CN110945156A - 涂层切削工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂层切削工具和一种制造涂层切削工具的方法，所述涂层切削工具由基材和单层或多层硬质材料涂层组成，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，并且所述硬质涂层包含至少一个AlaCrbMecOdNe层，其中a、b、c、d和e是原子比，并且其中a+b+c+d+e＝1，a、b、d和e各自>0，c＝0或c＞0，a≥b，c/(a+b+c)≤0.1，优选≤0.05，0.1≤d/(d+e)≤0.5，其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素，并且其中所述AlaCrbMecOdNe层通过电弧气相沉积工艺(电弧‑PVD)使用含Al和Cr的靶来沉积，所述靶中Al:Cr的原子比在95:5至50:50的范围内，并且其中‑反应气体混合物含有O2气体和N2气体，其中任选地，一部分或全部的所述O2气体和一部分的所述N2气体被含氮和氧的气体代替，所述含氮和氧的气体选自一氧化二氮N2O、一氧化氮NO、二氧化氮NO2和四氧化二氮N2O4，‑所述反应气体混合物任选地含有一种或多种惰性气体，‑总气体压力在7Pa至20Pa的范围内，‑O2分压为0.001Pa至0.1Pa，‑0.002≤(流速(O2)/流速(N2)≤0.02，‑(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)≥4。

Description

涂层切削工具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种包含至少一个AlCrMeON层的涂层切削工具和一种制造所述切削工具的电弧-PVD方法，所述切削工具表现出改善的表面粗糙度性质，同时表现出改善的硬度和杨氏模量性质。
用于例如金属机械加工的切削工具通常由其上沉积有硬金属物质、氧化层等的耐磨层或多层涂层的硬质合金(硬金属)、金属陶瓷、钢或高速钢的基体(基材)组成。这些涂层是使用CVD(化学气相沉积)工艺和/或PVD(物理气相沉积)工艺施加的。
关于PVD工艺，在包括磁控溅射、电弧气相沉积(电弧-PVD)、离子电镀、电子束气相沉积和激光烧蚀的各种变体之间存在区别。PVD工艺中的靶可以包含纯金属或两种或更多种金属的组合。如果靶包含多种金属，则所有这些金属同时引入在PVD工艺中构建的涂层中。金属在所构建的层中相对于彼此的数量比不仅取决于靶中金属的数量比，而且还取决于PVD工艺中的条件，因为在给定条件下，与其它金属相比，个别金属可以以更高的量从靶中除去和/或以更高的量沉积在基材上。
为了产生期望的金属化合物，将反应性气体供给到PVD工艺的反应室中，所述反应性气体例如为用于产生氮化物的氮气，用于产生氧化物的氧气，用于产生碳化物、碳氮化物、碳氧化物等的含碳化合物，或产生相应的混合化合物的这些气体的混合物。
进行阴极真空电弧蒸发(电弧-PVD)，在室和靶之间开始靶材料的电弧熔化和蒸发。在所述工艺中，大部分蒸发的材料被离子化，并且由于在基材处建立了具有负电位(偏置电位)的电场，所以被离子化的材料朝向基材加速并且沉积在基材表面上。阴极真空电弧蒸发(电弧-PVD)的特征通常在于高沉积速率、由于蒸发材料的高度电离而导致的致密层结构以及良好的工艺稳定性。然而，电弧-PVD的一个主要缺点是，由小金属飞溅物的发射引起的宏观粒子(液滴)的工艺依赖性沉积(process-dependent deposition)，避免这种沉积是极其复杂的。所述液滴导致沉积层上不期望的高表面粗糙度。
在现有技术中已经描述了在电弧-PVD工艺中AlCrON层的沉积的不同变体。已经显示，可以沉积具有不同O和N含量的AlCrON层，而显然，通常Al和Cr的氧化物(Al2O3和Cr2O3)的沉积在能量上优于Al和Cr的氮化物(AlN和CrN)的形成。换句话说，在广泛的温度范围内，Al和Cr的氮化物相的形成焓(ΔHB)比Al和Cr的氧化物相的形成焓(ΔHB)低。通常已经显示，当AlCrON层的N含量高于O含量时，AlCrON层表现出良好的硬度和主导性的立方相。然而，通常不能证明具有包含这种AlCrON层的涂层的涂层工具在金属切削操作中特别有利。在特定条件下，包含较高氧含量的AlCrON涂层显示出较好的耐磨性(参见Khatibi A.等，材料学报(Acta Materialia)60(2012)6494～6507)。
JP 2009279690涉及一种制造涂层切削工具的方法，其中涂层由AlaCrbOcNd组成，其中a＞b，(a+b)＜(c+d)并且其中16≤a≤29，3≤b≤17.5，57≤c≤67，0.5≤d≤7，a+b+c+d＝100，并且其中在涂布过程期间，氧气流速(FRO)与氮气流速(FRN)之比为0.02≤FRO/FRN≤0.2，并且其中总气体压力在3Pa至15Pa的范围内。由此获得的涂层具有相对低的N含量。
此外，通过磁控溅射沉积AlO、AlCrO和AlCrON层在现有技术中是已知的(例如Diechle等，表面涂层技术(Surf.Coat.Technol.),206(2011),1545～1551和Diechle等，表面涂层技术,204(2010),3258～3264)。然而，即使在这些方法中获得非常平滑的层，但是通常为了获得良好的结晶度，需要高温和/或偏压。
发明目的
本发明的一个目的是通过电弧气相沉积(电弧-PVD)为金属切削工具提供AlCrON或AlCrMeON硬质涂层，所述涂层表现出减少的液滴形成、降低的表面粗糙度、制造期间稳定的工艺条件，并且同时表现出高硬度和高杨氏模量E。
发明内容
根据本发明，所述目的通过一种制造由基材和单层或多层硬质材料涂层组成的涂层切削工具的方法来实现，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，并且所述硬质涂层包含至少一层AlaCrbMecOdNe，其中a、b、c、d和e是原子比，并且其中
a+b+c+d+e＝1，
a、b、d和e各自>0，
c＝0或c＞0，
a≥b，
c/(a+b+c)≤0.1，优选≤0.05，
0.1≤d/(d+e)≤0.5，
其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素，并且
其中所述AlaCrbMecOdNe层通过电弧气相沉积工艺(电弧-PVD)使用含Al和Cr的靶来沉积，所述靶中Al:Cr的原子比在95:5至50:50的范围内，并且其中
-反应气体混合物含有O2气体和N2气体，其中任选地，一部分或全部的O2气体和一部分的N2气体被含氮和氧的气体代替，所述含氮和氧的气体选自一氧化二氮N2O、一氧化氮NO、二氧化氮NO2和四氧化二氮N2O4，
-所述反应气体混合物任选地含有一种或多种惰性气体，
-总气体压力在7Pa至20Pa的范围内，
-O2分压为0.001Pa至0.1Pa，
-0.002≤(流速(O2)/流速(N2)≤0.02，
-(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)≥4。
在下文中，本发明的涂层AlaCrbMecOdNe也被称为“AlCrON或AlCrMeON”，没有指示指数a至e。对于c＝0，所述层是AlCrON层，而在AlCrMeON的层中，c＞0，其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素。在本发明的AlCrMeON层中，Me含量相对于Al+Cr+Me的总含量≤10原子％，优选≤5原子％，即c/(a+b+c)≤0.1，优选≤0.05。尽管缩写“Me”通常用于金属，但在本发明的意义上，旨在其可以包括通常称为半金属的元素Si。
如果c＞0，即本发明的涂层AlaCrbMecOdNe含有一定量的Me，则在本发明的方法中优选的是，含有Al和Cr的靶另外含有一种或多种代表Me的元素，其含量使得Me以对应于“c”的原子比沉积。然而，Me也可以通过一个或多个由Me组成或含有Me但不含Al和/或Cr的单独的靶提供。
在本发明方法的一个优选的实施方式中，所述反应气体混合物仅由O2气体和N2气体组成。在本发明方法的另一实施方式中，所述反应气体混合物由O2气体和N2气体以及一种或多种惰性气体，优选一种惰性气体组成，所述惰性气体最优选为Ar。在本发明方法的又一个实施方式中，一部分或甚至全部的O2气体和一部分N2气体被含氮和氧的气体代替，所述含氮和氧的气体选自一氧化二氮N2O、一氧化氮NO、二氧化氮NO2和四氧化二氮N2O4，优选所述含氮和氧的气体为一氧化二氮N2O。
本发明的方法由氧气流速(本文中称为“流速(O2)”)和氮气流速(本文中称为“流速(N2)”)来定义。氧气流速和氮气流速＝在0℃的标准温度和1.01巴＝101000Pa的标准压力下每分钟的标准立方厘米，以“sccm”给出。在本发明的意义上，“流速(O2)”和“流速(N2)”指示的值考虑了反应气体混合物中由O2气体和N2气体提供的氧和氮的摩尔量。然而，如果一部分或甚至全部的O2气体和一部分的N2气体被如上定义的含氮和氧的气体如N2O代替，则必须重新计算本文中指示的“流速(O2)”和“流速(N2)”的值以考虑代替O2和N2气体的含氮和氧的气体的量。例如，50sccm的O2流速在反应气体混合物中提供了与100sccm的N2O气体相同摩尔量的氧。同时，100sccm N2O代替100sccm N2气体。因此，本文中指示的“流速(O2)”＝50sccm和“流速(N2)”＝4000sccm将对应于100sccm N2O和3900sccm N2的流速。
如果在本发明的方法中存在惰性气体，则惰性气体的量与N2加O2的量相比将是低的。因此，(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)的比率≥4。例如，如果流速(N2)为约4000sccm，并且流速(O2)为约50sccm，则流速(惰性气体)不应超过约1012.5sccm的最大值。在特定的反应气体总压力下，如果惰性气体的量太高，则这可能以反应气体混合物中的氮为代价。并且，如果氮量变低，则沉积的AlCrMeON层的粗糙度将不期望地增加。另一方面，如果增加氮流以补偿惰性气体流，则总气体压力可能变得太高，超过20Pa，这又可能导致在不预期或不期望放电的位置处的电弧放电。
已经显示，通过使用本发明的方法，机械性能，即维氏硬度以及杨氏模量E，相对于通过溅射技术或应用不同参数和工艺条件的其它电弧-PVD方法制备的可比涂层得到了改善。
与用于沉积AlCrON或AlCrMeON涂层的现有技术方法相比，本发明的方法在反应气体混合物中使用了相对大量的氮和相对少量的氧。令人惊奇地发现，与使用Ar/O2反应气体气氛的方法相比，或与具有较低氮量的Ar/O2/N2反应气体气氛相比，长期工艺稳定性得到改善。特别地，对于在所述方法中使用的靶，在靶上观察到较少的毒化区域，这指示与现有技术方法相比本发明方法中靶的腐蚀更平坦和均匀。所述方法的一个重大优点在于，在所述方法终止后，所使用的靶不需要进行调节，即靶保持导电。
已经发现，根据本发明方法沉积的AlCrON或AlCrMeON层由单立方相组成，这在本文中通过XRD测量证实。特别地，通过根据本发明的方法获得的层的XRD显示出与根据ICDD数据库的JCPD 10-425号的Al2O3的立方γ相类似的峰图案，尤其是与γAl2O3的(222)和(400)峰类似的峰。由此，由于Cr和N被引入晶格结构中，本发明的层的峰位置与γAl2O3的峰相比在XRD中可偏移一定度数的2θ。不受理论的约束，发明人认为本发明的层由亚稳的混晶单相组成。本发明的层的XRD显示在约43～46度2θ范围内的强峰和在约36～39度2θ范围内的峰，它们似乎分别对应于立方γAl2O3的(400)和(222)峰。
根据本发明方法制造的本发明涂层的性能优于现有技术并且是令人惊奇的。根据本发明方法的含有高含量(分压)氮和极低含量(分压)氧(甚至显著低于JP 2009279690中的含量)的反应气体混合物的组成，将预期涂层主要具有氮化特性。然而，令人惊奇地，制造的AlCrON或AlCrMeON层表现出显著的氧化特性，因为它们显示出低的导电性和光学透明度。本发明的层的光学透明度通常是可见的，并且透明层由于相对低的厚度而表现出干涉色，并且因此表现出特定的乳光。
同时，本发明的层表现出对氮化涂层更为预期的机械性能，诸如高维氏硬度HV0.015≥3000，或甚至HV0.015≥3200，和增加的折减杨氏模量(reduced Young’smodulus)E≥400GPa，或甚至E≥420GPa。尽管本发明的方法在反应气体混合物中使用非常高的氮含量和非常低的氧含量，但强的氮化机械性能是令人惊奇的。一方面，根据观察到的显著氧化性质，另一方面，根据高氮含量，将预期涂层由氧化物相和氮化物相的混合相组成，即，这些相的典型机械性能将彼此补偿以达到相对较低的维氏硬度和低杨氏模量的中间水平。然而，在XRD中令人惊讶地发现，本发明的涂层是单相层，并且它们令人惊讶地仅表现出氧化涂层和氮化涂层的有益性能的组合，即高维氏硬度和高杨氏模量，并同时表现出低导电性。不受理论的约束，发明人假定本发明的涂层的单相是亚稳相。
氧化特性，即低导电性，是切削工具的涂层的有益性能，因为低导电性伴随着低导热性，其屏蔽并保护切削工具的基材免受切削操作期间产生的高热量影响。较高的热屏蔽，即较低的导热性，使得能够将切削工具用于更苛刻的机械加工操作，诸如应用更高的切削速度和更大的切削深度、更硬的工件材料的机械加工等。
为了说明本发明涂层的优异性能，纯AlCr氮化物表现出约3300至3500的高维氏硬度HV0.015和约400至450GPa的高杨氏模量，还表现出良好的导电性，即高导热性，并且没有光学透明度。另一方面，纯AlCr氧化物表现出约2700的低维氏硬度HV0.015和约330GPa的低杨氏模量，还表现出低导电性，即低导热性，以及高光学透明度。
在如本发明所用的方法中，O2分压可以通过使用λ探针来测量，而直接测量N2分压是不可能的。然而，如果仅引入O2和N2，则N2分压可通过测量总压力获得，然后N2分压是总压力与O2分压之差。在本发明的方法中，观察到在沉积工艺的早期阶段，O2和N2分压可以在恒定的O2和N2流速下变化，这归因于以下已知的现象：在该工艺的早期阶段，在反应器内的设备部件的可氧化表面处发生氧化过程，从而导致与N2相比更快的O2消耗。因此，当反应器中的部件的氧化过程进行并且反应器中可氧化部件的未氧化表面积减小时，O2分压以及总压力增加，直到O2和N2的分压在特定时间后变得稳定，即当部件的氧化达到晚期阶段时，其中反应器中没有留下显著量的可氧化部件。观察到在所述工艺开始后约10分钟，O2和N2分压在恒定流速下达到基本稳定阶段。
在本文中，要提及的是本发明中的O2分压的表述是指在所述工艺的稳定阶段的O2分压。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，期望将总压力保持在期望的恒定值，优选为约10Pa，并且期望将O2流速保持在期望的恒定值。因此，在所述实施方式中，在沉积工艺的早期阶段期间调节(降低)N2流速，以便保持期望的总压力基本恒定，而O2分压在恒定的O2流速下增加。在所述实施方式中，高N2分压确保获得优选的AlCrMeNO层，同时调节O2流速比调节O2分压费力更少。在这些条件下，具有恒定O2流速和恒定金属蒸发速率，金属氧化物的生长条件在整个工艺时间内几乎是恒定的。虽然在所述工艺中没有提供足够的氧来构建纯金属氧化物，但是氮覆盖了沉积层的晶格中剩余的“氧”位置。在沉积层生长期间主要消耗氧的原因是基于金属氮化物和金属氧化物的不同形成焓。
O2分压通过远离靶定位的λ氧传感器来测量。远离靶的位置基本上是指距靶一定距离的位置，优选距垂直于靶表面至少10cm的距离的位置，更优选在反应室的相对于靶的相对侧进行测量。
反应器中的气体总压力通过
Figure BDA0002378096970000081
-Direct(气体非依赖型)压力/真空电容压力计，MKS仪器测量。
在本发明的方法中，进入反应器的氧流的气体入口远离所使用的靶并且远离基材。优选地，氧流的气体入口在反应器中的以下位置处或其附近，所述位置位于不用作本发明方法中的“活性”靶的其它靶在反应器中可位于的位置。
本发明的AlCrON或AlCrMeON层的厚度可在0.005μm至20μm的范围内，然而，优选的厚度为0.05μm至1.5μm。太小的厚度难以制造，并且将不能实现层的有益性能的效果。如果所述层的厚度太大，尤其是大于20μm，则所述层的压缩残余应力将变得太高，从而导致所述层碎裂和剥落以及粘附性受损。
在本发明的一个实施方式中，将AlaCrbMecOdNe直接沉积到基材表面上，并且在本发明的另一实施方式中，在基材表面和AlaCrbMecOdNe层之间沉积至少一个选自Ti、Al、Cr、Si、V、Nb、Ta、W、Zr和Hf的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或硼化物的基层。已经显示，在基材和AlaCrbMecOdNe层之间的这样的至少一个附加基层增加了整个涂层对基材的粘附性。优选的基层选自TiAlN、AlCrN、TiC、TiCN和TiB2。
在本发明的一个实施方式中，所述AlaCrbMecOdNe是涂层切削工具的涂层的最外层，并且在本发明的另一实施方式中，在所述AlaCrbMecOdNe层之上沉积至少一个另外的耐磨和/或装饰层，所述另外的耐磨和/或装饰层是选自Ti、Al、Cr、Si、V、Nb、Ta、W、Zr和Hf的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或硼化物的层。优选的层选自TiAlN、AlCrN、CrN、TiC、TiN、TiCN和TiB2。
在本发明的一个实施方式中，涂层切削工具的涂层包含两个或更多个如本文所定义的并且通过本发明的沉积方法沉积的AlaCrbMecOdNe层。所述两个或更多个的AlaCrbMecOdNe层可以直接沉积在彼此之上。然而，在一个优选的实施方式中，所述两个或更多个的AlaCrbMecOdNe层中的每一个通过至少一个隔离层与所述两个或更多个AlaCrbMecOdNe层中的下一个分离，所述隔离层是选自Ti、Al、Cr、Si、V、Nb、Ta、W、Zr和Hf的一种或多种元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或硼化物层。在以下实施例中示出了根据本发明的一种优选层序列，其使用本发明的AlaCrbMecOdNe层与TiAlN层的组合。
在本发明方法的一个实施方式中，除了O2和N2之外，所述反应气体混合物还包含惰性气体或惰性气体的混合物，优选Ar。如果使用惰性气体，则分别调节量或流速，使得剩余足够的反应性气体以实现本发明方法的有益性能。
在本发明方法的一个实施方式中，在电弧-PVD靶中Al:Cr原子比在90:10至50:50的范围内，优选在80:20至60:40的范围内。靶中合适的Al:Cr原子比为约70:30。已经显示，在电弧-PVD靶中的这些Al:Cr原子比导致了主导性的具有高硬度和高杨氏模量的立方相以及AlaCrbMecOdNe层的氧化行为。如果Al含量太高，则不期望的液滴的数量和尺寸将增加。另一方面，如果Cr含量太高，即Al:Cr比太低，则存在形成刚玉结构的其它α相的趋势，从而导致硬度和杨氏模量降低。
在本发明方法的一个实施方式中，总气体压力≥8Pa，优选≥10Pa，和/或总气体压力≤15Pa。已经令人惊讶地发现，这种伴随高N2分压的特别高的总气体压力确保靶表面上电弧的改善的熄灭和重新点燃。此外，假定高总压力，即高N2分压，导致靶表面附近的O2分压特别低，这反过来似乎有助于改善工艺稳定性、使靶中毒更少以及使液滴形成更少。
在本发明方法的一个实施方式中，(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)≥5，优选≥8，或者反应气体混合物不含惰性气体。
在本发明方法的一个实施方式中，总蒸发器电流(以安培计)与O2流速(以sccm计)的比率在15:1至6:1的范围内，优选在14:1至10:1的范围内，或者为约12:1。在本申请的上下文中，术语“总蒸发器电流”是指在所使用的所有靶处的所有蒸发器电流的总和。
已经显示，使用高的总蒸发器电流与氧流速之比时，可以获得氮含量高于氧含量的AlaCrbMecOdNe层，并且这些涂层表现出格外高的维氏硬度以及格外高的杨氏模量，同时保持了有益的氧化性质，即低导电性和光学透明度。
在本发明方法的一个实施方式中，偏压在20至100V的范围内。如果偏压太高，则沉积层的压缩残余应力可能变得太高，导致层碎裂和剥落的危险增加。如果偏压太低，则沉积层的硬度将急剧降低。
在本发明方法的一个实施方式中，O2分压在0.01至0.1Pa的范围内，优选在0.01至0.02Pa的范围内。如果O2分压太高，则在靶表面处发生太多的氧化，导致导电性损失并且形成材料的导电部和非导电部的两相(非导电性α-Al2O3和导电性Cr氧化物)。这转而导致较高程度的液滴形成，并因此导致沉积层的粗糙度增加。本发明的方法产生平滑的层。如果O2分压太低，则沉积层将不再表现出期望的氧化性质，而仅表现出氮化性质，如上所述的。
本发明还涉及一种由基材和单层或多层硬质材料涂层组成的涂层切削工具，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，其中所述硬质材料涂层包含至少一层AlaCrbMecOdNe，其中a、b、c、d和e是原子比，并且其中
a+b+c+d+e＝1，
a、b、d和e各自>0，
c＝0或c＞0，
a≥b，
c/(a+b+c)≤0.1
0.1≤d/(d+e)≤0.5
其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素，并且所述AlaCrbMecOdNe层还具有以下特性：
-维氏硬度HV0.015≥3000
-折减杨氏模量E≥400GPa。
已经显示，在根据本发明的涂层切削工具中，尽管AlaCrbMecOdNe层中的N含量高，但与其中氮化物含量比氧化物含量低的其它层相比，所述层仍然表现出透明性、低导电性，同时表现出更高的硬度、特别是更高的杨氏模量E。优选地，对于本发明的AlaCrbMecOdNe层，维氏硬度HV0.015≥3200和/或折减杨氏模量E≥420GPa。本发明的AlaCrbMecOdNe层的沉积优选通过本发明的电弧-PVD进行，如本文所述的。
在本发明的一个实施方式中，在AlaCrbMecOdNe层中，0.05≤b/(a+b+c)≤0.5，即所述层中的Cr含量相对于Al+Cr+Me的总含量为至少5原子％且不大于50原子％。如果Cr含量太低，则观察到液滴量增加，从而导致不期望的层粗糙度。认为液滴形成量的增加是由于在沉积工艺中必须使用高Al含量和低Cr含量的Al:Cr靶以获得低Cr含量的层。然而，如果靶中Cr含量与Al含量相比太低，则所述靶将迅速丧失导电性和工艺稳定性，并且将产生液滴。另一方面，如果层中的Cr含量太高，则观察到形成Cr氧化物的其它相，并且伴随着维氏硬度和杨氏模量的降低。
在本发明的另一实施方式中，在所述AlaCrbMecOdNe层中，2/3≤(a+b+c)/(d+e)≤1，即0.5≤(d+e)≤0.6且0.4≤(a+b+c)≤0.5，因为a+b+c+d+e＝1，这促进了本发明层的有益性能的形成，假定这是形成亚稳立方混合单相的结果。
在本发明的另一实施方式中，AlaCrbMecOdNe层在4.8mm长度上测量的平均表面粗糙度Ra≤0.5μm，优选≤0.1μm。表面粗糙度如下测量：用制造商德国JENOPTIK工业计量公司(JENOPTIK Industrial Metrology Germany GmbH)(以前称为Hommel-Etamic公司)的粗糙度测量装置P800型测量系统，使用TURBO WAVE V7.32评价软件，根据ISO11562测定波度，使用TKU300传感装置和KE590GD测试尖，利用4.8mm的扫描长度，并以0.5mm/s的速度测量。
本发明的涂层切削工具的基材可以选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)和高速钢(HSS)。在一个优选的实施方式中，所述基材是优选具有6至14重量％Co，任选的至多10重量％的一种或多种来自元素周期表的第4、5和6族的金属的碳化物或碳氮化物和余量WC的组成的硬质合金。所述来自元素周期表的第4、5和6族的金属合适地选自Ti、Ta、Nb、V、Zr、Cr、W和Mo。
硬质合金体中WC的平均粒度d合适地在0.2至5μm的范围内，优选在0.5至2μm的范围内。硬质合金基材中的WC粒度d在本文中由测量的磁矫顽力的值确定，并且WC的测量的矫顽力和粒度之间的关系描述在例如Roebuck等，测量良好实践20号，国家物理实验室(Measurement Good Practice No.20,National Physical Laboratory)，ISSN1368～6550，1999年11月，2009年2月修订，3.4.3节，第19～20页中。对于矫顽力测量，参照标准DINIEC 60404-7。出于本申请的目的，WC的粒度d根据上述文献第20页中的式(8)确定：
K＝(c1+d1WCo)+(c2+d2WCo)/d，即
d＝(c2+d2WCo)/(K-(c1+d1WCo))，其中
d＝硬质合金体的WC粒度，
K＝硬质合金体的矫顽力，kA/m，
WCo＝硬质合金体中的Co的重量％，
c1＝1.44，c2＝12.47，d1＝0.04，并且d2＝-0.37。
本发明还涉及一种如本文所述的并且在根据本发明的方法中获得的涂层切削工具。已经发现，本发明的方法为涂层提供了改善的产品性能，包括高硬度和杨氏模量，并且已经证明，根据本发明的方法制造的涂层切削工具在金属机械加工中表现出优异的切削性能。
通过参考以下实施例和附图描述本发明的其它优点、特征和实施方式。
附图说明
图1至9显示根据以下实施例制造并研究的层类型的XRD衍射图。
材料和方法
为了表征本文所述的实施例和比较例的沉积层，使用以下方法。
XRD(X射线衍射)
XRD测量在GE传感检查技术公司(GE Sensing and Inspection Technologies)的XRD3003 PTS衍射仪上使用CuKα-辐射进行。X射线管在40kV和40mA下以点聚焦运行。在初级侧(primary side)使用平行光束光学器件，所述平行光束光学器件使用具有固定尺寸的测量孔径的多毛细管准直透镜，由此以避免X射线束溢出样品的涂布面的方式来限定样品的照射区域。在次级侧(secondary side)使用具有0.4°发散度的Soller狭缝和25μm厚的NiKβ滤光器。在15°至80°2θ的范围内以0.03°的步长进行测量。采用1°入射角下的掠入射X射线衍射技术来研究各层的晶体结构。
维氏硬度：
维氏硬度通过纳米压痕(负荷-深度图)使用德国辛德芬根的赫尔穆特菲舍尔公司(Helmut Fischer GmbH,Sindelfingen,Germany)的Picodentor HM500测量。为了测量和计算，应用Oliver和Pharr评价算法，其中将根据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。所用的最大负荷为15mN，负荷增加和负荷减小的时间各自为20秒，并且保持时间(蠕变时间)为10秒。根据所述曲线计算硬度。
折减杨氏模量
通过如对于测定维氏硬度所述的纳米压痕(负荷-深度图)来测定折减杨氏模量(弹性模量)。
厚度：
厚度通过半球帽研磨(calotte grinding)测定。由此使用直径为30mm的钢球用于研磨圆顶形凹陷，并且进一步测量环直径，并且由此计算层厚度。
EDX(能量色散X射线光谱)
在得自卡尔蔡司公司(Carl Zeiss)的扫描电子显微镜Supra 40VP上，在15kV加速电压下，用英国牛津仪器公司(Oxford Instruments,UK)的INCA x-act型EDX光谱仪进行层内原子含量测定的EDX测量。
PVD涂布
对于PVD涂布，如在本文的实施例中所述，使用Hauzer HTC1000(荷兰豪泽技术涂层公司(IHI Hauzer Techno Coatings B.V.))，在沉积期间应用圆弧技术(CARC+)使用恒定磁场形态。
表面粗糙度
平均表面粗糙度Ra如下测量：用制造商德国JENOPTIK工业计量公司(以前称为Hommel-Etamic公司)的粗糙度测量装置P800型测量系统，使用TURBO WAVE V7.32评价软件，根据ISO 11562测定波度，使用TKU300传感装置和KE590GD测试尖，利用4.8mm的扫描长度，并以0.5mm/s的速度测量。
实施例
实施例1-根据本发明的AlCrON涂层和比较涂层的沉积
在以下制备根据本发明的切削工具和比较例的切削工具的实施例中，将硬质合金切削工具基材体(组成：12重量％Co，1.6重量％(Ta,Nb)C，余量为WC；WC粒度：1.5μm几何形状：ADMT160608R-F56)在如上所述的PVD系统中涂布。
在沉积之前，将装置抽空至8×10-5毫巴，并在550℃下预处理基材。
对于AlCrON层的沉积，在每种情况下使用4个靶，每个靶的Al:Cr原子比为70:30，直径为100mm，并且在反应器中彼此上下安置。在下表1中给出用于沉积不同层的其它参数。由此，所指示的O2分压和所指示的N2流速是沉积工艺开始后10分钟的值。在5008类型的层的沉积中，使用Ar代替N2来获得期望的总压力。
表1
Figure BDA0002378096970000161
在沉积期间，在所述工艺期间达到所指示的O2分压的同时，O2流速保持恒定。通过分别调节N2或Ar的流速，总压力在10Pa保持恒定。在这些实施例中，使用N2或Ar，但不使用混合物。
表2显示如上所述测量的沉积层的厚度、维氏硬度、折减杨氏模量和原子含量。
表2
Figure BDA0002378096970000171
对所有层类型进行XRD测量，并示于图1至9中。衍射图显示，根据本发明的各AlCrON层仅表现出一个单立方相。
测量根据本发明的AlCrON层(层类型7005)的表面粗糙度。在4.8mm长度上测量的平均表面粗糙度Ra为0.03μm。
实施例2-多层涂层切削工具的切削试验
为了评价根据本发明的AlCrON层在切削性能方面与常规涂层相比的效果，制造多层涂层切削工具并在铣削试验中进行测试。硬质合金基材与上面实施例1中所用的相同。在每种情况下，多层涂层结构由总共七层组成，其中四层是常规TiAlN层，在根据本发明的工具中与本发明的AlCrON层交替，或者在比较工具中与Al2O3层交替。在两个序列中彼此对应的层的厚度是相同的。
TiAlN层各自在电弧-PVD工艺中在10Pa的总压力下沉积。所述层中Al/(Al+Ti)比为0.61，氮为50原子％。调节沉积条件以获得期望的层厚度。
在如上所述的用于5006类型的层的沉积条件下沉积根据本发明的工具的层序列中的AlCrON层，由此调节沉积时间以获得期望的层厚度。
通过双磁控溅射在20kW、总气体压力0.45Pa、Ar流速500sccm、O2流速约125sccm、偏压125V下，以40kHz脉冲及10μs休止时间和22A偏流以及迟滞现象后480V阴极电压(在工作点处)，来制备比较工具中的Al2O3层。
层结构如下：
Figure BDA0002378096970000181
在下列条件下在Heller FH120-2机上进行切削试验。
切削条件：
齿进给量fz[mm/齿]：0.2
进给vf[mm/分钟]：120
切削速度vc[m/分钟]：235
切削深度ap[mm]：3
工件材料：42CrMo4；
拉伸强度Rm：950N/mm2
下表3显示切削试验的结果，其中VB是工具侧刀面的最小磨损，VBmax是最大磨损，即在工具侧刀面上观察到的最深月牙洼，并且VR是切削刃半径处的磨损。
表3
Figure BDA0002378096970000191
特别是在较长的切削长度上，与包含Al2O3层而不是本发明的AlCrON层的类似层序列相比，涂布有包含根据本发明的AlCrON层的层序列的切削工具在侧刀面和切削刃半径处都显示出显著的磨损降低。

Claims (14)

1.一种制造涂层切削工具的方法，所述涂层切削工具由基材和单层或多层硬质材料涂层组成，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，并且所述硬质涂层包含至少一个AlaCrbMecOdNe层，其中a、b、c、d和e是原子比，并且其中
a+b+c+d+e＝1，
a、b、d和e各自>0，
c＝0或c＞0，
a≥b，
c/(a+b+c)≤0.1，优选≤0.05，
0.1≤d/(d+e)≤0.5，
其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素，并且
其中所述AlaCrbMecOdNe层通过电弧气相沉积工艺(电弧-PVD)使用含Al和Cr的靶来沉积，所述靶中Al:Cr的原子比在95:5至50:50的范围内，并且其中
-反应气体混合物含有O2气体和N2气体，其中任选地，一部分或全部的所述O2气体和一部分的所述N2气体被含氮和氧的气体代替，所述含氮和氧的气体选自一氧化二氮N2O、一氧化氮NO、二氧化氮NO2和四氧化二氮N2O4，
-所述反应气体混合物任选地含有一种或多种惰性气体，
-总气体压力在7Pa至20Pa的范围内，
-O2分压为0.001Pa至0.1Pa，
-0.002≤(流速(O2)/流速(N2)≤0.02，
-(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)≥4。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶中Al:Cr原子比在90:10至50:50的范围内，优选在80:20至60:40的范围内。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，其中所述总气体压力≥8Pa，优选≥10Pa，和/或所述总气体压力≤15Pa。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中(流速(O2)+流速(N2))/流速(惰性气体)≥5，优选≥8，或者所述反应气体混合物不含惰性气体。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中总蒸发器电流(以安培[A]计)与O2流速(以sccm计)的比率在15:1至6:1的范围内，优选在14:1至10:1的范围内。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中偏压在20至100V的范围内。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述O2分压在0.01至0.1Pa的范围内，优选在0.01至0.02Pa的范围内。
8.一种涂层切削工具，所述涂层切削工具由基材和单层或多层硬质材料涂层组成，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，其中所述硬质材料涂层包含至少一个AlaCrbMecOdNe层，其中a、b、c、d和e是原子比，并且其中
i)a+b+c+d+e＝1，
ii)a、b、d和e各自>0，
iii)c＝0或c＞0，
iv)a≥b，
v)c/(a+b+c)≤0.1
vi)0.1≤d/(d+e)≤0.5
其中Me是选自Ti、Zr、Ta、Nb、Hf、Si和V的至少一种元素，并且所述AlaCrbMecOdNe层还具有以下特性：
-维氏硬度HV0.015≥3000
-折减杨氏模量E≥400GPa。
9.根据权利要求8所述的涂层切削工具，其中：
0.05≤b/(a+b+c)≤0.5。
10.根据权利要求8和9中的任一项所述的涂层切削工具，其中
2/3≤(a+b+c)/(d+e)≤1。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述AlaCrbMecOdNe层的维氏硬度HV0.015≥3200。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述AlaCrbMecOdNe层的折减杨氏模量E≥420GPa。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的涂层切削工具，其中所述AlaCrbMecOdNe层在4.8mm长度上测量的平均表面粗糙度Ra≤0.5μm，优选≤0.1μm。
14.根据权利要求8至13中的任一项所述的涂层切削工具，所述涂层切削工具在根据权利要求1至7中的任一项所述的方法中获得。
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