[發明專利]低應力硬質涂層及其施用

有效

• 申請號: 201410401183.8
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號: CN104368833B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: V·庫瑪;R·M·佩尼西;P·李希特;劉一雄
• 申請（專利權）人: 鈷碳化鎢硬質合金公司
• 主分類號: B23B27/00
• 分類號: B23B27/00;B23C5/06;B23B51/00;C23C14/06;C23C14/32
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 葛青;盧亞靜

一方面，在此描述了涂覆的切削刀具，該涂覆的切削刀具包括一個基體以及附著到該基體上的一個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該耐火層包含M_1?xAl_xN，其中x≥0.68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。

技術領域

本發明涉及用于切削刀具以及磨損零件的硬質耐火涂層，并且特別地涉及通過物理氣相沉積所沉積的、展現出高厚度、高硬度和低應力的耐火涂層。

背景技術

通常通過物理氣相沉積(PVD)技術將一層或多層耐火材料施加到切削刀具表面上以提高多種特性，包括該切削刀具的耐磨損性、性能和壽命。例如通常通過PVD施加氮化鈦(TiN)涂層到燒結碳化物切削刀具基體上。然而，TiN在約500℃下開始氧化而形成金紅石型TiO₂，由此促進涂層快速劣化。將鋁結合到立方晶格中可以通過在涂層表面處形成一個保護性的富含鋁的氧化膜而使TiN涂層的降解氧化減慢。

雖然提供了對高溫穩定性的增強作用，但是鋁還可能引起TiN涂層的結構改變從而對涂層性能產生負面影響。增大結合到TiN涂層中的鋁的量可以引起六角密堆積(hcp)氮化鋁(AlN)相的生長，從而將該涂層的結晶結構從單一立方相改變為立方相和六角相的混合。超過70原子百分比的鋁含量可以進一步將AlTiN層的結晶結構改變為單一的hcp相。顯著量的六角相可以導致AlTiN硬度的顯著減小，從而導致涂層過早失效或其他不希望的性能特征。不能充分控制六角相的形成阻礙了通過將鋁添加到TiN涂層所產生的優點的充分實現。

另外，由于在沉積過程中離子轟擊所產生的高的殘余壓縮應力，PVD涂層(包括AlTiN)的厚度受限。殘余壓縮應力僅隨著涂層厚度增大，這樣使得該涂層易于層離或發生其他粘附失效模式。可以減小該基體的偏置電壓以減輕PVD涂層中的殘余壓縮應力。然而，偏置電壓的減小可能顯著損害涂層硬度。例如，在AlTiN和類似系統中，偏置電壓的減小促進了六角相的形成。

鑒于這些考慮，對于提供具有高的鋁含量、高硬度、高厚度和/或低的殘余壓縮應力的PVD式AlTiN涂層存在重大障礙。

發明內容

一方面，在此針對上述障礙的解決方案是提供具有高的鋁含量、高硬度、高厚度和/或低的殘余壓縮應力的切削刀具和磨損部件PVD涂層。例如，在一些實施例中，在此描述的一個涂覆的切削刀具包括一個基體和附著到該基體上的一個通過PVD而沉積的耐火層，該耐火層包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的殘余壓縮應力。另外，該耐火層可以具有大于15重量百分比并且直至35重量百分比的六角相含量。如在此進一步所述，該包含M_1-xAl_xN的耐火層可以是一個單一的完整層或可以由多個子層形成。

另一方面，在此描述的涂覆的切削刀具包括一個基體以及附著到該基體上的一個涂層，該涂層包括一個通過物理氣相沉積而沉積的耐火層，該耐火層包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.68并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層包括一個立方晶相并且具有至少25GPa的硬度。

在另一方面，在此描述了用于制造涂覆的切削刀具的方法。在一些實施例中，一種用于制作涂覆的切削刀具的方法包括提供一個基體并且通過陰極電弧沉積在該切削刀具基體的表面上沉積一個涂層，該涂層包括一個耐火層，該耐火層包含M_1-xAl_xN，其中x≥0.4并且M是鈦、鉻或鋯，該耐火層具有大于5μm的厚度、至少25GPa的硬度以及小于2.5GPa的殘余壓縮應力。在一些實施例中，該耐火層的至少一部分是以小于-40V的偏壓沉積的。例如，該偏壓可以是在-20V到小于約-40V的范圍內。