[發明專利]陰極電弧沉積法

有效

• 申請號: 201280036727.4
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN103732785A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: J·布爾馬克;H·庫廷斯;A·根瓦德
• 申請（專利權）人: 拉米娜科技
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/32;C23C14/52;H01J37/32
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 龐東成;張培源

技術領域

本發明涉及一種利用陰極電弧沉積工藝、特別是高電流陰極電弧沉積工藝在切削工具基體上沉積覆層的方法，用于形成被覆的切削工具。

背景技術

如今，用于車削、銑削、鉆孔或其他切割品成型加工的大多數切削工具都被覆有耐磨覆層，所述覆層利用化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)技術而沉積，以延長工具的使用壽命和/或提高生產率。通常，較厚的覆層是所期望的，因為可以提高耐磨性。這對于CVD覆層而言很容易實現。但是，與CVD覆層相比，PVD覆層具有一些吸引人的性質，特別是在覆層中提供壓縮應力的能力，這提供了比CVD覆層高的韌性。這些壓縮應力基本源于基體與覆層之間的熱膨脹差異，以及因沉積過程中高能離子的轟擊所致的致密化作用。離子轟擊的這種有利效果難以存在于所有PVD技術(如熱蒸發)中，但在濺射沉積中很普遍，并且通過陰極電弧沉積，壓縮應力可以變得極高，通常因入射離子的高動能而高于5GPa。對基體施加偏壓是提高動能的標準方法，并且用于形成認為獲得所期望的機械性質所必須的硬質覆層。致密化通常引起覆層材料硬度提高和耐磨性增加。與潛在的高沉積率相結合，這使陰極電弧沉積技術成為用于切削工具沉積覆層的受關注的替代技術。

然而，由于過重的離子轟擊可產生缺陷，并且過高的壓縮應力最終將自發地或因加工過程中作用在覆層上的力而導致覆層脫層，對于厚覆層而言尤其如此。因此，覆層中的應力水平通常需要得到控制，以獲得最高的可能的壓縮應力而不過多地損害覆層的附著。特別是，沿被覆的切削工具刀片的刃口的剝落是公知的問題。例如，US?7,838,132公開了在-40V～-200V的不同基體偏壓下利用200A的電弧電流在硬質合金基體上陰極電弧沉積約3μm厚的(Ti,Al)N覆層，并得出結論：在約-70V時效果最佳，其存在超過4GPa的高壓縮應力，但仍可實現良好的附著性。

因此，現有技術的陰極電弧沉積工藝的問題是需在對于耐磨性至關重要的覆層厚度與覆層的機械性質、特別是韌性方面的質量之間進行折衷。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種陰極電弧沉積工藝，所述工藝能夠獲得在切削工具上的厚PVD覆層，所述切削工具例如為由硬質合金(cemented?carbide)、金屬陶瓷、高速鋼、立方氮化硼和多晶金剛石制得的被覆的切削工具刀片，以提高耐磨性，并且不會使如附著性或耐剝離性等其他性質劣化。這通過獨立權利要求所限定的方法而實現。

根據本發明的一個實施方式在真空室內在切削工具基體上陰極電弧沉積覆層的方法包括：通過在充當陰極的板狀靶電極(target)與陽極排布組(anode?arrangement)之間施加至少200A的電弧電流，由作為板狀靶電極表面上的一個或多個弧斑而可見的電弧放電生成等離子體，使得電弧放電的離子由板狀靶電極發射出來，從而在切削工具基體上形成覆層。

根據本發明的一個實施方式，已經發現，所要被覆的基板表面的離子電流密度對于覆層的性質極其重要。離子電流密度的一個度量是由一個或多個板狀靶電極產生的總離子電流。總離子電流可以通過測量離子電流密度并將測得的離子電流密度乘以板狀靶電極的總表面積而估測，所述測量利用相對于陽極排布組的電勢具有負偏壓并且距靶電極表面15cm面向板狀靶電極的探針表面來進行。優選的是，離子電流為至少5A，所述離子電流作為板狀靶電極的中心沿靶電極表面的法向的平均離子電流密度乘以板狀靶電極的總表面積而確定，所述平均離子電流密度系利用距靶電極表面15cm面向板狀靶電極的探針表面而測量。

利用小型靶電極不容易實現這種高總離子電流密度，這是因為電弧的能量密度通常變得過高，以致于不能有效控制靶電極材料的蒸發，因此將有不可接受的數量的微滴自靶電極表面發射，這對覆層質量是不利的。通過使用較大的靶電極表面積，靶電極上的電流密度和局部熱負載可以保持在中等水平，同時提供高總離子電流。

在本發明的一個實施方式中，板狀靶電極的表面積大于500cm²，優選大于1000cm²。由此，電弧放電可以分支化為基本在靶電極整個表面區域上分布的多個弧斑。高電弧電流促進所述分支化。分支化的一個優點在于，在靶電極的整個表面區域上的等離子體中提供了較均勻的離子電流密度。這可以作為沉積過程中靶電極表面的基本均勻的發光而觀察到。分支化的另一優點在于能夠獲得改進的靶電極利用。又一優點在于，可以在整個真空室中獲得均勻的沉積條件，由此可以在一批所要被覆的基體中獲得均勻的覆層厚度和性質。