专利名称：：涂层钻及制造该涂层钻的方法
技术领域：
：本发明涉及一种涂布有第一层系统和第二层系统的用于金属加工的麻花钻，其中，所述第一层系统已大致被沉积在所述麻花钻的整个作用部分上，而所述第二层系统已仅被沉积在所述麻花钻的尖端区域上。本发明还涉及一种制造根据本发明的这种麻花钻的方法。
背景技术：
：麻花钻通常被涂布有硬质材料，以通过提高耐磨性而延长工具寿命。在麻花钻的进行切削的尖端区域处，高的耐磨性是有利的，但是在麻花钻的其他部位上，诸如低摩擦和光滑性的性质对于例如促进钻屑的运送是有利的。钻屑的运送在钻入深度与名义直径相比相对大的情况下特别重要。在一些情况下，与无涂层钻相比，通过涂层钻屑槽道甚至会降低钻屑的运送。因此，麻花钻的不同部分要获得最佳的性质会是很困难的，已经进行了多种尝试来实现这一点。沿着柱形台(land)涂布的麻花钻特别具有的另一问题，称为蚀损或蚀损磨损，包括柱形台上的耐磨涂层的剥落，以及通常在靠近钻角部的区域内的剥落。通常，蚀损(pitting)不仅包括沉积涂层的剥落，而且还有部分基体从麻花钻剥落。在第一次使用钻时，这不是问题，这是因为作为决定钻寿命的主切削刃和前刀面(rakeface)不受蚀损的影响。蚀损出现在距离角部和主切削刃小距离处。然而，在修理钻时，钻的长度经常稍微减小，从而磨损区域靠近切削区域，因此蚀损对于修理过的钻的寿命来说是不利的。由于硬质合金的麻花钻是非常昂贵的，从而需要该钻能进行若干次的切削、重磨削和再涂布，因而必须最小化蚀损以实现这一点。近来，己经开发了通常具有多层结构的新类型的硬涂层，该涂层对于主切削刃和前面的磨损防护而言是特别有用的。但是，这样的涂层非常容易形成这种蚀损。EP0983393B描述了使得切削刃的耐磨性提高和硬度提高的非周期多层涂层。这样的涂层的一个示例为交替的TiN和(Ti,Al)N涂层，各层的厚度在纳米范围内，为3-100nm。JP7237046A描述了一种将涂层沉积到钻上的方法，其中，与钻体其余部分相比，尖端区域内的涂层较厚。厚度差是这样实现的，艮P，用一个松的配合金属柱体部分地覆盖钻，这使得沉积材料的量从钻尖端开始逐渐降低。US6,688,817B2描述了一种钻，通过仅向尖端施加研磨材料，即通过微喷涂操作来使表面粗糙而对该钻进行预处理。之后，在几乎整个钻上涂布硬质材料。涂层钻在涂布之后，在钻尖端处将具有比钻其余部分大的表面粗糙度。DE19602030A描述了一种钻，该钻只有尖端被涂布，而钻的其余部分未被涂布。涂层能够是TiN、(Ti,Al)N或Ti(C，N)。
发明内容本发明的目的是提供一种麻花钻，该麻花钻在尖端区域具有良好耐磨性，并且在该麻花钻的其余部分具有良好的钻屑运输性。本发明的另一目的是提供一种麻花钻，该麻花钻非常适于包括重磨削和再涂布在内的修理。5本发明的再一目的在于提供一种麻花钻，该麻花钻不易形成蚀损。已经令人惊奇地发现，通过提供在麻花钻的整个作用部分(activepart)沉积有第一层系统、且仅在该钻的尖端区域内沉积有第二层系统的麻花钻，能实现这些目的。而且己经发现，避免了形成蚀损，这不仅是因为该第二层系统覆盖了相对小的区域，而且还是因为该第二层系统被沉积在第一层系统上，而不是直接沉积到基体上，从而，即使该第二层系统发生了蚀损，也不会影响第一层系统。图l和图2示出了麻花钻及其尖端区域的示意图，其中1作用部分2尖端区域3钻屑槽4柱形台(边缘)5主切削刃6角部7前刀面具体实施例方式本发明涉及一种涂层麻花钻，该麻花钻包括基体，该基体优选为硬质合金或高速钢基体；以及包括两个层系统的涂层。第一层系统大致沉积到麻花钻的整个作用部分上，而第二层系统仅沉积到麻花钻的尖端区域上。尖端区域被限定为从钻的尖端向着钻的基部达到钻直径的0.30至1.5倍的距离的区域。钻具有的直径优选为0.50mm至35mm，更加优选地为2.0mm至25mm。第一层系统和第二层系统都是多层系统，且第一层系统和第二层6系统在各个单独层的厚度和平均的化学组成方面能够是相同的或不同的。多层结构这里是指，包括至少5个、优选包括至少IO个单层的结构。然而，其能够包括高达数千个的单层。各层系统能够是非周期的、周期的或其组合。层系统中的单层的厚度能够在0.5nm至200nm之间。第一层系统和第二层系统的合适总厚度分别由涂层的化学组成以及钻的确切几何形状所决定。在一个实施例中，第一层系统的总厚度在周边表面上测得为0.5pm至5(im，优选为0.5pm至3pm。在另一个实施例中，第二层系统的总厚度在周边表面上测得为0.5jim至5(im，优选为0.5(im至3jnm。在另一个实施例中，第二层系统的总厚度在周边表面上测得为3[im至7,，优选为5,至7|im。在一个实施例中，第一层系统和/或第二层系统在整个层系统上或在层系统的一个或多个区段(section)内能够包括非周期的结构。非周期是指，多层结构中的具体单层的厚度与下方紧挨着的单层的厚度无关，而且与该具体单层上方的单层也没有任何关系。因此，多层结构在各个单层的厚度的序列方面不具有任何重复的周期。由于厚度小，从而不能容易地独立于相邻的层测得多层结构中的各单层的组成。所能测得的是整个多层结构的平均组成。然而，能够从在沉积过程中用于单层的靶、源的组成来估计各单层的组成，但是这未给出精确的组成。在已经沉积了较厚的层、厚度足以进行单独分7析时，发现沉积层的组成与靶材料的组成相比能有百分之几的差别。因此，文中以下提到的根据本发明的多层结构的单层的任何组成都是从沉积过程中所使用的靶的组成估计而来的。如果在第一层系统和/或第二层系统内存在非周期区段，则非周期区段内的各单层的厚度将由于非周期性而变化。然而，单层的厚度大于0.5nm但小于100nm，优选大于lnm但小于50nm,最优选大于2nm但小于30nm。这种多层结构中的任何连续十层的和优选地小于300nm。在本发明的一个实施例中，第一层系统和/或第二层系统包括至少两个、优选至少五个非周期多层结构，这些非周期多层结构与较厚的均匀层周期性地交替。非周期多层结构中的单层的厚度优选为0.5nm至100nm，更加优选为lnm至50nm,最优选为2nm至30nm。均匀层的厚度优选为25nm至200nm，更加优选为50nm至120nm。第一层系统和/或第二层系统的单层包含金属氮化物，其中一个或多个金属元素选自钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钒(V)、钽(Ta)、钼(Mo)、锆(Zr)、鸨(W)，优选地选自钛(Ti)、铝(AI)、硅(Si)、铬(Cr)。在本发明的一个实施例中，例如通过微探针或EDS在麻花钻的周边表面上所测得的第一层系统和/或第二层系统的平均化学计量关系为(TiaAlbSicCrd)N，其中，0<a<0.90，0.10<b<0.70，0《c<0,15，0《d<0.30，且a+b+c+d=l。在本发明的一个实施例中，第一层系统为非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti,Al)N层具有不同的Ti含量，该层系统的平均化学组成为(TixAln)N，其中0.3(Kx〈0.70，优选地，0.4(Kx〈0.60。在本发明的另一个实施例中，第一层系统包括至少两个、优选至8少五个非周期多层结构的变化的(Ti,A1)N层，其中变化的(Ti，A1)N层具有不同的Ti含量，该非周期多层结构与均匀的(Ti，Al)N层重复地交替。均匀层的组成为(TiyAl卜y)N，其中0.35<y<0.65，优选地，0.40<y<0.60，且所述多层结构的平均组成为(TizAl卜Z)N，其中0.50<z<0.90，优选地，0.70<z<0.90。在本发明的又一个实施例中，第二层系统为非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti，Al)N层具有不同的Ti含量，该层系统的平均化学组成为(TixAl卜X)N，其中0.30<x<0.70，优选地，0.40<x<0,60。在本发明的再一个实施例中，第二层系统为非周期或周期的(Ti,Si)N+(Al,Cr)N多层结构，其中，单层的厚度在0.5nm至200nm之间，且平均化学组成为(TiaAlbSicCrd)N，其中0.30<a<0.75，优选为0.40<a<0.65，其中0.20<b<0.45，优选为0.20<b<0.35，其中0<c<0.15，优选为0.02<c<0.10，其中0.02<d<0.25，优选为0.05<d<0.20，且a+b+c+d=l。在本发明的一个实施例中，第二层系统为非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti,Al)N层具有不同的Ti含量，单层的厚度在0.5nm至30nm之间，且平均化学组成为(TikAl卜k)N，其中0.50<k<0.90，优选地，0.70<k<0"0。由于若干原因，有利的是将第一层系统和第二层系统设置成不同的颜色。首先，第二层系统的不同颜色对于磨损检测能够是有利的。因为与钻的其他部分相比，尖端区域受到广泛的磨损，因而从视觉上检测磨损是非常有利的。在受到蚀损的区域内进行视觉检测也是有利的。由于在修理时需要移除这些磨损区域的较大部分，从而便于视觉检测的颜色是优选的。9不同的颜色还在修理过程中提供另一个优点。通常，在用仅一层厚的功能性涂层在钻的整个作用部分上对钻进行再涂布时，对于每次再涂布总涂层厚度增加。边缘上的涂层厚度增加将增加距角部短距离处的边缘上的磨损。因此，在钻已经被几次修理后，该钻很有可能必须被切断到相当短的长度以去除严重的磨损。根据本发明，第二层系统仅被施加到尖端区域，在修理时该尖端区域被部分切除，从而尖端区域向着杆轴在钻上进一步向上移动。这导致涂层的累积更慢，这是因为仅仅涂布有第一层系统的部分将进入到尖端区域，而这些部分在开始时没有累积。因为边缘上的磨损取决于涂层的厚度，较少的累积将导致较少的磨损。这意味着，根据本发明的钻在修理过程中为了移除磨损部分而进行切除量不是必须象传统钻那样大，从而能进行多次修理。从而在修理过程中的一个非常大的优点在于，第一层系统和第二层系统具有不同的颜色，从而来监视涂层的累积。能够通过选择具有特定固有颜色的涂层，或者通过沉积具有给定特定颜色的薄的上层，而获得第一层系统和第二层系统的颜色。在本发明的一个实施例中，第一层系统还包括厚度优选为O.l-lpm的厚度足够大的的TinAlxN顶层，其中0.40《x《0.70，该TihAlxN优选为Tio.3美67N或Tio.5oAlo.5。N，从而呈现为可视的黑色固有颜色。在本发明的另一个实施例中，第二层系统还包括具有比第一层系统浅的颜色的、厚度优选为O.l-lpm的厚度足够大的优选TiQ.75AlQ.25N、Tio.84A1^6N、Tio.9oSi(uoN或TiN的顶层，从而呈现为可视的青铜色或黄色的固有颜色。本发明还涉及一种制造涂层麻花钻的方法。该方法包括提供形状为麻花钻的基体，该基体具有优选为0.5mm至35mm、更加优选为2mm至25mm的直径，该基体优选为硬质合金或高速钢基体。利用传统的PVD技术在该基体上沉积两个层系统，其中大致在钻的整个作用部分上沉积第一层系统，而仅在钻的尖端区域上沉积第二层系统。第一层系统和第二层系统在单层厚度和化学组成方面能够是相同或不同的。各层系统能够是非周期的、周期的或其组合。层系统的单层被沉积为厚度优选在0.5nm至200nm之间。在本发明的一个实施例中，通过在整个层系统上或在层系统的一个或多个区段内层系统包括非周期的结构的方式，沉积第一层系统和/或第二层系统。如果在层系统中存在非周期结构区段，则通过在沉积处理中随机地打开和关闭各个单层靶的闸板，或通过随机地接通和切断所述耙，获得非周期结构。可想到的另一方法是通过在所述靶前方随机地旋转或移动要被涂布的基体。这优选是通过将基体放置在为了获得非周期结构而布置的3维旋转基体台上而进行的。能够在旋转速度和旋转方向方面顺时针或逆时针调节3维旋转。因此，非周期区段将包括厚度由于非周期性而变化的多个单层。非周期结构优选沉积为单层的厚度大于0.5nm但小于100nm，优选地大于lnm但小于50nm，最优选地大于2nm但小于30nm。这种多层结构中的任何十个连续层的和小于300nm。在本发明的一个实施例中，第一层系统和/或第二层系统被沉积为该层系统包括至少两个、优选至少五个非周期多层结构，这些非周期多层结构与较厚的均匀层周期性地交替。非周期多层结构中的单层的厚度优选为0.5nm至100nm，更加优选为lnm至50nm，最优选为2nm至30nm。均匀层的厚度优选为25nm至200nm，更加优选为50nm至120nm。在沉积第一层系统之后，麻花钻的部分通过被放置到一个紧密配11合金属柱体内而被遮蔽，从而仅露出尖端区域，以沉积第二层系统。该尖端区域被限定为从钻的尖端向着钻的基部达到钻直径的0.3至1.5倍的距离的区域。所述金属柱体被紧密配合到麻花钻上，从而避免沉积到金属筒体的内部上，并使得第二层系统具有尖锐而可见的边界。这使得在钻的每个点良好地控制总涂层厚度。最后，优选对所述钻进行例如湿式喷砂、干式喷砂、抛光、研磨、刷光等后处理，以获得光滑的表面。第一层系统和第二层系统的合适总厚度分别由涂层的化学组成以及钻的确切几何形状决定。在一个实施例中，第一层系统的总厚度在周边表面上测得为0.5pm至5,,优选为0,5,至3拜。.在另一个实施例中，第二层系统的总厚度在周边表面上测得为0.5^n至5(im，优选为0.5nm至3|im。在另一个实施例中，第二层系统的总厚度在周边表面上测得为3jim至7(im，优选为5(im至7fim。在一个实施例中，在沉积第一层系统之后，利用湿式喷砂对所述钻进行中间后处理操作。根据本发明，能采用大多数PVD技术。然而，优选的是，在N2气氛或混合N2+Ar气氛中，第一层系统和第二层系统利用阴极电弧蒸镀沉积，该阴极电弧蒸镀利用一种或多种金属元素的合金组成的两对或三对电弧靶，所述金属元素选自钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钒(V)、钽(Ta)、钼(Mo)、锆(Zr)、或钨(W)，优选地选自钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)以及它们的其混合物。在一个实施例中，选择在沉积过程中使用的靶，使得例如通过微探针或EDS在麻花钻的周边表面上所测得的第一层系统和/或第二层系统的平均化学计量关系为(TiaAlbSicCrd)N，其中，0<a<0.90，0.10<b<0.70，0《c<0.15，0《d<0.30，且a+b+c+d二l。在本发明的一个实施例中，第一层系统的沉积方式使得第一层系统将包括非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti,Al)N层具有不同的Ti含量，该层系统的平均化学组成为(TixAI卜X)N，其中0.30<x<0.70，优选地，0.40<x<0.60。在本发明的另一个实施例中，第一层系统的沉积方式使得第一层系统将包括至少两个、优选至少五个非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti，Al)N层具有不同的Ti含量，该非周期多层结构与均匀的(Ti，Al)N层重复地交替。均匀层的组成为(TiyAi卜y)N，其中0.35<y<0.65，优选地，0.40<y<0.60，且多层结构的平均组成为(TizA"-Z)N,其中0.50<z<0.90，优选地，0.70<z<0.%。在本发明的又一个实施例中，所述第二层系统的沉积方式使得第二层系统将包括非周期多层结构的变化的(Ti,Al)N层，其中变化的(Ti,Al)N层具有不同的Ti含量，该层系统的平均化学组成为(I^A1卜X)N，其中0.30<x<0.70，优选地，0.40<x<0.60。在本发明的再一个实施例中，第二层系统的沉积方式使得第二层系统将包括非周期或周期的(Ti,Si)N+(Al,Cr)N多层结构，其中，单层的厚度在0.5nm至200nm之间，且平均化学组成为(TiaAlbSi。Crd)N，其中，0.30<a<0.75，优选为0.40<a<0.65，其中0.20<b<0.45，优选为0.20<b<0.35，其中0<c<0.15，优选为0.02<c<0.10，其中0.02<d<0.25，优选为0.05<d<0.20，且a+b+c+d^1。在本发明的再一个实施例中，第二层系统的沉积方式使得第二层系统将包括非周期多层结构的变化的(Ti，A1)N层，其中变化的(Ti,Al)N层具有不同的Ti含量，单层的厚度在0.5nm至30nm之间，且平均化学组成为(TikAl卜k)N，其中0.50<k<0.90，优选地，0.70<k<0.90。在再一个实施例中，将厚度优选为的厚度足够大的顶层沉积到第一层系统上。该顶层优选具有Ti,-xAlxN组成，其中0.40《x《0.70，该TihAlxN优选为Tio.33Alo.67N或Tio.5oAlo.5oN，从而呈现为可视的黑色固有颜色。在再一个实施例中，将具有比第一层系统浅的颜色的厚度优选为0.1-lpm的厚度足够大的顶层沉积到第二层系统上。所述顶层优选具有Ti0.75Al。.25N、Tio.84AlQ.l6N、Ti。.9。SiQ.oN或TiN的组成，从而呈现为可视的青铜色或黄色的固有颜色。示例1(本发明)通过利用反应性PVD电弧放电蒸镀将都具有非周期多层结构的第一层系统和第二层系统沉积到组成为10%重量的0>及余量为WC的硬质合金钻上，从而制造出根据本发明的8mm的涂层钻。多层结构是从两个电弧靶(即电弧靶1和电弧靶2)沉积的，而钻被安装在为了获得非周期结构而布置的3维旋转基体台上。电弧蒸镀在Ar+N2气氛内进行。在沉积第一层系统之后，对钻进行湿式喷砂处理。在沉积第二层系统之前，用一个柱体遮蔽钻的一部分，以使得仅钻的尖端区域被涂布上第二层系统。尖端区域是从尖端开始到距离尖端约10mm的区域。两个电弧靶的组成以及第一层系统和第二层系统的平均组成参见表1。14多层结构具有一系列单层，所述单层具有非周期、即不重复的厚度。截面传送电子显微镜研究表明，单氮化物层的厚度在2imi至30nm的范围内，而各层系统中层的总数超过100。表1钻号层系统靶1靶2平均化学组成厚度1(本发明)第一丁io.75A1。.25Tio.33Alo.67Tio.5oAl0.50N1.2第二Tio.75Alo.25Tio.33Alo.67Tio.5oAl0.50N6.6示例2(参考)制造出8mm的涂层钻，其中，所述钻在钻的整个作用部分上涂布有仅一个层系统，或者仅在钻的尖端部分上涂布有一个层系统。层系统都具有非周期多层结构，并且利用反应性PVD电弧放电蒸镀而被沉积到组成为10%重量的Co、余量为WC的硬质合金钻上。多层结构是从两个电弧靶沉积的，而钻被安装在为了获得非周期结构而布置的3维旋转基体台上。蒸镀在Ar+N2气体混合物内进行。尖端区域是从尖端开始到距离尖端约10mm的区域。两个电弧靶的组成以及层系统的平均组成参见表2。多层结构具有一系列单层，所述单层具有非周期、即不重复的厚度。截面传送电子显微镜研究表明，单氮化物层的厚度在2nm至30nm的范围内，而各层系统中层的总数超过100。15表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>示例3将根据本发明制造的钻与示例2中的参考1进行比较。在以下切削条件下的钻削操作中测试每类钻中的两个钻。工件材料工具钢，42CrMo4操作钻削V。m/分钟130进给mm/转0.30Vfmm/分钟1460mm20备注湿条件，乳状液6%下面示出了结果。工具寿命行程是两个测试的平均值。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>示例4将根据本发明制造的钻与参考2进行比较。在以下切削条件下的钻削操作中测试每类钻中的两个钻。工件材料工具钢，42CrMo4操作钻削V。m/分钟130进给mm/转0.30Vtmm/分钟1460"mm20备注湿条件，乳状液6%下面示出了结果。工具寿命行程是两个测试的平均值。表4钻型号工具的寿命行程(m)1(本发明)55参考240示例5将根据本发明制造的钻与适于进行这种钻进操作的竞争钻1和竞争钻2两个不同竞争钻进行比较。在以下切削条件下的钻削操作中测试每类钻中的两个钻。工件材料工具钢，55NiCrMoV6操作钻削Vcm/分钟140进给mm/转0.30Vtmm/分钟1573tjmm38备注湿条件，乳状液6%下面示出了结果。工具寿命行程是两个测试的平均值。17表5钻型号工具的寿命行程(m)1(本发明)58竞争钻113竞争钻22218权利要求1.一种麻花钻，该麻花钻包括硬质合金或高速钢基体以及涂层，其特征在于，所述涂层包括第一层系统，该第一层系统具有大致覆盖所述钻的整个作用部分的多层结构，第二层系统，该第二层系统具有仅覆盖所述钻的尖端区域的多层结构。2.根据权利要求l所述的麻花钻，其特征在于，所述钻的所述尖端区域被限定为从所述尖端向着钻的基部的距离达到所述钻的直径的0.3至1.5倍的距离。3.根据权利要求l或2所述的麻花钻，其特征在于，所述第一层系统以及第二层系统包含金属氮化物，其中所述金属元素选自钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钒(V)、钽(Ta)、钼(Mo)、锆(Zr)、或钩(W)以及它们的混合物。4.根据前述权利要求中任一项所述的麻花钻，其特征在于，所述第一层系统和/或第二层系统包括具有非周期结构的一个或多个区段。5.制造麻花钻的方法，其特征在于，包括以下步骤提供硬质合金或高速钢基体；以及通过利用传统的PVD技术将具有多层结构的第一层系统沉积到所述钻的整个作用部分上，以及利用传统的PVD技术将具有多层结构的第二层系统沉积到所述钻的尖端区域上。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在沉积所述第二层系统之前，通过一紧密配合柱体遮蔽所述钻的部分。7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其特征在于，所述钻的所述尖端区域被限定为从所述尖端开始为所述钻的直径的0.3至1.5倍的距离。8.根据权利要求5至7中任一项所述的麻花钻，其特征在于，所述第一层系统和第二层系统利用阴极电弧蒸镀沉积，该阴极电弧蒸镀利用金属元素的合金的电弧靶，所述金属元素选自钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钒(V)、钽(Ta)、钼(Mo)、锆(Zr)、或铒(W)以及它们的混合物。全文摘要本发明涉及一种钻，该钻包括硬质合金或高速钢基体以及涂层，其中，所述涂层包括第一层系统，该第一层系统具有大致覆盖所述钻的整个作用部分的多层结构；以及第二层系统，该第二层系统具有仅覆盖所述钻的尖端区域的多层结构。根据本发明的钻具有良好的耐磨性，而且修理钻时的性能得到提高。本发明还涉及一种制造根据本发明的钻的方法。文档编号B23B51/02GK101512035SQ200780033096公开日2009年8月19日申请日期2007年9月5日优先权日2006年9月6日发明者彼得·穆勒,托马斯·施奈德,托马斯·黑尔,玛丽亚·阿斯特兰德申请人:山特维克知识产权股份有限公司