[发明专利]层体系以及用于制造层体系的涂覆方法

说明书

本申请是申请号为200980157517.9（PCT/EP2009/058322）、申请日为2009年7月2日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于在基材上，特别是在工具表面上、具体地说在用于成形的工具表面上形成表面的层体系，以及根据相应类型的独立权利要求的前序部分所述的用于制造层体系的方法。

背景技术

高效工具和零件的制造一般是通过涂覆其表面来实现的。一类重要的所述涂覆基材是工具，其中特别是用于成形的工具，还有切削工具和零件，在所有可能的实施方案中尤其是机器的磨损件。被涂覆的典型基材材料特别是工具钢和硬质合金，以及所有可能的其它基材材料。

在这方面,这些材料的涂覆中已知的问题是两种材料在约500℃左右的空气中氧化速度高，而且在较低温度(对于HSS为约550°，对于硬质合金为约650℃)下就已经软化。而且，除磨耗之外在成形时还存在玷污待处理材料的讨厌现象。因此，向工具表面提供了可显著减少所述磨损过程和所述玷污的适合的保护层。

在这点上，现有技术已知的硬质材料层往往基于传统的化合物如TiN、TiNC、CrN，借助于PVD工艺或CVD工艺沉积。这类层只能有条件地用于承受高载荷的工具。这些已知的硬涂层由此由于其特定的物理特性而在其应用领域方面，特别是在其温度载荷能力方面存在限制。一方面，在升高的温度下硬度显著下降；另一方面，在较低温度下就已开始氧化，这会导致在工作温度下增加的层磨损。

为解决此问题，主要开发了两类层，它们具有在直至1000℃范围内的抗氧化性且在硬度方面具有提高的性能。

其中一类层涉及含铝的基层如AlTiN和AlCrN，其中根据要求还可作为合金加入其它元素。此范围内的典型化合物为AlTiXNCO型的化合物，其中X为例如Cr或另一金属。这类层在切削以及成形时都对于磨损显示出性能的提高。这可以由在工作温度下硬度的提高以及抗氧化性的提高这些积极变化推知。

现有技术中为提高涂层工具(主要是切削工具)的性能而采取的另一种路线是将传统的硬质材料层作为载体层与作为功能层的面层相结合。在这里，作为面层尤其要提及MeSiXNCO层形式的含硅层(约1-20 at%；在本申请的范围内at%表示"原子百分比")如TiSiN，其能使温度负荷进一步显著提高。这些层通常用于硬化钢的干切。对于这些层当然也期待在冲压时有性能潜力。

在下文中提到的硬涂层体系是指施加于特别是切削工具的体系。

已知的还有例如在镶入式截坯刀上借助于CVD工艺切开氧化陶瓷层如Al₂O₃，以能够对抗在升高的接触温度下特别是在旋转中的磨损过程。

此外还有处于研究阶段的硼基层如B₄C或立方BN层。然而，立方BN的致命缺陷在于其制造极其复杂。这主要是由于层生长本身的困难，还由于层内的高内应力。

尽管有乞今为止的所有尝试，但也只在一定程度上成功提供了能满足越来越高的对机械性能如硬度、内压应力和耐用性，摩擦学性能如在更高温度下的粘附趋势和摩擦力，抗氧化性、相稳定性及其它特性（特别是在成形中出现的高表面压力情况下）的要求的PVD或CVD涂层。

一种成功处理选定的高载荷成形工具的已知解决方案是TD工艺(丰田扩散工艺)。该盐浴工艺在这点上在约870℃直至约1030℃的温度范围内进行，以产生基于VC的扩散层。由此该工艺在高于工具钢的典型回火温度(通常在500-550℃之间)的处理温度下进行。该盐浴工艺的已知缺陷，如在处理之后需要清洗过程，已无需再赘述。

已知还可借助于PVD工艺沉积VCN层。专利申请JP20005046975A记述了一种用于工具的层，其由直接施加在切削工具上的由VNC构成的底层构成。接着沉积另一个耐磨层。

在Surface Science 601 (2007) 1153-1159, A. Glaser 等人, Oxidation of vanadium nitride and titanium nitride coatings中对VN和TiN的氧化特性进行了研究，其中发现VN在较低的温度下就已形成封闭的均质氧化层。

根据摩擦学经验，所述氧化层能够抑制或至少减少工件材料(例如薄钢板)与涂层工具之间的粘着过程(玷污)。

发明内容