專利名稱：涂層硬質合金刀具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種涂層硬質合金刀具，它包括選用硬質合金、金屬陶瓷、超硬材料及工具鋼作為基體，還包括一個含有二層或二層以上的涂層，該涂層的總厚度為0.5μm至15μm，涂層單獨一層的厚度為0.0003～5.0μm。
背景技術：
硬質合金、金屬陶瓷、超硬材料及工具鋼都可應用于那些會受高沖擊磨損的刀具上。硬質合金這一術語可以理解為由某種超硬材料相與某種金屬粘合劑組成的復合材料。金屬基陶瓷材料包括由一種或多種金屬陶瓷相與一種或多種金屬相組成的全部材料。超硬材料包括所有硬度大于1000HV的材料。這些超硬材料包括元素周期表中簇IVa至VIa元素與碳、氮、硼或硅元素復合成的復合材料。當然，這一類材料還包括金剛石、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅與氧化鋁復合材料(sialons)，氧化鋁、氮化鋁以及氮化硅，在此只列出最重要的一些材料。根據德國工業標準DIN17300的工具鋼是指那些用途被確定為刀具的鋼。
為了提高抗磨性，將耐磨損的碳化基，氮化基，硼化基，硅化基及氧化基超硬材料涂層應用在刀具的基體上。這些涂層結構上可能包含一層或多層，且通常具有1500HV至4000HV范圍內的硬度。在實施例中將對單層結構或多層結構的涂層進行參照，這些涂層都含有氮化鈦、氮化鈦碳、氮化鈦鋁或氧化鋁。
在載荷狀態下，摩擦系統除了刀具之外，還包括產生磨損和摩擦力的反向運動工件、適當的介質、有效的作用力、運動順序以及環境因素。特別是在作用力有效、刀具與反向運動工件的相對速度高的情況下，磨損件與反向運動工件的表面接觸區域會產生相當大的溫升。譬如，當溫度達到1000℃時，在某些情況下，在加工刀具的表面甚至能測到更高的溫度。產生這種情況的原因有以下幾點切削區域發生了變形和剝落，主要接觸面的碎屑摩擦，以及側面的加工件摩擦。
鈦鋁鎳(TiAlN)基的超硬材料涂層廣泛地應用于改善刀具的磨損性能。人們對此進行了研究不同的鋁(Al)含量對于改善耐磨損和抗氧化產生了影響，以及氮化鈦涂層中其他元素對耐磨損也有影響，尤其是利用PVD工藝生產的氮化鈦涂層。
例如，“固體薄膜，343(1999)p.242-145”所描述的鈦鋁硼鎳(TiAlBN)涂層，它是在450℃氬等離子區中制備的。但是，在干加工過程中，該薄膜還是不可能取得任何顯著的耐磨損性能的改善。
“表面涂層技術，133-134(2000)145-151”披露了通過陰極弧蒸鍍制備的鈦鋁硅鎳(TiAlSiN)涂層，該涂層含3.8At.％至8.2At.％的硅，在上述條件下所獲得的硬度值為35至45GPa。
另外，對于鈦鋁鎳涂層，其中的鈦(Ti)同時也可以用鉻(Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)或鈮(Nb)代替。
例如，WO 2004/059030披露了一種磨損性能有所改進的鋁鉻鎳(AlCrN)涂層。
EP 0558061披露了使用鉿、鋯、鉻或鈮元素部分或全部代替氮化鈦中的鈦元素，此類型的超硬材料涂層通過鈮或鉭(Ta)金屬中間層與基體粘接。
JP 2003-034859披露了一種耐磨的MeAlCrVCN涂層，該涂層的Me至少采用鈦(Ti)、鈮(Nb)、鎢(W)、鉭(Ta)或鉬(Mo)元素中的一種元素。
EP 1201776披露了一種由高速鋼制成的齒輪切削刀具，該刀具多層的涂層組合包括TiAlTaN或TiAlTaCN和TiAlN或TiAlCN兩種方式，該刀具適用于加工低合金鋼或者低剛度鋼。這種二層組合的結果使得刀具延長了使用壽命，具有碎片粘附的低敏感性。
例如在合金鋼干銑削過程中，如果出現刀具的高沖擊力，如主接觸面和側面之類，刀具接觸區域的表面將達到一個非常高的溫度。例如成型切刀的進給區域也會出現類似的高沖擊。在這些使用情況下，尤其是如果不使用冷卻劑的話，上述所知的涂層方法的耐磨損性至今為止都不能令人滿意。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種刀具，該刀具在高熱沖擊下具有高耐磨損性，在與磨損體接觸過程中，產生盡可能小的摩擦系數。
根據本發明，該目的通過權利要求1實現。
按照本發明的涂層包括至少二層涂層。在本發明中，第一涂層的成分為(TiaAlbTac)N，其中a+b+c＝1，0.3≤b≤0.75且0.001≤c≤0.30。在下文中，該涂層稱為A。
第二涂層的成分為(TidAleTafMg)N，并且d+e+f+g＝1，0.50≤e≤0.70，0≤f≤0.25。M表示選自硅、釩和硼中的一種元素或多種元素，硅元素的含量為0.05At.％至10At.％，釩元素的含量為0.1At.％至25At.％，硼元素的含量為0.005At.％至1At.％。在下文中，該涂層稱為B。
在涂層A的合金中添加鉭元素，可導致其熱硬度大大地增強。人們已經發現，鉭元素可將中心面立方固溶體一直穩定在大約800℃的高溫。雖然在較高溫度下會出現位相分解，并導致立方氮化鋁區域的沉淀，但是這種沉淀可使涂層在900℃左右時，硬度進一步增加大約10％。甚至在1100℃的溫度時，下述真空狀態下的退火試驗，所測的硬度值仍在涂層起始狀態的硬度范圍內。因此，鉭元素作為涂層A的一個元素，在某一溫度范圍內提高了涂層的熱硬度，尤其指在加工處理無冷卻劑的情況下，涂層表面與磨損件之間的接觸區域所產生的溫度。因此，當相關溫度處于700℃至1100℃范圍內時，在合金中添加鉭元素可最大程度地防止磨損性磨損，并以自適應方式取得預防效果。然而，TiAlN中的鉭元素在700℃和更高溫度時，可使摩擦系數增大。不僅在惰性氧化鋁球而且在奧氏體鋼上發現了這一現象。此外，涂層A的韌性在許多應用場合中表現不足；例如本文中可能已提及的銑削加工和高速切削。涂層B含有從硅、釩和硼中選出的至少一種元素，硅、釩和硼在高溫下具有降低摩擦的效果。另外，涂層B所含的鉭比涂層A中的鉭更少，其結果是涂層B比涂層A更具韌性。利用涂層A和涂層B的順序可以調整微觀結構的韌性；譬如在銑削加工的過程中，通過上述方法可對涂層韌性產生正面影響，確保涂層剝落時有足夠的穩定性。通過鉭含量和鈦/鋁比例兩方面的調整，可以調節涂層的耐磨損性。在本文中，根據0.1At.％至30At.％的鉭含量，鋁含量顯然可以在30At.％至75At.％之間進行調整。對于涂層B而言，鈦/鋁比例同樣可以根據權利要求1所述的大范圍進行選擇，鉭含量作為一項應變量，其范圍為0At.％至25At.％。涂層A鋁含量的最佳范圍為45At.％至66At.％。鉭含量少于0.1At.％時不能充分地提高強度。而鉭含量超過30At.％時會使涂層A變得特別脆化。涂層A鉭含量的最佳范圍為1At.％至25At.％。相反地，對于更韌性的涂層B而言，可以選擇較低的鉭含量，此鉭含量的范圍為0At.％至25At.％，最佳為0.2At.％至10At.％。涂層B的硅對防止氧化具有積極作用。為了在這方面獲得足夠的效果，有利的硅含量為0.1At.％。如果硅含量超過10At.％，在許多使用場合下，脆化會非常令人不滿意。因此硅含量的最佳上限為3At.％。經研究發現，恰當的0.1At.％至3At.％硅含量充分地降低了刀具與反向運動工件之間的摩擦力。釩元素所產生的作用力的增加要比硅少得多，因此也就不能將涂層的斷裂韌度增加到一個更高程度。因此在選擇涂層B的釩含量時可以比硅含量更高。
大量的試驗證明，最佳釩含量為0.1At.％至25At.％，最佳為2At.％至20At.％。由于形成了金紅石相的緣故，釩元素對于降低摩擦具有十分明顯的效果。涂層B的硼元素含量的最佳范圍為0.001At.％至0.5At.％。硼元素通過減少別的元素的擴散比，增強了涂層的抗氧化能力。由于形成了六方晶系相要素，硼含量超過1At.％時會降低涂層硬度。通過使用多層結構的涂層，可對涂層的微觀結構進行理想的調整，從而對斷裂韌性也進行理想的調整。涂層的層數可介于大約10層直至10000層或更多層的范圍。按照配制的要求，可以比較容易地排列出涂層每層進行周期性交替的順序。在兩個不同涂層的情況下，這種排列順序的結果為A、B、A、B、A、B……如果出現第三層C涂層的話，則排列順序的結果為A、B、C、A、B、C、A、B、C……在出現不同要素的第四層或更多涂層的情況下，相應的排列順序依此類推。不同要素的涂層同樣具有不同的晶核形成率或晶核增長率。因此，涂層的每層厚度也就明顯地不一樣。如果涂層單獨某層主要為立體結構，由于立體相比六方晶系相更具有突出的抗磨損結構，應當對最佳的斷裂韌性與強度比進行調節。例如位于立體要素間的少量放射性非晶質微觀要素，其增加了涂層的斷裂韌性。為了增加涂層粘接，與基體接觸的涂層包含氮化鈦是有利的。
如果采用硬質合金作為基體，可以獲得最令人滿意的涂層與基體的粘接。
如果將涂層硬質合金刀具用作切削刀具的話，可以得到較長的使用壽命。本文中切削刀具的典型應用是可靠的硬質合金銑削刀具及可轉位的切削刀具刀刃。當然，本發明的優點也可在成形刀具上實現。
涂層具體應用時，可以采用各種各樣的涂層加工工藝。利用單組分靶材或多組分靶材，在電弧蒸鍍或濺鍍模式下，物理氣相沉積法(PVD)工藝是關鍵步驟之一。在這種情況下，用來產生涂層A的靶材，其鋁含量介于30At.％至75At.％之間，鉭含量介于0.1At.％至30At.％之間，其余含量為鈦。
用來產生涂層B的靶材包含50At.％至70At.％的鋁，0At.％至25At.％的鉭，以及從硅、釩和硼中選出的至少一種元素，其余含量為鈦。在選擇硅元素的情況下，硅含量為0.05At.％至10At.％，在選擇釩元素的情況下，釩含量為0.1At.％至25At.％，在選擇硼元素的情況下，硼含量為0.005At.％至1At.％。
與物理氣相沉積法(PVD)工藝一起可供選擇的方法，可采用不同的化學氣相沉積法(CVD)工藝來實施本發明。作為實施例，根據本發明所述的涂層可以通過等離子體增強化學氣相淀積工藝PECVD或有機金屬化學氣相淀積工藝MOCVD產生。
具體實施例方式
在具體實施例的基礎上，對本發明詳細描述如下。
含TiAlTaN/TiAlTaMeN雙層涂層已應用于可轉位切削刀具刀刃，該刀刃的材料為硬質合金，它用電弧蒸鍍靶材，利用傳統工業的PVD工藝，通過在N2-Ar氣體中用粉末冶金制備所得。在這種制備過程中，考慮到所用的工藝、涂層的合金元素含量與靶材所用的元素含量完全匹配。表1至表5列出了涂層生產過程中所用靶材的成分。所使用的材料源或靶材位置為四組。在各種情況下，兩組使用同一成分的靶材位置會出現相反的垂直偏移。出于對比的目的，對原有技術的參照范例的生產也采用相同的涂層程序。對于所有范例而言，范例加工腔的占用和安裝的選擇都是相同的。
出于使用壽命對比試驗的目的，下列參數將被采用可轉位切削刀具刀刃SEKN 1203AF SN用S40T制造。
加工材料42CrMo4加工條件 干式加工加工參數vc＝230m/min，f＝0.30mm/rev，ap＝2.0mm，ae＝96mm實施例1實施例1采用四層涂層，包括涂層1和涂層2(范例B 2a)，以及涂層1b和涂層2(范例B 2b)的周期性交替順序，以說明鉭含量變動的影響，如第一層涂層(1a、1b)具有恒定的鋁/鈦比(鋁/鈦＝2)，則在任何情況下，第二層涂層的成分是穩定的(參見表1)。
與參照范例相比，采用涂層B 2a的使用壽命提高了78％。如果采用涂層B 2b的話，則可能雙倍地提高使用壽命。
實施例2實施例2采用四層涂層，包括涂層1b和涂層2(范例B 3a)，或者涂層1c和涂層2(范例B 2b)的周期性交替順序，以說明鋁/鈦比(鋁/鈦＝1.5；鋁/鈦＝2)的影響，如第一層涂層具有穩定的鉭含量，則在任何情況下，第二層涂層的成分是相同的(參見表2)。
這樣，將參照范例與涂層B 3a和涂層B 2b二者比較后，可以獲得使用壽命的提高；在涂層B 3a的情況下，這種提高了84％。另外，這些試驗表明了鋁/鈦比對穩定的鉭含量的影響。
實施例3實施例3表明了硼對使用壽命特性的影響(參見表3)。
與參照范例相比，采用涂層B 4的使用壽命提高了42％。
實施例4實施例4表明了硅對使用壽命特性的影響。(參見表4)與參照范例相比，采用涂層B 5的使用壽命提高了91％。
實施例5實施例5表明了釩對使用壽命特性的影響。(參見表5)與參照范例相比，采用涂層B 6的使用壽命提高了250％。

表1(帶*號為基于金屬片段)

表2(*基于金屬片段)

表3(*基于金屬片段)

表4(*基于金屬片段)

表5(*基于金屬片段)。
權利要求
1.一種涂層硬質合金刀具，它包括選用硬質合金、金屬陶瓷、超硬材料及工具鋼作為基體，還包括一個含有二層或二層以上的涂層，該涂層的總厚度為0.5μm至15μm，涂層單獨一層的厚度為0.0003～5.0μm，其特征在于，其中至少一層涂層的成分為(TiaAlbTac)N，且a+b+c＝1，0.3≤b≤0.75，0.001≤c≤0.30；至少另外一層涂層的成分為(TidAleTafMg)N，且d+e+f+g＝1，0.50≤e≤0.70，0≤f≤0.25；此處所述的M選自硅(Si)、釩(V)、硼(B)的其中一種元素或多種元素，硅元素0.0005≤g≤0.10；釩元素0.001≤g≤0.25；硼元素0.00005≤g≤0.01。
2.根據權利要求1所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述f含量小于c含量。
3.根據權利要求1或2所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述0.01≤c≤0.25。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述0.001≤f≤0.20。
5.根據權利要求4所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述0.002≤f≤0.10。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述M為硅元素，且0.001≤g≤0.03。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述M為釩元素，且0.10≤g≤0.20。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述M為硼元素，且0.0001≤g≤0.005。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，含不同成分的涂層層次周期性地交替變化。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述涂層的單獨一層具有不同的厚度。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述涂層的單獨一層最顯著的特點是其立體結構。
12.根據權利要求11所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，仍出現了少量放射性非晶質微觀要素。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，與基體粘接的那層涂層為氮化鈦。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，最外層的涂層將所含C作為降低摩擦的要素。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，最外層的涂層為一金屬層。
16.根據權利要求1至14中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，最外層的涂層為一氧化層。
17.根據權利要求1至16中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述基體為硬質合金。
18.根據權利要求1至17中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述刀具是一切削工具。
19.根據權利要求18所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述切削工具是一可轉位切削刀具刀刃。
20.根據權利要求1至17中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述刀具是一成形刀具。
21.根據權利要求1至20中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述涂層采用化學氣相沉積法(CVD)工藝。
22.根據權利要求1至20中任一項所述的涂層硬質合金刀具，其特征在于，所述涂層采用物理氣相沉積法(PVD)工藝。
23.根據權利要求22所述的刀具生產所用的噴鍍靶材，其特征在于，所述噴鍍靶材含有30At.％至75At.％的鋁，含有0.1At.％至30At.％的鉭，其余含量為鈦。
24.根據權利要求22所述的刀具生產所用的噴鍍靶材，其特征在于，所述噴鍍靶材含有50At.％至70At.％的鋁，含有0At.％至25At.％的鉭，以及至少一種選自硅、釩、硼的元素，其余含量為鈦，在選擇硅元素的情況下，硅含量為0.05At.％至10At.％，在選擇釩元素的情況下，釩含量為0.1At.％至25At.％，在選擇硼元素的情況下，硼含量為0.005At.％至1At.％。
全文摘要
一種涂層硬質合金刀具，它包括選用硬質合金、工具鋼、金屬陶瓷或者任何超硬材料作為基體，還包括二層或二層以上的涂層，其中至少一層涂層的成分為鈦－鋁－鉭－鎳(Ti－Al－Ta－N)，至少另外一層涂層的成分為鈦－鋁－鉭－Me－鎳(Ti－Al－Ta－Me－N)，此種Me選自硅(Si)、釩(V)、硼(B)的其中一種元素或多種元素。這種磨損件具有高強度抗磨性的顯著特點，尤其在對刀具具有高強度要求的情況下，它可以延長使用壽命。
文檔編號C23C14/34GK1853832SQ20061007926
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月25日 優先權日2005年4月29日
發明者M·卡特賴因, C·米肖特, P·波爾茨克 申請人:奧地利色拉提琪有限公司