專利名稱：涂覆有硬質材料的本體的制作方法
涂覆有硬質材料的本體本發明涉及一種本體，該本體涂覆有硬質材料并且具有通過CVD施加的多個硬質 材料層。用于切削加工的切削刀具必須滿足就穩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 切削刀具的材料應該特別地是耐磨損的，這在過去已經致使燒結碳化物或金屬陶瓷基質本 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。由不同的硬質材料所構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 03/085152A2披露了使用一種Ti-Al-N層，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。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 礦結構。還已知單相TihAlx-N硬質材料層(其中χ = 0.9)可以通過等離子體CVD來生 產。然而，這種層構成的不令人滿意的均質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TihAlxN硬質材料層時，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，其中復雜的幾何體被不規則地涂覆。等離子體CVD要求高的等離子體均質性，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相 的立方體TVxAlx-N層的生產通過工業中使用的PVD方法是不可能的。通過一種常規的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 6，238，739B1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的范圍內的溫度下生產(其中χ在0. 1至0.6的范圍內) 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 2007/003648Α1提出生產一種本體，該本體涂覆 有硬質材料并且具有通過CVD的包含至少一個TihAlxN硬質材料層的一個單層或多層涂 層系統，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的CVD 在反應器中進行涂覆，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，該本體具有一個單相TihAlxN硬質材料層，該材料層有立 方NaCl結構并且化學計量系數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結構并且化學計量系數χ為從> 0. 75至0. 93)作為主相以及一 種纖鋅礦結構和/或TiNxNaCl結構作為另一個相。該氯含量是在從0. 05原子％至0. 9原 子％的范圍內。從該文件中還獲知可以得到具有按質量計高達30%的非晶相層組分的這個 或這些TihAlxN硬質材料層。所得到的這些層的硬度是在從2500HV至3800HV的范圍內。
為了改進一種高耐磨性下的TihAlxN硬質材料層的粘附性，DE 102007000512 (它不是一個在先的公開文件)也提出，施加在一個基質本體上的層系 統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相或多相TihAlxN硬質材料層的一個外層。這種相梯度層在其面向 該粘合層的一側上包括一種TiN/h-AIN相混合物，并且隨著層厚度的增加，它具有增大的 fcc-TiAIN相比例(在大于50 %的比例)、以及與此相關聯的在TiN和h_AlN相的比例中同 時的減小。
除了在一種燒結碳化物、金屬陶瓷或基質本體上的一個層的耐磨性和抗氧化性之 夕卜，該涂層的熱穩定性也是很重要的，以便將該材料用于切削加工中，特別是在高的切削速 率下。在硬質工件的車削過程中，一個切削鑲片的切削刃的區域內發生顯著高于1000°C的 溫度。在這樣的溫度下，這些單個的層之間的基質的不同膨脹系數具有可觀的影響。在這 些單個層之間出現應力并且，如果該高溫是通過熱傳導從外層傳輸至該基質本體，則在大 多數不利的情況下將發生該涂層的分離，從而使得該切削鑲片不可用。因此本發明的一個目的是提供一種本體，該本體涂覆有硬質材料并且其涂層就熱 傳輸而言由于這些單個層的選擇而具有較好的絕熱效。這個目的是通過如權利要求1所述的涂覆有硬質材料的本體得以實現。該涂覆 有硬質材料的本體具有多個層，其中一個Al2O3層作為外層被安排在一個TihAlxN和/或 TihAlxC和/或TihAlxCN層上，其中χ是從0. 65至0. 95。如通常在現有技術中使用的，使用一個Ti^AlxN、Ti1^xAlxC或Ti^AlxCN層代 替TiCN層具有以下優點被安排在該Al2O3層之下的這個層的熱導率低約80%，因而該 TihAlxNJihAlxC或-CN層證明是對該基質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。此外，已經出人意料地發現，與一個TiN或TiCN中間層相比，一個作為中間層的 TihAlxNJihAlxC、或-CN層沒有遭受開裂的傾向，因而根據現有技術得到的不利的典型的 裂紋網絡沒有形成。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。該TihAlxCN、TDlxC、或TipxAlxN層可以由一個單相組成并且具有一種立方體 結構，或者可以由多個相組成并且除了一個主立方相之外還具有另一個相，該另一個相具 有纖鋅礦結構和/或由TiN構成。非晶相層組分可以按質量計高達30%而存在。氯含量是 在從0. 01原子％至3原子％的范圍內。在本發明的一個進一步的實施方案中，可以使用一個TiN和/或TiCN層作為粘至 基質本體的粘合層，該基質本體包括一種燒結碳化物、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為了本發明的這些目的，多個TiCN層也有可能在該Al2O3外層與該TihAlxN層、 TihAlxC 層、或 TihAlxCN 層之間。作為金屬計算的鋁的比例優選是從70%至90%。TihAlxN層、TihAlxC層、或 TihAlxCN層的厚度可以在從2 μ m至10 μ m、優選從3 μ m至7 μ m的范圍內變化。上述層還 可以包含不大于25%比例的六邊形的氮化鋁。為了本發明的這些目的，還有可能代替一個單一的中間層而具有一個多層的中間 層，該多層的中間層是由一個或多個(TihAlxITihAlxCJihAlxCN)n類型的雙層或三層構成，其中η是一個自然數。則該TiAlN/TiAlCN/TiAlC交替層具有一個總厚度(由各個單個 層的總厚度給出)，是在從Inm至5nm的范圍內。該總厚度應該優選是從1 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nm的TihAlxN或IVxAlxCN或TipxAlxC的薄的 單個層，直到已經達到所希望的在從Iym至5μπι范圍內的總厚度。然而，還有可能具有由 上述組成構成的一個交替層系統，該交替層系統包括具有多個子層的多個層，這些子層具 有一個梯度，其中C的比例在向外的方向上減小或增加。該TiAlN、TiAlC、或TiAlCN層可以包含高達30%的非晶相組分并且具有高達3原 子％的氯含量。為了生產該涂覆的本體，使包括一種燒結碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷的基 質本體在從650°C至900°C范圍內的涂覆溫度下經受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一個TiAlN層。在已經生產了具有的厚度在從2 μ m至10 μ m、 優選從3μπι至7μπι范圍內的一個第一層之后，以一種常規方式通過CVD法來施加一個厚 度為至少2 μ m且不大于10 μ m的Al2O3層。
權利要求
一種本體，該本體涂覆有硬質材料并且具有通過CVD施加的多個層，其特征在于，一個Al2O3層作為外層被安排在一個Ti1 xAlxN層和/或Ti1 xAlxC層和/或Ti1 xAlxCN層上。
2.如權利要求1所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于作為對于該基質本體的粘 合層的一個TiN和/或TiCN層，該基質本體包括燒結碳化物、一種金屬陶瓷、或一種陶瓷。
3.如權利要求1或2所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于，一個TiCN層被安排 在該Al2O3外層與該TihAlxN層、TihAlxC層、或TihAlxCN層之間。
4.如權利要求1至3中的任何一項所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于，在該 TihAlxN層、TihAlxC層、或TihAlxCN層中的χ是使得0. 7彡χ彡0. 9。
5.如權利要求1至4中的任何一項所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于，一 個多層的中間層被安排在一個Al2O3層之下，該多層的中間層是由一個或多個來自下組 (TihAlxN、Ti1^xAlxCN, TihAlxOn 的雙層或三層構成的。
6.如權利要求1至5中的任何一項所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于，該外 層的厚度是在從1 μ m至5 μ m的范圍內，該TihAlxNJihAlxC、或TipxAlxCN層的厚度是在 從Iym至5μπι的范圍內，并且任何另外的粘合層或中間層的厚度是在從1 μ m至5 μ m的 范圍內。
7.如權利要求1至6中的任何一項所述的涂覆有硬質材料的本體，其特征在于，該 TihAlxN層、Ti^AlxC層、或TihAlxCN層包含不大于25%的六邊形的A1N。
全文摘要
本發明涉及一種涂覆有硬質材料的本體，該本體包括通過CVD施加的若干個層。在一個Ti1-xAlxN層和/或Ti1-xAlxC層和/或Ti1-xAlxCN層上安排一個Al2O3層作為外層。
文檔編號C23C16/40GK101970717SQ200980108501
公開日2011年2月9日 申請日期2009年1月20日 優先權日2008年3月12日
發明者H·維斯特法, H·范丹比爾格, V·索特克 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司