具有選定的導熱性的硬質(zhì)材料層的制作方法
【專利說明】具有選定的導熱性的硬質(zhì)材料層
[0001]本發(fā)明涉及硬質(zhì)材料層體系，包括具有預定導熱性的至少一個氮氧化物硬質(zhì)材料層。本發(fā)明還涉及制造具有選定的導熱性的氮氧化物硬質(zhì)材料層的方法，該方法尤其可以適用于難切削材料例如鎳基合金和/或鈦基合金的切削加工。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦基材料相比于鋁基材料或非合金低碳鋼具有明顯較低的導熱性。此外，鈦基材料的抗拉強度明顯較高。由于λ =4至16W/mK的低導熱性，使得切肩形成過程中的散熱在切削時扮演重要角色。因此例如在其他工藝參數(shù)相同的情況下，相比于CK45加工，在加工鈦基材料時進入刀具的能量多了約30%。這導致更高的切割刀具熱負荷，進而加劇刀具磨損。反過來降低了加工鈦基材料的技術(shù)參數(shù)，結(jié)果使得鈦基材料加工時的生產(chǎn)率以及進而經(jīng)濟性明顯低于其它材料。鎳基材料如因科鎳合金(Inconel)具有耐高溫性并因此尤其經(jīng)常在透平結(jié)構(gòu)中遇到。另外，最高溫度下也得到足夠高的材料強度。
[0003]由于一般對加工鈦基材料和鎳基材料的切削過程提出嚴格要求，故工藝參數(shù)比較小，進而該方法的生產(chǎn)率和經(jīng)濟性也低。
[0004]另外，在切削過程中所導致的高熱負荷造成切削刃裂紋(Kammrissbildung)和/或月牙洼磨損(Kolkverschleiss)，這還助長了切削刀具工作表面上的磨蝕磨損機理。根據(jù)材料的不同，也觀察到了刀刃材料的附著磨損和塑性變形。
[0005]另外，實際研究表明:單純基于AlCrN的層體系以及單純基于AlTiN的層體系經(jīng)受與未涂覆基材表面相似的磨損機理，由此這兩個層體系都無法帶來顯著優(yōu)點。
[0006]盡管如此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，還是有一些基于氮氧化物的硬質(zhì)材料層被視為非常適用于難切削材料的切削加工。
[0007]專利文獻JP2012192513A例如公開了一種經(jīng)涂覆的刀具，其涂層允許在濕法切削加工難切削材料如鈦基合金時有更高性能。該涂層由一個內(nèi)層和一個外層構(gòu)成，其中，該內(nèi)層是層厚為0.5-3.4 μπι的鈦和鋁的氮氧化物層，該外層是層厚為0.8-4.0 μπι的鈦和鋁的氮化物層。該氮氧化物層包含沿層厚分布且直徑為0.1至1.5 μπι的微孔。另外，這種氧化物層的組成對應(yīng)于按照原子百分比的以下關(guān)系:(Ti1 ,AlJN1 y0y，其中X為0.4至0.75，y為0.1 至 0.4。
[0008]專利文獻JP2009167498A也涉及氮氧化物外表層。在此情況下，氮氧化物外表層通過陽極氧化層厚為5-30 μπι的基材來產(chǎn)生。由此也降低由過高的壓縮內(nèi)應(yīng)力造成層錯位的風險。這種層的組成由按原子百分比的下式限定:(Me1 aXa) α (N1 x yCx0y)，其中，Me是選自元素周期表中的元素族4a、5a、6a的一種或多種元素，X是選自Al、S1、B和S組的一種或多種元素，0.10 ^ a ^ 0.65,0 ^ x ( 10,0 ^ y ( 10，以及 0.85 彡 α 彡 1.25。另外，這樣的外表層應(yīng)該具有面心立方結(jié)構(gòu)。
[0009]但現(xiàn)有技術(shù)沒有公開人們?nèi)绾文苤圃炀哂蓄A定導熱性的PVD氮氧化物硬質(zhì)材料層。
[0010]發(fā)明任務(wù)
[0011]本發(fā)明的任務(wù)是提供一種方法，用于制造具有預定導熱性的氮氧化物硬質(zhì)材料層。另外，本發(fā)明的任務(wù)也是提供一種硬質(zhì)材料層體系，其包含這樣的氮氧化物硬質(zhì)材料層。該氮氧化物硬質(zhì)材料層最好應(yīng)該尤其具有較高的高溫耐磨性，從而該硬質(zhì)材料層能夠非常好地適用于難切削材料的切削加工。
[0012]尤其想要提供一種實現(xiàn)下列涂層的方法:該涂層具有高耐熱性、減弱的導熱性、更高的導熱性各向異性和進而更長使用壽命，從而實現(xiàn)了在切削加工難切削材料時的生產(chǎn)率

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的任務(wù)將如此完成，如權(quán)利要求1所述，提供一種用于制造具有預定導熱性的硬氮氧化物硬質(zhì)材料層的方法。另外，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求2至10的硬質(zhì)材料層體系的制造、根據(jù)權(quán)利要求11的經(jīng)涂覆的刀具的提供以及根據(jù)權(quán)利要求12的用途。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，具有預定導熱性的硬氮氧化物層尤其能在采用PVD技術(shù)情況下來制造。術(shù)語“PVD技術(shù)”涵蓋了下列表面改善方法:其中層材料通過氣相被輸送到待涂覆的基材表面。在大多數(shù)情況下，各個方法根據(jù)能量輸入類型被分為鍍覆、濺射和離子鍍。這些方法又可以歸類為某些下級方法和變型。對于構(gòu)件及刀具表面(其在使用中承受強烈摩擦負荷)的涂覆而言，尤其得到良好驗證的是:磁控管濺射和/或電弧鍍覆類型的PVD方法。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，該硬質(zhì)材料層的導熱性通過在層膜沉積過程中添加氧來影響并得以如愿調(diào)節(jié)。
[0016]以下例如結(jié)合兩個具體研究的層體系:“鈦氮氧化物(TiaOAbJ和鉻氮氧化物(CrdOfNe f) ”來描述基本關(guān)系:
[0017]分別從單純的氮化鈦(TiaNb)或單純的氮化鉻(CrdNJ出發(fā)，可以通過受控的氧添加，在該層中不僅立方相得以保持，而且按照原子百分比的相對于非金屬元素含量的金屬元素含量(金屬/非金屬)也得以保持。之所以這是可行的，是因為氧按照1:1比例置換在晶格中的氮。該關(guān)系能夠通過EDX和XRD測量來證明。
[0018]氧添加借助傳統(tǒng)的流動控制器被如此控制，即氮氧化物層中的氧含量連續(xù)增大，直到能達到期望的導熱性。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，氮氧化物層中的氧含量應(yīng)該最好不超過30at%的值。
[0020]借助洛克威爾壓痕、微壓痕、掃描電子顯微術(shù)(REM)和X射線衍射術(shù)(XRD，在室溫下以及在升高溫度下的試驗)能表明與層附著性、層硬度、E模量、層形態(tài)、晶粒大小、相狀態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)的層性能未顯著變化，即“調(diào)節(jié)出”的有益層特性(性能相關(guān))未因為在0-30at.% O2的層組分范圍內(nèi)的O2添加而被顯著改變。所研究的層的導熱性已借助卡希爾(Cahills)方法確定。
[0021]層導熱性明顯受到了在0_30at.% O2的層組成范圍內(nèi)的O 2添加的影響。
[0022]在圖1和圖2中，針對層體系T1-O-N和Cr-0-Ν，示出了層導熱性(從層表面起測量)和層中氧含量之間的聯(lián)系。
[0023]針對這些試驗，這些層是借助電弧鍍PVD技術(shù)沉積的。在涂覆工藝過程中的基材溫度和涂覆室內(nèi)的總壓力被相應(yīng)恒定保持在約450°C和2Pa。氮氣和氧氣相應(yīng)作為反應(yīng)氣體被用于氮化物及氮氧化物層的沉積。
[0024]針對這兩個體系，所述情況可借助恒定散射模型(constant scattering model)來數(shù)學描述，如圖1和圖2所示。這是針對所述情況總結(jié)說明。此時，02添加改變散射截面，即隨著O2添加，越來越多地產(chǎn)生干擾晶格振動(量子)傳播的晶格缺陷。
[0025]在氮化物中，“氧取代氮”通過不同的半徑、不同數(shù)量的價電子和較高電負性而在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生大的無序。缺陷如空晶格位、被占中間晶格位、晶格位錯和晶格畸變是可能的。所有這些缺陷不利影響到晶體結(jié)構(gòu)中的量子傳播，并因此潛在降低材料導熱性。總之，所有缺陷對一般產(chǎn)生氧原子的導熱性的影響能被理解為是氧的量子散射截面。只要材料晶體結(jié)構(gòu)沒有基本改變且除氮化物外沒有生成附加氧化物相，則可以假定恒定(與氧含量無關(guān))的散射截面。這允許通過氧含量來調(diào)節(jié)導熱性。該函數(shù)關(guān)系由下式表述:
[0026]κ(χ)= K J (1+ α.χ )
[0027]在此，κ(χ)是材料的與氧相關(guān)的導熱性，K。是無氧材料中的導熱性，χ是氧含量，α是包含散射截面的參數(shù)。為了找到參數(shù)α，必須生產(chǎn)具有不同氧含量的一系列試樣并測量導熱性。通過函數(shù)κ(χ)對數(shù)據(jù)的匹配而得到α。
[0028]具體地說，本發(fā)明所提出的具有可控O2含量(最好在O至30at.%范圍內(nèi)的O2、尤其最好在3至25at.%范圍內(nèi)的O2)的富鋁AlTiN基涂層和AlCrN基涂層在考慮了與其它合金元素如S1、B、W、Nb、Y、Mo、Ni相結(jié)合的情況下，被用于鈦基合金和鎳基合金的切削。
[0029]通過可控添加O2，這些層體系通過在層內(nèi)產(chǎn)生所期望的導熱性能而針對一定用途得以優(yōu)化。垂直于該層的導熱性最好被最小化(盡量低)，而平行于該層的導熱性被最大化(盡量高)，即導熱性的各向異性被最大化。
[0030]O2濃度不應(yīng)該太高以致該層體系的機械性能、化學性能和結(jié)構(gòu)性能被明顯改變或受到不利影響。
[0031]最好獲得大于20GPa、更優(yōu)選大于30GPa的層體系硬度。
[0032]本發(fā)明的一個實施方式是由T1-Al-N-O或Cr-Al-N-O構(gòu)成的層體系，其中，該層內(nèi)的氧濃度在層厚方向上是分梯度的。
[0033]本發(fā)明的另一個實施方式是這樣的層體系，其中，具有增大的氧濃度和降低的氧濃度的多層以復層(多層)結(jié)構(gòu)形式被交替沉積。
[0034]“采取分梯度”可被理解