CN1780934A - 工具和用来在基体上进行二相层的cvd－沉积的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工具，特别是切割工具，其由基体构成，在基体上采用CVD法沉积至少一层，和涉及一种用来在烧结体上进行二相层的CVD－沉积的方法。根据本发明，单一的经沉积的层或至少一经沉积的层除了具有TiCN－或TiOCN－或TiOC－或TiC－相外还具有另一相，该另一相由ZrO2和/或HfO2构成。为了制备这样的层，在气体气氛中除了使用TiCl4、HfCl4和/或ZrCl4和CO2之外，另外还使用CH3CN或C5H5N或C6H6，其余部分为H2和/或Ar。
Description
本发明涉及一种工具，特别是切割工具，其由基体构成，在基体上采用CVD法沉积至少一层。此外本发明还涉及一种用来在基体上进行二相层的CVD-沉积的方法。
用作为切割元件的经涂层的基体原则上是已知的。
例如在DE 100 17 909 A1中提出了基于碳化钨和一层硬的涂层的基体，该涂层具有有着至少一层由TiC、TiN、TiCN、TiCO和TiCNO和Al2O3构成的层的钛复合层和/或具有Al2O3-ZrO2-复合层。在后者的情况下，ZrO2-小颗粒分散在Al2O3-相中。此外还已知TiN-TiCN-TiN-层这样的层序列，可能的话还具有附加的外层Al2O3-层。采用CVD-法沉积的Al2O3-层根据方法条件可以以α-、κ-或无定形Al2O3的形式出现。DE 100 17 909 A1提出了一种用来制备TiCN-层的CVD-法，在该法中于700-950℃的中等温度范围内在应用含有CH3CN的反应气体混合物下操作。
本发明的任务是，提供一种开头提及类型的经改善了的工具，特别是切割工具，其由于其涂层，从而不仅在干法切割加工而且在湿法切割加工时，特别是在铸件材料或调质处理的钢(CK45)的车削时具有改善了的工作寿命。
该任务通过根据权利要求1的工具而得以实现，根据本发明该工具的特征在于，单一的经沉积的层或至少一经沉积的层除了具有TiCN-或TiOCN-或TiC-或TiOC-相外，还具有由ZrO2和/或HfO2构成的另一相。该多相层可以是单一的层、中间层或外层，在此根据应用情况可以改变上述相的份额，在此应注意的是，随着ZrO2和/或HfO2-份额的增加所涉及到的层的硬度将下降。
在从属权利要求中描述了该种工具的进一步的构成。
上述的由ZrO2和/或HfO2构成的另一相可以以单斜晶的和/或四方晶的形式存在。
在根据权利要求1所定义的层的上面根据另一种布置还可以沉积一Al2O3-层，其优选作为外层并且此外优选作为α-Al2O3-层。基体可以由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷构成。
优选地，TiCN-、TiOCN-、TiC或TiOC-相与由ZrO2和/或HfO2构成的另一相的比例为4∶1-1∶4，优选为2∶1-1∶2。
如上所述，由TiCN或TiOCN构成的第一相例如也可以由TiC或TiOC代替，也就是说，C∶N的比例可以从0.5∶0.5设置为1.0∶0。
本发明也包括这样的工具，在该种工具中，在TiCN-或TiOCN-或TiOC-或TiC-相中钛可以由Zr和/或Hf替代至更低的份额。不过在化合物TiCxNyOz(其中0≤x，y，z≤1)中，比一半少得多的钛被Zr和/或Hf代替，优选最大为钛的20％，或更优选最大为钛的10％。这样的化合物例如是这样形成的，即当从中沉积出所涉及的相的气体气氛具有少于化学计量的氧含量时。
根据本发明的另一实施方案，二相层是中间层，其设置在两个TiN-层之间或作为TiCN和Al2O3之间的中间层，在其上于外部沉积一ZrCN-层。
为了制备根据本发明的工具，本发明提出了，根据权利要求7的方法将上述的多相层采用CVD-沉积法沉积到经烧结的基体上，其特征在于，在气体气氛中除了使用TiCl4、HfCl4和/或ZrCl4和CO2之外，另外还使用CH3CN(乙腈)或C5H5N(吡啶)或C6H6(苯)，其余部分为H2和/或Ar。在使用乙腈的情况下，在气相中同时进行下列的反应：
或
当用吡啶代替丙酮时，进行相应的反应，在此也生成TiCxNy相作为反应产物。当然在使用吡啶时，在气相中的C∶N-比例从0.5∶0.5变成0.7∶0.3，和对于苯变成1.0∶0，也就是说，在第一相中含有较少的氮或不含有氮。
优选地应用下列的气体份额：
TiCl4：1-4体积％，优选为1-2体积％
ZrCl4和/或HfCl4：0.3-4体积％，优选为0.5-2体积％
C5H5N或CH3CN或C6H6：0.2-2体积％，优选为0.5-1体积％
CO2：0.1-3体积％，优选为0.3-2％，余量为Ar和/或H2。
根据本发明的优选的应用，沉积温度为800-1000℃，气体气氛压力为5×103Pa-6×104Pa。
在一个具体的实施例中，在具有由WC构成的硬质材料相和6质量％的Co的粘合剂相的硬质金属基体上沉积层序列TiN-TiCN/HfO2-TiN，在此为了沉积上述的中间层选择了下列的气体相组成：
1.4体积％TiCl4、1.4体积％HfCl4、0.8体积％CH3CN、0.5体积％CO2、余量为H2。
各个TiN-层是应用传统的CVD-涂层法制备的。
以相应的方式在硬质金属基体上也沉积层序列TiN-TiCN-TiCN/HfO2-α-Al2O3，在此令人惊奇地发现，在根据本发明的多相的中间层TiCN/HfO2上采用CVD-法可生成稳定的α-Al2O3层。
下文中将进行解释的本发明的优点可以附图中看出。附图示出
图1-3在条形对照图中各自所测得的工作寿命。
如上所述，在具有SNUN120408型的切割刀片形式的硬质金属基体上，在第一种情况下涂覆本发明的层序列TiN-TiCN/HfO2-TiN。从而中间层具有二相，即一相为TiCN和另一相为HfO2。
与此相比的是，相同组成和相同的类型的基体装备有三层的涂层TiN-TiCN-TiN。在以参数vc＝200m/分钟，ap＝2.0mm和f＝0.4mm/U对钢材类型CK45N进行干燥切割的车削时，使用根据本发明的涂层可使工作寿命达到约15分钟，而根据现有技术的对比基体的工作寿命却小于12分钟。
在将具有根据现有技术已知的层序为TiN-TiCN-κ-Al2O3的涂层的切割体与根据本发明的涂层TiN-TiCN-TiCN/HfO2-α-Al2O3进行比较时，在应用冷却-润滑剂的情况下以连续切割进行车削时，也就是湿法切割时，其工作寿命显著改善。在根据现有技术已知的层序列中，中间的TiCN-层是在800-1000℃的沉积温度下涂覆的，和在其上由气相沉积κ-Al2O3，这只可达到6分钟的工作寿命，而在这样的层序列中，即在TiCN-层和Al2O3-层之间加入了一层由TiCN和HfO2构成的二相中间层，其工作寿命就提高了。该中间层也允许在相同的方法条件下沉积α-Al2O3。所得到的9分钟的工作寿命为50％的改善。在比较试验中，工件由GG25型的铸件构成，其用CNMG120412-5型的切割体进行加工。所采用的车削参数是：
vc＝450m/分钟，ap＝2.5mm和f＝0.315mm/U
如从图3可见，根据本发明的涂层在以连续切割进行湿法车削时也提供了显著的工作寿命改善。在CNMG120412-5型的相同组成的基体上，在第一情况下涂覆根据本发明的组成为TiN-TiCN(MT)-TiCN/HfO2-α-Al2O3-ZrCN的层序列，和在第二情况下涂覆组成为TiN-TiCN(MT)-κ-Al2O3-ZrCN的层序列。该两种切割装置都是用来车削加工GG25型的铸件的，在此应用下列的方法参数：
vc＝400m/分钟，ap＝2.5mm和f＝0.315mm/U
具有根据本发明的层组成，即在层组成中插入二相的中间层TiCN/HfO2的工作寿命为12.5分钟，而用具有根据现有技术已知的涂层的切割装置可达到的工作寿命为10.2分钟。
上述的试验结果以清楚的方式显示出，不仅在干燥车削时而且在以湿法切割进行车削时都可达到显著的工作寿命改善。
Claims (10)
1、一种工具，特别是切割工具，其由基体构成，在基体上采用CVD法沉积至少一层，其特征在于，单一的经沉积的层或至少一经沉积的层除了具有TiCN-或TiOCN-或TiOC-或TiC-相外还有由ZrO2和/或HfO2构成的另一相。
2、根据权利要求1的工具，其特征在于，所述另一相以单斜晶的和/或四方晶的形式存在。
3、根据权利要求1或2的工具，其特征在于，在含有作为另一相的ZrO2和/或HfO2的层上沉积Al2O3，优选作为外层，并且此外优选作为α-Al2O3形式。
4、根据权利要求1-3之一的工具，其特征在于，基体由硬质金属、金属陶瓷或陶瓷构成。
5、根据权利要求1-4之一的工具，其特征在于，TiCN-、TiOCN-、TiC-或TiOC-相与另一相的比例为4∶1-1∶4，优选为2∶1-1∶2。
6、根据权利要求1-5之一的工具，其特征在于，在TiCN-或TiOCN-或TiOC-或TiC-相中钛由Zr和/或Hf替代至更低的份额。
7、根据权利要求1-6之一的工具，其特征在于，二相层是在两个TiN-层之间的中间层。
8、一种用来在根据权利要求1-7之一的基体上进行二相层的CVD-沉积的方法，其特征在于，在气体气氛中除了使用TiCl4、HfCl4和/或ZrCl4和CO2之外，另外还使用CH3CN(乙腈)或C5H5N(吡啶)或C6H6(苯)，剩余部分为H2和/或Ar。
9、根据权利要求8的方法，以下列的气体份额为特征：
TiCl4：1-4体积％，优选为1-2体积％，ZrCl4和/或HfCl4：0.3-4体积％，优选为0.5-2体积％，C5H5N或CH3CN或C6H6：0.2-2体积％，优选为0.5-1体积％，CO2：0.1-3体积％，优选为0.3-2体积％，余量为Ar和/或H2。
10、根据权利要求8或9的方法，其特征在于，沉积温度为800-1000℃和气体气氛压力为5×103-6×104Pa。
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