[发明专利]耐磨层及其制备方法

说明书

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[(Nb_1-dTa_d)_aAl_1-a-b-c，Si_b，B_c](C_1-xN_x)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。