[发明专利]具有提高刀刃韧度并减小摩擦的纳米晶CVD涂层的涂覆刀体

说明书

本发明涉及一种涂覆有纳米晶涂层的涂覆刀体及其制备方法。

金属切削中采用涂覆刀体是广为人知的。通常，刀体由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制得，而涂层则是一种或多种第ⅥB族金属的碳化物、氮化物、氧化物或其混合物。例如，涂覆有TiC层、Al₂O₃层和TiN层的硬质合金刀体被广泛采用。涂层的组成和厚度可以有多种变化，进行涂覆的方法也有多种，如CVD法(化学气相淀积法)和PVD法(物相气相淀积法)，其中CVD法可以在约900℃至1250℃的常规温度下进行，也可以在约700℃至900℃的中温下进行，即中温化学气相淀积法(MTCVD)。

CVD法的TiC涂层一般由等轴粒子构成，粒径为约0.5微米至1.0微米。CVD法的TiN涂层以及MTCVD法的Ti(C,N)涂层则由柱状粒子构成，粒子的长度接近涂层的厚度。CVD法涂层的形貌可用工艺条件调控稍作改善，但MTCVD法涂层很难用常规的工艺调控进行改善。

一般来说，多晶材料的硬度(也包括涂层)服从Hall-Petch方程：H=H°+C/√d，式中H是多晶材料的硬度，H°是单晶的硬度，C是材料常数，d是粒径。从该方程式可以看到，降低粒径，可以提高材料的硬度。然而，常规CVD涂层和MTCVD涂层中粒径至少为0.5微米或更高。MTCVD涂层更是具有大柱状粒子的特点，其晶粒长度接近涂层的厚度。

美国再公告专利31,526中指出，在形成Al₂O₃涂层时，使用添加剂如四价钛、铪和/或锆的化合物，可以促使形成一种特定的相态。另外，美国专利4,619,886中公开了使用选自硫、硒、碲、磷、砷、锑、铋和其混合物的添加剂，可以提高CVD涂覆Al₂O₃的生长速率，同时还会促使形成均匀的涂层。

CO₂也同样被用于部分涂覆工艺中。具体地讲，它被用于氧化工艺中，在这类工艺中，CO₂与H₂反应形成H₂O，即氧化性的气体。如可参阅美国专利5,827,570。

本发明的目的之一就是要避免或减轻现有技术中的问题。

本发明的另一个目的就是提供一种涂层，该涂层具有显著较小的粒径和伴生硬度。

一方面，本发明提供了一种具有涂层的涂覆刀体，所说的涂层为粒径25nm或更小的Ti(C,N,O)涂层。

另一方面，本发明提供了一种制备涂覆有Ti(C,N,O)的刀体的方法，其包括将刀体与含有卤化钛、氮化合物、碳化合物、还原剂以及CO和/或CO₂的添加剂的气体接触，使得足以形成粒径小于25nm的Ti(C,N,O)。

已经发现，对于MTCVD法涂覆的涂层，在MTCVD工艺中，向涂覆气体中加入少量的CO或CO₂或其混合物、优选CO作添加剂，可以使涂层的粒径变得小得多，并形式等轴形状的粒子。为了使所得涂层的粒径在25nm数量级或更低，优选10nm或更低，MTCVD气体混合物中的CO量应当占气体混合物总量的约5％至10％，优选为约7％至9％。如果采用CO₂，则其应当占气体混合物总量的约0.5％至1.0％，优选0.4％至0.6％。CO和/或CO₂添加剂可以在反应的任何时候加入，加入方式可以是连续的，也可以是间断的。如果使用CO₂和/或CO/CO₂混合物，工匠们就应当小心，以避免形成Magnelli相。

尽管上述添加剂可以加入到形成各种涂层的反应物气体混合物中，但发现其在形成Ti(C,N,O)涂层时特别有用，而在此如果没有上述添加剂，则会形成Ti(C,N)涂层。在Ti(C,N,O)涂层中，各组份的比例一般如下：O/Ti,0.1-0.40，优选0.20-0.30；C/Ti，约0.40-0.60，优选0.50-0.60；N/Ti，约0.15-0.35，优选0.20-0.30。虽然本发明的方法优选用于形成Ti(C,N,O)涂层，但也可以用于涂覆Ti(C,O)涂层，而此处如果没有上述添加剂，则会形成TiC涂层。