具有片晶结构的TiAlCN层的制作方法

文档序号:13152012阅读:1158来源:国知局
发明主题本发明涉及一种工具,其具有碳化物、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体和以CVD法施加其上并且厚度在3μm~25μm范围内的单层或多层磨损保护涂层,其中所述磨损保护涂层具有至少一个Ti1-xAlxCyNz层,其化学计量系数为0.70≤x<1,0≤y<0.25和0.75≤z<1.15并且厚度在1.5μm~17μm范围内。本发明进一步涉及一种用于制造这样一种工具的方法。发明背景用于材料加工、特别是用于切割金属加工的切割刀片,包括碳化物、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体,其在大多数情况下装备单层或多层碳化物涂层,用于改进切割和/或耐磨性能。该碳化物涂层包括单金属的或混合金属的碳化物相的相互叠加层。单金属的碳化物相的实例是TiN、TiC、TiCN和Al2O3。其中在晶体中一种金属部分地被另一种金属取代的混合金属相的实例是TiAlN和TiAlCN。上述种类的涂层通过CVD法(化学气相沉积法)、PCVD法(等离子体化学气相沉积法)或PVD法(物理气相沉积法)施加。已经发现,在PVD或CVD方法中的沉积中的晶体生长的某些择优取向可以具有特别的优势,其中关于涂层的给定的层的不同择优取向对于该切割刀片的不同使用也是特别有利的。生长的择优取向通常相对于通过米勒指数定义的晶格平面是指定的并被称为晶体织构(例如纤维织构)。WO2013/134796公开了一种切割刀片,其至少局部具有由一个以上的涂布层形成的涂层,其中至少一个涂布层包括铝、钛和氮并且至少部分地具有小于100毫米片晶厚度的片晶,其中该片晶包括具有不同相的交替的第一和第二部分,其中第一部分主要或完全由硬质立方相组成,第二部分主要或完全由软质六方相组成。在这种情况下,在硬质立方相和软质六方相的连续之间的相互作用意在通过利用主要为更加软质的六方组成部分的纳米范围内的结构的具体构型以增强强度。然而,发现具有六方相组成部分的层耐磨性不足,特别是在高的切割速度下在钢和铸造材料的铣削或车削加工中。WO2012/126030公开了一种具有多层涂层的切割刀片,其具有至少一个x≥0.7的AlxTi1-xN的涂层,其中立方AlxTi1-xN相的部分优选70~80摩尔%,剩余的部分由六方的AlN和和立方的TiN形成。六方的AlN的部分优选大于12.5摩尔%。由于六方的AlN的部分,这类涂层的耐磨性也是不足的。假定三个所述的相的存在是基于立方的AlxTi1-xN相的部分分解为热力学稳定的六方的AlN和立方的TiN相,并且立方的AlxTi1-xN相的剩余部分不仅是热力学而且动力学上不稳定,其导致进一步的分解,从而引起该层的机械弱化。JKeckes等人“在多晶TiAlN薄膜中的自组织的周期性的软硬纳米片晶(Self-organizedperiodicsoft-hardnanolamellaeinpolycrystallineTiAlNthinfilms)”,固态薄膜(ThinSolidFilms)545(2013),第29~32页,描述了通过CVD沉积的多晶Ti0.05Al0.95N层,其在单个微晶中具有周期性交替的立方的TiN和六方的AlN纳米片晶。在分离表面上动力学控制的振荡反应被提出作为参与片晶形成的可能的机理。以MT-CVD方法尤其在800℃下Ti0.05Al0.95N层沉积在碳化物基体上。通过X射线衍射法(XRD)以及常规的和高分辨率透射电子显微镜法(TEM和HR-TEM)实现对该层的表征。沉积的Ti0.05Al0.95N层的XRD数据显示既有立方的也有六方的Ti-Al-N相的存在。Ti0.05Al0.95N材料的粉末X射线衍射分析和Rietveld法定量分析给出了按体积的比例,大约53%、26%和21%的六方的AlN(w-AlN)、立方的AlN(c-AlN)和立方的TiN(c-TiN)。该层的硬度为约28GPa。在碳化物上Ti0.05Al0.95N层的横截面的TEM分析显示片晶周期性结构的存在。通过HR-TEM和傅里叶变换(FFT),可能显示,该片晶具有周期性交替的c-TiN和w-AlN,其中包含w-AlN的片晶厚度约10nm,包含c-TiN的片晶厚度约3nm。具有这些层,由于六方w-AlN相的高比例,也会遇到不足的耐磨性。DE102005032860公开了一种碳化物涂层,具有面心立方结构的Ti1-xAlxN层,其Al含量为0.75<x<0.93,及其生产方法。DE102007000512公开了一种碳化物涂层,具有TiAlN层,其沉积在第一层TiN上。TiCN或TiC直接沉积在基底,两层之间提供有一个粘合层,具有相位梯度。TiAlN层具有关于晶格的(200)平面的晶体生长择优取向。WO2009/112115、WO2009/112116和WO2009/112117A1专利申请公开的说明书公开了通过CVD法沉积的TiAlN和TiAlCN层,具有高的铝的比例和面心立方晶格,但是没有描述晶体生长的结晶的择优取向。已知通过PVD方法生产的TiAlN涂层具有各种晶体生长的结晶择优取向,但是与CVD涂层相反,TiAlN涂层的具有面心立方晶格的PVD涂层限制在小于67%的Al含量。具有关于微晶的生长方向的{200
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