CN101720362A - 具有多层金属氧化物涂层的工具和制备所述涂层工具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有基体和施加在其上的多层涂层的切削工具，其中多层涂层的至少两个层被安排成一层覆盖在另一层上，所述层含有相同金属或不同金属的金属氧化物，或由相同金属或不同金属的金属氧化物构成。为了产生比现有技术中更好的切削工具，按照本发明，提出了通过不同的PVD工艺方法相继产生一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层，其中PVD工艺方法选自：i)反应性磁控溅射(RMS)，ii)电弧气相沉积(arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积，其中相应工艺i)到v)的变体不构成不同的PVD工艺。
Description
技术领域
本发明涉及具有基体以及施加在其上的多层涂层的切削工具，其中多层涂层的至少两个层含有相同金属或不同金属的金属氧化物，或由相同金属或不同金属的金属氧化物构成，所述多层涂层的至少两个层被设置成一层覆盖在另一层上。
背景技术
现有技术
切削工具包括由例如硬质金属、陶瓷、钢或高速钢制成的基体。为了增加耐久性，或者也为了改进切削性质，通常在基体上施加单层或多层涂层。该单层或多层涂层可以包括例如硬质金属材料层、氧化物层等。通过CVD工艺方法(化学气相沉积法)和/或通过PVD工艺方法(物理气相沉积法)进行涂层的施加。涂层内的多个层可以仅通过CVD工艺方法、仅通过PVD工艺方法，或通过两种工艺方法的组合来施加。
PVD工艺方法存在多种变体，例如i)磁控溅射，ii)电弧气相沉积(Arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积。磁控溅射和电弧气相沉积是最常用的用于涂层工具的PVD工艺方法。在每种单独的PVD工艺方法变体中，又存在各种不同的修改，例如脉冲或非脉冲磁控溅射，或脉冲或非脉冲电弧气相沉积等。
PVD工艺方法中的靶可以是纯的金属，或者两种或多种金属的组合。如果靶含有几种金属，那么在PVD工艺过程中所有这些金属都在同时掺入到构造的涂层的层中。在构造的层中金属部分彼此之间的比率取决于靶中金属部分的比率，但是也取决于PVD工艺中的条件，因为在某些条件下，某种金属与其它金属相比，从靶中释放的量更大，和/或沉积在基材上的量也更大。
为了产生某些金属化合物，在PVD工艺过程中将反应性气体通入反应室，例如通入氮气产生氮化物，通入氧气产生氧化物，通入含碳化合物产生碳化物、碳氮化物、氧碳化物(oxicarbides)等，或通入这些气体的混合物产生相应的混合的化合物。
EP-A-0668369公开了PVD涂层工艺，其中使用不平衡磁控，生产由金属Ti、Zr、Hf或合金TiAl、ZrAl、HfAl、TiZr、TiZrAl的氮化物或碳氮化物组成的坚硬材料层，其中在涂层工艺的特定时间段中，使用阴极电弧放电气相沉积工艺将其它涂层材料沉积在待被涂层的基材上。
DE-A-102004044240公开了在PVD工艺中将一个或多个金属氧化物层施加在切削工具上，特别是使用磁控溅射。
DE-A-19937284描述了在金属基材上构建导电性多层，其包括：由金属材料、特别是铬组成的第一层，其表面通过自然形成的氧化物钝化，还包括另一层金或金合金材料，它通过PVD工艺方法施加。该第二层能够至少部分取消第一层自然形成的氧化物薄膜的电绝缘效应。这种类型的涂覆结构被用作例如电子部件的屏蔽壳体的载体部分。
DE-A19651592描述了带涂层的切削工具，它具有包含至少一个氧化铝层和硬质金属材料层的多层涂层。硬质金属材料层是例如通过PVD工艺施加的TiAIN层。直接施加在其上的氧化铝层也通过PVD工艺沉积。
发明内容
问题
形成了本发明任务的基础的问题是提供比现有技术提供的更好的切削工具。
按照本发明，该问题通过在引言中提到的那种类型的切削工具得到了解决，该切削工具的特征在于通过选自下列的不同PVD工艺方法，连续产生了至少两个金属氧化物层，将一层设置在另一层上，所述PVD工艺方法选自：i)反应性磁控溅射，ii)电弧气相沉积(Arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积，其中对各自的工艺i)到v)的修改不构成不同的PVD工艺。
在本发明的意义上，i)磁控溅射，ii)电弧气相沉积(Arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积是“不同的PVD工艺”。在每种这些PVD工艺i)到v)中都存在着变体，并且在本发明的意义上，PVD工艺的变体不认为是“不同的PVD工艺”。
“磁控溅射”PVD工艺的变体例如有“双重磁控溅射”、“RF磁控溅射”、“双极磁控溅射”、“单极磁控溅射”、“DC二极管磁控溅射”、“DC三极管磁控溅射”、“脉冲磁控溅射”、“非脉冲磁控溅射”，以及上述工艺的混合。
同样地，对于“电弧气相沉积”(Arc-PVD)、“离子镀”、“电子束气相沉积”和“激光沉积”PVD工艺，也存在着各种不同的变体和变体的混合形式。PVD工艺i)到v)的变体，对于本技术领域技术人员来说是非常熟知的，因此不需要在本文中更详细地讨论。
以耐磨涂层的形式在切削工具上施加多层涂层以及含有多个金属氧化物层的涂层，长久以来就已经知道。但是，使用不同的PVD工艺方法在同样的基体上施加金属氧化物层是新的，并且产生了具有新的性质的全新涂层。根据本发明的这种新的涂层为改进和/或调节切削工具的耐磨性、耐久性和/或切削性质开拓了广泛的可能性。
切削工具上的涂层的耐磨性、耐久性和切削性质，取决于多种不同的因素，例如切削工具基体的材料，涂层中存在的层的顺序、类型和组成，各种不同层的厚度，以及最后但不是最不重要的使用切削工具进行的切削操作的类型。对于同一个切削工具来说，根据机械加工的工件的类型、相应的机械加工工艺、以及机械加工过程中的其它条件例如高温的形成或腐蚀性冷却剂的使用，可以导致不同的耐磨性。此外，依赖于工具所进行的机械加工操作，对不同类型的磨损之间进行区分，这些磨损对工具的使用寿命、即耐久性具有不同程度的影响。因此，切削工具的开发和改进必须总是要根据待改进的工具性质进行考虑，并应该在可以与现有技术相比较的条件下进行评估。
令人吃惊的是，已经看到，为了将至少两个金属氧化物层以一层覆盖在另一层上排列的方式施加到基体上的目的，通过组合不同的PVD工艺方法，可以有目的地影响整个涂层的性质，并可以产生具有改进的耐磨性、改进的切削能力和较好的耐久性的切削工具。
通过使用不同的PVD工艺施加金属氧化物层，产生了例如具有不同内应力性质(内压缩应力和内拉伸应力)的金属氧化物层，所述金属氧化物层具有相对大的层厚度(例如大约5至10μm或以上)。例如，当晶格结构相同时，通过略微调整各种不同的晶格参数(例如在Al2O3和(AlCr)2O3中)，可以产生晶格的显著拉伸，因此导致硬度的增加。在本发明的涂层中，可以有目的地影响其它性质，例如红硬性、热力学稳定性、低裂纹扩展性和热膨胀系数。
在本发明的一个实施方案中，在切削工具的涂层中，以一层覆盖在另一层上设置的两个金属氧化物层是彼此直接排列的，没有一个或多个中间层。在这种情况下，依赖于沉积层，可以有利地获得层之间的特别良好的粘附。
在本发明的可选实施方案中，在切削工具的涂层中，在一层覆盖在另一层上排列的两个金属氧化物层之间，排列有至少一个非氧化物中间层，优选为至少一个金属氮化物层。例如，ZrN层可以提供在两个ZrO2层之间。通过将金属氮化物层作为中间层沉积，稳定了金属氧化物层的沉积过程，并且可以获得靶的“净化作用”。依赖于材料，已经观察到了在氧化物层的粘合方面的改进。此外，依赖于材料，也已经发现了硬度的增加。
按照本发明的另一个实施方案，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的一层是通过磁控溅射产生的，并且一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的另一个层通过电弧气相沉积(arc-PVD)产生，所述另一个层是排列在其上或其下的层。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，通过不同的PVD工艺在同样的PVD装置中相继产生一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层，不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间将切削工具体移出PVD装置，和/或不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间降低PVD工艺过程中存在于PVD装置中的真空。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层含有来自周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的氧化物。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的至少一层仅具有一种金属的金属氧化物。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的至少一层还具有至少一种第二成分，所述成分来自于周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的碳化物、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、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物(borooxocarbides)、硼氧碳氮化物、氧硼氮化物，以及上述化合物的混合金属相和相的混合物。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，涂层还含有硬质材料层，所述硬质材料层由周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的碳化物、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、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物、硼氧碳氮化物、氧硼氮化物，以及上述化合物的混合金属相和相的混合物组成。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，涂层的层的层厚度为10nm至50μm，优选为20nm至20μm，特别优选为0.2μm至4μm。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，涂层的Vickers硬度(Hv)在大约500至4000之间，优选在700至3500之间，特别优选在1500至3000之间。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，基体由硬质金属、陶瓷、钢或高速钢(HSS)制成。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的金属氧化物具有相同的晶体结构。这意味着依赖于沉积的材料，可以获得层彼此之间改进的粘附。具有同样的晶体结构的金属氧化物的例子是α-Al2O3/Cr2O3。
在本发明的可选实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的金属氧化物具有不同的晶体结构。依赖于沉积的材料，这可能特别有利于抑制晶体的柱生长，并避免可能导致脆性增加的晶体柱。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层在XRD、XPS和/或TEM光谱中具有最高强度的相(主相)具有相同的晶体结构。
在本发明上下文中，主相是涂层的层中明显超出相同层中的其它相的相。
在本发明的另一个实施方案中，在切削工具的涂层中，一层覆盖在另一层上直接排列的至少两个金属氧化物层的、在XRD、XPS和/或TEM光谱中具有最高强度的相(主相)具有不同的晶体结构。
本发明还包括用于生产具有基体和施加在其上的多层涂层的切削工具的方法，其中通过不同的PVD工艺方法，在一层覆盖在另一层上排列的多层涂层的至少两个层中，相继施加了相同金属或不同金属的金属氧化物，其中PVD工艺方法选自：i)反应性磁控溅射，ii)电弧气相沉积(Arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积，其中相应工艺i)到v)的变体不构成不同的PVD工艺。
在本发明的方法的另一个实施方案中，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的一个层通过反应性磁控溅射施加，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的另一个层通过电弧气相沉积(arc-PVD)施加，所述另一个层排列在前述层其上或其下。
在本发明的方法的另一个实施方案中，通过不同的PVD工艺在同样的PVD装置中相继施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层，不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间将切削工具体移出PVD装置，和/或不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间降低PVD工艺过程中存在于PVD装置中的真空。
显然，所有单个的特征，例如本文描述的针对本发明的具体实施方案的特征，可以与描述的本发明的实施方案的所有其它特征组合，只要这在技术上合理和可能就行，这样的组合被视为在本说明书公开的范围之内。仅为了更好的可读性，我们在这里将不一一列出每种可能的组合。
将借助下面的实施例对本发明的其它优点、特征和实施方案进行描述。
具体实施方式
实施例
在PVD涂层装置(Flexicoat；Hauzer Techno Coating)中，向由HM-粗粒+10.5％wt Co(HM-粗粒＝WC-硬质金属，平均颗粒尺寸为3-5μm)构成的硬质金属基材提供多层PVD涂层。基材几何外形为SEHW120408或ADMT160608-F56(按照DIN-ISO 1832)。在层被沉积之前，将装置抽空至1×10-5mbar，并使用170V的偏压通过离子蚀刻清理硬质金属表面。
层的沉积：
TiAIN(电弧气相沉积；AVD)
■靶：Ti/Al(33/67At.-％)圆形源(直径63mm)，
■80安培，495℃，3Pa N2压力，40伏特基材偏压，
γ-Al
2
O
3
(电弧气相沉积；AVD)
■靶：Al-圆形源(直径63mm)，
■80安培，495℃，0.7Pa O2压力，70伏特基材偏压，
γ-Al
2
O
3
(反应性磁控溅射；RMS)
■靶：Al
■10kW溅射输出，495℃，0.5Pa Ar压力，150伏特基材偏压(单极，脉冲)
ZrO
2
(电弧气相沉积；AVD)
■靶：Zr-圆形源(直径63mm)，
■80安培，495℃，0.7Pa O2压力，70伏特基材偏压，
ZrO
2
(反应性磁控溅射；RMS)
■靶：Zr
■10kW溅射输出，495℃，0.5Pa Ar压力，150伏特基材偏压(单极，脉冲)
使用不同的PVD工艺将下列涂层施加在基体上：
实施例1(发明)
| 成分TiAINγ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2 | 层的厚度3.0μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm | PVD工艺AVDRMSAVDRMSAVDRMSAVDRMSAVD |
比较例1a：
| 成分TiAINγ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2 | 层的厚度3.0μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm | PVD工艺AVDRMSRMSRMSRMSRMSRMSRMSRMS |
比较例1b：
| 成分TiAINγ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2 | 层的厚度3.0μm0.25μm0.25μm0.25μm0.25μm | PVD工艺AVDAVDAVDAVDAVD |
在对由42CrMoV4-钢(强度：850MPa)构成的工件上进行的碾磨实验中，对来自实施例1和来自比较例1a和1b的工具进行了比较。碾磨以恒定的速度进行，不使用冷却润滑剂，切削速度vc＝236m/min，正向每齿进给速度fz＝0.2mm。
在工具边缘上测量磨损，作为在碾磨路径4800mm后，以mm计的切削边缘WCE(主切削边缘)的平均磨损。发现了下面的切削边缘WCE的磨损值：
| 实施例1：比较例1a：比较例1b： | 切削边缘WCE的磨损0.08mm0.12mm0.18mm |
比较例1a和1b显示出磨损近似线性增加。结果显示，与比较例1a和1b的工具相比，实施例1中的本发明的工具的磨损情况明显较好。
实施例2(发明)
| 成分TiAINγ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3ZrO2γ-Al2O3 | 层的厚度3.0μm0.5μm0.2μm0.2μm0.2μm0.2μm | PVD工艺AVDRMSAVDRMSAVDRMS |
比较例2：
| 成分TiAINγ-Al2O3 | 层的厚度3.0μm1.0μm | PVD工艺AVDRMS |
在与对于实施例1和比较例1a和1b的工具所描述的相同的碾磨实验中，对实施例2和比较例2的工具进行了比较。发现了下面的切削边缘WCE的磨损值：
| 实施例2：比较例2： | 切削边缘WCE的磨损0.08mm0.11mm |
结果显示，本发明实施例2的工具的磨损情况，与比较例2的工具相比，明显较好。
Claims (19)
1.具有基体和施加在其上的多层涂层的切削工具，其中所述多层涂层的一层覆盖在另一层上排列的至少两个层含有相同金属或不同金属的金属氧化物，或由相同金属或不同金属的金属氧化物构成，其特征在于通过不同的PVD工艺方法相继产生一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层，其中PVD工艺方法选自：i)RMS，ii)电弧气相沉积(arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积，其中相应工艺i)到v)的变体不构成不同的PVD工艺。
2.权利要求1的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的两个金属氧化物层是彼此直接排列的，没有一个或多个中间层。
3.权利要求1的切削工具，其特征在于在一层覆盖在另一层上排列的两个金属氧化物层之间，排列有至少一个非氧化物中间层，优选为至少一个金属氮化物层。
4.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的一层通过RMS产生，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的另一个层通过电弧气相沉积(arc-PVD)产生，所述另一个层排列在前述层其上或其下。
5.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层通过不同的PVD工艺在同样的PVD装置中相继产生，不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间将所述切削工具体移出所述PVD装置，和/或不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间降低所述PVD工艺过程中在所述PVD装置中经常存在的真空。
6.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层含有来自周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的氧化物。
7.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的至少一层具有仅仅一种金属的金属氧化物。
8.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的至少一层还具有至少一种第二成分，所述第二成分来自于周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的碳化物、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、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物、硼氧碳氮化物、氧硼氮化物，以及上述化合物的混合金属相和相的混合物。
9.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于所述涂层还含有硬质材料层，所述硬质材料层由周期表系统的IVa到VIIa族的元素和/或铝和/或硅的碳化物、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、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼氧碳化物、硼氧碳氮化物、氧硼氮化物，以及上述化合物的混合金属相和相的混合物组成。
10.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于涂层的层的层厚度为10nm至50μm，优选为20nm至20μm，特别优选为0.2μm至4μm。
11.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于涂层的Vickers硬度(Hv)在500至4000之间，优选在700至3500之间，特别优选在1500至3000之间。
12.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于由硬质金属、陶瓷、钢或高速钢(HSS)生产基体。
13.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的金属氧化物具有相同的晶体结构。
14.权利要求1到12任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的金属氧化物具有不同的晶体结构。
15.权利要求1到12任何一项的切削工具，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的、在XRD、XPS和/或TEM光谱中具有最高强度的相(主相)具有相同的晶体结构。
16.权利要求1到12任何一项的切削工具，其特征在于一层直接覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层的、在XRD、XPS和/或TEM光谱中具有最高强度的相(主相)具有不同的晶体结构。
17.用于生产具有基体和施加在其上的多层涂层的切削工具的方法，其中通过不同的PVD工艺方法，在一层覆盖在另一层上排列的多层涂层的至少两个层中相继施加了相同金属或不同金属的金属氧化物，其中PVD工艺方法选自：i)RMS，ii)电弧气相沉积(arc-PVD)，iii)离子镀，iv)电子束气相沉积和v)激光沉积，其中相应工艺i)到v)的变体不构成不同的PVD工艺。
18.权利要求17的方法，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的一个层通过RMS施加，一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层中的另一个层通过电弧气相沉积(arc-PVD)施加，所述另一个层排列在前述层其上或其下。
19.权利要求17或18任何一项的方法，其特征在于一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层通过不同的PVD工艺在同样的PVD装置中相继施加，不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间将所述切削工具体移出所述PVD装置，和/或不需要在施加一层覆盖在另一层上排列的至少两个金属氧化物层之间降低所述PVD工艺过程中在所述PVD装置中经常存在的真空。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100602 |