专利名称：TiBN镀层的制作方法
技术领域：
本发明涉及刀具的刀片或者切削工具，特别涉及用于加工工件的刀片或切削工具，同时还涉及提供在这种切削工具上的镀层的制造方法。
很难将TiBN层的PVD工艺与利用CVD工艺制造其它镀层的工艺结合起来。
从EP 0 732 423 B1已经知道了含有TiBN层的层结构。作为中间层的TiBN层夹在其它层之间是为了增强结合力。其它这些层通过CVD工艺在1000℃的沉积温度制造出来。
由成分为TiNx和TiB2的层构成TiBN层的制造方法是已知的，该方法公开自Bartsch、Leonhardt和Wolf于1991年9月发表在Journalde Physique IV，Colloque C2，suppl.au Journal de Physique II第一卷中题为“Composition Oscillations in Hard Material Layers Deposited fromthe Vapour Phase”的文章中。为了产生这些振荡层，在冷壁反应器中在温度为1300K(约1000℃)通过CVD工艺产生镀层。
发明内容
本发明的目的是披露一种设有极硬镀层的刀体。本发明的另一个目的是披露一种制造这类硬镀层的方法。
这个目的通过具有权利要求1的特征的刀体来实现，这个目的也通过按照权利要求17的方法来实现。
根据本发明的刀体具有其上镀有镀层的基体，该镀层由TiBN层构成或包含这样的镀层，并且硼的含量≥6At％。这样的镀层其硬度可以超过4500HV100。另外还发现，这样的镀层与含碳的基底材料结合的很好，例如碳化钨，或者可以从基底材料渗入碳的其它镀层。因此有可能制造出具有优异金属切削性质的刀具刀片或者切削工具。
优选TiBN层为TiN和TiB2组成的多相层。例如，多相层由立方TiN基底点阵组成，其中嵌有TiB2晶体。通过这种结合，可以防止由于碳从硬质金属(如碳化钨)扩散进入镀层所引起的问题。如果硼从沉积层中扩散出来进入硬质金属，并且如果这导致形成了CoWB，立方TiN点阵可以吸收那些自由的碳而不会引起结合的问题。
TiN层也可以含有硼成分，其含量使得它成为嵌有TiN晶体的TiB2层。可以通过这样来达到非常大的硬度。
优选这样组成TiBN层，多相的一半或者略微超过一半的部分是TiB2，同时，剩下的部分以TiN的形式出现。TiN部分保证了对扩散碳的良好的不敏感性，这些碳尤其是在较高的镀层温度下容易移动。
这些镀层优选在CVD工艺中沉积。通过CVD工艺，TiBN层可以整合为由CVD工艺一体制造出来的层结构。可以利用传统的CVD设备。不需要生成等离子体或蒸发靶的装置。TiBN层可以直接沉积到碳化钨基底材料上。如果所镀的镀层含有立方TiC点阵，碳扩散不会对结合产生负面的影响。另外，TiBN层可以沉积到氧化铝层上。在这种情况下，它可以用作覆盖层。实验指出对用于加工铸件的车床刀具来讲，与不具备TiBN镀层而由TiN覆盖的α-氧化铝层制成的切削工具相比，在α-氧化铝上的TiBN覆盖层的层结构可以导致其使用寿命延长20％。通过改变工艺气体可能实现多层镀层，其中薄TiN层与TiBN相互交替。这些层显现出优异的金属切削性质。这些层特别不易受到热裂化影响。这归功于较软的TiN层与较硬的TiBN层的相互交替排列。有可能在1μm的层厚中提供多达50层的镀层，本发明的方法是CVD工艺，其中利用700℃到1000℃较低的工艺温度。工艺温度优选低于900℃，如850℃。工艺的环境气体包含钛和硼的产物母体，以及氮和/或氮的化合物。硼氮化钛的沉积速率比氮化钛或硼化钛它们自身的沉积速率快。这允许CVD沉积发生在较低的温度。较低的温度只导致较低的碳扩散速率，这使得镀层具有光滑的吸引人的外观。
优选TiCl4作为钛的产物母体。优选BCl3作为硼的产物母体。在工艺环境气体中优选TiCl4的容积含量(Vol％)为0.9％到1.5％，BCl3的容积含量为0.9％到2.5％。氮在工艺环境气体中的容积含量优选为14％到17％。工艺环境气体中剩下的部分优选为氢气。
本发明优选实施例以及权利要求的详细内容将在下面的描述中给出。在唯一的附图
中给出了特别优选的作为示例的实施例。
例如，首先在CVD工艺中将厚度为0.5μm的TiN层镀在由碳化钨制成的刀体上。为了这个目的，将刀体放进CVD反应器中，并且实施适当的CVD工艺处理。在TiN层的沉积完成后，在沉积温度为850℃的条件下，将反应器中充满环境气体，气体中包含容积含量为1％的TiCl4，容积含量为16％的N2，容积含量为0.1％的BCl3，其余的部分是H2。将工艺处理压力设定在100毫巴。经过15个小时的时效处理后，沉积出厚度为6μm并且具有金属黄铜色的TiBN层。TiBN层是其中嵌入TiB2晶体的TiBN基体。它的显微硬度有可能大于4500HV。例2TiBN层中的硼含量可以通过增加工艺环境气体中的BCl3含量来增加。例如，在CVD反应器中通过CVD工艺先使刀体镀上厚度为0.5μm的TiN层。随后设定工艺环境气体，使之包含容积含量分别为1％、16％、2.5％的TiCl4、N2、BCl3，其余气体是H2，并且在100毫巴工艺压力和850℃沉积温度的条件下实施镀层工艺。3个小时后，有银色光泽的、厚度为6μm的TiBN层生长出来。它由TiBN2基体构成，其中嵌有TiN晶体或者微晶。如果可以将扩散进入TiBN层的碳保持在较低的水平，可以实现非常大的硬度和抗磨损性能。
如果需要，可以将工艺压力设置在60到950毫巴的范围内。温度影响沉积的速度。原则上讲，可以使用的温度范围是700℃到1050℃。工艺环境气体中的BCl3容积含量设在0.05％到5％。例3为了制造以加工钢铁等为目的的刀体，刀体首先在CVD反应器中镀上厚度为0.5μm的TiN层。在第二个步骤中，以适中的温度(工艺温度＝700℃到900℃)镀上厚度为8μm的TiCN层。这个工艺在同一个反应器中进行。在第三步骤，通过在同一个反应器中的CVD工艺镀上厚度为0.8μm的TiAlCNO层。这个层作为粘合层用于6μm厚的Al2O3镀层，该Al2O3层在第四步中将沉积在其上。当在同一个反应器中完成这四步CVD镀层操作后，在第五步中将厚度为2μm的TiBN层镀在其上。具有2μm厚度的层，在工艺压力为300毫巴的条件下，经过270分钟生长出来，沉积温度为850℃，工艺环境气体的组分为容积含量为1％的TiCl4、容积含量为16％的N2、容积含量为0.1％的BCl3，其余是H2。这个层由氮化钛基体构成，其中嵌有TiB2晶体。该层呈现具有金属光泽的黄铜色。例4与前面描述的例子类似，首先可以依次在刀体上镀上厚度为0.5μm的TiN层，厚度为8μm的NT-TiCN层，粘合层(例如厚度为0.8μm的TiAlCNO层)和厚度为6μm的氧化铝(Al2O3)层。然后在同一个反应器中镀上厚度为2μm的TiBN层。其结果是，在这样的工艺条件下具有2μm厚度的镀层经过150分钟沉积时间生长出来，其中，工艺压力为600毫巴，沉积温度为900℃，工艺环境气体的组分为容积含量为1.4％的TiCl4，容积含量为15％的N2，容积含量为0.15％的BCl3，其余的部分是H2。该层呈现出具有金属光泽的亮黄色。
工艺压力可以设定在60到950毫巴之间。沉积温度可以设定在700℃到1050℃之间。工艺环境气体中的BCl3容积含量设在0.05％到5％之间。
特别提供了作为刀体镀层的TiBN层，该层为由TiN和TiB2层组成的多相。硼的含量≥6At％。其沉积速率比TiN层的沉积速率高，也比TiB2层的沉积速率高。可得到大于4000HV的硬度。
在唯一的附图中特别示出了一刀具板，它的表面被万用球节形状的研磨体研磨。被研磨的部分在图中的右下部显示出中心灰色区域1，在这里基底材料(如碳化钨)出现在表面上。在保持原状的区域2(左上部)，可以观察到未受影响的表面，它由TiBN组成。在与紧靠底层的部分可观察到厚度约为1μm的TiN层3。位于它上面的多层覆盖层4具有约为6μm的厚度。它大约包括30层，其中各个位于相对较薄的TiN层5上面的TiBN层6的厚度是TiN层5的厚度的3到5倍。TiBN层6优选是TiN和TiB2组成的多相。多相中的50％到60％是为硼化钛(TiB2)。TiN层5优选具有同样的厚度。如果在图中所显现出来的厚度不同，那是由于球面研磨的结果。
在制造这个多层镀层时，基底温度可以保持在900℃以下。多层镀层4显示出优异的结合性能和极其光滑的表面。各个层的数目可以大于50。其硬度相应于TiBN层的厚度并且大致为3800 HV。层的内部应力较低，特别是在加工硬且韧的材料时显现出它对热裂化的敏感性减小了。
权利要求
1.一种刀体，特别是通过切削来加工工件的刀体，包括具有镀层的基体，其中，镀层包含至少一层TiBN层，该TiBN层中硼的含量大于或等于6At％。
2.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层是由TiN和TiB2组成的多相层。
3.根据权利要求2的刀体，其特征在于多相层中TiB2的重量含量在50％到60％之间。
4.根据权利要求2的刀体，其特征在于TiBN层是其中嵌有TiB2晶体的TiN层。
5.根据权利要求2的刀体，其特征在于TiBN层是其中嵌有TiN晶体的TiB2层。
6.根据权利要求1的刀体，其特征在于利用CVD工艺沉积形成TiBN层。
7.根据权利要求1的刀体，其特征在于将TiBN层施加在碳化钨基底材料上。
8.根据权利要求1的刀体，其特征在于提供TiBN层作为层状结构的覆盖材料。
9.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层镀在Al2O3层上。
10.根据权利要求1的刀体，其特征在于在基体上按照下列层顺序建立多层镀层TiN-TiCN-TiAlCNO-α-Al2O3-TiBN。
11.根据权利要求8的刀体，其特征在于TiBN层是覆盖层。
12.根据权利要求1的刀体，其特征在于TiBN层是多层结构，其中TiN层和TiB2层交替出现。
13.根据权利要求12的刀体，其特征在于TiBN层的最大总厚度为12μm，优选在2μm到5μm之间。
14.根据权利要求1的刀体，其特征在于多层镀层中TiN层的厚度比TiB2层的厚度薄。
15.根据权利要求3的刀体，其特征在于TiN层的厚度最多只有TiBN层厚度的一半。
16.根据权利要求1的刀体，其特征在于多层镀层至少具有20层。
17.一种制造硬质材料层的方法，特别是制造刀体硬质材料层的方法，其中将要在其上镀层的刀体置于反应器中，设定工艺压力在60到950毫巴之间，温度在700℃到1050℃之间，其中工艺环境气体中包含钛和硼的产物母体，以及氮和/或氮化合物。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺温度在700℃到950℃之间。
19.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺温度低于850℃。
20.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺环境气体中包含氢(H2)。
21.根据权利要求17的方法，其特征在于钛的产物母体为TiCl4。
22.根据权利要求17的方法，其特征在于硼的产物母体为BCl3。
23.根据权利要求21的方法，其特征在于工艺环境气体中TiCl4的容积含量比例在0.9％到1.5％之间。
24.根据权利要求22的方法，其特征在于工艺环境气体中BCl3的容积含量比例在0.05％到5％之间。
25.根据权利要求22的方法，其特征在于工艺环境气体中BCl3的容积含量比例在0.09％到2.5％之间。
26.根据权利要求17的方法，其特征在于工艺环境气体中氮的容积含量在14％到17％之间。
27.一种根据权利要求1的刀体，其中，用于加工钢铁材料。
28.一种根据权利要求1的刀体，其中，用于加工铸铁材料和灰铸铁材料。
全文摘要
提供了特别用于刀体镀层的TiBN层，该层为由TiN和TiB
文档编号B23B27/16GK1473680SQ0312386
公开日2004年2月11日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者黑尔加·霍尔茨舒, 黑尔加 霍尔茨舒 申请人:瓦尔特公开股份有限公司