申请/专利权人：瓦尔特公开股份有限公司

申请日：2015-03-03

公开（公告）日：2016-10-26

公开（公告）号：CN106062243A

主分类号：C23C16/34(2006.01)I

分类号：C23C16/34(2006.01)I;C23C16/36(2006.01)I;C23C16/40(2006.01)I

优先权：["2014.03.11 DE 102014103220.9"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2019.02.19#授权;2017.02.15#实质审查的生效;2016.10.26#公开

摘要：本发明涉及一种工具，其具有由硬金属、金属陶瓷、陶瓷、钢、高速钢制成的主要部件，和以CVD法施加在其上并且厚度在3μm～25μm范围内的单层或多层磨损保护涂层。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0.70x1，0y0.25和0.75z1.15并且厚度在1.5μm～17μm范围内。本发明的特征在于，Ti1‑xAlxCyNz层具有片晶结构，片晶的厚度不超过150nm、优选不超过100nm、特别优选不超过50nm，其中所述片晶由具有的Ti和Al化学计量比交替性不同的、Ti1‑xAlxCyNz层的周期性交替的区域构成，所述区域具有相同的晶体结构晶相，和所述Ti1‑xAlxCyNz层具有至少90体积％的面心立方fcc晶体结构。

主权项：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法施加在其上并且厚度在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≤x1，0≤y0.25和0.75≤z1.15并且厚度在1.5μm～17μm范围内，所述工具的特征在于‑Ti1‑xAlxCyNz层具有片晶结构，片晶的厚度不超过150nm、优选不超过100nm、特别优选不超过50nm，其中‑所述片晶从具有的Ti和Al化学计量比交替性不同的、Ti1‑xAlxCyNz层的周期性交替的区域形成，所述区域具有相同的晶体结构晶相，和‑所述Ti1‑xAlxCyNz层具有至少90体积％的面心立方fcc晶体结构。

全文数据：具有片晶结构的TiAlCN层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≤x1.5，优选2，特别优选3，其中织构系数TChkl定义如下：其中-Ihkl是衍射反射的强度，用X射线衍射法测量，-I0hkl是依照PDF图00-046-1200的纯面心立方相的衍射反射的标准强度，-n是用于计算的反射的数目，和-反射111、200、220和311用于TChkl的计算，其中，存在在{111}-、{200}-、{220}-或{311}-晶面，特别优选在{111}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的晶体生长择优取向。在{111}-晶面的晶体生长择优取向已证明是有利的，特别是在铸造材料的车削加工中。在本发明进一步优选的实施方式中，Ti1-xAlxCyNz层具有在{hkl}晶面的晶体生长择优取向，其特征在于通过X射线衍射测定法XRD和或电子背散射衍射EBSD测量的{hkl}晶面的最大X射线衍射峰，在相对于基体的表面的垂线的角度α＝±20度内、优选在角度α＝±10度内、特别优选在角度α＝±5度内、极为优选在角度α＝±1度内测量，其中存在在{111}-、{200}-、{220}-或{311}-晶面、特别优选在{111}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的结晶生长择优取向。在此方面重要的是在对方位角β围绕样品表面法线旋转的角的强度积分后，通过fccTi1-xAlxCyNz的{hkl}-晶面的极图的部分。在本发明进一步优选的实施方式中，{111}-、{200}-、{220}-和{311}-晶面的X射线衍射峰中的至少一个的半峰全宽FWHM是1+hlnh2，优选I{111}I{200}1+h+3xlnh2，其中h是以“μm”为单位的Ti1-xAlxCyNz层的厚度。I{111}I{200}1+hlnh2或者甚至1+h+3xlnh22的比例表示特别明显的层的{111}结晶的择优取向，其已经证明是特别在铸造材料的加工中特别有利的。在本发明进一步优选的实施方式中，Ti1-xAlxCyNz层具有0.70≤x2300HV、优选2750HV、特别优选3000HV的维氏硬度HV。过低的维氏硬度具有过低水平的耐磨性的缺点。通过本发明的实施方法达到本发明的层的高维氏硬度，通过其获得了具有较低和优选没有可检测到的部分的较软的外部相如六方AlN的立方Ti1-xAlxCyNz层。在本发明进一步优选的实施方式中，布置在基体和Ti1-xAlxCyNz层之间的是至少另外一个0.05μm～7μm厚度的碳化物层，优选0.1μm～5μm，特别优选0.2μm～3μm，所述碳化物层选自TiN层、通过高温CVD法CVD或者中温CVD法MT-CVD沉积的TiCN层、Al2O3层和它们的组合。此外，优选的是如果布置在Ti1-xAlxCyNz层之上的是至少另外一个碳化物层，优选至少一个改性γ-Al2O3、κ-Al2O3或α-Al2O3的Al2O3层，特别优选α-Al2O3层，其中Al2O3层是通过高温CVD法CVD或者中温CVD法MT-CVD沉积的。本发明也包括根据本文所述的发明其中用于生产具有片晶结构的Ti1-xAlxCyNz层的工具的生产方法a将待涂布的基体放置在大体上圆柱形的CVD反应器中，所述反应器被设计用于以相对于所述反应器的纵轴沿基本上径向的方向的工艺气体流经待涂布的基体，b提供2种前驱气体混合物VG1和VG2，其中第一前驱气体混合物VG1含有0.005体积％～0.2体积％的TiCl4，0.025体积％至0.5体积％的AlCl3和作为载气的氢气H2或氢气和氮气的混合物H2N2，和第二前驱气体混合物VG2含有0.1～3.0体积％的至少一种选自氨NH3和肼N2H4的N-供体和作为载气的氢气H2或氢气和氮气的混合物H2N2，并且第一前驱气体混合物VG1和或第二前驱气体混合物VG2任选地含有选自乙腈CH3CN、乙烷C2H6、乙烯C2H4和乙炔C2H2及其混合物的C-供体，其中在前驱气体混合物VG1，VG2中的N-供体和C-供体的总体积％的比例在0.1～3.0体积％的范围中，c将2种前驱气体混合物VG1，VG2在进入反应区之前保持分开，并在600℃～850℃范围内的CVD反应器中的处理温度下和在0.05～18kPa范围内的CVD反应器中的处理压力下，相对于反应器的纵轴大体上径向地导入所述2种前驱气体混合物，其中前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量被选择为使得在CVD反应器中的平均停留时间τ小于1秒。为了实现本发明的Ti1-xAlxCyNz层的结构，必要的方法措施是设置前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量使得CVD反应器中的平均停留时间τ小于1秒。优选前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量被选择为使得在CVD反应器中的平均停留时间τ小于0.5秒，优选小于0.35秒。如果气体体积流量的平均停留时间太长，则不一定实现本发明的片晶结构和或该层含有过高比例的六方AlN。本发明的方法优选在CVD反应器中在625℃～800℃范围内、优选在650℃～725℃范围内的处理温度下，和或在CVD反应器中在0.05～8kPa范围内、优选在0.1～7kPa范围内的处理压力下进行。如果在CVD反应器中的处理温度太高，那么在层中得到高含量的六方AlN，其中尤其层硬度降低。如果与此相反，在CVD反应器中的处理温度太低，沉积速率会下降到不经济的范围。另外，在低温下，产生具有在％上1的氯含量和更低的硬度的层。如果在CVD反应器中的处理压力太高，导致工具上不规则的层的厚度分布，在边缘具有增加的层厚度，即所谓的狗骨头效应。另外，经常得到高比例的六方AlN。在CVD反应器中低于0.05kPa的处理压力相反在技术上难以实现。另外，具有过低的处理压力，则不再有工具的均匀涂层的任何保证。在本发明所述方法进一步优选的实施方式中，前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量的比率小于1.5，优选小于1.25，特别优选小于1.15。令人惊讶地发现，小于1.5甚至更小的气体体积流量的较低比率，使其可能实现一个特别明显的{111}晶体生长择优取向。如果前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量的比率太高，那么通常产生本发明特别优选的{111}择优取向之外的择优取向。依照本发明，在前驱气体混合物中以体积％的比例涉及导入反应区并且包含第一和第二前驱气体混合物的气体混合物的总体积。令人惊讶地发现，本发明的方法实施使其可能产生Ti1-xAlxCyNz和Ti1-xAlxNz层，具有化学计量系数0.70≤x或者在距离角度偏差≤20°上，其中等于、、或，优选。EDX能量色散X射线光谱法测量用来自于英国OxfordInstruments的INCAx-act型号的EDX能谱仪，用15kV的加速电压在来自于CarlZeiss的扫描电子显微镜Supra40VP上进行EDX测量。显微硬度的测定显微硬度的测量是在涂层基体的抛光部分上，用来自德国辛德尔芬根的HelmutFischer有限公司的FischerscopeH100型通用硬度测试仪依照DINENISO14577-1和-4实现的。实施例实施例1：涂布碳化物的可转位钻头的生产在这些实施例中使用的基底体是几何体SEHW1204AFN的碳化物的可转位钻头，其组成为90.5重量％的WC、8重量％的Co和1.5重量％NbC+TaC，并具有无混合碳化物的边缘区域。为了涂布碳化物的可转位钻头，使用具有1250毫米反应器高度、325毫米反应器直径和40升体积的装载结构的BernexBPX325S型号的CVD涂层设备。气流对于反应器的纵轴为径向的。为了粘结本发明的Ti1-xAlxCyNz层和比较层，首先通过在表1中设定的沉积条件下的CVD将大约0.3μm厚度的TiN层直接施加在碳化物基底上。表1：粘结层生产中的反应条件为了生产本发明的Ti1-xAlxCyNz层，将具有起始化合物TiCl4和AlCl3的第一前驱气体混合物VG1和具有起始化合物NH3作为反应性氮化合物的第二前驱气体混合物VG2分别导入到反应器中以致两种气流的混合只在传入反应区的时候发生。前驱气体混合物VG1和VG2的气体体积流量被设定为使得实现在反应器中反应气体的平均停留时间τ和在正常条件下的整体体积流量生产本发明的Ti1-xAlxCyNz涂层1和比较涂层2的参数在表2中重现。表2：在Ti1-xAlxCyNz涂层的生产中的反应条件使用X射线衍射XRD、电子衍射、特别是EBSD，扫描电子显微法SEM、扫描透射电子显微法STEM和透射电子显微法TEM以及显微硬度的测量以表征本发明的Ti1-xAlxCyNz层。本发明的Ti1-xAlxCyNz层1的层厚度为4.5μm，并且对比层2的层厚度为6.25μm。本发明的层1的显微硬度是3070HV0.05，而对比层2的显微硬度是2300HV0.05。XRD分析显示本发明的层1实质上包含纯面心立方fcc相并具有强的{111}结晶生长择优取向。{111}反射的半峰全宽是0.64°2θ，该层的组成可以大致确定为Ti0.195Al0.805N1.05。在XRD分析中显示的对比涂层2具有在30°≤2θ≤40°范围内的宽信号，其被所使用的软件拟合为两个峰2θ＝36.98°,FWHM＝1.28°和2θ＝37.83°,FWHM＝0.94°。大的峰宽指向精细晶体结构。该层的组成大致是Ti0.3Al0.l7N1.0。不可能在衍射图的基础上唯一确定归于六方AlN的{101}干涉和立方Ti1-xAlxNz的{111}反射的XRD信号所对应的组成。然而据推测六方AlN的主要部分出现在该层。由于具有最高强度的层干涉发生在30°≤2θ≤40°的角度范围内，可能得出结论存在有Ti1-xAlxCyNz层的立方组分的{111}择优取向。六方AlN的{101}-和{202}-干涉和立方Ti1-xAlxCyNz的{111}-和{222}-反射可以根据各自的化学成分或多或少的大量叠加。只有立方Ti1-xAlxCyNz层的{200}-晶面的干涉没有被其他干涉叠加，例如由于布置在其上或其下的基底体或层，并具有随机取向的最高强度。因此在两种不同的倾斜角度ψψ＝0°和ψ＝54.74°上进行测量θ-2θ扫描以评价在测量体积中六方AlN的体积比例和避免对立方Ti1-xAlxCyNz的{111}-和{200}-强度的误解。由于{111}和{200}的平面法线之间的角度是大约54.74°，那么对于强{111}纤维织构而言，存在有在倾斜角度ψ＝54.74°下的{200}反射的强度最大值，同时{111}反射的强度趋于零。相反，利用倾斜角度ψ＝4.74°，获得了{111}反射的强的强度最大值和强{200}纤维织构，同时{200}反射的强度趋于零。这样，对于生产的Ti1-xAlxCyNz层，进行检查以确定在2θ≈38.1°下测得的强度是否主要是和面心立方Ti1-xAlxCyNz相相关或者是否在该层中含有更大比例的六方AlN。X射线衍射测量以及EBSD测量一致性地显示在本发明的层中只有很小比例的六方AlN相。本发明的Ti1-xAlxCyNz层1的化学组成大致是Ti0.19Al0.81N，其在依照Vegard定律的{111}峰的位置的基础上，使用依照PDF图38-1420的纯fccTiN的和依照PDF图46-1200的纯fccAlN的相应的{111}峰的位置作为参考值来计算。通过扫描电子显微法SEM、扫描透射电子显微法STEM和透射电子显微法TEM研究本发明的Ti1-xAlxCyNz层的横截面。本发明的层1由典型的长度接近大约3～4μm层厚度，并且在Ti1-xAlxCyNz层的50％厚度处测量，平均宽度大约为200nm的柱状微晶组成。因此长宽比为大约17.5。对比层2的抛光横断面的扫描电子显微镜图像SEM显示其中不可能看到任何离散微晶的精细结构。在该层中不会发现片晶结构。图1和2显示本发明层1的扫描电子显微镜图像SEM。图3显示在明场BF模式图3A中和高角环行暗场HAADF暗场模式图3B中的本发明的层1的STEM图像。本发明的片晶结构将在所有微晶中都能清楚地看到，其中对比度的清晰度取决于关于相对于电子束的微晶的取向。片晶的厚度是大约30nm。图3中的图像大约在层的中心拍摄，但是在整个层中观察到具有片晶结构的柱状微晶。在图3的图像中，层生长的方向是从左至右。在显示最高对比度的微晶中，在片晶结构中将会看到不同厚度的区域。通过EDS分析可能显示，在BF中显示灰暗并且在HAADF中显示明亮的片晶的狭窄区域相比更宽的区域具有更高的Ti比例和更低的Al比例。然而在各种区域中，在测量精度下氮的比例是相同量级的。通过EDS测定的全部成分和通过XRD测定的全部成分相同。图4显示本发明的层1的片晶结构的高分辨率的HRTEM图像。可能看到两个片晶区域，其中在图4的上部区域和下部区域中具有更高Ti含量的较窄区域可以看作暗带。关于图4中显示的图像的3个区域B、C、D进行傅里叶变换操作，所述区域在图4中用正方形的轮廓线标记。它们在图5中作为图5B、图5C和图5D复现。在图4中的正方形B和D对应于图5B和5D覆盖了具有更高Ti含量的更窄的区域，然而图4中的正方形C对应于图5C覆盖了具有更高Al含量的更宽的区域。图5A显示整个图4的傅里叶变换。图5的傅里叶变换显示整个结构包含面心立方fcc相。在本方法的精度内，以傅里叶变换的模式为基础确定的晶格常数与通过的XRD确定的晶格常数一致。此外，图5B、5C和5D显示在这些图涉及的片晶结构的3个不同的区域内，相同的晶体结构fcc和相同的取向优势。实施例2：切割试验将按照根据实施例1生产的分别具有本发明的TiAlN层1和对比层2的可转位的碳化物切割钻头以及来自于竞争者的商用的可转位的碳化物切割钻头用于铣削铸件材料。竞争者工具具有多层涂层，包括层顺序TiN0.5μm–TiCN2μm–TiAlN3μm，其中依照XRD分析的TiAlN层仅由六方AlN和立方Ti1-xAlxNz的相混合物组成。在SEM图像中可以看到具有部分片晶形成的双向结构，和WO2013134796中所述的结构相似。在以下切割条件下用切割刀片进行铣削操作：然后，在主切割刃上的最大磨痕宽度vB,max在4000米铣削行程后确定：

权利要求：1.一种工具，其具有烧结碳化物、陶瓷、或钢的基体和以CVD法施加在其上并且厚度在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≤x1.5，其中所述织构系数TChkl定义如下：其中-Ihkl是衍射反射的强度，用X射线衍射法测量，-I0hkl是依照PDF图00-046-1200的衍射反射的标准强度，-n是用于计算的反射的数目，和-将反射111、200、220和311用于TChkl的计算，其中，存在在{111}-、{200}-、{220}-或{311}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的晶体生长择优取向。9.根据权利要求8所述的工具，其特征在于，所述Ti1-xAlxCyNz层在{hkl}晶面具有晶体生长择优取向，特征是织构系数TChkl2。10.根据权利要求8所述的工具，其特征在于，所述Ti1-xAlxCyNz层在{hkl}晶面具有晶体生长择优取向，特征是织构系数TChkl3。11.根据权利要求8所述的工具，其特征在于，存在在{111}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的晶体生长择优取向。12.根据权利要求1至3任一项所述的工具，其特征在于，所述Ti1-xAlxCyNz层具有在{hkl}晶面的晶体生长择优取向，其特征在于通过X射线衍射测定法XRD和或电子背散射衍射EBSD测量的{hkl}晶面的最大X射线衍射峰在相对于基体的表面的垂线的角度α＝+20度内测量，其中存在在{111}-、{200}-、{220}-或{311}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的结晶生长择优取向。13.根据权利要求12所述的工具，其特征在于，存在在{111}-晶面的Ti1-xAlxCyNz层的结晶生长择优取向。14.根据权利要求1至3任一项所述的工具，其特征在于，{111}-、{200}-、{220}-和{311}-晶面的X射线衍射峰中的至少一个的半峰全宽FWHM是1+hlnh2，其中h是以“μm”为单位的Ti1-xAlxCyNz层的厚度。17.根据权利要求16所述的工具，其特征在于，所述Ti1-xAlxCyNz层具有在{111}-晶面的晶体生长择优取向，其特征是{111}-晶面和{200}-晶面的X射线衍射峰的强度I{111}和I{200}的比例，其中I{111}I{200}1+h+3×lnh2，其中h是以“μm”为单位的Ti1-xAlxCyNz层的厚度。18.根据权利要求1至3任一项所述的工具，其特征在于，所述Ti1-xAlxCyNz层具有0.70≤x2300HV的维氏硬度HV。20.根据权利要求1至3任一项所述的工具，其特征在于，布置在所述基体和所述Ti1-xAlxCyNz层之间的是至少另外一个厚度为0.05μm～7μm的硬质材料层，所述硬质材料层选自TiN层、通过高温CVD法或者中温CVD法沉积的TiCN层、Al2O3层和它们的组合。21.根据权利要求1至3任一项所述的工具，其特征在于，布置在所述Ti1-xAlxCyNz层之上的是至少一个改性γ-Al2O3、κ-Al2O3或α-Al2O3的Al2O3层，其中Al2O3层是通过高温CVD法或者中温CVD法沉积的。22.根据权利要求21所述的工具，其特征在于，布置在所述Ti1-xAlxCyNz层之上的是至少一个α-Al2O3层，其中α-Al2O3层是通过高温CVD法或者中温CVD法沉积的。23.一种用于生产根据前述权利要求任一项所述的工具的方法，其中为了生产具有片晶结构的Ti1-xAlxCyNz层a将待涂布的基体放置在圆柱形的CVD反应器中，所述反应器被设计用于以相对于所述反应器的纵轴沿径向的方向的工艺气体流经待涂布的基体，b提供2种前驱气体混合物VG1和VG2，其中第一前驱气体混合物VG1含有0.005体积％～0.2体积％的TiCl4，0.025体积％至0.5体积％的AlCl3和作为载气的氢气H2或氢气和氮气的混合物H2N2，并且第二前驱气体混合物VG2含有0.1～3.0体积％的至少一种选自氨NH3和肼N2H4的N-供体和作为载气的氢气H2或氢气和氮气的混合物H2N2，并且第一前驱气体混合物VG1和或第二前驱气体混合物VG2任选地含有选自乙腈CH3CN、乙烷C2H6、乙烯C2H4和乙炔C2H2及其混合物的C-供体，其中在前驱气体混合物VG1，VG2中的N-供体和C-供体的总体积％的比例在0.1～3.0体积％的范围中，c将所述2种前驱气体混合物VG1，VG2在进入反应区之前保持分开，并在600℃～850℃范围内的CVD反应器中的处理温度下和在0.05～18kPa范围内的CVD反应器中的处理压力下，相对于反应器的纵轴径向地导入所述2种前驱气体混合物，其中所述前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量被选择为使得在CVD反应器中的平均停留时间τ小于1秒。24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量被选择为使得在CVD反应器中的平均停留时间τ小于0.5秒。25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，在CVD反应器中的处理温度在625℃～800℃范围内，和或在CVD反应器中的处理压力在0.05～8kPa范围内。26.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量的比例小于1.5。27.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述前驱气体混合物VG1，VG2的气体体积流量的比例小于1.25。

百度查询： 瓦尔特公开股份有限公司 具有片晶结构的TiAlCN层

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