[发明专利]制备具有改善的耐磨性的双层涂布的切割工具的方法

说明书

本发明涉及具有改善的耐磨性的双层涂布的切割工具，所述切割工具用于切割金属材料。

现有技术

对于更高效的切割，特别对切割速率和工具使用寿命方面具有不断提高的需求。之前，诸如TiN和/或TiCN的硬涂层材料已经被TiAlN所代替，以改善例如铣削刀具(end mills)和镶嵌件(inserts)的耐磨性。

为了进一步提高这些涂层的性能(efficiency)，日本专利2,793,773建议向TiAlN中加入Si。

然而，仅仅含有Si的涂层膜较脆，并且由于压应力的增加，在涂层膜形成之后，其可能立即便从切割工具中剥落。

EP 1174528A2描述并解决了这个问题，其公开了含Si膜需要与另一种对基体具有优异粘合性的硬涂层膜结合使用。此外，所述含Si膜为成分分离(composition-segregated)的多晶膜，包含具有较高Si浓度的相和具有较低Si浓度的相。

尽管EP 1174528A2中所描述的方案展现了优异的结果，但非常遗憾的是，到目前为止，已知这种相分离也仅通过电弧放电离子电镀实现。已知反应性电弧放电涂布方法存在液滴(droplets)的问题。它们使得涂层较为粗糙。这对于常规尺寸工具来说是个较小问题。但是，对于小的工具，例如具有2微米以下直径的铣削刀具，表面粗糙度可能导致工具在使用过程中被损坏。另一个缺陷是，与送料靶中的Si含量(Si contend in the material delivering target)比较，在采用电弧放电离子电镀法制得的层中Si含量较低。由于非常难以制备具有高Si含量的稳定靶，在层内的Si的可能浓度低于15at％。

因此，需要得到至少与EP 1174528A2的相分离膜一样的良好改善，但又不产生液滴的问题，从而可能产生光滑的涂层的涂布方法。

发明目的

因此，本发明的目的是公开一种涂布方法，所述方法得到至少与EP1174528A2的相分离膜一样的良好改善，但又不产生液滴的问题，从而可能产生光滑的涂层的涂布方法。

本发明的技术方案

大致地描述磁控溅射的原理会有助于更好地理解本发明的技术方案。

在溅射过程中，离子轰击靶(阴极)，结果是将材料从靶上移除。离子从等离子体朝向靶表面方向的加速借助于电场中得以实现。在磁控溅射过程中，在靶表面上形成磁场。在这种方式中，等离子体中的电子被强制进入螺旋形轨道，并围绕在靶表面上循环。由于其轨道增加，与原子发生碰撞的电子的数量急剧增加，这导致在靶表面上的此区域中更高的离子化。这又导致靶上增加的溅射去除，由此导致提高的溅射速率。常规的溅射以DC模式且在通常为20W/cm²的功率密度下实施。这种常规溅射的缺陷是从靶移除的材料仅离子化至非常低的程度。这意味着施加到基体上的负偏压不会直接加速朝向基体的溅射材料。因此，相比于采用电弧放电离子电镀可实现的涂布密度，采用常规溅射可达到的涂布密度要低得多。

HIPIMS(高功率脉冲磁控溅射)是发展自常规溅射的工艺，该工艺使用类似于脉冲的放电效果，脉冲持续时间为微秒到毫秒，功率密度大于100W/cm²。已经表明，取决于材料，HIPIMS技术可获得高达100％溅射颗粒的离子化，由此消除了常规溅射的极大不利因素。

本发明的方法涉及HIPIMS溅射，包括以下步骤：

-采用第一磁控溅射工艺将TiAlN涂层施加到基体上；

-采用第二磁控溅射工艺将Ti_xSi_1-xN涂层施加到所述TiAlN层上，其中x小于或等于0.85，优选在0.80至0.70之间，包括0.80和0.70；

其特征在于，所述第二磁控溅射工艺采用大于100W/cm²的功率密度来实施，本身为一种HIPIMS方法。

相应地所得到的层不会显示任何相分离。令人惊讶的是，相对于采用电弧放电离子电镀法涂布并产生如EP 1174528A2中所述的相分离的相同工具来说，根据上述方法涂布的工具显示出相当的性能或有时甚至更好的性能。

采用不同的涂布参数进行大量双层涂层的涂布。为了进行TiAlN层的溅射，例如选择Ti∶Al浓度比为40at％∶60at％的靶。

在TiSiN层内，一个变化的重要参数是用于溅射所述TiSiN层的溅射靶内的Si含量。实验显示在该层内的高Si含量是优选的。涂布Ti_xSi_1-xN层(x＝0.75)显示最佳的结果。