用于工件的耐磨硬涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了优化的硬涂层和工件，特别是涂覆有硬涂层的切削工具，所述硬涂层用于提高对材料，例如高速钢、钛合金、镍合金、奥氏体钢，特别是例如具有高于50，优选更高55 HRC的硬度的硬化工具钢的硬材料，难以进行机械加工的工具加工性能。这是通过涂覆有耐磨多层的工件而实现，该耐磨多层至少包括第一支撑层和第二纳米晶体层，其中该第一层包含以下组成的涂覆材料：(TiaAl1‑a)N1‑x‑yCxOy，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。第二层包括以下组成的涂覆材料：(Al1‑c‑d‑eCrcSidMe)N1‑x‑yCxOy，其中M表示周期表系统的第4、5、6族的过渡金属中除铬之外的至少一种元素，且0.2<c<0.35，0<d<0.20，0<e<0.04。

Abrasion resistant hard coating for workpieces and process for producing the same

The present invention provides optimization of hard coating and workpiece, especially cutting tools coated with hard coating, the hard coating for the improvement of materials, such as high speed steel, titanium alloy, nickel alloys, austenitic steel, especially for example is higher than 50, preferably 55 hard chemical higher hardness of HRC hard materials. Steel, hard machining tool and processing performance. This is the workpiece by coating with wear and the wear resistance of multilayer, multilayer support layer includes at least first and second nm crystal layer, wherein the first layer contains the following components: coating materials (TiaAl1 a) N1 x yCxOy, 0.4< a< 0.6, 0< X and y< 0.3; or (AlbCr1 B N1 x) yCxOy, 0.5< b< 0.7, 0< X and y< 0.3. The second layer comprises the following components: coating materials (Al1 C D eCrcSidMe) N1 x yCxOy, wherein M represents a transition metal periodic table system of group fourth, fifth, sixth in excluding chromium at least one element, and 0.2< c< 0< 0.35, d< 0.20, 0< e< 0.04.

【技术实现步骤摘要】
用于工件的耐磨硬涂层及其制备方法本申请是以下申请的分案申请：申请日2008年3月3日，申请号200880009561.0，专利技术名称“用于工件的耐磨硬涂层及其制备方法”。专利技术背景本专利技术涉及经设计用于用工具加工（tooling）难于机械加工（machine）的材料（例如硬化工具钢、不锈钢和钛合金）的硬的耐磨涂层。这种极端的机械加工条件的应用需要具有优秀耐磨性、热硬性和耐氧化性以及高韧性和良好粘附性的涂层。本专利技术进一步涉及这种耐磨涂层的制备方法，即规定的PVD电弧蒸发方法（definedPVDarcevaporationprocess）。其进一步涉及涂覆的工件，特别是具有由烧结碳化物（cementedcarbide）、金属陶瓷（cermet）、立方氮化硼（CBN）或高速钢制成的主体的工具。现有技术AlTiN是广泛用于硬化钢的机械加工的PVD涂层。然而，AlTiN如果用作单一层或由不同Ti/Al/N化学计量的子层构成的多层，其可以在至多不超过900℃用于工具加工应用，因为依赖于铝/钛比，随着温度高于800℃至850℃，其硬度就开始变差。因此，US2005-0003239将AlCrN涂层施加于工件，以提高其耐氧化性。已知该涂层在不超过1100℃具有良好的耐氧化性和热硬性，具体依赖于铝/铬比。这种涂层有助于提高用于很多工具加工应用的铣削性能，然而不能显著提高更难于机械加工的材料（例如硬化工具钢、高速钢、钛和镍合金和奥氏体钢）的工具加工性能。与此类似，申请WO-2006/005217、WO-2006/084404和US2006-0222893也通过使用不同的多层和/或在AlCrN基质中引入其他元素来试图进一步优化该涂层的耐氧化性和/或（热）硬性。EP1690959公开了另一种声称在硬化钢的切削方面取得进展的涂层。该涂层包括基于不同Al和Si化学计量的(TiAlSi)N的双层系统。US2006-0269789公开了用于高速切削高硬度材料的硬多层。该多层包括基于TiAlCrNX（X＝C或O）的第一涂层、TiAlCrNX和TiAl(SiC)NX的混合物的第二涂层或这种交替层的多层、和基本由TiAl(SiC)NX构成的第三最外涂层。尽管这种层系统在耐磨性和耐氧化性方面可以取得某些进展，但似乎仍需要进一步改进在上述对材料进行机械加工方面有难处的带涂层切削工具的性能。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供优化的硬涂层和工件，特别是涂覆有硬涂层的切削工具，所述硬涂层用于改善在对材料（例如高速钢、钛合金、镍合金、奥氏体钢，特别是例如具有高于50，优选高于55HRC的硬度的硬化工具钢的硬材料）进行机械加工方面有困难的工具加工性能。本专利技术的另一目的是在不丧失AlCrN的优秀氧化性和热硬性的情况下提供这种涂层。通过下面和权利要求1和2中所示的本专利技术的前两个方面中的任一方面可以实现这些目的。本专利技术的第三个目的是提供依照权利要求12的用于制备用于机械组件的元件（例如模具和模头）的改进的切削工具，和其他切削工具（例如刀刃）以及用于执行依照权利要求16的这种操作的切削方法。一个应用焦点是在例如成本降低、制备程序的优化和工件表面粗糙度改进方面对铣削操作中切削性能进行改进。本专利技术的第四个目的是提供用于制备依照权利要求13的本专利技术涂层和本专利技术工具的PVD方法。令人惊奇的是，通过本专利技术的第一方面的工件可以解决本专利技术的第一和第二个目的，该工件具有表面，其中所述表面的至少一部分涂覆有通过PVD方法沉积的耐磨多层式硬涂层，该硬涂层包括至少第一支撑层和包含纳米晶体硅的第二层，该第一层位于在该工件和该第二层之间。第一层包含以下组成的涂覆材料：(TiaAl1-a)N1-x-yCxOy，其中0.4<a<0.6，0≤x和y<0.3。可替代地，该第一层可以包含(AlbCr1-b)N1-x-yCxOy，其中0.5<b<0.7，0≤x和y<0.3。第二层包括以下组成的涂覆材料：(Al1-c-d-eCrcSidMe)N1-x-yCxOy，其中M表示周期表系统的第4族（Ti、Zr、Hf）、第5族（V、Cb[Nb]、Ta）、第6族（Cr、Mo、W）的过渡金属中除铬之外的至少一种元素，且0.2<c≤0.35，0<d≤0.20，0<e≤0.04。在本专利技术的优选实施方案中，第二层包含以下组成的涂覆材料：(Al1-c-d-eCrcSidMe)N1-x-yCxOy，其中M表示W、Mo、Ta或Cb[Nb]，且0.06<d≤0.15，特别地0.10≤d≤0.11。（Niob（铌）或Columbium（钶）表示周期表系统的第41号元素，国际通用简称Nb，也称作Cb）。本专利技术的其它方面涉及第一层的晶体结构，其优选包括两个不同相，特别是面心立方（fcc）和六方密堆（hcp）相。因此，如果经过热处理或至少700℃或750℃的高工作温度，该hcp相的XRD信号可以变得更加明显。该hcp相能够是富含Al的，沉积态的六方相的百分比应当为5～40vol％，优选10～30vol％。本专利技术的其他方面涉及纳米晶体层内的Al/Cr比、第一和第二层的厚度和总涂层厚度之比、层织构和结构以及第一和第二层交替的多层。例如，当以商值QAl/Cr＝(1-c-d-e)/c表达的Al/Cr比在范围1.5<QAl/Cr≤2.4时，带涂层的切削工具的性能特别好。在另一实施方案中，第一涂层的厚度D1小于第二涂层的厚度D2，例如商值QD＝D2/D1在以下范围：1<QD≤4，而本专利技术的涂层的总涂层厚度D在以下范围：1μm≤D≤10μm，优选2μm≤D≤6μm。本专利技术的另一方面涉及该涂层系统中所定义的层的硬度和杨氏模量。与支撑层相比该纳米晶体层的硬度较高被证明是有利的。例如用Vickers微压痕在40mN的负载下测定，第一层优选具有2.400～2.800HV的硬度，而第二层具有2.800～3.200HV的硬度。可以通过例如本领域技术人员可从US6071560和US6274249和其他文献中已知的控制特定工艺参数（尤其是基底偏压和工艺压力或反应气体压力）来调节硬度和杨氏模量（后者很大程度影响涂层系统的韧性）。然而，对于本专利技术，使用包括以下步骤的沉积方法被证明是有利的：在第一涂层的沉积过程中应用第一较低的基底电压U1，以及在第二涂层的沉积过程中应用第二较高的基底电压U2。其中，该第一基底电压在0V≤U1≤100V范围内，第二基底电压在80V≤U2≤200V范围内，其中U2-U1≥20V。另外或可替代地，在第一涂层的沉积过程中可以使用较高的工艺压力，以降低第一层的固有层应力（intrinsiclayerstress）以及由此的硬度。在沉积过程中将工件加热到高于550℃的温度（特别到约600℃）并将其保持在该温度似乎得到了对涂层粘附性和工具性能的进一步有利影响。对上述层性质的另一可能影响方式是如上或下面实施例所述改变某些附加元素的含量或改变Al/Cr比值。通过调节硅含量以得到对晶粒细化的优化导致硬度的最大化，可以进一步改进第二基于纳米晶体合金化AlCrN的层的硬度。此外，通过另外用作例如硬涂层的晶界相中的扩散屏障的上述过渡金属（特别是W、Mo、Cb和Ta），得到了有益本文档来自技高网...

【技术保护点】
工件，具有表面，其中所述表面的至少部分涂覆有通过PVD工艺沉积的耐磨多层式硬涂层，其中该硬涂层包括至少第一支撑层和第二纳米晶体层，其中该第一层位于该工件和该第二层之间，其中该第一层包含以下组成的涂覆材料：(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；该第二层包括以下组成的涂覆材料：(Al1‑c‑d‑eCrcSidMe)N1‑x‑yCxOy其中M表示周期表系统第4、5、6族的过渡金属中除铬之外的至少一种元素，且0.2<c≤0.35，0<d≤0.20，0<e≤0.04其中该第二层在SEM横截面中显示纳米晶体生长结构。

【技术特征摘要】
2007.03.23 US 11/690270;2007.05.10 US 11/7471281.工件，具有表面，其中所述表面的至少部分涂覆有通过PVD工艺沉积的耐磨多层式硬涂层，其中该硬涂层包括至少第一支撑层和第二纳米晶体层，其中该第一层位于该工件和该第二层之间，其中该第一层包含以下组成的涂覆材料：(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；该第二层包括以下组成的涂覆材料：(Al1-c-d-eCrcSidMe)N1-x-yCxOy其中M表示周期表系统第4、5、6族的过渡金属中除铬之外的至少一种元素，且0.2<c≤0.35，0<d≤0.20，0<e≤0.04其中该第二层在SEM横截面中显示纳米晶体生长结构。2.根据权利要求1的工件，其中该第二层包括以下组成的涂覆材料：(Al1-c-d-eCrcSidMe)N1-x-yCxOy其中M表示W、Mo、Ta或Cb(Nb)，且0.2<c≤0.35，0.06≤d≤0.15，0<e≤0.04。3.根据权利要求1或2之一的工件，其中该第一层包括两种不同的晶体相。4.根据权利要求2的工件，其中所述不同的晶体相是面心立方（fcc）相和六方密堆（hcp）相。5.根据权利要求4的工件，其中如果经过热处理或高工作温度，该hcp相的XRD信号变得更加明显。6.根据权利要求4或5的工件，其中该hcp相是富含Al的。7.根据权利要求4～6之一的工件，其中沉积状态时的hcp相的百分比为5～40vol％。8.根据权利要求1～7之一的工件，其中QAl/Cr＝(1-c-d-e)/c的商在以下范围内：1.7≤QAl/Cr≤2.4。9.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：M莱克萨勒，A雷特，
申请(专利权)人：奥尔利康贸易股份公司特吕巴赫，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH