具有含鉻功能層的工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)基底，并在基底上通過PVD工藝沉積的多層涂層的切割工具，所述多層涂層包括由一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)之上的一個(gè)或多個(gè)相同的或不同的至少包含鋁(Al)和任選地一種或多種選自Al、Cr、Si、Y、Ru和Mo的其它金屬的氮化物層或碳氮化物層組成的基體層，以及含鉻的氧化功能層。為了改進(jìn)含鉻功能層的連結(jié)，根據(jù)本發(fā)明，在基體層和功能層之間設(shè)置金屬Al、Cr、Si和/或Zr的一種或多種氧化物或氮氧化物的中間層，其中該中間層具有立方結(jié)構(gòu)，并且其中該含鉻功能層選自氧化鉻(Cr2O3)、氮氧化鉻，氧化鉻鋁(AlCr)2O3，氮氧化鉻鋁，或鋁、鉻和其它金屬的混合氧化物或混合氮氧化物，氧化(AlCrMe1，...Men)2或氮氧化(AlCrMe1，...Men)2，其中，Me1，...Men是指一種或多種選自Hf、Y、Zr和Ru的其它金屬，并且其中所述功能層具有菱方結(jié)構(gòu)。
【專利說明】具有含鉻功能層的工具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種切割工具，其具有硬質(zhì)金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)基底，和通過PVD工藝在基底上沉積的多層涂層，所述切割工具包括由一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)之上的一個(gè)或多個(gè)相同的或不同的氮化物層或碳氮化物層組成的基體層，所述氮化物或碳氮化物至少包含鋁(Al)和任選地一種或多種選自Al、Cr、S1、Y、Ru和Mo的另外的金屬，并且所述切割工具包括含鉻氧化功能層。
【背景技術(shù)】
[0002]例如用于金屬切削金屬機(jī)械加工的切割工具,一般由如下部分組成:硬質(zhì)金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼的基體(基底)，與抗磨損的硬質(zhì)金屬物質(zhì)的單層或多層涂層，氧化物層，等。采用CVD (化學(xué)氣相沉積)工藝和/或PVD (物理氣相沉積)工藝施加這樣的涂層。
[0003]從EP1253215已知如下的多層涂層，其具有TiAlN基體層和采用PVD工藝沉積到硬質(zhì)金屬碳化物基底上的氧化鋁或氧化鉻鋁功能層。此處，采用單靶磁控工藝沉積氧化鋁，在該過程中主要生成伽馬氧化鋁。采用電弧PVD工藝沉積氧化鉻鋁，產(chǎn)生穩(wěn)定的阿爾法氧化鉻鋁，但這與下面的TiAlN基體層的粘結(jié)較差，并且取決于工藝，形成了大量的宏觀粒子，即所謂的微滴，其嚴(yán)重?fù)p害功能層的品質(zhì)。
[0004]DElO 2010 028 558公開了一種沉積氧化鉻鋁混合晶體層的混合PVD工藝，其中同時(shí)使用陰極霧化和電弧蒸發(fā)PVD工藝。主要獲得處于穩(wěn)定阿爾法相的氧化鉻鋁混合晶體層，其基本上不含宏觀粒子(微滴)。
[0005]依據(jù)代表現(xiàn)有技術(shù)的已知方法，可以制備氧化鋁、鉻鋁混合氧化物或以穩(wěn)定阿爾法改性形式另外合金化元素的混合物氧化物。然而這些層的特征在于，與下面的基底例如氮化基體層的粘結(jié)性差，所述氮化基體層例如是TiAlN層。由于直接沉積到基底表面上的氧化物層通常過于易碎而不能起到抗磨損層的作用，因此期望提供這種基體層。
[0006]發(fā)明目的
[0007]因此，本發(fā)明的目的在于，在由基底與多層涂層組成的切割工具上，改進(jìn)含鉻功能層在含有氮化物或碳氮化物的硬質(zhì)基底的基體層上的粘結(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明，通過如下的切割工具實(shí)現(xiàn)所述目的，所述切割工具具有硬質(zhì)金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)的基底，和通過PVD工藝在基底上沉積的多層涂層，所述切割工具從基底開始包括如下順序的層:
[0009]a)基體層，由一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)之上的一個(gè)或多個(gè)相同的或不同的氮化物層或碳氮化物層而組成，所述氮化物層或碳氮化物層至少包含鋁(Al)和任選地一種或多種選自T1、Cr、S1、Y、Ru和 Mo的另外的金屬，
[0010]b)中間層，設(shè)置在基體層之上，并且由金屬Al、Cr、Si和/或Zr的一種或多種氧化物或氮氧化物組成，該中間層具有立方結(jié)構(gòu)，
[0011]c)含鉻功能層，設(shè)置在中間層之上，選自氧化鉻(Cr2O3)、氮氧化鉻、氧化鉻鋁(AlCr)2O3、氮氧化鉻鋁，或鋁、鉻和其它金屬的混合氧化物或混合氮氧化物，氧化(AlCrMe1,...Men) 2 或氮氧化(AlCrMe1,...Men) 2,其中,Me1,...Men 是指一種或多種選自 Hf、Y、Zr和Ru的其它金屬，所述功能層具有菱方結(jié)構(gòu)。η是如下的整數(shù)，其對(duì)應(yīng)于在所述混合氧化物或混合氮氧化物中除鋁和鉻之外所存在其它金屬的數(shù)量。
[0012]在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，在所述切割工具的涂層中，所述基體層由氮化鈦鋁(TiAlN)或氮化鈦鋁硅(TiAlSiN)組成，特別優(yōu)選由氮化鈦鋁(TiAlN)組成。氮化鈦鋁(TiAlN)由于非常韌且硬并且具有優(yōu)異的抗磨損性能，特別是在金屬機(jī)械加工過程的高溫下非常韌且硬并且具有優(yōu)異的抗磨損性能，因此非常適于作為基體層。
[0013]已經(jīng)顯示，在優(yōu)選由TiAlN組成的本發(fā)明基體層上設(shè)置本發(fā)明的中間層，極大地改進(jìn)了其上設(shè)置的含鉻功能層的粘結(jié)性和粘附性。在機(jī)械加工測(cè)試中，與沒有中間層的相應(yīng)切割工具相比，在本發(fā)明涂層與中間層的情況下使用如下的切割工具極大地降低了工具磨損，所述切割工具由如下部分組成:硬質(zhì)金屬碳化物基底，根據(jù)本發(fā)明的基體層，根據(jù)本發(fā)明的中間層，和根據(jù)本發(fā)明的功能層，其中所述中間層由立方氧化物或氮氧化物組成，優(yōu)選由立方伽馬氧化鋁組成，所述功能層具有菱方結(jié)構(gòu)，例如是氧化鉻鋁層。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，所述含鉻功能層具有菱方晶體結(jié)構(gòu)。該功能層可以是純氧化鉻(Cr2O3)、氮氧化鉻、氧化鉻招(AlCr)2O3、氮氧化鉻招或鉻招混合氧化物或具有選自Hf、Y、Zr和Ru的另外的金屬的混合氮氧化物。特別優(yōu)選所述含鉻功能層完全或至少90體積％由具有菱方晶體結(jié)構(gòu)的氧化鉻鋁即處于阿爾法改性形式的氧化鉻鋁組成。當(dāng)此處提及氧化鉻鋁(AlCr)2O3時(shí)，并不一定是指元素鋁和鉻以相同化學(xué)計(jì)量比存在。在氧化鉻鋁層中鉻的比例可以高于或低于鋁的比例。
[0015]在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述功能層的金屬元素中鉻的比例至少是70原子％的Cr。在另外形式的實(shí)施方式中，鉻的比例至少是85原子％的Cr或至少95原子％的Cr。所述功能層中高含量的鉻帶來的優(yōu)勢(shì)是促進(jìn)該功能層以期望的菱方結(jié)構(gòu)生長。
[0016]直接設(shè)置在基體層之上的本發(fā)明中間層由金屬Al、Cr、Si和/或Zr的氧化物或氮氧化物組成并具有立方結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述中間層由立方伽馬氧化鋁(Y-Al2O3)組成。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，通過設(shè)置具有立方結(jié)構(gòu)的中間層，改進(jìn)了基體層和功能層的粘結(jié)性和粘附性，這是令人預(yù)料不到的。目前為止，對(duì)于為什么僅這樣的立方中間層以這樣的方式改進(jìn)功能層在基體層上的粘附性和粘結(jié)性，還沒有得到證實(shí)的解釋。本申請(qǐng)的發(fā)明人對(duì)本發(fā)明的層(基體層、中間層和功能層)進(jìn)行了 XPS(x射線光電子光譜)測(cè)量。對(duì)具有本發(fā)明中間層的涂層的功能層的XPS測(cè)量結(jié)果顯示，與不含本發(fā)明中間層的涂層相比，在功能層面向中間層的表面上，鉻金屬的比例增大。在不歸結(jié)于理論的情況下，發(fā)明人推測(cè)，在立方中間層和菱方功能層之間形成金屬鍵合比例更高的過渡區(qū)域，可能促成或?qū)е铝斯δ軐诱辰Y(jié)的改進(jìn)。
[0018] 基本上可以采用任何合適的PVD工藝沉積本發(fā)明涂層的中間層。然而優(yōu)選磁控濺射，反應(yīng)磁控濺射，雙靶磁控濺射，高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)或同時(shí)應(yīng)用陰極霧化(濺射沉積)和電弧蒸發(fā)(電弧PVD)，這也稱為混合PVD工藝。
[0019]也可以采用任何合適的PVD工藝沉積所述功能層。優(yōu)選電弧蒸發(fā)(電弧PVD)，磁控濺射，反應(yīng)磁控濺射，雙靶磁控濺射，高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)或同時(shí)應(yīng)用陰極霧化(濺射沉積)和電弧蒸發(fā)(PVD電弧)，或混合PVD工藝。
[0020]在本發(fā)明切割工具的一種優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述基體層的涂層厚度是50nm至8 μ m,優(yōu)選是500nm至5 μ m,特別優(yōu)選的是2 μ m至4 μ m。
[0021]在本發(fā)明切割工具的另外形式的實(shí)施方式中，所述中間層的涂層厚度是Inm至2 μ m,優(yōu)選是5nm至750nm,特別優(yōu)選是IOnm至50nm。 [0022]在本發(fā)明切割工具另外的優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述功能層的涂層厚度是IOOnm至10 μ m,優(yōu)選是500nm至5 μ m,特別優(yōu)選是750nm至2 μ m。
[0023]在本發(fā)明切割工具另外的優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述功能層在表面處的壓力載荷小于2GPa，優(yōu)選小于lGPa。令人預(yù)料不到的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在表面處的壓力載荷小于2GPa時(shí)，功能層的涂層厚度越大，則剝離的風(fēng)險(xiǎn)越小。當(dāng)在表面處的壓力載荷小于IGPa時(shí)，觀察到進(jìn)一步的改進(jìn)。
[0024]在本發(fā)明切割工具另外的優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述中間層含有0.1至5原子％、優(yōu)選0.5至4原子％、特別優(yōu)選1.0至3原子％的氬。氬的比例來自PVD沉積的反應(yīng)氣體，并且在少數(shù)情況下對(duì)于所述功能層和下面的中間層的粘結(jié)具有有利的效果。
【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)在將參照實(shí)施方式實(shí)施例和附圖進(jìn)一步解釋本發(fā)明。
[0026]1.制造含有中間層的切割工具和不含有中間層的切割工具
[0027]首先，通過應(yīng)用如下參數(shù)的電弧蒸發(fā)(電弧PVD)，使平均粒徑約I μ m且Co含量約10重量％的硬質(zhì)金屬碳化物基底覆蓋有4.6 μ m厚的TiAlN基體層:
[0028]某體層
[0029]
【權(quán)利要求】
1.具有硬質(zhì)金屬碳化物、金屬陶瓷、鋼或高速鋼(HSS)基底，和通過PVD工藝沉積在所述基底上的多層涂層的切割工具，所述切割工具從基底開始包括如下順序的層: a)基體層，由一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)之上的一個(gè)或多個(gè)相同的或不同的氮化物層或碳氮化物層而組成，所述氮化物層或碳氮化物層至少包含鋁(Al)和任選一種或多種選自T1、Cr、S1、Y、Ru和Mo的另外的金屬， b)中間層，設(shè)置在基體層之上，并且由金屬Al、Cr、Si和/或Zr的一種或多種氧化物或氮氧化物組成，該中間層具有立方結(jié)構(gòu)， c)含鉻功能層，設(shè)置在中間層之上，選自氧化鉻(Cr2O3)、氮氧化鉻、氧化鉻鋁(AlCr)2O3、氮氧化鉻鋁，或鋁、鉻和其它金屬的混合氧化物或混合氮氧化物，氧化(AlCrMe1,...Men) 2 或氮氧化(AlCrMe1,...Men) 2,其中,Me1,...Men 是指一種或多種選自 Hf、Y、Zr和Ru的其它金屬，所述功能層具有菱方結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，特征在于所述中間層由立方氧化鋁組成，優(yōu)選由立方伽馬氧化鋁(Y-Al2O3)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述含鉻功能層完全或至少90體積％由菱方氧化鉻鋁(AlCr)2O3組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述功能層的金屬元素中鉻的比例至少是70原子％的Cr或至少85原子％的Cr或至少95原子％的Cr。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于通過磁控濺射、反應(yīng)磁控濺射、雙靶磁控濺射、高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)或同時(shí)應(yīng)用陰極霧化(濺射沉積)和電弧蒸發(fā)(電弧PVD)來沉積所述中間層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中 的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于通過電弧蒸發(fā)(電弧PVD)、磁控濺射、反應(yīng)磁控濺射、雙靶磁控濺射、高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)或同時(shí)應(yīng)用陰極霧化(濺射沉積)和電弧蒸發(fā)(電弧PVD)沉積所述功能層。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述基體層的涂層厚度是50nm至8 μ m,優(yōu)選是500nm至5 μ m,特別優(yōu)選是2 μ m至4 μ m。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述中間層的涂層厚度是Inm至2 μ m,優(yōu)選是5nm至750nm,特別優(yōu)選是IOnm至50nm。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述功能層的涂層厚度是IOOnm至10 μ m,優(yōu)選是500nm至5 μ m,特別優(yōu)選是750nm至2 μ m。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述功能層在表面處的壓力載荷小于2GPa,優(yōu)選小于lGPa。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述基體層由氮化鈦鋁(TiAlN)或氮化鈦鋁硅(TiAlSiN)組成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的切割工具，特征在于所述中間層含有0.1至5原子％、優(yōu)選0.5至4原子％、特別優(yōu)選1.0至3原子％的氬。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103748256SQ201280036719
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月7日
【發(fā)明者】法伊特·席爾, 沃爾夫?qū)ざ鞲窆? 申請(qǐng)人:瓦爾特公開股份有限公司