CN101691654A - 制造涂层切削工具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造涂层切削工具的方法，包括以下步骤：提供基片；并且在所述基片上沉积阴极电弧蒸镀PVD涂层，所述涂层为氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或上述的组合，其中在所述沉积过程中所述涂层经历多于一个的离子蚀刻步骤。由于PVD涂层的光滑度增加，根据本发明制造出来的切削工具将展示出提高的工具寿命，光滑度增加则是由于表面缺陷的数目降低而引起的。

Description

制造涂层切削工具的方法

技术领域

本发明涉及一种制造PVD涂层切削工具的方法，包括以下步骤：沉积PVD涂层，其中，在沉积期间，所述涂层经受多于一个的离子蚀刻步骤。由于PVD涂层的光滑度增加，根据本发明制造出来的切削工具将展示出提高的工具寿命，光滑度增加本身则是由于表面缺陷数目降低而引起的。

背景技术

当今大多数切削工具都涂覆有PVD或者CVD涂层，例如Ti(C，N)、TiN、(Ti，Al)N、(Ti，Si)N、(Al，Cr)N或者Al₂O₃。PVD涂层通常比CVD涂层更薄并且经常在韧度是关键的应用中使用，例如铣削。与CVD涂层相比较，PVD涂层具有几种吸引人的性能，例如，压应力、更为精细的颗粒的涂层和更好的容忍载荷变化的能力。不幸的是，大多数电弧沉积PVD涂层遭受存在金属大粒子的影响，该金属大粒子也被称为大粒子或者小滴，它们以小球体形式存在于涂层表面上或者被埋在涂层内部。在涂层沉积期间，这些大粒子能够减弱带电金属离子的进入通量，因此在紧邻大粒子的周围中的涂层中产生空隙。由于随后在大粒子和涂层之间的粘着性降低，因此大粒子会在沉积过程期间或紧接着沉积过程之后或者甚至在加工期间脱落。这可导致涂层质量不良，而且涂层具有空隙、气孔，或者在极端情形中甚至导致直达至基片的孔。

当具有大粒子的涂层被例如用于铣削操作时，存在碎屑将机械地和/或化学地与凸出的大粒子相互作用的风险。当碎屑在切削工具表面之上流动时，小部分的涂层可以被剥离，从而在涂层中形成孔或者气孔。这种孔或者空隙可能是裂纹的起始点。在切削刃上存在裂纹将最终导致切削刃碎裂或者切削工具破裂。

离子蚀刻是各种沉积工艺开始时的一个共同步骤。基片通常在沉积之前被离子蚀刻以去除表面污染物和本身的氧化物与氮化物。

US6033734描述了在沉积PVD涂层之前在金属基片表面上执行的不同的蚀刻工艺。所述蚀刻工艺是一种通过使用Cr和/或Mo离子执行的金属蚀刻工艺。

然而，已经作出一点尝试，以使用离子蚀刻作为中间步骤。

EP0756019描述了一种制造用于在冲孔操作中使用的材料变形工具的PVD涂层的方法。由(Ti，Al)N、(Ti，Al，Y)N或者(Ti，Al，Cr)N或者上述的任何多层所构成的PVD层被沉积。然后，例如利用喷砂或者金属离子蚀刻对表面进行机械处理，以去除任何小滴并且实现光滑表面。然后，在顶部上沉积由MoS2构成的第二、低摩擦的PVD涂层。

EP1533210A描述了一种用于沉积PVDα-Al₂O₃的方法。基片首先被涂覆有能够经受利用氩或者利用金属离子的离子轰击的第一硬质涂层。被轰击表面然后经受氧化过程，由此形成氧化物表面层。在该氧化物表面层上沉积Al₂O₃层，这层将是α-Al₂O₃。

本发明的一个目的在于提供一种制造涂层切削工具的方法，该涂层切削工具减少了涂层内部及其表面上的大粒子数量，由此导致涂层中的孔、空隙和气孔的数量降低。

本发明的另一个目的在于提供一种制造涂层切削工具的方法，该涂层切削工具具有更少的月牙洼磨损、更少的后刀面磨损、更少的熔结(fritting)、以及延长的工具寿命。

本发明的另一个目的在于提供一种制造涂层切削工具的方法，该方法使得能够沉积更厚PVD涂层而不存在熔结和裂开的风险。

根据本发明，提供一种制造涂层切削工具的方法，包括以下步骤：提供基片；并且利用阴极电弧蒸镀PVD沉积工艺在所述基片上沉积涂层，所述涂层为氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或上述的组合，并且其中所述沉积工艺还包括使得所述涂层经历多于一个的单独中间离子蚀刻步骤。能够实现具有降低的大粒子数量的更加光滑的PVD涂层并且因此能够达到在上面披露的目的。

附图说明

图1示出根据现有技术沉积的PVD沉积(Ti，Al)N涂层的抛光截面。

图2示出根据本发明沉积的涂层的抛光截面。

图3是图2中的涂层的特写视图。

图4和图5分别示出图1和图2中的涂层的顶视FEGSEM图像。

图6示出大粒子如何被嵌入涂层中并且因此被新的涂层覆盖的TEM明场图像。

具体实施方式

本发明涉及一种制造涂层切削工具的方法，包括以下步骤：提供基片；并且利用阴极电弧蒸镀PVD沉积工艺在所述基片上沉积涂层，所述涂层为氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或上述的组合，并且其中所述沉积工艺还包括使得所述涂层经历多于一个的单独中间离子蚀刻步骤。通过利用沉积腔室执行离子蚀刻步骤。

通过离子轰击实现离子蚀刻步骤，以若干单独中间步骤的形式，这意指实际沉积在蚀刻步骤期间停止并且然后在蚀刻步骤之后继续，即，离子蚀刻步骤与沉积步骤交替进行。所使用的离子能够是氩离子或者金属离子。离子蚀刻将去除涂层的凸出部分以及不良粘附到涂层其余部分的涂层材料，例如大粒子。该方法使得能够实现具有降低的所谓大粒子的表面缺陷数量的光滑的PVD涂层。

离子蚀刻能够在适合于沉积PVD涂层的任何温度下执行，但是优选地在450-600℃的温度下。在蚀刻步骤期间的压力优选地为1-5μbar，更加优选地1-3μbar。

在本发明的一个实施例中，使用氩离子。通过点燃填充有氩气的沉积腔室中的等离子体而获得氩离子。氩离子朝向被保持在负电势下的基片加速，该负电势优选在80-250V之间，更优选在100-200V之间。

在本发明的另一实施例中，使用金属离子。金属离子被如下实现：在被抽真空的沉积腔室中的特殊蚀刻靶材处产生等离子体，并且因此形成朝向被保持在高负电势下的基片加速的金属离子的稠密蒸汽，所述高负电势优选在150-1500V之间，更优选在200-1000V之间。金属离子优选是Ti、Zr、Cr、Nb、V、Mo中的一种或者多种，更优选为Cr或者Mo。

在本发明的一个实施例中，离子蚀刻步骤是中间步骤，这意指离子蚀刻步骤将与沉积步骤交替进行。在蚀刻期间，没有沉积发生。当离子蚀刻步骤是中间步骤并且这种操作被重复多次时，大粒子被部分地或者完全地去除，并且当它们脱落时余留的空隙将在下次沉积阶段期间被新的涂层材料填充。因此，有效地避免了深且大的气孔，从而产生具有最少的表面缺陷的稠密、均质涂层。

在本发明的另一实施例中，在完成PVD涂层沉积之后执行另外的离子蚀刻步骤，作为最后步骤。这将使得PVD涂层具有光滑表面。

所沉积的PVD涂层能够具有适用于切削工具的任何组分，例如氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或者上述的组合。优选地是，涂层包括(Al，Ti)N、TiN、Ti(C，N)、(Al，Cr)N、CrN、AlO、(Ti，Si)N、TiBN、TiB、(Ti，Al，X)N中的一种或者多种构成的一层或者多层，其中X能够是Si、B、C、Ta、V、Y、Cr、Hf、Zr中的一种或者多种，更优选地，涂层是(Al，Ti)N、(Ti，Si)N、TiBN、(Ti，Al，X)N中的一种或者多种构成的一层或者多层，其中X如上所限定，并且最优选地，涂层为(Al，Ti)N。

根据本发明使用的PVD涂层能够是均质或者是多层涂层。能够在均质组分的层中或在均为均质但具有不同组分的层之间以多于一个的中间步骤的形式而执行离子蚀刻，或者在多层涂层中以多于一个的中间步骤的形式而执行离子蚀刻，或上述的任何组合。多层涂层在这里意指包括至少5个，优选地至少10个的单独层的涂层。然而，它能够包括多达几千个单独层。

在本发明的方法中包括的离子蚀刻步骤能够被应用于大多数的PVD技术，但是在其中大粒子更加显著的阴极电弧沉积中特别令人感兴趣。

PVD涂层的厚度能够在较宽范围中，因为根据本发明的方法使得能够沉积比传统的PVD涂层更厚的涂层。涂层厚度能够是0.1-10μm，优选地0.5-6μm并且最优选地1-5μm。

适用于本发明的基片优选地为切削工具刀片，或者圆形工具，例如钻、端铣刀等。基片优选地由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速钢中的任何一种制成。

本发明还涉及一种根据上述过程制造的切削工具。

已经发现根据本发明制造的切削工具将由于大粒子数量降低而获得更加光滑的涂层。光滑涂层将引起多个改进。例如，在刀具表面上，碎屑将更容易流动，仅与涂层较轻地相互作用，因此降低涂层裂开的风险。光滑涂层还将由于较低温度而给出增加的抗月牙洼磨损性，并降低切削刃积屑、坑口磨损、刃线熔结和裂纹的风险，并且还最大程度降低了圆形工具的碎屑堵塞以及随后工具断裂的风险。具有较轻摩擦磨损的更加光滑的涂层还将允许更厚的涂层而不存在粘着问题。

在进入和离开工作材料期间引起冲击载荷的车削中的间断切削中，光滑涂层也是有益的。在此情形中光滑涂层将显著地降低严重断裂的风险。

实例1

利用标准Ti_0.33Al_0.67N涂层涂覆根据操作类型(车削、铣削等)而具有不同几何形状的CNMG120408-MM、R290-12T308M-KM和R390-11T0308M-PM的硬质合金刀片。在N₂气氛中通过阴极电弧蒸镀沉积涂层并且刀片被安装在3维旋转基台上。从两对Ti_0.33Al_0.67靶材沉积(Ti，Al)N涂层。

通过沉积4μm厚的层而根据现有技术涂覆刀片A，该层厚是在后刀面那侧的中部中测得的。

根据本发明涂覆刀片B。应用与刀片A相同的沉积条件，只是在已经沉积0.7-0.8μm厚度的层之后，停止沉积，并且利用氩气填充反应腔室。向刀片施加负偏压，并且点燃等离子体，并且利用氩离子轰击刀片。在离子轰击之后，沉积重新开始，并且新的Ti_0.33Al_0.67N层被沉积。这种过程被重复6次，直至实现4μm的总涂层厚度。作为最后步骤，在沉积周期终止且腔室被打开之前，执行表面处理，其中刀片再次经受离子轰击。

在图1中能够看见刀片A的涂层的截面形式的SEM图片。该图片表明能够看见气孔，在气孔处小滴已经落出，仅留下覆盖基片的非常薄的涂层。在图2和3中能够看见刀片B的涂层的SEM图片。在图2中，能够看见顶表面更加光滑，具有较少的气孔和空隙。仍然能够看见嵌入涂层中的一些大粒子，但是这些大粒子被牢固地附着住而并没有空隙围绕它们。图3是图2的特写图，在图3中涂层中明显可见几条细线。这是由于离子轰击过程造成的。离子将优先地蚀刻较轻的元素，如Al，留下富Ti的区域。图4和图5分别示出图1和图2的涂层的顶视FEGSEM(场发射电子扫描显微镜)图像。

实例2

根据实例1的刀片而涂覆立方氮化硼刀片，但是不同之处在于，在此情形中涂层为从2对Ti靶材沉积的均质TiN涂层。根据现有技术而沉积刀片C，达到4μm的涂层厚度，该厚度是在后刀面那侧的中部测得的。根据本发明，以相同方式沉积刀片D，不同之处在于，在沉积之后利用氩填充腔室，等离子体被点燃并且利用氩离子轰击刀片。

实例3

利用在N2气氛中通过阴极电弧蒸镀沉积的非周期性的多层(Ti，Al)N而涂覆具有几何形状CNMG120408-MM的硬质合金铣削刀片，并且该刀片被安装在3维旋转基台上，所述基台被布置成用于获得非周期性的结构。从同时运行的两对Ti_0.33Al_0.67靶材和一对Ti靶材沉积多层。根据现有技术涂覆的刀片E达到4μm的涂层厚度，该厚度是在刀片前刀面的中部测得的。

在沉积刀片F(本发明)期间，在已经沉积具有1.5μm厚度的层之后，沉积停止并且利用氩填充反应腔室。负偏压被施加到刀片。等离子体被点燃，并且利用氩离子轰击刀片。在离子轰击之后，沉积重新开始并且沉积另外的1.5μm厚度，刀片被离子蚀刻并且沉积其余涂层。作为最后步骤，在沉积周期终止并且腔室被打开之前，执行表面处理，其中刀片再次经受离子轰击。总涂层厚度为4μm。

对实例4-8的解释：

下面的表达/术语通用于金属切削中，并且在下面的表格中予以解释：

Vc(m/分钟)：切削速度，单位：米每分钟

fz(mm/齿)：进给速率，单位：毫米每齿

z：(数量)刀具中的齿数

ae(mm)：切削径向深度，单位：毫米

ap(mm)：切削轴向深度，单位：毫米

D(mm)：刀具直径，单位：毫米

实例4

在下面的切削条件期间，在车削操作中测试来自实例1的具有几何形状CNMG120408-MM的刀片A(现有技术)和B(本发明)：

工件材料：硬质钢ovako 825B

V_c＝110m/分钟

f_z＝0.3mm/转

a＝2mm

冷却剂：乳剂

工具寿命标准为超过0.3mm的后刀面磨损或者刀片失效。刀片A(现有技术)在该应用中持续14分钟，而刀片B(本发明)则持续21分钟。

实例5

在铣削操作中测试并且比较来自实例1的具有几何形状R290-12T308M-KM的刀片A(现有技术)和B(本发明)。

工件材料：CGI(蠕墨铸铁)Sintercast公司

V_c＝300m/分钟，

f_z＝0.15mm/齿

a_e＝50mm

a_p＝3mm

z＝3

D＝63mm

注：干条件

刀片A(现有技术)在该应用中仅仅持续32分钟，而刀片B(本发明)持续45分钟。用于延长工具寿命的磨损类型中的决定性差异在于更少的熔结。

实例6

在下面的切削条件期间，在铣削操作中测试具有几何形状R390-11T0308M-PM的根据实例1涂覆的刀片A(现有技术)和B(本发明)：

工件材料：低合金钢，SS2244

V_c＝150m/分钟

f_z＝0.15mm/齿

a_e＝25mm

a_p＝3mm

z＝2

D＝25mm

注：冷却剂：乳剂

工具寿命标准是大于0.2mm的后刀面磨损或者大于0.3mm的熔结。

刀片A(现有技术)在该应用中持续30分钟而刀片B(本发明)持续37分钟。

在增加的Vc＝200m/分钟下，刀片A(现有技术)持续20分钟而刀片B(本发明)持续25分钟。

用于延长工具寿命的磨损类型中的决定性差异在于刀刃线中的碎裂更轻，以及更轻的后刀面磨损。令人感兴趣的是，刀片B(本发明)示出磨损是缓慢且稳态加重的，而刀片A(现有技术)则遭受更为严重的失效。

实例7

在车削操作中测试具有几何形状CNGA120408T01030AWH的立方氮化硼刀片C(现有技术)和D(本发明)。测试本体具有环的形式，所述的环具有10mm的插孔，该插孔带有90度进口和出口角度。进给速率从0.20mm/转逐步增加并且对于每一次切削增加0.02mm/转。

工件材料：低合金钢SS2258，HRC＝56。

刀架：C5-DCLNL-35060-12

Vc＝120m/分钟

Fn＝A_p

ap＝起初0.20mm/转，对于每一次切削以0.02mm/转逐步增加

注：干条件

工具寿命标准为刀片断裂。

刀片C(现有技术)在0.34mm/转的进给速率下遭受刀片断裂，而刀片D(本发明)则保持完好直至进给速率达到0.50mm/转。

实例8

在下面的切削条件期间，在车削操作中测试来自实例3的具有几何形状CNMG120408-MM的刀片E(现有技术)和F(本发明)：

工件材料：硬质钢ovako 825B

V_c＝160m/分钟

f_z＝0.3mm/转

a＝2mm

冷却剂：乳剂

工具寿命标准是超过0.45mm的后刀面磨损或者刀片失效。刀片E(现有技术)在该应用中持续17分钟，而刀片F(本发明)则持续21分钟。用于延长工具寿命的磨损类型中的决定性差异是更好的抗月牙洼磨损性。

Claims (11)

1.一种制造涂层切削工具的方法，包括以下步骤：提供基片；并且利用阴极电弧蒸镀PVD沉积工艺在所述基片上沉积涂层，其中所述涂层为氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或上述的组合，其特征在于，所述沉积工艺还包括使得所述涂层经历多于一个的单独中间离子蚀刻步骤。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，利用氩离子执行所述离子蚀刻步骤。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，利用金属离子执行所述离子蚀刻步骤。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，利用离子Ti、Zr、Cr、Nb、V、Mo中的一种或者多种执行所述离子蚀刻步骤。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，利用离子Cr或者Mo中的一种或者多种执行所述离子蚀刻步骤。

6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，在完成涂层的沉积之后执行所述涂层的最后的离子蚀刻步骤。

7.根据前面权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述PVD涂层包括(Al，Ti)N、TiN、Ti(C，N)、(Al，Cr)N、CrN、AlO、(Ti，Si)N、TiBN、TiB、(Ti，Al，X)N中的一种或者多种构成的一层或者多层，X可以是Si、B、C、Ta、V、Y、Cr、Hf、Zr中的一种或者多种。

8.根据前面权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述PVD涂层包括(Al，Ti)N、(Ti，Si)N、TiBN、(Ti，Al，X)N中的一种或者多种构成的一层或者多层，X可以是Si、B、C、Ta、V、Y、Cr、Hf、Zr中的一种或者多种。

9.根据前面权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述PVD涂层包括(Al，Ti)N构成的一层或者多层。

10.根据前面权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述基片由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速钢制成。

11.一种根据权利要求1-10中任一项制造的涂层切削工具。

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