專利名稱：涂覆的切削鑲片及其制造方法
涂覆的切削鑲片及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種對于從一個工件上去除材料(例如，一個工件形成切屑的機加工) 有用的涂覆的切削鑲片。更確切地說，本發(fā)明涉及一種從一個工件上去除材料有用的切削鑲片，其中該涂覆的切削鑲片包括一個基底，該基底涂覆有一個多層的涂層，該涂層包括Zr 或Hf碳氮化物以及Al2O315該涂層方案包括一個暴露的Zr或Hf涂覆層，該層表現(xiàn)出一種壓縮應力。授予瓦登博格(van den Berg)等人的美國專利號6，224，968 (轉(zhuǎn)讓給了肯納金屬公司)披露了在硬質(zhì)合金、鋼、金屬陶瓷、或陶瓷基底上的一種涂層的使用，該涂層包括一個第一 TiN層、一個第二碳氮化物層、一個第三Al2O3層以及在一個Zr、Hf、V、Nb、Ta或Cr的碳氮化物外層。授予韋斯特法爾(Westphal)等人的美國專利號6，884，496 (轉(zhuǎn)讓給了肯納金屬公司)披露了一種增加Zr或Hf碳氮化物涂層的壓縮殘余應力或減小其拉伸壓縮應力的方法， 是通過用噴霧形成的硬質(zhì)材料金屬粒而將該材料干法噴砂。授予康尼格(Konig)等人的美國專利號6，350，510 (轉(zhuǎn)讓給了肯納金屬公司)披露了具有內(nèi)部壓縮應力的Zr或Hf碳氮化物的多相層。該Zr或Hf層的壓縮應力是由于在 900° C與1100° C之間不斷的CVD涂覆過程接著熱處理的結(jié)果。授予班(Ban)等人的美國專利申請?zhí)?009/0004449和2009/0004440(轉(zhuǎn)讓給了肯納金屬公司)披露了對具有一個外部耐磨損涂層的一個切削鑲片進行濕法噴砂，該涂層包括M(OxCyNz),其中M是選自下組，該組包括以下各項中的一種或多種鈦、鉿、鋯、鉻、鈦-鋁合金、鉿-鋁合金、鋯-鋁合金、鉻-鋁合金、以及它們的合金，并且x>0，y > 0，z > O并且 y+z>0o發(fā)明概述在此提供了一種用于從工件上去除材料的涂覆的切削鑲片，該切削鑲片包括一個基底。在該基底上的一個耐磨涂層，該涂層包括一個α-氧化鋁層以及沉積該α-氧化鋁層上的一個Zr-或Hf-碳氮化物外層。該Zr-或Hf-碳氮化物外層經(jīng)受了一個涂覆后的濕法噴砂處理。該濕法噴砂將該Zr-或Hf-碳氮化物外層的應力條件從初始的拉伸或輕微的壓縮應力條件改變?yōu)楦蟮膲嚎s應力條件。本發(fā)明的一個方面提供了一種涂覆的切削鑲片，該切削鑲片包括一個基底以及一個多層的涂層方案，該方案包括一個Q-Al2O3層以及在該Ci-Al2O3層上的一個ZrCN或HfCN 外層，其中該外層表現(xiàn)了范圍在約_700MPa與約-4. OGPa之間的噴砂應力條件，如通過XRD 使用Ψ傾斜法(Psi tilt method)以及ZrCN的(220)反射來測量的。一種涂覆的切削鑲片包括一個基底以及一個多層的涂層方案，該方案包括一個 Ci-Al2O3層以及在該Q-Al2O3層上的一個ZrCN或HfCN外層，其中該a-Al2O3層表現(xiàn)了范圍在約300Mpa與約-I. OGPa之間的噴砂應力條件，如通過XRD使用Psi傾斜法以及a -Al2O3 的(024)反射來測量的。一種制造涂覆的切削鑲片的方法包括以下步驟，提供一個基底，用一個多層的耐磨涂層來涂覆該基底，該涂層包括一個Ci-Al2O3層以及一個在該Ci-Al2O3層上的外部的 Zr-或Hf-碳氮化物外層；并且使該外層經(jīng)受一個濕法噴砂處理。附圖
簡要說明以下是對附圖的簡要說明，這些附圖形成本專利申請的一部分圖I是一個本發(fā)明的涂覆的切削鑲片的具體實施方案的等角視圖，其中該涂覆的切削鑲片是處于一個噴砂后的情況下；圖2是圖I中展示的涂覆的切削鑲片的部分截面視圖。該截面展示了沿著截面線 A-B并且接近該鑲片表面的涂覆的切削鑲片的一部分。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的涂覆的切削鑲片的一區(qū)段的顯微照片。該區(qū)段示出了在該鑲片的側(cè)面上暴露了該基底和涂覆層的一個半球狀痕跡。詳細說明現(xiàn)在參見附圖，圖I示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一個涂覆的切削鑲片10。 切削鑲片10對于從一個工件(例如，一個工件的形成切屑的機加工)上去除材料是有用的。 該涂覆的切削鑲片10可以具有一個切削拐角11。圖2示出了沿著截面線A-B并且在切削拐角11處切削圖I的截面視圖。仍然參見圖2，該切削鑲片10具有一個基底12與一個在其上的多層的涂層。該基底包括WC硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、或鋼。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案并且從與該基底相鄰的最靠內(nèi)的涂層開始并且向外發(fā)展，該多層的涂層的這些層包括一個TiN層13、一個 TiCN層14、一個Al2O3層15以及一個外層16。該TiCN層14可以是中等溫度的TiCN涂層或高溫的TiCN涂層。在某些實施方案中，該Al2O3層15是一個帶紋理的Ci-Al2O3，具有占主導的(104)生長紋理。該外涂層16包括一種基于Zr或基于Hf的氮氧化物，優(yōu)選ZrCN。在本發(fā)明的一個具體實施方案中，一個粘合層18可以布置在該Al2O3層15與一個外涂層16之間。該粘合層18可以包括M(OxCyNz),其中，M是選自下組，該組包括以下各項中的一種或多種鈦、鉿、錯、鉻、鈦-招合金、鉿-招合金、錯-招合金、鉻-招合金、以及它們的合金，并且X彡O、y彡O、z彡O并且y+z>0。當鋁存在于該磨損指示層的“Μ”成分中時，它是處于與其他元素(即，鈦、鉿、鋯、鉻)中的另一種或多種的組合中的。本發(fā)明的另一個實施方案提供了一個TiOCN層17。該TiOCN層17可以位于該TiCN層14與該Al2O3層 15之間。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的涂覆的切削鑲片的一區(qū)段的顯微照片。該區(qū)段示出了在該鑲片的側(cè)面上暴露了基底和涂覆層的一個半球狀痕跡。該顯微照片示出了一個WC-Co基底20，該基底具有在其上的一個多層的涂層。從與該基底相鄰的涂覆層開始并且向外發(fā)展是以下層一個TiN層22、一個MT-TiCN層24、一個TiOCN層26、一個Q-Al2O3 層28、以及一個ZrCN層30。該Zr-或Hf-碳氮化物外層可以通過CVD進行施加，由此，氣相(處于是700° C 與1100° C之間的反應溫度下，并且優(yōu)選地處于5kPA與IOOkPa之間的壓力下)除了 H2和 /或Ar以及上述金屬的氯化物之外，還包括具有C-N分子基團的碳供體以及氮供體。這優(yōu)選地是具有在碳與氮之間是三鍵的一種氰化物基團，其間距在室溫下總計是在O. 114與 O. 118nm之間。此種化合物是氰化氫、氰氨、氰、氰乙炔(cyanacetylene)或乙腈。作為替代方案或部分地，還可以使用這樣的氣態(tài)化合物，它們具有CN分子基團，該基團具有在該碳與該氮之間一個單鍵。具有單CN鍵的分子包括甲胺和乙二胺。本發(fā)明包括在其框架內(nèi)包括氰化物基團的適當?shù)幕?；這種類型的化合物原則上是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。在反應溫度下能夠形成氰基基團的其他的氣態(tài)介質(zhì)可以裝入反應容器中。該TiN層13的厚度可以是O至2. O μ m，例如O. I至O. 5 μ m。該TICN層14的厚度可以是I. O至20. O μ m,例如2. O至10 μ m。該Al2O3層15的厚度可以是I. O至15. O μ m,例如2. O至8.0 μ m。該外涂層16的厚度可以是O. 5至5.0 μ m，例如I. O至3.0 μ m。涂覆后濕法噴砂步驟將外涂覆層16去除到某一程度。該外涂層16的厚度可以是O. 5至4. 5 μ m， 例如I. O至3. O μ m。該多層的涂層經(jīng)受了一個涂覆后的濕法噴砂處理。該涂覆后的噴砂步驟包括將氧化鋁顆粒氣動地噴射到一種液體(例如，水)漿料中以便撞擊該噴砂前的涂層方案的所有表面。該涂覆后的濕法噴砂步驟將外層中的拉伸應力轉(zhuǎn)化成壓縮應力，或增加該外層的壓縮應力。該涂覆后的濕法噴砂步驟還使該外涂層16的表面平滑。清楚的是該濕法噴砂步驟不僅改變了外涂層16應力條件而且還使其表面平滑。該外涂層16 (沉積態(tài)的)是輕度拉伸或壓縮的。在輕度拉伸的情況下，該涂覆后濕法噴砂步驟將該外涂層16的拉伸應力轉(zhuǎn)化到噴砂后的壓縮應力的水平。在輕度壓縮的情況下，該涂覆后濕法噴砂步驟進一步增加了該外涂層16的壓縮應力。該涂覆后的濕法噴砂步驟還導致了使該外涂層16變得平滑。在一個替代方案中， 暴露的氧化鋁涂覆層表現(xiàn)出了使用WYKO測量技術(shù)在約O. 2 μ m與約O. 5 μ m之間的表面粗糙度Ra。在另一個替代方案中，暴露的氧化鋁涂覆層表現(xiàn)出了使用WYKO測量技術(shù)在約 O. 2 μ m與約O. 4 μ m之間的表面粗糙度Ra。在還另一個替代方案中，暴露的氧化鋁涂覆層表現(xiàn)出了使用WYKO測量技術(shù)在約O. 3 μ m與約O. 4 μ m之間的表面粗糙度Ra。關于WYKO技術(shù)，在WYKO測量中在豎直掃描干涉測量模式下選擇了 O. 3mm乘O. 2mm的采樣區(qū)域。在耐磨涂層方案的一個替代方案中，該外涂層表現(xiàn)出等于約IOOMPa的拉伸應力至約-400MPa的壓縮應力的噴砂前(或沉積態(tài)的)應力條件。如在此使用的，當提及一個涂層的應力條件時，一個正數(shù)值表示拉伸條件而一個負數(shù)值表示壓縮條件。完成該濕法噴砂之后，該外涂覆層16具有的壓縮應力條件是在_700MPa至約-4. OGPa之間。在另一個替代方案中，在完成該濕法噴砂之后，該外涂層16表現(xiàn)出在-2. OGPa至約-4. OGPa之間的應力條件。在耐磨涂層方案的另一個替代方案中，該Al2O3層15表現(xiàn)出等于約400MPa的拉伸應力至約800MPa的拉伸應力的噴砂前(或沉積態(tài)的)應力條件。完成該濕法噴砂之后，該 Al2O3層15具有的壓縮應力條件是在300MPa至約-I. OGPa之間。提及對于ZrCN外涂層應力的測量技術(shù)，該技術(shù)是X射線衍射(XRD)技術(shù)。該XRD 應力測量是基于Psi傾斜法，并且選擇該ZrCN涂覆層的反射(220)用于測量。O度、28. 9 度、43. I度、56. 8度以及75度的Psi傾斜被選擇用于這些殘余應力水平的測量。正的和負的Psi傾斜被選擇用來提供為確定可能的剪切應力所要求的數(shù)據(jù)。此外，三個Phi旋轉(zhuǎn)角度(O度、45度以及90度)被選擇用來提供為確定材料的雙軸應力狀態(tài)所要求的數(shù)據(jù)。雙軸應力計算是使用以下方程式完成的
權(quán)利要求
1.一種涂覆的切削鑲片，包括一個基底；以及一個多層的涂層方案，該方案包括一個a -Al2O3層；以及在該a -Al2O3層上的一個ZrCN或HfCN外層，其中該外層展現(xiàn)了一種范圍在約_700MPa至約-4. OGPa之間的噴砂應力條件，如通過 XRD使用Psi傾斜法以及ZrCN或HfCN的(220)反射來測量的。
2.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削鑲片，其中該噴砂應力條件的范圍是在約-2.OGPa 與約-4. OGPa之間。
3.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削鑲片，其中該多層的涂層方案進一步包括在該TiN 層上的一個最靠內(nèi)的TiN和一個TiCN層，其中a -Al2O3層在該TiCN層上。
4.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削鑲片，進一步包括在該Al2O3層與一個外層之間的粘合層，該粘合層包括M(OxCyNz),其中，M是選自下組，該組包括以下各項中的一種或多種 鈦、鉿、錯、鉻、鈦-招合金、鉿-招合金、錯-招合金、鉻-招合金、以及它們的合金，并且 X彡O、y彡O、ζ彡O并且y+z>0 ;并且由此當M是鋁時，則還存在的是鈦、鉿、鋯、或鉻中的至少一種。
5.如權(quán)利要求3所述的涂覆的切削鑲片，進一步包括在該TiCN層與該Al2O3層之間的一個 TiOCN 層。
6.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削鑲片，其中該基底包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、或陶瓷。
7.如權(quán)利要求I所述的涂覆的切削鑲片，其中該外層具有的厚度是O.5 μ m至4. 5 μ m 并且該a -Al2O3層具有的厚度是I. O μ m至15. O μ m。
8.一種涂覆的切削鑲片，包括一個基底；以及一個多層的涂層方案，該方案包括一個a -Al2O3層；以及在該a -Al2O3層上的一個ZrCN或HfCN外層，其中該α -Al203層展現(xiàn)了一種范圍在約300MPa至約-I. OGPa之間的噴砂應力條件， 如通過XRD使用Psi傾斜法以及a -Al2O3的(042)反射來測量的。
9.如權(quán)利要求8所述的涂覆的切削鑲片，其中該多層的涂層方案進一步包括在該TiN 層上的一個最靠內(nèi)的TiN和一個TiCN層，其中該a -Al2O3層在該TiCN層上。
10.如權(quán)利要求8所述的涂覆的切削鑲片，進一步包括在該Al2O3層與一個外層之間的粘合層，該粘合層包括M(OxCyNz)，其中，M是選自下組，該組包括以下各項中的一種或多種鈦、鉿、錯、鉻、鈦-鋁合金、鉿-鋁合金、鋯-鋁合金、鉻-鋁合金、以及它們的合金，并且 X彡O、y彡O、ζ彡O并且y+z>0 ;并且由此當M是鋁時，則還存在的是鈦、鉿、鋯或鉻中的至少一種。
11.如權(quán)利要求10所述的涂覆的切削鑲片，進一步包括在該TiCN層與該Al2O3層之間的一個TiOCN層。
12.如權(quán)利要求8所述的涂覆的切削鑲片，其中該基底包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、或陶瓷。
13.如權(quán)利要求8所述的涂覆的切削鑲片，其中該基底包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、或陶瓷。
14.如權(quán)利要求8所述的涂覆的切削鑲片，其中該外層具有的厚度是O.5 μ m至4. 5 μ m 并且該a -Al2O3層具有的厚度是I. O μ m至15. O μ m。
15.一種制造涂覆的切削鑲片的方法，包括以下步驟提供一個基底；用一個多層的耐磨涂層來涂覆該基底，該涂層包括一個Ci-Al2O3層以及位于該 a -Al2O3層上的一個外部的Zr-或Hf-碳氮化物外層；并且使該外層經(jīng)受一個濕法噴砂處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造涂覆的切削鑲片的方法，其中該濕法噴砂處理利用了含氧化鋁顆粒與水的一種漿料，其中該氧化鋁包括按體積計5%至35%的該漿料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造涂覆的切削鑲片的方法，其中這些氧化鋁顆粒是 20 μ m-100 μ m。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造涂覆的切削鑲片的方法，其中該漿料以35psi至 55psi的壓力進行噴砂，并且該濕法噴砂持續(xù)6秒至四十五秒。
全文摘要
在此披露了一種用于從工件上去除材料的涂覆的切削鑲片10。該鑲片10包括一個基底12以及一個耐磨涂層，該耐磨涂層包括一個α-氧化鋁層15以及沉積在該α-氧化鋁層15上的Zr-或Hf-碳氮化物外層16。該Zr-或Hf-碳氮化物外層16經(jīng)受了一個涂覆后的濕法噴砂處理。該濕法噴砂將氧化鋁涂層15的應力條件從初始的拉伸應力條件改變?yōu)閴嚎s應力條件。
文檔編號B23B27/14GK102612570SQ201080050802
公開日2012年7月25日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者H·衛(wèi)斯特法, M·F·貝部羅, V·索特克, 劉一雄, 班志剛 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司