[发明专利]CVD涂覆的多晶立方氮化硼切削刀具

说明书

技术领域

本发明涉及具有通过化学气相沉积(CVD)施加的涂层的切削刀具，并且更具体地涉及CVD涂覆的多晶立方氮化硼(PcBN)切削刀具。

背景技术

切削刀具已在有涂覆和无涂覆两种情况下用于对不同金属和合金进行机加工。为了提高切削刀具的耐磨损性和使用寿命，已经将一层或多层耐火材料施加到切削刀具表面上。例如，已经通过CVD将TiC、TiCN、TiOCN、TiN和Al₂O₃施加到烧结碳化物基体上。

Al₂O₃或氧化铝作为用于切削刀具的涂层具有特别的吸引力。氧化铝显示出不同的晶相，包括α、κ、γ、β和θ，其中α和κ相在CVD涂覆的烧结碳化物切削刀具上最常见。α-氧化铝由于其在切削应用中遇到在不同温度下的热力学稳定性和常规化学惰性已被证明是一种理想的涂层。但是，α-氧化铝的沉积越来越困难，并且往往对沉积条件和切削刀具基体的化学特性敏感。例如，现有文献已经证明在氧化铝沉积之前需要充分氧化碳化钛表面，以诱导α-相的形成。TiC表面的不充分氧化导致κ-氧化铝或κ和α相的混合物的生成，例如，见Vourinen，S.(弗罗里尼)，Thin Solid Films(固体薄膜)，193/194(1990)536-546和Layyous(蕾奥斯)等人，Surface and Coatings Technology(表面与涂层技术)，56(1992)89-95。

此外，烧结碳化物基体上的α-氧化铝涂层已经显示出由层离和其他降解途径导致涂层过早失效的重要附着问题。烧结碳化物上的α-氧化铝涂层中的附着问题归因于在α-氧化铝沉积过程中涂层与基体之间显著发展的界面孔隙率，例如，见Chatfield(查特菲尔德)等人，Journal de Physique(物理学杂志)，Colioque(合订本)C5，supplement au n(增刊)5，Tome(卷)50卷，mai(5月)1989。

针对这些发现，已广泛地研究和开发α-氧化铝粘合层。附合层设置在烧结碳化物基体的表面上，以确保α-氧化铝的成核和生长，并减轻或消除界面孔隙的发展，例如，见Halvarsson(哈尔瓦松)等人，Surface and Coatings Technology(表面与涂层技术)，68/69(1994)266-273和Halvarsson(哈尔瓦松)等人，Surface and Coatings Technology (表面与涂层技术)76/77(1995)287-296。

基于多晶立方氮化硼(PcBN)的切削刀具因cBN的高硬度和高热稳定性(高达约980℃)日渐流行。例如，在对表面硬化钢和完全硬化钢、超耐热合金、冷硬铸铁和灰口铸铁进行机加工的应用中都看到PcBN切削刀具。另外，基于PcBN的切削刀具可对于清洁的机加工过程实行无润滑运行，从而节省冷却剂、维修和清理成本。

与烧结碳化物相似，基于PcBN基体的切削刀具也可以通过应用不同的耐火涂层而受益。例如，PcBN切削刀具基体已配有TiCN、TiOCN、TiN和Al₂O₃涂层。然而，当使用烧结碳化物时，α-氧化铝在PcBN切削刀具基体上的沉积发生在一个或多个中间层在基体上的使用过程中，包括结合层或改性层。授予Gates(盖茨)等人的美国专利7,455,918披露了PcBN切削刀具，其中α-氧化铝是沉积在PcBN基体和α-氧化铝层之间存在的改性层上。

发明内容

鉴于上述内容，在一个方面中，本发明提供了包括一个PcBN基体的涂覆的切削刀具，其中一个单相α-氧化铝层通过化学气相沉积而直接沉积在该基体的一个或多个表面上。在某些实施方案中，在此描述的一种涂覆的切削刀具包括一个基体和附着到该基体上的一个涂层，该基体包括大于80重量百分比的PcBN，并且该涂层包括通过化学气相沉积而直接沉积在该基体的一个表面上的一个单相α-Al₂O₃层。在某些实施方案中，被直接沉积在包括大于80重量百分比的PcBN的基体的一个表面上的一个单相α-Al₂O₃层具有大于70N的临界负荷(L_c)。