[发明专利]涂层切削刀具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于金属加工的涂层切削刀具，其具有硬质合金的基底，且在所述基底的表面上，通过物理气相沉积(PVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)而沉积有硬且耐磨的耐火涂层。

背景技术

沉积诸如铝、碳化钛和/或氮化钛材料的薄陶瓷涂层(1-20微米)到例如硬质合金切削刀具上的工艺是公知的技术，而且当在金属加工中使用涂层切削刀具时，这种涂层切削刀具的工具寿命得到了相当大的延长。在某些情况下，工具延长的使用寿命可能延续得长于非涂层切削刀具的使用寿命的几倍。这些陶瓷涂层一般包括单层，或者多层的组合。目前商用的切削刀具的特征在于：具有双层或多层结构的多层组合。总的涂层厚度在1微米和20微米之间变化，且各分层的厚度在几个微米到百分之几微米之间变化。

沉积这些层的公知技术为CVD和PVD(参见例如U.S.4619866和U.S.4346123)。PVD涂层的、硬质合金或高速钢制成的商用切削刀具通常具有TiN，Ti(C，N)或(Ti，Al)N组成的、在组成上均相的单层，或者所述相组成的多层涂层，每层都为单相材料。

存在几种PVD技术，能够在切削刀具上产生出薄的、耐火涂层。最公知的方法是离子镀，磁控溅射，电弧放电蒸发和IBAD(离子束辅助沉积)以及上述方法的混合工艺。每种方法都有它自己的优点，且所产生涂层的内在性能，诸如微观结构和颗粒尺寸，硬度，应力情况，内聚力和与下面基底的粘附性都可以根据所选择的具体的PVD方法而变化。这样，通过最优化上述性能中的一种或几种，用在特定加工操作中的PVD涂层切削刀具的耐磨性或刀刃完整性方面的提高能够得到实现。

直到近来为止，颗粒加强的陶瓷都公知为呈块状的构成材料，而不是纳米复合物。在J.F.Kuntz等人的文章中(MRS期刊，2004年1月，pp22-27)公开了具有纳米分散颗粒的氧化铝块陶瓷。在例如U.S.6660371，U.S.4702907和U.S.4701384中公开了氧化锆和含钛韧化的氧化铝CVD层。在这些公开文献中，通过CVD技术沉积涂层，且因此所形成的ZrO2相为热力学稳定相，也就是单斜晶相。而且，CVD沉积涂层通常处于拉伸应力下，或者低水平压缩应力下，而PVD或PECVD涂层由于这些沉积工艺的固有性质而一般处于较高水平压缩应力下。在US2005/0260432中描述了氧化铝+氧化锆CVD涂层的喷射，给出了压缩应力水平。喷射工艺是已知的，其用以引入处于适当水平的压缩应力。

氧化锆的亚稳相，诸如四方或立方相已经显示出：通过一种已知为变形韧化的机理(Hannink等人，J.Am.Ceram.Soc 83(3)461-87；Evans，Am.Ceram.Soc 73(2)187-206(1990))而进一步改善了块状陶瓷。这种亚稳相已经显示出，通过加入稳定元素(诸如Y或Ce)，或者通过缺氧环境(诸如真空)的作用(Tomaszewski等人，J.Mater.Sci.Lett7(1988)788-80)而得以促进，这通常是PVD应用所需要的。PVD工艺参数的变化已经显示出，导致了在氧化锆(尤其是立方氧化锆相)中的亚稳相的氧化学计量和构成的变化(Ben Amor等人，Mater.Sci.Eng.B57(1998)28)。

在EP 0709483和US6103357中描述了用于切割应用的多层PVD层，这种多层由金属氮化物或金属碳化物组成，EP0709483中揭示了金属氮化物和金属碳化物的对称多层结构，US6103357描述了金属氮化物和碳化物的非周期性的叠层多层。

瑞典专利申请No.SE0500867-7和SE0600104-4公开了一种用于金属加工的切削刀具刀片，在其上面，至少在其表面的作用部分上涂敷有薄的、粘性的、坚硬的且耐磨涂层。这种涂层包括金属氧化物+金属氧化物纳米复合层，该复合层由两种组分组成，颗粒尺寸为1-100纳米。

发明内容

本发明的目的是提供一种PVD或PECVD涂层的切削刀具，其中涂层具有提高的耐磨性，且具有提高的粘附性。

附图说明

图1为通过本发明的涂层切削刀具截取的横截面的示意图，显示了涂有叠层多层B的基底A，层B包括交替的类型C的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层和类型D的金属氧化物+金属氧化物纳米复合层。

具体实施方式