制造涂层切削刀具的方法及根据该方法制成的切削刀具

摘要

本发明涉及一种制造涂层切削刀具的方法，包括：提供基体，并且利用涂覆工艺涂覆所述基体，其中所述涂覆工艺包括至少一个序列，所述序列包括以下步骤：沉积非金属功能层或者层系统；对所述非金属层或者层系统的表面进行离子蚀刻步骤；在新的序列开始之前，沉积至少一个金属中间层。根据本发明的方法能够实现具有增加的刀具寿命的切削刀具。本发明还涉及一种根据所述方法制成的涂层切削刀具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造涂层切削刀具的方法，包括在沉积两个非金 属功能层之间沉积一个或者多个金属中间层。在沉积每一个金属中间 层之前，执行非金属功能层的离子蚀刻步骤。根据本发明的方法制成 的切削刀具由于韧度增加会展示出优良的寿命，因此显示出承受负载 变化的更好能力。另外，本发明便于沉积较厚的PVD涂层而没有沿着 刃线剥落的风险，因此能够沉积具有更好的抗后刀面磨损性的较厚涂 层。

背景技术

通常，如果将涂层沉积到切削刀具的表面上，则所述切削刀具的 寿命显著地增加。今天的大多数切削刀具涂覆有PVD或者CVD涂层， 如Ti(C，N)、TiN、(Ti，Al)N、(Ti，Si)N、(Al，Cr)N或者Al₂O₃。与CVD 涂层相比，PVD涂层具有几种吸引人的性质，例如在沉积状态中的残 余压缩应力、无冷却裂纹和更加精细的颗粒涂层。

然而，PVD涂层通常必须非常薄，这是因为自然地、通常围绕刃 线、或者在加工期间，较厚的PVD涂层会引起剥落、碎裂、所谓的刃 线剥落和崩刃。因为在很多应用中较厚的涂层由于增加的耐磨性而产 生较长的刀具寿命，通常为那些应用选择CVD涂层。

不幸的是，PVD涂层、特别是电弧沉积的PVD涂层经受存在所谓 的宏粒(macro)或者微滴，所述宏粒或者微滴作为小球体而存在于涂 层的表面上或者埋藏于涂层内部。在沉积涂层期间，这些微滴能够遮 蔽流入的带电金属离子，因此紧邻微滴在涂层中产生空穴。由于随后 在微滴和涂层之间的粘附力减小，在沉积过程期间、或者即刻地在沉 积工艺之后、或者甚至在加工期间，微滴会脱离。这会导致带有空穴、 气孔、或者甚至在极端情形中向下直至基体的孔的低劣涂层质量。

较厚的涂层还具有基体被暴露至的最大温度降低的优点。较低基 体温度降低了切削刃塑性变形的风险。较厚的涂层允许较高切削力而 不会引发基体塑性变形。

在切削刀具贸易中，对于较厚的PVD涂层的需求正在增长，所述 涂层具有较厚涂层的耐磨性以及PVD涂层的韧度的优点。

在各种沉积工艺开始时，离子蚀刻是共同的初始步骤。通常在沉 积之前对基体进行离子蚀刻以去除表面污染物以及自然氧化物和氮化 物。然而，在使用离子蚀刻作为中间步骤方面少有尝试。

利用PVD技术沉积金属层也是在PVD过程中已被确定的技术。 为人熟知的是，在沉积其余涂层之前将金属层直接地沉积到基体表面 上能够在一些情形中加强涂层的粘附力。

EP0756019描述了一种制造用于在冲孔操作中使用的材料变形刀 具的PVD涂层的方法。由(Ti，Al)N、(Ti，Al，Y)N或者(Ti，Al，Cr)N或者其 任何多层构成的PVD层被沉积。然后，例如利用喷丸或者金属离子蚀 刻对表面进行机械处理以去除任何微滴并且以实现光滑表面。然后， 在顶部上沉积由MoS₂构成的第二低摩擦PVD涂层。

US3755866描述了一种包括在彼此的顶部上沉积的两个非金属中 间层的刀片。一个层包括由精细颗粒成分构成，该精细颗粒成分为由 TiC、TaC、ZrC、HfC、VC和NbC构成的组。另一个层由至少一个精 细颗粒成分构成，该精细颗粒成分为由WC、MoC和CrC构成的组。 这两个层可以被或者可以不被由Co、Ni或者Fe构成的金属层分离。 该金属层在0.1和2.0μm之间。

EP1136585描述了一种自润滑涂层，该自润滑涂层由在其他硬质 涂层中的金属或者其他柔软材料的小微滴构成。因此，产生具有较低 摩擦水平的涂层。以如下序列沉积该涂层，该序列包括：沉积氮化物/ 碳化物，随后在Ar气氛中进行离子蚀刻。在离子蚀刻步骤期间，利用 Ar离子轰击薄的金属片，并且发射小的金属微滴。这种涂层因此由具 有在氮化物或者碳化物的其他硬质涂层中的小金属微滴的层构成。

JP2002-103122A描述了覆盖小直径刀具的硬质阳极氧化涂层，其 中该涂层的构成为：内部Ti层、随后为TiCN层、中间金属TiAl层、 该层最终被外部TiAlCN层覆盖。

EP1553210A1披露了一种利用PVD技术沉积α-Al₂O₃层的方法。 在一个实施例中，利用气体离子或者金属离子对有可能设有主涂层的 基体进行离子轰击，随后氧化被轰击的表面，并且最终沉积α-Al₂O₃层。 当金属离子被用于轰击时，金属离子被植入表面中。

本发明的一个目的在于提供一种制造涂层切削刀具的方法，该切 削刀具带有PVD涂层，刀刃韧度提高。

本发明的另一个目的在于提供一种制造涂层切削刀具的方法，该 切削刀具带有较厚的PVD涂层而不增加剥落、碎裂、所谓的刃线剥落 和崩刃的风险，因此获得具有延长的刀具寿命的刀具。

本发明的另一个目的在于提供一种制造涂层切削刀具的方法，该 切削刀具带有较好的抗后刀面磨损性。

本发明的另一个目的在于提供一种根据本发明的方法制成的涂层 切削刀具，该切削刀具存在上面所披露的益处。

已经令人惊讶地发现，当非金属功能层在沉积金属中间层之前进 行离子蚀刻步骤时，在非金属功能层内部和表面上所谓的微滴的量降 低，并且与金属中间层的沉积相结合，能够实现以上目的。

附图说明

图1示出显示涂层内部的薄金属中间层的抛光横截面的SEM图 片。金属中间层每隔0.7-1.5μm的距离设置，涂层总厚度为10μm。

发明内容

本发明涉及一种制造涂层切削刀具的方法，包括：提供基体并且 利用涂覆工艺涂覆所述基体，所述涂覆工艺包括至少一个序列，所述 序列包括以下步骤：

-沉积非金属功能层或者层系统，

-对所述非金属层或者层系统的表面进行离子蚀刻步骤，

-在新的序列开始之前，沉积至少一个金属中间层。

如上所述的三个步骤，在下文中被称为一个序列，其可以被重复 任何次数直至所期望的总涂层厚度得以达到。

序列数目优选地在1和20之间、更加优选地在1和10之间、更 加优选地在2和10之间、并且最优选地在3和10之间。

在本发明的一个实施例中，在涂覆工艺中最后的沉积步骤是沉积 非金属层或者层系统。

在本发明的一个实施例中，沉积序列还包括，在离子蚀刻步骤之 后，在沉积金属中间层之前，沉积薄的非金属层。

优选地在相同的涂覆工艺中沉积所有的层。

通过利用例如氩离子或者金属离子的离子轰击实现离子蚀刻步 骤。

在本发明的一个实施例中，使用氩离子。通过在填充有氩的沉积 腔室中点燃等离子体产生氩离子。氩离子朝向基体加速，基体被保持 在值优选地为50-300V、更加优选地为100-300V的负电势下。在蚀刻 步骤期间的压力优选地为1-15μbar、更加优选地为1-5μbar，温度与在 沉积期间相同，优选地为300-800℃、更加优选地为450-750℃。

在本发明的另一实施例中，使用金属离子。沉积腔室填充有氩， 并且在金属靶处点燃电弧，因此形成金属离子的稠密蒸汽。这些金属 离子被朝向保持在高负电势下的基体加速。金属离子优选地为Ti、Zr、 Cr、Nb、V、Mo中的一种或者多种，最优选地为Cr。在金属离子蚀刻 步骤期间的基体偏压为负值，该值优选地为300-2000V、更加优选地为 500-1300V。在蚀刻步骤期间的压力优选地为1-15μbar、更加优选地为 1-5μbar，温度与在沉积期间相同，优选地为300-800℃、更加优选地为 450-750℃。

在离子蚀刻步骤之后，通过将气氛改变为惰性气体，例如He、Ar、 Kr、Xe或者这些气体的组合，使用与用于非金属层的相同的涂覆工艺 沉积金属中间层。

金属中间层在这里指的是包括至少60at％、优选地至少70at％、更 加优选地至少80at％、并且最优选地至少90at％的金属元素的层，所述 金属元素从Ti、Mo、Al、Cr、V、Y、Nb、Hf、W、Ta和Zr中的一种 或多种中选择。

所被沉积的金属中间层还能够包括较小量的其他元素，但是所述 量处于相应于技术意义上的杂质的水平上，因此不会显著地影响层的 延展性。

在本发明的一个实施例中，金属中间层是纯金属层，其中从Ti、 Mo、Al、Cr、V、Y、Nb、Hf、W、Ta，Zr，优选地Ti、Mo、Al、V、 Ta、Zr、Cr，最优选地Ti、Al、Zr、Cr，或者它们的混合物中选择所 述金属，其中这些元素中的一种构成纯金属层的至少50at％。

在本发明的另一实施例中，金属中间层是亚化学计量陶瓷，优选 地是氮化物、氧化物、碳化物、或者硼化物，更加优选地是氮化物MeN， 其中Me是金属，所述金属能够是如上所述在纯金属中间层的情形中所 包括的金属中的一种或多种金属。金属元素的量为亚化学计量陶瓷的 至少60at％、优选地至少70at％、更加优选地至少80at％、并且最优选 地至少90at％。

金属中间层的平均厚度优选地从5nm到500nm、更加优选地从 10nm到200nm、并且最优选地从20nm到70nm。

在这里给出的所有厚度均指在位于从目标的直接视线中的适度平 坦表面上进行的测量。关于在沉积期间被安装于杆上的刀片，它指的 是已经在后刀面侧的中间测量的厚度。关于诸如在例如钻和端铣刀上 的那些不规则的表面，在这里给出的厚度指的是在任何适度平坦表面 或者具有较大曲率并且距任何边缘或者角部一定距离的表面上测量的 厚度。例如，在钻上，在周边上执行测量，并且在端铣刀上，在后刀 面侧上执行测量。

非金属功能层或者层系统能够具有任何适用于切削刀具的组分， 例如氮化物、氧化物、硼化物、碳化物或者它们的组合。优选地，该 涂层包括(Al，Ti)N、TiN、(Al，Cr)N、CrN、Al₂O₃、Ti(B，N)、TiB₂、(Zr，Al)N、 (Ti，X)N构成的，更加优选地是(Al，Ti)N、Ti(B，N)、(Ti，X)N中的一种或 者多种的构成的，并且最优选地为(Al，Ti)N构成的一个或者多个层， 在此处X可以是Si、B、C、Ta、V、Y、Cr、Hf、Zr中的一种或者多 种。

根据本发明的非金属功能层或者层系统能够具有在涂层切削刀具 领域中常见的任何涂层结构。

在之间发生离子蚀刻和金属中间层沉积的序列的所述层或者层系 统在结构和组分上能够是彼此相同的或者不同的。层系统在这里指的 是在彼此的顶部上所沉积的至少两个层，而之间不进行任何离子蚀刻 步骤或者金属中间层沉积。这种层系统的一个实例是包括至少5个单 独层的多层结构。然而，这种多层结构可以包括多达几千个单独层。

非金属功能层或者层系统的厚度可以是0.2-5μm、优选地0.3-2μm、 最优选地0.5-1.5μm。

非金属层或者层系统显著地比金属中间层厚，非金属层的厚度优 选地是金属中间层的厚度的3-200倍、更加优选地为5-150倍、最优选 地为10-100倍。

涂层的总厚度能够在一个宽范围中，这是因为在金属中间层之后 进行的蚀刻使得能够沉积比传统的PVD涂层更厚的涂层。包括金属和 非金属层这两者的整个涂层的厚度能够是0.6-15μm、优选地1-12μm、 并且最优选地2-10μm。

在本发明的一个实施例中，以0.2-2μm之间的厚度沉积非金属 PVD层或者层系统，随后对其进行蚀刻，之后沉积厚度优选在20到 70nm之间的Ti的薄金属中间层。重复这个序列，直至目标涂层厚度得 以达到。

在本发明的另一实施例中，金属层是Ti和Al的合金。

在本发明的又一个实施例中，金属层是Al和Cr的合金。

在本发明的一个实施例中，除了如上所述的沉积序列，涂覆工艺 还能够包括进一步将金属中间层直接地沉积到非金属层或者层系统上 的序列，而不进行离子蚀刻步骤，从而降低沉积时间。

当涂覆切削刀具时，通常使用的任何PVD技术能够被用于本发明 的方法中。优选地使用阴极电弧蒸发或者磁控溅射，但是还能够使用 正在出现的技术例如HIPIMS(高功率脉冲磁控溅射)。即便根据本发 明的涂层被称作“PVD涂层”，还能够利用例如PECVD技术(等离 子体增强化学气相沉积)沉积该涂层，与传统的CVD涂层相比，PECVD 技术将产生具有更加接近PVD涂层的性质的性质的涂层。

适用于本发明的基体优选地为切削刀具刀片或者圆形刀具，比如 钻、端铣刀等。基体优选地由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化 硼、或者高速钢中的任何一种制成，更加优选地由硬质合金制成。基 体能够被预涂覆有内层，该内层被直接地沉积到基体上以保证与基体 的良好粘附力，该内层包括纯金属和/或氮化物，优选地为Ti和/或TiN， 所述层为0.005-0.5μm，优选地0.02-0.2μm并且在与其余层相同的涂覆 工艺中沉积。

本发明还涉及一种涂层切削刀具，所述切削刀具包括设有已经根 据上述方法制成的涂层的基体，所述涂层包括一个或者多个序列，所 述序列包括金属中间层和非金属层或者层系统。所述金属中间层设置 在两个非金属功能层或者层系统之间。

金属中间层在这里指的是包括至少60at％、优选地至少70at％、更 加优选地至少80at％、并且最优选地至少90at％的金属元素的层，从 Ti、Mo、Al、Cr、V、Y、Nb、Hf、W、Ta和Zr中的一种或多种中选 择所述金属元素。

在本发明的一个实施例中，金属中间层是纯金属层，其中从Ti、 Mo、Al、Cr、V、Y、Nb、Hf、W、Ta、Zr或者它们的任何混合物， 优选地从Ti、Mo、Al、V、Ta、Zr，最优选地从Ti、Al、Zr或者元素 混合物中选择所述金属，其中这些元素中的一种构成纯金属层的至少 50at％。

在本发明的另一实施例中，金属中间层是亚化学计量陶瓷，优选 地是氮化物、氧化物、碳化物、或者硼化物，更加优选地是氮化物MeN， 其中Me是能够是如上所述在纯金属中间层的情形中所包括的金属中 的一种或多种金属或者它们的混合物。金属元素的量为亚化学计量陶 瓷的至少60at％、优选地至少70at％、更加优选地至少80at％、并且最 优选地至少90at％。

金属中间层的平均厚度能够从5nm到500nm、优选地从10nm到 200nm、并且最优选地从20nm到70nm。

与非金属层交替的金属中间层的数目在1和20之间、优选地在1 到10层之间、更加优选地在2到10层之间、并且最优选地在3-10层 之间。

非金属层或者层系统能够具有适用于切削刀具的任何组分，比如 氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、碳氧氮化物或者它们 的组合。优选地，该涂层包括(Al，Ti)N、TiN、Ti(C，N)、(Al，Cr)N、CrN、 Al₂O₃、Ti(B，N)、TiB₂、(Zr，Al)N、(Ti，X)N，更加优选地(Al，Ti)N、Ti(B，N)、 (Ti，X)N中的一种或者多种的构成的、并且最优选地(Al，Ti)N构成的一 个或者多个层，其中X能够是Si、B、C、Ta、V、Y、Cr、Hf、Zr中 的一种或者多种。

之间设置金属中间层的层或者层系统在结构和组分上能够是彼此 相同或者不同的。层系统在这里指的是在彼此的顶部上所沉积的至少 两个层，而之间不存在任何金属中间层。这种层系统的一个实例是包 括至少5个单独层的多层结构。然而，这种多层结构能够包括多达几 千个单独层。

设置于金属中间层之间的非金属功能层的厚度能够是0.2-5μm、优 选地0.3-2μm、最优选地0.5-1.5μm。

非金属层显著地比金属中间层厚，非金属层的厚度优选地是金属 中间层的厚度的3-200倍、更加优选地为5-150倍，最优选地为10-100 倍。

包括金属和非金属层这两者的整个涂层的厚度能够从0.6到 15μm、优选地从1到12μm、并且最优选地从2到10μm。

在本发明的一个实施例中，非金属功能层或者层系统具有在0.2 和2μm之间的厚度，并且薄金属中间层是厚度优选地在20和70nm之 间的Ti。

在本发明的另一实施例中，金属中间层是Ti和Al的合金。

在本发明的又一个实施例中，金属中间层是Al和Cr的合金。

适用于本发明的基体优选地为切削刀具刀片或者圆形刀具，例如 钻、端铣刀等。基体优选地由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化 硼、或者高速钢中的任何一种制成，更加优选地由硬质合金制成。

具体实施方式实例1

使用具有三种不同几何形状CNMG120408-MM、 R290-12T0308M-KM和R390-11T0308M-PM的硬质合金刀片。通过沉 积在后刀面侧的中间测量的6μm厚的均质Ti_0.33Al_0.67N层而根据现有技 术涂覆刀片A。在N₂气氛中通过阴极电弧蒸发沉积涂层，并且刀片被 安装在3维旋转基体台上，并且从两对Ti_0.33Al_0.67-靶沉积所述的层。

根据本发明涂覆刀片B。除了在已经沉积具有0.7-0.8μm厚度的层 之后停止沉积、并且利用Ar填充反应器腔室之外，应用与用于刀片A 的条件相同的沉积条件。负偏压被施加到刀片并且等离子体被点燃， 并且对刀片进行离子蚀刻，即，利用Ar离子轰击。在离子轰击之后， 沉积重新开始。保持反应器被Ar填充，一对Ti靶被点燃并且薄的大 致30nm的金属Ti层被沉积。然后利用N₂气体填充反应器并且沉积新 的Ti_0.33Al_0.67N层。这种过程被重复8次，直至达到10μm的总涂层厚 度。Ti_0.33Al_0.67N层的厚度在1.0-1.5μm之间变化。作为最后步骤，执行 表面处理，其中在沉积循环被终止并且腔室被打开之前刀片再次经受 离子轰击。

实例2

利用涂层涂覆具有几何形状CNMG120408-MM的硬质合金刀片， 其中通过在N₂气氛中使用阴极电弧蒸发沉积4μm的非周期多层 (Ti，Al)N涂层而根据现有技术涂覆刀片C。刀片被安装于3维旋转基体 台上，布置3维旋转基体台以获得非周期结构。从同时地运行的两对 Ti_0.33Al_0.67-靶和一对Ti_0.84Al_0.16-靶沉积该多层涂层。

根据本发明涂覆刀片D。沉积条件与用于刀片C的条件相同，但 是在已经达到1.5μm的厚度之后沉积被停止，并且利用氩填充反应器 腔室。对刀片进行氩离子蚀刻，并且沉积大致30nm的Ti0.8₄Al_0.16的薄 金属层。利用N₂气体填充反应器，沉积Ti_0.33Al_0.67N/Ti_0.84Al_0.16N的新 的多层。重复该过程，直至8μm的最终涂层厚度得以达到。在被安装 于杆上时沉积的CNMG刀片的后刀面侧的中间测量所有的涂层厚度。

对实例3-5的说明：

下面的表述/术语通常被用于金属切削，并且在下面的表格中予以 解释：

V_c(m/分钟)：切削速度，单位：米每分钟

f_z(mm/齿)：进给速率，单位：毫米每齿

z：(数目)刀具中的齿数

a_e(mm)：径向切削深度，单位：毫米

a_p(mm)：轴向切削深度，单位：毫米

D(mm)：刀具直径，单位：毫米

实例3

在下面的切削条件期间，在车削操作中测试全部具有几何形状 CNMG120408-MM的实例1的刀片A(现有技术)和B(本发明)以 及实例2的刀片C(现有技术)和刀片D(本发明)：

工件材料：  硬钢Ovako825B

V_c＝        160m/分钟

f_z＝        0.3mm/转

a＝         2mm

冷却剂：    乳剂

刀具寿命标准为超过0.3mm的后刀面磨损或者刀片断裂。在磨损 类型中用于增加刀具寿命的决定性差异是较轻的月牙洼磨损。

刀片A(现有技术)在该应用中持续8分钟，而刀片B(本发明) 持续12分钟。

刀片C(现有技术)持续13分钟，而刀片D(本发明)持续21 分钟。

实例4

在下面的切削条件期间，在铣削操作中测试具有几何形状 R390-11T0308M-PM的实例1的刀片A(现有技术)和B(本发明)：

工件材料：硬化Dievar HRc＝47

V_c＝      120m/分钟

f_z＝      0.12mm/齿

a_e＝      2mm

a_p＝      4mm

z＝       1

D＝       32mm

冷却剂：  乳剂

刀具寿命标准是大于0.2mm的后刀面磨损或者大于0.3mm的熔 结。

刀片A(现有技术)在该应用中仅仅持续13分钟，而刀片B(本 发明)持续48分钟。在磨损类型中用于增加刀具寿命的决定性差异是 在刃线中较轻的崩刃以及较轻的后刀面磨损。

实例5

在下面的切削条件期间，在铣削操作中测试具有几何形状 R290-12T0308M-KM的实例1的刀片A(现有技术)和B(本发明)：

工件材料：球墨铸铁，SS0727

V_c＝      400m/分钟

f_z＝      0.15mm/齿

a_e＝      110mm

a_p＝      3mm

z＝       1

D＝       125mm

刀具寿命标准为大于0.3mm的后刀面磨损或者大于0.4mm的熔 结。

在干燥条件下，刀片A(现有技术)在该应用中持续12分钟，而 刀片B(本发明)持续20分钟。

在湿润条件下，刀片A(现有技术)持续19分钟，而刀片B(本 发明)持续35分钟。在磨损类型中用于增加刀具寿命的决定性差异是 较轻的刃线崩裂以及较轻的后刀面磨损。