專利名稱：帶有固溶體涂鍍層的工件及其生產(chǎn)方法、生產(chǎn)設(shè)備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蒸發(fā)沉積領(lǐng)域，特別涉及一種新型而有用的涂鍍工件及其生產(chǎn)方法，生產(chǎn)設(shè)備和其應(yīng)用。
由歐洲專利A-0191554中可知一種為增加涂鍍工件硬度和韌性的方法以及用該方法制造的涂鍍工件。這種工件被用于諸如切消工具等方面。已知的涂鍍方法是通過在200℃～700℃度之間實施的PVD工藝來完成的。它可以涂鍍直至四層不連續(xù)的涂鍍層，既碳化鈦、氮化鈦和碳氮化鈦鍍層，其中氮化鈦鍍層總是直接被鍍在被鍍工件表面上。
如今，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在把含碳鈦化合物作為鍍層材料而進行的涂鍍過程中，純碳不能滲入相應(yīng)的層中。這些碳的夾雜明顯地降低鍍層對其基底的附著性以及鍍層的韌性。
本發(fā)明的一個目的是克服這種缺點，根據(jù)本發(fā)明，可通過提供一種鍍層牢固地附著于工件表面并具有很高韌性的涂鍍工件以及生產(chǎn)這種工件的方法來解決上述問題。
本發(fā)明包括各種優(yōu)選型式的涂鍍工件以及生產(chǎn)這種工件方法的優(yōu)選實施例。
此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有由反應(yīng)物理涂鍍工藝涂鍍上準金屬固溶體鍍層的涂鍍工件，其中固溶體層中所含準金屬的比例在整個鍍層厚度范圍內(nèi)連續(xù)變化。
本發(fā)明再一個目的是提供一種生產(chǎn)涂鍍工件的方法，其中形成鍍層化合物的材料在真空室中被蒸發(fā)并以固溶體鍍層的型式沉積在工件上。在蒸發(fā)沉積過程中，第一種氣體和第二種氣體輸入真空室，在氣體輸入過程中，當?shù)谝环N氣體均勻減少的同時第二種氣體增加。
本發(fā)明再一個目的是把該涂鍍工件應(yīng)用于切削或成形工具上。
本發(fā)明再一個目的是提供一種實施本方法的設(shè)備，該設(shè)備包括用于在工件鍍層上沉積一種組分的蒸發(fā)源，和用于把所述蒸發(fā)源移動通過工件的裝置。
本發(fā)明各種新穎的特征也在附后的權(quán)利要求中特別指出了，這同樣構(gòu)成本發(fā)明所公開內(nèi)容的一部分。為了更好地理解本發(fā)明，對其優(yōu)點及其應(yīng)用所達到的特殊目標，我們將參考附圖及優(yōu)選實施例進行詳細說明。
下面結(jié)合附圖對根據(jù)本發(fā)明的方法以及應(yīng)用該方法所涂鍍的工件進行詳細說明

圖1圖示表示本發(fā)明的蒸發(fā)沉積設(shè)備，圖2綜合地表示根據(jù)本發(fā)明向工件上涂鍍鍍層過程中各種參數(shù)的時間曲線;
圖3綜合地表示整個鍍層厚度范圍內(nèi)的蒸發(fā)沉積材料的百分比。
圖1顯示實施本發(fā)明用于生產(chǎn)涂鍍工件2的方法的蒸發(fā)沉積設(shè)備的一個例子。所述設(shè)備或稱系統(tǒng)具有一個帶排氣通道3的真空室1和一個帶輝光陰極6的輝光陰極室5，通過一開口7把真空室1和輝光陰極室5連通。由一個電源9向輝光陰極6提供電能。在真空室1的底部中心上可冷卻、垂直地放置一個坩堝11，在所述坩堝11中鈦13被蒸發(fā)成汽態(tài)。圖1中所示從實線所示最底位置到點劃線所示位置，坩堝11被升起一段距離d。位移由一個垂直位移系統(tǒng)14來產(chǎn)生。系統(tǒng)14包含由活塞機構(gòu)伸縮的三個缸筒(未示)。在真空室1中有12個可相對真空室1的縱軸線轉(zhuǎn)動的支承15，這里只示出了其中的兩個支承15，將要被涂鍍的工件2放在每個支承15的各個載盤17上。輝光陰極室5還具有一個冷卻管用于在工作過程中冷卻其壁。氣體輸入管21和22分別通入輝光陰極室5和真空室1。氣體輸入管22在真空室1中由一些開口23分成許多分支管24a、24b。這里只表示了兩個分支管。在真空室1中，這些分支管和這些開口23可使通過氣體輸入管22輸入的氣體均勻分配或使氣體混合。示意地表示的兩個勵磁線圈25相對于坩堝11旋轉(zhuǎn)對稱地位于低部的下面和真空室1的上蓋上以使在真空室1中產(chǎn)生近似平行于垂直方向的磁場。
為了生產(chǎn)涂鍍工件2，應(yīng)把工件2固定在支承15的載盤17上，而鈦13應(yīng)置于坩堝11中。第一工序是把真空室1關(guān)閉，抽出真空室1中的氣體，并通過氣體輸入管21向真空室1中輸入惰性氣體氬，直到真空室1中的分壓力達到200m·Pa。為了加熱和進行離子清理工件表面，從輝光陰極6到工件2的表面的氬氣中形成一低壓電弧。為了使圍繞支承15排列的工件2被均勻加熱和清理干凈，支承15以5秒鐘旋轉(zhuǎn)一周的速度旋轉(zhuǎn)。
圖2表示清理和加熱工序以后進行涂鍍產(chǎn)品的各個工序的時間順序。在工序之一期間所產(chǎn)生的鍍層，稱之為底層A、分離層B、固溶體鍍層的第一局部或主要部分C以及固溶體鍍層的第二局部層或次要部分D，這些構(gòu)成鍍層的最上層，如繪制在橫坐標上的曲線圖所示。在圖2中，曲線a表示的是低壓電弧的電流強度的時間-電流曲線Iarc;曲線b是在工件2上的負偏壓Usub的響應(yīng)曲線;曲線c是如圖1中所示的離開真空室1底部10上的坩堝11的最低位置的距離d;曲線d表示氬氣Ar通過氣體輸入管21輸入真空室1的氣體流量;曲線e表示乙炔氣C2H2通過輸入管22輸入的氣體流量;曲線f表示氮氣N2的流量。各個曲線在時間上相互對應(yīng)。
在加熱和清理完工件2的表面之后，下一個工序是在工件2的表面上直接涂鍍上一層大約1000 的鈦底層A。
圖3表示經(jīng)過本技術(shù)工序全過程處理過的工件2從其表面向上一段距離a范圍內(nèi)所沉積鍍層材料的重量百分比。在圖3中，曲線a表示氮化鈦TiN的含量;曲線b表示碳化鈦TiC的含量;曲線c表示純鈦Ti的含量。
參見圖3曲線C和圖2，為了涂鍍純鈦鍍層A，需用大約80A的電流(見圖2曲線a)從輝光陰極6向坩堝11發(fā)出低壓電弧27。工件2相對于坩堝11有一100V的電壓。蒸發(fā)的鈦在氣體放電的時候被電離并被工件2的表面吸收。為了獲得均勻的鈦鍍層，如圖2曲線C所示，使坩堝11離開真空室1的底部10沿固定在支承15上的工件2朝向輝光陰極6移動到最大距離dmax。用于產(chǎn)生這種鈦底層A的時間應(yīng)選擇為能使旋轉(zhuǎn)工件2的表面在支承旋轉(zhuǎn)時多次面向坩堝11。
當鈦底層被蒸發(fā)沉積到大約1000 厚時進行下一道工序，如圖2曲線f所示，通過氣體輸入管22把氮氣N2在低壓電弧27燃燒的情況下輸入，把氮氣的偏壓調(diào)整到50mpa，以便有充分的氮原子和離子供應(yīng)與被蒸發(fā)的鈦Ti完全反應(yīng)，見圖2曲線a，鈦的蒸發(fā)通過把低壓電弧27的電流調(diào)高到200A而增加。通過分支管24a、24b等等使氮氣N2均勻地分配到真空室中并與蒸發(fā)的鈦Ti形成氮化鈦TiN，這些氮化鈦TiN沉積在工件2的表面上。當負偏壓(見圖2曲線b)減至-50V以后從工件2上有大約20A的電流。在該工序過程中工件2也旋轉(zhuǎn)。坩堝11(見圖2曲線c)從其中高位置向下朝底部10移動，直至到達該工序過程終端后再向上，隨后再向下移動，以便獲得均勻的氮化鈦TiN鍍層。
當?shù)乀iN的分離層B的厚度蒸發(fā)沉積到大約1微米(其厚度根據(jù)工件2的使用目的而變化)后，在下道工序中，乙炔氣C2H2作為一種碳置換氣體(如圖2曲線e所示)與氮氣N2一起通過氣體輸入管22輸入并通過分支管24a、24b等分配到真空室1中。如圖2曲線e和f所示，在真空室1中，與乙炔氣C2H2增加的百分比成一定比例氮氣N2的百分比下降。在真空室1中乙炔氣C2H2分裂，其分裂的碳原子被離子化。如同氮離子與被蒸發(fā)的鈦結(jié)合形成氮化鈦TiN一樣，碳離子也與被蒸發(fā)的鈦結(jié)合形成碳化鈦TiC。使輸入的乙炔氣C2H2增加而輸入的氮氣N2減少，直到在真空室1中的氮氣N2達到70%而乙炔氣C2H2達到30%為止。如圖2曲線d所示，繼續(xù)輸入氬氣Ar。在輸入的乙炔氣C2H2增加的過程中，見圖2曲線C，坩堝11前后移動兩次。在前后移動期間形成固溶體層-局部層C，該層由大約2微米厚的碳化鈦TiC和氮化鈦TiN鍍層組成。根據(jù)工件2的使用目的，該鍍層是分離層B厚度的1.2至2倍厚。
當乙炔氣C2H2的輸入量相對氮氣N2的輸入量達到30%后，在下一道工序中形成大約1微米厚(較薄的固溶體局部層)的局部層，該層是由常數(shù)比氮-乙炔使TiC0.3N0.7形成的。根據(jù)工件2的使用目的，該層的厚度介于前述層C的1/4～1/2之間。
令人吃驚的是，由于上面所描述工件2的旋轉(zhuǎn)以及坩堝11的上下移動，在涂鍍后的層c和d中有損于附著性和韌性的碳夾雜物消失了。也可從涂鍍后的工件2的顯微剖面中發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，鍍層c的碳化鈦含量的均勻增加在氮化鈦的波動k處集中疊加在碳化鈦的波動k處，這與坩堝11的運動協(xié)調(diào)一致。此外與支承15的轉(zhuǎn)動相關(guān)，這些波動也集中疊加在波動s處。
圖3表示涂鍍后的工件顯微剖面的純鈦(曲線C)、氮化鈦(曲線a)和碳化鈦(曲線b)的集中情況。小幅度動波動S的波動和如圖2所示厚度區(qū)域C和D的小周期變化是通過處在支承15上的工件2的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。大幅度波動k的兩個波動和區(qū)域C的大周期變化，以及區(qū)域D的一個波動是通過在區(qū)域C中鍍層蒸發(fā)過程中坩堝11的兩次上下移動和在區(qū)域D中的一次上下移動造成的。
圖3中曲線a所示的點劃線g1和g2以及圖3中曲線b所示的j1和j2顯示如果坩堝和工件沒有運動的情況下蒸發(fā)沉積層的碳化鈦TiC和氮化鈦TiN的含量的百分比。相應(yīng)于氮化鈦TiN的線m1至m4的趨勢和相應(yīng)于碳化鈦TiC的線n1至n4的趨勢顯示如果省去工件2繞支承15旋轉(zhuǎn)的話，蒸發(fā)沉積層的氮化鈦TiN含量和碳化鈦TiC含量的曲線。所用的標號與圖2曲線C中坩堝11的運動標號相同。圖3所示曲線適用于接近底部10的工件2。對于接近蓋部26的工件2，線m1相對于線g1對稱上場，而線g1相對于線j1對稱下垂。這同樣適用于線m2和n2。線m3向線g1或g2上伸展，線n3向j1或j2下伸展。
由歐洲專利A-0191554可知，對于只鍍有氮化鈦TiN的工件，由于其硬度低，因此其抗側(cè)面磨損力比只鍍有碳化鈦TiC的工件低。然而，只鍍有碳化鈦TiC的工件，由于其具有較低化學(xué)穩(wěn)定性，所以易產(chǎn)生較大月牙洼痕磨損。歐洲專利A-0191554的技術(shù)是企圖通過在氮化鈦TiN上鍍一層碳化鈦TiC或碳氮化鈦TiCN而把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來。
可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的方法而制造的鍍層，其中無任何不連續(xù)的單層鍍層存在，而在整個鍍層厚度上各個鍍層以一定比例連續(xù)地波動變化。因此本發(fā)明的鍍層在工件上具有比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鍍層更高的附著性和韌性。
在壽命試驗中，使用一個未涂鍍的M8絲錐可攻7000絲，而用涂鍍了鍍層的絲錐可攻25000絲，如果用根據(jù)本發(fā)明方法涂鍍了鍍層的絲錐可攻75000絲。對于一個1.0334材料的沖頭，無鍍層的可沖壓20000個沖壓件，有TiN鍍層的可沖壓62000個沖壓件，而具有本發(fā)明鍍層的可沖壓140000個沖壓件。
鍍層中成份的波動可通過對碳離子和氮離子與蒸發(fā)的鈦的不同親和現(xiàn)象來解釋。即只要有氮離子存在，它就一直和鈦結(jié)合。而如果碳離子存在的話，那么處在坩堝11周圍區(qū)域中的碳離子將首先被消耗而與鈦結(jié)合。因此隨著工件表面與坩堝11表面間的距離減少，將有更多的氮化鈦TiN沉積在工件表面上。
用乙烯C2H4或其它碳置換氣體代替乙炔C2H2也是可以的。
通過增加坩堝移動的次數(shù)，可以在局部層C中產(chǎn)生多個波動，以此來代替在局部層C中只產(chǎn)生兩個波動，最好每2微米鍍層厚度產(chǎn)生1至5個波動。工件2圍繞支承15的旋轉(zhuǎn)可以是在坩堝每移動的一個循環(huán)中其變化范圍為5至100周。
可以由陰極噴鍍、等離子載體蒸發(fā)或陰極電弧蒸發(fā)代替低壓電弧蒸發(fā)而使坩堝11中的鈦13轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)態(tài)鈦。
通過對本發(fā)明優(yōu)選實施例進行的詳細描述已說明了本發(fā)明的原理，可以理解，在不背離本發(fā)明原理的情況下本發(fā)明還有其它實施方式，這都屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種涂鍍工件，其特征包括帶有一表面的工件部分和在其表面上至少具有兩種準金屬的固溶體鍍層，該鍍層由反應(yīng)物理涂鍍工藝沉積而成，并且在鍍層厚度的主要部分上的至少兩種準金屬的含量比例在鍍層厚度的主要部分范圍內(nèi)連續(xù)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征包括由一種準金屬組成的分離鍍層，該層位于工件表面部分和固溶體層厚度主要部分之間而連結(jié)該兩部分，在鍍層厚度的主要部分至少有兩種準金屬的含量比例從分離層到固溶體層厚度的主要部分均勻變化，固溶體層的厚度大約是分離層厚度的1.2至2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征是，固溶體層包括毗鄰工件部分的鍍層厚度的主要部分，和與工件部分隔開的鍍層厚度的次要部分，至少有兩種準金屬的含量比例在鍍層厚度的次要部分范圍內(nèi)基本接近常數(shù)，含量比例從鍍層厚度的主要部分向鍍層厚度的次要部分平滑過渡，鍍層厚度的主要部分是鍍層厚度次要部分的大約2至5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征是，固溶體層中的至少兩種準金屬的含量比例在固溶體層的整個厚度范圍內(nèi)周期性波動變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征是，在固溶體層厚度的主要部分中的至少兩種準金屬的含量比例在整個主要部分的厚度中即可增加也可以減少。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征是，沿固溶體層厚度的含量比例的周期性波動大約是每兩微米層厚1至5個波。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的涂鍍工件，其特征是，每兩微米層厚大約1至5個波包括第一周波，至少兩種準金屬的含量比例在第二周波沿固溶體層波動，第二周波的變化是第一周波每一個波的5至100倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的涂鍍工件，其特征包括，由與工件部分相同材料制成的底層，連結(jié)于工件部分表面與分離層的該底層大約有0.01至0.5微米厚。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂鍍工件，其特征是，包括氮化鈦和碳化鈦的至少兩種準金屬形成固溶體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的涂鍍工件，其特征是，分離層由氮化鈦組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的涂鍍工件，其特征是，底層由鈦組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的涂鍍工件，其特征是，固溶體層厚度的次要部分由大約30%重量百分比的碳化鈦和70%重量百分比的氮化鈦組成。
13.一種生產(chǎn)所述涂鍍工件的方法，包括帶有一表面的工件部分和在其表面上至少有兩種準金屬的固溶體層，該層由反應(yīng)物理涂鍍工藝沉積而成，并且在鍍層厚度的主要部分上的至少兩種準金屬的含量比例在鍍層厚度的主要部分上連續(xù)變化，該方法的特征包括在真空室中放置工件部分;在真空室中蒸發(fā)某種材料，它能形成至少兩種準金屬的某一種;向真空室中輸入至少兩種氣體，每種氣體都與被蒸發(fā)的材料反應(yīng)沉積在工件部分表面上形成至少兩種準金屬，以構(gòu)成固溶體層;和在固溶體層的至少一部分形成過程中均勻地減少一種氣體的輸入，同時均勻地增加另一種氣體的輸入。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征包括用電弧蒸發(fā)方法蒸發(fā)所述材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征是，被選擇的兩種氣體對于所述被蒸發(fā)材料具有不同的親和力，通過真空室中的一個蒸發(fā)源提供所述蒸發(fā)材料，在沉積固溶體層的某些部分的過程中使工件部分相對蒸發(fā)源周期性地移動，以便在固溶體層中形成的至少兩種準金屬的含量比例周期性變化。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征是，所述被蒸發(fā)材料是由位于真空室中的蒸發(fā)源提供的，包括使蒸發(fā)源沿工件部分的表面周期性移動以改變相對于工件部分蒸發(fā)源的移動方向上固溶體層中的至少兩種準金屬的含量比例。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征是，蒸發(fā)源的移動比工件部分的移動速度低。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征包括形成一分離層，該層由一種準金屬組成，該準金屬是通過在真空室里蒸發(fā)的所述材料和最初向真空室里輸入的一種氣體反應(yīng)而成的，和形成固溶體層，該層是通過隨后向真空室中輸入的其它至少兩種氣體與所述蒸發(fā)材料反應(yīng)而成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征包括形成固溶體層厚度的主要部分，通過在形成該部分過程中相對其它種氣體減少至少兩種氣體中的一種而形成該主要部分，和隨后形成固溶體層厚度的次要部分，通過向真空室中以不變的比例輸入至少兩種氣體中的兩種而形成該次要部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征是，至少兩種氣體中的一種是氮氣，而至少兩種氣體中的其它氣體是碳置換氣體，和所述的材料是由鈦組成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征是，輸入真空室的氮氣和碳置換氣體的流量是這樣調(diào)節(jié)的，使得固溶體層厚度的主要部分包括TiC0.3N0.7。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征是，被涂鍍的工件被用于切削或成型工具之一。
23.一種用于生產(chǎn)涂鍍工件的設(shè)備，所述工件的工件部分具有一表面和在其表面上形成的至少由兩種準金屬組成的固溶體層，該層通過反應(yīng)物理涂鍍工藝而沉積生成，該層的厚度主要部分中的至少兩種準金屬的含量比例在該層厚度的主要部分上連續(xù)變化，所述設(shè)備包括用于制成進行蒸發(fā)被蒸發(fā)材料以與氣體反應(yīng)生成至少兩種準金屬的蒸發(fā)源的裝置，和用于使蒸發(fā)源相對工件部分移動以生產(chǎn)涂鍍工件的裝置。
全文摘要
一種準金屬固溶體鍍層(C、D)由反應(yīng)物理技術(shù)鍍在工件上的分離層(B)上，準金屬的含量比在層厚范圍連續(xù)變化。為生產(chǎn)鍍層(C、D)，把鈦放在相對被鍍工件前后移動的坩堝中蒸發(fā)，并輸入兩種與蒸發(fā)鈦親和力不同的氣體。為生成層(C、D)的第一局部層，氣體的含量比例均勻變化。在涂鍍過程中工件旋轉(zhuǎn)，因此，工件表面接近或遠離坩堝。該涂鍍工件有高抗側(cè)磨損和月牙洼痕磨損性。
文檔編號C23C14/06GK1049688SQ9010698
公開日1991年3月6日 申請日期1990年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月21日
發(fā)明者羅蘭德·施米德 申請人:巴爾策斯有限公司