具有塗層的工具的製作方法

2023-12-03 10:22:36 1

專利名稱：具有塗層的工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有基體以及施加到其上的單層或多層塗層的切削工具。
背景技術：
切削工具包含如下的基體，所述基體由例如硬質金屬或碳化物金屬、金屬陶瓷、鋼 或高速鋼製成。通常，在基體上施加單層或多層塗層，以增加使用期限，或者也為了改進切 削性質。該單層或多層塗層包括例如硬質金屬材料層、氧化物層等。塗層的施加使用CVD 工藝方法(化學氣相沉積)和/或PVD工藝方法(物理氣相沉積)進行。塗層內的多個層 可以僅通過CVD工藝方法、僅通過PVD工藝方法，或通過這些工藝方法的組合來施加。CVD 工藝方法提供基本上穩定相的所需化合物，而PVD工藝方法也可施加亞穩定相的化合物。
對於PVD工藝方法來說，分為各種不同變體例如磁控濺射、電弧氣相沉積 (Arc-PVD)、離子鍍、電子束蒸發和雷射燒蝕之間存在差別。磁控濺射和電弧氣相沉積是最 經常用於對工具進行塗層的PVD工藝方法。這些PVD工藝方法的變體中，又存在不同的修 改或變化，例如脈衝或非脈衝磁控濺射，或脈衝或非脈衝電弧氣相沉積等。
DE 10 2004 044 240 Al公開了具有層結構的切削工具，所述層結構具有至少一 個單相的、亞穩定的、至少三元氧化物的層，其中氧化物層除了氧之外，還包含至少其它兩 種選自周期表系統的IV、V或VI副族的元素、鋁以及矽的化學元素，其中一種元素形成了主 要成分，至少另一種元素形成了至少一種次要成分。 DE 199 37 284 Al描述了金屬基材上的導電性多層結構，該結構包括第一層 含有金屬材料、特別是鉻，其表面通過自然形成的氧化物鈍化，還含有通過PVD工藝方法 施加的、包括金或金合金材料的另一個層。該第二層能夠至少部分中和第一層自然形成 的氧化物薄膜的電絕緣效應。以這種方式塗覆的結構被用作例如電子部件的屏蔽式安裝 (screened mounting)的載體部分。 DE 196 51 592 Al描述了帶塗層的切削工具，它具有多層塗層，包含至少一個氧 化鋁層和硬質金屬材料層。硬質金屬材料層是例如通過PVD工藝施加的TiAIN層。直接施 加在其上的氧化鋁層也通過PVD工藝沉積。 DE 199 42 303 Al描述了通過CVD工藝生產的具有多相氧化鋁層的切削鑲齒鑽 頭。通過CVD工藝產生的層含有氧化鋁、二氧化鋯，以及第三種細的分散相，該分散相含有 鈦的氧化物、碳氧化物、氧氮化物或氧碳氮化物。 DE 197 37 470 Al描述了具有含有至少一個多相層的塗層的切削體。通過CVD工 藝產生的塗層包含例如鋯碳氮化物層(立方ZrCN)和單斜晶和/或四方晶系形式的ZrO" 晶體ZrCN基質用作硬質塗層，而摻入其中的Zr02用作幹潤滑劑。 DE 196 41 468 Al公開了具有多層塗層的複合材料體例如切削工具，塗層含有薄 的氧化鋁層和/或二氧化鋯層。 在特別是使用PVD工藝方法對切削工具施加塗層的過程中，只能施加相對薄的塗 層，因為沉積的層通常具有絕緣性質。隨著層厚度的增加，來自等離子體的離子的沉積過程
4變得不穩定，這本身在例如被塗層體的角落和邊緣處表現得特別嚴重，並對層的硬度具有 不利的影響。因此，為了即使在涉及較大的層厚度時也能生產具有性能良好的堅硬塗層的 切削工具，從而希望沉積過程能夠在長時間的時間周期、也就是說甚至在涉及較大的層厚 度時保持穩定
發明內容

目的 本發明的目的是提供比現有技術有所改進的切削工具。 本發明的目的通過具有基體和施加在其上的單層或多層塗層的切削工具而達到， 該切削工具的特徵在於塗層包含至少兩相或多相層，所述層含有至少兩個不同的金屬氧化 物相，其中至少一個兩相或多相層是導電的。 正如前文中已經陳述的，向切削工具施加單層或多層塗層作為耐磨塗層，很久以 來就已知道。相反，創新之處是使用至少一個導電的、並且含有兩個不同的金屬氧化物相的 兩相或多相層來生產這樣的塗層。本發明的這種新的塗層，在改進和/或調節切削工具的 耐磨性、使用期限和/或切削性質方面，開拓了廣泛的可能性。 切削工具上的塗層的耐磨性、使用期限和切削性質，取決於多種不同的因素，例如 切削工具基體的材料，塗層中存在的其它層的順序、性質和組成，各種不同層的厚度，以及 並不是最不重要的使用切削工具進行的切削操作的性質。對於同一個切削工具來說，根據 機械加工的工件的性質、相應的機械加工工藝、以及機械加工過程中的其它條件例如高溫 的發生或腐蝕性冷卻劑的使用，可以產生不同的耐磨性。此外，取決於工具各自所進行的機 械加工操作的不同類型的磨損之間也有區別，這些磨損對工具的使用壽命、即它的使用期 限可能具有或多或少的影響。因此，切削工具的進一步開發和改進，總是要根據待改進的工 具性質進行考慮，並在可以與現有技術相比較的條件下進行評估。 在本發明的塗層中存在的、具有至少兩個不同的金屬氧化物相的至少一個兩相或 多相導電層，可以賦予切削工具的整個塗層以某些性質，使得切削工具在可比較的切削操 作中、在可比較的條件下優於現有的切削工具。這些性質可以包括耐磨性、使用期限、切削 性質或其組合。 在本發明的優選實施方案中，在塗層中，至少一個兩相或多相導電層中的至少兩 個不同的金屬氧化物相是至少兩個不同的氧化鉻相。至少一個兩相或多相層可以基本上完 全由氧化鉻構成。優選情況下，它至少包含氧化鉻作為主要成分，也就是說它的量相對於可 能的其它成分來說是佔優勢的，其中鉻相對於其它金屬元素的比率為至少80原子％、優選 至少90原子％、特別優選至少95原子％。作為次要成分，至少兩相或多相層可以含有周期 表系統的IVa到Vila族的元素和/或鋁和/或矽的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧 氮化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮化物和氧硼氮化物，上面提到的化合物的雜合 金屬相和相的混合物，其中鉻不包含在次要成分的元素中。 按照本發明，主要成分表示與同樣層中的其它金屬元素相比，金屬元素存在的量 為至少80原子％、優選至少90原子％、特別優選至少95原子％。同樣層中的其它金屬的 化合物，按照本發明被稱為次要成分。 在另一個實施方案中，至少一個兩相或多相層具有至少三相，其中存在至少一個氧化鋁相。在該實施方案中，非氧化鋁和在層中存在至少兩個不同的其它金屬氧化物相可 以作為主要成分存在，並且氧化鋁作為次要成分。在該實施方案的優選變體中，兩相或多相 層含有至少兩個氧化鉻相作為主要成分，和一個氧化鋁相或氧化鉻與氧化鋁的雜合相作為 次要成分。 在本發明的另一個實施方案中，兩相或多相層中的一個金屬氧化物相是金屬氧化 物的穩定相。在本發明的實施方案中，其中至少一個兩相或多相層含有氧化鉻作為主要成 分，金屬氧化物的穩定相優選為Cr203相。 在本發明的另一個實施方案中，兩相或多相層中的至少一個金屬氧化物相是亞穩
定相。在本發明的實施方案中，其中至少一個兩相或多相層含有氧化鉻作為主要成分，亞穩
定相優選為氧化鉻的化學計量為CrOx的亞穩定相，其中0. 7《x《1. 3。 根據本發明，術語"穩定相"表示在給定條件下，處於熱力學穩定平衡狀態、並且不
發生變化的相。 根據本發明，術語"亞穩定相"表示僅僅表觀處於熱力學平衡狀態的相，這是因為 在給定條件例如壓力和/或溫度下，平衡設定速度(即向熱力學穩定的低能狀態的躍遷) 過低。亞穩定相或狀態是只有消除障礙後才能進入穩定相或狀態的相或狀態。消除障礙可 以通過輸入能量來實現，例如增加溫度或壓力。 在本發明優選的實施方案中，其中兩相或多相層中的至少兩個不同的金屬氧化物 相是氧化鉻相，在穩定和亞穩定相中被合在一起的元素鉻與氧，包括大約1 : 0.8-1.2的 Cr : 0比率。如果Cr : 0比率大於1 : O. 8(也就是說l :小於O. 8)，將具有層變得太軟的 缺點。如果Cr : 0比率小於1 : 1.2(也就是說1:大於1.2)，將具有層變得太脆的缺點。
在本發明的另一個優選實施方案中，在至少一個兩相或多相層中的至少兩個不同 的金屬氧化物相中，至少一個金屬氧化物相是導電的。如果兩相或多相層的主要成分包含 氧化鉻，那麼將不包含其本身被認為代表了導電氧化鉻相的&02相。導電層中不存在&02 相，可以通過XPS測量來檢測。在這樣的含有氧化鉻作為主要成分的層中，通過XPS測量檢 測到了 Cr203、 Cr03以及其中0. 7《x《1. 3的CrOx相，但是沒有檢測到Cr02相(參見圖 1)。因此，兩相或多相層的導電性並非基於存在本身具有導電性的Cr02。
塗層的至少一個兩相或多相層的層厚度優選為10nm到50iim。如果兩相或多相層 的層厚度小於10nm，它的保護或耐磨功能將過低。如果兩相或多相層的層厚度大於50ym， 在層中將出現過高的應力，並且層變得太脆，這會引起粘附性問題並導致在工具操作中剝 落。在其它實施方案中，層是厚度為20nm到20iim的層。在另一個實施方案中，層是厚度 為0. 5踐至lj 4踐的層。 通常情況下，至少一個兩相或多相層的Vickers硬度(Hv)為500到4000。在優 選的實施方案中，層的Vickers硬度(Hv)為700到3000。在另一個優選實施方案中，層的 Vickers硬度(Hv)為800到2000。 本發明的塗層中的至少一個兩相或多相層的導電性明顯高於非導體和半導體的 導電性，並與金屬導體的量級相當。理想情況下高於lS/m。優選情況下，導電性高於100S/ m。在另一個實施方案中，層的導電性高於104S/m。 本發明的塗層中包含的兩相或多相層的導電性是一個令人吃驚的現象，因為層包 含的作為主要成分的金屬氧化物在通常情況下是不導電的。層的導電性也不能歸因於存在純的金屬相，因為在層中完全沒有發現它們，或者只發現有可忽略不計的少量純金屬相，這
不能解釋整個層的導電性。本發明的塗層中的兩相或多相層也不包含任何其本身已知是導
電的、以能夠解釋整個層的導電性的比例存在的金屬氧化物相，例如Cr02。 目前，還不能為本發明的塗層中兩相或多相層的導電性提供明確的解釋。然而，假
定本發明的兩相或多相層包含亞穩定的、非化學計量的金屬氧化物相，它賦予了整個層相
當於金屬導電性量級的導電性，並對本發明的塗層的出色的材料性質作出貢獻。 在本發明的另一個實施方案中，至少一個兩相或多相層還包括至少一種次要成
分。所述至少一個兩相或多相層可以包含周期表系統的IVa到Vila族的元素和/或鋁和
/或矽的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮
化物和氧硼氮化物、上述化合物的雜合金屬相和相混合物作為一種次要成分或多種次要成
分。這樣的次要化合物的例子是其中重量比率A1 : Cr = 9 : 1的(Al， Cr)A，其中重量
比率A1 : Si=9 : l、Cr : (Al，Si)=l : 2的(Cr， Al， Si)203。 如果本發明的切削工具的塗層是多層結構，它還可以包含硬質材料層，其組成為
上面指出的次要成分。這樣的硬質材料層的例子是含有八1203、 TiN、 TiB2、 cBN、 hBN、 TiBN、
TiC、 TiCN、 TiN、 TiAlN、 CrAlN、 TiAlCN、 TiAlYN、 TiAlCrN和CrN的層。用於代替一個或多
個硬質材料層或除一個或多個硬質材料層外，塗層可以包括一個或多個另外的兩相或多相
層，所述層含有至少兩個不同的金屬氧化物相，並且是導電的。因此，本發明包括僅含有一
個或多個兩相或多相層的塗層，所述兩相或多相層具有至少兩個不同的導電性金屬氧化物
相，也包含了含有這樣的層與其它的硬質材料層以任何數量和次序進行任何組合的塗層。 本發明的切削工具的優選塗層包含下列層formula see original document page 7 包含在本發明的切削工具的塗層中的、含有至少兩個不同的金屬氧化物相併且具 有導電性的兩相或多相層，優選通過PVD工藝方法、特別優選通過磁控濺射、電弧氣相沉積 (arc PVD)或這些工藝方法的變體來生產。在PVD塗層裝置中，在低壓下產生等離子體氣 氛，它主要包括氬氣和氮氣。在PVD磁控工藝中，將氬氣等離子體在靶的前方點火。發生高 能陰極濺射(磁控濺射)。以這種方式從靶產生的金屬蒸汽與氧氣反應，作為金屬氧化物層 沉積在基材上。 本發明的其它優點、特點和實施方案，將參考下面的實施例和圖進行描述。
實施例1 在PVD塗層裝置(Flexicoat ;Hauzer Techno Coating)中，提供了具有兩層PVD 塗層的硬質金屬基材。在層被沉積之前，將裝置抽空至1X10—5毫巴，並將硬質金屬表面通 過在170V的偏壓下的離子蝕刻進行清理。
基材組成 l)HM-細顆粒+10. 5重量％的Co 2)HM-粗顆粒+10. 5重量％的Co+1重量X的MC
3)HM-粗顆粒+11. 0重量％的Co+l重量X的MC
(解釋 HM-細顆粒=WC硬質金屬，平均顆粒尺寸 1 y m HM-粗顆粒=WC硬質金屬，平均顆粒尺寸為3-5 y m) MC =混合的碳化物(TiC， TaC.)。某材/L何形狀SEHW120408(符合DIN-IS0 1832) M隨積、: 第一層TiAlN 電弧沉積 革巴Ti/Al (33/67原子％ )，圓形源(直徑63mm)，
80安培，495。C，3Pa N2壓力，40伏特基材偏壓，
3 ii m層厚度；
第二層(Al,Crh(X
反應性磁控濺射 革巴:A1/Cr (90/10原子％ )，圓形源(直徑63mm)， 10kW濺射功率，495t:，0. 5Pa Ar壓力，大約100sccm 02， 150伏特基材偏壓(單 極脈衝) *1踐層厚度。 TiAlN層用於基材與氧化物層之間的結合。對塗層進行XRD測量、XPS測量、微探
針測量和阻抗測量。用於確定整體組成的微探針測量在"1，&)203單層上進行，因為在復
合物TiAlN-(Al， &)203層上使用微探針進行的測量導致測量誤差。阻抗和電導測量顯示，
在所有基材的情況下，"1，&)203層總是導電的，電導率水平為大約10S/m。 通過XRD和XPS測量確定，在所有基材的情況下(Al，Cr^03層含有穩定的Y _A1203
相、兩個穩定的Cr-氧化物相(Cr03，Cr203)和亞穩定的Cr氧化物相(CrOx)。

圖1顯示了 Cr
的XPS光譜(Mg Ka輻射)。XPS測量證實了層含有總共3種氧化鉻相。從XPS測量估算
的相的比例大約如下 Cr203 65重量％ CrOx 20重量％ Cr03 15重量％ 其中x為0.9。除了測量結果之外，操作顯示，在(Al，Cr)^3層中，亞穩定Cr氧化 物相是唯一導電並賦予整個層導電性的金屬氧化物相。通過確定的相的比例和通過微探針 測量測定的氧的比例，導電的Cr02相可以被排除。
比較例 為了比較的目的，在同樣的塗層裝置中，向與實施例l相同的基材提供了兩層塗 層，層的順序是3iim TiAlN-liim A1203。沉積條件與實施例1中相同，除了在沉積A1203層 的步驟中使用了純A1靶之外。 在對由42CrMoV4_鋼(強度850MPa)構成的工件上的碾磨實驗中對實施例1和 比較例的工具進行了比較。碾磨以下切方式進行，不使用冷卻潤滑劑，切削速度v。 = 236m/ min，齒進給fz = 0. 2mm。
8
工具邊緣表面上測量的磨損量為在碾磨路徑4800mm後，以mm計的(主切削邊緣 處)的平均磨損記號寬度VB形式。發現了下面的磨損記號寬度VB:
磨損記號寬度VB
實施例1 :0. 09mm
比較例0. 12mm
權利要求
一種切削工具(1)，包括基體(2)以及施加在其上的單層或多層塗層(3)，其特徵在於所述塗層包括至少一個兩相或多相層(4)，所述至少一個兩相或多相層(4)含有至少兩個不同的金屬氧化物相，其中所述至少一個兩相或多相層(4)是導電的。
2. 權利要求l的切削工具，其特徵在於在所述至少一個兩相或多相導電層(4)中的至 少兩個不同的金屬氧化物相是至少兩個不同的氧化鉻相。
3. 權利要求2的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層(4)含有氧化鉻作 為主要成分。
4. 權利要求1至3任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層(4)具有至少三個相，其中存在至少一個氧化鋁相。
5. 權利要求1至4任何一項的切削工具，其特徵在於在所述兩相或多相層(4)中的一 個金屬氧化物相是金屬氧化物的穩定相，優選為Cr203相。
6. 權利要求1至5任何一項的切削工具，其特徵在於在所述兩相或多相層(4)中的 至少一個金屬氧化物相是亞穩定相，優選為化學計量為CrOx的氧化鉻的亞穩定相，其中 0. 7《x《1. 3。
7. 權利要求1至6任何一項的切削工具，其特徵在於在所述兩相或多相層(4)中 的至少兩個不同的金屬氧化物相是氧化鉻相，它們合在一起的元素Cr : 0的比率為約1 : 0. 8-1. 2。
8. 權利要求1至7任何一項的切削工具，其特徵在於在所述至少一個兩相或多相層 (4)中的至少兩個不同的金屬氧化物相中，至少一個金屬氧化物相是導電的。
9. 權利要求1至8任何一項的切削工具，其特徵在於在所述兩相或多相層(4)中的金 屬氧化物相不包括002相。
10. 權利要求1至9任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層(4) 的層厚度為10nm至50 ii m，優選為20nm至20 y m，特別優選為0. 5 y m至4 y m。
11. 權利要求1至IO任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層 (4)的Vickers硬度(Hv)為500至4000，優選為700至3000，特別優選為800至2000。
12. 權利要求1至11任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層 (4)的導電性高於1S/m，優選高於100S/m，特別優選高於104S/m。
13. 權利要求1至14任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層 (4)還具有至少一種次要成分，它由元素周期表系統的第IV、V或VI副族的元素、鋁和/或 矽和0、N、C禾口 /或B形成。
14. 權利要求1至13任何一項的切削工具，其特徵在於塗層(3)還包括硬質材料層，所 述硬質材料層由元素周期表系統的第IV、V或VI副族的元素、鋁和/或矽和0、N、C和/或 B形成。
15. 權利要求1至14任何一項的切削工具，其特徵在於所述至少一個兩相或多相層 (4)通過PVD工藝方法產生，優選通過磁控濺射、電弧氣相沉積(arc PVD)或所述工藝方法 的變體來產生。
16. 權利要求1至15任何一項的切削工具，其特徵在於所述基體由硬質金屬或碳化物 金屬、陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)製成。
17. 權利要求1至16任何一項的切削工具，其特徵在於所述塗層包含至少兩個根據前述權利要求任何一項所述的兩相或多相層(4，4')，其中所述至少兩個兩相或多相層(4， 4')以直接重疊的關係設置，或通過另外的一個或多個硬質材料層彼此分隔開。
18.權利要求17的切削工具，其特徵在於所述至少兩個兩相或多相層(4，4')具有不 同的組成、不同的Vickers硬度(Hv)和/或不同的導電性。
全文摘要
本發明涉及具有基體和施加在其上的單層或多層塗層的切削工具。為了提供優於現有工藝的切削工具，按照本發明，提出了包含至少一個兩相或多相層的塗層，該兩相或多相層含有至少兩個不同的金屬氧化物相，其中至少一個兩相或多相層是導電的。
文檔編號C23C28/00GK101720366SQ200880022688
公開日2010年6月2日 申請日期2008年5月16日 優先權日2007年7月2日
發明者法伊特·席爾 申請人:瓦爾特公開股份有限公司