CN103764873B - 用于高性能工具的纳米层涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含基材和该基材上的涂层的涂覆的基体，所述涂层具有纳米层合涂层体系，该体系具有交替的A和B层(Al_xTi_1-x-yW_y)N/(Ti_1-Z-uSi_zW_u)N的纳米层合涂层结构，各纳米层的单独厚度为最大200nm并且该纳米层合涂层结构展现出细晶粒结构。

Description

用于高性能工具的纳米层涂层及其制备方法

本发明涉及硬质纳米层化涂层体系或纳米层合涂层结构以及将其沉积在基材表面上的方法。更具体地，根据本发明的纳米层化涂层体系涉及包含A型纳米层和B型纳米层的涂层体系。所述A型纳米层包含铝Al、钛Ti、和氮N，B型纳米层包含钛Ti、硅Si、和氮N。此外，根据本发明，优选A型纳米层和/或B型纳米层的至少一些还包含钨, W。

概念“纳米层化涂层体系”、“纳米层合涂层结构”、“纳米层合结构”和“纳米层化结构”在本发明的上下文中无区别地使用并具有相同含义。

根据本发明的涂层体系和沉积方法尤其适合于制造高性能整体硬质合金钻头(solid carbide drills)，相比于本领域现有技术状况，其能够在汽车应用如钢和铸铁机械加工中实现更高的生产力。

本领域现有技术状况

通常使用PVD（物理气相沉积）和/或CVD（化学气相沉积）法涂覆切削工具，从而通过切削操作获得更好的效率。通常设计用于切削工具的PVD和CVD涂覆以提供改善的耐磨性和抗氧化性，然而为了获得更高的效率，涂层设计必须适应针对涂层性质最便利组合的各特定应用。正因为此，目前已经开发了很多不同类型的PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）涂覆。

在US5580653中，提出具有由下式(Al_xTi_1-x-ySi_y) (C_1-zN_z)给出的组成的硬质涂层，其中0.05≤x≤0.75, 0.01≤y≤0.1 , 和0.6≤z≤1。表明如果x小于0.05或y小于0.01，则对抗氧化性的改善不可能达到足够的程度。此外表明如果x超过0.75或y超过0.1，则所述涂层的晶体结构从立方结构变成六方结构，伴随硬度和耐磨性的降低。对于使用物理气相沉积法（更具体地弧放电离子镀法）的涂层沉积，其中将具有与涂层中需要的金属组成相同的金属组成的合金靶用作材料源。

但是在US6586122中提到仅添加Si到常规的TiAlN涂层膜中可以提高抗氧化性最多少于1.2倍，这不足以满足高速切削市场的目前需求。此外，US6586122解释了尽管添加Si至Ti-基硬质涂层膜可以稍微改善其抗氧化性，但其不能充分改善原始涂层膜的静止耐磨性(static wear resistance)，因此导致不充分的改善。另外，还提到简单地包含Si的涂层膜比不含Si的涂层膜对于非常大的压应力更易碎，并且这种过度的压应力使所述涂层膜倾向于从切削工具基材快速剥离。

因此，US6586122的作者提出含Si的多层涂覆的切削工具，其可以展现出足够的切削性能，尤其是优异的抗氧化性和耐磨性，所述切削工具包含切削工具基材和多层涂层膜，所述多层涂层膜包含在所述基材上形成的不含Si的第一硬质涂层膜和含有Si的第二硬质涂层膜。所述第一硬质涂层膜包含一种或多种选自Ti、Al和Cr的金属元素和一种或多种选自N、B、C和O的非金属元素，而所述第二硬质涂层膜包含Si和一种或多种选自周期表的第4a、5a和6a族和Al的金属元素和一种或多种选自N、B、C和O的非金属元素。为了充分改善所述切削工具的切削性能，所述第二硬质涂层膜必须为组成分离的多晶膜，其包含具有相对高的Si浓度的相和具有相对低的Si浓度的相。这种第二硬质涂层膜必须以这样一种方式沉积，从而其特征在于非晶或微晶结构，其中富含Si的硬质晶粒（其平均粒径优选不大于50 nm）分散于由含有相对小量Si的相构成的基体中。此外，还提到这样的多层硬质涂层膜由于第二硬质涂层膜的特殊结构，特别地展现出特殊的小的压应力和改善的耐磨性以及改善的与切削工具基材的粘附性。此外，解释称此类含Si的硬质涂层膜（其含有不同量的Si的不同相）不能通过常规涂覆法形成，而是可通过涉及在涂覆期间离子能连续性或周期性变化的涂覆法形成，例如其中施加在涂覆过程期间在正电压和负电压之间连续性或周期性变化的基材偏置脉冲电压（bias pulse voltage）的PVD涂覆法。以这种方式，产生离子能的连续性或周期性变化，其也产生离子扩散性能的变化，继而在含Si硬质涂层膜中产生Si浓度的变化。除此之外，还表明涂覆温度对于控制离子扩散性能，并因此对于控制晶型，特别是在多层涂层膜的第二硬质涂层膜中构成高Si浓度相的晶体粒径而言是重要因素。

WO2010140958公开了通过排屑进行机械加工的切削工具，其包含黏结的碳化物硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的主体，该主体上沉积有硬质并且耐磨的PVD涂层，其特征在于所述涂层包含交替的A和B层的柱状和多晶纳米层合结构，其中层A为(Ti1-xAlxMe1p)Na，其中0.3 < x < 0.95, 优选地0.45 < x < 0.75、0.90 < a < 1.10，优选地0.96 < a < 1.04、0≤ p <0.15，并且Me1为Zr、Y、V、Nb、Mo和W中的一种或多种，其中层B为(Ti1-y-zSiyMe2z)Nb，其中0.05 <y < 0.25，优选地0.05 <y < 0.18、0 ≤ z 0.4、0.9 < b < 1.1 ，优选地0.96 b < 1.04，和Me2为Y、V、Nb、Mo、W和Al中的一种或多种，其中所述纳米层合结构的厚度为0.5至20 μm，优选地0.5至10 μm，平均柱宽为20至1000 nm，A和B层的平均单独厚度为1至50 nm。

发明目的

本发明目的是提供用于高性能切削工具的涂层体系，特别是用于高性能整体硬质合金钻头的宽带涂层，其相比于本领域现有技术状况提供更高的生产力，特别是在汽车应用（例如钢和铸铁机械加工）中。此外，本发明的目的是提供制造上述高性能的经涂覆的工具的适合工业的涂覆方法。另外，根据本发明的涂覆方法应该尽量牢固和不复杂。

发明概述

上述目的通过本发明，通过提供硬质纳米层化涂层体系和其涂层沉积方法实现，这两者特别地设计用于提高高性能切削工具的效率。

为了更好地解释本发明，图1至8将用于本发明的描述：

图1： 根据本发明的涂层结构的草图

图2： 切削测试1

图3： 切削测试2

图4： 切削测试3

图5： 本发明涂层的断裂截面扫描电子显微照片，a) 在570 °C下沉积的纳米层合结构，b) 在500 °C下沉积的纳米层合结构。

图6： 在本发明涂层3（在图7中称为本发明3）中包含的纳米层合结构中计算剩余应力σ的测试方法的实例。

图7： 四个不同的本发明涂层1、2、3和4的计算的剩余应力σ。

图8： 示出本发明涂层1的因数F_10/90的定义的示意图。

根据本发明的硬质纳米层化涂层体系(5)涉及多层涂层体系，其包括彼此交替沉积的A型纳米层和B型纳米层。包含铝Al、钛Ti和氮N的A型纳米层和含有钛Ti、硅Si和氮N的B型纳米层。优选地，至少一些A型纳米层和/或至少一些B型纳米层还包含钨W。

包含在根据本发明的硬质纳米层化涂层体系中的各A或B型纳米层基本上具有小于200 nm的最大单独层厚度。

在本发明中，纳米双层周期将定义为两个纳米层厚度的总和，分别为一个A型纳米层和一个B型纳米层，它们互相重复沉积（至少两次）。

据确定如上所述的并且纳米双层周期为约300 nm或更大的涂层体系展现出明显差的切削性能。

因此，根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的优选实施方案的特征在于具有基本上小于300 nm的纳米双层周期。

根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的其他优选实施方案包括具有根据下式的元素组成的A和B型的纳米层：

纳米层A： (Al_xTi_1-x-yW_y)N，其中x和y以原子%计，并且其中0.50≤ x≤ 0.65和0 ≤ y ≤ 0.10

纳米层B： (Ti_1-z-uSi_zW_u)N，其中z和u以原子%计，其中0.05 ≤ z ≤ 0.30和0≤ u ≤ 0.10。

根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的其他优选实施方案包含至少四个或优选地至少十个单独的纳米层，分别为至少两个A型纳米层和两个B型纳米层或优选地至少五个A型纳米层和五个B型纳米层，其中A型的纳米层和B型的纳米层交替沉积，即每一个A型纳米层沉积在每一个相应的B型纳米层上和/或每一个B型纳米层沉积在每一个相应的A型纳米层上。

根据本发明的硬质纳米层化涂层体系(5)绘制在图1中。图1中的硬质纳米层化涂层体系包括数量为n个的A型纳米层，分别为A₁、A₂、A₃、... An，和数量为m个的B型纳米层，分别为B₁、B₂、B₃、... B_m，A型的纳米层厚度表示为dA，分别为dA₁、dA_{2 、}dA₃、... dA_n，并且B型纳米层的厚度表示为dB，分别为dB₁、dB₂、dB₃ ... dB_m。根据本发明，A型纳米层的量优选等于B型纳米层的量： n = m或至少n≌m。

在根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的其他优选的实施方案中，A型纳米层厚度和B型纳米层厚度几乎相等： dA≌dB，分别为dA_n≌dB_m和A₁ = dA₂ = dA₃ = ... dA_n和dB₁ = dB₂ = dB₃ = ... dB_m。

具体地，当B层厚度大于A层厚度时，观察到根据本发明沉积的涂层具有非常好的切削性能。因此，在根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的其他优选的实施方案中，A型纳米层厚度小于B型纳米层厚度： dA < dB或优选地dA « dB，分别为dA_n < dB_m或优选dA_n « dB_m，其中dA₁ = dA₂ = dA₃ = ... dA_n和dB₁ = dB₂ = dB₃ = ... dB_m。

在根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的一个更优选的实施方案中，A型纳米层厚度等于或小于B型纳米层厚度并且单独的纳米层A的厚度和单独的纳米层B的厚度随着总涂层厚度变化： dA ≤ dB，分别为dA_n≤ dB_m，其中

a) dA₁≥ dA₂≥ dA₃≥ ... dA_n和dB₁≥ dB₂≥ dB₃≥ ... dB_m，或

b) dA₁ ≤ dA₂ ≤ dA₃ ≤ ... dA_n和dB₁ ≤ dB₂≤ dB₃ ≤ ... dB_m，或

c) 总涂层厚度的至少一部分包含根据a)沉积的A型纳米层和B型纳米层，和所述总涂层厚度的至少一部分包含根据b)沉积的A型纳米层和B型纳米层。

如图1中所示，根据本发明的硬质纳米层化涂层体系的结构可以另外包含在基材(1)和由交替的纳米层A和纳米层B构成的硬质纳米层涂层体系之间的夹层(2)。应该选择夹层(2)的厚度和组成以例如影响硬质纳米层化涂层体系的质地(texture)和在涂层中获得降低的应力。此外，顶层(3)也可以如图1中所绘制地沉积在由交替的纳米层A和纳米层B构成的纳米层涂层体系的最后一层上。

在本发明的一个实施方案中，在基材(1)和硬质纳米层化涂层体系之间沉积了由具有与在形成硬质纳米层涂层体系的A纳米层中相同的Al和Ti或Al、Ti和W浓度比的AlTiN或AlTiWN组成的夹层(2)。

在本发明的其他实施方案中，顶层(3)沉积在由交替的纳米层A和纳米层B构成的纳米层涂层体系的最后一层上从而提供特殊的表面颜色。

夹层(2)和顶层(3)两者都应该沉积得尽可能薄。

使用PVD技术将根据本发明的(Al_xTi_1-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N涂层沉积在高性能整体硬质合金钻头上。更确切地，通过弧离子镀膜沉积法，在Oerlikon Balzers公司的Innova涂覆机上沉积所述涂层。根据本发明的涂层沉积的特别合适的涂层参数为：

N₂-压力： 4 - 7 Pa

DC基材偏置电压： -20 - -60 V

温度： 450 - 700℃

考虑用于靶材料蒸发的弧蒸发器种类和期望的纳米层厚度，各实验均采用弧电流。

本发明的其他重要方面是用于涂层沉积的弧蒸发器类型的显著影响。

根据本发明使用不同类型的弧蒸发器沉积不同类型的涂层。在专利文件WO2010088947和US61/357272中描述的弧蒸发器类型被发现尤其良好地适合于根据本发明的涂层沉积。使用这些类型的弧蒸发器能够获得展现出最低六角相（hexagonal phase）含量、不过高的固有压应力和优选的质地（其产生特别良好的涂层性质和最好的切削性能）的涂层。

使用上述弧蒸发器，能够根据本发明沉积涂层，其展现出高刚性、高抗氧化性和低固有压应力（产生优异的切削性能，特别是用于钻孔操作）的优异结合。

根据本发明的涂层通过切削测试还展现出比本领域现有技术的涂层更优异的性能，如图2、3和4中所示。

上述弧蒸发器或弧蒸发源对于根据本发明的涂层的沉积都是决定性的。在各情况下，弧蒸发源的构造和操作模式影响涂层性质。具体地，可以影响纳米层合涂层的微结构，从而使其为细晶粒而不是柱状，以这种方式获得非柱状结构而是细晶粒结构。根据本发明沉积的纳米层合膜中的这些细晶粒结构的形成可以在图5中清楚地观察到。图5中显示的图对应于根据本发明沉积的两个涂层的断裂截面扫描电子显微照片，该涂层包含交替的A和B层的纳米层合结构(5)，其中分别地，层A为AlTiN层，层B为TiSiN纳米层，并且具有约50 nm或更低的双层周期（至少两次彼此交替沉积的一个A层和一个B层的厚度总和，即至少形成A/B/A/B或B/A/B/A结构）。在涂覆期间，在保持基材温度分别为约570 °C和500 °C的基材温度下沉积图5a和5b中显示的纳米层合结构。纳米层合结构二者均展现出具有不同晶粒大小的细晶粒结构。

相比于展现出柱状结构的类似涂层，根据本发明的展现出细晶粒结构的所制造的纳米层合结构尤其更有利于防止裂纹扩展。裂纹扩展可能由于纳米层合结构中的晶粒间界或晶体间界的分布不同所导致。在柱状结构中，晶体生长为平行的柱，其因此具有穿过涂层厚度延伸到基材的长晶体间界，促使朝向基材方向沿着涂层厚度的裂纹扩展，并从而导致更快的涂层层离或涂层损坏。相比于柱状结构，与根据本发明制造的相似的细晶粒结构包含其晶体间界或晶粒间界并不穿过涂层厚度延伸至基材的细晶粒，因此阻止了朝向基材方向沿着涂层厚度的裂纹扩展。

可能由于上文解释的原因，由根据本发明形成的纳米层合结构所展现的细晶粒结构在钻孔和铣削操作期间相比于柱状结构，在寿命、抗疲劳性、耐月牙洼磨损性（crater wear resistance）、断裂韧性和抗氧化性方面显示出特别更好的切削性能。

测量在根据本发明沉积的本发明涂层中包含的交替的A和B纳米层的纳米层合结构的平均剩余应力σ，并且一些沉积的本发明涂层的测量值显示于图7中。使用sin²ψ法通过XRD测试评价应力。使用峰200的CuKα辐射在约43 °2θ进行测试。用于根据本发明沉积的纳米层合涂层结构中计算剩余应力的方法使用本发明涂层3的实例示例性地显示于图6中。本发明涂层3包含交替的AlTiN和TiSiN纳米层的纳米层合结构，通过能量分散的X射线光谱仪测量该纳米层合结构整体的平均组成以原子百分比计为20.3% Ti、14.18% Al、2.15% Si和55.37% N。双层周期小于50 nm。通过弧PVD技术，对于TiAlN-层的沉积使用以原子百分比计的组成为60% Al /40% Ti的粉末冶金复合材料TiAl-靶和对于TiSiN-层的沉积使用以原子百分比计的组成为85% Ti /15% Si的熔体冶金复合材料TiSi-靶沉积本发明的涂层3。

在根据本发明的涂层的优选实施方案中，交替的纳米层A和B的纳米层合结构展现出平均剩余应力σ为2至5 Gpa，优选地为2.5至4 Gpa，更优选地为2.8至4 Gpa。这些剩余应力的推荐值可以特别有利于钻孔和铣削操作。

在本发明的另一优选实施方案中，借助于将由粉末冶金技术制成的AlTi-靶和由熔体冶金技术制成的TiSi-靶作为源材料分别用于沉积(Al_xTi_1-x)N和(Ti_1-zSi_z)N纳米层的弧PVD技术来沉积其中y = u°= 0的纳米层合的(Al_xTi_1-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N。

在本发明的另一优选实施方案中，借助于将由粉末冶金技术制成的AlTi-靶和也由粉末冶金技术制成的TiSi-靶作为源材料分别用于沉积(Al_xTi_1-x)N和(Ti_1-zSi_z)N纳米层的弧PVD技术来沉积其中y = u°= 0的纳米层合的(Al_xTi_1-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N。

根据本发明的涂层沉积的实施例 1 ：

通过以下的涂覆条件以Oerlikon Balzers公司Innova型的涂布机将具有约5-30 nm的双层周期的AlTiN/TiSiN涂层沉积在高性能整体硬质合金钻头上：

N₂-压力: 6 Pa

基材偏置电压: -40 V (DC)

温度: 570°C

将元素组成为Al_0.6Ti_0.4和Ti_0.85Si_0.15的靶分别用于AlTiN和TiSiN纳米层的沉积。使用由Krassnitzer等在专利文件WO2010088947的图15中提出的类型的弧蒸发器蒸发所述材料源靶。通过调节用于涂层沉积的弧蒸发器，将内部（中心）永磁体置于相对于所述靶向后远离（后方）并且将外部永磁体置于相对于所述靶8 mm的距离。操作弧蒸发器，设定-0.3 A的线圈电流和140 A的弧电流。在使用不同的机械方法涂覆之后，后处理经涂覆的切削工具从而改善表面品质。

通过切削测试1和3测试根据实施例1涂覆的后处理的整体硬质合金钻头，并且在所有切削测试中展现出非常好的切削性能（参见图2和4），操作时间增加几乎50%。通过后处理技术，切削测试中的结果几乎没有改变。

图2显示出通过切削测试1获得的结果，其采用经涂覆的整体硬质合金钻头通过以下切削参数进行：

切削速度v_c: 180 m/min

进料f: 0.252 mm/rev

通孔, ap: 40 mm

工件材料: Rm = 900 MPa下1.7225 (42CrMo4)

图4显示出通过切削测试3获得的结果，其采用经涂覆的整体硬质合金钻头通过以下切削参数进行：

切削速度v_c: 100 m/min

进料f: 0.22 mm/rev

通孔, ap: 40 mm

工件材料: EN-GJS-600-3 (球墨铸铁)。

根据本发明的涂层沉积的实施例 2 ：

通过以下的涂覆条件以Oerlikon Balzers公司Innova型的涂布机将具有约8-15 nm的双层周期的AlTiN/TiSiN涂层沉积在高性能整体硬质合金钻头上：

N₂-压力: 5 Pa

基材偏置电压: -30 V (DC)

温度: 570°C

将元素组成为Al_0.6Ti_0.4和Ti_0.7Si_0.25的靶分别用于AlTiN和TiSiN纳米层的沉积。使用与实施例1中所述的那些相同类型的弧蒸发器蒸发所述材料源靶。为了调整磁力系统，内部永磁体也位于相对于靶的后部，同时外部永磁体分别位于离TiAl-和TiSi-靶8 mm和10 mm的距离。用于TiAl-和TiSi-靶蒸发的弧蒸发器分别运行，线圈电流设定为-0.3 A和-0.5 A，弧电流为140 A和160 A。

根据本发明的涂层沉积的实施例 3 ：

通过以下的涂覆条件以Oerlikon Balzers公司Innova型的涂布机将具有约5-30 nm的双层周期的AlTiN/TiSiN涂层沉积在高性能整体硬质合金钻头上：

N₂-压力: 6 Pa

基材偏置电压: -50 V (DC)

温度: 500°C

将元素组成为Al_0.6Ti_0.4和Ti_0.80Si_0.2的靶分别用于AlTiN和TiSiN纳米层的沉积。使用与实施例1和2中使用的相同类型的弧蒸发器蒸发所述材料源靶。通过与实施例1中使用的那些相同的参数操作所述弧蒸发器。

在与切削测试1和3中所述那些类似的切削测试中，根据实施例2和3沉积的涂层也显示非常好的切削性能。

根据本发明的涂层沉积的实施例 4 ：

根据本发明的双层周期为约5-30 nm的AlTiN/TiSiN涂层沉积在高性能整体硬质合金钻头上。对于TiAl-和TiSi-靶的蒸发，使用序列号为61/357272的美国专利文件中描述的类型的弧蒸发器。这种类型的弧蒸发器包含阴极（靶）、阳极和能够将磁场的磁力线导向阳极的磁力工具(magnetic means)，该阳极被设置与阴极直接相邻。用于TiAl-和TiSi-靶蒸发操作的弧蒸发器分别设定线圈电流为1.0 A和1.2 A，弧电流为200 A和180 A。

还对根据实施例4涂覆的整体硬质合金钻头进行后处理，并通过切削测试2评价其切削性能。切削测试2的结果示于图3中。

图3显示出通过切削测试2获得的结果，其采用经涂覆的整体硬质合金钻头通过以下参数进行：

切削速度v_c: 80 m/min

进料f: 0.284 mm/rev

通孔，ap: 40 mm

工件材料: 1.7225 (42CrMo4)，在Rm = 900 MPa 下

根据本发明的涂层沉积的实施例 5 ：

使用与实施例4中使用的那些相同类型的弧蒸发器将具有约30、50、75、100、150、180、200、250和300 nm的双层周期的根据本发明的AlTiN/TiSiN涂层分不同批次沉积在高性能整体硬质合金钻头上。对于从TiSi-和AlTi-靶的材料蒸发，分别设定弧电流在160-200 A和180-200 A的范围。还相应地调整线圈电流。

通常，具有约300 nm的纳米双层周期的涂层展现出明显差的切削性能，而纳米双层周期低于100 nm的涂层具体地展现出最好的切削性能。根据实施例4涂覆的高性能整体硬质合金钻头的切削测试的结果与根据实施例1-3涂覆的整体硬质合金钻头的切削测试获得的那些是相当地好。

通过使用上述弧蒸发器，能够沉积出展现出约36 - 46 GPa的涂层硬度值和约400 - 470 GPa的杨氏模量值的根据本发明的涂层。涂层硬度和杨氏模量值两者都采用纳米压痕技术测量。

此外，根据本发明沉积的涂层展现出由X射线检验测定的200/100 ≥ 10的织构强度。

使用下式计算峰宽比PW_{1_10/90}： PW_{1_10%} / PW_{1_90%}，其中PW_{1_10%}和PW_{1_90%}是分别在10%和90%的最大峰强度下的峰200的平均全宽(meaningfull width)。使用采用CuKα辐射的X射线衍射在2θ轴上以约43°测量峰200。针对CuKα₂辐射的分布、衍射统计数据（平滑化）和背景校正衍射线。如此获得的峰200（在包含在本发明涂层1中的交替的A和B层的纳米层合结构中测量）示例性地在图8中示出。

根据本发明沉积的交替的A和B层(Al_xTi_1-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi₂W_u)N的纳米层合涂层结构的特征PW_{1_10/90}值报告于表1中：

表1：针对在本发明涂层1、2、3和4中包含的根据本发明沉积的纳米层合涂层结构(Al_xTi1_-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N测量PW_{1_10/90}。

本发明涂层	PW1_10/90
		1	6.5
2	6.2
		3	7.1
4	6.8

在本发明的另一优选实施方案中，纳米层合(Al_xTi1_-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N的特征在于使用采用CuKα辐射的X射线衍射根据上述方法在2θ轴以约43°在峰200测量的峰宽比PW_{1_10/90}为小于7.5，优选地小于7。

本发明公开了涂覆的基体，优选地经涂覆的工具，其包含基体(body)(1)，在其上沉积硬质并且耐磨的PVD涂层，所述PVD涂层的特征在于所述涂层包含交替的A和B层（分别为A1 、A2、A3、... An和B1 、B2、B3、...Bm）的纳米层合结构(5)，其中层A为(Al_xTi_1-x-yW_y)N，其中0.50≤x ≤ 0.65和0≤y ≤ 0.10，其中系数x、1-x-y和y分别对应于铝、钛和钨的原子浓度，对于元素定量，在所述层A中只考虑元素铝、钛和钨，并且其中层B为(Ti_1-z-uSi_zW_u)N，其中0.05 ≤ z ≤ 0.30和0 ≤ u ≤ 0.10，其中系数1-z-u、z和u分别对应于钛、硅和钨的原子浓度，对于元素定量，在所述层B中只考虑元素钛、硅和钨，其中纳米层合结构的厚度为0.01至30 μm，优选地1至15 μm，A和B层单独的平均厚度分别为1至200 nm，优选1至50 nm，更优选1至30 nm，其特征在于交替的A和B层的纳米层合结构展现出细晶粒结构。

更优选地，所述涂覆体是包含烧结碳化物硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼基材料或高速钢的基体(1)的切削工具。

包含在交替的A和B层的纳米层合结构中的称为dA1 、dA2、dA3... dAn的A层（A1 、A2、A3、... An）的厚度等于或小于称为dB1 、dB2、dB3... dBm的B层（B1 、B2、B3、... Bm）的厚度，优选地A层的厚度等于或小于B层厚度的¾： dA1 ≤ dB1 ，dA2≤ dB2，dA3 ≤ dB3，dAn ≤ dBm。

优选地，在所述纳米层合结构的总厚度的至少一部分中：- A层的厚度和/或B层的厚度保持恒定，以使dA1 = dA2 = dA3... = dAn 和/或dB1 = dB2 = dB3... = dBm，

和/或

- A层的厚度和/或B层的厚度增加，以使dA1 ≥ dA2 ≥ dA3... ≥ dAn 和/或 dB1 ≥ dB2 ≥ dB3... ≥ dBm，

和/或

- A层的厚度和/或B层的厚度减小，以使dA1 ≤ dA2 ≤ dA3... ≤ dAn 和/或 dB1≤dB2 ≤ dB3... ≤ dBm

优选地，在包含在如上所述的涂覆的基体的涂层中的纳米层合涂层结构中：

- 形成纳米双层周期的彼此交替沉积的A型纳米层和B型纳米层的厚度的总和为小于300 nm，优选小于100 nm，更优选地5至50 nm之间，和

- 所述纳米层合涂层结构包含形成A1/B1/A2/B2/或B1/A1/B2/A2多层结构的彼此交替沉积的至少总共四个单独的纳米层A和B，优选为形成A1/B1/A2/B2/A3/B3/A4/B4/A5/B5或B1/A1/B2/A2/B3/A3/B4/A4/B5/A5多层结构的至少总共十个单独的纳米层。

优选地，在包含在如上所述的涂覆的基体的涂层中的纳米层合涂层结构中：

- 所述纳米层合结构特征在于包含最大尺寸为所述纳米层合涂层结构总厚度的1/3的微粒的细晶粒结构。

优选地，在包含在如上所述的涂覆体的涂层中的纳米层合涂层结构中：

- 所述纳米层合结构的特征在于包含平均尺寸最大为1000 nm，优选10至800 nm之间，更优选10至400 nm之间的微粒的细晶粒结构。

根据本发明，包含在前述涂覆的基体的涂层中的纳米层合涂层结构可以为或可以包含等轴结构，其中微粒在所有方向上具有大致相同的尺寸。

根据本发明，包含在前述涂覆的基体的涂层中的纳米层合涂层结构的平均剩余应力σ可以为2.5至5 Gpa之间，优选3至4 Gpa之间。

根据本发明，包含在前述涂覆的基体的涂层中的纳米层合涂层结构的峰宽比PW_{1_10/90}可以为小于7.5，优选地小于7，其中：

- PW_{1_10/90}゜＝゜PW_{1_10 ％}/PW_{1_90 ％}

- PW_{1_10%}和PW_{1_90%}是分别在10%和90%的最大峰强度下的峰200的平均全宽，和

- 使用采用CuKα辐射的X射线衍射在2θ轴上以约43°测量峰200。针对CuKα₂辐射的分布、衍射统计数据（平滑化）和背景校正衍射线。

在根据本发明的涂层的优选实施方案中，所述涂层包括：

- 至少一个沉积在基材(1 )和所述纳米层合涂层膜(5)之间的夹层2，和/或

- 至少一个沉积在纳米层合涂层膜(5)的最外纳米层上的顶层(3)。

优选地，根据本发明的涂覆的基体为钻孔或铣削工具。

优选地，根据本发明的涂覆的基体用于钻孔或铣削操作，更优选用于钢、不锈钢或铸铁的钻孔或硬化钢或不锈钢的铣削。

制造根据本发明的涂覆的基体的优选方法为弧PVD法，其特征在于使用至少一个弧蒸发源于纳米层化涂层膜在基材表面上的沉积，其中所述至少一个弧蒸发源包含提供在靶上的磁场布置以在所述靶表面上和上方形成磁场，其中所述磁场布置包括边缘永磁体和至少一个置于所述靶后的环形线圈，由绕线限定的其内部直径小于或等于并且在任何情况下都不明显大于所述靶的直径，并且所述边缘永磁体可以设置成远离该靶并基本垂直于所述靶的表面，并且所述边缘永磁体到所述靶表面上的投射相比于环形线圈到所述靶表面、内心或内部的投射还进一步远离所述靶表面的中部，将中心永磁体后退置于相对于所述靶的后方并且将外部或外面永磁体置于相对于所述靶数毫米的距离，优选6-10 mm之间，更优选约8 mm。优选地，通过使用沉积出根据本发明的纳米层合涂层结构的方法，施加负线圈电流，所施加的线圈电流优选为-0.1至-1 A。

制造根据本发明的涂覆的基体的另一优选方法为弧PVD法，其特征在于将至少一个弧蒸发源用于所述纳米层化涂层膜在基材表面上的沉积，其中所述至少一个弧蒸发源包含用作阴极的靶、布置成与该阴极直接相邻的阳极、和能够将磁场的磁力线导向阳极的磁力工具。优选地，通过使用沉积出根据本发明的纳米层合涂层结构的方法，施用正线圈电流，所施用的线圈电流优选为0.5至2 A之间。

优选地，用于沉积根据本发明的纳米层合涂层结构的方法包括使用作为源涂覆材料的：

- 借助于粉末冶金技术制造的至少一个复合材料靶，其包含铝和钛和/或钨，用于沉积A型纳米层，和/或

- 借助于熔体冶金技术制造的至少一个复合材料靶，其包含钛和硅和/或钨，用于沉积B型纳米层。

Claims (16)

1.制造涂覆的基体的方法，在所述涂覆的基体内，包含交替的A纳米层和B纳米层的纳米层合结构(5)的涂层沉积在基材表面上，A纳米层由至少90原子% AlTiN构成，B纳米层由至少90原子% TiSiN构成，其中将至少一个弧蒸发源用于所述纳米层合结构的所述沉积，其特征在于：所述至少一个弧蒸发源包含在靶上提供的磁场布置以在靶表面上和上方形成磁场，其中所述磁场布置包含边缘永磁体、中心永磁体和至少一个置于所述靶之后的环形线圈，由绕线限定的所述环形线圈的内部直径小于或等于所述靶的直径，并且在所述纳米层合结构的沉积期间，将所述边缘永磁体置于远离所述靶的位置，相对于所述靶数毫米的距离，以这种方式使所述边缘永磁体到所述靶表面上的投射相比于所述环形线圈到所述靶表面上的投射进一步远离所述靶表面的中部，将所述中心永磁体后退置于相对于所述靶的后方。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述永磁体和所述靶之间的所述距离为6至10 mm之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述永磁体和所述靶之间的所述距离为8 mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：施加负线圈电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所施加的线圈电流为-0.1至-1 A之间。

6.制造涂覆的基体的方法，在所述涂覆的基体内，包含交替的A纳米层和B纳米层的纳米层合结构(5)的涂层沉积在基材表面上，A纳米层由至少90原子% AlTiN构成，B纳米层由至少90原子% TiSiN构成，其中将至少一个弧蒸发源用于所述纳米层合结构的沉积，其特征在于：所述至少一个弧蒸发源包含用作阴极的靶、

布置成与所述阴极直接相邻的阳极和

产生磁场的磁力工具，其磁力线被导向所述阳极。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：施加正线圈电流。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所施加的线圈电流为0.5至2 A之间。

9.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8中任一项所述的方法，其特征在于：至少两个弧蒸发源，各弧蒸发源包含作为源材料用于所述纳米层合结构的所述沉积的靶，其中

- 包含在所述至少两个弧蒸发源之一中的所述靶为复合材料靶，所述复合材料靶包含至少以原子百分比计作为主要组分的铝和钛，其用于A型纳米层的沉积，和

- 包含在所述至少两个弧蒸发源的另一个中的所述靶为复合材料靶，所述复合材料靶包含至少以原子百分比计作为主要组分的钛和硅，其用于B型纳米层的沉积。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述两个所使用的复合材料靶中的至少一个借助于粉末冶金技术制造。

11.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8中任一项所述的方法，其特征在于：所述纳米层合结构在包含氮作为主要组分的反应性气氛中沉积。

12.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8中任一项所述的方法，其特征在于：所述纳米层合结构在具有至少包含氮作为主要组分的反应性气氛的涂覆室中沉积。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述氮分压为4至7 Pa之间。

14.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8中任一项所述的方法，其特征在于：在所述纳米层合结构的沉积期间，施加负DC偏置电压，优选地，偏置电压为-20至-60 V之间。

15.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8中任一项所述的方法，其特征在于：在所述纳米层合结构的沉积期间，所述基材保持在不低于450 摄氏度且不高于700摄氏度的温度下。

16.通过根据前述权利要求1至15中任一项所述的方法涂覆的基体，其特征在于：

- 所述沉积的A纳米层具有由式(Al_xTi_1-x-yW_y)N，其中0.50 ≤ x ≤ 0.65和0 ≤ y ≤ 0.10，给出的元素组成，其中x、1-x-y和y给出的系数分别对应于铝、钛和钨的原子浓度，对于在所述纳米层A中的元素定量只考虑元素铝、钛和钨，和

- 所述沉积的B纳米层具有由式(Ti_1-z-uSi_zW_u)N，其中0.05 ≤ z ≤ 0.30和0 ≤ u ≤ 0.10，给出的元素组成，其中1-z-u、z和u给出的系数分别对应于钛、硅和钨的原子浓度，对于在所述纳米层B中的元素定量只考虑元素钛、硅和钨。