具有cvd涂层的工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工具，所述工具具有硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基 体和在CVD工艺中施加至其上的单层或多层磨损防护涂层，其中所述磨损防护涂层具有至 少一个ThxAlxCyNjl，其化学计量系数为 0. 70Sx〈l、0 <y〈0. 25 和 0. 75 <z〈l. 15,并具 有结晶择优取向。本发明还涉及一种制造这种工具的方法。
【背景技术】
[0002] 用于材料机械加工、特别是用于切削金属机械加工的切削刀片包含硬质合金、金 属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体，所述基体在大多数情况下设置有用于改进切削和/或磨 损特性的单层或多层硬质合金涂层。所述硬质合金涂层包含单金属或混合金属硬质合金相 的相互叠置层。单金属硬质合金相的实例是TiN、TiC、TiCN和A1203。其中在晶体中一种金 属被另一种部分代替的混合金属相的实例是TiAIN和TiAlCN。通过CVD工艺（化学气相沉 积）、PCVD工艺（等离子体辅助CVD工艺）或PVD工艺（物理气相沉积）来施加上面所指 种类的涂层。
[0003] 已发现，在PVD或CVD工艺中，沉积物中晶体生长的某种择优取向可具有特定优 势，在这方面涂层的给定层的不同择优取向对于切削刀片的不同用途也可以是特别有利 的。生长的择优取向通常是关于晶格平面进行说明的，通过米勒指数进行限定并且被称为 结晶织构（例如纤维织构）。
[0004] DE10 2005 032 860 公开了具有A1 含量为 0· 75〈χ〈0· 93 的面心立方ThxAlxCyN z 层的硬质合金涂层和其制造方法。
[0005] DE10 2007 000 512公开了一种硬质合金涂层，其具有沉积在直接沉积在基底上 的TiN、TiCN或TiC第一层上的TiAIN层，和设置在所述两个层之间的粘结层，具有相梯度。 所述TiAIN层关于晶格的（200)平面具有晶体生长的择优取向。
[0006] 特许公开说明书TO2009/112115、TO2009/112116 和TO2009/112117A1 公开了 通过CVD工艺沉积的TiAIN和TiAlCN层，其具有高的A1比例和面心立方晶格，但未描述晶 体生长的结晶择优取向。
[0007] 通过PVD工艺制造的TiAIN涂层是已知的，其具有晶体生长的各种结晶择优取向， 但相比于CVD涂层，将具有TiAIN涂层的面心立方晶格的PVD涂层限制于小于67%的A1含 量。关于晶粒的生长方向具有{200}平面的结晶择优取向的TiAIN涂层被描述为对于金属 机械加工是有利的（例如US2009/0274899、US2009/0074521 和W0 2009/127344)。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供用于切削金属机械加工、特别是钢或铸造材料的车削和铣削 机械加工的切削刀片，所述切削刀片相比于现有技术具有改进的耐磨性。
[0009] 通过用于制造如下工具的方法来实现所述目的，所述工具具有硬质合金、金属 陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体和在CVD工艺中施加至基体上的单层或多层磨损防护涂 层，其中所述磨损防护涂层具有至少一个TiixAlxCyNji，其化学计量系数为0. 70 <x〈l、 0彡y〈0. 25和0. 75彡z〈l. 15并且厚度在1μπι至25μπι的范围内，其中为制造所述ThxAlxCyN z层：
[0010]a)将待涂覆的主体放置在基本上圆柱形的CVD反应器中，所述反应器为了相对于 所述反应器的纵轴基本上径向方向的在待用工艺气体涂覆的主体上的汇流而设计，
[0011]b)提供两种前体气体混合物（VG1)和（VG2)，其中第一前体气体混合物（VG1)含 有
[0012] 0· 005 体积 ％至 0· 2 体积 ％ 的TiCl4，
[0013] 0. 025 体积 ％ 至 0. 5 体积 ％ 的A1C13，和
[0014]作为载气的氢气（?)或氢气和氮气的混合物（H2/N2)，并且
[0015] 第二前体气体混合物（VG2)含有
[0016] 0·1体积％至3.0体积％的选自氨气（NH3)和肼（N2H4)的至少一种N供体，和
[0017] 作为载气的氢气（?)或氢气和氮气的混合物（H2/N2)，
[0018] 并且所述第一前体气体混合物（VG1)和/或所述第二前体气体混合物（VG2)任选 地含有选自乙腈（CH3CN)、乙烷（C6H6)、乙烯（C2H4)和乙炔（C2H2)及其混合物的C供体，其中 所述前体气体混合物（VG1、VG2)中的N供体和C供体的总体积％比例在0. 1体积％至3. 0 体积％的范围内，
[0019] C)所述两种前体气体混合物（VG1、VG2)在通入反应区之前保持分开并且在CVD反 应器中600°C至850°C范围内的工艺温度和CVD反应器中0. 2kPa至18kPa范围内的工艺压 力下以相对于所述反应器的纵轴基本上径向的方式引入，
[0020] 其中所述前体气体混合物（VG1、VG2)的体积气体流量的比 i;(VGl)/i;'(VG2)小于 1.5。
[0021 ] 根据本发明，所述前体气体混合物中的体积％比例涉及引入反应区中且包含所述 第一和第二前体气体混合物的气体混合物的总体积。
[0022] 令人惊讶地发现，根据本发明的工艺实施使得有可能制造化学计量系数为 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 层，其关于晶格的{111}平面具有明显的晶体生长择优取向。相比于具有TiAlCN和TiAIN 层的已知涂层，特别是关于晶格的{200}平面具有晶体生长择优取向的涂层，根据本发明 的涂层在金属机械加工中具有优异的特性。此外令人惊讶地发现，在具有本文所述种类涂 层的切削刀片的情况下，在切削金属机械加工中，特别是在钢或铸造材料的车削和铣削中， 可实现相比于已知切削刀片改进的耐磨性和更宽的应用范围。
[0023]在根据本发明的CVD工艺中，制备两种前体气体混合物（VG1)和（VG2)，其中第一 前体气体混合物（VG1)含有呈其氯化物形式的金属Ti和A1以及载气并且第二前体气体混 合物（VG2)含有至少一种N供体。一般来说，仅使用N供体氨气（NH3)或肼（N2H4)来制造纯 TiAIN层。为制造TiAlCN层，使用N供体和C供体，例如与乙烯（C2H4)混合的氨气（NH3)。 在根据本发明的工艺中，乙腈（CH3CN)主要充当C供体并且相应地以与N供体的混合物使 用。根据分别所需的化学计量，可使用与另外的N供体和C供体的混合物。对于根据本发 明的工艺，N供体需要与金属Ti和A1的氯化物单独地供应，但相比之下C供体可以通过第 一前体气体混合物（VG1)以及通过第二前体气体混合物（VG2)供应。在本发明的另一个优 选实施方式中，所述N供体是氨气（NH3)。
[0024] 根据本发明使用的CVD工艺是CVD反应器中工艺温度在600°C至850°C的范围内 且工艺压力在0. 2kPa至18kPa范围内的MT-CVD工艺。所述CVD反应器是一种基本上圆柱 形的反应器，其为了待用工艺气体涂覆的主体的汇流而设计，所述汇流相对于所述反应器 的纵轴在基本上径向的方向上，也就是说从圆柱形反应器的中心轴起在由圆柱壳形成的反 应器外壁的方向上。这种圆柱形反应器是已知的且可商购的，例如来自IonbondAG、01ten、 Switzerland的Bernex'l:，BPXpro型CVD涂覆系统。
[0025] 根据本发明的工艺中的重要工艺步骤在于将两种前体气体混合物（VG1)和（VG2) 在通入反应区中之前保持分开。如果不这样做的话，前体气体流可能已经例如在供应管线 中过早反应，并且不能获得所需涂层。
[0026] 根据本发明的工艺中的另一个重要步骤是，所述前体气体混合物（VG1、VG2)的体 积气体流量(6#):的比i;'i:VGl)/ 〖V(VCi2)小于1.5。如果所述前体气体混合物（VG1、VG2) 的体积气体流量)的比PCVGl) / 大于1. 5,则对于ThxAlxCyNjl不给予所需 特性，特别是不提供关于晶格的{111}平面的晶体生长择优取向，其在本文中被定义为X射 线衍射峰I{111} /1 {200}的强度比并且根据本发明为>l+h(Inh)2,其中h是ThxAlxCyNjl 的以μm计的厚度。
[0027] 在本发明的一个优选实施方式中，CVD反应器中的工艺温度在650°C至800°C的范 围内，优选在657°C至750°C的范围内。
[0028] 如果CVD反应器中的工艺温度太高，则在层中获得高含量的六方A1N，由此其中层 硬度下降。
[0029] 如果相反CVD反应器中的工艺温度太低，则沉积速率可降至不经济的范围内。另 外在低温下，获得氯含量>1原子％且硬度较低的层。
[0030] 在本发明的另一个优选实施方式中，CVD反应器中的工艺压力在0. 2kPa至7kPa的 范围内，优选在〇.4kPa至1. 8kPa的范围内。
[0031] 如果CVD反应器中的工艺压力太高，则导致工具上的不规则层厚度分布，其中在 边缘处的层厚度增加，即所谓的狗骨效应。另外，经常获得高比例的六方A1N。
[0032] 相比之下，在技术上难以实现CVD反应器中小于0. 2kPa的工艺压力。另外，在过 低的工艺压力下，