[发明专利]涂覆的切削工具

说明书

发明领域

本发明涉及覆盖涂层的切削工具，所述涂层包含至少一个嵌入非晶Si₃N₄基体的结晶(TiAlCr)N的纳米复合物的纳米层。

发明背景

为了增加涂覆的切削工具的寿命、提高加工速度以及改善加工表面的质量，新的涂层正不断被开发。在高切削速度下较长的工具寿命在增加生产的同时降低了维护和人员成本。使用在高工作温度下用最少的润滑剂保持硬度或者用于干加工的切削工具降低了成本且环境友好。

已知(US2007/0184306)用硬膜涂覆切削工具，所述硬膜由M_1-a-bAl_aSi_b(B_xC_yN_1-x-y)组成，其中M表示Ti和Cr。在此膜中Al(a)的原子比的下和上限分别为0.05和0.5。该硬涂层膜具有无六方晶体和/或非晶相的晶体结构，因为根据发明人，六方相或非晶相的存在降低了所述硬涂层膜的硬度。

JP2002337002公开了一种切削工具，其涂有至少一个层，所述层由以下形成：非晶化合物相，其包括Si，并与Ti、Al、Si混合，具有相对富含的Si并具有至少一种选自C、N、O、B的元素，和结晶化合物相，其与Ti、Al、Si混合，具有相对少量的Si，具有至少一种选自C、N、O、B的元素。

已知通过非晶(a)基体a-Si₃N₄将至少1μm的两相纳米复合物涂层“粘合”在一起，所述涂层具有纳米结晶(nc)晶粒nc-TiN、nc-(Al_1-xTi_x)N或nc-(Al_1-xCr_x)N(Veprek等，Thin Solid Films 476(2005)1-29)。a-Si₃N₄的Si原子与氮以共价键连接，显示101.7±0.1的Si 2p结合能。所述非晶Si₃N₄基体具有比块体SiN_x更大的剪切力和减聚强度。

此涂层的一个优势是提高的硬度，维氏硬度Hv超过40GPa。设计超硬及热稳定纳米复合物的一般概念基于热力学驱动的亚稳线(spinodal)相分离，其导致通过自组织形成稳定的纳米结构。为了在沉积过程中实现这一点，在相对高的沉积温度下(500-600℃)需要充分的高氮活性(分压≥0.02mbar)。氮提供高的热力学驱动力且温度保证了在沉积过程中扩散速率受控的相分离充分快地进行以获得相分离。化学计量TiN和Si₃N₄的混合体系的吉布斯自由能的热力学计算显示，在上述沉积温度和氮气压力下，相分离具有亚稳线性质。(R.F Zhang，S.Veprek/Material Science and Engineering A 424(2006)128-137和S.Veprek等/Surface and Coatings Technology 200 3884(2006)3876-3885)。因此，当在这些条件下沉积时纳米结晶相不应该有任何Si含量。

纳米复合物涂层nc-(Al_1-xTi_x)N/a-Si₃N₄的另一优势是薄的a-Si₃N₄基体使富Al的(Al_1-xTi_x)N亚稳固溶体稳定，防止其分解为立方c-TiN和六方h-AlN以及伴随的涂层软化。已知在不含Si的(Al_1-xTi_x)N涂层中(Al_1-xTi_x)N在约700℃的温度下开始分解。nc-(Al_1-xTi_x)N/a-Si₃N₄的纳米复合物层在最多1200℃稳定。