具有金属氧化物涂层的刀具的制作方法

专利名称：具有金属氧化物涂层的刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有基体和涂敷到基体的多层涂层的切削刀具。
技术背景
切削刀具包括基体，所述基体例如由硬质合金(carbide metal)、金属陶瓷、钢或 高速钢制成。为了增加使用寿命或也为了改善切削性质，单层或多层涂层常被涂敷到基体。 涂层包括例如金属的硬材料层、氧化物层等。CVD工艺(化学气相的沉积或化学气相沉积) 和/或PVD工艺(物理气相的沉积或物理气相沉积)用于涂敷涂层。专门通过CVD工艺、 专门通过PVD工艺或通过上述工艺的组合，涂层内的多个层能够被涂敷。
对于PVD工艺，在例如磁控溅射、电弧气相沉积(电弧-PVD)、离子镀、电子束沉积 的和激光烧蚀的工艺的各种变体之间做出了区别。磁控溅射以及电弧气相沉积被包括在最 常用于涂层刀具的PVD工艺中。在各个PVD工艺变体内，又有不同的改变，例如非脉冲的或 脉冲的磁控溅射或者非脉冲的或脉冲的电弧气相沉积等。
PVD工艺中的靶材能够包括纯金属或两种或多种金属的组合。如果靶材包括多种 金属，则那些所有的金属被同时合并入在PVD工艺中建立的涂层的层。
由于各个金属以比其他金属大的量从靶材中溶出并且/或者以比其他金属大的 量沉积在基底上，所以已经建立的层中金属相对于彼此的量比不仅将取决于靶材中金属的 量比，而且也取决于PVD工艺中的条件。
为了生产所给定的金属化合物，反应气体被输送到PVD工艺的反应腔，例如输送 氮气以生产氮化物，输入氧气以生产氧化物，输送含碳化合物以生产碳化物、碳氮化物、碳 氧化物等或者输送上述气体的混合物以生产对应的混合的化合物。
在PVD工艺中，所谓的偏置电势被通常地施加到将要涂敷的基底，以获得增长过 程以及原子迁移率所必需的表面能。对于正在增长的层，能量是获得晶体结构所必需的。当 使用PVD工艺涂敷绝缘层时，其涂敷于例如许多金属氧化物化合物，有效地施加的偏置电 势在增长过程期间减少，而依靠层材料的绝缘属性，层厚度增加，这恶化了层表面处的增长 条件并且另外最终导致专一地或主要地非晶结构增长。当使用直流偏置电势(DC偏压)或 脉冲直流偏置电势沉积绝缘层材料时，那些非晶结构是不可避免的但是是有害的，因为它 们具有比晶体层较差的材料属性，例如尤其是较差的耐高温性、较差的热力学稳定性、较低 的硬度等。
“表面与涂层技术(Surface & Coatings Technology) 202 Q007) ” 的第 876-883 页，Ramm, J.等人的文章"Pulse enhanced electron emission (P3e ) arc evaporation and the synthesis of wear resistant Al-Cr-Ocoatings in corundum structure，，描述 了通过脉冲电弧气相沉积(电弧-PVD)的氧化铝-氧化铬层的沉积。所述沉积层首先展现 混合的晶体结构，其随着朝表面层厚度的增长而变为无晶体结构。
“真空(Vacuum) 67 Q002) ”的第 477-483 页，Teixeira，V 等人的文章“D印osition of composite and nanolaminate ceramic coatings by sputtering，，描述了薄的氧化错/氧化铝层在纳米范围内通过磁控溅射的沉积。所述层展现了氧化锆的结晶部分，但是仅示 出氧化铝的非晶部分。
"J. Vac. Sc. Techn. A 24(2), March/April 2006” 的第 309-316 页，Trinh， D. H.等人的文章"Radio frequency dual magnetron sputtering deposition and characterization of nanocomposite Al2O3-ZrO2 thin films，，描述了非常薄的氧化,告 / 氧化铝层在纳米范围内通过磁控溅射的沉积，所述层展现了氧化锆的结晶部分，但没有氧 化铝的结晶部分。发明内容
本发明的目的是提供切削刀具，该切削刀具在现有技术之上进行了改进，特别是 给刀具提供了具有非常高的结晶比例的金属氧化物层的多层涂层。
根据本发明的目的通过这样一种切削刀具得到，所述切削刀具包括基体和涂敷到 基体的多层涂层，
所述多层涂层可能除了其他层外还包括彼此直接交替涂敷的多个主层A和中间 层B，
其中主层A和中间层B分别是通过PVD工艺产生的金属氧化物层，
主层A的厚度在4nm到Iym的范围内，并且
中间层B的厚度在2nm到50nm的范围内，
其中中间层B的厚度和主层A的厚度的比在1 2到1 100的范围内。
如已经在说明书的开始部分中阐明的，在使用PVD工艺的许多金属氧化物的沉积 中，由于它们的绝缘性质，有下述问题，施加的偏置电势随着增加的层厚度而减小，使得同 时，沉积层的结晶度变低并且非晶比例增加。这恶化了对于这样的涂层所期望的多种材料 属性。依照克服了该问题的本发明，在这里形成主层A的金属氧化物的主要材料的沉积中， 中间层材料的较薄的中间层B被插入。由于它的绝缘属性，在使用PVD工艺的沉积操作中， 主层材料A将随着增加的层厚度而失去越来越多的结晶度，并且逐渐地给出非晶结构。中 间层材料B被选择以使在沉积条件下，它在主层A上以晶体形式增长并且由此促进了主层 材料A的重新开始的结晶增长。
主层A的厚度在4nm到1 μ m的范围内，并且中间层B的厚度在2nm到50nm的范 围内。中间层B的厚度和主层A的厚度的比在1 2到1 100的范围内。因此，中间层B 相对于主层A非常薄。不需要的是各个层的厚度(就是说彼此相对的主层A的厚度以及彼 此相对的中间层B的厚度)在整个层上保持恒定。被中间层B互相分离的主层A能够具有 不同的层厚度，同样各个的中间层B也能够具有不同的厚度一样。将理解的是，主层A替代 地也可以全部具有相同的厚度，并且/或者中间层B可以全部具有相同的厚度。例如15nm 厚的氧化铝/氧化铬的主层A可以与3nm厚的氧化锆的中间层B交替并且可以被均一地以 晶体形式沉积，直到大于5 μ m的总层厚度。
在本发明的实施例中，主层A包括金属的氧化物或至少两种不同金属的氧化物， 所述金属从元素周期表的主族2和主族3以及副族1到副族8的金属中选择，优选从Al和 Cr中选择，并且所述氧化物特别优选从Cr氧化物、Al氧化物或AlCr混合氧化物(例如(Al， Cr) 203)中选择。5
在本发明的另一实施例中，中间层B包括金属的氧化物或至少两种不同金属的氧 化物，所述金属从Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta中选择，优选从Ir和Y中选择，并且所述氧化 物特别优选从ττ氧化物、Y氧化物或ZrY混合氧化物中选择。Ir氧化物的中间层B是相当 特别地优选的，因为即使在低的偏压下，它们仍然参与晶体增长。
不能总是保证主层A的完全结晶。即使在新的中间层B沉积之前用薄的主层Α， 在主层内也能够有沉积的化合物的晶体比例上的减少以及非晶比例的增加。本发明也涵盖 这样的切削刀具，但仅在主层A的主要比例是晶体的范围内。优选地，主层A的超过80体 积％是晶体，特别优选地，主层A的超过90体积％是晶体，并且相当特别优选地，主层A的 超过95体积％是晶体。
当沉积的金属氧化物化合物的晶体比例减少并且非晶比例增加时，由此存在有梯 度的减少的结晶度。优选地，就此而言，在主层A的沉积的开始阶段，也就是说例如直接随 后沉积到中间层B时，沉积的金属氧化物应该展现为几乎完全以晶体形式存在。随着主层 A的层厚度增加，结晶度能够在沉积操作期间减小，但是结晶度的减小不应该低于晶体金属 氧化物的80体积％，优选不低于85体积％。如果结晶度降低更多，则层厚度将不得不保持 更小，并且中间层B将不得不被较早沉积。
因此在优选的实施例中，本发明涵盖前述的种类的切削刀具，其中，在主层A内， 晶体形式的金属氧化物的比例在各主层A的总厚度上沿着从基底向外的方向减小，从在晶 体金属氧化物的100体积％到90体积％的范围内，优选在晶体金属氧化物的100体积％到 95体积％的范围内的比例减小到晶体金属氧化物的至少80体积％的比例，优选减小到晶 体金属氧化物的至少85体积％的比例。
沉积层中的照晶体金属氧化物的体积比例通过X射线测量确定，在该情况下，通 过掠入射X射线衍射(GIXRD)。这个标准的方法给出了关于试样中结晶度的半定量的信息， 其与X射线峰值的强度相关。另外，依照这个方法，能够以特定测量布置结构并且通过辐射 角的变化实施取决于深度的X射线结构分辨率。
在本发明的其他优选的实施例中，主层A的厚度在5nm到50nm的范围内，优选在 IOnm到30nm的范围内，并且/或者中间层B的厚度在3nm到15nm的范围内，优选在3nm到 8nm的范围内。
将通过本发明克服的主层A的金属氧化物材料的问题是材料在PVD沉积操作中随 着增加的层厚度失去结晶度，并且获得较高的非晶比例。何时非晶比例增加并且在涂层的 沉积中其增加到什么程度取决于多种不同参数，比如沉积层材料本身以及PVD沉积工艺中 的各种条件。因此，不可能从开始为每种材料以及为每种沉积工艺建立层厚度，因为从它开 始，中间层B再次被涂敷到沉积的主层A上，以停止或防止非晶结构的形成并且进一步促进 晶体增长。尤其是主层A的厚度的选择还取决于关于主层A的偏离纯晶体增长的所允许的 程度。在改变到非晶结构已经在低沉积厚度下开始的主层材料的情况中，当主层A具有比 以晶体形式增长到较大的层厚度的材料的情况中要小的厚度时，将已经需要涂敷中间层B。 然而，对于通过简单实验给出的材料和PVD工艺的组合，能够通过本领域中的技术人员而 确定为了上述目的所需要的理想的条件以及层厚度。一般说来，如果在中间层B跟随并且 由此促进其上面的主层A的重新开始的晶体增长之前，各个主层A具有较小的层厚度，则主 层材料在整个层上获得更高的结晶度。然而，主层A的厚度也不应该被选择得太小，使得中间层材料B的比例不应该太高并且不应变成整个层的决定成分，所述中间层材料B的比例 事实上基本意在起到在主层材料A的增长时获得晶体结构的作用。
优选地，中间层B的厚度和主层A的厚度的比在1 3到1 20的范围内，优选 地在1 4至IJl 8的范围内。
在本发明的优选的实施例中，主层A主要包括具有刚玉结构的混合晶体(Al， Cr) 203，并且/或者中间层B主要包括晶体&02。已经验证了许多其他金属氧化物或金属氧 化组合作为涂层对于金属切削加工太软。
所有已知的PVD工艺都适合于根据本发明的切削刀具的涂层的沉积。优选地，用 于主层A和中间层B的生产的PVD工艺从磁控溅射、电弧气相沉积(电弧-PVD)、离子镀、电 子束蒸发和激光烧蚀中选择。
在一实施例中，本发明的切削刀具的具有仅包括主层A和中间层B的涂层，所述主 层A和中间层B以直接互相叠置的关系交替涂敷到基体。替代地，涂层也包括在多个主层A 和中间层B上和/或下的其他层，所述主层A和中间层B以互相叠置的关系直接交替涂敷， 其中，涂层中那些额外的层从元素周期表的族IVa到族VIIa的元素的碳化物、氮化物、氧化 物、碳氮化物、氧氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化物、 硼氧氮化物、硼碳氧化物、硼碳氧氮化物、氧硼氮化物，以及/或者包括混合金属相的铝以 及/或者硅以及上述化合物的相混合物中选出。根据本发明的涂层中的合适的额外的层的 示例是TiAlN层、TiN层或TiC层。
在本发明的另一实施例中，包括多个主层A和中间层B的层具有1 μ m到20 μ m的 总厚度，优选为2 μ m至IJ 15 μ m，特别优选为3 μ m至Ij 10 μ m，相当特别优选为4 μ m至Ij 7 μ m，所述主层A和中间层B以互相叠置的关系直接交替涂敷。在过大的层厚度情况下，由于层中 的过高的机械应力，存在散裂的危险。
在本发明的另一实施例中，涂层具有1000到4000，优选大于1500，特别优选大于 2000的维氏硬度(Hv)。
根据本发明的切削刀具的基体期望地由硬质合金、金属陶瓷、钢或高速钢(HSS) 制成。
在本发明的另一实施例中，主层A和中间层B的金属氧化物具有相同的晶体结构， 所述主层A和中间层B以直接互相叠置的关系被交替涂敷。
本发明的新型的涂层打开了较宽广范围的可能的选择来改进以及/或者修改切 削刀具的耐磨性、使用寿命以及/或者切削属性，这是由于根据本发明晶体结构的金属氧 化物层能够被沉积，而其由于上述原因到目前为止具有较高非晶结构组分以及因此具有与 本发明的涂层不同的材料属性。
切削刀具上的涂层的耐磨性、耐久性和切削属性取决于多种因素，比如切削刀具 的基体的材料、工序、涂层中存在的层的性质和组分、各种层的厚度以及尤其是利用切削刀 具执行的切削操作的性质。依靠将被加工的工件的性质，各加工工艺以及加工操作期间的 其他条件，比如高温的产生或腐蚀性冷却液的使用，不同程度的耐磨性能够提供给一个以 及相同的切削刀具。另外，在各种磨损之间做出区别，取决于各加工操作，所述磨损能够影 响使用刀具的时间，也就是说影响它的使用寿命，到更大或更小的程度。因此，切削刀具的 发展以及其中的改进总是被考虑，关于此刀具属性将被改进，并且在对照的条件下将相对7于现有技术水平进行判定。
由根据本发明的涂层相对于现有技术的具有相同材料的涂层的改进的切削刀具 的基本属性是这样的涂层的硬度。根据本发明的涂层的显著地更大的硬度要归因于在根据 本发明的涂层下获得的高比例结晶度。通过PVD工艺涂敷的金属氧化物涂层依照现有技术 包括对照的层厚度，该涂层在结构中一般具有显著地更高的非晶比例，并且其有害地影响 了材料属性尤其是硬度。
使用根据本发明的涂层观察到的另一令人惊讶的效果是整个涂层的导热性下降。 当切削加工金属和复合材料时，意外地获得的涂层的导热性的下降在使用这样的切削刀具 中具有高度正面效果。降低的导热性导致改善的抗热冲击性以及由此对梳状裂纹的提高的 抵抗力。
根据本发明的涂层相对于现有技术水平中的涂层的降低的导热性的原因尚未被 准确地澄清。假设的是降低的导热性能够归因于集成进涂层的中层间B。现在正在进行的 使用不同的涂层材料的进一步试验应该能给出关于导致降低的导热性的机理的更多准确 的信息。
不言而喻的是，如针对根据本发明的实施例在此描述的所有各个的特征在技术地 可变的以及可能的范围内能够和所有其他根据本发明的实施例的描述的特征组合，并且这 样的组合被认为是在说明书的上下文中被公开。所有可能的组合的各个的识别在此被省 略，且仅仅为了更好的可读性。
本发明的其他优势、特征以及实施例通过下文中的示例描述。
示例
在PVD涂层设施(Flexicoat ;Hauzer Techno Coating)中，硬质合金基底成分设 置有多层PVD涂层。基底几何形状是SEHW120408和ADMT160608-F56 (依照DIN-ISO 1832)。 在层沉积前，设施被抽真空到1χ10_5毫巴并且硬质合金表面通过离子蚀刻、使用170V偏置电压清洁。
示例1
主层 A (Al，Cr),0,
-PVD工艺电弧气相沉积(电弧-PVD)
-靶材Al/Cr (70/30At. % )，圆的源(63mm 直径)
-沉积温度600°C ；蒸发电流80安培；
PaO2压力，
100V基底偏置电压，DC脉冲70kHz
中间层B :Zr02
-PVD工艺电弧气相沉积(电弧-PVD)
-靶材Zr圆的源(63mm直径)
-沉积温度600°C ；蒸发电流80安培；
PaO2压力，
100V基底偏置电压，直流脉冲70kHz
-层厚度主层 A :150nm(Al, Cr) 203
中间层 B :10nm ZrO2
主层A和中间层B的总层大约5 μ m
对比例1
像示例1但是不沉积中间层B。
依照根据本发明的示例1，主层A被交替地以150nm的厚度沉积并且其间的中间层 B以IOnm的厚度沉积，从而在基底本体上给出大约5μπι的整体层厚度。调查显示，所有层 中的总涂层具有在整个层厚度的大于95体积％的均一的高结晶度。
在对比试验(对比例1)中，使用和示例1 一样的相同工艺，仅有主层材料Α(Α1， Cr) A而没有中间层被沉积。涂层首先在包括刚玉结构的混合晶体中以晶体的形式增长。 当从大约2 μ m的层厚度开始，层逐渐地变得无晶体结构，并且在大约4 μ m之后是X射线非 晶体并且进一步保持无结构。
依照本发明在示例1中涂敷的晶体层的测量到的维氏硬度大约是2000HV，然而在 高非晶体组分下涂敷在对比例1中的层仅具有大约IOOOHV的硬度。
另外，依照本发明在示例1中涂敷的层展现了比依照对比例1被沉积的没有中间 层B的层显著地低的导热性。
在包括42CrMoV4钢(强度850MPa)的工件上的铣削试验中，示例1和对比例1的 切削刀具被进行了比较。对于那些试验，在氧化物的主层和中间层材料被涂敷之前，基底首 先设置有3 μ m厚的TiAlN涂层。铣削在没有冷却润滑剂的情况下以下切模式进行，切削速 度Vc = 236米/分钟，齿进量f2 = 0. 2mm。
在铣削行进了 4800mm后，在间隙表面上测量磨损，作为平均磨损标记宽度VB (在 主切削刃处)，单位为mm。发现了下面的磨损标记宽度VB
磨损标记宽度VB
示例 1 0. 12mm
对比例1:0.20mm
权利要求
1.一种切削刀具，包括基体和涂敷到所述基体的多层涂层，所述多层涂层可能除了其他层外还包括彼此直接交替涂敷的多个主层A和中间层B，其中所述主层A和所述中间层B分别是通过PVD工艺产生的金属氧化物层，所述主层A的厚度在4nm到1 μ m的范围内，并且所述中间层B的厚度在2nm到50nm的范围内，其中所述中间层B的厚度与所述主层A的厚度的比在1 2到1 100的范围内。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，所述主层A包括金属的氧化物或至 少两种不同金属的氧化物，所述金属从元素周期表的主族2和主族3以及副族1到副族8 的金属中选择，优选从Al、Cr中选择，并且所述氧化物特别优选从Cr氧化物、Al氧化物或 AlCr混合的氧化物中选择，相当特别优选为(Al，Cr)203。
3.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述中间层B包括金属 的氧化物或至少两种不同金属的氧化物，所述金属从Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta中选择，优 选从ττ和Y中选择，并且所述氧化物特别优选从ττ氧化物、Y氧化物或ZrY混合的氧化物 中选择。
4.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述主层A的主要比例 是晶体，优选所述主层A的超过80体积％是晶体，特别优选所述主层A的超过90体积％是 晶体，以及相当特别优选所述主层A的超过95体积％是晶体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，在主层A内，晶体形式的 金属氧化物的比例在相应主层A的总厚度上沿着从所述基底向外的方向上减小，从在晶体 金属氧化物的100体积％到90体积％的范围内的比例，优选从在晶体金属氧化物的100体 积％到95体积％的范围内的比例减小到晶体金属氧化物的至少80体积％的比例，优选减 小到晶体金属氧化物的至少85体积％的比例。
6.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述主层A的厚度在5nm 到50nm的范围内，优选在IOnm到30nm的范围内，并且/或者所述中间层B的厚度在3nm 到15nm的范围内，优选在3nm到8nm的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述中间层B的厚度和 所述主层A的厚度的比在1 3到1 20的范围内，优选在1 4到1 8的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述主层A主要包括具 有刚玉结构的混合晶体(Al，CiO2O3，并且/或者所述中间层B主要包括晶体&02。
9.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，用于产生所述主层A和 所述中间层B的所述PVD工艺从i)rMS、ii)电弧气相沉积(电弧_PVD)、iii)离子镀、iv) 电子束气相沉积、以及ν)激光烧蚀中选择。
10.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，除了以直接互相叠置的 关系交替涂敷的多个主层A和中间层B外，所述涂层包括其他层，所述其他层从元素周期 表的族IVa到族VIIa的元素的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、碳氧化物、碳 氧氮化物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化物、硼氧氮化物、硼碳氧化物、硼碳氧氮化 物、氧硼氮化物以及/或者包括混合金属相的铝以及/或者硅以及上述化合物的相混合物 中选出。
11.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，在所述涂层中，以直接互相叠置的关系交替涂敷的所述多个主层A和中间层B具有1 μ m到20 μ m的总厚度，优选 为2 μ m至到 15 μ m，特别优选为3 μ m到 10 μ m,相当特别优选为4 μ m到 7 μ m的总厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述涂层具有1000到 4000，优选大于1500，特别优选大于2000的维氏硬度(Hv)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述基体被包括硬质合 金、金属陶瓷、钢或高速钢(HSS)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的切削刀具，其特征在于，以直接互相叠置的关系 交替涂敷的所述主层A和中间层B的金属氧化物具有相同的晶体结构。
全文摘要
本发明涉及一种切削刀具，该切削刀具包括基体和涂敷到基体的多层涂层，所述多层涂层可选地除了其他层外还包括彼此直接交替涂敷的多个主层A和中间层B，其中主层A和中间层B分别是通过PVD工艺产生的金属氧化物层，主层A的厚度在4nm到1μm的范围内，并且中间层B的厚度在2nm到50nm的范围内，且中间层B的厚度和主层A的厚度的比在1∶2到1∶100的范围内。
文档编号C23C28/04GK102037151SQ200980118083
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月31日
发明者沃尔夫冈·恩格哈特, 法伊特·席尔 申请人:瓦尔特公开股份有限公司