CN103732785A

CN103732785A - 阴极电弧沉积法

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Publication number: CN103732785A
Application number: CN201280036727.4A
Authority: CN
Inventors: J·布尔马克; H·库廷斯; A·根瓦德
Original assignee: Rummy Na Science And Technology
Current assignee: Rummy Na Science And Technology
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: CN103732785B; ES2532898T3; KR20140057253A; JP2014525984A; US9587305B2; WO2013000990A1; IL230169A; EP2540858B1; KR102021623B1; PL2540858T3; US20150034478A1; JP6129830B2; EP2540858A1

Abstract

本发明提供一种在切削工具基体上沉积耐磨覆层的方法。利用一个或多个板状靶电极和至少200A、优选至少400A的高电弧电流进行阴极电弧沉积，从而在基体的前面提供至少5A的高总离子电流。可以采用较低的偏压，以避免高动能入射至基体上的离子的负面作用。通过本发明的方法，可以在切削工具基体上沉积厚耐磨覆层，从而提高切削性能和工具寿命。

Description

阴极电弧沉积法

技术领域

本发明涉及一种利用阴极电弧沉积工艺、特别是高电流阴极电弧沉积工艺在切削工具基体上沉积覆层的方法，用于形成被覆的切削工具。

背景技术

如今，用于车削、铣削、钻孔或其他切割品成型加工的大多数切削工具都被覆有耐磨覆层，所述覆层利用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术而沉积，以延长工具的使用寿命和/或提高生产率。通常，较厚的覆层是所期望的，因为可以提高耐磨性。这对于CVD覆层而言很容易实现。但是，与CVD覆层相比，PVD覆层具有一些吸引人的性质，特别是在覆层中提供压缩应力的能力，这提供了比CVD覆层高的韧性。这些压缩应力基本源于基体与覆层之间的热膨胀差异，以及因沉积过程中高能离子的轰击所致的致密化作用。离子轰击的这种有利效果难以存在于所有PVD技术(如热蒸发)中，但在溅射沉积中很普遍，并且通过阴极电弧沉积，压缩应力可以变得极高，通常因入射离子的高动能而高于5GPa。对基体施加偏压是提高动能的标准方法，并且用于形成认为获得所期望的机械性质所必须的硬质覆层。致密化通常引起覆层材料硬度提高和耐磨性增加。与潜在的高沉积率相结合，这使阴极电弧沉积技术成为用于切削工具沉积覆层的受关注的替代技术。

然而，由于过重的离子轰击可产生缺陷，并且过高的压缩应力最终将自发地或因加工过程中作用在覆层上的力而导致覆层脱层，对于厚覆层而言尤其如此。因此，覆层中的应力水平通常需要得到控制，以获得最高的可能的压缩应力而不过多地损害覆层的附着。特别是，沿被覆的切削工具刀片的刃口的剥落是公知的问题。例如，US7,838,132公开了在-40V～-200V的不同基体偏压下利用200A的电弧电流在硬质合金基体上阴极电弧沉积约3μm厚的(Ti,Al)N覆层，并得出结论：在约-70V时效果最佳，其存在超过4GPa的高压缩应力，但仍可实现良好的附着性。

因此，现有技术的阴极电弧沉积工艺的问题是需在对于耐磨性至关重要的覆层厚度与覆层的机械性质、特别是韧性方面的质量之间进行折衷。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种阴极电弧沉积工艺，所述工艺能够获得在切削工具上的厚PVD覆层，所述切削工具例如为由硬质合金(cemented carbide)、金属陶瓷、高速钢、立方氮化硼和多晶金刚石制得的被覆的切削工具刀片，以提高耐磨性，并且不会使如附着性或耐剥离性等其他性质劣化。这通过独立权利要求所限定的方法而实现。

根据本发明的一个实施方式在真空室内在切削工具基体上阴极电弧沉积覆层的方法包括：通过在充当阴极的板状靶电极(target)与阳极排布组(anode arrangement)之间施加至少200A的电弧电流，由作为板状靶电极表面上的一个或多个弧斑而可见的电弧放电生成等离子体，使得电弧放电的离子由板状靶电极发射出来，从而在切削工具基体上形成覆层。

根据本发明的一个实施方式，已经发现，所要被覆的基板表面的离子电流密度对于覆层的性质极其重要。离子电流密度的一个度量是由一个或多个板状靶电极产生的总离子电流。总离子电流可以通过测量离子电流密度并将测得的离子电流密度乘以板状靶电极的总表面积而估测，所述测量利用相对于阳极排布组的电势具有负偏压并且距靶电极表面15cm面向板状靶电极的探针表面来进行。优选的是，离子电流为至少5A，所述离子电流作为板状靶电极的中心沿靶电极表面的法向的平均离子电流密度乘以板状靶电极的总表面积而确定，所述平均离子电流密度系利用距靶电极表面15cm面向板状靶电极的探针表面而测量。

利用小型靶电极不容易实现这种高总离子电流密度，这是因为电弧的能量密度通常变得过高，以致于不能有效控制靶电极材料的蒸发，因此将有不可接受的数量的微滴自靶电极表面发射，这对覆层质量是不利的。通过使用较大的靶电极表面积，靶电极上的电流密度和局部热负载可以保持在中等水平，同时提供高总离子电流。

在本发明的一个实施方式中，板状靶电极的表面积大于500cm²，优选大于1000cm²。由此，电弧放电可以分支化为基本在靶电极整个表面区域上分布的多个弧斑。高电弧电流促进所述分支化。分支化的一个优点在于，在靶电极的整个表面区域上的等离子体中提供了较均匀的离子电流密度。这可以作为沉积过程中靶电极表面的基本均匀的发光而观察到。分支化的另一优点在于能够获得改进的靶电极利用。又一优点在于，可以在整个真空室中获得均匀的沉积条件，由此可以在一批所要被覆的基体中获得均匀的覆层厚度和性质。

在本发明的一个实施方式中，为在切削工具基体处获得高的总离子电流和得到高的离子通量，在电流的饱和条件下测得的离子电流密度大于6mA/cm²，优选大于10mA/cm²，且更优选为6mA/cm²～16mA/cm²。可以提供另外的板状靶电极，例如以进一步提高供给至所形成的等离子体的离子电流，或者提供具有不同组成的板状靶电极。

在根据本发明的一个实施方式的方法中，该方法还包括在基体与板状靶电极之间施加电势差，即，对于切削工具基体施加偏压V_S，偏压V_S相对于阳极排布组的电势V_A为负；和施加阴极电压V_C，阴极电压V_C相对于阳极排布组的电势V_A为负。如上所述，已知这对覆层的应力状态具有影响，并且通常采用较高的偏压水平以获得高压缩应力。但是，根据本发明的一个实施方式，已经发现，如果对基体以较低偏压水平施加偏压，则可以实现本发明的目的。优选的是，电压差为V_S-V_A>-30V，-20V<V_C-V_A<0V，并且-10V≤V_S–V_C≤10V。为了本申请的目的，偏压V_S是指峰值电压。

对于切削工具基体入射的离子将因对基体施加的较低偏压而具有中等动能，这与为提高离子迁移率并由此提高机械性质而努力提高离子动能的上述现有知识相反。但是，由于高离子电流密度，因而在切削工具基体表面提供了高离子通量，使得由达到基体表面的离子转移的总能量仍然很高，由此增强了表面处的离子迁移率，这提高了机械性质，而不会在覆层中引入有害的高应力水平和/或缺陷。由此覆层中的应力状态可以得到有效控制。

通过提高电弧电流，总离子电流增加，并且沉积速率提高。电流的增加也促进电弧放电的分支化。优选的是，生成电弧等离子体的电弧电流为至少400A/板状靶电极。在本发明的一个实施方式中，电弧电流为至少800A。在另一实施方式中，电弧电流为400A～1200A。

根据本发明的一个实施方式的沉积系统包括阳极排布组，所述阳极排布组包含阳极部件，所述阳极部件具有指向板状靶电极的阳极表面，并与各板状靶电极同心设置，并沿其边缘横向延伸。大的阳极表面设置得靠近靶电极，并且阳极表面积沿板状靶电极的整个长度相当恒定，以提供沿整个长度的均匀的等离子体条件，而与真空室中别处的条件无关。阳极部件优选在边缘的下述部分基本上中断，所述部分是至少部分地沿板状靶电极各侧的靶电极宽度延伸的边缘在端部的部分，以定制阳极表面的形状和尺寸，使得等离子体条件在端部也均匀。在本发明的一个实施方式中，阳极部件还包括这样的阳极表面：所述阳极表面随阳极部件自板状靶电极在其法向上伸出而向外缩小(taper)。

阳极部件可以还起到对整个板状靶电极上方贡献平衡的电磁场的作用。该总电磁场还受源于电弧电流的磁自场(magnetic self-field)、源于生成磁场的装置的磁场和源于板状靶电极的电流配合的磁场的影响。具有平衡的电磁场的一个优点在于，与常规沉积系统、特别是高于200A的高电弧电流相比，板状靶电极的腐蚀变得更均匀，并且靶电极利用得到提高。

在本发明的一个实施方式中，沉积系统包括用于在靶电极表面上生成横向磁场的装置。该横向磁场可用于操控电弧等离子体的弧斑的位移。优选的是，源于生成磁场的装置的磁场是中等的，优选小于100高斯，更优选为5高斯～40高斯。这引起对板状靶电极周围的电弧放电(即，电弧放电的分支化)的弱操控。

在本发明的方法的一个实施方式中，通过测量阳极排布组和板状靶电极的平均电压和电弧电流而确定的阻抗在沉积过程中控制在预定范围内，优选小于0.1欧姆，更优选小于0.05欧姆。这至少部分地通过采用用于操控电弧放电的较弱的横向磁场而实现，所采用的技术不同于利用强磁场的受操控的电弧技术。这些受操控的电弧技术是可略微提高电弧电流的一种常规方法，但是其电弧电流不容易高于200A，而不因增加的液滴形成而损害覆层性质。同样，利用本发明的阳极-阴极构造和低阻抗法，可以增加电弧电流，以提供电弧放电的高效多分支化和稠密等离子体，从而提供高沉积速率并且不损害覆层性质。

根据本发明的实施方式的弱磁操控和阳极与阴极之间明确定义的电场可提高靶电极的利用，这是因为其防止了与随机电弧和常规受操控的电弧技术有关的问题。例如，与后者相比，由于靶电极表面上弧斑的均匀分布和电弧的高效分支化而防止靶电极中的典型赛道轨迹(race track)。

通过将弱磁操控与阳极部件(所述阳极部件具有接近靶电极的大阳极表面，并对靶电极周围、特别是板状靶电极周围端部的阴极表面和阳极表面的磁场和几何排列提供均匀的等离子体条件)组合，靶电极周围的阳极电流密度可以保持恒定，这能在靶电极周围获得更高的电流和均匀的腐蚀。

通过对板状靶电极的整个表面上的源于电弧电流的磁自场、源于生成磁场的装置的磁场和源于靶电极的电流配合的磁场进行磁场平衡，横切围绕板状靶电极的轨道的板状靶电极的腐蚀更加均匀。因此，由于本发明，可以改善靶电极利用。

在本发明的一个实施方式中，所述方法包括连续沉积，直至已经形成厚覆层。适于本申请的目的，厚覆层指至少4μm，优选至少6μm，更优选至少10μm，进而更优选至少20μm。如本领域技术人员所理解的，沉积过程可以变化，以实现单层或多层覆层。多层结构在本文中是指单独的层(至少5至数千个单独的层)的堆叠，优选包括具有不同的性质(例如在组成方面)的至少两种反复交替的单独的层。重复可以是周期性的或非周期性的。与多层结构不同，单层在整个单层的厚度上具有基本相同的性质。多层结构可以通过本领域已知的方法实现，作为实例为不同组成的靶电极，和在靶电极前面旋转所要被覆的基体。为此目的，厚度是指具有最厚覆层的被覆切削工具的侧面的厚度，即后刀面侧或前刀面侧的厚度。厚度优选对于距边缘线0.2mm的抛光的横截面使用光学显微镜测量。对于不规则表面，如在例如钻头和立铣刀上的那些表面等，此处给出的厚度是指对于任何适度平坦的表面或具有较大曲率并距任何边缘或拐角一定距离的表面测量的厚度。例如，对于钻头，测量应对外周进行。厚度超过了通过PVD产生的现有技术被覆的切削工具的覆层厚度，由此提供优异的凹坑耐磨性，同时在后刀面磨损和剥离方面仍然表现得很好甚至更好。

本发明的方法可以还包括不同的预处理或后处理步骤。

在本发明的一个实施方式中，所述方法包括预处理，所述预处理包括对基体进行喷砂，优选两步喷砂操作，包括第一干法喷砂步骤以提供基体的刃口倒圆(edgerounding)，和随后的第二湿法喷射步骤以除去干法喷砂步骤中的残余物。但是，喷砂可以以干法喷砂，或者也可以以湿法喷砂来进行。预处理喷砂的参数可以变化，并且对本领域技术人员而言是公知的。

在一个实施方式中，对通过一个或多个上述步骤形成的覆层进行了包括喷砂或者作为另外一种选择的喷丸等的后处理。一方面，喷砂可以提供更光滑的表面。另一方面，喷砂可以改变覆层中的应力状态，例如提高覆层中的压缩应力。这两方面有助于对于根据本发明的实施方式通过沉积形成的被覆的切削工具的性能改进，对于厚覆层而言尤其如此。由于利用如压力、离子电流密度和偏压等沉积参数组合控制应力状态，因此覆层的应力状态的后处理喷砂控制可以得到提高，这使被覆切削工具产生了出乎意料的好性能。

在一个实施方式中，在约0.1MPa～0.6MPa的压力下利用喷嘴和100目～800目、优选300目～500目的颗粒对覆层进行了湿法喷砂，所述喷嘴相对于基体的前刀面侧以约20mm～300mm、优选40mm～200mm的距离和约0°～90°、优选35°～65°的角度设置。覆层的湿法喷砂的持续时间优选为0.5分钟～1分钟。拟使用的适当颗粒包括但不限于氧化铝、碳化硅和氧化锆。

在喷砂中，如氧化铝颗粒等喷砂介质以高速度，通常以研磨的方式入射至基体上。如上所述，喷砂可以在干燥条件下，即利用作为粉末的颗粒等来进行，或者可以在湿润条件下，即利用悬浮在流体中颗粒等来进行。取决于关于喷砂介质、压力、角度和持续时间的喷砂条件，喷砂效果将会改变。喷砂工序例如可以调整，以获得光滑或粗糙的基体表面。如上所述，喷砂也可以改变所沉积的覆层的应力状态。如本领域技术人员所理解的，这一改变可以通过例如选择特定喷砂介质、持续时间、角度、压力等来定制。

如本领域技术人员所理解的，沉积工序可以包括不同的等离子体蚀刻步骤，这些步骤位于沉积化合物层或其个别层的之前、过程中或之后。通过根据本发明的方法形成的覆层包含至少一个化合物层，所述化合物层包含选自4族、5族、6族(IUPAC)、Si、Al和Y中的至少一种第一元素和选自N、B、O和C中的至少一种第二元素，优选的是包含选自由Ti、Al、Si、Zr、Ta、Nb、W、Va、Hf、Y、Cr组成的组中的第一元素，更优选的是所述至少一种第一元素的氮化物或其组合，优选其与选自由(Ti,A1)N、(Ti,Al,Si)N、(Ti,Si)N、(Al,Cr)N、(Ti,Al,Cr)N和(Ti,Al,Cr,Si)N组成的组的组成的组合，所述化合物层提供硬质耐磨覆层，特别是具有良好的耐磨料磨损性。

在本发明的方法的一个实施方式中，在沉积过程中在真空室中至少利用氮气作为反应性气体并利用一个或多个包含Ti和Al作为主要元素的板状靶电极，产生(Ti,Al)N覆层。本发明的具有(Ti,Al)N覆层的切削工具因改进的耐磨性和耐剥离性而表现出改进的性能，对于厚覆层而言尤其如此。

结合附图和权利要求来考虑，通过以下对本发明的详细描述，本发明的其他目的、优点和新特征将变得显而易见。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的实施方式，其中

图1是根据本发明的一个实施方式的沉积系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施方式(实施例1)的被覆(Ti,Al)N的切削工具在车削钢后的扫描电子显微镜图像；

图3是根据现有技术(实施例9)的被覆(Ti,Al)N的切削工具在车削钢后的扫描电子显微镜图像；

图4a是用于测量离子电流密度的等离子体探针的照片；

图4b示意性地图示了由等离子体探针测量确定的在本发明的板状靶电极前面的和在现有技术的圆形靶电极前面的总离子电流；

图5是根据本发明的一个实施方式沉积的厚(Ti,Al)N覆层的横截面图；

图6是(a)根据现有技术和(b)根据本发明的一个实施方式的被覆(Ti,Al)N的切削工具刀片在车削不锈钢后的扫描电子显微镜图像；和

图7是(a)根据现有技术和(b)根据本发明的一个实施方式的被覆(Ti,Al)N的切削工具刀片在端面铣钢后的光学显微镜图像。

具体实施方式

图1a示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的用于阴极电弧沉积的沉积系统的一个实例。图1b显示的是板状靶电极1和阳极部件2的主视图和顶视图。下文中的描述指的是此非限制性实例，但是，如本领域技术人员所理解的，该沉积系统可以以不同方式修改。如在其他PVD沉积系统中那样，覆层的沉积在连接于真空泵(未示出)的真空室3中进行，所述真空泵用于控制真空室3内的压力。在沉积过程中充当被覆材料源的一个或多个板状靶电极1设置在真空室3的壁中或壁上，其靶电极表面面向真空室3的内部。板状靶电极1和优选包括阳极部件2的阳极排布组与电弧电源(未示出)连接，并分别形成沉积系统的阴极和阳极。利用电弧放电来蒸发靶电极材料。电弧放电通过触发器(未示出)触发。所要被覆的切削工具基体5由真空室3中对准板状靶电极1的固定器6承载。为均匀地被覆切削工具基体5的所有侧面，固定器是可旋转的。切削工具基体5通过固定器6连接于偏压电源。沉积在反应性气氛中进行，以使蒸发的靶电极材料与通过气体入口供入真空室3中的反应性气体反应，从而形成化合物覆层。

参照图1，根据本发明的一个实施方式在切削工具基体上阴极电弧沉积覆层的方法包括步骤：

-在真空室3内提供阳极排布组2和板状靶电极1，形成用于阴极电弧沉积的阳极-阴极构造；

-在真空室3内提供一个或多个切削工具基体5；和

-通过在板状靶电极1与阳极排布组2之间施加至少200A的电弧电流，由作为板状靶电极1表面上的一个或多个弧斑而可见的电弧放电生成等离子体，使得电弧放电的离子由板状靶电极发射出来，从而在基体上形成覆层，并且板状靶电极1的中心处沿靶电极表面的法向的离子电流密度乘以板状靶电极1的总表面积为至少5A，所述离子电流密度系利用等离子体探针7而测量，等离子体探针7具有距靶电极表面约15cm面向板状靶电极1的探针表面8。

离子电流密度利用相对于阳极排布组2的电势偏压至-70V的等离子体表面8来测量。在此高电压下，离子电流密度不随电压显著改变，即离子电流密度基本饱和。离子电流密度测量将结合实施例14进一步说明。

根据本发明的一个实施方式在基体上阴极电弧沉积覆层的方法包括以下步骤：

-在作为沉积系统的一部分的真空室3内提供阳极排布组2和板状靶电极1，形成用于阴极电弧沉积的阳极-阴极构造；

-在真空室3内提供一个或多个切削工具基体5；

-通过在板状靶电极1与阳极排布组之间施加至少200A的电弧电流，由作为板状靶电极1表面上的一个或多个弧斑而可见的电弧放电生成等离子体，使得电弧放电的离子由板状靶电极发射出来，从而促进在基体上形成覆层；和

-对切削工具基体5施加偏压V_S，偏压V_S相对于阳极排布组2的电势V_A为负；和施加阴极电压V_C，阴极电压V_C相对于阳极排布组2的电势V_A为负，其中

V_S-V_A>-30V，

-20V<V_C–V_A<0V，并且

-10V≤V_S-V_C≤10V。

此实施方式可以与上述实施方式结合，即，于是方法包括高总离子电流与中等偏压水平结合。

为了本申请的目的，偏压V_S是指峰值电压水平。偏压可以通过偏压电源提供。偏压可以是DC电压或脉冲电压。在根据本发明一个实施方式的适于脉冲偏压的沉积系统中，偏压电压包括脉冲发生单元。偏压电源优选连接于控制单元，所述可控制单元监控沉积过程中从偏压电源输出的偏压，并调整电源以获得所期望的偏压水平。

在本发明的一个实施方式中，V_S–V_C≤0V。在本发明的另一实施方式中，-19V≤V_C-V_A≤-15V，优选-18V≤V_C–VA≤-16V。在本发明的又一实施方式中，-30V≤V_S-V_A≤-15V，优选-25V≤V_S-V_A≤-15V。

电弧放电为等离子体提供离子。为等离子体提供的离子的量的一个度量是如上所述的板状靶电极的总离子电流。利用多个板状靶电极，可以通过对各板状靶电极的总离子电流求和而确定离子的供应。在本发明的一个实施方式中，各板状靶电极的总离子电流之和除以真空室体积为至少3A/m³。

优选的是，电弧电流为与沉积系统连接的电源提供的直流电流。直流电流并不必须随时间推移保持恒定。虽然电弧电流可因短暂的电弧放电的单独贡献而在沉积过程中显示相当大的变化，但不应将该直流电流与脉冲沉积技术混淆。可基于与现有沉积工艺相同的原因而采用脉冲沉积。

在本发明的方法的一个实施方式中，通过测量阳极排布组和板状靶电极的平均电压和电弧电流而确定的阻抗在沉积过程中被控制在预定范围内，优选小于0.1欧姆，更优选小于0.05欧姆，使得电弧等离子体几乎不受控制。这至少部分地通过采用用于操控电弧放电的较弱的横向磁场而实现，所采用的技术不同于利用强磁场的操控的电弧技术。这些操控的电弧技术是可提高电弧电流而不因微滴形成增加而损害覆层性质的一种常规方法。利用本发明的阳极-阴极构造和本实施方式的低阻抗法，电弧电流可以增加，以提供电弧放电的高效多分支化和稠密等离子体，从而提供高沉积速率并且不损害覆层性质。但是，应该理解，阻抗不仅由所施加的磁场决定，还由如阳极位置、阳极设计、气体压力、阴极设计等其他参数决定。因此，当限定阻抗时，所有参数都应考虑。

为实现阻抗控制，沉积系统可以包括控制单元和阻抗监控单元，其设置使得基于通过阻抗控制单元测量阳极与板状靶电极之间的阻抗的控制单元可调整由用于产生横向磁场的装置产生的横向磁场的大小，以将阻抗保持在预定范围内。控制单元可以被自动或手动控制。

在一个实施方式中，方法还包括平衡源于电弧电流的磁自场、源于生成磁场的装置的磁场和源于靶电极的电流配合的磁场。平衡优选通过经验的重复的工序进行，所述工序以在板状靶电极整个表面上实现弧斑的均匀分布为目标。

源于电流配合的非均匀磁场的平衡可以通过在板状靶电极下提供非对称分布的永磁体来实现。作为实例，根据本发明的沉积系统的阴极排布组可以包括设置在导电背板上的板状靶电极。背板包括至少两个沿其长度延伸的电流条(current bars)。这些电流条在板状靶电极和电流的相对的两端连接于电弧电源。因此，电弧电流由板状靶电极的相对的两端进入电流条，并通过电流条和导电背板散布于板状靶电极。利用此构造，各电流条中的电流密度更加接近对于电流条的电流输入，并向相对端衰减。因此，源于通过电流条的电流配合的磁场也沿电流条而减弱。其效应可以利用非对称分布的永磁体来平衡，所述永磁体的设置使得板状靶电极周围的磁场变得均匀。

在本发明的一个实施方式中，方法还包括提供阳极排布组，所述阳极排布组包括围绕所述一个或多个板状靶电极同心设置的阳极部件。图1a示意性地说明了阳极部件的侧视图。图1b示意性地说明了阳极部件和板状靶电极的主视图和顶视图。阳极部件优选在下述部分基本上中断，所述部分是在板状靶电极的相对的两个端部至少部分地沿板状靶电极的宽度延伸的部分。在本实施方式的一个变体中，阳极部件包含这样的阳极表面：所述阳极表面随阳极部件自板状靶电极在其法向上伸出而向外缩小。在许多常规系统中，真空室的壁单独地用作阳极，而本发明的阳极部件可以与此类构造组合使用。阳极部件优选与阳极排布组的其余部分处于同一电势，通常是接地的，但不限于此。

在本发明的方法的一个实施方式中，在沉积过程中在真空室中利用氮气作为反应性气体并利用一个或多个包含Ti和Al作为主要元素的板状靶电极，在切削工具基体上沉积(Ti,Al)N覆层。板状靶电极的组成以及板状靶电极的组成可以变化，以获得不同的覆层性质。作为实例，由40原子%Ti和60原子%Al构成的靶电极可用于形成Ti₄₀Al₆₀N覆层，或者由60原子%Ti和40原子%Al构成的靶电极可用于形成Ti₆₀Al₄₀N覆层。覆层中Ti与Al之间的比率可能与靶电极中的比率略有不同。因此以上的40/60比率是一个近似值。

在以下实施例中，被覆切削工具根据本发明的实施方式和根据现有技术制造，并关于凹坑磨损、后刀面磨损和剥离进行了比较。

实施例1～3和10b和10d的覆层利用阴极电弧沉积系统而沉积，所述系统包括如以上参照图1所述的一个或多个较大的板状靶电极。所要被覆的基体5由对准板状靶电极1的固定器6承载。为均匀地被覆基体5的所有侧面，固定器是可旋转的。基体5通过固定器6连接于偏压电源。沉积在反应性气氛中进行，以使蒸发的靶电极材料与通过气体入口供入真空室3中的反应性气体反应，从而形成化合物覆层。

用于实施例中的基体具有三种不同组成，下文中分别称作基体S1、S2和S3。这些基体如表1中所指定。

表1

	S1	S2	S3
				Co(重量%)	6.0	7	10
Cr(重量%)	0.4	0.7	0.4
				Ti(重量%)	0.06	0.01
Ta(重量%)		0.01
				V(重量%)	0.1
W(重量%)	余量	余量	余量
				Hc(kA/m)	27.6	27.8	20.5
HV3(kgf/mm²)	1970	1890	1600

矫顽力值Hc根据DIN IEC 60404-7利用Foerster Koerzimat CS1.096来测量。

实施例1

使用一个由40原子%Ti和60原子%Al构成的板状靶电极在氮气气氛中在S1基体上沉积(Ti,Al)N覆层。

在将基体加载至沉积系统中之前，对基体进行干法喷砂以获得刃口半径(edgeradius)达到30μm～60μm的珩磨，随后进行湿法喷砂以清洁基体上干法喷砂步骤的残余物。干式喷砂利用直径10mm的喷嘴和在0.4MPa～0.6MPa压力下的100目氧化铝颗粒来进行，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧150mm处且与之呈45°角，即，颗粒以45°角入射至基体的前刀面侧。湿法喷砂利用直径9.5mm的喷嘴和在0.4MPa压力下的360目氧化铝颗粒来进行，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧150mm处且与之呈45°角。基体的湿法喷砂的持续时间为0.5分钟～1分钟。

基体被竖直设置，即，在沉积系统的能够进行三重旋转的固定器上所述基体前刀面面向板状靶电极。在沉积之前，通过在沉积系统中使用Cr离子轰击基体而对基体进行等离子体蚀刻。

采用以下沉积条件沉积覆层：温度450℃，氮气压力2.5Pa，电弧电流400A，阳极电压0V，偏压19V(DC)，阳极电压0V和阴极电压17.5V。

在沉积后，利用直径12.5mm的喷嘴和500目氧化铝颗粒在0.4MPa压力下对覆层进行湿法喷砂0.5分钟，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧50mm处且与之呈45°角。

覆层的厚度在后刀面侧上为21μm，在前刀面侧上为24μm。硬度为27GPa。覆层在湿法喷砂后的内应力为+90MPa。

实施例2

利用五个各自由40原子%Ti和60原子%Al构成的板状靶电极及与其同时操作的包含100原子%Cr的板状靶电极，在氮气气氛中在S1基体上沉积多层(Ti,Al,Cr)N覆层。

在沉积之前，根据实施例1对基体进行预处理和等离子体蚀刻，但将基体水平设置，即，使其后刀面面向板状靶电极。

利用以下沉积条件沉积覆层：温度450℃，氮气压力2.5Pa，(Ti,Al)靶电极用电弧电流400A，Cr靶电极用电弧电流100A，阳极电压0V，偏压19V(DC)和阴极电压17.5V。在沉积后，利用直径9.5mm的喷嘴和360目氧化铝颗粒在0.4MPa压力下对覆层进行湿法喷砂，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧150mm处且与之呈45°角。覆层的湿法喷砂的持续时间为0.5分钟～1分钟。

覆层的厚度在后刀面侧上为16μm，在前刀面侧上为11μm。硬度为31GPa。覆层在湿法喷砂后的内应力为-1340MPa。

实施例3

利用三个板状靶电极在氮气气氛中在S3基体上沉积TiAlN覆层，所述三个板状靶电极均由60原子%Ti和40原子%Al构成。

在将基体加载至沉积系统中之前，对基体进行干法喷砂以获得刃口半径(edgeradius)达到30μm～60μm的珩磨，随后进行湿法喷砂以清洁基体上干法喷砂步骤的残余物。干法喷砂利用直径10mm的喷嘴和在约0.4MPa～0.6MPa压力下的100目氧化铝颗粒来进行，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧150mm处且与之呈45°角。湿法喷砂利用直径12.5mm的喷嘴和500目氧化铝颗粒在约0.4MPa压力下进行0.5分钟，所述喷嘴设置在距离基体的前刀面侧50mm处且与之呈45°角。

在沉积之前，根据实施例1将基体水平设置并进行等离子体蚀刻。采用以下沉积条件沉积覆层：温度450℃，氮气压力3.5Pa，电弧电流400A，阳极电压80V，偏压20.5V(脉冲偏压，80%负载循环)和阴极电压17.5V。

覆层的厚度在后刀面侧上为23μm，在前刀面侧上为15μm。在喷砂前，沉积后的内应力为+900MPa。覆层在喷砂后的内应力为-1585MPa。覆层的硬度为26GPa。

实施例4

利用组成为Ti_0.33Al_0.67的靶电极在氮气气氛中通过查斯快速涂覆系统(BalzersRapid Coating System)中的阴极电弧沉积，在S2基体上沉积单层的(Ti,Al)N。覆层的厚度为3μm。

实施例5

在氮气气氛中在查斯快速涂覆系统(Balzers Rapid Coating System)中利用阴极电弧沉积在S2基体上沉积TiN/(Ti,Al)N多层结构与(Ti,Al)N单层反复交替的TiAlN多层覆层。利用Ti和Ti_0.5Al_0.5靶电极沉积TiN/(Ti,Al)N多层结构，并利用Ti_0.5Al_0.5靶电极沉积(Ti,Al)N单层。覆层厚度为4μm。

实施例6

将用于车削应用的市售现有技术的CVD被覆切削工具用于比较，所述现有技术的CVD被覆切削工具具有硬质合金(cemented carbide)基体和MT-TiCN+α-Al₂O₃+TiN覆层。

实施例7

通过车削轴承钢(Ovako 825B，Tibnor)测试来自实施例1～6的刀片的凹坑磨损。结果提供在表2中。工具寿命标准为凹坑磨损超过0.5mm²。

表2

实施例	1	2	3	4	5	6
							工具寿命(分钟)	不详	10	22	2	10	>30

实施例8

通过纵向车削工具钢(Sverker21，Uddeholm)测试来自实施例2～6的刀片的后刀面磨损。结果提供在表3中。工具寿命标准为后刀面磨损超过0.2mm。

表3

实施例	1	2	3	4	5	6
							工具寿命(分钟)	不详	18	12	16	8	12

实施例9

通过车削奥氏体不锈钢(304L，Sandvik)测试来自以上实施例的刀片的剥离。

剥离程度利用扫描电子显微镜(SEM)来定量确定。图2和图3分别是实施例1和实施例5的刀片的SEM图像。根据本发明的实施例1的刀片未显示任何相对于基体的剥落。根据现有技术的实施例5的刀片显示出沿切削刃口的严重剥离，尽管其具有比实施例1中薄得多的覆层。

根据本发明的被覆切削工具在以上实施例中所示的凹坑磨损、后刀面磨损和剥落方面的性能清楚表明，根据本发明制造的覆层和被覆切削工具具有优异的韧性和耐磨性。特别是，这种厚覆层的耐剥离性出乎意料得好。

实施例10

为评价根据本发明的由板状靶电极产生的总离子电流，使用等离子体探针来测量板状靶电极前面的离子电流密度。如图4a的照片所示，等离子体探针7包括不锈钢圆筒，所述不锈钢圆筒一端连接电缆，并且另一端与具有圆形传感器表面8的内部传感器元件齐平，该内部传感器元件直径为1cm并由不锈钢制成。传感器表面8与圆筒隔离，由此仅从一个方向收集离子。圆筒的另一端中的电缆连接于连接示波器和电源的电缆。为进行测量，将等离子体探针7放置在板状靶电极的前面，其传感器表面8距靶电极表面的中心15cm面向板状靶电极1，通过电缆对传感器表面8施加-70V的偏压。在-70V时，离子电流被认为饱和，不随偏压改变而有大幅变化。触发电弧放电，并针对不同电弧电流测量离子电流密度。该测量在常规沉积系统(Balzers RapidCoating Sytem)中利用80A、100A、120A、140A、160A、180和200A的电弧电流对Φ16cm Ti₄₀Al₆₀板状靶电极进行，下文中称作实施例10a，在根据本发明的沉积系统中利用100A、200A、300A、400A、500A、600A、700A和800A的电弧电流对74x19cm²Ti₄₀Al₆₀板状靶电极进行，下文中称作实施例10b。该测量在压力5Pa的氮气气氛中分别于250℃和400℃的温度进行。图4b示意性地图示了通过将所测得离子电流密度乘以靶电极尺寸确定的总离子电流。利用较大板状靶电极的沉积系统的离子电流显著地大于常规沉积系统中的离子电流。对于180A的电弧电流，现有技术的沉积系统中的总离子电流为3.3kA，而根据本发明的沉积系统的电弧电流为8.7kA。

实施例11

在细粒硬质合金切削工具刀片基体上沉积(Ti,A1)N覆层，利用常规方法进行的所述沉积在下文中称作实施例11a和实施例11c，利用根据本发明实施方式的方法进行的所述沉积在下文中称作实施例11b和实施例11d。

利用常规PVD制造设备(Balzers Rapid Coating System)通过阴极电弧沉积在CNMG120408-MM S3基体上沉积实施例10a的参比覆层。将具有Ti₃₃Al₆₇N组成的Φ16cm板状靶电极用作阴极。将真空室的壁接地，并充当阳极。在600℃的温度、1.0Pa的压力、约-22V的平均阴极电压和相对于阳极为-100V的DC偏压，以及约150A的电弧电流下，在氮气气氛中进行沉积。被覆切削工具刀片的后刀面侧上测得的覆层厚度为3.5μm。

在使用具有Ti₄₀Al₆₀N组成的74x19cm²板状靶电极作为阴极的阴极电弧沉积系统中，通过在CNMG120408S1刀片上进行阴极电弧沉积，来沉积实施例11b的覆层。真空室壁和围绕板状靶电极同心设置的阳极部件接地并充当阳极。在450℃的温度、3.0Pa的压力、-15V的阴极电压和相对于阳极电压为-20V的偏压，以及400A的电弧电流下，在氮气气氛中进行沉积。被覆切削工具刀片的后刀面侧上测得的覆层厚度为17μm。在沉积后，通过湿法喷砂对覆层进行后处理。图5显示的是根据实施例11b的覆层的横截面扫描电子显微镜显微照片。

利用与实施例11a相同的沉积和阳极-阴极构造，通过阴极电弧沉积在R390-11 S3基体上沉积实施例2c的参比覆层，但利用分别具有Ti₃₃Al₆₇组成和Ti₈₄Al₁₆组成的两个靶电极，并且在沉积过程中在靶电极前面旋转切削工具基体，以使多层覆层形成。在600℃的温度、2.5Pa的压力、对于Ti₃₃Al₆₇靶电极而言为约-22V、对于Ti₈₄Al₁₆靶电极而言为约-25V的阴极电压和相对于阳极为-60V的基体偏压，以及约150A的电弧电流下，在氮气气氛中进行沉积。被覆切削工具刀片的后刀面侧上测得的覆层厚度为3μm。

利用与实施例11b的相同的沉积和阳极-阴极构造，并利用相同的靶电极组成，通过阴极电弧沉积在R245-12S3基体上沉积实施例11d的覆层。在450℃的温度、3.5Pa的压力、-17V的阴极电压和相对于阳极为-26V的基体偏压，以及400A的电弧电流下，在氮气气氛中进行沉积。被覆切削工具刀片的后刀面侧上测得的覆层厚度为6μm。

实施例12

通过在利用冷却剂下车削不锈钢(304L)测试实施例11a和11b的覆层。图6a是测试后实施例11a的被覆切削工具的扫描电子显微镜图像。图6b是测试和蚀刻后实施例11b的被覆切削工具的扫描电子显微镜图像。如图像中所示，实施例11b的覆层几乎未受影响，特别是在耐剥离性方面存在显著改进。

实施例13

在无冷却剂下利用端铣钢(ISO-P)测试实施例2c和实施例2d的覆层。图7a是测试后实施例11c的被覆切削工具的光学显微镜图像。图7b是测试后实施例11d的被覆切削工具的光学显微镜图像。实施例11d中的抗梳状开裂性(comb crack resistance)显著优于实施例11c。

通过对抛光的横截面应用光学显微镜法来测量沉积的覆层的厚度。通常，被覆切削工具的后刀面侧上覆层的厚度大于前刀面侧上覆层的厚度，因为刀片以后刀面侧朝向板状靶电极的状态安装。因此自距后刀面侧和前刀面侧各自的边缘线0.2mm起测量厚度，以反映这一差别。对于不规则表面，如在例如钻头和立铣刀上的那些表面等，此处给出的厚度是指对于任何适度平坦的表面或具有较大曲率并距任何边缘或拐角一定距离的表面测量的厚度。例如，对于钻头，测量应对外周进行。

除利用EDS等来测量组成，各个单独的层的组成可以由靶电极的组成估计。当沉积较厚的层并且其厚到足以分析时，则已显示出：沉积的层的组成与靶电极材料的组成相比会差几个百分点。因此，在所有以上实施例中未给出覆层的组成。

对于被覆切削工具的后刀面侧的中部测量了覆层的内应力，更具体而言，利用配备有激光视频定位的Euler1/4-摇架、作为X射线源(CuK_α-辐射)的旋转阳极和面积检测仪(Hi-star)的X射线衍射仪Bruker D8 Discover-GADDS上的ψ-几何形状，通过X射线衍射来测量。使用尺寸为0.5mm的瞄准仪来聚焦光束。利用下述测角仪设置，即，2θ=50°，ω=25°和Φ=0°、90°、180°、270°，来对TiAlN(200)反射进行分析。对各Φ角进行0°～70°的八个ψ倾斜。在恒定的杨氏模量E=450GPa和泊松比ν=0.20下，利用来自Bruker AXS的软件DIFFRAC^Plus Stress32v.1.04，并利用Pseudo-Voigt-Fit函数定位反射，采用sin²ψ法评价内应力。

利用纳米压痕测量覆层的硬度。

如横向、前面、顶部、在……前面、长度、宽度、水平地等术语仅用于说明目的，并不意在将本发明限定于特定方向。

虽然本发明系就切削工具刀片而描述，但应理解，所述方法也可应用于圆形工具，如铣具和钻具。

虽然已经结合目前视为最实际并优选的实施方式描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，其意在涵盖在所附权利要求内的各种修改和等同设置。

Claims

1.一种方法，所述方法包括以下步骤：

-在真空室内提供阳极排布组和板状靶电极，形成用于阴极电弧沉积的阳极-阴极构造；

-在所述真空室内提供一个或多个切削工具基体；

-在所述板状靶电极与所述阳极排布组之间施加至少200A的电弧电流，在所述板状靶电极表面上由作为一个或多个可见的弧斑的电弧放电生成等离子体，使得所述电弧放电的离子由所述板状靶电极发射出来，从而促进在所述一个或多个切削工具基体上形成覆层，

其特征在于，沿所述靶电极表面的法向的平均离子电流密度乘以所述板状靶电极的总表面积为至少5A，所述平均离子电流密度利用距所述靶电极表面约15cm且面向所述靶电极的探针表面测量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述板状靶电极具有大于500cm²、优选大于1000cm²的表面积。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述离子电流密度大于6mA/cm²，优选大于10mA/cm²，更优选为6mA/cm²～16mA/cm²。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，所述方法还包括：对所述切削工具基体施加偏压V_S，偏压V_S相对于所述阳极排布组的电势V_A为负；和施加阴极电压V_C，阴极电压V_C相对于所述阳极排布组的电势V_A为负，其中

V_S-V_A>-30V，

-20V<V_C–V_A<0V，并且

-10V≤V_S-V_C≤10V。

5.如权利要求4所述的方法，其中，V_S–V_C≤0V。

6.如权利要求4或5所述的方法，其中，-19V≤V_C-V_A≤-15V，优选-18V≤V_C-V_A≤-16V。

7.如权利要求4～6中任一项所述的方法，其中，-30V≤V_S-V_A≤-15V，优选-25V≤V_S-V_A≤-15V。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电弧电流≥400A，优选400A～1200A，更优选600A～1200A。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述靶电极表面生成横向磁场，以操控所述电弧放电的所述一个或多个弧斑的位移。

10.如权利要求9所述的方法，所述方法还包括控制所述横向磁场的大小，以将对于所述板状靶电极和所述阳极排布组测得的阻抗控制为<0.1欧姆，优选<0.05欧姆。

11.如权利要求9或10所述的方法，所述方法还包括平衡源于电弧电流的磁自场、上述磁场和源于所述板状靶电极的电流配合的磁场。

12.如权利要求9～11中任一项所述的方法，其中，所述横向磁场小于100高斯，优选为5高斯～40高斯。

13.如权利要求9～11中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述靶电极下提供非对称分布的永磁体，以平衡源于所述板状靶电极的电流配合的磁场，从而使所述板状靶电极周围的磁场均匀。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述真空室内提供作为反应性气体的氮气，并且其中所述板状靶电极包含Ti和Al作为主要元素，以形成(Ti,A1)N覆层。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述覆层厚度为至少10μm。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，源于所有板状靶电极的总离子电流除以所述真空室的内部体积为至少3A/m³。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括通过喷砂对沉积后的覆层进行后处理。