具有硬涂层的工件的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是以下申请的分案申请：申请日2007年8月30日，申请号 200780035900. 8,发明名称"具有硬涂层的工件"。
技术领域
[0002] 本发明涉及具有本体（body)和位于其表面的至少一部分上的耐磨涂层体系的工 件，还涉及制造这类工件的方法以及制造装置的方法。
【背景技术】
[0003] 相关技术的论述
[0004] TiAlN是广泛用于机床硬化钢（hardened steel)的涂层，且通常通过PVD方法施 涂。
[0005] 定义
[0006] 我们理解物理气相沉积方法（PVD)指一种真空沉积方法，其中使用等离子体并且 材料由固体注入操作（processing)气氛中。因此，在术语PVD中，如阴极弧蒸发、离子电镀、 溅射、从而磁控溅射、所有涉及的反应性或非反应性工艺均属于PVD工艺的范畴。
[0007] 与之相反，CVD涂布方法、化学气相沉积和PECVD中，等离子体增强的化学气相沉 积由气相提供涂层。
[0008] 对于器械（tooling)应用，用作单层体系或者用于带有具有不同Ti/Al/N化学计 量比的亚层（sublayer)的多层体系的TiAlN层至多可用于最高900°C的工作温度，因为根 据铝/钛比在高于800-850°C的温度下硬度会开始降低。
[0009] 因此，US 2005-0003239建议对工件施涂AlCrN涂层，从而提高它们的抗氧化性。 已知这种涂层具有良好的抗氧化性，并且根据铝/铬比具有最高1100°c的热硬度。在WO 2006/005217中也提出了类似的建议，WO 2006/084404和US 2006-0222893试图通过使用 不同的多层和/或通过向AlCrN基体中引入其它元素来进一步改进涂层的抗氧化性和/或 热硬度。
[0010] US 2006-0269789公开了一种硬多层，从而以高速切削高硬度的材料。该硬多层包 括基于TiAlCrNX的第一层，其中X表示C或0。第二层由TiAlCrNX和TiAl (SiC) NX的混合 物构成，或者是这些交替材料层的多层。最外的第三层基本由TiAl (SiC)NX构成。
[0011] EP 1 690 959中公开了改进对硬化钢的切削的另一种涂层。该涂层包括基于不同 Al和Si化学计量比的（TiAlSi)N的两层体系。
[0012] 尽管有以上概述的方法，仍然需要在耐磨性和抗氧化性方面进一步改进工件本体 上的硬涂层体系，从而进一步改进这类工件的性能，特别是在硬材料（特别是硬化钢）加工 中用作切削工具的工件。
【发明内容】
[0013] 因此，本发明的目的是进一步改进硬涂层的耐磨性和抗氧化性。为了实现该目的， 提出了具有本体和位于该本体表面的至少一部分上的耐磨硬涂层体系的工件，其中所述体 系包括至少一个具有以下组成的层： _4] (Al1^cCraBbZc)X,
[0015] 其中
[0016] 父为队(：、0队勵、〇)、0勵中的至少一种，和
[0017] Z为W、Mo、Ta、Cb (也表示为Nb)中的至少一种，
[0018] 并且其中：
[0019] 0. 2 ^ a ^ 0. 5
[0020] 0· 01 彡 b 彡 0· 2
[0021] 0· 001 彡 c 彡 0· 04。
[0022] 令人惊讶地，在满足上述化学计量比条件的情况下通过一般性地向AlCrX型基体 中加入硼（B)和所述Z元素中的至少一种就可以实现上述目的。我们将这种层称为HU。
[0023] 在本发明工件的优选实施方案中，元素 Z选自钨W，且存在以下关系：
[0024] 0· 01 彡 b 彡 0· 1 和
[0025] 0· 001 彡 c 彡 0· 01。
[0026] 我们称这种层为HLltj
[0027] 我们理解，在本说明书和权利要求书中，术语"涂层体系"或"涂层子体系 (subsystem)"指由一个单层或多层（即超过一层）构成的体系。
[0028] 从而可将上述至少一个层HLci*可能是HL 1直接施涂到工件本体的表面上。它们 可进一步施涂来形成所述涂层体系的最外层。显然，如果这类涂层体系由一层构成，那么所 述HL-型层直接位于所述本体表面上，并且就是所述最外层。HL tl-型还可以是多层体系的 最外层。其还可嵌入在多层体系中，位于朝向工件本体表面的第一层子体系与朝向涂布本 体表面的第二层子体系之间。更进一步地，在多层体系中，可提供超过一层具有相同或不同 化学计量比和/或材料组成的所述HL tl-型层。从而，具有不同化学计量比和/或材料组成 的这类HLtl-型层可直接层叠设置，或者可以被各自的涂层子体系分隔开。
[0029] 在本发明工件的一种实施方案中，至少一层HLtl或HL1位于所述硬涂层体系的最外 侧。
[0030] 在本发明工件的一种实施方案中，至少一个HLtl-型层直接位于所述工件的本体表 面上。
[0031] 在另一实施方案中，所述体系包括至少一个（TidAle)N夹层。因而，在另一实施方 案中，至少一个所述夹层插入本体表面与所述至少一个HL cr型层之间。我们称这种夹层为 IL1〇
[0032] 在工件的另一实施方案中，所述夹层直接位于工件表面和至少一个HLtl-型层表面 的至少一个上。
[0033] 因此，在其中夹层插入本体表面与至少一个HLtl或HL1之间的实施方案中，在HL q 或HL1和体系的表面之间可额外提供另外的所述类型的夹层。此外，所述中间层不必设置 为本体表面与HL tl或HL1表面之间的唯一层，在它们之间可提供额外的层，从而夹层是本体 表面与HL tl或HL i之间的多层子体系中的一层。然而尽管如此，在一种实施方案中，所述中 间涂层直接位于本体表面和HLtl或HL i的至少一个上。当在另一实施方案中施涂至少一个 (TidAle) N夹层时，满足：
[0034] 0· 4 彡 d 彡 0· 6 和
[0035] 0.4 彡 e 彡 0.6。
[0036] 在本发明工件的另一实施方案中，硬涂层体系包括至少一个（AlfCrg)N夹层。我们 称这种夹层为IL 2。
[0037] 对于可为至少一个这类夹层提供如以上相对于（TidAle)N层-IL「描述的相同的 特征的情况，除了对于所述（Al fCrg)N夹层，在另一实施方案中选择：
[0038] 0· 4 彡 f 彡 0· 7 和
[0039] 0. 3 ^ g < 0. 6〇
[0040] 此外，可与所述硬涂层体系结合提供所述夹层ILdP IL 2两者。
[0041] 在本发明工件的另一实施方案中，至少一层HLtl或HL 1在SEM截面中显示出纳米结 晶玻璃样生长构造，和/或如在另一实施方案中，显示出相对较小部分（fraction)的以六 角型晶体结构为特征的A1N。在该实施方案中，这种六角形AlN相以Al百分比为至少70% 位于HLtl或HL i材料的金属部分中，该部分包括AlCrBZX或AlCrBWX中除X外的所有元素。
[0042] 这类六角形结构可通过XRD分析识别。
[0043] 在本发明工件的另一实施方案中，至少一个HLtl或HL1具有0. 1彡Q彡1范围的结 构系数（texture coefficient)Q = I (200)/1 (111)。这种结构系数Q可通过X-射线衍射 分析来检测。如所述，术语Q定义为衍射强度I (200)对I (111)的比例，上述衍射强度分别 对应于使用例如本说明书图4相关描述中所述检测装置得到的材料X-射线衍射中的（200) 和（111)平面。从而，在另一实施方案中，所述Q的范围甚至限制为0.1 < Q < 0. 4。
[0044] 回来看所述夹层ILn IL2，应当指出在相应实施方案中这些夹层可显示出柱形 (columnar)生长结构，从而赋予整个涂层体系优异的性能，特别是如果用在切削工具上的 话。
[0045] 在本发明工件的另一实施方案中，硬涂层体系包括所述夹层ILp IL2中至少一个 与HLtl和HL i中至少一个交替层的多层，从而优选（AlCrBW)X，即HL i。
[0046] 沿背离本体表面的方向，这类多层可包括例如第一所述夹层IL1，随后可能有类型 不同的第二所述夹层IL 2，随后是第一 HL (即HLtl或HL1)，之后又是一层或多层所述夹层ILn IL2，材料相同或不同的第二HLtl或HL i，直接位于前一层之上的第三HLtl或HL i等等。因此， 根据具体应用，使用HLtl或HL i与所述夹层IL i、IL2的不同组合，这种多层硬涂层体系存在 多种多样的定制方式（tailoring)。
[0047] 在本发明工件的另一实施方案中，本体是高速钢（high speed steel)、硬化钢、硬 质合金（cemented carbide)或者立方体（cubic)氮化硼，或者在另一实施方案中是金属陶 瓷或陶瓷材料。
[0048] 在另一实施方案中，本发明所述工件是切削工件，从而在另一实施方案中是立铣 刀、钻头、镶入式截坯刀或者齿轮切削刀具。
[0049] 本发明制造上述工件（即本发明工件）的方法包括：在等离子体涂布真空室内提 供该工件的本体，在加工时间内通过物理气相沉积方法（PVD)将所述硬涂层体系施涂到本 体上，从而在加工时间的至少大部分时间内在涂布本体的表面确立至少550°C的温度。
[0050] 在该方法的一种实施方案中，所述温度选择为至少600°C。
[0051] 在另一方面，本发明涉及制造具有至少一部分硬材料的装置的方法。该方法包括 使用本发明的切削工具切削所述装置的硬材料的切削过程。从而，在所述装置制造方法的 另一实施方案中，所述硬材料具有至少52HRC的洛氏（Rockwell)硬度，甚至为至少55HRC。 在上述制造方法的另一实施方案中，所述硬材料是硬化钢。
[0052] 用本发明的切削工具实施了切削过程，其在硬材料上显示出与使用现有技术工具 实施的对照实施例至少同样好或甚至更好的结果。
[0053] 然而，在洛氏硬度为HRC 50、特别是HRC 52或更高、甚至高于HRC 55的硬化钢或 其它高硬度材料上进行切削操作时，本发明工具显示出异常优异的性能，如下文中所述。
【附图说明】
[0054] 以下将通过实施例并借助附图对本发明做进一步说明。附图显示：
[0055] 图1图不了本发明工件的第一实施方案的一部分；
[0056] 图2以类似图1的方式显示了本发明工件的第二实施方案；
[0057] 图3以类似图1和图2的方式显示了本发明工件的另一实施方案；
[0058] 图4以类似图1-3的方式显示了本发明工件的另一实施方案；
[0059] 图5以类似图1-4的方式显示了本发明工件的又一实施方案；
[0060] 图6是AlCrN硬涂层截面的SEM ;
[0061]