CN107636190A - 具有多层电弧pvd涂层的刀具 - Google Patents

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Abstract

一种刀具，其具有硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体和通过PVD工艺沉积在所述基体上的多层磨损防护涂层，其特征在于所述磨损防护涂层包括以下涂层：a)沉积在所述基体上并具有组成TiaAl(1‑a)N(其中0.4≤a≤0.6)和0.5μm至4μm的涂层厚度的第一涂层(1)，b)沉积在所述第一涂层上并由一系列的10至80个各自交替布置在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)组成的第二涂层(2)，其中所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个具有5nm至100nm的层厚度，其中所述第一层(2a)包含元素Ti、Al、Cr和Si的氮化物，并且其中所述第二层(2b)具有组成TixAl(1‑x)N，其中0.4≤x≤0.6，其中所述磨损防护涂层可以在所述第二涂层(2)之上包括另一个硬质材料涂层，并且其中所述第一涂层和第二涂层由于制造方法而可以在各层中包含至多10原子％的其它金属、B、C和/或O作为杂质。

Description

具有多层电弧PVD涂层的刀具
技术领域
本发明涉及一种刀具，其具有由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体，和通过PVD工艺施加在所述主体上的多层磨损防护涂层。所述磨损防护涂层包括第一TiAlN涂层和之上的第二多层涂层，所述第二多层涂层包含元素Ti、Al、Cr和Si的氮化物。本发明还涉及用于制造本发明刀具的方法以及其用途。
背景技术
切削刀具，特别是用于切屑形成金属加工的刀具，由例如硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的主体组成。为了增加刀具寿命或提高切削性能，通常通过CVD或PVD工艺将由硬质材料制成的单层或多层磨损防护涂层施加到主体上。PVD工艺有许多不同的变体，例如磁控溅射、电弧气相沉积(电弧PVD)、离子镀、电子束气相沉积和激光烧蚀。磁控溅射和电弧气相沉积是最常用于刀具涂层的PVD工艺。各个PVD工艺变体又包括各种修改，例如非脉冲或脉冲磁控溅射或者非脉冲或脉冲电弧气相沉积等。
在电弧气相沉积(电弧PVD)中，电弧在靶处产生大约几千摄氏度的极高温度，分别导致靶材的所需蒸发或升华以沉积在基底上。在电弧区域的冲击点周围产生较低温度，例如在500至1000℃的范围内，其中在一些靶金属，特别是低熔点金属如铝中，出现宏观粒子(所谓的液滴)的脱离，其也共沉积在基底上。与例如通过磁控溅射制备的涂层相比，这种液滴导致沉积涂层的不合需要的粗糙度。此外，液滴导致涂层的弱化，因为通常它们主要由纯金属组成，从而表现出较低的硬度和增加的氧化趋势。因此，期望减少PVD电弧气相沉积工艺中的液滴形成。
对于特定的金属加工操作，例如铣削、车削和钻孔，对刀具的要求也特别高。这些刀具的重要参数是高硬度、高弹性模量(E模量，杨氏模量)和低表面粗糙度。用于所述应用的已知的切削刀具包括以PVD工艺沉积的TiAlN涂层，其通常具有低于400GPa的弹性模量和高达3,500HV的维氏硬度。如果这些TiAlN涂层通过电弧气相沉积工艺沉积，则由于铝的低熔融温度，它们具有在涂层上和涂层中形成液滴的趋势，这对涂层的性能具有不利影响。通过适当选择沉积工艺的参数，可以提高PVD涂层的硬度和弹性模量，但一般来说，这导致涂层中的大约显著高于3GPa的高残余压应力，这对切削刃的稳定性具有不利影响。在高载荷下，这种切削刃倾向于早期崩刃，从而导致刀具的快速磨损。
存在具有包括TiN和TiAlN的第一多层涂层以及TiSeN和AlCrN的第二多层涂层的PVD涂层的市售刀具。通过两次随后的沉积工艺来沉积涂层以实现高涂层厚度。在第一沉积工艺中沉积第一多层涂层之后，将涂覆的基底冷却并进行机械处理，其中改变第一涂层的残余压应力，然后在另一个沉积工艺中沉积第二多层涂层。所述涂层表现出高硬度，但同时也表现出显著高于3GPa的极高残余压应力，这对切削刃的稳定性、切削刃的均匀覆盖以及刀具性能具有不利影响。
WO 2006/041367 A1描述了由硬质金属基底和涂层组成的涂层切削刀具，所述涂层在PVD工艺中沉积并且包括至少一个厚度为1.5至5μm并且残余压应力为>4至6GPa的TiAlN涂层。据称所述TiAlN涂层与已知涂层相比更有效地粘附到所述基底。然而，极高的残余压应力对切削刃的稳定性具有不利影响。
EP 2 298 954 A1描述了用于制造涂层切削刀具的方法，其中通过PVD工艺将硬质材料涂层(例如TiAlN或TiAlCrN)施加到基底，并且其中所述基底的偏置电压在沉积工艺期间改变。据称所述方法提供了改进的耐磨性和较长的刀具使用寿命。
目的
本发明的目的是提供一种用于材料的切屑形成加工，特别是对铁材料诸如铸铁、非合金和低合金钢等进行钻孔的涂层刀具，其与现有技术相比具有改进的切削性能和改进的对摩擦化学磨损的抗性，以及涂层的高硬度、高断裂韧性、高弹性模量和良好的耐高温性。
本发明的另一个目的是提供一种在本发明的刀具上制造PVD涂层的方法，其中在通过电弧气相沉积涂覆基底时，与现有技术相比，液滴形成减少，因此实现了改进的刀具性能，并且需要较低的后处理努力来在涂覆之后将表面平滑化以达到适合于切屑形成金属加工的条件。
发明内容
该目的通过包括由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的基体(4)和通过PVD工艺沉积在所述基体上的多层磨损防护涂层的刀具来解决，其特征在于所述磨损防护涂层包括以下涂层：
a)沉积在所述基体上并具有组成TiaAl(1-a)N(其中0.4≤a≤0.6)和0.5μm至4μm的涂层厚度的第一涂层(1)，
b)沉积在所述第一涂层上并由一系列的10至80个各自交替布置在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)组成的第二涂层(2)，其中所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个具有5nm至100nm的层厚度，
其中所述第一层(2a)包含元素Ti、Al、Cr和Si的氮化物，并且
其中所述第二层(2b)具有组成TixAl(1-x)N，其中0.4≤x≤0.6，
其中所述磨损防护涂层可以在所述第二涂层(2)之上包括另一个硬质材料涂层，并且其中所述第一涂层和第二涂层由于制造方法而可以在各层中包含至多10原子％的其它金属、B、C和/或O作为杂质。
为了说明目的，本文放在括号中的附图标记涉及本发明涂层的附图1中的示例性图示。
有利的是，将多层磨损防护涂层施加到刀具基底的PVD工艺是电弧气相沉积(电弧PVD)。然而，其它PVD工艺也是适用的，由此通过电弧气相沉积而沉积的涂层相比于通过其它工艺沉积的涂层具有优势。在电弧气相沉积中，蒸发的原子被高度电离。离子提供涂层在基底上的非常好的粘附，并且在涂层生长期间引入大量的能量，导致产生具有非常好的机械性能的非常致密的涂层。电弧气相沉积工艺本身相当可靠且成熟，并且尤其对真空系统及其周边的要求相比于例如溅射工艺(例如HIPIMS工艺)显著更低。
本发明刀具的特征在于特别有利的切削性能和耐磨性，以及在切屑形成操作中的高刀具寿命，特别是在应用组ISO-P(韧性铁材料、非合金和低合金钢)的材料和应用组ISO-K(铸铁)的材料的钻孔操作中更是如此。与现有技术相比，它表现出改进的切削性能和硬度，同时具有切削刃的高稳定性和完整性。此外，它对摩擦化学磨损具有高抗性，并且表现出非常好的断裂韧性和耐高温性。本发明刀具的涂层可以通过电弧气相沉积在单个PVD工艺中进行，而不需要在涂层(特别是第一和第二涂层)的沉积之间中断工艺，例如冷却沉积的涂层并对其进行中间处理，这是制造工艺的重要经济优势。
此外，与还具有通过电弧气相沉积而沉积的含铝涂层的刀具相比，本发明的刀具在涂覆后展现出较低数量的液滴，因此为达到适合于切屑形成金属加工的条件，在涂覆后使表面平滑化的后处理努力相对较低。与现有技术相比，这是本发明的另一个显著的经济优势。然而，推荐本发明刀具的表面的后处理以去除仍然存在的液滴，特别是对于整体硬质金属麻花钻更是如此，以改善钻孔刀具的槽中的切屑去除。此外，除了表面平滑化之外，通过喷砂程序进行的后处理还可进一步将残余压应力引入涂层中，并且根据情况还可以引入基底中，由此可以实现刀具性能的进一步提高。
在本发明的一个优选实施方式中，本发明涂层的第一涂层(1)由单层组成。与第一涂层是单层还是多层无关，根据本发明，其具有在0.5至4μm、优选1至3μm、特别优选1.5至2μm范围内的层厚度。如果第一涂层过厚，则不能观察到刀具性能的提高，但涂层崩裂的可能性增加。此外，涂层制造过程的持续时间延长，这是一个经济缺点。如果第一涂层过薄，则其作为顶部沉积的第二涂层的支撑涂层的功能将受损。特别是，如果第一涂层过薄，则它不再能够充分降低来自第二涂层的残余压应力对涂层粘附力的影响。
在本发明的另一个优选实施方式中，第二涂层(2)由一系列的15至70个、优选20至60个各自交替沉积在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)组成。
在本发明的另一个优选实施方式中，第二涂层(2)的第一层和第二层(2a,2b)各自具有10nm至60nm、优选20nm至50nm的层厚度。
第二涂层(2)优选具有0.5μm至10μm、特别优选2μm至6μm的涂层厚度。如果第二涂层过厚，则不能观察到刀具性能的提高，但涂层崩裂的可能性增加，并且涂层制造过程的持续时间延长，这导致经济缺点。如果第二涂层过薄，则其将更迅速地磨损。
在本发明的另一个实施方式中，所述磨损防护涂层包括沉积在第二涂层(2)之上的第三涂层(3)。这可以是作为装饰性涂层和/或作为磨损指示涂层提供的薄硬质材料涂层，其具有0.05μm至1μm、优选0.1μm至0.5μm的厚度。特别优选地，这种第三涂层(3)具有组成TibSi(1-b)N，其中0.70≤b≤0.98。
在本发明的另一个实施方式中，第二涂层(2)的第一层(2a)包括2至20个、优选3至10个各自交替沉积在彼此之上的子层，其分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N，其中0.70≤y≤0.98和0.6≤z≤0.8，并且其中所述子层中的每个的厚度为0.5nm至15nm。
优选地，优选构成第一层(2a)的分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的子层具有在X射线衍射图中可证实的立方面心晶体结构。对于本领域技术人员显而易见的是，不可能以孤立的方式从只有几纳米薄的具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的各子层或者从也只有几纳米薄的各第一层(2a)产生X射线衍射图。因此，如果在本文中指出，具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的子层具有在X射线衍射图中可证实的立方面心晶体结构，则这是穿过整个层组合测量的，并且仅观察到立方面心晶体结构，而没有其它结构，例如六方晶体结构。
已经发现，与具有其它晶体结构的层相比，本发明刀具中具有立方面心晶体结构的第一层(2a)表现出特别高的硬度和强度，这对于刀具性能是有利的。据认为这个优点是由晶体结构内特别高的空间密度引起的。还认为该层的优点也是由立方晶格提供许多滑动平面的事实所引起，原子层在所述滑动平面上可以相对于彼此滑动而不会使晶格的一般结构受到永久扰乱，因此晶体可以在特定限度内进行塑性变形而不会被破坏。
在本发明的另一个实施方式中，刀具的切削刃具有半径在10至100μm、优选20至60μm范围内的切削刃倒圆角(rounding)。如果切削刃半径过低，则存在刃快速损坏的危险。过高的切削刃半径导致非常高的切削力，这对刀具的使用寿命和切屑形状产生不利影响。
在本发明的另一个实施方式中，本发明的磨损防护涂层具有3000至4500、优选3300至4000的维氏硬度HV。本发明涂层的高硬度在金属加工中，尤其是在钻孔中，以及在车削和铣削中具有特别的优点，因为在使用几何结构确定的切削刃的分离程序中，这些加工操作是对于切削材料在硬度、韧性、耐磨性和耐温性方面具有最高要求的加工操作。硬度过低的缺点是涂层的耐磨性降低。硬度过高的缺点是涂层的韧性降低，涂层变脆，特别是切削刃的完整性是脆弱的。
在本发明的另一个实施方式中，本发明的磨损防护涂层具有>380GPa、优选>420GPa的弹性模量(E模量)。在切屑操作中从外部施加刀具时，在涂层和基底中产生机械应力，应力量与通过弹性模量引入的弹性变形有关。如果涂层的弹性模量过低，则在使用中的刀具的机械变形期间在涂层中产生低应力，这伴随着涂层仅能够吸收一小部分的崩裂力的缺点。然而，如果弹性模量过高，则这具有如下缺点：在机械变形下，过高的力通过涂层偏转，这可能导致其早期破坏。
特别是对于钻孔、车削和铣削，高硬度和高弹性模量的组合是特别有利的。高硬度导致高耐磨性。然而，高硬度通常伴随着脆性增加。同时，高弹性模量使得材料表现出较低的脆性，并且可以更好地补偿高机械载荷。通过本发明的涂层顺序，所述刀具的整个磨损防护涂层具有这些有利的性质。
在本发明刀具的另一个优选实施方式中，磨损防护涂层具有沿着10μm的长度测量为≤1.0μm、优选≤0.5μm的平均表面粗糙度Ra。通过应用本发明的方法和本发明的涂层顺序，以及在PVD工艺中适当选择沉积参数，可以实现沉积涂层的液滴频率的显著降低，由此沉积后原样的涂层已经具有低的平均表面粗糙度Ra。因此，在涂覆之后，在随后的表面平滑化程序期间显著减少的努力就足以达到最佳加工条件。利用相应硬质和精细材料的已知喷砂方法、研磨或刷光方法适于在涂层沉积之后将刀具表面平滑化。
适用于将刀具表面平滑化的方法是例如在约2.5巴的压力下，利用由50％的直径为70-110μm的玻璃珠粒和50％的直径为40-70μm的玻璃珠粒组成的喷砂介质，用玻璃珠粒进行湿喷砂。通过检查所需的表面平滑度来确定适当的喷砂持续时间。在具有10mm直径的整体硬质金属铣削刀具的情况下，处理时间例如为约10秒。
用于将刀具表面平滑化的另一种合适的方法是拖动修整(drag finishing)。合适的磨料是例如具有细金刚石粉末作为磨料和粘合剂油的椰壳造粒材料。
此外，使用例如砂粒尺寸为280/320和液体中的喷砂磨料浓度为约18％的刚玉的湿喷砂特别适于后处理。这里，宜使用约1.5至2巴的喷砂压力，喷砂方向和角度根据刀具的类型和尺寸设定。
在本发明的另一个实施方式中，所述刀具具有硬质金属基体，其中所述硬质金属包含优选5至15原子％、特别优选7至12原子％Co，0至2原子％、特别优选0.5至1.5原子％Cr，0至3原子％、特别优选0.5至2原子％的周期表的子族4A、5A和6A的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳化物、氧氮化物和/或氧碳氮化物，余量是WC。
这些组合物的硬质金属已经证明特别可用作制造用于铁材料的铣削和钻孔的刀具的基底材料。对于这些应用，它们表现出特别有利的硬度/韧性比，因此具有良好的抗裂纹形成和裂纹扩展的性能。
Cr含量导致硬质金属烧结期间的晶粒生长受到限制。在用于上述应用、即铁材料的铣削和钻孔的刀具中，WC晶粒尺寸与切削刃尺寸相比应该是低的以在这里也可以实现韧性与硬度之间的平衡关系，而且所述刀具能够承受个别晶粒的损坏而不会使刀具立即损坏。一般来说，整体硬质金属钻头的硬质金属的WC晶粒尺寸应该小于用于可转位切削刀片的硬质金属。
有利地，本发明的刀具被设计为整体硬质金属钻头或可转位切削刀片，优选设计为可转位钻孔切削刀片。此外，如上文所讨论的，本发明的刀具在韧性铁材料，优选ISO-P材料、ISO-K材料和ISO-M材料，特别是ISO-K材料(铸造材料)的钻孔操作中具有特别的优点。
本发明还包括一种制造本发明刀具的方法，其中多层磨损防护涂层以PVD工艺，优选通过电弧气相沉积而沉积在硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体上，其中
(a)在所述基体的表面上沉积第一涂层(1)，所述第一涂层(1)具有组成TiAlN，其中0.4≤a≤0.6，并且涂层厚度为0.5μm至4μm，
(b)在所述第一涂层(1)上沉积第二涂层(2)，所述第二涂层(2)具有一系列的5至100个各自交替沉积在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)，所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个的厚度为5nm至100nm，
其中通过沉积交替布置在彼此之上的分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的子层来实现所述第一层(2a)的沉积，其中0.70≤y≤0.98且0.6≤z≤0.8，并且所述子层中的每个的厚度为0.5nm至15nm，并且
其中所述第二层(2b)具有组成TixAl(1-x)N，其中0.4≤x≤0.6。
在本发明方法的一个优选实施方式中，在第二涂层(2)之上，沉积具有组成TibSi(1-b)N(其中0.70≤b≤0.98)并且厚度为0.05μm至1μm、优选0.1μm至0.5μm的第三涂层(3)。
本发明的方法还包括：在沉积磨损防护涂层之后，所述刀具优选进行一个或多个后处理步骤，其中
a)通过刷光对所述刀具的至少主切削刃进行切削刃倒圆，和/或
b)通过磨料湿喷砂，优选通过使用刚玉粒子进行磨料湿喷砂来平滑化前刀面或槽的表面，和/或
c)通过磨料或压实干喷砂，优选通过使用刚玉粒子进行磨料干喷砂或通过使用氧化锆珠粒进行压实干喷砂来平滑化前刀面或槽的表面，和/或
d)通过拖动修整来平滑化前刀面或槽的表面，和/或
e)对所述刀具进行湿式化学清洁。
最后，本发明还包括使用本发明的刀具用于金属材料，优选ISO-P材料(韧性铁材料、非合金和低合金钢)和ISO-K材料(铸铁)以及ISO-M材料(不锈钢)的钻孔。
附图说明
图1示出了本发明涂层的示意图，其在硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体4上并且是以PVD工艺沉积在所述基体上并由以下制成的多层磨损防护涂层：第一涂层1，由一系列交替布置在彼此之上的第一层2a和第二层2b组成的第二涂层2，和在此形成为覆盖涂层的硬质材料涂层3。在图1的上图中以“A”表示的圆形表征图1的下图中放大显示的细节，其为基本上由交替布置在彼此之上并且在此分别称为“TiSiN-Sub”和“AlCrN-Sub”的TiSiN子层和AlCrN子层分别组成的第一层2a。
图2示出了实施例中描述的本发明涂层ERF2的X射线衍射图，所述X射线衍射图以Bragg-Brentano几何结构(θ-2θ)记录。所测量的反射精确对应于对纯立方晶体结构所预期的。
定义和方法
硬度和E模量的测量
通过纳米压痕测量硬度和E模量(更准确地说所谓的折减E模量(reduced E-modulus))。在该测量中，将根据Vickers的金刚石测试体压入层中，并且在测量期间记录力-路径曲线。然后从该曲线可计算出测试体的机械特性值，特别是硬度和(折减)E模量。为了确定根据本发明的层的硬度和E模量，使用德国辛德芬根的Helmut Fischer GmbH(赫尔穆特菲舍尔公司)制造的Picodentor HM500XYp。应该注意到，压痕深度不应超过层厚度的10％，否则基底的特性可能会歪曲测量结果。测量是使用15mN的试验载荷进行的。在第一步中，以线性上升的方式在20秒内施加试验载荷，然后将试验载荷维持10秒，并且在第三步中，在20秒内将试验载荷再次降至零，并且使测试体升高。
表面粗糙度的测量
使用由德国施韦宁根的HOMMEL ETAMIC GmbH(霍美尔艾达米克公司)制造的测量装置Hommel-ETAMIC TURBO WAVE V7.32(探针：TKU300-96625_TKU300/TS1；测量范围：80μm；测试路径：4.8mm；速度：0.5mm/s)在抛光测试表面上测量表面粗糙度。
实施例
实施例1
本发明刀具和比较刀具的制造
在本实施例中，向用于整体硬质金属(SHM)钻头(SUB1)以及硬质金属可转位切削刀片(SUB2)的基底提供本发明的涂层和现有技术的比较涂层。
整体硬质金属(SHM)钻头(SUB1)的规格
硬质金属可转位切削刀片(SUB2)的规格
几何结构：P6001
基底材料：包含88原子％WC、10.5原子％Co和1.5原子％混合碳化物(TiC、TaC和NbC)并具有约5μm的平均WC晶粒尺寸的硬质金属
用于硬质金属可转位切削刀片(SUB2)的固定器(holder)的规格
基底的预处理和后处理
在基底涂层之前，通过刷光对主切削刃进行切削刃倒圆至半径为20-60μm，通过使用刚玉进行湿喷砂来平滑化槽，并且对基底进行湿式化学清洁。在涂覆基底后，通过使用刚玉进行湿喷砂来平滑化槽。预处理和后处理以与根据本发明的涂层刀具以及比较刀具相同的方式进行。
本发明涂层(ERF1和ERF2)的制造
通过电弧气相沉积在不中断沉积过程的情况下以单个操作沉积整个涂层。
第一涂层：首先，将1.7μm厚的单层第一TiAlN涂层(1)从两个TiAl混合靶(Ti:Al＝50:50)沉积在基底表面(偏压：50V DC；4Pa氮气；各160A蒸发器电流；沉积温度：550℃)。
第二涂层：在第一涂层之上沉积多层第二涂层(2)，其由一系列的40个各自交替布置在彼此之上的TiAlCrSiN第一层(2a)和TiAlN第二层(2b)组成。
每个第一TiAlCrSiN层(2a)由交替沉积在彼此之上的4个TiSiN子层和4个AlCrN子层组成。所述TiSiN子层从两个TiSi混合靶(Ti:Si＝85:15)沉积，并且所述AlCrN子层从两个AlCr混合靶(Al:Cr＝70:30)沉积(偏压：60V DC；4Pa氮气；各160A蒸发器电流；沉积温度：550℃)。各子层的厚度为约5nm，因此第一TiAlCrSiN层(2a)各自具有约40nm的厚度。
第二TiAlN层(2b)由两个Ti-Al混合靶(Ti:Al＝50:50)沉积(偏压：60V DC；4Pa氮气；各160A蒸发器电流；沉积温度550℃)。第二TiAlN层(2b)各自的厚度为约40nm。
第三涂层：对于第一本发明涂层(ERF1)，从两个Ti-Si混合靶(Ti:Si＝85:15)在第二涂层之上沉积单层第三TiSiN涂层(3)作为具有0.2μm厚度的装饰性涂层(偏压：30V DC；3.5Pa氮气；各180A蒸发器电流；沉积温度480℃)。对于该涂层的沉积，沉积温度被选择为比用于先前的涂层的沉积温度略低，以稍微加速冷却过程并缩短总处理时间。
第二本发明涂层(ERF2)仅包括第一涂层(1)和第二涂层(2)，而不包括第三涂层(3)。对于第二涂层(2)上的测量，例如硬度测量或X射线结构分析，使用具有第二本发明涂层(ERF2)的涂层刀具，其仅具有第一涂层(1)和其上沉积的第二涂层(2)，而不具有第三涂层(3)。对于加工试验，单独指出使用本发明涂层中的哪一种(ERF1或ERF2)。
PVD工艺中的沉积温度对涂覆前基底的清洁度具有显著影响。温度越高，越多的来自先前操作步骤的刀具上的杂质被分别去除或简单蒸发。对于由HSS钢制成的基底，沉积温度通常是良好的清洁和避免对基底的热损伤的折衷。对于硬质金属基底，不需要进行这种折衷。
比较涂层(VGL1、VGL2和VGL3)的制造
比较涂层1(VGL1)：
为提高粘附力，首先在基底表面上沉积底漆层体系，所述体系由TiN层和TiAlN层组成。TiN层由两个Ti靶沉积(偏压：200V DC；0.8Pa氮气；各180A蒸发器电流；沉积温度：450℃)。TiN层的厚度为约100nm。TiAlN层由两个Ti-Al混合靶(Ti:Al＝50:50)和两个Ti靶沉积(偏压：40V DC；3.2Pa氮气；200A蒸发器电流(Ti靶)、210A蒸发器电流(TiAl靶)；沉积温度：450℃)。TiAlN层的厚度为约40nm。
随后，交替在彼此上沉积一系列的11个各自由TiAlN和TiN组成的层的多层涂层。TiAlN层从两个Ti-Al混合靶(Ti:Al＝50:50)和两个Ti靶沉积，并且TiN层从两个Ti靶沉积(偏压：40V DC；3.2Pa氮气；200A蒸发器电流(Ti靶)、210A蒸发器电流(TiAl靶)；沉积温度：450℃)。所述TiAlN层中的每个的厚度为约200nm，并且所述TiN层中的每个的厚度为约100nm，因此所述涂层具有约3,300nm的总厚度。
从两个Ti靶沉积具有较高Al含量的TiAlN涂层作为覆盖层(偏压：40V DC；3.2Pa氮气；210A蒸发器电流；沉积温度：450℃)。TiAlN层的厚度为约500nm。
比较涂层2(VGL2)：
为提高粘附力，首先在基底表面上沉积底漆层。该底漆层的参数为：4个AlCr混合靶(Al:Cr＝70:30)；蒸发器电流：各160A；压力：3.5Pa氮气；50V DC偏压；温度：480℃；层厚度：约100nm。
随后，沉积一系列的10个各自交替沉积在彼此上的TiSiN和AlCrN层的多层涂层。这些层中的每个由4个子层组成。第一子层由两个TiSi混合靶(Ti:Si＝85:15)在180A的蒸发器电流下，和由4个AlCr混合靶(Al:Cr＝70:30)在150A的蒸发器电流下产生。其余参数为：压力：3.5Pa氮气；30V DC偏压；温度：480℃；子层厚度：约50nm。第二子层由两个TiSi混合靶(Ti:Si＝85:15)在180A的蒸发器电流下产生。其余参数为：压力：3.5Pa氮气；偏压：30VDC；温度：480℃；子层厚度：约50nm。第三子层具有与第一层相同的结构和相同的涂层厚度。使用4个AlCr混合靶(Al:Cr＝70:30)产生第四子层。参数为：蒸发器电流：160A；压力：3.5Pa氮气；偏压：40V DC；温度：480℃；子层厚度：约200nm。
此外，在多层体系上沉积覆盖层。该覆盖层的参数为：2个TiSi混合靶(Ti:Si＝85:15)；蒸发器电流：各180A；压力：3.5Pa氮气；偏压：30V DC；温度：480℃；层厚度：约300nm。
比较涂层3(VGL3)：
比较涂层3(VGL3)是比较涂层1和2的组合。首先，根据上述方法在基底表面上沉积比较涂层1(VGL1)。随后，将涂层基底体冷却，从涂覆反应器中取出，通过湿喷砂在槽中平滑化，最后根据上述方法重新引入涂覆反应器中以沉积比较涂层2(VGL2)。
涂层的机械性能
如上所述测量本发明涂层ERF2(不含第三涂层(3))以及比较涂层VGL1和VGL2的硬度和E模量，并示于下表1中。
此外，涂层刀具的最高操作温度是根据文献指示估算的。在许多操作情况下，已知的TiAlN涂层具有最高900℃的操作温度。
表1
涂层 硬度[HV] E模量[GPa] 最高操作温度[℃]
ERF2 3600HV 460GPa 约1000℃
VGL1 3000HV 430GPa 约700℃
VGL2 3600HV 440GPa 约1000℃
实施例2
加工试验
在加工试验(钻孔)中比较了根据实施例1制造的刀具。
加工试验1
使用分别具有涂层ERF2、VGL1、VGL2和VGL3的整体硬质金属钻头(SUB1)，在强度为850N/mm2的合金钢材料42CrMo4(1.7225，根据EN10027-2)中制造深度为18mm的盲孔(vc＝120m/min；f＝0.23mm/U；在KSS 5％和20巴下内部冷却)。
加工终止于平均后面磨损Vb>0.2mm或最大后面磨损Vbmax>0.25mm，并且确定至此达到的刀具寿命行程。结果以三次试验的平均刀具寿命行程示于下表2中。
表2
基底/涂层 平均刀具寿命行程[m]
SUB1/ERF2 32
SUB1/VGL1 10
SUB1/VGL2 15
SUB1/VGL3 22
具有本发明涂层的刀具相比于具有比较涂层的刀具达到显著更高的平均刀具寿命行程。
加工试验2
使用分别具有涂层ERF2和VGL3的整体硬质金属钻头(SUB1)，在强度为600N/mm2的非合金钢材料(根据EN10020的C45E，对应于根据DIN 17200的Ck 45)中制造深度为40mm的盲孔(vc＝175m/min；f＝0.3mm/U；在KSS 5％和20巴下内部冷却)。
加工终止于平均后面磨损Vb>0.2mm或最大后面磨损Vbmax>0.25mm，并且确定至此达到的刀具寿命行程。结果以三次试验的平均刀具寿命行程示于下表3中。
表3
基底/涂层 平均刀具寿命行程[m]
SUB1/ERF2 104
SUB1/VGL3 89
具有本发明涂层的刀具相比于具有比较涂层的刀具达到显著更高的平均刀具寿命行程。根据本发明的涂层刀具的结果中的变化也低于比较刀具。
加工试验3
使用具有涂层ERF2和VGL3的可转位切削刀片(SUB2)以及上述固定器，在铸铁材料(EN-GJL-250至EN1561，对应于根据DIN 1691的GG25)中制造深度为52mm的盲孔(vc＝160m/min；f＝0.28mm/U；在KSS 5％和20巴下内部冷却)。
加工终止于平均后面磨损Vb>0.3mm或最大后面磨损Vbmax>0.4mm，并且确定至此达到的刀具寿命行程。结果以三次试验的平均刀具寿命行程示于下表4中。
表4
基底/涂层 平均刀具寿命行程[m]
SUB2/ERF2 68
SUB2/VGL3 64
具有本发明涂层的刀具相比于具有比较涂层的刀具达到显著更高的平均刀具寿命行程。
加工试验4
使用分别具有涂层ERF1、ERF2和VGL3的整体硬质金属钻头(SUB1)，在强度为600N/mm2的非合金钢材料(根据EN10020的C45E，对应于根据DIN 17200的Ck 45)中制造深度为20mm的盲孔(vc＝170m/min；f＝0.3mm/U；在KSS 5％和20巴下内部冷却)。
加工终止于平均后面磨损Vb>0.25mm或最大后面磨损Vbmax>0.3mm，并且确定至此达到的刀具寿命行程。结果示于下表5中。
表5
基底/涂层 平均刀具寿命行程[m]
SUB1/ERF2 80
SUB1/ERF1 87
SUB1/VGL1 29
具有本发明涂层的刀具相比于具有比较涂层的刀具达到显著更高的平均刀具寿命行程。根据本发明的涂层刀具的结果中的变化也低于比较刀具，特别是对于具有本发明涂层ERF1的刀具而言更是如此。

Claims (16)

1.一种刀具，其具有硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体和通过PVD工艺沉积在所述基体上的多层磨损防护涂层，其特征在于所述磨损防护涂层包括以下涂层：
a)沉积在所述基体上并具有组成TiaAl(1-a)N和0.5μm至4μm的涂层厚度的第一涂层(1)，其中0.4≤a≤0.6，
b)沉积在所述第一涂层上并由一系列的10至80个各自交替布置在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)组成的第二涂层(2)，其中所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个具有5nm至100nm的层厚度，
其中所述第一层(2a)包含元素Ti、Al、Cr和Si的氮化物，并且
其中所述第二层(2b)具有组成TixAl(1-x)N，其中0.4≤x≤0.6，
其中所述磨损防护涂层可以在所述第二涂层(2)之上包括另一个硬质材料涂层，并且其中所述第一涂层和第二涂层由于制造方法而可以在各层中包含至多10原子％的其它金属、B、C和/或O作为杂质。
2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述PVD工艺是电弧气相沉积(电弧PVD)。
3.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述第一涂层(1)由单层组成和/或具有在1至3μm、优选1.5至2μm范围内的层厚度。
4.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述第二涂层(2)由一系列的15至70个、优选20至60个各自交替布置在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)组成，和/或所述第二涂层(2)的所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个具有10nm至60nm、优选20nm至50nm的层厚度，和/或所述第二涂层(2)具有0.5μm至10μm、优选2μm至6μm的涂层厚度。
5.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述磨损防护涂层包括第三涂层(3)，所述第三涂层(3)沉积在所述第二涂层(2)之上并具有组成TibSi(1-b)N且具有0.05μm至1μm、优选0.1μm至0.5μm的厚度，其中0.70≤b≤0.98。
6.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述第二涂层(2)的所述第一层(2a)包括2至40个、优选3至10个各自交替沉积在彼此之上的子层，所述子层分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N，其中0.70≤y≤0.98和0.6≤z≤0.8，并且所述子层中的每个的厚度为0.5nm至15nm。
7.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于由分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的子层组成的所述第一层(2a)具有在X射线衍射图中可证实的立方面心晶体结构。
8.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述刀具的切削刃具有半径在10至100μm、优选20至60μm范围内的切削刃倒圆角。
9.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述磨损防护涂层具有3000至4500、优选3300至4000的维氏硬度HV，和/或>380GPa、优选>420GPa的弹性模量(E模量)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述磨损防护涂层具有沿着10μm、≤1.0μm、优选≤0.5μm的长度测量的平均表面粗糙度Ra。
11.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述刀具包括由硬质金属制成的基体，其中所述硬质金属优选含有5至15原子％、更优选7至12原子％Co，0至2原子％、更优选0.5至1.5原子％Cr，0至3原子％、更优选0.5至2原子％的周期系的子族4A、5A和6A的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧碳化物、氧氮化物和/或氧碳氮化物，余量是WC。
12.根据前述权利要求中的一项所述的刀具，其特征在于所述刀具被设计为整体硬质金属钻头或可转位切削刀片，优选设计为用于加工铁材料，优选ISO-P材料、ISO-K材料和ISO-M材料的可转位钻削刀片。
13.一种用于制造根据前述权利要求中的一项所述的刀具的方法，其中在由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制成的基体上，通过PVD工艺，优选通过电弧气相沉积来沉积多层磨损防护涂层，其中
(a)在所述基体的表面上沉积第一涂层(1)，所述第一涂层(1)具有组成TiAlN，其中0.4≤a≤0.6，并且涂层厚度为0.5μm至4μm，
(b)在所述第一涂层(1)上沉积第二涂层(2)，所述第二涂层(2)具有一系列的5至100个各自交替沉积在彼此之上的第一层(2a)和第二层(2b)，所述第一层和第二层(2a,2b)中的每个的厚度为5nm至100nm，
其中通过沉积交替布置在彼此之上的分别具有组成TiySi(1-y)N和AlzCr(1-z)N的子层来实现所述第一层(2a)的沉积，其中0.70≤y≤0.98和0.6≤z≤0.8，并且所述子层中的每个的厚度为0.5nm至15nm，并且
其中所述第二层(2b)具有组成TixAl(1-x)N，其中0.4≤x≤0.6。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在所述第二涂层(2)之上沉积第三涂层(3)，所述第三涂层(3)具有组成TibSi(1-b)N，其中0.70≤b≤0.98，并且所述第三涂层(3)的厚度为0.05μm至1μm，优选0.1μm至0.5μm。
15.根据权利要求13或14中的一项所述的方法，其特征在于，在沉积所述磨损防护涂层后，对所述刀具进行一个或多个后处理步骤，其中
(a)通过刷光对所述刀具的至少主切削刃进行切削刃倒圆，和/或
(b)通过磨料湿喷砂，优选通过使用刚玉粒子进行磨料湿喷砂来平滑化前刀面或槽的表面，和/或
(c)通过磨料或压实干喷砂，优选通过使用刚玉粒子进行磨料干喷砂或通过使用氧化锆珠粒进行压实干喷砂来平滑化前刀面或槽的表面，和/或
(d)通过拖动修整来平滑化前刀面或槽的表面，
(e)对所述刀具进行湿式化学清洁。
16.一种根据权利要求1至12中的一项所述的刀具的用途，其用于金属材料，优选铁材料，更优选ISO-P材料、ISO-K材料和ISO-M材料的钻孔。
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