專利名稱：：用于工件的耐磨硬涂層及其制備方法用于工件的耐磨硬涂層及其制備方法
背景技術(shù)：
：本發(fā)明涉及經(jīng)設(shè)計(jì)用于用工具加工(tooling)難于機(jī)才成加工(machine)的材料(例如硬化工具鋼、不銹鋼和鈦合金)的硬的耐磨涂層。這種極端的機(jī)械加工條件的應(yīng)用需要具有優(yōu)秀耐磨性、熱硬性和耐氧化性以及高韌性和良好粘附性的涂層。本發(fā)明進(jìn)一步涉及這種耐磨涂層的制備方法，即規(guī)定的PVD電弧蒸發(fā)方法(definedPVDarcevaporationprocess)。其進(jìn)一步涉及涂覆的工件，特別是具有由燒結(jié)碳化物(cementedcarbide)、金屬陶瓷(cermet)、立方氮化硼(CBN)或高速鋼制成的主體的工具?，F(xiàn)有技術(shù)AlTiN是廣泛用于硬化鋼的枳i械加工的PVD涂層。然而，AlTiN如果用作單一層或由不同Ti/Al/N化學(xué)計(jì)量的子層構(gòu)成的多層，其可以在至多不超過900。C用于工具加工應(yīng)用，因?yàn)橐蕾囉阡X/鈦比，隨著溫度高于80(TC至850°C,其硬度就開始變差。因此，US2005-0003239將AlCrN涂層施加于工件，以提高其耐氧化性。已知該涂層在不超過1100。C具有良好的耐氧化性和熱硬性，具體依賴于鋁/鉻比。這種涂層有助于提高用于很多工具加工應(yīng)用的銑削性能，然而不能顯著提高更難于機(jī)械加工的材料(例如硬化工具鋼、高速鋼、鈦和鎳合金和奧氏體鋼)的工具加工性能。與此類似，申請WO-2006/005217、WO國2006/084404和US2006-0222893也通過使用不同的多層和/或在AlCrN基質(zhì)中引入其他元素來試圖進(jìn)一步優(yōu)化該涂層的耐氧化性和/或(熱)硬性。EP1690959公開了另一種聲稱在硬化鋼的切削方面取得進(jìn)展的涂層。該涂層包括基于不同Al和Si化學(xué)計(jì)量的(TiAlSi)N的雙層系統(tǒng)。US2006-026989公開了用于高速切削高硬度材料的硬多層。該多層包括基于TiAlCrNX(X=C或0)的第一涂層、TiAlCrNX和TiAl(SiC)NX的混合物的第二涂層或這種交替層的多層、和基本由5TiAl(SiC)NX構(gòu)成的第三最外涂層。盡管這種層系統(tǒng)在耐磨性和耐氧化性方面可以取得某些進(jìn)展，但似乎仍需要進(jìn)一步改進(jìn)在上述對材料進(jìn)行機(jī)械加工方面有難處的帶涂層切削工具的性能。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供優(yōu)化的硬涂層和工件，特別是涂覆有硬涂層的切削工具，所述硬涂層用于改善在對材料(例如高速鋼、鈦合金、鎳合金、奧氏體鋼，特別是例如具有高于50,優(yōu)選高于55HRC的硬度的硬化工具鋼的硬材料)進(jìn)行機(jī)械加工方面有困難的工具加工性能。本發(fā)明的另一目的是在不喪失AlCrN的優(yōu)秀氧化性和熱硬性的情況下提供這種涂層。通過下面和權(quán)利要求1和2中所示的本發(fā)明的前兩個(gè)方面中的任一方面可以實(shí)現(xiàn)這些目的。本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供依照權(quán)利要求12的用于制備用于機(jī)械組件的元件(例如模具和模頭)的改進(jìn)的切削工具，和其他切削工具(例如刀刃)以及用于執(zhí)行依照權(quán)利要求16的這種操作的切削方法。一個(gè)應(yīng)用焦點(diǎn)是在例如成本降低、制備程序的優(yōu)化和工件表面粗糙度改進(jìn)方面對銑削操作中切削性能進(jìn)行改進(jìn)。本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供用于制備依照權(quán)利要求13的本發(fā)明涂層和本發(fā)明工具的PVD方法。令人驚奇的是，通過本發(fā)明的第一方面的工件可以解決本發(fā)明的第一和第二個(gè)目的，該工件具有表面，其中所述表面的至少一部分涂覆有通過PVD方法沉積的耐磨多層式硬涂層，該硬涂層包括至少第一支撐層和包含納米晶體硅的第二層，該第一層位于在該工件和該笫二層之間。第一層包含以下組成的涂覆材料(TiaAlpa)Nk-yCxOy,其中0.4<a<0.6,0Sx和y<0.3?？商娲?，該第一層可以包含(AlbCr!國b)Ni.x-yCxOy,其中0.5<b<0.7，0Sx和yO.3。第二層包括以下組成的涂覆材料(Alk-d-eCrcSidMe)N^yCxOy,其中M表示周期表系統(tǒng)的第4族(Ti、Zr、Hf)、第5族(V、Cb[Nb]、Ta)、第6族(Cr、Mo、W)的過渡金屬中除鉻之外的至少一種元素，且0.2<cS0.35,0<dS0.20,0<e^0.04。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，第二層包含以下組成的涂覆材料(Alk-d-eCreSidMV)Nk-yCxOy,其中M，表示W(wǎng)、Mo、Ta或Cb[Nb],且0.06<d，S0.15,特別地0.10￡d，￡0.11。(Niob(鈮)或Columbium(鈳)表示周期表系統(tǒng)的第41號元素，國際通用簡稱Nb,也稱作Cb)。本發(fā)明的其它方面涉及第一層的晶體結(jié)構(gòu)，其優(yōu)選包括兩個(gè)不同相，特別是面心立方(fee)和六方密堆(hep)相。因此，如果經(jīng)過熱處理或至少70(TC或750。C的高工作溫度，該hcp相的XRD信號可以變得更加明顯。該hep相能夠是富含Al的，沉積態(tài)的六方相的百分比應(yīng)當(dāng)為5~40vol%,優(yōu)選10~30vol%。本發(fā)明的其他方面涉及納米晶體層內(nèi)的Al/Cr比、第一和第二層的厚度和總涂層厚度之比、層織構(gòu)和結(jié)構(gòu)以及第一和第二層交替的多層。例如，當(dāng)以商值QA1/Cr=(l-c-d-e)/c表達(dá)的Al/Cr比在范圍1.5<QA1/Cr^2.4時(shí)，帶涂層的切削工具的性能特別好。在另一實(shí)施方案中，第一涂層的厚度小于第二涂層的厚度D2，例如商值QD-D2/D!在以下范圍1<QD^4,而本發(fā)明的涂層的總涂層厚度D在以下范圍1(xm^E^10nm,l尤選2(xm^D^6|Lim。本發(fā)明的另一方面涉及該涂層系統(tǒng)中所定義的層的硬度和楊氏模量。與支撐層相比該納米晶體層的硬度較高被證明是有利的。例如用Vickers微壓痕在40mN的負(fù)載下測定，第一層優(yōu)選具有2.400~2.800HV的硬度，而第二層具有2.800~3.200HV的硬度?？梢酝ㄟ^例如本領(lǐng)域技術(shù)人員可從US6071560和US6274249和其他文獻(xiàn)中已知的控制特定工藝參數(shù)(尤其是基底偏壓和工藝壓力或反應(yīng)氣體壓力)來調(diào)節(jié)硬度和楊氏模量(后者很大程度影響涂層系統(tǒng)的韌性)。然而，對于本發(fā)明，使用包括以下步驟的沉積方法被證明是有利的在笫一涂層的沉積過程中應(yīng)用第一較低的基底電壓"，以及在笫二涂層的沉積過程中應(yīng)用笫二較高的基底電壓U2。其中，該第一基底電壓在OV^LT^IOOV范圍內(nèi)，第二基底電壓在80V^U2^200V范圍內(nèi)，其中U2-Ue20V。另外或可替代地，在第一涂層的沉積過程中可以使用較高的工藝壓力，以降低第一層的固有層應(yīng)力(intrinsiclayerstress)以及由此的硬度。在沉積過程中將工件加熱到高于550。C的溫度(特別到約600°C)并將其保持在該溫度似乎得到了對涂層粘附性和工具性能的進(jìn)一步有利影響。對上述層性質(zhì)的另一可能影響方式是如上或下面實(shí)施例所述改變7某些附加元素的含量或改變Al/Cr比值。通過調(diào)節(jié)硅含量以得到對晶粒細(xì)化的優(yōu)化導(dǎo)致硬度的最大化，可以進(jìn)一步改進(jìn)笫二基于納米晶體合金化AlCrN的層的硬度。此外，通過另外用作例如硬涂層的晶界相中的擴(kuò)散屏障的上述過渡金屬(特別是W、Mo、Cb和Ta),得到了有益的固溶硬化(solutionhardening)?？傊?，這種基于納米晶體合金化AlCrN的層被證明是對高溫和氧化具有非常高的耐受性，因此高效防止該支撐層和基底被氧化?？棙?gòu)系數(shù)Q,I(200)/I(111)在(Q!定義為衍射強(qiáng)度I(200)與I(lll)之比，分別為材料的X射線衍射光語中的(200)和(lll)平面)可以達(dá)到切削操作的最佳性能。這相當(dāng)于沿(200)和(111)平面均;銜生長。關(guān)于該測試的細(xì)節(jié)可以參見圖1。與笫二層相反，該支撐層具有柱狀生長結(jié)構(gòu)和通過較高楊氏模量體現(xiàn)的較高的彈性。這證明是將機(jī)械負(fù)載從非常耐磨損和耐高溫的第二層轉(zhuǎn)移到該工件的基底材料的最佳組合。作為上述兩層構(gòu)造的替代方式，可以使用其他層系統(tǒng)來進(jìn)一步改進(jìn)針對特定應(yīng)用的層性能。例如，可以使用薄金屬性粘附層以得到基底和第一支撐層之間優(yōu)化的界面。這種粘附層可以包括Ti、Cr、TiAl或AlCr,且可以具有如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的、朝向第一層逐漸增加的N、C和/或O含量的過渡區(qū)域。其他或另外的可能方式是使第一層包括交替的(TiaAl^)NLx-yCxOy和(Alb—d-eCreSidMe)N"-yCxOy層或交替的(AlbCiVb)N卜x-yCxOy和(Al!-e-d—eCr。SidMe)N^yCxOy層的多層。這種堆積的層將具有幾納米~幾百納米的優(yōu)選層厚度，最大值可以根據(jù)需要在該層的堆積內(nèi)變化。工件主體或基底材料優(yōu)選至少選自以下中的一種高速鋼、燒結(jié)碳化物、立方氮化硼、金屬陶瓷或陶瓷材料。這種帶涂層的工件可以用于^f艮多類型的工具，然而特別可用于切削工具，例如端銑刀、鉆子、切削刃、或齒輪切削工具，例如齒輪滾銑刀。當(dāng)應(yīng)用于由燒結(jié)碳化物、立方氮化硼、金屬陶瓷或陶瓷材料制成的工具時(shí)，這些涂層具有改進(jìn)在具有HRC50及更高(或甚至HRC55及更高)的Rockwell硬度的硬材料(例如硬質(zhì)鋼)上的切削工藝的切削性能的良好潛力，以下實(shí)施例將對此進(jìn)行詳細(xì)論證。附圖簡述以下附圖和實(shí)施例意于借助于一些特定的實(shí)施方案解釋本發(fā)明，所述特定實(shí)施方案絕不意于限制權(quán)利要求的范圍。參考以下附圖，其中圖1顯示了TiAlN/AlCrN和TiAlN/AlCrSiWN硬涂層的XRD譜；圖2顯示了TiAlN/AlCrN和TiAlN/AlCrSiWN硬涂層的擬合的XRD譜；圖4顯示了具有六方相的TiAlN/AlCrSiWN硬涂層的XRD譜；圖5是峰強(qiáng)度圖表；圖6顯示了使用前后在切削工具上的TiAlN/AlCrSiWN的XRD譜。圖1顯示了不同Al/Cr比的TiAlN/AlCrN和3個(gè)TiAlN/AlCrSiWN涂層的XRD圖案。將所述涂層沉積在具有鈷粘結(jié)劑相的商用燒結(jié)碳化物鑲?cè)?insert)上，相應(yīng)于獲自實(shí)施例1和2的第1.6、2.4、2.5和2.6號涂層。除用于沉積第二層的靶材料之外，涂覆參數(shù)對于所有涂層都相同。耙組成以及涂層特征的細(xì)節(jié)可以參見表1和2。用具有CuKa(X=1.5406nm)源的BmkerAXS裝置使用Bragg-Brentano幾何學(xué)在2。的掠射角下記錄所有XRD光譜，以使對來自支撐層和基底的衍射信號的擾動(dòng)最小化?？梢詮墓庾V中導(dǎo)出兩個(gè)重要事實(shí)-使用W和Si合金化的AlCr靶導(dǎo)致該涂層衍射圖案的峰高下降以及峰信號的加寬。這可以歸因于由于合金化元素(特別是硅)造成的晶粒細(xì)化作用。因此，該AlCrSiWN第二層沉積成具有納米晶體結(jié)構(gòu)，從圖3b的SEM圖像橫截面中也可以看到。誦與顯示清楚的(111)取向的具有未合金化的AlCrN第二層的涂層系統(tǒng)相比，具有合金化第二層的系統(tǒng)在晶體取向方面不顯示或僅顯示較弱的擇優(yōu)性。因此，如果用上述的掠入角測定，定義為衍射強(qiáng)度I(200)與1(111)(分別為材料的X射線衍射譜中的(200)和(111)平面)之比的Qj在l的附近，優(yōu)選為0.7~2。如果如圖2中可以看到的應(yīng)用依照Lorentian方法的峰擬合，那么可以從XRD圖案中導(dǎo)出對該涂層結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的信息。該擬合已經(jīng)應(yīng)用于來自表示編號1.6和1.9的涂層的光譜的20刻度上44.5。附近的(200)信號。因此可以通過測定半最大值處的全峰寬(FWHM),對加寬進(jìn)行量化。將該裝置的恒定背景影響排除掉，得到以下值，顯示AlCrSiWN第二層的顯著峰加寬TiAlN/AlCrSiWN:FWHM(200)=1.7°TiAlN/AlCrN:FWHM(200)=1°用Si和W來合金化AlCrN涂層導(dǎo)致從43.8。朝向較低的20角43.4。的峰值偏移，作者將其歸因于由于鴒原子的尺寸較大導(dǎo)致的晶格平面的加寬。由此晶格參數(shù)從AlCrN的d(200)=2.064nm改變?yōu)锳lCrSiWN的d(200)=2.082nm。圖3a和3b中可以看到放大倍數(shù)為100000直徑的兩個(gè)涂層橫截面的SEM圖像。在5kV的加速電壓下記錄SEM圖像。圖像顯示了兩種雙層涂層，各自具有約ljLim厚度的柱狀生長(Tio.5Alo.5)N支撐層和較厚的頂層。因此，圖3a顯示了已經(jīng)具有比可比較的粗柱狀第一層更細(xì)的層的AlCrN頂層。然而，圖3b中的(A1.57Cr.nSi.ioW.o2)N笫二層的結(jié)構(gòu)顯示出比圖3a顯著更微細(xì)的納米晶體結(jié)構(gòu)，這對應(yīng)于圖1和2的XRD光譜觀察到的峰加寬。在圖4中，將圖1的TiAlN/AlCrSiWN硬涂層的XRD光譜以更高的分辨率模式顯示，箭頭所示的26數(shù)值處應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)六方相峰?？梢郧宄卣J(rèn)識到隨著AlCrSiWN涂層中鋁含量的升高，該六方相峰變得越來越明顯，其對應(yīng)著涂層編號1.6、2.4、2.5良好的切削性能。圖5是TEM-SAED(透射電子顯微鏡-選擇區(qū)域電子衍射)分析的峰強(qiáng)度圖表，以給出來自TiAlN/(Alo.62Cro.26SicnoWo.o2)N涂層的立方和六方圖案的更詳細(xì)的圖像。化合物的化學(xué)計(jì)量數(shù)是指靶組成。圖6中顯示了在PVD過程之后沉積狀態(tài)的(A)和依照用實(shí)施例8中詳細(xì)描述的閃耀亮紅色的碎片進(jìn)行高速側(cè)銑過程用過狀態(tài)的(B)的TiAlN/(Alo.57Cro"Sio.ioWo.o2)N涂層的XRD光譜。靶組成、厚度比和性能的細(xì)節(jié)參見表8。在銑削約40m之后獲得的光譜(B)令人驚奇地顯示了顯著更高的六方XRD信號。通過將該涂層加熱到至少750。C也可以觀察到類似的六方相百分比的升高。為觀察到這種溫度引發(fā)的相變的最小Al百分比為49~57%，具體取決于其他元素的基質(zhì)，隨著這種情況的出現(xiàn)，本領(lǐng)域的人員可以容易地對其進(jìn)行確定。從750°C~800°C向上，六方相似乎隨著溫度的升高而增加，直至至少1100°C。在600。C(可以是通過PVD方法沉積狀態(tài)的)直至約1100。C的溫度范圍內(nèi)，可以在橫截面STEM分析中檢測到由高A1N含量的hep相嵌入立方體相微晶制成10的沉淀硬化網(wǎng)絡(luò)。75(TC時(shí)的微晶尺寸為5~200nm。用大多數(shù)切削試驗(yàn)，這種涂層都優(yōu)于未顯示相變的涂層，且較高的Al耙組成(例如57%)似乎性能較好。這是更令人驚奇的，因?yàn)橹两駷橹?，在從室溫到高速工具加工可以達(dá)到的任意溫度的整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的剛玉相的氧化鋁涂層，當(dāng)面臨非常高的熱負(fù)載時(shí)，似乎具有無與倫比的優(yōu)勢。然而，對于(AlCrSiW)N涂層,相變似乎具有有利的效應(yīng),其可能是由于在切削過程中高溫穩(wěn)定氮化鋁相的連續(xù)擴(kuò)增造成的。圖6(B)中觀察到的33.2°峰的峰位置似乎與獲自JCPDSXRD數(shù)據(jù)集合的六方密堆hcp-AlN的hcpIOO峰完美吻合。其他可以毫無疑義辨識的A1N峰位于36.1。(表示002信號)、49.2°(102)、59.4°(110)和101.6°(211)。無論如何，至今為止對這種溫度誘導(dǎo)相變行為的原因僅可以進(jìn)行假設(shè)。仍需進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。當(dāng)Al百分比超過約70%,hcp-AlN-相變成主要相，不再能夠觀察到這種相變。優(yōu)選實(shí)施方案詳述下面借助實(shí)施例公開了本發(fā)明的一些特別實(shí)施方案，使用不同切削操作和切削參數(shù)對本發(fā)明的工具與現(xiàn)有技術(shù)的工具的切削性能進(jìn)行了比較。所有本發(fā)明的硬涂層和對比實(shí)施例都是使用OerlikonBalzersRCS涂覆系統(tǒng)在電弧蒸發(fā)構(gòu)造中進(jìn)行沉積的。在PVD沉積過程中將切削工具安裝在三重旋轉(zhuǎn)夾具(threefoldrotatingfixture)上。下面實(shí)施例中所述的在切削工具上沉積的硬涂層在該切削工具的柄上測定具有2~6pm的總厚度。該新涂層與獲自以下的現(xiàn)有技術(shù)涂層進(jìn)行比較OerlikonBalzers標(biāo)準(zhǔn)涂覆工藝，對于TiAlN稱作FUTURANANO,對于AlTiN稱作XCEED,對于AlCrN稱作ALCRONA。實(shí)施例1使用實(shí)施例1,將涂覆有現(xiàn)有技術(shù)涂層(例如TiAlN、AlTiN、AlCrN和(AlCrSiW)N)的端銑刀的切削性能與一系列涂覆有TiAlN或AlCrN/(Al1-c.d.eCrcSidWe)N雙層式涂層的本發(fā)明的端銑刀進(jìn)行比較。所有涂層通過陰極電弧蒸發(fā)合成的。編號1.4~1.10的涂層的沉積是在600。C的沉積溫度和3.5Pa的總壓力在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的。對于第一支撐層，施加優(yōu)選在-40V-100V的低偏壓，而對于第二層，使用ii-80V~-200V的較高的偏壓，其中第二層的偏壓的絕對值比第一層的偏壓高至少20V，優(yōu)選高40V。編號1.1~1.3涂層的沉積是在500。C的沉積溫度和3.0~4.0Pa的總壓力在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的。表l中列出了和下列內(nèi)容相關(guān)的數(shù)據(jù)各種蒸發(fā)材料(靶)的組成、該涂層的第二納米晶體涂層(m丄)內(nèi)的Al/Cr比、層的厚度比QD(m丄/s丄)、在達(dá)到90m的切削長度之后所得到的由微米計(jì)的側(cè)面磨損所表示的最終切削性能、和在達(dá)到100pm的磨損痕跡時(shí)以米計(jì)的累計(jì)工具壽命。銑削條件工件DIN1.2379(60HRC)切削工具雙槽球鼻端銑刀，OlOmm，微粒碳化物級軸轉(zhuǎn)動(dòng)8000min-l切削速度200mmin-l進(jìn)給速度0.1mm/齒徑向切削深度0.5mm軸向切削深度0.3mm冷卻劑壓縮干空氣銑削操作順銑單程長度30m壽命終止單程結(jié)束時(shí)vbmax〉100um從表l中可見，與涂覆有雙層結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的工具相比，對比實(shí)施例1.3-1.6的性能差。盡管與實(shí)施例1.3的非合金化的AlCrN涂層或?qū)嵤├?.6的TiAlN/AlCrN雙層相比，實(shí)施例1.4-1.5的單層AlCrSiWN涂層取得了顯著改進(jìn)，但這些涂層仍不能與本發(fā)明實(shí)施例1.7~1.8的性能相比較。然而，本發(fā)明雙層的厚度比Qd似乎是重要因素，如涂層具有薄含硅層的實(shí)施例I.IO具有差的性能所示。實(shí)施例2實(shí)施例2中應(yīng)用了和實(shí)施例1相同的沉積參數(shù)。試驗(yàn)2.1~2.3中第二涂層的Si含量變化而Al/Cr恒定，試馬t2.4-2.6中Al/Cr比變化而Si含量恒定。對實(shí)施例2的所有試驗(yàn)測定，鵠僅有少量變化，最大值在大約2±0.3%,如表2所示。銑削條件工件DIN1.2379(60HRC)切削工具雙槽球鼻端銑刀，(D10mm,微粒碳化物級軸轉(zhuǎn)動(dòng)8000min-l切削速度200mmin-l進(jìn)給速度0.1mm/齒徑向切削深度0.5mm軸向切削深度0.3mm冷卻劑壓縮干空氣銑削操作順銑單程長度30m壽命終止單程結(jié)束時(shí)vbmax>100um在表2中，在恒定Si含量的情況下(編號2.4~2.6),硬度測定顯示隨著第二涂層所含的Al/Cr的升高，硬度降低。在恒定的Al/Cr比的情況下，在約10%的Si含量時(shí)可以觀察到硬度和切削性能的最大值。此外，可以清楚地看到Si含量必須至少高于5.3%以獲得良好的切削性能。附圖1詳細(xì)描述了XRD分析所用的用于如上所述定義Qi值的參數(shù)和構(gòu)造。其中，用于定義該商值的(lll)峰位于約37.5。的20角處，所述的(200)峰位于約43.7°處。優(yōu)先的，在2。的掠入角測定時(shí)，發(fā)現(xiàn)Q=1(200)/1(111)值在1的附近，特別為0.7~2。實(shí)施例3在依照下述參數(shù)的41加工操作過程(aroughingoperation)中，將本發(fā)明的涂層編號3.4的銑削性能與現(xiàn)有技術(shù)的涂層編號3.1-3.3進(jìn)行了比4交。實(shí)施例3中應(yīng)用了和實(shí)施例l相同的沉積參數(shù)。銑削條件工件DIN1.2344(52HRC)13切削工具雙槽球鼻端銑刀，。10mm,微粒碳化物級軸轉(zhuǎn)動(dòng)4690min-1切削速度80mmin國1進(jìn)給速度0.15mm/齒徑向切削深度4mm軸向切削深度0.8mm冷卻劑壓縮干空氣銑削操作順銑單程長度15.5m壽命終止單程結(jié)束時(shí)vbmax〉150um表3編號涂層單巴組成支撐層s丄(。/。at)把組成主層m丄(。/。at)厚度比切削性能vb=200um時(shí)AlCrTiAlCrTiSiWm丄/s.1的壽命(m)3.1TiAlN3.2AlTiN3.3AlCrN3.4TiAlN/AlCrSi麗50-50-50--66-33--7030--505731-101.8493162181.5264實(shí)施例4在編號4.4中使用與編號3.4中所用相同的新涂層，在具有36HRC的硬度的退火工具鋼的精加工操作過程中，與現(xiàn)有技術(shù)的涂層4.1~4.3比較性能。銑削條件工件DIN1.2344(36HRC)切削工具三槽端銑刀，①8mm,^徵粒^碳化物級軸轉(zhuǎn)動(dòng)4777min-l切削速度120mmin國l進(jìn)給速度0.05mm/齒14徑向切削深度軸向切削深度冷卻劑銑削操作單程長度壽命終止表4_輩巴組成乾組成支撐層s丄(。/。at)主層m丄(。/。at)厚度比切削性能編號涂層vb=150um時(shí)_AlCrTiAlCrTiSiWm丄/s.1的壽^(m)4.1TiAlN---50-50---254.2AlTiN---66-33---304.3AlCrN---7030----654.4TiAlN/AlCrSi麗50-505731-1021.84800.5mmO,lOmm壓縮干空氣順銑5m單程結(jié)束時(shí)vbmax>100um與現(xiàn)有技術(shù)的涂層相比性能的顯著改進(jìn)證明了該新涂層對較軟的鋼進(jìn)4亍才幾才成力口工的;昝力。實(shí)施例5實(shí)施例5中在切削應(yīng)用之前，對涂層應(yīng)用依照DE2020060006541使用刷涂機(jī)的刷涂處理，以調(diào)節(jié)可與最初均勻磨損可比較的狀態(tài)，其確保了之后在切削應(yīng)用過程中磨損的均勻進(jìn)行。依照DEGM202006000645.1的圖2并參考說明書第5頁最后一段到笫6頁第1段末(由此將其通過引用結(jié)合進(jìn)本說明書)，用旋轉(zhuǎn)刷進(jìn)行對該經(jīng)涂覆的工具的處理。刷子與該工具軸之間的角度約為30°,旋轉(zhuǎn)速度為650轉(zhuǎn)/分。刷涂材料為浸漬SiC的Nylon,SiC粒子尺寸為400目，刷毛直徑為0.45mm,刷毛長度為35mm。該工具行星齒輪(toolsatellite)的旋轉(zhuǎn)為9轉(zhuǎn)/分，支撐該行星齒輪的平臺的旋轉(zhuǎn)為約0.3轉(zhuǎn)/分。通過使用浸漬A1203的刷子可以達(dá)到將數(shù)微米的工件材料條沿切削刃切掉的類似效果。然而在這種情況下，如果應(yīng)該使用與上述相同的參數(shù)(例如將支撐平臺的轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.1轉(zhuǎn)/分)，刷涂時(shí)間必須是三倍。依照編號1.2和編號1.8的參數(shù)沉積涂層。銑削條件切削工具雙槽球鼻端銑刀，5mm球半徑，微粒碳化物級工件1.237962HRC軸轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分軸向切削深度0.4mm徑向切削深度0.05mm進(jìn)癥會速度0.10mm/齒切削速度184m/min進(jìn)料600mm/min冷卻劑空氣銑削操作用于槽(pocket)(56mmx26mm)的順銑技術(shù)單程長度1個(gè)槽(Pocket)壽命終止在槽端部時(shí)vbmax>1OOum表5的銑削數(shù)據(jù)顯示具有這種切削操作的刷涂處理非常適用于涂覆有新多層涂層(5.3和5.4)的工具，而對于涂覆有AlTiN的工具，在應(yīng)用這種處理時(shí)甚至發(fā)現(xiàn)其性能略有降低?？商娲鼗蛏踔脸酥猓谕扛补に囍澳軌驊?yīng)用通過刷、噴砂、或磨削操作等的類似珩磨處理。實(shí)施例6制備一系列樣品測試鎢作為單一合金化元素的影響。依照編號1.2和1.8的參數(shù)沉積涂層。銑削條件切削工具雙槽球鼻端銑刀，(D10mm，微粒碳化物級工件1.2379(62HRC)軸專爭動(dòng)8000min-l切削速度200mmin-l進(jìn)給速度徑向切削深度軸向切削深度冷卻劑銑削操作單程長度壽命終止表6把組成耙組成編號涂層支撐層s丄(7。at)主層m丄(y。at)厚度比切削性能vb=100um時(shí)AlCrTiAlCrTiSiWm丄/s丄的壽命(m)6.1TiAlN/AlCrN50-507030---2.301206.2TiAlN/AlCrWN50-507028--22.301506.3TiAlN/AlCrSi，50-505731-1022.30270與編號6.1相比，編號6.2顯示了略微改進(jìn)的銑削性能。這能夠明確地歸因于將W添加到該第二基于AlCrN的層中。和具有不同Al/Cr比且另外包含Si的優(yōu)化涂層進(jìn)行比較，仍存在差距。實(shí)施例7表7中測定了相應(yīng)于支撐層的TiA1N層和雙層本發(fā)明涂層的硬度和楊氏模量。測定方法是在40mN負(fù)載下的Vickers微硬度測試，導(dǎo)致僅約0.3pm的穿透深度。因此對該測試沒能檢測到來自基底材料和支撐層的顯著影響。與第二涂層相比，該支撐層的特征在于較低的硬度值和較高的楊氏模量。從表7中實(shí)施例顯然可見，在與現(xiàn)有技術(shù)的AlCrN涂層相比較時(shí)，本發(fā)明的涂覆有AlCrSiWN的工具顯示出在硬工具加工操作性能方面的提高。實(shí)施例80.1mm/齒0.5mm0.3mm壓縮干空氣順銑30m單程結(jié)束時(shí)vbmax〉100um表8中顯示了現(xiàn)有技術(shù)的涂層8.1和兩種本發(fā)明的涂層8.2和8.3(顯示了圖6中詳細(xì)描述的熱誘導(dǎo)相變)的性能。然而，輩巴組成8.2的涂層難于見到沉積狀態(tài)的hcp相的跡象。^又在切削40m之后，才可以4全測到清晰的但比使用涂層8.3的圖6(B)中明顯更小的信號。切削工具六槽正方形端銑刀，微粒碳化物級工件DIN1.2379(60HRQ軸轉(zhuǎn)速79581/min軸向切削深度ae:8mm徑向切削深度ap:O.lmm進(jìn)給速度fz:0.042mm/齒切削速度vc:200m/min冷卻劑壓縮空氣銑削操作側(cè)銑單程長度10m壽命終止Vbmax〉150um編號涂層靶組成支撐層s丄(o/oat)把組成主層m丄(yoat)厚度比切削性能vb=150um時(shí)AlCrTiAlCrTiSiWm丄/s丄的壽命(m)8.1TiAlN508.2TiAlN/AlCrSi麗508.3TiAlN/AlCrSi麗505050505335573110102.202.30405075盡管在上述說明書和實(shí)施例中關(guān)注于硬工具加工應(yīng)用(hardtoolingapplication),但本領(lǐng)域的人員將認(rèn)識到這種涂層也可以有利地應(yīng)用于其4也工具和工具加工應(yīng)用，例如用于成形:燥作，例如沖壓和鍛造，或熱噴射操作，例如壓鑄或^t鑄，以及用于工程化元件，特別是用于具有高耐磨性和高熱硬性需求的元件。這種工程化應(yīng)用的實(shí)例可以是內(nèi)燃機(jī)的部件，特別是動(dòng)力系的部件，例如凸輪和挺桿；燃料噴射系統(tǒng)的部件，例如注射針和閥門座、活塞環(huán)和銷、高溫軸承等。18<table>tableseeoriginaldocumentpage0</column></row><table>表征支撐層s丄主層m丄由EDX測定的金屬原子比m1.編號(%at)(%at)(Ti顯示來自支撐層的影響)(％at)XRD硬度切削性能120m后的vbmax=1200/楊氏模量側(cè)面磨損100um時(shí)TiAlAlCrSiWAlCrSiTiWAl/Cr1111HV(GPa)vbmax的壽命Si含量的變化2.150506033253.538.65.30.71.91.40.728404251101202.25050573110249.936.710.51.01.91.40.92960385503002.35050542915248.036.512.40.92.31.31.8293036775270Al/Cr比的變化2.45050622610256.730.210.40.72.12.00.72830337602402.55050573110249.936.710.51.01.91.90.92960385503002.65050533510247.339.510.70.71.81.71.430卯40360270<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>表權(quán)利要求1.工件，具有表面，其中所述表面的至少部分涂覆有通過PVD工藝沉積的耐磨多層式硬涂層，其中該硬涂層包括至少第一支撐層和第二納米晶體層，其中該第一層位于該工件和該第二層之間，其中該第一層包含以下組成的涂覆材料(TiaAl1-a)N1-x-yCxOy其中0.4＜a＜0.6，0≤x和y＜0.3，或(AlbCr1-b)N1-x-yCxOy其中0.5＜b＜0.7，0≤x和y＜0.3；該第二層包括以下組成的涂覆材料(Al1-c-d-eCrcSidMe)N1-x-yCxOy其中M表示周期表系統(tǒng)第4、5、6族的過渡金屬中除鉻之外的至少一種元素，且0.2＜c≤0.35，0＜d≤0.20，0＜e≤0.04。2.根據(jù)權(quán)利要求1的工件，其中該第一層包含以下組成的涂覆材料(TiaAl^)Nhx-yCxOy其中0.4<a<0.6,0Sx和yO.3,或(AlbCn-b)N"-yCxOy其中0.5<b<0.7,0Sx和y<0.3;該第二層包括以下組成的涂覆材料(Al!-c-d-eCrcSidMV艮x-yCxOy其中M，表示W(wǎng)、Mo、Ta或Cb(Nb),且0.2<c^0.35,0.06Sd，S0.15，0<e^0.04。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一的工件，其中該第一層包括兩種不同的晶體相。4.根據(jù)權(quán)利要求2的工件，其中所述不同的晶體相是面心立方(fcc)相和六方密堆(hcp)相。5.根據(jù)權(quán)利要求4的工件，其中如果經(jīng)過熱處理或高工作溫度，該hcp相的XRD信號變得更加明顯。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的工件，其中該hcp相是富含Al的。7.根據(jù)權(quán)利要求4-6之一的工件，其中沉積狀態(tài)時(shí)的hcp相的百分比為5~40vol%。8.根據(jù)權(quán)利要求1~7之一的工件，其中QAi/Cr=(l-c-d-e)/c的商在以下范圍內(nèi)1.7SQA1/Cr^2.4。9.根據(jù)權(quán)利要求1~8之一的工件，其中涂層厚度D在以下范圍內(nèi)1nmSDS10pm,優(yōu)選2jim^Ds6|im。10.根據(jù)權(quán)利要求1~9之一的工件，其中該第一支撐層的厚度Dj小于該第二涂層的厚度D2。11.根據(jù)權(quán)利要求1~10之一的工件，其中該第一支撐層的硬度HVi小于該第二涂層的硬度HV2。12.根據(jù)權(quán)利要求1~11之一的工件，其中該第二層在SEM橫截面中顯示納米晶體生長結(jié)構(gòu)。13.根據(jù)權(quán)利要求1~12之一的工件，其中該第一層在SEM橫截面中顯示柱狀生長結(jié)構(gòu)。14.根據(jù)權(quán)利要求1~13之一的工件，其中該納米晶體第二層的織構(gòu)系數(shù)Qi=I(200)/I(l1l)在范圍內(nèi)。15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一的工件，其中該第一層包括交替的(TiaAh-a)NkyCxOy和(A".c-d-eCrcSidMe)NLx-yCxOy層的多層或交替的(AlbCn.b)NLx國yCxOy和(Ah隱c.d陽eCrcSidMe)NLx-yCxOy層的多層。16.根據(jù)權(quán)利要求1~15之一的工件，具有由高速鋼、燒結(jié)碳化物、立方氮化硼、金屬陶瓷或陶瓷材料制成的主體。17.根據(jù)權(quán)利要求1~16之一的工件，其中該工件是切削工具，特別是端銑刀、鉆子、切削刃或齒輪切削工具。18.用于制備根據(jù)權(quán)利要求1~17之一的工件的PVD方法，包括將該工件加熱到高于550。C的溫度，特別至約600。C的溫度，并在該沉積方法過程中保持該溫度的步驟。19.根據(jù)權(quán)利要求18的PVD方法，包括以下步驟在第一涂層的沉積過程中應(yīng)用第一基底電壓Lh以及在所迷第二涂層的沉積過程中應(yīng)用第二較高的基底電壓U2。20.才艮據(jù)權(quán)利要求19的PVD方法，其中0V^U^-100V且-80V5U《-200V,且IU2-UiI220。21.使用權(quán)利要求17的切削工具切削硬材料，尤其是具有HRC50或更高的Rockwell硬度的材料的切削方法。22.根據(jù)權(quán)利要求21的切削方法，其中該硬材料是硬質(zhì)鋼。23.用于制備經(jīng)切削的硬材料工件的方法，包括應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求21或22之一的切削方法。全文摘要本發(fā)明提供了優(yōu)化的硬涂層和工件，特別是涂覆有硬涂層的切削工具，所述硬涂層用于提高對材料，例如高速鋼、鈦合金、鎳合金、奧氏體鋼，特別是例如具有高于50，優(yōu)選更高55HRC的硬度的硬化工具鋼的硬材料，難以進(jìn)行機(jī)械加工的工具加工性能。這是通過涂覆有耐磨多層的工件而實(shí)現(xiàn)，該耐磨多層至少包括第一支撐層和第二納米晶體層，其中該第一層包含以下組成的涂覆材料(Ti_aAl_1-a)N_1-x-yC_xO_y，0.4＜a＜0.6，0＜x和y＜0.3；或(Al_bCr_1-b)N_1-x-yC_xO_y，其中0.5＜b＜0.7，0＜x和y＜0.3。第二層包括以下組成的涂覆材料(Al_1-c-d-eCr_cSi_dM_e)N_1-x-yC_xO_y，其中M表示周期表系統(tǒng)的第4、5、6族的過渡金屬中除鉻之外的至少一種元素，且0.2＜c＜0.35，0＜d＜0.20，0＜e＜0.04。文檔編號C23C14/34GK101680075SQ200880009561公開日2010年3月24日申請日期2008年3月3日優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日發(fā)明者A·雷特,M·萊克薩勒申請人:奧爾利康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)