其中所述纳米颗粒浓度带间隔
周期性距离。
10.根据权利要求9所述的带涂层的制品，其中所述周期性距离在10nm
至5μm的范围内。
11.根据权利要求9所述的带涂层的制品，其中所述周期性距离在10nm
至500nm的范围内。
12.根据权利要求8所述的带涂层的制品，其中所述纳米颗粒浓度带之间
的距离以预定方式沿所述耐火层的厚度改变。
13.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振宇，P·R·莱希特，R·A·库伯，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