专利名称：具有涂层的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有基体以及施加到其上的单层或多层涂层的切削工具。
背景技术：
切削工具包含如下的基体，所述基体由例如硬质金属或碳化物金属、金属陶瓷、钢 或高速钢制成。通常，在基体上施加单层或多层涂层，以增加使用期限，或者也为了改进切 削性质。该单层或多层涂层包括例如硬质金属材料层、氧化物层等。涂层的施加使用CVD 工艺方法(化学气相沉积)和/或PVD工艺方法(物理气相沉积)进行。涂层内的多个层 可以仅通过CVD工艺方法、仅通过PVD工艺方法，或通过这些工艺方法的组合来施加。CVD 工艺方法提供基本上稳定相的所需化合物，而PVD工艺方法也可施加亚稳定相的化合物。
对于PVD工艺方法来说，分为各种不同变体例如磁控溅射、电弧气相沉积 (Arc-PVD)、离子镀、电子束蒸发和激光烧蚀之间存在差别。磁控溅射和电弧气相沉积是最 经常用于对工具进行涂层的PVD工艺方法。这些PVD工艺方法的变体中，又存在不同的修 改或变化，例如脉冲或非脉冲磁控溅射，或脉冲或非脉冲电弧气相沉积等。
DE 10 2004 044 240 Al公开了具有层结构的切削工具，所述层结构具有至少一 个单相的、亚稳定的、至少三元氧化物的层，其中氧化物层除了氧之外，还包含至少其它两 种选自周期表系统的IV、V或VI副族的元素、铝以及硅的化学元素，其中一种元素形成了主 要成分，至少另一种元素形成了至少一种次要成分。 DE 199 37 284 Al描述了金属基材上的导电性多层结构，该结构包括第一层 含有金属材料、特别是铬，其表面通过自然形成的氧化物钝化，还含有通过PVD工艺方法 施加的、包括金或金合金材料的另一个层。该第二层能够至少部分中和第一层自然形成 的氧化物薄膜的电绝缘效应。以这种方式涂覆的结构被用作例如电子部件的屏蔽式安装 (screened mounting)的载体部分。 DE 196 51 592 Al描述了带涂层的切削工具，它具有多层涂层，包含至少一个氧 化铝层和硬质金属材料层。硬质金属材料层是例如通过PVD工艺施加的TiAIN层。直接施 加在其上的氧化铝层也通过PVD工艺沉积。 DE 199 42 303 Al描述了通过CVD工艺生产的具有多相氧化铝层的切削镶齿钻 头。通过CVD工艺产生的层含有氧化铝、二氧化锆，以及第三种细的分散相，该分散相含有 钛的氧化物、碳氧化物、氧氮化物或氧碳氮化物。 DE 197 37 470 Al描述了具有含有至少一个多相层的涂层的切削体。通过CVD工 艺产生的涂层包含例如锆碳氮化物层(立方ZrCN)和单斜晶和/或四方晶系形式的ZrO" 晶体ZrCN基质用作硬质涂层，而掺入其中的Zr02用作干润滑剂。 DE 196 41 468 Al公开了具有多层涂层的复合材料体例如切削工具，涂层含有薄 的氧化铝层和/或二氧化锆层。 在特别是使用PVD工艺方法对切削工具施加涂层的过程中，只能施加相对薄的涂 层，因为沉积的层通常具有绝缘性质。随着层厚度的增加，来自等离子体的离子的沉积过程
4变得不稳定，这本身在例如被涂层体的角落和边缘处表现得特别严重，并对层的硬度具有 不利的影响。因此，为了即使在涉及较大的层厚度时也能生产具有性能良好的坚硬涂层的 切削工具，从而希望沉积过程能够在长时间的时间周期、也就是说甚至在涉及较大的层厚 度时保持稳定
发明内容
目的 本发明的目的是提供比现有技术有所改进的切削工具。 本发明的目的通过具有基体和施加在其上的单层或多层涂层的切削工具而达到， 该切削工具的特征在于涂层包含至少两相或多相层，所述层含有至少两个不同的金属氧化 物相，其中至少一个两相或多相层是导电的。 正如前文中已经陈述的，向切削工具施加单层或多层涂层作为耐磨涂层，很久以 来就已知道。相反，创新之处是使用至少一个导电的、并且含有两个不同的金属氧化物相的 两相或多相层来生产这样的涂层。本发明的这种新的涂层，在改进和/或调节切削工具的 耐磨性、使用期限和/或切削性质方面，开拓了广泛的可能性。 切削工具上的涂层的耐磨性、使用期限和切削性质，取决于多种不同的因素，例如 切削工具基体的材料，涂层中存在的其它层的顺序、性质和组成，各种不同层的厚度，以及 并不是最不重要的使用切削工具进行的切削操作的性质。对于同一个切削工具来说，根据 机械加工的工件的性质、相应的机械加工工艺、以及机械加工过程中的其它条件例如高温 的发生或腐蚀性冷却剂的使用，可以产生不同的耐磨性。此外，取决于工具各自所进行的机 械加工操作的不同类型的磨损之间也有区别，这些磨损对工具的使用寿命、即它的使用期 限可能具有或多或少的影响。因此，切削工具的进一步开发和改进，总是要根据待改进的工 具性质进行考虑，并在可以与现有技术相比较的条件下进行评估。 在本发明的涂层中存在的、具有至少两个不同的金属氧化物相的至少一个两相或 多相导电层，可以赋予切削工具的整个涂层以某些性质，使得切削工具在可比较的切削操 作中、在可比较的条件下优于现有的切削工具。这些性质可以包括耐磨性、使用期限、切削 性质或其组合。 在本发明的优选实施方案中，在涂层中，至少一个两相或多相导电层中的至少两 个不同的金属氧化物相是至少两个不同的氧化铬相。至少一个两相或多相层可以基本上完 全由氧化铬构成。优选情况下，它至少包含氧化铬作为主要成分，也就是说它的量相对于可 能的其它成分来说是占优势的，其中铬相对于其它金属元素的比率为至少80原子％、优选 至少90原子％、特别优选至少95原子％。作为次要成分，至少两相或多相层可以含有周期 表系统的IVa到Vila族的元素和/或铝和/或硅的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧 氮化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮化物和氧硼氮化物，上面提到的化合物的杂合 金属相和相的混合物，其中铬不包含在次要成分的元素中。 按照本发明，主要成分表示与同样层中的其它金属元素相比，金属元素存在的量 为至少80原子％、优选至少90原子％、特别优选至少95原子％。同样层中的其它金属的 化合物，按照本发明被称为次要成分。 在另一个实施方案中，至少一个两相或多相层具有至少三相，其中存在至少一个氧化铝相。在该实施方案中，非氧化铝和在层中存在至少两个不同的其它金属氧化物相可 以作为主要成分存在，并且氧化铝作为次要成分。在该实施方案的优选变体中，两相或多相 层含有至少两个氧化铬相作为主要成分，和一个氧化铝相或氧化铬与氧化铝的杂合相作为 次要成分。 在本发明的另一个实施方案中，两相或多相层中的一个金属氧化物相是金属氧化 物的稳定相。在本发明的实施方案中，其中至少一个两相或多相层含有氧化铬作为主要成 分，金属氧化物的稳定相优选为Cr203相。 在本发明的另一个实施方案中，两相或多相层中的至少一个金属氧化物相是亚稳
定相。在本发明的实施方案中，其中至少一个两相或多相层含有氧化铬作为主要成分，亚稳
定相优选为氧化铬的化学计量为CrOx的亚稳定相，其中0. 7《x《1. 3。 根据本发明，术语"稳定相"表示在给定条件下，处于热力学稳定平衡状态、并且不
发生变化的相。 根据本发明，术语"亚稳定相"表示仅仅表观处于热力学平衡状态的相，这是因为 在给定条件例如压力和/或温度下，平衡设定速度(即向热力学稳定的低能状态的跃迁) 过低。亚稳定相或状态是只有消除障碍后才能进入稳定相或状态的相或状态。消除障碍可 以通过输入能量来实现，例如增加温度或压力。 在本发明优选的实施方案中，其中两相或多相层中的至少两个不同的金属氧化物 相是氧化铬相，在稳定和亚稳定相中被合在一起的元素铬与氧，包括大约1 : 0.8-1.2的 Cr : 0比率。如果Cr : 0比率大于1 : O. 8(也就是说l :小于O. 8)，将具有层变得太软的 缺点。如果Cr : 0比率小于1 : 1.2(也就是说1:大于1.2)，将具有层变得太脆的缺点。
在本发明的另一个优选实施方案中，在至少一个两相或多相层中的至少两个不同 的金属氧化物相中，至少一个金属氧化物相是导电的。如果两相或多相层的主要成分包含 氧化铬，那么将不包含其本身被认为代表了导电氧化铬相的&02相。导电层中不存在&02 相，可以通过XPS测量来检测。在这样的含有氧化铬作为主要成分的层中，通过XPS测量检 测到了 Cr203、 Cr03以及其中0. 7《x《1. 3的CrOx相，但是没有检测到Cr02相(参见图 1)。因此，两相或多相层的导电性并非基于存在本身具有导电性的Cr02。
涂层的至少一个两相或多相层的层厚度优选为10nm到50iim。如果两相或多相层 的层厚度小于10nm，它的保护或耐磨功能将过低。如果两相或多相层的层厚度大于50ym， 在层中将出现过高的应力，并且层变得太脆，这会引起粘附性问题并导致在工具操作中剥 落。在其它实施方案中，层是厚度为20nm到20iim的层。在另一个实施方案中，层是厚度 为0. 5践至lj 4践的层。 通常情况下，至少一个两相或多相层的Vickers硬度(Hv)为500到4000。在优 选的实施方案中，层的Vickers硬度(Hv)为700到3000。在另一个优选实施方案中，层的 Vickers硬度(Hv)为800到2000。 本发明的涂层中的至少一个两相或多相层的导电性明显高于非导体和半导体的 导电性，并与金属导体的量级相当。理想情况下高于lS/m。优选情况下，导电性高于100S/ m。在另一个实施方案中，层的导电性高于104S/m。 本发明的涂层中包含的两相或多相层的导电性是一个令人吃惊的现象，因为层包 含的作为主要成分的金属氧化物在通常情况下是不导电的。层的导电性也不能归因于存在纯的金属相，因为在层中完全没有发现它们，或者只发现有可忽略不计的少量纯金属相，这
不能解释整个层的导电性。本发明的涂层中的两相或多相层也不包含任何其本身已知是导
电的、以能够解释整个层的导电性的比例存在的金属氧化物相，例如Cr02。 目前，还不能为本发明的涂层中两相或多相层的导电性提供明确的解释。然而，假
定本发明的两相或多相层包含亚稳定的、非化学计量的金属氧化物相，它赋予了整个层相
当于金属导电性量级的导电性，并对本发明的涂层的出色的材料性质作出贡献。 在本发明的另一个实施方案中，至少一个两相或多相层还包括至少一种次要成
分。所述至少一个两相或多相层可以包含周期表系统的IVa到Vila族的元素和/或铝和
/或硅的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、氧碳化物、氧碳氮化物、硼化物、硼氮
化物和氧硼氮化物、上述化合物的杂合金属相和相混合物作为一种次要成分或多种次要成
分。这样的次要化合物的例子是其中重量比率A1 : Cr = 9 : 1的(Al， Cr)A，其中重量
比率A1 : Si=9 : l、Cr : (Al，Si)=l : 2的(Cr， Al， Si)203。 如果本发明的切削工具的涂层是多层结构，它还可以包含硬质材料层，其组成为
上面指出的次要成分。这样的硬质材料层的例子是含有八1203、 TiN、 TiB2、 cBN、 hBN、 TiBN、
TiC、 TiCN、 TiN、 TiAlN、 CrAlN、 TiAlCN、 TiAlYN、 TiAlCrN和CrN的层。用于代替一个或多
个硬质材料层或除一个或多个硬质材料层外，涂层可以包括一个或多个另外的两相或多相
层，所述层含有至少两个不同的金属氧化物相，并且是导电的。因此，本发明包括仅含有一
个或多个两相或多相层的涂层，所述两相或多相层具有至少两个不同的导电性金属氧化物
相，也包含了含有这样的层与其它的硬质材料层以任何数量和次序进行任何组合的涂层。 本发明的切削工具的优选涂层包含下列层<formula>formula see original document page 7</formula> 包含在本发明的切削工具的涂层中的、含有至少两个不同的金属氧化物相并且具 有导电性的两相或多相层，优选通过PVD工艺方法、特别优选通过磁控溅射、电弧气相沉积 (arc PVD)或这些工艺方法的变体来生产。在PVD涂层装置中，在低压下产生等离子体气 氛，它主要包括氩气和氮气。在PVD磁控工艺中，将氩气等离子体在靶的前方点火。发生高 能阴极溅射(磁控溅射)。以这种方式从靶产生的金属蒸汽与氧气反应，作为金属氧化物层 沉积在基材上。 本发明的其它优点、特点和实施方案，将参考下面的实施例和图进行描述。
实施例1 在PVD涂层装置(Flexicoat ;Hauzer Techno Coating)中，提供了具有两层PVD 涂层的硬质金属基材。在层被沉积之前，将装置抽空至1X10—5毫巴，并将硬质金属表面通 过在170V的偏压下的离子蚀刻进行清理。
基材组成 l)HM-细颗粒+10. 5重量％的Co 2)HM-粗颗粒+10. 5重量％的Co+1重量X的MC
3)HM-粗颗粒+11. 0重量％的Co+l重量X的MC
(解释 HM-细颗粒=WC硬质金属，平均颗粒尺寸 1 y m HM-粗颗粒=WC硬质金属，平均颗粒尺寸为3-5 y m) MC =混合的碳化物(TiC， TaC.)。某材/L何形状SEHW120408(符合DIN-IS0 1832) M隨积、: 第一层TiAlN 电弧沉积 革巴Ti/Al (33/67原子％ )，圆形源(直径63mm)，
80安培，495。C，3Pa N2压力，40伏特基材偏压，
3 ii m层厚度；
第二层(Al,Crh(X
反应性磁控溅射 革巴:A1/Cr (90/10原子％ )，圆形源(直径63mm)， 10kW溅射功率，495t:，0. 5Pa Ar压力，大约100sccm 02， 150伏特基材偏压(单 极脉冲) *1践层厚度。 TiAlN层用于基材与氧化物层之间的结合。对涂层进行XRD测量、XPS测量、微探
针测量和阻抗测量。用于确定整体组成的微探针测量在"1，&)203单层上进行，因为在复
合物TiAlN-(Al， &)203层上使用微探针进行的测量导致测量误差。阻抗和电导测量显示，
在所有基材的情况下，"1，&)203层总是导电的，电导率水平为大约10S/m。 通过XRD和XPS测量确定，在所有基材的情况下(Al，Cr^03层含有稳定的Y _A1203
相、两个稳定的Cr-氧化物相(Cr03，Cr203)和亚稳定的Cr氧化物相(CrOx)。
图1显示了 Cr
的XPS光谱(Mg Ka辐射)。XPS测量证实了层含有总共3种氧化铬相。从XPS测量估算
的相的比例大约如下 Cr203 65重量％ CrOx 20重量％ Cr03 15重量％ 其中x为0.9。除了测量结果之外，操作显示，在(Al，Cr)^3层中，亚稳定Cr氧化 物相是唯一导电并赋予整个层导电性的金属氧化物相。通过确定的相的比例和通过微探针 测量测定的氧的比例，导电的Cr02相可以被排除。
比较例 为了比较的目的，在同样的涂层装置中，向与实施例l相同的基材提供了两层涂 层，层的顺序是3iim TiAlN-liim A1203。沉积条件与实施例1中相同，除了在沉积A1203层 的步骤中使用了纯A1靶之外。 在对由42CrMoV4_钢(强度850MPa)构成的工件上的碾磨实验中对实施例1和 比较例的工具进行了比较。碾磨以下切方式进行，不使用冷却润滑剂，切削速度v。 = 236m/ min，齿进给fz = 0. 2mm。
8
工具边缘表面上测量的磨损量为在碾磨路径4800mm后，以mm计的(主切削边缘 处)的平均磨损记号宽度VB形式。发现了下面的磨损记号宽度VB:
磨损记号宽度VB
实施例1 :0. 09mm
比较例0. 12mm
权利要求
一种切削工具(1)，包括基体(2)以及施加在其上的单层或多层涂层(3)，其特征在于所述涂层包括至少一个两相或多相层(4)，所述至少一个两相或多相层(4)含有至少两个不同的金属氧化物相，其中所述至少一个两相或多相层(4)是导电的。
2. 权利要求l的切削工具，其特征在于在所述至少一个两相或多相导电层(4)中的至 少两个不同的金属氧化物相是至少两个不同的氧化铬相。
3. 权利要求2的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层(4)含有氧化铬作 为主要成分。
4. 权利要求1至3任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层(4)具有至少三个相，其中存在至少一个氧化铝相。
5. 权利要求1至4任何一项的切削工具，其特征在于在所述两相或多相层(4)中的一 个金属氧化物相是金属氧化物的稳定相，优选为Cr203相。
6. 权利要求1至5任何一项的切削工具，其特征在于在所述两相或多相层(4)中的 至少一个金属氧化物相是亚稳定相，优选为化学计量为CrOx的氧化铬的亚稳定相，其中 0. 7《x《1. 3。
7. 权利要求1至6任何一项的切削工具，其特征在于在所述两相或多相层(4)中 的至少两个不同的金属氧化物相是氧化铬相，它们合在一起的元素Cr : 0的比率为约1 : 0. 8-1. 2。
8. 权利要求1至7任何一项的切削工具，其特征在于在所述至少一个两相或多相层 (4)中的至少两个不同的金属氧化物相中，至少一个金属氧化物相是导电的。
9. 权利要求1至8任何一项的切削工具，其特征在于在所述两相或多相层(4)中的金 属氧化物相不包括002相。
10. 权利要求1至9任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层(4) 的层厚度为10nm至50 ii m，优选为20nm至20 y m，特别优选为0. 5 y m至4 y m。
11. 权利要求1至IO任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层 (4)的Vickers硬度(Hv)为500至4000，优选为700至3000，特别优选为800至2000。
12. 权利要求1至11任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层 (4)的导电性高于1S/m，优选高于100S/m，特别优选高于104S/m。
13. 权利要求1至14任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层 (4)还具有至少一种次要成分，它由元素周期表系统的第IV、V或VI副族的元素、铝和/或 硅和0、N、C禾口 /或B形成。
14. 权利要求1至13任何一项的切削工具，其特征在于涂层(3)还包括硬质材料层，所 述硬质材料层由元素周期表系统的第IV、V或VI副族的元素、铝和/或硅和0、N、C和/或 B形成。
15. 权利要求1至14任何一项的切削工具，其特征在于所述至少一个两相或多相层 (4)通过PVD工艺方法产生，优选通过磁控溅射、电弧气相沉积(arc PVD)或所述工艺方法 的变体来产生。
16. 权利要求1至15任何一项的切削工具，其特征在于所述基体由硬质金属或碳化物 金属、陶瓷、钢或高速钢(HSS)制成。
17. 权利要求1至16任何一项的切削工具，其特征在于所述涂层包含至少两个根据前述权利要求任何一项所述的两相或多相层(4，4')，其中所述至少两个两相或多相层(4， 4')以直接重叠的关系设置，或通过另外的一个或多个硬质材料层彼此分隔开。
18.权利要求17的切削工具，其特征在于所述至少两个两相或多相层(4，4')具有不 同的组成、不同的Vickers硬度(Hv)和/或不同的导电性。
全文摘要
本发明涉及具有基体和施加在其上的单层或多层涂层的切削工具。为了提供优于现有工艺的切削工具，按照本发明，提出了包含至少一个两相或多相层的涂层，该两相或多相层含有至少两个不同的金属氧化物相，其中至少一个两相或多相层是导电的。
文档编号C23C28/00GK101720366SQ200880022688
公开日2010年6月2日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年7月2日
发明者法伊特·席尔 申请人:瓦尔特公开股份有限公司