[发明专利]经涂覆的切削刀具、切削部件或耐磨件

说明书

发明领域

本发明涉及提供用于包括切削刀具、切削部件和切削刀头、耐磨 件的一般应用的保护性涂层，从而提供延长的工作寿命。

发明背景

为了通过切削、车削、铣削、钻削等对工件进行加工而使用了切 削刀具。切削刀具移除多余材料，此后移除切屑，从而使工件成形。 但是，切削刀具在加工过程中本身会磨损，且需要更换。硬度和耐磨 性之间存在关联。为了确保从工件上高效地移除切屑，同时确保切削 刀具有长的工作寿命，切削刀具需要是坚硬且坚韧的。

然而，硬度可能与脆度相关。由于既坚硬又坚韧，在金属基质中 包括硬陶瓷颗粒的复合材料对于切削刀具来说是非常普遍的选择。已 经开发了许多这样的陶瓷-金属复合物或金属陶瓷。在金属基质(例 如，诸如钴)中包括碳化钨颗粒的所谓硬金属是用于制造用于许多应用 的切削部件的精选材料。用语“切削部件”包括例如刀片、夹头、切 削板、实心碳化物切削头、钻头和端铣刀等。

用语“耐磨件”描述的是磨损是公认的问题的应用中所使用的构 件。耐磨件可用于各种磨损应用，例如，诸如机器零件，纺织机器零 件，滚球轴承，滚柱轴承，在热交换器、涡轮式装载机、燃气轮机中 的运动零件，排气阀，喷嘴，例如用于挤压或拉丝的制造过程模具， 冲压机，下料工具，热锻和冲压，铸模，剪切刃口，用于泵的柱塞杆， 柱塞球坯，井下泵止回阀坯，衬套以及其它磨损和冲击应用。

耐磨件通常由碳钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢或马氏体不锈 钢、热加工工具钢、冷加工工具钢、51000钢、镍和钴超合金以及高 速钢制成。

将理解的是，切削部件和耐磨件的磨损发生在它们的接触面处， 且这可归因于机械型或摩擦型磨损或磨耗。切削刀具的磨耗常常由化 学侵蚀增强，例如，诸如氧化，其中切削刀具材料与周围空气和/或工 件和/或湿式加工过程中的冷却流体和润滑剂反应。

更换切削部件时的切削刀具的停工时间和在其中更换耐磨件的 其它应用的停工时间的代价很高。许多研究涉及通过应用硬质和/或耐 化学的涂层来改进这样的切削刀具和耐磨件的耐磨性，以提高它们的 工作寿命。

压痕硬度是抗塑性变形性的量度。压痕硬度和莫氏硬度之间有很 强的关联，莫氏硬度指示材料抵抗擦伤的相对抵抗力，大体上，材料 越硬，耐磨耗力就越强。

由于硬度是抗塑性变形性的度量，不幸的是硬度和脆度之间有一 般的关联，而且材料越硬，脆度就越高，即应力更有可能将会通过裂 纹扩展而非塑性变形来释放。由于以上原因，通常发现材料对逐渐磨 耗的抗性越强，该材料就越可能受脆性破坏的影响。常常发现抗缓慢 磨损的涂层趋向于受灾难性故障形式的影响，例如热震、散裂、涂层 分层等。

对于切削刀具和耐磨件的材料科学研究和表面工程的大体要点 是开发这样的坚硬、坚韧(不脆)的涂层：其通过在表面上提供对抗造 成磨损的主要原因(热、化学侵蚀和磨耗)的保护来提高切削刀具和耐 磨件的工作寿命。

可通过通常被分类为PVD(物理气相沉积)或CVD(化学气相沉积) 的一些涂覆技术使涂层形成于切削部件和耐磨件上。

PVD提供非常好的属性，且涂层沉积率大体上相当于CVD技术 的涂层沉积率。PVD工艺的一个特征是，涂层仅可应用于基底的视线 区域，且不能应用于孔中和被遮蔽了的表面上。来自涂层沉积的残余 应力可能是压缩性的，而且这些应力可能会使涂层剥落。因为当涂层 厚度增加时的低沉积率以及由于来自沉积过程的拉伸内应力和残余 应力而引起的涂覆失效的风险两者，PVD一般限于薄涂层。

相反，CVD涂层不局限于视线沉积。可沉积几微米的相对厚的涂 层，而且因为取决于基底残余应力可能是拉伸性的或压缩性的，所以 涂层更不易散裂。此外，沉积温度通常比PVD技术的沉积温度高得 多。这有利于在涂层和基底之间形成允许实现良好的粘附的扩散引起 的界面。事实上，对于应用于切削部件和耐磨件的涂层来说，良好的 粘附是关键要求之一，且40多年来，一直使用CVD(化学气相沉积) 来涂覆切削刀具、切削部件和耐磨件，从而提高它们的性能和有效工 作寿命。

将理解的是，一些涂层和涂层-基底组合有利于它们自身进行一 种或其它沉积过程，且存在许多这样的材料：对于它们而言，仅有一 种或其它工艺路线是可实行的。

可通过使四氯化钛与其它气体反应，且去除由此形成的气态氯化 物来使TiN、TiC和Ti(C，N)涂层沉积到合适的基底上：