CN1473680A - TiBN镀层 - Google Patents

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Abstract

提供了特别用于刀体镀层的TiBN层，该层为由TiN和TiB2组成的多相。硼的含量≥重量％。其沉积速率比TiN层的沉积速率高，也比TiB2层的沉积速率高。其硬度能达到3500HV和5000HV之间。

Description

TiBN镀层
技术领域
本发明涉及刀具的刀片或者切削工具，特别涉及用于加工工件的刀片或切削工具，同时还涉及提供在这种切削工具上的镀层的制造方法。
背景技术
已知用于减少磨损、减小摩擦或其它类似目的的硬质材料层具有不同的成分并且存在不同的方法制造这些硬质材料层，其中广为人知的是硼氮化钛层(TiBN层)。与此相关，DE 43 43 354 A1披露了一种用PVD工艺制造TiBN层的方法。在大约200℃的镀层温度利用硼化钛的PVD蒸镀工艺制造。利用镀层的等离子体产生硼化钛的沉积。
很难将TiBN层的PVD工艺与利用CVD工艺制造其它镀层的工艺结合起来。
从EP 0 732 423 B1已经知道了含有TiBN层的层结构。作为中间层的TiBN层夹在其它层之间是为了增强结合力。其它这些层通过CVD工艺在1000℃的沉积温度制造出来。
由成分为TiNx和TiB2的层构成TiBN层的制造方法是已知的，该方法公开自Bartsch、Leonhardt和Wolf于1991年9月发表在Journalde Physique IV，Colloque C2，suppl.au Journal de Physique II第一卷中题为“Composition Oscillations in Hard Material Layers Deposited fromthe Vapour Phase”的文章中。为了产生这些振荡层，在冷壁反应器中在温度为1300K(约1000℃)通过CVD工艺产生镀层。
发明内容
本发明的目的是披露一种设有极硬镀层的刀体。本发明的另一个目的是披露一种制造这类硬镀层的方法。
这个目的通过具有权利要求1的特征的刀体来实现，这个目的也通过按照权利要求17的方法来实现。
根据本发明的刀体具有其上镀有镀层的基体，该镀层由TiBN层构成或包含这样的镀层，并且硼的含量≥6At％。这样的镀层其硬度可以超过4500HV100。另外还发现，这样的镀层与含碳的基底材料结合的很好，例如碳化钨，或者可以从基底材料渗入碳的其它镀层。因此有可能制造出具有优异金属切削性质的刀具刀片或者切削工具。
优选TiBN层为TiN和TiB2组成的多相层。例如，多相层由立方TiN基底点阵组成，其中嵌有TiB2晶体。通过这种结合，可以防止由于碳从硬质金属(如碳化钨)扩散进入镀层所引起的问题。如果硼从沉积层中扩散出来进入硬质金属，并且如果这导致形成了CoWB，立方TiN点阵可以吸收那些自由的碳而不会引起结合的问题。
TiN层也可以含有硼成分，其含量使得它成为嵌有TiN晶体的TiB2层。可以通过这样来达到非常大的硬度。
优选这样组成TiBN层，多相的一半或者略微超过一半的部分是TiB2，同时，剩下的部分以TiN的形式出现。TiN部分保证了对扩散碳的良好的不敏感性，这些碳尤其是在较高的镀层温度下容易移动。
这些镀层优选在CVD工艺中沉积。通过CVD工艺，TiBN层可以整合为由CVD工艺一体制造出来的层结构。可以利用传统的CVD设备。不需要生成等离子体或蒸发靶的装置。TiBN层可以直接沉积到碳化钨基底材料上。如果所镀的镀层含有立方TiC点阵，碳扩散不会对结合产生负面的影响。另外，TiBN层可以沉积到氧化铝层上。在这种情况下，它可以用作覆盖层。实验指出：对用于加工铸件的车床刀具来讲，与不具备TiBN镀层而由TiN覆盖的α-氧化铝层制成的切削工具相比，在α-氧化铝上的TiBN覆盖层的层结构可以导致其使用寿命延长20％。通过改变工艺气体可能实现多层镀层，其中薄TiN层与TiBN相互交替。这些层显现出优异的金属切削性质。这些层特别不易受到热裂化影响。这归功于较软的TiN层与较硬的TiBN层的相互交替排列。有可能在1μm的层厚中提供多达50层的镀层，
本发明的方法是CVD工艺，其中利用700℃到1000℃较低的工艺温度。工艺温度优选低于900℃，如850℃。工艺的环境气体包含钛和硼的产物母体，以及氮和/或氮的化合物。硼氮化钛的沉积速率比氮化钛或硼化钛它们自身的沉积速率快。这允许CVD沉积发生在较低的温度。较低的温度只导致较低的碳扩散速率，这使得镀层具有光滑的吸引人的外观。
优选TiCl4作为钛的产物母体。优选BCl3作为硼的产物母体。在工艺环境气体中优选TiCl4的容积含量(Vol％)为0.9％到1.5％，BCl3的容积含量为0.9％到2.5％。氮在工艺环境气体中的容积含量优选为14％到17％。工艺环境气体中剩下的部分优选为氢气。
本发明优选实施例以及权利要求的详细内容将在下面的描述中给出。在唯一的附图中给出了特别优选的作为示例的实施例。
附图说明
图1中显示了一刀具板，它的表面被万用球节形状的研磨体研磨。
具体实施方式例1：
例如，首先在CVD工艺中将厚度为0.5μm的TiN层镀在由碳化钨制成的刀体上。为了这个目的，将刀体放进CVD反应器中，并且实施适当的CVD工艺处理。在TiN层的沉积完成后，在沉积温度为850℃的条件下，将反应器中充满环境气体，气体中包含容积含量为1％的TiCl4，容积含量为16％的N2，容积含量为0.1％的BCl3，其余的部分是H2。将工艺处理压力设定在100毫巴。经过15个小时的时效处理后，沉积出厚度为6μm并且具有金属黄铜色的TiBN层。TiBN层是其中嵌入TiB2晶体的TiBN基体。它的显微硬度有可能大于4500HV。例2：
TiBN层中的硼含量可以通过增加工艺环境气体中的BCl3含量来增加。例如，在CVD反应器中通过CVD工艺先使刀体镀上厚度为0.5μm的TiN层。随后设定工艺环境气体，使之包含容积含量分别为1％、16％、2.5％的TiCl4、N2、BCl3，其余气体是H2，并且在100毫巴工艺压力和850℃沉积温度的条件下实施镀层工艺。3个小时后，有银色光泽的、厚度为6μm的TiBN层生长出来。它由TiBN2基体构成，其中嵌有TiN晶体或者微晶。如果可以将扩散进入TiBN层的碳保持在较低的水平，可以实现非常大的硬度和抗磨损性能。
如果需要，可以将工艺压力设置在60到950毫巴的范围内。温度影响沉积的速度。原则上讲，可以使用的温度范围是700℃到1050℃。工艺环境气体中的BCl3容积含量设在0.05％到5％。例3：
为了制造以加工钢铁等为目的的刀体，刀体首先在CVD反应器中镀上厚度为0.5μm的TiN层。在第二个步骤中，以适中的温度(工艺温度＝700℃到900℃)镀上厚度为8μm的TiCN层。这个工艺在同一个反应器中进行。在第三步骤，通过在同一个反应器中的CVD工艺镀上厚度为0.8μm的TiAlCNO层。这个层作为粘合层用于6μm厚的Al2O3镀层，该Al2O3层在第四步中将沉积在其上。当在同一个反应器中完成这四步CVD镀层操作后，在第五步中将厚度为2μm的TiBN层镀在其上。具有2μm厚度的层，在工艺压力为300毫巴的条件下，经过270分钟生长出来，沉积温度为850℃，工艺环境气体的组分为容积含量为1％的TiCl4、容积含量为16％的N2、容积含量为0.1％的BCl3，其余是H2。这个层由氮化钛基体构成，其中嵌有TiB2晶体。该层呈现具有金属光泽的黄铜色。例4：
与前面描述的例子类似，首先可以依次在刀体上镀上厚度为0.5μm的TiN层，厚度为8μm的NT-TiCN层，粘合层(例如厚度为0.8μm的TiAlCNO层)和厚度为6μm的氧化铝(Al2O3)层。然后在同一个反应器中镀上厚度为2μm的TiBN层。其结果是，在这样的工艺条件下具有2μm厚度的镀层经过150分钟沉积时间生长出来，其中，工艺压力为600毫巴，沉积温度为900℃，工艺环境气体的组分为容积含量为1.4％的TiCl4，容积含量为15％的N2，容积含量为0.15％的BCl3，其余的部分是H2。该层呈现出具有金属光泽的亮黄色。
工艺压力可以设定在60到950毫巴之间。沉积温度可以设定在700℃到1050℃之间。工艺环境气体中的BCl3容积含量设在0.05％到5％之间。
特别提供了作为刀体镀层的TiBN层，该层为由TiN和TiB2层组成的多相。硼的含量≥6At％。其沉积速率比TiN层的沉积速率高，也比TiB2层的沉积速率高。可得到大于4000HV的硬度。
在唯一的附图中特别示出了一刀具板，它的表面被万用球节形状的研磨体研磨。被研磨的部分在图中的右下部显示出中心灰色区域1，在这里基底材料(如碳化钨)出现在表面上。在保持原状的区域2(左上部)，可以观察到未受影响的表面，它由TiBN组成。在与紧靠底层的部分可观察到厚度约为1μm的TiN层3。位于它上面的多层覆盖层4具有约为6μm的厚度。它大约包括30层，其中各个位于相对较薄的TiN层5上面的TiBN层6的厚度是TiN层5的厚度的3到5倍。TiBN层6优选是TiN和TiB2组成的多相。多相中的50％到60％是为硼化钛(TiB2)。TiN层5优选具有同样的厚度。如果在图中所显现出来的厚度不同，那是由于球面研磨的结果。
在制造这个多层镀层时，基底温度可以保持在900℃以下。多层镀层4显示出优异的结合性能和极其光滑的表面。各个层的数目可以大于50。其硬度相应于TiBN层的厚度并且大致为3800 HV。层的内部应力较低，特别是在加工硬且韧的材料时显现出它对热裂化的敏感性减小了。

Claims (28)

1.一种刀体，特别是通过切削来加工工件的刀体，
包括具有镀层的基体，其中，镀层包含至少一层TiBN层，该TiBN层中硼的含量大于或等于6At％。
2.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层是由TiN和TiB2组成的多相层。
3.根据权利要求2的刀体，其特征在于多相层中TiB2的重量含量在50％到60％之间。
4.根据权利要求2的刀体，其特征在于TiBN层是其中嵌有TiB2晶体的TiN层。
5.根据权利要求2的刀体，其特征在于TiBN层是其中嵌有TiN晶体的TiB2层。
6.根据权利要求1的刀体，其特征在于利用CVD工艺沉积形成TiBN层。
7.根据权利要求1的刀体，其特征在于将TiBN层施加在碳化钨基底材料上。
8.根据权利要求1的刀体，其特征在于提供TiBN层作为层状结构的覆盖材料。
9.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层镀在Al2O3层上。
10.根据权利要求1的刀体，其特征在于在基体上按照下列层顺序建立多层镀层：TiN-TiCN-TiAlCNO-α-Al2O3-TiBN。
11.根据权利要求8的刀体，其特征在于TiBN层是覆盖层。
12.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层是多层结构，其中TiN层和TiB2层交替出现。
13.根据权利要求12的刀体，其特征在于TiBN层的最大总厚度为12μm，优选在2μm到5μm之间。
14.根据权利要求1的刀体，其特征在于多层镀层中TiN层的厚度比TiB2层的厚度薄。
15.根据权利要求3的刀体，其特征在于TiN层的厚度最多只有TiBN层厚度的一半。
16.根据权利要求1的刀体，其特征在于多层镀层至少具有20层。
17.一种制造硬质材料层的方法，特别是制造刀体硬质材料层的方法，其中将要在其上镀层的刀体置于反应器中，设定工艺压力在60到950毫巴之间，温度在700℃到1050℃之间，其中工艺环境气体中包含钛和硼的产物母体，以及氮和/或氮化合物。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺温度在700℃到950℃之间。
19.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺温度低于850℃。
20.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺环境气体中包含氢(H2)。
21.根据权利要求17的方法，其特征在于钛的产物母体为TiCl4。
22.根据权利要求17的方法，其特征在于硼的产物母体为BCl3。
23.根据权利要求21的方法，其特征在于工艺环境气体中TiCl4的容积含量比例在0.9％到1.5％之间。
24.根据权利要求22的方法，其特征在于工艺环境气体中BCl3的容积含量比例在0.05％到5％之间。
25.根据权利要求22的方法，其特征在于工艺环境气体中BCl3的容积含量比例在0.09％到2.5％之间。
26.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺环境气体中氮的容积含量在14％到17％之间。
27.一种根据权利要求1的刀体，其中，用于加工钢铁材料。
28.一种根据权利要求1的刀体，其中，用于加工铸铁材料和灰铸铁材料。
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