本发明涉及一种alcrn基涂层，其在干燥机加工操作如滚齿加工中显示出出色的抗月牙洼磨损性能。
背景技术：
：：arndt等人在wo2013156131a1中提出一种用于减小由机加工操作而引起的切削刀具的月牙洼磨损的涂层，其应该尤其在干燥机加工操作例如滚齿加工中是有益的。图1示出了根据wo2013156131a1的涂层110的视图，其包括至少一个多层膜116，该多层膜由相互交替沉积的a纳米层和b纳米层形成，其特征是，所述a纳米层含有铝铬硼氮化物，且所述b纳米层含有铝铬氮化物而不含硼。根据wo2013156131a1的说明书，如果a纳米层由铝铬硼氮化物构成且b纳米层由铝铬氮化物构成，则涂层110显示出非常优越的机加工性能。wo2013156131a1也教导了，使用由铝铬氮化物构成的基层112应该也是有利的，尤其是如果基层112以在沉积过程中被施加偏压且所述偏压从最低值变至最高值的方式被沉积。另外，wo2013156131a1教导了，绝对值不低于70伏的负偏压应该对沉积含有硼的a纳米层是有利的，因为如此一来可以获得含硼层的高密度和低导热性的必要组合。然而，尽管利用上述涂层以及其它当前可用的涂层获得了益处，但仍然需要显示出增强特性的新型涂层，其可适合于满足在不同的机加工操作、且尤其是在干燥机加工操作如滚齿加工中日益增长的需求。发明目的本发明的目的是提供一种alcrn基涂层，其相比于已知涂层，允许显著减小月牙洼磨损和后刀面磨损(flankwear)，由此显著提高了在不同的机加工操作中，尤其是在干燥机加工操作例如滚齿加工中使用的切削刀具的切削性能以及刀具寿命。此外，本发明的目的是提供一种用于制造涂覆有根据本发明的涂层的基材尤其是切削刀具的方法。技术实现要素：本发明的目的通过提供一种根据权利要求1的涂层210来实现，其包括多层膜216，多层膜由相互交替沉积而形成a/b/a/b/a...结构的多个a层和多个b层组成，a层包含铝铬硼氮化物，b层包含铝铬氮化物但不含硼，其中，涂层210以如下方式被沉积：多层膜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。根据本发明，多层膜216的初始涂层部分216a显示出负的残余应力，且涂层部分216a中的残余应力的绝对值小于最后涂层部分216c中的残余应力的绝对值。在本发明的上下文中，负残余应力也将被称为固有压应力。根据本发明的涂层的一个优选实施方式，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。更优选地，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。根据本发明的涂层的进一步优选的实施方式，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，根据本发明的多层膜216至少包括初始部分216a和最后部分216c，但根据应用的不同可能有利的是：多层膜216附加包括沉积在初始部分216a与最后部分216c之间的一个或多个中间部分216b，所述中间部分的固有压应力大于初始部分216a的固有压应力，并且最好(但并非必须)小于最后部分216c的固有压应力。根据本发明的另一个实施方式，在一个或多个中间部分216b中的固有压应力等于或大于最后部分216c中的固有压应力。在根据本发明的涂层210中，多层膜216的初始部分(或下部分)216a更靠近基材201来沉积，而最后部分(或上部分)216c被直接沉积在初始部分216a的上面或者多层膜216的最后中间部分216b的上面。根据具有只包括初始部分216a和最后部分216c的多层膜216的涂层210的一个优选实施方式，初始部分216a的厚度优选为多层膜216的总厚度的约40％至90％。根据具有附加包括一个或多个中间部分216b的多层膜216的涂层210的进一步优选的实施方式，初始部分216a的厚度优选为多层膜216的总厚度的约20％至80％。出乎意料地，通过采用绝对值低于70伏的负偏压用于沉积多层膜216的初始部分216a并采用绝对值为至少90伏或更高的负偏压用于沉积多层膜216的最后部分216c，可以制造下述涂层：其相比于根据现有技术的涂层提供了干燥机加工操作所用的涂覆刀具的相当可观的增强切削性能。通过采用绝对值低于50伏的负偏压用于沉积多层膜216的初始部分216a并采用绝对值为至少100伏或更高的负偏压用于沉积多层膜216的最后部分216c，获得了尤其好的结果。在根据本发明的涂层210的一个优选实施方式中，在不考虑污物情况下，多层膜216中的a层具有由化学式(alxcrybz)n给出的元素组成，其中x>0、y>0和z>0分别是铝、铬和硼的按原子百分比的浓度，如果仅考虑铝、铬和硼用于评估相应的a层中的元素组成。在根据本发明的涂层的进一步优选的实施方式中，在不考虑污物情况下，多层膜216中的b层具有由化学式(alvcrw)n给出的元素组成，其中，v>0和w>0分别是铝和铬的按原子百分比的浓度，如果仅考虑铝和铬用于评估相应的b层中的元素组成。根据本发明涂层的进一步优选的实施方式，所述a层中的系数x、y和z满足条件1≤x/y≤4.5和/或0.01≤z≤30。根据本发明涂层的一个优选实施方式，所述b层中的系数v和w满足条件1≤v/w≤4.5。在根据本发明的涂层的一个优选实施方式中，涂层210包括沉积在基材201与多层膜216的下部分216a之间的至少一个层212，其中，所述至少一个层212被用作基层且包括铝铬氮化物而不含硼。优选地，所述至少一个基层212具有由化学式(alvcrw)n给出的元素组成，其中，v>0和w>0分别是铝和铬的按原子百分比的浓度，如果仅考虑铝和铬用于评估基层212中的元素组成。根据本发明的涂层还可以包含例如作为附着层而沉积在基材201和基层212之间的、或在基材201和多层膜216的下部分216a之间的其它层。在本发明的涂层的进一步优选的实施方式中，涂层210包括沉积在多层膜216的最后部分216c上的至少一个层220，其中，所述至少一个层220被用作最外层，且优选包含铝铬硼氮化物。优选地，最外层220具有由化学式(alxcrybz)n给出的元素组成，其中，x>0、y>0和z≥0分别是铝、铬和硼的按原子百分比的浓度，如果仅考虑铝、铬和硼用于评估相应的最外层220的元素组成。根据应用的不同，在某些情况下可能更有利的是：最外层220中的硼含量系数大于零(z>0)。根据本发明涂层的一个优选实施方式，基层212中的系数v和w满足条件1≤v/w≤4.5。根据本发明涂层的进一步优选的实施方式，最外层220中的系数x、y和z满足条件1≤x/y＝4.5和/或0.01≤z＝30。根据本发明的一个更优选的实施方式，基层212的元素组成和b层的元素组成相同，和/或顶层220的元素组成和a层的元素组成相同。优选地，基层212的厚度加上多层膜216的初始部分216a的厚度为涂层210的整个厚度的约40％至70％。优选地，基层212中的固有压应力不大于2gpa，通过采用sin2ψ方法的xrd测定。在hkl(111)反射，chi范围从0至80°且5°步长的条件下进行测量。接着，使峰值拟合于pearsonvii分布。从晶格间距d对sin2ψ图，提取斜率m和轴线截距di。利用m、di和x射线弹性常数s1和1/2s2(假定是各向同性材料)，计算出应力。对于某些应用，观察到了可利用本发明涂层获得的很好的结果，其在初始部分216a中的固有压应力为约2.5gpa或更小、最好是约1.5gpa或更小、更优选是约1gpa或更小。在基层212中的固有压应力最好应该等于或小于在初始部分216a中的固有压应力。相似地，通过利用根据本发明的涂层观察到了很好的结果，其在最后部分216c中的固有压应力为约3gpa或更高，对于某些应用最好是约4gpa或更高。在最外层220中的固有压应力最好应该等于或大于在最后部分216c中的固有压应力。优选地，在最外层220中的固有压应力不大于8gpa。根据本发明的涂层210的另一优选实施方式，最外层220显示出不小于的无应力晶格参数，它通过采用sin2ψ方法的上述xrd试验来确定。以下将基于某些示例性情况来更详细描述本发明。试样和不同的切削刀具如滚刀被涂覆根据表1所列实施例的本发明涂层。表1：沉积本发明的三种不同涂层时所用的偏压以及在沉积后的相应涂层的估计厚度实施例1至3的涂层通过如下的alcr靶和alcrb靶在反应性氮气氛中的电弧蒸发来沉积：涂覆装置如图3(图3a和3b)示意性所示，待涂覆的基材335保持在基材载具(未示出)中，基材载具被安置于转台(rotatablecarrousel)330。转台330布置在真空室300的中央，真空室包括至少一个alcr靶341和至少一个alcrb靶342，使得在转台旋转过程中，至少对于某时刻，每个基材335可交替仅面对所述至少一个alcr靶341或所述至少一个alcrb靶342，这样形成多层膜216。负电压在涂层沉积过程中被供给基材载具，以施加负偏压至待涂覆的基材335。在所有实施例1至3中，氮气被同时用作工艺气体和反应性气体。氮气流通过进气口351被引入真空室且通过气体出口352被排出真空室，以保持约为3至4帕的室内恒定氮气压力。图3b示出涂覆设备配置，借此可以因为alcr靶的影响而改变含硼的alcrbn层(a层)中的硼含量。它例如可能在薄膜沉积过程中在基材同时暴露于来自alcr靶(341)和alcrb靶(342)的沉积流的转动区段里发生。在这样的情况下，在与b层相邻的区域内的硼含量可以小于在a层余部中的硼含量。涂覆压力不一定在上述范围(3至4帕)内，基于所用涂覆设备的特性和涂覆配置，它例如可以在0.1至10帕的范围内。但本发明的涂层和用于制造本发明涂层的方法并不受上述实施例的限制。用于制造本发明涂层的涂覆工艺可包括例如使用至少更多一种不同于氮气的气体如氩气，其可在涂覆过程中被用作工艺气体，在此情况下，涂层例如可通过含alcr的靶341和含alcrb的靶342在氩氮气氛中的电弧蒸发来沉积。按照相同方式，可以选择其它涂覆参数和层厚用于制造本发明的涂层。根据用于沉积本发明涂层的方法的进一步优选的实施方式，待涂覆的基材在涂层210沉积之前接受氮化处理。这样一来，可以在切削过程中获得很高的机械稳定性和在基材与涂层之间的很好的附着。在某些应用中，添加其它合金元素例如钨(w)和/或钽(ta)或者用钨和/或钽代替硼可能是有利的。切削试验中的涂层性能：单齿试验作为用于模拟齿轮切削加工中的工作条件的模拟试验来实现。在所谓的“快速切削(flycutting)”试验中，由具有模数mn＝2.557毫米的pm-hss滚刀逐步铣蚀单齿。在试验过程中，制造具有30毫米宽度、直径da＝116毫米、倾斜角α＝17.5°、导程角β2＝20°和40个齿的16mncr5n的工件。采用这种试验装置的实施例由klocke等人在科学出版物“prognosisofthelocaltoolwearingearfinishhobbing”中给出(prod.eng.res.devel.,doi10.1007/s11740-011-0343-9，2011年9月21日)。在切削速度vc＝260m/min和轴向进给量fa＝4.8mm下进行所述试验。在试验过程中测定后刀面磨损和月牙洼磨损。重复每次试验以证明结果。为了评估涂层性能，现有技术的涂层以及本发明的涂层被涂覆在标准的pm-hss齿上。齿由标准滚刀铣蚀，其技术数据为：模数mn＝2.557毫米，压力角αn0＝17.5°，外径da0＝110毫米，ni/z0＝20/2齿，带有齿形修缘的右旋齿。用本发明的涂层涂覆的刀具表现出改善的抗月牙洼磨损性能和抗后刀面磨损性能并获得比根据现有技术的alcrn涂层和alcrbn基涂层提高约40-60％的刀具寿命。图4示出在快速切削试验中的磨损演变过程的例子。图4a示出现有技术的参照alcrn基涂层，此时的刀具寿命为13.6米。本发明的涂层在相同的机加工条件下表现出近似提高50％的20.3米刀具寿命，图4b。每次试验通过重复一次来验证，并且以上述技术参数执行。同样，被用于实现上述快速切削试验的相同的对比性alcrn基涂层和相同的本发明涂层被用于涂覆棘轮(20mncr5)制造所用的hss滚刀。在此情况下，根据本发明所涂覆的刀具允许切削速度从vc＝200m/min增加至vc＝300m/min，利用每个刀具制造相同数量的零件，直到刀具磨损用旧。相比于使用涂覆有现有技术的alcrn涂层的刀具时的情况，这导致机加工时间缩短和进而提高的生产率。图5给出了根据实施例1沉积的本发明的示例性涂层的成分曲线，这是通过利用5kv的cs+初级离子的二次离子质谱(sims)获得的。涂层部分216a和216c被示意性示出。图5a示出了未考虑污物的元素分析。图5b示出了考虑涂层中的污染元素的元素分析。当前第1页12当前第1页12