CN102224273B - 耐磨层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于工具例如铣刀、刀片、压铸模等的耐磨层，尤其是通过物理气相沉积淀积的耐磨层，所述耐磨层具有一般组成AlNbX，其中X表示N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO、CNCO，其特征在于，Nb份额低于40at％，和/或用于制备的铝粉中掺有相对于铝10～50at％的锆，以及制备耐磨层的方法。
Description
本发明涉及耐磨层以及制备该耐磨层的方法。
除了数十年来早已为人所知的TiAlN体系之外，AlCrN体系也被看作是现有技术。该体系的特征在于改善了机械特性、热特性和摩擦特性，可在许多应用中提高经涂覆的构件和工具的工作效率。
US7226670阐述了一种经涂覆的零件，具有包括至少一种AlyCrl-yX体系的层体系，其中X表示N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO、CNCO。所述零件是铣削刀具、滚齿刀、球头铣刀、平面铣刀或成型铣刀铰刀(Reibwerkzeug)、扩孔钻(Reibahle)、转位式刀片(Wendeschneidplatte)、铸型(Gussform)或者压铸模(Spritzgusswerkzeug)。
JP-2006225703公开了一种[(Nb1-dTad)aAl1-a-b-c，Sib，Bc](C1-xNx)层体系，具有以下组成：
0≤d≤1
0.4≤a≤0.6
0≤b+c≤0.15
0.4≤x≤1。
已知含有AlCrN的层表现出非常高的耐氧化性。含有AlCrN的层在大于1100℃的温度范围内开始氧化。视层的使用条件而定，也可能会妨碍形成稳定的氧化皮。例如在真空中或者保护气体下进行灼烧试验时就存在此类条件，但在刃口并不直接或者仅仅部分暴露于大气的切削应用中也存在此类条件。例如在车削或者钻孔应用中就可能存在描述这种状态的条件。
在此类条件下观察到AlCrN从温度800℃起分解成热力学更稳定的Cr2N。
含有AlNbN的层在1100℃范围内具有可比较的耐氧化性。此外该体系也能分解成热力学更稳定的Nb2N。但是只有当温度明显高于1100℃时才会发生这种分解。就此而言，这些层在其工作范围内尽管有可比较的耐氧化性，也表现出显著更好的工作效率。
另一个要点是不同的磨损机制。含有NbAlN的层的好的机械特性、摩擦特性和热特性表现出该层在磨损防护方面的潜力。
然而，取决于磨损机制，摩擦化学磨损也是十分重要的。层材料在铁中的溶解度是与含铁材料接触应用时摩擦化学耐磨性的指标。适用如下貌似合理的经验法则：在铁中的溶解度越小，则与含铁材料接触应用时的摩擦化学耐磨性越大。
附图1～3所示为Fe-Ti、Fe-Cr和Fe-Nb双物质体系的相图。阴影区域在每一情况下表示两种金属的连续可混性。比较这三种双物质体系可知，含有AlCrN的层中的Cr在铁中的溶解度最大。含钛层中的钛具有比Cr低得多的溶解度，但在高温下，例如在许多耐磨应用的使用范围，溶解度也会显著增大。存在于含NbAlN层中的Nb即使在高温下，溶解度也非常小。即使在1000℃温度，也低于一个原子百分数。就此而言，可以利用该体系在与铁基材料存在磨损接触的情况下改善摩擦化学耐磨性。例如在对钢进行诸如切削或成形之类的机械加工过程中，但是在构件和技术元件的摩擦接触过程中也会存在这种情况。
这类层的典型制备方法是PVD(物理气相沉积)工艺。尤其优选ARC蒸镀工艺，这种工艺的淀积速率和离子化程度高，能够以经济方式淀积出优质硬质材料层。该工艺的特征在于通过电弧以物理方式蒸发靶表面。该蒸镀工艺使得部分蒸发颗粒(所谓的溅射物)从靶表面发射出来，并且这些溅射物之后可以在层中重新以所谓液滴的形式出现。优质蒸镀工艺的特征在于可以将溅射物的数量保持为尽可能少。
但如果Nb含量太高，则推测由于熔点不同(Al熔点为660℃，Nb熔点为2467℃)而使得金属Nb溅射物嵌入在层中。这尤其使得表面粗糙度比较大，从而导致耐磨性大幅度降低。溅射物也会以不利于应用的方式改变机械特性，例如硬度、弹性等等。
本发明的任务在于提供改善的耐磨层，该耐磨层具有极好的摩擦化学特性和改善的机械特性。
利用具有权利要求1所述特征的耐磨层实现了这一任务。
从属权利要求给出了有益的改进实施方式。
此外本发明的任务还在于提供制备改进的耐磨层的方法，该方法使得能实现具有极好摩擦化学特性和改善的机械特性的耐磨层。
利用权利要求6所述的特征实现了这一任务。
从属于权利要求6的权利要求给出了有益的改进实施方式。
根据本发明，通过耐磨层解决所述任务，这种耐磨层尽管没有使得Nb含量消失，或者至少具有比现有技术显著减少Nb溅射物的数量，其中相对于现有技术如下改变靶结构：使得Al和Nb的熔化特性至少接近。
已发现一方面可通过较低的Nb份额实现。例如已经证明，从Nb的百分比含量小于40％起，溅射物的数量就会急剧减少。此外还发现，另一方面，在靶中加入锆可以使其显著减少。在此情况下，向Al粉中混入Zr，且优选混入10～50at％的Zr。在进一步的限定方案中，该范围为20～30at％，和理想的是使用原子比为75at％Al和25at％Zr的金属间相Al3Zr。
本发明的耐磨层具有例如以下组成：
Nb1-a-bAla(Sib)X，其中
X是选自N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO、CNCO的至少一种要素，并且
对于a和b满足以下范围：
0.6＜a≤0.9
0≤b≤0.2。
其中a＞0.6表示指数为a的材料具有大于60％的原子百分数。类似的论述适用于指数b。
按照另一种有益的实施方式所述，耐磨层具有以下组成：
Nb1-a-b(Al1-cZrc)a(Sib)X，其中
X表示N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO、或CNCO，并且
0.3＜a≤0.9
0≤b≤0.2
0.1＜c≤0.5。
其中a＞0.3表示指数为a的材料具有大于30％的原子百分数。类似的表述也适用于指数b和c。
以下将依据附图示例性解释本发明。相关附图如下：
图1铁钛体系的相图。阴影区域所示为钛在铁中的溶解度。该溶解度是材料组合物的摩擦化学耐磨性指标，其中满足：溶解度越小，则化学耐磨性越大。
图2铁铬体系的相图。阴影区域所示为铬在铁中的溶解度。
图3铁铌体系的相图。阴影区域所示为铌在铁中的溶解度。铌与钛和铬的不同之处在于，即使在如其应用中出现的极高温度(1000℃)，也几乎不溶解于铁之中。
图4铝锆体系的相图。该相图清楚表明，将锆加入铝之中导致熔点升高。在Al的相含量为75at％且Zr的相含量为25at％情况下，出现高熔点的金属间相，然后出现高熔点的共晶体1595°。
图5示意性示出连续铝基体5(阴影)中的铌晶粒7。当铝含量较高时(＜60％)存在这种相混合物。
图6示意性示出与铝或者AlZr9(阴影)混合的铌晶粒11。当铝含量较低时(＜60％)存在这种情况。这种情况下没有出现连续的铝基体。因此在靶中有一定的孔隙度，只能通过适配(angleichen)铌和AlZr的熔点来抑制溅射物形成。
根据本发明已经证实，当Nb含量高时，尽管摩擦化学磨损特性与没有Nb的体系相比有所改善，但是机械磨损特性却以不可接受的方式变差。其原因可能是嵌入在该层中的金属Nb。
根据本发明已经得出，利用电弧蒸镀法制备的层大大减少溅射问题，如果按照本发明的第一种实施方式使得Nb含量变得小于40％直至10％，不必丧失摩擦化学耐磨性方面的优势。如果Nb含量更小，就会发现摩擦化学耐磨性与纯的AlN相比没有改善。
按照本发明的第二种实施方式，将一定含量的锆混入到用于涂层的靶之中。更确切的说法是将靶中的一部分铝替换成锆。已发现如果锆相对于铝的百分比含量小于10％，就能大幅度减少溅射物的数量。其原因可能是形成了AlZr金属间相，从而导致附随的熔点提高。由于熔点提高而适配Nb和AlZr金属间相混合物的熔点。可以将铝和铌之间的熔点差1800℃减小到铝锆和铌之间的熔点差850℃。这种熔点的适配最终会导致更稳定并且减少溅射物的蒸镀特性。
本领域技术人员从AlZr相图清楚看出，相对于铝加入几个百分点的锆导致形成两相组织结构-即高熔点的铝锆相和低熔点的铝混晶。这种高熔点铝锆相的含量随着锆含量的增大而增加，当锆含量为25％且铝含量为75％时，最终就会得到单相的金属间相。在锆含量更高情况下形成其它可比较的金属间相。理想的是将这种金属间相与铌粉混合。
可以使用以上所述本发明的耐磨层对构件和刀具进行有利地涂覆。因此本发明也涉及经过如此涂覆的部件。这些可能尤其是：铣削刀具、滚齿刀、球头铣刀、平面铣刀或成型铣刀、铰刀、扩孔钻、转位式刀片、铸型或者压铸模。
以下应用实施例介绍了两个试验，以可加工的距离表示使用寿命。这种情况下以原子百分数表示化学计量。
试验1：
切削参数：
结果(经涂覆工具的最大使用寿命)：
试验2：
切削参数：
结果(经涂覆工具的最大使用寿命)：
常规层 1.2m
Al60Nb40N 2.0m。
Claims (19)
1.用于工具的耐磨层，所述耐磨层具有一般组成AlNbX，其中X表示N、CN、BN、CBN、NO、CNO、BNO或CNCO，其特征在于，制备所用的铝粉掺有相对于铝为10～50at％的锆。
2.根据权利要求1所述的耐磨层，其特征在于，所述工具是铣刀或压铸模。
3.根据权利要求1所述的耐磨层，其特征在于，所述工具是刀片。
4.根据权利要求1所述的耐磨层，其特征在于，所述耐磨层是通过物理气相沉积淀积的耐磨层。
5.根据权利要求1所述的耐磨层，其特征在于，所述耐磨层具有以下组成：
Nb1-a-bAla(Sib)X，
其中
X是选自N、CN、BN、CBN、NO、CNO、BNO、CNCO的至少一种要素，并且
对于a和b，满足以下范围：
0.6<a≤0.9
0≤b≤0.2。
6.根据权利要求1所述的耐磨层，其特征在于，所述耐磨层具有以下组成：
Nb1-a-b(Al1-cZrc)a(Sib)X，
其中
X表示N、CN、BN、CBN、NO、CNO、BNO或CNCO，并且
0.3<a≤0.9
0≤b≤0.2
0.1<c≤0.5。
7.根据权利要求1或6所述的耐磨层，其特征在于，向所述铝粉中添加20～30at％锆。
8.根据权利要求7所述的耐磨层，其特征在于，向所述铝粉中混入25at％锆，使得能形成具有75at％铝和25at%锆的原子比的金属间相Al3Zr。
9.制备权利要求中1～6任一项所述的耐磨层的方法，其特征在于，为了将所述层淀积到工具上，蒸发靶-电弧，其中该靶基本上是AlNb靶，其在反应性气氛中蒸发，其中如此调整Nb与Al的比例：使得为了制备靶以10～50at％的Zr量将Zr掺入到所述Al粉中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，向铝粉中掺入20～30at％Zr。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，铝与锆的原子比为75at％比25at%。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如此混合靶，使得通过电弧蒸发淀积的耐磨层具有以下组成：
Nb1-a-bAla(Sib)X，
其中
X是选自N、CN、BN、CBN、NO、CNO、BNO、CNCO的至少一种要素，并且
对于a和b，满足以下范围：
0.6<a≤0.9
0≤b≤0.2。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如此混合所述靶，使得淀积的耐磨层具有以下组成：
Nb1-a-b(Al1-cZrc)a(Sib)X，
其中
X表示N、CN、BN、CBN、NO、CNO、BNO或CNCO，并且
0.3<a≤0.9
0≤b≤0.2
0.1<c≤0.5。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了适配Nb和铝的熔点首先制备铝锆金属间相混合物，其中锆含量为10～15at％锆。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述锆含量为20～30at％锆。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述锆含量为25at％锆。
17.权利要求1～8中任一项所述的耐磨层用于铣削刀具的用途。
18.根据权利要求17所述的用途，其中所述的铣削刀具是滚齿刀、球头铣刀、平面铣刀或成型铣刀。
19.权利要求1～8中任一项所述的耐磨层用于铰刀、扩孔钻、转位式刀片、铸型或者压铸模的用途。
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