專利名稱：涂層工具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層工具。更具體地，本發(fā)明涉及用于金屬加工的涂層工具，該工具具有硬的和耐磨的涂層，該涂層包含鈦硼氮化物的層。
背景技術(shù)：
金屬的現(xiàn)代高生產(chǎn)率加工需要可靠的工具，該工具具有高的耐磨性、良好的韌性以及對塑性變形的優(yōu)異耐受性。這些工具通常包含工具基材，例如硬質(zhì)合金或金屬陶瓷的工具基材，其中向該工具基材上施加合適的涂層。所述涂層通常是硬的，耐磨的，并且在高溫下是穩(wěn)定的，但是通常對于所述工具的不同表面要求會不同。例如，如果前刀面上的涂層，即切屑流過的面上的涂層，具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，則對于金屬切削工具在多種切削應(yīng)用中是有利的。在這一面上的條件，特征在于高溫以及在該面上材料的持續(xù)傳送，導(dǎo)致擴散的元素通過切屑離開涂層，產(chǎn)生迅速的化學(xué)磨損。已知氧化鋁具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，并且因此它通常被發(fā)現(xiàn)作為切削工具涂層中組分。在所述工具的后刀面上，即與被加工物接觸的面上，磨損更多地是機械性的。在這種條件下，高度耐磨性涂層是有利的，例如多種氮化物、 碳化物和碳氮化物，特別是TiN、TiC和TiCN。
即使希望如此，現(xiàn)在的大規(guī)模沉積技術(shù)，例如化學(xué)氣相沉積，仍不可能通過在工具的單個面上選擇性地沉積層以特制在所述工具的單獨的面上的涂層。相反，相同的涂層，包括在層堆疊體中在彼此之上沉積的多個功能層，被沉積在所述工具的所有面上。不幸的是， 由于與其它層類型例如氧化鋁的相容性問題，在所述沉積技術(shù)中的這種局限性排除了希望的包括耐磨性鈦硼氮化物層的層組合。
EP 1 365 045公開了特別用于刀體的TiBN層，該TiBN層是由TiN和TW2組成的混合相的層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供減輕已知技術(shù)的問題的方法和涂層。
另外的目的是提供用于金屬加工的具有改進耐磨性的涂層工具。
發(fā)明概述 本發(fā)明提供用于金屬加工的工具，該工具包含工具基材和涂層，所述工具基材是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料例如立方氮化硼或金剛石的工具基材，優(yōu)選硬質(zhì)合金的工具基材，所述涂層包括內(nèi)部氧化鋁層和外部鈦硼氮化物層，其中所述內(nèi)部氧化鋁層和外部鈦硼氮化物層被一個或多個如下層隔開，該層包含不同于氧化鋁層的氧化物層。
本發(fā)明還提供了制造所述工具的方法，該方法包括提供工具基材，該工具基材是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料的工具基材，優(yōu)選硬質(zhì)合金的工具基材，和使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或等離子體輔助的CVD (PACVD)向所述基材上沉積涂層，該涂層包括內(nèi)部氧化鋁層、不同于氧化鋁層的氧化物層以及外部鈦硼氮化物層。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型的涂層工具的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微圖，其中 A)鈦硼氮化物層 B)氧化鈦層 C)氧化鋁層 圖2顯示了包括氧化鋁層和鈦硼氮化物層的對比涂層的頂視SEM顯微圖。
發(fā)明詳述 隔開所述內(nèi)部氧化鋁層和所述外部鈦硼氮化物層的氧化物層適當(dāng)?shù)貫槿缦挛镔|(zhì)的薄層氧化鋯、氧化釩、氧化鈦或氧化鉿，優(yōu)選氧化鈦和氧化鋯，最優(yōu)選氧化鈦，其厚度適當(dāng)?shù)貫?. 1至2 μ m，優(yōu)選0. 5至1. 5 μ m，更優(yōu)選0. 5至1 μ m。
所述內(nèi)部氧化鋁層適當(dāng)?shù)貫棣?Al2O3的層，其厚度適當(dāng)?shù)貫?.5至25 μ m，優(yōu)選2 至19 μ m，更優(yōu)選3至15 μ m。
所述外部鈦硼氮化物層是如下混合物的復(fù)合物，所述混合物是TB2相和TiN相的混合物，其中TW2 TiN相(原子％)的比例適當(dāng)?shù)貫? 3至4 1，優(yōu)選為1 2至 4 1，更優(yōu)選為1 1至4 1，最優(yōu)選為1 1至3 1。該層的厚度適當(dāng)?shù)貫?.3至 10 μ m,優(yōu)選0. 5至7 μ m，更優(yōu)選0. 5至6 μ m。
在一個實施方式中，在所述氧化物層和所述鈦硼氮化物層之間存在厚度為 0. 1-1 μ m的TiN層，其優(yōu)選直接施加在所述氧化物層上，并且優(yōu)選所述鈦硼氮化物層直接施加在所述TiN層上。
在一個實施方式中，所述鈦硼氮化物層是所述涂層的最外層，并且厚度適當(dāng)?shù)貫?0. 3至2 μ m，更優(yōu)選0. 5至1. 5 μ m。在該實施方式中，所述鈦硼氮化物層已經(jīng)被證明具有作為磨損檢測層的優(yōu)異性能，即，用作檢測一件工具是否已經(jīng)被用過，其特別被施加在金屬切削工具的后刀面上，這是因為所述的多個層具有亮銀色。
在一個實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的層被施加到包含如下的層序列之上 -包括一個或多個單獨層的第一耐磨層序列，其厚度為0.1至3 μ m，優(yōu)選0. 3至 2 μ m,最優(yōu)選0. 5至1. 5 μ m，該第一層是過渡金屬化合物，所述過渡金屬化合物是碳化物、 氮化物、氧化物、碳氮化物或碳氧氮化物(carboxynitride)，優(yōu)選是TiC、TiN, Ti (C，N)、 ZrN, HfN中的一個，最優(yōu)選是TiN， -包括一個或多個過渡金屬化合物層的第二層序列，其厚度為0.5至30 μ m，優(yōu)選 3至20 μ m，所述過渡金屬化合物是氮化物、碳化物或碳氮化物，優(yōu)選TiN、TiC、Ti (C，N)、 & (C，N)，最優(yōu)選Ti (C，N)或&(C，N)，其具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。該層序列還可以包括具有片狀結(jié)構(gòu)的Ti (C，N，0)層。
所述涂層的總厚度適當(dāng)?shù)貫?gt; 3. 5 μ m，優(yōu)選> 5 μ m，更優(yōu)選> 7 μ m，但是適當(dāng)?shù)貫樾∮?0 μ m,優(yōu)選小于20 μ m。
所述工具適當(dāng)?shù)貫橛糜谇行夹纬杉庸ぃ畿囅?、銑削和鉆孔的金屬切削工具。因此所述基材適當(dāng)?shù)貫閵A在工具架中的刀片的形狀，但是也可以是整體鉆頭或銑刀的形式。
在所述方法中，所述內(nèi)部氧化鋁層適當(dāng)?shù)貫棣?Al2O3的層，該層在約900至1050°C 的溫度下沉積，并且適當(dāng)?shù)爻练e至厚度為0. 5至25 μ m，優(yōu)選2至19 μ m，更優(yōu)選3至15 μ m。
沉積的氧化物層適當(dāng)?shù)貫檠趸?、氧化釩、氧化鈦或氧化鉿的層，更優(yōu)選氧化鈦和
4氧化鋯的層，最優(yōu)選氧化鈦的層，該層在約800至1050°C的溫度下沉積，并且適當(dāng)?shù)爻练e至厚度為0. 1至2 μ m，優(yōu)選0. 5至1. 5 μ m，更優(yōu)選0. 5至1 μ m。
所述外部鈦硼氮化物層是如下混合物的復(fù)合物，所述混合物是TB2相和TiN相的混合物，該外部鈦硼氮化物層通過使用氣體混合物中BCl3 11(14在1 6至2 1，優(yōu)選
1 4至2 1，更優(yōu)選1 2至2 1，最優(yōu)選1 2至1.5 1范圍內(nèi)的分壓比適當(dāng)?shù)爻练e至TW2 TiN相的比例為1 3至4 1，優(yōu)選為1 2至4 1，更優(yōu)選為1 1至 4 1，最優(yōu)選為1 1至3 1。
所述外部鈦硼氮化物層適當(dāng)?shù)卦诩s700至900°C的溫度下沉積，并且沉積至厚度為0. 3至10 μ m，優(yōu)選0. 5至7 μ m，更優(yōu)選0. 5至6 μ m。
在一個實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的層被施加在包括如下的層序列之上 -包括一個或多個單獨層的第一耐磨層序列，其厚度為0. 1至3 μ m，優(yōu)選為0. 3至
2μ m,最優(yōu)選為0. 5至1. 5 μ m，該第一層是過渡金屬化合物，所述過渡金屬化合物是碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物或碳氧氮化物，優(yōu)選是TiC、TiN、Ti (C, N), ZrN, HfN中的一個， 最優(yōu)選是TiN，在約850至1000°C的溫度下， -包括一個或多個過渡金屬化合物層的第二層序列，其厚度為0.5至30 μ m，優(yōu)選 3至20 μ m，所述過渡金屬化合物是氮化物、碳化物或碳氮化物，優(yōu)選TiN、TiC、Ti (C，N)、 & (C，N)，最優(yōu)選Ti (C，N)或&(C，N)，其具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。該層序列還可以包括具有片狀結(jié)構(gòu)的Ti (C，N, 0)層。在約800至1050°C的溫度下沉積該層序列。
具體實施例方式實施例1 樣品A 用于車削的ISO型CNMG120408的硬質(zhì)合金刀片，其由10重量％的Co，0. 39重量％ 的Cr和余量的WC組成，將其清潔并根據(jù)如下進行CVD涂層工藝使用常規(guī)的CVD技術(shù)在 930°C下在所述刀片上涂覆約0. 5 μ m厚的TiN層，隨后應(yīng)用MTCVD技術(shù)使用TiCl4、H2、N2和 CH3CN作為工藝氣體在885°C的溫度下涂覆約7 μ m的TiCxNy層。在同一個涂覆周期中的隨后的工藝步驟中，在1000°C下使用TiCl4、CO和H2涂覆約0. 5 μ m厚的TiCxOz層，并然后用2體積％的CO2、3. 2體積％的HCl和94. 8體積％的H2的混合物沖洗反應(yīng)器^iiin以開始 Al2O3-過程(Al2O3-起始)，隨后沉積約7 μ m厚的α -Al2O3的層。在所述沉積步驟過程中的工藝條件如下 表1(濃度為體積1^ )
5步驟
TiN TiCxNy TiCxOz 123
Al2O3-起始 4
Al2O3 5
TiCl4 N2 CO2: CO AlCl3: H2S HCl H2: CH3CN 壓力 溫度時間
1.5 38
余量
1.4
38
2
160毫巴 930 0C 30 min
余量 0.6 60毫巴 885 0C 4.5 h
6
余量
2
3.2
余量
4
3.2 0.3
3.2
余量
60毫巴 60毫巴 70毫巴 IOOO0C IOOO0C IOOO0C 20 min 2 min4 h 樣品Bl (本發(fā)明) 將樣品A刀片進行Ti2O3沉積步驟，其中將該待涂覆的基材保持在930°C的溫度下， 并使其與包含TiCl4和CO2的氫氣載氣接觸。成核作用以如下順序開始，其中首先反應(yīng)氣體 CO2在H2氣氛中進入所述反應(yīng)器，然后是TiCl4。使用CVD工藝使用如下工藝參數(shù)將所述氧化鈦層沉積至厚度為約0. 75 μ m : 表2
權(quán)利要求
1.一種用于金屬加工的工具，該工具包含工具基材和涂層，所述工具基材為硬質(zhì)合金、 金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料，和所述涂層包含內(nèi)部氧化鋁層和外部鈦硼氮化物層，其特征在于所述內(nèi)部氧化鋁層和外部鈦硼氮化物層被一個或多個如下層隔開，該層包括不同于氧化鋁層的氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其中所述鈦硼氮化物層的TiB2 TiN相的原子％比例在1 3和4 1之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其中所述鈦硼氮化物層的TW2 TiN相的原子％比例在1 1和4 1之間。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述鈦硼氮化物層是所述涂層的最外層。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述氧化鋁層是α-Al2O3的層。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述氧化物層是氧化鋯、氧化釩、氧化鈦或氧化鉿的層。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述氧化物層的厚度為0.1至2μπι。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述工具基材是硬質(zhì)合金的工具基材。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工具，其中所述工具是切削工具刀片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的工具，其中所述工具是整體鉆頭、銑刀或螺紋絲錐。
11.一種制造用于金屬加工的工具的方法，特征在于該方法包括提供工具基材，該工具基材是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料，和通過使用化學(xué)氣相沉積法或等離子體輔助的化學(xué)氣相沉積法向所述工具基材上沉積涂層，所述涂層包含內(nèi)部氧化鋁層、不同于氧化鋁層的氧化物層以及外部鈦硼氮化物層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造工具的方法，其中沉積鈦硼氮化物層將氣體混合物中的BCl3 TiCl4分壓比設(shè)置在1 6至2 1范圍之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造工具的方法，其中沉積鈦硼氮化物層使用的氣體混合物中的BCl3 TiCl4分壓比在1 2至2 1范圍之間。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制造工具的方法，其中沉積的氧化物層是氧化鋯、氧化釩、氧化鈦或氧化鉿的層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于金屬加工的工具，該工具包含工具基材和涂層，所述工具基材為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或超硬材料的工具基材，和所述涂層包含內(nèi)部氧化鋁層(C)和外部鈦硼氮化物層(A)，其中所述內(nèi)部氧化鋁層(C)和外部鈦硼氮化物層(A)被一個或多個如下層隔開，該層包括不同于氧化鋁層的氧化物層(B)。本發(fā)明還涉及根據(jù)CVD制造所述工具的方法。本發(fā)明的目的是提供耐磨的涂層工具。
文檔編號C23C16/40GK102197162SQ200980143258
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者佩爾·莫滕松 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司