專利名稱：薄耐磨層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過排屑來進(jìn)行加工的切削工具，其中切削工具 包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼制成的 基底，以及硬的且耐磨耐熔涂層，其中所述涂層的至少一層包括沒有
無定形相共存的立方c-(Me，Si)N相。
背景技術(shù)：
TiN已經(jīng)被廣泛用作在切削工具上的堅(jiān)硬層，但是在高于50(TC的 溫度下的較差的抗氧化性已經(jīng)引起了對(duì)于三元或四元化合物(例如 Ti-Al-N和Ti-Cr-Al-N)的興趣。
較復(fù)雜的四元化合物，例如Ti-Al-Si-N已經(jīng)被報(bào)導(dǎo)過，并且由于 由NaCl型的晶相與無定形Si3N4和SiNx結(jié)合組成的兩相結(jié)構(gòu)，這種化 合物被描述成一種超硬的結(jié)構(gòu)，H〉45GPa。這些涂層材料示出改善的 抗氧化性和在硬化鋼的加工中改善的性能。
但是，在升高的溫度下，基于無定形相的材料趨于由晶界滑移而 造成的塑性變形，這是為什么通過上述解決方案不能獲得最優(yōu)性能的 原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供包括至少一層含有沒有無定形相共存的 立方c-(Me，Si)N相的涂層，以涂敷到用于通過排屑來進(jìn)行加工的切削 工具。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供通過PVD技術(shù)沉積含有沒有無定形相
共存的立方c-(Me,Si)N相的涂層。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過平衡在生長(zhǎng)期間的化學(xué)組成、熱能的量和離子誘 發(fā)的表面活化的程度、生長(zhǎng)速率、和壓力，可以獲得含有沒有無定形 相共存的立方c-(Me,Si)N相的涂層，與現(xiàn)有技術(shù)比較，其展示出在金 屬切削中改善的性能。


圖1.來自在a)沉積態(tài)、b)在90(TC退火后的狀態(tài)、和c)在1100 'C退火后的狀態(tài)下c-(Ti^Si》N層的X射線衍射圖譜。每層的Si含量 都被指示出來。
圖2.在WC-Co基底上的a) TiN和b) Tio.92SiQ.o8N層的橫截面透 射電子顯微照片。
圖3.來自在WC-Co基底上的沉積態(tài)的Ti。.86Si(U4N薄層的橫截面 TEM顯微照片，a)具有選區(qū)電子衍射圖樣的總體觀察圖和b) HREM 圖像。具有(002)晶體學(xué)方向的亞晶粒的內(nèi)部分支的柱狀微結(jié)構(gòu)被指示 在a)中。在b)中顯示了，在繞
相互旋轉(zhuǎn)后，在相鄰纖維I-III 中的分別具有晶帶軸[OIO]、 [hko]和[110]的(200)和(002)平面的痕跡。
圖4.沉積的以及在900'C和1100'C下退火2小時(shí)后的(Ti^Six)N 層的a)硬度和b)楊氏模量。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于通過排屑來進(jìn)行加工的切削工具，其中 切削工具包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速 鋼制成的主體，在其上沉積了耐磨耐熔涂層，其中所述涂層由包括至 少一層沒有無定形相共存的c-(Me,Si)N相的一層或多層耐熔化合物組 成。另外的層由與從Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Cr、 Mo、 W、 Si和 Al中選擇的元素的氮化物和/或碳化物和/或氧化物組成，釆用物理氣相 沉積(PVD)、或其它不同于PVD的沉積技術(shù)，例如離子加強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積(PACVD)和/或化學(xué)氣相沉積(CVD)長(zhǎng)成。根據(jù)本發(fā)明的工具在金屬切削應(yīng)用中特別有用，在金屬切削應(yīng)用中，切屑厚度較小并 且工作材料較硬，例如使用整體立銑刀、刃型銑刀的仿形銑削或硬化 鋼的鉆孔。
切削工具刀片、整體立銑刀或鉆頭包括基底和涂層，所述涂層由
其中的至少一層包括晶態(tài)立方相c-(Me^Si》c(N,.bXb)d的一層或多層耐 熔化合物組成，其中Me是元素Ti、 Zr、 V、 Cr和Al的一種或多種， 并且X是元素C、 O和B的一種或多種，c-(MekS")e(NLbXb)d相的比 例R=d/c為0.85-1.05，并且b小于O.l,并且x為0.05-0.20，并且所述 層不包含被XRD或/和TEM (透射電子顯微鏡)或/和XPS (X射線光 電子能譜)所檢測(cè)到的無定形相。
c-(Me，Si)N層的特征在于
晶態(tài)c-(Me,Si)N的存在(如以6-2 6禾口 /或掠入射(gracing incidence)幾何體的X射線衍射(XRD)所檢測(cè)到的)，其示出了一個(gè) 或幾個(gè)以下特征
c-(Me,Si)N的(lll)峰，采用CuKa輻射，在約37° 26， c-(Me，Si)N的(200)峰，采用CuKa輻射，在約43° 2 8， c-(Me,Si)N的(102)峰，采用CuKa輻射，在約62° 2 6， 當(dāng)Me包含不同于Ti的元素時(shí)，所述峰的位置可以移動(dòng)。
c-(Me，Si)N的結(jié)構(gòu)優(yōu)選為氯化鈉NaCl型結(jié)構(gòu)，禾Q/或硫化鋅ZnS 型結(jié)構(gòu)。
采用以e-20幾何體的CuKa輻射、在c-(Me,Si)N(200)峰和 c-(Me，Si)N(lll)之間被定義為比例K的織構(gòu)大于5并且優(yōu)選大于10。
采用以0 -2 6幾何體的CuKa輻射、由小晶粒和/或不均勻應(yīng)力所 引起的c-(Me，Si)N(200)的FWHM (半高寬)，當(dāng)x<0.1時(shí)，它大于0.5 。29，并且當(dāng)x^O.l時(shí)，它大于0.9° 2 8 。
參見實(shí)施例1，與NaCl型c-TiN結(jié)構(gòu)的立方單相層相比，包含 c-(Me，Si)N的層具有顯著增加的硬度和改善的高溫性能，這是由于它不 含任何無定形相。
如果根據(jù)本發(fā)明的含c-(Me，Si)N層與其它層結(jié)合，那么總涂層厚 度為O.l-lOiim，優(yōu)選0.5-5y m，并且不含c-(Me，Si)N層的總厚度在 0.5-8 y m變化。
在替代性實(shí)施方式中，在有或沒有根據(jù)上述的其它層的情況下，' 0.5-10P m厚的含c-(Me，Si)N層，含有基于MoS2、 DLC (類金剛石的 碳)或MeC/C的0.5-5 ym的外層，可以被沉積到所述涂層的頂部上， 其中Me為Cr、 W、 Ti或Ta。
在另一替代性實(shí)施方式中，0.1-2 " m厚的c-(Me,Si)N層，是1.0-15
ym厚的多層涂層中的一一種到五種不同材料中的一種，所述多層涂 層分別包括2-500層，優(yōu)選為5-200層。
在另一替代性實(shí)施方式中，至少一層0.1-1.0 y m厚的含c-(Me,Si)N 層被用于金屬切削應(yīng)用，其中切屑厚度很小。在這個(gè)實(shí)施方式中，導(dǎo) 致在所述切削工具的刀刃上的表面粗糙度Ra比0.15 y m好的后處理是 優(yōu)選的。
用于生長(zhǎng)包含沒有無定形相共存的c-(Me，Si)N相(這里通過 Ti-Si-N體系來示例)的本發(fā)明的層的方法基于在以下條件下，電弧蒸 發(fā)合金的或復(fù)合的陰極
丁i-Si陰極合成物為10-20at。/。的Si，優(yōu)選為15-20at。/o的Si和余量 的Ti。
根據(jù)陰極大小和陰極材料，蒸發(fā)電流為50-200A。當(dāng)使用直徑
63mm的陰極時(shí)，蒸發(fā)電流優(yōu)選為70-100A。
基底偏壓為-10至(J-80V，優(yōu)選為-40至lj-60V。
沉積溫度為400-770°C，優(yōu)選高于500°C，并且最優(yōu)選高于520-600°C。
當(dāng)生長(zhǎng)含有c-(Me,Si)N的層時(shí)，采用了包括0-50vol-%、優(yōu)選為 0-20vol-。/o的Ar、總壓力為0.5-9.0Pa、優(yōu)選為1.5-7.0Pa的Ar+N2氣氛。
對(duì)于c-(Me,Si)(N，X)層的生長(zhǎng)，其中X包括C和O，必須將含C 和/或O的氣體添加到N2和/或Ar+N2氣氛(例如C2H4、 CH4、 CO、 C02、 02)中。如果X還包括B，那么它可以通過靶材和B合金化，或通過 將含硼氣體添加到氣氛中來添加。
為了獲得根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，即獲得這里通過c-(Ti,Si)N示例 的含c-(Me,Si)N層，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須對(duì)幾個(gè)沉積參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。 一個(gè)重要因素是通過對(duì)碰撞離子的能量的適當(dāng)選擇，保持沉積溫度 和被吸附原子的表面活化程度最優(yōu)化，所述對(duì)碰撞離子的能量的適當(dāng) 選擇通過控制壓力和負(fù)基底偏壓獲得。最優(yōu)選參數(shù)可能依賴于以下兩 個(gè)因素的結(jié)合在陰極和基底之間的距離，和決定到達(dá)基底周圍的暗 區(qū)邊界的離子的平均電荷狀態(tài)的壓力。
可以通過用Zr、 Al和Cr中的一種或幾種代替一些Ti來獲得改善 的抗氧化性。
當(dāng)生長(zhǎng)含c-(Me，Si)N相的層時(shí)，存在壓縮性殘余應(yīng)力變得非常大 的危險(xiǎn)，這將在使用尖銳的切割刀刃時(shí)，或關(guān)于良好的粘附性的要求 是最重要的時(shí)，在切削應(yīng)用中負(fù)面地影響性能。減小壓縮性殘余應(yīng)力 的一種可能性是進(jìn)行后退火工藝、或原位退火，優(yōu)選的是在Ar禾口/或
N2的氣氛中，在600-100(TC的溫度下達(dá)20-600分鐘時(shí)間，這樣是由于 材料高溫穩(wěn)定性將不會(huì)負(fù)面地影響所述層，如在實(shí)施例1中所證明的。 但是，IIO(TC的退火溫度太高。
己經(jīng)參考含有采用電弧蒸發(fā)來沉積的含c-(Me,Si)N相層，描述了 本發(fā)明。明顯的是，如果可以對(duì)正確的沉積參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，那么含 c-(Me,Si)N相層還可以采用其它PVD技術(shù)，例如磁控濺射、電子束蒸 發(fā)、離子電鍍或激光燒蝕來產(chǎn)生。
實(shí)施例1 '
采用12X12X4mm的硬質(zhì)合金WC-Co (6wt-%)的板作為基底。
在沉積之前，將所述基底研磨和拋光成類似鏡面的光潔度，并且在超
聲堿性降解劑中清洗。
采用電弧蒸發(fā)系統(tǒng)來沉積所述層。被安裝在彼此的頂部上、成分 分別為Ti、 Ti9oSi,o和Ti訓(xùn)Si2o的三個(gè)朋極，被用于從一個(gè)批次中生產(chǎn)出 具有變化的成分的Ti^SixN層。
最短的陰極-基底距離為160mm。所述系統(tǒng)被抽真空到小于2.0X 10—spa的壓力下，此后，用Ar離子濺射清潔所述基底。
在總壓力為5.0Pa、純度為99.995%的N2氣氛中、采用-45V的基 底偏壓執(zhí)行所述沉積。層厚度約為2ym。沉積溫度約為520'C。沉積
后，立即用千N2對(duì)腔室進(jìn)行通風(fēng)。
此后，變化指的是它們的Si含量的變化。
采用來自沉積腔室內(nèi)不同位置的沉積態(tài)層的EDX分析進(jìn)行的層
的成分的化學(xué)分析，示出了對(duì)于位于在Ti和Tio.9Si(u靶材之間，或
位于Ti和Tio.sSi(u靶材之間的樣品，在0《x《0.14的Si之間的連續(xù)成
分范圍。由于裝置幾何結(jié)構(gòu)，最靠近Tio.sSio.2靶材的層被期望具有比實(shí)
際的x=0.14更高的Si含量。但是，通過來自Ti原子對(duì)樣品表面比Si 原子對(duì)樣品表面更強(qiáng)的碰撞，可以來解釋在電弧蒸發(fā)過程中Si的明顯損失。
在近表面區(qū)域的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)通過X射線光電子能譜(XPS)來分 析。XPS裝有1486.6eV的非單色AlKa的X射線源和半球形的電子能 量分析器。然后，樣品被Ar蝕刻，并且對(duì)于每個(gè)樣品，記錄結(jié)合能 0-1100eV的全譜掃描(survey scan)。為了精確確定Ti2p、 Nls、 Si2s、 Si2p和Cls確切峰位置，記錄局部區(qū)域掃描。 '
采用帶有Berkovich金剛石針尖的Nano Instruments公司的 Nanolndenterll,進(jìn)行表面機(jī)械拋光之后的層的納米壓痕分析。最大的 針尖載荷為25mN。
發(fā)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量比，即c-(Mei-xSix)c(N,—bXb)d的比例R二d/c為0.9-1.0， 并且對(duì)于所有變型，下標(biāo)b0.05。
圖la)示出了來自沉積態(tài)Ti^SixN層的XRD衍射圖譜。對(duì)于所 有成分的衍射圖譜顯示了具有非常接近TiN ， 0.424nm的晶格參數(shù)的 NaCl型結(jié)構(gòu)的化合物。隨著增加了Si含量，擇優(yōu)層生長(zhǎng)取向從混合的 <111>改變到獨(dú)占的<200>。對(duì)于具有x》0.03的所有變型，織構(gòu)K大 于10。對(duì)于x-0.05， FWHM值為0.5。，對(duì)于x-O.ll，其值為1.0° , 并且對(duì)于x-0.14，其值為1.6° 。
來自沉積態(tài)樣品的橫截面TEM顯微照片分別被呈現(xiàn)在圖2a)TiN、 2b) Tio.92Sio.Q8和3) Tio.86Sio.14N中。所述層顯示出較為密集的柱狀結(jié) 構(gòu)，其中隨著Si含量的增加，晶柱的寬度從200nm減小到100nm。有 趣的是，對(duì)于所有層，頂部表面保留了基底表面的粗糙度和特征。這 意味著在沉積過程中，3D小島生長(zhǎng)和可能的棱面化被有效抑制。從
圖2和3中，明顯的是Si含量還影響結(jié)構(gòu)和增加缺陷密度。參見圖3， 沉積態(tài)Tio.seSio.MN在每個(gè)晶柱中都展示了細(xì)纖維狀結(jié)構(gòu)。更高放大倍
率成像顯示了具有大應(yīng)力對(duì)比度的纖維(細(xì)長(zhǎng)的晶粒)的納米結(jié)構(gòu)和
來自重疊特征的莫爾條紋。在圖3b)中的HREM圖像示出了具有來自 位錯(cuò)的、具有高缺陷密度的立方(Ti，Si)N相的三根纖維的典型外貌。在 圖3的觀察示出了具有通過在每個(gè)晶柱上纖維的分支到高達(dá)20°立體 角(在圖3a中(002)弧的寬度)的旋轉(zhuǎn)晶格的有趣生長(zhǎng)模式。分支在晶 柱邊界開始，并且亞晶粒在晶柱的表觀莖合并。這發(fā)生用以保持(002) 生長(zhǎng)表面。通過TEM分析沒有發(fā)現(xiàn)任何無定形相的量。
通過掃描電子顯微鏡，研究來自沉積態(tài)Ti,.xSixN， x=0、 x=0.05、 x=0.08、 x=0.14時(shí)的斷裂橫截面。顯微照片示出了密集的具有大顆粒的 柱狀微結(jié)構(gòu)。(Ti,Si)N層的厚度為1.9-2.4ym。當(dāng)斷裂時(shí)，沉積態(tài) Tio.^Sio.wN表現(xiàn)為細(xì)纖維狀結(jié)構(gòu)，這與通過XTEM所見的納米結(jié)構(gòu)一 致。
在Ar氣氛中，在90(TC和IIO(TC下等溫退火后的Ti^S"N層的 XRD的結(jié)果顯示在圖lb)和lc)中。沉積態(tài)樣品的織構(gòu)被保留。但是， 對(duì)于退火溫度的提高，峰寬減小。
Ti^S"N固溶體在上述沉積溫度之上退火的過程中，進(jìn)行了自生 長(zhǎng)誘導(dǎo)的壓縮性應(yīng)力狀態(tài)的清除應(yīng)力退火。從圖1中，所述清除應(yīng)力 退火從減小的峰寬來看是明顯的。
圖4示出了 Si含量如何影響對(duì)于沉積態(tài)層和在90(TC和IIO(TC下 退火后的那些層的硬度和楊氏模量。在整個(gè)梯度系列中，Si的添加增 加了硬度，從沉積態(tài)層的31.3 ± 1.3GPa到Ti0.86Si0.14N的44,7 ± 1.9GPa。 從XRD和TEM， Tio.86SiQ.14N層含有最高缺陷密度是明顯的。因此， 固溶體和缺陷硬化都可以是活性的。90(TC退火過的樣品保留它們的硬 度，同時(shí)具有對(duì)于結(jié)合到硬度的Si含量相似的趨勢(shì)。但是，在110(TC 下，對(duì)于所有成分，硬度都降低到30GPa之下。
隨著Si含量的增加，層的楊氏模量稍稍增加，從沉積態(tài)層x《的 670GPa到x=0.05的700GPa，見圖4b。但是，對(duì)于Si的更高含量，楊 氏模量降低到 600GPa。
來自沉積態(tài)Tio.86Si。.14N的X射線光電子能譜示出了 ， Ar蝕刻后， 元素Ti、 Si、 N、和非常小量的0的存在。Si2p峰的分析示出了對(duì) 于Tio.86Si(u4N層，結(jié)合能跳9eV，這表明Si-N鍵合，接近a-Si3N4 的報(bào)導(dǎo)值100.6eV。沒有檢測(cè)到通常位于i()1.8eV的無定形相氮化硅a -Si3N4。
在基底溫度52(TC下，通過電弧蒸發(fā)合成出含有高達(dá)14at-%Si的 NaCl型結(jié)構(gòu)的Ti^S"N固溶體層。但是，對(duì)于最高Si含量，XRD和 TEM顯示了富含缺陷的晶格，而XPS暗示沒有無定形Si3N4的存在。 由于發(fā)現(xiàn)包括c (立方)-NaCl型結(jié)構(gòu)的SiN的所有固溶體的晶格參數(shù) 都非常接近TiN，因此通過來自合成或第二相轉(zhuǎn)變的任何成分不均勻性 的電子或X射線衍射技術(shù)的識(shí)別將是較困難的。但是，XRD分析清楚 地示出了沒檢測(cè)出來自無定形相的峰(hump)，所述峰通常期望在約 37° 2 6處居中的FWHM為4-6° 2 9 。
實(shí)施例2
采用涂有類似于實(shí)施例1 (變量x=0、 0.06和0.14)所涂的 RDHW10T3MOT-MD06刀片進(jìn)行仿形銑削測(cè)試。使用具有3.5 u m厚、 含有無定形相的(Ti,Si)N層的刀片作為參照。當(dāng)?shù)镀挥脡臅r(shí)，測(cè)定工 具壽命，工具用壞被定義為產(chǎn)生了火花并且材料出現(xiàn)不均勻表面。工 具壽命被報(bào)導(dǎo)在表1中。
材料DINX155 CrMoV12 1，硬化到58HRC。
干切削加工
v^250m/分鐘 fz-0.2mm/齒 aD=lmm， ae 2mm
工具壽命 刀刃1 (分鐘)工具壽命 刀刃2 (分鐘)
x=o3.02.6
X=0.054.13.4
X=0.145.54.0
參昭 "、、3.33.0
測(cè)試示出了在c-(Ti，Si)N中具有高Si量的變型具有最長(zhǎng)的工具壽
權(quán)利要求
1.用于通過排屑來進(jìn)行加工的切削工具刀片、整體立銑刀或鉆頭，其包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速鋼制成的基底，和涂層，所述涂層由一層或多層耐熔化合物組成，其中的至少一層包括晶態(tài)立方相，c-(Me1-x，Six)c(N1-bXb)d，其中Me是元素Ti、Zr、Cr、V和Al中的一種或幾種，并且X是元素C、O和B中的一種或幾種，其特征在于，比例R＝d/c為0.85-1.05，b小于0.1，并且x為0.05-0.20，并且所述層不包含被XRD所檢測(cè)到的無定形相。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具刀片、整體立銑刀或鉆頭，其 特征在于，所述層的晶體為纖維狀的，并且是強(qiáng)分支的和彎曲的。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片、整體立銑刀 或鉆頭，其特征在于，采用以e-2 6幾何體的CuKct輻射、在 c-(Me，Si)N(200)峰和c-(Me，Si)N(l 1 l)之間被定義為比例K的所述層的 織構(gòu)大于5，優(yōu)選大于10。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片、整體立銑刀 或鉆頭，其特征在于，來自所述層的、在以e-2e幾何體的X射線衍 射圖譜中的c-(Me"xSix)c(NLbXb)d(200)峰的FWHM (半高寬)，當(dāng)x<0.1 時(shí)，它大于0.5° 2 0 ，并且當(dāng)x^O.l時(shí)，它大于0.9° 2 e 。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片、整體立銑刀 或鉆頭，其特征在于，所述層的結(jié)構(gòu)為氯化鈉，NaCl型結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的切削工具刀片、整體立銑刀 或鉆頭，其特征在于，所述層的結(jié)構(gòu)為硫化鋅，ZnS型結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及切削工具刀片、整體立銑刀或鉆頭，其包括基底和涂層。所述涂層由至少一層包括沒有無定形相共存的立方c-(Me，Si)N相組成。涂層通過蒸發(fā)工藝沉積。本發(fā)明的目的是提供一種具有良好切削性能的涂層刀片。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101171358SQ200680014747
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者倫納特·卡爾松, 拉爾斯·胡爾特曼, 湯米·拉松, 阿克塞爾·弗林克, 雅各布·舍倫 申請(qǐng)人:山高刀具公司