專利名稱：用于將涂層沉積到本體上的pvd方法及由此制造的涂覆體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用PVD方法制造涂覆體的方法。PVD方法包括改變襯底偏壓的序列。 本發(fā)明還涉及根據(jù)本方法制造的涂覆體。
背景技術(shù)：
PVD涂層，特別是在切削刀具上的PVD涂層，在本領(lǐng)域中是眾所周知的。最普遍已知的PVD技術(shù)是電弧蒸發(fā)和磁控濺射。在本領(lǐng)域中已知根據(jù)涂層成分改變襯底偏壓。不同的靶材成分能夠需要不同的襯底偏壓。改變襯底偏壓的另一種PVD沉積技術(shù)是單極和雙極脈沖技術(shù)，其中襯底偏壓以高
頻改變。US 2007/0275179A1公開了具有MX/LX/MX/LX疊層狀結(jié)構(gòu)的非周期性、多層涂層。 所產(chǎn)生的涂層包含至少一個(gè)電絕緣層。利用雙極脈沖雙磁控濺射(BPDMQ沉積所述涂層， 其中脈沖時(shí)間在微秒的范圍內(nèi)。為改善PVD涂層，也已經(jīng)測試了襯底偏壓的變化。US 2007/0218242公開了在涂層內(nèi)具有壓應(yīng)力變化的PVD涂層。通過改變襯底偏壓來獲得壓應(yīng)力變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲得具有改善的耐磨性的涂層。然而，需要不斷努力以進(jìn)一步改善PVD涂層的性能以滿足改善耐磨性和增加刀具壽命的日益增加的需求。本發(fā)明的目的是獲得具有增加的刀具壽命的涂層?，F(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠通過以一定的圖案施加改變襯底偏壓的序列來沉積PVD涂層而實(shí)現(xiàn)上述目的。


圖Ia-Ie示出本發(fā)明的不同實(shí)施例，其中以不同圖案改變襯底偏壓。圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，示出該實(shí)施例在掃描電子顯微鏡下看起來的樣子。圖2示出襯底(1)、預(yù)涂覆有內(nèi)層O)、根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層(3)以及外層(5)。 根據(jù)本發(fā)明的包括改變襯底偏壓的序列的涂層具有分層外表。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及制造包括涂層和襯底的涂覆體的方法，其中使用PVD沉積工藝在所述襯底上沉積涂層。涂層包括選自元素周期表的ivb，Vb, VIb族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物或其混合物。沉積工藝包括至少一個(gè)在保持活性靶材的同時(shí)改變襯底偏壓的序列，其中改變襯底偏壓的序列包括子序列Si ；
-在第一襯底偏壓Bi下沉積10秒至60分鐘之間的沉積時(shí)間Ti,然后在10秒至 40分鐘之間的斜線時(shí)間氏期間，在沉積的同時(shí)逐漸將襯底偏壓變化到第二襯底偏壓Bi+1，其中，IBi-BwI 彡 10V,
重復(fù)子序列Si,直到i = n，其中，i = 0，1，2，…η，η彡2，且其中每個(gè)新的子序列在結(jié)束之前的子序列時(shí)所使用的相同襯底偏壓下開始沉積。
值η合適地是2 < η < 1000，優(yōu)選地6 < η < 100，且更優(yōu)選地10 < η < 20。
襯底偏壓Bi = i，Bi = 2等合適地在-10至-300V之間，且優(yōu)選地在-20至-200V之間。
第一襯底偏壓與第二襯底偏壓之間的差值的絕對(duì)值IBw-BiI優(yōu)選地是彡40V，更優(yōu)選地彡70V，但彡^OV。
沉積時(shí)間Ti優(yōu)選地在30秒至30分鐘之間，且更優(yōu)選地在1至15分鐘之間。
斜線時(shí)間氏優(yōu)選地在20秒至20分鐘之間，更優(yōu)選地在30秒至10分鐘之間。
在這里，逐漸改變襯底偏壓的意思是可連續(xù)地改變或遞增地改變襯底偏壓。
在根據(jù)本發(fā)明的沉積工藝期間，保持活性靶材。在這里，保持活性靶材的意思是在整個(gè)改變襯底偏壓的序列中，使用相同的保持繼續(xù)沉積。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，序列包括在整個(gè)改變襯底偏壓的序列中交替的兩個(gè)不同的子序列A和B。那么兩個(gè)子序列將是
A 在襯底偏壓B1下沉積10秒至60分鐘之間的沉積時(shí)間T1,然后在10秒至40分鐘之間的斜線時(shí)間R1期間，在沉積的同時(shí)逐漸將襯底偏壓變化到襯底偏壓化，
B 在襯底偏壓化下沉積10秒至60分鐘之間的沉積時(shí)間T2,然后在10秒至 40分鐘之間的斜線時(shí)間&期間，在沉積的同時(shí)逐漸將襯底偏壓變化到襯底偏壓B1，其中B1-B2 ^ IOV0子序列A和B是交替的。在圖Ia中示出該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，改變襯底偏壓的序列由子序列構(gòu)成，使得在第一、 第三、第五等子序列中以沉積時(shí)間Ti沉積期間，襯底偏壓逐漸增加，而且在第二、第四、第六等子序列中以沉積時(shí)間Ti沉積期間，襯底偏壓逐漸增加。在圖Ib中示出該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，改變襯底偏壓的序列由子序列構(gòu)成，使得在第一、 第三、第五等子序列中以沉積時(shí)間Ti沉積期間，襯底偏壓逐漸減小，而且在第二、第四、第六等子序列中以沉積時(shí)間Ti沉積期間，襯底偏壓逐漸減小。在圖Ic中示出該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)子序列來說，絕對(duì)值IBi-BwI增加。在圖 Id中示出該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，建立序列，使得襯底偏壓、沉積時(shí)間以及斜線時(shí)間隨機(jī)地變化。在圖Ie中示出該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例。
該方法還能夠包括上述實(shí)施例中一個(gè)或更多個(gè)的混合。
根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層的成分由靶材成分和沉積腔室中存在的工藝氣體來確定。 根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層，即在改變襯底偏壓的至少一個(gè)序列期間所沉積的涂層，合適地是選自元素周期表的IVb，Vb, Vrt族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物或其混合物。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層是選自元素周期表的IVb，Vb, VIb族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物，更優(yōu)選地為Ti，Al，Cr，Si和Y 中的一個(gè)或更多個(gè)的氮化物。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層是(Ti，A1)N，優(yōu)選地帶有 (TihAlx)N的成分，其中，χ合適地是在0. 2至0. 9之間，優(yōu)選地在0. 4至0. 8之間，更優(yōu)選地在0.5至0.7之間。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層是(Ti，Al，Cr) N，優(yōu)選地帶有 (Alh_yTixCry)N成分，其中，χ在0. 05至0. 25之間，優(yōu)選地在0. 10至0. 20之間，而y是在 0. 05至0. 30之間，優(yōu)選地是在0. 10至0. 25之間，且0. 30 < x+y < 0. 70。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明沉積的涂層是(Ti，Al，Cr，Si)N。
根據(jù)本發(fā)明的方法能夠被應(yīng)用于所有通用的PVD技術(shù)，諸如陰極電弧蒸發(fā)、磁控濺射、高功率脈沖磁控濺射(HPPMQ、離子鍍等，優(yōu)選地陰極電弧蒸發(fā)和磁控濺射。在本領(lǐng)域中用于將PVD涂層沉積到襯底上的工藝(除襯底偏壓外)是常規(guī)的并取決于特定的沉積設(shè)備、涂層成分等。通常，沉積溫度在100至900°C之間變化。
沉積過程中的壓力通常是0. 1至10 之間的存在的工藝氣體。根據(jù)目的涂層成分，工藝氣體可以是02，N2, Ar，C2H2，CH4或或含硅氣體(例如三甲基硅烷)中的一個(gè)或更多個(gè)。
可適于本發(fā)明的襯底優(yōu)選地是切削刀具，例如切削刀具刀片、或圓形刀具，諸如鉆頭、端銑刀、絲錐等。襯底優(yōu)選地由硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼、多晶金剛石或高速鋼中的任一種制成，更優(yōu)選地由硬質(zhì)合金制成。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，襯底能夠預(yù)涂覆有直接沉積在襯底上的內(nèi)層，用以確保與襯底的良好附著，該內(nèi)層包括純金屬和/或氮化物，優(yōu)選地為Cr，Ti，CrN或TiN，所述內(nèi)層是0. 005-0. 5 μ m，優(yōu)選地0. 02-0. 2 μ m,并作為涂層的剩余部分在同一涂層工藝中沉積。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在沒有改變襯底偏壓的序列的情況下，即在常規(guī)沉積條件下，該方法能夠進(jìn)一步包括沉積其他PVD層。能夠在改變襯底偏壓的序列之前或之后執(zhí)行這些附加的沉積序列。作為沉積步驟的剩余部分在同一沉積設(shè)備中進(jìn)行這些附加的沉積序列。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該方法能夠進(jìn)一步包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)附加序列，其中在每個(gè)序列之間，改變活性靶材，即在改變襯底偏壓的序列期間，活性靶材不變，但如果開始新的序列，則改變活性靶材。
總的涂層厚度在0. 5與20 μ m之間，優(yōu)選地在0. 5與8 μ m，且最優(yōu)選地在1與6 μ m 之間。
在這里，所有的給定厚度都指在位于從靶材的直接視線中的適度平坦表面上進(jìn)行的測量。對(duì)于在沉積過程中安裝在刀架上的刀片來說，這意味著在直接面對(duì)靶材的一側(cè)的中間上測量的厚度。對(duì)于不規(guī)則表面來說，諸如在例如鉆頭和端銑刀上的不規(guī)則表面，這里所給定的厚度指在任何適度平坦表面上或具有相對(duì)較大曲率的表面上并且距離任何邊緣或角部一定距離測量的厚度。例如，在鉆頭上，在外圍上進(jìn)行測量，并且在端銑刀上，在后刀面一側(cè)上進(jìn)行測量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括后處理步驟。后處理步驟能夠例如是刷光、噴砂、噴丸加工等。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，改變襯底偏壓的序列如下
a)以在-120至-80V之間，優(yōu)選地以在_110和-90V之間的襯底偏壓沉積2至10 分鐘的時(shí)間，優(yōu)選地沉積4和8分鐘之間的時(shí)間；
b)在30秒至4分鐘之間，優(yōu)選地在1至3分鐘之間的時(shí)間期間，將襯底偏壓增加到-220至-180V之間，優(yōu)選地在-210和-190V之間；
c)以在-220至-180V之間，優(yōu)選地在_210和-190V之間的襯底偏壓沉積2至10 分鐘的時(shí)間，優(yōu)選地沉積4和8分鐘之間的時(shí)間；
d)在30秒至4分鐘的時(shí)間期間，優(yōu)選地在1至3分鐘之間的時(shí)間期間，將襯底偏壓增加到-120至-80V，優(yōu)選地在-110和-90V之間；
其中，重復(fù)步驟a)至d)，直到達(dá)到期望的涂層厚度。
在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，改變襯底偏壓的序列如下
a)以在-90至-60V之間，優(yōu)選地在_80和-70V之間的襯底偏壓沉積2至10分鐘的時(shí)間，優(yōu)選地沉積4和8分鐘之間的時(shí)間；
b)在30秒至4分鐘，優(yōu)選地在1至3分鐘之間的時(shí)間期間，將襯底偏壓增加到-170至-130V，優(yōu)選地在-160和-140V之間；
d)以在-170至-130V之間，優(yōu)選地在_160和-140V之間的襯底偏壓沉積2至10 分鐘的時(shí)間，優(yōu)選地沉積4和8分鐘之間的時(shí)間；
e)在30秒至4分鐘，優(yōu)選地在1至3分鐘之間的時(shí)間期間，將襯底偏壓增加到_90 至-60V，優(yōu)選地在-80和-70V之間；
其中，重復(fù)步驟a)至d)，直到達(dá)到期望的涂層厚度。
本發(fā)明還涉及根據(jù)上述方法制造的涂覆體。
改變偏壓的序列顯示為層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)時(shí)能夠看到該層狀結(jié)構(gòu)。
實(shí)例1
使用Tia33Ala6JE材，用PVD電弧蒸發(fā)涂覆具有幾何形狀R216. 34-10050-BC22P的硬質(zhì)合金端銑刀。在沉積具有約0. 050 μ m厚度的Ti起始層之前，襯底首先經(jīng)受蝕刻工藝。
在蝕刻工藝之后，進(jìn)行(Ti，Al)N涂層的沉積。在600°C溫度下并在1. OPa的N2壓力下沉積該涂層。根據(jù)以下序列改變襯底偏壓
a)以-100V沉積6分鐘
b)在2分鐘的時(shí)間期間，將襯底偏壓增加到-200V
c)以-200V沉積6分鐘
d)在2分鐘的時(shí)間期間，將襯底偏壓減小到-100V
重復(fù)步驟a)至d)，直到涂層到達(dá)在后刀面一側(cè)上2. 8 μ m的涂層厚度。
在這里，端銑刀被稱為發(fā)明1。
實(shí)例2
使用Tia33Ala6JE材，用PVD電弧蒸發(fā)涂覆幾何形狀和成分與實(shí)例1相同的硬質(zhì)合金端銑刀。在沉積具有約0.050 μ m厚度的Ti起始層之前，襯底首先經(jīng)受蝕刻工藝。在蝕刻工藝之后，進(jìn)行(Ti，A1)N涂層的沉積。在600°C溫度、1.01 的隊(duì)壓力下，并在100V的恒定襯底偏壓下沉積涂層，直到達(dá)到最終的3. 8μπι的涂層厚度。在這里，根據(jù)實(shí)例2的端
權(quán)利要求
1.一種制造涂覆體的方法，包括提供襯底，使用PVD沉積工藝將涂層沉積到所述襯底上，所述涂層包括選自元素周期表的IVb，Vb，Vrt族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物或其混合物，其特征在于，所述沉積工藝包括至少一個(gè)在保持活性靶材的同時(shí)改變襯底偏壓的序列，其中所述改變襯底偏壓的序列包括子序列Si ；-在第一襯底偏壓Bi下沉積10秒至60分鐘之間的沉積時(shí)間Ti,然后在10秒至40分鐘之間的斜線時(shí)間氏期間，在沉積的同時(shí)逐漸將所述襯底偏壓變化到第二襯底偏壓Bi+1，其中 IBi-BwI 彡 10V,重復(fù)所述子序列Si,直到i = n，其中，i = 0，1，2，…!!，！！彡2，并且其中每個(gè)子序列在之前的子序列結(jié)束時(shí)所使用的相同襯底偏壓下開始所述沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，IBw-BiI彡40V。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，IBw-BiI>70V。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，2< η ^ 1000。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述襯底偏壓Bi在-10 和-300V之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述沉積時(shí)間Ti在30秒與30 分鐘之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述斜坡時(shí)間氏在20秒和20 分鐘之間。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述至少一個(gè)改變所述襯底偏壓的序列期間沉積的涂層是選自元素周期表的IVb，Vb, VIb族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述至少一個(gè)改變所述襯底偏壓的序列期間沉積的涂層是(Ti，Al)N。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述至少一個(gè)改變所述襯底偏壓的序列期間沉積的涂層是(Ti，Al，Cr)N。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述涂層進(jìn)一步受到后處理步驟。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述涂覆體是切削刀具。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求1-12中所述方法制造的涂覆體。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的涂覆體，其特征在于，所述涂覆體是切削刀具。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造包括涂層和襯底的涂覆體的方法，其中使用PVD沉積工藝在所述襯底上沉積涂層。涂層包括選自元素周期表的IVb，Vb，VIb族和Al，Y以及Si中的一個(gè)或更多個(gè)元素的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物或其混合物。沉積工藝包括至少一個(gè)在保持活性靶材的同時(shí)改變襯底偏壓的序列，其中改變襯底偏壓的序列包括子序列Si；在第一襯底偏壓Bi下沉積10秒至60分鐘之間的沉積時(shí)間Ti，然后在10秒至40分鐘之間的斜線時(shí)間Ri期間，在沉積的同時(shí)逐漸將所述襯底偏壓變化到第二襯底偏壓Bi+1，其中，|Bi-Bi+1|≥10V；重復(fù)子序列Si，直到i＝n，其中，i＝0，1，2，…n，n≥2，并且其中每個(gè)新的子序列均在之前的子序列結(jié)束時(shí)所使用的相同襯底偏壓下開始沉積。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102498234SQ201080041461
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者海倫·布盧姆克維斯特, 瑪麗亞·阿斯特蘭德, 馬茨·阿爾格倫 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司