專利名稱：：有涂層的切削工具及其制造方法有涂層的切削工具及其制造方法
背景技術：
：本發(fā)明涉及有涂層的切削工具。更具體來說，本發(fā)明涉及帶有四元合金Ti-Si-C-N抗磨涂層的有涂層的切削工具，該涂層使用物理氣相沉積與導入反應性氣體相結(jié)合的方法作為將Si連續(xù)摻入涂層的方法，沉積在切削工具上。現(xiàn)代的高生產(chǎn)率金屬切片機需要具有髙抗磨性、良好韌性和對塑性變形的優(yōu)良抗性的可靠的工具。到目前為止，這是通過在工具基材的表面施加適合的涂層來實現(xiàn)的。因此，工具可以以相當高的切削速度和進料速度使用。涂層優(yōu)選堅硬、耐磨，并在高溫下穩(wěn)定。工具基材一般為夾在工具夾具中的刀片的形狀，但是也可以采用整體鉆頭或銑刀的形式。切削工具一般針對具體的應用領域，根據(jù)對工具的特定要求、例如對模具磨損的高度抗性、對側(cè)面磨損的高度抗性等進行最適化。但是，通過改進一種或幾種性質(zhì)而不損失其它性質(zhì)來擴展應用領域，是非常理想的。物理氣相沉積(PVD)是一種已知的用于穩(wěn)定化合物的薄膜生長的技術。在金屬切削工業(yè)中，包含例如TiN、Ti(C,N)和(Ti，Al)N層的PVD涂層屬于最常見的。金屬從靶中的蒸發(fā)，通過在含有氮或碳的反應性氣體中的電弧或離子轟擊來實現(xiàn)。在很多情況下，靶具有與最終的層相同的金屬組成。Ma等(ThinSolidFilms496(2006),第438-444頁)和(Surface&CoatingsTechnology200(2005),第382-386頁)公開了使用等離子體增強的化學氣相沉積從TiCVSiCVH2/N2/CH2/Ar混合物將Ti-Si-C-N涂層沉積在高速鋼基材上，其中特別評估了沉積的涂層的硬度性能。Jeon等(SurfaceandCoatingsTechnology188-189(2004)，第415-419頁)公開了通過弧離子鍍(AIP)和DC磁控濺射技術相結(jié)合的混合系統(tǒng)，在Ar/N2/CH4氣體混合物中使用Ti和Si靶，在WC-Co基材上沉積的Ti-Si-C-N涂層。H.Xu等(Surface&CoatingsTechnology201,2006，第4236-4241頁)公開了在等離子體增強的磁控濺射工藝中使用三甲基硅垸在不銹鋼基材上沉積了厚的Ti-Si-C-N涂層。進行了銷盤試驗以評估鋁和相應的氧化鋁的摩擦性質(zhì)。發(fā)明目的和概述本發(fā)明的目的是提供用于切片機、具有改進的抗磨性、帶有PVD涂層的切削工具。本發(fā)明提供了用于金屬機械加工的切削工具，它包含燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料構成的切削工具基材，以及抗磨涂層，其中抗磨涂層含有PVDTi-Si-C-N層。本發(fā)明的另一個目的是提供生產(chǎn)帶有PVD涂層的切削工具的方法，該切削工具用于切片機，具有改進的抗磨性。本發(fā)明的另一方面，提供了制造用于金屬機械加工的切削工具的方法，其中方法包括通過使用一種或多種Ti靶，并在反應性氣體環(huán)境中加入三甲基硅垸迸行弧蒸發(fā)，在燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料構成的切削工具基材上沉積PVDTi-Si-C-N層。附圖簡述5圖1顯示了本發(fā)明的示例性的帶涂層切削工具的掃描電子顯微鏡照片，其中A)Ti-Si-C-N涂層B)切削工具基材圖2示意性地顯示了本發(fā)明的弧蒸發(fā)設備的示例性的靶構造，其中A)鈦靶B)基材夾具C)真空系統(tǒng)，氣體入口優(yōu)選實施方案詳述根據(jù)本發(fā)明，提供了用于金屬機械加工，例如車削、銑削和鉆孔的切削工具，它包含燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料，例如立方氮化硼或鉆石，優(yōu)選為燒結(jié)碳化物構成的基材，以及含有PVDTi-Si-C-N層的堅硬抗磨的耐髙溫涂層。優(yōu)選情況下，PVDTi-Si-C-N層的厚度在用于金屬切削工具的PVD功能層的常見厚度的范圍內(nèi)，即適宜地為1到10pm，優(yōu)選為2到7最優(yōu)選為2到5pm。涂層還可以包含其它的層，例如基材與PVDTi-Si-C-N層之間的薄的粘合層，例如TiN，或最外部的用于磨損檢測或著色目的的層，但是，沉積的涂層的總厚度將不超過11優(yōu)選不超過8pm，以避免剝落。在一個實施方案中，涂層包含由例如TiN構成的薄的、優(yōu)選0.2到1pm厚的起始層，以及優(yōu)選2到5pm厚的單一的Ti-Si-C-N功能層，可能還含有由例如TiN構成的薄的、優(yōu)選0.2到1pm厚的最外部的著色或磨損檢測層。Ti-Si-C-N涂層的組成，當以Si相對于Ti的量、即Si/(Si+Ti)原子比計時，適宜地為0.03至U0.25，優(yōu)選為0.045到0.22。已發(fā)現(xiàn)，較低的比率導致側(cè)面磨損抗性的損失，而較高的比率導致層太脆，引起模具磨損抗性的損失。就C相對于N的組成、即C/(C+N)原子比來說，適宜地為0..05到0.25，優(yōu)選為0.1到0.2。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當?shù)陀谶@些值時，獲得的硬度降低，導致不能接受的側(cè)面磨損抗性。另一方面，太高的C含量，導致殘余的壓縮應力水平過高，切削性能低劣。此外，優(yōu)選情況下，Ti-Si-C-N層的殘余應力，當在(220)-方向測量時，適宜地為-3.0GPa(壓縮應力)到最髙+0.5GPa(拉伸應力)。所述的Ti-Si-C-N涂層的硬度可以在20到40GPa的范圍內(nèi)。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不可能通過研究涂層的硬度預測在金屬機械加工中的性能。結(jié)果顯示，涂層硬度的增加不會自然導致抗磨性的增加。在本發(fā)明的一個實施方案中，所述PVDTi-Si-C-N層具有0.05到0.15的Si/(Si+Ti)原子比，殘余應力為-2,0GPa(壓縮應力)到最高+0.5GPa(拉伸應力)。令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，這樣的切削工具既具有對模具磨損的高度抗性，又具有對側(cè)面磨損的高度抗性。本發(fā)明的示例性金屬切削工具是夾在工具夾具中的銑削、車削、鉆孔或套絲刀片，但是也可以采取整體鉆頭、銑刀或螺紋絲錐的形式。根據(jù)本發(fā)明，提供了制造用于金屬機械加工的切削工具的方法，包括通過在沉積過程中將PVD弧蒸發(fā)技術與加入三甲基硅烷氣體相結(jié)合，在燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料，例如立方氮化硼或鉆石，優(yōu)選為燒結(jié)碳化物構成的基材上沉積堅硬抗磨的耐髙溫PVDTi-Si-C-N層，同時能夠連續(xù)地控制硅成分的摻入，并能夠連續(xù)地控制所述Ti-Si-C-N涂層的殘余應力。7優(yōu)選情況下，沉積的PVDTi-Si-C-N層的厚度在用于金屬切削工具的PVD功能層的常見厚度的范圍內(nèi)，即適宜地為1到10pm，優(yōu)選為2至!]7nm，最優(yōu)選為2到5pm。在弧蒸發(fā)工藝方法中，為了沉積Ti-Si-C-N層，使用了一個或多個Ti耙，并同時以質(zhì)量流量控制器控制下的恒定流速加入三甲基硅烷氣體(CH3)3SiH。作為一個重要特征，本方法允許連續(xù)地控制沉積的涂層的原料組成，特別是Si的濃度，并同時利用了上述弧蒸發(fā)工藝方法的益處。優(yōu)選情況下，加入的三甲基硅烷氣體是沉積工藝中唯一的Si源。適合情況下，沉積工藝在基材溫度為400到600。C之間時進行。沉積前的基本壓力應該低于50^Pa，適合的Ar濺射氣體流量在0到500sccm的范圍內(nèi)。反應性氣體例如N2和三甲基硅垸通過共同的入口或通過獨立的入口通入。適合的N2流量在500到1000sccm的范圍內(nèi)。通過改變?nèi)谆枸臍怏w流量，有可能控制得到的涂層中Si和C含量方面的組成?；耐ㄟ^電勢差與沉積室壁相連，該電勢被稱為基材偏壓。適合的基材偏壓在-50到-150V的范圍內(nèi)。通過改變基材偏壓，可以控制得到的涂層的殘余應力；基材偏壓增加，殘余壓縮應力增加。實施例1樣品1-4(本發(fā)明)將ISO類型CNMG120408的用于車削的燒結(jié)碳化物刀片進行清潔，并按照下面的步驟進行PVD涂層工藝，該刀片含有10wt-%Co、0.39wt-%Cr，其余為WC，硬度為1600HV3。將刀片裝入反應性弧蒸發(fā)類型的PVD設備倉室中，該倉室含有四種金屬蒸發(fā)源，排列成兩對。將刀片進一步進行三重旋轉(zhuǎn)，以便對它們進行均勻涂層。蒸發(fā)源都具有Ti靶。將倉室抽空，然后進行加熱和等離子體蝕刻步驟，以便進一步清潔工具，并通過從刀片表面除去過量的粘合劑相來調(diào)制它們的表面。通過金屬蒸發(fā)，同時維持涂層機中氮的分壓，在450'C溫度下沉積了一薄層TiN粘附層。接下來，通過在混合的氬氣、氮氣和三甲基硅烷環(huán)境中對四個Ti靶進行弧蒸發(fā)，沉積了抗磨的Ti-Si-C-N層。在工藝方法中引入氬氣是為了避免Ti靶的中毒。已發(fā)現(xiàn)，大約100-400sccm的氬氣流量是有利的，盡管工藝方法在氬氣流量為0時也能令人滿意地工作。對基材偏壓水平進行選擇，以獲得具有低的壓縮應力的致密涂層?？鼓拥某练e溫度是450'C。詳細情況在表l中給出。表1、樣品1-4(本發(fā)明)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>不同涂層的分析結(jié)果顯示在表2中。Si/(Si+Ti)和C/(C+N)比率通過電子探針微量分析(EPMA)進行測定。平均化學組成使用裝備有波長色散光譜儀的JEOLJXA-8900R，通過EPMA進行測定，加速電壓為10kV，探針電流為10nA。Ti、Si和C的含量通過分析獲得，而N的含量通過測量到的Ti、Si和C含量的總和與100°/。之間的差來估算。測量在刀片的后角一側(cè)(clearanceside)距離切削邊緣2mm以內(nèi)進行。X-射線衍射技術，更具體來說sin方法(I.C.Noyan，J.B.Cohen,ResidualStressMeasurementbyDiffractionandInterpretation,《通過存亍身寸測量殘余應力及數(shù)據(jù)分析》，Springer-Verlag,NewYork,1987(第117-130頁))，被用于測定抗磨層中的殘余應力。CSEM納米硬度測試儀被用于測定涂層的硬度。通過使用50mN的負載，對于所有涂層來說，來自基材的貢獻被當作是非常小或沒有。在兩種不同的車削應用中測量了模具和側(cè)面磨損抗性。在第一種測試中評估了模具磨損抗性。在該測試中，加工材料是滾珠軸承鋼。切削速度是160m/min。進料速度是0.3mm/rev，切削深度為2.0mm。壽命被定義為在切削中直到切口區(qū)域變成大得足以達到切削刃所需的分鐘數(shù)。在第二種測試中評估了側(cè)面磨損抗性。在這種情況下，球墨鑄鐵被用作加工材料。切削速度是200m/min。進料速度是0.1mm/rev，切削深度為2.0mm。切削時間是2min。然后，檢查刀片的側(cè)面，并確定切削刃被磨損的比例。表2、樣品1-4(本發(fā)明)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表2可以清楚看出，有可能對工具的模具磨損或側(cè)面磨損抗性進行最適化。樣品5-10(本發(fā)明)將與樣品1_4具有同樣組成和ISO類型的刀片進行清潔，并按照樣品l-4中的描述進行PVD涂層工藝。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>含有交替的TiN和AlQ.5TiQ.5N層的PVD片層。每個單獨的TiN或Alo.5Tio.sN層的厚度是0.1-20nm。通過SEM-EDS測量的多個層的平均組成是AlQ.I5TiQ.85N。樣品12，是代表了當前工藝技術水平的市售可得的產(chǎn)品，特別適用于堅硬的加工材料，例如HRSA和鎳鉻鐵合金(Inconel)，它涂有3.9pm的PVD涂層，其組成通過SEM-EDS測量為AlQ.67TiQ.33N。對樣品11和12進行了與樣品1-4相同的兩種機械加工測試，結(jié)果顯示在表5中。表5、樣品11和12的結(jié)果(現(xiàn)有技術)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>樣品11和12分別代表了被專門開發(fā)用于需要髙的模具磨損抗性和高的側(cè)面磨損抗性的應用的切削工具刀片，這也被上面的結(jié)果證實了。將這些結(jié)果與表4樣品5-10的本發(fā)明的實施方案的結(jié)果進行比較，清楚地顯示了顯著的效果，其中對模具磨損的髙抗性和對側(cè)面磨損的高抗性，二者結(jié)合在單一的切削工具中。權利要求1.一種用于金屬機械加工的切削工具，含有燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料構成的切削工具基材，以及抗磨涂層，其特征為抗磨涂層含有PVDTi-Si-C-N層。2.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述PVDTi-Si-C-N層具有0.03到0.25的Si/(Si+Ti)原子比。3.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述PVDTi-Si-C-N層具有的殘余應力為-3.0GPa的壓縮應力，到最高+0.5GPa的拉伸應力。4.權利要求l的切削工具，其特征為所述PVDTi-Si-C-N層具有0.05到0.15的Si/(Si+Ti)原子比，和殘余應力為-2.0GPa的壓縮應力，到最高+0.5GPa的拉伸應力。5.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述PVDTi-Si-C-N層具有0.05到0.25的C/(C+N)原子比。6.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述切削工具基材是燒結(jié)碳化物的切削工具基材。7.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述工具是切削工具刀片。8.前述權利要求任何一項的切削工具，其特征為所述工具是整體鉆頭、銑刀或螺紋絲錐。9.用于金屬機械加工的切削工具的制造方法，其特征為包括通過使用一種或多種Ti靶，并在反應性氣體環(huán)境中加入三甲基硅烷進行弧蒸發(fā)，在燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料構成的切削工具基材上沉積PVDTi-Si-C-N層。全文摘要本發(fā)明涉及具有改進的磨損性質(zhì)的用于金屬機械加工的切削工具，它包含燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料構成的切削工具基材，以及抗磨涂層，其中抗磨涂層含有PVDTi-Si-C-N層，還提供了制造該切削工具的方法。方法包括將夾在基材夾具(B)中的待涂層工具裝在PVD倉室中，使用一種或多種Ti靶(A)進行弧蒸發(fā)。將三甲基硅烷氣體加入到倉室的反應性氣體環(huán)境中。文檔編號C04B41/87GK101688314SQ200880012684公開日2010年3月31日申請日期2008年4月18日優(yōu)先權日2007年4月18日發(fā)明者安德烈亞斯·赫丁,馬茨·阿爾格倫申請人:山特維克知識產(chǎn)權股份有限公司