CN102498230A - 可转位刀片的制造方法 - Google Patents

可转位刀片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了制造可转位刀片的方法，所述方法包括：在可分离异型衬底(10)上借由PVD法沉积形成可转位刀片(40)的刀片材料层，以及分离该衬底以获得外形独立的部件作为可转位刀片。

Description

可转位刀片的制造方法
技术领域
本发明涉及通过在可分离异型衬底(profiliertes Substrat)上物理气相沉积(英语：physical vapour deposition，缩写：PVD)切削材料(Schneidstoff)制造可转位刀片(Wendeschneidplatte)的方法。
背景技术
通常可转位刀片通过粉末冶金途径或通过烧结来制造，其中WC/Co(碳化钨-钴，统称“硬金属”)是重要的基础材料。可转位刀片一般借由物理(PVD)或化学气相沉积(英语：chemical vapour deposition，缩写：CVD)配置有硬的、耐磨的和抗腐的涂层，其目的是降低它的磨损和/或使其具有更高的切削速率和更好的切割质量。此外，还属于PVD法的有热蒸发、电子束蒸发(英语，electron beam evaporation)、脉冲激光蒸发(英语，pulsed laser deposition，pulsedlaser ablation)、电弧蒸发(英语，arc evaporation，Arc-PVD)、分子束外延(英语，molecular beam epitaxy)、溅射(Sputter)、离子束辅助沉积(英语，ion beamassisted deposition，IBAD)和离子电镀法。粉末冶金制造真正的可转位刀片具有许多缺陷，针对硬金属而言主要存在以下缺陷：
-就机械耐磨性方面而言，为了实现所期望的非常小的粒度(硬材料相，＜0.5μm)必须高成本地制出相应的细粒原料粉末以及尽可能在无氧下进行操作。
-制出具有均匀组织的无孔烧结体是非常困难的，且并非总能成功，总是需要额外的技术耗费如高温等静压(英语：hot isostatic pressing，缩写：HIP)。
-烧结时将发生晶粒生长，从而导致不能实现技术上想要达到的纳米范围的粒度。
-大量有前景的材料系统(例如合金)、特别是耐高温的材料系统由于它们的高固相温度不能以大块部件外形制备或不能经济地以大块部件外形制备。
-具体组织结构的调节如纳米多层系统根据现有技术通过粉末冶金法是不可能的。
已知物理气相沉积用于涂覆但非用于制造可转位刀片。由硬金属制造可转位刀片通常借助烧结法进行。已知的是，PVD-或CVD-方法适用于沉积无定形或很少结晶以及纳米晶体的硬材料系统。还已知的是，有目的性地通过热处理而结晶那些层。由于沉积速率小，物理气相沉积用于制出薄层，但不用于制造大部件如可转位刀片。当物理气相涂覆在小的过程压力下运行时，其用作“照准线方法”，即衬底的倒槽(Hinterschneidung)将不被涂覆或仅被少量涂覆，这在涂覆工具时通常是严重的缺陷，其例如使得有必要在层沉积期间控制移动待涂覆的工具。
存在尽可能经济地制造具有特别细(“纳米晶体”)、均匀的和根据需要高度各向异性的组织的可转位刀片的需求。应该完全避免通过“现有技术”实施的粉末冶金或烧结的缺陷。另外，应该同时实现以更简单的方式制造尽可能多的接近最终几何形状(Endgeometrie-naher)的可转位刀片，且制造成本低。
发明内容
本发明的一方面涉及物理气相沉积(PVD法)用于制造可转位刀片基体的用途，该方法通过沉积厚度基本上相应可转位刀片厚度的层。
本发明公开了可转位刀片的制造方法。根据本发明一实施方案，接近最终几何形状的可转位刀片如下制造，借由物理气相沉积对异型衬底进行涂覆，之后衬底可以化学方式或电化学方式分离。它实现了可以由不能被烧结的材料制造可转位刀片；此外，可以实现通过常规方法不能获得的组织(纳米晶体和多层的、包括纳米规模的多层系统)。在沉积真正切削工具材料之前涂覆衬底也实现了可以特别更简单的方式制造经涂覆的可转位刀片。通过多种PVD法的显著可量测性(skalierbarkeit)，根据本发明可以在已知的设备上平行地制造非常多(多至几万)的刀片(可转位刀片)：刀片得以合适地刻印(drucken)。
作为本发明的实施方案，本发明公开了用于同时制造多个片状元件、特别是可转位刀片的方法。该方法包括：提供结构化的衬底，其中所述衬底结构限定以下区域，在该区域上制出片状元件；借助PVD法沉积形成片状元件的层，借助PVD法将材料从靶材沿着涂覆方向运输至衬底，以在其上形成层；分离衬底，由此使得片状元件分开，其中所述衬底如下结构化，使得衬底面位于所述衬底的那些在其上沉积片状元件的区域之间，所述衬底面平行涂覆方向定向或形成倒槽，从而在那些衬底面上不沉积或沉积可忽略的少量的来自靶材的材料。
附图说明
以下附图和进一步的说明将有利于更好地理解本发明。通过附图对本发明思想的更多细节、变化和改进进行说明，所述附图涉及具体选择的实施方案。附图中的要素不理解为限制性，其更在于说明本发明的原理。附图中相同的标记标出相应的部件。
图1通过示意性设置说明了衬底上物理气相沉积(PVD)的原理；
图2通过简要实施方案说明了如何使用衬底上的倒槽可以切断PVD-层；
图3说明了具有厚PVD层的结构化衬底用于制造多个可转位刀片；
图4说明了具有薄CVD层和在其上涂覆的厚PVD层的结构化衬底用于制造多个经涂覆的可转位刀片。
详细说明
图1简要说明了物理气相沉积(PVD)工艺的原理。将待涂覆的衬底10和所谓的靶材20(统称材料源)一起设置在工艺环境中。根据具体的PVD法，形成层的粒子从靶材10中离析
Figure BDA0000143289180000031
以及由此生成气体或(例如电离化的)等离子体，来自靶材20的粒子被输送至衬底10(见附图1：材料流30)并且在衬底10上凝集(kondensieren)，由此形成PVD层。根据PVD工艺，来自靶材20的材料粒子也可以与工艺气氛中的原子或分子反应，然后在衬底10上凝集和形成PVD层。例如钛氮化物层由钛-靶材生成，其中从靶材20中离析的钛粒子在氮气氛中反应生成钛氮化物。已知存在多种PVD法，在这里就不具体展开说明。在所述的实例中可以使用多种PVD法。例如通过溅射获得了好的实验结果。
图2对通常被认为是物理气相沉积的缺陷性能进行了说明。材料沉积仅在从靶材20到衬底10的材料输送方向上发生，从而衬底中倒槽(见图2，倒槽11)的后方不被涂覆。另外在平行于材料输送的方向(层厚度生长方向)的面上不沉积或沉积可忽略的少量材料。
根据本发明的一实施方案，对异型(即相应于可转位刀片应该具有的形式而结构化的)衬底10，例如由铝-钛合金形成的衬底10，借由物理气相沉积方法进行涂覆(见图3：PVD层40)。如以上参考图2所解释的，在压力足够小时，衬底10由于其外形被非常不均匀地涂覆：在倒槽上或在与靶材所在平面垂直的面上不沉积材料或沉积非常少量的材料。如果现在以化学(例如通过腐蚀)或电化学方式分离衬底10(即移去衬底10)，那么会获得呈不连续独立部件的形式的沉积层40，其通过衬底的适当成型就可以具有要制造的可转位刀片的形状。衬底可以包含多个可相互可分离连接(旋紧)的部件，从而仅必须分离衬底10的一个部件。衬底10的其他(一个或多个)部件可以机械方式移去(例如通过解开螺丝)。衬底例如可以包含片状基体和固定在其上的掩模，其中该掩模开口确定刀片的后续形状。在刀片沉积后，衬底中构成掩模的那部分可以从衬底基体，从而仅必须分开该衬底基体。
由于衬底的成型，各分开部件的形状已经具有其最终几何形状(或非常接近于最终几何形状)，称作“接近最终几何形状”。不需要对形状进行后加工或仅需对形状进行很少的后加工。以此方式可以同时制出大量(数千个)可转位刀片。通过本发明方法可以同时制造的大量可转位刀片弥补了以下缺陷，相应于厚的PVD层(大于500μm，或大于1000μm)的制造会持续相应长的时间(长至24小时或更长)。
上述根据本发明方法的一实例示出在图3中。衬底10的各个区域在高度上彼此错开布置，在该区域上沉积可转位刀片。在与衬底10所在平面正交(在本实例中为水平的)的那些面上不沉积(即沉积可忽略的少量的)材料，如上所说明的，从而在分开衬底后，可转位刀片40已经是分离的。
期望的粒径和无应力可以通过根据已知方法的热处理在保护气氛或在真空中进行调节。
根据本发明图4a-d所示的另一实例，在沉积后续可转位刀片(见图4c，PVD层40a)之前根据已知方法涂覆衬底10(见图4c，CVD层41)，例如借由化学气相沉积(英语，chemical vapour deposition，缩写：CVD)使用数微米的二硼化钛(TiB2)进行涂覆，其中适当地选择用于分开衬底10的方法，从而使得仅分开衬底10，而基础材料(PVD层40a)和涂层(CVD层41)不受或仅受很少的冲击。以此方式得到含CVD涂层41的独立的部件40a，其中朝向靶材20的面保持不被涂覆，这在可转位刀片40a熔焊在载体上时是有利的。
根据本发明另一实例，交替使用不同材料的来源(在很多PVD法中称作靶材)制出多层切削材料可转位刀片，其中例如第一靶材可以由钽形成，第二靶材可以由玻璃碳(Glaskohlenstoff)形成。在此如下选择层厚，使得借由热处理通过扩散形成交替层-例如包含碳化钽(TaC)和(sp2-杂化)碳。
还利用了物理气相沉积的优势以及这些方法的一般缺陷性能，从而不涂覆或仅少量涂覆倒槽。另外，可以使用该新方法以简单方式制造多层可转位刀片，甚至层厚在纳米范围中的那些。这样的多层系统除了具有特别大的硬度和耐热性外，还具有优异的韧性，比单个层的纯基础材料具有的韧性大得多，这有利于在可转位刀片中、主要是断片中的应用。就其机械性能方面而言，多层系统也是固有各向异性的，这可以在可转位刀片中得到利用，因为它的机械要求也是高度各向异性的。
另外，还利用了面积的可量测性：即使以低速率为特征的方法如阴极溅射也仅明显地不适用于经济制造整个材料。具有数平方米衬底面积的PVD装置(例如阴极溅射装置)使得通过使用本发明每天制出以万计的具有商用几何形状的可转位刀片。
在下文对本发明方法的多个重要方面再次(不要求完整性)进行总结。
用于同时制造多个片状元件(例如硬金属可转位刀片)的本发明方法的实施例包括以下步骤：
-提供结构化的衬底10(见图4a)；
-借由PVD法沉积形成片状硬金属元件40′的层40a、40b；
-分开衬底10，由此分离出硬金属元件40′。
在此如下结构化衬底，使得衬底面12位于衬底10上的沉积片状硬金属元件的区域之间，其中衬底面12平行涂覆方向定向或相对衬底10形成倒槽，从而在这些衬底面12上不沉积(或仅沉积可忽略的少量)来自靶材20的材料。
在此沉积过程可以如此控制，使得沉积的PVD层40、40a和40b的材料完全或主要以纳米晶体形式存在，由此沉积层(即刀片)的硬度和韧性显著增加。另外，沉积的PVD层40、40a和40b经热处理以松弛内应力和/或调节显微组织。
任选在借助PVD沉积片状硬金属元件40、40a前例如借助CVD用另外的层41(例如二硼化钛，TiB2)涂覆衬底10。在移去衬底10后，另外的层41保留在之后沉积的PVD层40、40a上。以此方式可以制造例如涂覆有TiB2的可转位刀片。
为了制造例如适合用作可转位刀片和具有特别高耐热性以及特别大韧性的片状元件，可以根据已知的PVD法沉积包含例如钽、碳、钨和/或铼的切削材料。可以如此选择切削材料的组成，使得通过热处理独立的部件能得到多相组织，其包含大于70体积％的碳化物以及延性钨-铼相。该延性钨-铼相包含10至28原子％的铼，特别是22至28原子％的铼。所述多相组织可以包含多种碳化物相，其中一种相包含钽的碳化物(TaCx)以及另一相包含W2C。切削材料额外掺杂了小于5原子％的铬和/或钒(总和)。
根据本发明方法的其他实例，通过物理气相沉积在衬底10上制造大量片状元件(例如可转位刀片)，其中在所用的PVD法中使用了多种材料源(靶材)，从而制出多层PVD层。在此，靶材可以主要包含碳和至少另一主要包含一种或多种碳化物成分的源。在使用溅射方法用于PVD时，主要含碳的溅射靶材包含玻璃碳。以下材料的一种或以下材料的任意组合可以用作碳化物成分：钨、钛、锆、铪、钽、铬、钒和铌。层厚可以如下设计，使得通过所述片状元件的热处理制出具有碳化物和sp2杂化碳的交替层的片状元件。在成品片状元件(可转位刀片)中的碳化物层比碳层厚。碳化物层的平均厚度例如为小于0.6μm。使用多种碳化物成分可以得到多种碳化物相，它们中的至少一种应该呈纳米晶体的形式。
分离的片状元件(可转位刀片)可以独立使用或熔焊(或熔接)在硬金属或高速钢的载体上，随后用作切削刀具。分开的小片在热处理前就已经可以放在所述载体上且与该载体焊接或熔接，其中焊接或熔接与热处理在一个加工步骤中实现。
衬底10的合适材料是例如铝或钛或包含铝或钛的合金。衬底10的分离可以化学途径(例如腐蚀)或电化学途径(例如阳极氧化)实现。作为腐蚀剂可以使用例如苛性钠或苛性钾以及多种无机酸。衬底的表面可以如下原位准备：衬底在PVD涂覆之前自身作为阴极连接以及进行表面溅射。

Claims (32)

1.可转位刀片的制造方法，其包括：
-在可分离异型衬底上借由PVD法沉积形成可转位刀片的刀片材料层，以及
-分离该衬底以获得外形独立的部件作为可转位刀片。
2.根据权利要求1的方法，其中控制所述PVD法，使得所沉积的刀片材料完全或主要呈纳米晶体的形式。
3.根据权利要求1或2的方法，其另外包括：
热处理所述可转位刀片以松弛内应力和/或调节显微组织。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，所述独立的部件具有大于50μm的厚度(D)或大于100μm的厚度或大于250μm的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其中作为PVD法使用的是阴极溅射法，或者除了阴极溅射以外的其他PVD法，特别是溅射方法。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述刀片材料是已知的切削工具材料。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述切削工具材料包含钽、碳、钨或铼。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，选择所述切削材料的组成，使得能够通过热处理所述独立的部件得到多相组织，所述多相组织包含大于70体积％的碳化物相以及包含延性钨-铼相。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述延性钨-铼相包含10至28原子％的铼。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述延性钨-铼相包含22至28原子％的铼。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述多相组织包含多种碳化物相，其中一种相由TaC构成以及另一种相由W2C构成。
12.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述切削材料额外掺杂有小于5原子％的铬和/或钒(总和)。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过使用多种来源(例如阴极溅射设备中的溅射靶材或ARC-PVD设备中的蒸发体)制备多层独立的部件。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，至少一种来源主要包含碳和至少另一来源主要包含一种或多种碳化物成分。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述主要含碳的溅射靶材包含玻璃碳。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于，作为碳化物成分使用的是钨和/或钛和/或锆和/或铪和/或钽和/或铬和/或钒和/或铌。
17.根据权利要求14的方法，其特征在于，设计所述层厚，使得通过热处理所述独立的部件得到具有交替的碳化物层和sp2杂化碳层的独立部件。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，在所述成品部件中的所述碳化物层比碳层厚。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，所述碳化物层的平均厚度小于0.6μm。
20.根据权利要求14的方法，其特征在于，使用多种碳化物成分使得得到多种碳化物相，它们中至少一种呈纳米晶体的形式。
21.根据权利要求1的方法，其特征在于，在沉积实际的刀片材料之前和/或之后，通过阴极溅射沉积一种或两种由已知硬材料形成的、薄于所述独立部件厚度的层，从而在分离后得到在一面或两面(上面/下面)上涂覆有已知硬材料的独立部件。
22.根据权利要求1的方法，其特征在于，在根据权利要求1的涂覆之前，根据已知的方法、特别是化学气相沉积方法使用已知硬材料涂覆所述可分离的异型衬底，从而在分离所述衬底后得到在多个面上涂覆有已知硬材料的独立部件。
23.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据已知方法将所述独立部件熔焊在由硬金属或高速钢形成的载体上。
24.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述独立部件在热处理之前放在由硬金属或高速钢形成的载体上，并且与该载体焊接或熔接，其中所述焊接或熔接与热处理在一个步骤中实现。
25.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述衬底包含铝或钛或铝-或钛合金。
26.根据权利要求25的方法，其特征在于，所述分离以化学或电化学途径(阳极氧化)的方式实现。
27.根据权利要求26的方法，其特征在于，使用无机酸或苛性钠或苛性钾作为腐蚀剂以分离所述衬底。
28.根据权利要求1的方法，其特征在于，原位准备所述衬底表面，使得所述衬底在PVD涂覆之前自身作为阴极连接，并且对所述衬底进行表面溅射。
29.通过沉积其厚度基本上相应于可转位刀片厚度的层的物理气相沉积方法用于制造可转位刀片基体的用途。
30.用于同时制造多个片状元件、特别是可转位刀片的方法，该方法包括以下：
-提供结构化的衬底(10)，其中所述衬底结构限定其上产生片状元件的区域；
-借助PVD法沉积片状元件(40′)形成的层(40；40a，40b)，借助PVD法将材料从靶材(20)沿着涂覆方向运输至衬底，以在其上形成层(40；40a，40b)；
-分离衬底(10)，由此使得片状元件(40′)分开，
其中对所述衬底进行结构化，使得衬底面(12)位于所述衬底(10)的在其上沉积片状元件的区域之间，所述衬底面(12)平行涂覆方向定向或形成倒槽，从而在那些衬底面(12)上不沉积或沉积可忽略的少量来自靶材(20)的材料。
31.根据权利要求30的方法，其在沉积形成所述片状元件(40′)的层(40；40a，40b)之前还包括：
-用另一层(41)涂覆所述衬底(10)，特别是借助CVD-方法。
32.根据权利要求30或31的方法，其中所述片状元件(40′)的厚度基本上相应于借助PVD-方法沉积的层的厚度。
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