CN101517126A - 具有硬涂层的工件 - Google Patents

Abstract

具有本体(3)和耐磨硬涂层体系(HL₀)的工件，该体系包括具有以下组成的层：(Al_{1－a－b－c}Cr_aB_bZ_c)X，其中X为N、C、CN、NO、CO、CNO中的至少一种；Z为W、Mo、Ta、Cb(Nb)中的至少一种。a、b和c有特定的取值范围。

Description

具有硬涂层的工件

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。

相关技术的论述

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。

定义

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。

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。

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℃的工作温度，因为根据铝/钛比在高于800-850℃的温度下硬度会开始降低。

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℃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。

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O。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。

EP 1690959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。

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。

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：

(Al_1-a-b-cCr_aB_bZ_c)X，

其中

X为N、C、CN、NO、CO、CNO中的至少一种，和

Z为W、Mo、Ta、Cb(也表示为Nb)中的至少一种，

并且其中：

0.2≤a≤0.5

0.01≤b≤0.2

0.001≤c≤0.04。

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HL₀。

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：

0.01≤b≤0.01和

0.01≤c≤0.01。

我们称这种层为HL₁。

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。

从而可将上述至少一个层HL₀也可能是HL₁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。HL₀-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HL₀-型层。从而，具有不同化学计量比和/或材料组成的这类HL₀-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。

在本发明工件的一种实施方案中，至少一层HL₀或HL₁位于所述硬涂层体系的最外侧。

在本发明工件的一种实施方案中，至少一个HL₀-型层直接位于所述工件的本体表面上。

在另一实施方案中，所述体系包括至少一个(Ti_dAl_e)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HL₀-型层之间。我们称这种夹层为IL₁。

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HL₀-型层表面的至少一个上。

因此，在其中夹层插入本体表面与至少一个HL₀或HL₁之间的实施方案中，在HL₀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HL₀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HL₀或HL₁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HL₀或HL₁的至少一个上。当在另一实施方案中施涂至少一个(Ti_dAl_e)N夹层时，满足：

0.4≤d≤0.6和

0.4≤e≤0.6。

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(Al_fCr_g)N夹层。我们称这种夹层为IL₂。

对于可为至少一个这类夹层提供如以上相对于(Ti_dAl_e)N层-IL₁-描述的相同的特征的情况，除了对于所述(Al_fCr_g)N夹层，在另一实施方案中选择：

0.4≤f≤0.7和

0.3≤g＜0.6。

此外，可与所述硬涂层体系结合提供所述夹层IL₁和IL₂两者。

在本发明工件的另一实施方案中，至少一层HL₀或HL₁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AlN。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HL₀或HL₁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。

这类六角形结构可通过XRD分析识别。

在本发明工件的另一实施方案中，至少一个HL₀或HL₁具有0.1≤Q≤1范围的结构系数(texture coefficient)Q＝I(200)/I(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。

回来看所述夹层IL₁、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。

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IL₁、IL₂中至少一个与HL₀和HL₁中至少一个交替层的多层，从而优选(AlCrBW)X，即HL₁。

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IL₂，随后是第一HL(即HL₀或HL₁)，之后又是一层或多层所述夹层IL₁、IL₂，材料相同或不同的第二HL₀或HL₁，直接位于前一层之上的第三HL₀或HL₁等等。因此，根据具体应用，使用HL₀或HL₁与所述夹层IL₁、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)。

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。

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。

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℃的温度。

在该方法的一种实施方案中，所述温度选择为至少600℃。

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。

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。

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。

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：

图1图示了本发明工件的第一实施方案的一部分；

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；

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；

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；

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；

图6是AlCrN硬涂层截面的SEM；

图7是本发明工件的AlCrBWN硬涂层截面的SEM；

图8是本发明工件的TiAlN/AlCrBWN硬涂层截面的SEM；

图9是AlCrN和AlCrBWN硬涂层的XRD谱图，后者在本发明工件上；

图10是本发明工件上的AlCrBWN硬涂层的XRD谱图。

在图1中，图示了本发明工件1的第一实施方案。工件1具有带有表面5的本体3。该本体的材料是高速钢、硬化钢、硬质合金、立方体氮化硼、金属陶瓷或者陶瓷材料之一。

根据图1的实施方案，所述层之一HL₀(可以是HL₁)直接位于本体3的表面5上。

从而，所得工件的表面7由所述层HL₀的一个表面构成，其因此作为一种优选实施方案，该表面构成了所述工件的最外层表面。

在以与图1类似的方式显示的图2的实施方案中，在所述层HL₀(可为HL₁)和本体3的表面5之间提供了涂层子体系CSS。从而根据以上给出的涂层子体系的定义，该涂层子体系CSS可包括一层或多层。

如可在层HL₀以及HL₁的定义中看到的，X以及HL₀情况下的Z可由不同元素构成。根据图3的实施方案，硬涂层体系的最外层由具有第一材料组成的HL₀(表示为HL₀₁)构成，或者由具有一种特定材料组成的层HL₁(表示为HL₁₁)构成。在朝向基材3的方向，提供了具有不同材料组成的第二层HL₀(表示为HL₀₂)，或者相应地具有不同材料组成的HL₁(表示为HL₁₂)。

直至本体3的表面5，可以有也可以没有额外的HL₀型层和/或HL₁型层。

然而，在图3的实施方案中，涂层体系由HL_0x层构成，其至少一部分可能是HL_1x层，在图4的实施方案中，硬涂层体系包括涂层子体系CSS。这类涂层子体系可包括或者不包括额外的HL₀-型层，但是确实额外包括至少一层不是所述HL₀-型的层。

在所有图1-4的实施方案中，具有表面7的最外层由所述HL0-型层构成。这是形成工件的所述最外层表面的好方法。

然而尽管如此，并且例如从图4中可以看出，对于某些用具，可以适当地在最外层HL₀-层上提供(未示出)另一涂层子体系，从而所述最外层表面7由该最外层子体系构成。

在图5的实施方案中，HL₀-型层与涂层子体系CSS相互交替。从而，交替施涂的HL₀-型层可以具有相同或不同的材料组成。

同样，交替的涂层子体系可由一层或多层构成，其中至少一层不是HL₀-型的。

如图1-5的实施方案所例示，根据这种工件的具体需求，存在多种形式将HL₀层施涂到工件的本体3上。特别是，如果工件是一种工具，尤其是切削工具，则建议选择HL₀-型层作为涂层体系的最外层。

在说明书的介绍部分，我们提及了第一(Ti_dAl_e)N夹层，特别是d和e具有特定取值范围的夹层作为IL₁，并且提及了具有特定f和g范围的第二(Al_fCr_g)N类型夹层作为IL₂。

参见图1-5的实施方案，每一所述涂层子体系CSS可包括或由IL₁或IL₂构成，或者可包括或由IL₁和IL₂的组合构成，并且可包括额外的HL₀-型层或者不同于HL₀型和IL₁、IL₂的层。

同样，从图1-5所述的引入夹层IL₁和/或IL₂的实施方案中，本领域技术人员认识到可根据相应需求选择众多的组合。

以下列举了本发明工件的一些具体实施方案。将设计作为切削工具的本发明工件的切削性能与现有技术的这类工具进行对比，因而为了有效比较的目的，对本发明的相应工具和现有技术的对照工具应用相同的切削操作和切削参数。

如果没有具体且不同的规定，在以下实施例中施涂到样品上的硬涂层体系均在如下条件下沉积，从而实施制造本发明工件的方法。

沉积技术：阴极弧蒸发

总工作压力：5.5Pa的N₂

待涂布本体的偏压(bias voltage)：对于HL₀型层相对于地电势为-85V，而对于IL₁和IL₂层相对于地电势为-100V

涂布本体的表面温度：600℃

蒸发电流：每一蒸发靶200A

在Balzers RCS涂布机中以弧蒸发装置来沉积硬涂层体系。在PVD沉积过程中，切削工具本体安装在三重旋转支架(threefold rotating holder)上。

沉积到切削工具本体上的所有硬涂层体系的总厚度为2-2.5μm，在切削工具的柄部(shank)测得。

实施例1

将第一系列的单层硬涂层体系与现有技术的单层TiAlN和AlCrN体系进行比较。

表1显示了在该实施例中研究的硬涂层体系。为了施涂每一所述单层硬涂层体系，涂布机配备有四个相同的弧蒸发阴极，也称为靶(target)。这些靶相应的组成也列在表1中。所得涂层材料的组成，对于主要元素Al、Cr、Ti位于靶组成的10％范围内，而对于元素B和W、Mo和Ta位于靶组成的约20％范围内。

表1

No.	硬涂层	靶组成
			1com.	TiAlN	Ti0.5Al0.5
2com	TiAlN	Ti0.33Al0.67
			3com.	AlCrN	Al0.7Cr0.3
4	AlCrBWN	Al0.7Cr0.226B0.067W0.007
			5	AlCrBMoN	Al0.7Cr0.21B0.07Mo0.02
6	AlCrBTaN	Al0.7Cr0.226B0.067Ta0.007

在金属切削操作中，对硬涂层体系在耐磨性方面的性能进行了评估。测得的齿根面(flank face)上的磨损量v_bmax是切削长度的函数。切削试验是在整理(finishing)条件下在硬化冷加工工具钢中进行的铣削试验。切削条件如下：

切削工具：2-槽球形头部立铣刀，5mm球半径，微颗粒碳化物(carbide)级材料

工件：1.237960HRC

主轴转速：7996转/分

轴向切削深度：0.4mm

径向切削深度：0.2mm

进刀速率：0.1mm/齿

切削速度：98m/min

进料：1600mm/min

冷却剂：空气

铣削方向：顺铣

1遍(pass)的长度：43.8m

工具寿命的终点：在遍末v_bmax＞0.15mm

切削试验的结果列于表2中。

表2

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			1com.	87.6	0.25
2com.	87.6	0.17
			3com.	87.6	0.2
4	131.4	0.25
			5	131.4	0.33
6	131.4	0.41

可以看出，相比对照样品1-3中AlCrN和TiAlN的耐磨保护，在AlCrN中引入B和W、Mo和Ta得到了改进的耐磨保护。

实施例2

制备了一系列双层硬涂层体系。表3列出了所研究的硬涂层体系。对与实施例1中材料相同的工具本体进行涂布。从而在工具本体的表面上直接施涂夹层IL₁，并且在该夹层上直接施涂HL₁-型层。机器配备有两个相同的用于沉积夹层的靶和4个相同的用于沉积HL₁-型外层的靶。各靶的材料组成也列在表3中。

表3

采用与应用到实施例1工具的相同的切削试验来研究该第二系列的工具的性能。结果列于表4中。

从而，9号样品的夹层IL₁显示的化学计量比良好地位于夹层IL₁的(Ti_dAl_e)N的下述范围内：

0.4≤d≤0.6

0.4＜e≤0.6

而实施例8中施涂的夹层则刚好位于上述化学计量比范围之外。

表4

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			7com.	87.6	0.4
8	267.8	0.18
			9	438	0.15

当对本发明提供的HL-型层(特别是定制为其中X＝N的HL₁-型层)施涂IL₁夹层时，提供这种夹层最显著地改进耐磨性，并且如果满足铝和钛化合物的上述化学计量比范围则甚至还可以更高。

实施例3

制备了另一系列工件，即具有由两层构成，即由夹层TiAlN、直接位于如实施例1和2中已经使用的工具本体和如已经表3的样品8和9中提供的X＝N的HL₁-型层之间的IL₁构成的本发明硬涂层体系的工具。从而，通过改变加热时间和/或功率，被涂布表面的温度在450℃到600℃之间变化。

对于以下样品10、11和12，使用与对9号样品所述相同的用于夹层和用于最外层的靶。

表5一方面显示了涂层体系的上述层，另一方面显示了沉积温度。

表5

采用与实施例1中相同的切削条件来研究样品的性能。结果列于下表6中。

表6

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			10	223	0.55
11	350.4	0.5
			12	438	0.15

结果一方面表明涂布方式与实施例2的9号样品相同的12号样品显示出与所述样品9同等的耐磨性。此外，样品10表明甚至在450℃的较低温度下，本发明的涂层体系也显著优于7号样品在600℃涂布的对照双层涂层体系。

此外，通过比较样品10-12显见，随着沉积温度升高耐磨性显著提高，并且如12号样品所示，在所研究的最高沉积温度600℃或更高温度下得到最佳的性能。

实施例4

制备了第4系列的双层硬涂层体系，其具有夹层IL₁和X＝N的特定实施方案的HL₁-型层。

作为对照样品，选择了现有技术的TiAlN和AlCrN的单层体系。下表7列出了各自的涂层材料和靶组成。

表7

在金属切削应用中，对所得工具在耐磨性方面的性能进行了评估。测得的齿根面上的磨损量v_bmax是切削长度的函数。切削试验是在半整理(semi-finishing)铣削操作条件下在热处理工具钢中进行的。切削条件如下：

切削工具：3-槽立铣刀，8mm直径，微颗粒碳化物级

工件：1.234436HRC

主轴转速：4775转/分

轴向切削深度：10mm

径向切削深度：0.5mm

进刀速率：0.05mm/齿

切削速度：120m/min

进料：716mm/min

冷却剂：6％的矿物油基乳液，外部冷却

铣削方向：顺铣

1遍的长度：10m

工具寿命的终点：在遍末v_bmax＞0.15mm

切削试验的结果如表8所示。

表8

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			13com.	30	0.17
14com.	80	0.17
			15	100	0.18

实施例5

制备了一系列具有双层涂层体系的工具，即由IL₁夹层和X＝N的HL₁-型层构成。将其与分别涂布有现有技术的双层涂层体系，即以TiN作为夹层且TiAlN作为最外层、或涂布有AlCrN作为夹层且TiSiN作为最外层的工具进行比较。

表9显示了各自的层材料和靶材料组成。

表9

在热处理钢上的钻孔操作中，对各涂布工具的性能进行了评估。使用主切削刃齿根面上的磨损量v_bmax来评价耐磨保护性质。试验条件如下：

切削工具：2-槽钻头，6.8mm直径，细颗粒碳化物级

工件：1.7225，R_m＝1000N/mm²，退火至布氏(Brinell)硬度240HB

主轴转速：4684转/分

最大切削速度：100m/min

进刀速率：0.18mm/rev

进料：843mm/min

孔深：34mm

冷却剂：6％的矿物油基乳液，外部冷却

工具寿命的终点：v_bmax＞0.2mm

钻孔结果如下表10所示。

表10

No.	孔数	磨损量(mm)
			16com.	2128	0.2
17com.	2432	0.18
			18	912	0.25

该实施例澄清了本发明工具对于在高度退火钢和软材料中的应用可能不是最好的选择。

在以下实施例6-8中，如在前述实施例中已经描述过的那样，再次沉积硬涂层体系，但是对于X＝N的HL₁型的AlCrBWN最外层的沉积，总工作压力N₂由5.5Pa降至3.5Pa，且基材的对地偏压从-85V增长到-100V。

实施例6

制备第六系列的工具，以确定AlCrN夹层IL₂替代TiAlN夹层IL₁的效果。

表11显示了各层材料和靶组成。

表11

使用如上所述涂布的工具，应用以下参数进行切削试验。

切削工具：2-槽球形头部立铣刀，5mm球半径，微颗粒碳化物级材料

工件：1.237960HRC

主轴转速：6370转/分

轴向切削深度：0.3mm

径向切削深度：0.5mm

进刀速率：0.15mm/齿

切削速度：200m/min

进料：1911mm/min

冷却剂：空气

铣削方向：顺铣

1遍的长度：30m

工具寿命的终点：在遍末v_bmax＞0.10mm

结果如表12所示。

表12

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			19	270	0.11
20	240	0.12

从这些结果中可以看出，提供IL₁或IL₂夹层基本得到相同的良好结果。

实施例7

通过第7系列样品，目的是确定X＝N的HL₁-型层中不同B和W含量的效果。下表13列出了夹层及外层的材料，以及靶材料的相应组成。

表13

使用这种工具，以与实施例6中相同的参数进行切削试验。

结果如表14所示。

表14

No.	切削长度(m)	磨损量vbmax(mm)
			21com.	120	0.11
22	240	0.10
			23com.	150	0.11

实施例8

在切削试验之前，在由表15中所述的双层涂层体系涂布的第八系列样品中，根据DE GM 202006000654.1使用拉毛机(brushing machine)施加拉毛处理，以调整至类似初始的均匀磨损状态，这确保随后在切削应用中有均匀的磨损进程。

根据所述文献，用旋转刷进行涂布工具的处理。关于上述拉毛技术，本说明书专门引入和参考德国实用新型No.202006000654.1的图2和第5页末段至第6页首段结尾的相应描述。毛刷相对于工具轴的角度为约30°，旋转速度选择为650转/分。拉毛材料为SiC浸渍的尼龙，SiC颗粒尺寸400目，刷毛直径0.45mm，刷毛长度35mm。工具附属件(satellite)的转速为9转/分，支持该附属件的工作台的转速为约0.3转/分。通过使用Al₂O₃浸渍的毛刷可以取得类似的沿切削刃分割(dissect)几微米的工件材料条纹(stripe)的效果。然而尽管如此，对于该在后的拉毛处理，如果使用与如上所述相同的参数，那么需要三倍的时间。这可以通过例如使支持工作台以0.1转/分旋转来实现。

可选择地或者甚至额外地，可在涂布过程之前通过拉毛、喷砂、研磨操作等等来施加类似的磨光(honing)处理作为预处理。

表15

应用以下切削参数进行切削试验：

切削工具：2-槽球形头部立铣刀，5mm球半径，微颗粒碳化物级材料

工件：1.237962HRC

主轴转速：6000转/分

轴向切削深度：0.4mm

径向切削深度：0.05mm

进刀速率：0.10mm/齿

切削速度：184m/min

进料：600mm/min

冷却剂：空气

铣削方向：用于槽(pocket)的顺铣技术

(56mmx26mm)

1遍的长度：1槽

工具寿命的终点：在槽末v_bmax＞0.10mm

表16

No.	拉毛处理(是/否)	槽数(N)
			24a	否	4
24b	是	10

从上述实施例清楚看出，当硬涂层体系包括X＝N的特定的HL₁形式的HL₀层作为单层体系，或者特别地与上述IL₁和/或IL₂夹层结合时，相比现有技术的涂层体系如具有最外层TiAlN或AlCrN的涂层体系，所述工具提供了令人惊讶的耐磨性的提升。

尽管在所有实施例中均应用所述X＝N的HL₁涂层作为涂层体系的最外层，但对本领域技术人员显然的是，对于某些应用可以在所述层上提供额外的层作为例如润滑层。

此外，在所有实施例中，上述HL₁层均视为朝向工件本体，或者直接施涂到工件本体上，或者被IL₁或IL₂夹层分隔开。

然而尽管如此，对于某些应用，对本领域技术人员显然的是，根据具体需要可以各种形式构建这种具有本发明建议的HL-型和IL-型层的多层体系。

此外，上述实施例已具体在其中X＝N的HL₁层上实施。然而尽管如此，本领域技术人员非常清楚，用C、CN、NO、CO或CNO替代N将得到具有类似耐磨性质的HL₁层。

如果在HL₁型层中元素W为Mo、Ta、Cb(Nb)所替代，也同样有效。

另外，实施例已经实施的工具具有碳化钨的工具本体。

然而尽管如此，对于工具本体或者更一般性的工件本体的材料，本领域技术人员非常清楚，通过本发明涂层体系提高耐磨性的目标在高速钢、硬质合金或立方体氮化硼，或者金属陶瓷或陶瓷材料的工件本体上同样能实现。上述耐磨性的改进不仅对于工具如诸如立铣刀、钻头、镶入式截坯刀、齿轮切削刀具的切削工具是非常需要的，而且对于工具之外的其它工件也是非常需要的。

通过包括使用本发明的切削工具切削所述硬材料的切削过程的制造装置的方法，装置制造变得更快，从而生产量更高而制造成本更低，其中所述装置至少部分为硬材料，从而特别是硬度为至少HRC 52的材料。

在图6中显示了AlCrN涂层的SEM截面。这与实施例1样品3的单层硬涂层体系的截面的扫描电子显微照片(SEM)相一致。该硬涂层显示出非常精细的柱形生长构造，柱宽度为200nm左右。

图7显示了实施例1样品4的AlCrBWN单层硬涂层体系的截面的这种扫描电子显微照片。该硬涂层没有显示出柱形生长构造。沉积过程中的强再成核过程形成纳米晶体涂层结构，该结构在25′000放大倍数下的SEM截面中显示为玻璃样。

图8显示了实施例2样品9的TiAlN/AlCrBWN双层硬涂层体系的截面的扫描电子显微照片(SEM)。IL₁夹层显示出柱形生长构造，柱宽度为400nm左右。

HL₁型外层显示出与实施例1样品4相同的玻璃样生长构造(参见图7)。柱形生长构造明显在夹层和外层之间的界面处中断。

图9显示了实施例1样品3的AlCrN单层硬涂层体系和实施例1样品4的AlCrBWN型HL₁单层硬涂层体系的XRD谱图。该谱图由BrukerAXS设备记录，对于纳米晶体涂层的谱图使用Cu_Kα入射光(λ＝a 1.5406nm)和2°的掠入射角，其传递出可评估的性质。这种构造允许检测甚至更薄的膜，而不会受到基材和/或夹层的干扰影响。AlCrN的XRD谱图在约37.5°、43.7°和63.7°显示出峰值，这些对应于fcc-(面心立方)AlCrN晶体结构的<111>、<200>和<220>平面。

如对x≤0.7的Al_xCr_1-xN硬涂层所预测的，在这类硬涂层中没有六角形AlN相。AlCrBWN硬涂层也显示出对应于AlCrN的<111>、<200>和<220>平面的衍射峰。然而，x同样为0.7的Al_xCrBWN硬涂层显示出显著的hcp-(六角密堆积)(hcp-(hexagonal closed packed))AlN作用。约33.1°、49.5°和58.9°处的峰值指明了归属于该相的信号。约31.5°、35.7°、48.3°、64.1°和65.9°处的峰值源自碳化物基材的WC-Co本体。

图10显示了包括TiAlN夹层的AlCrBWN涂层的XRD谱图。

使用与图9对应的文中描述的装置进行检测。上部的谱图指在实施例6-8的沉积条件下沉积的AlCrBWN涂层。如图10的下部谱图中所示，将基材对地电势的偏压由-100V降至-85V使相对于Q值发生明显变化，然而明显导致峰加宽。后者可涉及进一步的颗粒细化。

Claims (26)

1.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，所述体系包括至少一层具有以下组成的层：

(Al_1-a-b-cCr_aB_bZ_c)X

其中

X为N、C、CN、NO、CO、CNO中的至少一种；

Z为W、Mo、Ta、Cb(Nb)中的至少一种；

其中：

0.2≤a≤0.5；

0.01≤b≤0.2；

0.001≤c≤0.04。

2.权利要求1的工件，其中所述层体系包括至少一层具有以下组成的层：

(Al_1-a-b-cCr_aB_bW_C)X

其中

0.01≤b≤0.1；

0.001≤c≤0.01。

3.权利要求1或2的工件，其中所述至少一层为所述体系的最外层。

4.权利要求1-3之一的工件，其中所述至少一层直接位于所述表面上。

5.权利要求1-4之一的工件，其中所述体系包括至少一个(Ti_dAl_e)N夹层。

6.权利要求5的工件，其中所述夹层插入所述表面与所述至少一层之间。

7.权利要求5或6的工件，其中所述夹层直接位于所述表面和所述至少一层中至少一者上。

8.权利要求5-7之一的工件，其中

0.4≤d≤0.6和

0.4≤e≤0.6。

9.权利要求1-8之一的工件，其中所述体系包括至少一个(Al_fCr_g)N夹层。

10.权利要求9的工件，其中所述夹层插入所述表面与所述至少一层之间。

11.权利要求9或10的工件，其中所述夹层直接位于所述表面和所述至少一层中至少一者上。

12.权利要求9-11之一的工件，其中

0.4≤f≤0.7和

0.3≤g≤0.6。

13.权利要求1-12之一的工件，其中所述至少一层在SEM截面中显示出玻璃样生长结构。

14.权利要求1-13之一的工件，其中所述至少一层包括六角形AlN。

15.权利要求1-14之一的工件，其中所述至少一层具有在0.1≤Q≤1范围内的结构系数Q＝I(200)/I(111)。

16.根据权利要求5-15之一的工件，其中所述TiAlN或AlCrN夹层分别显示出柱形生长结构。

17.权利要求1-16之一的工件，其中所述体系包括(Ti_dAl_e)N和(Al_fCr_g)N中至少一种与所述至少一层的交替层的多层，所述至少一层优选为(Al_1-a-bCr_aB_bW_c)X。

18.权利要求1-17之一的工件，其中所述本体是高速钢、硬化钢、硬质合金和立方体氮化硼中的一种。

19.权利要求1-18之一的工件，其中所述本体是金属陶瓷和陶瓷材料中的一种。

20.权利要求18或19的工件，其为切削工具。

21.权利要求20的工件，为立铣刀、钻头、镶入式截坯刀、齿轮切削刀具中的一种。

22.制造根据权利要求1-21之一的工件的方法，包括：

a.在等离子体涂布真空室内提供所述工件本体，

b.在加工时间内通过物理气相沉积方法将所述体系应用到所述本体上，

c.在所述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℃的温度。

23.权利要求22的方法，包括将所述温度选择为至少600℃。

24.制造至少一部分为硬材料的装置的方法，包括使用权利要求20中所述的切削工具切削所述硬材料的切削过程。

25.权利要求24的方法，所述硬材料具有至少HRC 52的洛氏硬度。

26.权利要求24或25的方法，其中所述硬材料是硬化钢。

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