化學(xué)汽相淀積涂層切削刀片及其制造方法
【專利摘要】一種用于切屑形成材料去除作業(yè)的涂層切削刀片，其中所述的涂層切削刀片具有一個(gè)基材和所述基材上的一個(gè)涂層方案。所述涂層方案包括一層CVD過(guò)渡涂層。所述涂層方案還包括一個(gè)具有多次涂層應(yīng)用的CVD多層涂層方案。每一次涂層應(yīng)用包括一層氧化鋁涂層和一層含氮涂層。
【專利說(shuō)明】
化學(xué)汽相淀積涂層切削刀片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本公開(kāi)內(nèi)容涉及化學(xué)汽相淀積(CVD)涂層切削刀片及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明涉及一種涂層切削刀片，尤其涉及一種利用化學(xué)汽相淀積(CVD)方法進(jìn)行 涂層、可運(yùn)用于加工、車削和銑削等切肩形成材料去除應(yīng)用中的涂層切削刀片，及其制造方 法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種CVD涂層切削刀片，它包括在其上面采用涂層方案的基材， 其中此涂層方案包括多個(gè)涂層，每個(gè)涂層采用多層涂層方案，它包括多次的重復(fù)涂層應(yīng)用。 每次涂層應(yīng)用包括一層氧化鋁涂層和一層含氮物質(zhì)涂層(例如鈦氮氧化鋁或氮化鈦或二氮 化鋯），通過(guò)此涂層方案，即采用CVD方法，實(shí)現(xiàn)更高的韌性、良好的抗裂性、可接受的粘結(jié)性 能、可接受的防磨損性能和可接受的刀刃完整性，以及一種制造此涂層切削刀片的方法。
[0003] 迄今為止，涂層切削刀片等涂層體在切肩形成材料去除應(yīng)用中已得到應(yīng)用。這種 涂層切削刀片一般包括切削刀片幾何形狀的基材和在所述基材上的涂層方案。由所述涂層 方案組成的涂層一般包括具有防磨損性能的硬質(zhì)耐火材料。在切削刀片上使用涂層的一個(gè) 主要目的在于延長(zhǎng)切削刀片在材料去除應(yīng)用中的使用壽命。以下文檔介紹了部分典型的使 用硬質(zhì)耐火材料的涂層方案：歐洲專利申請(qǐng)?zhí)? 245 698 Bl(Mitsubishi Materials Corp·)，歐洲專利申請(qǐng)?zhí)? 455 003 A2(Sandvik AB)，歐洲專利申請(qǐng)?zhí)? 980 649 B1 (Iscar Ltd.)，美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)?zhí)朥S2012/0202032(Tatsuoka等），美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)?zhí)?US2013/0045057(Kojima等），美國(guó)專利號(hào) 7，132，153(2&。1^88〇11等），美國(guó)專利號(hào)7,396,371 (Cedergren等），美國(guó)專利號(hào)7，455，918(Gates、Jr ·等），美國(guó)專利號(hào)7，470，296(Londholm 等），美國(guó)專利號(hào)7,597,951({^加丨也川(^丨-等），美國(guó)專利號(hào)7,727,592(〇6(16找代11等），美國(guó) 專利號(hào)7,785,665(6&七68、介.等），美國(guó)專利號(hào)8,080,312(]\^如《^等），美國(guó)專利號(hào)8,080， 323 (Ban等），美國(guó)專利號(hào)8,323,783 (Sot tke等），美國(guó)專利號(hào)8,557,406 (Ban等）， Chinchanikar等人，"高速加工硬化AISI 4340鋼過(guò)程中單層和多層涂層硬質(zhì)合金刀片的磨 損行為"，《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)雜志》，27(5)，（2013年），第1451頁(yè)-第1459頁(yè)，和Halvarsson等 人，"CVDK-A1203多層的微觀結(jié)構(gòu)和性能"，《材料科學(xué)與工程》，A209(1996年），第337頁(yè)-第 344 頁(yè)。
[0004] 從上述文檔可以明顯看出，過(guò)去涂層切削刀片采用了許多不同的涂層方案。根據(jù) 這些文檔，這些涂層方案中的每一個(gè)方案都應(yīng)該有其各自的某些優(yōu)點(diǎn)。即便這些涂層方案 都有其各自的某些優(yōu)點(diǎn)，但是仍需要提供一種不僅能夠延長(zhǎng)涂層切削刀片的使用壽命，而 且能夠改善涂層切削刀片在材料去除應(yīng)用中的性能特點(diǎn)的涂層方案。此外，仍需要提供一 種改進(jìn)的涂層切削刀片，其涂層方案能夠擁有高韌性，實(shí)現(xiàn)更佳的刀刃完整性，尤其是經(jīng)常 中斷的車削和銑削作業(yè)。另外，仍需要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片，其涂層方案包括多層 涂層方案，從而在所述涂層方案中更好地抑制無(wú)論是由于機(jī)械應(yīng)力或是熱循環(huán)導(dǎo)致的裂紋 增大和擴(kuò)展。再者，仍需要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片，其包括一層過(guò)渡涂層，用于提升 所述多層涂層方案的成核和粘附能力。
[0005] 因此，極有必要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片 在材料去除應(yīng)用中非常有用。極有必要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中 所述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其中所述切削刀片在這類應(yīng)用中用于延長(zhǎng)刀具 使用壽命。極有必要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片運(yùn)用 于材料去除應(yīng)用中，其中，所述涂層切削刀片在這類應(yīng)用中具有改進(jìn)的性能特征。
[0006] 極有必要提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料 去除應(yīng)用中非常有用，其中所述涂層切削刀片在這類應(yīng)用中采用的涂層方案能夠擁有高韌 性，實(shí)現(xiàn)更佳的刀刃完整性，尤其是經(jīng)常中斷的車削和銑削作業(yè)。極有必要提供一種改進(jìn)的 涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其中，所述涂 層切削刀片在這類應(yīng)用中采用的涂層方案包括多層涂層方案，從而在所述涂層方案中更好 地抑制無(wú)論是由于機(jī)械應(yīng)力或是熱循環(huán)導(dǎo)致的裂紋增大和擴(kuò)展。極有必要提供一種改進(jìn)的 涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其中，所述涂 層切削刀片包括一層過(guò)渡涂層，用于提升所述多層涂層方案的成核和粘附能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 從其中一種形式來(lái)看，本發(fā)明涉及一種用于切肩材料去除作業(yè)的涂層切削刀片。 所述涂層切削刀片包括一個(gè)基材和在所述基材上的一個(gè)涂層方案。所述涂層方案包括一種 通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法而淀積的背面涂層方案，其中背面涂層方案在所述基材的表面上。 過(guò)渡涂層通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法淀積在背面涂層方案的表面上。多層涂層方案包括多次涂 層應(yīng)用，它通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法淀積在過(guò)渡涂層的表面上。每一次涂層應(yīng)用包括一層采 用α氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋁涂層和一層采用含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)的含氮涂層。氧化鋁晶體 結(jié)構(gòu)不同于含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)，相鄰氧化鋁涂層與含氮涂層之間有一個(gè)明顯邊界。
[0008] 從另一種形式來(lái)看，本發(fā)明涉及一種制造涂層切削刀片的方法，它包括如下步驟： 提供一個(gè)基材;采用化學(xué)汽相淀積方法涂覆過(guò)渡涂層;采用化學(xué)汽相淀積方法在過(guò)渡涂層 上應(yīng)用多層涂層方案，其中多層涂層方案包括多次涂層應(yīng)用，其中每次涂層應(yīng)用的步驟包 括:首先涂覆一層氧化鋁涂層，涂層淀積參數(shù)保持不變，其中氧化鋁涂層采用α氧化鋁晶體 結(jié)構(gòu);然后通過(guò)涂覆一層采用含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)的含氮涂層，中斷氧化鋁涂層的涂覆，其中 含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)不同于α氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)，從而在氧化鋁涂層與含氮涂層之間形成一個(gè) 明顯邊界。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 以下為構(gòu)成本專利申請(qǐng)一部分的附圖的簡(jiǎn)要介紹：
[0010]附圖1示意了一種涂層切削刀片的等距視圖，如圖所示，所述涂層切削刀片的基材 應(yīng)用了涂層方案，其中，為了露出基材，涂層方案的一部分已被移除；
[0011] 附圖2示意了一種涂層切削刀片的第一個(gè)具體實(shí)施例的橫斷面視圖，如示意圖所 示，所述基材和所述涂層采用了所述涂層方案；
[0012] 附圖3示意了一種涂層切削刀片的涂層方案的第二個(gè)具體實(shí)施例的橫斷面視圖， 如示意圖所示，所述基材和所述涂層采用了所述涂層方案；
[0013]附圖4示意了一種涂層刀片的橫斷面視圖的顯微照片（比例ΙΟμπι)，圖中示意了在 硬質(zhì)合金基材上的背面涂層方案之上淀積的多個(gè)涂層應(yīng)用形成的鮮明分層。
[0014] 附圖5示意了一種涂層切削刀片的第四個(gè)具體實(shí)施例的橫斷面視圖，如示意圖所 示，所述基材和所述涂層采用了所述涂層方案；
[0015] 附圖6A示意了一種發(fā)明的磨損涂層切削刀片的橫斷面的顯微照片（比例500μπι)， 其中所述顯微照片上的某個(gè)區(qū)域被指定為"6B/CT' ；
[0016] 附圖6Β示意了附圖6Α中被指定為6B/C的區(qū)域的顯微照片（比例100μπΟ;
[0017]附圖6C示意了附圖6Α中被指定為6B/C、但相對(duì)于附圖6Β旋轉(zhuǎn)且包含涂層標(biāo)簽的區(qū) 域的顯微照片（比例100μπι);
[0018] 附圖7Α示意了一種傳統(tǒng)磨損涂層切削刀片的橫斷面視圖的顯微照片（比例500μ m)，其中所述顯微照片上的某個(gè)區(qū)域被指定為"7B/CT' ；
[0019] 附圖7B示意了附圖7A中被指定為7B/C的區(qū)域的顯微照片(比例100μπι);以及
[0020] 附圖7C示意了附圖7Α中被指定為7B/C、但相對(duì)于附圖7Β旋轉(zhuǎn)且包含涂層標(biāo)簽的區(qū) 域的顯微照片（比例100μπι)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明涉及一種涂層切削刀片，用于切肩形成材料去除作業(yè)。在切肩形成材料去 除作業(yè)中，所述切削刀片切削工件，使材料成碎肩狀從工件中去除。所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人 員通常將這種使材料成碎肩狀從工件中去除的材料去除作業(yè)稱為切肩形成材料去除作業(yè)。 Moltrecht所著的《工廠實(shí)習(xí)》[紐約工業(yè)出版公司，紐約（1981年）]一書在199-204頁(yè)中特別 介紹了切肩形成的內(nèi)容以及各種不同的切肩種類（即帶狀切肩、間斷切肩、節(jié)狀切肩）。 Moltrecht在第199-200頁(yè)介紹到[摘錄部分]，"當(dāng)切削刀具開(kāi)始接觸金屬時(shí)，會(huì)壓緊切肩刃 前面的金屬。隨著切削刀具向前推進(jìn)，切肩刃前面的金屬被壓到要內(nèi)部剪切的位置上，引起 金屬顆粒變形，并沿著一個(gè)稱為剪切面的平面呈塑性流動(dòng)……如果待切削金屬為鋼等韌性 金屬，則切肩將以連續(xù)帶狀的形式分離……"。Moltrecht還介紹了間斷切肩和節(jié)狀切肩的 形成。
[0022] 再如，在紐約McGraw Hill出版社（1949年）出版的《ASTE工具工程師手冊(cè)》一書中， 其第302-315頁(yè)詳細(xì)介紹了金屬切肩過(guò)程中切肩的形成。在《ASTE手冊(cè)》一書的第303頁(yè)，清 楚介紹了切肩形成與車削、銑削和鉆孔等加工操作之間的關(guān)系。以下專利文檔討論了材料 去除作業(yè)中切肩的形成：美國(guó)專利號(hào)5，709，907(Battagl ia等）（分配給Kennametal Inc ·)， 美國(guó)專利號(hào)5,722,803(1^1^&81丨&等）（分配給1(611仙1116七&1111(3.)，和美國(guó)專利號(hào)6，161，990 (Oles等）（分配給Kennametal Inc·)。
[0023]附圖示意了涂層切削刀片的眾多具體實(shí)施例。附圖1中示意了一種涂層切削刀片， 一般指定為20,其中所述涂層切削刀片20具有基材22和在所述基材22上的涂層方案24。所 述涂層切削刀片20圖示了一種用作涂層切削刀片的典型幾何形狀。這些涂層方案的具體實(shí) 施例將在后文逐一詳細(xì)討論。
[0024]如附圖2所示的涂層方案，有一種涂層切削刀片，一般指定為30,它包括基材32和 在所述基材32的表面31上的涂層方案32A。涂層方案32A包括背面涂層方案33,其中背面涂 層方案包括基材32的表面上的TiN涂層34，TiN涂層34上的MT-TiCN涂層36和MT-TiCN涂層36 上的TiCN涂層37Z'MT-TiCN涂層"指的是采用化學(xué)汽相淀積(CVD)方法在適當(dāng)溫度條件(約 750°C與920°C之間）下淀積的一層碳氮化鈦涂層。與所述的MT-TiCN涂層不同，"HT-TiCN"或 "TiCN"涂層指的是采用CVD方法在大于約950°C (-般介于950°C與1020°C之間）的溫度條件 下淀積的一層碳氮化鈦涂層。
[0025] HT-TiCN涂層37上有一層含鈦、氧、碳和氮的Ti+0+C+N過(guò)渡涂層38。需要記住的是， 盡管
【申請(qǐng)人】不用受Ti+0+C+N過(guò)渡涂層功能相關(guān)的任何特定理論所約束，但是有人認(rèn)為Ti+0 +C+N過(guò)渡涂層的作用在于增強(qiáng)多層涂層方案中涂層的成核和粘附能力。
[0026]所述多層涂層方案49在Ti+0+C+N過(guò)渡涂層38上，其中所述多層涂層方案49包括多 次涂層應(yīng)用(39,43)。盡管附圖2示意了兩次涂層應(yīng)用，但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于此具體實(shí)施例和 本文其他具體實(shí)施例，涂層應(yīng)用次數(shù)沒(méi)作具體規(guī)定。例如，在兩次和十六次涂層應(yīng)用之間， 相當(dāng)于四個(gè)與三十二個(gè)涂層之間，適用于此具體實(shí)施例和本文其他具體實(shí)施例。涂層應(yīng)用 39包括一層氧化鋁涂層40和一層TiO xCyNz涂層42。涂層應(yīng)用43包括一層氧化鋁涂層44和一 層TiO xCyNz涂層46。此具體實(shí)施例以及本文所有實(shí)施例的氧化鋁涂層均是氧化鋁的α結(jié)晶 相。對(duì)于 TiOxCyNz涂層 42和 46，x、y和ζ 的值分別如下:0〈x〈0.7、0〈y〈0.7、0〈z〈0.7。
[0027] 選擇涂層的組成，所述涂層包括多層涂層方案的涂層應(yīng)用，以至于每個(gè)涂層的淀 積會(huì)被之后涂層的淀積突然中斷。結(jié)果，隨著之后涂層的開(kāi)始，會(huì)完全中斷之前涂層的結(jié)晶 生長(zhǎng)。涂層組成或者涂層參數(shù)發(fā)生變化都可能導(dǎo)致這類突然中斷的現(xiàn)象，從而形成一層獨(dú) 特的晶體結(jié)構(gòu)。此類變化可能造成相鄰?fù)繉又g的晶體結(jié)構(gòu)不同。這些中斷會(huì)造成相鄰?fù)?層之間出現(xiàn)明顯邊界，以至于每個(gè)涂層內(nèi)的復(fù)合物無(wú)混晶相。
[0028] 盡管附圖2未顯示，但是本發(fā)明的可選實(shí)施例包含一個(gè)外涂層方案，它可以通過(guò) CVD方法涂覆在重復(fù)應(yīng)用的最外層上。此類外涂層可能包括碳化物、碳氮化物、氮化物或者 由IVb組某個(gè)元素構(gòu)成的氧碳氮化物。
[0029]下表1給出了涂層方案的厚度范圍和附圖2中所示涂層切削刀片30的涂層。
[0030] 表1一一涂層方案的厚度和附圖2的涂層
[0031]
~下表2給出了附圖2所示涂層切削刀片30的涂層方案32A的淀積的淀積參數(shù) '
[0033]表2-一附圖2所示涂層方案的制作過(guò)程
[0034]
[0036]如附圖3所示的涂層方案，有一種涂層切削刀片，一般指定為50,它包括基材52和 在所述基材52的表面51上的涂層方案52A。涂層方案52A包括背面涂層方案54,其中背面涂 層方案包括基材52的表面上的TiN涂層56，TiN涂層56上的MT-TiCN涂層58和MT-TiCN涂層58 上的HT-TiCN涂層59。
[0037] TiCN涂層59上有一層含鈦、氧、碳和氮的Ti+0+C+N過(guò)渡涂層60。需要記住的是，盡 管
【申請(qǐng)人】不用受Ti+0+C+N過(guò)渡涂層功能相關(guān)的任何特定理論所約束，但是有人認(rèn)為Ti+0+C +N過(guò)渡涂層的作用在于增強(qiáng)多層涂層方案中涂層的成核和粘附能力。
[0038]所述多層涂層方案69在Ti+0+C+N過(guò)渡涂層60上，其中所述多層涂層方案69包括多 次涂層應(yīng)用（64，70)。涂層應(yīng)用64包括一層氧化鋁涂層66和一層TiN涂層68，而涂層應(yīng)用70 包括一層氧化鋁涂層72和一層TiN涂層74。盡管附圖3未顯示，但是本發(fā)明的可選實(shí)施例包 含一個(gè)外涂層方案，它可以通過(guò)CVD方法涂覆在重復(fù)應(yīng)用的最外層上。此類外涂層可能包括 碳化物、碳氮化物、氮化物或者由IVb組某個(gè)元素構(gòu)成的氧碳氮化物。
[0039]下表3給出了涂層方案的厚度范圍和附圖3所示涂層切削刀片30的涂層。
[0040]表3-一涂層方案的厚度和附圖3的涂層
[0041]
[0043] 下表4給出了附圖3所示涂層切削刀片50的涂層方案52A的淀積的淀積參數(shù)
[0044] 表4一一附圖3所示涂層方案的制作過(guò)程
[0045]
CD 容積琢分比 1.0-1.5.
[0046]如附圖4顯微照片中所示的涂層切削刀片的顯微結(jié)構(gòu)，涂層刀片的橫斷面視圖示 意了在硬質(zhì)合金基材上的背面涂層方案之上淀積的多個(gè)涂層應(yīng)用形成的鮮明分層。
[0047]如附圖5所示的涂層方案，有一種涂層切削刀片，一般指定為130,它包括基材132 和在所述基材132的表面131上的涂層方案133。涂層方案133包括背面涂層方案134,其中背 面涂層方案包括基材132的表面上的TiN涂層136，TiN涂層136上的MT-TiCN涂層138和MT-TiCN涂層138上的HT-TiCN涂層140。
[0048] TiCN涂層140上有一層含鈦、氧、碳和氮的Ti+0+C+N過(guò)渡涂層139。需要記住的是， 盡管
【申請(qǐng)人】不用受Ti+0+C+N過(guò)渡涂層功能相關(guān)的任何特定理論所約束，但是有人認(rèn)為Ti+0 +C+N過(guò)渡涂層的作用在于增強(qiáng)多層涂層方案中涂層的成核和粘附能力。
[0049]多層涂層方案141在Ti+0+C+N過(guò)渡涂層139上，其中所述多層涂層方案141包括多 次涂層應(yīng)用（146，152，158)。涂層應(yīng)用146包括一層氧化鋁涂層148和一層TiAlOCN涂層150。 涂層應(yīng)用152包括一層氧化鋁涂層154和一層TiAlOCN涂層156。涂層應(yīng)用158包括一層氧化 鋁涂層160和一層TiAlOCN涂層162。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，最外的重復(fù)層是暴露的。在 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，有一個(gè)可選外涂層方案，它可以通過(guò)CVD方法涂覆在重復(fù)應(yīng)用的 最外層上。附圖5所示的具體實(shí)施例示意了一層TiOCN外涂層164。下表5給出了所示涂層方 案的厚度范圍和附圖5中所示涂層切削刀片130的涂層。
[0050] 表5-一涂層方案的厚度和附圖5的涂層
[0051]
[0052]下表6給出了附圖5所示涂層切削刀片130的涂層方案133的淀積的淀積參數(shù)。
[0053]表6-一附圖5所示涂層方案的制作過(guò)程
[0054]
[0055] 執(zhí)行切削試驗(yàn)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)涂層切削刀片，評(píng)估本發(fā)明的涂層切削刀片的性 能。表7和8給出了使用以下磨損標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多次測(cè)量得到的測(cè)試結(jié)果:執(zhí)行測(cè)試時(shí)使用的參 數(shù)如下：切削刀片幾何形狀CNMG432RN(直刃口）；超前角0°/90° ;刀盤直徑=2.48英寸;最大 刀具直徑=2.48英寸;通過(guò)長(zhǎng)度=12英寸;MMR= 1，95立方英寸/分鐘；切削速度= 820表面 英尺/分鐘；每分鐘轉(zhuǎn)速=1263;設(shè)定的切肩載荷（fz) = 0.008ipt;進(jìn)給速率（Vf)= 10.104ipm;切口軸向深度(Ap) =0.098英寸;切口徑向深度(Ae) = 1.969英寸;機(jī)器=Mazak AJV;冷卻液=干燥;工件材料DCI 80-55-06。
[0056]表7-一涂層切削刀片的測(cè)試結(jié)果
[0057]
[0058]表8-一涂層切削刀片的測(cè)試結(jié)果
[0059]
[0060] 本發(fā)明所述涂層結(jié)構(gòu)的失效模式的一個(gè)關(guān)鍵特征就是頻繁中斷的切肩形成過(guò)程 中出現(xiàn)的磨損機(jī)制。在中斷的切削作業(yè)中，每次接觸工件材料時(shí)涂層都會(huì)受到?jīng)_擊。在傳統(tǒng) 涂層中，連續(xù)沖擊可能造成涂層出現(xiàn)疲勞失效，容易造成一層或者多層剝落。在本文介紹的 發(fā)明涂層中，因?yàn)橥繉訂卧g的裂縫會(huì)消散(例如包括含Al2〇3-Ti層的涂層對(duì)），所以單涂 層失效并不會(huì)影響整個(gè)涂層方案的完整性。換言之，本發(fā)明涂層方案將損壞范圍限制到某 個(gè)具體的單涂層步驟(或含Al 2〇3-Ti的涂層對(duì)），從而防止裂縫在整個(gè)涂層方案上擴(kuò)展。單涂 層步驟(或含Al2〇 3_Ti的涂層對(duì)）的失效不會(huì)破壞整體涂層方案的完整性，包括底層的含 Al2〇3-Ti的涂層對(duì)。附圖6A至6C介紹了這種特性。
[0061] 附圖6A-6C的涂層方案包括基材表面上的一層TiN基底涂層、所述TiN基底涂層上 的一層MT-TiCN涂層、所述MT-TiCN涂層上的一層HT-TiCN涂層和在所述HT-TiCN涂層上重復(fù) 涂覆的含Ti涂層一含Al 2〇3涂層對(duì)，其中，含Ti涂層為HT-TiCN。最外的HT-TiCN涂層在重復(fù)涂 覆的最外Al2〇3涂層之上，TiN涂層在最外的HT-TiCN涂層之上。附圖6A示意了發(fā)明涂層方案 中涂層的部分橫斷面的顯微照片。附圖6A包含一個(gè)指定為6B/C的區(qū)域，附圖6B和附圖6C中 的顯微照片示意了該區(qū)域。附圖6B和附圖6C示意了相同的顯微照片，但是附圖6C相對(duì)于附 圖6B旋轉(zhuǎn)且附圖6C包含識(shí)別所述涂層的標(biāo)簽。如上所述，附圖6A至6C，尤其是附圖6B和附圖 6C示意了涂層單元之間裂縫會(huì)消散的特性(例如包括含Al 2〇3-Ti層的涂層對(duì)）。
[0062] 附圖7A至7C示意了傳統(tǒng)刀具的傳統(tǒng)涂層方案。附圖7A至附圖7C的傳統(tǒng)涂層方案包 括基材表面上的一層TiN基底涂層、所述TiN基底涂層上的一層MT-TiCN涂層、所述MT-TiCN 涂層上的一層TiCN涂層、所述TiCN涂層上的一層含Ti涂層和所述含Ti涂層上的一層單Al2〇3 涂層。最外的TiCN涂層在Al 2〇3涂層之上，TiN涂層在最外的TiCN涂層之上。附圖7A示意了傳 統(tǒng)涂層方案中涂層的部分橫斷面的顯微照片。附圖7A包含一個(gè)指定為7B/C的區(qū)域，附圖7B 和附圖7C中的顯微照片示意了該區(qū)域。附圖7B和附圖7C示意了相同的顯微照片，但是附圖 7C相對(duì)于附圖7B旋轉(zhuǎn)，且附圖7C包含識(shí)別所述涂層的標(biāo)簽。如附圖7A-7C所示，傳統(tǒng)涂層方 案會(huì)由于出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)致完全失效，從而暴露出底層涂層結(jié)構(gòu)，加快切削刀具的磨損，從而 縮短刀具使用壽命。
[0063] 每個(gè)具體實(shí)施例使用的基材可從相同材料組中選擇。就這一點(diǎn)而言，合適的基材 材料包括硬質(zhì)合金(例如，碳化鎢-鈷材料）。鎢鈷類硬質(zhì)合金是另一種首選的基材材料，它 包含約0.1重量百分比到約20重量百分比的鈷以及平衡碳化鎢。此類鎢鈷類硬質(zhì)合金可能 包括添加劑，如鈦、鉭、鈮、鋯、鉿、釩和鉻中的一種或者組合，其中這些條件可以是碳化物 和/或氮化物和/或碳氮化物的形式，還可能包括常添加于硬質(zhì)合金的其他添加劑。在另一 種組成中，基材包括含鎢硬質(zhì)合金，成分如下：約89.8重量百分比到約92.3重量百分比的碳 化鎢、約5.7重量百分比到約11.5重量百分比的鈷、多達(dá)約3.0重量百分比的鉭、多達(dá)約2重 量百分比的鈦、多達(dá)約2.4重量百分比的鈮和多達(dá)約0.80重量百分比的鉻。
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【申請(qǐng)人】也考慮基材能夠表現(xiàn)出梯度組成的特性，尤其是黏合劑濃度、碳氮化物濃 度和碳化物濃度。典型的基材可包括可增強(qiáng)黏合劑粘附能力的表面區(qū)域的硬質(zhì)合金基材， 或者可減小黏合劑粘附能力，增強(qiáng)固溶體碳化物的表面區(qū)域的硬質(zhì)合金基材。
[0065] 對(duì)于每個(gè)具體實(shí)施例，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到在淀積涂層方案前，基材表面可進(jìn)行處理，以 改善涂層方案與基材的粘附能力。典型的預(yù)處理包括在所述基材的表面上去除或者減少黏 合劑的過(guò)程。對(duì)于鎢鈷類硬質(zhì)合金基材，此類預(yù)處理將會(huì)去除基材表面上的鈷，或者對(duì)表面 進(jìn)行處理，改善涂層粘附能力。另一個(gè)典型的預(yù)處理是使用機(jī)械的方式處理所述基材的表 面，粗化所述基材的表面，使其實(shí)現(xiàn)良好的涂層粘附能力的過(guò)程。
[0066] 應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，在一些情況下，涂層方案的表面可能需要在淀積后進(jìn)行處理，以通 過(guò)使其平滑，并在涂層上形成應(yīng)力改變效應(yīng)來(lái)改善性能。去除所述涂層方案表面上的粗糙 面，減少或者最小化任何應(yīng)力集中點(diǎn)就是一個(gè)典型的處理方法。另一個(gè)典型的處理就是優(yōu) 先去除所述切削刀片所選區(qū)域上的涂層(或者部分涂層）。表面處理一般會(huì)降低涂層的拉張 應(yīng)力或者增加抗壓應(yīng)力。例如，PCT專利公告號(hào)WO 02/077312(Widia GmbH)公開(kāi)了一種增加 外涂層的內(nèi)壓應(yīng)力或者減小內(nèi)部抗拉應(yīng)力的涂層噴丸清理方法(PVD或PCVD或CVD)。
[0067] 而且，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，為了改善涂層的粘附能力，每個(gè)涂層之間可能有通過(guò)顯微鏡可以 看清的粗糙界面。這些通過(guò)顯微鏡可以看清的粗糙界面可通過(guò)控制CVD(或者中溫化學(xué)汽相 淀積[MT-CVD])參數(shù)來(lái)生成，以提高涂層的高生長(zhǎng)率。可通過(guò)使用相對(duì)較高的淀積溫度和/ 或相對(duì)較高的溫度來(lái)提高CVD過(guò)程(包括MT-CVD過(guò)程）的生長(zhǎng)率。作為改善涂層間粘附能力 的另一個(gè)備用方法，在淀積過(guò)程中，可以逐漸改變相鄰?fù)繉又g的組成，以減少相鄰?fù)繉又?間尖銳邊緣的存在。
[0068] 鑒于以上情況，可以認(rèn)識(shí)到提供一種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中所 述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其中所述涂層切削刀片在這類應(yīng)用中采用的涂層 方案能夠擁有高韌性，實(shí)現(xiàn)更佳的刀刃完整性，尤其是經(jīng)常中斷的車削和銑削作業(yè)。提供一 種改進(jìn)的涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其 中，所述涂層切削刀片在這類應(yīng)用中采用的涂層方案包括多層涂層方案，從而在所述涂層 方案中更好地抑制無(wú)論是由于機(jī)械應(yīng)力或是熱循環(huán)導(dǎo)致的裂紋增大和擴(kuò)展。提供一種改進(jìn) 的涂層切削刀片及其制造方法，其中所述切削刀片在材料去除應(yīng)用中非常有用，其中，所述 涂層切削刀片包括一層過(guò)渡涂層，用于提升所述多層涂層方案的成核和粘附能力。
[0069] 本文所述的專利和其他文檔特此列入本文內(nèi)作參照。從本文所公開(kāi)的本發(fā)明的規(guī) 范或者實(shí)踐出發(fā)，所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員對(duì)本發(fā)明的其他實(shí)施例并不會(huì)陌生。所述規(guī)范 和示例僅供說(shuō)明之用，不對(duì)本發(fā)明的范圍作任何限制。本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神請(qǐng)參見(jiàn)所 附權(quán)利要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于切肩材料去除作業(yè)的涂層切削刀片，所述涂層切削刀片組成包括： 一個(gè)基材和在所述基材上的一個(gè)涂層方案； 所述涂層方案包括： 一種通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法而淀積的背面涂層方案，所述背面涂層方案在所述基材的 表面上； 一層通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法而淀積的過(guò)渡涂層，所述過(guò)渡涂層在背面涂層方案的表面 上;和 一種通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法而淀積的多層涂層方案，它包括多次涂層應(yīng)用，所述多層 涂層方案在所述過(guò)渡層的表面上;和 每一次涂層應(yīng)用包括一層采用α氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋁涂層和一層采用含氮涂層晶 體結(jié)構(gòu)的含氮涂層，所述氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)不同于含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)，為此，相鄰氧化鋁涂層 與含氮涂層之間有一個(gè)明顯邊界。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，對(duì)于每次涂層應(yīng)用，氧化鋁涂層的厚度介于 約0.05μηι與約0.7μηι之間，含氮涂層的厚度介于約0.0Ιμπι與約0.5μηι之間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述多層涂層方案的厚度介于約lMi與 約15μηι之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述背面涂層方案包括一層厚度達(dá)到 約2μηι的最內(nèi)的氮化鈦涂層和一層厚度介于約Ιμπι與約18μηι之間的中間ΜΤ碳氮化鈦涂層以 及一層由氮化鈦涂層或一層ΗΤ碳氮化鈦涂層組成的最外涂層。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述涂層切削刀片方面，其中所述最外涂層包括所述ΗΤ碳氮化鈦涂 層。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，對(duì)于每次涂層應(yīng)用，所述氧化鋁涂層比含氮 涂層更接近所述基材。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述基材包括含鎢硬質(zhì)合金，組成如 下：約89.8重量百分比到約92.3重量百分比的碳化鎢、約5.7重量百分比到約11.5重量百分 比的鈷、多達(dá)約3.0重量百分比的鉭、多達(dá)約2重量百分比的鈦、多達(dá)約2.4重量百分比的鈮 和多達(dá)約0.80重量百分比的絡(luò)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述涂層方案還包括在所述多層涂層 方案上的外涂層方案9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述涂層切削刀片方面，其中所述外涂層方案包括一層氧碳氮化鈦 涂層。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述過(guò)渡涂層包括鈦、氧、碳和氮。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述涂層切削刀片方面，其中所述含氮涂層由IVb組的一個(gè)或者多 個(gè)元素和鋁和/或碳、氮和氧的一個(gè)或多個(gè)組成。12. 涂層切削刀片的制造方法步驟如下： 提供基材； 通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法涂覆過(guò)渡涂層； 通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法將多層涂層方案應(yīng)用到所述的過(guò)渡涂層上，其中所述多層涂層 方案包括多次涂層應(yīng)用，其中每次涂層應(yīng)用的步驟包括： 涂覆一層氧化鋁涂層，但不改變涂層淀積參數(shù)，其中所述氧化鋁涂層采用α氧化鋁晶體 結(jié)構(gòu);和 通過(guò)涂覆采用含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)的含氮涂層，中斷所述氧化鋁涂層的涂覆，其中所述 含氮涂層晶體結(jié)構(gòu)不同于α氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)，為此，氧化鋁涂層與含氮涂層之間形成一個(gè)明 顯邊界。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，對(duì)于每次涂層應(yīng)用，氧化鋁涂層的厚度介于約0.05 ym與約0 · 7μηι之間，含氮涂層的厚度介于約0 · 0ΙμL?與約0 · 5μηι之間。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，其中所述多層涂層方案的厚度介于約Ιμπι與約15μπι 之間。15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，還包括通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法將背面涂層方案應(yīng) 用于所述基材，其中所述背面涂層方案包括一層厚度達(dá)到約2μπι的最內(nèi)的氮化鈦涂層和一 層厚度介于約Ιμπι與約18μπι之間的中間ΜΤ碳氮化鈦涂層。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述方法方面，還包括在最外背面涂層上應(yīng)用所述背面涂層方案 的步驟，最外背面涂層包括一層氮化鈦涂層或者一層ΗΤ碳氮化鈦涂層。17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，還包括通過(guò)化學(xué)汽相淀積方法在所述多層涂層方 案上應(yīng)用外涂層方案，其中所述外涂層方案包括一層氧碳氮化鈦涂層。18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，其中所述過(guò)渡涂層包括鈦、氧、碳和氮，要在溫度介 于約950 °C和約1020°C，壓力介于約100毫巴與約400毫巴之間的條件下涂覆所述過(guò)渡涂層， 并使用由11(：14、014、0)、他和氮?dú)饨M成的氣體混合物。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述方法方面，其中所述他的量介于所述氣體混合物的約15容積百 分比與約20容積百分比之間，所述CH4的量介于所述氣體混合物的約2容積百分比與約3容 積百分比之間，所述TiCl 4的量介于所述氣體混合物的約0.5容積百分比與約1.3容積百分 比之間，所述CO的量介于所述氣體混合物的約1.0容積百分比與約1.5容積百分比之間，所 述氮?dú)獾牧拷橛谒鰵怏w混合物的約74.2容積百分比與約81.5容積百分比之間。20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，要在溫度介于約920°C和約1020°C，壓力介于約50 毫巴與約120毫巴之間的條件下涂覆一層氧化鋁涂層，并使用由⑶ 2、此1、!125^1(：13和氮?dú)?組成的氣體混合物。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述方法方面，其中所述C02的量介于所述氣體混合物的約2.0容積 百分比與約2.8容積百分比之間，所述HC1的量介于所述氣體混合物的約2.5容積百分比與 約3.5容積百分比之間，所述H 2S的量介于所述氣體混合物的約0.1容積百分比與約1.0容積 百分比之間，所述A1C13的量介于所述氣體混合物的約4.0容積百分比與約6.0容積百分比 之間，所述氮?dú)獾牧拷橛谒鰵怏w混合物的約85.2容積百分比與約89.4容積百分比之間。22. 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，要在溫度介于約950 °C和約1050 °C，壓力介于約200 毫巴與約500毫巴之間的條件下涂覆一層含氮涂層，并使用由犯、014、11(：1、11(：14、0)和氮?dú)?組成的氣體混合物。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述方法方面，其中所述他的量介于所述氣體混合物的約30容積百 分比與約45容積百分比之間，所述CH4的量介于所述氣體混合物的約2容積百分比與約3容 積百分比之間，所述HC1的量介于所述氣體混合物的約0.8容積百分比與約1.5容積百分比 之間，所述TiCl 4的量介于所述氣體混合物的約0.5容積百分比與約1.2容積百分比之間，所 述CO的量介于所述氣體混合物的約0.8容積百分比與約1.5容積百分比之間，所述氮?dú)獾牧?介于所述氣體混合物的約47.8容積百分比與約65.9容積百分比之間。24.根據(jù)權(quán)利要求12所述方法方面，其中所述含氮涂層由IVb組的一個(gè)或者多個(gè)元素和 鋁和/或碳、氮和氧的一個(gè)或多個(gè)組成。
【文檔編號(hào)】C23C16/30GK106065448SQ201610146170
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年3月15日 公開(kāi)號(hào)201610146170.X, CN 106065448 A, CN 106065448A, CN 201610146170, CN-A-106065448, CN106065448 A, CN106065448A, CN201610146170, CN201610146170.X
【發(fā)明人】R.庫(kù)珀, P.萊克特, Y.劉, Z.劉
【申請(qǐng)人】肯納金屬公司