專利名稱：層體系以及用于制造層體系的涂覆方法
層體系以及用于制造層體系的涂覆方法本發(fā)明涉及一種用于在基材上，特別是在工具表面上、具體地說在用于成形的工具表面上形成表面的層體系，以及根據(jù)相應(yīng)類型的獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所述的用于制造層體系的方法。高效工具和零件的制造一般是通過涂覆其表面來實(shí)現(xiàn)的。一類重要的所述涂覆基材是工具，其中特別是用于成形的工具，還有切削工具和零件，在所有可能的實(shí)施方案中尤其是機(jī)器的磨損件。被涂覆的典型基材材料特別是工具鋼和硬質(zhì)合金，以及所有可能的其它基材材料。在這方面，這些材料的涂覆中已知的問題是兩種材料在約500°C左右的空氣中氧化速度高，而且在較低溫度(對于HSS為約550°，對于硬質(zhì)合金為約650°C )下就已經(jīng)軟化。而且，除磨耗之外在成形時(shí)還存在玷污待處理材料的討厭現(xiàn)象。因此，向工具表面提供了可顯著減少所述磨損過程和所述玷污的適合的保護(hù)層。在這點(diǎn)上，現(xiàn)有技術(shù)已知的硬質(zhì)材料層往往基于傳統(tǒng)的化合物如TiN、TiNC, CrN, 借助于PVD工藝或CVD工藝沉積。這類層只能有條件地用于承受高載荷的工具。這些已知的硬涂層由此由于其特定的物理特性而在其應(yīng)用領(lǐng)域方面，特別是在其溫度載荷能力方面存在限制。一方面，在升高的溫度下硬度顯著下降；另一方面，在較低溫度下就已開始氧化， 這會導(dǎo)致在工作溫度下增加的層磨損。為解決此問題，主要開發(fā)了兩類層，它們具有在直至1000°C范圍內(nèi)的抗氧化性且在硬度方面具有提高的性能。其中一類層涉及含鋁的基層如AlTiN和AlCrN，其中根據(jù)要求還可作為合金加入其它元素。此范圍內(nèi)的典型化合物為AlTiXNCO型的化合物，其中X為例如Cr或另一金屬。 這類層在切削以及成形時(shí)都對于磨損顯示出性能的提高。這可以由在工作溫度下硬度的提高以及抗氧化性的提高這些積極變化推知?，F(xiàn)有技術(shù)中為提高涂層工具(主要是切削工具)的性能而采取的另一種路線是將傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料層作為載體層與作為功能層的面層相結(jié)合。在這里，作為面層尤其要提及 MeSiXNCO層形式的含硅層(約1-20 at% ；在本申請的范圍內(nèi)at%表示“原子百分比“)如 TiSiN，其能使溫度負(fù)荷進(jìn)一步顯著提高。這些層通常用于硬化鋼的干切。對于這些層當(dāng)然也期待在沖壓時(shí)有性能潛力。在下文中提到的硬涂層體系是指施加于特別是切削工具的體系。已知的還有例如在鑲?cè)胧浇嘏鞯渡辖柚贑VD工藝切開氧化陶瓷層如Al2O3，以能夠?qū)乖谏叩慕佑|溫度下特別是在旋轉(zhuǎn)中的磨損過程。此外還有處于研究階段的硼基層如B4C或立方BN層。然而，立方BN的致命缺陷在于其制造極其復(fù)雜。這主要是由于層生長本身的困難，還由于層內(nèi)的高內(nèi)應(yīng)力。盡管有乞今為止的所有嘗試，但也只在一定程度上成功提供了能滿足越來越高的對機(jī)械性能如硬度、內(nèi)壓應(yīng)力和耐用性，摩擦學(xué)性能如在更高溫度下的粘附趨勢和摩擦力， 抗氧化性、相穩(wěn)定性及其它特性(特別是在成形中出現(xiàn)的高表面壓力情況下)的要求的PVD 或CVD涂層。
一種成功處理選定的高載荷成形工具的已知解決方案是TD工藝(豐田擴(kuò)散工藝)。該鹽浴工藝在這點(diǎn)上在約870°C直至約1030°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，以產(chǎn)生基于VC的擴(kuò)散層。由此該工藝在高于工具鋼的典型回火溫度(通常在500-550°C之間)的處理溫度下進(jìn)行。該鹽浴工藝的已知缺陷，如在處理之后需要清洗過程，已無需再贅述。已知還可借助于PVD工藝沉積VCN層。專利申請JP20005046975A記述了一種用于工具的層，其由直接施加在切削工具上的由VNC構(gòu)成的底層構(gòu)成。接著沉積另一個(gè)耐磨層。在Surface Science 601 (2007) 1153-1159，A. Glaser 等人，Oxidation of vanadium nitride and titanium nitride coatings 中對 VN 禾口 TiN 的氧化特性進(jìn) 亍了研究，其中發(fā)現(xiàn)VN在較低的溫度下就已形成封閉的均質(zhì)氧化層。根據(jù)摩擦學(xué)經(jīng)驗(yàn)，所述氧化層能夠抑制或至少減少工件材料(例如薄鋼板)與涂層工具之間的粘著過程(玷污)。因此本發(fā)明的目的在于提供一種用于基材，特別是工具、尤其是成形工具、或磨損零件的改進(jìn)的涂層，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)已知的問題并特別是具有摩擦學(xué)上有積極效果的氧化行為和相穩(wěn)定性，特別是但并非只是對于硬度和內(nèi)壓應(yīng)力而言的提高的機(jī)械性能，且其可在不超過所用鋼的回火溫度的溫度下沉積。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制造所述改進(jìn)的涂層的方法。解決這些目的的本發(fā)明的主題特征在于相應(yīng)獨(dú)立權(quán)利要求的特征。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的特別有利的實(shí)施方案。本發(fā)明由此涉及一種用于在基材表面，特別是工具表面、尤其是成形工具表面上形成表面層的層體系。其中所述層體系包括至少一個(gè)組成為(VaMebMcId)a(NuCvOw)0的第一表面層，其中對于層中存在的原子Va、Meb、M。、Xd，(a+b+c+d) = a , a =100%，對于層中存在的原子N、C、0，(u+v+w) = i3，β =100%，層中所有原子的總和(α+β )=100 at%，其中適用40 ( α ^ 80 at%，且其中]\feb為選自由化學(xué)元素周期表中的&、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ni、Cu、 &、Y、La、Ce、Pr、Nd、Rn、Sm組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，Mc為選自由Ti、Cr組成的化學(xué)元素組的至少一種元素, 為選自由元素周期表中的S、k、Si、B組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，其中0彡u彡100，0彡ν彡100和0彡w彡80。根據(jù)本發(fā)明，50彡a彡 99，1彡b彡50，0彡c彡50且0彡d彡20。在根據(jù)本發(fā)明的層體系的一種優(yōu)選實(shí)施例中，40 ^ α ^ 80、特別是45 ^ α ^ 55 適用于層中存在的原子Va、Meb、M。、)(d的下標(biāo)α。在本發(fā)明的進(jìn)一步的具體實(shí)施例中，可適用80 < a和/或c=0且d=0且V=O且 w=0，其中Mq優(yōu)選但并非必須是元素ττ0在另一實(shí)施例中，釩的份數(shù)可以由a=80或a=84或a=88或例如a=97給出。表面層可以特別是具有(V95Me5) α (NuCvOw) 0的組成，其中u=30，v=65, w=5,且其中 Me優(yōu)選地為Ni，且其中優(yōu)選地α =55 at%。在另一實(shí)施例中，表面層可以具有(V96Me4) α (NuCvOw) 0的組成，其中u=65，v=25, w=10,且其中Me優(yōu)選地為Ce，且其中優(yōu)選地α =50 at%。在第三實(shí)施例中，表面層具有例如(V75Me15Xltl) αΝ0的組成，其中Me優(yōu)選地為Mo，和 /或X優(yōu)選地為S，且優(yōu)選地α =52 at%。
在第四實(shí)施例中，表面層可以具有(V75Me15Xltl) α (NuCvOw) 0的組成，其中u=25，ν=70， w=5，其中M優(yōu)選地為Mo，和/或X優(yōu)選地為等份的Si和B。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及一種其中表面層具有(V75Me15Mltl) α (NuCvOw) 0的組成的層體系，其中u=25，v=70, w=5, Me優(yōu)選地為Mo，和/或M優(yōu)選地為Cr，且α優(yōu)選地為52
at%。根據(jù)本發(fā)明，表面層還可以具有(V96Zr4) α (NuCvOw) 其中α優(yōu)選地為40 at%。根據(jù)本發(fā)明，表面層還可以具有(V98Zr2) α (NuCvOw) 其中α優(yōu)選地為50 at%。40彡α彡60，特別是45彡α彡55、優(yōu)選地
數(shù)α ο在這點(diǎn)上，本發(fā)明還涉及其中在表面層與基材之間還提供了另一個(gè)部分層的層體系，該部分層特別是直接施加在基材表面上的粘合層。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述部分層為組成為V97Zr3的粘合層，和/或組成為V8(lZi~2(l 的粘合層。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述部分層具有(Al55Ti45)vNs的組成，其中Y + δ = 100站％且40 ^ Y ^ 60，其中優(yōu)選地γ ^ 50，且所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。另一實(shí)施例涉及組成為(Al69Cr29Mg1Si1)vNs的部分層，其中γ + δ = 100站％且 40 ^ y ^ 60，且優(yōu)選地γ ^ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。所述部分層還可有利地具有(Al6tlCr3tlMg5Si5) YNS的組成，其中γ + δ = 100 at% 且40 < γ < 60，且優(yōu)選地γ ^ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。在另一種情形下，所述部分層具有(Cr91Ni3Al3Si3)vNs的組成，其中γ + δ = 100 站％且40 ^ Y ^ 60，且優(yōu)選地γ ^ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。在此，本發(fā)明還包括具有其它化學(xué)組成的進(jìn)一步的部分層。由此所述部分層也可以為TiN和/或Cr部分層，特別是粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。為優(yōu)化整個(gè)層的性能，所述部分層可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的梯度層例如從基材表面開始Cr含量遞增的TiCrN構(gòu)成，或由多層涂層構(gòu)成，例如Cr/CrN作為所述部分層中的層序列。本發(fā)明的層體系和/或部分層和/或表面層的例如HK 0.025硬度可以為 1500-3500，特別是 1900-3100，尤其是 2100-2900。所述層體系和/或部分層和/或表面層的厚度可有利地在0. 01 μ m-100 μ m之間， 特別是在0. 1 μ m-8 μ m之間，并優(yōu)選地在0. 2 μ m-7. 5 μ m之間，其中所述層體系的表面粗糙度艮在0. 2μπι-10μπι之間，尤其是在0. 5μπι-5μπι之間，優(yōu)選地在0. 5 μ m_l. 5 μ m之間， 和/或所述層體系和/或部分層和/或表面層的粘附強(qiáng)度在HF 1到HF 3的范圍內(nèi)，特別是為HF 2，優(yōu)選地為HF 1。
e 的組成，其中 u=0，v=100，w=0， e 的組成，其中 u=100，v=0，w=0， α ^ 50特別有利地適用于參
本發(fā)明還涉及用于制造本發(fā)明的層體系的涂覆方法，其中所述涂覆方法為PVD方法，優(yōu)選地電弧涂覆方法如電弧法、濺射法或電弧涂覆法與濺射法的組合方法。為了更好地理解本發(fā)明，表1示出了借助于電弧蒸發(fā)沉積的對比例VN (實(shí)施例A)、 VNC(實(shí)施例B)和根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的目的在于提高基于VN、VNC的純PVD層的硬度并由此提高耐磨性而不降低對待涂覆零件的粘附。V原子被^ 或其它金屬的部分取代將硬度提高了約10%，在此對于在氮化物層情形下的ττ取代著重考察了實(shí)施例1和實(shí)施例2相對于對比例Α。下表顯示了根據(jù)本發(fā)明的表面層的一些選出的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.用于在基材(100)表面、特別是在成形工具表面上形成表面層的層體系，其中所述層體系包括至少一個(gè)組成為(VaMebMcId)a(NuCvOw)0的第一表面層，其中對于層中存在的原子Va、Meb, Μ。、Xd, (a+b+c+d) = α，α =100%,對于層中存在的原子N、C、0， (11+計(jì)《) = 3，3=100%，層中所有原子的總和(0+日)=100 at%，其中適用40彡α彡80 at%，且其中]\feb為選自由化學(xué)元素周期表中的&、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ni、Cu、Sc、Y、La、 Ce、Pr、Nd、Pm, Sm組成的化學(xué)元素組的至少一種元素；M。為選自由Ti、Cr組成的化學(xué)元素組的至少一種元素Ad為選自由元素周期表中的S、k、Si、B組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，其中0彡u彡100，100和0彡w彡80，其特征在于50 ^ a ^ 99, 1彡b 彡50，0彡c彡50且0彡d彡20。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的層體系，其中40< α < 80，特別是45 < α <陽。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的層體系，其中80Sa。
4.據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中c=0且d=0且V=O且w=0o
5.據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中Mq為元素τχ。
6.據(jù)權(quán)利要求4或5所述的層體系，其中a=80。
7.據(jù)權(quán)利要求4或5所述的層體系，其中a=84。
8.據(jù)權(quán)利要求4或5所述的層體系，其中a=88。
9.據(jù)權(quán)利要求4或5所述的層體系，其中a=97。
10.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V95Me5)α (NuCvOw) 0的組成，其中u=30，ν=65，w=5，且其中Me優(yōu)選地為Ni。
11.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V96Me4)α (NuCvOw) 0的組成，其中u=65，v=25, w=10,且其中Me優(yōu)選地為Ce。
12.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V75Me15Xltl)aN0的組成，其中Me優(yōu)選地為Mo，和/或X優(yōu)選地為S。
13.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V75Me15Xltl)a (NuCvOw) 0 的組成，其中u=25，v=70, w=5，其中Me優(yōu)選地為Mo，和/或X優(yōu)選地為等份的Si和B。
14.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V75Me15Mltl)a (NuCvOw) 0 的組成，其中u=25，v=70, w=5, Me優(yōu)選地為Mo，和/或M優(yōu)選地為C，且α為52 at%。
15.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述表面層具有(V9Jr4)α (NuCvOw) 0的組成，其中 u=0，v=100，w=0，且 α =40 at%。
16.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中40^ α ^ 60，特別是45 ^ α ^ 55，優(yōu)選地α ^ 50。
17.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中在所述表面層與基材之間還提供了另一個(gè)部分層，該部分層特別是直接施加在所述基材表面上的粘合層。
18.權(quán)利要求17所述的層體系，其中所述部分層為組成為V97Zr3的粘合層。
19.權(quán)利要求17或18所述的層體系，其中所述部分層為組成為V8Jr^l的粘合層。
20.權(quán)利要求17-19中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層的組成為(Al55Ti45)vNs， 其中Y + δ = 100站％且40 ^ y ^ 60，優(yōu)選地γ 50，且所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
21.權(quán)利要求17-20中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層組成為(Al69Cr29Mg1Si1)YNS，其中Y + δ = 100站％且40 ^ y ^ 60，且優(yōu)選地γ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
22.權(quán)利要求17-21中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層組成為(Al6ciCr3tlMg5Si5) YNS，其中Y + δ = 100站％且40 ^ y ^ 60，且優(yōu)選地γ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
23.權(quán)利要求17-22中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層組成為(Cr91Ni3Al3Si3) YNS，其中Y + δ = 100站％且40 ^ y ^ 60，且優(yōu)選地γ 50，其中所述部分層特別是為粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
24.權(quán)利要求17-23中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層為TiN部分層，特別是粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
25.權(quán)利要求17-Μ中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述部分層為Cr部分層，特別是粘合層，尤其是直接施加在基材上的粘合層。
26.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述層體系和/或部分層和/或表面層的 HK 0. 025 硬度為 1500-3500，特別是 1900-3100，尤其是 2100-2900。
27.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述層體系和/或部分層和/或表面層的厚度在0. 01 μ m-100 μ m之間，特別是在0. 1 μ m_8 μ m之間，并優(yōu)選地在0. 2 μ m_7. 5 μ m 之間。
28.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述層體系表面粗糙度Rz在 0. 2 μ m-10 μ m之間，尤其是在0. 5 μ m-5 μ m之間，優(yōu)選地在0. 5 μ m_l. 5 μ m之間。
29.前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系，其中所述層體系和/或部分層和/或表面層的粘附強(qiáng)度在HF 1到HF 3的范圍內(nèi)，特別是為HF 2，優(yōu)選地為HF 1。
30.制造根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層體系(1)的涂覆方法，其中所述涂覆方法為PVD方法，優(yōu)選地為電弧涂覆方法如電弧法、濺射法或電弧涂覆法與濺射法的組合方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在基材(100)表面，特別是工具表面、尤其是成形工具表面上形成表面層的層體系，其中所述層體系包括至少一個(gè)組成為(VaMebMcXd)α(NuCvOw)β的第一表面層，其中對于層中存在的N、C、O原子，(a+b+c+d)=α，α=100%，層中所有原子的總和(α+β)=100at%，其中適用40≤α ≤ 80at%，且其中Meb為選自由化學(xué)元素周期表中的Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ni、Cu、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，Mc為選自由Ti、Cr組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，Xd為選自由元素周期表中的S、Se、Si、B組成的化學(xué)元素組的至少一種元素，且0≤u≤100，0≤v≤100和0≤w≤80。根據(jù)本發(fā)明，50 ≤ a ≤ 99,1 ≤ b ≤ 50,0 ≤ c ≤ 50且0 ≤ d ≤ 20。
文檔編號C23C14/06GK102333907SQ200980157517
公開日2012年1月25日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者?？纤?G., 韋特 J. 申請人:蘇舍梅塔普拉斯有限責(zé)任公司