[发明专利]涂层系统、涂覆的基体和用涂层系统涂覆基体表面的方法

说明书

本发明涉及一种涂层系统，用于减少因机械加工操作导致的切削刀具的月牙洼(crater)磨损，尤其是有益于干法机械加工操作，例如滚削，并且能够采用不复杂的去除涂层工艺从切削刀具上去除。另外，本发明还涉及一种使用本发明涂层系统涂覆表面的方法。

现有技术

当用于干法或湿法机械加工操作时，切削刀具要经历各种不同的磨损条件。

例如，在高切削速度，干法机械加工操作中通常作为第一磨损迹象观察到月牙洼磨损。尤其是已经观察到，由于滚削，月牙洼磨损显著限制了切削刀具的使用寿命。

AlCrN基涂层是目前熟知的涂层系统，用于提高干法机械加工操作所用切削刀具的切削性能和使用寿命。

然而，尽管，当前按照现有技术，通过使用AlCrN基涂层获得了一些改善，但是日益增加的新的需求需要得到满足。

AlCrN基涂层的另一个优点在于，它能够通过并不复杂的去除涂层工艺从切削刀具去除，相对于如去除AlTiN基涂层必须采用的那些工艺，此类去除涂层工艺更容易、更便宜，并且通常对于切削刀具的表面损害更少。

本发明的目的

本发明的目的是提供一种AlCrN基涂层系统，与现有技术相比，该系统可以显著降低干法机械加工操作特别是滚削所用切削刀具的月牙洼磨损，并因此降低侧面磨损，因而显著提高切削性能和使用寿命。另外，本发明所提供的涂层系统应当能够通过简单的去除涂层工艺，从切削刀具去除。此外，本发明的目的是提供制备本发明涂层系统的方法，该方法应该可适用于切削刀具的涂覆。

发明描述

本发明的目的通过提供含有多层膜的涂层系统来实现，该多层膜由铝铬硼氮化物(Al-Cr-B-N)和铝铬氮化物(Al-Cr-N)纳米层形成，该多层膜呈现低导热系数、低磨料磨损(abrasive wear)系数、高硬度及优异的粘附强度的特定组合。

本发明涂层系统的一个优选实施方案的特征在于呈现低于3.0W/m·K的导热系数，优选低于2.5 W/m·K。

在本发明涂层系统的一个优选实施方案中，多层膜由彼此交替沉积的Al-Cr-B-N和Al-Cr-N纳米层形成。Al-Cr-B-N纳米层的元素组成为(Al_xCr_1-x-zB_z)N，其中如果存在于各Al-Cr-B-N纳米层中的Al、Cr和B原子的总量视为100％原子，则x＝50-80at-％，z＝5-30at-％，及x+z≤90at-％，优选x＝50-70 at-％，z＝10-20at-％，并且x+z≤80at-％，其中x和z分别为以原子百分比计的Al的浓度和B的浓度。Al-Cr-N纳米层的元素组成为(Al_yCr_1-y)N，其中如果存在于各Al-Cr-N纳米层中的Al和Cr原子的总量视为100％原子，则y＝50-80at-％，优选60-70 at-％，y是Al的原子百分比浓度。

在本发明涂层系统的另一个优选实施方案中，多层膜中Al-Cr-N纳米层厚度与Al-Cr-B-N纳米层厚度之比(厚度_AlCrN/厚度_AlCrBN)≤2，优选约为1。

在本发明涂层系统的另一个优选实施方案中，多层膜中两个彼此交替沉积的Al-Cr-N和Al-Cr-B-N纳米层的厚度(厚度_AlCrN+厚度_AlCrBN)≤200nm，优选≤100，更优选≤50nm，尤其是为约10-30nm。

本发明涂层系统的再一个优选实施方案在多层膜下包括基础层，基础层的元素组成为(Al_wCr_1-w)N，其中如果存在于基础层中的Al和Cr原子的总量视为100％原子，则w＝50-80at-％，优选60-70at-％，并且w为Al的原子百分比浓度。基础层厚度与多层膜厚度之比(厚度_基础层/厚度_多层膜)优选在2-5之间，更优选约3和4。

通过物理蒸气沉积(PVD)方法，可以特别好的制备本发明的涂层系统。

制备本发明涂层系统特别有利的是采用电弧离子电镀(AIP)沉积方法。

用于制备本发明涂层系统的涂覆方法的一个优选实施方案是电弧离子电镀方法，其中用于在基体表面上形成涂层的材料通过在氮气气氛中，电弧蒸发Al-Cr和Al-Cr-B靶而提供。