CN1816643A - 多组分膜的生产稳定装置和方法以及涂有该多组分膜的工具 - Google Patents

Abstract

一种生产稳定装置和方法，其通过使用单一的坩埚(3)和聚焦的等离子体(7)，以高的材料利用效率和在良好的膜质量下生产含有熔点很大不同的金属组分，例如TiAlN的多组分膜。为此，首先供应使材料(4)蒸发所要求的电功率，然后反复供应台阶式增加的电功率从第一电功率一直至达到所要求的最大电功率。或者，进行等离子体控制，使等离子体(7)聚焦在蒸发该材料所要求的起始区域内，然后进行等离子体控制，连续并台阶式移动和膨胀等离子体从起始的等离子体区域到最大等离子体区域，使材料的未熔融部分(4b)逐渐熔融。该材料是烧结坯块或者未加工坯块(4)。

Description

多组分膜的生产稳定装置和方法以及涂有 该多组分膜的工具

技术领域

[0001]

本发明涉及生产稳定装置和生产方法，与现有技术相比，其可更容易地生产含有两种或多种金属组分的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物，例如TiAlN，和涉及涂有通过该方法形成的膜的工具。

背景技术

[0002]

PVD(物理气相沉积)方法被称为涂布产品表面的方法，使之得到耐磨性、耐氧化性、耐腐蚀性和其它一些功能。

离子电镀方法(其用作PVD方法之一并结合真空沉积方法的一部分和溅射工艺)是一种表面处理方法，用于形成金属化合物如金属碳化物、金属氮化物和金属氧化物或其化合物的涂层。该方法作为特别地涂布滑动组件和切割工具表面的方法是重要的。

[0003]

常规地，含两种或多种金属组分的氮化物，例如TiAlN膜仅仅通过电弧方法或者溅射方法生产。

然而，这些方法需要昂贵的合金靶充当气化材料且需要制备根据目标膜组合物而定的组合物靶。此外，由于电磁场和靶的保持方法导致该方法几乎未利用全部的原材料。另外，电弧方法必然牵涉沉积未反应的金属液滴且不可能形成具有满意质量的膜。溅射方法可形成极其平坦的膜，但通常具有小的成膜速度。

[0004]

相反，熔融气化类型的离子电镀方法(下文称为熔融方法)的优点是，大多数荷电原材料气化且材料的使用效率高。当使用材料单位成本高的金属或者几乎不可成形的金属作为原材料时，这是尤其有利的。然而，常规的熔融方法难以均匀气化具有显著不同熔点的两类或更多类金属材料。

[0005]

例如，当在采用常规方法，在同一坩埚内熔融具有极大不同熔点的两类或更多类金属元素，例如Ti和Al时，具有低熔点的Al先熔融并气化，随后是Ti。结果，所得膜具有受到熔点差别影响的组成，具体地在基础金属侧上含有高比例的低熔点金属，且朝向表面层逐渐含有高比例的高熔点金属。

因此，采用常规方法形成的含有两类或更多类金属元素的膜具有完全取决于其熔点的组成分布，因此难以控制在膜的厚度方向上的组成分布。几乎不可能控制在基础金属侧上的膜，以便含有较高比例的高熔点金属，和在表面侧上的膜，以便含有较高比例的低熔点的金属。

[0006]

特别地，当由合金制造的熔融材料用作起始材料时，要求优等质量未熔融的部分形成厚膜，该材料必需具有大的面积。然而，熔融部分覆盖未熔融部分，和要求复杂的控制装置除去熔融部分。

图3示出了这一情况。图3表明使用由合金制造的常规熔融材料形成TiAlN膜的状态。熔融材料的合金104被成型为具有宽的面积并置于水冷110类型的坩埚103内。通过聚焦的等离子体107电离合金蒸汽。合金中的熔融部分104a大部分覆盖未熔融部分104b。

[0007]

为了解决这一问题，例如采用了在离子电镀装置中安装多个气化源的方法，参见JP-U-06-33956(图1)。

然而，为了提供多个气化源，离子电镀装置需要额外的电源。另外，通过熔融方法成膜的速度取决于气化源离待气相沉积的制品的距离或者气化源与待气相沉积的制品之间的位置关系，但对于具有多个气化源的装置来说，难以均匀化多个气化源和待气相沉积的制品之间的位置关系。由于这一原因，几乎不可能获得具有一致组成的膜。

发明公开

本发明要解决的技术问题

[0008]

因此，希望形成优等质量的多组分的膜，其含有熔点非常不同的金属组分，例如TiAlN，例如，其中不同金属的每一组分以所需的速度分布在整个膜厚上。还优选通过使用原料合金，以高的材料使用效率形成膜，其中所述原料合金不要求与目标膜组成严格匹配，但几乎接近于膜组成的金属组分，和其中所有部分可被有效利用。

本发明的目的是提供形成这种多组分膜的生产稳定装置和方法，和涂有通过使用该生产方法形成的膜的工具。

解决该技术问题的方法

[0009]

本发明的多组分膜的生产稳定装置和方法在单一坩埚或炉膛中熔融并蒸发含至少两类金属、合金或金属间化合物的气化材料，并利用通过电场或磁场聚焦的等离子体，形成多组分膜。此刻，一部分材料首先熔融并蒸发，然后按序熔融并蒸发该材料的未熔融部分。

[0010]

优选通过供应蒸发所需的第一电功率，然后在预定的时间间隔处，从第一电功率起反复供应台阶式增加的电功率，一直到供应所需的最大电功率，或者通过使等离子体聚焦到材料蒸发所需的第一等离子区域内，然后以连续的方式按序移动和膨胀等离子体从第一等离子体区域一直到最大等离子体区域，从而进行按序熔融和蒸发未熔融部分。

[0011]

上述流程使得熔融部分在涂布处理过程中膨胀(expand)以补充低熔点的金属。

结果可优等质量地形成膜，其中通过控制起始原材料的组成和未熔融部分的熔融速度，具有很大不同的金属熔点的各金属组分，例如TiAlN在整个膜厚上形成所需的组成分布。气化的原材料不需要与目的膜的组成严格匹配，且可以是具有接近于目的膜组成的金属组成的合金。

[0012]

原材料优选烧结的坯块或者未加工的坯块。

在使用烧结的坯块或者未加工的坯块的情况下，熔融部分可与未熔融部分相分离。因此可以有效地使用几乎全部原材料且未熔融部分按序熔融和蒸发，和材料的利用效率高。

[0013]

根据本发明的涂布工具具有切割工具基础材料，例如高速工具钢、板模钢、超硬合金(cemented carbide)或金属陶瓷，和通过本发明的上述方法，在基础材料上形成含有多种金属元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜。

因此，可获得具有所需组成分布的优异膜的涂布工具。

实施本发明的模式

[0014]

参考实施方案，详细地描述本发明。首先将描述本发明的改进。

发明人尝试使用50g TiAl合金作为熔融原材料，在获得通用TiN涂层的条件下形成TiAlN膜。在这一尝试中，TiAl合金在开始熔融之后，在数分钟内完全熔化。如此获得的膜具有其中在基础材料侧上Al丰富和朝向表面侧Ti逐渐丰富的组成。这是因为Al具有比Ti低的熔点，和先从熔融材料中气化。与TiN膜相比，如此获得的涂布膜具有低的硬度和较差的粘合性。

[0015]

甚至当TiAl合金的重量增加，使该材料部分熔融时，具有低熔点的Al先气化和这得到类似的结果。

因此，发明人考虑供应Al，所述Al通过蒸发而被耗尽，并进行实验将Al额外引入到熔融材料内。然而，难以平衡熔融和蒸发以及Al的供应，且得不到满意的结果。

[0016]

根据常规的技术，常见的做法是控制熔融原材料所使用的电功率到接近首先(但当开始熔化时例外)测定为最佳时的恒定的电功率下。

发明人推断，若在熔融过程中，电功率以台阶方式在预定的时间间隔处增加，则未熔融的部分最先开始熔融并补充包含在未熔融部分内的低熔点金属到膜上。他们反复多次实验，且可证明这一推论的正确性。

[0017]

此外，根据常规技术，同样在通过控制电场或者磁场以供等离子体聚焦，使未熔融部分熔融的过程中，常见的做法是控制使原材料熔融所使用的等离子体区域到开始(但当开始熔化时例外)测定为最佳时的接近恒定的等离子体区域上。

发明人推断，通过控制等离子体，以便等离子体区域从第一区域连续移动并膨胀一直到达最大等离子体区域，随后移动等离子体并膨胀，从而获得类似的效果。他们反复多次实验，且可证明这一推论的正确性。

[0018]

本发明基于发明人如上所述的认识。

根据本发明的实施方案的生产稳定装置利用含至少两类金属或金属间化合物的烧结的坯块或者未加工的坯块作为气化原材料，使该原材料熔融并蒸发，形成多组分膜。如图1所示，生产稳定装置具有真空腔室1容纳待涂布的组件或者工件2，和安装在该腔室内接收烧结的坯块或者未加工的坯块4的单个坩埚或炉膛3。该装置进一步配有含HCD枪(中空阴极枪)5的电源供应装置6和等离子体控制装置9，所述电源供应装置6将电功率供应到坩埚上，通过所生成的热量和等离子体7，引起电弧放电，使原材料蒸发和电离，所述等离子体控制装置9包括当蒸发原材料时，控制磁场使等离子体聚焦的电磁线圈8。

[0019]

本发明实施方案的生产装置可具有与根据熔融和蒸发类型的离子电镀方法的常规装置相同的结构，所不同的是电源供应装置6和等离子体控制装置9，并省去在同一组件上的进一步的说明。

电功率供应装置6是待供应的电功率逐渐增加和原材料中未熔融部分按序熔融的电功率按序增加的装置。

这一实施方案中的电功率供应装置6，当进行按序增加电功率时，首先供应蒸发原材料所需的3000W的电功率。然后，该装置供应比在预定的1分钟的时间间隔之前立即供应的电功率增加500W的电功率。因此，反复供应增加500W的电功率一直到所需的最大电功率8000W，并使未熔融部分按序熔融。

[0020]

等离子体控制装置9类似地具有改变磁场控制的结构，以便当蒸发原材料时，使等离子体聚焦。

在该实施方案中，当进行可变的等离子体控制时，等离子体控制装置9首先在蒸发原材料所需的第一等离子体区域内，例如在接近未加工坯块4中心的周围，直径约10mm的区域内聚焦等离子体。之后，该装置控制等离子体，以便从紧跟前面的等离子体区域中按序移动它并膨胀。等离子体如此连续并按序移动并膨胀，一直到几乎覆盖整个未加工坯块的直径40mm的最大等离子体区域，且使未熔融部分按序熔融。

[0021]

以下将描述具有根据本发明方法形成的膜的工具的实例。

[实施例1]

采用2GPa的力，通过模制30g金属组分接近于目标膜组成的Ti和Al的混合粉末成直径40mm管状，从而制备气化原材料。将未加工的坯块引入到坩埚(或炉膛)内，加热工件并清洗，然后，在氩气和氮气的混合物氛围内，在约1Pa的压力下，使未加工的坯块熔融并蒸发。此刻，使用HCD枪，所述HCD枪被设定成在未加工的坯块的正面上将等离子束的直径聚焦成约10mm，和等离子体的输出值每分钟增加500W，一直到8000W。

[0022]此时，进行等离子体控制，以便从未加工坯块的接近中心处的10mm直径的区域连续并按序移动和膨胀等离子束的直径，以便最后几乎覆盖直径约40mm的整个未加工的坯块，按序熔化未熔融的部分。

在具有事先作为底漆涂布的TiCN涂层的高速钢钻头和烧结的碳化物端铣上，由如此获得的原材料的蒸汽形成TiAlN膜。

[0023]

表1示出了具有所得高速钢钻头的切割试验的结果(项目名称：钻头寿命)。进行试验使用高速钢钻头切割直到断裂寿命。

(高速钢钻头的切割条件)

工具：φ6高速钢钻头

切割方法：钻孔，每一实施例使用5片

工作材料：S50C(硬度210HB)

切割速度：40m/min，进刀：0.1mm/rev

切割长度：20m(通孔)，

润滑剂：干燥类(无)

[0024]

[表1]

	膜厚*μm	膜硬度HV0.05	钻头寿命(孔)	端铣侧面磨损VB(mm)	氧化厚度μm
							TiCN+TiAlN(未加工坯块熔融法)	表面层1.3底漆1.6	3400	987	0.04	0.4	本发明
TiCN(熔融法)	2.1	2800	416	17m终止	全部氧化	对比例
							TiCN+TiAlN(电弧法)	表面层2.5底漆0.2	3800	489	0.06	0.6	对比例
TiCN+TiAlN(合金熔融法)	表面层0.9底漆1.7	3300	852	0.05	0.4	对比例

*膜厚是采用carotest方法(磨损印记法)在同时安装的高速钢试样(SKH51，Ra≤0.2μm)上测量的数值。

[0025]

根据表1显而易见的是，具有本发明硬质膜的高速钢钻头显示出非常长的寿命，与常规实施例相比，几乎为2倍。这是因为熔融方法几乎不形成液滴且赋予小的表面粗糙度。

根据本发明，含有熔点很大不同的金属组分，例如TiAlN的多组分膜具有这样满足要求的膜质量，结果显示出各种不同金属在整个膜厚上所需的分布。此外，关于原材料的气化，由于它不需要与目的膜组成严格匹配，可使用具有接近于目标膜组成的金属化合物的原始合金材料，和可有效地利用几乎该材料的所有部分，结果材料的利用效率高。

[0026]

未加工的坯块4具有圆柱形，且置于水10冷类型的钢3内。使真空起始内的坩埚3上方的氛围处于等离子体状态下，和控制等离子体7聚焦在原材料上。当形成等离子体时，通过所生成的热，未加工的坯块4的中心部分熔融并蒸发，并使蒸汽电离。

当烧结的坯块或者未加工的坯块用作起始原材料时，通过加热使原材料体积明显增加，并在烧结坯块或者未加工坯块内部形成空的间隙。与合金材料相比，具有空间隙的烧结坯块或者未加工坯块具有较高的热绝缘效果，且在熔融之后使体积下降。这使得可容易分离熔融部分和未熔融部分。

[0027]

[实施例2]

在实施例1的条件下涂布烧结碳化物刀片(inserts)(A30)，并在大气下，加热和保持在900℃下1小时。在表1中同时给出了测量刀片的表面氧化物层的厚度的结果(项目名称：氧化厚度)。要理解，由于与电弧法(常规实施例)相比，该膜具有较少的膜缺陷，例如液滴，因此氧化进程缓慢，和氧化层的厚度小(改进耐氧化性)。

[0028]

[实施例3]

在实施例1的条件下，用TiAlN膜涂布事先用TiCN膜涂布的烧结碳化物端铣。在切割60m的长度之后，测量在烧结碳化物端铣的侧面内的磨损宽度，和表1一起给出了结果(项目名称：端铣侧面磨损)。

以下示出了切割条件。

(烧结碳化物端铣的切割条件)

工具：具有两个切割边缘的φ10烧结碳化物方形端铣

切割方法：向下侧切

工作材料：SKD61(硬度53HRC)

切割深度：10mm轴向和0.2mm径向

切割速度：314m/min，进刀：0.07mm/边缘

切割长度：60m，润滑剂：无(空气流动)

烧结碳化物端铣显示出比通过电弧法形成的TiAlN膜同样或者略微较好的耐磨性。由于该膜具有相同的含量，因此认为通过降低液滴改进耐氧化性有助于这一结果。

[0029]

以上参考实施方案描述了本发明，但本发明不仅仅限于这一具体的形式，和可各种各样地改变所述的形式，或者本发明可采用在所附权利要求范围内的其它的形式。

例如，尽管该实施方案通过形成等离子体，使原材料一起熔融、蒸发和电离，但可通过使用能改变加热区域的加热装置，独立地进行原材料的熔融和蒸发及其电离。此外，尽管在该实施方案中使用磁场聚焦控制等离子体，但毋庸置疑可使用电场。

此外，在实施例1中，在形成涂布膜中使用了电功率控制和等离子体控制这二者，但可使用仅仅一种控制。

附图简述

[0030]

[图l]显示根据本发明实施方案的多组分膜的生产稳定装置的全部结构的示意图。

[图2]说明在图1的装置内未加工坯块的原材料的熔融状态的截面示意图。

[图3]说明坩埚的截面示意图，其用于说明在使用大面积的原材料合金的情况下的熔融态。

Claims (8)

1.通过采用电场或者磁场聚焦的等离子体(7)在单一的坩埚或炉膛(3)内熔融并蒸发含至少两类金属、合金或金属间化合物的气化原材料(4)来形成多组分膜的生产稳定装置，该装置具有电功率供应装置(6)熔融并蒸发该原材料，和等离子体控制装置(9)控制电场或磁场，其特征在于：

熔融并蒸发一部分的原材料(4)，然后按序熔融并蒸发原材料中未熔融部分(4b)的设备。

2.权利要求1的生产稳定装置，其中所述设备包括按序增加电功率的供应装置(6)，它供应使原材料(3)蒸发所需的第一电功率，然后在预定的时间间隔处反复供应逐渐增加的电功率，从第一电功率一直到所需的最大电功率，使未熔融部分(4b)按序熔融。

3.权利要求1的生产稳定装置，其中所述设备包括等离子体控制装置(9)，它进行等离子体控制，使等离子体(7)聚焦到原材料(4)蒸发所需的第一等离子区域内，并进行等离子体控制，连续并按序移动和膨胀等离子体从第一等离子体区域一直到最大等离子体区域，使未熔融部分(4b)按序熔融。

4.通过采用电场或者磁场聚焦的等离子体(7)，在单一的坩埚或炉膛(3)内熔融并蒸发含至少两类金属或金属间化合物的气化原材料(4)，形成多组分膜的生产稳定方法，其特征在于：

熔融并蒸发一部分的原材料(4)，然后按序熔融并蒸发原材料中未熔融部分(4b)。

5.权利要求4的生产稳定方法，其中按序熔融并蒸发原材料(4)中未熔融部分包括，供应使原材料蒸发所需的第一电功率，然后在预定的时间间隔处反复供应逐渐增加的电功率，从第一电功率一直到所需的最大电功率，使未熔融部分(4b)按序熔融。

6.权利要求4的生产稳定方法，其中按序熔融并蒸发原材料(4)中未熔融部分包括，在第一等离子体区域内聚焦蒸发原材料所需的等离子体(7)，然后连续并按序移动和膨胀等离子体从第一等离子体区域一直到最大等离子体区域，使未熔融部分(4b)按序熔融。

7.权利要求4-6任何一项的生产稳定方法，进一步包括使用烧结的坯块或者未加工的坯块(4)作为原材料。

8.一种涂布工具，它包括切割工具基础材料，例如高速钢、板模钢、烧结碳化物和金属陶瓷，和含有多种金属元素且在基础材料上通过权利要求4的方法形成的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜。

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