[发明专利]在刀具上沉积细粒氧化铝涂层的方法

说明书

本发明涉及一种在刀具上沉积细粒的、结晶Al₂O₃(氧化铝)涂层的方法，其中刀具基材为烧结硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或高速钢，该方法是用化学反应物AlCl₃、O₂、H₂和Ar通过等离子体化学气相沉积法(PACVD)进行的。等离子体是通过加在两个电极或两组电极上的双极脉冲直流电压而产生的。通过本发明的方法，可以高沉积速率、平稳、高质量地沉积由单相γ-Al₂O₃或γ-和α-Al₂O₃混合物组成的涂层。当用于刀具时，所述的涂层具有良好的耐磨性。根据本发明的方法，结晶Al₂O₃涂层可在低至500℃的沉积温度下得到。

众所周知，对于金属削切中所用的烧结硬质合金刀具，其耐磨性可通过采用金属氧化物、碳化物或氮化物的硬表面薄层而显著增加，其中金属选自周期表Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族的过渡金属，或选自硅、硼和铝。涂层的厚度通常在1～15μm间变化。用于沉积这种涂层的最广泛的技术为PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)。二十多年前即可从市场上购得涂铝的硬质合金刀具。通常所用的CVD技术涉及在约1000℃高温下，从AlCl₃、CO₂、和H₂的反应性气体氛中将物料沉积在基材表面上。

Al₂O₃结晶成多种不同的晶相，如氧原子以hcp(密排六方晶格)形堆积的被称为“α-系”的α(alfa)、κ(kappa)和χ(chi)，以及氧原子以fcc(面心立方晶格)堆积的被称为“γ-系”的γ(gamma)、θ(theta)、η(eta)、δ(delta)。1000～1050℃下，按CVD法在硬质合金上沉积涂层中的最常见的Al₂O₃的晶相为稳定的α-相和亚稳态的κ-相，但是，偶尔也能观察到亚稳态的θ-相。这些α-、κ-和／或θ-相的Al₂O₃涂层均为全部结晶且晶粒大小为0．5～5μm，且该涂层具有良好小面化的晶粒组织。

约1000℃的原有高沉积温度使硬质合金基材上的CVD Al₂O₃涂层中的总应力为拉伸应力。因此，总应力取决于硬质合金基材与涂层之间的不同热膨胀系数所引起的热应力。拉伸应力可超过Al₂O₃的断裂极限，引起涂层大范围的破裂，从而在整个Al₂O₃层上产生网状的冷却裂缝。

希望能找到另一种可用于制备耐磨涂层如铝的沉积方法，特别是可在较低的基材温度下操作的方法。因此，它不仅能涂覆对温度更敏感的工具基材，如高速钢，也能消除涂覆中由热应力引起的冷却裂缝。在较低温度下沉积的耐磨涂层可产生更精细的晶粒组织，并可能获得更高的涂层硬度。

能在刀具上制成耐磨涂层如TiC、TiN和Al₂O₃的潜在的低温沉积技术有PVD(物理气相沉积)和PACVD(等离子化学气相沉积)。但是在沉积诸如Al₂O₃等高绝缘层时，采用这些基于等离子体的技术会产生一些问题。氧化铝层不仅在基材表面上生长，还在等离子体区域的所有表面上生长，同时在阴极／电极上生长。此外，这些绝缘层被带电，引起电击穿和电弧。后一现象自然地不利影响了涂层的生长速率和质量。

一种解决上述问题的方法是在DD 252 205和US5，698，314中公开的双极脉冲DMS技术(双磁控管喷镀)。在双极双磁控管体系中，两个磁控管可交替作为阴极和阳极，因此可使磁控管长期保持为金属态。在足够高的频率时，绝缘层上可能的表面充电将被抑制，从而限制了电弧带来的麻烦。根据US 5，698，314，DMS喷镀技术可在基材温度低于800℃时沉积并制成高质量的、良好附着性的结晶α-Al₂O₃薄层。

由于较低的操作压力，PVD技术通常具有所谓“视线”法的缺点，即仅能涂覆面向离子源的表面。该缺陷可通过在沉积期间，旋转基材而在一定程度上得到弥补。