CN101970717A - 涂覆有硬质材料的本体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂覆有硬质材料的本体，该本体包括通过CVD施加的若干个层。在一个Ti1-xAlxN层和/或Ti1-xAlxC层和/或Ti1-xAlxCN层上安排一个Al2O3层作为外层。

Description

涂覆有硬质材料的本体
本发明涉及一种本体，该本体涂覆有硬质材料并且具有通过CVD施加的多个硬质材料层。
用于切削加工的切削刀具必须满足就稳定性和强度而言的严格要求，特别是在通过高切削速度下的车削来切削加工硬质或韧性材料(例如淬硬钢或淬火钢)的过程中。该切削刀具的材料应该特别地是耐磨损的，这在过去已经致使烧结碳化物或金属陶瓷基质本体来配备一个表面涂层，其中最初钛的碳化物、氮化物或碳氮化物以及后来还有氧化铝层被用作磨损保护涂层。由不同的硬质材料所构成的多层磨损保护涂层也是已知的。例如，被安排在一个或多个中间层(如碳氮化钛或氮化钛)上的氧化铝层被称为减磨涂层。
WO 03/085152A2披露了使用一种Ti-Al-N层，该层可以通过PVD作为具有高达60％的铝含量的一个单相层来生产。然而，在较高的铝含量下，形成了立方体的和六边形的TiAlN的混合物，并且在甚至更高的铝含量下仅形成了更软的并且不耐磨的六边形的纤锌矿结构。
还已知单相Ti1-xAlx-N硬质材料层(其中x＝0.9)可以通过等离子体CVD来生产。然而，这种层构成的不令人满意的均质性以及该层的相对高的氯含量是不利的。
当使用PVD或等离子体CVD方法来生产Ti1-xAlxN硬质材料层时，这些层的使用限制在低于700℃的温度。一个缺点是复杂部件几何体的涂覆存在很多困难。PVD是一种定向的方法，其中复杂的几何体被不规则地涂覆。等离子体CVD要求高的等离子体均质性，因为该等离子体功率密度对该层的Ti/Al原子比率具有直接的影响。具有高的铝含量的单相的立方体Ti1-xAlx-N层的生产通过工业中使用的PVD方法是不可能的。
通过一种常规的CVD方法在高于1000℃的温度下沉积TiAl也是不可能的，因为该亚稳的Ti1-xAlxN在这样高的温度下分解为TiN以及六边形的AlN。
最终，在US 6,238,739B1中所描述的用于通过一种无等离子体辅助的热CVD方法在从550℃至650℃的范围内的温度下生产Ti1-xAlxN层(其中x在0.1至0.6的范围内)的方法中，表明了对于具有x≤0.6相对低的铝含量的一种限制。那里说明的方法中，氯化铝和氯化钛以及还有NH3和H2作为气体混合物使用。在这种涂层的情况下，同样，必须接受达12原子％的高的氯含量。
为了改进耐磨性和抗氧化性，WO 2007/003648A1提出生产一种本体，该本体涂覆有硬质材料并且具有通过CVD的包含至少一个Ti1-xAlxN硬质材料层的一个单层或多层涂层系统，出于这个目的将该本体在从700℃至900℃的温度下通过没有等离子体激发的CVD在反应器中进行涂覆，并且将在升高的温度下被混合的卤化钛、卤化铝以及反应性氮化合物用作前体。这给出了一种本体，该本体具有一个单相Ti1-xAlxN硬质材料层，该材料层有立方NaCl结构并且化学计量系数x为从＞0.75至0.93；或具有一个多相层，该多相层包括Ti1-xAlxN(具有立方NaCl结构并且化学计量系数x为从＞0.75至0.93)作为主相以及一种纤锌矿结构和/或TiNxNaCl结构作为另一个相。该氯含量是在从0.05原子％至0.9原子％的范围内。从该文件中还获知可以得到具有按质量计高达30％的非晶相层组分的这个或这些Ti1-xAlxN硬质材料层。所得到的这些层的硬度是在从2500HV至3800HV的范围内。
为了改进一种高耐磨性下的Ti1-xAlxN硬质材料层的粘附性，DE 102007
000512(它不是一个在先的公开文件)也提出，施加在一个基质本体上的层系统包括施加在该本体上的氮化钛、碳氮化钛、或碳化钛的一个粘合层，接着是一个相梯度层并且最后是一个单相或多相Ti1-xAlxN硬质材料层的一个外层。这种相梯度层在其面向该粘合层的一侧上包括一种TiN/h-AlN相混合物，并且随着层厚度的增加，它具有增大的fcc-TiAlN相比例(在大于50％的比例)、以及与此相关联的在TiN和h-AlN相的比例中同时的减小。
除了在一种烧结碳化物、金属陶瓷或基质本体上的一个层的耐磨性和抗氧化性之外，该涂层的热稳定性也是很重要的，以便将该材料用于切削加工中，特别是在高的切削速率下。在硬质工件的车削过程中，一个切削镶片的切削刃的区域内发生显著高于1000℃的温度。在这样的温度下，这些单个的层之间的基质的不同膨胀系数具有可观的影响。在这些单个层之间出现应力并且，如果该高温是通过热传导从外层传输至该基质本体，则在大多数不利的情况下将发生该涂层的分离，从而使得该切削镶片不可用。
因此本发明的一个目的是提供一种本体，该本体涂覆有硬质材料并且其涂层就热传输而言由于这些单个层的选择而具有较好的绝热效。
这个目的是通过如权利要求1所述的涂覆有硬质材料的本体得以实现。该涂覆有硬质材料的本体具有多个层，其中一个Al2O3层作为外层被安排在一个Ti1-xAlxN和/或Ti1-xAlxC和/或Ti1-xAlxCN层上，其中x是从0.65至0.95。
如通常在现有技术中使用的，使用一个Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxC或Ti1- xAlxCN层代替TiCN层具有以下优点：被安排在该Al2O3层之下的这个层的热导率低约80％，因而该Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxC或-CN层证明是对该基质本体显著更好的绝热材料。与TiCN外层相比，该Al2O3外层也是更加抗氧化的并且约50％更硬的，因而得到了更大的耐磨损性。
此外，已经出人意料地发现，与一个TiN或TiCN中间层相比，一个作为中间层的Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxC、或-CN层没有遭受开裂的倾向，因而根据现有技术得到的不利的典型的裂纹网络没有形成。特别是在一种中断性切削的情况下，改善的抗开裂性增长了操作寿命。
该Ti1-xAlxCN、Ti1-xAlxC、或Ti1-xAlxN层可以由一个单相组成并且具有一种立方体结构，或者可以由多个相组成并且除了一个主立方相之外还具有另一个相，该另一个相具有纤锌矿结构和/或由TiN构成。非晶相层组分可以按质量计高达30％而存在。氯含量是在从0.01原子％至3原子％的范围内。
在本发明的一个进一步的实施方案中，可以使用一个TiN和/或TiCN层作为粘至基质本体的粘合层，该基质本体包括一种烧结碳化物、一种金属陶瓷、或一种陶瓷，这样从里向外这种层顺序是TiN-或TiCN-TiAlC(N)-Al2O3。
为了本发明的这些目的，多个TiCN层也有可能在该Al2O3外层与该Ti1- xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层之间。
作为金属计算的铝的比例优选是从70％至90％。Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层的厚度可以在从2μm至10μm、优选从3μm至7μm的范围内变化。上述层还可以包含不大于25％比例的六边形的氮化铝。
为了本发明的这些目的，还有可能代替一个单一的中间层而具有一个多层的中间层，该多层的中间层是由一个或多个(Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxC、Ti1- xAlxCN)n类型的双层或三层构成，其中n是一个自然数。则该TiAlN/TiAlCN/TiAlC交替层具有一个总厚度(由各个单个层的总厚度给出)，是在从1nm至5nm的范围内。该总厚度应该优选是从1μm至5μm。在最简单的情况下，依次施加厚度为仅仅几个nm的Ti1-xAlxN或Ti1- xAlxCN或Ti1-xAlxC的薄的单个层，直到已经达到所希望的在从1μm至5μm范围内的总厚度。然而，还有可能具有由上述组成构成的一个交替层系统，该交替层系统包括具有多个子层的多个层，这些子层具有一个梯度，其中C的比例在向外的方向上减小或增加。
该TiAlN、TiAlC、或TiAlCN层可以包含高达30％的非晶相组分并且具有高达3原子％的氯含量。
为了生产该涂覆的本体，使包括一种烧结碳化物、一种金属陶瓷、或一种陶瓷的基质本体在从650℃至900℃范围内的涂覆温度下经受CVD涂覆，其中将氯化钛和氯化铝以及还有氨引入气体气氛中来生产一个TiAlN层。在已经生产了具有的厚度在从2μm至10μm、优选从3μm至7μm范围内的一个第一层之后，以一种常规方式通过CVD法来施加一个厚度为至少2μm且不大于10μm的Al2O3层。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种本体，该本体涂覆有硬质材料并且具有通过CVD施加的多个层，其特征在于，一个Al2O3层作为外层被安排在一个Ti1-xAlxN层和/或Ti1- xAlxC层和/或Ti1-xAlxCN层上，其中x是从0.65至0.95。
2.如权利要求1所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于作为对于该基质本体的粘合层的一个TiN和/或TiCN层，该基质本体包括烧结碳化物、一种金属陶瓷、或一种陶瓷。
3.如权利要求1或2所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，一个TiCN层被安排在该Al2O3外层与该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1- xAlxCN层之间。
4.如权利要求1至3中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，在该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层中的x是使得0.7≤x≤0.9。
5.如权利要求1至4中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，一个多层的中间层被安排在一个Al2O3层之下，该多层的中间层是由一个或多个来自下组(Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxCN、Ti1-xAlxC)n的双层或三层构成的。
6.如权利要求1至5中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，该外层的厚度是在从1μm至5μm的范围内，该Ti1-xAlxN、Ti1- xAlxC、或Ti1-xAlxCN层的厚度是在从1μm至5μm的范围内，并且任何另外的粘合层或中间层的厚度是在从1μm至5μm的范围内。
7.如权利要求1至6中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层包含不大于25％的六边形的AlN。

Claims (7)

1.一种本体，该本体涂覆有硬质材料并且具有通过CVD施加的多个层，其特征在于，一个Al2O3层作为外层被安排在一个Ti1-xAlxN层和/或Ti1- xAlxC层和/或Ti1-xAlxCN层上。
2.如权利要求1所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于作为对于该基质本体的粘合层的一个TiN和/或TiCN层，该基质本体包括烧结碳化物、一种金属陶瓷、或一种陶瓷。
3.如权利要求1或2所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，一个TiCN层被安排在该Al2O3外层与该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1- xAlxCN层之间。
4.如权利要求1至3中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，在该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层中的x是使得0.7≤x≤0.9。
5.如权利要求1至4中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，一个多层的中间层被安排在一个Al2O3层之下，该多层的中间层是由一个或多个来自下组(Ti1-xAlxN、Ti1-xAlxCN、Ti1-xAlxC)n的双层或三层构成的。
6.如权利要求1至5中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，该外层的厚度是在从1μm至5μm的范围内，该Ti1-xAlxN、Ti1- xAlxC、或Ti1-xAlxCN层的厚度是在从1μm至5μm的范围内，并且任何另外的粘合层或中间层的厚度是在从1μm至5μm的范围内。
7.如权利要求1至6中的任何一项所述的涂覆有硬质材料的本体，其特征在于，该Ti1-xAlxN层、Ti1-xAlxC层、或Ti1-xAlxCN层包含不大于25％的六边形的AlN。
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