專(zhuān)利名稱(chēng)：切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切削工具，該切削工具具有基底主體以及涂敷于基底主體的單層涂層或多層涂層，其中，涂層中至少一層為在PVD工藝或CVD工藝中制成的金屬氧化物層。
背景技術(shù)：
切削工具包括例如由金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼制成的主體。單層涂層或多層涂層通常被涂敷于主體以延長(zhǎng)使用壽命，或者另外用以提高切削性能。此涂層例如包括金屬硬質(zhì)材料層、氧化物層等等。CVD工藝(化學(xué)氣相沉積)和/或PVD工藝(物理氣相沉積)被用來(lái)涂敷涂層?？蓡为?dú)利用CVD工藝、單獨(dú)利用PVD工藝或者通過(guò)這些工藝的組合來(lái)涂敷涂層中的多層。對(duì)PVD工藝而言，以下這些工藝，如磁控濺射、電弧氣相沉積(電弧PVD)、離子電鍍、電子束氣相沉積和激光燒蝕中的各種變形之間存在差異。磁控濺射和電弧氣相沉積被認(rèn)為是對(duì)工具進(jìn)行涂覆最常用的PVD工藝。在各種PVD工藝變形中，反之也存在不同的改型，例如非脈沖或脈沖磁控濺射，或者非脈沖或脈沖電弧氣相沉積。PVD工藝中的靶材能夠包括純金屬或者兩種或更多種金屬的組合。如果靶材包括多種金屬，則將所有的金屬同時(shí)加入在PVD工藝過(guò)程中堆積成的涂層中。堆積成的層內(nèi)的金屬之間的定量比值將取決于靶材中的金屬的定量比值，而且還取決于PVD工藝中的條件，其原因是與其它金屬相比，更高量的各種金屬在特定條件下從靶材溶出并且/或者沉積在基底上。除了純金屬以外，靶材中也采用金屬的氧化物、氮化物、碳化物形式或其混合物。為制造給定的金屬化合物，將反應(yīng)氣體供給至PVD工藝的反應(yīng)室，例如供給用于制造氮化物的氮?dú)?、用于制造氧化物的氧氣、用于制造碳化物、碳氮化物、氧碳化物等的含碳化合物等，或者供給那些氣體的混合物，用以制造相應(yīng)的混合化合物。在PVD工藝中，通常將所謂的偏壓電勢(shì)施加給將被涂覆的基底，從而實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)過(guò)程所必需的表面能，并因此而實(shí)現(xiàn)原子遷移。該能量為實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)層中的晶體結(jié)構(gòu)所必需的。 在采用施加例如大量氧化金屬化合物的PVD工藝施加絕緣層時(shí)，由于層材料的絕緣性質(zhì)的原因，有效施加的偏壓電勢(shì)在生產(chǎn)過(guò)程中因?qū)雍裨黾佣鴾p小，這使得層表面的生長(zhǎng)條件劣化，此外最終會(huì)導(dǎo)致獨(dú)有地或主要地生長(zhǎng)出非晶結(jié)構(gòu)。Ramm, J.等人在《Surface and Coatings Technology))202 (2007)中第 876-883 頁(yè)發(fā)表白勺〈〈Pulse enhanced electron emission(P3e )arc evaporation and the synthesis of wear resistant Al-Cr-O coatings in corundum structure))中闡述了通過(guò)脈沖電弧氣相沉積(電弧PVD)的氧化鋁-氧化鉻層的沉積。沉積層首先呈現(xiàn)出混合晶結(jié)構(gòu)。Teixeira, V.等人在《Vacuum》67 (2002)中的第 477-483 頁(yè)發(fā)表的((Deposition of composite and nanolaminate ceramic coatings by sputtering))中 1 !^ 石茲β! 濺射在納米范圍內(nèi)的薄氧化鋯/氧化鋁層的沉積。這些層呈現(xiàn)出氧化鋯的晶體成分，但僅呈現(xiàn)出氧化鋁的非晶成分。
Trinh, D. H.等人在 2006 年 3 月 /4 月版的《J. Vac. Sc. Techn))的 A 24(2)中在第 309—316 頁(yè)發(fā)表白勺"Radio frequency dual magnetron sputtering deposition and characterization of nanocomposite Al2O3-ZrO2 thin films，，中說(shuō)明了通過(guò)磁控減身寸在納米范圍內(nèi)的極薄氧化鋯/氧化鋁層的沉積，其呈現(xiàn)出了四方氧化鋯的晶體成分，但只呈現(xiàn)出氧化鋁的非晶體成分。W0-A-2007/121%4描述了通過(guò)磁控濺射在基底上的硬質(zhì)材料層的生產(chǎn)，其中，該硬質(zhì)材料層包含金屬元素Al、Cr和Si，以及從B、C、N和0組合中選擇的非金屬元素。非金屬元素中的氧的原子比例大于30%。硬質(zhì)材料層優(yōu)選地包含Al-Cr-Si-O系中的晶相和/ 或混合相?？臻g組Fd;3m的立方相以及空間組R-3C的六方相均能被形成。EP-A-I 029 105和EP-A-1 253 215描述了用于金屬加工的涂覆的切削工具，該切削工具具有由金屬碳化物、金屬陶瓷或陶瓷制成的本體和利用DMS(雙磁控管濺射)-PVD 法沉積的硬質(zhì)耐磨且耐熱涂層，其中，至少一層且優(yōu)選為最外層包括Al2O3，而如果有其它層，則這些層由金屬元素Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和/或Al的金屬氮化物和/或碳化物在工具本體與Al2O3層之間制成。Al2O3層包括致密的細(xì)晶粒晶體Y -Al2O3，而且還可包括Y系的其它相。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知純晶體體系和純非晶體體系以及具有非晶基體中的晶粒的體系。晶相包括二元體系或者由已知晶系構(gòu)成的混合晶體。X射線和電子衍射被用作檢查金屬氧化物層從而確定晶體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的晶格面間距(d值)和/或表明非晶結(jié)構(gòu)的方法。就此而言，由于用于檢查包括10-50nm粒徑的不規(guī)則晶粒的更短波長(zhǎng)的原因，電子衍射相對(duì)于X射線衍射而言是更好的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供較之現(xiàn)有技術(shù)有所改進(jìn)的涂覆切削工具，具體而言，提供了與包括類(lèi)似涂層結(jié)構(gòu)的切削工具相比具有更高水平的硬度、提高的耐磨性和/或改善的 (降低的)的導(dǎo)熱率的涂覆切削工具。通過(guò)一種切削工具來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的目的，該切削工具具有基底主體以及涂敷于基底主體的單層涂層或多層涂層，其中，涂層中至少一層為在PVD工藝或CVD工藝過(guò)程中制成的金屬氧化物層，以及該金屬氧化物層具有晶粒結(jié)構(gòu)，在該晶粒結(jié)構(gòu)中，多個(gè)現(xiàn)有的晶粒中存在結(jié)構(gòu)無(wú)序性，其特征在于，在晶粒的電子衍射圖像中出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，直至達(dá)到最大晶格面間距dUMIT，而對(duì)于大于dUMIT的晶格面間距則不出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，而是出現(xiàn)對(duì)于非晶結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的強(qiáng)度分布。電子衍射的優(yōu)選方法為透射電子顯微術(shù)(TEM)，但形成電子衍射圖像的其它方法也是已知和適用的。同時(shí)，代表非晶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布也稱(chēng)作擴(kuò)散。如果這里參考具有根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的多個(gè)現(xiàn)有晶粒，則意味著相對(duì)于同一層內(nèi)的其它晶粒的優(yōu)勢(shì)數(shù)量?jī)?yōu)選地超過(guò)50%，尤其優(yōu)選地超過(guò)70 %，尤其優(yōu)選地超過(guò)90 %。相對(duì)于d值(晶格面間距)來(lái)評(píng)估金屬氧化物層中的根據(jù)本發(fā)明的晶粒結(jié)構(gòu)的電子衍射圖像，且對(duì)于在金屬氧化物層晶粒方面具有不規(guī)則性的根據(jù)本發(fā)明的晶體結(jié)構(gòu)而言，人們發(fā)現(xiàn)，只在直至給定d值(dUMIT)的范圍內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)狀反射，而對(duì)超過(guò)知 的更大的晶格面間距d(更小的散射角)而言，尚未發(fā)現(xiàn)布置位于環(huán)上的點(diǎn)狀反射，而存在與散射電子有關(guān)的強(qiáng)度分布，這與非晶結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的一樣。在對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的d值與期望d值(能夠從用于各種化合物的表格(例如ICSD數(shù)據(jù)庫(kù))中獲得)做比較時(shí)，經(jīng)確認(rèn)，應(yīng)當(dāng)具有大于 dLIMIT的d值的反射消失。利用大于dUMIT的晶格面間距，在相同化合物的規(guī)則的結(jié)構(gòu)中期望的或發(fā)現(xiàn)的至少一條反射在根據(jù)本發(fā)明的衍射圖像中消失。作為表示根據(jù)本發(fā)明的金屬氧化物層的此類(lèi)晶體結(jié)構(gòu)的示例的衍射圖像在

圖1 中被示出用于氧化鋁層。圖中標(biāo)出了 d值dUMIT，并且示出僅在d值d < c的情況下觀測(cè)到布置位于環(huán)上的點(diǎn)狀反射。在此衍射圖像中，d值朝向環(huán)或圓盤(pán)狀反射的圓心增大。下文中的表1示出了對(duì)于Y氧化鋁的實(shí)驗(yàn)上確定的d值與所期望的d值的比較。在本情況中，dUMIT*0.2nm，而未觀察到應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)于、氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)的、具有大于 0. 2nm的晶格面間距的所有反射。根據(jù)電子顯微衍射圖像能夠精確地確定極限值dUMIT，因此使得量化金屬氧化物中的晶體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性成為可能。如下內(nèi)容證明了金屬氧化物層中的晶粒實(shí)際上包括缺乏長(zhǎng)程有序性的結(jié)構(gòu)布置位于環(huán)上的點(diǎn)狀反射出現(xiàn)在衍射圖像的區(qū)域(d < dLIMIT)內(nèi)且表示非晶結(jié)構(gòu)的示例的強(qiáng)度分布出現(xiàn)在互補(bǔ)的圖像區(qū)域(d > dLIMIT) 內(nèi)，以及晶粒在衍射圖像的兩個(gè)圖像區(qū)域內(nèi)均提供與其晶粒體積成比例的強(qiáng)度分布。后者通過(guò)TEM中的暗場(chǎng)圖像來(lái)表示。表 權(quán)利要求
1.一種切削工具，所述切削工具具有基底主體以及涂敷于所述基底主體的單層涂層或多層涂層，其中，所述涂層中至少一層為在PVD工藝或CVD工藝中制成的金屬氧化物層，以及所述金屬氧化物層具有晶粒結(jié)構(gòu)，在該晶粒結(jié)構(gòu)中，多個(gè)現(xiàn)有的晶粒中存在結(jié)構(gòu)無(wú)序性，其特征在于，在所述晶粒的電子衍射圖像中出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，直至達(dá)到最大晶格面間距dUMIT，而對(duì)于大于dUMIT的晶格面間距則不出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，而是出現(xiàn)對(duì)于非晶結(jié)構(gòu)而言常見(jiàn)的強(qiáng)度分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，在所述晶粒的電子衍射圖像中出現(xiàn)點(diǎn)狀反射所達(dá)到的最大晶格面間距dUMIT在0. Inm至0. 6nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0. 15nm至 0. 40nm的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬氧化物層比具有相同成分和厚度的純晶體金屬氧化物層具有至少低5%，優(yōu)選地至少低10%，尤其優(yōu)選地至少低15%的導(dǎo)熱率。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬氧化物層比具有相同成分和厚度的純晶體金屬氧化物層具有高10 %，優(yōu)選地高20 %，進(jìn)一步優(yōu)選地高40 %，尤其優(yōu)選地高70 %的維氏硬度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述金屬氧化物層包含以下的晶粒氧化鋁、鋁-鉻氧化物、鋁-鉻-硅氧化物、氧化鉻、二氧化硅、釔-鋯氧化物、 釔-鉻氧化物或者金屬Al、Cr、Y、V、W、Ni、Ta、Mo、Zr、Hf和/或Si的混合氧化物，或者由它們構(gòu)成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述金屬氧化物層還包括不可避免的雜質(zhì)和/或制造所產(chǎn)生的殘余物，優(yōu)選為氬(Ar)、氮(N2)和/或氦(He)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述金屬氧化物層中的晶粒具有介于2nm至5000nm之間的，優(yōu)選為5nm至2000nm之間的，更優(yōu)選為IOnm至IOOOnm 之間的，尤其優(yōu)選為20nm至IOOnm之間的平均粒徑。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，通過(guò)雙磁控管PVD工藝，利用下列沉積參數(shù)來(lái)沉積所述至少一個(gè)金屬氧化物層基底溫度450°C至650°C，優(yōu)選為大約550°C，基底偏壓-300V至0V，優(yōu)選為大約-150V，濺射功率5kW至50kW，優(yōu)選為大約20kW，氧流量50sccm至300sccm，優(yōu)選為150sccm，其中帶有0. 21 至0. 6Pa的氬氣。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬氧化物層的厚度在0.2 ym至20 ym的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5 ym至IOym的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選在Iym 至5μπι的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬氧化物層通過(guò)從如下中選擇的PVD工藝制造而成大功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)、反應(yīng)磁控濺射 (rMS)、電弧氣相沉積(電弧PVD)、離子電鍍、電子束氣相沉積和激光燒蝕。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，除所述至少一個(gè)所述金屬氧化物層以外，所述涂層還包括從如下中選擇的其它層元素周期表的IVa至VIIa族元素和/或鋁和/或硅的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、氧碳化物、氧碳氮化合物、硼化物、硼氮化物、硼碳化物、硼碳氮化合物、硼氧氮化合物、硼氧碳化合物、硼氧碳氮化合物、氧硼氮化合物，包括上述化合物的混合金屬相和相混合物。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的切削工具，其特征在于，所述基底主體由金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削工具，所述切削工具具有基底本體以及附接在所述基底本體上的單層涂層或多層涂層，其中，所述涂層中至少一層為在PVD工藝或CVD工藝中制成的金屬氧化物層，且所述金屬氧化物層具有晶粒結(jié)構(gòu)，在該晶粒結(jié)構(gòu)中，在多個(gè)存在的晶粒中存在結(jié)構(gòu)無(wú)序性，其特征在于，在所述晶粒的電子衍射圖像中出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，直至達(dá)到最大晶格間距dGRENZ，而對(duì)大于dGRENZ的晶格間距而言，不出現(xiàn)點(diǎn)狀反射，而是出現(xiàn)對(duì)于非晶結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的擴(kuò)散強(qiáng)度分布。
文檔編號(hào)C23C30/00GK102449186SQ201080012160
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者奧利弗·艾布爾, 沃爾夫?qū)ざ鞲窆? 法伊特·席爾 申請(qǐng)人:瓦爾特公開(kāi)股份有限公司