[发明专利]以硬质材料覆层的，由金属、硬质金属、金属陶瓷或陶瓷制成的体以及制造这种体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以硬质材料覆层的，由金属、硬质金属、金属陶瓷或陶瓷制成的体，其以TiSiCN层或含有至少一个TiSiCN层的层体系覆层，并且涉及一种制造这种体的方法。在体上产生的根据本发明的硬质材料层的突出之处在于高硬度、高氧化耐受性和温度耐受性以及高粘附性，并且能作为防磨损层而在许多硬质金属工具和陶瓷工具中得到采用。

背景技术

如今，许多硬质金属工具和陶瓷工具具有防磨损覆层，其决定性地提高了使用寿命。通过这些防磨损覆层的特殊的特性，例如高硬度、良好的氧化耐受性和温度耐受性保护了工具并且显著提高了效率。

因此，尤其公知的是基于Ti的硬质材料层，例如TiN和TiCN。然而这类硬质材料层不具有足够的氧化耐受性，从而在切屑处理时由于在切割棱边上的高温而不能不加冷却润滑剂地采用这些硬质材料层。

这些层的氧化耐受性和硬度可以通过掺入其他元素(例如铝或硅)改善。一个途径是开发含硅的纳米复合材料层，其由纳米晶的TiCN相和非晶的含硅的相所组成。

Ti-Si-C-N体系的复合材料或纳米复合材料已经可以通过不同的物理气相沉积和等离子体增强化学气相沉积方法来沉积。这些层的突出之处在于高硬度和减小的摩擦值(参见J.-H.Jeon,S.R.Choi,W.S.Chung,K.H.Kim,Surface&Coatings Technology(表面与涂层技术)188-189(2004)415以及R.Wei,C.Rincon,E.Langa,Journal of Vacuum Science and Technology(真空科学与技术)A28(2010)1126)。

在PVD(物理气相沉积)技术中使用磁控溅射方法或电弧工艺，如在DE3811907C1、WO2008/130316A1中以及由J.-H.Jeon,S.R.Choi,W.S.Chung,K.H.Kim在Surface&Coatings Technology188-189(2004)415中所描述的那样。通过使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)同样可以制造带有或没有纳米复合材料结构的TiSiCN层(参见D.Ma,S.Ma,H.Dong,K.Xu,T.Bell,Thin Solid Films(固体薄膜)496(2006)438以及P.Jedrzeyowski,J.E,Klemberg-Sapieha,L.Martinu,Surface&Coatings Technology188-189(2004)371)。借助PECVD制造的TiSiCN纳米复合材料层具有与PVD层近似的高硬度和特性。

迄今，对于借助热化学气相沉积(CVD)制造Ti-Si-C-N体系的硬质材料层仅给出了少量的试验。Kuo等人在三篇科学出版物中报告了与之相关的研究(参见D.-H.Kuo,K.-W.Huang,Thin Solid Films394(2001)72和D.-H.Kuo,K.-W.Huang,Thin Solid Films394(2001)81以及D.-H.Kuo,W.-C.Liao,Thin Solid Films419(2002)11)。但是，在直至800℃的温度仅能够制造带有小于8原子％的碳含量的TiSiCN复合材料覆层。晶相是TiN或TiN_0.3而不涉及TiC_xN_1-x。在800℃和1100℃之间的温度不产生复合材料层，而是产生带有在10GPa和27.5GPa之间的硬度的单相(Ti,Si)(C,N)层。也就是说，这些层的硬度相对以上所提到的借助PVD方法和PECVD方法制造的超硬的纳米复合材料层是相对较小的。

由US2008/0261058A1还已经公知了一种层，其由TiC、TiN或Ti(C,N)以及合金元素Si、Cr、V组成。该层要么由带有合金元素的晶体混合相组成，要么由两个或多个相形成的复合材料层组成。在此，一个相以在微米范围中的TiCN晶粒的形式存在，并且其他相由合金元素Si、Cr、V的氮化物和碳化物所组成。

在所介绍的复合材料层中缺点在于，其仅具有微小的硬度以及不足够的氧化耐受性。

发明内容

本发明的任务在于，针对由金属、硬质金属、金属陶瓷或陶瓷制成的体开发一种层体系，该层体系是单层的或多层的并且含有至少一个TiSiCN硬质材料层，其突出之处在于高硬度、高的氧化耐受性和温度耐受性以及高粘附性。在该任务中还包括开发一种方法，其使得在工业条件下也能够成本低廉地生产这种类型的覆层。