專利名稱：制備用PVD法涂覆Al的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過反應性磁控濺射技術在加工金屬的切削刀具上沉積至少一層γ-Al2O3微晶層的改進方法。
已經(jīng)知道，對于金屬加工中所用的切削刀具如硬質合金切削刀具，施加一層薄的金屬氧化物、碳化物或氮化物的硬表面層，可以顯著地提高工具邊緣的耐磨性能，這些金屬既可是選自周期表第Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族的過渡金屬，也可選自硅、硼和鋁。涂層的厚度通常在1-15μm之間。沉積此類涂層的最常用的技術是PVD和CVD(化學氣相淀積法)。大家也已知道，在金屬碳化物和氮化物層之上再涂覆一層純陶瓷層如Al2O3，可以進一步提高切削刀具的性能(US 5,674,564和US 5,487,625)。
涂覆有氧化鋁的硬質合金切削刀具二十多年前就己商業(yè)化了。通常所用的CVD技術包括將反應活性氣氛中的材料沉積到高溫的基體表面上。Al2O3可以結晶成幾種不同的相，如α-系列的α、κ和χ，其氧原子的排列為hcp(六方密堆積)；以及γ-系列的γ、θ、η、δ，其氧原子的排列為fcc(立方面心)。在通常的1000-1050℃的CVD溫度下，沉積在硬質合金上的CVD涂層中，最常見的Al2O3相態(tài)為穩(wěn)態(tài)的α-相和亞穩(wěn)態(tài)的κ-相。不過，偶爾也曾觀察到過亞穩(wěn)態(tài)的θ-相。
θ-、κ-和/或θ-相的CVD Al2O3涂層是完全結晶的，晶粒大小在0.5-5μm范圍內，而且晶粒結構有很好的小平面。
固有的、約1000℃的沉積高溫，使得硬質合金基體上CVD Al2O3涂層的總應力是拉伸應力，因而，總應力是被基體和涂層之間的熱膨脹系數(shù)差而引起的熱應力所支配，而受本征應力影響較小，這種本征應力源自沉積過程本身，并且是壓縮性質的。拉伸應力可能超過Al2O3的斷裂極限，使得涂層出現(xiàn)大量裂縫，從而導致切削刃的性能在濕加工條件下退化，此時切削液中的腐蝕性化學物質可能利用涂層的裂縫作為擴散通道。
通常，在干切削或濕切削條件下加工各種鋼和生鐵時，CVD涂覆的工具表現(xiàn)很好。然而，在許多切削條件或加工條件下，PVD涂覆的工具更為適用，如鉆孔、切斷和攻絲以及其它需要鋒利切削刃的操作。這樣的切削操作通常稱為“PVD涂覆工具的應用領域”。
與CVD的高溫相比，等離子體輔助的CVD技術，即PACVD，可在較低的基體溫度下沉積涂層，從而避免了熱應力占主導地位。在450-700℃的基體溫度下，可在硬質合金上沉積無縫的Al2O3PACVD薄膜(DE 41 10005、DE 41 10 006和DE 42 09 975)。沉積Al2O3的PACVD方法包括鋁的鹵化物如AlCl3和氧供體如CO2之間的反應。由于這種化學反應的不徹底性，氯被捕集于Al2O3涂層中，其含量可能高達3.5％。而且，除結晶的α-和/或γ-Al2O3相外，這些PACVD的Al2O3涂層通常包含大量的無定形氧化鋁，再加上高含量的鹵素雜質，導致所說涂層的化學性質和物理性質均發(fā)生退化，從而使得涂層材料沒能達到工具材料所需的最優(yōu)化。
本發(fā)明的領域特別涉及用于金屬加工的、用PVD法涂覆有Al2O3的切削刀具的領域。
已有幾種PVD技術可在切削刀具上制備難熔的薄膜，最常用的方法是離子鍍、DC和FR磁控濺射、電弧蒸發(fā)、IBAD(離子束輔助沉積法)和活化反應蒸發(fā)(ARE)。每種方法有其各自的特點；所產生涂層的本征性質如微觀結構/顆粒大小、硬度、應力狀態(tài)、本身聚結力和粘附基體的能力，會隨著所選的具體PVD法而變化。在通常的400-500℃的PVD溫度下，早期的PVD法沉積Al2O3的試驗得到了無定形的氧化鋁層，當其施加于切削刀具上時，耐磨性不會有任何顯著的改善。而HF二極管或磁控濺射的PVD沉積，只有在高達1000℃的基體溫度下才會得到結晶的α-Al2O3(Thornton和Chin，陶瓷公報(Ceramic Bulletin),56(1977)504)。類似地，采用ARE法沉積Al2O3時，只有在約1000℃的基體溫度下才會得到完全致密、堅硬的Al2O3涂層(Bunshah和Schramm，固體薄膜(ThinSolid Film),40(1977)211)。
DD 252 205和DE 195 18 779中所公開的雙極脈沖DMS(雙磁控濺射)技術，為沉積絕緣層如Al2O3層提供了許多機會，而且該方法可以在500-800℃的基體溫度下沉積結晶的Al2O3層。在雙極雙磁控系統(tǒng)中，兩個磁控管交替地起著陽極和陰極的作用，從而可以在較長的工藝時間內保護金屬陽極。足夠高的頻率可以抑制絕緣層上可能的充電，從而限制“電弧”現(xiàn)象，否則這會帶來麻煩。因而，按照DE 195 18 779，在低于800℃的基體溫度下，DMS濺射技術可以沉積并制得高質量的、粘附好的、結晶的α-Al2O3薄膜?！唉?Al2O3層”中，α-相晶粒的大小一般在0.2-2μm之間，它也可以部分地含有Al2O3多晶型物中“γ-系列”中的γ-相。涂層中γ-相晶粒的尺寸要比α-相晶粒小得多。γ-Al2O3晶粒大小一般在0.05-0.1μm之間。在γ-相和α-相均存在改進的Al2O3層中，γ-相Al2O3在(440)晶面上有較好的生長取向。與現(xiàn)有的等離子體輔助沉積技術相比，如與DE 42 09 975中所述的PACVD技術相比，新型的脈沖DMS濺射沉積方法具有決定性的重要優(yōu)點，即在Al2O3涂層中沒有包含鹵素等雜質，如氯。
本發(fā)明提供了一種在400-700℃、優(yōu)選500-600℃的基體溫度下，用脈沖磁控濺射法在切削刀具上沉積硬且耐磨的γ-Al2O3涂層的改良方法，所說的切削刀具可以用于加工金屬如車(攻絲和切割)、磨和鉆，并包括一硬材料的本體，如硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷或高速鋼或者超硬材料如立方氮化硼或金剛石的本體。γ-Al2O3涂層是由高質量的、致密的、微細晶粒的結晶Al2O3構成，其晶粒尺寸小于0.1μm，而且基本上沒有裂縫和鹵素雜質。
γ-Al2O3層可以包含在由一層或多層難熔化合物所構成的耐磨涂層中。該耐磨涂層中，γ-Al2O3層優(yōu)選為最外層，而且如果在刀具本體和Al2O3層之間存在最內層的話，則由金屬氮化物、碳氮化物和/或碳化物構成，所說的金屬元素選自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
與現(xiàn)有技術中涂覆α-Al2O3的刀具相比，本發(fā)明的γ-Al2O3涂層使得工具的切削刃具有極端光滑的表面拋光，從而也使得被加工的工件的表面拋光得以改善。非常光滑的表面拋光源自于涂層非常微細的結晶度?！唉?Al2O3”涂層也可以部分地含有“γ-系列”的其它相，如θ、δ和η相。
本發(fā)明的γ-Al2O3微晶在(440)方向上具有很強的織構，織構系數(shù)TC可以定義為TC(hkl)=I(hkl)IO(hkl){1nΣI(hkl)IO(hkl)}-1]]>其中，I(hkl)是(hkl)反射的測量強度I0(hkl)是ASTM標準粉末衍射數(shù)據(jù)庫中的標準強度n是計算時所用的反射數(shù)所用的(hkl)反射為(111)、(311)、(222)、(400)和(440)，而且只要TC(hkl)＞1，在[hkl]方向上就有一個織構。TC(hkl)的值越大，織構就越顯著。本發(fā)明中，(440)結晶面的TC大于1.5。
當按本發(fā)明用γ-Al2O3微晶涂覆的硬質合金切削刀具用于加工鋼或生鐵時，與現(xiàn)有技術相比，可以觀察到幾個重要的改進。出人意料的是，不含任何粗糙的熱力學穩(wěn)定的α-Al2O3相的PVD法涂覆的γ-Al2O3，在進行某些金屬加工操作時，卻顯示出與約1000℃沉積的、粗糙的CVDα-Al2O3涂層相等的耐磨能力。而且，該PVDγ-Al2O3的微晶涂層的耐磨性能，要顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術的PVD涂層。通過這些觀察到的現(xiàn)象，就有可能顯著地提高PVD涂覆工具的切削性能并延長工具的壽命。較低的沉積溫度也使得有可能將PVDγ-Al2O3涂層沉積到高速鋼工具上。
如果將按本發(fā)明涂覆有γ-Al2O3的切削刀具的刀刃用溫和的濕噴法進行處理，或者用US 5,861,210中所公開的、基于如SiC的電刷進行刀刃涂刷處理，那么可以預期切削性能會得到進一步的改善。
根據(jù)本發(fā)明，涂層的總厚度在0.5-20μm之間，優(yōu)選在1-15μm之間，且非Al2O3層的厚度在0.1-10μm之間，優(yōu)選在0.5-5μm之間。也可以將γ-Al2O3微晶涂層直接沉積在切削刀具的基體上，所說的γ-Al2O3的厚度在0.5-15μm之間，優(yōu)選在1-10μm之間。類似地，還可以在Al2O3涂層的上面沉積金屬氮化物和/或碳化物的涂層，所說的金屬元素選自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
按照本發(fā)明，γ-Al2O3涂層用脈沖磁控濺射法沉積，基體溫度為400-700℃，優(yōu)選為500-600℃，并采用鋁靶，以及至少一種稀有氣體和至少一種反應性氣體的混合物，優(yōu)選氬和氧。采用脈沖磁控濺射法時，優(yōu)選的方案是采用雙磁控系統(tǒng)(DMS)。另外，按照本發(fā)明的方法，其特征是循環(huán)中斷對每一個基體進行撞擊的粒子流。該粒子流由中性粒子、離子、電子、光子等組成。似乎上述的中斷引發(fā)重新成核過程，從而得到所觀察到的具有非常微細晶粒結構的γ-Al2O3層。實現(xiàn)上述粒子流循環(huán)中斷的簡便方法是將基體固定在圓柱艙上，該圓柱艙在磁控管前面轉動，從而使基體進入和離開等離子體沉積區(qū)。所說的循環(huán)中斷的頻率在每分鐘0.1次至每分鐘10次之間。撞擊粒子流中斷的持續(xù)時間至少為整個周期持續(xù)時間的10％?；蛘?，撞擊粒子流的循環(huán)中斷也可以是非周期性的。本發(fā)明方法的另一個特征在于設定反應性氣體的流量值，使得磁控放電的阻抗為完全覆蓋氧化物的靶電極間放電阻抗的150％-250％。沉積速率的顯著降低，以及等離子體光學發(fā)射光譜中氧線的存在，可以指示出靶的這種完全覆蓋氧化物的狀態(tài)。在沉積過程中，于基體上施加雙極脈沖偏轉電壓可以進一步改善γ-Al2O3層的微結構和相組成。在電壓值和脈沖持續(xù)時間這兩個參數(shù)中的至少一個方面，該雙極偏轉電壓優(yōu)選對于兩個極是非對稱性的。這將導致生成絕緣層時循環(huán)放電所必需的離子和電子的交替流動。優(yōu)選的偏轉電壓在20-200V之間，更優(yōu)選的偏轉電壓在50-100V之間，并具有1-5kHz的頻率范圍。根據(jù)沉積設備的幾何構造條件，可以使用相對于電壓大小和脈沖持續(xù)時間參數(shù)非對稱的偏轉脈沖。在這種情況下，正極性的持續(xù)時間要顯著低于或最多等于負極性的持續(xù)時間。優(yōu)選的脈沖偏轉頻率在100Hz到10kHz之間，更優(yōu)選的范圍是1kHz到5kHz，而且基體正極性的持續(xù)時間最多等于負極性的持續(xù)時間，優(yōu)選比負極性持續(xù)時間低5-20倍。
可以使用PVD技術、CVD技術和/或MTCVD技術(中溫化學氣相淀積法)沉積本發(fā)明所述的涂層，該涂層可以包括金屬氮化物和/或碳化物和/或碳氮化物，所說的金屬選自Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al。
B) A)中涂覆了TiN的工具，利用脈沖磁控濺射技術，于單獨的實驗中，涂覆1μm厚的γ-Al2O3微晶層。沉積溫度設定為650℃。由氬氣和氧氣組成的氣體混合物的總壓力設定為1.5μbar。用氧氣流控制反應性磁控放電的工作點，使得放電時的阻抗為完全覆蓋氧化物后所用的DMS靶電極所測阻抗的200％。在沉積過程中，轉動基體裝置和DMS前面的防護擋板，可以使得流向每個基體的粒子流循環(huán)中斷。在沉積過程中，基體上施加兩個極都為50V的矩形雙極脈沖偏轉電壓以及5kHz的頻率。
權利要求
1.一種制備由涂層和基體組成的涂覆切削刀具的方法，其特征在于，用反應性磁控濺射法在運動的基體上于真空中沉積至少一層難熔的γ-Al2O3微晶層，脈沖磁控濺射是在稀有氣體和反應性氣體的混合物中進行的，脈沖頻率設定為10-100kHz，優(yōu)選為20-50kHz；沉積的速率相對于靜態(tài)放置的基體至少為1nm/s；按時間平均的磁控靶功率密度設定為至少10W/cm2；基體溫度設定在400-700℃的范圍內，優(yōu)選為500-600℃的范圍，這取決于要進行涂覆的工具本體的材料；而且撞擊每個基體的粒子流循環(huán)性地中斷。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，稀有氣體是氬氣。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，反應性氣體是氧氣。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，撞擊粒子流的循環(huán)中斷的頻率為每分鐘0.1次到每分鐘10次。
5.如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，撞擊粒子流的每次中斷的持續(xù)時間至少為整個周期的持續(xù)時間的10％。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，撞擊粒子流的循環(huán)中斷是無周期性的。
7.如權利要求1-6中至少之一所述的方法，其特征在于，在基體上施加雙極脈沖偏轉電壓。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，在電壓大小和脈沖持續(xù)時間兩個參數(shù)中的至少一個方面，所施加的雙極偏轉電壓對于兩個極性是非對稱的。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于，每次脈沖中偏轉電壓的最大值在20-200V之間，優(yōu)選在50-100V之間。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，脈沖偏轉的頻率在100Hz到10kHz之間，優(yōu)選在1kHz到5kHz之間，而且基體正極性的持續(xù)時間最多等于負極性的持續(xù)時間，優(yōu)選低于負極性持續(xù)時間5-20倍。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，設定反應性氣體的流量值，使得磁控放電的阻抗為完全覆蓋氧化物的靶電極間放電燃燒阻抗的150％-250％。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，用雙磁控濺射法沉積Al2O3層，并采用鋁靶，交替地作為磁控濺射裝置的陰極和陽極。
13.如權利要求9和10中至少之一所述的方法，其特征在于，也采用PVD法(物理氣體淀積法)沉積另外的非Al2O3層，特別是采用脈沖磁控濺射法。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，Al2O3層和非Al2O3層是在同一涂覆裝置中進行沉積，而且無真空中斷。
15.如權利要求9和10中至少之一所述的方法，其特征在于，另外的非Al2O3層是用CVD法(化學氣相淀積法)涂覆的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備由涂層和基體組成的涂覆切削刀具的方法,其中,用反應性磁控濺射法在運動的基體上于真空中沉積至少一層難熔的γ—Al
文檔編號C23C14/00GK1304458SQ00800790
公開日2001年7月18日 申請日期2000年5月3日 優(yōu)先權日1999年5月6日
發(fā)明者西格弗里德·席勒, 克勞斯·格迪克, 弗雷德·菲茨克, 奧拉夫·齊維茨基, 馬茨·舍斯特蘭德, 比約恩·永貝里 申請人:桑德維克公司