CN107075692A - 包含多层pvd涂层的切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工具，其包含由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢组成的基材，和使用PVD方法施加且总厚度是1μm至20μm的多层涂层，所述多层涂层包含连接层和直接沉积到所述连接层上的耐磨层，其特征在于所述连接层具有多层设计且通过阴极真空电弧气相沉积(电弧PVD)沉积，一层直接位于另一层之上的所述连接层中的多个层具有不同组成，且所述连接层的多个层各自由选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B的至少两种不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成；且所述耐磨层具有单层或多层设计且通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积，所述耐磨层的所述一个或多个层各自由选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B的至少两种不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成。

Description

包含多层PVD涂层的切削工具
技术领域
本发明涉及一种包含硬质金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基材和总厚度是1μm至20μm的在PVD工艺中向其施加的多层涂层的工具，其中所述多层涂层包含通过阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)沉积的粘结层和通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积在其上的耐磨保护层。本发明还涉及一种用于制造所述工具的方法。
背景技术
诸如用于例如碎屑除去金属加工的那些切削工具的切削工具通常由硬质金属、金属陶瓷、钢或高速钢的基材(基体)组成，并具有通过CVD工艺(化学气相沉积)或PVD工艺(物理气相沉积)沉积在其上的金属硬质材料层的耐磨单层或多层涂层。在PVD工艺中，区分不同的变体，例如阴极溅射(溅射沉积)、阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)、离子电镀、电子束蒸发和激光烧蚀。诸如磁控溅射、反应性磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)的阴极溅射和电弧蒸发属于最常用于切削刀具的涂布的PVD工艺。
进行阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)时，电弧熔化和蒸发靶材料在腔室和靶之间进行。在该工艺中，大部分的蒸发材料被离子化并朝向基材加速，基材具有负电位(偏置电位)，且沉积在基材表面上。阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)的特征在于高沉积速率，由于蒸发材料的高电离引起的致密层结构以及工艺稳定性。然而，显著的缺点是由小金属飞溅的发射引起的微粒(液滴)的工艺依赖性沉积，对此的避免是非常复杂的。液滴导致在沉积层上不期望的高表面粗糙度。
在阴极溅射(溅射)中，原子或分子通过用高能离子轰击从靶中除去，并将其转移到气相中，随后其直接或在与反应气体反应之后从所述气相沉积到基材上。由磁控管支撑的阴极溅射包括两种基本的工艺变型：常规DC磁控溅射(DC-MS)和HIPIMS工艺。在磁控溅射中，不会发生在阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)中的不利的液滴形成。然而，在常规DC-MS中，涂布速率比较低，这意味着较高的工艺持续时间，且因此导致经济上的不利。
当使用高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)时，磁控管在高电流密度下以脉冲模式操作，特别是由于溅射材料的改善电离，产生呈较致密层形式的改善的层状结构。在HIPIMS中，在靶处的电流密度通常超过常规DC-MS的密度。
通过DC-MS和HIPIMS沉积的层常常展示出相当大的结构差别。DC-MS层通常在基材上以柱状结构生长。相比之下，在HIPIMS工艺中，获得微晶层状结构，其特征在于与DC-MS层相比具有改善的磨损特性和与其相关的更长使用寿命。HIPIMS层通常比柱状DC-MS层更硬，但是它们对于与许多基材的粘附也显示出缺点。
EP 2 653 583描述了一种用于通过PVD沉积基本上由三层组成的层系统的涂布程序，其中所述层系统包含一层布置在另一层之上的通过从蒸发材料(靶)M1进行阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)沉积的接触层S1、通过HIPIMS从放电材料(靶)M2沉积的覆盖层S3和通过蒸发材料M1以及放电材料M2的电弧PVD和HIPIMS的平行操作沉积在其间的中间层S2。在该层系统中，与基本具有相同化学组成的比较涂层相比较，旨在获得较低的表面粗糙度。
WO2013/068080描述了一种通过HIPIMS制造层系统的方法，其中交替地具有较细和较粗粒度的HIPIMS层通过交替地施加较长和较短的脉冲持续时间来沉积。这一交替层系统将具有良好的磨损特性。目的
本发明的目的在于提供具有耐磨保护涂层的工具以及其制造方法，其具有已知层系统的优点，特别是在HIPIMS工艺中沉积的层的优点，并且同时克服了从现有技术已知的缺点，特别是不充分的粘附。
发明内容
根据本发明，该目的通过提供一种工具实现的，所述工具具有硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基材和在PVD工艺中沉积到其上的总厚度是1μm-20μm的多层涂层，其中所述多层涂层包含接触层和直接沉积在其上的耐磨保护层，
-其中所述粘结层通过阴极真空电弧气相沉积(电弧PVD)沉积且具有多层设计，其中所述粘结层的一层直接布置在另一层之上的多个层具有不同的组成，且其中所述粘结层中的多个层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物(Oxicarbiden)、碳氧氮化物(Carboxinitriden)及其固溶体形成，且
-其中所述耐磨保护层通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积且具有单层或多层设计，其中所述耐磨保护层中的一层或多层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成。
通过HIPIMS工艺沉积的耐磨保护层对于根据本发明的工具的性能，特别是金属加工机械加工具有显著的贡献。通过HIPIMS工艺沉积的涂层的特征在于其精细层状结构和与其相关的高硬度和高弹性模量(E模量/杨氏模量)。通过HIPIMS沉积的层(例如TiAlN层)的维氏硬度可例如在3000至4500HV范围内。所述层的E模量可在400至500GPa范围内。相比之下，硬质金属基材例如展示出约1300至2400HV的维氏硬度。此外，通过HIPIMS沉积的层具有比通过电弧PVD沉积的层显著更光滑的表面，其具有例如关于碎屑去除的金属机械加工的优点。
在从基材到涂层的过渡处的硬度或在从一层到直接布置其上面的下一层的过渡处的硬度之间的大差异减小了该层对基材的粘附性并导致涂层的过早剥离、更快的磨损，且因此缩短工具的使用寿命。
通常已知设置用于改善耐磨保护层对基材的粘附性的粘结层。通常，粘结层具有布置在上面和下面的材料的成分，以便形成就组成和微观结构而言，处于布置在上面的层和布置在下面的层之间的层，从而赋予粘附性。
现在已经惊奇地发现，可实现如下的特别优点，所述优点特别关于通过HIPIMS沉积的根据本发明的耐磨损保护层以及通过阴极真空电弧沉积(电弧PVD)沉积且具有多层设计的根据本发明形成的粘结层的粘附性，在所述多层设计中，一层直接布置在另一层之上的多个层显示不同的组成。
如前所述，通过HIPIMS沉积的耐磨保护层通常显示比例如常规WC-Co硬质金属基材显著更高的维氏硬度。在硬度方面的巨大差异可导致直接沉积在基材上的HIPIMS层或具有较低硬度的另一层的粘附性减小，并且可导致耐磨保护层较早地脱模和工具的更快磨损。HIPIMS工艺不允许沉积的耐磨保护层的硬度任意地适应基材或布置在下面的任何其它层的硬度，以降低这种粘附问题。耐磨保护层的硬度的降低通常也是不期望的，因为耐磨保护层的高硬度在许多金属机械加工工艺中是有利的。
在HIPIMS工艺中沉积的耐磨保护层本身可以是单层或多层的。可通过改变层的组成和/或改变沉积参数来形成多层HIPIMS耐磨保护层，以在HIPIMS耐磨保护层内具有硬度梯度，使得该层在与粘结层的表面粘结的区域中具有与粘结层类似的硬度，并且硬度朝向HIPIMS耐磨保护层的表面进一步增加。可以此方式制造具有特别高的硬度且仍然优异粘结的HIPIMS耐磨保护层。因此，在本发明的一个特别优选的实施方式中，不仅电弧PVD粘结层具有多层设计，而且HIPIMS耐磨保护层也具有多层设计。
在组合根据本发明通过HIPIMS沉积的耐磨保护层与根据本发明的多层粘结层的过程中，可惊人地克服从现有技术已知的缺点，特别是HIPIMS层的不充分粘附，且可获得工具的相对较久的使用寿命。
在本发明的一个实施方式中，所述粘结层中的多个层可各自由至少两种选自Ti、Al、Si和Cr中的不同金属的氮化物或碳氮化物形成。优选AlCrN、AlCrSiN、TiAlN、TiAlSiN和TiSiN的层，其中非常特别优选TiAlN。
已经显示所述粘结层中的多个层的这些组成对于改善HIPIMS耐磨保护层的粘结特别有利。认为这归因于这些硬质材料全部具有类似的面心立方结构、高硬度和高E模量。
所述多层粘结层具有至少两个一层布置在另一层之上的、具有不同组成的层，其中，在本发明的意义上，含有例如Ti、Al和N的相同元素，但具有不同化学计量组成的层也定义为“具有不同组成的层”，例如一层布置在另一层之上的Ti0.33Al0.67N和Ti0.5Al0.5N的层。在本发明的一个优选的实施方式中，多层粘结层具有至少4个一层布置在另一层之上的层，优选至少10个一层布置在另一层之上的层。令人惊讶地，已经显示单独的层的数目的增加分别改善垂直于基材表面的变化和硬度并实现在粘结层内硬度分布的较小梯度分级。同时，在金属加工应用中粘结层的抗裂性增加。推测这归因于可消散破裂能量的层边界的数量的增加，由此更有效地防止裂纹的传播。另外优选所述粘结层具有至多300个、优选至多100个、特别优选至多50个一层布置在另一层之上的层。如果粘结层的层数对于给定厚度的粘结层来说太高，其有利地应该不超过约1μm，则单独的层变得非常薄，直至几个原子的层，因此，不再限定所需的层边界，这不利地影响抗裂性。
在本发明的另一优选的实施方式中，所述多层粘结层形成为使得在该层内，维氏硬度沿着从基材到耐磨保护层的方向垂直于基材表面增加，且在多层粘结层内的维氏硬度在1800HV至3500HV、优选2000HV至3300HV范围内。硬度的增加还描绘了在粘结层的总厚度上可呈线性、非线性或分级的梯度。
有利的是各自在一方面从基材或粘结层下面的层到粘结层的过渡处和另一方面在粘结层到HIPIMS耐磨保护层的过渡处的硬度之间获得尽可能小的差别。根据本发明的多层粘结层允许调节在层内的硬度值，在单层粘结层中不可能像在多层粘结层中一样调节在层内的硬度值。
由于在粘结层内的维氏硬度沿从根据本发明的基材到耐磨保护层的方向增加，在基材或在粘结层下面的层和HIPIMS耐磨保护层之间的大硬度差异可得到有利地补偿。因此，可实现HIPIMS耐磨保护层的改善的粘附且由此改善工具的使用寿命。
改变在沉积过程期间的涂布参数是改变在粘结层内的硬度的一种手段，在这种情形下，特别是改变在沉积过程期间的偏置电位。增加在沉积期间的偏置电位通常引起硬度增加。
然而，仅改变在单层粘结层的沉积期间的偏置电位，通常不足以提供在所述层内桥连在具有在约1300至1400HV范围内维氏硬度的常规硬质金属基材与在约3000至4500HV范围内的通过HIPIMS沉积的层例如TiAlN层之间的硬度差的硬度梯度。通过改变偏置电位，可获得据推测不超过约200至300HV的在单层粘结层内的硬度改变。仅仅是改进沉积参数、特别是偏置电位以及根据本发明的多层粘结层的设计的组合能够在粘结层内形成在例如基材和HIPIMS耐磨保护层之间的宽硬度差别上的硬度梯度，根据本发明的多层粘结层特征在于所述粘结层的多个具有不同组成的一层直接布置另一层之上的层。
在本发明的另一优选的实施方式中，设计多层粘结层，使得在所述多层粘结层内，弹性模量(E模量)沿从基材到耐磨保护层的方向垂直于基材表面增加且在多层粘结层内的弹性模量(E模量)的值在380GPa至550GPa、优选420GPa至500GPa范围内。
所述所述多层粘结层有利地具有在0.01μm至1μm、优选0.05μm至0.6μm、特别优选0.1μm至0.4μm的范围内的垂直于基材表面的厚度。如果粘结层太薄，则布置在粘结层下面的表面获得不足的覆盖度且因此也不足以改善HIPIMS耐磨保护层的粘附。
电弧PVD粘结层的表面粗糙度通常与其厚度一起增加。在HIPIMS工艺中沉积耐磨保护层旨在通过至少部分地补偿电弧PVD粘结层的表面粗糙度来提供光滑表面。然而，如果粘结层太厚，则其粗糙度会高度影响电弧PVD粘结层和HIPIMS耐磨保护层的整个层压体的表面，导致HIPIMS耐磨保护层的表面粗糙度不期望地高。
在形成整个粘结层的单独的层具有大致相同的厚度的情形下，所述单独的层的厚度对应于粘结层的厚度除以单独的层的数目。通常，粘结层的单独的层具有在20至200nm的范围内的厚度。
本发明的范围还涵盖在粘结层内单独的层的厚度的变化。例如，这可通过改变在多层粘结层的沉积期间的蒸发器电流来实现。由此还可获得在粘结层内的硬度增加。如果在粘结层内具有不同组成的一层布置在另一层之上的层还具有不同的硬度，较硬材料的单独的层的厚度的增加和/或较软材料的单独的层的厚度的减小可提供或可促进提供在粘结层内的硬度梯度。通常，从TiAl(50:50)靶沉积的Ti0.5Al0.5N材料将比从TiAl(33:67)靶沉积的Ti0.33Al0.67N材料软。在TiAlN粘结层内的硬度增加因此可通过相应地改变在沉积期间在相应靶处的蒸发器电流而增加Ti0.33Al0.67N材料的层厚度和/或通过降低Ti0.5Al0.5N材料的层厚度来实现。
所述单层或多层耐磨保护层有利地具有0.4μm至20μm、优选1μm至10μm、特别优选1.5μm至5μm的范围内的厚度。
在本发明的另一实施方式中，所述单层或多层耐磨保护层的厚度对所述多层粘结层的厚度的比为至少2.0、优选至少2.3、特别优选至少3.5、非常特别优选至少4.0。如果电弧PVD粘结层相对于HIPIMS耐磨保护层太厚，则如上所解释的，电弧PVD粘结层和HIPIMS耐磨保护层的整个层压体获得不期望的高表面粗糙度。
在本发明的另一实施方式中，所述多层粘结层中的多个层包含具有不同组成的氮化钛铝的交替层，其中具有(30至36):(70至64)的Ti:Al比的层与具有(40至60):(60至40)、优选(47至53):(53至47)的Ti:Al比的层交替。在所述层之间的Al含量差别将有利地为至少5原子％Al。
所述HIPIMS耐磨保护层可具有单层或多层设计。在本发明的一个优选的实施方式中，所述耐磨保护涂层为多层的且具有至少2个、4个或10个且至多50个、100个或300个一层布置在另一层之上的层。如上所述，可通过改变层的组成和/或沉积参数来形成多层HIPIMS耐磨保护层以在HIPIMS耐磨保护层内具有硬度梯度，使得在与粘结层表面接合的区域中的层具有类似于粘结层中的那一个的硬度，且硬度朝着HIPIMS耐磨保护层的表面进一步增加。以这种方式，可制造具有特别高的硬度且仍然具有优异粘结性的HIPIMS耐磨保护层。
根据本发明的粘结层和耐磨保护层的组合可形成工具的整个涂层。然而，本发明还涵盖如下的工具，其具有设置在基材与粘结层之间的一个或多个另外的硬质材料层和/或金属层，优选TiN或金属Ti硬质材料层和/或金属层。此外，一个或多个另外的层，优选TiN、TiCN、ZrN或对于装饰层已知的其它硬质材料的一个或多个装饰层，可设置在耐磨保护层之上。所述装饰层非常薄，通常在0.2μm和1μm之间，并且通常除了具有装饰功能之外，还可充当指示器，因为装饰层的磨损指示工具是否和(如果适用的话)多大程度上已经被使用。还可有利地提供具有低摩擦表面的另外的层，所述另外的层例如能够改善在例如金刚石样或石墨碳层的切屑金属机械加工中的切屑去除。氧化物也可用作最外层，例如氧化铝或氧化铬铝，这可降低摩擦化学磨损。
本发明还涵盖一种制造涂层工具的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过PVD工艺将总厚度为1μm至20μm的多层涂层施加至硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体，其中多层涂层包含粘结层和直接沉积在其上的耐磨保护层，
其中所述粘结层通过反应性或非反应性阴极真空电弧气相沉积(电弧PVD)沉积以具有多层设计，其中所述粘结层的两个各自一层直接布置在另一层之上的层具有不同的组成，且其中所述粘结层中的多个层由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成，且
其中所述耐磨保护层通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积以具有单层或多层设计，其中所述耐磨保护层中的一层或多层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成。
在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，所述粘结层中的多个层各自由至少两种选自Ti、Al、Si和Cr中的不同金属的氮化物或碳氮化物形成，优选由AlCrN、AlCrSiN、TiAlN、TiAlSiN和TiSiN形成，特别优选由TiAlN形成。
如上文已经解释的，有利的是一方面在从基材或在粘结层下面的层到粘结层的过渡处和另一方面在从粘结层到HIPIMS耐磨保护层的过渡处在机械性质、特别是硬度(维氏硬度)之间存在尽可能小的差别。通过改变在多层粘结层的沉积过程中的沉积参数，特别是通过改变偏置电位，可在宽范围内改变粘结层内的硬度，以改善HIPIMS耐磨保护层到粘结层的粘附。在单层粘结层中，这不可能达到本发明的程度。
因此，在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，改变用于沉积多层粘结层的沉积参数，使得在多层粘结层内，维氏硬度沿从基材到耐磨保护层的方向垂直于基材表面增加，且在多层粘结层内的维氏硬度在1800HV至3500HV、优选2000HV至3300HV的范围内，其中在多层粘结层的沉积期间改变的沉积参数至少包括偏置电位。
具体实施方式
根据本发明的涂层在6-法兰PVD装置HTC1000(荷兰，Venlo，Hauzer，)中制造。基材在旋转台上旋转。对于HIPIMS工艺，使用美国Mansfield的Zpulser公司的等离子体发生器。在实施例中指示的涂布厚度和层厚度以及硬度值和E模量值各自在涂层工具的侧面上测量。
本文应用于HIPIMS工艺的脉冲序列(脉冲号(Pulsfile)60)包括以下亚序列：
1.5×34μs/6μs(开/关)
2.3×24μs/6μs(开/关)
3.4×14μs/8μs(开/关)
4.50×10μs/12μs(开/关)
实施例1：
基材：
硬质金属：WC(细粒)-10重量％Co
维氏硬度：2000HV
E模量：500Gpa
粘结层(多层)：
工艺：电弧PVD
靶：(1)TiAl(50:59)，100mm直径，反应器位置2
(2)TiAl(33:67)，100mm直径，反应器位置5(相对)
沉积参数
蒸发器电流：140A
中心磁铁极性向北
总压力：梯度从4PA到10PA N2，经3分钟
偏置电位：DC，梯度从40V到60V，经3分钟
耐磨保护层(单层)：
工艺：HIPIMS
靶：TiAlN(33:67)，1800×200mm，反应器位置3和6(相对)
沉积参数
平均功率：12kW(/靶)
偏置电位：DC，100V
峰值功率：130kW
峰值电流：160A
频率：110Hz
脉冲号：60
所给出的值为平均值，因为等离子体条件随着基材台的移动而不断变化。
沉积的粘结层具有0.2μm的总厚度，且由具有交替的不同组成Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N(对应于所用靶的组成)的约6个TiAlN单层组成。粘结层的单独的层因此各自具有约33nm的厚度。由于在层沉积期间偏置电位渐进改变(增加)，沉积的粘结层的维氏硬度沿从基材向外的方向从40V偏置电位下的2200HV增加到在60V偏置电位下的2900HV。在粘结层内的E模量从在40V偏置电位下的450GPa增加到在60V偏置电位下的480GPa。硬度和E模量的性质在相应制造的层上测量，然而，在其沉积期间，在本文中改变的参数保持恒定，例如，40V的恒定偏置电位，因为维氏硬度和E模量的测量对于仅几纳米的薄层区域是不可能的。
在HIPIMS工艺中沉积的耐磨保护层具有2μm的总厚度且由Ti0.33Al0.67N(对应于所使用的靶的组成)组成。耐磨保护层的维氏硬度为3300HV且E模量为480GPa。
实施例2：
在该实施例中，使用与在实施例1中相同的基材。对于多层粘结层，首先，具有约50nm的厚度的Ti0.5Al0.5N层在第一步骤1中在70V的偏置电位下沉积且接着在第二步骤2中，由约6个具有交替不同组成Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N的TiAlN单层(单层厚度为约33nm)组成的具有约0.2μm的厚度的层序列在100V的偏置电位下沉积。
粘结层(多层)：
工艺：电弧PVD
步骤1
靶：TiAl(50:50)，100mm直径，反应器位置2
沉积参数
蒸发器电流：150A
中心磁铁极性向北
总压力：4,5Pa N2
偏置电位：DC，70V
步骤2
靶：(1)TiAl(33:67)，100mm直径，反应器位置5
(2)TiAl(50:50)，100mm直径，反应器位置2(相对)
沉积参数
蒸发器电流：140A
中心磁铁极性向北
总压力：梯度从4Pa到10Pa N2，经3分钟
偏置电位：DC，100V
耐磨保护层(多层)：
工艺：HIPIMS
靶：(1)TiAl(33:67)，1800×200mm，反应器位置3
(2)TiAl(50:50)，1800×200mm，反应器位置6(相对)
沉积参数
平均功率：12kW(/靶)
偏置电位：DC，90V
峰值功率：靶(1)：130kW；靶(2)：140kW
峰值电流：靶(1)：160A；靶(2)：170A
频率：靶(1)：110Hz；靶(2)：100Hz
反应性气体：180sccm N2，压力调节到0.53Pa(500sccm Ar)
脉冲号：60
所给出的值为平均值，因为等离子体条件随着基材台的移动而不断变化。
在步骤2中沉积的粘结层的层序列的维氏硬度为3000HV且E模量为480GPa。
在步骤1中在70V的偏置电位下沉积的Ti0.5Al0.5N层的维氏硬度在相应制造的具有较大厚度的层上测量。其为2900HV且E模量为470GPa。
由此提供从基材的硬度到在步骤2中沉积的交替层压体的较高硬度的渐变过渡。
在HIPIMS工艺中沉积的耐磨保护层具有2.7μm的总层厚且由约760个具有交替不同组成Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N(对应于所使用的靶的组成)的TiAlN单层组成。耐磨保护层的单独的层因此各自具有约3.5nm的厚度。耐磨保护层的维氏硬度为3300HV且E模量为480GPa。
实施例3：
在该实施例中，使用与在实施例1中相同的基材。如在实施例2中一样，沉积多层粘结层。
对于多层耐磨保护层，首先在第一步骤1中沉积具有约10nm的厚度的Ti0.4Al0.6N层，在第二步骤2中，沉积具有约8个具有交替不同组成Ti0.33Al0.67N和Ti0.4Al0.6N的TiAlN单层(单层厚度为约20nm)且具有约0.16μm的厚度的层序列，且在第三步骤3中，沉积具有约24个具有交替不同组成Ti0.33Al0.67N和Ti0.4Al0.6N的TiAlN的单独的层(单独的层的厚度为约80nm)且具有约1.9μm的厚度的层序列。最后，在HIPIMS工艺中施加具有80nm的厚度的装饰层。
耐磨保护层(多层)：
工艺：HIPIMS
步骤1
靶：TiAlN(40:60)，1800×200mm，反应器位置6
沉积参数
平均功率：12kW
偏置电位：DC，150V
峰值功率：140kW
峰值电流：170A
频率：100Hz
反应性气体：220sccm N2，对应于约0.54Pa(在500sccm Ar下)
脉冲号：60
步骤2
靶：(1)TiAl(33:67)，1800x 200mm，反应器位置3
(2)TiAl(40:60)，1800x 200mm，反应器位置6(相对)
沉积参数
平均功率：115kW(/靶)
偏置电位：DC，100V
峰值功率：靶(1)：135kW；靶(2)：140kW
峰值电流：靶(1)：220A；靶(2)：220A
频率：靶(1)：100-120Hz；靶(2)：90至110Hz
反应性气体：N2，压力调节到0.53Pa(在500sccm Ar下)
脉冲号：60
步骤3
靶：(1)TiAl(33:67)，1800×200mm，反应器位置3
(2)TiAl(40:60)，1800×200mm，反应器位置6(相对)
沉积参数
平均功率：15kW(/靶)
偏置电位：DC，100V
峰值功率：靶(1)：135kW；靶(2)：140kW
峰值电流：靶(1)：170A；靶(2)：170A
频率：靶(1)：140Hz；靶(2)：125Hz
反应性气体：N2，压力调节到0.53Pa(在500sccm Ar下)
脉冲号：60
装饰层
靶：TiAl(33:67)，1800×200mm，反应器位置3
沉积参数
平均功率：12kW
偏置电位：DC，100V
峰值功率：135kW；
峰值电流：170A；
频率：110Hz；
反应性气体：流量220sccm N2，对应于约0.54Pa(在500sccm Ar下)
脉冲号：60
在HIPIMS工艺中沉积的多层耐磨保护层的硬度为3700HV且E模量为510GPa。
比较例1：
在该比较例中，TiAlN的单层耐磨保护层通过HIPIMS在与实施例1中相同的基材上沉积。
耐磨保护层：
工艺：HIPIMS
靶：2×TiAl(33:67)，1800×200mm，反应器位置3和6
沉积参数
平均功率：12kW(/靶)
偏置电位：DC，100V
峰值功率：130kW
峰值电流：160A
频率：110Hz
脉冲号：60
所给出的值为平均值，因为等离子体条件随着基材台的移动而不断变化。
在HIPIMS工艺中沉积的单层TiAlN层具有2.2μm的总层厚和组成Ti0.33Al0.67N(对应于所使用的靶的组成)。耐磨保护层的维氏硬度为3300HV且E模量为480GPa。HIPIMS层展示出极低的表面粗糙度，而且具有低使用寿命，这归因于在基材上的不良粘附。
比较例2：
在该比较例中，具有0.6μm的厚度的TiAlN的单层粘结层首先通过电弧PVD施加且具有2μm厚度的单层TiAlN耐磨保护层如在比较例1中那样通过HIPIMS沉积在其上。
粘结层：
工艺：电弧PVD
靶：TiAl(50:50)，100mm直径，反应器位置2
沉积参数
蒸发器电流：140A
中心磁铁极性向北
总压力：梯度从4Pa到10Pa N2，经3分钟
偏置电位：DC，100V
耐磨保护层：
工艺：HIPIMS
靶：TiAl(33:67)，1800×200mm，反应器位置3和6(相对)
沉积参数
平均功率：12kW(/靶)
偏置电位：DC，100V
峰值功率：130kW
峰值电流：160A
频率：110Hz
脉冲号：60
所给出的值为平均值，因为等离子体条件随着基材台的移动而不断变化。
粘结层的维氏硬度为2400HV且E模量为450GPa。在HIPIMS工艺中沉积的单层TiAlN层对应于根据比较例1的TiAlN层。根据比较例2的涂层具有比得上根据本发明的涂层的表面粗糙度，然而，具有显著更短的使用寿命。
比较例3：
在该比较例中，具有约2.5μm的厚度、由约500个具有交替不同组成Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N的TiAlN单层(单层厚度为约5nm)组成的多层层序列通过电弧PVD沉积，然而，在其上没有更进一步的层。与上述实施例和比较例形成对比，使用专门设计用于阴极真空电弧蒸发(电弧PVD)英诺华公司(Balzers，Balzers，列支敦士登)的设施。
层：
工艺：电弧PVD
靶：(1)TiAl(50:50)电源Mag10，160mm直径，反应器位置1、2、3、6
(2)TiAl(33:67)，电源Mag6，160mm直径，反应器位置4、5
沉积参数
蒸发器电流：各自160A
总压力：4Pa N2
偏置电位：DC，60V
多层的维氏硬度为3200HV且E模量为460GPa。所述层的表面粗糙度很高。

Claims (14)

1.一种工具，所述工具包含由硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢组成的基材，和使用PVD方法施加且总厚度是1μm至20μm的多层涂层，其中所述多层涂层包含粘结层和直接沉积到所述粘结层上的耐磨保护层，
其特征在于：
所述粘结层通过阴极真空电弧气相沉积(电弧PVD)沉积且具有多层设计，其中所述粘结层的一层直接布置在另一层之上的多个层具有不同的组成，且其中所述粘结层的多个层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成，和
所述耐磨保护层通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积且具有单层或多层设计，其中所述耐磨保护层中的一层或多层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成。
2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述粘结层的多个层各自由至少两种选自Ti、Al、Si和Cr中的不同金属的氮化物或碳氮化物形成，优选由AlCrN、AlCrSiN、TiAlN、TiAlSiN和TiSiN形成，特别优选由TiAlN形成。
3.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，所述多层粘结层具有至少4个、优选至少10个且至多300个、优选至多100个、特别优选至多50个一层布置在另一层之上的层。
4.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，在所述多层粘结层内，维氏硬度沿着从所述基材到所述耐磨保护层的方向垂直于所述基材的表面增加，且在所述多层粘结层内的维氏硬度在1800HV至3500HV、优选2000HV至3300HV的范围内。
5.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，在所述多层粘结层内，弹性模量(E模量/杨氏模量)沿着从所述基材到所述耐磨保护层的方向垂直于所述基材的表面增加，且在所述多层粘结层内的弹性模量(E模量)的值在380GPa至550GPa、优选420GPa至500GPa的范围内。
6.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，所述多层粘结层的垂直于基材表面的厚度在0.01μm至1μm、优选0.05μm至0.6μm、特别优选0.1μm至0.4μm的范围内，和/或所述单层或多层耐磨保护层的厚度在0.4μm至20μm、优选1μm至10μm、特别优选1.5μm至5μm的范围内。
7.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，所述单层或多层耐磨保护层的厚度对所述多层粘结层的厚度的比为至少2.0、优选至少2.3、特别优选至少3.5、非常特别优选至少4.0。
8.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，所述多层粘结层的多个层包含具有不同组成的氮化钛铝的交替层，其中具有(30至36):(70至64)的Ti:Al比的层与具有(40至60):(60至40)、优选(47至53):(53至47)的Ti:Al比的层交替。
9.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，所述耐磨保护涂层为多层的且具有至少2个、4个或10个且至多50个、100个或300个一层布置在另一层之上的层。
10.根据前述权利要求中的一项所述的工具，其特征在于，至少一个另外的硬质材料层设置在所述基材与所述粘结层之间，所述至少一个另外的硬质材料层优选是TiN硬质材料层或金属Ti硬质材料层，和/或至少一个另外的硬质材料层设置在所述耐磨保护涂层之上，所述至少一个另外的硬质材料层优选为一个或多个TiN、TiCN、ZrN装饰层。
11.一种制造涂层工具的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过PVD工艺将总厚度为1μm至20μm的多层涂层施加至硬质金属、金属陶瓷、陶瓷、钢或高速钢的基体，其中所述多层涂层包含粘结层和直接沉积在所述粘结层上的耐磨保护层，
其中所述粘结层通过反应性或非反应性阴极真空电弧气相沉积(电弧PVD)沉积以具有多层设计，其中所述粘结层的两个各自一层直接布置在另一层之上的层具有不同的组成，且其中所述粘结层的多个层由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成，且
其中所述耐磨保护层通过高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)沉积以具有单层或多层设计，其中所述耐磨保护层中的一层或多层各自由至少两种选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Al、Si、Y、Li和B中的不同金属的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氧氮化物及其固溶体形成。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述粘结层的多个层各自由至少两种选自Ti、Al、Si和Cr中的不同金属的氮化物或碳氮化物形成，优选由AlCrN、AlCrSiN、TiAlN、TiAlSiN和TiSiN形成，特别优选由TiAlN形成。
13.根据权利要求11或12中的一项所述的方法，其特征在于，所述多层粘结层具有至少4个、优选至少10个且至多300个、优选至多100个、特别优选至多50个一层布置在另一层之上的层。
14.根据权利要求11至13中的一项所述的方法，其特征在于，改变用于沉积所述多层粘结层的沉积参数，使得在所述多层粘结层内，维氏硬度沿着从基材到所述耐磨保护层的方向垂直于所述基材的表面增加，且在所述多层粘结层内的维氏硬度在1800HV至3500HV，优选2000HV至3300HV的范围内，
其中在所述多层粘结层的沉积期间改变的沉积参数至少包括偏置电位。
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