CN101018889A - 带有氧化物涂层的切削工具 - Google Patents

Abstract

一种通过采用PVD过程提供涂层的切削工具，该涂层是单一相的三元的或更复杂的氧化物。通过借助于原子百分数适当地确定所包含的主要组分和少量组分，可以一种特定的方式、并且为了影响该氧化物的性质控制所形成的氧化物的变化。替代地，薄层可以包含无定形矩阵相，带有嵌入其中的氧化物晶体。这些氧化物晶体可以是双元的，三元的，或者是更复杂的。一种或多种不同类型的晶体可相互彼此邻接出现。

Description

带有氧化物涂层的切削工具

技术领域

本发明涉及一种带有薄层系统的切削工具，该薄层系统包括至少一个氧化物层。

背景技术

已经知道用一个薄层系统涂布切削工具，此薄层系统例如包括坚硬的金属物质层、氧化物层或者类似层，为的是提高稳定性，或者也为了改善切削性能。采用化学蒸汽沉积(CVD)过程以及物理蒸汽沉积(PVD)过程进行涂布。也可以采用现有的杂化过程(hybridprocesses)。CVD过程基本上被限制为沉积处于稳定状态(或稳定相)的所想要的化合物。也可以采用PVD过程或者杂化过程沉积亚稳态(或亚稳相)的化合物。

专利文件DE 196 51 592 A1公开了一种涂有多层的薄层系统的切削工具。在多个示例性实施例中提到的那些薄层系统尤其包括至少一个氧化铝薄层，以及坚硬的金属物质薄层。坚硬的金属物质薄层例如为用PVD过程沉积的TiAlN涂层。例如，也用PVD过程沉积氧化铝薄层，将此薄层直接涂布在其上。

氧化物薄层是双元氧化物薄层，在实际应用中这些薄层已经产生很好的效果。然而，仍然企图改进这些薄层。专利文件EP 125315 A2公开了一种切削工具，用PVD过程使此工具涂有氧化铝，在这种情况下，可以存在其它的薄层，例如TiN涂层。

在这种情况下，也实现了对Al₂O₃涂层的性能的改进。

专利文件DE 199 42 303 A1公开了一种切削插入件，它有一个多相的氧化物薄层。用CVD过程生产出这一薄层，这个薄层包括Al₂O₃(多相的氧化铝薄层)。用CVD过程生产出的这一薄层包括Al₂O₃(氧化铝)，ZrO₂(氧化锆)，以及精细地散布的第三相，该第三相由一种氧化物，含氧的碳化物(oxode carbide)，含氧氮化物(oxode nitrite)，或者钛的含氧碳氮化物构成。

专利文件DE 197 37 470 A1公开了一种带有涂层的切削本体，这些涂层包括至少一个多相的涂层。用CVD过程生产出的薄层系统例如包括锆的碳氮化物涂层(立方的ZrCN)和单斜形式和/或正方形式的ZrO₂。

晶体的ZrCN点阵用作坚硬的涂层，嵌入的ZrO2用作干的润滑剂。

同样，专利文件DE 196 41 468 A1公开了一种复合件，例如有多层涂层的切削工具。薄层系统包括Al₂O₃涂层和/或ZrO₂涂层。

专利文件DE 195 18 927公开了切削插入件，它们的特点是通过CVD过程产生的多层薄层系统。这些切削插入件设有所谓的陶瓷复合涂层，该涂层包括连续的金属氧化物相和不连续的金属氧化物相。结果，这是一个两相的金属氧化物层，该层例如包括连续的Al₂O₃相，其中在该相内嵌入有离散的ZrO₂颗粒或Y₂O₃颗粒。

连续相的晶体结构确定了薄层的性质，因此作为一种法则产生了相当坚硬但是仍然较脆的涂层。

发明内容

基于这种情况，本发明的目的是一种改进切削工具。

采用权利要求1和权利要求10的特征部分的内容能实现了这一目的。

按照本发明的切削工具包括一个基体，该基体设有一个薄层系统，至少一个单一相亚稳态的三元氧化物薄层施加到该薄层系统上。除了氧以外，该三元氧化物薄层包含至少两种其它的化学元素，例如铝和铬。按照另一种变型，氧化物包含铝和锆。这些元素之一例如铝被称为主要成份，而另一种例如铬或锆被称为少量成份。在任何情况下，两种元素都由属于元素周期表的第四，第五或第六子族的一组元素中挑选。此外，铝和硅也属于这一组。例如，本发明的三元氧化物薄层是一个铝-铬氧化物薄层，该层作为晶体层有氧化铝的晶体结构，其中铝晶体点阵部位中的一些部位被锆原子占据。然而，在这样做的过程中，薄层的组成是氧化物存在于单一的亚稳相中，即，在氧化物层中没有嵌入任何的双元氧化物晶体。个别的铝点阵部位被锆原子占据这一事实造成氧化物的晶体点阵的改变(或变形)，这可能意味着所述氧化物明显地变硬。结果，权利要求1的特点的组合开辟了氧化物层呈现出较高硬度的道路。

取决于如何选择主要成份和少量成份，可以用正的压缩应力或者用负的拉伸应力使点阵变形。如果铝是主要成份而锆是少量成份，这样将导致在晶体点阵中出现压缩应力。然而，如果锆是主要成份而铝是少量成份，这样将导致出现拉伸应力。在这样做的过程中，取决于被分别使用的元素，来选定主要成份和少量成份的含量(以原子百分数表示)，使得氧化物薄层以单一相的形式存在，因此避免了两相彼此相邻。最好用PVD过程沉积这样的亚稳态层。

除了主要成份，少量成份和氧以外，按照权利要求2的氧化物薄层还可以包含另一种化学元素，例如由上面提到的那组中挑选的一种元素。例如，在(Al，Zr)₂O₃的情况下，铬可以用作附加的少量组分，因此形成一个(Al，Zr，Cr)₂O₃薄层。由PVD过程用混合的靶或者分开的靶形成这样的薄层是可能的。在这样做的过程中，可以专门地实现有关硬度的附加改进，并且至少在一定程度上降低氧化物薄层的脆性。

氧化物薄层最好是单晶形式或多晶形式的混合的置换晶体。通过以适当的方式进行处理，可以在薄层内在与薄层垂直的方向上改变主要成份与少量成份之比。例如，可能希望由薄层的一个侧面到薄层的另一个侧面少量成份有一个明显的梯度，并且可以实现这样的梯度。因此，可以生产出这样的涂层，即它们例如可以在它们的底部呈现出与在它们的顶侧面上不同的应力状态。把薄层分成子层也是可能的，例如，由薄层的底侧面到上侧面少量成份的百分含量有变化，改变一倍或者多倍。作为这样做的结果，可以实现特殊的特征，比如粘性和韧性。

少量成份的数量为氧化物薄层的总原子数目的原子百分数的1％以上。这样的少量成份不是简单地代表一种污染物。

作为对于亚稳态的三元氧化物薄层的一种替代，切削工具也可以设有两相的薄层，而一相是无定形的矩阵(或点阵)相，第二相包括一种氧化物。无定形相与氧化物晶体相的组合打开了通向特殊性能的大门，特别是，考虑到与高粘性结合的高硬度。

最好，氧化物是元素周期表的第四，第五或第六子族中的一种或多种元素、铝或硅的氧化物。这种氧化物可以是一种双元氧化物，它们仅包含由上面提到的那组中挑选的一种物质。然而最好，也可以采用三元的或者更复杂的氧化物。它们形成了例如混合的置换晶体，以结晶体的形式嵌入无定形相中。如果采用三元的氧化物，所包含的元素最好为上面提到的那一组中的元素，而它们以不同的性质存在。然而替代地，也可以将两种双元氧化物彼此相邻地嵌入在无定形相中。

最好，无定形相是一个用共价键连接起来的涂层。它可以是仅由碳和氮构成的CN涂层，氧化物涂层，或者陶瓷涂层。陶瓷涂层例如是一层碳化硅涂层。替代地，可以采用一个坚硬的金属材料涂层作为无定形相。

薄层系统可以包括附加层，这些附加层有与按照权利要求1或10的薄层相同的组成。替代地或者附加地，可以提供附加层，例如按照权利要求20的坚硬的金属材料层或者按照权利要求21的薄层系统。最好，借助于一种PVD过程生产出本发明的薄层，以及整个的薄层系统。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施例，其中，在这些附图中：

图1是切削工具的示意性透视图；

图2示出了按照图1的切削工具的剖面图的细节；

图3示出了按照图1的切削工具的另一实施例的剖面图的细节；以及

图4示出了按照图1的切削工具的薄层系统的另一实施例。

具体实施方式

图1示出了作为切削工具的一个示例的切削平板1。该切削平板1具有一个基体2，图2提供了此基体的剖面图，并且例如为用钴键连接起来的烧结的碳化钨。基体2涂覆有一个薄层系统3，是借助于PVD过程将此薄层系统施加到基体上的。最好，这个基体的厚度在5微米到30微米之间。最好，薄层系统由几层单独的薄层4，5，6，7构成，这些薄层匀可以有不同的成份。例如，被粘接到基体2上的下面的薄层4，5是钛基(或以钛为基础的)薄层，比如它们包括氮化钛或者钛的碳氮化物或者类似物构成。替代地，薄层5可以是一个用于叠加在其上的氧化物薄层6的实现粘接的薄层。氧化物薄层6包括一种亚稳态的三元氧化物。例如，它是(Al，Zr)₂O₃，即，一种铝氧化物，其中用锆原子置换了一些铝原子。铝是主要组分，而锆是少量组分。锆的含量为金属含量的10％以下，最好仅只为3％或者4％。它是一种混合的置换晶体，这种晶体以单一相的方式存在。不存在Al₂O₃或ZrO₂的晶体。锆的含量明显地在原子百分数的1％以上，而这个含量以如下的方式确定，即能够使薄层6有所希望的韧度。

用一种反应的PVD过程例如在PVD涂布工厂中采用AIZr混合的靶生产出薄层6。这样的靶例如可基本上包括铝，且包含原子百分数大约为2％的锆。在PVD涂布工厂的一个封闭的磁场装置中，在压力例如为0.8Pa低压产生等离子体气氛。这种气氛基本上包括带有氧气的氩气。采用PVD磁控管过程，在这种情况下，在靶的前面点燃氩等离子体。形成高功率的阴极溅射(脉冲的直流磁控管溅射)。在磁控管溅射中的脉冲频率可以例如被固定为90kHz，接通持续时间为80％(脉冲与暂停间隔的比为4比1)。-200伏的脉冲的基底偏置电压(偏压)和70kHz的脉冲频率是优选的。可以将基底温度保持在650℃。通过大约为6W/cm²的靶比功率输出的靶以这样方式产生的铝蒸汽和锆蒸汽在添加作为反应气体的氧气的条件下沉积出形式为薄层6的单相亚稳态混合的晶体。锆原子被嵌入在γ-氧化铝薄层中(在氧化铝点阵部位上)，并且在Al₂O₃晶体中产生点阵变形。这种变形使薄层变硬。所形成的涂层的厚度为0.5微米到10微米，最好为2到4微米。取决于所想要的薄层厚度，沉积的时间为30分钟到6小时。

然而，采用分开的铝靶和锆靶也是可能的。这样的优点是：通过控制在各自靶上的阴极溅射，可以按照所希望的那样调节铝(主要组分)与锆(少量组分)的混合比，或者甚至可以在一层内进行调节。也可以将所形成的大部分为三元氧化物的薄层的构形做成多层的涂层。例如，这可以通过周期性地改变对靶的轰击或者周期性地改变加工气氛的组成来实现，例如时常注入少量的氮气。产生的是三元氧化物多层涂层，含氧的氮化物被结合在其中。也可以将双元氧化物的薄层嵌入在三元氧化物薄层中。

图4示出了薄层6的这样的多层结构的一个示例。将薄层6分成6.1到6.n的子层，这些子层可以彼此不同。这些子层6.1到6.n子层中的至少一层是单相的亚稳态的至少三元的氧化物层。其余的薄层中的至少一层在它的化学组成和/或结构上与这个氧化物层不同。这一层也可以是单相的三元氧化物层，它具有不同的化学组成，或者仅只显示出所包含的元素有不同的原子百分数。例如，子层6.1可以是一个(Al，Zr)₂O₃薄层，而子层6.2可以是一个Al₂O₃薄层。以这样的方式，一个三元(或者更多元)的氧化物薄层可以分别与一层双元的氧化物薄层交替布置。然而，夹在至少三元的氧化物薄层之间的那些层也可以呈现出其它的特点，以使它们与那些三元的氧化物薄层不同。例如，它们可以是多相的，或者它们可以另外地包含其它的化学元素，或者甚至可以不包含亚稳态的三元氧化物薄层的元素。以这样的方式，可以使多层系统的单个薄层相对于彼此产生变化，为的是以特定的方式影响其机械性质。

靶的偏压最好是频率为10到100kHz的脉冲。最好，它是双极性的脉冲(in a dipolar manner)，而负电压的范围在-200伏与-400伏之间，而正电压最好为+100伏左右。最好，采用推挽式的脉冲。例如，可以采用组分比为97％比3％的两个Al-Zr混合的靶。它们在一个双磁控管中经受双极性的脉冲。对于此过程可以采用600℃或更高的处理温度和-80伏的基底偏压。处理压力可以例如为0.7Pa的氩。将氧气作为反应气体注入。

采用下述条件也可以生产出(Al，Zr)₂O₃涂层(三元氧化物薄层)，由于将铬嵌入氧化铝中已经使这些涂层发生变形，并且因此使它们变硬：

脉冲的直流磁控管溅射(例如双极性的，80kHz，接通持续时间为80％)；

压力：0.8Pa；

脉冲的基底偏压(偏压)：-150伏(双极性的，70kHz)；

温度：600℃；

靶：铝-铬混合的靶，有1％到6％的Cr；

靶的比功率输出：大约6W/cm²；

封闭的磁场装置；

沉积的时间：取决于所想要的层厚，30分钟到6小时；

层厚度：0.5微米到10微米，最好为2到4微米。

铝形成主要成份，而铬为少量成份。铬的含量最好为金属含量的10％以下，更可取地仅只为3％或者4％。

例如可将薄层7作为一个装饰性涂层施加到薄层6上。这个涂层可以是着色的，用作一种磨损显示器，或者用来改变摩擦特性。也可以将薄层系统3的构形以不同的形式做成。例如，可以将附加层夹在在层4与层6之间，这些附加层可以例如是金属坚硬物质层。这些可以是TiAlN涂层，TiCN涂层，AlCr(O，N)涂层，元素周期表的第四，第五或第六子族的一种或多种金属的氮化物，碳化物，碳氮化物或含氧的碳氮化物涂层。此外，可以设置一个或多个附加层，这些附加层的组分为(Me1，Me2，...)x(O，B，C，N)，主要有非金属的氧含量，而所包含的金属(Me1，Me2，...)由包括元素周期表的第四，第五或第六子族以及铝和硅的一组元素中选择。在这种情况下，这是一个三元的或者更复杂的主要是氧化物的薄层。

图3示出了薄层系统3的一个改进的实施例。它包含至少一个薄层8，把这薄层的构形做成一个两相的薄层。在所述薄层的上面或下面可以设置一个附加层4，将所述附加层的构形做成例如一个TiN涂层，或者做成一个混杂的涂层。

两相的薄层8包含无定形的矩阵(或点阵)9，它例如包括共价键连接起来的涂层，即，非金属的并且基本上不含金属的CN涂层。把晶体11嵌入这个由共价键连接起来的无定形矩阵中，所述晶体是氧化物。这些晶体例如包括氧化铝，氧化锆，或者其它的双元氧化物。被氧化的金属最好由元素周期表的第四，第五或第六子族中挑选，或者所述金属是铝或硅。这些晶体11形成第二相。可以设置附加相，即，其它氧化物的或者其它物质的第三相，第四相，第五相，等等。进而，晶体11可以由三元氧化物构成，如上面结合层6已经描述过的那样。无定形矩阵相与第二氧化物相之间的相互作用使得形成坚硬并且粘稠的涂层成为可能。被嵌入的晶体可以是上面描述过的那种类型的三元氧化物。

通过采用PVD过程，使得切削工具设有一个涂层，此涂层是单一相的三元氧化物或者更复杂的氧化物。通过借助于原子百分数适当地确定所包含的主要组分和少量组分的含量，可以以一种特定的方式控制所形成的氧化物的变化(或变形)，并且利用这些变化影响所述氧化物的性质。替代地，薄层可以有无定形矩阵相和嵌入其中的氧化物晶体。这些氧化物晶体可以是双元的，三元的，或者是更复杂的。一种或多种不同类型的晶体可以是彼此相邻的出现。

Claims (22)

1.一种切削工具(1)，它包括一个基体(2)，所述基体支承着一个薄层系统(3)，所述薄层系统包括至少一个单一相亚稳态的至少三元的氧化物薄层(6)；

所述薄层包括由不同的化学元素形成的一种主要成份和至少一种少量成份，所述这些化学元素由下述的一组中挑选：

元素周期表的IV，V或VI子族的元素，铝和硅。

2.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述氧化物薄层(6)包含另一种化学元素。

3.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述氧化物薄层(6)是一种混合的置换晶体。

4.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述主要成份组成主要的含量，而所述少量成份组成较少的含量。

5.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述少量成份为含量百分数的多于1％。

6.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述主要成份是铝。

7.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述少量成份为锆或铬。

8.按照权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具有按照权利要求1所述的至少两个薄层，在所述两个薄层之间设置至少一个附加层。

9.按照权利要求8所述的切削工具，其特征在于，也按照权利要求1构造出所述附加层，然而，它的组分与相邻的层不同。

10.一种切削工具(1)，它包括一个基体(2)，所述基体支承着一个薄层系统(3)，所述薄层系统包括至少一个两相或者多相的薄层(8)，作为第一相(9)所述薄层包含处于无定形矩阵相的组分，而作为第二相(11)所述薄层包含由氧化物构成的晶体。

11.按照权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述氧化物是由下述化学元素的至少一组中挑选的一种化学元素的氧化物：

元素周期表的IV，V或VI子族的元素，铝和硅。

12.按照权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述氧化物是一种双元氧化物。

13.按照权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述氧化物是一种三元氧化物。

14.按照权利要求13所述的切削工具，其特征在于，在所述氧化物中除了氧以外存在的两种元素是由所述组中挑选的元素。

15.按照权利要求14所述的切削工具，其特征在于，所述元素的含量的差别很大。

16.按照权利要求15所述的切削工具，其特征在于，所述无定形矩阵相是用共价键连接起来的薄层。

17.按照权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述无定形矩阵相是用共价键连接起来的CN薄层，氧化物层，金属坚硬物质层，或者陶瓷层。

18.按照权利要求17所述的切削工具，其特征在于，所述金属坚硬物质层是TiAlN涂层，AlCr涂层，元素周期表的IV，V或VI子族的一种或多种金属的氮化物，碳化物，碳氮化物或含氧的碳氮化物涂层。

19.按照权利要求1或10所述的切削工具，其特征在于，所述薄层系统(3)包括附加层。

20.按照权利要求19所述的切削工具，其特征在于，所述薄层系统(3)包括至少一个金属坚硬物质层，它是TiAlN涂层，AlCr涂层，元素周期表的IV，V或VI子族的一种或多种金属的氮化物，碳化物，碳氮化物或含氧的碳氮化物涂层。

21.按照权利要求19所述的切削工具，其特征在于，所述薄层系统(3)是至少一个三元的或更复杂的金属氧化物层，它的组分为(Me1，Me2，...)x(O，B，C，N)，主要有非金属的氧含量，而所包含的金属(Me1，Me2，...)由包括元素周期表的IV，V或VI子族以及铝和硅的一组中选择。

22.按照权利要求1或10所述的切削工具，其特征在于，由PVD过程生产出薄层(6，8)。

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