用于在加工操作中增強耐磨性的適應(yīng)形態(tài)的鋁鈦氮化物涂層和其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及(Al,Ti)N涂層，其顯示具有至少兩個不同涂層部分A和B，具有納米數(shù)量級的顆粒大小，其特征在于所述涂層部分A顯示具有比所述涂層部分B更大的顆粒大小和更高的彈性模量。本發(fā)明還涉及一種用于用上述涂層涂布基底的方法，從而借助于PVD技術(shù)沉積所述(Al,Ti)N涂層的至少所述涂層部分A和/或所述涂層部分B。
【專利說明】用于在加工操作中增強耐磨性的適應(yīng)形態(tài)的鋁鈦氮化物涂層和其方法
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁鈦氮化物((Al，Ti)N)涂層系統(tǒng)和一種在基底表面上沉積其的方法。更具體地講，本發(fā)明涉及一種具有調(diào)整的形態(tài)并且在加工操作中展現(xiàn)增強的切削性能的招欽氣化物涂層。
[0002]包含鋁鈦氮化物的薄涂層常常用于在加工操作中獲得切削工具的高性能。眾所周知這種涂層的研發(fā)始于1980年。隨后已完成通過切削操作改善鋁鈦氮化物涂層的性能的更多嘗試。在許多情況下，據(jù)報道，通過在單層涂層系統(tǒng)(如(Al，Ti，Si)N)中添加其他元素或通過在多層涂層系統(tǒng)(如(Al，Ti)N/Al203)中與其他涂層材料組合，有可能顯著改善AlTiN基涂層的溫度穩(wěn)定性、抗氧化性和耐磨性。通過研發(fā)AlTiN基涂層而廣泛研究的其他重要方面是涂層結(jié)晶度、顆粒大小、元素組成、結(jié)構(gòu)等的影響。
[0003]例如，W02011041063的作者報道，當(dāng)這些涂層具有約O至15重量％的六方相和(Alx, Ti1JN的元素組成，其中X在約0.53至約0.58摩爾范圍內(nèi)時，鋁鈦氮化物涂層可展現(xiàn)對用于端銑的燒結(jié)碳化鎢切削工具意外良好的加工性質(zhì)。它們還表明，這些涂層優(yōu)選具有在約10至約40納米范圍內(nèi)的平均顆粒大小，展現(xiàn)具有由X射線衍射表征的晶體學(xué)織構(gòu)的立體相并且具有在約4.5至約10范圍內(nèi)的(200)與(111)峰強度比。
[0004]JP2644710的作者報道，具有元素組成(AlxTi l_x) N并且0.56 ^ x ^ 0.70的氮化鋁涂層同時展現(xiàn)高硬度耐磨性和優(yōu)良高溫氧化性。
[0005]W02011034492的作者報道AlTiN涂層切削工具的改善的切削性能或更長工具壽命，其中通過在反應(yīng)性PVD電弧沉積期間在氮氣氣氛中從Ti0.33A10.67和Ti0.30和A10.70靶標(biāo)順序地改變基底偏壓來沉積鋁鈦氮化物涂層。根據(jù)W02011034492的沉積方法包含在涂布沉積期間改變基底偏壓的至少一個次序(維持積極靶標(biāo))，其中改變基底偏壓的次序包含子次序Si。如下調(diào)整或改變子次序Si期間的基底偏壓:a)調(diào)整第一基底偏壓Bi并維持10秒至60分鐘的沉積時間Ti，b)在10秒至40分鐘的斜坡時間Ri期間，逐漸將基底偏壓改變至第二基底偏壓Bi+Ι，其中|B1-Bi+l| ^ 10 V。重復(fù)子次序Si，直至i =n，其中I = 0、1、2...n，其中η >2，并且其中各新子次序在結(jié)束先前子次序時所用相同基底偏壓下開始。
[0006]然而，盡管對該主題進行了大量研發(fā)工作，加工操作中改善切削性能的需要仍驅(qū)使對鋁鈦氮化物涂層的性質(zhì)和沉積方法更廣泛的研究。
[0007]本發(fā)明的目的
本發(fā)明的目的提供用于高性能切削工具的鋁鈦氮化物涂層系統(tǒng)、特別是用于切削插件的寬帶涂層，其允許比現(xiàn)有技術(shù)水平更高的生產(chǎn)率。此外，本發(fā)明的目的為提供一種用于制造所述高性能涂布工具的工業(yè)適用涂布方法。另外，根據(jù)本發(fā)明的涂布方法應(yīng)該盡可能穩(wěn)健并且不復(fù)雜。
[0008]發(fā)明描述
本發(fā)明通過提供具有調(diào)整的形態(tài)的鋁鈦氮化物涂層系統(tǒng)和其涂層沉積方法實現(xiàn)上述目的，所述涂層系統(tǒng)和方法均特別設(shè)計用于改善高性能切削工具的效率。[0009] 根據(jù)本發(fā)明的(Ti，Al) N涂層是顯示具有兩個不同的區(qū)域或涂層部分A和B的單層涂層，其主要特征在于不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0010]發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該涂層部分A顯示具有基本上更明顯柱狀形態(tài)結(jié)構(gòu)和比涂層部分B更大的顆粒大小時，(Ti，A1)N涂層的切削性能可以顯著改善。
[0011]此外，通過根據(jù)本發(fā)明制備的在涂層部分A和B中的顆粒大小均為納米數(shù)量級的(Ti, Al) N涂層，獲得更好的切削性能。
[0012]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，涂層部分A中的顆粒大小gzA為涂層部分B中的顆粒大小gzB的至少1.25倍,優(yōu)選gzA> 1.5 gzB,更優(yōu)選10 gzB ^ gzA ^ 1.5 gzB,還更優(yōu)選4 gzB≥gzA≥1.8 gzB。在本發(fā)明的又一實施方案中，涂層部分A的涂層厚度thjj、于涂層部分B的涂層厚度thB:thA < thB。優(yōu)選1.2 thA≤thB≤8 thA。更優(yōu)選1.5 thA≤thB≤3thA。
[0013]在本發(fā)明的其他實施方案中，使用粉末冶金合金TiAl-靶標(biāo)作為源材料，通過陰極電弧蒸發(fā)產(chǎn)生(Ti，Al)N涂層。優(yōu)選地，靶標(biāo)中的原子元素組成為TixAlh,其中
0.30 ≤ X ≤ 0.70。
[0014]在本發(fā)明的又一優(yōu)選實施方案中，在涂層沉積期間改變靶標(biāo)表面上的磁場構(gòu)造以便影響去往陽極表面的電子軌線，并因此影響等離子體中的電子溫度和涂布腔室中的反應(yīng)氣體的電離等級。根據(jù)本發(fā)明的這一優(yōu)選實施方案，在涂層沉積期間強烈影響反應(yīng)氣體的電子溫度和電離等級，以便在(Ti，A1)N涂層中獲得不同的所需形態(tài)結(jié)構(gòu)A和B。
[0015]在本發(fā)明的其他優(yōu)選實施方案中，在(Al，Ti)N涂層的沉積期間，維持反應(yīng)氣體的電子溫度和電離等級盡可能地低。
[0016]不同切削工具用根據(jù)本發(fā)明沉積的(Al，Ti)N涂層的不同變型來涂布，并且可能通過切削測試來驗證用根據(jù)本發(fā)明的(Al，Ti)N涂層涂布的切削工具的切削性能的顯著改善。具體地講，獲得弧坑磨損的顯著減少和工具壽命的顯著增加。
[0017]以下一些實驗程序和結(jié)果將作為本發(fā)明的實施方式的實例來說明:
借助于電弧離子電鍍沉積技術(shù)將(Al，Ti)N涂層沉積在切削插件上。將具有Ala55Tia45、Al0.6Ti0.4, Ala67Tia33和Ala7Tla3的元素組成的靶標(biāo)用作在反應(yīng)性氮氣氛中沉積(Al，Ti)N涂層的材料源。使用在序列號61/357272的美國專利文件中Krassnitzer等人推薦類型的電弧蒸發(fā)器，蒸發(fā)靶標(biāo)材料。這種類型的電弧蒸發(fā)器包含陰極(靶標(biāo))、陽極和允許將磁場的流線引向緊鄰陰極布置的陽極的磁裝置。反應(yīng)氣體的電子溫度和電離等級(此情況下為涂布腔室中氮氣的電離等級)被影響，以便通過調(diào)整線圈電流的恰當(dāng)值來產(chǎn)生不同涂層部分A和B。涂層部分A沉積在基底上，并且涂層部分B沉積在涂層部分A上。在一些情況下，夾層沉積在基底和涂層部分A之間。一般來講，用于沉積涂層部分A的線圈電流和基底偏壓的所用值CCa和sbvA高于用于沉積涂層部分B的對應(yīng)所用值CCb和sbvB，因此CCa >CCb 并且 sbvA > sbvBo
[0018]在部分A和B的各自對應(yīng)的沉積開始時，不使用斜坡，分別調(diào)整ccA和sbvA值以及CCb和必^值，并隨后分別維持恒定，直至涂層部分A和B的各對應(yīng)沉積時間完成。所用線圈電流在O A至2 A之間變化。
[0019]此外，使用以下分析技術(shù)之等，分析對應(yīng)于上述實例的根據(jù)本發(fā)明的沉積涂層:能量分散X-射線光譜學(xué)(EDX);掃描電子顯微術(shù)(SEM)、X射線衍射(XRD)和納米刻痕方法。[0020]基本上，沉積涂層的部分A和B均顯示具有面心立方體結(jié)晶結(jié)構(gòu)和主要(200)晶體學(xué)織構(gòu)。一般來講，在涂層部分A中觀察到的柱狀結(jié)構(gòu)比在涂層部分B中更明顯。此外，與涂層部分B相比，在涂層部分A中觀察到增加的顆粒大小、硬度和彈性模量。顆粒大小值為納米數(shù)量級。特別地，在具有5 nm至50 nm的顆粒大小的涂層中觀察到良好切削性能。硬度值在37 GPa至55 GPa之間變化。彈性模量值在410 GPa至450 GPa之間變化。與鈦有關(guān)的鋁原子百分比分?jǐn)?shù)以及涂層部分A中測得的壓縮應(yīng)力一般略低于涂層部分B中測得那些。
[0021]使用用根據(jù)本發(fā)明沉積的(Al，Ti)N涂層涂布的切削插件進行銑削和車削測試的切削性能結(jié)果示于附圖1和2。與其他4種不同的商業(yè)確立的(Al，Ti)N涂層相比，所獲得的結(jié)果顯不于圖1_2。
[0022]此外，經(jīng)驗證，僅含有對應(yīng)于涂層部分A或涂層部分B的結(jié)構(gòu)的(Al，Ti)N涂層未顯示改進的高切削性能。該結(jié)果可在圖3中觀察到。
[0023]附圖名稱: 圖1:切削測試I中通過銑削操作來比較切削性能。切削測試I中的測試條件為: 材料:1.4571
工具:碳化物插入物ADKT 1505
切削參數(shù):Vc=125m/min, fz=0.15mm, ap=4mm, ae=35mm 操作:端面銑削/干燥
圖2:切削測試2中通過車削操作來比較切削性能。切削測試2中的測試條件為: 材料:1.4571 工具:CNMG432
切削參數(shù):Vc=180m/min, fz=0.25mm, ap=2mm 操作:濕法切削/外部車削 標(biāo)準(zhǔn):Vbmax ^ 205 μ m
圖3:切削測試3中通過車削操作來比較切削性能。切削測試3中的測試條件為: 材料:1.2344 45 HRC 工具:端統(tǒng)刀φ IOmm
切削參數(shù):Vc=180m/min, fz=0.lmm, ap=10mm, ae=0.5mm
操作:濕法切削/精磨
標(biāo)準(zhǔn):Vbmax ^ 100 μ m
在本發(fā)明的背景下，名稱(Ti，A1)N涂層和(Al，Ti)N涂層具有相同含義并因此無差別地被使用。
[0024]涂布方法常用的電弧蒸發(fā)器包括陰極，但不包括特定陽極，因為陽極由涂布腔室壁構(gòu)成。為此，陰極處生成的更多電子必須穿越等離子體，以便達到陽極。為此，更多電子在電弧PVD涂布方法期間到達等離子體。
[0025]在本發(fā)明的情況下，如上文所提及，用于制備(Al，Ti)N涂層的電弧蒸發(fā)器具有特殊構(gòu)造，其中陽極放置于陰極的周圍并且磁場構(gòu)造還有助于使絕大多數(shù)電子從陰極向陽極偏移，避免電子在電弧PVD方法期間到達等離子體。使得陰極處生成的較少數(shù)量的電子能到達等離子體，并因此可能在(Al.Ti)N涂層的沉積期間，盡可能低地維持等離子體中反應(yīng)氣體的電子溫度和電離等級，如上文提及的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案之一中所述。
[0026]由于所用電弧蒸發(fā)器具有允許將電子從陰極向緊鄰陰極布置的陽極偏移的構(gòu)造，有可能通過調(diào)整線圈電流和基底偏壓來生成用于根據(jù)本發(fā)明形成具有部分A和B的涂層所必需的加工條件。越高的線圈電流值伴有電子從陰極向陽極的越高偏移。
[0027]所施加基底偏壓sbvA和sbvB在_30 V至-200 V之間變化,并且sbvA > sbvB。
[0028]根據(jù)所實現(xiàn)的實驗，如果對于沉積(Al，Ti)N涂層的涂層部分A，所施加基底偏壓不低于-150 V (sbvAf具有比-150 V更低負值)，并且對于沉積(Al，Ti)N涂層的涂層部分A，所施加基底偏壓不低于-200 V (必％不具有比-200 V更低負值)，則根據(jù)本發(fā)明涂布的切削工具顯示特別良好的切削性能。換句話講，如果在涂層部分A的沉積期間施加于基底的偏壓的絕對值低于在涂層部分B沉積期間所施加偏壓的絕對值，則可以根據(jù)本發(fā)明獲得極良好切削性能。
[0029]特別地，粉末冶金技術(shù)制得的靶標(biāo)可用于涂層沉積，但由其他技術(shù)制得的復(fù)合靶標(biāo)或合金靶標(biāo)也可以使用。
[0030]如果有必要改善涂層的內(nèi)聚性，則其可能推薦的是在各自涂層部分A和B的沉積開始時逐漸調(diào)整涂層參數(shù)如線圈電流和/或偏壓(如通過使用斜坡)。
[0031]在大部分情況下，當(dāng)涂層部分A和B的顆粒大小均低于30 nm時，根據(jù)本發(fā)明涂布的燒結(jié)碳化物切削工具顯示具有特別良好的切削性能。特別地，在一些情況下，當(dāng)涂層部分A的平均顆粒大小為約2 0 nm或更小，那么涂層部分B的平均顆粒大小為約10 nm或更小。
[0032]同樣，如果涂層部分A中的Al原子百分比含量l-xA比涂層部分B中Al原子百分比含量1-XB低大約4 - 10%，則可以通過根據(jù)本發(fā)明涂布的切削工具獲得對于一些應(yīng)用特別良好的切削性能:
?如果 0.04 ≤((l-xB) - (l-xA))/ (1-Xa) ≤0.10,
?更具體地講，如果 0.04 ≤((l-xB) - (l-xA))/ (1-Xa)≤ 0.06此外，涂層部分A中壓縮應(yīng)力比部分B低至少15%、優(yōu)選至少低20%的根據(jù)本發(fā)明沉積涂層提供特別良好的切削性能。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的涂層可施加在各種基底上。
[0034]特別地，根據(jù)本發(fā)明的涂層可用于保護將暴露于摩擦接觸的表面。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的涂層還可以改善暴露于摩擦接觸的表面的若干摩擦性質(zhì)，例如硬度、耐磨性、抗氧化性等。特別地，根據(jù)本發(fā)明的涂層可用于涂布機元件和工具。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的涂層可特別有益于改善切削工具的切削性能。
[0037]例如，根據(jù)本發(fā)明涂布的切削工具的基底可包含或可由鋼和/或燒結(jié)碳化物、和/或陶瓷、和/或立方氮化硼組成。
[0038]根據(jù)本發(fā)明沉積的(Al，Ti)N涂層的總體涂層厚度優(yōu)選不小于0.5 μ m并且不大于 30 μ m。
【權(quán)利要求】
1.(Al, Ti)N涂層，顯示至少兩個不同涂層部分A和B，具有納米數(shù)量級的顆粒大小，其特征在于所述涂層部分A顯示比所述涂層部分B更大的顆粒大小和更高的彈性模量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于所述涂層部分B沉積在所述涂層部分A上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于所述與鈦相關(guān)的鋁原子百分率分?jǐn)?shù)和/或所述涂層部分A中測量的壓縮應(yīng)力至少略低于在所述涂層部分B中所測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于所述涂層部分A和B中的顆粒大小為5nm至50nm、優(yōu)選5nm至30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于所述涂層部分A中的顆粒大小gzA是所述涂層部分B中的顆粒大小gzB的至少1.25倍大,優(yōu)選gzA ^ 1.5gzB,更優(yōu)選10gzB≤gzA≤1.5gzB,還更優(yōu)選4gzB≤gzA≤1.8gzB。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于涂層部分A和B均顯示具有面心立方體結(jié)晶結(jié)構(gòu)和顯著(200)晶體學(xué)織構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于涂層部分A和B均顯示具有37GPa至55GPa的硬度值和/或410GPa至450GPa的彈性模量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的(Al，Ti)N涂層，其特征在于所述涂層部分A的厚度thA小于所述涂層部分B的涂層厚度thB,優(yōu)選1.2thA ( thB ( 8thA,更優(yōu)選。1.5thA ^ thB ^ 3thA。
9.至少部分地涂布有根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項的(Al，Ti)N涂層的基底。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的基底，其特征在于所述基底為工具，具體來說其為切削工具，更具體來說其為包含鋼和/或燒結(jié)碳化物、和/或陶瓷、和/或立方氮化硼或由鋼和/或燒結(jié)碳化物、和/或陶瓷、和/或立方氮化硼組成的切削工具。
11.用于涂布根據(jù)權(quán)利要求9至10中任一項的基底的方法，其特征在于所述(Al，Ti)N涂層的至少所述涂層部分A和/或所述涂層部分B是借助于PVD技術(shù)來沉積。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，至少對于沉積所述(Al，Ti)N涂層的所述涂層部分A和/或所述涂層部分B，使用反應(yīng)性電弧離子電鍍沉積技術(shù)，從而將包含鈦和鋁的至少一個靶標(biāo)用作源材料，并且對于所述涂層形成，將含氮或基本上含氮的氣體用作反應(yīng)氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求11至12中任一項所述的方法，其特征在于，至少對于沉積所述(Al，Ti) N涂層的所述涂層部分A和/或所述涂層部分B，使用包含陰極、緊鄰所述陰極布置的陽極和磁裝置的電弧蒸發(fā)器，其中所述磁裝置允許將所述磁場的流線引向所述陽極。
14.權(quán)利要求書14缺失
15.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的方法，其特征在于，對于沉積所述涂層部分A，使用比沉積所述涂層部分B更高的線圈電流值。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項所述的方法，其特征在于，對于沉積所述(Al，Ti)N涂層的所述涂層部分B，與沉積所述涂層部分A所施加相比，在所述待涂布基底上施加具有更低負值的偏壓。
17.用于在基底上沉積涂層的PVD方法，所述涂層具有至少兩個不同涂層部分A和B，所述A和B涂層部分具有優(yōu)選為納米數(shù)量級的不同顆粒大小，所述涂層部分A顯示具有比所述涂層部分B更大的平均顆粒大小，其特征在于，與在所述涂層部分B的沉積期間相比，在所述涂層部分A的沉積期間產(chǎn)生的等離子體顯示所述反應(yīng)氣體的更低電子溫度和/或更低電離。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的PVD方法，其特征在于所述PVD方法為反應(yīng)性電弧蒸發(fā)PVD方法。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的PVD方法，其特征在于，對于沉積所述涂層部分A和/或?qū)τ诔练e所述涂層部分B，使用包含陰極、緊鄰所述陰極布置的陽極和磁裝置的至少一個電弧蒸發(fā)器，其中所述磁裝置允許將所述磁場的流線引向所述陽極。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項所述的PVD方法，其特征在于，對于沉積所述涂層部分A，使用比沉積所述涂層部分B更高的線圈電流值。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至20中任一項所述的PVD方法，其特征在于，對于沉積所述涂層部分A，在所述待涂布基底上施加負偏壓，其絕對值低于沉積所述涂層部分B所施加的偏壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中任一項所述的PVD方法，其特征在于，對于沉積所述涂層部分A和B，使用相同類型的靶標(biāo)材料，由相同元素組成并且具有原子百分比相同的化學(xué)組成。
23.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項所述的PVD方法，其特征在于，用于沉積所述涂層部分A和/或B的至少一個靶標(biāo)通過粉末冶金技術(shù)制作。
【文檔編號】C23C14/32GK103958738SQ201280057376
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】D.庫拉波夫, S.克拉斯尼策爾 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)