专利名称：：氮化铝钛涂层以及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及用于切削刀具的氮化铝钛涂层以及制造这些涂层的方法。更确切地说，本发明涉及如下的氮化铝钛涂层，这些氮化铝钛涂层具有BI立方相和六方相的一种两相结构以及(AlxTih)N的组成，其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内。
背景技术：
：使用包括氮化铝钛的硬质涂层来改进切削刀具的性能是普遍已知的。从1980年代开始开发这种涂层，现在仍在继续。在以下专利和公开的专利申请中传授了一些发展美国专利号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EP1762637B1；EP1674597B1；EP1260611B1；EP1150792B1；EP1122226B1；EP1021584B1；EP1099003B1；EP1087026B1；EP1038989B1；EP1017870B1；EP0925386B1；EP0801144B1；EP0798399B1；EP0709353B1；EP0558061B1；EP0492059B1；美国公开专利申请号US2009/0098372A1；US2009/0075114A1；US2008/0299383A1；US2008/02896608A1；US2007/0148496A1；US2007/0059558A1；US2006/0257562A1；US2006/0219325A1；US2006/0154051A1;公开欧洲专利申请号EP2017366A1；EP2008743A1；EP2000236A1；EP1801260A1；EP1683875A2；EP1616978A1；EP1616974A1；EP1470879A8;以及公开PCT专利申请WO2009/031958A1和WO2008/037556A2。另外，这种涂层的发展已经成为许多技术论文的研究主题，例如S.PalDey等人，单层和多层的(Ti,A1)N耐磨性涂层综述(SingleLayerandMultilayerWearResistantCoatingsof(Ti,A1)NAReview).材料科学与工程(MaterialsScienceandEngineering),A342(2003)58-79；J.Musil等人，磁控溅射制备的超硬纳米复合材料Ti1^xAlxN薄膜(SuperhardNanocompositeTi1^AlxNFilmsPreparedbyMagnetronSputtering).固体薄膜(ThinSolidFilms)，365(2000)104-109;A.Hiirlillg等人，Ti1^AlxN涂覆的切削刀具的机械特性和机加工性能(MechanicalPropertiesandMachiningPerformanceofTi1^AlxN-CoatedCuttingTools).表面与涂层技术(Surface&CoatingsTechnology),191(2005)384-392；G.Hakansson等人，通过直流磁控溅射沉积而生长的多晶亚稳Ti0.5A1Q.5N合金的微结构和物理特性(MicrostructureandPhysicalPropertiesofPolycrystallineMetastableTi0.5Al0.5NAlloysGrownbyD.C.MagnetronSputterDeposition).固体薄膜，191(1987)55-65；C._T.Huang等人，反应性射频磁控派射在A2工具钢上沉积(Ti,Al)N薄膜(Depositionof(Ti,A1)NfilmsonA2ToolSteelbyReactiveR.F.MagnetronSputtering).表面与涂层技术，71(1995)259-266;M.Arndt等人，新型AlTiN涂层在干式高速切削中的性能(PerformanceofNewAlTiNCoatingsinDryandHighSpeedCutting).表面涂层技术(SurfaceCoatingsTechnology),163-164(2003)674-680；R.Cremer等人，组合途径对(Ti，A1)N硬质涂层的优化(Optimizationof(Ti，Al)NHardCoatingsbyaCombinatorialApproach),无机材料国际杂志(InternationalJournalofInorganicMaterials)，3(2001)1181-1184;T.Suzuki等人，(Ti，A1)N薄膜的微结构和晶界(MicrostructuresandGrainBoundariesof(Ti,A1)NFilms).表面涂层技术，107(1998)41-47;J.L.Endrino等人，用于机加工奥氏体不锈钢的硬质AlTiN、AlCrNPVD涂层(HardAlTiN,AlCrNPVDCoatingsforMachiningofAusteniticStainlessSteel).表面涂层技术，200(2006)6840-6845;W.-D.Miinz.TiN涂层的新型替代物-氮化银钦薄膜(TitaniumAluminumNitrideFilmsANewAlternativetoTiNCoatings).真空科学与技术杂志(J.VacuumScienceTechnology),A4(6)(1986)2717-2725;M.Zhou等人，通过射频等离子辅助磁控溅射而制备的Ti-Al-N薄膜的相变和特性(PhaseTransitionandPropertiesofTi-Al-NThinFilmsPreparedbyR.F.-PlasmaAssistedMagnetronSputtering).固体薄膜，339(1999)203-208；Y.Tanaka等人，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(Propertiesof(Ti1^Alx)NCoatingsforCuttingToolsPreparedbytheCathodicArcIonPlatingMethod).真空科学与技术杂志，A10(4)(1992)1749-1756；A.HSrling等人，电弧蒸发的高铝含量的TihAlxN薄膜的热稳定性(ThermalStabilityofArchEvaporatedHighAluminum-ContentTi1^AlxNThinFilms).真空科学与技术杂志，A20(5)(2002)1815-1823；T.Ikeda等人，阴极电弧离子镀方法制备的Ti-Al-N系统中硬质涂层的相形成和表征(PhaseFormationandCharacterizationofHardCoatingsintheTi-Al-NSystemPreparedbytheCathodicArcIonPlatingMethod).固体薄膜，195(1991)99-110以及A.Kimura等人，具有不同Al含量的亚稳(Ti1^xAlx)N薄膜(Metastable(Ti1^Alx)NFilmswithDifferentAlContent).材料科学杂志快报(J.ofMaterialScienceLetters)，19(2000)601-602。尽管本领域经验丰富，但是对改进的机加工性能的需要继续驱动着开发工作。不幸的是，现有技术的传授内容有时是难以理解和矛盾的。例如，虽然似乎已经很好地证实，在低铝含量下，即，在化学式(AlxTih)N中较低的X值下，氮化铝钛涂层具有BI立方氯化钠型晶体结构的氮化钛，而在非常高的铝水平下(即，高X值)，该涂层呈现B4六方硫化锌(Wurtzite)型晶体结构的氮化铝，并且在两者之间的某处存在着一种组成范围，在该范围内，该涂层具有由立方晶体结构和六方晶体结构的混合所组成的一种两相结构，该两相的组成范围的起点和终点以及大小还在争论中。一些参考文献，例如以上给出的J.Musil等人的论文，传授了该两相区域发生在0.52<X<0.59的组成范围内。其他参考文献，例如以上给出的A.Kimura等人的论文,传授了在x=0.6的组成下,该涂层完全由立方相组成，而在x=0.7的组成下，该涂层完全由六方相组成。其他参考文献，例如以上给出的T.Ikeda等人的参考文献，传授了对于X<0.7的组成，该涂层完全由立方相组成，而在X=0.7的组成下，该涂层具有一种两相结构，并且在X=0.85的组成下，该涂层完全由六方相组成。另一个矛盾之处是希望使用处于两相区域内的氮化铝钛涂层。如由以上给出的A.Horling等人的论文所传授的以及在图I和图2中所展示的一个观点是应避免这种两相涂层，因为该两相区域标志着涂层硬度和的切削刀具寿命开始急剧下降，持续到进入单一六方相区域中。如由以上给出的J.MusiI等人的论文所传授的一个相反观点是两相涂层具有非常高的硬度。还有可能的是，诸如这些的差异是由于氮化铝钛涂层的特性对用于沉积这些涂层的精确条件和参数以及用于测量这些性能的条件和技术是敏感的。大量可能的条件和参数组合的结果是，非常难以预测一种具体的氮化铝钛涂层组成的涂层性能将会怎样。发明概述本发明提供了可用于切削刀具上的包括氮化铝钛的改进的硬质涂层。诸位发明人已经发现，这些涂层提供了对于用于端铣削的烧结碳化钨切削刀具而言令人惊讶的良好机加工性能。在本发明的一个方面，提供了一种硬质涂层，该涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有在约O与约15重量百分比之间的六方相以及(AlxTih)N的组成，其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内。优选地，该氮化铝钛层具有在约10至约40纳米范围内的平均粒径。还优选地，该氮化铝钛层具有一个立方相，该立方相具有以在约4.5至约10的范围内的一个X射线衍射(200)与(111)的峰强度比为特征的一种晶体织构。该硬质涂层的总厚度优选是在约2至约8微米的范围内。优选地，这些硬质涂层包括多于一个的这种氣化招钦涂层。在本发明的另一个方面，提供了一种具有在前面段落中描述的硬质涂层的一种涂覆的基体。优选地，该基体是烧结碳化钨。还优选地，该基体是一种切削刀具，并且更优选该基体是一种端铣刀、铣削刀具、车削刀具或钻削刀具。在本发明的另一个方面，提供了一种制造此类涂覆的基体的方法。这样的方法的优选实施方案包括阴极电弧沉积一个具有多个氮化铝钛层的涂层，其中在每个顺序层的沉积过程中增大偏压。附图简要说明通过参考附图将更好地理解本发明的特征和优点的关键性。但是，应理解的是设计这些附图仅被设计用于展示的目的，而不是作为本发明的限制的一种定义。图I是氮化铝钛涂层的硬度随铝含量变化的现有技术曲线图。图2是氮化铝钛涂覆的刀具的刀具寿命随铝含量变化的现有技术曲线图。图3是根据本发明一个实施方案的一个多层氮化铝钛涂层的示意性截面图。图4是根据本发明另一个实施方案的一个多层涂层的示意性截面图。优诜实施方案的说明在这个部分，以足以使本领域的普通技术人员实现本发明的详细程度来描述本发明的一些优选实施方案。但是，应当理解以下事实，即在此描述仅是有限数目的优选实施方案，并不以任何方式限制在所附权利要求中给出的本发明范围。本发明的优选实施方案包括多种硬质涂层，这些硬质涂层包括至少一个氮化铝钛层，该氮化铝钛层具有在约O与约15重量百分比之间的六方相以及(AlxTih)N的组成，其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内。这些涂层可以由一个单层组成，或者它们可以包括多个这样的氮化铝钛层，是单独的或与其他涂层材料相结合。这些其他涂层材料可以包括组成为(AlxTih)N的氮化铝钛，其中X不在约O.53至约O.58摩尔的范围内，如TiN和铝小于O.53摩尔的(AlxTi1JN。现在参见图3，其中示出了根据本发明一个实施方案的一个硬质涂层2。涂层2涂覆了一个基体4。涂层2包括一个第一氮化铝钛层6、一个第二氮化铝钛层8和一个第三氮化铝钛层10。第一、第二和第三氮化铝钛层中的每一个都包含一个立方相以及在约O与约15重量百分比之间的一个六方相，并且具有(AlxTih)N的组成，其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内。现在参见图4，其中示出了根据本发明另一个实施方案的在一个基体14上的一个硬质涂层12。涂层12具有一个TiN粘结层16、一个氮化铝钛层18以及小于I.5μm厚的顶部TiN层20。六方相的量将通过使用里德伯尔德(Reitveld)方法的x射线衍射来确定，该方法是一种全谱拟合方法。在里德伯尔德方法中，将测得的样品轮廓与一个计算出的轮廓对比，并通过调整各个参数使这两个轮廓之间的变化最小。一个涂层的X射线衍射图是用一个平行光束光学X射线衍射系统、采用一种掠入射技术、使用用于收集的I度掠射角来收集的。该X射线衍射系统使用一个X射线铜管(在45KV和40MA下操作)；一个具有1/16度防散射狭缝、O.04弧度索勒狭缝的X射线透镜；以及接收光学器件，该接收光学器件包括一个平面石墨单色器、一个平行板准直器以及一个封闭式正比计数器。使用X射线分束来设定涂层样品高度，并且针对里德伯尔德分析方法来优化计数次数和扫描速率。在分析过程中，拟合一个背景轮廓，并在收集的样品数据上进行峰值搜索，以识别所有的峰位置和峰强度，这是用于使用常规的晶相数据库来识别该样品的相组成。本发明的涂层可以沉积在任何希望的基体上。但是，优选的是该基体是一种切削刀具，并且更优选它是一种端铣刀刀具、铣削刀具、车削刀具或钻削刀具。与阴极电弧沉积方法相容的任何基体材料都可以用于本发明的实施方案，但是优选地这些基体是烧结碳化钨。根据本发明的涂层的总厚度是相对于在有待使用的基体上的应用以及该基体的性质以及构成该涂层的层数来选择的。优选地，该涂层的总厚度是在约2至约8微米的范围内。在本发明的某些实施方案中，这些涂层是通过阴极电弧方法沉积的，但也可使用其他沉积方法，例如，磁控溅射、过滤阴极电弧蒸发。优选地，在这些具有在约O与约15重量百分比的六方相以及(AlxTih)N的组成(其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内)的氮化铝钛层的每一个的沉积过程中，该基体是处于400°C与600°C之间的温度下。还优选的是用于这些层的基体偏压是在约-40至约-100的范围内。实例实例I使用组成为60原子百分比的铝和40原子百分比的钛的六个粉末冶金学制备的靶的一个阴极电弧沉积单元将包含三个氮化铝钛层的根据本发明的五微米厚硬质涂层沉积在一个烧结碳化鹤基体上。该基体安装在一个双重旋转圆盘传送器上。对于每个层，电源功率是3.75千瓦，并且气氛是以200SCCm流动的氩气和以1170sCCm流动的氮气的混合物，具有5x10_2毫巴的总压力。使用-50V的偏压在16.8分钟内沉积第一层。使用-60V的偏压在109分钟内沉积第二层；并且使用-80V的偏压在41.9分钟内沉积第三层。该涂层的总的组成是使用装配有OxfordINCA能谱仪(EDS)的一台20KVJOEL(JSM6400)扫描电子显微镜(SEM)来测量的，并且测定为Ala56Tia44N15使用薄膜XRD来测量相的构成。这是在装配有欧拉架(Euleriancradle)的一台帕纳科(PANalytical)X’pertProMRD仪器上使用一度的掠入射角进行的。显示出该涂层是由立方相和7.9wt%的六方相组成的两相。由X射线衍射确定该涂层具有15.3纳米的平均粒径。由X射线衍射测得涂层织构(texture)具有布拉格-布伦塔诺(Bragg-Brentano)(Θ2Θ)的构型。这是在帕纳科X’pertProMRD仪器(荷兰帕纳科公司，PANalyticalB.V.)上使用CuKa辐射(45KV，40mA)进行的。(200)衍射峰与(111)峰的强度比被确定为是7.3。涂层硬度是使用FischerscopeHM2000(费希尔技术有限公司(FischertechnologyInc.)根据ISO标准14577、使用维氏压头测量的。压痕深度设定为O.25Utm0报告了十五个测量结果的平均值。测得的涂层硬度和杨氏模量分别是30.IGpa和437。实例2通过类似于实例I中所描述的阴极电弧沉积过程将具有表I中给出的组成的涂层沉积在该表中给出的切削刀具基体上。在表I中还给出了通过实例I中给出的方法测得的每个涂层的组成、显微结构、粒径、硬度和杨氏模量。发明的I和2涂层是根据本发明的实施方案。对比I的涂层是具有稍低铝含量和仅由立方相组成的显微结构的氮化铝钛对比涂层。对比2和3的涂层是商品级氮化铝钛涂层的对比样品，这些涂层具有高于本发明的氮化铝钛涂层的铝含量的以及由立方相和六方相组成的显微结构。表I权利要求1.一种用于切削刀具基体(4)的涂层(2)，包括至少ー个氮化铝钛层(6)，该氮化铝钛层(6)具有(AlxTih)N的组成以及ー种显微结构，其中X是在约O.53与约O.58摩尔的范围内，该显微结构包括在约O与约15重量百分比之间的六方相。2.如权利要求I所述的涂层(2)，其中该氮化铝钛层(6)具有在约10至约40纳米范围内的平均粒径。3.如权利要求I所述的涂层(2)，其中该氮化铝钛层(6)具有ー个立方相，该立方相具有以在约4.5至约10的范围内的ー个X射线衍射(200)与(111)的峰強度比为特征的一种织构。4.如权利要求I所述的涂层，其中该涂层厚度是在约2至约8微米的范围内。5.一种涂覆的基体，包括一个涂层(2)，该涂层具有至少ー个氮化铝钛层￠)，该氮化铝钛层(6)具有(AlxTih)N的组成以及ー种显微结构，其中X是在约O.53与约O.58摩尔的范围内，该显微结构包括在约O与约15重量百分比之间的六方相。6.如权利要求5所述的涂覆的基体，其中该氮化铝钛层(6)具有在约10至约40纳米范围内的平均粒径。7.如权利要求5所述的涂覆的基体，其中该氮化铝钛层(6)具有ー个立方相，该立方相具有以在约4.5至约10的范围内的ー个X射线衍射(200)与(111)的峰強度比为特征的ー种织构。8.如权利要求5所述的涂覆的基体，其中该基体(4)包括烧结碳化钨。9.如权利要求5所述的涂覆的基体，其中该基体(4)包括ー个切削刀具。10.如权利要求9所述的涂覆的基体，其中该切削刀具是选自下组，该组由以下各项组成端铣刀刀具、铣削刀具、车削刀具和钻削刀具。11.ー种将ー个硬质涂层(2)沉积在一个基体(4)上的方法，该方法包括以下步骤a)提供一个基体(4);并且b)在该基体(4)上阴极电弧沉积ー个第一氮化铝钛层(6)；其中该第一氮化铝钛层(6)具有(AlxTih)N的组成以及ー种显微结构，其中X是在约O.53至约O.58摩尔的范围内，并且该显微结构包括在约O与约15重量百分比之间的六方相。12.如权利要求11所述的方法，其中在步骤(b)中，该基体的温度是在约400°C至约600°C的范围内。13.如权利要求11所述的方法，其中在步骤(b)中，该基体⑷的偏压是在约-40与约-100V之间的范围内。14.如权利要求13所述的方法，进ー步包括如下一个步骤，该步骤使用比步骤(b)中所用的偏压更负的ー个偏压在该第一氮化铝钛层(6)上阴极电弧沉积ー个第二氮化铝钛层(8)，其中该第二氮化铝钛层⑶具有(AlxTih)N的组成以及ー种晶体结构，其中X是在约O.53与约O.58摩尔的范围内，并且该晶体结构包括在约O与约15重量百分比之间的六方相。15.如权利要求14所述的方法，进ー步包括如下一个步骤，该步骤使用比在沉积该第ニ氮化铝钛层(8)中所用的偏压更负的ー个偏压在该第二氮化铝钛层(8)上阴极电弧沉积ー个第三氮化铝钛层(10)，其中该第三氮化铝钛层(10)具有(AlxTih)N的组成以及ー种晶体结构，其中X是在约0.53与约0.58摩尔的范围内，并且该晶体结构包括在约0与约15重量百分比之间的六方相。16.如权利要求11所述的方法，其中该基体(4)包括烧结碳化钨。17.如权利要求11所述的方法，其中该基体(4)包括一个切削刀具。18.如权利要求17所述的方法，其中该切削刀具是选自下组，该组由以下各项组成端铣刀刀具、铣削刀具、车削刀具和钻削刀具。19.如权利要求11所述的方法，其中该第一氮化铝钛层(6)具有在约10至约40纳米范围内的平均粒径。20.如权利要求11所述的方法,其中该第一氮化招钛层(6)具有一个立方相,该立方相具有以在约4.5至约10的范围内的一个X射线衍射(200)与(111)的峰强度比为特征的一种织构。全文摘要披露了可用于切削刀具上的包括氮化铝钛的硬质涂层(2)以及制造该硬质涂层(2)的方法。该涂层(2)包括至少一个氮化铝钛层(6)，该氮化铝钛层具有在约0与约15重量百分比之间的六方相以及(AlxTi1-x)N的组成，其中x是在约0.53至约0.58摩尔的范围内。文档编号C23C14/34GK102859026SQ201080043738公开日2013年1月2日申请日期2010年9月1日优先权日2009年10月2日发明者W·倪,R·M·佩尼彻,Y·刘,M·F·贝布罗申请人:钴碳化钨硬质合金公司