具有涂層的鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種涂覆基材，優(yōu)選涂覆鉆頭的方法，其中借助HIPIMS方法施涂至少一個第一HIPIMS層。優(yōu)選地，在所述第一HIPIMS層上借助不包括HIPIMS方法的涂覆方法施涂至少一個第二層。
【專利說明】具有涂層的鉆頭
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前述部分的鉆頭，特別是螺紋鉆頭或微型鉆頭，以及涉及根據(jù)權(quán)利要求11的前述部分的涂覆方法，該涂覆方法用于涂覆部件和工具，尤其是用于涂覆鉆頭。
[0002]螺紋鉆頭具有至少一個切槽和與之相鄰的導(dǎo)向區(qū)域。其包括直線型和螺旋型開槽的螺紋鉆頭，其中后者的區(qū)別主要在于旋轉(zhuǎn)角度。
[0003]通常，這種螺紋鉆頭通過PVD布置有氮化鈦涂層(TiN)或碳氮化鈦涂層(TiCN)。對于尤其是借助傳統(tǒng)的磁控管霧化涂覆的螺紋鉆頭，常常需要在涂覆之后將切削面再次打磨得光亮。其原因之一可能在于，由于涂層而不利地改變了可能影響切削形狀的滑動性能和摩擦性能，這對于螺紋鉆頭會產(chǎn)生干擾。
[0004]與之相反，通過熱真空蒸發(fā)用TiN或TiCN涂覆的螺紋鉆頭不必進行后續(xù)打磨。然而，通過熱蒸發(fā)僅能使用大量消耗而涂覆對于涂覆的經(jīng)濟性操作所需的件數(shù)。
[0005]使用電弧蒸發(fā)來涂覆螺紋鉆頭也不能得到所希望的結(jié)果，這可能是由于使用這種方法涂覆引起的貯藏在層中的所謂污跡(Spritzer)導(dǎo)致不可接受的表面粗糙度。因此，在涂覆之后需要消耗時間和大量費用的打磨工序。
[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種涂覆的鉆頭，特別是涂覆的螺紋鉆頭，其在涂覆之后基本上不用繁瑣的后續(xù)打磨而可以使用。
[0007]這里，后續(xù)打磨明顯不同于相對簡單和便宜的在涂覆之后進行的擦刷步驟，通過擦刷步驟例如可以去除 由于涂覆產(chǎn)生的毛邊。
[0008]本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1的方法而實現(xiàn)。根據(jù)該權(quán)利要求，通過HIPMS方法在螺紋鉆頭上施涂硬質(zhì)層。這里，HIPMS表示高功率脈沖磁控管濺射，其是一種霧化方法，其中大的放電電流密度提高了霧化材料的離子化程度。根據(jù)本發(fā)明，特別優(yōu)選至少部分通過在DE102011018363中公開的方法施涂的那些層。通過這種方法實現(xiàn)了非常高的霧化材料的離子化程度。由于在基材上接上的負偏壓，相應(yīng)的離子向其加速，從而形成非常大的密度。因為在DE102011018363中描述的方法(其中電壓源以主從構(gòu)造形式工作)是非常穩(wěn)定的涂覆工藝，由此形成的層相應(yīng)地緊密、均勻、具有非常好的粘附性和低的表面粗糙度。
[0009]如果HIPMS層是由選自鉻、鈦、鋁和鎢的金屬中的至少一種，更優(yōu)選兩種的氮化物和/或碳化物和/或氧化物沉積而成的層，則可以達到非常好的效果。這樣甚至不需要在鉆體和HIPMS層之間設(shè)置粘附層。這可能是高速到達鉆體的離子的結(jié)果。氮化物、碳化物或氧化物的沉積可以交替地或同時進行。特別發(fā)現(xiàn)，用AlCrN HIPMS層涂覆提高了鉆頭的使用壽命。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，在所述HIPMS層上還可以配置無定形的碳層或DLC層，其特別是可以含有金屬的。由于其好的滑動性能，無定形碳或DLC層(根據(jù)含碳的層而命名的)的優(yōu)點在于刀刃處而不是相應(yīng)的面上的摩擦較低，這允許較低的磨損和螺紋鉆頭更長的使用壽命。由于HIPMS層的表面粗糙度低，位于其上的、在表面上的、含碳的層也具有低的粗糙度，特別是注意到，含碳的層的層厚度不超過5 μπι。整個層體系優(yōu)選具有
0.1-10 μπι 的厚度。[0011]本發(fā)明公開了涂覆鉆頭(優(yōu)選螺紋鉆頭)的方法，其中在鉆體上借助HIPMS方法施涂HIPMS層，優(yōu)選直接施涂在鉆體上。
[0012]優(yōu)選地，施涂的涂層的總厚度為0.1-10 μπι。
[0013]優(yōu)選地，沉積的至少一個層是HIPMS層，該層由至少一種、更優(yōu)選兩種選自鉻、鈦、鋁和鎢的金屬的至少一種氮化物和/或碳化物和/或氧化物構(gòu)成。
[0014]優(yōu)選地，所述方法包括至少如下的一個涂覆步驟:將DLC層，優(yōu)選含金屬的DLC層施涂在HIPMS層上。
[0015]用于涂覆含金屬的DLC層的金屬兀素優(yōu)選與在所述HIPIMS層中的一種金屬兀素相一致。在DLC層中的金屬含量可以向表面方向呈梯度式地減少。
[0016]如在本發(fā)明的范圍，上述的傳統(tǒng)的磁控管霧化通常稱為常規(guī)的濺射工藝或常規(guī)的濺射，所有這些術(shù)語具有相同的意思。在本發(fā)明中，還使用其英文名字的縮寫MS (magnetron^puttering)，其也具有如同傳統(tǒng)的磁控管霧化的相同意思，并用于本發(fā)明中。
[0017]類似地，如在本發(fā)明的范圍，上述的“貯藏在層中的所謂污跡”(由于使用電弧蒸發(fā)工藝而產(chǎn)生的)通常稱為微滴或大顆粒，這對于電弧層是非常典型的。
[0018]在本發(fā)明的范圍內(nèi)，熱真空蒸發(fā)是指等離子體輔助的真空蒸發(fā)工藝，其中通過使用等離子體源在真空壓力下輸入熱量而蒸發(fā)層材料。為此，可以例如使用低壓弧作為等離子體源?？梢詫⒋舭l(fā)的層材料放置在例如可以作為陽極連接的缽中。由于其低的粗糙度和基本上好的層質(zhì)量，這些涂層對于螺紋鉆頭涂層而言可以很好地形成。然而，并不總是能夠很容易地控制工藝參數(shù)。
[0019]為了提高螺紋鉆頭的效率，并不總是很容易選擇合適的涂層材料。此外，涂覆工藝的類型也很關(guān)鍵，因為涂覆工 藝直接影響到沉積的層的結(jié)構(gòu)及其性能。
[0020]具有TiCN涂層的螺紋鉆頭例如具有非常高的表面硬度，并且相比于具有由其它材料形成的涂層的螺紋鉆頭通常具有更強的抵抗力。由此特別是可以避免邊緣毛邊的形成。
[0021 ] 相反，使用TiN涂層不能達到相當(dāng)?shù)谋砻嬗捕?，但是TiN涂層通常可以很好地保護鉆頭，因此相比于未涂覆的鉆頭可以實現(xiàn)更長的使用壽命和使用更高的速度。
[0022]為了鉆孔非金屬的基本材料(其中具有Ti基的涂層的鉆頭被證明是不合適的)，在一些情況下可以使用借助PVD沉積的CrN涂層。
[0023]涂覆的螺紋工具提供了更長的使用壽命，并且明顯提高了切削數(shù)據(jù)。通過硬質(zhì)涂層，顯著提高了螺紋鉆頭的耐磨性。也防止了冷焊接點(Kaltverschweissungen)和結(jié)構(gòu)切口(Aufbauschneiden)的形成。通過劇烈降低的摩擦和涂覆的工具更好的滑動性能，減小了切割力，降低了切割表面的磨損并基本上改善了切削螺紋的表面品質(zhì)。
[0024]在具體的螺紋工具的情況下(例如螺紋鉆頭)，在多次試驗中證實，相比于借助傳統(tǒng)磁控管霧化或借助電弧蒸發(fā)而制備的涂層，借助等離子體輔助的真空蒸發(fā)而制備的層(以后稱為蒸汽層)通常具有更長的使用壽命。在本發(fā)明的范圍，具有電弧層的螺紋鉆頭用各種組合物和層結(jié)構(gòu)涂覆，并測試其切削效率。按照測試結(jié)果，相比于很好形成的TiN基和TiCN基的蒸汽層，幾乎所有測試的電弧層對于這種應(yīng)用總是處于劣勢。甚至為了降低電弧層的表面粗糙度而進行相應(yīng)的后處理操作之后也是如此。然而，具有氮化鋁鉻基的電弧層的螺紋鉆頭(在后處理之后)展現(xiàn)出如同具有TiN-和TiCN-蒸汽涂層的螺紋鉆頭幾乎一樣好的效率。
[0025]然而，為了達到主要在密度和硬度方面與AlCrN基的電弧層相當(dāng)?shù)男阅?，也為了更好的表面質(zhì)量而避免繁瑣的后處理，并由此追求等離子體輔助的真空蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢，根據(jù)本發(fā)明使用HIPMS技術(shù)用于螺紋鉆頭的涂覆。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，如果鉆頭(例如螺紋鉆頭)涂覆有至少一個HIPMS層(其優(yōu)選直接施涂在鉆頭體上)，則相比于借助等離子體輔助的真空蒸發(fā)而制備的層可以達到相當(dāng)?shù)纳踔粮叩那邢餍省?br> [0027]具體地，HIPIMS層包含氮化物和/或碳化物，HIPIMS層優(yōu)選包含至少一種氮化物層和/或碳化物層。
[0028]具體地，非常合適的是(AI，Cr)N HIPMS層中的鋁相對于鉻的濃度以原子百分比表示為約70比30，從而可以達到相比于目前很好形成的(Ti，C)N蒸汽層相當(dāng)?shù)纳踔粮玫慕Y(jié)果(至少對于具有一定工件材料的螺紋鉆頭)。此外，由于HIPMS層相比于電弧層具有低粗糙度，可以如上所述地不必使用否則昂貴的后處理或者使用便宜得多的和較不繁瑣的后處理。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，上述的層變體(含有施涂在HIPMS層上的DLC層或優(yōu)選含金屬的DLC層)可以有利地用上述的主從構(gòu)造制備。
[0030]主從構(gòu)造可以借助圖1和2更好地解釋。
[0031]圖1顯示了具有電絕緣的靶ql、q2、q3、q4、q5和q6的構(gòu)造，這些靶分別具有可移動的磁體系，其中功率輸出單元由多個發(fā)電機gl、g2、g3、g4、g5和g6構(gòu)成，它們以主從構(gòu)造的形式相連。
[0032]圖2顯示了具有電絕緣的靶ql、q2、q3、q4、q5和q6的構(gòu)造，這些靶分別具有可移動的磁體系，其中功率輸出單元由多個發(fā)電機gl、g2、g3、g4、g5和g6構(gòu)成，它們沒有以主從構(gòu)造的形式相連。
[0033]為了更好地理解用于制備這類層的主從構(gòu)造的優(yōu)點，下面示例性地描述涂覆具有由以下五個層構(gòu)成的涂層的螺紋鉆頭的方法:1) (Al, Cr)N,2)CrN,3)CrCN,4)Cr-DLC和5)DLC0其中:
1)借助HIPIMS方法沉積的由(Al，Cr)N構(gòu)成的功能層，
2)和3)借助HIPMS方法或借助傳統(tǒng)的濺射(以后也稱為MS，其源自英文名稱Magnetron Sputtering)或部分借助HIPIMS方法和部分借助MS沉積的由CrN構(gòu)成的中間層和由CrCN構(gòu)成的中間層，
4)借助MS方法和PACVD方法(PACVD源自英文名稱ElasmaAssisted ChemicalVapour Deposition treatment)的組合或借助HIPIMS方法和PACVD方法的組合或部分借助HIPMS/PACVD方法和部分借助MS/PACVD方法沉積的由Cr摻雜的DLC構(gòu)成的滑動層，以及
5) 借助PACVD方法沉積的由DLC構(gòu)成的最終層(Einlaufschicht)。
[0034]在涂覆室(真空室)中相互電絕緣地設(shè)置四個Al靶和兩個Cr靶，并且在涂覆過程中通過以主從單元形式構(gòu)造的效率輸出單元供給。也可以使用具有特定組成的Al/Cr靶，以便實現(xiàn)所希望的層組成。這些層例如可以以熔體冶金或粉末冶金的形式制備。
[0035]主從構(gòu)造是指兩個或多個發(fā)電機的輸出端的平行聯(lián)接，其中選擇待設(shè)定的所述發(fā)電機之一(主機)的功率，并且電學(xué)連接其它發(fā)電機而使它們跟隨主機的設(shè)定。優(yōu)選地，在主從構(gòu)造中聯(lián)接至少與單個電絕緣靶相同數(shù)量的發(fā)電機(參見圖1和2)。
[0036]首先清潔螺紋鉆頭，和/或根據(jù)需要預(yù)處理待涂覆的表面。然后，將螺紋鉆頭布置在用于真空室涂覆的相應(yīng)的基材支架中。在真空室中抽真空之后，對螺紋鉆頭實施加熱工序和浸蝕工序。為了沉積HIPMS (Al，Cr) N層，隨后使涂覆室充滿氬氣和氮氣的混合氣體。選擇相應(yīng)的氣流來調(diào)節(jié)所希望的氬氣與氮氣的濃度比例以及所希望的總壓力。為了達到對于HIPMS方法典型的提高的離子化程度，將通過聯(lián)接產(chǎn)生的提高的功率傳遞給每個靶，但是只能持續(xù)對于每個靶的冷卻所允許的時間(以便避免靶的熔化或燃燒)。按照順序關(guān)閉和斷開所述靶。之后決不能同時地對所有的分靶施加在主從構(gòu)造中的功率輸出單元的全部功率(參加圖1)。以這種方式，可以在HIPMS沉積中使用更便宜的發(fā)電機。只要(AI，Cr)N層達到所希望的層厚度，則沉積CrN中間層。為此，分解主從構(gòu)造，并因此對每個靶提供相應(yīng)的發(fā)電機(圖2)。以這種方式實現(xiàn)了，當(dāng)需要時從高度離子化的濺射(HIPIMS)向傳統(tǒng)的濺射簡單并快速地切換，反之亦然(借助如在圖1和2中示例性所示的開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5和S6)。對于借助傳統(tǒng)的濺射沉積CrN中間層，僅需要打開兩個Cr靶。在這種情況下，由每個相應(yīng)的發(fā)電機不間斷地提供每個Cr靶的功率，直到達到所希望的CrN中間層的厚度。在沉積CrN層之前和/或之中可以任意地調(diào)節(jié)工藝中的氮濃度以及總壓力，以便達到所希望的層性能。對于沉積CrCN，可以向涂覆室中輸入含碳的反應(yīng)性氣體，并調(diào)節(jié)其它工藝氣體和反應(yīng)性氣體的流量。在沉積CrN層之前和/或之中也可以任意地調(diào)節(jié)工藝氣體和反應(yīng)性氣體的濃度以及Cr靶的功率，以便達到所希望的層性能。優(yōu)選地，降低氮氣的濃度和Cr靶的濺射功率，直到達到對于沉積Cr-DLC層合適的工藝條件，并且調(diào)節(jié)對于實施PACVD方法合適的基材偏壓。在Cr-DLC層也達到所希望的厚度之后，沉積DLC。對于沉積DLC最終層，不連貫地或逐漸地關(guān)閉Cr靶，直到在該層中不出現(xiàn)Cr ;如果必要，調(diào)節(jié)工藝氣體和反應(yīng)性氣體的濃度以及室中的壓力和基材上的偏壓，以便達到所希望的層性能。
[0037]優(yōu)選在沉積每 層時，在基材上施加合適的偏壓，該偏壓在沉積每層時可以任意調(diào)節(jié)。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的涂層和涂覆方法特別是對于提高微型鉆頭的切削效率是有利的，因為尤其是對于涂覆微型鉆頭需要的是具有高硬度的層，該層還同時具有好的滑動性能和尤其是具有非常低的粗糙度，以避免在切削邊緣的噴濺。此外，在微型鉆頭的情況下，由于非常小的尺寸，實施后處理以降低層的粗糙度是特別繁瑣、昂貴和困難的；因此更有利的是，可以使用本發(fā)明的涂層以帶來與ARC層相當(dāng)?shù)那邢餍?，而同時又具有MS層的低粗糙度。此外，相比于ARC層，根據(jù)本發(fā)明的HIPMS層更適合于涂覆微型鉆頭，因為HMPMS層的沉積速率可以調(diào)節(jié)地如此低，從而實現(xiàn)任意非常薄的層厚度和高的準確性(例如納米級的層厚度)，這基于微型鉆頭非常小的尺寸是非常有利的。
[0039]應(yīng)用主從HIPMS技術(shù)的另一特別的優(yōu)點在于，可以任意地和容易地調(diào)節(jié)涂覆過程中的脈沖長度和脈沖功率，這可以沉積具有特別是提高的質(zhì)量和根據(jù)需要任選合適的層性能，或者具有合適的層結(jié)構(gòu)和/或?qū)有螒B(tài)的HIPMS層。
【權(quán)利要求】
1.鉆頭，優(yōu)選螺紋鉆頭，其具有至少在該鉆頭的鉆尖上或任選在該螺紋鉆頭的切槽上形成的涂層，并且該涂層具有至少一個優(yōu)選直接在所述鉆頭的鉆體上施涂的HIPMS層，其特征在于，所述HIPMS層包含至少一個由至少一種氮化物和/或碳化物構(gòu)成的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆頭，其特征在于，所述HIPMS層包含選自鉻、鈦、鋁和鎢的金屬中的至少一種，更優(yōu)選兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鉆頭，其特征在于，所述HIPIMS層是(A1.Cr)N層。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求1至3之一的鉆頭，其特征在于，在所述HIPMS層上配置有DLC層，優(yōu)選含金屬的DLC層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆頭，其特征在于，在所述含金屬的DLC層中的至少一種金屬元素與在所述HIPIIMS層中的一種金屬元素相一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鉆頭，其特征在于，在所述HIPMS層和所述含金屬的DLC層之間沉積至少一個含氮和碳的層，該層的氮含量向表面方向呈梯度式地減少。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求4至6之一的鉆頭,其特征在于,在所述DLC層中的金屬含量向表面方向呈梯度式地減少。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求1至8之一的鉆頭，其特征在于，所述層的總厚度為0.1-10 μπι。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求1至8之一的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭為微型鉆頭，并且所述涂層的總厚度優(yōu)選為0.01-5 μ m。
10.涂覆基材的涂覆方法，其中將至少一個第一層和至少一個第二層沉積在所述基材表面的至少一部分上，其特征在于，` -所述第一層是借助HIPMS方法優(yōu)選直接施涂在所述基材表面上的HIPMS層， -所述第二層借助其它類型的涂覆方法，優(yōu)選借助傳統(tǒng)的濺射和/或PACVD方法和/或組合的MS/PACVD方法施涂在所述第一層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述HIPMS層用至少一種氮化物和/或碳化物和/或氧化物沉積而成，和/或所述第二層用碳沉積而成，優(yōu)選所述第二層以DLC形式和/或含金屬的DLC形式沉積而成。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求10至11之一的方法，其特征在于，所述HIPMS層用選自鉻、鈦、鋁和鎢的金屬中的至少一種，更優(yōu)選兩種沉積而成，優(yōu)選所述HIPMS層以(Al，Cr) N層或含(Al, Cr) N的層的形式沉積而成。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求11至12之一的方法，其特征在于，用于沉積所述含金屬的DLC層的金屬與在所述HIPMS層中的一種金屬相一致。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求11至13之一的方法，其特征在于，如此沉積所述含金屬的DLC層，以使在所述DLC層中的金屬含量向表面方向呈梯度式地減少，并且優(yōu)選將不含金屬的DLC最終層作為覆蓋層施涂在所述含金屬的DLC層上。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求11至13之一的方法，其特征在于， -所述HIPIMS層作為功能層沉積而成，其優(yōu)選由(AI，Cr)N構(gòu)成或含有(AI，Cr)N，其中優(yōu)選鋁和鉻的濃度以原子百分比表示為約70 Al比30 Cr，以及 -所述第二層作為滑動層沉積而成，優(yōu)選使用MS方法或組合的MS/PACVD方法沉積，優(yōu)選由含有鉻的DLC形成，以及 -在所述HIPMS層和所述第二層之間沉積至少一個中間層，更至少兩個中間層，其優(yōu)選由CrN和/或CrCN構(gòu)成，以及 -優(yōu)選將不含金屬的DLC最終層作為覆蓋層施涂在所述含金屬的DLC層上。
16.基材，優(yōu)選工具或部件，更優(yōu)選鉆頭，其具有根據(jù)上述權(quán)利要求11至15至少之一的方法施涂在所述基材表面的至少一部分上`的涂層。
【文檔編號】C23C14/06GK103874780SQ201280051664
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】S.克拉斯尼策爾 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)