專利名稱：耐磨的薄涂層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于通過除屑進行機加工的切削工具，由硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼的基底以及硬的且耐磨的難熔材料涂層構成，其中至少一層涂層包括在沉積過程中或者作為單相沉積或者與第二相一起當場沉積的六方MeX相。這一發(fā)現(xiàn)可以有多種方式的應用，對于成品工具的性能修整提高了很大的可能性，例如，在其它類型的晶粒結構或者同樣類型的晶粒結構的涂層基體中作為六方結構的顆粒，或者在多層超結構中作為單獨的一層。例如，與立方結構相比，六方結構具有不同的機械和化學性能，因此不同類型的微晶組合能夠提供比單一結構材料更創(chuàng)新的性能。
背景技術：
在當今通過除屑進行機加工的金屬切削中，使用的所有PVD涂層中的大部分由TiN、Ti(C，N)和(Ti，Al)N的微晶構成，其中具有立方NaCl類型的結構。但是，亞穩(wěn)態(tài)的(Ti，Al)N層在升高的溫度下，在熱處理期間或者如果提供足夠的能量時工作的情況下，會發(fā)生相變，分解成c-TiN和h-AlN。c-TiN和/或h-AlN的析出物會作為涂層中的硬化成分。已經證實，c-TiN和/或h-AlN析出物在立方c-(Ti，Al)N基體中的優(yōu)化含量會提高涂層的性能，如EP-A-1400609和EP-A-1452621中所公布的。然而，在六方結構(纖維鋅礦型)中占據的原子體積比立方結構(NaCl型)中的原子體積大25％。因此，對于施加的(Ti，Al)N涂層，如果結構轉變程度過大，則會導致涂層的粘結性降低并且磨損加快。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種涂層，包括含有h-MeX相的至少一層，將涂層施加到通過除屑進行機加工的切削工具上。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種方法，通過使用PVD技術，沉積包括h-MeX相的涂層。
已經發(fā)現(xiàn)，通過平衡化學成分、生長期間的熱能數(shù)量和離子感應表面激活的程度、生長速度和壓力，能夠獲得含有h-MeX相的涂層，與現(xiàn)有技術相比，這種涂層在金屬切削方面性能提高。這種涂層包括h-MeX晶體，這種晶體可以與氮化物和/或碳化物和/或氧化物的c-NaCl型結構同時存在或者單獨存在。使用PVD技術，優(yōu)選通過電弧氣化法，沉積涂層。


圖1為使用CuKα放射和θ-2θ幾何，從根據本發(fā)明的h-NbN涂層中獲得的沉積狀態(tài)下X射線衍射圖案；圖2為使用CuKα放射和θ-2θ幾何，從原子比Nb/Zr＝29/71的(Nb，Zr)N涂層中獲得的沉積狀態(tài)下X射線衍射圖案；圖3為使用CuK α放射和初始光束與樣品表面間為1°的恒定入射掠角(constant gracing incident angle)，并且通過僅掃描來自本發(fā)明的NbN涂層的檢測器，獲得的沉積狀態(tài)下X射線衍射圖案；圖4為使用CuKα放射和θ-2θ幾何，從原子比Nb/Zr＝86/14的(Nb，Zr)N涂層中獲得的沉積狀態(tài)下X射線衍射圖案；具體實施方式

根據本發(fā)明，提供一種用于通過切屑去除進行機加工的切削工具，包括硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼的硬合金基底，在基底上沉積有由一層或多層難熔化合物層構成的耐磨涂層，該涂層包括至少一層h-MeX相的晶體層。其它涂層可以由選自Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Si和Al中的元素的氮化物和/或碳化物和/或氧化物構成，采用的生長方法為物理氣相沉積(PVD)或其它沉積技術，例如離子增強化學氣相沉積(PACVD)和/或化學氣相沉積(CVD)。根據本發(fā)明的工具特別適用于金屬切削應用，其中，切屑厚度小，加工的材料硬，例如使用立銑刀(solid end mill)進行的仿型銑削，刃式銑刀銑削或者硬化鋼的鉆孔。
一層或多層h-MeX層包括h-MeX相的晶體。其成分可被描述為Me1aMe21-aXb，其中Me1為元素V，Cr，Nb和Ta中的一個或多個，Me2為元素Ti，Zr，Hf，Al和Si中的一個或多個，a＞0.5，并且X為元素N，C，O和B中的一個或多個。這里，非金屬與金屬的原子比被定義為在h-(Me1，Me2)X相中，R＝(at-％X)/(at-％Me1+at-％Me2)，其中，R在0.5和1.0之間，優(yōu)選在0.75和1.0之間。
h-MeX層包括h-(Me1，Me2)X相，其特征在于存在六方相微晶，h-(Me1，Me2)X，利用在θ-2θ和/或入射掠角幾何中，X射線衍射圖案(XRD)檢測顯示出下列特征中的一個或多個使用CuKα放射在2θ為大約35°的情況下，h-(Me1，Me2)X(100)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約39°的情況下，h-(Me1，Me2)X(101)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約48°的情況下，h-(Me1，Me2)X(102)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約62°的情況下，h-(Me1，Me2)X(110)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約62°的情況下，h-(Me1，Me2)X(103)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約72°的情況下，h-(Me1，Me2)X(112)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約75°的情況下，h-(Me1，Me2)X(201)出現(xiàn)峰值；使用CuKα放射在2θ為大約83°的情況下，h-(Me1，Me2)X(202)出現(xiàn)峰值；和當Me和X各不是Nb和N時，峰值位置會改變；h-(Me1，Me2)X的結構優(yōu)選為反-NiAs(anti-NiAs)型；由比例K定義的織構，在θ-2θ幾何內使用CuKα放射，K為h-(Me1，Me2)X(100)峰值的面積與h-(Me1，Me2)X(110)加(103)的峰值面積之間的比值，介于0和0.5之間，優(yōu)選在0.0和0.25之間；在θ-2θ幾何內使用CuKα放射，由小晶粒和/或各向異性應力引起的FWHM(半最大值的全寬度)值對于h-(Me1，Me2)X(110)峰值加(103)峰值，在0.5-3.0°2θ之間，和/或對于h-(Me1，Me2)X(100)峰值，在0.4-2.5°2θ之間；和X由低于30at-％的O和/或B以及平衡量的N和/或C組成，at-％為原子百分比。
與NaCl型c-MeX結構的立方單相相比，包括h-(Me1，Me2)X的涂層的硬度顯著提高，參見實施例1，在h-(Nb，Zr)N和c-(Nb，Zr)N的系統(tǒng)中已得到證明。
如果根據本發(fā)明的含h-(Me1，Me2)X的涂層與其它涂層結合，總的涂層厚度在0.1到15μm之間，優(yōu)選在0.5和12μm之間，其中，不含h-(Me1，Me2)X的涂層的總厚度在0.5到10μm之間變化。
在其它可選實施例中，結合有或者不結合有上述其它涂層的根據本發(fā)明的含h-(Me1，Me2)X的涂層其厚度在0.5和12μm之間，在涂層的頂面可以沉積0.5到5μm之間厚度的外部硬質低摩擦材料層，該材料以MoS2、DLC(類似金剛石的涂層)或者MeC/C為基礎，其中，Me為Cr，W，Ti，或Ta。
在另一個可選實施例中，含h-(Me1，Me2)X的涂層其厚度在0.1到2μm之間，該含h-(Me1，Me2)X的涂層為一種到五種不同材料中的一種，該材料是介于1.0到15μm厚的多層涂層，所述多層涂層由單獨的2-500層構成，優(yōu)選為5-200層構成。
在另一個可選實施例中，含h-(Me1，Me2)X的涂層為0.5到20μm厚，能夠沉積在CVD涂層的頂面，該CVD涂層可包括一層或多層Al2O3微晶。
在另一個可選實施例中，使用至少一個厚度為0.1到1.0μm的含h-(Me1，Me2)X的涂層進行金屬切削應用，其中，切屑的厚度非常小。
這里利用Nb-Zr-N系統(tǒng)示例出生長包括本發(fā)明的h-(Me1，Me2)X相的涂層的方法，該方法依據合金陰極或者復合陰極的電弧氣化法，遵照下列條件進行Nb-Zr陰極的成分為＞70at-％的Nb，，優(yōu)選為大于80at-％的Nb，和平衡量的Zr；根據陰極的尺寸和材料，氣化電流在50A到200A之間，使用直徑為63mm的陰極時，氣化電流優(yōu)選在70A到140A之間；基底的偏壓在-10V和-300V之間，優(yōu)選在-40V和-120V之間；沉積溫度在400℃和700℃之間，優(yōu)選在500℃和700℃之間。
如果使用純的Nb和/和Zr的陰極，氣化電流優(yōu)選為，對于Nb是在80A和140A之間，對于Zr是在60A和100A之間。為了獲得涂層的正確成分，使用純的單一金屬陰極，需要適當?shù)貎?yōu)化電弧的電流和每種元素的陰極數(shù)目。通過使用數(shù)目為Zr陰極數(shù)目兩倍的Nb陰極，和/和對Nb陰極采用較高的電弧電流，在Nb-Zr系統(tǒng)中能夠獲得正確的涂層成分和結構。
當生長含h-(Me1，Me2)X的涂層時，使用含有0-50vol-％(體積百分比)的Ar、優(yōu)選為0-20vol-％的Ar的Ar+N2氣氛，總壓力為0.5Pa到9.0Pa，優(yōu)選為1.5Pa到5.0Pa。
為生長h-(Me1，Me2)X涂層，其中X包括C和O，在N2和/或Ar+N2氣氛中需要加入含碳和/或含氧的氣體，例如C2H2，CH4，CO，CO2和O2。如果X也包括硼，也可以向該氣氛中加入帶有硼的合金靶或者加入含硼的氣體。
為了獲得根據本發(fā)明的其中一種優(yōu)選結構，即，含h-(Me1，Me2)X涂層，這里以h-(Nb，Zr)N示例，已經發(fā)現(xiàn)，應當定義幾個沉積參數(shù)。一個重要的因子是來自陰極的Nb通量與N2分壓的比值，PN2。而本發(fā)明不局限于特別的理論。應該認識到，與Nb通量直接相關的沉積率在旋轉角中的分量非常低，其中，在旋轉角內發(fā)生大部分的沉積。沉積率不應該過高，在一折旋轉(one fold rotation)中低于大約4μm/h，其中，兩個Nb陰極分開180°，或者在三折旋轉中為大約1.5μm/h。上述給出的沉積率實際為平均值而且不是關鍵參數(shù)，其可以看作是530℃沉積溫度下的粗略參考。在采用更高的沉積率時，會需要更高的沉積溫度。對于每一個沉積率，對于過程中的PN2具有較低的下限。過低的PN2會導致涂層中出現(xiàn)金屬性的Nb(N)和/或c-NbN。在使用的系統(tǒng)中，在高于0.5Pa的壓力下能夠獲得最佳結果。因為一個關鍵因素是保持最大沉積率較低，陰極表面與基底之間的最小距離是很重要的，優(yōu)選為150mm或更大。這里，130mm以下的距離看起來過小。
由于類似于Nb，也可以使用V和/或Ta作為Me1，來沉積上述類型的含有h-(Me1，Me2)X相的涂層。使用Ti，Zr，和Hf作為Me2，當作合金元素也是可行的，根據表1中公開的Nb-Zr-N系統(tǒng)中硬度vs.成分值，使用的最大合金量在總的金屬含量中優(yōu)選小于20at-％，更優(yōu)選小于15at-％。對此合金途徑的實施例為h-(V，Nb，Ta)N，h-(V，Nb，Ta)1-x(Ti，Zr，Hf)xN，其中，x優(yōu)選＜0.2，最優(yōu)選＜0.15。
為了獲得良好的抗高溫氧化性，與碳氮化物和碳化物相比，最好采用氮化物。另外，通過將Ti，Al和Si作為Me2元素和Cr作為Me1元素，進行合金化，可以獲得提高的抗氧化性。這些合金元素可以出現(xiàn)在h-(Me1，Me2)X相中，也可以出現(xiàn)在可以是c-NaCl類型的第二相中。
當生長含h-(Me1，Me2)X的涂層時存在著風險，即，壓縮殘余應力會很高，達到相應于(h-MeX相的)0.5％到1.5％應變的3-8Gpa的程度，當使用尖的切削刃和/或當對良好附著力的需求是最重要的時候，這會負面影響切削時的性能。一個減小壓縮殘余應力的可能方案是采取后期退火處理，或者當場進行退火，優(yōu)選在Ar和/或N2的氣氛下，溫度在600-1100℃下進行20到600分鐘。
已經參照采用電弧氣化法沉積的含h-(Me1，Me2)X相的涂層描述了本發(fā)明。應當理解，含h-(Me1，Me2)X相的涂層也可以利用其它PVD技術生產，例如磁控管濺射、電子束氣化、離子電鍍或激光消融。
實施例1使用拋光的硬質合金基底，其成分為93.5wt-％的WC-6wt-％的Co-0.5wt-％的(Ta，Nb)C，wt-％的為重量百分比。WC晶粒尺寸為大約1μm，硬度為1630HV10。
沉積之前，使用堿性溶液和酒精在超聲波浴池中進行基底清洗，然后基底被放在PVD系統(tǒng)中，使用一個完整循環(huán)的夾具固定。陰極到基底的最短距離是160mm。系統(tǒng)壓力被減小到小于2.0×10-3Pa，然后，利用Ar離子對基體進行濺射清洗。使用Nb和Zr陰極(直徑為63mm)的電弧氣化法生長涂層，該陰極被這樣安裝，垂直的金屬成分梯度從Nb0.97Zr0.03變化到Nb0.29Zr0.71(利用EDS測量)。含有h-AlN的樣品中氮含量(利用EDS測量)在(Nb，Zr)N0.77-0.92之間。這意味著，比例R＝(at-％X)/(at-％Me1+at-％Me2)在0.77和0.92之間，其中，X為N，Me1為Nb，Me2為Zr。
在99.995％的純N2氣氛下進行沉積，總壓力為3.0Pa，基底偏壓為-110V，進行60分鐘。層厚大約3.5μm。沉積溫度大約530℃。沉積后立即向腔室中通入干燥N2進行通氣。
除了使用純Nb元素的陰極，采用上述相同的參數(shù)，在單獨的沉積試驗中沉積NbN層。
圖1和圖2中分別示出沉積的NbN涂層和Nb0.29Zr0.71N涂層的X射線衍射圖案(CuKα放射，θ-2θ幾何)。除了對應于WC-Co基底的峰值外，在NbN和Nb0.29Zr0.71N涂層的圖案之間幾乎沒有相似性。圖2中，Nb0.29Zr0.71N涂層由NaCl型結構組成，例如(111)，(200)，(220)和(311)峰值的標示。但是，NbN的XRD圖案完全不同。特別是，沒有立方NaCl型結構，并且在2θ為62°時出現(xiàn)了大的峰值(FWHM＝1.2°2θ)，并且在2θ為38°時出現(xiàn)了峰值(FWHM＝1.3°2θ)，兩個峰值在Nb0.29Zr0.71N中看不到。而且，從70到75°2θ，在NbN中強度稍微提高，而在Nb0.29Zr0.71N的同一區(qū)域中強度下降。并且，與NbN涂層在34.0°2θ的峰值位置相比，Nb0.29Zr0.71N中34.5°2θ的峰值位置明顯不同。對于NbN樣品，由h-(Me1，Me2)X(100)峰值的面積與h-(Me1，Me2)X(110)+(103)峰值面積之間的比值定義的織構(K)為0.12。h-NbN(110)+(103)峰值的FWHM為1.2°2θ，h-NbN(100)峰值的FWHM為0.7°2θ。
利用X射線衍射，使用在主要光束與樣品表面之間為1°的恒定入射掠角，并且掃描檢測器以便放大來自涂層的峰值，進行沉積狀態(tài)下的NbN的相識別，請見圖3。通過檢測出反-NiAs型結構內的衍射圖案，證實出現(xiàn)h-NbN。在Zr含量增加時，c-(Nb，Zr)N(NaCl型結構)的含量增加。圖4示出來自沉積狀態(tài)下的原子比為Nb/Zr＝86/14(樣品E)的涂層的X射線衍射圖案。對于此樣品比例L＝0.25，其中，L為在大約62°2θ的h-(Me1，Me2)X(110)的峰值面積(＝A(h-(Me1，Me2)X)110)與在大約41°2θ的c-(Me1，Me2)X(200)的峰值面積(＝A(c-(Me1，Me2)X)200)的比值，即，L＝A(h-(Nb，Zr)N)110/A(c-(Nb，Zr)N)200。
對于表1中選定的樣品，對于h-(Nb，Zr)N(110)+(103)峰值的峰值-背景比例分別為153(A)，92(B)，109(C)，79(D)和4.5(E)。
利用納米壓痕(nanoindentation)，使用納米壓痕儀(NanoIndenterTM II)，在拋光的漸縮橫截面上施加最大載荷25mN，導致出現(xiàn)深度約200nm的最大穿透深度，來測量Nb-Zr-N涂層的硬度和楊氏模量。在表1中給出硬度和楊氏模量數(shù)值。從表1中可以清楚看出，當涂層中具有h-(Nb，Zr)N時，硬度急遽提高。Nb/Zr＝86/14、樣品為E的涂層，其硬度在h-(Nb，Zr)N的等級之間，大約43-48Gpa，c-(Nb，Zr)N涂層的硬度大約33Gpa。
實施例2MM12-12012-B90P-M05型硬質合金的可更換端銑刀，其成分為90wt-％的WC-10wt-％的Co(WC晶粒尺寸為0.8μm)，使用類似實施例1的沉積條件對其進行施加涂層(實施例2中樣品的名稱指與實施例1中具有類似成分的樣品名稱)。使用具有三個完整循環(huán)的固定。端銑刀位于不同的高度，以便獲得不同的成分。沉積時間從實施例1中的調整到140分鐘，而在前刀面上獲得3.0μm的厚度。作為參照，使用相同幾何形狀和基底的TiN涂層的端銑刀，這里稱之為TiN。在該樣品中前刀面的涂層厚度為1.4μm。
使用下述切削數(shù)據，進行半成品仿型銑削測試材料DIN X100CrMoV51，硬度59HRCn＝4050rpmap＝ae＝0.9mmvf＝900mm/minhm＝0.015mm，銑削30分鐘后，測量兩個不同部位(在頂面，和距頂面1mm的地方)的最大邊緣磨損，Vb max，見表2。
表2

該仿型銑削試驗表明，樣品C(本發(fā)明)具有最低的磨損率，其次是混和有h-(Nb，Zr)N和c-(Nb，Zr)N結構的樣品E。
實施例3
使用RDHW 10T3M0T-MD06刀片進行仿型銑削試驗，刀片的涂層類似實施例1(樣品A，C和E)中的涂層。當?shù)镀霈F(xiàn)如定義中的磨損，即，出現(xiàn)火花并且材料表面出現(xiàn)不平，測量工具的壽命。在表3中給出工具的壽命。
材料DIN X155CrMoV121，硬度58HRC干加工Vc＝250m/minFz＝0.2mm/齒ap＝1mm，ae＝2mm
權利要求
1.一種切削工具刀片、立銑刀或者鉆頭，包括基底和涂層，所述涂層由一層或多層的難熔化合物層構成，其特征在于，至少一層包括六方相微晶，h-(Me1，Me2)X，其成分描述為Me1aMe21-aXb，其中，Me1為元素V，Cr，Nb和Ta中的一種或多種，Me2為元素Ti，Zr，Hf，Al和Si中的一種或多種，a＞0.5，并且X為元素N，C，O和B中的一種或多種，在Me1aMe21-aXb相中，比值R＝(at-％X)/(at-％Me1+at-％Me2)，其中，R在0.5和1.0之間，優(yōu)選在0.75和1.0之間，并且X含有小于30at-％的O+B，在六方相微晶h-(Me1，Me2)X的θ-2θ和/或入射掠角幾何內，X射線衍射(XRD)圖案顯示出下列峰值中的一個或多個h-(Me1，Me2)X(100)峰值；h-(Me1，Me2)X(101)峰值；h-(Me1，Me2)X(102)峰值；h-(Me1，Me2)X(110)峰值；h-(Me1，Me2)X(103)峰值；h-(Me1，Me2)X(112)峰值；h-(Me1，Me2)X(201)峰值；h-(Me1，Me2)X(202)峰值。
2.根據權利要求1所述的切削工具，其特征在于，比例L為所述涂層的X射線衍射圖案中，θ-2θ幾何內，h-(Me1，Me2)X(110)加(103)的峰值面積(＝A(h-(Me1，Me2)X110+103)和c-(Me1，Me2)X(200)(＝A(c-(Me1，Me2)X200)的峰值面積之間的比值，L＝A(h-(Me1，Me2)X110+103)/A(c-MeX200，所述L值大于0.1，優(yōu)選大于0.2，和/或對于h-(Me1，Me2)X(110)加(103)的峰值，峰值與背景的比值大于2，優(yōu)選大于4。
3.根據權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述Me1為元素V，Cr或Nb中的一種或多種，Me2為元素Ti，Zr，Al或Si中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的切削工具，其特征在于，由比例K定義織構，在所述涂層的X射衍射圖案中，在θ-2θ幾何內，K為h-(Me1，Me2)X(100)峰值的面積與h-(Me1，Me2)X(110)加(103)的峰值面積之間的比值，K值介于0和0.5之間，優(yōu)選在0.0和0.25之間。
5.根據權利要求1所述的切削工具，其特征在于，在所述涂層的X射衍射圖案中，在θ-2θ幾何內，對于h-(Me1，Me2)X(110)峰值，F(xiàn)WHM(半最大值的全寬度)值在0.5-3.0°2θ之間，并且對于h-(Me1，Me2)X(100)峰值，F(xiàn)WHM(半最大值的全寬度)值在0.4-2.5°2θ之間。
6.根據權利要求1所述的切削工具，其特征在于，h-(Me1，Me2)X的結構為反-NiAs型。
7.一種制造具有涂層的切削工具刀片、立銑刀或鉆頭的方法，所述切削工具刀片、立銑刀或者鉆頭包括基底和涂層，其特征在于，所述涂層由一層或多層的難熔化合物層構成，其中至少一層包括h-(Me1，Me2)X相，其成分描述為Me1aMe21-aXb，其中，Me1為元素V，Cr，Nb和Ta中的一種或多種，Me2為元素Ti，Zr，Hf，Al和Si中的一種或多種，a＞0.5，并且X為元素N，C，O和B中的一種或多種，在Me1aMe21-aXb中，比值R＝(at-％X)/(at-％Me1+at-％Me2)，其中，R在0.5和1.0之間，優(yōu)選在0.75和1.0之間，并且X含有小于30at-％的O+B。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削工具刀片、立銑刀或者鉆頭，包括基底和涂層。所述涂層由一層或多層的難熔化合物層構成，其中至少一層包括h－Me1Me2X相，其中，Me1為元素V，Cr，Nb和Ta中的一種或多種，Me2為元素Ti，Zr，Hf，Al和Si中的一種或多種，并且X為元素N，C，O和B中的一種或多種。在Me1Me2X相中，比值R＝(at－％X)/(at－％Me1+at－％Me2)，其中，R在0.5和1.0之間，優(yōu)選在0.8和1.0之間，并且X含有小于30at－％的O和B。本發(fā)明在切屑厚度小、工件材料硬的金屬切削應用中特別實用，例如，設有立銑刀的仿型銑削，對硬質鋼進行刀片銑削或鉆孔。
文檔編號B32B18/00GK1857836SQ2006100794
公開日2006年11月8日 申請日期2006年5月8日 優(yōu)先權日2005年5月6日
發(fā)明者湯米·拉爾森, 雷納特·卡爾松 申請人:山高刀具公司