[发明专利]含有TiAlN纳米层膜的耐磨PVD工具涂层

说明书

本发明涉及一种涂层切削工具及其制造方法，所述涂层切削工具由基材和硬质材料涂层构成，所述基材选自硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(cBN)、多晶金刚石(PCD)或高速钢(HSS)，其中所述硬质材料涂层包含交替堆叠的(Ti,Al)N子层的(Ti,Al)N层堆叠体(L)，所述层堆叠体(L)具有如下特征：‑在所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)内Ti:Al的总原子比在0.33:0.67至0.67:0.33的范围内；‑所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的总厚度在1μm至20μm的范围内；‑在所述交替堆叠的(Ti,Al)N子层的(Ti,Al)N层堆叠体(L)内每个单独的(Ti,Al)N子层具有在0.5nm至50nm范围内的厚度；‑在所述交替堆叠的(Ti,Al)N子层的(Ti,Al)N层堆叠体(L)内的每个单独的(Ti,Al)N子层在原子比Ti:Al方面与直接相邻的(Ti,Al)N子层不同；‑在垂直于所述基材表面的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的厚度上，从排列为朝向所述基材的方向的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的界面到排列为朝向所述涂层外表面的方向的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的界面，Al的含量增加并且Ti的含量降低；‑在垂直于所述基材表面的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的厚度上，从排列为朝向所述基材的方向的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的界面到排列为朝向所述涂层外表面的方向的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的界面，残余应力σ下降至少150MPa至最多900MPa的量，由此应用基于(200)反射的sin²Ψ方法通过X射线衍射来测量所述残余应力σ；‑在所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)内从排列为朝向所述基材的方向的所述(Ti,Al)N层堆叠体(L)的界面起至少100nm至最多1μm厚度的部分内的所述残余应力σ在0MPa至+450MPa的范围内。

技术领域

本发明涉及一种金属切削工具，所述金属切削工具包含硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基材和施加到所述基材上的多层耐磨保护涂层。本发明还涉及金属切削工具的用途以及制造这种工具的方法。

背景技术

切削工具，如用于例如金属切削的切削工具，通常由硬质合金(硬金属)、金属陶瓷、钢或高速钢制成的基材(基体)构成，所述基材具有利用CVD工艺(化学气相沉积)或PVD工艺(物理气相沉积)沉积在其上的金属硬质材料层的耐磨单层或多层涂层。存在需要不同设备并导致不同涂层性能的多种不同PVD方法如阴极溅射、阴极真空电弧蒸发(Arc-PVD)、离子镀、电子束蒸发和激光烧蚀。诸如磁控管溅射、反应性磁控管溅射和高功率脉冲磁控管溅射(HIPIMS)的阴极溅射和电弧蒸发属于最常用于切削工具涂层的PVD工艺。

在阴极真空电弧蒸发(Arc-PVD)中，在腔室与靶之间产生电弧，熔化靶材并使其蒸发。由此，大部分的汽化材料发生电离并随后朝着具有负电势(偏置电势)的基材加速，并沉积在基材表面上。根据所使用的靶和期望的涂层化学，使用非反应性或反应性的Arc-PVD工艺。在反应性Arc-PVD工艺中，将反应气体引入PVD反应器中，然后反应气体与从靶蒸发的材料发生反应。

阴极真空电弧蒸发法的主要优点是涂层速率高、由于气化材料的高度电离而导致致密的层结构以及良好的工艺稳定性。另一方面，Arc-PVD的显著缺点是由小金属飞溅物的散布引起的大粒子(液滴)的工艺相关的沉积，避免这种情况非常麻烦。这些液滴导致沉积层的不希望的高表面粗糙度。

在制备用于金属切削的涂层切削工具时，主要目标是工具的长使用寿命和高的切削速度，同时为工具提供工件材料的相应机械加工操作所需的机械性能。