带涂层的切削工具及其制造方法
【专利说明】带涂层的切削工具及其制造方法
[0001] 本发明涉及制造具有基体和采用溅射工艺施加到所述基体的涂层的带涂层的切 削工具的方法。此外，本发明涉及切削工具，以及该切削工具用于切削加工金属和金属合金 的用途，该切削工具可通过根据本发明的方法获得。
[0002] 用于切削加工金属和金属合金（诸如钢和铸铁）的切削工具，通常由基体和施加 到基体的涂层构成，所述涂层可包括由硬材料诸如氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氮化铝钛和/ 或氧化铝制成的一个或多个层。涂层用于使切削刀片更硬和/或更耐磨，并改善切削性能。 CVD法（化学气相沉积）和PVD法（物理气相沉积）用于施加涂层。
[0003] 电弧蒸镀（电弧-PVD)和阴极溅射特别被称为PVD法。在溅射期间，由于靶被来 自等离子体的高能离子轰击，原子从阴极金属（靶）射出，然后沉积在布置于靶附近的基底 上。然后，在存在反应气体的情况下，来自靶原子和反应气体的反应产物形成于基底上。惰 性气体诸如氩气通常用作溅射气体，以生成等离子。
[0004] PVD法通常用于沉积氮化钛和氮化铝钛。铝的添加增加了氮化钛涂层的硬度和耐 氧化性。可掺杂有另外的化学元素如硅以改善涂层性能的无钛涂层如AlZrN的使用是已知 的。
[0005] 带有氧化铝的切削工具的涂层通常使用CVD法完成。氧化铝具有非常好的耐氧化 性，并且通常表现出高的红热硬度和低的导热率。因此，具有由氧化铝制成的涂层的切削工 具非常适于干式加工和/或加工特种合金诸如来自钛和/或镍的合金。为改善氧化铝涂层 与切削工具基体的粘附性，可使用氮化铝钛底层。
[0006] 用于沉积硬质氧化铝涂层的PVD法为人所知时间不过数年。这些PVD法需要使用 电压脉冲阴极，以防止金属靶被不导电氧化铝污染。例如，此类方法由DE 195 18 779 Cl 已知。根据该方法，两个具有铝靶的磁控管雾化源连接至正弦波发生器，以生成氧化铝涂 层，使得两个具有20和IOOkHz之间的脉冲变化频率的雾化源择一地作为溅射构造的阳极 和阴极。
[0007] 关于由DE 195 18 779 Cl已知的溅射方法，纯氧用作反应气体。纯氧用作反应气 体可导致靶聚集有氧化物涂层，从而导致飞弧（flashover)和处理不稳定性，尽管有金属 阴极的电压脉冲操作。因此，当通过溅射沉积氧化铝时，确定所谓的涂层系统操作点。操作 点理解为靶的氧化物涂层聚集以及相关的涂布速度的大幅降低出现之前仍然允许的氧气 流量。操作点的确定需要明确涂布期间控制反应气体流量的至少一个控制变量。
[0008] US 2010/0183900 Al公开了高性能脉冲磁控管溅射设备（HIP-MS)的用途，该设 备可用于防止靶表面的氧化物聚集。根据该方法，功率密度大于200W/cm2、脉冲持续时间最 多100 μ sec以及重复频率为IOOHz的HIP-MS放电在一个或多个阴极处实施。氩气和氧 气以及任选的氮气和烃的混合物用作反应气体。
[0009] EP 1 097 250 Bl描述了通过双极脉冲双磁控管溅射沉积包含γ-氧化铝的涂 层，在沉积期间调整反应气体流，使得磁控管放电的阻抗在完全覆盖氧化物的靶电极之间 的放电阻抗的150%和250%之间。
[0010] CA 2059532涉及基底上透明氧化物涂层的制备，尤其是包含氧化钛和氧化锌的涂 层的制备。氧化物涂层的制备在使用一氧化二氮作为反应气体的组分时通过直流操作期间 的反应性溅射进行。用于金属加工领域中应用的硬涂层的创造未见公开。
[0011] EP 1 762 638 A2和EP 1 762 637 A2公开了多层涂层，其使用PVD法施加到硬 金属基底。该涂层具有包含氮化铝钛的底层，其上的PVD氧化铝涂层、包含氮化铝钛和氧 化铝交替层的多层涂层以及由氮化锆制成的覆盖层。此类涂层构造是已知的，例如，由US 2011/0268514 Al 已知。
[0012] EP 1 717 346 A公开了具有基体和通过PVD法施加的氧化物涂层的切削工具，其 中氧化物层包含至少两种不同的金属Ti、Nb、V、Mo、Zr、Cr、Al、Hf、Ta、Y或Si的氧化物，所 述氧化物可以单相或以上述金属的两种或更多种氧化物的混合氧化物存在。
[0013] US 2010/183884 A描述了具有基体和通过PVD法施加到基体的涂层的切削工具， 所述涂层包括至少一层由单相亚稳态和至少元素周期系的IV、V、VI副族的元素，以及铝和 硅的三元氧化物制成的层。
[0014] 与该现有技术相比，本发明旨在通过提供制造具有包括含氧化物的硬质物质的单 层或多层涂层的切削工具的简便方法来解决问题，其中所述方法还应能够在足够的涂布速 度时使最灵活地调整涂层性能成为可能。
[0015] 此问题通过具有权利要求1的特征的方法解决。
[0016] 优选的实施例在从属权利要求中指出，所述从属权利要求可根据需要彼此组合。
[0017] 此外，本发明的主题是可通过根据本发明的方法获得的切削工具，以及该切削工 具用于切削加工金属和金属合金，尤其是钢、铸铁和基于镍和/或钛的特种合金的用途。
[0018] 根据本发明的用于制造带涂层的切削工具的方法包括采用PVD法将具有至少一 个氧化物层的涂层施加到基体，其中所述方法包括以下步骤：
[0019] 在存在反应气体的情况下，电压脉冲派射（voltage-pulsed sputtering)至少一 种阴极金属，所述阴极金属选自镁、铝、钪、钇、硅、锌、钛、锆、铪、铬、铌、钽，以及它们的混合 物和合金；和
[0020] 沉积至少一个氧化物层至所述基体上，所述氧化物层通过所述反应气体与溅射的 阴极金属反应形成，
[0021] 其中阴极金属至少包括铝，
[0022] 其中一氧化二氮，任选地在与氮的混合物中，用作反应气体，并且
[0023] 其中所述至少一个氧化物层以所述至少一种阴极金属的氧化物、混合氧化物或氧 化物混合物，任选地在与一种或多种所述阴极金属的氧氮化物的混合物中的形式形成。
[0024] 此外，本发明的主题是具有基体和带有一个或多个氧化物层的涂层的切削工具， 其可根据上述方法获得，以及将以此种方式涂层的切削工具用于切削加工金属和金属合 金，尤其是钢、铸铁、镍合金和钛合金的用途。
[0025] -氧化二氮用作反应气体允许在PVD法的简化条件下使用电压脉冲溅射制备氧 化硬质层。另一方面，与纯氧相比，处理一氧化二氮的要求不苛刻。而另一方面，氧化物沉 积的操作点的控制可通过阴极电压或基底偏压在更广泛的范围内完成，因为靶的不导电金 属氧化物的聚集显著减少。当制备具有氧化物涂层和氮化物涂层的交替层的多层涂层时， 操作点的控制甚至可完全省略。此外，在氮化物涂层沉积之前，在这种情况下不再需要洗涤 靶，因为氧化物的聚集可忽略不计。同样，在调整方法中，氧化物层聚集的涂层室的内表面 不再需要覆盖导电（氮化物）涂层，而根据现有技术它是氧化物的电弧蒸镀尤其需要的。
[0026] 基体优选选自硬质金属、金属陶瓷、立方晶型氮化硼、钢和陶瓷。优选地，基体是烧 结硬质金属，特别优选地是钴结合的碳化钨，任选地添加有另外的立方晶型碳化物，诸如碳 化钛、碳化铌和碳化钽。
[0027] 施加到基体的涂层可包括优选地厚度为1至5 μ m的氮化铝钛TipxAlxN构成的底 层。氮化铝钛底层改善了涂层中其他层到基体的粘附，另外，增强带涂层的切削主体的耐磨 性。
[0028] 氮化铝钛底层可使用已知的PVD法施加到基体。在金属部分（TipxAl xN，其中 0. 5 < X