金刚石涂覆体 本发明涉及一种具有良好结合性和耐磨损性的金刚石涂层的金刚石涂覆体，尤其是一种用于切削含有例如Si和Cu等合金元素的Al合金及其同类的切削刀具。
为了涂覆切削刀具、钻头、刀子等，通过CVD或PVD技术由气相直接制备金刚石薄膜具有相当重要的意义。Derjaguin及其同事在1977年于莫斯科已经报导了用适宜的沉积速率来气相沉积金刚石。在80年代初期一组日本科学家再现这些结果后，全世界开始深入研究CVD金刚石。已描述了一系列由气相制备金刚石涂层的新方法，包括热阴极法、微波等离子体法、弧光放电等离子体法、气焰法、空心阴极法及不同形式的等离子流法。通常是用纯氢气外加0.1到5.0％的CH4作为气体混合物，但也可用其它碳氢化合物气体作为碳的来源。另外，可通过添加其它气体例如含氧气体和惰性气体来控制金刚石膜的纯度和质量。
在用于机械加工的切削刀片(也称为衬底)上通过CVD技术涂覆金刚石膜的主要问题证明是金刚石涂层的粘附力不高。刀片的表面特性对粘附的影响很大。然而，据认为粘附力低的主要原因是涂层/衬底间的界面上形成了空洞和非金刚石的碳材料以及涂层内有很高的压应力。形成高残余应力(压应力)的部分原因是金刚石的热膨胀系数低。
切削应用中待镀金刚石涂层地衬底包括硬质合金和陶瓷例如SiAlON和Si3N4，并且大家都知道在这类衬底上沉积金刚石的技术。然而，如上面所述，这些原有技术的产品从加工试验来判断，其金刚石膜的粘附力不足。补救粘附力低的一个推荐措施是使用一种性能与原始衬底材料相比更适应金刚石的中间涂层。JP-A-59-166671和JP-A-59-166672中叙述了一种对硬质合金或金属合金进行金刚石镀覆的方法，在金刚石镀覆之前，先镀一层由周期表的IV、V或VI族过渡金属或硅、硼或铝的各种碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物构成的内部中间层。也提及了用任一种这些涂层作为最外层的可能性。膜是通过磁控溅射沉积的。据说刀具具有优异的耐磨损性能，然而并没说最外涂层的存在(不是金刚石涂层)会以与中间涂层相同的方式影响耐磨损性。
US4,707,387是说明中间涂层提高金刚石涂层与衬底之间的粘附力的另一个例子。该专利描述了一种在金刚石涂层与衬底间有一金属薄涂层的化合物体，该金属涂层对碳、特定的碳化物、氮化物和氧化物或一种贵金属有较强的亲和力。也提及了用任一种这些涂层作为最外层的可能性，但并不是特别有利。
在CIRP年刊vol.41(1)1992，p381中描述了一种用铬或碳化铬的功能涂层涂覆金刚石颗粒的方法。然而该文着重讨论了涂铬的金刚石颗粒与周围混有这些颗粒的基体之间的粘附。
现已令人惊奇地发现，如果在金刚石涂层上沉积一层氮化铬、碳化铬或碳氮化铬的涂层，就可显著提高硬质合金或陶瓷体尤其是切削刀片上金刚石涂层的抗剥落性及耐磨损性。即使在切削加工过程中局部容易磨掉该含铬层，以所加工的零件数或涂层磨坏的时间来衡量，该层的存在典型地可提高至少50％的使用效果。如果涂层经历机械后处理例如用硬质颗粒喷砂或涂刷，还可进一步提高这个有利效果。典型地，通过沉积含铬层和机械后处理的综合处理，使用效果可增加两倍。
图1是根据本发明的一种涂层的4000倍扫描电镜显微照片，其中：
A-CrN层
B-金刚石层
C-硬质合金衬底
根据本发明，现提供了一种涂层中含有至少一层金刚石和在金刚石层外至少一层氮化铬、碳化铬或碳氮化铬优选地氮化铬的物体。在多于一层金刚石层的情况下，该金刚石层是涂层的最外层金刚石层。优选地含铬层与此金刚石层直接接触，但在含铬层与该金刚石层之间也可有一层厚度＜1μm的含有耐磨损或金属材料的薄层。
通常含铬层是最外层，但正如原有技术中所知，在它的上面也可有一层0.1-3μm厚的含有另一种耐磨损、金属或着色材料的附加层。
在一个优选的实施方案中，该金刚石层与被涂覆体直接接触，或是在这里被一层＜3μm厚的耐磨损或金属材料层分开。
金刚石层的厚度在1—20μm的范围内，优选地为4-15μm。含铬层的厚度为0.1-5μm。后者的厚度经常是金刚石层厚度的＜200％，优选地＜50％。
金刚石涂层的晶粒尺寸优选地为＜15μm，最优选地为3-10μm。含铬层的晶粒尺寸为＜1μm。
含铬层具有(或经处理后具有)的表面粗糙度Ra为0.1-0.5μm，优选地为0.2-0.3μm。
根据本发明，进行沉积的衬底包括硬质合金和陶瓷例如SiAlON和Si3N4。优选地，硬质合金衬底具有Co贫化表面区。这可以，例如，如EP464012中所公开的那样通过部分碳化一个含η相的衬底来获得。
根据本发明，也提供了一种制备具有高粘附力的金刚石涂覆体的方法。首先该基体通过任何已知金刚石CVD或PVD沉积技术例如通过热阴极、DC(直流)、RF(射频)和MW(微波)等离子体、空心阴极或等离子体流的方法涂覆至少一层金刚石。这些方法是用不同混合比的碳氢化合物和氢气在低压(1—1000毫巴)下形成金刚石。在某些方法中金刚石沉积层可能只覆盖住部分衬底。在(最外)金刚石层的外部，优选地在它上面，沉积至少一层碳化铬、氮化铬或碳氮化铬。含铬层可使用任何已知的对金刚石层无不良作用的CVD或PVD方法，优选地PVD技术，最优选为离子镀。
优选地，衬底在涂覆后经历一次机械后处理以便使表面光滑。这样的机械处理的一个例子是用硬质颗粒例如粒度典型地为100-400目的Al2O3、SiC、WC或金刚石进行轻度的湿法喷砂处理。另一个例子是用SiC刷，以金刚石或SiC粉末(典型地为100-300目)为涂刷剂进行轻微的涂刷处理。优选地，在刀刃面积的25-75％内部分地除掉最外层。
根据本发明制备的金刚石涂覆切削刀具的加工性能有很大提高，其原因可能是在机械加工过程中，由于含铬层比纯CVD金刚石膜更平滑，因而减小了切削力。由于切屑接触的是平滑的含铬层，因此有利于切屑的去除。
本发明参考金刚石涂层切削刀具做了描述，但本发明也适用于其它涂层的刀具例如用于钻削岩石的刀具和耐磨件，并适用于其它超硬涂层例如通过CVD或PVD方法沉积的cBN膜。
实施例1
具有Co贫化表面区的6个WC-6％Co硬质合金刀片首先用微波辅助等离子体CVD法涂覆一层10μm厚的金刚石层。该层的晶粒尺寸为大约10μm。在该金刚石层上用反应离子镀工艺沉积由2μm CrN构成的第二层。
所得到的平滑CrN层的表面粗糙度Ra＝0.25μm。
使用下述切削参数对刀片进行Al-9％Si合金的铣削剥落试验：
V＝1000米/分
f＝0.3毫米/刀
a＝1毫米
湿法切削
试验中金刚石/CrN涂层组的刀片能持续320道，与此相比，金刚石膜组的刀片只持续170道。
实施例2
6个Si3N4刀片如在实施例1中那样涂覆一层10μm厚的金刚石层，在该金刚石层上如在实施例1中那样沉积一层4μm CrN层。所得的平滑CrN层的表面粗糙度Ra＝0.25μm。
使用下述切削参数对刀片进行Al-4％Cu-0.3％Si合金的铣削剥落试验：
V＝1000米/分
f＝0.3毫米/刀
a＝1毫米
湿法切削
试验中金刚石/CrN涂层组的刀片能持续150道，与此相比，金刚石膜组的刀片只持续70道。
实施例3
一个具有Co贫化表面区的WC-6％Co硬质合金刀片首先用类似于实施例1但沉积时间短的微波辅助等离子体CVD法涂覆一层5μm厚的金刚石层。该层的晶粒尺寸为大约7μm。在反应离子镀反应器内在金刚石层上沉积一层由1μm CrN构成的第二层。用离子镀法在CrN层上面沉积一层2μmTiN层。
所得到的刀具表面的表面粗糙度Ra＝0.23μm。
使用下述切削参数对刀片进行Al-18％Ai合金的车削试验：
V＝700米/分
f＝0.1毫米
a＝0.6毫米
湿法切削
金刚石/CrN/TiN涂层刀片在涂层裂坏前持续了44分钟而具有5μm厚金刚石涂层的刀片只持续了16分钟(当涂层剥落时)。
实施例4
一个具有Co贫化表面区的WC-6％Co硬质合金刀片用热阴极反应器涂覆一层10μm金刚石层。在金刚石层上如在实施例1中那样沉积一层由2μmCrN构成的第二层，然后用200目的Al2O3颗粒对刀片进行湿法喷砂处理。
得到一层平滑的、粘附良好的CrN层(即观察不到自发的剥落)。表面粗糙度Ra＝0.2μm、在刀刃局部去除CrN但CrN在刀片的其它部分仍粘附良好。
使用下列切削参数对刀片进行Al-18％i合金的车削试验：
V＝700米/分
f＝0.1毫米
a＝0.6毫米
湿法切削
金刚石/CrN涂层的且喷砂处理过的刀片在膜裂坏前持续了240分钟，而金刚石/CrN涂层的没经喷砂处理的刀片持续了180分钟，具有10μm厚金刚石涂层的刀片只持续了50分钟。
实施例5
一个具有Co贫化表面区的WC-4％Co硬质合金刀片如在实施例1中那样涂覆一层金刚石层。用PVD离子溅射法在金刚石层上沉积一层由2μmCrN构成的第二层。然后用SiC刷，以150目的金刚石粉末作为涂刷剂对刀片进行涂刷处理。
得到一层平滑、粘附良好的CrN层。表面粗糙度Ra＝0.2μm。在刀刃局部去除CrN但CrN在刀片的其它部分仍粘附良好。
用下述切削参数对刀片进行Al-18％Si合金的车削试验：
V＝700米/分
f＝0.1毫米
a＝0.6毫米
湿法切削
金刚石/CrN涂层的经涂刷处理的刀片在膜裂坏前持续了200分钟，而具有10μm厚金刚石涂层的刀片只持续了50分钟。
实施例6
在一个具有Co贫化表面区的WC-6％Co硬质合金刀片上沉积一层5μm厚的金刚石层。金刚石层外再另外用1μm厚的CrN层进行涂覆。然后用200目的Al2O3喷砂颗粒对刀片进行湿法喷砂处理。
用下述切削参数在最终使用场所对刀片进行Al-7％Si合金的零件车削试验：
V＝1500米/分
f＝0.8毫米
a＝1-3毫米
干法切削
用金刚石/CrN涂层刀片加工了164个零件，而使用具有5μm厚金刚石膜的刀片只加工了99个零件。破坏机理是涂层剥落。
实施例7
在一个具有Co贫化表面区的WC-6％Co硬质合金刀片上沉积一层10μm厚的金刚石层。接着用2μm厚的CrN层涂覆金刚石。
用下述切削参数在最终使用场所对刀片进行Al-7％Ai合金的车削试验：
V＝2500米/分
f＝0.25毫米
a＝0.5毫米
干法切削
用金刚石/CrN涂层刀片加工了136个零件，而具有10μm厚金刚石膜的刀片只加工了88个零件，破坏机理是膜剥落。