[发明专利]阴极电弧沉积法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用阴极电弧沉积工艺、特别是高电流阴极电弧沉积工艺在切削工具基体上沉积覆层的方法，用于形成被覆的切削工具。

背景技术

如今，用于车削、铣削、钻孔或其他切割品成型加工的大多数切削工具都被覆有耐磨覆层，所述覆层利用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术而沉积，以延长工具的使用寿命和/或提高生产率。通常，较厚的覆层是所期望的，因为可以提高耐磨性。这对于CVD覆层而言很容易实现。但是，与CVD覆层相比，PVD覆层具有一些吸引人的性质，特别是在覆层中提供压缩应力的能力，这提供了比CVD覆层高的韧性。这些压缩应力基本源于基体与覆层之间的热膨胀差异，以及因沉积过程中高能离子的轰击所致的致密化作用。离子轰击的这种有利效果难以存在于所有PVD技术(如热蒸发)中，但在溅射沉积中很普遍，并且通过阴极电弧沉积，压缩应力可以变得极高，通常因入射离子的高动能而高于5GPa。对基体施加偏压是提高动能的标准方法，并且用于形成认为获得所期望的机械性质所必须的硬质覆层。致密化通常引起覆层材料硬度提高和耐磨性增加。与潜在的高沉积率相结合，这使阴极电弧沉积技术成为用于切削工具沉积覆层的受关注的替代技术。

然而，由于过重的离子轰击可产生缺陷，并且过高的压缩应力最终将自发地或因加工过程中作用在覆层上的力而导致覆层脱层，对于厚覆层而言尤其如此。因此，覆层中的应力水平通常需要得到控制，以获得最高的可能的压缩应力而不过多地损害覆层的附着。特别是，沿被覆的切削工具刀片的刃口的剥落是公知的问题。例如，US 7,838,132公开了在-40V～-200V的不同基体偏压下利用200A的电弧电流在硬质合金基体上阴极电弧沉积约3μm厚的(Ti,Al)N覆层，并得出结论：在约-70V时效果最佳，其存在超过4GPa的高压缩应力，但仍可实现良好的附着性。

因此，现有技术的阴极电弧沉积工艺的问题是需在对于耐磨性至关重要的覆层厚度与覆层的机械性质、特别是韧性方面的质量之间进行折衷。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种阴极电弧沉积工艺，所述工艺能够获得在切削工具上的厚PVD覆层，所述切削工具例如为由硬质合金(cemented carbide)、金属陶瓷、高速钢、立方氮化硼和多晶金刚石制得的被覆的切削工具刀片，以提高耐磨性，并且不会使如附着性或耐剥离性等其他性质劣化。这通过独立权利要求所限定的方法而实现。

根据本发明的一个实施方式在真空室内在切削工具基体上阴极电弧沉积覆层的方法包括：通过在充当阴极的板状靶电极(target)与阳极排布组(anode arrangement)之间施加至少200A的电弧电流，由作为板状靶电极表面上的一个或多个弧斑而可见的电弧放电生成等离子体，使得电弧放电的离子由板状靶电极发射出来，从而在切削工具基体上形成覆层。

根据本发明的一个实施方式，已经发现，所要被覆的基板表面的离子电流密度对于覆层的性质极其重要。离子电流密度的一个度量是由一个或多个板状靶电极产生的总离子电流。总离子电流可以通过测量离子电流密度并将测得的离子电流密度乘以板状靶电极的总表面积而估测，所述测量利用相对于阳极排布组的电势具有负偏压并且距靶电极表面15cm面向板状靶电极的探针表面来进行。优选的是，离子电流为至少5A，所述离子电流作为板状靶电极的中心沿靶电极表面的法向的平均离子电流密度乘以板状靶电极的总表面积而确定，所述平均离子电流密度系利用距靶电极表面15cm面向板状靶电极的探针表面而测量。

利用小型靶电极不容易实现这种高总离子电流密度，这是因为电弧的能量密度通常变得过高，以致于不能有效控制靶电极材料的蒸发，因此将有不可接受的数量的微滴自靶电极表面发射，这对覆层质量是不利的。通过使用较大的靶电极表面积，靶电极上的电流密度和局部热负载可以保持在中等水平，同时提供高总离子电流。

在本发明的一个实施方式中，板状靶电极的表面积大于500cm²，优选大于1000cm²。由此，电弧放电可以分支化为基本在靶电极整个表面区域上分布的多个弧斑。高电弧电流促进所述分支化。分支化的一个优点在于，在靶电极的整个表面区域上的等离子体中提供了较均匀的离子电流密度。这可以作为沉积过程中靶电极表面的基本均匀的发光而观察到。分支化的另一优点在于能够获得改进的靶电极利用。又一优点在于，可以在整个真空室中获得均匀的沉积条件，由此可以在一批所要被覆的基体中获得均匀的覆层厚度和性质。