材料加工中的新产品及其制造方法

专利名称：材料加工中的新产品及其制造方法
材料加工中的新产品及其制造方法本发明涉及刀夹(tool holder)及其制造方法，其中在所述刀夹上存在陶瓷材料 振动阻尼层。
背景技术：
制造用机械中的刀夹在使用时具有振动倾向并且产生噪音。这种振动通过对结果 精度的负面影响而干扰加工工艺。振动还产生使制造用机械周围的环境恶化的令人厌烦的 干扰噪音。完美的制造用机械不产生任何振动，并且所有的能量都被送到将要进行的过程。 在实践中，在机械的各种部件彼此依赖工作时总是出现振动。随着机械的磨损变得越来越 严重，其动力学性质发生变化。这意味着在机械寿命的不同时期期间，可以出现新类型的振 动。振动可以导致工件差的表面品质和工件较低的精度、对机械和工具例如切削工具的进 一步磨损，其中最糟糕的情况是产生无法补救的损坏。在材料例如金属、塑料、木材或复合材料的加工期间，还出现由机械噪音和由来自 加工的振动导致的高水平噪音所导致的问题。能够除去大部分对人耳不舒服的频率区间内 的振动噪音是重要的。期望的是，将该水平降低至低于80dB的水平。进一步的问题是，在先前已知的用于沉积振动阻尼材料的方法中，可达到的沉积 速率相对低。先前已知的用于沉积振动阻尼材料的另一问题是，沉积需要在相对高的温度 下进行，这对将要被沉积的制品或工件的特性可能是有害的。因此，所述用于沉积的方法可 例如损坏将要被沉积的制品或工件的内部和/或外部结构，或者损害所述制品或工件的退 火。用在刀片夹(insert holder)中的切削刀片的问题是，由于例如冲击(shock)和 振动，它们的寿命短。通过在刀片与刀片夹之间施加振动阻尼层，可以减少或消除冲击并且 通过这种方式增加刀片寿命。因此，期望得到磨损和/或振动减少的有振动阻尼的刀夹。此外，期望得到保持精 度高的有振动阻尼的刀夹，由此可以避免材料的疲劳。因此，期望得到消除或减轻上述缺点 的有振动阻尼的刀夹。

发明内容
根据第一方面，本发明通过提供用于排屑应用的包括振动阻尼材料的器具而解决 上述问题中的一个或多个，其中所述振动阻尼材料是通过纳米尺寸的簇形式排列的材料。根据第二方面，本发明还提供制造根据第一方面的用于排屑应用的器具的方法， 包括下列步骤a)提供器具；和b)将纳米尺寸的簇形式的材料沉淀在所述器具上，由此在所述器具中产生振动阻 尼效果，所述材料优选为陶瓷。根据本发明的第三方面，提供能通过根据第二方面的方法获得的器具。
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根据本发明的第四方面，提供工件或制品在用于排屑应用的器具中，优选在切削 工具中，最优选在车削、镗孔、钻孔、铰孔、车螺纹、铣削、刨削、去毛刺、穿孔和/或拉削工具 中的用途，所述工件或制品能由在包括磁控阴极(magnetron cathode)的反应器中将氮化 碳材料沉积在工件或制品上的方法(其中所述氮化碳材料在施加时优选由纳米和/或亚纳 米尺寸的簇/聚集体组成)获得，所述方法包括(a)进行设置使得所述阴极在所述反应器中具有磁场(优选类磁控管磁场 (magnetro-like magnetic field))；(b)将工件或制品放置在所述反应器中；(c)将一种或多种含碳工艺气体和反应性气体引入到所述反应器中；(d)赋予所述工艺气体和反应性气体能量以形成等离子体从而使所述工艺气体分 解为自由基并进一步使碳材料沉积到所述工件或制品基材上、以及使所述反应性气体离子 化以提高氮(氮气)化学吸附到所述碳上的速率；和(e)在分解和化学吸附之后从所述腔室排出各气体。磁场可以具有不同的拓扑结构。优选它可以为类磁控管磁场。在上述根据本发明 的第四方面的方法中，奠基石之一是CVD过程，其使得含碳气体例如甲烷、乙炔、一氧化碳、 二氧化碳能够裂化成自由基并因此容许含碳自由基沉积到所述工件或制品上。另一奠基石 是在所述方法中使用的PVD硬件。根据本发明的第五方面，提供用于执行根据第三方面的方法的存储在数据载体上 的计算机程序。
具体实施例方式在整个说明书中，表述“用于排屑应用的器具”意在包括任何固定的或者旋转的排 屑工具，例如用于车削、铣削、钻孔、去毛刺、拉削或穿孔等的工具、或者用在所述工具中的 切削刃或切削刀片、和用于所述排屑工具的夹持装置例如用于安装在机床中的夹头、刀夹、
安装装置等。在阻尼设计中存在两种主要的方法被动阻尼和主动阻尼。被动阻尼方法在机械 设计和/或在机械部件之间的阻尼层的应用中使用高阻尼容量的材料。这些方法简单和可 靠。主动阻尼采用传感器和致动器，并且可以用于低频激励。本发明涉及被动方法。振动的衰减可以通过将阻尼材料施加到目标机械上而实现。材料的阻尼容量与通 过畴或相边界之间的内摩擦将机械振动能转变为热能的能力有关。该机理是金属合金所特 有的。另一种将振动能转变为热能的机理在粘弹性材料中实现。这些粘弹性材为粘弹性聚 合物塑料或弹性体。这些材料被称为是粘弹性的，因为它们具有粘性(能量耗散)材料和 弹性(能量存储)材料两者的性质。高阻尼金属合金尽管具有比普通金属好的阻尼性质，但是它们不提供与粘弹性材 料相同水平的阻尼。参见专利US5573344和专利申请US2005084355。然而，粘弹性材料通 常仅对于小的温度范围是有效的并且具有差的摩擦学性质。合金相对于是弹性体的低阻尼性质具体而言是由排列在材料中的畴的大 尺寸所导致的，所述大尺寸强烈限制畴之间的边界的摩擦面。特征畴尺寸为约1 20 微米。 参见 Y. Liu, G. Yang ；Y. Lu, L Yang，Damping behaviour andtribologicalproperties of as-spray-deposited high silicon alloy ZA27, Journal ofmaterials processing technology,87(1999)53-58 禾口 K. K. Jee，W. Y. Jang, S. H. Baik, M. C. Shin, Damping mechanism and application of Fe-Mn based alloys, Materials science and Engineering A273-275 (1999) 538-542。更一般地说，可以说典型的金属合金畴尺寸大至几
百微米。粘弹性聚合物例如丙烯酸类粘弹性聚合物通过长链分子排列。从商业的观点来 看，最常用的是线型结构、支化结构和网络结构。展示高阻尼容量的粘弹性阻尼层的特征厚 度为约几百微米(像合金中的畴尺寸一样大)。参见专利US2005084355和3MTM Damping Foil 2552，产品说明，工业粘结剂和胶带部分，3M centre, Building 21-lff-lO, 900Bush Avenue,St. Paul, USA。因此，可以作出结论现今，振动阻尼技术是基于具有良好的摩擦学性质但具有差 的阻尼性质，或者相反，具有差的摩擦学性质但具有良好的阻尼性质的涂层。本发明可以在某种形式上总结为创造了结合了良好的摩擦学性质和振动阻尼性 质的新型涂层。此外，所述新的振动阻尼涂层在数十微米的厚度水平下就已经具有卓越的 阻尼容量并且可以用在精密技术中。为了实现这些性质，本发明涉及排列在施加于接触性 机械部件之间的阻尼层(涂层)中的亚纳米和纳米结构的材料。认为该方法对于阻尼是有效的，因为1.在机械结构系统中，在两个部件的界面上存在接触刚性和接触阻尼。它们对整 个系统的性能、尤其是动力学性能具有重大影响。所述界面通常是整个机械结构系统中最 薄弱的环节。因此，结构中的阻尼及其重要性对于控制不期望的振动效果已变得越来越有
眉、ο2.通过亚纳米和纳米尺寸的畴排列而成的材料在相同的阻尼层厚度下在畴之间 具有数十倍大的表面。因此，通过畴表面之间的摩擦将振动能转变为热能的效率是通过微 米尺寸的畴排列而成的材料的数十倍高。在整个说明书中，表述“阻尼材料相”意在包括排列在材料中的畴、聚集体、微晶、
簇、或层。可为例如刀夹、刀片、钻或旋转锉的器具可由基本上纯的金属或者除振动阻尼材 料(其优选为陶瓷材料)之外还包含两种或更多种不同的金属的合金(例如钢)构成，所 述振动阻尼材料如本发明的第二方面中所陈述的那样添加。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述材料为陶瓷材料。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具是能移动或不 能移动的。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述陶瓷材料作为层在 所述器具表面上存在，其中所述层为Iym lcm，优选为ιμπι 1000 μπι，最优选为50 500 μ m0根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述陶瓷材料的所述纳 米尺寸的簇具有0. 5 IOOnm的尺寸。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述陶瓷材料选自CNX、 TiN、TiAlNai2O3或它们的混合物。
根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述陶瓷材料为CNX。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所施加的阻尼材料为通 过多层结构排列成的复合材料，所述多层结构由一种类型的金属或金属化合物、和另一种 类型的金属或金属化合物的交替层组成。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所施加的阻尼材料为多 层结构排列成的复合材料，所述多层结构由金属和金属氮化物的交替层组成。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所施加的阻尼材料为通 过多层结构排列成的复合材料，所述多层结构由金属和金属氧化物的交替层组成。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所施加的阻尼材料为通 过双层结构排列成的复合材料，所述双层结构由粘弹性层和氮化碳层组成，优选所述氮化 碳层为抑制层。所述粘弹性层可包含3M DampingFoil 2552 (参见产品说明，工业粘结剂 和胶带部分，3M centre, Building 21-lff-lO, 900 Bush Avenue，St. Paul，USA)。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中振动阻尼层的厚度的均 勻度为0. 1 10%。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述纳米尺寸的簇形式 的振动阻尼层所具有的在超晶格中的亚层数目为10 10000，优选为100 1000。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具为刀夹、切削刀 片、钻、旋转锉、铰刀(刮刀)、夹头或安装装置。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具为刀夹(1)，刀 夹(1)包括轴(2)，其将布置在制造用机械中或制造用机械的工具夹(tool holder)中的； 头(3)，刀具(切削刀片)将布置在其上；和振动阻尼材料(4)，其布置成使得所述刀具仅 经由所述振动阻尼材料(4)与所述制造用机械接触。所述刀夹可具有永久性的或者能移动 (即能替换)的切削刀片。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述振动阻尼材料作为 薄层存在于所述刀夹表面上，优选仅主要存在于将与切削刃/刀片接触的表面上和/或存 在于将与夹持着所述刀夹的所述制造用机械接触或者将与夹持着所述刀夹的制造用机械 的工具夹接触的表面上。所述切削刀片/切削刃可进一步在一个或所有表面上沉积有所述 振动阻尼材料。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述轴(2)设置有空穴。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述空穴为钻出的圆柱 体。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其为刀夹，其中所述轴(2)的 表面(5)的至少那些将与所述制造用机械或者与夹持着所述刀夹的制造用机械的工具夹 接触的部分设置有所述振动阻尼材料。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具的全部表面都 设置有所述振动阻尼材料。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述振动阻尼材料(4) 围绕着所述轴(2)的表面(5)。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述轴(2)和所述头(3)为通过所述振动阻尼材料(4)结合的两个独立的部件。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其用在旋转切削工具中。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述旋转切削工具为铣 刀、键槽铣刀或立铣刀。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其与陶瓷刀片、金刚石刀片、 立方氮化硼(CBN)刀片、HSS刀片或碳化物(硬质金属)刀片一起使用。根据本发明的第一方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具为包括设置有 振动阻尼材料的轴的钻或旋转锉。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述器具是能移动的或 者不能移动的。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述陶瓷材料作为薄层 沉淀在所述器具表面上。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述陶瓷材料作为薄层 沉淀在所述器具表面上，其中所述层为1 μ m 1cm，优选为1 μ m 1000 μ m，最优选为50 500 μ m0根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述陶瓷材料的所述纳 米尺寸的簇具有0. 5 IOOnm的尺寸。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述陶瓷材料为金属氮 化物或金属氧化物，优选选自CNx、TiN、TiAlN、Al203或它们的混合物；最优选使用的为CNX。 振动阻尼材料也可仅仅基于陶瓷、或者基于金属、或者基于金属_陶瓷复合材料。可使用下 列纳米结构的陶瓷CNX-氮化碳、TiN-氮化钛、Al2O3-氧化铝、纳米尺度的多层结构(超晶 格)，所述纳米尺度的多层结构以使得不同的金属层或陶瓷层、或者金属和陶瓷的层彼此之 间存在连接的方式排列。因此，本发明的优选实施方式涉及氮化碳-CNx、氮化钛-TiN、氧化 铝-Al2O3和/或通过这些材料排列的复合材料。优选的材料为CNX。该材料展示出金属合 金以及粘弹性聚合物的典型性质。众所周知的事实是，上述材料具有完美的摩擦学性质并 且广泛用在技术中尤其是用作切削工具的硬质涂层以及装饰性涂层。出乎意料地发现，施 加在两个彼此固定的机械部件(固定连接)之间的CNx层在30 50微米的层厚度下就已 经展现出卓越的阻尼容量，并且具有与粘弹性聚合物一样好的阻尼性质。本发明还涉及如 上所述的通过粘弹性层、和通过CNx或TiN抑制层排列而成的复合材料、以及通过纳米和微 米层叠金属_金属或金属_陶瓷超晶格实现的复合材料。材料CNx中的氮含量通过作为原 子百分比的“X”显示，其为10 50%。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中通过使用如下技术进行 步骤b)的沉淀磁控溅射沉积技术，例如直流、射频、脉冲、高功率脉冲、反应性涂覆磁控溅 射沉积技术；或电弧技术，例如受控电弧和非受控电弧；或化学气相沉积(CVD)技术，例如 射频、直流、低压、高压、等离子体辅助化学气相沉积技术；或物理气相沉积(PVD)技术；或 等离子体喷涂技术；或所述技术的组合；优选使用PVD和CVD。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中使用氩气、氮气、CH4或 C2H2、或CO、或CO2气体或它们的组合进行步骤b)的沉淀。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中在所述制品或工件的50 1500°C的温度下、优选在50 400°C的温度下进行步骤b)的沉淀。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所施加的振动阻尼材料 为通过多层结构排列成的复合材料，所述多层结构由一种类型的金属或金属化合物、和另 一种类型的金属或金属化合物的交替层组成。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所施加的阻尼材料为多 层结构排列成的复合材料，所述多层结构由金属和金属氮化物的交替层组成。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所施加的阻尼材料为通 过多层结构排列成的复合材料，所述多层结构由金属和金属氧化物的交替层组成。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所施加的阻尼材料为通 过双层结构排列成的复合材料，所述双层结构由粘弹性层和氮化碳层组成，优选所述氮化 碳层为抑制层。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中振动阻尼层的厚度的均 勻度为0. 1 10%。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述纳米尺寸的簇形式 的振动阻尼层所具有的在超晶格中的亚层数目为10 10000，优选为100 1000。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中在反应器中通过如下进 行步骤b)的沉淀，在所述反应器中任选地设置有在磁控阴极上的靶，所述反应器包括通过 磁场分开的阴极和阳极(a)进行设置使得所述阴极在反应器中提供类磁控管磁场；(b)将器具放置在腔室中；(c)将一种或多种含碳工艺气体和反应性气体引入到所述腔室中；(d)赋予所述工艺气体和反应性气体能量以形成等离子体，从而使所述工艺气体 分解为自由基并进一步使碳材料沉积到所述器具上，以及使所述反应性气体离子化以提高 氮气化学吸附到所述碳上的速率；和(e)在分解和化学吸附之后将各气体从所述腔室排出。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述器具以约0.25rpm 的速率旋转。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述工艺气体为乙炔和/ 或甲烷和/或一氧化碳、和/或二氧化碳，反应性气体为氮气，优选工艺气体与反应性气体 之比为约1/10 10/1，乙炔和/或甲烷与氮气的最优选比率为约50/50。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述反应器中的压力为 10_4托 1000托，优选为10_3托 10托。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中电流振幅为约1 1000A，优选为5 6A，脉冲长度为约10μ s 10s，频率为约0. 1 IOOOOHz0根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中脉冲功率为约100W 1MW,优选为约IkW 3kW。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其将CVD裂化过程与PVD裂化 硬件结合，所述PVD裂化硬件为具有经平衡的或未经平衡的类磁控管磁场的阴极。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中所述阳极-阴极高电流脉冲放电是正常放电、或反常放电、或者反常放电到电弧辉光放电的转变放电。根据本发明的第二方面的优选实施方式，提供方法，其中在沉积期间磁场的强度 为0. 01 0. 3特斯拉，优选不高于300高斯。根据本发明的第三方面的优选实施方式，提供器具，其中所述器具为刀夹、切削刀 片、钻、旋转锉、夹头或安装装置。因此，本发明还提供轴，其将布置在制造用机械的工具夹中或直接布置在制造用 机械中；头，将刀具布置在其上；和振动阻尼材料，其布置成使得所述刀具仅经由所述振动 阻尼材料与所述制造用机械接触，其中所述振动阻尼材料为陶瓷材料。这样，所述刀夹不与 所述制造用机械直接接触并且因此较大程度地具有阻尼振动所需的条件。由于通过纳米结构的材料排列而成的阻尼层的厚度小，因此可使用任何常规的层 沉淀技术。这些技术的实例如上文所述，但不限于化学气相沉积(CVD)技术、物理气相沉 积(PVD)技术、电弧技术和等离子喷涂技术。发现，为了降低工件即刀夹的温度利用用于阻 尼材料的制造和连接的CVD技术和PVD技术，可能必须提高流向布置于连接处中的部件的 流体中的气体和固体物蒸气的等离子体的比例。在等离子体方法的情况下，工件温度可低 于 400"C。上述优选实施方式的方法可通过利用如下条件进行步骤b)的沉淀约100A的放 电，约20ms 40ms的脉冲，约500V的电压，约20°C 约200°C的温度、优选约130°C 约 170°C的温度，和约IOHz的频率。目前用于振动阻尼的材料的特征畴或颗粒尺寸在数十微米至数百微米的范围，并 且相应的阻尼层的厚度在数毫米直至数十毫米的范围。本发明的另一优势在于其发现上述 的刀夹上的纳米结构材料层的厚度显示出在数十微米直至数百微米范围内的高阻尼容量。 在实践中，这意味着上述这些陶瓷材料在已经精心制作和使用过的机械连接处用于振动阻 尼或者根本不要求先前的层厚度。在根据本发明的第三方面的方法中，使用在交叉的电场和磁场(所谓的EXB放 电)中的大功率脉冲放电，并且在包括通过磁场分开的阳极和阴极的系统中使用这种类型 的放电。具体地，放电电极可由阳极和阴极排列而成，其在阴极附近具有类磁控管磁场。等 离子体技术的突出特征是极高的等离子体反应性、非常高的沉积速率、较好的粘合力和通 过电场和磁场影响等离子体的可能性。认为阻尼效果是在根据本发明的第二方面的方法期间在陶瓷材料中形成纳米结 构的结果。然而，该假设不以任何方式束缚本发明的范围。通过根据本发明的第二方面的 方法获得的刀夹呈现出对机械振动的阻尼的增强能力。认为这些材料的增强阻尼性质是通 过经由排列在材料中的纳米尺度的畴、或颗粒、或大分子之间的摩擦将机械能有效地转变 为热能而实现的。因而，陶瓷材料可有效地用于工件中、尤其是机械连接的振动阻尼。通过削弱振动的振幅和抑制不期望的共振，可以利用阻尼来避免过早疲劳。通过 将振动阻尼材料施加到目标结构体上，可以通过将机械能转变为热能而使机械能耗散。在机械结构系统中，在两个部件的界面上存在接触刚性和接触阻尼。它们对整个 系统的性能、尤其是动力学性能具有重大影响。所述界面通常是整个机械结构系统中最薄 弱的环节。结构性振动是主要的设计问题，并且在大多数情况下，设计者努力使振动振幅最 小化以消除疲劳失效的危险。
任何机械都具有振动的倾向。在连接的部件之间沉积层以抑制振动是常用的方 法。最常用的振动阻尼层由粘弹性材料或树脂组成。本发明涉及用于阻尼的其它类型的材 料。所述材料为亚纳米和纳米结构的材料，例如CNx、TiN、TiAlN和A1203。优选的材料为氮 化碳_CNX。发现，将要施加在连接的机械部件之间的这些材料的层在10微米的层厚度下就 已经展示出机械(振动)能到热能的有效转变。对氮化碳的研究开始于1922年。在许多年中，在世界范围内进行了研究材料性质 的努力。主要的努力放在了研究摩擦学性质上。迄今为止，大多数制造的CNx膜含有20 45原子％的氮。氮化碳展示出非常高的弹性(最高达85 90%)和硬度(40-60GPa)。 氮化碳膜可在50 6000C的温度下合成。参见=D. Li，Y. -W. Chung, Μ. -S. Wong和W. _D. Sproul, Tribology Transactions 37,479 (1994) ；H. Sjostrom 等的 Thin Solid Films, 246(1994) 103-109。众所周知的事实是，CNx膜可为无定形的、含有结晶簇的无定形基质、和 增强稳定状的(turbostatic)膜。通常，氮化碳膜由不同的相组成。增强稳定状微结构可 以描述为基础结构单元(薄片)的随机组装体。图4示意性地示出了基础结构单元。基础 结构组装在聚集体中。引入到无定形基质中的聚集体和结晶簇的典型尺寸为0. 5 lOnm。 微晶之间的距离也在纳米范围内。显然，这样的超细微结构必须在相(例如基础结构单元、 微晶、以及无定形基质)之间具有极大的表面。其它具有良好的摩擦学性质和纳米尺寸结构的材料为氮化钛(TiN)和氧化铝 (Al2O3)陶瓷。图5和6对其进行了展示。图5是通过扫描电子显微镜获得的切开的TiN膜 的侧视图。可以看出，TiN膜结构是柱状的。这里的TiN层是通过PVD技术沉积的。Al2O3 具有颗粒状结构(参见0. Zywitzki, G. Hoetzsch, Surface and coating technology, 76-77(1995)754-762)。柱的特征宽度为约50 lOOnm。柱的高度等于膜厚度。显然，可以 设计三明治状的结构。例如，其可以为Ti-TiN超晶格。现代技术容许沉淀具有约几纳米厚 度的膜。可以看出，现代技术容许产生具有数千个层并相应地在各层之间的极大表面的超 晶格，以及它们之间的可调节界面。基于Ti的超晶格的沉积时间为约几小时，这在工业上 是合理的。本发明的各方面的优选特征在已作必要的修正的情况下也适用于其它方面中的 每一个。在下列实施例中结合附图进一步描述本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。 借助于实施方式和附图的实例更详细地描述本发明的实施方式，所述实施方式和附图的实 例的唯一的目的是说明本发明但是决不意图限制其范围。


图1显示模态分析。图2和3显示得自下面的实施例中的试验结果。图4是基础CNx面的示意图。图5是TiN陶瓷的柱状纳米结构的显微照片。图6是Al2O3陶瓷的颗粒状纳米结构的示意图。图7是如何测试根据本发明的第二方面的工件的振动阻尼的示意图。图8是未经涂覆的杆在脉冲激励之后的振动振幅衰减。
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图9是经涂覆的杆在脉冲激励之后的振动振幅衰减。图10是振动模态分析。图11是阻尼层厚度的非均勻性对振动谱的影响和连续振动激励的示意图。图12是上述工件在测量振动阻尼时的进一步设置。图13是通过未经涂覆的杆进行机械加工之后的工件表面的照片。图14是通过经涂覆的杆进行机械加工之后的工件表面的照片。图15是由未经涂覆的杆的连续振动激励获得的声音振幅和由经涂覆的杆的连续 振动激励获得的声音振幅。图16显示根据本发明的第十二方面的用于制造上述工件的装备。图17显示沉积方法之间的对比，其中数字8是根据第四方面的方法。图18显示根据本发明的第一方面的刀夹。参照图18，本发明的第一方面由刀夹1 构成，刀夹1由轴2和头3组成。刀具将布置在头3上。刀夹1的轴2设置有围绕着其表 面5的振动阻尼材料4。非必须的铁管6布置在材料4周围以在将刀夹1连接到制造用机 械上时使安装力更加均勻地分布。图19显示根据本发明的第一方面的刀夹。参照图19，本发明进一步的实施方式由 刀夹1构成。刀夹1以物理方式分成两个部件用于容纳刀具的前面的头3和将安装到制 造用机械中的后面的轴2。轴2和头3彼此被振动阻尼材料4隔开。振动阻尼材料4可布 置在刀夹上的在刀具连接到刀夹的前端中的连接处与用于安装到制造用机械中的区域之 间的任何位置。优选振动阻尼材料4以图19中所述的方式布置在前端。刀夹1的轴2设 置有覆盖如图18中所示的刀夹表面上的或者如图19中所示的在轴2与头3之间的表面的 陶瓷材料形式的振动阻尼材料。图20显示(a)钻，其轴上设置有振动阻尼材料，(b) (c) I、II、III不同设计的铣刀，和(d)使用中的铣刀实施例在下列实施例中进一步说明根据本发明的第一方面的方法。实施例1该实验涉及显示出大幅度抑制切削工具振动的纳米结构材料的应用。初始的可行 性研究阶段的结果是非常有建设性的，并且在下面给出。用于该纳米结构材料的合成和沉 淀的技术使用在交叉的电场和磁场中的高功率放电。CNx阻尼涂层的沉积和评价1.方法和程序(PPD)基础压力为10_6托。操作气体为乙炔和氮气。操作压力为10_2托 10_3托。乙炔 /氮气比例为50/50。电源为脉冲电流发生器。电流振幅为5 750A。脉冲长度为5ms 30 μ S。脉冲 频率为50Hz。平均功率为lkW。脉冲功率为2 300kW。此处使用正常放电、反常放电、以 及辉光放电到电弧放电的转变放电。硬件是典型的磁控溅射硬件(PVD技术)。气体乙炔的裂化是典型的气体CVD技 术。使用氩气+氮气混合物的PVD的沉积速率为0.5微米/小时。使用乙炔+氮气混合物的CVD的沉积速率(CVD)为15 20微米/小时，其为PVD的30 40倍高。这表明，对于 乙炔，沉积速率为15 20微米/小时·千瓦。这还表明，CVD过程对沉积速率具有主要影 响。沉积的碳超过90%来自乙炔，沉积的碳的其余部分来自具有类磁控管磁场的碳阴极。 因此可以说，根据第一和第四方面的方法为通过PVD硬件提供的CVD过程，或者PVD技术被 用作裂化室以提供CVD过程。阳极为真空容器(处理腔室)。以两个步骤完成沉积1.沉积30 μ m厚的底层2.沉积20 μ m厚的上层在所述各步骤之间，使工件冷却并测试其振动阻尼。2. PPD镗杆的测试1.方法借助于实验模态分析(EMA)测试通过PPD技术涂覆的镗杆。将结果与未经涂覆的 杆进行比较。以三个步骤进行测量1.对未经涂覆的杆进行测量2.对具有30 μ mPPD涂覆的杆进行测量3.对具有30 μ m+20 μ mPPD涂覆的杆进行测量各镗杆的横截面是圆形的。因此，将各杆夹在由KTH，SPANO开发的机械夹持器中。 各杆的长度为250mm。各杆被夹住55mm的长度。伸出的长度为195mm。基于下列参数比较各杆的动力学性能-动态刚性-阻尼-静态刚性-振型以通过锤击激励的7个节点进行模态分析。各参数作为5个值的平均值算出。3.结果对于常规的未经涂覆的杆，EMA显示下列结果本征频率552Hz，动态刚性63.59m/s2/N对于30ymPPD 的杆本征频率513Hz，动态刚性53.46m/s2/N对于 50ymPPD 杆本征频率465Hz，动态刚性29.65m/s2/N这些结果示于图1中。对于PPD杆，显然第二种模态在接近于第一模态的频率处出现。阻尼比
没有阻尼的杆1.19%PPD-30ym 1. 66%PPD_50ym :2. 75%和 4. 11%由图2和3可以观察到，两个FRF结果之间的静态刚性未显著变化。该结果表明 使用硬质涂层代替VE-材料的优势。4.结论CNx陶瓷(其被认为像富勒烯)可用于硬质弹性振动阻尼涂层。沉积速率可高达 50微米/小时，对于分批涂覆机设计而言这是在工业上可接受的值。有效阻尼层的估计厚 度为约200微米，其在5小时的沉积时间内得到。原则上，对可以装载到分批涂覆机中的工 件的数量没有限制。唯一的限制是几何因素，即机械尺寸。例如，对于1000个装载到机械 中的工件，它们中之一的等效处理时间可为0. 3分钟。脉冲高电流等离子体沉积原理得到了所沉积的膜对钢工件的良好附着。50微米厚 的层在振动阻尼测试期间没有分层。因此发现，附着到切削工具上的氮化碳层显著阻尼了工具振动，并且通过这种方 式改善了加工工件表面的精度，其中所述切削工具的一部分被夹在刀夹中。通过工件加工 使切削工具振动阻尼的另一重要效果是可以加快工件旋转而没有破坏性振动。这导致生产 效率的提高。上述工件的进一步重要性质是它们的刚性，其容许机械部件在不添加刚性层的情 况下的连接，而在通常用作阻尼材料的粘弹性聚合物的情况下，刚性层是必需的。上述工件的另一重要性质是对最高达几百摄氏度的高温耐受性。根据本发明的第 二方面的方法容许将这些陶瓷用在可用于涡轮和喷气发动机中的连接部件中。实施例2用在本发明中的振动阻尼方法还可以通过TiN层来展示。现今，在工业中，TiN被 用作切削刀片的硬质涂层。为此，将TiN沉积在对加工工件进行操作的切削刀片上。切削 刀片连接(用螺栓连接)到刀片夹上。刀片和夹布置在切削工具中。在工件加工期间切削 工具发生振动是常见的现象。本发明的一种方法是，将振动阻尼TiN层或早先在上面提到 的其它材料的层沉积到刀片的处于刀片与刀夹之间的界面处的底表面上。该振动阻尼TiN 也可以沉积在切削工具背面的该工具被夹到车削或铣削机械上的区域上。发现上述纳米结构的材料具有良好的阻尼性质。在下面的实施例中以氮化碳对其 进行进一步说明。图7是振动的振动激励的示意图。此处，1为平台，其中通过弹性缆绳2将被测试 的圆柱体杆固定，缆绳-杆固定点为3。该杆示为4。5为振动阻尼层。对于振动阻尼层的 沉积，使用化学气相沉积。氮气和乙炔为操作气体。冲击振动激励点示为6。振动检测器 固定在点7。该杆是由工具钢制造的。在制造之后，将该杆回火。杆长度为220mm，直径为 31. 4mm。振动阻尼材料为300微米厚的氮化碳层，因此经涂覆的杆的总体直径总计为32mm。振动阻尼检测为在冲击激励之后杆的振动振幅的衰减。振动振幅显示为通过加速 检测器测量的时间的函数。结果示于图8和9中。发现未经涂覆的杆的衰减常数为0. Ims, 经涂覆的杆的衰减常数为0.02ms。将该结果与由粘弹性材料制造的阻尼层进行对比。发 现作为阻尼材料的氮化碳与粘弹性聚合物一样有效率。在图10中，示出了经涂覆的和未经涂覆的杆的共振。未经涂覆的杆的共振频率为2985Hz。经涂覆的杆的共振频率为3110Hz。 在阻尼层的沉淀期间，杆的温度低于100°C。低的沉淀温度导致如下事实在沉淀之前和之 后的基础固有频率几乎是相等的，例如，杆在沉淀期间没有退火。小的差异可通过经涂覆的 杆和未经涂覆的杆的直径差异来解释。这是重要的结果，其明确地表明可以将振动阻尼层 沉淀到钢工件/组件/部件(切削工具、齿轮、轴承)上而不改变它们的性质。此外，低的 温度可容许将氮化碳层作为抑制层施加到粘弹性层上。发现振动阻尼效率不仅取决于材料，还取决于阻尼层的厚度均勻度。其展示于图 11中。将杆夹住。夹住的长度为80mm。在夹住的长度上，阻尼层的厚度沿着杆轴变化30%。 使用脉冲力激励(impulse force excitation)。层的非均勻性导致出现与基础固有频率重 叠的高频率的振动。在图12中，示出了连续振动激励的方案。将杆7夹在车床的夹具11中。从另一 侧将切削刀片9用螺栓连接到杆上。将钢工件8夹在车床的心轴上。工件加工点为10。选 择加工参数使得由未经涂覆的杆激发出强烈振动。在工件制造期间产生声音时通过麦克风 记录连接的工件-切削工具的振动。发现阻尼层没有被为夹紧切削工具所特有的坚硬夹紧 损坏。发现被300微米氮化碳层涂覆的杆在相同的加工参数下根本不会激发振动。其展示 于图15和14中。在图15中，反映了声音的振幅。在图13和14中，图13对应于经涂覆的 杆，图14对应于未经涂覆的杆。该结果清楚地显示，通过将氮化碳层施加到切削工具，可 以在相同的加工速率下提高工件表面的平滑度和精度，或者通过提高加工速率提高生产能 力，因为其不受破坏性的振动的限制。振动减弱和相应的噪音减弱的另一重要结果是员工 的工作条件的显著改善。振动减弱的另一重要结果是切削刀片的寿命的增加。众所周知的 是，加工硬质金属的刀片的特征寿命为约15分钟。这尤其是由于刀片振动与周期性的高频 率冲击类似。通过将振动阻尼层施加在刀片与刀片夹之间(固定的连接)，可以减少或消除 冲击并且通过这种方式增加刀片寿命。用于制造上述工件即刀夹的设置是通过下列组件构成的(也可参见其中示出了 数字的图16)1-真空容器(处理腔室)2-具有碳靶的磁控管溅射阴极(80mm，平坦的，圆形的)3-杆4-杆夹持器5-电动机6-真空密封7-电源8-杆旋转方向基础压力为10_6托。操作气体为乙炔和氮气。操作压力为10_2托 10_3托。乙炔 /氮气比例为50/50。电源为脉冲电流发生器。电流振幅为5 750A。脉冲长度为5ms 30 μ S。脉冲 频率为50Hz。平均功率为lkW。脉冲功率为2 300kW。电压为平均IOkV和lkV。对其进 行沉积的工件以约0. 25rps的速率旋转。此处使用正常放电、反常放电、以及辉光放电到电 弧放电的转变放电。
硬件是典型的磁控溅射硬件(PVD技术)。裂化的气体乙炔是CVD技术的典型气 体。使用氩气+氮气混合物的PVD的沉积速率为0.5微米/小时。使用乙炔+氮气混合物 的CVD的沉积速率(CVD)为15 20微米/小时，其为PVD的30 40倍高。这表明，对于 乙炔，沉积速率为15 20微米/小时·千瓦。这还表明，CVD过程对沉积速率具有主要影 响。沉积的碳超过90%来自乙炔，沉积的碳的其余部分来自具有类磁控管磁场的碳阴极。 因此可以说，其为通过PVD硬件提供(实现)的CVD过程，或者PVD技术被用作裂化室以提 供CVD过程。阳极为真空容器(处理腔室)。还对使用不同的沉积方法时的情况进行对比，结果通过图17反映。显示了，脉冲 等离子体沉积混合方法具有几乎最大的工业沉积速率。其通过17展示。1 7项对应于常 规的方法，8为PPD(见下面的列表)。最小的圆圈是已经实现的层厚度和温度。可以看出， 其为突出的结果。在所述圆圈上方的椭圆形部分对应于工业涂覆机。1等离子体喷涂2电解和化学沉积3磷化处理4渗氮(白色的层)5 渗硼6CVD7PVD、PACVD8新的PVD+PACVD混合技术，即，本发明的一个方面PVD=物理气相沉积PACVD =等离子体辅助化学气相沉积虽然在上面已经描述了本发明的各种实施方式，但是本领域技术人员认识到进一 步的较小的变更，其将落入到本发明的范围内。本发明的广度和范围不应受到上述示例性 实施方式中的任何实施方式的限制，而是应仅根据所附权利要求及其等同物限定。例如，上 述方法中的任何方法可以与其它已知方法组合。本发明范围内的其它方面、优势和变化对 于本发明所属领域的技术人员来说将是明晰的。
权利要求
用于排屑应用的包括振动阻尼材料的器具，其中所述振动阻尼材料为包含通过纳米尺寸的簇形式排列的CNx的陶瓷材料。
2.根据权利要求1的器具，其中所述器具是能移动的或者不能移动的。
3.根据权利要求1或2中任一项的器具，其中所述陶瓷材料作为在所述器具表面上的 层存在，其中所述层为1 μ m 1cm，优选为1 μ m 1000 μ m,最优选为50 500 μ m。
4.根据权利要求1 3中任一项的器具，其中所述陶瓷材料的所述纳米尺寸的簇具有 0. 5 IOOnm的尺寸。
5.根据权利要求1 4中任一项的器具，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排列 成的复合材料，所述多层结构由一种类型的金属或金属化合物、和另一种类型的金属或金 属化合物的交替层组成。
6.根据权利要求5的器具，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排列成的复合材 料，所述多层结构由金属和金属氮化物的交替层组成。
7.根据权利要求5的器具，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排列成的复合材 料，所述多层结构由金属层和金属氧化物的交替层组成。
8.根据权利要求5的器具，其中所施加的阻尼材料为通过双层结构排列成的复合材 料，所述双层结构由粘弹性层和氮化碳层组成，优选所述氮化碳层为抑制层。
9.根据权利要求1 8中任一项的器具，其中振动阻尼层的厚度的均勻度为0.1 10%。
10.根据权利要求1的器具，其中所述纳米尺寸的簇形式中的振动阻尼层所具有的在 超晶格中的亚层数目为10 10000，优选为100 1000。
11.根据权利要求1 10中任一项的器具，其中所述器具为刀夹、切削刀片、钻、旋转 锉、铰刀、夹头或安装装置。
12.根据权利要求1 10中任一项的器具，其中所述器具为刀夹(1)，刀夹(1)包括轴(2)，其将布置在制造用机械中或制造用机械的工具夹中；头(3)，刀具将布置在其上；和振动阻尼材料(4)，其布置成使得所述刀具仅经由所述振动阻尼材料(4)与所述制造 用机械接触。
13.根据权利要求12的器具，其特征在于所述材料作为薄层存在于所述刀夹的表面 上，优选仅主要存在于将与切削刃/刀片接触的表面上和/或存在于将与夹持所述刀夹的 所述制造用机械接触或者将与夹持所述刀夹的制造用机械的工具夹接触的表面上。
14.根据权利要求12的器具，其特征在于所述轴(2)设置有空穴。
15.根据权利要求12的器具，其特征在于所述空穴为钻出的圆柱体。
16.根据权利要求12 15中任一项的器具，其特征在于所述轴(2)表面(5)的至少那 些将与所述制造用机械或者与夹持所述刀夹的制造用机械的工具夹接触的部分设置有所 述振动阻尼材料。
17.根据权利要求12 14或16中任一项的器具，其特征在于所述刀夹的全部表面都 设置有所述振动阻尼材料。
18.根据权利要求12 14或16中任一项的器具，其特征在于所述振动阻尼材料(4) 围绕着所述轴(2)的表面(5)。
19.根据权利要求12 14或16中任一项的器具，其特征在于所述轴(2)和所述头(3) 为通过所述振动阻尼材料(4)结合的两个独立部件。
20.根据前述权利要求中任一项的器具，其用在旋转切削工具中。
21.根据权利要求20的器具，其中所述旋转切削工具为铣刀、键槽铣刀或立铣刀。
22.根据权利要求12 19或21中任一项的器具，其与陶瓷刀片、金刚石刀片、立方氮 化硼刀片、HSS刀片或碳化物刀片一起使用。
23.根据权利要求1 10中任一项的器具，其中所述器具为包括设置有振动阻尼材料 的轴的钻或旋转锉。
24.制造根据权利要求1 23中任一项的用于排屑应用的器具的方法，包括下列步骤a)为制造用于排屑应用的器具的方法提供器具；和b)将包括纳米尺寸的簇形式的CNx的陶瓷材料沉淀在所述器具上，由此在所述器具中 产生振动阻尼效果。
25.根据权利要求24的方法，其中所述器具是能移动的或者不能移动的。
26.根据权利要求24的方法，其中所述陶瓷材料作为薄层沉淀在所述器具表面上。
27.根据权利要求24的方法，其中所述陶瓷材料作为薄层沉淀在所述器具表面上，所 述层为1 μ m 1cm，优选为1 μ m 1000 μ m，最优选为50 500 μ m。
28.根据权利要求24 27中任一项的方法，其中所述陶瓷材料的所述纳米尺寸的簇具 有0. 5 IOOnm的尺寸。
29.根据权利要求24 28中任一项的方法，其中通过使用如下技术进行步骤b)的沉 淀磁控溅射沉积技术，例如直流、射频、脉冲、高功率脉冲、反应性涂覆磁控溅射沉积技术； 或电弧技术，例如受控电弧和非受控电弧；或化学气相沉积(CVD)技术，例如射频、直流、低 压、高压、等离子体辅助化学气相沉积技术；或物理气相沉积(PVD)技术；或等离子体喷涂 技术；或所述技术的组合；优选使用PVD和CVD。
30.根据权利要求24的方法，其中使用氩气、氮气、CH4或C2H2、或CO、或CO2气体或它 们的组合进行步骤b)的沉淀。
31.根据权利要求24的方法，其中在50 1500°C的所述制品或工件的温度下、优选在 50 400°C的温度下进行步骤b)的沉淀。
32.根据权利要求24 31中任一项的方法，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排 列成的复合材料，所述多层结构由一种类型的金属或金属化合物、和另一种类型的金属或 金属化合物的交替层组成。
33.根据权利要求32的方法，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排列成的复合材 料，所述多层结构由金属层和金属氮化物的交替层组成。
34.根据权利要求32的方法，其中所施加的阻尼材料为通过多层结构排列成的复合材 料，所述多层结构由金属层和金属氧化物的交替层组成。
35.根据权利要求32的方法，其中所施加的阻尼材料为通过双层结构排列成的复合材 料，所述双层结构由粘弹性层和氮化碳层组成，优选所述氮化碳层为抑制层。
36.根据权利要求24 35中任一项的方法，其中振动阻尼层的厚度的均勻度为0.1 10%。
37.根据权利要求24的方法，其中所述纳米尺寸的簇形式的振动阻尼层所具有的在超 晶格中的亚层数目为10 10000，优选为100 1000。
38.根据权利要求24的方法，其中在反应器中通过如下进行步骤b)的沉淀，在所述反 应器中任选地设置有在磁控阴极上的靶，所述反应器包括通过磁场分开的阴极和阳极(a)进行设置使得所述阴极在反应器中提供类磁控管磁场；(b)将器具放置在腔室中；(c)将一种或多种含碳工艺气体和反应性气体引入到所述腔室中；(d)赋予所述工艺气体和反应性气体能量以形成等离子体，从而使所述工艺气体分解 为自由基并进一步使碳材料沉积到所述器具上，以及使所述反应性气体离子化以提高氮化 学吸附到碳上的速率；和(e)在分解和化学吸附之后将各气体从所述腔室排出。
39.根据权利要求38的方法，其中所述器具以约0.25rpm的速率旋转。
40.根据权利要求38的方法，其中所述工艺气体为乙炔和/或甲烷和/或一氧化碳、和 /或二氧化碳，并且反应性气体为氮气，优选工艺气体与反应性气体之比为约1/10 10/1， 乙炔和/或甲烷与氮气的最优选比率为约50/50。
41.根据权利要求38的方法，其中所述反应器中的压力为10_4托 1000托，优选为10_3 托 10托。
42.根据权利要求38的方法，其中电流振幅为约1 1000A，优选为5 6A，脉冲长度 为约10μ S 10s，和频率为约0. 1 10000Hz。
43.根据权利要求38的方法，其中脉冲功率为约100W 1丽，优选为约IkW 3kW。
44.根据权利要求38的方法，其将CVD裂化过程与PVD裂化硬件结合，所述PVD裂化硬 件为具有经平衡的或未经平衡的类磁控管磁场的阴极。
45.根据权利要求38的方法，其中所述阳极-阴极高电流脉冲放电是正常放电、或反常 放电、或者反常放电到电弧辉光放电的转变放电。
46.根据权利要求38的方法，其中在沉积期间磁场的强度为0.01 0. 3特斯拉，优选 不高于300高斯。
47.用于排屑应用的器具，其通过根据权利要求24 46中任一项的方法获得。
48.根据权利要求47的器具，其中所述器具为刀夹、切削刀片、钻、旋转锉、夹头或安装置ο
49.工件或制品在用于排屑应用的器具中，优选在切削工具中，最优选在车削、镗孔、钻 孔、铰孔、车螺纹、铣削、刨削、去毛刺、穿孔和/或拉削的工具中的用途，所述工件或制品由 在包括磁控阴极的反应器中将氮化碳材料沉积在工件或制品上的方法获得，其中所述氮化 碳材料在施加时优选由纳米和/或亚纳米尺寸的簇/聚集体组成，所述方法包括(a)进行设置使得所述阴极在所述反应器中具有磁场(优选类磁控管磁场)；(b)将工件或制品放置在所述反应器中；(c)将一种或多种含碳工艺气体和反应性气体引入到所述反应器中；(d)赋予所述工艺气体和反应性气体能量以形成等离子体从而使所述工艺气体分解为 自由基并进一步使碳材料沉积到所述工件或制品基材上、以及使所述反应性气体离子化以 提高氮化学吸附到所述碳上的速率；和(e)在分解和化学吸附之后从所述腔室排出各气体。
50.存储在数据载体上的计算机程序，其用于执行根据权利要求24 46中任一项的方法。
全文摘要
本发明提供用于排屑应用的包括振动阻尼材料的器具，其中该振动阻尼材料为通过纳米尺寸的簇形式排列的材料。本发明另外提供用于制造所述器具的方法。本发明还提供能通过所述方法获得的器具。另外，本发明提供用在用于排屑应用的器具中的制品或工件。还提供用于控制上述方法的计算机程序。
文档编号C23C16/34GK101883652SQ200880118735
公开日2010年11月10日 申请日期2008年9月29日 优先权日2007年10月1日
发明者彼得·米希克, 拉格恩希尔德·米希克 申请人:默克纳公司