本發(fā)明涉及一種alcrn基涂層，其在干燥機(jī)加工操作如滾齒加工中顯示出出色的抗月牙洼磨損性能。
背景技術(shù)：
：：arndt等人在wo2013156131a1中提出一種用于減小由機(jī)加工操作而引起的切削刀具的月牙洼磨損的涂層，其應(yīng)該尤其在干燥機(jī)加工操作例如滾齒加工中是有益的。圖1示出了根據(jù)wo2013156131a1的涂層110的視圖，其包括至少一個(gè)多層膜116，該多層膜由相互交替沉積的a納米層和b納米層形成，其特征是，所述a納米層含有鋁鉻硼氮化物，且所述b納米層含有鋁鉻氮化物而不含硼。根據(jù)wo2013156131a1的說(shuō)明書，如果a納米層由鋁鉻硼氮化物構(gòu)成且b納米層由鋁鉻氮化物構(gòu)成，則涂層110顯示出非常優(yōu)越的機(jī)加工性能。wo2013156131a1也教導(dǎo)了，使用由鋁鉻氮化物構(gòu)成的基層112應(yīng)該也是有利的，尤其是如果基層112以在沉積過(guò)程中被施加偏壓且所述偏壓從最低值變至最高值的方式被沉積。另外，wo2013156131a1教導(dǎo)了，絕對(duì)值不低于70伏的負(fù)偏壓應(yīng)該對(duì)沉積含有硼的a納米層是有利的，因?yàn)槿绱艘粊?lái)可以獲得含硼層的高密度和低導(dǎo)熱性的必要組合。然而，盡管利用上述涂層以及其它當(dāng)前可用的涂層獲得了益處，但仍然需要顯示出增強(qiáng)特性的新型涂層，其可適合于滿足在不同的機(jī)加工操作、且尤其是在干燥機(jī)加工操作如滾齒加工中日益增長(zhǎng)的需求。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種alcrn基涂層，其相比于已知涂層，允許顯著減小月牙洼磨損和后刀面磨損(flankwear)，由此顯著提高了在不同的機(jī)加工操作中，尤其是在干燥機(jī)加工操作例如滾齒加工中使用的切削刀具的切削性能以及刀具壽命。此外，本發(fā)明的目的是提供一種用于制造涂覆有根據(jù)本發(fā)明的涂層的基材尤其是切削刀具的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的通過(guò)提供一種根據(jù)權(quán)利要求1的涂層210來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括多層膜216，多層膜由相互交替沉積而形成a/b/a/b/a...結(jié)構(gòu)的多個(gè)a層和多個(gè)b層組成，a層包含鋁鉻硼氮化物，b層包含鋁鉻氮化物但不含硼，其中，涂層210以如下方式被沉積：多層膜216至少包括初始部分216a和最后部分216c，其中，初始部分216a中的平均硼含量大于最后部分216c中的平均硼含量。根據(jù)本發(fā)明，多層膜216的初始涂層部分216a顯示出負(fù)的殘余應(yīng)力，且涂層部分216a中的殘余應(yīng)力的絕對(duì)值小于最后涂層部分216c中的殘余應(yīng)力的絕對(duì)值。在本發(fā)明的上下文中，負(fù)殘余應(yīng)力也將被稱為固有壓應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的涂層的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，初始部分216a中的平均硼含量是最后部分216c中的平均硼含量的至少1.2倍。更優(yōu)選地，初始部分216a中的平均硼含量是最后部分216c中的平均硼含量的至少1.4倍。根據(jù)本發(fā)明的涂層的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，在初始部分216a中的平均硼含量是在最后部分216c中的平均硼含量的最多6倍。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的多層膜216至少包括初始部分216a和最后部分216c，但根據(jù)應(yīng)用的不同可能有利的是：多層膜216附加包括沉積在初始部分216a與最后部分216c之間的一個(gè)或多個(gè)中間部分216b，所述中間部分的固有壓應(yīng)力大于初始部分216a的固有壓應(yīng)力，并且最好(但并非必須)小于最后部分216c的固有壓應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，在一個(gè)或多個(gè)中間部分216b中的固有壓應(yīng)力等于或大于最后部分216c中的固有壓應(yīng)力。在根據(jù)本發(fā)明的涂層210中，多層膜216的初始部分(或下部分)216a更靠近基材201來(lái)沉積，而最后部分(或上部分)216c被直接沉積在初始部分216a的上面或者多層膜216的最后中間部分216b的上面。根據(jù)具有只包括初始部分216a和最后部分216c的多層膜216的涂層210的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，初始部分216a的厚度優(yōu)選為多層膜216的總厚度的約40％至90％。根據(jù)具有附加包括一個(gè)或多個(gè)中間部分216b的多層膜216的涂層210的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，初始部分216a的厚度優(yōu)選為多層膜216的總厚度的約20％至80％。出乎意料地，通過(guò)采用絕對(duì)值低于70伏的負(fù)偏壓用于沉積多層膜216的初始部分216a并采用絕對(duì)值為至少90伏或更高的負(fù)偏壓用于沉積多層膜216的最后部分216c，可以制造下述涂層：其相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的涂層提供了干燥機(jī)加工操作所用的涂覆刀具的相當(dāng)可觀的增強(qiáng)切削性能。通過(guò)采用絕對(duì)值低于50伏的負(fù)偏壓用于沉積多層膜216的初始部分216a并采用絕對(duì)值為至少100伏或更高的負(fù)偏壓用于沉積多層膜216的最后部分216c，獲得了尤其好的結(jié)果。在根據(jù)本發(fā)明的涂層210的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在不考慮污物情況下，多層膜216中的a層具有由化學(xué)式(alxcrybz)n給出的元素組成，其中x>0、y>0和z>0分別是鋁、鉻和硼的按原子百分比的濃度，如果僅考慮鋁、鉻和硼用于評(píng)估相應(yīng)的a層中的元素組成。在根據(jù)本發(fā)明的涂層的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，在不考慮污物情況下，多層膜216中的b層具有由化學(xué)式(alvcrw)n給出的元素組成，其中，v>0和w>0分別是鋁和鉻的按原子百分比的濃度，如果僅考慮鋁和鉻用于評(píng)估相應(yīng)的b層中的元素組成。根據(jù)本發(fā)明涂層的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，所述a層中的系數(shù)x、y和z滿足條件1≤x/y≤4.5和/或0.01≤z≤30。根據(jù)本發(fā)明涂層的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述b層中的系數(shù)v和w滿足條件1≤v/w≤4.5。在根據(jù)本發(fā)明的涂層的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，涂層210包括沉積在基材201與多層膜216的下部分216a之間的至少一個(gè)層212，其中，所述至少一個(gè)層212被用作基層且包括鋁鉻氮化物而不含硼。優(yōu)選地，所述至少一個(gè)基層212具有由化學(xué)式(alvcrw)n給出的元素組成，其中，v>0和w>0分別是鋁和鉻的按原子百分比的濃度，如果僅考慮鋁和鉻用于評(píng)估基層212中的元素組成。根據(jù)本發(fā)明的涂層還可以包含例如作為附著層而沉積在基材201和基層212之間的、或在基材201和多層膜216的下部分216a之間的其它層。在本發(fā)明的涂層的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，涂層210包括沉積在多層膜216的最后部分216c上的至少一個(gè)層220，其中，所述至少一個(gè)層220被用作最外層，且優(yōu)選包含鋁鉻硼氮化物。優(yōu)選地，最外層220具有由化學(xué)式(alxcrybz)n給出的元素組成，其中，x>0、y>0和z≥0分別是鋁、鉻和硼的按原子百分比的濃度，如果僅考慮鋁、鉻和硼用于評(píng)估相應(yīng)的最外層220的元素組成。根據(jù)應(yīng)用的不同，在某些情況下可能更有利的是：最外層220中的硼含量系數(shù)大于零(z>0)。根據(jù)本發(fā)明涂層的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，基層212中的系數(shù)v和w滿足條件1≤v/w≤4.5。根據(jù)本發(fā)明涂層的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，最外層220中的系數(shù)x、y和z滿足條件1≤x/y＝4.5和/或0.01≤z＝30。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方式，基層212的元素組成和b層的元素組成相同，和/或頂層220的元素組成和a層的元素組成相同。優(yōu)選地，基層212的厚度加上多層膜216的初始部分216a的厚度為涂層210的整個(gè)厚度的約40％至70％。優(yōu)選地，基層212中的固有壓應(yīng)力不大于2gpa，通過(guò)采用sin2ψ方法的xrd測(cè)定。在hkl(111)反射，chi范圍從0至80°且5°步長(zhǎng)的條件下進(jìn)行測(cè)量。接著，使峰值擬合于pearsonvii分布。從晶格間距d對(duì)sin2ψ圖，提取斜率m和軸線截距di。利用m、di和x射線彈性常數(shù)s1和1/2s2(假定是各向同性材料)，計(jì)算出應(yīng)力。對(duì)于某些應(yīng)用，觀察到了可利用本發(fā)明涂層獲得的很好的結(jié)果，其在初始部分216a中的固有壓應(yīng)力為約2.5gpa或更小、最好是約1.5gpa或更小、更優(yōu)選是約1gpa或更小。在基層212中的固有壓應(yīng)力最好應(yīng)該等于或小于在初始部分216a中的固有壓應(yīng)力。相似地，通過(guò)利用根據(jù)本發(fā)明的涂層觀察到了很好的結(jié)果，其在最后部分216c中的固有壓應(yīng)力為約3gpa或更高，對(duì)于某些應(yīng)用最好是約4gpa或更高。在最外層220中的固有壓應(yīng)力最好應(yīng)該等于或大于在最后部分216c中的固有壓應(yīng)力。優(yōu)選地，在最外層220中的固有壓應(yīng)力不大于8gpa。根據(jù)本發(fā)明的涂層210的另一優(yōu)選實(shí)施方式，最外層220顯示出不小于的無(wú)應(yīng)力晶格參數(shù)，它通過(guò)采用sin2ψ方法的上述xrd試驗(yàn)來(lái)確定。以下將基于某些示例性情況來(lái)更詳細(xì)描述本發(fā)明。試樣和不同的切削刀具如滾刀被涂覆根據(jù)表1所列實(shí)施例的本發(fā)明涂層。表1：沉積本發(fā)明的三種不同涂層時(shí)所用的偏壓以及在沉積后的相應(yīng)涂層的估計(jì)厚度實(shí)施例1至3的涂層通過(guò)如下的alcr靶和alcrb靶在反應(yīng)性氮?dú)夥罩械碾娀≌舭l(fā)來(lái)沉積：涂覆裝置如圖3(圖3a和3b)示意性所示，待涂覆的基材335保持在基材載具(未示出)中，基材載具被安置于轉(zhuǎn)臺(tái)(rotatablecarrousel)330。轉(zhuǎn)臺(tái)330布置在真空室300的中央，真空室包括至少一個(gè)alcr靶341和至少一個(gè)alcrb靶342，使得在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，至少對(duì)于某時(shí)刻，每個(gè)基材335可交替僅面對(duì)所述至少一個(gè)alcr靶341或所述至少一個(gè)alcrb靶342，這樣形成多層膜216。負(fù)電壓在涂層沉積過(guò)程中被供給基材載具，以施加負(fù)偏壓至待涂覆的基材335。在所有實(shí)施例1至3中，氮?dú)獗煌瑫r(shí)用作工藝氣體和反應(yīng)性氣體。氮?dú)饬魍ㄟ^(guò)進(jìn)氣口351被引入真空室且通過(guò)氣體出口352被排出真空室，以保持約為3至4帕的室內(nèi)恒定氮?dú)鈮毫?。圖3b示出涂覆設(shè)備配置，借此可以因?yàn)閍lcr靶的影響而改變含硼的alcrbn層(a層)中的硼含量。它例如可能在薄膜沉積過(guò)程中在基材同時(shí)暴露于來(lái)自alcr靶(341)和alcrb靶(342)的沉積流的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)段里發(fā)生。在這樣的情況下，在與b層相鄰的區(qū)域內(nèi)的硼含量可以小于在a層余部中的硼含量。涂覆壓力不一定在上述范圍(3至4帕)內(nèi)，基于所用涂覆設(shè)備的特性和涂覆配置，它例如可以在0.1至10帕的范圍內(nèi)。但本發(fā)明的涂層和用于制造本發(fā)明涂層的方法并不受上述實(shí)施例的限制。用于制造本發(fā)明涂層的涂覆工藝可包括例如使用至少更多一種不同于氮?dú)獾臍怏w如氬氣，其可在涂覆過(guò)程中被用作工藝氣體，在此情況下，涂層例如可通過(guò)含alcr的靶341和含alcrb的靶342在氬氮?dú)夥罩械碾娀≌舭l(fā)來(lái)沉積。按照相同方式，可以選擇其它涂覆參數(shù)和層厚用于制造本發(fā)明的涂層。根據(jù)用于沉積本發(fā)明涂層的方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，待涂覆的基材在涂層210沉積之前接受氮化處理。這樣一來(lái)，可以在切削過(guò)程中獲得很高的機(jī)械穩(wěn)定性和在基材與涂層之間的很好的附著。在某些應(yīng)用中，添加其它合金元素例如鎢(w)和/或鉭(ta)或者用鎢和/或鉭代替硼可能是有利的。切削試驗(yàn)中的涂層性能：?jiǎn)锡X試驗(yàn)作為用于模擬齒輪切削加工中的工作條件的模擬試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所謂的“快速切削(flycutting)”試驗(yàn)中，由具有模數(shù)mn＝2.557毫米的pm-hss滾刀逐步銑蝕單齒。在試驗(yàn)過(guò)程中，制造具有30毫米寬度、直徑da＝116毫米、傾斜角α＝17.5°、導(dǎo)程角β2＝20°和40個(gè)齒的16mncr5n的工件。采用這種試驗(yàn)裝置的實(shí)施例由klocke等人在科學(xué)出版物“prognosisofthelocaltoolwearingearfinishhobbing”中給出(prod.eng.res.devel.,doi10.1007/s11740-011-0343-9，2011年9月21日)。在切削速度vc＝260m/min和軸向進(jìn)給量fa＝4.8mm下進(jìn)行所述試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定后刀面磨損和月牙洼磨損。重復(fù)每次試驗(yàn)以證明結(jié)果。為了評(píng)估涂層性能，現(xiàn)有技術(shù)的涂層以及本發(fā)明的涂層被涂覆在標(biāo)準(zhǔn)的pm-hss齒上。齒由標(biāo)準(zhǔn)滾刀銑蝕，其技術(shù)數(shù)據(jù)為：模數(shù)mn＝2.557毫米，壓力角αn0＝17.5°，外徑da0＝110毫米，ni/z0＝20/2齒，帶有齒形修緣的右旋齒。用本發(fā)明的涂層涂覆的刀具表現(xiàn)出改善的抗月牙洼磨損性能和抗后刀面磨損性能并獲得比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的alcrn涂層和alcrbn基涂層提高約40-60％的刀具壽命。圖4示出在快速切削試驗(yàn)中的磨損演變過(guò)程的例子。圖4a示出現(xiàn)有技術(shù)的參照alcrn基涂層，此時(shí)的刀具壽命為13.6米。本發(fā)明的涂層在相同的機(jī)加工條件下表現(xiàn)出近似提高50％的20.3米刀具壽命，圖4b。每次試驗(yàn)通過(guò)重復(fù)一次來(lái)驗(yàn)證，并且以上述技術(shù)參數(shù)執(zhí)行。同樣，被用于實(shí)現(xiàn)上述快速切削試驗(yàn)的相同的對(duì)比性alcrn基涂層和相同的本發(fā)明涂層被用于涂覆棘輪(20mncr5)制造所用的hss滾刀。在此情況下，根據(jù)本發(fā)明所涂覆的刀具允許切削速度從vc＝200m/min增加至vc＝300m/min，利用每個(gè)刀具制造相同數(shù)量的零件，直到刀具磨損用舊。相比于使用涂覆有現(xiàn)有技術(shù)的alcrn涂層的刀具時(shí)的情況，這導(dǎo)致機(jī)加工時(shí)間縮短和進(jìn)而提高的生產(chǎn)率。圖5給出了根據(jù)實(shí)施例1沉積的本發(fā)明的示例性涂層的成分曲線，這是通過(guò)利用5kv的cs+初級(jí)離子的二次離子質(zhì)譜(sims)獲得的。涂層部分216a和216c被示意性示出。圖5a示出了未考慮污物的元素分析。圖5b示出了考慮涂層中的污染元素的元素分析。當(dāng)前第1頁(yè)12當(dāng)前第1頁(yè)12