专利名称：具有呈现磨损指示的耐磨损涂覆体系的切削镶片及其制造方法
具有呈现磨损指示的耐磨损涂覆体系的切削镶片及其制造方法 早期共同待审专利申请的交叉引用授予Ruppi的美国专利号6,015,614涉及用于切削镶片的 一种多层涂覆体系，其中该过程包括一种涂覆后的喷砂处理。'614专 利似乎示出了一个a-Al203层，其上带有一个粘结层((Ti， Al)(C，O，N))， 连同该粘结层上的一个单个的或多层TiN组合。见表3中的实例9和 10。该多层TiN組合包括TiN和TiC的交替层。见表3中的实例8。 '614专利包括使用A1203颗粒(320目，中粒度30 jim )来对涂覆的 镶片的表面进行喷砂的步骤。见第3栏第66行至第4栏第3行。授予Okada等人的美国专利申请公布号US 2007/0128469 提出了一个涂覆体系的总体说明，该涂覆体系包括一个基础涂层、一 个中间涂层以及一个最外涂层。在此方面，部分地阅读段落
该最外层可以通过湿喷砂被除去。
Okada等人的'469专利公开文件还似乎提出了湿喷砂的多个变体，以 将该涂层的一部分从该涂覆状态的切削镶片上除去。见段落[0029至 [0033。本发明在其再另 一种形式中是制造带有磨损指示的切削 镶片的一种方法，该方法包括以下步骤提供一种基底，该基底带有 一个外部氧化铝涂层；将一种沉积态的非磨损指示涂层涂敷到该氧化 铝涂层上；并且对该非磨损指示涂层进行处理，以将它转化为一种磨 损指示涂层。
15[0022本发明在其再另一种形式中是一种制造带有磨损指示的 涂层的切削镶片的方法，该方法包括以下步骤提供一种基底，该基 底带有一个外部氧化铝涂覆层；将一个磨损指示涂覆体系应用到该氧 化铝涂覆层上，其中，该磨损指示涂覆体系具有一个最外面的磨损指 示涂层，该最外面的磨损指示涂层具有一个第一厚度；并且对该磨损 指示涂覆体系进行处理，从而部分地除去该最外面的磨损指示涂层， 由此使该最外面的磨损指示涂层具有一个第二厚度，并且该第一厚度 大于该第二厚度。
附图简要说明图3是在涂覆的切削镶片的一个具体实施方案的涂覆体 系的背向散射模式(一个10微米的尺度)中的一张扫描电子显微术 (SEM)的黑白显微照片，其中指示了基底、碳氮化钛涂层、粘结涂 覆层、氧化铝涂覆层、TiAIOCN涂覆中间层以及之后的氧碳氮化钛的 顶部涂层；就图2的具体实施方案而言，该涂覆体系(见括弧44) 表示了通过化学汽相沉积(CVD)施加的一个常规部分，其中，该常 规部分包括
(A) 涂敷到基底40的表面42上的一个氮化钛基础涂覆层46, 它具有一个厚度，该厚度在大于0微米与约l微米之间的范围内，并 且具有在大于0微米与约0.5微米之间的一个交替范围；
(B ) —个碳氮化钛涂层48被涂敷到氮化钛涂层46上，并且其 中该碳氮化钛涂层具有在约l微米与约20微米之间的范围内的一个厚 度，并且带有在约2微米与约15微米之间的一个交替范围以及在约2 微米与约IO微米之间的另一个交替范围；
(C) 一个粘结涂覆层50，它包括涂敷到该碳氮化钛涂覆层上 的Ti、 Al、 O、 C以及N(连同一些高温CVD碳氮化钛)，并且其 中该粘结涂层具有在约O.l微米与约5微米之间的范围内一个厚度， 并且具有在约0.5微米与约3微米之间的一个交替范围；以及
(D) —个a-氧化铝涂层52，它被涂敷到粘结层50上并且其中 该a-氧化铝涂覆层具有在约1微米与约20微米之间的范围内的一个 厚度，并且具有在约2微米与约15微米之间的一个交替范围，以及具 有在约4微米与约12微米之间的另一个交替范围。
0046关于发明的涂层，氧碳氮化钛铝的一个涂覆中间层54通 过CVD被涂敷到a-氧化铝涂覆层52的表面上。涂覆中间层54具有 在大于O微米与约3微米之间的范围内的一个厚度，并且具有在大于 0微米与约l微米之间的一个交替范围。如由图5B所示，在用于发明的这些样品的氧化铝中的压 缩性残余应力在约-650 MPa与-800 MPa之间的范围内。虽然压缩应 力的最大量值可以根据该涂层组成、涂层厚度、涂层涂敷技术或者涂 层基底的热膨胀失配系数而变化，在此考虑该最大压缩应力约为2 GPa。应该认识到，本发明的这些样品的氧化铝涂覆层中的压缩性残 余应力是与先有技术切削镶片的氧化铝涂覆层中的压缩性残余应力处 于相同的范围内；然而，在本发明的情况下，与先有技术的切削镶片 相对比，由于本发明的外部涂覆层的氧化铝的改进的粘结强度，连同 喷砂处理的外部涂覆层的改进的磨损抵抗力，所以该外部磨损指示层 通过喷砂处理保持在适当的位置。人们应该i人识到，在特定的环境中，由于前刀表面与有涂 覆层的切削镶片的这些侧表面相比具有在视觉上可感知的不同的颜 色，因此有存在多个优点。典型地，这是由于在涂覆的切削镶片的各 自表面处的涂层的成分的差别。与在视觉上可感知的颜色的差异有关 的多个优点包括(没有限制)切削镶片的装饰性要求、提供视觉等 级识别的能力以及提供不同表面粗糙度以及与不同成分相关联的内应 力的能力，人们可以设计这些成分以适合于不同的应用。
图10是总体上表示为222的一种特定涂覆体系的一个示 意图，该涂覆体系是在涂覆的切削镶片的 一个具体实施方案的 一种基 底220的一个选定的表面上。应该认识到，在图IO的状态中的涂覆体 系可以存在于该切削镶件的所有表面上(或者至少在该前刀表面和/ 或一个或多个侧表面上)。在该替代实施方案中，可以处理涂覆体系 222，以去除氮化钛涂覆层/碳氮化钛涂覆层而露出氧碳氮化钛涂覆层。 在这个安排中，氧碳氮化钛涂覆层是在一个氧碳氮化钛铝涂覆层上。 —个CVD氧碳氮化钛铝涂覆层(在图10中被指示为氧 碳氮化钛铝)是在这个或这些氧化铝涂覆层的最外面的表面上。 一个 CVD氧碳氮化钛涂覆层(在图10中被设计为氧碳氮化钛)是在这个
28或这些氧化铝涂覆层的表面上。该氧碳氮化钛铝涂覆层/氧碳氮化钛涂 覆体系被预期用来改进这些最外面的涂覆层(即，碳氮化钛/氮化钛) 的附着，如以下讨论。
!0075
一个CVD碳氮化钛涂覆层(在图10中被指示为碳氮化 钬)是在该氧碳氮化钛涂覆层的表面上。 一个CVD氮化钛涂覆层(在 图10中被指示为氮化钛)是在该碳氮化钛涂覆层的表面上。该氮化钛 涂覆层的厚度是"Y"。在这个具体实施方案中，该氮化钛涂覆层呈现 出一种在视觉上可感知的金色。
—个CVD氧化铝涂覆层(在图11中被指示为氧化铝) 是在该下层涂层安排的顶部上。该氧化铝涂层安排可以包括一个单个 的氧化铝涂覆层或者在该替代实施方案中，它可以包括多个氧化铝涂 覆层。这个或这些氧化铝涂覆层是一个耐磨损的涂覆层安排。
[0079
一个CVD氧碳氮化钛铝涂覆层(在图11中被指示为氧 碳氮化钛铝)是在这个或这些氧化铝涂覆层的最外面的表面上。 一个 CVD氧碳氮化钛涂覆层(在图11中被设计为氧碳氮化钛)是在这个 或这些氧化铝涂覆层的表面上。
[0080
一个CVD碳氮化钛涂覆层(在图11中被指示为碳氮化
29钛)是在该氧碳氮化钛涂覆层的表面上。 一个氮化钛涂覆层(在图11 中被指示为氮化钛)是在该碳氮化钛涂覆层的表面上。该氮化钛涂覆
层的厚度是"z"。在这个具体实施方案中，该氮化钛涂覆层呈现出一
种在视觉上可感知的金色。
[0081在将图IO和图11中的实施方案的氮化钛涂覆层的厚度进 行比较，清楚的是尺寸Y大于尺寸Z。在这种情况下，对涂覆体系226 进行喷砂，该喷砂部分地去除了外部氮化钛涂覆层。因此，在喷砂之 前，该氮化钛涂覆层的厚度Z小于厚度Y。
[0082可以认识到，本发明提供了一种具有磨损(或使用)指示 性能的涂覆切削镶片。这些性能将一个颜色对比使用在该磨损指示涂 覆层上，该磨损指示涂覆层在未使用过的状态下呈现出基本上均匀或 一致的视觉外观。然而，如果在使用过程中该磨损指示涂覆层被去除 以露出该下层的耐磨损涂覆层(如， 一个氧化铝涂覆层)，在该顶部 涂覆层与该氧化铝涂覆层之间存在着一种在视觉上可感知的颜色对 比，以指示使用或磨损。该顶部涂覆层还可以通过热氧化引起的变色 而在视觉上指示使用，其中，在被氧化的顶部涂覆层与未被氧化的顶 部涂覆层之间存在着一种颜色对比。该顶部涂覆层还可以通过工件材 料在该切削镶片上的附着或积累而在视觉上指示使用，其中，在积累 的工件材料与顶部涂覆层之间存在着一种颜色对比。操作者因此可以
观察该切削镶片并且将这个或这些使用过的切削刃与这个或这些未使 用过的切削刃辨别出来。
[00831此外，本发明提供了这样一种呈现出光滑表面的切削镶 片。另外，本发明提供了一种切削镶片，它提高了有用的工具寿命连 同具有磨损指示性能以及一个光滑表面。
[00841在此指明的所有专利、专利申请、文章以及其他文献均特 此通过引用结合在此。通过考虑本说明书或实施在此披露的本发明， 本发明的其他实施方案对于本领域普通技术人员可能是清楚的。在此 的意图是本说明书以及在此给出的任何实例仅应被看作解说性的，而 本发明的真实的精神和范围是由以下的权利要求书来表明。
权利要求
1.一种在形成切屑的材料的去除操作中使用的涂覆的切削镶片，该涂覆的切削镶片包括一个基底，该基底具有一个侧表面以及一个前刀表面，其中该侧表面与该前刀表面相交，以在该相交处形成一个切削刃；粘附到该基底的至少一个部分上的一种耐磨损涂覆体系，并且该耐磨损涂覆体系包括一个或多个涂覆层，该一个或多个涂覆层具有氧化铝、氧化铪以及氧化锆中的一种或多种；以及粘附到该耐磨损涂覆体系的至少一个部分上的一个磨损指示涂层，并且该磨损指示涂层包括M(OxCyNz)，其中，M是选自下组，该组包括以下各项中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金、以及它们的合金，并且x＞0、y≥0、z≥0、y+z＞0。
2. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系包括氧化铝，并且M是钛。
3. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系包括氧化铝，并且M是钛-铝。
4. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系对压缩性残余应力呈现出减少的拉伸。
5. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系呈现出压缩性残余应力。
6. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 覆层通过一种涂覆后机械处理来维持附着到该耐磨损涂覆体系上。
7. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 层是在该前刀面的至少一个部分上以及该侧面的至少一个部分上。
8. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中该基底给出多个 切削刃，并且其中这些切削刃中选定的一个在该形成切屑的材料的去 除操作过程中与该工件接合，并且该磨损指示涂层提供这些切削刃中 该选定的一个已经在使用的一种在视觉上可感知的指示物。
9. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示层 具有在大于0微米与约5微米之间的范围内的一个厚度。
10. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示层 具有在大于O.l微米与约3微米之间的范围内的一个厚度。
11. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示层 具有在大于0.5微米与约2微米之间的范围内的一个厚度。
12. 如权利要求1所述的有涂覆层的切削镶片，其中，该耐磨损 涂覆体系呈现出在约100 MPa与约2000 MPa之间的范围内的一个压 缩性残余应力。
13. 如权利要求1所述的有涂覆层的切削镶片，其中，该耐磨损 涂覆体系呈现出在约200 MPa与约1000 MPa之间的范围内的一个压 缩残余应力。
14. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，存在于该基底 的前刀表面上的磨损指示涂层是一种在视觉上可感知的颜色，并且存 在于该基底的侧表面上的磨损指示涂层是另一种在视觉上可感知的颜色。
15. 如权利要求14所述的有涂覆层的切削镶片，其中，对于该前 刀表面上的磨损指示涂层，M是钛并且y〉0并且z〉0;并且对于该 侧表面上的磨损指示涂层，该最外面的涂覆层包括氮化钛。
16. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 层包括在该耐磨损涂覆体系上的一层氧碳氮化钛，并且一个最外面的涂覆层包括夙化欲。
17. 如权利要求1所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 层包括在该耐磨损涂覆体系上的 一 层氧碳氮化钛铝以及在该氧碳氮化 钛铝层上的 一层氧碳氮化钛。
18. —种在形成切屑的材料的去除操作中使用的涂覆的切削镶 片，该涂覆的切削镶片包括一个基底，该基底具有一个侧表面以及一个前刀表面，其中该侧 表面与该前刀表面相交以便在该相交处形成一个切削刃；粘附到该基底的至少一个部分上的一种耐磨损涂覆体系，并且该 耐磨损涂覆体系包括一个或多个涂覆层，该一个或多个涂覆层具有氧 化铝、氧化铪、以及氧化锆中的一种或多种，并且该耐磨损涂覆体系 呈现出压缩性残余应力；一个磨损指示涂层，该磨损指示涂层粘附到该耐磨损涂覆体系的 至少一个部分上，并且该磨损指示涂层包括M(OxCyNz),其中，M是 选自下组，该组包括以下各项中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金、以及它们的合金，并且 x>0、 y^0、 z^0、 y + z>0;以及在使用后，该磨损指示涂层呈现出 一种在视觉上可感知的使用的 颜色指示。
19. 如权利要求20所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系包括氧化铝，并且M是选自包括钛和钛-铝的组。
20. 如权利要求20所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 覆层通过一种涂覆后机械处理来维持附着在该耐磨损涂覆体系上。
21. 如权利要求20所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示涂 层是在该前刀面的至少一个部分上以及该侧面的至少一个部分上。
22. 如权利要求18所述的涂覆的切削镶片，其中，该基底给出多 个切削刃，并且其中，这些切削刃中选定的一个在该形成切屑材料去 除操作过程中与该工件接合，并且该磨损指示涂层提供这些切削刃中 选定的一个已经在使用的一种在视觉上可感知的指示物。
23. 如权利要求18所述的涂覆的切削镶片，其中，该磨损指示层 具有在大于O微米与约5微粒之间的范围内的一个厚度。
24. 如权利要求18所述的涂覆的切削镶片，其中，该耐磨损涂覆 体系呈现出在约100 MPa与约2000 MPa之间的范围内的 一个压缩性 残余应力。
25. 如权利要求18所述的有涂覆层的切削镶片，其中，该耐磨损 涂覆体系呈现出在约200MPa与约lOOOMPa之间的范围内的一个压 缩性残余应力。
26. —种在形成切屑的材料的去除操作中使用的涂覆的切削镶 片，该涂覆的切削镶片包括一个基底，该基底具有一个侧表面以及一个前刀表面，其中该侧表面与该前刀表面相交以便在该相交处形成一个切削刃；粘附到该基底的至少一个部分上的一个耐磨损涂覆体系，并且该耐磨损涂覆体系包括一个或多个涂覆层，该一个或多个涂覆层具有氧化铝、氧化铪、氧化锆中的一种或多种；以及一个第一磨损指示涂层，该指示涂层粘附到该前刀表面的耐磨损涂覆体系的至少一个部分上，并且该第一磨损指示涂层具有一种在视觉上可感知的第 一 颜色；以及在该侧表面上粘附到该耐磨损涂覆体系的至少一个部分上的一个第二磨损指示涂层，并且该第二磨损指示涂层具有一种在视觉上可感知的第二颜色。
27. 如权利要求26所述的涂覆的切削镶片，其中，该第一磨损指 示涂层包括Ml(OxCyNz)，其中，Ml是选自下组，该组包括以下各项 中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合 金、铬-铝合金、以及它们的合金，并且xX)、 y>0、 z>0;并且该第二 磨损指示涂层包括M2(N)，其中M2是选自下组，该组包括以下各项 中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合 金、铬-铝合金、以及它们的合金。
28. 制造一种带有磨损指示涂层的切削镶片的一种方法，该方法 包括以下步骤提供一个基底，该基底带有一个外部氧化铝涂覆层；将一个沉积态的非磨损指示涂覆层涂敷到该氧化铝涂覆层上；并且对该非磨损指示涂覆层进行处理，以使其转换为一个磨损指示涂
29. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中该非磨 损指示涂覆层包括M(OxCyNz)，其中，M是选自下组，该組包括以下 各项中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-4吕合金、格-4吕合金、以及它们的合金，并且xX)、 y^)、 z^)、 y + z>0。
30. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中该磨损 指示涂覆层包括M(OXyNz)，其中，M是选自下组，该组包括以下各 项中的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝 合金、铬-铝合金、以及它们的合金，并且xX)、 y^0、 z$0、 y + z>0; 并且该磨损指示涂覆层呈现出一种在视觉上可从该氧化铝涂覆层的颜 色中感知的颜色。
31. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中，该磨 损指示涂覆层具有在大于0微粒与约5微粒之间的范围内的 一个厚度。
32. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中该处理 步骤包括喷砂。
33. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中，该基 底具有一个侧表面以及一个前刀表面，其中该侧表面与该前刀表面相 交以便在它们的相交处形成一个切削刃；并且该外部氧化铝层是在该 基底的前刀表面的至少一个部分上并且在该基底的侧表面的至少一个 部分上；并且该处理步骤包括仅对在该前刀表面上的氧化铝涂覆层上 的沉积态非磨损指示涂覆层进行处理。
34. 如权利要求28所述的制造一种切削镶片的方法，其中，该基 底具有一个侧表面以及一个前刀表面，其中该侧表面与该前刀表面相 交以便在它们的相交处形成一个切削刃；并且该外部氧化铝层是在该 基底的前刀表面的至少一个部分上并且在该基底的侧表面的至少一个 部分上；并且该处理步骤包括在将该前刀表面上的氧化铝涂覆层上 的沉积态非磨损指示涂覆层处理到一种程度，并且将在该侧表面上的 氧化铝涂覆层上的沉积态非磨损的指示涂覆层处理到另 一种程度。
35. —种制造带有磨损指示涂层的切削镶片的方法，该方法包括 以下步骤提供一个基底，该基底带有一个外部氧化铝涂覆层； 将一种磨损指示涂覆体系涂敷到该氧化铝涂覆层上，其中该磨损 指示涂覆体系具有一个最外面的磨损指示涂覆层，该最外面的磨损指示涂覆层具有一个第一厚度；并且对该磨损指示涂覆体系进行处理，以便部分地去除该最外面的磨 损指示涂覆层，由此该最外面的磨损指示涂覆层具有一个第二厚度， 并且该第一厚度大于该第二厚度。
36. 如权利要求35所述的制造切削镶片的方法，其中，该最外面 的磨损指示涂覆层包括氮化钛。
全文摘要
在此说明了一种涂覆的切削镶片(20)，该切削镶片具有一个基底(40)，该基底具有一个侧表面(22)和一个前刀表面(24)以及在它们的相交处的一个切削刃(26)，以及一个附着到基底上的耐磨损涂覆体系(44)，并且包括一个或多个涂覆层(52)，该涂覆层具有氧化铝、氧化铪和氧化锆中的一种或多种。一个磨损指示涂层附着到该耐磨损涂覆体系上。磨损指示涂层(56)包括M(O<sub>x</sub>C<sub>y</sub>N<sub>z</sub>)，其中，M是选自下组，该组包括以下各项的一种或多种钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金、以及它们的合金，并且x＞0、y＝0、z＝0、y+z＞0。在此还提供了一种制造切削镶片(20)的方法，这种方法用于涂敷一个沉积态非磨损指示涂覆层并且对它进行处理，以将其转化为一个磨损指示涂覆层。
文档编号B23P15/28GK101687257SQ200880022356
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月2日 优先权日2007年6月28日
发明者K·P·米加尔斯基, M·J·罗, M·S·格林菲尔德, Z·班, 刘一雄, 小A·S·盖茨 申请人:钴碳化钨硬质合金公司