具有cvd涂層的工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工具，所述工具具有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、鋼或高速鋼的基 體和在CVD工藝中施加至其上的單層或多層磨損防護涂層，其中所述磨損防護涂層具有至 少一個ThxAlxCyNjl，其化學(xué)計量系數(shù)為 0. 70Sx〈l、0 <y〈0. 25 和 0. 75 <z〈l. 15,并具 有結(jié)晶擇優(yōu)取向。本發(fā)明還涉及一種制造這種工具的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于材料機械加工、特別是用于切削金屬機械加工的切削刀片包含硬質(zhì)合金、金 屬陶瓷、陶瓷、鋼或高速鋼的基體，所述基體在大多數(shù)情況下設(shè)置有用于改進切削和/或磨 損特性的單層或多層硬質(zhì)合金涂層。所述硬質(zhì)合金涂層包含單金屬或混合金屬硬質(zhì)合金相 的相互疊置層。單金屬硬質(zhì)合金相的實例是TiN、TiC、TiCN和A1203。其中在晶體中一種金 屬被另一種部分代替的混合金屬相的實例是TiAIN和TiAlCN。通過CVD工藝（化學(xué)氣相沉 積）、PCVD工藝（等離子體輔助CVD工藝）或PVD工藝（物理氣相沉積）來施加上面所指 種類的涂層。
[0003] 已發(fā)現(xiàn)，在PVD或CVD工藝中，沉積物中晶體生長的某種擇優(yōu)取向可具有特定優(yōu) 勢，在這方面涂層的給定層的不同擇優(yōu)取向?qū)τ谇邢鞯镀牟煌猛疽部梢允翘貏e有利 的。生長的擇優(yōu)取向通常是關(guān)于晶格平面進行說明的，通過米勒指數(shù)進行限定并且被稱為 結(jié)晶織構(gòu)（例如纖維織構(gòu)）。
[0004] DE10 2005 032 860 公開了具有A1 含量為 0· 75〈χ〈0· 93 的面心立方ThxAlxCyN z 層的硬質(zhì)合金涂層和其制造方法。
[0005] DE10 2007 000 512公開了一種硬質(zhì)合金涂層，其具有沉積在直接沉積在基底上 的TiN、TiCN或TiC第一層上的TiAIN層，和設(shè)置在所述兩個層之間的粘結(jié)層，具有相梯度。 所述TiAIN層關(guān)于晶格的（200)平面具有晶體生長的擇優(yōu)取向。
[0006] 特許公開說明書TO2009/112115、TO2009/112116 和TO2009/112117A1 公開了 通過CVD工藝沉積的TiAIN和TiAlCN層，其具有高的A1比例和面心立方晶格，但未描述晶 體生長的結(jié)晶擇優(yōu)取向。
[0007] 通過PVD工藝制造的TiAIN涂層是已知的，其具有晶體生長的各種結(jié)晶擇優(yōu)取向， 但相比于CVD涂層，將具有TiAIN涂層的面心立方晶格的PVD涂層限制于小于67%的A1含 量。關(guān)于晶粒的生長方向具有{200}平面的結(jié)晶擇優(yōu)取向的TiAIN涂層被描述為對于金屬 機械加工是有利的（例如US2009/0274899、US2009/0074521 和W0 2009/127344)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供用于切削金屬機械加工、特別是鋼或鑄造材料的車削和銑削 機械加工的切削刀片，所述切削刀片相比于現(xiàn)有技術(shù)具有改進的耐磨性。
[0009] 通過用于制造如下工具的方法來實現(xiàn)所述目的，所述工具具有硬質(zhì)合金、金屬 陶瓷、陶瓷、鋼或高速鋼的基體和在CVD工藝中施加至基體上的單層或多層磨損防護涂 層，其中所述磨損防護涂層具有至少一個TiixAlxCyNji，其化學(xué)計量系數(shù)為0. 70 <x〈l、 0彡y〈0. 25和0. 75彡z〈l. 15并且厚度在1μπι至25μπι的范圍內(nèi)，其中為制造所述ThxAlxCyN z層：
[0010]a)將待涂覆的主體放置在基本上圓柱形的CVD反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器為了相對于 所述反應(yīng)器的縱軸基本上徑向方向的在待用工藝氣體涂覆的主體上的匯流而設(shè)計，
[0011]b)提供兩種前體氣體混合物（VG1)和（VG2)，其中第一前體氣體混合物（VG1)含 有
[0012] 0· 005 體積 ％至 0· 2 體積 ％ 的TiCl4，
[0013] 0. 025 體積 ％ 至 0. 5 體積 ％ 的A1C13，和
[0014]作為載氣的氫氣（?)或氫氣和氮氣的混合物（H2/N2)，并且
[0015] 第二前體氣體混合物（VG2)含有
[0016] 0·1體積％至3.0體積％的選自氨氣（NH3)和肼（N2H4)的至少一種N供體，和
[0017] 作為載氣的氫氣（?)或氫氣和氮氣的混合物（H2/N2)，
[0018] 并且所述第一前體氣體混合物（VG1)和/或所述第二前體氣體混合物（VG2)任選 地含有選自乙腈（CH3CN)、乙烷（C6H6)、乙烯（C2H4)和乙炔（C2H2)及其混合物的C供體，其中 所述前體氣體混合物（VG1、VG2)中的N供體和C供體的總體積％比例在0. 1體積％至3. 0 體積％的范圍內(nèi)，
[0019] C)所述兩種前體氣體混合物（VG1、VG2)在通入反應(yīng)區(qū)之前保持分開并且在CVD反 應(yīng)器中600°C至850°C范圍內(nèi)的工藝溫度和CVD反應(yīng)器中0. 2kPa至18kPa范圍內(nèi)的工藝壓 力下以相對于所述反應(yīng)器的縱軸基本上徑向的方式引入，
[0020] 其中所述前體氣體混合物（VG1、VG2)的體積氣體流量的比 i;(VGl)/i;'(VG2)小于 1.5。
[0021 ] 根據(jù)本發(fā)明，所述前體氣體混合物中的體積％比例涉及引入反應(yīng)區(qū)中且包含所述 第一和第二前體氣體混合物的氣體混合物的總體積。
[0022] 令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的工藝實施使得有可能制造化學(xué)計量系數(shù)為 0· 70彡χ〈1、0彡y〈0. 25和0· 75彡ζ〈1· 15且具有面心立方晶格的Ti!xAlxCyN z和Ti!XA1XNZ 層，其關(guān)于晶格的{111}平面具有明顯的晶體生長擇優(yōu)取向。相比于具有TiAlCN和TiAIN 層的已知涂層，特別是關(guān)于晶格的{200}平面具有晶體生長擇優(yōu)取向的涂層，根據(jù)本發(fā)明 的涂層在金屬機械加工中具有優(yōu)異的特性。此外令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在具有本文所述種類涂 層的切削刀片的情況下，在切削金屬機械加工中，特別是在鋼或鑄造材料的車削和銑削中， 可實現(xiàn)相比于已知切削刀片改進的耐磨性和更寬的應(yīng)用范圍。
[0023]在根據(jù)本發(fā)明的CVD工藝中，制備兩種前體氣體混合物（VG1)和（VG2)，其中第一 前體氣體混合物（VG1)含有呈其氯化物形式的金屬Ti和A1以及載氣并且第二前體氣體混 合物（VG2)含有至少一種N供體。一般來說，僅使用N供體氨氣（NH3)或肼（N2H4)來制造純 TiAIN層。為制造TiAlCN層，使用N供體和C供體，例如與乙烯（C2H4)混合的氨氣（NH3)。 在根據(jù)本發(fā)明的工藝中，乙腈（CH3CN)主要充當(dāng)C供體并且相應(yīng)地以與N供體的混合物使 用。根據(jù)分別所需的化學(xué)計量，可使用與另外的N供體和C供體的混合物。對于根據(jù)本發(fā) 明的工藝，N供體需要與金屬Ti和A1的氯化物單獨地供應(yīng)，但相比之下C供體可以通過第 一前體氣體混合物（VG1)以及通過第二前體氣體混合物（VG2)供應(yīng)。在本發(fā)明的另一個優(yōu) 選實施方式中，所述N供體是氨氣（NH3)。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明使用的CVD工藝是CVD反應(yīng)器中工藝溫度在600°C至850°C的范圍內(nèi) 且工藝壓力在0. 2kPa至18kPa范圍內(nèi)的MT-CVD工藝。所述CVD反應(yīng)器是一種基本上圓柱 形的反應(yīng)器，其為了待用工藝氣體涂覆的主體的匯流而設(shè)計，所述匯流相對于所述反應(yīng)器 的縱軸在基本上徑向的方向上，也就是說從圓柱形反應(yīng)器的中心軸起在由圓柱殼形成的反 應(yīng)器外壁的方向上。這種圓柱形反應(yīng)器是已知的且可商購的，例如來自IonbondAG、01ten、 Switzerland的Bernex'l:，BPXpro型CVD涂覆系統(tǒng)。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的工藝中的重要工藝步驟在于將兩種前體氣體混合物（VG1)和（VG2) 在通入反應(yīng)區(qū)中之前保持分開。如果不這樣做的話，前體氣體流可能已經(jīng)例如在供應(yīng)管線 中過早反應(yīng)，并且不能獲得所需涂層。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的工藝中的另一個重要步驟是，所述前體氣體混合物（VG1、VG2)的體 積氣體流量(6#):的比i;'i:VGl)/ 〖V(VCi2)小于1.5。如果所述前體氣體混合物（VG1、VG2) 的體積氣體流量)的比PCVGl) / 大于1. 5,則對于ThxAlxCyNjl不給予所需 特性，特別是不提供關(guān)于晶格的{111}平面的晶體生長擇優(yōu)取向，其在本文中被定義為X射 線衍射峰I{111} /1 {200}的強度比并且根據(jù)本發(fā)明為>l+h(Inh)2,其中h是ThxAlxCyNjl 的以μm計的厚度。
[0027] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，CVD反應(yīng)器中的工藝溫度在650°C至800°C的范 圍內(nèi)，優(yōu)選在657°C至750°C的范圍內(nèi)。
[0028] 如果CVD反應(yīng)器中的工藝溫度太高，則在層中獲得高含量的六方A1N，由此其中層 硬度下降。
[0029] 如果相反CVD反應(yīng)器中的工藝溫度太低，則沉積速率可降至不經(jīng)濟的范圍內(nèi)。另 外在低溫下，獲得氯含量>1原子％且硬度較低的層。
[0030] 在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式中，CVD反應(yīng)器中的工藝壓力在0. 2kPa至7kPa的 范圍內(nèi)，優(yōu)選在〇.4kPa至1. 8kPa的范圍內(nèi)。
[0031] 如果CVD反應(yīng)器中的工藝壓力太高，則導(dǎo)致工具上的不規(guī)則層厚度分布，其中在 邊緣處的層厚度增加，即所謂的狗骨效應(yīng)。另外，經(jīng)常獲得高比例的六方A1N。
[0032] 相比之下，在技術(shù)上難以實現(xiàn)CVD反應(yīng)器中小于0. 2kPa的工藝壓力。另外，在過 低的工藝壓力下，