專利名稱：多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置和方法以及涂有該多組分膜的工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)穩(wěn)定裝置和生產(chǎn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其可更容易地生產(chǎn)含有兩種或多種金屬組分的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物，例如TiAlN，和涉及涂有通過該方法形成的膜的工具。
背景技術(shù)：
PVD(物理氣相沉積)方法被稱為涂布產(chǎn)品表面的方法，使之得到耐磨性、耐氧化性、耐腐蝕性和其它一些功能。
離子電鍍方法(其用作PVD方法之一并結(jié)合真空沉積方法的一部分和濺射工藝)是一種表面處理方法，用于形成金屬化合物如金屬碳化物、金屬氮化物和金屬氧化物或其化合物的涂層。該方法作為特別地涂布滑動組件和切割工具表面的方法是重要的。
常規(guī)地，含兩種或多種金屬組分的氮化物，例如TiAlN膜僅僅通過電弧方法或者濺射方法生產(chǎn)。
然而，這些方法需要昂貴的合金靶充當(dāng)氣化材料且需要制備根據(jù)目標(biāo)膜組合物而定的組合物靶。此外，由于電磁場和靶的保持方法導(dǎo)致該方法幾乎未利用全部的原材料。另外，電弧方法必然牽涉沉積未反應(yīng)的金屬液滴且不可能形成具有滿意質(zhì)量的膜。濺射方法可形成極其平坦的膜，但通常具有小的成膜速度。
相反，熔融氣化類型的離子電鍍方法(下文稱為熔融方法)的優(yōu)點是，大多數(shù)荷電原材料氣化且材料的使用效率高。當(dāng)使用材料單位成本高的金屬或者幾乎不可成形的金屬作為原材料時，這是尤其有利的。然而，常規(guī)的熔融方法難以均勻氣化具有顯著不同熔點的兩類或更多類金屬材料。
例如，當(dāng)在采用常規(guī)方法，在同一坩堝內(nèi)熔融具有極大不同熔點的兩類或更多類金屬元素，例如Ti和Al時，具有低熔點的Al先熔融并氣化，隨后是Ti。結(jié)果，所得膜具有受到熔點差別影響的組成，具體地在基礎(chǔ)金屬側(cè)上含有高比例的低熔點金屬，且朝向表面層逐漸含有高比例的高熔點金屬。
因此，采用常規(guī)方法形成的含有兩類或更多類金屬元素的膜具有完全取決于其熔點的組成分布，因此難以控制在膜的厚度方向上的組成分布。幾乎不可能控制在基礎(chǔ)金屬側(cè)上的膜，以便含有較高比例的高熔點金屬，和在表面?zhèn)壬系哪ぃ员愫休^高比例的低熔點的金屬。
特別地，當(dāng)由合金制造的熔融材料用作起始材料時，要求優(yōu)等質(zhì)量未熔融的部分形成厚膜，該材料必需具有大的面積。然而，熔融部分覆蓋未熔融部分，和要求復(fù)雜的控制裝置除去熔融部分。
圖3示出了這一情況。圖3表明使用由合金制造的常規(guī)熔融材料形成TiAlN膜的狀態(tài)。熔融材料的合金104被成型為具有寬的面積并置于水冷110類型的坩堝103內(nèi)。通過聚焦的等離子體107電離合金蒸汽。合金中的熔融部分104a大部分覆蓋未熔融部分104b。
為了解決這一問題，例如采用了在離子電鍍裝置中安裝多個氣化源的方法，參見JP-U-06-33956(

圖1)。
然而，為了提供多個氣化源，離子電鍍裝置需要額外的電源。另外，通過熔融方法成膜的速度取決于氣化源離待氣相沉積的制品的距離或者氣化源與待氣相沉積的制品之間的位置關(guān)系，但對于具有多個氣化源的裝置來說，難以均勻化多個氣化源和待氣相沉積的制品之間的位置關(guān)系。由于這一原因，幾乎不可能獲得具有一致組成的膜。
發(fā)明公開本發(fā)明要解決的技術(shù)問題 因此，希望形成優(yōu)等質(zhì)量的多組分的膜，其含有熔點非常不同的金屬組分，例如TiAlN，例如，其中不同金屬的每一組分以所需的速度分布在整個膜厚上。還優(yōu)選通過使用原料合金，以高的材料使用效率形成膜，其中所述原料合金不要求與目標(biāo)膜組成嚴(yán)格匹配，但幾乎接近于膜組成的金屬組分，和其中所有部分可被有效利用。
本發(fā)明的目的是提供形成這種多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置和方法，和涂有通過使用該生產(chǎn)方法形成的膜的工具。
解決該技術(shù)問題的方法 本發(fā)明的多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置和方法在單一坩堝或爐膛中熔融并蒸發(fā)含至少兩類金屬、合金或金屬間化合物的氣化材料，并利用通過電場或磁場聚焦的等離子體，形成多組分膜。此刻，一部分材料首先熔融并蒸發(fā)，然后按序熔融并蒸發(fā)該材料的未熔融部分。
優(yōu)選通過供應(yīng)蒸發(fā)所需的第一電功率，然后在預(yù)定的時間間隔處，從第一電功率起反復(fù)供應(yīng)臺階式增加的電功率，一直到供應(yīng)所需的最大電功率，或者通過使等離子體聚焦到材料蒸發(fā)所需的第一等離子區(qū)域內(nèi)，然后以連續(xù)的方式按序移動和膨脹等離子體從第一等離子體區(qū)域一直到最大等離子體區(qū)域，從而進(jìn)行按序熔融和蒸發(fā)未熔融部分。
上述流程使得熔融部分在涂布處理過程中膨脹(expand)以補(bǔ)充低熔點的金屬。
結(jié)果可優(yōu)等質(zhì)量地形成膜，其中通過控制起始原材料的組成和未熔融部分的熔融速度，具有很大不同的金屬熔點的各金屬組分，例如TiAlN在整個膜厚上形成所需的組成分布。氣化的原材料不需要與目的膜的組成嚴(yán)格匹配，且可以是具有接近于目的膜組成的金屬組成的合金。
原材料優(yōu)選燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊。
在使用燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊的情況下，熔融部分可與未熔融部分相分離。因此可以有效地使用幾乎全部原材料且未熔融部分按序熔融和蒸發(fā)，和材料的利用效率高。
根據(jù)本發(fā)明的涂布工具具有切割工具基礎(chǔ)材料，例如高速工具鋼、板模鋼、超硬合金(cemented carbide)或金屬陶瓷，和通過本發(fā)明的上述方法，在基礎(chǔ)材料上形成含有多種金屬元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜。
因此，可獲得具有所需組成分布的優(yōu)異膜的涂布工具。
實施本發(fā)明的模式 參考實施方案，詳細(xì)地描述本發(fā)明。首先將描述本發(fā)明的改進(jìn)。
發(fā)明人嘗試使用50g TiAl合金作為熔融原材料，在獲得通用TiN涂層的條件下形成TiAlN膜。在這一嘗試中，TiAl合金在開始熔融之后，在數(shù)分鐘內(nèi)完全熔化。如此獲得的膜具有其中在基礎(chǔ)材料側(cè)上Al豐富和朝向表面?zhèn)萒i逐漸豐富的組成。這是因為Al具有比Ti低的熔點，和先從熔融材料中氣化。與TiN膜相比，如此獲得的涂布膜具有低的硬度和較差的粘合性。
甚至當(dāng)TiAl合金的重量增加，使該材料部分熔融時，具有低熔點的Al先氣化和這得到類似的結(jié)果。
因此，發(fā)明人考慮供應(yīng)Al，所述Al通過蒸發(fā)而被耗盡，并進(jìn)行實驗將Al額外引入到熔融材料內(nèi)。然而，難以平衡熔融和蒸發(fā)以及Al的供應(yīng)，且得不到滿意的結(jié)果。
根據(jù)常規(guī)的技術(shù)，常見的做法是控制熔融原材料所使用的電功率到接近首先(但當(dāng)開始熔化時例外)測定為最佳時的恒定的電功率下。
發(fā)明人推斷，若在熔融過程中，電功率以臺階方式在預(yù)定的時間間隔處增加，則未熔融的部分最先開始熔融并補(bǔ)充包含在未熔融部分內(nèi)的低熔點金屬到膜上。他們反復(fù)多次實驗，且可證明這一推論的正確性。
此外，根據(jù)常規(guī)技術(shù)，同樣在通過控制電場或者磁場以供等離子體聚焦，使未熔融部分熔融的過程中，常見的做法是控制使原材料熔融所使用的等離子體區(qū)域到開始(但當(dāng)開始熔化時例外)測定為最佳時的接近恒定的等離子體區(qū)域上。
發(fā)明人推斷，通過控制等離子體，以便等離子體區(qū)域從第一區(qū)域連續(xù)移動并膨脹一直到達(dá)最大等離子體區(qū)域，隨后移動等離子體并膨脹，從而獲得類似的效果。他們反復(fù)多次實驗，且可證明這一推論的正確性。
本發(fā)明基于發(fā)明人如上所述的認(rèn)識。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置利用含至少兩類金屬或金屬間化合物的燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊作為氣化原材料，使該原材料熔融并蒸發(fā)，形成多組分膜。如圖1所示，生產(chǎn)穩(wěn)定裝置具有真空腔室1容納待涂布的組件或者工件2，和安裝在該腔室內(nèi)接收燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊4的單個坩堝或爐膛3。該裝置進(jìn)一步配有含HCD槍(中空陰極槍)5的電源供應(yīng)裝置6和等離子體控制裝置9，所述電源供應(yīng)裝置6將電功率供應(yīng)到坩堝上，通過所生成的熱量和等離子體7，引起電弧放電，使原材料蒸發(fā)和電離，所述等離子體控制裝置9包括當(dāng)蒸發(fā)原材料時，控制磁場使等離子體聚焦的電磁線圈8。
本發(fā)明實施方案的生產(chǎn)裝置可具有與根據(jù)熔融和蒸發(fā)類型的離子電鍍方法的常規(guī)裝置相同的結(jié)構(gòu)，所不同的是電源供應(yīng)裝置6和等離子體控制裝置9，并省去在同一組件上的進(jìn)一步的說明。
電功率供應(yīng)裝置6是待供應(yīng)的電功率逐漸增加和原材料中未熔融部分按序熔融的電功率按序增加的裝置。
這一實施方案中的電功率供應(yīng)裝置6，當(dāng)進(jìn)行按序增加電功率時，首先供應(yīng)蒸發(fā)原材料所需的3000W的電功率。然后，該裝置供應(yīng)比在預(yù)定的1分鐘的時間間隔之前立即供應(yīng)的電功率增加500W的電功率。因此，反復(fù)供應(yīng)增加500W的電功率一直到所需的最大電功率8000W，并使未熔融部分按序熔融。
等離子體控制裝置9類似地具有改變磁場控制的結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)蒸發(fā)原材料時，使等離子體聚焦。
在該實施方案中，當(dāng)進(jìn)行可變的等離子體控制時，等離子體控制裝置9首先在蒸發(fā)原材料所需的第一等離子體區(qū)域內(nèi)，例如在接近未加工坯塊4中心的周圍，直徑約10mm的區(qū)域內(nèi)聚焦等離子體。之后，該裝置控制等離子體，以便從緊跟前面的等離子體區(qū)域中按序移動它并膨脹。等離子體如此連續(xù)并按序移動并膨脹，一直到幾乎覆蓋整個未加工坯塊的直徑40mm的最大等離子體區(qū)域，且使未熔融部分按序熔融。
以下將描述具有根據(jù)本發(fā)明方法形成的膜的工具的實例。
采用2GPa的力，通過模制30g金屬組分接近于目標(biāo)膜組成的Ti和Al的混合粉末成直徑40mm管狀，從而制備氣化原材料。將未加工的坯塊引入到坩堝(或爐膛)內(nèi)，加熱工件并清洗，然后，在氬氣和氮?dú)獾幕旌衔锓諊鷥?nèi)，在約1Pa的壓力下，使未加工的坯塊熔融并蒸發(fā)。此刻，使用HCD槍，所述HCD槍被設(shè)定成在未加工的坯塊的正面上將等離子束的直徑聚焦成約10mm，和等離子體的輸出值每分鐘增加500W，一直到8000W。
此時，進(jìn)行等離子體控制，以便從未加工坯塊的接近中心處的10mm直徑的區(qū)域連續(xù)并按序移動和膨脹等離子束的直徑，以便最后幾乎覆蓋直徑約40mm的整個未加工的坯塊，按序熔化未熔融的部分。
在具有事先作為底漆涂布的TiCN涂層的高速鋼鉆頭和燒結(jié)的碳化物端銑上，由如此獲得的原材料的蒸汽形成TiAlN膜。
表1示出了具有所得高速鋼鉆頭的切割試驗的結(jié)果(項目名稱鉆頭壽命)。進(jìn)行試驗使用高速鋼鉆頭切割直到斷裂壽命。
(高速鋼鉆頭的切割條件)工具φ6高速鋼鉆頭切割方法鉆孔，每一實施例使用5片工作材料S50C(硬度210HB)切割速度40m/min，進(jìn)刀0.1mm/rev切割長度20m(通孔)，潤滑劑干燥類(無) [表1]

*膜厚是采用carotest方法(磨損印記法)在同時安裝的高速鋼試樣(SKH51，Ra≤0.2μm)上測量的數(shù)值。
根據(jù)表1顯而易見的是，具有本發(fā)明硬質(zhì)膜的高速鋼鉆頭顯示出非常長的壽命，與常規(guī)實施例相比，幾乎為2倍。這是因為熔融方法幾乎不形成液滴且賦予小的表面粗糙度。
根據(jù)本發(fā)明，含有熔點很大不同的金屬組分，例如TiAlN的多組分膜具有這樣滿足要求的膜質(zhì)量，結(jié)果顯示出各種不同金屬在整個膜厚上所需的分布。此外，關(guān)于原材料的氣化，由于它不需要與目的膜組成嚴(yán)格匹配，可使用具有接近于目標(biāo)膜組成的金屬化合物的原始合金材料，和可有效地利用幾乎該材料的所有部分，結(jié)果材料的利用效率高。
未加工的坯塊4具有圓柱形，且置于水10冷類型的鋼3內(nèi)。使真空起始內(nèi)的坩堝3上方的氛圍處于等離子體狀態(tài)下，和控制等離子體7聚焦在原材料上。當(dāng)形成等離子體時，通過所生成的熱，未加工的坯塊4的中心部分熔融并蒸發(fā)，并使蒸汽電離。
當(dāng)燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊用作起始原材料時，通過加熱使原材料體積明顯增加，并在燒結(jié)坯塊或者未加工坯塊內(nèi)部形成空的間隙。與合金材料相比，具有空間隙的燒結(jié)坯塊或者未加工坯塊具有較高的熱絕緣效果，且在熔融之后使體積下降。這使得可容易分離熔融部分和未熔融部分。
[實施例2]在實施例1的條件下涂布燒結(jié)碳化物刀片(inserts)(A30)，并在大氣下，加熱和保持在900℃下1小時。在表1中同時給出了測量刀片的表面氧化物層的厚度的結(jié)果(項目名稱氧化厚度)。要理解，由于與電弧法(常規(guī)實施例)相比，該膜具有較少的膜缺陷，例如液滴，因此氧化進(jìn)程緩慢，和氧化層的厚度小(改進(jìn)耐氧化性)。
[實施例3]在實施例1的條件下，用TiAlN膜涂布事先用TiCN膜涂布的燒結(jié)碳化物端銑。在切割60m的長度之后，測量在燒結(jié)碳化物端銑的側(cè)面內(nèi)的磨損寬度，和表1一起給出了結(jié)果(項目名稱端銑側(cè)面磨損)。
以下示出了切割條件。
(燒結(jié)碳化物端銑的切割條件)工具具有兩個切割邊緣的φ10燒結(jié)碳化物方形端銑切割方法向下側(cè)切工作材料SKD61(硬度53HRC)切割深度10mm軸向和0.2mm徑向切割速度314m/min，進(jìn)刀0.07mm/邊緣切割長度60m，潤滑劑無(空氣流動)燒結(jié)碳化物端銑顯示出比通過電弧法形成的TiAlN膜同樣或者略微較好的耐磨性。由于該膜具有相同的含量，因此認(rèn)為通過降低液滴改進(jìn)耐氧化性有助于這一結(jié)果。
以上參考實施方案描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅限于這一具體的形式，和可各種各樣地改變所述的形式，或者本發(fā)明可采用在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的其它的形式。
例如，盡管該實施方案通過形成等離子體，使原材料一起熔融、蒸發(fā)和電離，但可通過使用能改變加熱區(qū)域的加熱裝置，獨(dú)立地進(jìn)行原材料的熔融和蒸發(fā)及其電離。此外，盡管在該實施方案中使用磁場聚焦控制等離子體，但毋庸置疑可使用電場。
此外，在實施例1中，在形成涂布膜中使用了電功率控制和等離子體控制這二者，但可使用僅僅一種控制。
附圖簡述 [圖l]顯示根據(jù)本發(fā)明實施方案的多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置的全部結(jié)構(gòu)的示意圖。
說明在圖1的裝置內(nèi)未加工坯塊的原材料的熔融狀態(tài)的截面示意圖。
說明坩堝的截面示意圖，其用于說明在使用大面積的原材料合金的情況下的熔融態(tài)。
權(quán)利要求
1.通過采用電場或者磁場聚焦的等離子體(7)在單一的坩堝或爐膛(3)內(nèi)熔融并蒸發(fā)含至少兩類金屬、合金或金屬間化合物的氣化原材料(4)來形成多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置，該裝置具有電功率供應(yīng)裝置(6)熔融并蒸發(fā)該原材料，和等離子體控制裝置(9)控制電場或磁場，其特征在于熔融并蒸發(fā)一部分的原材料(4)，然后按序熔融并蒸發(fā)原材料中未熔融部分(4b)的設(shè)備。
2.權(quán)利要求1的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置，其中所述設(shè)備包括按序增加電功率的供應(yīng)裝置(6)，它供應(yīng)使原材料(3)蒸發(fā)所需的第一電功率，然后在預(yù)定的時間間隔處反復(fù)供應(yīng)逐漸增加的電功率，從第一電功率一直到所需的最大電功率，使未熔融部分(4b)按序熔融。
3.權(quán)利要求1的生產(chǎn)穩(wěn)定裝置，其中所述設(shè)備包括等離子體控制裝置(9)，它進(jìn)行等離子體控制，使等離子體(7)聚焦到原材料(4)蒸發(fā)所需的第一等離子區(qū)域內(nèi)，并進(jìn)行等離子體控制，連續(xù)并按序移動和膨脹等離子體從第一等離子體區(qū)域一直到最大等離子體區(qū)域，使未熔融部分(4b)按序熔融。
4.通過采用電場或者磁場聚焦的等離子體(7)，在單一的坩堝或爐膛(3)內(nèi)熔融并蒸發(fā)含至少兩類金屬或金屬間化合物的氣化原材料(4)，形成多組分膜的生產(chǎn)穩(wěn)定方法，其特征在于熔融并蒸發(fā)一部分的原材料(4)，然后按序熔融并蒸發(fā)原材料中未熔融部分(4b)。
5.權(quán)利要求4的生產(chǎn)穩(wěn)定方法，其中按序熔融并蒸發(fā)原材料(4)中未熔融部分包括，供應(yīng)使原材料蒸發(fā)所需的第一電功率，然后在預(yù)定的時間間隔處反復(fù)供應(yīng)逐漸增加的電功率，從第一電功率一直到所需的最大電功率，使未熔融部分(4b)按序熔融。
6.權(quán)利要求4的生產(chǎn)穩(wěn)定方法，其中按序熔融并蒸發(fā)原材料(4)中未熔融部分包括，在第一等離子體區(qū)域內(nèi)聚焦蒸發(fā)原材料所需的等離子體(7)，然后連續(xù)并按序移動和膨脹等離子體從第一等離子體區(qū)域一直到最大等離子體區(qū)域，使未熔融部分(4b)按序熔融。
7.權(quán)利要求4-6任何一項的生產(chǎn)穩(wěn)定方法，進(jìn)一步包括使用燒結(jié)的坯塊或者未加工的坯塊(4)作為原材料。
8.一種涂布工具，它包括切割工具基礎(chǔ)材料，例如高速鋼、板模鋼、燒結(jié)碳化物和金屬陶瓷，和含有多種金屬元素且在基礎(chǔ)材料上通過權(quán)利要求4的方法形成的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜。
全文摘要
一種生產(chǎn)穩(wěn)定裝置和方法，其通過使用單一的坩堝(3)和聚焦的等離子體(7)，以高的材料利用效率和在良好的膜質(zhì)量下生產(chǎn)含有熔點很大不同的金屬組分，例如TiAlN的多組分膜。為此，首先供應(yīng)使材料(4)蒸發(fā)所要求的電功率，然后反復(fù)供應(yīng)臺階式增加的電功率從第一電功率一直至達(dá)到所要求的最大電功率?；蛘?，進(jìn)行等離子體控制，使等離子體(7)聚焦在蒸發(fā)該材料所要求的起始區(qū)域內(nèi)，然后進(jìn)行等離子體控制，連續(xù)并臺階式移動和膨脹等離子體從起始的等離子體區(qū)域到最大等離子體區(qū)域，使材料的未熔融部分(4b)逐漸熔融。該材料是燒結(jié)坯塊或者未加工坯塊(4)。
文檔編號B23B51/00GK1816643SQ200480018580
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者佐藤嗣紀(jì), 園部勝, 加藤范博, 安岡學(xué) 申請人:株式會社不二越