專利名稱：具有含鋁鉻硬質材料層的工件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及的技術領域是一種涂有含至少一層權利要求1和2的組成為(AlyCr1-y)X的層的層體系的工件。本發明還涉及用于在權利要求16的工件上淀積至少一層(AlyCr1-y)X層的PVD方法。
詳細地說本發明包括·涂有硬質材料層的工件，其含一層或連續多層不同的鋁鉻氮化物層或鋁鉻碳氮化物層。
·含鋁鉻氮化物層或鋁鉻碳氮化物層的工具，特別是切削工具和成形工具(鉆頭、銑刀、轉位式刀片、絲錐、螺紋成形器、滾齒刀、沖頭、陰模、深沖陽模等)和這些工具的應用。
·含AlCrN或AlCrCN層的構件，特別是機械制造領域的構件如齒輪、泵、模座沖桿、活塞環、噴射器針閥、完整的軸承組或其各部件和這些構件的應用。
·制備具有確定層結構的鋁鉻氮化物層或鋁鉻碳氮化物層的方法。
由目前的現有技術已知各種AlCrN層。如JP 09-04127描述了下列組成的各種耐磨硬涂層(Al1-yXy)Z，其中X＝Cr、V或Mg，Z＝N、C、B、CN、BN或CBN，0＜y≤0.3。這種層曾有利地用于增加轉位式刀片的使用壽命。
D.Schulz和R.Wilberg在“Multicomponent hard thinfilms...”，Thin Films (Proc.4thint.Sympos.Trends & NewApplications of Thin Films 1993)DGM Info.gesellschaftOberursel，1993，第73頁中描述了一種CrAlN層，其在鉆孔試驗中達到了兩倍于涂TiAlN層的鉆頭的使用壽命。該層的淀積是用空心陰極工藝完成的，但由于其為間斷性的蒸發過程，所以在(CrAl)N層中引起鉻/鋁分布有很大波動。
M.Kawate等人在“Oxidation resistance of Cr1-xAlxN&Ti1-xAlxNfilms”，Surf & Coat.Tech.，第165卷，2，(2003)，163-167頁中提及一種Cr1-xAlxN層，在其高的Al含量和纖維鋅礦結構下比通常的TiAlN層有更佳的耐氧化性。
E.Lugscheider，K.Bobzin，K.Lackner在“Investigationof Mechanical & Tribol Properties of CrAlN+C Thin CoatingsDeposited on Cutting Tools”中比較了電弧放電的CrAlN層和還附加有更硬的含碳保護層的CrAlN層。所有的層均具有快速提高到高值的摩擦系數。
本發明的技術目的是提供一種涂有(AlyCr1-y)X的工件，如切削工具、剪切工具和模具或適于機械制造和模型制造的構件，以及提供一種在工件上淀積這類層的方法，并由此避免了現有技術的缺點。
其包括例如具有至少在Al/Cr的比方面是可調的均勻或可變的涂層組合物的工件，并且其至少在某些應用中具有比含至今已知層的工件有更高的耐磨性。
為試驗在各種工件上的(AlyCr1-y)N或(AlyCr1-y)CN層的耐磨性，在Balzers公司的RCS型的工業涂覆裝置中，也如在EP1186681的附圖3-6，說明書的第12頁第26行-第14頁第9行所描述的，在各種工件上淀積含不同鋁含量的Cr層。在此聲明，所述文獻作為本申請的組成部分。為此將凈化過的工件按直徑固定在兩倍的旋轉的基片載體上或對直徑小于50mm的工件固定在三倍的旋轉的基片載體上，并將2個鈦靶和由不同AlCr合金組成的經粉末冶金制備的4個靶裝入安裝在涂覆裝置壁上的6個陰極電弧源中。接著首先通過同樣安裝在所述裝置中的輻射加熱器將工件加熱到約500℃，并在壓力為0.2Pa的Ar氣氛中通過加-100至-200V的偏壓使表面經Ar離子侵蝕(rzreinigung)。
下面通過運行2個功率為3.5kW(140A)的Ti源，在壓力為3Pa的純氮氣氛中和基片電壓為-50V下于5分鐘內淀積約0.2μm厚的TiN粘附層，接著通過運行4個功率為3kW的AlCr源于120分鐘內淀積AlCrN層。為達最佳的層轉變，該源要共同運行2分鐘。之后同樣在壓力為3Pa的純氮氣氛和基片電壓為-50V條件下淀積基于AlCr的氮化物層。原則上可在每一步驟中將工藝壓力調到0.5-約8Pa，優選2.5-5Pa，這時對于氮化物層可應用純氮氣氮或氮與稀有氣體如氬的混合物，或對于碳氮化物層可應用氮和含碳氣體的混合物，其需要時可混入稀有氣體。因此為淀積含氧或含硼的層，如已知的可混入氧或含硼氣體。
表1中列出層特性如層的晶體結構、層厚、層硬度、與化學組成和晶體結構相關的AlCrN層的耐磨性和粘附性以及所用靶的組成。表2中列出工藝參數如靶功率、基片偏壓、工藝壓力和溫度。
表3中列出在應用含Al/Cr的比為3的靶并加有不同基片偏壓的條件下淀積AlCrN層時的測量序列。這時用Fraunhofer研究所-IST/Braunschweig的精密磨損測試儀測定耐磨性，為測定磨損率應用由DIN EN 1071-2改進的帽罩研磨法。該方法的細節參閱Michler，Surf.&Coat.Tech.，第163-164卷(2003)，第547頁，第1欄和
圖1。在此聲明，所述文獻作為本申請的組成部分。
下面將以實施例參照附圖詳述本發明。
附圖簡介圖1示出有B1和B4結構的AlCrN的XRD(x-射線衍射)譜，圖2示出與化學組成Al/Cr相關的AlCrN層的XRD譜A＝75/25，C＝50/50，D＝25/75。
如由表1和圖1所示和從Kawata，“Microhardness and latticeparameter of Cr1-xAlxfilms”J.Vac.Sci.Technol.A 20(2)，Mar/Apr 2002；第569-571頁已知，測得Al濃度大于層中金屬含量的70原子％時為六角形(B4)層結構，較小Al濃度時為立方形(B1)層結構。六角形層結構的HV值測定為約2100HV0.03，但立方形層結構的較高HV值測定為約2800-3100HV0.03(見表1)。在較高Cr含量(樣品D)情況下，其硬度為約2300HV0.03。在這種組成下，與如圖2A所示的高鋁含量層的AlN晶格不同，存在如圖2D中所示的CrN晶格。
接著在硬度為230HB的鋼材料DIN 1.2080上以進刀為0.12mm和切削速度為35m/min的條件按下面所示的實施例1測定涂覆有AlCrN的6mm HSS鉆頭的使用壽命。這時表明，與在JP 09-041127中以最有利描述的AlyCr1-yN的范圍1＜y≤0.7相反，鉻含量大于0.3證明是特別有利的。在Cr含量大于或等于0.8時，由于存在CrN晶格則適于該應用領域的效率又下降。與六角形的AlCrN層相比，在該試驗中立方形的AlCrN層的使用壽命的提高為235％。
對在Al含量為60-75原子％的轉變區的層，在工藝參數中不僅可調節擇優取向，而且可調節該晶體晶格的基礎結構。如在試驗B(表2)中，在1Pa的低壓力和-50V的基片偏壓下產生六角形結構，而在3Pa的壓力范圍和-50V的基片偏壓下產生立方形結構。因此在較低的偏壓和較低的壓力下淀積六角形結構，反之在較高壓力或較高偏壓下淀積優選的立方形結構。在更高的Al含量時不再可能產生立方形層結構。
因此本發明的工件的特征在于其具有下列組成的立方(AlyCr1-y)X涂層X＝N或CN，但優選N，和0.2≤Y＜0.7，優選0.40≤Y≤0.68。該層結構是平均粒度約為20-120nm的微晶。
本發明方法的特征在于可淀積具有上述定義組成的立方形的(AlyCr1-y)X層的程序。對于所述的陰極電弧方法，可有利地應用鋁含量為75-15％的靶組成。在高的鋁含量下可按上述調節工藝參數，以產生立方形的晶體結構。
應用粉末冶金，特別是通過冷壓制備的靶是有利的，該靶與以熔體冶金或燒結冶金制備的AlCr靶(該靶特別在高Al含量下大多含脆性相)相比具有更高的強度。
這類靶通過混合粉末狀原料經冷壓制，并接著通過多次變形如在鍛壓機中于低于660℃下在流動和冷熔條件下密實，使其最終理論密度約為96-100％。
此外可證實，在例如用組成為Al/Cr＝3的靶所淀積的AlCrN層情況下，通過基片偏壓可影響耐磨度。隨基片偏壓的提高降低了耐磨損性(見表3)。在表中未明顯示出的非常小的僅幾伏(3-10V和其間任何值)的負的基片偏壓下，與浮置基片(無外電源)相比已可達到明顯的改進。對Al/Cr＝3，在約-20V時的耐磨性達最大，并在較高偏壓下又下降。由測定磨損特性的試驗推出，最佳基片偏壓范圍為3-150V，特別是5-40V，在這之間測得非常小的磨損率即0.4-1.0，特別是0.4-0.8m3m-1N-110-15。同樣也適于本發明的即不同Al/Cr組成的立方形層在此情況下也未測得高于1.5m3m-1N-110-15的磨損率。但要指出的是，浮置的和由高基片偏壓淀積的層的耐磨性明顯大于已知的其磨損系數明顯更高的TiAlN層的耐磨性。例如對類似于AlCrN層所淀積的TiAlN層(實驗2，Al為47原子％，Ti為53原子％)測得的磨損率為3.47m3m-1N-110-15。
通過上述方法，特別是通過應用由粉末冶金制備的TiAl靶可淀積有低粗糙度的層。所測得的Ra值為0.1-0.2μm，如相應制備的CrN層也處于此范圍內。該層的進一步磨光是應用包括兩個相對置極化的磁場系統發生裝置產生的，該裝置的設計使所產生的磁場的垂直于表面的分量B在該表面上大部分位置具有基本恒定的小值或是零。該垂直的磁場分量B調節為小于30，優選小于20，特別優選小于10高斯。由此淀積的(AlyCr1-y)X層的Ra值為0.05-0.15μm。該磁場通過在靶后安裝的兩個對置極化的同軸線圈產生。
此外，在淀積(AlyCr1-y)X層時也可應用另一種優選有良好導電性的氮化物粘附層或金屬粘附層，或在某些應用中也可不用這種粘附層。例如為達到特別高的生產率，可涂覆AlCr/AlCrN粘附層以代替TiN粘附層，由此可為涂覆裝置的所有弧源提供AlCr靶，并提高涂覆率。
如果利用具有不同Al/Cr比的兩種靶類型或從Cr粘附層和/或CrN粘附層開始通過如連續調節或分步調節含Cr靶和含AlCr靶的涂覆室的相應的靶功率實現改變層組成時，也可淀積例如朝向表面具有不斷增加的Al含量的梯度層。為這種層體系的工業應用，基本上可在整個涂覆過程可再現地調節工藝參數并由此調節整個層厚。在組成中的最小波動，如通過例如在單次或多次旋轉的基片載體上的基片移動所引起的波動也可用于部分或在整個層厚上形成的鈉米結構，即納米范圍或微米范圍的疊層。這時在應用非合金鉻靶和鋁靶時可因工藝不同淀積出比應用合金AlCr靶時更粗結構的硬質層。
但是由現有技術已知的工藝對此是不大合適的，在這些工藝如蒸發工藝中至少部件之一是難以控制的或是間斷性的，因為由此達不到可再現的層品質。
當然也可用其它真空涂覆裝置或如通過濺射過程制備這類層，但從原理上看在濺射過程中的工藝氣體的較小電離有時可通過已知的措施如特定的粘附層、附加電離等來補償，以達到堪相比較的層粘附性。
原則上可用具有立方形結構的這種Cr1-xAlxN層有利地涂覆完全不同的工件。對此的實例是如切削工具如銑刀、滾齒刀、球形銑刀、平面銑刀和成形銑刀，以及適于旋轉加工和銑削加工的鉆頭、絲錐、拉刀、鉸刀和轉位式刀片或成形工具如沖頭、陰模、環形拉模、噴射器芯或螺紋成形器。如適于金屬注塑合金、人造樹脂或熱塑性塑料的注塑工具，特別是如可用于制備塑料模塑件或數據載體如CD、DVD等的注塑工具也可有利地用這類層保護。另一應用領域是對耐磨性有高要求、有時還伴有耐氧化性的要求的構件。例如泵制造和馬達制造中的密封環、活塞、沖頭、齒輪和閥門驅動件如模座沖桿和搖桿，或噴射嘴的針閥、壓縮機軸、泵心軸、或其上安裝有一個或多個嚙合部件的構件。
此外，如果在下列層體系情況下，選擇靶組成和涂覆參數以實現立方形層結構，則原則上可預計(AlyCr1-y)X層的類似方法也能改進磨損特性。
(AlyCr1-y)X層，其中x＝N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO、CBNO，但優選N或CN，并且0.2≤y＜0.7，優選0.40≤y≤0.68。
由此淀積了具有不同N/O比的(Al66Cr34)NO層，并對其層特性進行過測試。該涂覆參數選擇與上述類似。在氧流為20-60sccm(其余為氮)下總壓力調節為1-5Pa，、基片偏壓調節為-40至-150V、溫度調節為450℃和電流為140A時的源功率調節為3.5kW。這時制備得O/N比約為0.2、0.6和2.2的層。在各種銑削試驗中表明該以較低氧含量覆蓋的層。該結果比含通常的TiN或TiCN的層有明顯高的使用壽命。
通過與已知的TiAlN層相比的經改進的上述(AlyCr1-y)X層的滑動特性，產生了一種從生態和經濟觀點來看是有利的可能性，即在工具特別是切削工具和成形工具運行時，不需使用潤滑劑或僅使用最少量的潤滑劑。從經濟觀點要考慮到特別在切削工具情況下，用于冷卻潤滑劑的成本可能比工具本身還要貴許多。
如果還涂有滑動層作為最外層，則產生另一種可改進含本發明的(AlyCr1-y)X層的層體系的滑動特性的可能性。這時當滑動層的硬度小于(AlyCr1-y)X層并具有滾切特性(Einlaufeigen-schaften)是有利的。
該滑動層體系可由至少一種金屬或至少一種金屬的碳化物和分散的碳，即MeC/C形成，其中金屬為IVb、Vb和/或VIb族金屬和/或硅。例如具有在1000-1500HV之間可調的硬度的WC/C保護層對此是尤其合適的。CrC/C層表現出類似的性質，但有稍高的磨擦系數。
在這種含涂層的深孔鉆頭情況下，經制備1-3個鉆孔后證實了該切削面的優異滾切滑動性，這種滑動性目前僅通過昂貴的機械加工才可達到。這種特性特別是對具有滑動要求、摩擦要求或滾動要求的構件應用，尤其在無潤滑或干運行情況或當同時應保護不含涂層的對應體時是有利的。
形成封閉的滑動層的另一些可能性是不含金屬的類金剛石的碳層，如MoSx層、WSx層或含鈦的MoSx層或MoWx層。
該滑動層如所提及的可直接涂于(AlyCr1-y)X層上或在涂覆另外的粘附層后涂覆，該粘附層可以是金屬、氮化物、碳化物、碳氮化物或作為在(AlyCr1-y)X層和滑動層之間具有如連續過渡的梯度層，以導致層復合體的盡可能好的粘附性。
例如WC/C層或CrC/C層可在涂覆經濺射或電弧放電的Cr粘附層或Ti粘附層后在加入含碳氣體下通過WC靶的濺射制備。這時該含碳氣體的含量隨時間而增加，以在該層中達到較高的游離碳含量。
下面示例性給出在使用各種切削操作時含不同(AlyCr1-y)X硬質層的工具的其它有利的應用。
實施例1結構鋼的銑削工具立銑刀，硬質金屬直徑D＝8mm，齒數z＝3材料結構鋼Ck45，DIN 1.1191銑削參數切削速度vc＝200/400m/min進刀速度vf＝2388/4776mm/min徑向嚙合寬ae＝0.5mm軸向嚙合寬ap＝10mm冷卻乳液5％工藝順銑磨損準則切削表面磨損VB＝0.12mm
實施例1表明在不同切削參數下試驗的含涂層的HM銑刀的使用壽命的比較。
明顯看出，與至今在工業上所應用的層體系如TiCN和TiAlN相比，該所述的AlCrN層具有較長的使用壽命。此外由結果看出，如在含高Al含量的實施例1情況下，只要保持立方形的B1結構。則提高了耐用特性(比較實驗3、5、6)。這主要歸因于高Al含量提高了耐氧化性和硬度(見表1)。正是在干式加工和高速度加工(如vc＝400m/min)的范圍內，該AlCrN涂層的非常好的耐氧化性導致了該結果。此外在該試驗中還證實，在該晶體晶格從B1轉變為B4結構時使磨損特性惡化(比較實驗3和4)。
實施例2奧氏體鋼的銑削工具立銑刀，硬質金屬直徑D＝8mm，齒數z＝3材料奧氏體鋼X6 CrNiMoTi 17 12 2，DIN 1.4571銑削參數切削速度vc＝240m/min齒進刀fz＝0.08mm徑向嚙合寬ae＝0.5mm軸向嚙合寬ap＝10mm冷卻乳液5％工藝順銑磨損準則切削表面磨損VB＝0.1mm
實施例2表明含涂層的HM銑刀的使用壽命的比較。與在工業上所應用的硬質層相比，該AlCrN層實現了改進的磨損性。在AlCrN情況下的使用壽命的提高一方面是通過該第二合金元素Cr的至今尚未得以證實的與在TiAlN層中的Ti相比的較小傾向于材料潤滑和另一方面通過如表1所示的本發明AlCrN層(A、B、D)的優良耐磨損性及高硬度所達到的。
實施例3淬硬鋼的銑削工具球形銑刀，硬質金屬直徑D＝10mm，齒數z＝2材料K340(62HRC)，對應于C 1.1％、Si 0.9％、Mn 0.4％、Cr8.3％、Mo 2.1％、V 0.5％銑削參數切削速度vc＝0-120m/min齒進刀fz＝0.1mm徑向嚙合寬ae＝0.2mm軸向嚙合寬ap＝0.2mm冷卻干式工藝順銑和逆銑，精加工磨損準則切削表面磨損VB＝0.3mm
實施例4工具鋼的粗銑削工具立銑刀，硬質金屬直徑D＝10mm，齒數z＝4
材料工具鋼X38CrMoV51，DIN 1.2343(50HRC)銑削參數切削速度vc＝60m/min齒進刀fz＝0.02mm徑向嚙合寬ae＝2mm軸向嚙合寬ap＝10mm冷卻干式工藝順銑和逆銑，粗加工磨損準則切削表面磨損VB＝0.1mm
實施例3和實施例4表明與工業上應用的TiAlN層相比的AlCrN層的經改進的耐用路程。AlCrN適用于即也特別適用于干式加工，該干式加工對耐氧化性和耐磨損提出了高的要求。
實施例5在工具鋼中鉆孔工具鉆頭HSS(S 6-5-2)，直徑D＝6mm材料工具鋼X210Cr12，DIN 1.2080(230HB)鉆孔參數切削速度vc＝35m/min進刀f＝0.12mm鉆孔深度z＝15mm，基孔(Grund-loch)冷卻乳液5％磨損準則扭矩停鉆(相應于角磨損≥0.3mm)
實施例6表明具有不同Al含量的AlyCr1-yN/AlyCr1-yCN層的HSS鉆頭的單位層厚可鉆孔數的比較。
該層以表2中的參數制備。這時表明隨鋁含量增加該使用壽命提高，直到金屬含量中的鋁含量近70％。但當鋁含量的繼續增加并由此淀積出具有六角結晶結構的層時其效能明顯下降。在41.5-69.5％的Al(實驗15、17)范圍內時，與現有技術(實驗18)相比，已證實適于此應用的效能有明顯提高。
實施例6在Ck45中鉆深孔5xD工具硬質金屬鉆頭，直徑D＝6.8mm材料結構鋼1.1191(Ck45)鉆孔參數切削速度vc＝120m/min進刀f＝0.2mm鉆孔深度z＝34mm，基孔冷卻乳液5％磨損準則角磨損VB＝0.3mm
實施例6表明在鉆孔應用中與工業所用的TiAlN層相比該AlCrN層增加了耐用路程。本發明的AlCrN涂層的改進的耐磨損性導致了該結果。
此外，如在實驗20中所述的鉆頭經涂覆Cr粘附層后提供有WC/碳滑動層，在其它相同的試驗條件下可部分達到使用壽命的明顯提高。同時進行的扭矩測定也表明比無滑動層的情況有明顯小的扭矩。再則，在鉆孔上有較好的表面品質，并且直到使用壽命快終結前也被證實無由過度溫度應力所引起的變色。
實施例7在奧氏體鋼中的鉆螺紋2xD工具絲錐HSS，螺紋尺寸M8材料奧氏體鋼1.4571(x6CrNiMoTi17/12/2)
切削參數切削速度vc＝3m/min螺紋深度2xD螺紋類型盲孔螺紋數6冷卻乳液5％磨損準則扭矩依螺紋數的變化，經64螺紋后以目測進行磨損判定。
表中(1)的說明+在鉆螺紋時有合格的磨損特性++在鉆螺紋時有好的磨損特性+++在鉆螺紋時有非常好的磨損特性與現有技術(TiCN)相比，所有的AlCrN層的平均最大切削扭矩均有下降。此外，由于高的鋁含量層的非常好的耐磨損性，因此比TiN有更好的磨損性能。但是在該實施例中可能是由于鋁的粘附傾向，其導致了材料潤滑和進一步導致脫層，實驗23的層比實驗22的層有更好的磨損圖案。
此處，如在實驗22和23中所述的絲錐經涂覆AlCr粘附層后提供有WC/碳滑動層，或經涂覆Ti粘附層后提供有含Ti的MoS2層，在其它相同的試驗條件下也可達到使用壽命的提高和所加工材料的較好的表面品質。
實施例8在Cr-Mo鋼上的滾齒銑削工具滾齒刀材質DIN S6-7-7-10(ASP60)直徑D＝80mm，長L＝240mm，模數m＝1.525切削槽嚙合角α＝20°，標準齒形剖面2，齒數50，行程寬25mm材料Cr-Mo鋼DIN 34CrMo4切削參數切削速度vc＝260m/min進刀2mm/U件數300冷卻干式切削，用壓縮空氣去除切屑
在實驗25-30中，在干式切削中試驗了由粉末冶金制備的高速鋼(HSS)制成的具有不同層體系的各種滾齒刀。其中用含本發明涂層的工具(實驗29和30)比含已知涂層TiCN或TiAlN銑刀有明顯改進。同樣也發現，含低的Al-含量(實驗28)或存在六角形晶體結構的含太高的Al-含量(實驗27)的AlCrN-層均對磨損起較小的保護作用。
下面的實驗31-33也表明含立方形晶體晶格即基本上呈化學計算量的氮含量和66％的Al含量的本發明的AlCrN層的明顯的優越性。這時對由PM HSS或硬質金屬制備的滾齒刀在干式切削和在乳液潤滑切削中進行了試驗。
實驗31滾齒銑削工具PM HSS直徑D＝80mm，長L＝240mm材料16MnCr5切削速度180m/min，干式切削(Al0.42Ti0.58)N，Balinit NANO1809件
(Al0.63Ti0.37)N，Balinit X.CEED2985件(Al0.66Ti0.34)N5370件實驗32滾齒銑削工具硬質金屬(HM)直徑D＝60mm，長L＝245mm模數1.5嚙合角α＝20°材料42CrMo4切削速度350m/min，干式切削(Al0.41Ti0.59)N，Balinit X.TREME1722件(Al0.63Ti0.37)N，Balinit X.CEED 2791件(Al0.66Ti0.34)N ＞3400件實驗33滾齒銑削工具PM HSS模數2.5材料16MnCr5切削速度140m/min，乳液TiCN，Balinit B 1406件(Al0.42Ti0.58)N，Balinit NANO1331件(Al0.66Cr0.34)N 1969件另外，在這里未詳細列舉的實驗也表明，在較高的切削速度范圍即達vc＝450m/min時還可有優良的穩定性。含涂層的硬質金屬滾齒刀的使用壽命在濕式加工和特別是干式加工時均有明顯提高。
實施例9工具鋼的粗銑削工具立式銑刀HSS直徑D＝10mm，齒數z＝4材料工具鋼X40CrMoV51，DIN 1.2344(36HRC)銑削參數切削速度vc＝60m/min齒進刀fz＝0.05mm徑向齒合寬度ae＝3mm軸向齒合寬度ap＝5mm
冷卻乳液5％工藝順銑，粗加工磨損準則切削表面磨損VB＝0.1mm
HSTiN粘附層puls 脈動偏壓實施例10淬硬的表面硬化鋼的外縱向車削工具具有焊接的CBN-嵌件的車削刀材料表面硬化鋼16MnCr5，DIN 1.7131(43-62HRC)車削參數具有斷續的切削和部分薄的壁厚的硬-軟加工冷卻干式磨損準則達切削表面磨損VB＝0.1mm時件數。
用粉末冶金制備的由TiN、TiC或Ti(CN)硬質相，在個別情況下添加有鉬和/或鉭的這些相組成的金屬陶瓷也產生類似結果。這時應用Ni或Ni/Co作為粘結相。
實施例11在鍍鋅板中螺紋成形實驗43工具HSS M9螺紋成形器材料DC01相應于DIN 1.0330，St 12 ZE核心孔直徑8.34mm切削參數55m/s
轉數切削2000轉/分鐘轉數反向3600轉/分鐘潤滑S26 CATiN3200螺紋TiCN 3200螺紋TiAlN 3500螺紋(Al0.66Cr0.34)N8800螺紋用含涂層的CBN(立方形氮化硼)或金屬陶瓷工具的試驗由CBN含量為30-99體積％并其它為粘合劑的各種CBN燒結材料制成的轉位式刀片一方面按實驗8涂覆已知的TiAlN層和另一方面按實驗3、5和6涂覆本發明的AlCrN層。但由于該CBN燒結材料對侵蝕工藝和涂覆工藝的非導電特性，所以加上中頻范圍的脈動基片偏壓，優選頻率范圍為20-250kHz。
對含CBN達90％的材料應用一種粘結劑粉末，該粘結劑粉末至少由下列成分的一種組成Ti族、V族或Cr族，即IVa族元素、Va族元素和VIa族元素的氮化物、碳化物、硼化物和氧化物以及鋁或Al化合物。
對含CBN達95％的材料應用一種粘結劑粉末，該粘結劑粉末由氮化鈦和至少由下列成分的一種組成鈷、鎳、碳化鎢、鋁或鋁化合物。
對含CBN大于90％的材料應用一種粘結劑粉末，該粘結劑粉末由氮化鈦和至少由下列成分的一種組成堿金屬或堿土金屬的硼化物或硼氮化物。
在接著進行的車削試驗和銑削試驗中，在大部分情況下可證實比TiAlN層有明顯改進的磨損性能。在特別耗費的外縱向切削試驗中也得同樣結果，在該試驗中以部分斷續切削加工有復雜幾何形狀的僅部分淬硬過的軸。
實施例12熱鍛造工具鍛造鉗4 St，220×43×30mm，厚本板W360，硬度54HRC，4個工具同時呈嚙合工件圓材料直徑22mm，材料42CrMo4工藝成形前工件溫度1050℃壓制力57t/每鉗冷卻Molicote+石墨
HSTiN組成的粘附層實施例13熱卷邊工具HM熱熔鉆頭(Flowdrill)直徑10mm工件1.0338工藝該工具以約2800轉/分鐘轉速和對工件以3000N壓下壓制。通過動力學能量該工件達赤紅即約(1000℃)而變形。
HSTiN組成的粘附層實施例14沖孔工具1.2379，長孔沖頭20mm×10mm工件TRIP 700，1.2mm厚工藝剪切切削，切削間隙10％，500沖程/min，切削力20kN。
HSTiN組成的粘附層表1
表2表權利要求
1.一種涂有含至少一層組成為(AlyCr1-y)X的層的層體系的工件，其中X＝N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO或CBNO，并且0.2≤y＜0.7，在層中的層組成基本上是恒定的或經層厚度呈連續或分層次地變化，該工件是下列工具之一銑刀，特別是滾齒刀、球形銑刀、平面銑刀或成形銑刀；適于旋轉加工和銑削加工的拉刀、鉸刀、轉位式刀片；模具或注塑工具。
2.一種涂有含至少一層組成為(AlyCr1-y)X的層的層體系的工件，其中X＝N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO或CBNO，并且0.2≤y＜0.7，在層中的層組成基本上是恒定的或經層厚度呈連續或分層次的變化，該工件是構件。
3.權利要求2的構件，其特征在于，該構件是密封環、齒輪、活塞、閥門驅動件或噴射嘴的針閥，或是嚙合部件。
4.權利要求1的工具，其特征在于，該工具是成形工具，特別是沖頭、陰模、環形拉模、噴射器芯、螺紋成形器、沖孔工具。
5.權利要求1的工具，其特征在于，該工具是熱成形工具，特別是鍛造工具、卷邊工具、沖孔工具。
6.權利要求1的工具，其特征在于，該工具是用于制備塑料模制件或數據載體的注塑工具。
7.權利要求1的工具，其特征在于，該工具具有CBN或金屬陶瓷基體，或者該工具是CBN或金屬陶瓷轉位式刀片。
8.上述權利要求中任一項的工件，其特征在于，所述(AlyCr1-y)X層呈立方形晶體結鉤。
9.上述權利要求中任一項一的工件，其特征在于，所述(AlyC1-y)X層的磨損率小于或等于1.5m3m-1N-110-15。
10.上述權利要求中任一項的工件，其特征在于，所述(AlyCr1-y)X層的維氏硬度為2300-3100。
11.上述權利要求中任一項的工件，其特征在于，所述(AlyCr1-y)X層的層結構是微晶，其平均粒度為20-120nm。
12.上述權利要求中任一項的工件，其特征在于，在該工件和(AlyCr1-y)X層之間涂有粘附層。
13.權利要求12的工件，其特征在于，粘附層包括至少一種IV、V或VI副族金屬或者鋁。
14.權利要求12或13中任一項的工件，其特征在于，粘附層至少包括IV、V或VI副族的一種或多種金屬的氮化物、碳化物或碳氮化物。
15.上述權利要求中任一項的工件，其特征在于，在所述至少一層(AlyCr1-y)X層上還有一層滑動層。
16.權利要求15的工件，其特征在于，該滑動層包括至少一種含分散碳的金屬碳化物即MeC/C、類金剛石的碳層、含硅或含金屬的類金剛石的碳層、MoSx層、WSx層或含鈦的MoSx層或MoWx層。
17.一種用于在工件上淀積至少一層(AlyCr1-y)X層的PVD方法，其中X＝N、C、B、CN、BN、CBN、NO、CO、BO、CNO、BNO或CBNO，并且0.2≤y≤0.7，方法中在含至少一個0.25≤z≤0.75的AlzCr1-z靶的真空涂覆裝置中置入至少一個工件，并在壓力為0.5-8Pa和加入含氮、含碳、含硼或含氧的反應性氣體，并在工件上施加-3至-150V的基片偏壓的條件下用電弧源或濺射源如此運行，以使在至少一層(AlyCr1-y)X層內的層組成基本上呈恒定或經層厚呈連續或分層次的變化。
18.權利要求17的PVD方法，其特征在于，X＝N，并且反應性氣體是氮氣或氧氣。
19.權利要求17-18的PVD方法，其特征在于，基片偏壓是脈動的。
20.權利要求17-19的PVD方法，其特征在于，AlzCr1-z靶是粉末冶金制備的靶。
21.權利要求20的PVD方法，其特征在于，應用一種靶，該靶通過混合粉末狀原料經冷壓制，并接著通過多次變形例如在鍛壓機中于低于660℃溫度下在流動和冷熔條件下密實，使其最終理論密度約為96-100％。
22.一種用于加工材料的方法，其特征在于，應用權利要求1的工具。
23.權利要求22的方法，其特征在于，加工在不加潤滑劑或冷卻劑的條件下進行。
24.權利要求22-23的方法，其特征在于，所述工具是硬質金屬滾齒刀或HSS滾齒刀，并且切削速度為60-450m/min。
25.權利要求22-23的方法，其特征在于，所述工具是立式銑刀、球形銑刀或粗銑刀。
全文摘要
本發明涉及一種含層體系的工件或構件，該層體系含至少一層組成為(Al
文檔編號C23C30/00GK1813078SQ200480018278
公開日2006年8月2日 申請日期2004年3月24日 優先權日2003年4月28日
發明者V·德爾夫林格, A·賴特, C·蓋 申請人:尤納克西斯巴爾策斯公司