专利名称：立方氮化铝钛涂层及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具 有含氮化铝钛的硬涂层的切削刀具以及制造此类涂覆的切削刀具的方法。更具体而言，本发明涉及具有含氮化铝钛的硬涂层的涂覆的切削刀具，这种氮化铝钛具有BI立方体相的一种单一相结构和(AlxTih)N的组成，其中X是在大约0. 46摩尔到大约0. 52摩尔的范围之内。
背景技术：
众所周知的是使用含氮化铝钛的硬涂层来提高切削刀具的性能。此类硬涂层的发展始于1980年代并且延续至今。在以下专利以及公开的专利申请中传授了其中的某些发展:美国专利号 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 ;欧洲专利号 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 ;美国公开专利申请号 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 ;欧洲公开专利申请号 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 ;公开的PCT专利申请WO 2009/031958A1和WO 2008/037556A2 ；以及目前未决的并且与本申请具有共同所有权的美国专利申请序列号12/572,858。此外，此类硬涂层的发展一直是许多技术论文的主题，例如S. PalDey等人的“(Ti，A1)N的单层和多层耐磨涂层综述”，材料科学与工程，A342 (2003) 58-79 ；J. Musil等人的“磁控溅射制备的超硬纳米复合 TihAlxN 膜”，固体薄膜(ThinSolid Films), 365 (2000) 104-109 ；A. H6rling 等人的“TihAlxN*覆的切削刀具的机械特性和机加工性能”，表面与涂层技术(Surface&Coatings Technology) 191 (2005) 384-392 ；G. H&kanS SOn等人的“直流磁控派射沉积生长的多晶亚稳Tia5Ala5N合金的微结构和物理特性”，固体薄膜，191 (1987) 55-65 ；C. -T.Huang等人的“通过反应射频磁控溅射在A2工具钢上沉积(Ti，A1)N膜”，表面与涂层技术，71 (1995) 259-266 ；M. Arndt等人的“新AlTiN涂层在干式和高速切削中的性能”，表面涂层技术(Surface CoatingsTechnology), 163-164 (2003) 674-680 ；R. Cremer 等人的“通过组合方法优化(Ti, A1)N硬涂层”，国际无机材料杂志(InternationalJournal ofInorganic Materials)，3 (2001) 1181-1184 ；T. Suzuki 等人的 “ (Ti, Al)N 膜的微结构和晶界”，表面涂层技术，107(1998)41-47 ;J. L. Endrino等人的“用于机加工奥氏体不锈钢的硬AlTiN、AlCrN PVD 涂层”，表面涂层技术，200 (2006) 6840-6845 ；ff. -D. Munz 的“氮化钛铝膜TiN涂层的一种新型替代物”,真空科学技术杂志(J. Vacuum Science Technology), A4 (6)(1986)2717-2725 ；M. Zhou等人的“射频等离子体辅助磁控溅射制备的Ti-Al-N薄膜的相变和特性”，固体薄膜，339 (1999) 203-208 ；Y. Tanaka等人的“阴极电弧离子镀方法制备的用于切削刀具的(TihAlx)N涂层的特性”，真空科学技术杂志，A 10(4) (1992) 1749-1756 ；A. H6rIing等人的“电弧蒸发的高铝含量TihAlxN薄膜的热稳定性”，真空科学技术杂志，A 20(5) (2002) 1815-1823 ；T. Ikeda等人的“阴极电弧等离子镀方法制备的Ti-Al-N系统中的硬涂层的相形成和相表征”，固体薄膜，195(1991)99-110 ;以及A. Kimura等人的“具有不同Al含量的亚稳(TihAlx)N膜”,材料科学快报(J. of Material ScienceLetters),19(2000)601-602。尽管这种技术争相被使用，但是对于改进的机加工特性的需要继续推动着多项开发工作。不幸的是，现有技术中有关氮化钛铝涂层的特性的讲述有时是矛盾和对立的。可能的情况是至少某些差异是由于氮化铝钛涂层的特性对用于沉积这些硬涂层的确切条件和参数、它们被沉积在其上的基底、以及用于测量这些特性的条件和技术的敏感性。大量的可能条件与参数的组合的结果是很难预测涂覆的切削刀具的何种硬涂层特性将被用于一 种具体的氮化铝钛涂层组成。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了具有一个硬涂层的涂覆的切削刀具，该硬涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有BI立方体相的一种单一相结构和(AlxTih)N的组成，其中X是在大约0.46摩尔到大约0.52摩尔的范围之内；该硬涂层具有按照XRD Sin2W方法测量的、在从大约-0. 4吉帕斯卡到大约-3吉帕斯卡(GPa)的范围之内的残余应力，以及一种晶体取向，该晶体取向的特征为X射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在从大约I到大约14的范围之内。优选地，该氮化铝钛层具有的平均晶粒大小在大约15纳米到大约50纳米的范围之内。该硬涂层的总厚度优选在大约I微米到大约10微米的范围之内。优选地，该硬涂层包括多于一个的此类氮化铝钛层。优选地，该基底是烧结碳化钨。同样优选地，该基底被配置为端铣刀、铣削工具、车削工具或者钻孔工具的形式。在本发明的另一个方面，提供了一种用于制造此类涂覆的切削刀具的方法。此类方法的优选实施方案包括将一个粘合层沉积在该基底上、接着是一个过渡层以及这些氮化铝钛层。
通过参照附图将会更好地理解本发明的特征和优点的重要性。然而，应该理解的是附图的设计仅是为了解说的目的并且不是作为对本发明的界限的一种限定。图I是根据本发明的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的透视图，其中具有一个切开的截面。在这个切开的截面中，已将该硬涂层的一部分去除以便露出该基底。图2是根据本发明的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的一部分的截面示意图，该切削刀具具有一个单层的氮化铝钛涂层。图3是根据本发明的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的一部分的截面示意图，该切削刀具具有一个粘合层、其后跟随该氮化铝钛涂层。
图4是根据本发明的另一个实施方案的一种涂覆的切削刀具的一部分的截面示意图，该切削刀具具有一个多层的硬涂层。
具体实施例方式在这个部分，对本发明的一些优选实施方案进行了详细说明，足以让本领域的普通技术人员来实践本发明。然而，应该理解的是在此说明了有限数目的优选实施方案这个事实并不以任何方式限制如所附权利要求书中列出的本发明的范围。无论何时在此处或者在所附权利要求书中使用术语“大约”来修饰本发明的一个实施方案的特征，都应当将其解释为是指关于产生和/或测量该相关特征的正常公差。无论何时在此处或者在所附权利要求书中用一个范围来描述本发明的一个实施方案的特征，该范围都应当被解释为包括该范围的指定端点及其之间的每个点。本发明的优选实施方案包括具有硬涂层的涂覆的切削刀具，该硬涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有BI立方体相的一种单一相结构和(AlxTih)N的组成，其中X是在大约0. 46摩尔到大约0. 52摩尔的范围之内；该硬涂层具有按照XRD Sin2W方法测量的、在从大约-0. 4GPa到大约_3GPa的范围之内的残余应力以及一种晶体取向，该晶体取向的特征为X射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在大约I到大约14的范围之内。为便于表述，有时候将包含此类氮化铝钛层的材料在此称为“创造性氮化铝钛”。优选地，这种创造性氮化铝钛的平均晶粒大小是在从大约15纳米到大约50纳米的范围之内。在本发明的优选实施方案中，这些硬涂层的晶体取向的特征为X射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在大约I到大约10的范围之内。在甚至更优选的实施方案中，这个比率是在从大约5到大约10的范围之内。如本发明的实施方案所述的这些硬涂层可以由该创造性氮化铝钛的一个或多个层单独地、或者与其他涂层材料的多个层相结合地组成。这些其他涂层材料可以包括具有与这些创造性氮化铝钛层不同的特征的氮化铝钛层。其他涂层材料的实例还包括具有(AlxTih)N组成的氮化铝钛，其中X不是在0. 46-0. 52的范围之内，例如TiN和(AlxTi1JN，其中X大于0. 52。如本发明的实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构形。优选地，该基底具有端铣刀、铣削工具、车削工具或者钻孔工具的构形。这些基底还可以包括与用于沉积该硬涂层的一种或多种工艺兼容的任何适当的切削刀具材料。一些优选的基底材料的实例包括烧结碳化钨。图I展示了根据本发明的一个实施方案的涂覆的切削刀具，该切削刀具处于具有一个硬涂层4的涂覆的切削镶片2的形式。在图I中将硬涂层4的一部分切开以便显示出下面的基底6。切削镶片2具有一个侧表面8和一个前刀面10。侧表面8和前刀面10相交而在其接合处形成一个刀刃12。应当认识到本发明的涂覆的切削刀具可以呈现出与图I中所示的切削镶片2的几何形状不相同的多种几何形状。例如，根据本发明的另一个实施方案的一种涂覆的切削刀具可以处于任何其他类型的车削工具、端铣刀或者钻孔工具的形式。图2至图4展示了根据本发明的多个实施方案的涂覆的切削镶片在硬涂层与基底的界面处的截面部分。应当理解的是在这些图中层厚度的表示不是按比例的、并且仅仅旨、在显示这些层与该基底的大致的空间关系。参见图2，示出了具有一个基底22和一个硬涂层24的一种涂覆的切削刀具20，该硬涂层由该创造性氮化铝钛的一个单层组成。硬涂层24可以具有任何希望的厚度、但是优选地具有在I微米到10微米范围之内的厚度。现在参见图3，示出了根据本发明的一个实施方案的一种涂覆的切削刀具30。涂覆的切削刀具30具有一个硬涂层32和一个基底34。硬涂层32包括一个氮化钛粘合层36和该创造性氮化铝钛的一个层38。现在参见图4，示出了根据本发明的另一个实施方案的一种涂覆的切削刀具50，该切削刀具在基底54上具有一个硬涂层52。硬涂层52具有一个氮化钛粘合层56、该创造性氮化铝钛的一个层58以及小于I. 5 ii m厚的顶部氮化钛层60。这种创造性氮化铝钛具有一种B2立方晶体结构并且没有六方相。六方体相的缺 失可以使用Reitveld方法(这是一种全谱拟合法)通过x射线衍射来确定。在Reitveld方法中，将测量的样品概貌(profile)与计算的概貌进行比较并且通过调整不同的参数使这两个概貌之间的变化最小化。一个涂层的X射线衍射图谱是借助一种采用掠入射技术的平行光束光学X射线衍射系统使用I度的于采集的掠射角进行采集的。这种X射线衍射系统使用一个铜质X射线管(在45KV和40MA下工作)、一个带有1/16度防散射狭缝的CuW/Si抛物面反射镜、一个0. 04弧度索勒狭缝，以及多个接收光学件，其中包括一个平面的石墨单色器、一个平行板准直器以及一个密封的正比计数管。使用X射线分束来设置该涂层的样本高度，并且针对Reitveld方法分析将计数次数和扫描速率进行优化。在分析过程中，对背景概貌进行拟合并且对采集的样品数据进行峰值搜索以便识别所有的峰位置以及峰强度，借助于它们来通过使用常规的晶相数据库而识别样品的相组成。本领域的普通技术人员将认识到一个硬涂层的残余应力的测量值是取决于众多因素的，包括在其上沉积了硬涂层的该基底的构形和组成以及用于进行这种测量的方法。重要的是要了解本发明的残余应力值是在该硬涂层被沉积在一个切削刀具的基底上、而非载玻片上时进行测量的。而且重要的是要了解本发明的涂覆的切削刀具的硬涂层的残余应力是使用Sin2W方法进行测量的。Sin2W应力分析所要求的数据是使用“掠入射”XRD技术进行采集的。用于这种应力分析的仪器是配备有用于操纵样品的欧拉架(Euleriancradle)的一台帕纳科(PANalytical)Xpert Pro MRD。该x射线源是在45KV和40MA下工作的长的铜质的细聚集X射线管。该仪器配有用于确定这些涂层中的应力的平行光束光学件。该入射光学件包括一个Cu ff/Si抛物面X射线反射镜、1/16度防散射狭缝以及一个
0.04弧度索勒狭缝。这些接收光学件包括一个0. 27度的平行板准直器、一个平面的石墨单色器以及一个密封的正比计数管。用于应力分析的《(欧米伽)角(掠射角)被固定在
1.0 度。对于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(331)、(420)和(422)反射来采集数据。
该涂层的残余应力通过以下通式进行计算
d(pv, d° = S.icr, +(J2) + ]-S2CJv sin2 y/
Gcp - G1 cos2 CpjTO2 sin2 cp其中
权利要求
1.一种涂覆的切削刀具，包括 具有一种切削刀具构形的一个基底；以及 一个硬涂层，该硬涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有BI立方体相的一种单一相结构和(AlxTih) N的组成，其中X是在大约0. 46到大约0. 52摩尔的范围之内；该硬涂层进一步具有按照XRDSin2W方法测量的、在从大约-0. 4GPa到大约_3GPa的范围之内的残余应力以及一种晶体取向，该晶体取向的特征为X射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在大约I到大约14的范围之内。
2.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该基底包括烧结碳化钨。
3.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该基底的构形是选自下组中的一种，该组由以下各项组成端铣刀、铣削工具、车削工具、以及钻孔工具。
4.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该硬涂层具有的平均晶粒大小在从大约15纳米到大约50纳米的范围之内。
5.如权利要求I所述的涂覆的切削刀具，其中该硬涂层的残余应力是在从大约-0. 4GPa到大约-2. 5GPa的范围之内。
6.一种用于制造具有硬涂层的涂覆的切削刀具的方法，该方法包括以下步骤 a)提供具有切削刀具构形的一个基底；并且 b)在该基底上沉积一个硬涂层，该硬涂层包括一个氮化铝钛层，这个氮化铝钛层具有BI立方体相的一种单一相结构和(AlxTih) N的组成，其中X是在大约0. 46摩尔到大约0. 52摩尔的范围之内； 其中，该硬涂层具有按照XRD Sin2W方法测量的、在从大约-0. 4GPa到大约_3GPa的范围之内的残余应力，并且具有一种晶体取向，该晶体取向的特征为X射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在大约I到大约14的范围之内。
7.如权利要求6所述的方法，其中在步骤(b)的过程中该基底温度是在350°C到大约600°C的范围之内。
8.如权利要求6所述的方法，其中在步骤(b)的过程中该基底的偏置电压是在从大约-20V到大约-80V的范围之内。
9.如权利要求6所述的方法，其中在步骤(b)的过程中该基底的偏置电压是在-20V到大约-80V内进行交变。
10.如权利要求6所述的方法，其中该基底包括烧结碳化钨。
11.如权利要求6所述的方法，其中该基底的构形是选自下组中的一种，该组由以下各项组成端铣刀、铣削工具、车削工具、以及钻孔工具。
12.如权利要求6所述的方法，其中该硬涂层具有的平均晶粒大小是在从大约15纳米到大约50纳米的范围之内。
13.如权利要求6所述的方法，其中沉积一个硬涂层的步骤进一步包括沉积包括选自下组的一种材料的至少一个层，该组由以下各项组成碳化钛和一种氮化铝钛，这种氮化铝钛在其组成、晶体结构、残余应力、以及晶体取向中有至少一项是与权利要求6中对指定的氮化铝钛所指定的情况不同的。
14.如权利要求6所述的方法，其中该硬涂层的残余应力是在从大约-0.4GPa到大约-2. 5GPa的范围之内。
全文摘要
在此披露了具有一种硬涂层的涂覆的切削刀具，该硬涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有B1立方体相的一种单一相结构和(AlxTi1-x)N的组成，其中x是在大约0.46摩尔到大约0.52摩尔的范围之内。这些硬涂层还具有按照XRD Sin2Ψ方法测量的、在从大约-0.4GPa到大约-3GPa的范围之内的残余应力，以及一种晶体取向，该晶体取向的特征为x射线衍射的(200)与(111)峰强度之比在大约1到大约14的范围之内。优选地，这种氮化铝钛层具有的平均晶粒大小是在大约15纳米到大约50纳米的范围之内。在此还披露了制造此类涂覆的切削刀具的方法。
文档编号B32B15/04GK102653148SQ201210023620
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月7日
发明者R·M·潘尼克, 倪旺阳, 刘一雄, 班志刚 申请人:钴碳化钨硬质合金公司