专利名称：：有涂层的切削工具及其制造方法有涂层的切削工具及其制造方法
背景技术：
：本发明涉及有涂层的切削工具。更具体来说，本发明涉及带有四元合金Ti-Si-C-N抗磨涂层的有涂层的切削工具，该涂层使用物理气相沉积与导入反应性气体相结合的方法作为将Si连续掺入涂层的方法，沉积在切削工具上。现代的高生产率金属切片机需要具有髙抗磨性、良好韧性和对塑性变形的优良抗性的可靠的工具。到目前为止，这是通过在工具基材的表面施加适合的涂层来实现的。因此，工具可以以相当高的切削速度和进料速度使用。涂层优选坚硬、耐磨，并在高温下稳定。工具基材一般为夹在工具夹具中的刀片的形状，但是也可以采用整体钻头或铣刀的形式。切削工具一般针对具体的应用领域，根据对工具的特定要求、例如对模具磨损的高度抗性、对侧面磨损的高度抗性等进行最适化。但是，通过改进一种或几种性质而不损失其它性质来扩展应用领域，是非常理想的。物理气相沉积(PVD)是一种已知的用于稳定化合物的薄膜生长的技术。在金属切削工业中，包含例如TiN、Ti(C,N)和(Ti，Al)N层的PVD涂层属于最常见的。金属从靶中的蒸发，通过在含有氮或碳的反应性气体中的电弧或离子轰击来实现。在很多情况下，靶具有与最终的层相同的金属组成。Ma等(ThinSolidFilms496(2006),第438-444页)和(Surface&CoatingsTechnology200(2005),第382-386页)公开了使用等离子体增强的化学气相沉积从TiCVSiCVH2/N2/CH2/Ar混合物将Ti-Si-C-N涂层沉积在高速钢基材上，其中特别评估了沉积的涂层的硬度性能。Jeon等(SurfaceandCoatingsTechnology188-189(2004)，第415-419页)公开了通过弧离子镀(AIP)和DC磁控溅射技术相结合的混合系统，在Ar/N2/CH4气体混合物中使用Ti和Si靶，在WC-Co基材上沉积的Ti-Si-C-N涂层。H.Xu等(Surface&CoatingsTechnology201,2006，第4236-4241页)公开了在等离子体增强的磁控溅射工艺中使用三甲基硅垸在不锈钢基材上沉积了厚的Ti-Si-C-N涂层。进行了销盘试验以评估铝和相应的氧化铝的摩擦性质。发明目的和概述本发明的目的是提供用于切片机、具有改进的抗磨性、带有PVD涂层的切削工具。本发明提供了用于金属机械加工的切削工具，它包含烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料构成的切削工具基材，以及抗磨涂层，其中抗磨涂层含有PVDTi-Si-C-N层。本发明的另一个目的是提供生产带有PVD涂层的切削工具的方法，该切削工具用于切片机，具有改进的抗磨性。本发明的另一方面，提供了制造用于金属机械加工的切削工具的方法，其中方法包括通过使用一种或多种Ti靶，并在反应性气体环境中加入三甲基硅垸迸行弧蒸发，在烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料构成的切削工具基材上沉积PVDTi-Si-C-N层。附图简述5图1显示了本发明的示例性的带涂层切削工具的扫描电子显微镜照片，其中A)Ti-Si-C-N涂层B)切削工具基材图2示意性地显示了本发明的弧蒸发设备的示例性的靶构造，其中A)钛靶B)基材夹具C)真空系统，气体入口优选实施方案详述根据本发明，提供了用于金属机械加工，例如车削、铣削和钻孔的切削工具，它包含烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料，例如立方氮化硼或钻石，优选为烧结碳化物构成的基材，以及含有PVDTi-Si-C-N层的坚硬抗磨的耐髙温涂层。优选情况下，PVDTi-Si-C-N层的厚度在用于金属切削工具的PVD功能层的常见厚度的范围内，即适宜地为1到10pm，优选为2到7最优选为2到5pm。涂层还可以包含其它的层，例如基材与PVDTi-Si-C-N层之间的薄的粘合层，例如TiN，或最外部的用于磨损检测或着色目的的层，但是，沉积的涂层的总厚度将不超过11优选不超过8pm，以避免剥落。在一个实施方案中，涂层包含由例如TiN构成的薄的、优选0.2到1pm厚的起始层，以及优选2到5pm厚的单一的Ti-Si-C-N功能层，可能还含有由例如TiN构成的薄的、优选0.2到1pm厚的最外部的着色或磨损检测层。Ti-Si-C-N涂层的组成，当以Si相对于Ti的量、即Si/(Si+Ti)原子比计时，适宜地为0.03至U0.25，优选为0.045到0.22。已发现，较低的比率导致侧面磨损抗性的损失，而较高的比率导致层太脆，引起模具磨损抗性的损失。就C相对于N的组成、即C/(C+N)原子比来说，适宜地为0..05到0.25，优选为0.1到0.2。已经发现，当低于这些值时，获得的硬度降低，导致不能接受的侧面磨损抗性。另一方面，太高的C含量，导致残余的压縮应力水平过高，切削性能低劣。此外，优选情况下，Ti-Si-C-N层的残余应力，当在(220)-方向测量时，适宜地为-3.0GPa(压縮应力)到最髙+0.5GPa(拉伸应力)。所述的Ti-Si-C-N涂层的硬度可以在20到40GPa的范围内。但是，已经发现，不可能通过研究涂层的硬度预测在金属机械加工中的性能。结果显示，涂层硬度的增加不会自然导致抗磨性的增加。在本发明的一个实施方案中，所述PVDTi-Si-C-N层具有0.05到0.15的Si/(Si+Ti)原子比，残余应力为-2,0GPa(压縮应力)到最高+0.5GPa(拉伸应力)。令人吃惊地发现，这样的切削工具既具有对模具磨损的高度抗性，又具有对侧面磨损的高度抗性。本发明的示例性金属切削工具是夹在工具夹具中的铣削、车削、钻孔或套丝刀片，但是也可以采取整体钻头、铣刀或螺纹丝锥的形式。根据本发明，提供了制造用于金属机械加工的切削工具的方法，包括通过在沉积过程中将PVD弧蒸发技术与加入三甲基硅烷气体相结合，在烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料，例如立方氮化硼或钻石，优选为烧结碳化物构成的基材上沉积坚硬抗磨的耐髙温PVDTi-Si-C-N层，同时能够连续地控制硅成分的掺入，并能够连续地控制所述Ti-Si-C-N涂层的残余应力。7优选情况下，沉积的PVDTi-Si-C-N层的厚度在用于金属切削工具的PVD功能层的常见厚度的范围内，即适宜地为1到10pm，优选为2至!]7nm，最优选为2到5pm。在弧蒸发工艺方法中，为了沉积Ti-Si-C-N层，使用了一个或多个Ti耙，并同时以质量流量控制器控制下的恒定流速加入三甲基硅烷气体(CH3)3SiH。作为一个重要特征，本方法允许连续地控制沉积的涂层的原料组成，特别是Si的浓度，并同时利用了上述弧蒸发工艺方法的益处。优选情况下，加入的三甲基硅烷气体是沉积工艺中唯一的Si源。适合情况下，沉积工艺在基材温度为400到600。C之间时进行。沉积前的基本压力应该低于50^Pa，适合的Ar溅射气体流量在0到500sccm的范围内。反应性气体例如N2和三甲基硅垸通过共同的入口或通过独立的入口通入。适合的N2流量在500到1000sccm的范围内。通过改变三甲基硅垸的气体流量，有可能控制得到的涂层中Si和C含量方面的组成。基材通过电势差与沉积室壁相连，该电势被称为基材偏压。适合的基材偏压在-50到-150V的范围内。通过改变基材偏压，可以控制得到的涂层的残余应力；基材偏压增加，残余压缩应力增加。实施例1样品1-4(本发明)将ISO类型CNMG120408的用于车削的烧结碳化物刀片进行清洁，并按照下面的步骤进行PVD涂层工艺，该刀片含有10wt-%Co、0.39wt-%Cr，其余为WC，硬度为1600HV3。将刀片装入反应性弧蒸发类型的PVD设备仓室中，该仓室含有四种金属蒸发源，排列成两对。将刀片进一步进行三重旋转，以便对它们进行均匀涂层。蒸发源都具有Ti靶。将仓室抽空，然后进行加热和等离子体蚀刻步骤，以便进一步清洁工具，并通过从刀片表面除去过量的粘合剂相来调制它们的表面。通过金属蒸发，同时维持涂层机中氮的分压，在450'C温度下沉积了一薄层TiN粘附层。接下来，通过在混合的氩气、氮气和三甲基硅烷环境中对四个Ti靶进行弧蒸发，沉积了抗磨的Ti-Si-C-N层。在工艺方法中引入氩气是为了避免Ti靶的中毒。已发现，大约100-400sccm的氩气流量是有利的，尽管工艺方法在氩气流量为0时也能令人满意地工作。对基材偏压水平进行选择，以获得具有低的压缩应力的致密涂层。抗磨层的沉积温度是450'C。详细情况在表l中给出。表1、样品1-4(本发明)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>不同涂层的分析结果显示在表2中。Si/(Si+Ti)和C/(C+N)比率通过电子探针微量分析(EPMA)进行测定。平均化学组成使用装备有波长色散光谱仪的JEOLJXA-8900R，通过EPMA进行测定，加速电压为10kV，探针电流为10nA。Ti、Si和C的含量通过分析获得，而N的含量通过测量到的Ti、Si和C含量的总和与100°/。之间的差来估算。测量在刀片的后角一侧(clearanceside)距离切削边缘2mm以内进行。X-射线衍射技术，更具体来说sin方法(I.C.Noyan，J.B.Cohen,ResidualStressMeasurementbyDiffractionandInterpretation,《通过存亍身寸测量残余应力及数据分析》，Springer-Verlag,NewYork,1987(第117-130页))，被用于测定抗磨层中的残余应力。CSEM纳米硬度测试仪被用于测定涂层的硬度。通过使用50mN的负载，对于所有涂层来说，来自基材的贡献被当作是非常小或没有。在两种不同的车削应用中测量了模具和侧面磨损抗性。在第一种测试中评估了模具磨损抗性。在该测试中，加工材料是滚珠轴承钢。切削速度是160m/min。进料速度是0.3mm/rev，切削深度为2.0mm。寿命被定义为在切削中直到切口区域变成大得足以达到切削刃所需的分钟数。在第二种测试中评估了侧面磨损抗性。在这种情况下，球墨铸铁被用作加工材料。切削速度是200m/min。进料速度是0.1mm/rev，切削深度为2.0mm。切削时间是2min。然后，检查刀片的侧面，并确定切削刃被磨损的比例。表2、样品1-4(本发明)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从表2可以清楚看出，有可能对工具的模具磨损或侧面磨损抗性进行最适化。样品5-10(本发明)将与样品1_4具有同样组成和ISO类型的刀片进行清洁，并按照样品l-4中的描述进行PVD涂层工艺。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>含有交替的TiN和AlQ.5TiQ.5N层的PVD片层。每个单独的TiN或Alo.5Tio.sN层的厚度是0.1-20nm。通过SEM-EDS测量的多个层的平均组成是AlQ.I5TiQ.85N。样品12，是代表了当前工艺技术水平的市售可得的产品，特别适用于坚硬的加工材料，例如HRSA和镍铬铁合金(Inconel)，它涂有3.9pm的PVD涂层，其组成通过SEM-EDS测量为AlQ.67TiQ.33N。对样品11和12进行了与样品1-4相同的两种机械加工测试，结果显示在表5中。表5、样品11和12的结果(现有技术)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>样品11和12分别代表了被专门开发用于需要髙的模具磨损抗性和高的侧面磨损抗性的应用的切削工具刀片，这也被上面的结果证实了。将这些结果与表4样品5-10的本发明的实施方案的结果进行比较，清楚地显示了显著的效果，其中对模具磨损的髙抗性和对侧面磨损的高抗性，二者结合在单一的切削工具中。权利要求1.一种用于金属机械加工的切削工具，含有烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料构成的切削工具基材，以及抗磨涂层，其特征为抗磨涂层含有PVDTi-Si-C-N层。2.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述PVDTi-Si-C-N层具有0.03到0.25的Si/(Si+Ti)原子比。3.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述PVDTi-Si-C-N层具有的残余应力为-3.0GPa的压缩应力，到最高+0.5GPa的拉伸应力。4.权利要求l的切削工具，其特征为所述PVDTi-Si-C-N层具有0.05到0.15的Si/(Si+Ti)原子比，和残余应力为-2.0GPa的压縮应力，到最高+0.5GPa的拉伸应力。5.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述PVDTi-Si-C-N层具有0.05到0.25的C/(C+N)原子比。6.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述切削工具基材是烧结碳化物的切削工具基材。7.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述工具是切削工具刀片。8.前述权利要求任何一项的切削工具，其特征为所述工具是整体钻头、铣刀或螺纹丝锥。9.用于金属机械加工的切削工具的制造方法，其特征为包括通过使用一种或多种Ti靶，并在反应性气体环境中加入三甲基硅烷进行弧蒸发，在烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料构成的切削工具基材上沉积PVDTi-Si-C-N层。全文摘要本发明涉及具有改进的磨损性质的用于金属机械加工的切削工具，它包含烧结碳化物、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料构成的切削工具基材，以及抗磨涂层，其中抗磨涂层含有PVDTi-Si-C-N层，还提供了制造该切削工具的方法。方法包括将夹在基材夹具(B)中的待涂层工具装在PVD仓室中，使用一种或多种Ti靶(A)进行弧蒸发。将三甲基硅烷气体加入到仓室的反应性气体环境中。文档编号C04B41/87GK101688314SQ200880012684公开日2010年3月31日申请日期2008年4月18日优先权日2007年4月18日发明者安德烈亚斯·赫丁,马茨·阿尔格伦申请人:山特维克知识产权股份有限公司