[发明专利]具有涂层的切削工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括基体和较厚的PVD涂层的具有涂层的切削工具。

背景技术

大多数用于车削、铣削、钻削或形成切屑的其他机械加工的切削工具如今都涂覆有使用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术沉积的耐磨涂层，由此能够延长该工具的使用寿命和/或提高生产率。通常，为了提高耐磨性而使用较厚的涂层。对于CVD涂层而言，这容易实现。然而，与CVD涂层相比，PVD涂层具有若干个引人注目的性质，特别是在涂层中提供压缩应力的能力，这与CVD涂层相比会带来提高的韧度。该压缩应力基本上源于基体和涂层之间的热膨胀差异以及沉积过程中的高能离子轰击所带来的致密化效应。这种有利的离子轰击效应几乎不存在于所有的PVD技术(例如热蒸发)中，但却广泛存在于溅射沉积中；在进行阴极电弧沉积时，由于碰撞离子的高动能，压缩应力可以变得过高，常常大于5GPa。对基体施加偏压是提高动能的标准方法，并用于硬涂层，认为硬涂层对于获得所需的机械性质而言是必要的。致密化通常导致涂覆材料的硬度增加和耐磨性增加。结合潜在较高的沉积速率，这使得阴极电弧沉积技术成为用于切削工具涂层沉积的令人关注的替代性技术。

然而，由于过重的离子轰击，可能产生缺陷，而且过高的压缩应力最终会使涂层(特别是厚涂层)自发脱层或因机械加工过程中作用于涂层上的力而脱层。因此，通常控制涂层中的应力水平，从而在不过多地破坏涂层的粘着的情况下获得最高可能的压缩应力。特别而言，沿着具有涂层的切削工具刀片的刃部的剥落(flaking)是已为人熟知的问题。例如，US7,838,132公开了在烧结碳化物基体上阴极电弧沉积约3μm厚的(Ti,Al)N涂层，其中在从-40V至-200V的不同的基体偏压下使用了200A的电弧电流，并且推断出在约-70V时最佳，在此处可以获得较高的压缩应力(即，大于4GPa)且仍具有良好的粘着。其他成熟的偏压施加技术能够在沉积过程中实现应力解除和键重排，由此在不严重遭受脱层问题的情况下获得较高的动能。

因此，现有技术的阴极电弧沉积方法面临如何权衡涂层厚度(对于耐磨性而言至关重要)与涂层的机械性质品质(特别是韧度)的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提高具有涂层的切削工具的耐磨性且不使其他性质(例如抗剥落性)劣化。另一个目的是提供带PVD涂层的工具，所述工具适合用于在钢中进行车削以及常使用CVD涂层的其他应用。这通过权利要求1所限定的具有涂层的切削工具来实现。

本发明的一个实施方式的具有涂层的切削工具包括基体和涂层，其中，所述涂层包括通过阴极电弧沉积而沉积的至少一个化合物层，所述涂层的厚度大于5μm、优选大于15μm、更优选大于20μm、进一步优选为10μm～30μm。就此目的而言，厚度是指具有涂层的切削工具的具有最厚涂层的侧面(即，后刀面(flank side)或前刀面(rake side))上的厚度。该厚度优选通过在抛光的截面上的距离刀刃线约0.2mm处通过光学显微镜来测量。对于不规则的表面，例如钻头和端铣刀的表面，本文给出的厚度是指对任何适度平坦的表面或具有相对大的曲率且离任何边缘或角都有一定距离的表面进行测量而得到的厚度。例如，对于钻头，所述测量应当在外周上进行。所述厚度超过了当前现有技术的利用PVD制造的具有涂层的切削工具的涂层厚度，因此具有优异的耐月牙洼(crater)磨损性，同时在后刀面磨损和剥落方面仍具有一样好或更佳的性能。所述化合物层包含选自第4族、第5族、第6族(IUPAC)、Si、Al和Y中的至少一种第一元素和选自N、B、O和C中的至少一种第二元素。

在一个实施方式中，所述化合物层包含选自由Ti、Al、Si、Zr、Ta、Nb、W、Va、Hf、Y、Cr组成的组的至少一种第一元素，更优选所述至少一种第一元素的氮化物或其组合，优选具有选自由(Ti,A1)N、(Ti,Al,Si)N、(Ti,Si)N、(Al,Cr)N、(Ti,Al,Cr)N和(Ti,Al,Cr,Si)N组成的组的组成，这会得到耐磨性硬涂层，特别是具有良好的耐研磨性。

所述化合物层可以以单层或多层结构的形式提供。此处的多层结构是指至少5个至数千个单独的层的堆叠体，优选包含至少两种重复交替的性质不同(例如，组成不同)的单独的层。所述重复可以是周期性的或非周期性的。与多层结构相反，单层在所述单层的整个厚度上都具有基本相同的性质。然而，在单层、多层结构的单独的层或多层结构的部分厚度或整个厚度上，一种或多种性质也可以连续变化。例如，可以形成组成梯度。