具有TiAlCrSiNPVD涂层的工具的制作方法

　　具有TiAlCrSiN PVD涂层的工具的制作方法

　　【技术领域】

　　[0001] 本发明涉及一种工具，所述工具具有由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢制 成的主体，和通过PVD工艺施加至所述主体上的单层或多层耐磨保护性涂层。

　　【背景技术】

　　[0002] 切削工具，尤其是金属去除加工工具，由例如由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高 速钢制成的主体组成。为了增加工具寿命或改进切削性能，经常通过CVD或PVD工艺将单 层或多层的由硬质材料制成的耐磨保护性涂层施加至所述主体上。PVD工艺存在多种不同 的变体，例如磁控溅射、电弧气相沉积（电弧PVD)、离子镀、电子束气相沉积和激光烧蚀。磁 控溅射和电弧气相沉积是最常用于涂覆工具的PVD工艺。单独的PVD工艺变体又包括多种 改进，例如非脉冲或脉冲磁控溅射和非脉冲或脉冲电弧气相沉积等。

　　[0003] PVD工艺中的靶材可由纯金属或者两种或更多种金属的组合构成。当所述靶材包 含多种金属时，所有这些金属同时被引入在PVD工艺期间构建的涂覆层中。当所述靶材由 金属混合物构成时，所构造层中的金属的定量比率基本上是由所述靶材中的金属的定量比 率决定的。

　　[0004] 为了生产特定的金属化合物，将反应气体供应到PVD工艺的反应室中，这样的反 应气体例如是用于生产氮化物的氮气、用于生产氧化物的氧气、用于生产碳化物的含碳化 合物，或者用于生产相应混合化合物例如碳氮化物、氧碳化物等的这些气体的混合物。

　　[0005] WO 96/23911 Al描述了在基底上的耐磨保护性涂层，其由直接施加在所述基底上 的硬质材料层和其上的一系列10至1000个另外的单独层构成，所述一系列层由金属硬质 材料和共价硬质材料交替构成，其中所述单独层具有1至30nm的厚度。设计金属硬质材料 和共价硬质材料的单独层的周期性交替布置，以改进所述耐磨保护性涂层的机械和化学性 能。

　　[0006] WO 2006/041367 Al描述了一种涂层切削工具，其由硬质金属基底和通过PVD工 艺沉积的涂层构成，所述涂层包含至少一个具有1. 5至5 μ m厚度和>4至6GPa的内部压应 力的TiAlN层。与已知层相比，所述TiAlN层被设计成具有改进的与基底的粘着力。

　　[0007] EP 2 298 954 Al描述了一种用于制造涂层切削工具的方法，其中通过PVD工艺 将硬质材料例如TiAIN、TiAlCrN或TiAlCrSiN的涂层施加至基底，所述基底的偏压在沉积 工艺期间改变。所述方法被设计成为工具赋予改进的耐磨性和较长的寿命。

　　[0008] EP 1 992 717描述了用于通过PVD工艺沉积硬质材料层的靶材，其可含有在不同 定量范围内的Ti、Al、Cr、Si、B、C*N。

　　[0009] EP 1 174 528描述了具有多层耐磨保护性涂层的切削工具，其包含第一硬质材料 层和第二硬质材料层，所述第一硬质材料层含有金属Ti、A1和Cr中的一种或多种以及非金 属N、B、C和O中的一种或多种，并且所述第二硬质材料层含有Si和元素周期表第4a、5a和 6a族金属的一种或多种和Al以及非金属N、B、C和O中的一种或多种。

　　[0010] 对于特定的金属加工操作，例如铣削和车削，对工具具有特别高的要求。这些工具 的重要参数是高温稳定性、高硬度、高断裂韧性和高弹性模量（E模量，杨氏模量）。

　　[0011] 切削工具及其耐磨保护性涂层通常针对特定应用进行设计，并且由于不能同时优 化所有期望的性能，因此当它们对于该应用至关重要时，通常必须在上文提及的性能方面 作出妥协。因此，需要进一步改进对于特定应用来说重要的耐磨保护性涂层的性能。

　　[0012] 耐磨保护性涂层中的已知Ti85Si15N层具有例如非常高的硬度和非常高的E模量， 但在高温下的摩擦化学性能比较差。Al 7tlCr3tlN层也是这样。与这些相比，Ti5tlAl5tlN层在高 温下具有更好的摩擦化学特性，但硬度较低并且E模量较低。

　　[0013] 发明目的

　　[0014] 本发明的目的在于提供材料、特别是钢的材料去除加工的工具，其具有涂层，所述 工具相比于现有技术有所改进并具有尚硬度、尚断裂初性、尚弹性t旲量和良好的尚温稳定 性，特别是用于钢的铣削、镗孔和车削。

　　【发明内容】

　　[0015] 通过如下工具来实现这个目的，所述工具具有由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或 高速钢制成的主体和通过PVD工艺施加在所述主体上的多层耐磨保护性涂层，所述耐磨保 护性涂层包含：

　　[0016] 至少一个层

　　[0017] (A) :TiaAl(1_a)N，其中 0.33 彡 a彡 1 并且层厚度为 20nm 至 3μπι

　　[0018] 和至少一个层

　　[0019] (B): -系列的至少4个交替叠置的TibSi(1_b)N和AleCr^N子层，其中 0· 70彡b彡0· 98和0· 3彡c彡0· 75,并且所述子层的层厚度为0· 5nm至15nm

　　[0020] 和任选地另外至少一个层

　　[0021] (C) :TidSia_d)N，其中 0.70 彡 d彡 0.98并且层厚度为 50nm 至 Ιμπι，

　　[0022] 其中所述耐磨保护性涂层可具有其它的硬质材料层，并且其中所述层（A)、（B)和 (C)取决于所述工艺可含有每层至多10原子％的其它金属、B、C和/或0。

　　[0023] 令人惊讶的是，已显示，由于所述新型的耐磨保护性涂层，根据本发明种类的工具 相比于根据现有技术的已知工具具有改进的切削结果和降低的磨损。根据本发明的耐磨保 护性涂层具有高硬度、高断裂韧性、高弹性模量和良好的高温稳定性，其特别是对于钢的铣 肖IJ、镗孔和车削是有利的。

　　[0024] 具有TiAlN层（A)和具有交替叠置的TiSiN和AlCrN子层的层（B)和任选地TiSiN 层（C)之组合的本发明耐磨保护性涂层的特征在于更高的耐磨性和更长的工具寿命，原因 特别是在于，涂层在切削刃处的崩裂减少。

　　[0025] 在不希望它们自身在这方面受理论束缚的情况下，本发明人推定，在层（B)中，由 于立方面心晶格的晶格中的不同晶格常数，呈几纳米薄的叠置的TiSiN和AlCrN子层的层 组成变化导致层（B)的内应力条件变化，其有利于根据本发明的耐磨保护性涂层的有利性 能。

　　[0026] 尽管其厚度微小，但具有不同组成的本发明层（B)中仅几纳米薄的叠置的TiSiN 和AlCrN子层可在透射电子显微镜（TEM)下检测并区分。所述技术长期以来已为本领域的 专家所公知。

　　[0027] 在本发明的一个优选形式的实施方式中，层（B)具有一系列的交替叠置布置的至 少4个Ti bSi(1_b)子层和4个Al。〇(1_。0子层。因此在这种形式的实施方式中，Ti bSi(1_b# 层和八1。〇(1_。0子层的总数是至少8个。如果11 1^(1_13)子层和41。〇(1_。0子层的数目过低， 则相比于现有技术可获得更高的硬度值和更高的E模量，但层（B)的厚度不足对涂层整体 的耐磨性具有不利的影响。

　　[0028] 在本发明的另一个优选形式的实施方式中，层（B)具有一系列的交替叠置布置 的至多1500个Ti bSi(1_b)子层和1500个AleCivc0N子层。因此在这种形式的实施方式中， TibSi(1_b)子层和AleCr(1_ e)N子层的总数是至多3000个。如果TibSi(1_b)子层和Al eCr(1_。0子 层的数目过高，则这导致耐磨保护性涂层的总厚度过大，其结果是涂层在切削刃区域中更 快速地发生故障。

　　[0029] 在本发明的另一个优选形式的实施方式中，层（B)具有40nm至3 μπι的总层厚度。 如果层（B)的总层厚度过低，则层（B)失去有利的机械性能。如果层（B)的总层厚度过高， 则这导致耐磨保护性涂层的总厚度过大，其结果是涂层在切削刃区域中更快速地发生故 障。

　　[0030] 在本发明的另一个优选形式的实施方式中，所述耐磨保护性涂层具有下列层顺序 之一，其中m、η、0、p、q和r是>0的整数：

　　[0031] [A-B]n其中1彡η彡100,优选地1彡η彡20，

　　[0032] ([A-BL-O111 其中 1 < η < 100,优选地 1 < η < 20,并且 I < m < 20,优选地 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] 优选地，TiAlN层（A)是耐磨保护性涂层的最内部的层并且与主体的基底表面直 接接触。TiAlN层（A)有助于耐磨保护性涂层在基底表面上的非常好的粘着力并且因此降 低耐磨保护性涂层崩裂或剥离的危险。

　　[0037] 在本发明的另一个优选形式的实施方式中，TibSi(1_ b)N和AleCr^c0N子层具有 1. Onm至12nm、特别优选3. Onm至9. Onm的层厚度。

　　[0038] 层⑶中根据本发明的TibSi(1_b)N和Al cCr(1_c)N子层（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体结构。