[发明专利]用于工件的耐磨硬涂层及其制备方法

说明书

本申请是以下申请的分案申请：申请日2008年3月3日，申请号200880009561.0，发明名称“用于工件的耐磨硬涂层及其制备方法”。

发明背景

本发明涉及经设计用于用工具加工（tooling）难于机械加工（machine）的材料（例如硬化工具钢、不锈钢和钛合金）的硬的耐磨涂层。这种极端的机械加工条件的应用需要具有优秀耐磨性、热硬性和耐氧化性以及高韧性和良好粘附性的涂层。

本发明进一步涉及这种耐磨涂层的制备方法，即规定的PVD电弧蒸发方法（defined PVD arc evaporation process）。

其进一步涉及涂覆的工件，特别是具有由烧结碳化物（cemented carbide）、金属陶瓷（cermet）、立方氮化硼（CBN）或高速钢制成的主体的工具。

现有技术

AlTiN是广泛用于硬化钢的机械加工的PVD涂层。然而，AlTiN如果用作单一层或由不同Ti/Al/N化学计量的子层构成的多层，其可以在至多不超过900℃用于工具加工应用，因为依赖于铝/钛比，随着温度高于800℃至850℃，其硬度就开始变差。

因此，US 2005-0003239将AlCrN涂层施加于工件，以提高其耐氧化性。已知该涂层在不超过1100℃具有良好的耐氧化性和热硬性，具体依赖于铝/铬比。这种涂层有助于提高用于很多工具加工应用的铣削性能，然而不能显著提高更难于机械加工的材料（例如硬化工具钢、高速钢、钛和镍合金和奥氏体钢）的工具加工性能。与此类似，申请WO-2006/005217、WO-2006/084404和US 2006-0222893也通过使用不同的多层和/或在AlCrN基质中引入其他元素来试图进一步优化该涂层的耐氧化性和/或（热）硬性。

EP 1690959公开了另一种声称在硬化钢的切削方面取得进展的涂层。该涂层包括基于不同Al和Si化学计量的(TiAlSi)N的双层系统。

US 2006-0269789公开了用于高速切削高硬度材料的硬多层。该多层包括基于TiAlCrNX（X＝C或O）的第一涂层、TiAlCrNX和TiAl(SiC)NX的混合物的第二涂层或这种交替层的多层、和基本由TiAl(SiC)NX构成的第三最外涂层。

尽管这种层系统在耐磨性和耐氧化性方面可以取得某些进展，但似乎仍需要进一步改进在上述对材料进行机械加工方面有难处的带涂层切削工具的性能。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供优化的硬涂层和工件，特别是涂覆有硬涂层的切削工具，所述硬涂层用于改善在对材料（例如高速钢、钛合金、镍合金、奥氏体钢，特别是例如具有高于50，优选高于55 HRC的硬度的硬化工具钢的硬材料）进行机械加工方面有困难的工具加工性能。本发明的另一目的是在不丧失AlCrN的优秀氧化性和热硬性的情况下提供这种涂层。通过下面和权利要求1和2中所示的本发明的前两个方面中的任一方面可以实现这些目的。本发明的第三个目的是提供依照权利要求12的用于制备用于机械组件的元件（例如模具和模头）的改进的切削工具，和其他切削工具（例如刀刃）以及用于执行依照权利要求16的这种操作的切削方法。一个应用焦点是在例如成本降低、制备程序的优化和工件表面粗糙度改进方面对铣削操作中切削性能进行改进。本发明的第四个目的是提供用于制备依照权利要求13的本发明涂层和本发明工具的PVD方法。

令人惊奇的是，通过本发明的第一方面的工件可以解决本发明的第一和第二个目的，该工件具有表面，其中所述表面的至少一部分涂覆有通过PVD方法沉积的耐磨多层式硬涂层，该硬涂层包括至少第一支撑层和包含纳米晶体硅的第二层，该第一层位于在该工件和该第二层之间。

第一层包含以下组成的涂覆材料：(Ti_aAl_1-a)N_1-x-yC_xO_y，其中0.4<a<0.6，0≤x和y<0.3。可替代地，该第一层可以包含(Al_bCr_1-b)N_1-x-yC_xO_y，其中0.5<b<0.7，0≤x和y<0.3。