專利名稱：涂覆有硬質(zhì)材料的本體的制作方法
涂覆有硬質(zhì)材料的本體本發(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施加的至少一個 硬質(zhì)材料層用于切削加工的切削刀具必須滿足就穩(wěn)定性和強度而言的嚴格要求，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 被用作磨損保護涂層。由不同的硬質(zhì)材料所構(gòu)成的多層磨損保護涂層也是已知的。例如， 被安排在一個或多個中間層(如碳氮化鈦或氮化鈦)上的氧化鋁層被稱為減磨涂層。WO 03/085152 A2披露了一種Ti-Al-N層的使用，該層可以通過PVD作為具有高達 60%的鋁含量的一個單相層來生產(chǎn)。然而，在更高的鋁含量下，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)。還已知單一相TihAlx-N硬質(zhì)材料層(其中χ = 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。當使用PVD或等離子體CVD方法來生產(chǎn)TihAlxN硬質(zhì)材料層時，這些層的使用限 制在低于700°C的溫度。一個缺點是復(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 為該等離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一 相的立方體TVxAlx-N層的生產(chǎn)通過工業(yè)中使用的PVD方法是不可能的。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，因為該 亞穩(wěn)的TihAlxN在這樣高的溫度下分解為TiN以及六邊形的A1N。最終，在US 6，238，739 Bl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)Ti^AlxN層(其中χ在0. 1至0. 6的范圍內(nèi)) 的方法中，表明了對于具有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12原子％的高的氯含量。為了改進耐磨性和抗氧化性，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TihAlxN硬質(zhì)材料層的一個單層或多層涂層 系統(tǒng)，出于這個目的將該本體在從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，該本體具有一個單一相TihAlxN硬質(zhì)材料層，該材料層有立 方NaCl結(jié)構(gòu)并且化學計量系數(shù)χ為從> 0. 75至0. 93 ；或具有一個多相層，該多相層包括 Ti1^xAlxN(具有立方NaCl結(jié)構(gòu)并且化學計量系數(shù)χ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)。從該文件中還獲知這個或這些TihAlxN硬質(zhì)材料層可以包含按質(zhì)量計高達 30%的非晶相層組分。所得到的這些層的硬度是在從2500HV至3800HV的范圍內(nèi)。
為了改進一種高耐磨性下的質(zhì)材料層的粘附性，DE 10 2007000 512 (它不是一個在先的公開文件)也提出，施加在一個基質(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、或碳化鈦的一個粘合層，接著是一個相梯度層并且最后是一個 單一相或多相TihAlxN硬質(zhì)材料層的一個外層。該相梯度層包括在其面向該粘合層的一側(cè) 上的一種TiN/h-AIN相混合物，并且隨著層厚度的增加，具有增大的fcc-TiAIN比例(在大 于50 %的比例)、以及與此相關(guān)的同時的TiN和h-AIN相的比例的減小。上述這些涂層的一個缺點是在中斷性切削的情況下短的操作壽命，如具有切削中 斷的銑削、車削、以及鉆孔、特別是當在切削過程中使用冷卻潤滑劑時。 因此本發(fā)明的一個目的是提供一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有改進的 耐熱性以及循環(huán)疲勞強度。這個目的通過如權(quán)利要求1所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體得以實現(xiàn)。該本體 的特征在于，外層包括TihAlxN、TihAlxC和/或TihAlxCN,其中0. 65彡χ彡0.9、優(yōu)選 0. 7 ^ X ^ 0. 9，并且特征在于該外層具有從100至llOOMPa、優(yōu)選從400至800MPa范圍內(nèi) 的壓縮應(yīng)力，并且特征在于在該外層之下安排了一個TiCN或Al2O3層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過CVD施加的TihAlxN、IVxAlxC、或IVxAlxCN的層是極度抗裂縫形 成以及裂縫生長的，如現(xiàn)有技術(shù)中已知并且使用的其他涂層的情況下所遇到的情況。用作 基質(zhì)本體的燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、或陶瓷具有比TiCN和Al2O3更低的膨脹系數(shù)，其結(jié)果是 在從涂覆溫度(對于TiCN是約900°C并且對于Al2O3是約1000°C )冷卻時在這些硬質(zhì)材料 層中出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力。這些拉伸應(yīng)力通過裂縫結(jié)構(gòu)的形成而部分地解除。立方氮化鈦鋁或 碳氮化鈦鋁(作為亞穩(wěn)的晶系)在從這些涂覆溫度冷卻之后具有從100至llOOMPa、優(yōu)選 從400至SOOMPa范圍內(nèi)的壓縮應(yīng)力，并且不形成裂縫結(jié)構(gòu)，這總體上致使權(quán)利要求1中命 名的這些層的這種組合被發(fā)現(xiàn)是極耐磨的。以這個同樣非常耐磨的和抗氧化的氮化鈦鋁或 碳氮化鈦鋁涂層作為具有壓縮殘余用力的外層的已知的TiCN的高耐磨性和Al2O3的低熱導(dǎo) 率以及高抗氧化性的組合，顯著地改進了涉及高負荷變化以及高溫度變化的應(yīng)用中的切削 耐久性。實例是具有中斷或改變切口截面的銑削以及還有車削和鉆孔，特別是當使用冷卻 潤滑劑時。在從屬權(quán)利要求中說明了本發(fā)明的多個實施方案。因此，該TihAlxN層、該TihAlxC層、或該TihAlxCN層可以由一個單一相組成并 且具有一種立方體結(jié)構(gòu)，或由多個相組成并且包括一個立方體的主相連同具有纖鋅礦結(jié)構(gòu) 的另一個相和/或具有NaCl結(jié)構(gòu)的TiN。上述氮化或碳氮化鈦鋁層可以具有按質(zhì)量計高達30%的非晶相層的多種組分。該 氮化鈦鋁或碳氮化鈦鋁層的氯含量優(yōu)選是在從0. 01原子％至3原子％的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一個實施 方案中，也可以將一種包括多個層的多層涂層用作外層， 這些層各自具有從Inm至5nm的厚度并且具有一種相同的或變化的、優(yōu)選是交替的構(gòu) 成.該涂層中的這些單獨的層是碳氮化鈦鋁以及氮化鈦鋁層，這些層的總厚度(它形成了 最外面的涂層)是在從1 μ m至5 μ m的范圍內(nèi)。也可以在進行涂覆時通過一種變化的氣體氣氛而在這些單獨的層中創(chuàng)造一種梯 度，其結(jié)果是在亞區(qū)中從內(nèi)到外碳含量不斷地增加或減小。施加到燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷、 或一種陶瓷所構(gòu)成的基質(zhì)本體上的所有層的總厚度應(yīng)該是在從5 μ m至25 μ m的范圍內(nèi)。
為了本發(fā)明的這些目的，該氮化鈦鋁或碳氮化鈦鋁層可以包含高達25 %的六邊形 的 A1N。
為了生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，將一種燒結(jié)碳化物或金屬陶瓷本 體在從700°C至900°C的范圍內(nèi)的涂覆溫度下引入一種氣體氣氛中，該氣體氣氛除多種載 氣外還包含用于涂覆TiCN或氯化鋁的氯化鈦、甲烷以及氨氣和用于涂覆氧化鋁的二氧化 碳。在上述基質(zhì)之一上或一個TiCN基底層(其上施加了一個Al2O3層)生產(chǎn)了一種粘合層 之后，將氯化鋁、氯化鈦、氨、以及乙烯引入該氣體氣氛中以施加最外層。優(yōu)選的層厚度是在 從2至5μπι的范圍內(nèi)。所有層的層厚度是從2至ΙΟμπκ優(yōu)選是從3至7μπι。
權(quán)利要求
一種本體，該本體涂覆有硬質(zhì)材料并且具有通過CVD施加的多個層，其特征在于，外層包括Ti1 xAlxN、Ti1 xAlxC和/或Ti1 xAlxCN，其中0.65≤x≤0.9，優(yōu)選0.7≤x≤0.9，并且在于該外層具有從100至1100MPa、優(yōu)選從400至800MPa范圍內(nèi)的壓縮應(yīng)力，并且在于在該外層下安排了一個TiCN或Al2O3層。
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，該、該 TihAlxC層、或該TihAlxCN層由一個單一相組成并且具有一種立方結(jié)構(gòu)，或由多個相組成 并且包括一個立方主相連同具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的另一個相和/或包括TiN。
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，在該外層中存在著按 質(zhì)量計高達30%的非晶相層的多種組分。
4.如權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，該外層 的氯含量是在從0. 01原子％至3原子％的范圍之內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1至4中的任何一項所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，該外層 包括多個層，這些層各自具有從1至5nm的厚度并且具有一種相同的或變化的、優(yōu)選是交替 的構(gòu)成，該構(gòu)成是選自IVXA1XN、TihAlxC以及IVxAlxCN之中，并且其特征在于，該外層具 有從Iym至5μπι的總厚度。
6.如權(quán)利要求1至5中的任何一項所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，已經(jīng)被 施加在一個基質(zhì)本體上的所有層的總厚度是在從5μπι至25μπι的范圍內(nèi)，該基質(zhì)本體是由 燒結(jié)碳化物、金屬陶瓷或一種陶瓷構(gòu)成的。
7.如權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的涂覆有硬質(zhì)材料的本體，其特征在于，該 TipxAlxN層、該Ti^AlxC層、或該Ti^AlxCN層包含高達25%的六邊形Α1Ν。
全文摘要
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施加的多個層，其中外層包括Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxC和/或Ti1-xAlxCN，其中0.65≤x≤0.9，優(yōu)選0.7≤x≤0.9，并且這個外層具有從100至1100MPa、優(yōu)選從400至800MPa范圍內(nèi)的壓縮應(yīng)力，并且在該外層下安排了一個TiCN或Al2O3層。
文檔編號C23C16/30GK101970716SQ200980108495
公開日2011年2月9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·維斯特法, H·范丹比爾格, V·索特克 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司