CN1310067A - 具有碳氮化物层的切削刀具 - Google Patents

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Abstract

切削刀具至少在局部范围内有一层碳氮化物敷层,其作用是减少摩擦并作为耐磨层。覆层采用了一种修改的PVD工艺方法来制造,其中将碳和氮作为气体送入反应腔内以生成碳氮化物层,并且一个或多个离子源继续工作以形成等离子体。

Description

具有碳氮化物层的切削刀具
本发明涉及一种用于切削加工的切削刀具或者切削刀具的一部分，例如一种刀片。
切削刀具在工作时遭受很大的磨损负荷并且承受很大的力。尤其是切削刃和切削刃邻近的表面部位，无论是在加工金属时还是加工塑料时或者在加工其它材料时都受到很大的应力。从工件上切削下来的切屑例如在刀具面上换向，其中切屑在高的压力作用下就顺着刀具面部位而滑动。
无论是刀具切削刃的缺陷还是切削表面的缺陷都表明了刀具的磨损情况。这种刀具一方面应该有尽可能长的耐用度，另一方面产生尽可能高的切削效能。然而刀具的磨损都是随切削效能的提高而加大。
已知的切削刀具都有减少磨损的覆层。这些履层用CVD法(化学汽相沉积法)或PVD法(物理汽相沉积法)制成。例如EP0736615A2就公开了一种多层的覆层，总共在基底上敷覆了四层。直接附着在基底上的是一层TiCXNYOZ。上面一层优先是钛碳氮化物层TiCXNY。在CVD法中沉积这种覆层的温度在1000°和1100℃之间。
对于用PVD法的制造就没有什么说明了。
由此出发本发明的任务就是提出一种耐磨的切削刀具以及制造这种刀具的一种合理的方法。
该任务通过具有在权利要求1中所述特征的切削刀具或刀片来解决。此外用一种按权利要求17所述的方法来得到这样的切削刀具。
按本发明的切削刀具或者适合于切削刀具的刀片有一层碳氮化物层。该覆层在靠近表面处或者在受载的切削面部位的表面上，而且必要时也在其它的切削面部位上。碳氮化物层含有碳和氮，例如作为化合物C3N4或者以另外的比例关系和连结结构。这样一种碳氮化物层一般显现出相对较小的摩擦系数，比许多其它已知的硬材料层和基底材料的摩擦系数更小。较小的摩擦系数造成了磨损少的切屑流。具有碳氮化物层的刀片的或者具有碳氮化物层的切削刀具的切削效能比没有覆层的或者具有其它覆层的刀具或者说刀片能够提高。较小的摩擦系数减小了滑移过切削面上的切屑的焊接倾向，举例来说，在加工高合金钢时，加工奥氏体钢，钛和轻金属时。
具有碳氮化物层的刀具尤其适合于加工由钛或钛合金制成的零件。与含钛覆层相比这里可以排除或者减少钛零件表面被其它的钛化合物玷污的危险，而这种玷污又往往是考虑零件强度时的原因。
碳氮化物层的硬度可能与基底材料的硬度或者位于其下覆层的硬度不同，其中碳氮化物层的硬度不仅可以大于，也可以小于位于其下覆层或者基底材料的硬度。
碳氮化物层优先考虑是一种MeXCYNZ:H层或者一种MeXCYNZOs:H层(X≤0.2；Y/Z≥3/4)，其中金属Me可以由化学元素周期表的第四组中的一种或几种金属构成。这些金属最好只含有较少的原子百分比，因而碳氮化物层基本上是由碳和氮构成。也可以取消这种较小含量的金属。根据需要这种较小含量的金属可以用来有目的地控制表面特性。例如可以通过一种钛成分而获得一种结构，就是使TiC,TiN或TiCN晶粒嵌入在一种主要具有石墨化成分的CN-基质里(共价连接)。
已经证实，当碳氮化物层最大含有50原子百分比(at％)的氮和超过50原子百分比(at％)的碳，那么就尤其可以减少磨损。同时它可以成长为例如聚合物结构。
碳氮化物层最好是一个表面层，它与切除的切屑和其余的工件部分或部位接触。它可以形成一层顶盖层并且直接用作为耐磨层。但根据需要还可以有一层涂层，例如出于装饰原因。
碳氮化物层可以直接敷设于切削刀具材料基体上。这种基体可以由金属、金属合金或者由陶瓷组成的材料(金属陶瓷)制成，例如具有少量钴的钨碳化物。在这种情况下，基体的硬度就与碳氮化物层的减磨特性相配合。
在基体和碳氮化物层之间可以任选布置一个或多个中间层，以便有目的地影响表面特性。可以设置相对较硬的中间层，例如TiAlN,TiCN,TiN,Al2O3或者其它。在多层构造时，若至少有一层是由MeX(C,N,O)组成，那么其性能就特别有利。该金属又最好是化学元素周期表的第四组中的一种金属。在这种多层结构时，这种中间层的硬度就与碳氮化物层的减磨性能组合。此时当碳氮化物层的厚度例如仅仅为0.1μm就可以满足要求了。但层厚最好略大一点，以便长时间地保特耐磨。
在多层结构时，作为敷设在基体上的敷层的总层厚已经证明在0.2μm和10μm之间为宜。
碳氮化物层的金属成分含量可以向着表面方向而降低。由于碳氮化物层的这种不均质构造还能够优化其性能，尤其是关于磨损、耐磨强度以及对被加工材料可能产生的影响。
碳氮化物层既可具有晶质的，半晶质的结构，或者非晶质的结构。非晶质结构适合于个别的应用场合。作为可能的结合状态的例子参见图4和5。
按本发明的用于制造切削刀具的方法产生所希望的切削刀具。该工艺方法首先包括了对切削刀具或刀片的成型，然后至少在局部范围内进行敷层。为此优先考虑使既含有碳也有氮的CN层由低压大气中沉积下来。电离这种大气就可以与优先呈环形围绕住切削刀具的磁场和需要覆层表面的静电偏压相结合使气体产生分解和电离，并可能使所希望的面上具有均匀的覆层。磁场优先是一种恒场，它迫使离子和电子在螺旋状轨道上。真空室的大气就用作为碳的提供者，不存在石墨靶。选择阴极电压和磁场时应使从阴极去除的量适当较小。由于电离/分解，在所生成的等离子区内获得了沉积的碳。所有现存的离子源都可以保留在真空室内。不需要将附加的空间提供给或腾空给于附加的成分(碳源)。
作为离子源可以应用一种金属离子源或者惰性气体离子源。金属离子源允许用碳氮化物的沉积，也允许用少量金属的沉积。
工艺方法最好在同一个反应室内进行，如以前所进行的敷层过程那样。为此如果应用了例如具有四个离子源位置或等离子***置的PVD敷层设备，那么就能够用同样的设备无需附加的离子源就实现碳氮化物的表面层敷没，其方法是在上一个工艺步骤里建立起一种含有碳和氮的低压大气，其中例如用钛靶使离子源继续工作以生成等离子体。
本发明的有利实施形式的其它细节见附图、说明或者从属权利要求。在附图中表示了本发明的实施形式。所示为：
图1表示带有敷层切削刀片的切削刀具，以立体简化图表示。
图2以简图表示了用于制造带敷层切削刀具的装置。
图3表示通过具有敷层表面的切削刀具的断面的一个截面。
图4表示具有本发明覆层的试件(切削刀片)的氮的XPS光谱详图。
图5表示具有本发明覆层的试件(切削刀片)的碳的XPS光谱细图。
图1表示一种切削刀具1，它有一个刀体2和装卡在刀体上的刀片3,4。刀片3,4设计成上下相同，而且各有一个由硬金属(金属陶瓷)，例如碳化钨制成的基体。刀片3,4都有一个如图3所示的覆层。在由碳化钨(WC)制成的基体上沉积了多个覆层5,6,7。层7此时就形成了最外面的顶层。它是一种碳氮化物层CNX，厚度约0.1μm。顶层7除了含有碳和氮之外还可能含有金属和氢。顶层7(MeYCN:H)是一种耐磨层，它相对于通常用的材料来说，例如铝、其它轻金属、钛或者塑料以及各种不同的钢，尤其是奥氏体钢或高合金钢，具有较小的摩擦系数。为了对覆层性能施加影响可以改变金属含量MeY。要努力使金属含量不超过10原子百分比(at％)。最好低于5原子百分比(at％)。考虑的金属有钛、锆、铝和其它类似的金属。用原子百分比所测的碳含量最好大于以原子百分比所测的氮含量。
至少在顶层下面的5,6层中有一层可以附加含有氧并形成由MeX(C,N,O)组成的层，其中MeX是第Ⅳ组中的一种或多种金属。
业已证明这样一种切削刀具是特别耐磨的。尤其是在紧靠切削刀附近的刀具面的焊接倾向和表面磨损是很小的。图1表示了覆层的表面部位，尤其是紧接着切削刀S的刀具面SP和刀具后面F。最简单的情况则是使切削刀片3,4完全覆层。
按以下过程来制造这种覆层：
按修改的PVD工艺方法在图2简明表示的装置11里实行覆层。该装置有一个向外可以密闭封闭的反应室12。在此反应室12内可以产生真空，其中通过图2中简明所示的输入管14可以有目标地将气体输入内腔15。此外在此腔内布置了一个或多个支座16,17,18用于切削刀具，刀片或者刀具座柄或刀片座柄。此外在可抽真空的内腔15里布置了四个离子源21,22,23,24，它们各有一个靶子，例如一个金属靶25,26,27,28(举例来说分别是板片形状)。靶子21至24是用于制造位于顶层7之下的层5,6所必须的靶子。不再存在其它的用于布置这样离子源的空间。靶子21-24构成了阴极。在内腔产生了等离子区，由此使离子打中在靶子上，并分离出金属原子以沉积在切削刀片上。为控制这沉积可以对支座16,17,18加上偏压。此外可以建立起一个环状围绕这待覆层的部分的磁场29。该磁场优选用具有径向布置的线圈轴线的线圈和同方向的激励来产生。
为了形成所希望的覆层首先将刀具或刀片放入内腔15并置在支座16,17,18上。随后将内腔15抽成真空并用例如惰性气体以很小的压力充入。通过对离子源进行相应的控制就能用这本身已知的PVD敷覆层工艺方法制造覆层5和6。根据需要也可以用CVD工艺方法或者其它方法来制造覆层5,6。制造这些覆层5,6就要实行一种修改的PVD覆层过程，其方法是经由管路14将含有碳和氮的气体输入内腔15里。这些当然是在较小的压力时，最大为若干毫巴(10-2…10-3mbar)。可使一个或多个离子源继续工作，可引起气体的电离并形成等离子体。在相应的偏压和相应的磁场时，所希望的CNX覆层就从形成的等离子体里沉积在切削刀具或者刀片上。不产生一种化学平衡。敷覆装置也可能仅有所述离子源中的一个就足够了。可以用其它适用于沉积的成分来代替其它离子源。
以这样修改的PVD敷覆工艺方法就可以用传统的敷覆设备而无需作较大的装置方面的改变而产生出CN顶盖层，该顶盖层可以使得在刀具上的磨损大大减小并因而提高切削效能。
图4表示了一种XPS光谱详图，方法是使刀片4，即尤其是刀片的表面层7，经受了Mgkα-X射线放射。
(镁-制动电极，k-外罩，α-过渡)。通过激励含有氮的1s外罩所得到的次生电子具有的动能在848V和850eV之间。所得到的氮的N1s峰值要与一种CN结合相符合，并且位于离相邻的1s峰值约3eV，该峰值要与TiN结合相符合。
图5表示了用Mgkα-X射线放射的试件的XPS光谱详图。为去除所有表面玷污而用离子浸蚀的覆层7显示出一种鲜明突出的C1s峰。因而碳就作为石墨的基质。由于C-C结合的C1s-信号的信号强度较大，因此在图5中看不到在CN-结合中碳的明显信号。
切削刀具至少在局部范围内配有一种碳氮化物覆层，其作用是减磨并作为耐磨层。这种敷覆是以一种修改的PVD工艺方法进行的，其中为了制成碳氮化物层就将碳和氮作为气体送入反应腔内，并使一个或多个离子源继续工作用以形成等离子体。

Claims (23)

1．切削刀具(1)或刀片(3,4)，带有一种减磨覆层，该覆层含有共价键结合的碳氮化物(CNX)。
2．按权利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，覆层的碳氮化物成分具有这样一种结合，就是使它在用MgKα-X射线照射时提供动能为848和850eV之间的次生电子。
3．按权利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物层是一层MeXCNO:H层，其中金属Me是化学元素周期表中第Ⅳ组中的一种或几种金属(钛、锆、铝等)，其中氧的成分小于20原子百分比，而且此时覆层含有各种不同的相(多相结构)。
4．按权利要求1或2所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物覆层最大含有60原子百分比的氮(N)，大于40原子百分比的碳(C)，而且/或者金属成分(Me)最大达10原子百分比，其中CXNY最好保持X/Y≥3/4。
5．按权利要求4所述的切削刀具或刀片，其特征在于，金属成分最高达5原子百分比。
6．按权利要求1或2所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物层是一种表面覆层。
7．按权利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物层敷覆在一种刀具材料基体上，该基体由一种金属、一种金属合金、硬金属或者一种陶瓷材料制成。
8．按权利要求7所述的切削刀具和刀片，其特征在于，在刀具材料基体和碳氮化物层之间设有一层或多层的中间层，该中间层可以含有一种或多种材料，由以下的组内选出：TiAlN,TiCN,TiN,ZrN,Al2O3，其中一层的或多层的中间层可以有选择性地含有其它的材料或覆层。
9．按权利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，在刀具材料基体和碳氮化物层之间至少设置了一层MeX(C,N,O)(例如TiCN,TiAlCN,TiAlN等等)。
10．按权利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆层的厚度至少为0.1μm。
11．按权利要求1或7所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆层以及(假如存在的话)位于其下面的层的总层厚度达0.2μm至10μm。
12．按权利要求1所述的切削刀具或刀片，其特征在于，碳氮化物覆层的金属含量向着刀具基体表面逐渐减少。
13．按权利要求12所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆层在背对表面的那个面上的金属含量最大为50原子百分比，它向着基体表面而减少。
14．按权利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆层是一个结晶层。
15．按权利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，碳氮化物覆层是一种非晶质层。
16．按权利要求1所述的切削刀具和刀片，其特征在于，在碳氮化物覆层上有一个顶盖层。
17．制造切削刀具或刀片的工艺方法，其中，在第一步里至少使基体在其待覆层的部位具有所希望的形状，包括对于功能很有意义的棱边和表面，随后，
使基体在一个真空室内，受到至少部分地电离的既含有碳也含有氮的大气的作用。
18．按权利要求17所述的工艺方法，其特征在于，与磁场相结合，由一个离子-等离子体源而产生了电离。
19．按权利要求18所述的工艺方法，其特征在于，磁场是一个恒场，它围绕待覆层的切削刀具或刀片。
20．按权利要求17所述的工艺方法，其特征在于，应用一种金属离子源或惰性气体离子源作为离子源。
21．按权利要求17所述的工艺方法，其特征在于，碳氮化物顶盖层如以前的覆层那样都在相同的真空室内产生。
22．按权利要求21所述的工艺方法，其特征在于，前面所述的覆层工艺方法是PVD覆层工艺方法，其中就是在一个真空室内以较小的压力使材料从一个靶子上除去并沉积在待覆层的表面上；而且为了制成碳氮化物顶盖覆层，随后就使含有碳和含有氮的气体在较小的压力下输入相同的真空室内，并借助于已有的离子源而产生电离。
23．按权利要求22所述的工艺方法，其特征在于，在真空室内生成覆层的条件是：温度在200℃至300℃，给气量为50和100sccm之间的甲烷以及10和100sccm之间的氮，电偏压为-30…-200V,压力为10-3mbar(毫巴)至1bar(巴)。
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