專利名稱：立方氮化鋁鈦涂層及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
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(qǐng)中傳授了其中的某些發(fā)展:美國專利號(hào) 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(hào) 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(qǐng)?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(qǐng)?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(qǐng)WO 2009/031958A1和WO 2008/037556A2 ；以及目前未決的并且與本申請(qǐng)具有共同所有權(quán)的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)12/572,858。此外，此類硬涂層的發(fā)展一直是許多技術(shù)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(xué)與工程，A342 (2003) 58-79 ；J. Musil等人的“磁控濺射制備的超硬納米復(fù)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(jī)械特性和機(jī)加工性能”，表面與涂層技術(shù)(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(yīng)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(shù)，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(shù)(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(jī)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(shù)，107(1998)41-47 ;J. L. Endrino等人的“用于機(jī)加工奧氏體不銹鋼的硬AlTiN、AlCrN PVD 涂層”，表面涂層技術(shù)，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(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)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(xué)快報(bào)(J. of Material ScienceLetters),19(2000)601-602。盡管這種技術(shù)爭相被使用，但是對(duì)于改進(jìn)的機(jī)加工特性的需要繼續(xù)推動(dòng)著多項(xiàng)開發(fā)工作。不幸的是，現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)氮化鈦鋁涂層的特性的講述有時(shí)是矛盾和對(duì)立的。可能的情況是至少某些差異是由于氮化鋁鈦涂層的特性對(duì)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(cè)量這些特性的條件和技術(shù)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(yù)測(cè)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(gè)方面，提供了具有一個(gè)硬涂層的涂覆的切削刀具，該硬涂層包括至少一個(gè)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(cè)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(yīng)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(qiáng)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(gè)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(gè)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(shí)施方案包括將一個(gè)粘合層沉積在該基底上、接著是一個(gè)過渡層以及這些氮化鋁鈦層。


通過參照附圖將會(huì)更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)的重要性。然而，應(yīng)該理解的是附圖的設(shè)計(jì)僅是為了解說的目的并且不是作為對(duì)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(gè)實(shí)施方案的一種涂覆的切削刀具的透視圖，其中具有一個(gè)切開的截面。在這個(gè)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(gè)實(shí)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(gè)單層的氮化鋁鈦涂層。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)實(shí)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(gè)多層的硬涂層。
具體實(shí)施例方式在這個(gè)部分，對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)說明，足以讓本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來實(shí)踐本發(fā)明。然而，應(yīng)該理解的是在此說明了有限數(shù)目的優(yōu)選實(shí)施方案這個(gè)事實(shí)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(shí)在此處或者在所附權(quán)利要求書中使用術(shù)語“大約”來修飾本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的特征，都應(yīng)當(dāng)將其解釋為是指關(guān)于產(chǎn)生和/或測(cè)量該相關(guān)特征的正常公差。無論何時(shí)在此處或者在所附權(quán)利要求書中用一個(gè)范圍來描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的特征，該范圍都應(yīng)當(dāng)被解釋為包括該范圍的指定端點(diǎn)及其之間的每個(gè)點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(gè)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(cè)量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應(yīng)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(qiáng)度之比在大約I到大約14的范圍之內(nèi)。為便于表述，有時(shí)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(shí)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(qiáng)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(shí)施方案中，這個(gè)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(shí)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(gè)或多個(gè)層單獨(dú)地、或者與其他涂層材料的多個(gè)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(shí)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(shí)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(dāng)?shù)那邢鞯毒卟牧?。一些?yōu)選的基底材料的實(shí)例包括燒結(jié)碳化鎢。圖I展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的涂覆的切削刀具，該切削刀具處于具有一個(gè)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(gè)側(cè)表面8和一個(gè)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(gè)刀刃12。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(yīng)當(dāng)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(guān)系。參見圖2，示出了具有一個(gè)基底22和一個(gè)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(gè)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(gè)實(shí)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(gè)硬涂層32和一個(gè)基底34。硬涂層32包括一個(gè)氮化鈦粘合層36和該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個(gè)層38?，F(xiàn)在參見圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)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(gè)硬涂層52。硬涂層52具有一個(gè)氮化鈦粘合層56、該創(chuàng)造性氮化鋁鈦的一個(gè)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(cè)量的樣品概貌(profile)與計(jì)算的概貌進(jìn)行比較并且通過調(diào)整不同的參數(shù)使這兩個(gè)概貌之間的變化最小化。一個(gè)涂層的X射線衍射圖譜是借助一種采用掠入射技術(shù)的平行光束光學(xué)X射線衍射系統(tǒng)使用I度的于采集的掠射角進(jìn)行采集的。這種X射線衍射系統(tǒng)使用一個(gè)銅質(zhì)X射線管(在45KV和40MA下工作)、一個(gè)帶有1/16度防散射狹縫的CuW/Si拋物面反射鏡、一個(gè)0. 04弧度索勒狹縫，以及多個(gè)接收光學(xué)件，其中包括一個(gè)平面的石墨單色器、一個(gè)平行板準(zhǔn)直器以及一個(gè)密封的正比計(jì)數(shù)管。使用X射線分束來設(shè)置該涂層的樣本高度，并且針對(duì)Reitveld方法分析將計(jì)數(shù)次數(shù)和掃描速率進(jìn)行優(yōu)化。在分析過程中，對(duì)背景概貌進(jìn)行擬合并且對(duì)采集的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值搜索以便識(shí)別所有的峰位置以及峰強(qiáng)度，借助于它們來通過使用常規(guī)的晶相數(shù)據(jù)庫而識(shí)別樣品的相組成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到一個(gè)硬涂層的殘余應(yīng)力的測(cè)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(jìn)行這種測(cè)量的方法。重要的是要了解本發(fā)明的殘余應(yīng)力值是在該硬涂層被沉積在一個(gè)切削刀具的基底上、而非載玻片上時(shí)進(jìn)行測(cè)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(yīng)力是使用Sin2W方法進(jìn)行測(cè)量的。Sin2W應(yīng)力分析所要求的數(shù)據(jù)是使用“掠入射”XRD技術(shù)進(jìn)行采集的。用于這種應(yīng)力分析的儀器是配備有用于操縱樣品的歐拉架(Euleriancradle)的一臺(tái)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(xì)聚集X射線管。該儀器配有用于確定這些涂層中的應(yīng)力的平行光束光學(xué)件。該入射光學(xué)件包括一個(gè)Cu ff/Si拋物面X射線反射鏡、1/16度防散射狹縫以及一個(gè)
0.04弧度索勒狹縫。這些接收光學(xué)件包括一個(gè)0. 27度的平行板準(zhǔn)直器、一個(gè)平面的石墨單色器以及一個(gè)密封的正比計(jì)數(shù)管。用于應(yīng)力分析的《(歐米伽)角(掠射角)被固定在
1.0 度。對(duì)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(yīng)力通過以下通式進(jìn)行計(jì)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(gè)基底；以及 一個(gè)硬涂層，該硬涂層包括至少一個(gè)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(jìn)一步具有按照XRDSin2W方法測(cè)量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應(yīng)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(qiáng)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(xiàng)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(yīng)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(gè)基底；并且 b)在該基底上沉積一個(gè)硬涂層，該硬涂層包括一個(gè)氮化鋁鈦層，這個(gè)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(cè)量的、在從大約-0. 4GPa到大約_3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應(yīng)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(qiáng)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(jìn)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(xiàng)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(gè)硬涂層的步驟進(jìn)一步包括沉積包括選自下組的一種材料的至少一個(gè)層，該組由以下各項(xiàng)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(yīng)力、以及晶體取向中有至少一項(xiàng)是與權(quán)利要求6中對(duì)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(yīng)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(gè)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(cè)量的、在從大約-0.4GPa到大約-3GPa的范圍之內(nèi)的殘余應(yīng)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(qiáng)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(hào)B32B15/04GK102653148SQ201210023620
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)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(qǐng)人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司