专利名称：涂覆体系、涂覆的工件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及涂覆的工件及其生产领域。更详细地讲，本发明涉及通过磨损防护涂 层防护工件以免磨损及所述涂层的沉积。
背景技术：
TiAlN涂层广泛用作磨损防护应用的物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)涂层。据报道AlCrN体系展示诸如硬度和热硬度的优异机械性质、引起 涂覆部件的优异应用寿命的热和摩擦学性质。如本领域中通常所了解，没有明确标出化学 计量系数，例如，AlCrN更确切地代表(AlyCivy)N(() < y < 1)。US 7 226 670公开了涂覆有包括至少一种由(AlyCivy)X构成的膜的膜层体系的 工件，其中X = N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、B0、CNO, BNO或BNC0，所述工件为铣削工具、滚 刀、球头铣刀、平面或异型刀具、清洁工具、铰刀、用于车削和铣削的刀片、冲模或注模，其显 示出优异的磨损防护性能。US 7 348 074公开了由具有10层封装(packet)的多层结构组成的涂覆原理。这 些原理在钻孔应用中显示出优良防护性能。美国专利申请US 2008/0229891公开了多层涂层，其包括包含物质(TiAl)X(其中 X = N、CN、CNO或N0)或(AlCr) X (其中X = N、CN、CNO或N0)的至少一个层A，且包括具有 (AlCrSiMe)X的至少一个层B，其中X = N、CN、CNO或N0，其中Me代表Nb、Mo、Ta或W。此外，所述US 2008/0229891公开了设计成由至少两个不同结晶相组成的所述至 少一个层B的层结构。这例如可为立方和六方相部分。在所述US 2008/0229891中，进一步公开了层A和层B之间的厚度比是一个重要 问题，在此意义上层A与层B的厚度比超过1似乎展示出低劣性能。所有这些现有技术涂层对于或多或少的具体应用显示出优良磨损防护性能。因 此，仍然需要提供用于大量不同应用的磨损防护涂层。发明概述因此，本发明的一个目的是形成没有上述缺点的涂覆体系。具体地说，将提供可用 于大量不同应用的涂覆体系。另外，将提供相应涂覆的工件和生产所述工件的相应方法。本发明的另一目的是提供涂覆体系、相应涂覆的工件和生产提供改善的磨损防护 和/或耐磨性质的所述工件的方法。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，所述工件提供用于非常广泛的应用的寿命增加的工具。其中，所述应用可包括 连续和间歇切削应用，包括但不限于钻凿、铣削、铰削、车削、打孔、螺纹攻丝和滚刀应用。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述工件为用于机械加工部件的工件，所述部件可由诸如铁质和非铁金 属以及复合材料的各种材料制成。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述工件可在各种工作条件下使用，诸如干式切削、用乳液和/或液体冷却剂切削、用最少量的润滑油(minimal quantity lubricati0n，MQL)切削和用气态冷却剂 切削。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述工件为钻头、端铣刀、刀片或滚刀。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述工件底材基本是钢制的，具体地说，由高速钢、硬质合金、立方氮化 硼、金属陶瓷或陶瓷材料制成。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述工件适用于机械加工以下材料中的至少一种、优选大部分铁质和非 铁材料、优选硬化钢、退火钢、合金钢、低碳钢、不锈钢、钛基合金、镍基合金和复合材料。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述涂层将具有优异的机械性质和热性质，特别是硬度、热硬度和抗氧化 性。本发明的另一目的是提供用于涂覆工件的涂覆体系、相应涂覆的工件和生产所述 工件的方法，其中所述涂层在低温和高温应用条件下将对工件提供优异的防护。本发明的另一目的是提供用于生产涂覆工件、尤其是如上所述的工件的方法，其 尤其是可时间有效地进行。本发明的另一目的是提供用于生产涂覆工件、尤其是如上所述的工件的方法，其 尤其是可简单地进行。其它目的从以下描述和实施方案中显现。这些目的中的至少一个通过本专利权利要求书中的涂覆体系、工件和/或方法来 至少部分地实现。所述涂覆体系为包括至少一个基本由(AlyCivy)X组成的层A的多层涂层，其中X =1^81而丄而丄818而或0他0，且7描述金属相部分的化学计量组成。提出所述多 层涂层还包含至少一个基本由(AluCrlraSivMew)X组成的层B，其中X = N、CN、BN、N0、CN0、 CBN、BNO或CNB0，其中Me = W、Nb、Mo、Ta或其混合物，且其中u、v、w描述金属相部分的化 学计量组成。通过此，可提供磨损防护涂覆体系，其可用于大量不同应用。系数y更确切且根据本领域中约定代表0 < y < 1的数，并且更确切地说且根据 本领域中约定，u为0<u< 1的数，ν为0<v< 1的数，且w为0<w< 1的数，其中 u+v+w = I0此外，更确切地说且根据本领域中约定，X的化学计量值始终为1，即，如果X 包括多于一种化学元素，则这些元素的化学计量系数之和为1，例如，如果X = BNO，X描绘 B1JaOb (且 0<a<l 且 0<b<l)。在一个实施方案中，实现了层A与层B的厚度比高于1，更优选高于约1.5。通过 此，可以实现特别优良的磨损防护。较厚的A型层与较薄的B型层组合产生优良的结果。在一个可与一个或多个先前阐明的实施方案组合的实施方案中，所述至少一个B 型层设计成包含至少两个结晶相，更详细地讲，所述至少一个B型层基本包括正好两个结 晶相。在该实施方案中，所述至少一个B型层的第一结晶相为立方相，所述至少一个B型 层的第二结晶相为六方相。
在这种情况下，在一个具体实施方案中，六方相含量小于所述至少一个B型层的 层体积的50%，更详细地讲，总共为5^-40 ^在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，所述至少一个A 型层基本为立方结构。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，所述至少一个A 型层的金属部分的化学计量组成的特点在于0. 5 < y < 0. 7。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，所述至少一个B 型层的金属部分的化学计量组成的特征在于0. 5 < u < 0. 7、0. 01 < ν < 0. 15且0. 002 < w < 0. 1，更详细地讲w < 0. 05。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，B型层直接沉积 到A型层上。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，B型层夹在第一 A型层和第二 A型层之间。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，A型层和B型层 形成段，所述涂覆体系为具有多个所述段的涂覆体系。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案中，所述涂覆体系包 括另外层，尤其是所述其它层形成功能层。例如，所述其它层为粘附层，更详细地讲直接沉 积到底材上，尤其是直接在第一 A型层之下，或者，例如所述其它层为顶层，S卩，所述层作为 最后层沉积，尤其为装饰性顶层。本发明的工件包括本发明的涂覆体系。所述工件以类似方式受益于所述涂覆体系 的优势。在一个实施方案(其实际上是各种可能的实施方案的列举)中，所述工件为由以 下各工件组成的群组中的至少一种工具、机械加工工具、铣削工具、切削工具、车削工具、 钻孔工具、螺纹攻丝工具、铰刀、端铣刀、钻头、切削刀片、齿轮切削工具、刀片、滚刀、清洁工 具、用于车削和铣削的刀片。在一个可与一个或多个先前阐述的实施方案组合的实施方案(且其实际上是各 种可能的实施方案的列举)中，所述工件具有基本由以下各材料组成的群组中的至少一种 制成的主体铁质金属、非铁金属、复合材料、硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼、陶瓷材料、 钢、高速钢。一方面，本发明包括用于生产涂覆的工件的方法，更详细地讲，PVD (物理气相沉 积)方法，其允许不仅在单独的沉积方法中而且在一种沉积方法内合成涂覆体系，更详细 地讲，本发明的涂覆体系。生产涂覆的工件的方法包括以下步骤a)在所述工件上沉积至少一个A型层；和b)在所述工件上沉积至少一个不同于所述A型的B型层；其中所述至少一个A型层使用X型的nx靶沉积；和所述至少一个B型层使用不同于所述X型的Y型的ηγ靶且同时使用所述X型的 nXy靶沉积；
其中nx、nY*n)iy为彡1的整数，且至少一个所述X型的所述靶在步骤a)和步骤 b)两者期间为活性的。这样的话可实现显著减少的沉积时间。在沉积B型层和沉积A型层 二者期间，一种或多种靶可为活性的。在工艺稳定性方面，这也可以是有利的。沉积可在很 少时间内进行，沉积步骤可在不破坏真空的情况下在同一真空室中进行。在一个实施方案中，使得nx ^ Ii5iy。在一个实施方案中，使得nx = nXy。在这种情况下，在沉积所述至少一个A型层期 间具有活性的X型的所有靶在沉积所述至少一个B型层期间也为活性的。在一个可与先前阐述的方法实施方案组合的方法实施方案中，A型层基本由 (AlyCivy)X组成，其中X描绘由N、CN、BN、NO、CNO, CBN、BNO和CNBO组成的群组中的一种， y描述金属相部分的化学计量组成；且B型层基本由(AluCrlraSivMew)X组成，其中X描绘 由N、CN、BN、NO、CNO, CBN、BNO或CNBO组成的群组中的一种，且其中Me描绘由W、Nb、Mo和 Ta组成的群组中的一种或所述群组中两种或更多种组分的混合物，U、ν和w描述金属相部 分的化学计量组成。在一个可与先前阐述的方法实施方案组合的方法实施方案中，所述A型层与所述 B型层的厚度比高于1，尤其是高于约1.5。换句话说，进行步骤a)和b)以使得A型层的厚 度比B型层的厚度大，尤其大超过约1. 5倍。在一个可与先前阐述的方法实施方案组合的方法实施方案中，所述X型的靶包含 Al和Cr，Y型的靶包含Al、Cr、Si且所述Me提供在所述B型层中。在一个可与先前阐述的方法实施方案组合的方法实施方案中，步骤a)和b)使用 物理气相沉积方法、尤其是阴极电弧蒸镀方法进行。在一个可与先前阐述的方法实施方案组合的方法实施方案中，所述沉积方法的特 征在于沉积温度< 650°C、优选约500°C或低于约500°C，和/或反应气氛主要包括N和/或 总气体压力处于0. 5-lOPa、优选> 2Pa，和/或偏压为40-200V，和/或其中沉积多层结构中 的所述至少一个A型层期间的偏压低于沉积所述至少一个B型层期间的偏压。本发明包括具有相应涂覆体系的特征的方法和根据本发明的工件，反之亦然。所述方法的优势对应于相应涂覆体系和工件的优势，反之亦然。其它实施方案和优势从从属权利要求书和附图中显现。附图简述下文中，通过实施例和所包括的附图更加详细地描述本发明。附图显示
图1为显示根据本发明的一个实施方案的涂层的结构的SEM(扫描电子显微镜法) 图像；图2为分别A型单层和B型单层的XRD (X射线衍射)图；图3为示例性构造的真空沉积腔室的俯视示意详图；图4为示例性构造的真空沉积腔室的俯视示意详图；图5为涂覆体系的层结构；图6为涂覆体系的层结构；图7为涂覆体系的层结构；图8为示例性构造的真空沉积腔室的俯视示意详图；图9为涂覆体系的层结构，其包括另外的顶层(例如装饰性顶层)，其可在如图8中所示构造的真空沉积腔室中沉积。附图中所用的附图标记及其含义汇总于附图标记列表中。所述实施方案为示例性 的且不应限制本发明。发明详述在下文中，将更加密切地结合一些应用实施例来说明本发明。如上所述，本发明的一个可能的目的是提供对于非常广泛的应用显示优良防护耐 磨性的涂覆体系(或简言之“涂层”)。为了证实本发明涂层优于现有技术涂层的优越性， 我们首先通过描述如何制备涂层来介绍许多现有技术涂层以及许多不同的本发明涂层。随后，我们将在代表各种应用的高度不同的机械加工条件下论述不同应用实例， 所述应用诸如为钻凿或铣削软质、退火或硬质材料，并论述与现有技术涂层相比本发明涂 层的性能。所有以下涂层已使用阴极电弧蒸镀在电弧蒸镀设备中合成。将工件放置到合适电 弧蒸镀设备的腔室(真空室)中。在所述涂覆设备中，使用例如表1中所示的靶。表1指出6种样品(涂层)中的每一种的所用靶的元素组成(原子百分数)和各 个沉积层的元素组成。最后，表1显示对于四种不同应用(应用1-应用4)的应用测试结果。层厚度处于磨损防护涂层的通常厚度范围。涂覆体系的总厚度通常不超过约 20 μ m0
权利要求
1.涂覆体系，其包括至少一个A型层，A型层基本由(AlyCivy)X组成，其中X描绘由N、CN、BN、N0、CN0、CBN、 BNO和CNBO组成的群组中的一种，y描述金属相部分的化学计量组成；至少一个B型层，B型层基本由(AluCrlraSivMew)X组成，其中X描绘由N、CN、BN、N0、 CN0、CBN、BN0或CNBO组成的群组中的一种，且其中Me描绘由W、Nb、Mo和Ta组成的群组中 的一种或所述群组中两种或更多种组分的混合物，U、￥和w描述金属相部分的化学计量组 成；其中所述A型层与所述B型层的厚度比高于1。
2.权利要求1的涂覆体系，其中所述厚度比高于约1. 5。
3.权利要求1或2的涂覆体系，所述至少一个B型层包括至少两个结晶相。
4.前述权利要求中任一项的涂覆体系，所述至少一个B型层包括立方相和六方相。
5.权利要求4的涂覆体系，所述至少一个B型层中所述六方相的含量小于所述至少一 个B型层的50%体积。
6.权利要求4或5的涂覆体系，所述至少一个B型层中所述六方相的含量大于所述至 少一个B型层的5%体积且小于所述至少一个B型层的40%体积。
7.前述权利要求中任一项的涂覆体系，所述至少一个A型层基本为立方结构。
8.前述权利要求中任一项的涂覆体系，其中0.5 < y < 0. 7。
9.前述权利要求中任一项的涂覆体系，其中0.5 < u < 0. 7,0. 01 < ν < 0. 15,0. 002 < w < 0. 1，尤其是 w < 0. 05。
10.前述权利要求中任一项的涂覆体系，其中所述至少一个B型层直接沉积到所述至 少一个A型层上。
11.前述权利要求中任一项的涂覆体系，其包括夹在第一A型层和第二 A型层之间的B型层。
12.前述权利要求中任一项的涂覆体系，其包括多个层段，其中一种所述层段由一个A 型层和一个B型层形成。
13.工件，其包括前述权利要求中任一项的涂覆体系。
14.权利要求13的工件，其中所述工件为由以下各物组成的群组中的至少一种 — 机械加工工具； 铣削工具； 切削工具； 车削工具； 钻孔工具； 螺纹攻丝工具； 铰刀； 端铣刀； 钻头； 切削刀片； 齿轮切削工具；刀片； 滚刀；清洁工具；用于车削和铣削的刀片。
15.权利要求13或14的工件，所述工件具有基本由由以下各材料组成的群组中的至少 一种制成的主体铁质金属； 非铁金属； 复合材料； 硬质合金； 金属陶瓷； 立方氮化硼； 陶瓷材料； 钢；高速钢。
16.生产涂覆的工件的方法，其包括以下步骤a)在所述工件上沉积至少一个A型层；和b)在所述工件上沉积至少一个不同于所述A型的B型层； 其中所述至少一个A型层使用X型的nx靶沉积；和所述至少一个B型层使用不同于所述X型的Y型ηγ靶且同时使用所述X型的Iky靶沉积；其中nx、nY和nxy为≥ 1的整数，且至少一个所述X型的所述靶在步骤a)和步骤b)两 者期间为活性的。
17.权利要求16的方法，其中A型层基本由(AlyCivy) X组成，其中X描绘由N、CN、BN、N0、CN0、CBN、BN0和CNBO组成 的群组中的一种，y描述金属相部分的化学计量组成；和B 型层基本由(AluCrlraSivMew)X 组成，其中 X 描绘由 N、CN、BN、NO、CNO、CBN、BNO 或 CNBO组成的群组中的一种，且其中Me描绘由W、Nb、Mo和Ta组成的群组中的一种或所述群 组中两种或更多种组分的混合物，U、ν和w描述金属相部分的化学计量组成。
18.权利要求17的方法，其中所述A型层与所述B型层的厚度比高于1，尤其是高于约1. 5。
19.权利要求17或18的方法，其中所述X型的靶包含Al和Cr，Y型的靶包含Al、Cr、 Si，且所述Me提供在所述B型层中。
20.权利要求16-19中任一项的方法，其中步骤a)和b)使用物理气相沉积方法、尤其 是阴极电弧蒸镀方法进行。
21.权利要求16-20中任一项的方法，其包括在进行步骤a)和b)期间保持所述工件处 于低于约650°C、尤其是在约500°C下或低于约500°C的温度。
22.权利要求16-21中任一项的方法，其包括在进行步骤a)和b)期间将所述工件暴露于总气体压力为0. 5Pa-10I^、尤其是> 2Pa的反应气氛。
23.权利要求23的方法，所述反应气氛主要包括N。
24.权利要求16-23中任一项的方法，其包括在进行步骤a)和b)期间对所述工件施加 40V-200V的偏压。
25.权利要求16-24中任一项的方法，其包括在进行步骤a)期间向所述工件施加偏压 且在进行步骤b)期间向所述工件施加较低偏压。
全文摘要
涂覆体系包括至少一个A型层，A型层基本由(AlyCr1-y)X组成，其中X描绘由N、CN、BN、NO、CNO、CBN、BNO和CNBO组成的群组中的一种，y描述金属相部分的化学计量组成；和至少一个B型层，B型层基本由(AluCr1-u-v-wSivMew)X组成，其中X描绘由N、CN、BN、NO、CNO、CBN、BNO或CNBO组成的群组中的一种，且其中Me描绘由W、Nb、Mo和Ta组成的群组中的一种或所述群组中两种或更多种组分的混合物，u、v和w描述金属相部分的化学计量组成。所述A型层与所述B型层的厚度比高于1。所述工件包括所述涂覆体系。通过此，提供优良的磨损防护，且可将所述涂覆体系和工件用于大量不同应用中。在PVD方法中使用两种类型的靶可非常有效地沉积涂覆体系，其中在沉积A型层期间和在沉积B型层期间一种类型的靶是活性的。
文档编号C23C14/00GK102149844SQ200980135916
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月9日
发明者M·莱赫塔勒 申请人:欧瑞康贸易股份公司(特吕巴赫)