TWI444237B - 具奈米層化被覆配置之經被覆物品 - Google Patents

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Description

具奈米層化被覆配置之經被覆物品
本發明關於一種經被覆物品，及一種塗佈被覆配置之方法。更特別地，本發明關於一種經被覆物品，其中被覆配置包括含鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層，及一種塗佈被覆配置之方法。例示經被覆物品包括但非限制於切削嵌入件與耐磨組件。
關於經被覆切削嵌入件作為經被覆物品之一個實例，經被覆切削嵌入件一般包含其上具被覆配置之基板。切削嵌入件呈現使得其一般具有耙面與腹面之幾何，其中在耙面與腹面之交叉(或接合)處有刀刃。通常對於經被覆切削嵌入件，許多不同技術任一均可將被覆配置塗佈於基板。這些技術可包括化學蒸氣沉積(CVD)與物理蒸氣沉積(PVD)。
經被覆切削嵌入件可在碎片形成材料去除操作中用於去除材料。碎片形成材料去除操作包括但非限制為銑切、車削、搪孔、鑽孔等操作，其中切削嵌入件銜接作業片，切削嵌入件與作業片係彼此相對地移動。在作業片與切削嵌入件間之銜接處(或表面)(即切削嵌入件-碎片界面)可存在大量熱。刀片-碎片界面處之熱轉移至基板中及被覆配置與基板間界面(即被覆-基板界面)對切削嵌入件性能有害。更特別地，熱轉移至基板及被覆-基板界面造成被覆之過早過度磨耗。此被覆配置之過度磨耗一般縮短經被覆切削嵌入件之可用壽命。
被覆配置一般影響自切削嵌入件-碎片界面至基板及被覆-基板界面之熱轉移程度。被覆配置之導熱度為可強烈地影響熱轉移程度之性質。呈現較低之總導熱度的被覆配置一般降低基板中及被覆-基板界面處之熱量。相較於不呈現熱轉移降低之經被覆切削嵌入件，熱轉移降低一般造成切削嵌入件之較長工具使用壽命。
過去經被覆切削嵌入件已呈現各種被覆配置。例如Ishikawa之美國專利申請案公告US 2006/0269788 A1號揭示層間具不同組成物之AlCrTiN交錯層。依照英文摘要，Natsuki等人之日本專利公告第2003 340608 A2號及Hidemitsu等人之日本專利公告第2004 106108 A2號各提供包括TiAlCrN交錯層之揭示，但是鉻始終存在於各被覆層。
Endrino(讓渡予Uniaxis Balzer AG)之WO 2006/084404 A1號專利揭示AlCrN內被覆層與AlCrN外被覆層之用法。依照英文摘要，Yasuhiko之日本專利公告第2004 050381 A2號揭示AlCrN層。Derflinger等人(讓渡予OC Oerlikon Balzers AG)之美國專利第7,226,670 B2號教示AlCrN為有益之被覆材料。
Yamamoto等人之美國專利申請案公告2005/0170162 A1號揭示交錯被覆配置之(Ti Al Cr)N被覆層。Vetter等人之美國專利第6,730,392 B2號似乎揭示一種交錯被覆配置，其中層具有不同之鋁、鈦與鉻含量，及不同之氮/氧比例。Toihara之美國專利第7,008,688 B2號顯示使用TiAlN與CrN之交錯被覆層排列。此外以下專利文件似乎顯示各 種具交錯被覆層之被覆配置：Selinder等人之美國專利第6,103,357號、Hörling等人之美國專利第7,056,602號、Hörling等人之美國專利第7,083,868號、及Astrand等人之PCT專利公告WO 2006/041366 A1號。
以下三件專利顯然顯示(Ti Al Cr)N膜之用途：Yamamoto等人之美國專利第6,824,601 B2號、Yamamoto等人之美國專利第6,919,288 B2號、及Yamamoto等人之美國專利第7,186,324 B2號。
在其一種形式中，本發明為一種用於碎片形成材料去除操作之經被覆切削嵌入件。此切削嵌入件包含基板與耐磨被覆配置。耐磨被覆配置包含具鈦、鋁、鉻、與氮之中間多重奈米層。中間多重奈米層被覆配置包含多組交錯層排列，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與氮之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域。各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層。基層具有基層厚度且奈米層區域具有奈米層區域厚度，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
在其另一種形式中，本發明為一種用於碎片形成材料去除操作之經被覆切削嵌入件。此切削嵌入件包含基板與耐磨被覆配置。耐磨被覆配置包含具鈦、鋁、鉻、與X之中間多重奈米層。中間多重奈米層被覆配置包含多組交錯層排列，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與X之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域。各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與X之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與 X之奈米層。X包含以下任一：氮、碳、硼、碳與氮，硼與氮，碳與硼與氮，氮與氧，碳與氧，硼與氧、碳與氮與氧，硼與氮與氧，及碳與硼與氮與氧。基層具有基層厚度且奈米層區域具有奈米層區域厚度，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
在其又一種形式中，一種塗佈被覆配置之方法包含以下步驟：塗佈含鈦、鋁、鉻、與X之中間多重奈米層被覆配置，及塗佈中間多重奈米層被覆配置之步驟包含以下步驟：塗佈多組交錯層排列，其中各交錯層排列之塗佈包含以下步驟：塗佈包含鈦、鋁與X之基層；及塗佈奈米層區域包含以下步驟：塗佈多組交錯奈米層，其包含以下步驟：塗佈一包含鈦、鋁、鉻、與X之奈米層、及塗佈另一包含鋁、鉻、鈦、與X之奈米層。
在其又一種形式中，本發明為一種經被覆物品。此經被覆物品包含基板與耐磨被覆配置。耐磨被覆配置包含具鈦、鋁、鉻、與氮之中間多重奈米層被覆配置。中間多重奈米層被覆配置包含多組交錯層排列，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與氮之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域。各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層。基層具有基層厚度且奈米層區域具有奈米層區域厚度，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
第1圖為本發明經被覆切削嵌入件(通常示為20)之等角視圖。經被覆切削嵌入件20包含基板22與被覆配置 24。其已去除一部分被覆24而暴露基板22。被覆配置24係在切削嵌入件基板22之表面上。經被覆切削嵌入件20呈現腹面26與耙面28。刀刃30存在於腹面26與耙面28之交叉處。基板22可為作為用於切削嵌入件之基板的多種合適材料任一，其包括但不限於以下材料：高速鋼、硬質碳化物(包括鈷-鎢碳化物)、陶瓷(包括SiAlON與氧化鋁與氮化矽)、金屬瓷料(包括碳化鈦系材料)、及超硬材料(包括燒結立方氮化硼與燒結金剛石)。
經被覆切削嵌入件(如切削嵌入件20)可在碎片形成材料去除操作中用於去除材料。碎片形成材料去除操作包括但非限制為銑切、車削、搪孔、鑽孔等操作，其中切削嵌入件銜接作業片，切削嵌入件與作業片係彼此相對地移動。在作業片與切削嵌入件間之銜接處(或表面)(即切削嵌入件-碎片界面)可存在大量熱。刀片-碎片界面處之熱轉移至基板中及被覆配置與基板間界面(即被覆-基板界面)對切削嵌入件性能有害。更特別地，熱轉移至基板及被覆-基板界面減弱被覆對基板之黏附，其造成被覆之過早過度磨耗。此被覆配置之過度磨耗一般縮短經被覆切削嵌入件之可用壽命。
被覆配置一般影響自切削嵌入件-碎片界面至基板及被覆-基板界面之熱轉移程度。由於對基板及被覆-基板界面之熱轉移(特別是過量熱)對被覆之整體性有害，呈現降低此熱轉移之總導熱性質的被覆配置為有利的。其乃因為相較於不呈現熱轉移降低之經被覆切削嵌入件，此熱轉移降低一般造成切削嵌入件之較長工具使用壽命。在本具 體實施例中，藉由使用經選擇被覆序列，全部被覆配置呈現使自切削嵌入件-碎片界面(或接觸區碎片-被覆表面)至基板及被覆-基板界面之熱轉移程度最小的總導熱性質。
指定被覆配置具有含一或多含鋁、鉻與氮(例如氮化鋁鉻)被覆層(其具有較低導熱度)、及一或多含鈦、鋁與氮(例如氮化鈦鋁)層(其具有較高導熱度)之多層結構。以特定排列(或構造)使用此二被覆層，即氮化鋁鉻與氮化鈦鋁造成自切削嵌入件-碎片界面至基板及被覆-基板界面之熱轉移降低(或最小)。
更特別地，由於氮化鋁鉻之較低導熱度，使用氮化鋁鉻頂被覆層有助於阻礙自切削嵌入件-碎片界面至基板及被覆-基板界面之熱轉移。結果一些熱保留在碎片中且不傳送通過被覆至基板及被覆-基板界面中。因此雖然了解使用具較低導熱度之頂被覆為有利的，使用此層本身可為有害的，因為刀刃處之過度集中熱造成刀刃處之工具失效。
為了克服由於導熱度較低之頂被覆層造成刀刃處之過量熱存在，被覆配置可在氮化鋁鉻層下方具有氮化鈦鋁之底被覆層，其具有較高導熱度。底被覆層用以將熱散逸至頂被覆層使得熱在氮化鈦鋁被覆層內以全部方向(例如垂直及平行表面之方向)散佈。此熱散逸(或空間熱分布)去除刀刃處之過度集中熱。
隨自頂被覆層至最內被覆層循序進行熱轉移，多層奈米層被覆序列(或被覆構造)中之被覆層係使得氮化鋁鉻被覆層阻礙或阻擋熱轉移，及氮化鈦鋁被覆層散逸或散發熱。作用成交替阻擋熱轉移或散逸熱之被覆結果造成基板 中及被覆-基板界面處之熱降低。此外基板與基層間另一氮化鋁鉻被覆基層(其具有較低導熱度)之存在助於保護基板與被覆-基板界面對抗熱轉移。至基板及被覆-基板界面之熱轉移降低造成基板內熱裂形成之降低(或最小)或延遲。基板中熱裂之延遲或降低一般增加切削嵌入件之使用壽命。
第2圖以橫切面形式描述本發明耐磨被覆配置(通常示為40)之一個指定具體實施例。物理蒸氣沉積(PVD)為用以塗佈被覆配置40之技術。耐磨被覆配置40包含底層42，其含鋁、鉻與氮。被覆配置40進一步含頂層46，其含鋁、鉻與氮。如以上所討論，底層42與頂層46各呈現較低導熱度。被覆配置40亦含中間多重奈米層被覆配置(參見括號44)，其含鈦、鋁、鉻、與氮。耐磨被覆配置40具有等於約1500奈米至約15,000奈米間之被覆厚度A。中間多重奈米層中之不同被覆層可為具有不同導熱度之不同組成物。藉由選擇性排列中間多重奈米層被覆配置中之被覆層，其得到一種作用成交錯地阻擋熱轉移或散逸熱之被覆構造，其造成基板中及被覆-基板界面處之熱降低。
被覆配置亦包括在底層42上方之下轉移被覆層43。下轉移被覆層43提供底層42對中間多重奈米層被覆配置44間之轉移。其有提供中間多重奈米層被覆配置44與頂層46間之轉移的上轉移被覆層45。
在此指定具體實施例中，底層42最接近基板且頂層46最遠離基板。中間多重奈米層被覆配置44在下轉移被覆層43與上轉移被覆層45中間。應了解，其他底層(或 多被覆層)可位於底層42與基板表面之間。亦應了解頂被覆層(或多被覆層之頂被覆層配置)可在頂層46上方。
底層42呈現底層厚度B，其為約20奈米至約500奈米間之範圍。頂層46呈現頂層厚度D，其為約300奈米至約2000奈米間之範圍。更佳為頂層46之厚度大於500奈米而得到最適之熱屏障。底層42具有(Ala Cr1-a )N之組成物，其中0.2a0.7，而且較佳組成物為0.5a0.69。頂層46具有(Ala Cr1-a )N之組成物，其中0.2a0.7，而且較佳組成物為0.5a0.69。
關於中間多重奈米層被覆配置44，其包含多組交錯層排列(參見括號50、52、54、56、58、60、與62)。應了解交錯層排列(如括號50)之數量可依切削嵌入件之指定應用而改變。參考交錯層排列50，其為其他交錯層排列之代表，排列50含基層64，其包含鈦、鋁與氮。交錯層排列50進一步包含奈米層區域(參見括號66)。
參考第2A圖，奈米層區域66包含多組交錯奈米層(68、70、72、74、76、與78)，其中一奈米層82包含鋁、鉻、鈦、與氮，及另一奈米層84包含鋁、鉻、鈦、與氮。奈米層82中鋁、鉻、鈦、與氮之含量可為且一般為至少元素之一與其他奈米層84中鋁、鉻、鈦、與氮之含量不同。在一些情形，一奈米層中之鉻含量幾乎或等於零。在此情形，一奈米層具有(Tiy Al1-y )N之組成物，其中0.2y0.65，及另一奈米層具有(Tip Alq Cr1-(p+q) )N之組成物，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1(而且更佳為0.3p0.5及0.2q0.65及(p+q)<1)。在其中鉻存在於二奈米層之情 形，奈米層區域中交錯奈米層組之一奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且奈米層區域中交錯奈米層組之另一奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.65及0.01q0.65及(p+q)<1。
奈米層區域66具有等於約100奈米至約900奈米間之奈米層區域厚度F。此外對於各組交錯奈米層(68,70,72,74,76,78)，其中之交錯奈米層(82,84)具有範圍為約2奈米至約50奈米間之多重性。基層64具有基層厚度G，其為約100奈米至約500奈米間之範圍。基層64具有(Tiy Al1-y )N之組成物，其中0.2y0.65，而且更佳為0.3y0.6。基層厚度G小於奈米層區域厚度F。
關於下轉移被覆層43，此被覆層43包含多組交錯奈米層(如區域66)。一下轉移奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮，及另一下轉移奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮。一下轉移奈米層中鋁、鉻、鈦、與氮之含量可為且一般為至少元素之一與其他下轉移奈米層中鋁、鉻、鈦、與氮之含量不同。在一些情形，一下轉移奈米層中之鉻含量幾乎或等於零。在此情形，一下轉移奈米層具有(Tiy Al1-y )N之組成物，其中0.2y0.65，及另一下轉移奈米層具有(Tip Alq Cr1-(p+q) )N之組成物，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1(而且更佳為0.3p0.5及0.2q0.65及(p+q)<1)。在其中鉻存在於二下轉移奈米層之情形，一下轉移奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且另一下轉移奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中 0.2p0.65及0.01q0.65及(p+q)<1。下轉移被覆層之厚度為約50奈米至約200奈米間之範圍。此外對於各組交錯奈米層，其中之交錯奈米層具有範圍為約2奈米至約50奈米間之多重性。
關於上轉移被覆層45，此被覆層45包含多組交錯上轉移奈米層(如區域66)。一上轉移奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮，及另一奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮。一上轉移奈米層中鋁、鉻、鈦、與氮之含量可為且一般為至少元素之一與其他上轉移奈米層中鋁、鉻、鈦、與氮之含量不同。在一些情形，一上轉移奈米層中之鉻含量幾乎或等於零。在此情形，一上轉移奈米層具有(Tiy Al1-y )N之組成物，其中0.2y0.65，及另一上轉移奈米層具有(Tip Alq Cr1-(p+q) )N之組成物，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1(而且更佳為0.3p0.5及0.2q0.65及(p+q)<1)。在其中鉻存在於二上轉移奈米層之情形，一上轉移奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且另一上轉移奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.65及0.01q0.65及(p+q)<1。上轉移被覆層之厚度為約50奈米至約200奈米間之範圍。此外對於各組交錯奈米層，其中之交錯奈米層具有範圍為約2奈米至約50奈米間之多重性。
底層42具有底層導熱度。基層64具有基層導熱度。底層導熱度小於基層導熱度。頂層46具有頂層導熱度，其中頂層導熱度小於基層導熱度。
關於耐磨被覆配置之組成物，除了或代替已述之金屬 元素，任一或多底層與頂層及中間多重奈米層被覆配置各可進一步包含週期表第IVb、Vb與VIb族之金屬及矽之一或多種。更特別地，除了或代替鈦、鉻與鋁，任一或多底層與頂層及中間多重奈米層被覆配置各可進一步包含鎢、釩、鉬、鈮、與矽之一或多種。
應了解，碳可加入以上底層、頂層及中間多重奈米層被覆配置用組成物中之氮。在此狀況，底層具有(Ala Cr1-a )Cs Nt 之組成物，其中0.2a0.7(而且更佳為0.5a0.69)，及s+t=1。頂層具有(Ala Cr1-a )Cs Nt 之組成物，其中0.2a0.7(而且更佳為0.5a0.69)，及s+t=1。參考交錯層排列組(例如50)，基層具有(Tiy Al1-y )Cs Nt 之組成物，其中0.2y0.65(而且更佳為0.3y0.6)，及s+t=1。在一奈米層(例如組68中之奈米層82)不含鉻且其他奈米層(例如組68中之奈米層84)含鉻之狀況，一奈米層具有(Tiy Al1-y )Cs Nt 之組成物，其中0.2y0.65(而且更佳為0.3y0.6)，及s+t=1，而且其他奈米層具有(Tip Alq Cr1-(p+q) )Cs Nt 之組成物，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1(而且更佳為0.3p0.5及0.2q0.65及(p+q)<1)，及s+t=1。在另一種二奈米層均含鉻之狀況，奈米層區域中交錯奈米層組之一奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )Cs Nt ，其中0<x0.15及0.2y0.65及s+t=1，而且奈米層區域中交錯奈米層組之另一奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )Cs Nt ，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1及s+t=1。在其他狀況應了解，鉻在二奈米層之間可不同。
應了解，耐磨被覆配置可包括碳及/或氮以外之非金屬成分。關於此點，耐磨被覆配置包括含鋁與鉻與X之底層、及含鋁與鉻與X之頂層。底層最接近基板且頂層最遠離基板。耐磨被覆配置進一步包括在底層與頂層中間之中間多重奈米層被覆配置。
此外在耐磨被覆配置可包括碳及/或氮以外之非金屬成分的狀況，中間多重奈米層被覆配置含鈦、鋁、鉻、與X。中間多重奈米層被覆配置包含多交錯層排列，其中各多交錯層排列包含具鈦、鋁與X之基層、及具交錯奈米層之奈米層區域，其中一奈米層包含鈦、鋁、鉻、與X，及另一奈米層包含鋁、鉻、鈦、與X。在此被覆排列及全部被覆層中，X可包含以下任一：氮、碳、硼、碳與氮，硼與氮，碳與硼與氮，氮與氧，碳與氧，硼與氧、碳與氮與氧，硼與氮與氧，及碳與硼與氮與氧。
表1敘述第2及2A圖所述之被覆配置的典型尺寸。
第3圖為本發明被覆配置之橫切面的一個指定具體實施例(本發明樣本第1號)經光學顯微鏡拍攝之顯微相片(尺度為10微米)，其顯示經被覆切削嵌入件之角落刀刃。基板包含硬質碳化(鈷)鎢，其組成物為約10.5重量%之鈷、約6.3重量%之鉭、約5.4重量%之鈦、與約3.1重量%之鈮，其餘為碳化鎢粒。基板具有以下性質：密度(依照ASTM B311之步驟測量)等於每立方公分約12.3克，保磁力(HC )(依照ASTM B887測量)等於約180奧斯特，粒度(參考ASTM B390之比較圖表而測定)等於約1-6微米，及硬度等於約91.5 Rockwell A。第3圖顯示耐磨被覆配置包含底層，其厚度等於約200奈米且具有鋁與鉻與氮之組成物。耐磨被覆配置亦具有頂層，其厚度等於約600 奈米且具有鋁與鉻與氮之組成物。
仍參考第3圖，耐磨被覆配置亦具有中間多重奈米被覆配置，其在上轉移層與下轉移層中間。中間多重奈米被覆配置包含多交錯層排列，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與氮之基層、及具交錯奈米層之奈米層區域，其中一奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮，及另一奈米層包含鋁、鉻、鈦、與氮。
對於各交錯層排列(有8層)，基層具有約170奈米之厚度且奈米層區域具有等於約350奈米之厚度。耐磨被覆配置之總厚度等於約5120奈米(即200奈米+80奈米+8×(170奈米+350奈米)+80奈米+600奈米)。在奈米層區域中，各交錯奈米層之總厚度等於約4奈米，使得TiAlCrN區域(缺Cr)與AlCrTiN區域(富Cr)之總厚度等於約4奈米。TiAlCrN區域(缺Cr)與AlCrTiN區域(富Cr)之厚度比率，即TiAlCrN區域(缺Cr)：AlCrTiN區域(富Cr)，等於約2：1。
第4圖為本發明樣本第1號之奈米層區域經穿透電子顯微鏡(TEM)拍攝之顯微相片(尺度為10奈米)。本發明樣本第1號之奈米層區域的化學性敘述於表2。
第4A圖為經TEM拍攝之繞射圖，其顯示耐磨被覆配置之本發明樣本第1號的面心立方(FCC)結晶結構。其由繞射圖案之環的特徵性相對直徑而明顯可知。
第5圖為本發明樣本第1號耐磨被覆配置的x-射線繞射圖案，其顯示存在兩種面心立方(FCC)結晶結構。其沿縱軸敘述計數及沿橫軸敘述位置(2θ)。
歐洲專利第1 186 681號、及Seeli等人之美國專利第7,025,863號顯示及敘述一種可用於塗佈被覆配置之較佳被覆裝置。這些專利文件各在此併入作為參考。
關於本發明耐磨被覆配置之指定具體實施例藉上述PVD系統之塗佈，多層Ti-Al-(X)-N/Al-Cr-(X)-N-被覆之沉積係使用Oerlikon Balzers Coating公司之工業被覆系統(RCS型，INNOVA)實行。此被覆系統之說明敘述於歐洲專利第1 186 681號之第3至6圖，其書面說明在第7欄第18行至第9欄第25行，其中以上歐洲專利在此併入作為參考。以上歐洲專利之等致物為Seeli等人之美國專利第7,025,863號，而且對應敘述在第6欄第22行至第7欄第54行，其中以上美國專利在此併入作為參考。
為了製造這些被覆，將經清潔部分，特別是碳化物刀片，在基板旋轉料架、及被覆室側壁上之4個熔化冶金製造之Ti-Al標靶及2個粉末冶金製造之Al-Cr-(X)標靶(其係置於6個陰極弧源極中)上按其直徑轉二或三圈安裝。標靶之排列幾何主要由RCS(Oerlikon Balzers)被覆系統之八角形布置界定，其中兩個彼此對立地排列之加熱區段分離兩組具有三個連續排列弧形陰極之區段。對於本實驗， 其將Al-Cr-標靶對立地安裝在區段之各中間位置，但是原則上各種標靶排列可用於此種被覆之沉積。沉積這些被覆必須以幾何上對等位置使用至少兩個弧形陰極。
繼而使用永久地安裝在被覆系統中之輻射加熱器將應被覆部分加熱至約500℃。在加熱步驟後，在壓力為0.2Pa之氬大氣中使用-100至-250伏特之DC偏壓將此部分之表面以氬蝕刻清潔。
在2個Al-Cr-源極之後，在約18分鐘之時間使用3仟瓦之功率及-40伏特之基板偏壓形成厚約0.2微米之Al-Cr-N底層。然後使用2個Al-Cr標靶及4個Ti-Al標靶沉積下Ti-Al-Cr-N轉移層經2分鐘。然後沉積交錯層排列被覆，其中首先使用4個功率為大約5仟瓦之Ti-Al-源極經5分鐘，其次除了4個運作之Ti-Al-源極，另外打開2個Al-Cr-源極而形成Ti-Al-Cr-N層。全部6個源極一起運作大約7分鐘。對於現有具體實施例，將此層包裝重複數次而得完成中間多重奈米層之指定被覆厚度。然後使用2個Al-Cr標靶及4個Ti-Al標靶沉積上Ti-Al-Cr-N層經2分鐘。結束時再度使用如底層之相同參數及約60分鐘之被覆時間沉積厚0.6微米之Al-Cr-N頂層。全部被覆均在壓力為大約3Pa之氮大氣中及-40伏特之偏壓沉積。通常各單層之作業壓力可為0.5至8Pa之範圍，但是較佳為0.8至5Pa之間。對於氮化物之沉積，其可使用純氮大氣或氮與貴重氣體(如氬)之混合物，而氮與含碳氣體之混合物可用於碳氮化物之沉積。此外對於含氧或硼薄膜之製造，其可將含氧或硼氣體混合至被覆程序中。
以下實例證明本發明之經被覆切削嵌入件、及耐磨被覆配置的用途及性能。
測試1包含標示為實驗1至6之6個經被覆切削嵌入件的測試。實驗1至5代表商業市場上實際最新技藝之經被覆切削嵌入件。實驗6為本發明經被覆切削嵌入件。測試1比較使用以下幾何之硬質碳化物刀片對合金鋼之高速平面銑切性能：SDPT1204PDSRGB2。作業片材料為合金鋼4140(DIN 1.7225,42CrMo4)。切割參數敘述於下：切割速度vc =300米/分鐘；進料速率fz =0.2毫米/齒；切割深度ap=4毫米；切割寬度ae=61毫米；通過長度l=610毫米；冷卻劑：乾燥；及磨耗標準：vb,max =0.3毫米。測試結果敘述於以下表3。
表1顯示經被覆膠合碳化物刀片在高速切割應用中之壽命的比較。這些結果顯示相較於實驗1市售工具基準，本發明之經被覆切削嵌入件(即實驗6)呈現2倍大之壽命增加。
測試2包含5個經被覆切削嵌入件(實驗7至11)之測試，其中實驗7為本發明之經被覆切削嵌入件。實驗8-11代表其上具有其他被覆配置之經被覆切削嵌入件。實驗7 至11之標靶組成物、被覆、厚度、黏附性、及微硬度示於表4。方法參數，如標靶功率、基板偏壓、作業壓力、及沉積溫度，示於表5。測試2包含使用以下幾何之膠合碳化物刀片對合金鋼的高速平面銑切：SDPT1204PDSRGB2。作業片材料為合金鋼4140(DIN 1.7225,42CrMo4)。切割參數敘述於下：切割速度vc =300米/分鐘；進料速率fz =0.2毫米/齒；切割深度ap=4毫米；切割寬度ae=61毫米；通過長度l=610毫米；冷卻劑：乾燥；及磨耗標準：vb,max =0.3毫米。測試2之測試結果敘述於以下表6。
顯然在實驗7至11中，其使用各種標靶材料沉積不同種類之多層被覆。其可觀察到相較於基準被覆(參見實例1之實驗1)已改良，但是本發明敘述之被覆(實驗7)顯示最佳性能。
測試3包含2個經被覆切削嵌入件(即實驗12與13)對碳鋼之平面銑切的測試。經被覆切削嵌入件為硬質碳化物刀片，其具有以下幾何：SDMT1205PDR-HQ-M。作業片材料為合金鋼1045(DIN 1.1191,Ck45)。切割參數如下：切割速度vc =350米/分鐘；進料速率fz =0.2毫米/齒；切割深度ap=4毫米；冷卻劑：乾燥；及磨耗標準：vb,max =0.3毫米。表7顯示測試結果。
在測試3中，將本發明之經被覆切削嵌入件(實驗12 )針對最新技藝之經被覆切削嵌入件(實驗13)的測試。在此切割測試中可觀察到2.6倍增加之壽命。最大磨耗發現為工具腹部之切痕磨耗。
測試4包含3個經被覆切削嵌入件(實驗14-16)對合金鋼之平面銑切的測試，其使用以下幾何之硬質碳化物刀片：SDMT1205PDR-HQ-M。作業片材料為合金鋼4140(DIN 1.7225,42CrMo4)。切割參數如下：切割速度vc =180米/分鐘；進料速率fz =0.2毫米/齒；切割深度ap=4毫米；冷卻劑：乾燥；及磨耗標準：vb,max =0.3毫米。表8顯示測試4之結果。
測試4之結果再度顯示本發明之經被覆切削嵌入件(即實驗14)針對市場上此類刀片之可得標準被覆(實驗15與16)的比較。此測試係以中等切割速度完成。其相較於實驗16可偵測到89%之性能增加。在此測試中，在切割工具之角落可觀察到最大磨耗。
測試5包含使用KSEM型模組化硬質碳化物鑽孔刀之4個經被覆切削嵌入件對灰口鐵之中高速鑽孔的測試。作 業片材料為40級灰口鐵(~250 BHN)。切割參數如下：切割速度vc =198米/分鐘；進料速率fz =0.35毫米/齒；鑽孔直徑=12.5毫米；孔深度=62毫米；冷卻劑：Castrol Syntilo合成乳液，模式為以15巴之壓力輸送通過工具冷卻。磨耗標準為vb,max =0.38毫米。結果敘述於以下表9。
測試5之結果再度顯示本發明被覆切削嵌入件(實驗17)針對市場上此類模組化鑽孔刀片之可得標準被覆(實驗18-20)的比較。此測試係以中等切割速度完成。其可偵測到接近63%之性能增加。在此測試中，在切割工具之角落可觀察到最大磨耗。
顯然本發明之耐磨被覆配置呈現優於早期被覆配置之優點。特別地，本發明之耐磨被覆配置因使用經選擇被覆序列與被覆組成物而呈現較低導熱度。此參數影響全部被覆之導熱度，因此影響自切削嵌入件-碎片界面(或接觸區碎片-被覆表面)至基板及被覆-基板界面之熱轉移程度。對基板及被覆-基板界面之熱轉移降低造成基板內熱裂形成之降低(或最小)或延遲。基板中熱裂之延遲或降低一般增加切削嵌入件之使用壽命。
更特別地，顯然使用氮化鋁鉻頂被覆層助於阻礙自切 削嵌入件-碎片界面至基板及被覆-基板界面之大量熱轉移。一個結果為極大量之熱保留在碎片中。另一個結果為轉移至頂被覆層中之熱在氮化鈦鋁被覆層內以全部方向散佈，因為熱傳輸係在全部方向(例如垂直及平行表面之方向)發生。如此降低在接近刀刃之頂被覆-碎片接觸區域處產生之熱集中，經較大表面積散逸熱且將溫度自頂被覆至基板-被覆界面降低。基層內多層奈米層被覆序列中被覆層之組合交錯地阻擋熱轉移或自基板散離。最後基板與基層間另一氮化鋁鉻層之存在助於保護基板與被覆-基板界面對抗熱轉移。
以上指定具體實施例之說明的主要重點為經被覆切削嵌入件在碎片形成材料去除操作中之用途。然而應了解，經被覆切削嵌入件僅為本發明經被覆物品之一個指定具體實施例。其意圖使經被覆物品包含其他經被覆物品，例如磨耗組件。
在此驗證之專利及其他文件在此併入作為參考。考量在此揭示之本發明說明書或實施，本發明之其他具體實施例對熟悉此技藝者為顯而易知。其意圖使說明書及實例僅為描述性，而且不意圖限制本發明之範圍。本發明之確實範圍及精神由以下申請專利範圍指示。
20‧‧‧經被覆切削嵌入件
22‧‧‧基板
24‧‧‧被覆配置
26‧‧‧腹面
28‧‧‧耙面
30‧‧‧刀刃
40‧‧‧耐磨被覆配置
42‧‧‧底層
43‧‧‧下轉移被覆層
44‧‧‧中間多重奈米層被覆配置
45‧‧‧上轉移被覆層
46‧‧‧頂層
50‧‧‧交錯層排列
52‧‧‧交錯層排列
54‧‧‧交錯層排列
56‧‧‧交錯層排列
58‧‧‧交錯層排列
60‧‧‧交錯層排列
62‧‧‧交錯層排列
64‧‧‧基層
66‧‧‧奈米層區域
68‧‧‧交錯奈米層
70‧‧‧交錯奈米層
72‧‧‧交錯奈米層
74‧‧‧交錯奈米層
76‧‧‧交錯奈米層
78‧‧‧交錯奈米層
82‧‧‧奈米層
84‧‧‧奈米層
以下為形成本專利申請案之一部分的圖式之簡要說明：第1圖為本發明經被覆切削嵌入件之等角視圖，其中經被覆切削嵌入件包含基板與耐磨被覆配置，而且已去除 一部分被覆而暴露基板；第2圖為本發明耐磨被覆配置之一個指定具體實施例的略示圖；第2A圖為第2圖之耐磨被覆配置的奈米層被覆區域之放大略示圖；第3圖為本發明被覆配置之橫切面的一個指定具體實施例經光學顯微鏡拍攝之顯微相片(尺度為10微米)，其顯示經被覆切削嵌入件之角落刀刃；第4圖為本發明被覆配置之一個指定具體實施例的奈米被覆區域經穿透電子顯微鏡(TEM)拍攝之顯微相片(尺度為10微米)；第4A圖為經TEM拍攝之繞射圖案，其顯示耐磨被覆配置之一個指定具體實施例的面心立方(FCC)結晶結構；及第5圖為耐磨被覆配置之x-射線繞射圖表，其顯示存在兩種面心立方(FCC)結晶結構(即依照第5圖之晶格參數=0.4151奈米的Fm-3m結構、及依照第5圖之晶格參數=0.4368奈米之F-43m結構)。
20‧‧‧經被覆切削嵌入件
22‧‧‧基板
24‧‧‧被覆配置
26‧‧‧腹面
28‧‧‧耙面
30‧‧‧刀刃

Claims (23)

  1. 一種用於碎片形成材料去除操作之經被覆切削嵌入件(cutting insert)，此切削嵌入件包含：基板與耐磨被覆配置，其中耐磨被覆配置包含：具鈦、鋁、鉻、與氮之中間多重奈米層；及含有多組交錯層排列之中間多重奈米層被覆配置，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與氮之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域，其中各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層，及具有基層厚度之基層以及具有奈米層區域厚度之奈米層區域，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中基層包含(Tiy Al1-y )N，其中0.2y0.65；及奈米層區域中交錯奈米層組之一奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且奈米層區域中交錯奈米層組之另一奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.65及0.01q0.65及(p+q)<1。
  3. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中耐磨被覆配置進一步包括：含鋁、鉻與氮之底層；含鋁、鉻與氮之頂層，及其中底層較頂層接近基板；下轉移被覆區域，其包含多組交錯下轉移奈米層，其中各組交錯下轉移奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之 下轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之下轉移奈米層，而且下轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與底層間之轉移；上轉移被覆區域，其包含多組交錯上轉移奈米層，其中各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之上轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之上轉移奈米層，而且上轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與頂層間之轉移；及中間多重奈米層被覆配置係在下轉移被覆區域與上轉移被覆區域中間。
  4. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中下轉移被覆區域具有下轉移厚度，上轉移被覆區域具有上轉移厚度，及其中下轉移厚度較奈米層區域厚度小且上轉移厚度較奈米層區域厚度小。
  5. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中底層有範圍為約20奈米至約500奈米間之底層厚度，及頂層有範圍為約300奈米至約2000奈米間之頂層厚度；各組交錯層排列有範圍為約200奈米至約1400奈米間之厚度；及交錯奈米層具有範圍為約2奈米至約50奈米間之多重性(periodictey)。
  6. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中：底層包含(Ala Cr1-a )N，及其中0.2a0.7；頂層包含(Ala Cr1-a )N，及其中0.2a0.7；一上轉移奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且另一上轉移奈米層包含 (Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1；及一下轉移奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且另一下轉移奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1。
  7. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中底層具有底層導熱度且基層具有基層導熱度，及底層導熱度小於基層導熱度；及頂層具有頂層導熱度，及頂層導熱度小於基層導熱度。
  8. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中底層、頂層、上轉移奈米層、下轉移奈米層、及中間多重奈米層被覆配置各進一步包含週期表第IVb、Vb與VIb族之金屬及鋁與矽之一或多種。
  9. 如申請專利範圍第3項之經被覆切削嵌入件，其中底層、頂層、上轉移奈米層、下轉移奈米層、及中間多重奈米層被覆配置係藉物理蒸氣沉積塗佈。
  10. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中中間多重奈米層被覆配置進一步包含碳，及基層包含(Tiy Al1-y )Cs Nt ，及其中0.2y0.65及s+t=1，奈米層區域中交錯奈米層組之一奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )Cs Nt ，其中0<x0.15及0.2y0.65及s+t=1，而且奈米層區域中交錯奈米層組之另一奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )Cs Nt ，其中0.2p0.5及0.01q0.65及(p+q)<1及s+t=1。
  11. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中耐磨被覆配置進一步包括：依照式(Ala Cr1-a )Cs Nt 之含鋁、鉻、氮、與碳的底層，及其中0.2a0.7，及s+t=1；依照式(Ala Cr1-a )Cs Nt 之含鋁、鉻、氮、與碳的頂層，及其中0.2a0.7，及s+t=1；底層較頂層接近基板；下轉移被覆區域，其包含多組交錯下轉移奈米層，其中各組交錯下轉移奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、氮、與碳之下轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、氮、與碳之下轉移奈米層，而且下轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與底層間之轉移；上轉移被覆區域，其包含多組交錯上轉移奈米層，其中各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、氮、與碳之上轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、氮、與碳之上轉移奈米層，而且上轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與頂層間之轉移；及中間多重奈米層被覆配置係在下轉移被覆區域與上轉移被覆區域中間。
  12. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中切削嵌入件具有耙面與腹面，耙面與腹面交叉而在其交叉處形成刀刃。
  13. 如申請專利範圍第1項之經被覆切削嵌入件，其中基板包含以下之一：高速鋼、硬質碳化物(包括鈷-鎢碳化物)、陶瓷(包括SiAlON與氧化鋁與氮化矽)、金屬瓷 料(包括碳化鈦系材料)、及超硬材料(包括燒結立方氮化硼與燒結金剛石)。
  14. 一種用於碎片形成材料去除操作之經被覆切削嵌入件，此切削嵌入件包含：基板與耐磨被覆配置，其中耐磨被覆配置包含：具鈦、鋁、鉻、與X之中間多重奈米層；中間多重奈米層被覆配置包含多組交錯層排列，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與X之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域，其中各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與X之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與X之奈米層；其中X包含以下任一：氮、碳、硼、碳與氮，硼與氮，碳與硼與氮，氮與氧，碳與氧，硼與氧、碳與氮與氧，硼與氮與氧，及碳與硼與氮與氧；及基層具有基層厚度且奈米層區域具有奈米層區域厚度，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
  15. 如申請專利範圍第14項之經被覆切削嵌入件，其中耐磨被覆配置進一步包括：含鋁、鉻與X之底層；含鋁、鉻與X之頂層，及其中底層較頂層接近基板；下轉移被覆區域，其包含多組交錯下轉移奈米層，其中各組交錯下轉移奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與X之下轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與X之下轉移奈米層，而且下轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與底層間之轉移； 上轉移被覆區域，其包含多組交錯上轉移奈米層，其中各組交錯上轉移奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與X之上轉移奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與X之上轉移奈米層，而且上轉移被覆區域提供中間多重奈米層被覆配置與頂層間之轉移；及中間多重奈米層被覆配置係在下轉移被覆區域與上轉移被覆區域中間。
  16. 如申請專利範圍第14項之經被覆切削嵌入件，其中X包含以下任一：氮、碳、硼、碳與氮，硼與氮，碳與硼與氮，氮與氧，碳與氧，硼與氧、碳與氮與氧，硼與氮與氧，及碳與硼與氮與氧。
  17. 一種塗佈被覆配置之方法，其包含以下步驟：塗佈含鈦、鋁、鉻、與X之中間多重奈米層被覆配置，及塗佈中間多重奈米層被覆配置之步驟，包含以下步驟：塗佈多組交錯層排列，其中各交錯層排列之塗佈包含以下步驟：塗佈包含鈦、鋁與X之基層；及塗佈奈米層區域，包含以下步驟：塗佈多組交錯奈米層，其包含以下步驟：塗佈一包含鈦、鋁、鉻、與X之奈米層，及塗佈另一包含鋁、鉻、鈦、與X之奈米層。
  18. 如申請專利範圍第17項之塗佈被覆配置之方法，其進一步包含以下步驟：提供切削嵌入件基板； 在塗佈中間多重奈米層被覆配置之前，塗佈最接近基板之含鋁、鉻與X的底層；塗佈中間多重奈米層被覆配置之步驟進一步包括將中間多重奈米層被覆配置塗佈於底層；及將頂層塗佈於中間多重奈米層被覆配置，其中頂層含鋁、鉻與X。
  19. 如申請專利範圍第18項之塗佈被覆配置之方法，其進一步包括以下步驟：在塗佈底層之後及在塗佈中間多重奈米層被覆配置之前，塗佈包含多組交錯下轉移奈米層之下轉移層，其包含以下步驟：塗佈多組交錯下轉移奈米層，其包含以下步驟：塗佈一包含鈦、鋁、鉻、與X之下轉移奈米層，及塗佈另一包含鈦、鋁、鉻、與X之下轉移奈米層；在塗佈中間多重奈米層被覆配置之後，塗佈包含多組交錯上轉移奈米層之上轉移層，其包含以下步驟：塗佈多組交錯上轉移奈米層，其包含以下步驟：塗佈一包含鈦、鋁、鉻、與X之上轉移奈米層，及塗佈另一包含鈦、鋁、鉻、與X之上轉移奈米層。
  20. 如申請專利範圍第17項之塗佈被覆配置之方法，其中X包含以下任一：氮、碳、硼、碳與氮，硼與氮，碳與硼與氮，氮與氧，碳與氧，硼與氧、碳與氮與氧，硼與氮與氧，及碳與硼與氮與氧。
  21. 一種經被覆物品，其包含：基板與耐磨被覆配置，其中耐磨被覆配置包含： 具鈦、鋁、鉻、與氮之中間多重奈米層被覆配置；及含有多組交錯層排列之中間多重奈米層被覆配置，其中各交錯層排列包含具鈦、鋁與氮之基層、及具多組交錯奈米層之奈米層區域，其中各組交錯奈米層包含一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層、及另一具鋁、鉻、鈦、與氮之奈米層，及具有基層厚度之基層且具有奈米層區域厚度之奈米層區域，其中基層厚度小於奈米層區域厚度。
  22. 如申請專利範圍第21項之經被覆物品，其中基層包含(Tiy Al1-y )N，其中0.2y0.65；及奈米層區域中交錯奈米層組之一奈米層包含(Tiy Crx Al1-(x+y) )N，其中0<x0.15及0.2y0.65，而且奈米層區域中交錯奈米層組之另一奈米層包含(Tip Alq Cr1-(p+q) )N，其中0.2p0.65及0.01q0.65及(p+q)<1。
  23. 如申請專利範圍第21項之經被覆物品，其中基板包含以下之一：高速鋼、硬質碳化物(包括鈷-鎢碳化物)、陶瓷(包括SiAlON與氧化鋁與氮化矽)、金屬瓷料(包括碳化鈦系材料)、及超硬材料(包括燒結立方氮化硼與燒結金剛石)。
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