專利名稱：用于金屬機(jī)械加工的pvd涂層的制作方法
用于金屬機(jī)械加工的PVD涂層本發(fā)明涉及適合沉積在用于芯片成形金屬機(jī)械加工的切削工具刀片(cuttingtool inserts)上的耐磨涂層。該涂層包含具有不同晶粒粒度(grain size)但具有基本相同組成的至少兩層。通過(guò)物理氣相沉積法(PVD)沉積該涂層。現(xiàn)代芯片成形金屬機(jī)械加工中的提高的生產(chǎn)率需要具有高可靠性和優(yōu)異耐磨性的工具。已知的是，自60年代末以來(lái)，可通過(guò)在工具表面上施加合適的涂層來(lái)顯著改進(jìn)工具壽命?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)是用于切削工具的最初沉積技術(shù)，這種方法仍常用于沉積TiN、Ti (C，N)和Al2O3層。在80年代引入物理氣相沉積(PVD)并從那時(shí)起已從穩(wěn)定金屬化合物如TiN或Ti (C，N)的沉積發(fā)展到包括通過(guò)濺射或陰極電弧蒸發(fā)之類的方法沉積多組分的亞穩(wěn)化合物，如(Ti，Al)N、(Ti，Si)N或(Al，Cr)N。針對(duì)具體用途優(yōu)化這些涂層的性質(zhì)，因此涂層性能在它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域外顯著降低。例如，具有大約5-30納米典型晶粒粒度的細(xì)粒涂層在具有極小芯片厚度的端銑(end milling)中得到典型應(yīng)用，而具有大約50-500納米典型晶粒粒度的粗粒涂層在使用可轉(zhuǎn)位刀片(indexable insert)的統(tǒng)削(milling) 和車削(turning)應(yīng)用中通常優(yōu)異，因?yàn)樾酒穸群蜏囟忍岣摺１景l(fā)明的一個(gè)目的是提供在從極小到大芯片厚度的寬應(yīng)用范圍內(nèi)具有高機(jī)械加工性能的涂層。本發(fā)明涉及適于沉積在用于芯片成形金屬機(jī)械加工的切削刀片上的耐磨涂層。本發(fā)明的涂層包含具有基本相同組成但具有不同晶粒粒度的至少兩層。該涂層具有從使用端銑刀(end mills)的精加工到使用可轉(zhuǎn)位刀片的中等或粗加工的寬應(yīng)用范圍。通過(guò)物理氣相沉積法沉積該涂層。附圖
簡(jiǎn)述
圖I顯示本發(fā)明的涂層的斷裂橫截面掃描電子顯微術(shù)(SEM)圖像。該涂層含有兩個(gè)細(xì)粒層(標(biāo)作A)和兩個(gè)粗粒層(標(biāo)作B)。發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及用于芯片成形金屬機(jī)械加工切削工具的耐磨PVD涂層。該涂層包含至少一個(gè)A層和至少一個(gè)B層，其中A和B具有基本相同的化學(xué)組成，但它們的平均粒寬(grainwidth)ffA和Wb彼此不同，以致Wa < WB。在跨越至少20個(gè)晶粒的斷裂橫截面掃描電子顯微(SEM)圖像上沿層中心與生長(zhǎng)方向垂直的線評(píng)估層的粒寬W。基本相同的化學(xué)組成在此意味著由相同陰極沉積A和B層。由于沉積A和B層的工藝條件的差別，所得A和B層含有相同化學(xué)元素，但各元素的原子含量在大約±3 at.%單位內(nèi)不等。優(yōu)選地，各A層是2 < Wa < 50納米的細(xì)粒，各B層具有30 < Wb < 500納米的粗和基本柱狀晶粒，且WB/WA > 2。各A層的厚度為O. 03至5微米，優(yōu)選O. 05至2微米，且各B層的厚度為O. I至5微米，優(yōu)選O. 2至2微米。A和B層數(shù)為2至200，優(yōu)選2至40，最優(yōu)選2至20。所有A和B層的總厚度為O. 3至20微米，優(yōu)選O. 5至10微米。A和B層之間的過(guò)渡優(yōu)選為突變或漸變，但該涂層還可在A和B層之間包含一個(gè)或多個(gè)中間層達(dá)到O. 5-20微米的厚度。本發(fā)明還涉及包含在細(xì)和粗晶粒粒度之間連續(xù)變化的一個(gè)或多個(gè)層的涂層。A和B層隨后分別被定義為具有細(xì)和粗晶粒粒度的所選層部分，其中各層部分垂直于生長(zhǎng)方向并具有至少O. I微米厚度，且其中評(píng)估平均粒寬。本發(fā)明的涂層可進(jìn)一步包含位于基底和第一 A或B層之間的如本領(lǐng)域中已知的內(nèi)單層和/或內(nèi)多層，和/或位于最后一個(gè)A或B層上的外單層和/或外多層，達(dá)到O. 5-30微米，優(yōu)選O. 5-15微米，最優(yōu)選O. 5-10微米的總涂層厚度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(TinylAlxlMeyl) (N1^alQal) zl的組成，其中 O. 3〈 xl〈 O. 7，O 彡 yl〈 O. 3，優(yōu)選 O 彡 yl〈 O. 15，最優(yōu)選 yl = 0，O. 90〈zl < I. 10，優(yōu)選 O. 96 < zl < I. 04,0 彡 al〈 O. 5，優(yōu)選 O 彡 al〈 0.3，最優(yōu)選&1 =0。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Si 中的一種或多種，優(yōu)選 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Si中的一種或多種，且Q是C、B、S和O中的一種或多種。在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(Ti^y2Six2Mey2) (Ua2)z2的組成，其中 O. 02 < x2 < O. 25，O 彡 y2 < O. 3，優(yōu)選 O 彡 y2〈 O. 15，最優(yōu)選 y2 = 0，O. 90〈z2 < I. 10，優(yōu)選 O. 96〈 z2〈 I. 04,0 彡 a2〈 O. 5，優(yōu)選 O 彡 a2〈 0.3，最優(yōu)選&2 = O。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Al 中的一種或多種，優(yōu)選 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Al中的一種或多種,且Q是C、B、S和O中的一種或多種。在再一優(yōu)選實(shí)施方案中，A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(Crn·y3Alx3Mey3) (H)z3的組成，其中 O. 3〈 x3〈 O. 75,0 ^ y3 < O. 3，優(yōu)選O 彡 y3〈 O. 15，最優(yōu)選y3 = 0,0. 90 <z3 < I. 10，優(yōu)選 O. 96〈 z3〈 I. 04,0 彡 a3〈 O. 5，優(yōu)選 O 彡 a3〈 0.3，最優(yōu)選&3 = O。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Ti 中的一種或多種，優(yōu)選 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Ti中的一種或多種，且Q是C、B、S和O中的一種或多種。通過(guò)PVD，優(yōu)選通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)沉積本發(fā)明的涂層?？梢酝ㄟ^(guò)幾種方式，例如通過(guò)I)改變陰極處的磁場(chǎng)，2)改變沉積溫度，3)改變蒸發(fā)電流，和/或4)改變偏壓來(lái)實(shí)現(xiàn)晶粒粒度變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定適當(dāng)工藝條件在技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。實(shí)施例I
本發(fā)明的(Ti，Al)N涂層通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)沉積到主要組成為90重量％ WC + 10重量％ Co的硬質(zhì)合金刀片(cemented carbide insert)上。在沉積前，刀片在堿溶液和醇的超聲浴中清潔。將沉積室抽空至小于2. OxlO-3 Pa的基礎(chǔ)壓力，此后用Ar離子濺射清潔該刀片。在450°C下使用-80 V的偏壓和90A蒸發(fā)電流，在99. 995%純N2氣氛中在4 Pa總壓力下由組成為Ti :Al = 34:66的TiAl復(fù)合陰極沉積該涂層。分別在兩個(gè)等級(jí)Mii之間調(diào)節(jié)陰極表面前的磁場(chǎng)以產(chǎn)生A和B層，其中Ms主要垂直于陰極表面并具有在陰極表面上在3-20 mT范圍內(nèi)變化的場(chǎng)強(qiáng)，Mii也主要垂直于陰極表面，具有在O. 5-2. 5 mT范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)。首先在Mii下沉積B層達(dá)20%的總沉積時(shí)間，然后在Ms下沉積A層達(dá)30%的總沉積時(shí)間，然后將該相同次序重復(fù)一次。用掃描電子顯微術(shù)(SEM)研究該涂層。圖I顯示斷裂橫截面的SEM圖像，其中清楚看見(jiàn)A和B層。沿圖Ib中的線評(píng)估平均粒寬w。A層具有w 19納米的細(xì)等軸晶粒，B層具有w 61納米的較粗柱狀晶粒?？倢雍穸葹榇蠹s2微米。實(shí)施例2
在銑削操作中用下列數(shù)據(jù)測(cè)試來(lái)自實(shí)施例I的涂層
幾何X0EX120408R-M07應(yīng)用方肩 先肖Ij (square shoulder milling)
工件材料AISI 316L 切削速度160 m/min 進(jìn)給O. 15 mm/齒 切削深度2 mm 切削寬度13 mm (26%)
工具壽命標(biāo)準(zhǔn)側(cè)面磨損(flank wear) (vb) > O. 3 mm
作為參照，使用具有與本發(fā)明的涂層類似的組成和厚度的兩種市售(Ti，A1)N涂層，Refl和Ref2。Refl是用于這種特定銑削用途的現(xiàn)有技術(shù)狀況并具有w 100納米的柱狀粗粒。Ref2是w 15納米的細(xì)粒。
權(quán)利要求
1.用于芯片成形金屬機(jī)械加工切削工具的耐磨PVD涂層，其特征在于所述涂層包含至少一個(gè)A層和至少一個(gè)B層，其中A和B具有基本相同的化學(xué)組成，但它們的平均粒寬Wa和Wb彼此不同，以致Wa < Wb。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的涂層，其特征在于各A層是2< Wa < 50納米的細(xì)粒，各B層是30< Wb < 500納米的粗粒，且wB/wA > 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2任一項(xiàng)的涂層，其特征在于各A層的厚度為O.03至5微米，各B層的厚度為O. I至5微米，由此所有A和B層的總厚度為O. 3至20微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的涂層，其特征在于所述涂層在A和B層之間包含一個(gè)或多個(gè)中間層達(dá)到O. 5至20微米的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的涂層，其特征在于所述涂層包含位于基底和最內(nèi)A或B層之間的內(nèi)單-和/或多層，和/或位于最外A或B層上的外單-和/或多層，達(dá)到O. 5至30微米的總涂層厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的涂層，其特征在于所述A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(TinylAlxlMeyl) (NwiQal)zl 的組成，其中 O. 3 < xl < O. 7,0 ^ yl < 0.3,0. 90 < zl <I. 10,0 ≤ al〈 O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Si 中的一種或多種，且Q是C、B、S和O中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的涂層，其特征在于所述A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(Tih^SiJe-) (Nh2Qa2)z2 的組成，其中 0.02〈 x2〈 O. 25，O ^ y2 < 0.3,0. 90〈 z2〈I. 10,0 ≤ a2〈 O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Al 中的一種或多種，且Q是C、B、S和O中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的涂層，其特征在于所述A和B層具有根據(jù)化學(xué)式(Civx3_y3Alx3Mey3) (Nh3Qa3)z3 的組成，其中 O. 3〈 x3〈 O. 75,0 ^ y3 < 0.3,0. 90 < z3 <I. 10,0 ≤ a3〈 O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Ti 中的一種或多種，且Q是C、B、S和O中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的涂層，其特征在于通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)沉積所述涂層。
10.使用真空電弧蒸發(fā)以沉積具有最小組成(AlxTi-X) N 55 </= X </= 74 at% 的AlTiN涂層的沉積方法 升級(jí)I (AlxMel-X) N, Me: Ti或與Cr，Zr, Hf, V第4-5族元素的合金，升級(jí) 2 (AlaMe 1-a-b Xb) N, X: B, S，Y, Ce, Sc O </= b < 10 at% 具有至少一個(gè)層，該層表現(xiàn)出精細(xì)形態(tài)并由與一定含量的w-AlN-晶格類型結(jié)合的fee-晶格類型的主相構(gòu)成，其以與該蒸發(fā)器磁場(chǎng)聯(lián)合的蒸發(fā)器電流的選擇為特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的沉積方法，該方法使用大約O.5至2. 5 mT的弱磁場(chǎng)且場(chǎng)主要垂直于該陰極表面，和在O. 5至10 Pa氮?dú)鈮合轮辽?00 A和更大的電流，以及在300至700°C沉積溫度下大約20至300 V的偏壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的沉積方法該方法使用大約3至20mT的強(qiáng)磁場(chǎng)且場(chǎng)主要垂直于該陰極表面，和在O. 5至10 Pa氮?dú)鈮合轮辽?0 A和更大的電流，以及在300至700°C沉積溫度下大約20至300 V的偏壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或權(quán)利要求11任一項(xiàng)的沉積方法，該方法用于生成至少由兩層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)層A為純fee-晶格類型，和層B具有一定的W-AlN-晶格類型含量。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13任一項(xiàng)的沉積方法，該方法分別使用低蒸發(fā)器電流(30 ...100) A以生成層A和使用高蒸發(fā)器電流(100 .. . 300)A以生成層B. .14.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13任一項(xiàng)的沉積方法，該方法使用配有蒸發(fā)器的PVD系統(tǒng)，該蒸發(fā)器具有根據(jù)權(quán)利要求11的用于生成A型層的弱磁場(chǎng)并具有根據(jù)權(quán)利要求12的用于生成B型層的強(qiáng)磁場(chǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的沉積方法，該方法使用具有在根據(jù)權(quán)利要求11的弱磁場(chǎng)和根據(jù)權(quán)利要求12的強(qiáng)磁場(chǎng)之間變化的可調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的蒸發(fā)器。
16.通過(guò)經(jīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)改變磁體位置或改變電磁系統(tǒng)的線圈電流來(lái)改變根據(jù)權(quán)利要求15的磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法。
17.層B，其特征在于經(jīng)由X-射線衍射檢查的次要W-AlN相測(cè)量表明當(dāng)沉積在硬質(zhì)合金上時(shí)使用1120峰。
18.根據(jù)權(quán)利要求10涂層，該涂層表現(xiàn)出比具有柱狀純fee-晶格類型的涂層低的本征應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明涉及適合沉積在用于芯片成形金屬機(jī)械加工的切削工具刀片上的耐磨涂層。該涂層包含具有不同晶粒粒度但具有基本相同組成的至少兩層。利用磁場(chǎng)經(jīng)由蒸發(fā)器通過(guò)物理氣相沉積法(PVD)沉積該涂層。膜可以具有(TiAlMe)(NQ)組成，其中Me=Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Se、Ce、Mo、W和Si，且Q是C、B、S和O。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102985584SQ201180020230
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者J.索倫, J.安德森, J.維特, J.米勒 申請(qǐng)人:蘇舍梅塔普拉斯有限責(zé)任公司