[发明专利]具有陶瓷涂层的切削刀片

说明书

技术领域

本发明涉及改良的涂层系统，并具体但不排它地涉及新颖的厚涂层 及其制造方法，例如用于施加至适合的基材以提供具有增强性能比如更 长工作寿命的切削工具(cutting tool)、刀片(insert)及可更换的切削 头(cutting head)。

背景技术

使用切削工具以通过切削、车削、铣削、钻削等来加工金属工件。 为了确保有效率地将碎屑从工件上除去，同时确保切削工具的长工作寿 命，要求切削工具刀片硬且韧。

然而，硬度可能与脆度相关。由于即硬又韧，由硬质陶瓷颗粒在金 属基质中构成的复合材料是用于刀片的极受欢迎的选择。已经开发出许 多这样的陶瓷金属复合材料或金属陶瓷(cermet)。由碳化钨晶粒在钴 基质之中构成的所谓硬质金属或烧结碳化物(cemented carbide)，具体 为WC-Co，是选择用来制造切削工具刀片以用于许多用途的材料。

在加工中，刀片除去碎屑并使工件成形，但也将它们自身磨损掉。 切削工具刀片的磨损发生在它们与所述工件的接触表面，并通常可归因 于与该工件的力学、化学和热相互作用。

机床停机而更换刀片通常是昂贵的作业。许多研究涉及通过施加硬 涂层而改善刀片的耐磨损性。硬度是塑性变形阻力的度量标准，并且硬 度和耐磨损性之间具有关联。虽然涂层增加了耐磨损性，但是它们常容 易发生灾害性失效方式比如剥落等。

涂层可通过一系列涂层技术而形成在刀片之上，所述涂层技术通常 分类为PVD(物理气相淀积)或CVD(化学气相沉积)。

PVD提供极良好的性能。涂覆是直接从出发点到接受点来进行的 (coating is only line-of-sight)。PVD涂层的特征在于来自沉积加工的压 缩残余应力。由于涂层厚度增加时通过剥落所致涂层破坏的危险，PVD 通常限制为薄涂层。

CVD涂覆不是直接从出发点到接受点的(CVD coatings are not to line-of-sight)。而且，沉积温度典型地要比PVD技术的更高，这促进 在涂层和基材之间产生扩散诱导的界面，这允许实现良好的粘附。事实 上，良好的粘附是对刀片涂层的一个重要要求。

此外，存在一些只对一种或其它涂层技术实用的材料和材料-基材组 合。

40多年来，CVD(化学气相沉积)被用于涂覆刀片，由此改善它们 在机械加工中的性能。TiN、TiC和TiC，N的涂层可以通过将四氯化钛 与其它气体反应并除去由此形成的气态氯化物而沉积在合适的基材上：

TiCl₄+N₂+H₂→TiN+氯化物和其它气体；

TiCl₄+CH₄+H₂→TiC+氯化物和其它气体；

TiCl₄+N₂+CH₄+H₂→TiCN+氯化物和其它气体。

Al₂O₃涂层可以以类似的方式制备：

Al+HCl+H₂→AlCl₃+H₂；

AlCl₃+H₂+CO₂+H₂S→Al₂O₃+氯化物和其它气体，

其中H₂S用作催化剂；增强Al₂O₃涂层的沉积速率和厚度均匀性。

应该意识到，在过去数年中，其它化学气相沉积路线已经可以用于 TiN、TiC、TiCN和Al₂O₃的沉积，并且上述使用氯化钛和氯化铝的路 线仅作为非限定性实例给出。