專利名稱：立方氮化鋁鈦涂層及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具 有含氮化鋁鈦的硬涂層的切削刀具以及制造此類涂覆的切削刀具的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及具有含氮化鋁鈦的硬涂層的涂覆的切削刀具，這種氮化鋁鈦具有BI立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTih)N的組成，其中X是在大約0. 46摩爾到大約0. 52摩爾的范圍之內(nèi)。
背景技術：
眾所周知的是使用含氮化鋁鈦的硬涂層來提高切削刀具的性能。此類硬涂層的發(fā)展始于1980年代并且延續(xù)至今。在以下專利以及公開的專利申請中傳授了其中的某些發(fā)展:美國專利號 7, 431，988B2 ;7，188，463B2 ;7，169，485B2 ;7，094，479B2 ;7，018，726B2 ；6，924，454B2 ;6，866，921B2 ;6，844，069B2 ;6，838，151B2 ;6，811，581B2 ;6，737，178B2 ；6，688，817B2 ;6，669，747B2 ;6，599，062B1 ;6，558，749B2 ;6，565，957B2 ;6，395，379B1 ；6，333，099B1 ;6，274，249B1 ;6，250，855B1 ;6，110，571 ;6，071，560 ;6，033，734 ；5，712，030 ;5，296，016 ;歐洲專利號 EP I 762 637 BI ；EP I 674 597 BI ；EP I 260611BI ；EP I 150 792 BI ；EP I 122 226 BI ；EP I 021 584 BI ；EP I 099 003 BI ；EP1 087026 BI ；EP I 038 989 BI ；EP I 017 870B1 ；EP 0 925 386 BI ；EP 0 801 144 BI ；EP 0798 399 BI ；EP 0 709353 BI ；EP 0 558 061 BI ；EP 0 492 059 BI ;美國公開專利申請?zhí)?US 2009/0098372A1 ；US 2009/0075114A1 ；US 2008/0299383A1 ；US 2008/02896608A1 ；US 2007/0148496A1 ；US 2007/0059558A1 ；US 2006/0257562A1 ；US 2006/0219325A1 ；US2006/0154051A1 ;歐洲公開專利申請?zhí)?EP 2 017 366 Al ；EP 2 008 743 Al ；EP 2 000236Al ；EP I 801 260 Al ；EP I 683 875 A2 ；EP I 616 978 Al ；EP I 616 974 Al ；EP I 470879 A8 ;公開的PCT專利申請WO 2009/031958A1和WO 2008/037556A2 ；以及目前未決的并且與本申請具有共同所有權(quán)的美國專利申請序列號12/572,858。此外，此類硬涂層的發(fā)展一直是許多技術論文的主題，例如S. PalDey等人的“(Ti，A1)N的單層和多層耐磨涂層綜述”，材料科學與工程，A342 (2003) 58-79 ；J. Musil等人的“磁控濺射制備的超硬納米復合 TihAlxN 膜”，固體薄膜(ThinSolid Films), 365 (2000) 104-109 ；A. H6rling 等人的“TihAlxN*覆的切削刀具的機械特性和機加工性能”，表面與涂層技術(Surface&Coatings Technology) 191 (2005) 384-392 ；G. H&kanS SOn等人的“直流磁控派射沉積生長的多晶亞穩(wěn)Tia5Ala5N合金的微結(jié)構(gòu)和物理特性”，固體薄膜，191 (1987) 55-65 ；C. -T.Huang等人的“通過反應射頻磁控濺射在A2工具鋼上沉積(Ti，A1)N膜”，表面與涂層技術，71 (1995) 259-266 ；M. Arndt等人的“新AlTiN涂層在干式和高速切削中的性能”，表面涂層技術(Surface CoatingsTechnology), 163-164 (2003) 674-680 ；R. Cremer 等人的“通過組合方法優(yōu)化(Ti, A1)N硬涂層”，國際無機材料雜志(InternationalJournal ofInorganic Materials)，3 (2001) 1181-1184 ；T. Suzuki 等人的 “ (Ti, Al)N 膜的微結(jié)構(gòu)和晶界”，表面涂層技術，107(1998)41-47 ;J. L. Endrino等人的“用于機加工奧氏體不銹鋼的硬AlTiN、AlCrN PVD 涂層”，表面涂層技術，200 (2006) 6840-6845 ；ff. -D. Munz 的“氮化鈦鋁膜TiN涂層的一種新型替代物”,真空科學技術雜志(J. Vacuum Science Technology), A4 (6)(1986)2717-2725 ；M. Zhou等人的“射頻等離子體輔助磁控濺射制備的Ti-Al-N薄膜的相變和特性”，固體薄膜，339 (1999) 203-208 ；Y. Tanaka等人的“陰極電弧離子鍍方法制備的用于切削刀具的(TihAlx)N涂層的特性”，真空科學技術雜志，A 10(4) (1992) 1749-1756 ；A. H6rIing等人的“電弧蒸發(fā)的高鋁含量TihAlxN薄膜的熱穩(wěn)定性”，真空科學技術雜志，A 20(5) (2002) 1815-1823 ；T. Ikeda等人的“陰極電弧等離子鍍方法制備的Ti-Al-N系統(tǒng)中的硬涂層的相形成和相表征”，固體薄膜，195(1991)99-110 ;以及A. Kimura等人的“具有不同Al含量的亞穩(wěn)(TihAlx)N膜”,材料科學快報(J. of Material ScienceLetters),19(2000)601-602。盡管這種技術爭相被使用，但是對于改進的機加工特性的需要繼續(xù)推動著多項開發(fā)工作。不幸的是，現(xiàn)有技術中有關氮化鈦鋁涂層的特性的講述有時是矛盾和對立的?？赡艿那闆r是至少某些差異是由于氮化鋁鈦涂層的特性對用于沉積這些硬涂層的確切條件和參數(shù)、它們被沉積在其上的基底、以及用于測量這些特性的條件和技術的敏感性。大量的可能條件與參數(shù)的組合的結(jié)果是很難預測涂覆的切削刀具的何種硬涂層特性將被用于一 種具體的氮化鋁鈦涂層組成。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，提供了具有一個硬涂層的涂覆的切削刀具，該硬涂層包括至少一個氮化鋁鈦層，該氮化鋁鈦層具有BI立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTih)N的組成，其中X是在大約0.46摩爾到大約0.52摩爾的范圍之內(nèi)；該硬涂層具有按照XRD Sin2W方法測量的、在從大約-0. 4吉帕斯卡到大約-3吉帕斯卡(GPa)的范圍之內(nèi)的殘余應力，以及一種晶體取向，該晶體取向的特征為X射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在從大約I到大約14的范圍之內(nèi)。優(yōu)選地，該氮化鋁鈦層具有的平均晶粒大小在大約15納米到大約50納米的范圍之內(nèi)。該硬涂層的總厚度優(yōu)選在大約I微米到大約10微米的范圍之內(nèi)。優(yōu)選地，該硬涂層包括多于一個的此類氮化鋁鈦層。優(yōu)選地，該基底是燒結(jié)碳化鎢。同樣優(yōu)選地，該基底被配置為端銑刀、銑削工具、車削工具或者鉆孔工具的形式。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于制造此類涂覆的切削刀具的方法。此類方法的優(yōu)選實施方案包括將一個粘合層沉積在該基底上、接著是一個過渡層以及這些氮化鋁鈦層。


通過參照附圖將會更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點的重要性。然而，應該理解的是附圖的設計僅是為了解說的目的并且不是作為對本發(fā)明的界限的一種限定。圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的透視圖，其中具有一個切開的截面。在這個切開的截面中，已將該硬涂層的一部分去除以便露出該基底。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的一部分的截面示意圖，該切削刀具具有一個單層的氮化鋁鈦涂層。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的一部分的截面示意圖，該切削刀具具有一個粘合層、其后跟隨該氮化鋁鈦涂層。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的一種涂覆的切削刀具的一部分的截面示意圖，該切削刀具具有一個多層的硬涂層。
具體實施例方式在這個部分，對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方案進行了詳細說明，足以讓本領域的普通技術人員來實踐本發(fā)明。然而，應該理解的是在此說明了有限數(shù)目的優(yōu)選實施方案這個事實并不以任何方式限制如所附權(quán)利要求書中列出的本發(fā)明的范圍。無論何時在此處或者在所附權(quán)利要求書中使用術語“大約”來修飾本發(fā)明的一個實施方案的特征，都應當將其解釋為是指關于產(chǎn)生和/或測量該相關特征的正常公差。無論何時在此處或者在所附權(quán)利要求書中用一個范圍來描述本發(fā)明的一個實施方案的特征，該范圍都應當被解釋為包括該范圍的指定端點及其之間的每個點。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案包括具有硬涂層的涂覆的切削刀具，該硬涂層包括至少一個氮化鋁鈦層，該氮化鋁鈦層具有BI立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTih)N的組成，其中X是在大約0. 46摩爾到大約0. 52摩爾的范圍之內(nèi)；該硬涂層具有按照XRD Sin2W方法測量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應力以及一種晶體取向，該晶體取向的特征為X射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在大約I到大約14的范圍之內(nèi)。為便于表述，有時候?qū)祟惖X鈦層的材料在此稱為“創(chuàng)造性氮化鋁鈦”。優(yōu)選地，這種創(chuàng)造性氮化鋁鈦的平均晶粒大小是在從大約15納米到大約50納米的范圍之內(nèi)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，這些硬涂層的晶體取向的特征為X射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在大約I到大約10的范圍之內(nèi)。在甚至更優(yōu)選的實施方案中，這個比率是在從大約5到大約10的范圍之內(nèi)。如本發(fā)明的實施方案所述的這些硬涂層可以由該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個或多個層單獨地、或者與其他涂層材料的多個層相結(jié)合地組成。這些其他涂層材料可以包括具有與這些創(chuàng)造性氮化鋁鈦層不同的特征的氮化鋁鈦層。其他涂層材料的實例還包括具有(AlxTih)N組成的氮化鋁鈦，其中X不是在0. 46-0. 52的范圍之內(nèi)，例如TiN和(AlxTi1JN，其中X大于0. 52。如本發(fā)明的實施方案所述的涂覆的切削刀具的基底可以具有任何切削刀具構(gòu)形。優(yōu)選地，該基底具有端銑刀、銑削工具、車削工具或者鉆孔工具的構(gòu)形。這些基底還可以包括與用于沉積該硬涂層的一種或多種工藝兼容的任何適當?shù)那邢鞯毒卟牧?。一些?yōu)選的基底材料的實例包括燒結(jié)碳化鎢。圖I展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的涂覆的切削刀具，該切削刀具處于具有一個硬涂層4的涂覆的切削鑲片2的形式。在圖I中將硬涂層4的一部分切開以便顯示出下面的基底6。切削鑲片2具有一個側(cè)表面8和一個前刀面10。側(cè)表面8和前刀面10相交而在其接合處形成一個刀刃12。應當認識到本發(fā)明的涂覆的切削刀具可以呈現(xiàn)出與圖I中所示的切削鑲片2的幾何形狀不相同的多種幾何形狀。例如，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的一種涂覆的切削刀具可以處于任何其他類型的車削工具、端銑刀或者鉆孔工具的形式。圖2至圖4展示了根據(jù)本發(fā)明的多個實施方案的涂覆的切削鑲片在硬涂層與基底的界面處的截面部分。應當理解的是在這些圖中層厚度的表示不是按比例的、并且僅僅旨、在顯示這些層與該基底的大致的空間關系。參見圖2，示出了具有一個基底22和一個硬涂層24的一種涂覆的切削刀具20，該硬涂層由該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個單層組成。硬涂層24可以具有任何希望的厚度、但是優(yōu)選地具有在I微米到10微米范圍之內(nèi)的厚度?，F(xiàn)在參見圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種涂覆的切削刀具30。涂覆的切削刀具30具有一個硬涂層32和一個基底34。硬涂層32包括一個氮化鈦粘合層36和該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個層38?，F(xiàn)在參見圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的一種涂覆的切削刀具50，該切削刀具在基底54上具有一個硬涂層52。硬涂層52具有一個氮化鈦粘合層56、該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個層58以及小于I. 5 ii m厚的頂部氮化鈦層60。這種創(chuàng)造性氮化鋁鈦具有一種B2立方晶體結(jié)構(gòu)并且沒有六方相。六方體相的缺 失可以使用Reitveld方法(這是一種全譜擬合法)通過x射線衍射來確定。在Reitveld方法中，將測量的樣品概貌(profile)與計算的概貌進行比較并且通過調(diào)整不同的參數(shù)使這兩個概貌之間的變化最小化。一個涂層的X射線衍射圖譜是借助一種采用掠入射技術的平行光束光學X射線衍射系統(tǒng)使用I度的于采集的掠射角進行采集的。這種X射線衍射系統(tǒng)使用一個銅質(zhì)X射線管(在45KV和40MA下工作)、一個帶有1/16度防散射狹縫的CuW/Si拋物面反射鏡、一個0. 04弧度索勒狹縫，以及多個接收光學件，其中包括一個平面的石墨單色器、一個平行板準直器以及一個密封的正比計數(shù)管。使用X射線分束來設置該涂層的樣本高度，并且針對Reitveld方法分析將計數(shù)次數(shù)和掃描速率進行優(yōu)化。在分析過程中，對背景概貌進行擬合并且對采集的樣品數(shù)據(jù)進行峰值搜索以便識別所有的峰位置以及峰強度，借助于它們來通過使用常規(guī)的晶相數(shù)據(jù)庫而識別樣品的相組成。本領域的普通技術人員將認識到一個硬涂層的殘余應力的測量值是取決于眾多因素的，包括在其上沉積了硬涂層的該基底的構(gòu)形和組成以及用于進行這種測量的方法。重要的是要了解本發(fā)明的殘余應力值是在該硬涂層被沉積在一個切削刀具的基底上、而非載玻片上時進行測量的。而且重要的是要了解本發(fā)明的涂覆的切削刀具的硬涂層的殘余應力是使用Sin2W方法進行測量的。Sin2W應力分析所要求的數(shù)據(jù)是使用“掠入射”XRD技術進行采集的。用于這種應力分析的儀器是配備有用于操縱樣品的歐拉架(Euleriancradle)的一臺帕納科(PANalytical)Xpert Pro MRD。該x射線源是在45KV和40MA下工作的長的銅質(zhì)的細聚集X射線管。該儀器配有用于確定這些涂層中的應力的平行光束光學件。該入射光學件包括一個Cu ff/Si拋物面X射線反射鏡、1/16度防散射狹縫以及一個
0.04弧度索勒狹縫。這些接收光學件包括一個0. 27度的平行板準直器、一個平面的石墨單色器以及一個密封的正比計數(shù)管。用于應力分析的《(歐米伽)角(掠射角)被固定在
1.0 度。對于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(331)、(420)和(422)反射來采集數(shù)據(jù)。
該涂層的殘余應力通過以下通式進行計算
d(pv, d° = S.icr, +(J2) + ]-S2CJv sin2 y/
Gcp - G1 cos2 CpjTO2 sin2 cp其中
權(quán)利要求
1.一種涂覆的切削刀具，包括 具有一種切削刀具構(gòu)形的一個基底；以及 一個硬涂層，該硬涂層包括至少一個氮化鋁鈦層，該氮化鋁鈦層具有BI立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTih) N的組成，其中X是在大約0. 46到大約0. 52摩爾的范圍之內(nèi)；該硬涂層進一步具有按照XRDSin2W方法測量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應力以及一種晶體取向，該晶體取向的特征為X射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在大約I到大約14的范圍之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該基底包括燒結(jié)碳化鎢。
3.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該基底的構(gòu)形是選自下組中的一種，該組由以下各項組成端銑刀、銑削工具、車削工具、以及鉆孔工具。
4.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該硬涂層具有的平均晶粒大小在從大約15納米到大約50納米的范圍之內(nèi)。
5.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中該硬涂層的殘余應力是在從大約-0. 4GPa到大約-2. 5GPa的范圍之內(nèi)。
6.一種用于制造具有硬涂層的涂覆的切削刀具的方法，該方法包括以下步驟 a)提供具有切削刀具構(gòu)形的一個基底；并且 b)在該基底上沉積一個硬涂層，該硬涂層包括一個氮化鋁鈦層，這個氮化鋁鈦層具有BI立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTih) N的組成，其中X是在大約0. 46摩爾到大約0. 52摩爾的范圍之內(nèi)； 其中，該硬涂層具有按照XRD Sin2W方法測量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應力，并且具有一種晶體取向，該晶體取向的特征為X射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在大約I到大約14的范圍之內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在步驟(b)的過程中該基底溫度是在350°C到大約600°C的范圍之內(nèi)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在步驟(b)的過程中該基底的偏置電壓是在從大約-20V到大約-80V的范圍之內(nèi)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在步驟(b)的過程中該基底的偏置電壓是在-20V到大約-80V內(nèi)進行交變。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該基底包括燒結(jié)碳化鎢。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該基底的構(gòu)形是選自下組中的一種，該組由以下各項組成端銑刀、銑削工具、車削工具、以及鉆孔工具。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該硬涂層具有的平均晶粒大小是在從大約15納米到大約50納米的范圍之內(nèi)。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，其中沉積一個硬涂層的步驟進一步包括沉積包括選自下組的一種材料的至少一個層，該組由以下各項組成碳化鈦和一種氮化鋁鈦，這種氮化鋁鈦在其組成、晶體結(jié)構(gòu)、殘余應力、以及晶體取向中有至少一項是與權(quán)利要求6中對指定的氮化鋁鈦所指定的情況不同的。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該硬涂層的殘余應力是在從大約-0.4GPa到大約-2. 5GPa的范圍之內(nèi)。
全文摘要
在此披露了具有一種硬涂層的涂覆的切削刀具，該硬涂層包括至少一個氮化鋁鈦層，該氮化鋁鈦層具有B1立方體相的一種單一相結(jié)構(gòu)和(AlxTi1-x)N的組成，其中x是在大約0.46摩爾到大約0.52摩爾的范圍之內(nèi)。這些硬涂層還具有按照XRD Sin2Ψ方法測量的、在從大約-0.4GPa到大約-3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應力，以及一種晶體取向，該晶體取向的特征為x射線衍射的(200)與(111)峰強度之比在大約1到大約14的范圍之內(nèi)。優(yōu)選地，這種氮化鋁鈦層具有的平均晶粒大小是在大約15納米到大約50納米的范圍之內(nèi)。在此還披露了制造此類涂覆的切削刀具的方法。
文檔編號B32B15/04GK102653148SQ201210023620
公開日2012年9月5日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月7日
發(fā)明者R·M·潘尼克, 倪旺陽, 劉一雄, 班志剛 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司