專利名稱：多組分膜的生產(chǎn)裝置和方法和涂布該多組分膜的工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其可更容易地生產(chǎn)含有兩種或多種金屬組分的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物，例如TiAlN，和涉及涂有由該生產(chǎn)方法形成的膜的工具。
背景技術(shù)：
PVD(物理氣相沉積)方法被稱為涂布產(chǎn)品表面的方法，使之得到耐磨性、耐氧化性、耐腐蝕性和其它一些功能。
離子電鍍方法(其用作PVD方法之一并結(jié)合真空沉積方法的一部分和濺射工藝)是一種表面處理方法，用于形成金屬化合物如金屬碳化物、金屬氮化物和金屬氧化物或其化合物的涂層。該方法作為特別地涂布滑動(dòng)組件和切割工具表面的方法是重要的。
常規(guī)地，含兩種或多種金屬組分的氮化物，例如TiAlN膜僅僅通過(guò)電弧方法或者濺射方法生產(chǎn)。
然而，這些方法需要昂貴的合金靶充當(dāng)氣化材料且需要制備根據(jù)目標(biāo)膜組合物而定的組合物靶。此外，由于電磁場(chǎng)和靶的保持方法導(dǎo)致該方法幾乎未利用全部的原材料。另外，電弧方法必然牽涉沉積未反應(yīng)的金屬液滴且不可能形成具有滿意質(zhì)量的膜。濺射方法可形成極其平坦的膜，但通常具有小的成膜速度。
相反，熔融氣化類型的離子電鍍方法(下文稱為熔融方法)的優(yōu)點(diǎn)是，大多數(shù)荷電原材料氣化且材料的使用效率高。當(dāng)使用材料單位成本高的金屬或者幾乎不可成形的金屬作為原材料時(shí)，這是尤其有利的。然而，常規(guī)的熔融方法難以均勻氣化具有顯著不同熔點(diǎn)的兩類或更多類金屬材料。
例如，當(dāng)在采用常規(guī)方法，在同一坩堝內(nèi)熔融具有極大不同熔點(diǎn)的兩類或更多類金屬元素，例如Ti和Al時(shí)，具有低熔點(diǎn)的Al先熔融并氣化，隨后是Ti。結(jié)果，所得膜具有受到熔點(diǎn)差別影響的組成，具體地在基礎(chǔ)金屬側(cè)上含有高比例的低熔點(diǎn)金屬，且朝向表面層逐漸含有高比例的高熔點(diǎn)金屬。
因此，采用常規(guī)方法形成的含有兩類或更多類金屬元素的膜具有完全取決于其熔點(diǎn)的組成分布，因此難以控制在膜的厚度方向上的組成分布。幾乎不可能控制在基礎(chǔ)金屬側(cè)上的膜，以便含有較高比例的高熔點(diǎn)金屬，和在表面?zhèn)壬系哪?，以便含有較高比例的低熔點(diǎn)的金屬。
為了解決這一問(wèn)題，例如采用了在離子電鍍裝置中安裝多個(gè)氣化源的方法，參見(jiàn)JP-U-06-33956(

圖1)。
然而，為了提供多個(gè)氣化源，離子電鍍裝置需要額外的電源。另外，通過(guò)熔融方法成膜的速度取決于氣化源離待氣相沉積的制品的距離或者氣化源與待氣相沉積的制品之間的位置關(guān)系，但對(duì)于具有多個(gè)氣化源的裝置來(lái)說(shuō)，難以均勻化多個(gè)氣化源和待氣相沉積的制品之間的位置關(guān)系。由于這一原因，幾乎不可能獲得具有一致組成的膜。
發(fā)明公開(kāi)本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題 因此，希望形成多組分的膜，其含有優(yōu)等質(zhì)量熔點(diǎn)非常不同的金屬組分，例如TiAlN，例如，其中不同金屬的每一組分以所需的速度分布在整個(gè)膜厚上。還優(yōu)選通過(guò)使用原料合金，以高的材料使用效率成膜，其中所述原料合金不要求與目標(biāo)膜組成嚴(yán)格匹配，但幾乎接近于膜組成的金屬組分，和其中所有部分可被有效利用。
本發(fā)明的目的是提供形成這種多組分膜的生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，和涂有由使用該生產(chǎn)方法形成的膜的工具。
解決該技術(shù)問(wèn)題的方法 本發(fā)明的多組分膜的生產(chǎn)裝置和方法使用含至少兩類金屬或金屬間化合物的合金作為蒸發(fā)原材料，利用通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)聚焦的等離子體，從單一坩堝或爐膛中熔融并蒸發(fā)該材料，與此同時(shí)，隨后，通過(guò)供應(yīng)第一電功率，同時(shí)在預(yù)定的時(shí)間間隔處，反復(fù)逐漸增加功率直到所需的最大電功率，使原材料中未熔融部分熔融并氣化。此外，在蒸發(fā)原材料所需的第一等離子體區(qū)域內(nèi)聚焦等離子體，隨后并按序從第一等離子體區(qū)域移動(dòng)到最大的等離子體區(qū)域并膨脹(expand)，然后，按序熔融并蒸發(fā)原材料中未熔融的部分。
上述流程使得熔融部分在涂布處理過(guò)程中膨脹以補(bǔ)充低熔點(diǎn)的金屬。
結(jié)果可優(yōu)等質(zhì)量地形成膜，其中通過(guò)控制起始原材料的組成和未熔融部分的熔融速度，具有很大不同的金屬熔點(diǎn)的各金屬組分，例如TiAlN在整個(gè)膜厚上形成所需的組成分布。氣化的原材料不需要與目的膜的組成嚴(yán)格匹配，且可以是具有接近于目的膜組成的金屬組成的合金。此外，幾乎整個(gè)材料可被有效地利用和材料的利用效率高。
根據(jù)本發(fā)明的涂布工具具有切割工具基礎(chǔ)材料，例如高速工具鋼、板模鋼、超硬含金或金屬陶瓷，和在基礎(chǔ)材料上形成含有多種金屬元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜通過(guò)本發(fā)明的上述方法形成。
因此，可獲得具有所需組成分布的優(yōu)異膜的涂布工具。
實(shí)施本發(fā)明的模式 參考實(shí)施方案，詳細(xì)地描述本發(fā)明。首先將描述本發(fā)明的改進(jìn)。
發(fā)明人嘗試使用50g TiAl合金作為熔融原材料，在獲得通用TiN涂層的條件下形成TiAlN膜。在這一嘗試中，TiAl合金在開(kāi)始熔融之后，在數(shù)分鐘內(nèi)完全熔化。如此獲得的膜具有其中在基礎(chǔ)材料側(cè)上Al豐富和朝向表面?zhèn)萒i逐漸豐富的組成。這是因?yàn)锳l具有比Ti低的熔點(diǎn)，和先從熔融材料中氣化，結(jié)果首先形成的膜必然含有高比例的Al。
當(dāng)進(jìn)一步繼續(xù)涂布工藝時(shí)，在原材料內(nèi)的Al被耗盡，和在最外層形成含高比例的Ti的膜。如此獲得的膜，與TiN膜相比，具有低的硬度和較差的粘合性。
因此，發(fā)明人考慮供應(yīng)Al，所述Al通過(guò)蒸發(fā)而被耗盡，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將Al額外引入到熔融材料內(nèi)。然而，難以平衡熔融和蒸發(fā)以及Al的供應(yīng)，且得不到滿意的結(jié)果。
根據(jù)常規(guī)的技術(shù)，通?？刂迫廴谠牧纤褂玫碾姽β实浇咏紫?但當(dāng)開(kāi)始熔化時(shí)例外)測(cè)定為最佳時(shí)的恒定的電功率下。
發(fā)明人推斷，若在熔融過(guò)程中，電功率以臺(tái)階方式在預(yù)定的時(shí)間間隔處增加，則未熔融的部分最先開(kāi)始熔融并補(bǔ)充包含在未熔融部分內(nèi)的低熔點(diǎn)金屬到膜上。他們反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，且可證明這一推論的正確性。
此外，根據(jù)常規(guī)技術(shù)，同樣在通過(guò)控制電場(chǎng)或者磁場(chǎng)以供等離子體聚焦，使未熔融部分熔融的過(guò)程中，常見(jiàn)的做法是控制使原材料熔融所使用的等離子體區(qū)域到開(kāi)始(但當(dāng)開(kāi)始熔化時(shí)例外)測(cè)定為最佳時(shí)的接近恒定的等離子體區(qū)域上。
發(fā)明人推斷，通過(guò)控制等離子體，以便等離子體區(qū)域從第一區(qū)域連續(xù)移動(dòng)并膨脹一直到達(dá)最大等離子體區(qū)域，隨后移動(dòng)等離子體并膨脹，從而獲得類似的效果。他們反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，且可證明這一推論的正確性。

本發(fā)明基于發(fā)明人如上所述的認(rèn)識(shí)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的生產(chǎn)裝置利用含至少兩類金屬或金屬間化合物的合金作為蒸發(fā)原材料，使該原材料熔融并蒸發(fā)，形成多組分膜。如圖1所示，生產(chǎn)裝置具有真空腔室1容納待涂布的組件或者工件2，和安裝在該腔室內(nèi)接收原材料4的單個(gè)坩堝或爐膛3。該裝置進(jìn)一步配有含HCD槍(中空陰極槍)5的電源供應(yīng)裝置6和等離子體控制裝置9，所述電源供應(yīng)裝置6將電功率供應(yīng)到坩堝上，通過(guò)所生成的熱量和等離子體7，引起電弧放電，使原材料蒸發(fā)和電離，所述等離子體控制裝置9包括當(dāng)蒸發(fā)原材料時(shí)，控制磁場(chǎng)使等離子體聚焦的電磁線圈8。
本發(fā)明實(shí)施方案的生產(chǎn)裝置可具有與根據(jù)熔融和蒸發(fā)類型的離子電鍍方法的常規(guī)裝置相同的結(jié)構(gòu)，所不同的是電源供應(yīng)裝置6和等離子體控制裝置9，并省去在同一組件上的進(jìn)一步的說(shuō)明。
電功率供應(yīng)裝置6是待供應(yīng)的電功率逐漸增加和原材料中未熔融部分按序熔融的電功率按序增加的系統(tǒng)。
在這一實(shí)施方案中，電功率供應(yīng)裝置6首先供應(yīng)蒸發(fā)原材料所需的2000W的電功率。然后，該裝置供應(yīng)比在預(yù)定的1分鐘的時(shí)間間隔之前立即供應(yīng)的電功率增加300W的電功率。因此，反復(fù)供應(yīng)增加300W的電功率一直到所需的最大電功率8000W，并使未熔融部分按序熔融。
等離子體控制裝置9類似地具有改變磁場(chǎng)控制的結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)蒸發(fā)原材料時(shí)，使等離子體聚焦。
在該實(shí)施方案中，等離子體控制裝置9首先在蒸發(fā)原材料所需的第一等離子體區(qū)域內(nèi)，或者在接近該材料中心的周圍，直徑約10mm的區(qū)域內(nèi)聚焦等離子體。之后，該裝置控制等離子體，以便從緊跟前面的等離子體區(qū)域中按序移動(dòng)它并膨脹。等離子體如此連續(xù)并按序移動(dòng)并膨脹，一直到幾乎覆蓋整個(gè)材料的直徑40mm的最大等離子體區(qū)域，且使未熔融部分按序熔融。
以下將描述具有根據(jù)本發(fā)明方法形成的膜的工具的實(shí)例。
當(dāng)蒸發(fā)原材料時(shí)，使用直徑40mmTiAl合金板(其含有幾乎類似于目的膜組成的金屬化合物)。將該材料引入到坩堝(或爐膛)內(nèi)，加熱工件并清洗，然后，在氬氣和氮?dú)獾幕旌衔锓諊鷥?nèi)，在約1Pa的壓力下，使原材料熔融并蒸發(fā)。此刻，使用HCD槍，所述HCD槍被設(shè)定成在待熔融的原材料的正面上將等離子束的直徑聚焦成約10mm。通過(guò)在具有事先作為底漆涂布的TiCN涂層的高速鋼鉆頭和燒結(jié)碳化物端銑上，由如此獲得的原材料的蒸汽形成TiAlN膜。
此刻等離子體的輸出值每分鐘增加300W，從2000W增加到8000W共20分鐘。此時(shí)，進(jìn)行等離子體控制，以便連續(xù)并按序移動(dòng)和膨脹等離子束的直徑20分鐘，最后覆蓋直徑約40mm的整個(gè)TiAlN合金板并按序熔化未熔融的部分。
表1示出了具有所得高速鋼鉆頭的切割試驗(yàn)的結(jié)果(項(xiàng)目名稱鉆頭壽命)。進(jìn)行試驗(yàn)使用高速鋼鉆頭切割直到斷裂壽命。
(高速鋼鉆頭的切割條件)工具φ6高速鋼鉆頭切割方法鉆孔，每一實(shí)施例使用5片工作材料S50C(硬度210HB)切割速度40m/min，進(jìn)刀0.1MM/rev切割長(zhǎng)度20m(通孔)，潤(rùn)滑劑干燥類(無(wú))

*膜厚是采用carotest方法(磨損印記法)在同時(shí)安裝的高速鋼試樣(SKH51，Ra≤0.2μm)上測(cè)量的數(shù)值。
根據(jù)表1顯而易見(jiàn)的是，具有本發(fā)明硬質(zhì)膜的高速鋼鉆頭顯示出非常長(zhǎng)的壽命，與常規(guī)實(shí)施例相比，幾乎為2倍。這是因?yàn)槿廴诜椒◣缀醪恍纬梢旱吻屹x予小的表面粗糙度。
根據(jù)本發(fā)明，含有熔點(diǎn)很大不同的金屬組分，例如TiAlN的多組分膜具有這樣滿足要求的膜質(zhì)量，結(jié)果顯示出各種不同金屬在整個(gè)膜厚上所需的分布。此外，關(guān)于原材料的氣化，由于它不需要與目的膜組成嚴(yán)格匹配，可使用具有接近于目標(biāo)膜組成的金屬化合物的原始合金材料，和可有效地利用幾乎該材料的所有部分，結(jié)果材料的利用效率高。
[實(shí)施例2]在實(shí)施例1的條件下涂布燒結(jié)碳化物刀片(inserts)(A30)，并在大氣下，加熱和保持在900℃下1小時(shí)。在表1中同時(shí)給出了測(cè)量刀片的表面氧化物層的厚度的結(jié)果(項(xiàng)目名稱氧化厚度)。要理解，由于與電弧法(常規(guī)實(shí)施例)相比，該膜具有較少的膜缺陷，例如液滴，因此氧化進(jìn)程緩慢，和氧化層的厚度小(改進(jìn)耐氧化性)。
[實(shí)施例3]
在實(shí)施例1的條件下，用TiAlN膜涂布膜事先用TiCN涂布的燒結(jié)碳化物端銑。在切割40m的長(zhǎng)度之后，測(cè)量在燒結(jié)碳化物端銑的側(cè)面內(nèi)的磨損寬度，和表1一起給出了結(jié)果(項(xiàng)目名稱端銑側(cè)面磨損)。
以下示出了切割條件。
(燒結(jié)碳化物端銑的切割條件)工具具有兩個(gè)切割邊緣的φ10燒結(jié)碳化物方形端銑切割方法向下側(cè)切工作材料SKD61(硬度53HRC)切割深度10mm軸向和0.2mm徑向切割速度314m/min，進(jìn)刀0.07mm/邊緣切割長(zhǎng)度40m，潤(rùn)滑劑無(wú)(空氣流動(dòng))燒結(jié)碳化物端銑顯示出比通過(guò)電弧法形成的TiAlN膜好約10％的耐磨性，并提供優(yōu)良的TiAlN膜。由于該膜具有相同的含量，因此認(rèn)為通過(guò)降低液滴改進(jìn)耐氧化性有助于這一結(jié)果。
[實(shí)施例4]根據(jù)權(quán)利要求，在實(shí)施例1的條件下，各式各樣地涂布滾削齒，并在V＝200m/min，f＝2.2mm/rev和切割長(zhǎng)度80m的條件下，在干燥類型的切割中使用。表2示出了在切割之后，測(cè)量磨損量的結(jié)果。與通過(guò)電弧法形成的TiAlN膜相比，用具有通過(guò)本發(fā)明的熔融方法形成的TiAlN膜涂布的滾削齒降低刀具的月牙洼約30％，和降低側(cè)面磨損約8％，且顯示出極其滿意的耐磨性。
[表2]

*膜厚是采用carotest方法(磨損印記法)在同時(shí)安裝的高速鋼試樣(SKH51，Ra≤0.2μm)上測(cè)量的數(shù)值。
以上參考實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅限于這一具體的形式，和可各種各樣地改變所述的形式，或者本發(fā)明可采用在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的其它的形式。
例如，盡管在該實(shí)施方案中，使用磁場(chǎng)控制等離子體的聚焦，但毋庸置疑可使用電場(chǎng)。
附圖簡(jiǎn)述 圖1是形式根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的多組分膜生產(chǎn)裝置的整個(gè)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.采用熔融蒸發(fā)類型的離子電鍍方法由含至少兩類金屬或金屬間化合物的合金的氣化材料(4)生產(chǎn)多組分膜的生產(chǎn)裝置，該方法包括使用通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)聚焦的等離子體(7)，從一個(gè)坩堝或爐膛(3)中熔融并蒸發(fā)該材料，該裝置具有電功率供應(yīng)裝置(6)熔融并蒸發(fā)該材料，和等離子體控制裝置(9)控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)，其特征在于所述電功率供應(yīng)裝置(6)是按序增加電功率的供應(yīng)裝置(6)，它供應(yīng)使材料(4)蒸發(fā)所需的第一電功率，然后在預(yù)定的時(shí)間間隔處反復(fù)供應(yīng)臺(tái)階式增加的電功率，從第一電功率一直到所需的最大電功率，使該材料的未熔融部分按序熔融，和所述等離子體控制裝置(9)進(jìn)行等離子體控制，使等離子體(7)聚焦到材料(4)蒸發(fā)所需的第一等離子區(qū)域內(nèi)，并進(jìn)行等離子體控制，連續(xù)并按序移動(dòng)和膨脹等離子體從第一等離子體區(qū)域一直到最大等離子體區(qū)域，使未熔融部分按序熔融。
2.通過(guò)使用含至少兩類金屬或金屬間化合物的合金的氣化材料(4)，并且使用通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)聚焦的等離子體(7)，通過(guò)從一個(gè)坩堝或爐膛(3)中熔融和蒸發(fā)該材料，生產(chǎn)多組分膜的方法，其特征在于供應(yīng)使材料(4)蒸發(fā)所需的第一電功率，然后在預(yù)定的時(shí)間間隔處反復(fù)供應(yīng)臺(tái)階式增加的電功率，從第一電功率一直到所需的最大電功率，使該材料的未熔融部分按序熔融，和使等離子體(7)聚焦到材料(4)蒸發(fā)所需的第一等離子區(qū)域內(nèi)，然后連續(xù)并按序移動(dòng)和膨脹等離子體從第一等離子體區(qū)域一直到最大等離子體區(qū)域，使未熔融部分按序熔融。
3.一種涂布工具，它包括切割工具基礎(chǔ)材料，例如高速鋼、板模鋼、超硬合金和金屬陶瓷，和含有多種金屬元素且在基礎(chǔ)材料上通過(guò)權(quán)利要求2的方法形成的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物或硅化物的膜。
全文摘要
一種生產(chǎn)裝置和方法，其通過(guò)熔融蒸發(fā)類型的離子電鍍方法，生產(chǎn)含熔點(diǎn)差別很大的金屬組分，例如TiAlN的多組分膜，該膜具有高的材料利用效率并提供良好的膜質(zhì)量。為此，首先供應(yīng)使材料(4)蒸發(fā)所要求的電功率，然后反復(fù)供應(yīng)臺(tái)階式增加的電功率從第一電功率一直至達(dá)到所要求的最大電功率。此刻，進(jìn)行等離子體控制，使等離子體(7)聚焦在蒸發(fā)該材料所要求的起始區(qū)域內(nèi)，然后進(jìn)行等離子體控制，連續(xù)并臺(tái)階式移動(dòng)和膨脹等離子體從起始的等離子體區(qū)域到最大等離子體區(qū)域，使材料的未熔融部分逐漸熔融。
文檔編號(hào)B23B51/00GK1813079SQ20048001848
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者佐藤嗣紀(jì), 北島和男, 園部勝, 加藤范博, 安岡學(xué) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社不二越