CN102985584A - 用于金属机械加工的pvd涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适合沉积在用于芯片成形金属机械加工的切削工具刀片上的耐磨涂层。该涂层包含具有不同晶粒粒度但具有基本相同组成的至少两层。利用磁场经由蒸发器通过物理气相沉积法（PVD）沉积该涂层。膜可以具有(TiAlMe)(NQ)组成，其中Me=Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Se、Ce、Mo、W和Si，且Q是C、B、S和O。

Description

用于金属机械加工的PVD涂层
本发明涉及适合沉积在用于芯片成形金属机械加工的切削工具刀片（cutting tool inserts）上的耐磨涂层。该涂层包含具有不同晶粒粒度(grain size)但具有基本相同组成的至少两层。通过物理气相沉积法（PVD）沉积该涂层。
现代芯片成形金属机械加工中的提高的生产率需要具有高可靠性和优异耐磨性的工具。已知的是，自60年代末以来，可通过在工具表面上施加合适的涂层来显著改进工具寿命。化学气相沉积（CVD）是用于切削工具的最初沉积技术，这种方法仍常用于沉积TiN、Ti(C,N)和A12O3层。在80年代引入物理气相沉积（PVD）并从那时起已从稳定金属化合物如TiN或Ti(C,N)的沉积发展到包括通过溅射或阴极电弧蒸发之类的方法沉积多组分的亚稳化合物，如(Ti,Al)N、(Ti,Si)N或(Al,Cr)N。针对具体用途优化这些涂层的性质，因此涂层性能在它们各自的应用领域外显著降低。例如，具有大约5-30纳米典型晶粒粒度的细粒涂层在具有极小芯片厚度的端铣（end milling）中得到典型应用，而具有大约50-500纳米典型晶粒粒度的粗粒涂层在使用可转位刀片(indexable insert)的铣削（milling）和车削(turning)应用中通常优异，因为芯片厚度和温度提高。
本发明的一个目的是提供在从极小到大芯片厚度的宽应用范围内具有高机械加工性能的涂层。
本发明涉及适于沉积在用于芯片成形金属机械加工的切削刀片上的耐磨涂层。本发明的涂层包含具有基本相同组成但具有不同晶粒粒度的至少两层。该涂层具有从使用端铣刀(end mills)的精加工到使用可转位刀片的中等或粗加工的宽应用范围。通过物理气相沉积法沉积该涂层。
附图简述
图1显示本发明的涂层的断裂横截面扫描电子显微术（SEM）图像。该涂层含有两个细粒层（标作A）和两个粗粒层（标作B）。
发明详述
本发明涉及用于芯片成形金属机械加工切削工具的耐磨PVD涂层。该涂层包含至少一个A层和至少一个B层，其中A和B具有基本相同的化学组成，但它们的平均粒宽（grain width）WA和WB彼此不同，以致WA < WB。在跨越至少20个晶粒的断裂横截面扫描电子显微（SEM）图像上沿层中心与生长方向垂直的线评估层的粒宽w。基本相同的化学组成在此意味着由相同阴极沉积A和B层。由于沉积A和B层的工艺条件的差别，所得A和B层含有相同化学元素，但各元素的原子含量在大约±3 at.%单位内不等。
优选地，各A层是2 < WA < 50纳米的细粒，各B层具有30 < WB < 500纳米的粗和基本柱状晶粒，且WB/WA > 2。各A层的厚度为0.03至5微米，优选0.05至2微米，且各B层的厚度为0.1至5微米，优选0.2至2微米。A和B层数为2至200，优选 2至40，最优选2至20。所有A和B层的总厚度为0.3至20微米，优选0.5至10微米。A和B层之间的过渡优选为突变或渐变，但该涂层还可在A和B层之间包含一个或多个中间层达到0.5-20微米的厚度。
本发明还涉及包含在细和粗晶粒粒度之间连续变化的一个或多个层的涂层。A和B层随后分别被定义为具有细和粗晶粒粒度的所选层部分，其中各层部分垂直于生长方向并具有至少0.1微米厚度，且其中评估平均粒宽。
本发明的涂层可进一步包含位于基底和第一A或B层之间的如本领域中已知的内单层和/或内多层，和/或位于最后一个A或B层上的外单层和/或外多层，达到0.5-30微米，优选0.5-15微米，最优选0.5-10微米的总涂层厚度。
在一个优选实施方案中，A和B层具有根据化学式(Ti1-x1-y1Alx1Mey1)(N1-a1Qa1)z1的组成，其中0.3 < x1 < 0.7，0 ≤ y1 < 0.3，优选0 ≤ y1 < 0.15，最优选y1 = 0，0.90 < z1 < 1.10，优选0.96 < z1 < 1.04，0 ≤ a1 < 0.5，优选0 ≤ a1 < 0.3，最优选a1 = 0。Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Si中的一种或多种，优选Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Si中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
在另一优选实施方案中，A和B层具有根据化学式(Ti1-x2-y2Six2Mey2)(N1-a2Qa2)z2的组成，其中0.02 < x2 < 0.25，0 ≤ y2 < 0.3，优选0 ≤ y2 < 0.15，最优选y2 = 0，0.90 < z2 < 1.10，优选0.96 < z2 < 1.04，0 ≤ a2 < 0.5，优选0 ≤ a2 < 0.3，最优选a2 = 0。Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Al中的一种或多种，优选Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Al中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
在再一优选实施方案中，A和B层具有根据化学式(Cr1-x3-y3Alx3Mey3)(N1-a3Qa3)z3的组成，其中0.3 < x3 < 0.75，0 ≤ y3 < 0.3，优选0 ≤ y3 < 0.15，最优选y3 = 0，0.90 < z3 < 1.10，优选0.96 < z3 < 1.04，0 ≤ a3 < 0.5，优选0 ≤ a3 < 0.3，最优选a3 = 0。Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Ti中的一种或多种，优选Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Ti中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
通过PVD，优选通过阴极电弧蒸发沉积本发明的涂层。可以通过几种方式，例如通过1) 改变阴极处的磁场，2) 改变沉积温度，3) 改变蒸发电流，和/或4) 改变偏压来实现晶粒粒度变化。通过实验测定适当工艺条件在技术人员的能力范围内。
实施例1
本发明的(Ti,Al)N涂层通过阴极电弧蒸发沉积到主要组成为90重量% WC + 10重量% Co的硬质合金刀片（cemented carbide insert）上。
在沉积前，刀片在碱溶液和醇的超声浴中清洁。将沉积室抽空至小于2.0x10-3 Pa的基础压力，此后用Ar离子溅射清洁该刀片。在450℃下使用-80 V的偏压和90A蒸发电流，在99.995%纯N2气氛中在4 Pa总压力下由组成为Ti:Al = 34:66的TiAl复合阴极沉积该涂层。分别在两个等级M强和M弱之间调节阴极表面前的磁场以产生A和B层，其中M强主要垂直于阴极表面并具有在阴极表面上在3-20 mT范围内变化的场强，M弱也主要垂直于阴极表面，具有在0.5-2.5 mT范围内的场强。首先在M弱下沉积B层达20%的总沉积时间，然后在M强下沉积A层达30%的总沉积时间，然后将该相同次序重复一次。
用扫描电子显微术（SEM）研究该涂层。图1显示断裂横截面的SEM图像，其中清楚看见A和B层。沿图1b中的线评估平均粒宽w。A层具有w ~ 19纳米的细等轴晶粒，B层具有w ~ 61纳米的较粗柱状晶粒。总层厚度为大约2微米。
实施例2
在铣削操作中用下列数据测试来自实施例1的涂层：
几何: XOEX120408R-M07
应用: 方肩铣削（square shoulder milling）
工件材料: AISI 316L
切削速度: 160 m/min
进给: 0.15 mm/齿
切削深度: 2 mm
切削宽度: 13 mm (26%)
工具寿命标准: 侧面磨损（flank wear）(vb) > 0.3 mm
作为参照，使用具有与本发明的涂层类似的组成和厚度的两种市售(Ti,Al)N涂层，Ref1和Ref2。Ref1是用于这种特定铣削用途的现有技术状况并具有w ~ 100纳米的柱状粗粒。Ref2是w ~ 15纳米的细粒。  
涂层 工具寿命
本发明 15分钟
Ref1 15分钟
Ref2 5分钟
此表表明，本发明的涂层所实现的工具寿命被发现类似于Ref1并明显高于Ref2。
实施例3
在使用涂布端铣刀的精加工中用下列数据测试来自实施例1的涂层：
几何: 10毫米方肩硬质合金端铣刀
用途: 方肩铣削
工件材料: Ck45W
切削速度: 120 m/min（3800 rpm）
进给: 0.05 mm/齿（380 mm/min）
切削深度: 13 mm
切削宽度: 5 mm
工具寿命标准: 刀刃条件（切屑劣化（swarf deterioration））
作为参照，使用与实施例2中相同的市售(Ti,Al)N涂层，Ref1和Ref2。Ref2是用于这种特定用途的现有技术状况。  
涂层 切削长度
本发明 60米
Ref1 10米
Ref2 60米
该表表明，本发明的涂层所实现的工具寿命被发现类似于Ref2并明显高于Ref1。
本发明还涉及如下面更详细描述的沉积方法以及包含精细形态的涂层。
该沉积方法优选使用真空电弧蒸发以沉积具有最小组成：(AlxTi -X) N 55 </= X </= 74 at% ?????的AlTiN涂层：升级（upgrading）1 (AlxMe1-X) N, Me: Ti或与Cr, Zr, Hf, V第4-5族元素的合金，升级2 (AlaMe1-a-b Xb) N, X: B, S, Y, Ce, Sc 0 </= b < 10 at%，具有至少一个层，该层表现出精细形态（fine morphology）并由与一定含量的w-AlN-晶格类型结合的fcc-晶格类型的主相构成，其以与蒸发器磁场联合的蒸发器电流的选择为特征。
在一个具体实施方案中，该方法使用大约0.5至2.5 mT的弱磁场（场主要垂直于阴极表面），和在0.5至10 Pa氮气压下至少100 A和更大的电流，和在300至700℃沉积温度下大约20至300 V的偏压。
该方法还可使用大约3至20 mT的强磁场（场主要垂直于阴极表面），和在0.5至10 Pa氮气压下至少50 A和更大的电流，和在300至700℃沉积温度下大约20至300 V的偏压。
本发明的沉积方法可用于生成至少由两层构成的多层结构：层A为纯fcc-晶格类型，层B具有一定的w-AlN-晶格类型含量。
优选地，低蒸发器电流（30 ... 100）A用于生成层A，高蒸发器电流（100 .. . 300）A用于生成层B。
有利地，使用配有蒸发器的PVD系统，该蒸发器具有如上所述的用于生成A型层的弱磁场并具有如上所述的用于生成B型层的强磁场。
关于另一实施方案，使用具有在弱磁场和强磁场之间变化的可调节磁场的蒸发器。
本发明还涉及通过经机械运动改变磁体位置或改变电磁系统的线圈电流来改变磁场强度的方法。
本发明还涉及如上所述的层B，其特征在于通过X-射线衍射检查的次要w-AlN相测量表明沉积在硬质合金上时使用1120峰，以及涉及本发明的涂层，其表现出比具有柱状纯fcc-晶格类型的涂层低的本征应力。
下面更详细描述和表征本发明。

Claims (19)

1.用于芯片成形金属机械加工切削工具的耐磨PVD涂层，其特征在于所述涂层包含至少一个A层和至少一个B层，其中A和B具有基本相同的化学组成，但它们的平均粒宽WA和WB彼此不同，以致WA < WB。
2.根据权利要求1的涂层，其特征在于各A层是2 < WA < 50纳米的细粒，各B层是30 < WB < 500纳米的粗粒，且wB/wA > 2。
3.根据权利要求1和2任一项的涂层，其特征在于各A层的厚度为0.03至5微米，各B层的厚度为0.1至5微米，由此所有A和B层的总厚度为0.3至20微米。
4.根据权利要求1-3任一项的涂层，其特征在于所述涂层在A和B层之间包含一个或多个中间层达到0.5至20微米的厚度。
5.根据权利要求1-4任一项的涂层，其特征在于所述涂层包含位于基底和最内A或B层之间的内单-和/或多层，和/或位于最外A或B层上的外单-和/或多层，达到0.5至30微米的总涂层厚度。
6.根据权利要求1-5任一项的涂层，其特征在于所述A和B层具有根据化学式(Ti1-x1-y1Alx1Mey1)(N1-a1Qa1)z1的组成，其中0.3 < x1 < 0.7，0 ≤ y1 < 0.3，0.90 < z1 < 1.10，0 ≤ a1 < 0.5，Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Si中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
7.根据权利要求1-5任一项的涂层，其特征在于所述A和B层具有根据化学式(Ti1-x2-y2Six2Mey2)(N1-a2Qa2)z2的组成，其中0.02 < x2 < 0.25，0 ≤ y2 < 0.3，0.90 < z2 < 1.10，0 ≤ a2 < 0.5，Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Al中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
8.根据权利要求1-5任一项的涂层，其特征在于所述A和B层具有根据化学式(Cr1-x3-y3Alx3Mey3)(N1-a3Qa3)z3的组成，其中0.3 < x3 < 0.75，0 ≤ y3 < 0.3，0.90 < z3 < 1.10，0 ≤ a3 < 0.5，Me是Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W和Ti中的一种或多种，且Q是C、B、S和O中的一种或多种。
9.根据权利要求1-8任一项的涂层，其特征在于通过阴极电弧蒸发沉积所述涂层。
10.使用真空电弧蒸发以沉积具有最小组成：(AlxTi -X) N 55 </= X </= 74 at% ?????的AlTiN涂层的沉积方法：
升级1 (AlxMe1-X) N, Me: Ti或与Cr, Zr, Hf, V第4-5族元素的合金，
升级2 (AlaMe1-a-b Xb) N, X: B, S, Y, Ce, Sc 0 </= b < 10 at%
具有至少一个层，该层表现出精细形态并由与一定含量的w-AlN-晶格类型结合的fcc-晶格类型的主相构成，其以与该蒸发器磁场联合的蒸发器电流的选择为特征。
11.根据权利要求10的沉积方法，该方法使用大约0.5至2.5 mT的弱磁场且场主要垂直于该阴极表面，和在0.5至10 Pa氮气压下至少100 A和更大的电流，以及在300至700℃沉积温度下大约20至300 V的偏压。
12.根据权利要求10的沉积方法：该方法使用大约3至20 mT的强磁场且场主要垂直于该阴极表面，和在0.5至10 Pa氮气压下至少50 A和更大的电流，以及在300至700℃沉积温度下大约20至300 V的偏压。
13.根据权利要求10或权利要求11任一项的沉积方法，该方法用于生成至少由两层构成的多层结构：
层A为纯fcc-晶格类型，和层B具有一定的w-AlN-晶格类型含量。
14.根据权利要求11至13任一项的沉积方法，该方法分别使用低蒸发器电流（30 ... 100）A以生成层A和使用高蒸发器电流（100 .. . 300）A以生成层B.
14.根据权利要求11、12、13任一项的沉积方法，该方法使用配有蒸发器的PVD系统，该蒸发器具有根据权利要求11的用于生成A型层的弱磁场并具有根据权利要求12的用于生成B型层的强磁场。
15.根据权利要求10的沉积方法，该方法使用具有在根据权利要求11的弱磁场和根据权利要求12的强磁场之间变化的可调节磁场的蒸发器。
16.通过经机械运动改变磁体位置或改变电磁系统的线圈电流来改变根据权利要求15的磁场强度的方法。
17.层 B，其特征在于经由X-射线衍射检查的次要w-AlN相测量表明当沉积在硬质合金上时使用1120峰。
18.根据权利要求10涂层，该涂层表现出比具有柱状纯fcc-晶格类型的涂层低的本征应力。
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