具有TiAlCrSiN PVD涂層的工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工具，所述工具具有由硬質(zhì)金屬、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或高速鋼制 成的主體，和通過PVD工藝施加至所述主體上的單層或多層耐磨保護(hù)性涂層。
【背景技術(shù)】
[0002] 切削工具，尤其是金屬去除加工工具，由例如由硬質(zhì)金屬、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或高 速鋼制成的主體組成。為了增加工具壽命或改進(jìn)切削性能，經(jīng)常通過CVD或PVD工藝將單 層或多層的由硬質(zhì)材料制成的耐磨保護(hù)性涂層施加至所述主體上。PVD工藝存在多種不同 的變體，例如磁控濺射、電弧氣相沉積（電弧PVD)、離子鍍、電子束氣相沉積和激光燒蝕。磁 控濺射和電弧氣相沉積是最常用于涂覆工具的PVD工藝。單獨(dú)的PVD工藝變體又包括多種 改進(jìn)，例如非脈沖或脈沖磁控濺射和非脈沖或脈沖電弧氣相沉積等。
[0003] PVD工藝中的靶材可由純金屬或者兩種或更多種金屬的組合構(gòu)成。當(dāng)所述靶材包 含多種金屬時(shí)，所有這些金屬同時(shí)被引入在PVD工藝期間構(gòu)建的涂覆層中。當(dāng)所述靶材由 金屬混合物構(gòu)成時(shí)，所構(gòu)造層中的金屬的定量比率基本上是由所述靶材中的金屬的定量比 率決定的。
[0004] 為了生產(chǎn)特定的金屬化合物，將反應(yīng)氣體供應(yīng)到PVD工藝的反應(yīng)室中，這樣的反 應(yīng)氣體例如是用于生產(chǎn)氮化物的氮?dú)?、用于生產(chǎn)氧化物的氧氣、用于生產(chǎn)碳化物的含碳化 合物，或者用于生產(chǎn)相應(yīng)混合化合物例如碳氮化物、氧碳化物等的這些氣體的混合物。
[0005] WO 96/23911 Al描述了在基底上的耐磨保護(hù)性涂層，其由直接施加在所述基底上 的硬質(zhì)材料層和其上的一系列10至1000個(gè)另外的單獨(dú)層構(gòu)成，所述一系列層由金屬硬質(zhì) 材料和共價(jià)硬質(zhì)材料交替構(gòu)成，其中所述單獨(dú)層具有1至30nm的厚度。設(shè)計(jì)金屬硬質(zhì)材料 和共價(jià)硬質(zhì)材料的單獨(dú)層的周期性交替布置，以改進(jìn)所述耐磨保護(hù)性涂層的機(jī)械和化學(xué)性 能。
[0006] WO 2006/041367 Al描述了一種涂層切削工具，其由硬質(zhì)金屬基底和通過PVD工 藝沉積的涂層構(gòu)成，所述涂層包含至少一個(gè)具有1. 5至5 μ m厚度和>4至6GPa的內(nèi)部壓應(yīng) 力的TiAlN層。與已知層相比，所述TiAlN層被設(shè)計(jì)成具有改進(jìn)的與基底的粘著力。
[0007] EP 2 298 954 Al描述了一種用于制造涂層切削工具的方法，其中通過PVD工藝 將硬質(zhì)材料例如TiAIN、TiAlCrN或TiAlCrSiN的涂層施加至基底，所述基底的偏壓在沉積 工藝期間改變。所述方法被設(shè)計(jì)成為工具賦予改進(jìn)的耐磨性和較長(zhǎng)的壽命。
[0008] EP 1 992 717描述了用于通過PVD工藝沉積硬質(zhì)材料層的靶材，其可含有在不同 定量范圍內(nèi)的Ti、Al、Cr、Si、B、C*N。
[0009] EP 1 174 528描述了具有多層耐磨保護(hù)性涂層的切削工具，其包含第一硬質(zhì)材料 層和第二硬質(zhì)材料層，所述第一硬質(zhì)材料層含有金屬Ti、A1和Cr中的一種或多種以及非金 屬N、B、C和O中的一種或多種，并且所述第二硬質(zhì)材料層含有Si和元素周期表第4a、5a和 6a族金屬的一種或多種和Al以及非金屬N、B、C和O中的一種或多種。
[0010] 對(duì)于特定的金屬加工操作，例如銑削和車削，對(duì)工具具有特別高的要求。這些工具 的重要參數(shù)是高溫穩(wěn)定性、高硬度、高斷裂韌性和高彈性模量（E模量，楊氏模量）。
[0011] 切削工具及其耐磨保護(hù)性涂層通常針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且由于不能同時(shí)優(yōu) 化所有期望的性能，因此當(dāng)它們對(duì)于該應(yīng)用至關(guān)重要時(shí)，通常必須在上文提及的性能方面 作出妥協(xié)。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)于特定應(yīng)用來說重要的耐磨保護(hù)性涂層的性能。
[0012] 耐磨保護(hù)性涂層中的已知Ti85Si15N層具有例如非常高的硬度和非常高的E模量， 但在高溫下的摩擦化學(xué)性能比較差。Al 7tlCr3tlN層也是這樣。與這些相比，Ti5tlAl5tlN層在高 溫下具有更好的摩擦化學(xué)特性，但硬度較低并且E模量較低。
[0013] 發(fā)明目的
[0014] 本發(fā)明的目的在于提供材料、特別是鋼的材料去除加工的工具，其具有涂層，所述 工具相比于現(xiàn)有技術(shù)有所改進(jìn)并具有尚硬度、尚斷裂初性、尚彈性t旲量和良好的尚溫穩(wěn)定 性，特別是用于鋼的銑削、鏜孔和車削。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 通過如下工具來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所述工具具有由硬質(zhì)金屬、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或 高速鋼制成的主體和通過PVD工藝施加在所述主體上的多層耐磨保護(hù)性涂層，所述耐磨保 護(hù)性涂層包含：
[0016] 至少一個(gè)層
[0017] (A) :TiaAl(1_a)N，其中 0.33 彡 a彡 1 并且層厚度為 20nm 至 3μπι
[0018] 和至少一個(gè)層
[0019] (B): -系列的至少4個(gè)交替疊置的TibSi(1_b)N和AleCr^N子層，其中 0· 70彡b彡0· 98和0· 3彡c彡0· 75,并且所述子層的層厚度為0· 5nm至15nm
[0020] 和任選地另外至少一個(gè)層
[0021] (C) :TidSia_d)N，其中 0.70 彡 d彡 0.98并且層厚度為 50nm 至 Ιμπι，
[0022] 其中所述耐磨保護(hù)性涂層可具有其它的硬質(zhì)材料層，并且其中所述層（A)、（B)和 (C)取決于所述工藝可含有每層至多10原子％的其它金屬、B、C和/或0。
[0023] 令人驚訝的是，已顯示，由于所述新型的耐磨保護(hù)性涂層，根據(jù)本發(fā)明種類的工具 相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的已知工具具有改進(jìn)的切削結(jié)果和降低的磨損。根據(jù)本發(fā)明的耐磨保 護(hù)性涂層具有高硬度、高斷裂韌性、高彈性模量和良好的高溫穩(wěn)定性，其特別是對(duì)于鋼的銑 肖IJ、鏜孔和車削是有利的。
[0024] 具有TiAlN層（A)和具有交替疊置的TiSiN和AlCrN子層的層（B)和任選地TiSiN 層（C)之組合的本發(fā)明耐磨保護(hù)性涂層的特征在于更高的耐磨性和更長(zhǎng)的工具壽命，原因 特別是在于，涂層在切削刃處的崩裂減少。
[0025] 在不希望它們自身在這方面受理論束縛的情況下，本發(fā)明人推定，在層（B)中，由 于立方面心晶格的晶格中的不同晶格常數(shù)，呈幾納米薄的疊置的TiSiN和AlCrN子層的層 組成變化導(dǎo)致層（B)的內(nèi)應(yīng)力條件變化，其有利于根據(jù)本發(fā)明的耐磨保護(hù)性涂層的有利性 能。
[0026] 盡管其厚度微小，但具有不同組成的本發(fā)明層（B)中僅幾納米薄的疊置的TiSiN 和AlCrN子層可在透射電子顯微鏡（TEM)下檢測(cè)并區(qū)分。所述技術(shù)長(zhǎng)期以來已為本領(lǐng)域的 專家所公知。
[0027] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，層（B)具有一系列的交替疊置布置的至 少4個(gè)Ti bSi(1_b)子層和4個(gè)Al。〇(1_。0子層。因此在這種形式的實(shí)施方式中，Ti bSi(1_b# 層和八1。〇(1_。0子層的總數(shù)是至少8個(gè)。如果11 1^(1_13)子層和41。〇(1_。0子層的數(shù)目過低， 則相比于現(xiàn)有技術(shù)可獲得更高的硬度值和更高的E模量，但層（B)的厚度不足對(duì)涂層整體 的耐磨性具有不利的影響。
[0028] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，層（B)具有一系列的交替疊置布置 的至多1500個(gè)Ti bSi(1_b)子層和1500個(gè)AleCivc0N子層。因此在這種形式的實(shí)施方式中， TibSi(1_b)子層和AleCr(1_ e)N子層的總數(shù)是至多3000個(gè)。如果TibSi(1_b)子層和Al eCr(1_。0子 層的數(shù)目過高，則這導(dǎo)致耐磨保護(hù)性涂層的總厚度過大，其結(jié)果是涂層在切削刃區(qū)域中更 快速地發(fā)生故障。
[0029] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，層（B)具有40nm至3 μπι的總層厚度。 如果層（B)的總層厚度過低，則層（B)失去有利的機(jī)械性能。如果層（B)的總層厚度過高， 則這導(dǎo)致耐磨保護(hù)性涂層的總厚度過大，其結(jié)果是涂層在切削刃區(qū)域中更快速地發(fā)生故 障。
[0030] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，所述耐磨保護(hù)性涂層具有下列層順序 之一，其中m、η、0、p、q和r是>0的整數(shù)：
[0031] [A-B]n其中1彡η彡100,優(yōu)選地1彡η彡20，
[0032] ([A-BL-O111 其中 1 < η < 100,優(yōu)選地 1 < η < 20,并且 I < m < 20,優(yōu)選地 1 m 5
[0033] A-[B-C]n 其中 1 彡 η 彡 30
[0034] [A-B-C]n 其中 2 彡 η 彡 30
[0035] {([A-BL-Oq-a-EB-C]^丄其中 1彡〇 彡 30，1 彡 ρ 彡 30，1 彡 q 彡 30，p+q 彡 2， (13q+25r)m 500〇
[0036] 優(yōu)選地，TiAlN層（A)是耐磨保護(hù)性涂層的最內(nèi)部的層并且與主體的基底表面直 接接觸。TiAlN層（A)有助于耐磨保護(hù)性涂層在基底表面上的非常好的粘著力并且因此降 低耐磨保護(hù)性涂層崩裂或剝離的危險(xiǎn)。
[0037] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選形式的實(shí)施方式中，TibSi(1_ b)N和AleCr^c0N子層具有 1. Onm至12nm、特別優(yōu)選3. Onm至9. Onm的層厚度。
[0038] 層⑶中根據(jù)本發(fā)明的TibSi(1_b)N和Al cCr(1_c)N子層（其中0· 70彡b彡0· 98和 0. 3 < c < 0. 75)有利地具有立方面心晶體結(jié)構(gòu)。
[0039] 如果TibSi(1_b)N層中的Si含量過高，則存在層將變成無定形的危險(xiǎn)。對(duì)于根據(jù)本 發(fā)明的目的，Ti