切割工具塗層及其製造方法
2023-05-14 20:31:36
專利名稱：切割工具塗層及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種尤為適用於切割工具的塗層，塗有這種塗層的切割工具，以及這種塗層的製造方法。
切割工具經常塗有塗層以增加切割效率，延長切割工具的使用壽命，或求得切割工具的其他期望特性。例如，DE 100 48 899 A1公開了作為刀片的切割工具，它具有由Al2O3層構成的減小磨損塗層。減小磨損塗層覆蓋切割工具前刀面及後刀面。在後刀面上則選用作為頂層的指示塗層，其顏色與磨損防護層的顏色有明顯區別。這樣，後刀面裝飾層的磨損就成為鄰接刀刃使用情況的可靠指示。這些塗層以全表面方式通過CVD工序進行生產，而裝飾層從前刀面研磨而出，可通過刷光或類似工序實現。在以機械方式從前刀面除去裝飾層時，需多加小心以實現優良的選擇性。在此過程，不可對磨損防護層造成任何損傷。
通常，以PVD工序製造的刀片具有硬質材料金屬層，例如TiAlN層。例如，在DE 199 24 422 C2中就已明確規定這種刀片。應用於磨損防護層的TiB2層或類似的頂層，具有類似磨損防護層一樣的金屬晶體結構。這種頂層和磨損防護層之間的粘合十分堅固。因此，如果將頂層用作裝飾層，則必須考慮其磨擦特性。同樣的，這樣的頂層不適宜用作磨損指示器。
由於這些塗層彼此間的牢固粘合，頂層具有的特性必須與磨損相協調，與磨擦特性或在形成金屬切屑的過程中有影響的其它特性相協調。
因此，本發明的目的是提供適於PVD工序製造的塗層，並且，其頂層應當可以作為磨損指示器使用。
本發明指向的塗層包含作為磨損防護層的金屬硬質材料層，其外部被頂層覆蓋。頂層與磨損防護層之間存在減小的粘合，或者藉助分離層，與磨損防護層之間只具有有限粘合。頂層僅覆蓋金屬硬質材料層的部分表面，就是說，金屬硬質材料層的部分表面是暴露的。分離層位於頂層和金屬硬質材料層之間，可以破壞或削弱頂層和磨損防護層之間的金屬晶鍵。因此，分離層幹擾或減小粘合，並且破壞或至少減弱其它各層之間的金屬晶體結構。
分離層將金屬硬質材料層(用作磨損防護層)頂層上的粘合減小到一個很小的值。這種減弱粘合度的好處在於當切割工具正常使用於切割時，頂層或疊置層就開始發生磨損。根據不同的使用情況，磨損可發生在整個表面或局部位置。在此情形，頂層將相對容易發生磨損。這就使設計者得以純粹從美學角度將頂層設計成裝飾層，而無需考慮磨擦特性和磨損特性只要切割工具一經使用，頂層就受到磨損。以這種方式，頂層將很好的發揮磨損指示層的功能。為充分發揮這一功能，宜將用作磨損防護層的金屬硬質材料層和頂層用明顯不同的顏色區別開來。
綜上所述，切割工具的塗層包含具有金屬晶體結構的磨損防護塗層，與磨損防護層之間具有有限粘合的頂層，以及(或者)至少應用於部分磨損防護層，且位於磨損防護層和頂層之間，用以限制頂層和磨損防護層之間粘合的分離層。作為一種具有金屬晶體結構的塗層，塗層由金屬鍵構成，就像通常在TiAlN層、AlCrN層、TiC層或其它類似塗層中可以見到的一樣。
磨損防護層適宜於PVD工序製造；分離層和頂層也可以通過PVD工序生產，這使得通過單一PVD塗層程序來製造塗層成為可能。而分離層和頂層只在機械後加工步驟中受到磨損。後加工操作可通過刷光、噴砂或類似來執行。藉助分離層，磨損期可減到只有幾秒。例如，通過在壓強僅一巴和噴砂期僅兩秒下的氧化鋁(高級金剛砂)噴砂，可以得到例如0.2μm的TiN頂層的完全磨損，這樣即使將上表面放大十倍，用肉眼也無法辨認出頂層的殘餘。在這樣的短期加壓過程中，磨損防護層(金屬硬質材料層)幾乎不會受到影響。
此外，頂層的粘合足以確保安全操作切割工具時，不會對頂層造成損傷。同時，通過工具頂層的部分磨損，仍然可以辨認切割工具是否為首次使用。在這種情況下，頂層可成為切割工具首次使用時的初始使用指示器。
諸如氮化鈦層及氧化物(異極)層，如TiO2層，均可用作頂層材料。同樣地，第四或第五族金屬的其它氧化物、碳化物或氮化物也可作為頂層材料。頂層應當採用金屬晶體結構。與此相反，分離層不宜具有金屬晶體結構。這可通過將某一族金屬，特別是第四或第五族金屬的氧化物層製造分離層來實現。例如，採用約0.1μm的TiO2層或其它非常柔軟且具有低磨擦特性的CN層的薄層會產生良好的結果。此外，採用MoS2層或特殊非化學計量層也可以獲得良好的結果。非常應力層可以限制頂層和磨損防護層之間的粘合。此外，應力TiN層或DLC(仿鑽結晶碳)層也有很好的適用空間。總之，在選擇分離層的材料時，應當儘可能通過一個PVD工序實現所有塗層的製造，儘可能避免額外支出。在某種程度上，分離層成為一個突破口，對覆蓋在分離層上面的各個塗層來說，分離層成為「選擇時的核心考量」。
簡單的情況下，磨損防護層(金屬硬質材料層)可以只具有單層結構。若有需要，也可採用多層結構。
上述塗層應當通過PVD工序製造，避免過高費用，最後通過機械方式便捷地除去澱積頂層。以這種方式，多色切割工具的製造既簡單，又合理可行。本發明中使用的切割工具概念，既包括成套的切割工具，如全硬質金屬鑽頭、銑刀或類似產品，也包括單一部件，如刀片、可轉動刀片、切割鑽頭或其它類似產品。
本發明的附加特徵的進一步有利細節包含在附圖，說明書或權利要求中。附示了本發明的實施實例。
圖1是本發明的切割工具的示意透視圖，圖2是圖1的切割工具的斷裂橫切面，圖3是切割工具在連續PVD塗層工序後的非成比例的剖面示意圖，圖4是圖3的切割工具的剖面示意圖，沿頂層和下面的分離層的部分磨擦的方向，圖5是說明關於在各層中主導應力的示範性應力曲線的圖表。
圖1描述了作為切割工具的刀片1或至少描述了切割工具的關鍵部件。刀片1具有構成前刀面2的頂面，及構成後刀面3、4的側面。這種標示用於刀片1的徑向安裝。在切向安裝或橫向安裝的情況下，側面用作前刀面，而頂面用作後刀面。在前刀面2和後刀面3、4之間形成刀刃5、6。
刀片1是硬質金屬刀片。圖2顯示刀片放大的斷裂橫截面。如圖可見，刀片1具有基體7，其上表面形成設置在刀片1上的塗層8的基底。塗層8通過PVD工序敷加。作為直接鄰接基底內層的磨損防護層9由MH金屬硬質材料層構成，例如具有金屬特性的TiAlN(鈦鋁氮化物)層等。磨損防護層9牢固地粘合於基體7上，基體7可由含鈷碳化鎢的硬質金屬構成。TiAlN層的厚度可根據實際需要設定。本實施個例中的厚度約為4μm。鈦和鋁的比率是33∶67。
分離層11覆蓋在磨損防護層9上面，其作用是中斷疊置頂層12的金屬粘合鍵。頂層12最好同樣以金屬晶體層構成，例如厚度0.2μm的TiN層。在此情況下，頂層12純粹是金黃色的裝飾層。這種顏色明顯區別於磨損防護層9的顏色。
例如，分離層11可採用二氧化鈦(TiO2)層，可選擇相對較薄的塗層例如厚度0.1μm即可滿足需要。這種氧化物層不具有金屬特性，因而限制了頂層12和磨損防護層9的粘合。通過連續沉積磨損防護層9、分離層11和頂層12，上述塗層8可在同一個PVD塗層裝置的反應器內通過連續工序製造。
如上所述，分離層11和頂層12可以是化學上和(或)結構上不同的塗層。但是，將分離層11和頂層12組合成分離頂層也是可行的，其特性體現在與磨損防護層9的有限粘合上。在此情況下，分離層11同時構成頂層。
製造過程如下將基體7引入適宜的PVD塗層裝置，在這裡，磨損防護層9首先沉積在基體7上，然後是分離層11，其後是頂層12。以這種方式獲得的塗層8首先敷加在基體7的全部暴露表面，即前刀面2和後刀面3、4上。滿足這一條件後，可將刀片1從PVD反應器中取出。
客戶需要的往往是雙色刀片，其前刀面2的顏色不同於後刀面3、4的顏色。為了製造這樣的刀片，應將頂層12從著不同顏色的其它表面上除去，在本例中，從前刀面2上除去。這可由噴砂噴射口14執行，如圖3所示。作為噴砂粒子，可使用氧化鋁(320粒度的高級金剛砂)。例如，在持續2秒的短期應用中，可將頂層12及分離層11從前刀面2除去，不剩有肉眼可見的殘餘，如圖4所示。同時，前面提到的厚度0.1μm的TiO2層所具有的粘合和強度足以使頂層12在不受噴射口14直接影響的位置獲得保留，不被去除。
在其他實施方案中，刀片1可具有不同的磨損防護層9和不同的頂層12。但是，在每個實例中，磨損防護層9都應當是可由PVD工序生產的金屬硬質材料層。無金屬結構的硬質材料層，例如Al2O3，不屬於磨損防護層9的金屬硬質材料層。作為頂層，既可以是前面提到的TiN層，也可以是其它金屬頂層，例如TiC層、CrN層、HfN層或其它類似塗層。作為分離層11，應當儘量採用非金屬層，以限制頂層12和磨損防護層9之間的粘合。除了在之前實施個例中採用的TiO2層以外，也可採用其他同樣可在PVD工序中沉積，且不具有金屬鍵的氧化物層。特別是第四或第五族金屬的氧化物層。共價鍵層，例如MCN層，同樣具有良好的適用性。在這裡，M代表各種適宜的金屬，尤其是第四或第五族的金屬。同樣，其它共價鍵層，例如MoS2層(硫化鉬)或碳層(DLC)，也具有良好的效果。誠然，具有金屬鍵的分離層，例如TiN層，也在可考慮的範圍之中。此時，為實現TiN層的有限粘合，應當使TiN層處於非常強度的應力作用下。例如，在充分背離化學計量關係的運用中，可以實現應力的施加。作為示範，圖5說明了磨損防護層9、分離層11和頂層12之間的應力作用過程，在這裡，通過分離層11和磨損防護層9、頂層12之間反向應力的施加，實現了有限粘合。塗層中的主要應力如曲線15所示。在此例中，磨損防護層9、分離層11和頂層12中的應力關係如下磨損防護層9最大壓應力2GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)，對應-2GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)，分離層11張應力約0.8GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)，對應0.8GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)，頂層12壓應力約1GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)，對應-1GPa(Giga Pascal＝109 Pascal)。
綜上所述，本發明描述的是可通過一次性PVD塗層工序製造的一種特殊的切割工具塗層，應用該塗層方法，可以簡化雙色切割工具的生產過程。其主要內容為在著有兩種不同顏色的金屬硬質材料層之間加設分離層11。而這種分離層，可以在同一個PVD塗層工序中實現。使用這種分離層之後，可以在非常短的磨損時間內通過噴砂、刷光或類似方法磨損切割工具的頂層。
權利要求
1.一種特別適用於切割工具的塗層(8)，包含作為磨損防護層(9)的金屬硬質材料層(MH)，以及至少覆蓋於部分磨損防護層(9)上的分離層(11)。
2.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，在分離層(11)上存在頂層(12)，一般作為裝飾層。
3.根據權利要求2所述之塗層，其特徵在於，頂層(12)的顏色明顯6區別於磨損防護層(9)的顏色。
4.根據權利要求2所述之塗層，其特徵在於，頂層(12)是ZrC、CrC、ZrN、CrN、TiN、TiC、HfC或HfN層。
5.根據權利要求2所述之塗層，其特徵在於，頂層(12)具有金屬晶體結構。
6.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層(11)具有非金屬晶體結構。
7.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，構成分離層(11)的氧化物層至少應當包含一種屬於化學元素周期表某一族的金屬。
8.根據權利要求7所述之塗層，其特徵在於，金屬(M)是第四族元素，首選鈦或鋯。
9.根據權利要求7所述之塗層，其特徵在於，金屬(M)是第五族元素。
10.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層(11)包含帶有優勢共價鍵的化合物或由此類化合物構成。
11.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層(11)的構成不符合化學計量關係。
12.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層(11)是強應力層。
13.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層(11)具有內應力，其內應力與磨損防護層和頂層(12)的內應力有本質區別。
14.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層是DLC層。
15.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，分離層是MoS2層。
16.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，磨損防護層(9)是TiAlN層或CrAlN層。
17.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，磨損防護層(9)具有單層結構。
18.根據權利要求1所述之塗層，其特徵在於，磨損防護層(9)具有多層結構。
19.一種切割工具，包含由硬質材料製成的基體(7)，及應用於基體(7)的塗層(8)，塗層的結構在前述權利要求中已有描述。
20.根據權利要求19所述之切割工具，其特徵在於，磨損防護層(9)至少存在於後刀面(3)和前刀面(4)上，而頂層(12)不覆蓋或僅部分覆蓋後刀面(3)和(或)前刀面(2)。
21.一種製造切割工具的方法，首先根據權利要求1至18的某項內容，在PVD塗層工序中，依照順序將塗層敷加於基體(7)，隨後通過機械磨損工序將頂層(12)從所選定的上表面部分去除。
22.根據權利要求21所述之方法，其特徵在於，通過噴砂工序將頂層(12)去除。
23.根據權利要求21所述之方法，其特徵在於，塗層(8)包含的所有塗層通過一次性PVD工序實現。
全文摘要
本發明描述的是可通過一次性PVD塗層工序製造的一種特殊的切割工具塗層，應用該塗層方法，可以簡化雙色切割工具的生產過程。其主要內容為在著有兩種不同顏色的金屬硬質材料層之間加設分離層11。而這種分離層，可以在同一個PVD塗層工序中實現。使用這種分離層之後，可以在非常短的磨損時間內通過噴砂、刷光或類似方法磨損切割工具的頂層。
文檔編號C23C4/06GK1926261SQ200580006874
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月17日 優先權日2004年3月3日
發明者凡特·謝爾 申請人:瓦爾特股份公司