[发明专利]具有较高热稳定性的Al-Cr-O基涂层及其制造方法

说明书

本发明涉及用于制造Al‑Cr‑O基涂层的方法，该涂层包括在工件表面上的至少一个Al‑Cr‑O基膜或Al‑O基膜，其中该方法包括以下步骤：a)将至少一个具有待涂覆表面的工件安放在真空室内，b)在待涂覆的工件表面上沉积含有铝和铬的膜A，其中在该膜中的按原子百分比的铝铬比具有对应于Al/Cr≤2.3的第一值，其中该方法还包括以下步骤：c)形成Cr‑O的不稳定化合物例如CrO₃和/或CrO₂，由此造成该膜A所含的至少一部分铬以Cr‑O不稳定化合物的形式离开该膜，d)在一个时间段内执行步骤c)，在此期间，在该膜A内的铬含量被减少直至获得在该膜A中按原子百分比的铝铬比的第二值，由此膜A被转变为膜B，膜B含有的减少的铬含量，对应于按照如下比例的铝铬，该比例对应于比例Al/Cr≥3.5或对应于按原子百分比的0％或约0％的铬含量。

本发明涉及具有较高热稳定性的Al-Cr-O基涂层和制造这种本发明涂层的方法。

背景技术

含铝铬氧化物的涂层以及含铝铬氮化物的涂层(也分别称为Al-Cr-O基涂层和Al-Cr-N基涂层)通常通过阴极电弧蒸镀(以下也缩写为CAE)来合成。它们是广泛用于涂覆不同类型的工具如切割刀具、成形工具和铣削刀具的材料。

这些材料尤其因显示出出色的热学-机械性能和高的耐磨和耐氧化性能而被熟知。

但是，当前对刀具和部件的性能和寿命的进一步增长的需要要求甚至是对早就得到广泛认可且广泛使用的涂覆材料的改进。

在机加工作业如干法高速切割中，保护性涂层应该承受高达1000℃的温度、甚或更高的温度。

因此，被设计用于在经济便利条件下有效执行的涂层不得不满足几个标准，这些标准表现出复杂相互关联性。

许多含铝过渡金属氮化物例如(Al_xCr_1-x)N的机械性能和热稳定性取决于氮化物所含的铝含量。

显示出单一面心立方相(以下也缩写为fcc)的机械性能理想的涂层的合成一般受到对应于按原子百分比的约为x≈0.7的铝分数(以下也称为摩尔分数)的最大固溶度的限制。这种限制的理由是超出该分数值时，在通过CAE制成的涂层中观察到由fcc相和六方纤锌矿相(以下也缩写为w)构成的双相混合物。

已经观察到，为了获得最佳机械性能，fcc相的存在是必需的，优选为单相。

但已经观察到可以通过增大涂层中的铝含量来提高热稳定性。

因此缘故，合成显示出fcc单相和对应于尽可能接近阈值x＝0.7的值的铝摩尔分数的(Al_xCr_1-x)N涂层被认为是最有利的。

在通过PVD工艺的(Al_xCr_1-x)N涂层的单体生长(即作为单层)和多层生长过程中，已经观察到(Al_xC_1-x)N的fcc单相分解成氮化铝的纤锌矿相(以下也缩写为w-AlN)和铬的体心立方相(以下也缩写为bcc-Cr)，这是通过中间生成的氮化铬六方相(以下也缩写为h-Cr₂N)的氮的释放而形成的。

这样的相变，尤其当涉及到大的体积变化和质量损失时，显著削弱涂层性能。因此，找到一种在应用温度甚或更高温度可抑制引发这种相变的可行方式将会是符合希望的。

铝和铬与氧而不是氮的化合引起了截然不同的材料性能，例如在氧化氛围中的甚至更高的热稳定性和热阻率。

被用来改善机加工刀具性能的Al₂O₃涂层通常通过在800-1000℃之间的温度进行的化学气相沉积(以下也缩写为CVD)工艺制造。这种涂层一般显示出alfa结构或kappa结构(以下也分别缩写为α结构和κ结构)地生长，并且已知能提供出色的磨损保护和高的热硬度。