專利名稱：具有碳氮化物層的切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于切削加工的切削刀具或者切削刀具的一部分，例如一種刀片。
切削刀具在工作時遭受很大的磨損負荷并且承受很大的力。尤其是切削刃和切削刃鄰近的表面部位，無論是在加工金屬時還是加工塑料時或者在加工其它材料時都受到很大的應(yīng)力。從工件上切削下來的切屑例如在刀具面上換向，其中切屑在高的壓力作用下就順著刀具面部位而滑動。
無論是刀具切削刃的缺陷還是切削表面的缺陷都表明了刀具的磨損情況。這種刀具一方面應(yīng)該有盡可能長的耐用度，另一方面產(chǎn)生盡可能高的切削效能。然而刀具的磨損都是隨切削效能的提高而加大。
已知的切削刀具都有減少磨損的覆層。這些履層用CVD法(化學(xué)汽相沉積法)或PVD法(物理汽相沉積法)制成。例如EP0736615A2就公開了一種多層的覆層，總共在基底上敷覆了四層。直接附著在基底上的是一層TiCXNYOZ。上面一層優(yōu)先是鈦碳氮化物層TiCXNY。在CVD法中沉積這種覆層的溫度在1000°和1100℃之間。
對于用PVD法的制造就沒有什么說明了。
由此出發(fā)本發(fā)明的任務(wù)就是提出一種耐磨的切削刀具以及制造這種刀具的一種合理的方法。
該任務(wù)通過具有在權(quán)利要求1中所述特征的切削刀具或刀片來解決。此外用一種按權(quán)利要求17所述的方法來得到這樣的切削刀具。
按本發(fā)明的切削刀具或者適合于切削刀具的刀片有一層碳氮化物層。該覆層在靠近表面處或者在受載的切削面部位的表面上，而且必要時也在其它的切削面部位上。碳氮化物層含有碳和氮，例如作為化合物C3N4或者以另外的比例關(guān)系和連結(jié)結(jié)構(gòu)。這樣一種碳氮化物層一般顯現(xiàn)出相對較小的摩擦系數(shù)，比許多其它已知的硬材料層和基底材料的摩擦系數(shù)更小。較小的摩擦系數(shù)造成了磨損少的切屑流。具有碳氮化物層的刀片的或者具有碳氮化物層的切削刀具的切削效能比沒有覆層的或者具有其它覆層的刀具或者說刀片能夠提高。較小的摩擦系數(shù)減小了滑移過切削面上的切屑的焊接傾向，舉例來說，在加工高合金鋼時，加工奧氏體鋼，鈦和輕金屬時。
具有碳氮化物層的刀具尤其適合于加工由鈦或鈦合金制成的零件。與含鈦覆層相比這里可以排除或者減少鈦零件表面被其它的鈦化合物玷污的危險，而這種玷污又往往是考慮零件強度時的原因。
碳氮化物層的硬度可能與基底材料的硬度或者位于其下覆層的硬度不同，其中碳氮化物層的硬度不僅可以大于，也可以小于位于其下覆層或者基底材料的硬度。
碳氮化物層優(yōu)先考慮是一種MeXCYNZ:H層或者一種MeXCYNZOs:H層(X≤0.2；Y/Z≥3/4)，其中金屬Me可以由化學(xué)元素周期表的第四組中的一種或幾種金屬構(gòu)成。這些金屬最好只含有較少的原子百分比，因而碳氮化物層基本上是由碳和氮構(gòu)成。也可以取消這種較小含量的金屬。根據(jù)需要這種較小含量的金屬可以用來有目的地控制表面特性。例如可以通過一種鈦成分而獲得一種結(jié)構(gòu)，就是使TiC,TiN或TiCN晶粒嵌入在一種主要具有石墨化成分的CN-基質(zhì)里(共價連接)。
已經(jīng)證實，當(dāng)碳氮化物層最大含有50原子百分比(at％)的氮和超過50原子百分比(at％)的碳，那么就尤其可以減少磨損。同時它可以成長為例如聚合物結(jié)構(gòu)。
碳氮化物層最好是一個表面層，它與切除的切屑和其余的工件部分或部位接觸。它可以形成一層頂蓋層并且直接用作為耐磨層。但根據(jù)需要還可以有一層涂層，例如出于裝飾原因。
碳氮化物層可以直接敷設(shè)于切削刀具材料基體上。這種基體可以由金屬、金屬合金或者由陶瓷組成的材料(金屬陶瓷)制成，例如具有少量鈷的鎢碳化物。在這種情況下，基體的硬度就與碳氮化物層的減磨特性相配合。
在基體和碳氮化物層之間可以任選布置一個或多個中間層，以便有目的地影響表面特性?？梢栽O(shè)置相對較硬的中間層，例如TiAlN,TiCN,TiN,Al2O3或者其它。在多層構(gòu)造時，若至少有一層是由MeX(C,N,O)組成，那么其性能就特別有利。該金屬又最好是化學(xué)元素周期表的第四組中的一種金屬。在這種多層結(jié)構(gòu)時，這種中間層的硬度就與碳氮化物層的減磨性能組合。此時當(dāng)碳氮化物層的厚度例如僅僅為0.1μm就可以滿足要求了。但層厚最好略大一點，以便長時間地保特耐磨。
在多層結(jié)構(gòu)時，作為敷設(shè)在基體上的敷層的總層厚已經(jīng)證明在0.2μm和10μm之間為宜。
碳氮化物層的金屬成分含量可以向著表面方向而降低。由于碳氮化物層的這種不均質(zhì)構(gòu)造還能夠優(yōu)化其性能，尤其是關(guān)于磨損、耐磨強度以及對被加工材料可能產(chǎn)生的影響。
碳氮化物層既可具有晶質(zhì)的，半晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)，或者非晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)。非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)適合于個別的應(yīng)用場合。作為可能的結(jié)合狀態(tài)的例子參見圖4和5。
按本發(fā)明的用于制造切削刀具的方法產(chǎn)生所希望的切削刀具。該工藝方法首先包括了對切削刀具或刀片的成型，然后至少在局部范圍內(nèi)進行敷層。為此優(yōu)先考慮使既含有碳也有氮的CN層由低壓大氣中沉積下來。電離這種大氣就可以與優(yōu)先呈環(huán)形圍繞住切削刀具的磁場和需要覆層表面的靜電偏壓相結(jié)合使氣體產(chǎn)生分解和電離，并可能使所希望的面上具有均勻的覆層。磁場優(yōu)先是一種恒場，它迫使離子和電子在螺旋狀軌道上。真空室的大氣就用作為碳的提供者，不存在石墨靶。選擇陰極電壓和磁場時應(yīng)使從陰極去除的量適當(dāng)較小。由于電離/分解，在所生成的等離子區(qū)內(nèi)獲得了沉積的碳。所有現(xiàn)存的離子源都可以保留在真空室內(nèi)。不需要將附加的空間提供給或騰空給于附加的成分(碳源)。
作為離子源可以應(yīng)用一種金屬離子源或者惰性氣體離子源。金屬離子源允許用碳氮化物的沉積，也允許用少量金屬的沉積。
工藝方法最好在同一個反應(yīng)室內(nèi)進行，如以前所進行的敷層過程那樣。為此如果應(yīng)用了例如具有四個離子源位置或等離子體位置的PVD敷層設(shè)備，那么就能夠用同樣的設(shè)備無需附加的離子源就實現(xiàn)碳氮化物的表面層敷沒，其方法是在上一個工藝步驟里建立起一種含有碳和氮的低壓大氣，其中例如用鈦靶使離子源繼續(xù)工作以生成等離子體。
本發(fā)明的有利實施形式的其它細節(jié)見附圖、說明或者從屬權(quán)利要求。在附圖中表示了本發(fā)明的實施形式。所示為


圖1表示帶有敷層切削刀片的切削刀具，以立體簡化圖表示。
圖2以簡圖表示了用于制造帶敷層切削刀具的裝置。
圖3表示通過具有敷層表面的切削刀具的斷面的一個截面。
圖4表示具有本發(fā)明覆層的試件(切削刀片)的氮的XPS光譜詳圖。
圖5表示具有本發(fā)明覆層的試件(切削刀片)的碳的XPS光譜細圖。
圖1表示一種切削刀具1，它有一個刀體2和裝卡在刀體上的刀片3,4。刀片3,4設(shè)計成上下相同，而且各有一個由硬金屬(金屬陶瓷)，例如碳化鎢制成的基體。刀片3,4都有一個如圖3所示的覆層。在由碳化鎢(WC)制成的基體上沉積了多個覆層5,6,7。層7此時就形成了最外面的頂層。它是一種碳氮化物層CNX，厚度約0.1μm。頂層7除了含有碳和氮之外還可能含有金屬和氫。頂層7(MeYCN:H)是一種耐磨層，它相對于通常用的材料來說，例如鋁、其它輕金屬、鈦或者塑料以及各種不同的鋼，尤其是奧氏體鋼或高合金鋼，具有較小的摩擦系數(shù)。為了對覆層性能施加影響可以改變金屬含量MeY。要努力使金屬含量不超過10原子百分比(at％)。最好低于5原子百分比(at％)?？紤]的金屬有鈦、鋯、鋁和其它類似的金屬。用原子百分比所測的碳含量最好大于以原子百分比所測的氮含量。
至少在頂層下面的5,6層中有一層可以附加含有氧并形成由MeX(C,N,O)組成的層，其中MeX是第Ⅳ組中的一種或多種金屬。
業(yè)已證明這樣一種切削刀具是特別耐磨的。尤其是在緊靠切削刀附近的刀具面的焊接傾向和表面磨損是很小的。圖1表示了覆層的表面部位，尤其是緊接著切削刀S的刀具面SP和刀具后面F。最簡單的情況則是使切削刀片3,4完全覆層。
按以下過程來制造這種覆層按修改的PVD工藝方法在圖2簡明表示的裝置11里實行覆層。該裝置有一個向外可以密閉封閉的反應(yīng)室12。在此反應(yīng)室12內(nèi)可以產(chǎn)生真空，其中通過圖2中簡明所示的輸入管14可以有目標地將氣體輸入內(nèi)腔15。此外在此腔內(nèi)布置了一個或多個支座16,17,18用于切削刀具，刀片或者刀具座柄或刀片座柄。此外在可抽真空的內(nèi)腔15里布置了四個離子源21,22,23,24，它們各有一個靶子，例如一個金屬靶25,26,27,28(舉例來說分別是板片形狀)。靶子21至24是用于制造位于頂層7之下的層5,6所必須的靶子。不再存在其它的用于布置這樣離子源的空間。靶子21-24構(gòu)成了陰極。在內(nèi)腔產(chǎn)生了等離子區(qū)，由此使離子打中在靶子上，并分離出金屬原子以沉積在切削刀片上。為控制這沉積可以對支座16,17,18加上偏壓。此外可以建立起一個環(huán)狀圍繞這待覆層的部分的磁場29。該磁場優(yōu)選用具有徑向布置的線圈軸線的線圈和同方向的激勵來產(chǎn)生。
為了形成所希望的覆層首先將刀具或刀片放入內(nèi)腔15并置在支座16,17,18上。隨后將內(nèi)腔15抽成真空并用例如惰性氣體以很小的壓力充入。通過對離子源進行相應(yīng)的控制就能用這本身已知的PVD敷覆層工藝方法制造覆層5和6。根據(jù)需要也可以用CVD工藝方法或者其它方法來制造覆層5,6。制造這些覆層5,6就要實行一種修改的PVD覆層過程，其方法是經(jīng)由管路14將含有碳和氮的氣體輸入內(nèi)腔15里。這些當(dāng)然是在較小的壓力時，最大為若干毫巴(10-2…10-3mbar)?？墒挂粋€或多個離子源繼續(xù)工作，可引起氣體的電離并形成等離子體。在相應(yīng)的偏壓和相應(yīng)的磁場時，所希望的CNX覆層就從形成的等離子體里沉積在切削刀具或者刀片上。不產(chǎn)生一種化學(xué)平衡。敷覆裝置也可能僅有所述離子源中的一個就足夠了?？梢杂闷渌m用于沉積的成分來代替其它離子源。
以這樣修改的PVD敷覆工藝方法就可以用傳統(tǒng)的敷覆設(shè)備而無需作較大的裝置方面的改變而產(chǎn)生出CN頂蓋層，該頂蓋層可以使得在刀具上的磨損大大減小并因而提高切削效能。
圖4表示了一種XPS光譜詳圖，方法是使刀片4，即尤其是刀片的表面層7，經(jīng)受了Mgkα-X射線放射。
(鎂-制動電極，k-外罩，α-過渡)。通過激勵含有氮的1s外罩所得到的次生電子具有的動能在848V和850eV之間。所得到的氮的N1s峰值要與一種CN結(jié)合相符合，并且位于離相鄰的1s峰值約3eV，該峰值要與TiN結(jié)合相符合。
圖5表示了用Mgkα-X射線放射的試件的XPS光譜詳圖。為去除所有表面玷污而用離子浸蝕的覆層7顯示出一種鮮明突出的C1s峰。因而碳就作為石墨的基質(zhì)。由于C-C結(jié)合的C1s-信號的信號強度較大，因此在圖5中看不到在CN-結(jié)合中碳的明顯信號。
切削刀具至少在局部范圍內(nèi)配有一種碳氮化物覆層，其作用是減磨并作為耐磨層。這種敷覆是以一種修改的PVD工藝方法進行的，其中為了制成碳氮化物層就將碳和氮作為氣體送入反應(yīng)腔內(nèi)，并使一個或多個離子源繼續(xù)工作用以形成等離子體。
權(quán)利要求
1．切削刀具(1)或刀片(3,4)，帶有一種減磨覆層，該覆層含有共價鍵結(jié)合的碳氮化物(CNX)。
2．按權(quán)利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，覆層的碳氮化物成分具有這樣一種結(jié)合，就是使它在用MgKα-X射線照射時提供動能為848和850eV之間的次生電子。
3．按權(quán)利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物層是一層MeXCNO:H層，其中金屬Me是化學(xué)元素周期表中第Ⅳ組中的一種或幾種金屬(鈦、鋯、鋁等)，其中氧的成分小于20原子百分比，而且此時覆層含有各種不同的相(多相結(jié)構(gòu))。
4．按權(quán)利要求1或2所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物覆層最大含有60原子百分比的氮(N)，大于40原子百分比的碳(C)，而且/或者金屬成分(Me)最大達10原子百分比，其中CXNY最好保持X/Y≥3/4。
5．按權(quán)利要求4所述的切削刀具或刀片，其特征在于，金屬成分最高達5原子百分比。
6．按權(quán)利要求1或2所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物層是一種表面覆層。
7．按權(quán)利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物層敷覆在一種刀具材料基體上，該基體由一種金屬、一種金屬合金、硬金屬或者一種陶瓷材料制成。
8．按權(quán)利要求7所述的切削刀具和刀片，其特征在于，在刀具材料基體和碳氮化物層之間設(shè)有一層或多層的中間層，該中間層可以含有一種或多種材料，由以下的組內(nèi)選出TiAlN,TiCN,TiN,ZrN,Al2O3，其中一層的或多層的中間層可以有選擇性地含有其它的材料或覆層。
9．按權(quán)利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，在刀具材料基體和碳氮化物層之間至少設(shè)置了一層MeX(C,N,O)(例如TiCN,TiAlCN,TiAlN等等)。
10．按權(quán)利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆層的厚度至少為0.1μm。
11．按權(quán)利要求1或7所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆層以及(假如存在的話)位于其下面的層的總層厚度達0.2μm至10μm。
12．按權(quán)利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物覆層的金屬含量向著刀具基體表面逐漸減少。
13．按權(quán)利要求12所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆層在背對表面的那個面上的金屬含量最大為50原子百分比，它向著基體表面而減少。
14．按權(quán)利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆層是一個結(jié)晶層。
15．按權(quán)利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆層是一種非晶質(zhì)層。
16．按權(quán)利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，在碳氮化物覆層上有一個頂蓋層。
17．制造切削刀具或刀片的工藝方法，其中，在第一步里至少使基體在其待覆層的部位具有所希望的形狀，包括對于功能很有意義的棱邊和表面，隨后，使基體在一個真空室內(nèi)，受到至少部分地電離的既含有碳也含有氮的大氣的作用。
18．按權(quán)利要求17所述的工藝方法，其特征在于，與磁場相結(jié)合，由一個離子-等離子體源而產(chǎn)生了電離。
19．按權(quán)利要求18所述的工藝方法，其特征在于，磁場是一個恒場，它圍繞待覆層的切削刀具或刀片。
20．按權(quán)利要求17所述的工藝方法，其特征在于，應(yīng)用一種金屬離子源或惰性氣體離子源作為離子源。
21．按權(quán)利要求17所述的工藝方法，其特征在于，碳氮化物頂蓋層如以前的覆層那樣都在相同的真空室內(nèi)產(chǎn)生。
22．按權(quán)利要求21所述的工藝方法，其特征在于，前面所述的覆層工藝方法是PVD覆層工藝方法，其中就是在一個真空室內(nèi)以較小的壓力使材料從一個靶子上除去并沉積在待覆層的表面上；而且為了制成碳氮化物頂蓋覆層，隨后就使含有碳和含有氮的氣體在較小的壓力下輸入相同的真空室內(nèi)，并借助于已有的離子源而產(chǎn)生電離。
23．按權(quán)利要求22所述的工藝方法，其特征在于，在真空室內(nèi)生成覆層的條件是溫度在200℃至300℃，給氣量為50和100sccm之間的甲烷以及10和100sccm之間的氮，電偏壓為-30…-200V,壓力為10-3mbar(毫巴)至1bar(巴)。
全文摘要
切削刀具至少在局部范圍內(nèi)有一層碳氮化物敷層,其作用是減少摩擦并作為耐磨層。覆層采用了一種修改的PVD工藝方法來制造,其中將碳和氮作為氣體送入反應(yīng)腔內(nèi)以生成碳氮化物層,并且一個或多個離子源繼續(xù)工作以形成等離子體。
文檔編號C23C14/02GK1310067SQ0110307
公開日2001年8月29日 申請日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月24日
發(fā)明者V·施爾 申請人:沃爾特公開股份有限公司