涂覆有硬質(zhì)材料的本體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種涂覆有硬質(zhì)材料的本體，該本體包括通過CVD施加的若干個(gè)層。在一個(gè)Ti1-xAlxN層和/或Ti1-xAlxC層和/或Ti1-xAlxCN層上安排一個(gè)Al2O3層作為外層。
【專利說明】涂覆有硬質(zhì)材料的本體
[0001]本申請是 優(yōu)先權(quán)日:為2008年3月12日、發(fā)明名稱為“涂覆有硬質(zhì)材料的本體”的中國專利申請200980108501.9 (國際申請?zhí)朠CT/EP2009/000309)的分案申請
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有通過CVD施加的多個(gè)硬質(zhì)材料層。
【背景技術(shù)】[0003]用于切削加工的切削刀具必須滿足就穩(wěn)定性和強(qiáng)度而言的嚴(yán)格要求，特別是在通過高切削速度下的車削來切削加工硬質(zhì)或韌性材料(例如淬硬鋼或淬火鋼)的過程中。該切削刀具的材料應(yīng)該特別地是耐磨損的，這在過去已經(jīng)致使燒結(jié)碳化物或金屬陶瓷基質(zhì)本體來配備一個(gè)表面涂層，其中最初鈦的碳化物、氮化物或碳氮化物以及后來還有氧化鋁層被用作磨損保護(hù)涂層。由不同的硬質(zhì)材料所構(gòu)成的多層磨損保護(hù)涂層也是已知的。例如，被安排在一個(gè)或多個(gè)中間層(如碳氮化鈦或氮化鈦)上的氧化鋁層被稱為減磨涂層。
[0004]WO 03/085152 A2披露了使用一種T1-Al-N層，該層可以通過PVD作為具有高達(dá)60%的鋁含量的一個(gè)單相層來生產(chǎn)。然而，在較高的鋁含量下，形成了立方體的和六邊形的TiAlN的混合物，并且在甚至更高的鋁含量下僅形成了更軟的并且不耐磨的六邊形的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0005]還已知單相TihAlx-N硬質(zhì)材料層(其中x=0.9)可以通過等離子體CVD來生產(chǎn)。然而，這種層構(gòu)成的不令人滿意的均質(zhì)性以及該層的相對高的氯含量是不利的。
[0006]當(dāng)使用PVD或等離子體CVD方法來生產(chǎn)TihAlxN硬質(zhì)材料層時(shí)，這些層的使用限制在低于700°C的溫度。一個(gè)缺點(diǎn)是復(fù)雜部件幾何體的涂覆存在很多困難。PVD是一種定向的方法，其中復(fù)雜的幾何體被不規(guī)則地涂覆。等離子體CVD要求高的等離子體均質(zhì)性，因?yàn)樵摰入x子體功率密度對該層的Ti/Al原子比率具有直接的影響。具有高的鋁含量的單相的立方體TihAlx-N層的生產(chǎn)通過工業(yè)中使用的PVD方法是不可能的。
[0007]通過一種常規(guī)的CVD方法在高于1000°C的溫度下沉積TiAl也是不可能的，因?yàn)樵搧喎€(wěn)的Ti1JlxN在這樣高的溫度下分解為TiN以及六邊形的A1N。
[0008]最終，在US6，238，739B1中所描述的用于通過一種無等離子體輔助的熱CVD方法在從550°C至650°C的范圍內(nèi)的溫度下生產(chǎn)(其中X在0.1至0.6的范圍內(nèi))的方法中，表明了對于具有X <0.6相對低的鋁含量的一種限制。那里說明的方法中，氯化鋁和氯化鈦以及還有NH3和H2作為氣體混合物使用。在這種涂層的情況下，同樣，必須接受達(dá)12原子％的聞的氯含量。
[0009]為了改進(jìn)耐磨性和抗氧化性,WO 2007/003648 Al提出生產(chǎn)一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有通過CVD的包含至少一個(gè)TihAlxN硬質(zhì)材料層的一個(gè)單層或多層涂層系統(tǒng)，出于這個(gè)目的將該本體在從700°C至900°C的溫度下通過沒有等離子體激發(fā)的CVD在反應(yīng)器中進(jìn)行涂覆，并且將在升高的溫度下被混合的鹵化鈦、鹵化鋁以及反應(yīng)性氮化合物用作前體。這給出了一種本體，該本體具有一個(gè)單相TihAlxN硬質(zhì)材料層，該材料層有立方NaCl結(jié)構(gòu)并且化學(xué)計(jì)量系數(shù)X為從>0.75至0.93 ;或具有一個(gè)多相層，該多相層包括TihAlxN (具有立方NaCl結(jié)構(gòu)并且化學(xué)計(jì)量系數(shù)x為從>0.75至0.93)作為主相以及一種纖鋅礦結(jié)構(gòu)和/或TiNxNaCl結(jié)構(gòu)作為另一個(gè)相。該氯含量是在從0.05原子％至0.9原子％的范圍內(nèi)。從該文件中還獲知可以得到具有按質(zhì)量計(jì)高達(dá)30%的非晶相層組分的這個(gè)或這些TihAlxN硬質(zhì)材料層。所得到的這些層的硬度是在從2500HV至3800HV的范圍內(nèi)。
[0010]為了改進(jìn)一種高耐磨性下的TihAlxN硬質(zhì)材料層的粘附性，DE 10 2007 000 512(它不是一個(gè)在先的公開文件)也提出，施加在一個(gè)基質(zhì)本體上的層系統(tǒng)包括施加在該本體上的氮化鈦、碳氮化鈦、或碳化鈦的一個(gè)粘合層，接著是一個(gè)相梯度層并且最后是一個(gè)單相或多相TihAlxN硬質(zhì)材料層的一個(gè)外層。這種相梯度層在其面向該粘合層的一側(cè)上包括一種TiN/h-AIN相混合物，并且隨著層厚度的增加，它具有增大的f cc-TiAIN相比例(在大于50%的比例)、以及與此相關(guān)聯(lián)的在TiN和h-AIN相的比例中同時(shí)的減小。
[0011]除了在一種燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷或基質(zhì)本體上的一個(gè)層的耐磨性和抗氧化性之外，該涂層的熱穩(wěn)定性也是很重要的，以便將該材料用于切削加工中，特別是在高的切削速率下。在硬質(zhì)工件的車削過程中，一個(gè)切削鑲片的切削刃的區(qū)域內(nèi)發(fā)生顯著高于1000°C的溫度。在這樣的溫度下，這些單個(gè)的層之間的基質(zhì)的不同膨脹系數(shù)具有可觀的影響。在這些單個(gè)層之間出現(xiàn)應(yīng)力并且，如果該高溫是通過熱傳導(dǎo)從外層傳輸至該基質(zhì)本體，則在大多數(shù)不利的情況下將發(fā)生該涂層的分離，從而使得該切削鑲片不可用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且其涂層就熱傳輸而言由于這些單個(gè)層 的選擇而具有較好的絕熱效。
[0013]這個(gè)目的是通過如下技術(shù)方案所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體得以實(shí)現(xiàn)。該涂覆有硬質(zhì)材料的本體具有多個(gè)層，其中一個(gè)Al2O3層作為外層被安排在一個(gè)TihAlxN和/或TihAlxC 和 / 或 T“_XA1XCN 層上，其中 x 是從 0.65 至 0.95。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如通常在現(xiàn)有技術(shù)中使用的，使用一個(gè)Τ?^ΑΙχΝ、TipxAlxC或IVxAlxCN層代替TiCN層具有以下優(yōu)點(diǎn):被安排在該Al2O3層之下的這個(gè)層的熱導(dǎo)率低約80%，因而該TihAlxNJihAlxC或-CN層證明是對該基質(zhì)本體顯著更好的絕熱材料。與TiCN外層相比，該Al2O3外層也是更加抗氧化的并且約50%更硬的，因而得到了更大的耐磨損性。
[0015]此外，已經(jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)，與一個(gè)TiN或TiCN中間層相比，一個(gè)作為中間層的TihAlxIIVxAlxC、或-CN層沒有遭受開裂的傾向，因而根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)得到的不利的典型的裂紋網(wǎng)絡(luò)沒有形成。特別是在一種中斷性切削的情況下，改善的抗開裂性增長了操作壽命。
[0016]該IVXA1XCN、IVxAlxC、或TihAlxN層可以由一個(gè)單相組成并且具有一種立方體結(jié)構(gòu)，或者可以由多個(gè)相組成并且除了一個(gè)主立方相之外還具有另一個(gè)相，該另一個(gè)相具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)和/或由TiN構(gòu)成。非晶相層組分可以按質(zhì)量計(jì)高達(dá)30%而存在。氯含量是在從0.01原子％至3原子％的范圍內(nèi)。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可以使用一個(gè)TiN和/或TiCN層作為粘至基質(zhì)本體的粘合層，該基質(zhì)本體包括一種燒結(jié)碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷，這樣從里向外這種層順序是TiN-或TiCN-TiAlC(N)-Al2O3t5
[0018]為了本發(fā)明的這些目的，多個(gè)TiCN層也有可能在該Al2O3外層與該TihAlxN層、TihAlxC 層、或 TihAlxCN 層之間。
[0019]作為金屬計(jì)算的鋁的比例優(yōu)選是從70%至90%。TihAlxN層、Ti1JlxC層、或TihAlxCN層的厚度可以在從2 μ m至10 μ m、優(yōu)選從3 μ m至7 μ m的范圍內(nèi)變化。上述層還可以包含不大于25%比例的六邊形的氮化鋁。
[0020]為了本發(fā)明的這些目的，還有可能代替一個(gè)單一的中間層而具有一個(gè)多層的中間層，該多層的中間層是由一個(gè)或多個(gè)(IvxAlxNJihAljAivxAlxCN)n類型的雙層或三層構(gòu)成，其中η是一個(gè)自然數(shù)。則該TiAlN/TiAlCN/TiAlC交替層具有一個(gè)總厚度(由各個(gè)單個(gè)層的總厚度給出)，是在從Inm至5nm的范圍內(nèi)。該總厚度應(yīng)該優(yōu)選是從I μ m至5 μ m。在最簡單的情況下，依次施加厚度為僅僅幾個(gè)nm的TihAlxN或TipxAlxCN或TipxAlxC的薄的單個(gè)層，直到已經(jīng)達(dá)到所希望的在從Iym至5μπι范圍內(nèi)的總厚度。然而，還有可能具有由上述組成構(gòu)成的一個(gè)交替層系統(tǒng)，該交替層系統(tǒng)包括具有多個(gè)子層的多個(gè)層，這些子層具有一個(gè)梯度，其中C的比例在向外的方向上減小或增加。
[0021]該TiAlN、TiAlC、或TiAlCN層可以包含高達(dá)30%的非晶相組分并且具有高達(dá)3原
子％的氯含量。 [0022]為了生產(chǎn)該涂覆的本體，使包括一種燒結(jié)碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷的基質(zhì)本體在從650°C至900°C范圍內(nèi)的涂覆溫度下經(jīng)受CVD涂覆，其中將氯化鈦和氯化鋁以及還有氨引入氣體氣氛中來生產(chǎn)一個(gè)TiAlN層。在已經(jīng)生產(chǎn)了具有的厚度在從2 μ m至10 μ m、優(yōu)選從3 μ m至7 μ m范圍內(nèi)的一個(gè)第一層之后，以一種常規(guī)方式通過CVD法來施加一個(gè)厚度為至少2 μ m且不大于10 μ m的Al2O3層。
[0023]綜上所述，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
[0024]1.一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有通過CVD施加的多個(gè)層，其特征在于，一個(gè)Al2O3層作為外層被安排在一個(gè)TihAlxN層和/或TihAlxC層和/或TipxAlxCN層上。
[0025]2.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于作為對于該基質(zhì)本體的粘合層的一個(gè)TiN和/或TiCN層，該基質(zhì)本體包括燒結(jié)碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷。
[0026]3.如權(quán)利要求1或2所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，一個(gè)TiCN層被安排在該Al2O3外層與該TihAlxN層、TihAlxC層、或Ti1^xAlxCN層之間。
[0027]4.如權(quán)利要求1至3中的任何一項(xiàng)所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，在該TihAlxN層、TihAlxC層、或TihAlxCN層中的x是使得0.7≤x≤0.9。
[0028]5.如權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，一個(gè)多層的中間層被安排在一個(gè)Al2O3層之下，該多層的中間層是由一個(gè)或多個(gè)來自下組(TihAlxN、Ti1^xAlxCN, TihAlxC) n 的雙層或三層構(gòu)成的。
[0029]6.如權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，該外層的厚度是在從I μ m至5 μ m的范圍內(nèi)，該IVxAlxITihAlxC、或IVxAlxCN層的厚度是在從I μ m至5 μ m的范圍內(nèi)，并且任何另外的粘合層或中間層的厚度是在從I μ m至5 μ m的范圍內(nèi)。[0030]7.如權(quán)利要求1至6中的任何一項(xiàng)所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，該Ti1JlxN層、TLxAlxC層、或Ti1JlxCN層包含不大于25%的六邊形的A1N。
【權(quán)利要求】
1.一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有通過CVD施加的多個(gè)層，其中一個(gè)Al2O3層作為外層被安排在一個(gè)IVxAlxN層、TihAlxC層和/或TihAlxCN層上，x為0.65至0.95，并且TiN或TiCN層是對于該IVxAlxN層、TipxAlxC層或IVxAlxCN層到基質(zhì)的粘合層，該基質(zhì)包括燒結(jié)碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷，其中所述TihAlxN層、IVxAlxC層或TihAlxCN層不含裂紋網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中一個(gè)TiCN層被安排在該Al2O3外層與該Ti1JlxN層、Ti1JlxC層或TLxAlxCN層之間。
3.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中在該TihAlxN層、TihAlxC層、或TihAlxCN層中的X是使得0.7≤X≤0.9。
4.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中一個(gè)多層的中間層被安排在該Al2O3層之下，該多層的中間層是由一個(gè)或多個(gè)來自下組(TihAlxN、Ti1^xAlxCN, Ti1^xAlxO n的雙層或三層構(gòu)成的。
5.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該Al2O3外層的厚度是在從Iμ m至5 μ m的范圍內(nèi)，該TihAlxNJihAlxC或Ti^AlxCN層的厚度是在從I μ m至5 μ m的范圍內(nèi)，并且該TiN或TiCN粘合層的厚度是在從Iym至5μπι的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該TihAlxN層、TihAlxC層、或TihAlxCN層包含不大于25%的六邊形的Α1Ν。
7.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該本體是用于中斷性切削應(yīng)用的切削工具。
8.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該TihAlxN'TihAlxC或TihAlxCN層含有非晶相組分，該非晶相組分的存在量不超過30%。
9.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該TihAlxN'TihAlxC或TihAlxCN層含有0.01-3原子％的氯。
10.如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其中該Al2O3層、IVXA1XN、TihAlxC或TihAlxCN層以及TiN或TiCN層分別是通過熱CVD施加的。
【文檔編號】C23C16/32GK103834928SQ201410055196
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2008年3月12日
【發(fā)明者】H·范丹比爾格, H·維斯特法, V·索特克 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司