專利名稱：硬質(zhì)多層涂層,和包括該硬質(zhì)多層涂層的硬質(zhì)多層涂覆工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請一般的涉及一種硬質(zhì)多層涂層，并尤其涉及其耐熱性和耐磨性優(yōu)異的硬質(zhì)多層涂層。
背景技術(shù)：
TiAlN作為硬質(zhì)涂層而廣泛使用的，其被布置在諸如由高速工具鋼、硬質(zhì)合金或其他材料制成的工具基體之類的主體的表面上。近年，如JP-2003-71610A和JP-2000-308906A(在2003年和2000年公開的未審查日本專利申請的公開文本)中所公開的，建議TiAlCrN和TiAl(SiC)N作為硬質(zhì)涂層作此用途。
TiAlCrN和TiAl(SiC)N的每一種具有高于TiAlN的涂層硬度和氧化起始溫度，如圖7中所示，并因此具有優(yōu)異的耐熱性和耐磨性。然而，TiAlCrN的氧化起始溫度大約為900℃，并低于TiAl(SiC)N的氧化起始溫度。TiAl(SiC)N的涂層硬度(HV0.025)大約為3000，并低于TiAlCrN的涂層硬度。就是說，硬質(zhì)涂層仍然具有改進(jìn)的空間，尤其是，鑒于所提供的涂層用于覆蓋在高速下加工高硬度材料的工具基體。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的背景而產(chǎn)生本發(fā)明。因此本發(fā)明的第一目的是提供一種具有進(jìn)一步提高的耐熱性和耐磨性的硬質(zhì)多層涂層。該第一目的可通過以下描述的本發(fā)明的第一至第四方面中的任一方面而獲得。本發(fā)明的第二目的在于提供一種硬質(zhì)多層涂覆的工具，其包括具有進(jìn)一步提高的耐熱性和耐磨性的硬質(zhì)多層涂層。該第二目的可根據(jù)以下描述的本發(fā)明的第五方面來獲得。
本發(fā)明的第一方面提供一種被布置在主體上的硬質(zhì)多層涂層，包括(a)與主體保持接觸布置的第一涂層，第一涂層基本上由TiAlCrX1-aNa(其中“X”表示碳和氧的其中一種，而“a”表示滿足0.5≤a≤1的混合晶體率)構(gòu)成；(b)布置在第一涂層上的第二涂層，第二涂層由基本上由TiAlCrX1-bNb(其中“X”表示碳和氧的其中一種，而“b”表示滿足0.5≤b≤1的混合晶體率)和TiAl(SiC)X1-cNc(其中“X”表示碳和氧的其中一種，而“c”表示滿足0.5≤c≤1的混合晶體率)構(gòu)成的混合物層提供，或由包括基本上由TiAlCrX1-bNb構(gòu)成的第一分層和基本上由TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成的第二分層的多層提供，第一和第二分層彼此交替重疊；和(c)布置在第二涂層上并且構(gòu)成硬質(zhì)多層涂層的最上或最外層的第三涂層，第三涂層基本上由TiAl(SiC)X1-dNd(其中“X”表示碳和氧的其中一種，而“d”表示滿足0.5≤d≤1的混合晶體率)構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在本發(fā)明的第一方面中所限定的硬質(zhì)多層涂層中，第一涂層具有從1.0μm至5.0μm的厚度，其中第二和第三涂層的厚度的和與第一涂層的厚度的比為從0.1至1.0，并且其中第一、第二和第三涂層的厚度的和為從1.1μm至10μm。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在本發(fā)明的第二方面中限定的硬質(zhì)多層涂層中，第三涂層的厚度與第二涂層的厚度的比為從1.0至20。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在本發(fā)明的第一至第三方面的任一方面所限定的硬質(zhì)多層涂層中，混合晶體率a，b，c，d所有的均彼此相同。
本發(fā)明的第五方面提供了一種硬質(zhì)多層涂覆的工具，包括本發(fā)明的第一至第四方面的任一方面所限定的硬質(zhì)多層涂層；和具有被該硬質(zhì)多層涂層涂覆的表面的基體。
在本發(fā)明的第一至第四方面的任一方面所限定的硬質(zhì)多層涂層中，構(gòu)成最上或最外第三涂層的TiAl(SiC)X1-dNd由于其氧化起始溫度足夠高而具有優(yōu)異的耐熱性，構(gòu)成第一涂層的TiAlCrX1-aNa具有足夠高的涂層硬度，而由混合物層提供或由基本上包括與第一和第三涂層相同成分的多層提供的第二涂層布置在第一和第三涂層之間。這種結(jié)構(gòu)在第一至第三涂層之間提供了高粘附度，以致為第一至第三涂層作為整體提供了優(yōu)異耐熱性和耐磨性。因此，由于提高的耐熱性和耐磨性，本發(fā)明第五方面的、具有在其表面覆有這種硬質(zhì)多層涂層的基體的硬質(zhì)多層涂覆工具可高速地切割或機(jī)械加工高硬度材料。
在本發(fā)明的第二方面中所限定的硬質(zhì)多層涂層中，第一涂層的厚度不小于1.0μm并不大于5.0μm，第二和第三涂層的厚度的和與第一涂層的厚度的比為不小于0.1并不大于1.0，并且第一、第二和第三涂層的厚度的總和不小于1.1μm并不大于10μm。在這種方案中，由于具有相對高的硬度的第一涂層的存在而限制了作為整體的涂層的變形，并由于第三涂層的進(jìn)一步增加的粘附度而令人滿意地防止了涂層的削蝕(chipping)和剝落(peeling)。
在本發(fā)明的第三方面中所限定的硬質(zhì)多層涂層中，第三涂層的厚度與第二涂層的厚度的比為從1.0至20。因此，由于第三涂層的厚度相對較大，作為整體的硬質(zhì)多層涂層通過第三涂層的存在而給出增加的耐熱性。
在本發(fā)明的第四方面所限定的硬質(zhì)多層涂層中，混合晶體率a，b，c，d都彼此相同。這種方案，例如，當(dāng)硬質(zhì)多層涂層由電弧離子涂覆法形成時(shí)，排除了在涂層的形成期間轉(zhuǎn)換反應(yīng)氣體等的必要，因此利于涂層的制造，并使得有可能可靠地獲得具有預(yù)定混合晶體率的涂層。
本發(fā)明可有利地應(yīng)用到用來覆蓋任何機(jī)械加工工具的基體的硬質(zhì)多層涂層上，所述機(jī)械加工工具可相對于工件移動(dòng)從而對工件進(jìn)行機(jī)械加工，例如旋轉(zhuǎn)切削工具(例如端銑刀，鉆，絲錐以及切絲板牙)，非旋轉(zhuǎn)切削工具(例如固定在用于車床操作的刀架上的可更換刀片)以及設(shè)計(jì)成通過將工件塑性變形而將工件成形為要求形狀的冷成型工具。另外，本發(fā)明也可應(yīng)用到作為表面保護(hù)涂層提供的硬質(zhì)多層涂層上來覆蓋主體，或應(yīng)用到除了上述機(jī)械加工工具之外的部件上。要注意的是，被硬質(zhì)多層涂層涂覆的機(jī)械加工工具的基體優(yōu)選由硬質(zhì)合金或高速工具鋼制成。然而，工具基體也可由任何其他金屬材料制成。
作為根據(jù)本發(fā)明的形成硬質(zhì)多層涂層的方法，有利地采用電弧離子涂覆法。然而，也可采用其他諸如濺射法之類的物理氣相沉積(PVD)法，或可選擇的，例如等離子體CVD法和熱CVD法之類的化學(xué)氣相沉積(CVD)法。
第一涂層的X1-aNa(其中“X”表示碳(C)和氧(O)的其中一種，而“a”表示滿足0.5≤a≤1的混合晶體率)在a＝1時(shí)是氮化物，并且在0.5≤a＜1時(shí)是氧氮化物或碳氮化物。第二涂層的X1-bNb，X1-cNc和第三涂層X1-dNd的也可如此?；旌暇w率a，b，c，d可都彼此相同，如本發(fā)明的第四方面。然而，混合晶體率a，b，c，d也可彼此不相同，例如，通過可選的在硬質(zhì)多層涂層形成期間允許或抑制成分X的反應(yīng)氣體的導(dǎo)入。此外，成分X除了碳(C)或氧(O)之外可包括其他元素，例如不會影響到每一涂層的性能的不可避免的雜質(zhì)元素。
第二涂層可由基本上由TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成的混合物層提供，或可選的由包括基本上由TiAlCrX1-bNb構(gòu)成的第一分層和基本上由TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成的第二分層的多層提供，第一和第二分層彼此交替重疊。第二涂層的TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc的組成可分別與第一涂層的TiAlCrX1-aNa和第三涂層的TiAl(SiC)X1-dNd的組成相同(a＝b，c＝d)。然而，第二涂層的TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc的組成也可不同于第一涂層的TiAlCrX1-aNa和第三涂層的TiAl(SiC)X1-dNd的組成(a≠b，c≠d)。
當(dāng)由混合物層提供第二涂層時(shí)，可適宜地確定在TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc之間的混合率，例如，使得在其之間的混合率為1∶1。此外，混合物層的構(gòu)成可具有連續(xù)地或逐步地改變的混合率。混合率可被改變，例如，使得在第二涂層的上部的TiAlCrX1-bNb與TiAl(SiC)X1-cNc的比率高于在第二涂層的下部的比率。在混合物層中，X1-bNb與X1-cNc相同(X1-bNb＝X1-cNc)，以致混合晶體率b，c彼此相等。
當(dāng)?shù)诙繉佑砂ū舜私惶嬷丿B的第一分層(TiAlCrX1-bNb)和第二分層(TiAl(SiC)X1-cNc)的多層提供時(shí)，可適宜的確定在第一分層的厚度和第二分層的厚度之間的比率，例如，使得在其之間的混合率為1∶1。此外，多層可構(gòu)造為具有連續(xù)地或逐漸地改變的混合率?；旌下士杀桓淖?，例如，使得在第二涂層上部的TiAl(SiC)X1-cNc的厚度與TiAlCrX1-bNb的厚度的比率高于在第二涂層的下部的比率。
在本發(fā)明的第二方面中限定的硬質(zhì)多層涂層中，第一涂層的厚度不小于1.0μm并不大于5.0μm，第二和第三涂層的厚度的和與第一涂層的厚度的比為不小于0.1并不大于1.0，并且第一、第二和第三涂層的厚度的總和不小于1.1μm并不大于10μm。在本發(fā)明的第三方面限定的硬質(zhì)多層涂層中，第三涂層的厚度與第二涂層的厚度的比為從1.0至20。然而，本發(fā)明的第一方面可在不滿足第一至第三涂層的每一涂層厚度的這些條件的情況下實(shí)現(xiàn)。就是說，即使沒有滿足上述條件，本發(fā)明的第一方面提供的硬質(zhì)多層涂層還是表現(xiàn)出比基本上由TiAlCrN和TiAl(SiC)N構(gòu)成的常規(guī)單層(單一層)更高的耐熱性和耐磨性。由于提高的耐熱性和耐磨性，包括涂覆有這種硬質(zhì)多層涂層的基體的硬質(zhì)多層涂覆工具可在高速下切削或機(jī)械加工高硬度材料。
如果第一涂層的厚度小于1.0μm，硬質(zhì)多層涂層的耐磨性不足。如果第一涂層的厚度大于5.0μm，則韌性(不脆性)降低，為此可輕易地導(dǎo)致削蝕和剝落。如果第二和第三涂層的厚度的和與第一涂層的厚度的比小于0.1時(shí)，硬質(zhì)多層涂層將不會具有足夠的耐熱性。如果第二和第三涂層的厚度的和與第一涂層的厚度的比大于1.0時(shí)，則涂層硬度會降低，借此耐磨性會惡化。此外，如果第三涂層的厚度與第二涂層的厚度的比小于1.0，則硬質(zhì)多層涂層會不具有足夠的耐熱性。如果第三涂層的厚度與第二涂層的厚度的比大于20，則涂層硬度會降低，借此耐磨性會惡化。硬質(zhì)多層涂層的特性的改變，例如，取決于第二涂層的組成，舉例來說，TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc之間的混合率。


通過參考附圖閱讀本發(fā)明的現(xiàn)有優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明，會更好地理解該發(fā)明的上述以及其他目的、特征、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)和工業(yè)意義，其中圖1A是為端銑刀形式的硬質(zhì)多層涂覆工具的正視圖，其為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造；圖1B是圖1A的端銑刀的切削齒部分的橫截面圖，示出了布置在端銑刀的基體上的硬質(zhì)多層涂層；圖2是通過實(shí)例示意地示出了電弧型離子涂覆裝置的視圖，該裝置可有利地用于形成圖1B中所示的硬質(zhì)多層涂層；圖3是圖解了通過利用圖2中的裝置形成硬質(zhì)多層涂層的工序的流程圖；圖4是一表格，示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的硬質(zhì)多層涂層的各種實(shí)例，并指示了對相應(yīng)實(shí)例實(shí)施的測試的結(jié)果，該測試用于檢測每一實(shí)例的耐磨性；圖5是一表格，示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的硬質(zhì)多層涂層的其他實(shí)例，并指示了對相應(yīng)實(shí)例實(shí)施的測試的結(jié)果，該測試用于檢測所述每一實(shí)例的耐磨性；圖6是一表格，示出了與圖4和5的實(shí)例對比的硬質(zhì)多層涂層的比較例，并且指示了對相應(yīng)比較例實(shí)施的測試的結(jié)果，這些測試用于檢測每一比較例的耐磨性。
圖7是一示出了TiAlCrN，TiAl(SiC)N和TiAlN的涂層特性的表格。
具體實(shí)施例方式
圖1A是為端銑刀10形式的硬質(zhì)多層涂覆工具的正視圖，其為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造。端銑刀10包括具有通常為圓柱形并由硬質(zhì)合金形成的工具基體(主體)12。工具基體12具有彼此整體成型的切削齒部分14和柄部分15。其中形成有螺旋槽和切削齒的切削齒部分14具有涂覆有硬質(zhì)多層涂層20的表面。在圖1A中，劃斜線部分表示涂覆有硬質(zhì)多層涂層20的表面的一部分。每一切削齒具有外齒根面(flank face)，底或端齒根面和由其中一個(gè)相應(yīng)螺旋槽提供的傾斜面(rake face)，使得在每一切削齒上形成外切削刃16和底或端切削刃18。外切削刃16由傾斜面和外齒根面的相交線限定，而端切削刃18由傾斜面和端齒根面的相交線限定。在利用該端銑刀10的切削減切工序中，端銑刀10繞自身軸線旋轉(zhuǎn)借此工件被切削刃16，18所切割。
從圖1B即涂覆有硬質(zhì)多層涂層20的切削齒部分14的橫截面圖可以清楚的是，硬質(zhì)多層涂層20由第一涂層22、第二涂層24和第三涂層26構(gòu)成，這些涂層以所描述的順序彼此重疊在工具基體12的表面上。第一涂層22基本上由TiAlCrX1-aNa(其中“X”表示碳或氧，而“a”表示滿足0.5≤a≤1的混合晶體率)構(gòu)成，并且布置成與工具基體12的外表面保持接觸a第二涂層24由基本上由TiAlCrX1-bNb(其中“b”表示滿足0.5≤b≤1的混合晶體率)和TiAl(SiC)X1-cNc(其中“c”表示滿足0.5≤c≤1的混合晶體率)構(gòu)成的混合物層提供，或由包括基本上由TiAlCrX1-bNb構(gòu)成的第一分層和基本上由TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成的第二分層的多層提供，第一和第二分層彼此交替重疊。當(dāng)?shù)诙繉?4由混合物層提供時(shí)，混合晶體率b，c彼此相等。第三涂層26基本上由TiAl(SiC)X1-dNd(其中“d”表示滿足0.5≤d≤1的混合晶體率)構(gòu)成，并構(gòu)成硬質(zhì)多層涂層20的最上或最外層。
盡管每一混合晶體率a，b，c，d可適當(dāng)?shù)脑O(shè)置在從0.5至1的范圍內(nèi)，但是混合晶體率a，b，c，d也可設(shè)置成彼此相等。在圖4的實(shí)例1-14和圖5的實(shí)例27-33中，每一混合晶體率a，b，c，d為1.0，以致第一、第二和第三涂層22，24，26的每一為不包括氧和碳的氮化物。在圖4的實(shí)例15，每一混合晶體率a，b，c，d為0.5，以致第一、第二和第三涂層22，24，26的每一為包括作為組分X的碳的碳氮化物。在圖4的實(shí)例16中，混合晶體率a為0.8，這樣第一涂層22為包括作為X組分的碳的碳氮化物，而每一混合晶體率b，c，d為1.0，以致第二和第三涂層24，26的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例17中，每一混合晶體率a，b，c為0.9，這樣第一和第二涂層22，24的每一為包括作為X組分的碳的碳氮化物，而混合晶體率d為1.0，以致第三涂層26為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例18中，每一混合晶體率b和c為0.6，這樣第二涂層24為包括作為X組分的碳的碳氮化物，而每一混合晶體率a，d為1.0，以致第一和第三涂層22，26的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例19中，每一混合晶體率b，c，d為0.8，這樣第二和第三涂層24，26的每一為包括作為X組分的碳的碳氮化物，而混合晶體率a為1.0，以致第一涂層22為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例20中，混合晶體率d為0.5，這樣第三涂層26為包括作為X組分的碳的碳氮化物，而每一混合晶體率a，b，c為1.0，以致第一和第二涂層22，24的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。
在圖4的實(shí)例21中，每一混合晶體率a，b，c，d為0.5，這樣第一，第二和第三涂層22，24和26的每一為包括作為X組分的氧的氮氧化物。在圖4的實(shí)例22中，混合晶體率a為0.7，這樣第一涂層22為包括作為X組分的氧的氮氧化物，而每一混合晶體率b，c，d為1.0，以致第二和第三涂層24，26的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例23中，每一混合晶體率a，b，c為0.6，這樣第一和第二涂層22，24為包括作為X組分的氧的氮氧化物，而混合晶體率d為1.0，以致第三涂層26為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例24中，每一混合晶體率b和c為0.8，這樣第二涂層24為包括作為X組分的氧的氮氧化物，而每一混合晶體率a，d為1.0，以致第一和第三涂層22，26的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例25中，每一混合晶體率b，c，d為0.9，這樣第二和第三涂層24，26為包括作為X組分的氧的氮氧化物，而混合晶體率a為1.0，以致第一涂層22為僅由氮構(gòu)成的氮化物。在圖4的實(shí)例26中，混合晶體率d為0.7，這樣第三涂層26為包括作為X組分的氧的氮氧化物，而每一混合晶體率a，b，c為1.0，以致第一和第二涂層22，24的每一為僅由氮構(gòu)成的氮化物。
第一涂層22的厚度優(yōu)選在從1.0μm至5.0μm的范圍。第一涂層22的厚度與第二和第三涂層24，26的厚度和的比優(yōu)選在從1∶0.1至1∶1.0。第二涂層24的厚度與第三涂層26的厚度之間的比優(yōu)選在從1∶1.0至1∶10。第一、第二和第三涂層22，24，26的厚度和優(yōu)選在從1.1μm至10μm的范圍內(nèi)。圖4的實(shí)例1-26均滿足這些有關(guān)每一涂層22，24，26的厚度的條件。在圖5的實(shí)例27-29中，第一涂層22的厚度小于1.0μm。在圖5的實(shí)例28中，第三涂層26的厚度與第二涂層24的厚度的比小于1.0。在圖5的實(shí)例30中，第二和第三涂層24，26的厚度和與第一涂層22的厚度之比大于1.0，而第三涂層26的厚度與第二涂層24的厚度之比大于20。在圖5的實(shí)例31中，第二和第三涂層24，26的厚度和與第一涂層22的厚度之比小于0.1。在圖5的實(shí)例32中，第一涂層22的厚度大于5.0μm。在圖5的實(shí)例33中，第一涂層22的厚度大于5.0μm，而第一、第二和第三涂層22，24，26的厚度總和大于10μm。
在圖4和5中，“涂層組成”利用插入其中的“+”順序地表示了第一，第二和第三涂層22，24，26的組成?！?∶(2+3)厚度比”表示第一涂層22的厚度與第二和第三涂層24，26的厚度和之間的比?！?∶3厚度比”表示第二涂層24的厚度和第三涂層26的厚度之間的比。
圖2是通過實(shí)例示意地示出了電弧型離子涂覆裝置30的視圖，該裝置可有利地用于形成硬質(zhì)多層涂層20。電弧型離子涂覆裝置30包括用于固定大量呈基體12形式的中間產(chǎn)品的固定件32，每一基體還沒有涂覆硬質(zhì)多層涂層20并具有已經(jīng)形成在其中的外和端切削刃16，18；用于繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)固定件32的旋轉(zhuǎn)裝置34，所述旋轉(zhuǎn)軸線基本上在垂直方向上延伸；用于將負(fù)偏壓施加到基體12上的偏壓電源36；呈室38形式的加工容器，所述容器中容納基體12；第一和第二電弧放電電源44，46；用于將反應(yīng)氣體供應(yīng)到室38中的反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40；和用于利用，例如真空泵吸除反應(yīng)器22內(nèi)部的氣體以減小室38內(nèi)部的壓力的真空裝置42。固定件32由具有中心在上述旋轉(zhuǎn)軸線處的圓柱和棱柱構(gòu)件構(gòu)成。大量基體12被固定件32固定，以致于每一基體12基本上保持水平姿勢，同時(shí)切削齒部分14沿固定件32的徑向向外凸出。反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40配置有罐，在罐中分別存儲有氮?dú)?N2)，烴氣體(CH4，C2H2，等)和氧氣(O2)。反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40適合于根據(jù)第一，第二和第三涂層22，24，26的每一涂層想要的組成被激活。即，反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40在當(dāng)想要的成分為氮時(shí)僅從相應(yīng)的罐中供應(yīng)氮?dú)狻．?dāng)想要的組成為碳氮時(shí)，裝置40根據(jù)混合晶體率a，b，c，d從相應(yīng)罐供應(yīng)氮?dú)夂蜔N氣體。當(dāng)想要的組成為氮氧化物時(shí)，裝置40根據(jù)混合晶體率a，b，c，d從相應(yīng)罐供應(yīng)氮?dú)夂脱鯕狻?br> 第一電弧放電電源44連接到呈第一陰極48形式的蒸發(fā)源，第一陰極由對應(yīng)于第一和第二涂層22，24的組分的TiAlCr構(gòu)成，第一電弧放電電源44，同時(shí)也連接到第一陽極50。第一電弧放電電源44用于在第一陰極48和第一陽極50之間供應(yīng)預(yù)定量的電弧電流，用于引起它們之間的電弧放電，以致于TiAlCr從第一陰極48蒸發(fā)。蒸發(fā)的TiAlCr變成金屬離子(正離子)，并且然后粘附在基體12上，通過偏壓電源36將負(fù)偏壓施加在基體12上。類似的，第二電弧放電電源46連接到呈第二陰極52形式的另一蒸發(fā)源，第二陰極52由對應(yīng)于第二和第三涂層24，26的成分的TiAl(SiC)構(gòu)成，第二電弧放電電源46還連接到第二陽極54。第二電弧放電電源46用于在第二陰極52和第二陽極54之間供應(yīng)預(yù)定量的電弧電流，用于在其間引起電弧放電，這樣TiAl(SiC)從第二陰極52上蒸發(fā)。蒸發(fā)的TiAl(SiC)變成金屬離子(正離子)，并然后粘附到基體12上，通過偏壓電源36將負(fù)偏壓施加到基體12上。
圖3是圖解了通過利用電弧型離子涂覆裝置30在基體12的切削齒部分14的表面上形成硬質(zhì)多層涂層20的工序的流程圖。在執(zhí)行步驟S1-S3之前，室38內(nèi)部的壓力通過反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40和真空裝置42被保持在預(yù)定值(范圍在例如從1.33×5×10-1Pa至1.33×40×10-1Pa)，同時(shí)通過偏壓電源36將預(yù)定值的負(fù)偏壓(范圍在例如，從-50V至-150V)施加到基體12上。在這種情況下，真空裝置42在室30內(nèi)產(chǎn)生真空，并且同時(shí)反應(yīng)氣供應(yīng)裝置40將反應(yīng)氣供應(yīng)到室30中，于是將室30內(nèi)的壓力保持在上述的預(yù)定值。然后執(zhí)行步驟S1-S3，使旋轉(zhuǎn)裝置34被激活以在預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)(例如，3min-1)旋轉(zhuǎn)固定件32，以致硬質(zhì)多層涂層20在基體12上形成。硬質(zhì)多層涂層20的這種形成在包括計(jì)算機(jī)的控制裝置的控制下實(shí)施。
在步驟S1中，當(dāng)?shù)诙娀》烹婋娫?6保持關(guān)閉時(shí)，第一電弧放電電源44保持開啟使得電弧電流供應(yīng)到第一陰極48和第一陽極50之間因此導(dǎo)致僅第一陰極48被蒸發(fā)，這樣基本上由TiAlCrX1-aNa構(gòu)成并具有預(yù)定厚度的第一涂層22形成在基體12上。由第一電弧放電電源44供應(yīng)的電弧電流值和第一電弧放電電源44保持開啟的開啟時(shí)間基于第一涂層22的想要的厚度而確定。
步驟S1后為步驟S2，實(shí)施S2步驟形成基本上由TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc(其中混合晶體率b，c彼此相等)構(gòu)成的混合物層。在步驟S2中，第一電弧放電電源44保持開啟使得電弧電流供應(yīng)到第一陰極48和第一陽極50之間從而引起它們之間的電弧放電，而同時(shí)第二電弧放電電源46保持開啟，使得供應(yīng)電弧電流到第二陰極52和第二陽極54之間從而引起它們之間的電弧放電，以致基本上由TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成并具有預(yù)定厚度的第二涂層24形成在第一涂層22上。由相應(yīng)的第一和第二電弧放電電源44，46供應(yīng)的電弧電流值基于TiAlCrX1-bNb和TiAl(SiC)X1-cNc的想要的比例以及第二涂層24想要的厚度確定。在本實(shí)施方式(即，上述實(shí)例1-3)中，供應(yīng)的電弧電流的值確定為基本上彼此相等這樣它們之間的混合率基本上為1∶1，同時(shí)第一和第二電弧放電電源44，46的開啟時(shí)間基于第二涂層24想要的厚度確定。
當(dāng)由上述第一和第二分層交替彼此重疊的多層形成為第二涂層24時(shí)，實(shí)施步驟S2以致第一和第二電弧放電電源44，46交替開啟，借此第一和第二陰極48，52交替蒸發(fā)。在這種情況下，第一和第二電弧放電電源44，46的開啟時(shí)間基于每一第一和第二分層想要的厚度來確定。
用于形成硬質(zhì)多層涂層20的工序通過步驟S3來完成，在步驟S3中，第一電弧放電電源44保持關(guān)閉的同時(shí)，第二電弧放電電源46保持開啟，這樣將電弧電流供應(yīng)到第二陰極52和第二陽極54之間，從而導(dǎo)致僅第二陰極52被蒸發(fā)，這樣基本上由TiAl(SiC)X1-dNd構(gòu)成并具有預(yù)定厚度的第三涂層26形成在第二涂層24上。由第二電弧放電電源46供應(yīng)的電弧電流的值和第二電弧放電電源46保持開啟的開啟時(shí)間基于第三涂層26想要的厚度確定。
在如所描述構(gòu)成的硬質(zhì)多層涂層20中，構(gòu)成最上或最外第三涂層26的TiAl(SiC)X1-dNd由于其氧化起始溫度足夠高而具有優(yōu)異的耐熱性，構(gòu)成第一涂層22的TiAlCrX1-aNa具有的涂層硬度也足夠高，以及由混合物層或由包括基本上與第一和第三涂層22，26相同成分的多層提供的第二涂層24布置在第一和第三涂層22，26之間。這種結(jié)構(gòu)在第一，第二和第三涂層22，24，26之間提供了高度的粘附度，以致作為整體為第一，第二和第三涂層22，24，26提供了優(yōu)異的耐熱性和耐磨性。因此，作為硬質(zhì)多層涂覆工具(具有在其表面有這種硬質(zhì)多層涂層20的基體12)的端銑刀10由于改進(jìn)的耐熱性和耐磨性而可在高速下切削或機(jī)械加工高硬度材料。
在圖4的實(shí)例1-26中，第一涂層22的厚度不小于1.0μm并不大于5.0μm，第二和第三涂層24，26的厚度的和與第一涂層22的厚度的比為不小于0.1并不大于1.0，并且第一、第二和第三涂層22，24，26的厚度的總和不小于1.1μm并不大于10μm。在這種方案中，由于具有相對高的硬度的第一涂層22的存在而抑制了作為整體的涂層20的變形，并由于第三涂層26的進(jìn)一步增加的粘附度而令人滿意地防止了涂層20的削蝕和剝落。此外，由于第三涂層26的厚度大于第二涂層24的厚度，作為整體的硬質(zhì)多層涂層20通過第三涂層26的存在而給出增加的耐熱性。
在圖4的實(shí)例1-15和21以及圖5的實(shí)例27-33中，混合晶體率a，b，c，d都彼此相同。這種方案，當(dāng)由電弧型離子涂覆裝置30形成硬質(zhì)多層涂層20時(shí)，消除了在涂層20成形期間反應(yīng)氣轉(zhuǎn)換的必要，借此有例于涂層20的制造，并使得可能可靠地獲得具有預(yù)定混合晶體率的涂層20。
通過利用總計(jì)49臺每一都具有6齒和10mm直徑的方端磨機(jī)實(shí)施切削測試，使用如圖4和圖5的實(shí)例1-33和圖6的比較例1-16。這些端磨機(jī)的基體由硬質(zhì)合金制成，并且分別涂覆有彼此不同的各涂層，如圖4-6中所表示的。比較例1不同于本發(fā)明的實(shí)例1-33，其中該涂層由兩層所提供，而不包括等同于基本上由TiAl(SiC)CN構(gòu)成的第三涂層26的層。比較例2不同于實(shí)施1-33，其中第三涂層以及第一涂層由TiAlCrN構(gòu)成。比較例3-16不同于本發(fā)明的實(shí)例1-33，其中這些涂層由單層而不是多層提供。在測試中，在利用每一端銑刀在以下規(guī)定切削條件下在工件的側(cè)表面切削28m的距離后，測量每一外齒根面的磨損寬度VB(mm)。測試的結(jié)果在圖4-6的每一表格的最右列指出。
『切削條件』工件SKD11(60HRC)外切削速度(轉(zhuǎn)數(shù))120m/min(3820min-1)進(jìn)給速度1850mm/min(0.08mm/齒)切削深度RD(徑向深度)＝0.5mmAD(軸向深度)＝10mm切削液在吹空氣條件下干切削從圖4-6中所指示的切削測試的結(jié)果中清楚的是，在本發(fā)明的實(shí)例1-26的每一實(shí)例中在外齒根面的磨損寬度VB小至0.07-0.09mm。從而，與由TiAlN，TiAl(SiC)N或TiAlCrN構(gòu)成的單層提供的每一比較例3-16中的硬質(zhì)涂層相比，實(shí)例1-26顯示出顯著改善的耐磨性。此外，實(shí)例1-26的耐磨性也比比較例1(其中TiAlCrCN或TiAl(SiC)CN的混合物層構(gòu)成最外層而缺少等同于第三涂層26的層)和比較例2(其中第三涂層與第一涂層由TiAlCrN構(gòu)成)的耐磨性更優(yōu)異。因而，諸測試揭示了，通過提供基本上由TiAl(SiC)X1-dNd構(gòu)成的第三涂層26形式的最外層，而進(jìn)一步改善了硬質(zhì)涂層的耐熱性和耐磨性。
在本發(fā)明的圖5的每一實(shí)例27-33中外齒根面中的磨損寬度VB大約為0.1mm，而不象本發(fā)明的圖4的每一實(shí)例1-26中的那樣小。然而，實(shí)例27-33的耐磨性與比較例3-16相比也顯著地改善了，這些比較例的每一硬質(zhì)涂層由TiAlN，TiAl(SiC)N或TiAlCrN構(gòu)成的單層提供。
雖然如上說明了本發(fā)明的現(xiàn)有優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不局限于所解釋的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)，但是可具體包括其他各種變化，修改和改進(jìn)，這些對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是可以想到的，而不背離下列權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.布置在主體上的硬質(zhì)多層涂層，包括與主體保持接觸地布置的第一涂層，所述第一涂層基本上由TiAlCrX1-aNa(其中“X”表示碳和氧的其中一種，而“a”表示滿足0.5≤a≤1的混合晶體率)構(gòu)成；布置在所述第一涂層上的第二涂層，所述第二涂層由基本上由TiAlCrX1-bNb(其中“X”表示所述碳和氧的其中一種，而“b”表示滿足0.5≤b≤1的混合晶體率)和TiAl(SiC)X1-cNc(其中“X”表示所述碳和氧的其中一種，而“c”表示滿足0.5≤c≤1的混合晶體率)構(gòu)成的混合物層提供，或由包括基本上由所述TiAlCrX1-bNb構(gòu)成的第一分層和基本上由所述TiAl(SiC)X1-cNc構(gòu)成的第二分層的多層提供，所述第一和第二分層彼此交替重疊；和布置在所述第二涂層上并構(gòu)成所述硬質(zhì)多層涂層的最外層的第三涂層，所述第三涂層基本上由TiAl(SiC)X1-dNd(其中“X”表示所述碳和氧的其中一種，而“d”表示滿足0.5≤d≤1的混合晶體率)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)多層涂層，其中所述第一涂層具有從1.0μm至5.0μm的厚度，其中所述第二和第三涂層的厚度和與所述第一涂層的所述厚度的比為從0.1至1.0，和其中所述第一、第二和第三涂層的厚度和為從1.1μm至10μm。
3.如權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)多層涂層，其中所述第三涂層的所述厚度與所述第二涂層的所述厚度比為從1.0至20。
4.如權(quán)利要求1-3中任一所述的硬質(zhì)多層涂層，其中所述混合晶體率a，b，c，d都彼此相同。
5.一種硬質(zhì)多層涂覆工具，包括如權(quán)利要求1-3中任一所限定的硬質(zhì)多層涂層；和作為所述主體的基體，其具有涂覆有所述硬質(zhì)多層涂層的表面。
全文摘要
一種被布置在主體上的硬質(zhì)多層涂層，包括(a)與主體保持接觸布置的第一涂層，第一涂層基本上由TiAlCr X
文檔編號C23C30/00GK1872536SQ20061008771
公開日2006年12月6日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者戶井原孝臣, 櫻井正俊, 福井康雄, 齊藤益生 申請人:Osg株式會社