由至少两种不同的AlCr基靶材制造的耐磨涂层的制作方法

由至少两种不同的alcr基靶材制造的耐磨涂层
1.本发明涉及alcrn基涂层，其在机械加工操作(诸如铣削(粗加工和精加工二者))中表现出优异的耐磨性。本发明还涉及用于施加涂层体系(下文也称为涂层方案(coating scheme))的方法。
2.更具体地，本发明涉及具有包括alcrn基层的涂层方案的涂覆制品，所述alcrn基层可以以可变厚度沉积，使得涂层方案中alcrn基层的至少一部分可以是纳米层。
3.在上下文中的示例性涂覆制品包括但不限于切削工具，诸如端铣刀、成形工具和磨损部件。
现有技术
anders等人在wo 2016/102170 a1中提出了一种用于减少机械加工操作造成的切削工具月牙洼磨损的涂层体系，预期其在干式机械加工操作(诸如滚齿加工)中是特别有益的。
5.根据eriksson等人的wo 2016/102170的涂覆制品和涂覆方法已经产生了良好的结果。但是，需要满足稳定增长的新需求。因此，尽管用上述涂层以及其它目前可用的涂层获得了益处，但仍然存在对表现出增强的性质(诸如优异的耐磨性、热障性质和增强的对裂纹的产生和扩展的抗性)的组合的新涂层的需求。
6.特别是在涂覆的端铣刀(用于提及涂覆制品的一个实例)的情况下，涂覆的端铣刀通常包含在其上具有涂层方案(也称为涂层体系)的基材。涂覆的端铣刀可用于在切屑形成材料去除操作中去除材料。取决于工件材料、机械加工工艺和切削参数，在端铣刀与切屑的界面处可能存在大量的磨损(尤其是磨蚀)和裂纹形成与扩展(尤其是在湿式机械加工中)和/或热传递(尤其是在干式机械加工中)。因此，在深入基材的切削切屑界面处和涂层方案与基材之间的界面(即涂层-基材界面)处的磨损(尤其是磨料磨损)和裂纹形成与扩展(尤其是在湿式机械加工中)和/或热传递(尤其是在干式机械加工中)均可能有损于端铣刀的性能。
7.涂层方案通常影响磨损、裂纹形成与扩展和由端铣刀-切屑界面向基材和涂层-基材界面的热传递程度。涂层方案的物理化学性质强烈影响所有磨损、裂纹形成与扩展和此类热传递的程度。
8.发明目的本发明的主要目的是提供一种涂层解决方案以克服根据现有技术的涂层的缺点。
9.特别地，本发明将提供一种新的涂层体系，其表现出增强的性质，所述增强的性质可适于满足各种机械加工操作(诸如铣削(粗加工和精加工二者))中不断增长的需求。
10.更具体地，本发明将提供与现有技术相比通过同时减少磨料磨损、月牙洼磨损和热裂纹形成与扩展而提供显著更高的耐磨性，并因此显著提高在机械加工操作中，特别是铣削中使用的切削工具的切削性能与寿命的涂层方案。此外，本发明的目的是提供施加根据本发明的涂层方案的方法，该涂层方案应适用于切削工具的涂覆。
11.发明描述
本发明的目的通过提供根据独立权利要求1的涂层体系以及通过提供根据独立权利要求20的方法来实现。
12.根据本发明的第一方面，公开了一种沉积在基材表面上的涂层体系，其包含下层涂覆膜、沉积为多层膜的中间涂覆膜，所述多层膜由在彼此上交替沉积形成a/b/a/b/a
…
结构的多个a层和多个b层组成，a层包含铝铬和任选的一种或多种掺杂剂元素，并且b层包含氮化铝铬和一种或多种掺杂剂元素，其中下层涂覆膜沉积在待涂覆的基材表面上或在任何情况下比中间涂覆膜更靠近基材沉积，中间涂覆膜沉积在下层涂覆膜与上层涂覆膜之间，上层涂覆膜比中间涂覆膜更远离基材沉积，a层包含铝(al)、铬(cr)和氮(n)，或铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，b层包含铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，其中a层至少在化学组成方面不同于b层，其中至少一种化学元素存在于b层中但不存在于a层中或存在于b层中但不存在于a层中，或者如果a层和b层均含有相同的化学元素，则该化学元素在b层中的浓度不同于该化学元素在a层中的浓度，并且一种或多种掺杂剂在b层中的浓度高于，如果有的话，一种或多种掺杂剂元素在a层中的浓度。
13.在第一方面的另一实例中，上层涂覆膜可以沉积为涂层体系的最外层。
14.在第一方面的另一实例中，a层的单个层厚度可以大于b层的单个层厚度。
15.在第一方面的另一实例中，a层的单个层厚度相对于b层的单个层厚度之间的比率可以在1％至600％、优选50％至400％以上的范围内。
16.在第一方面的另一实例中，下层涂覆膜的厚度可以为涂层体系的总厚度的65％至97％。
17.在第一方面的另一实例中，上层涂覆膜的厚度可以为涂层体系的总厚度的3％至35％。
18.在第一方面的另一实例中，上层涂覆膜的层厚度可以低于下层涂覆膜的层厚度。
19.在第一方面的另一实例中，上层涂覆膜或上层涂覆膜的至少一个节段或，如果有的话，可包含在上层涂覆膜中的a层的至少一部分和/或b层的至少一部分，和/或中间涂覆膜或中间涂覆膜的至少一个节段或包含在中间涂覆膜中的a层的至少一部分和/或b层的至少一部分除氮(n)之外还包含氧(o)和/或碳(c)。
20.在第一方面的另一实例中，如果仅考虑n、c和o的浓度，这意味着，如果相应的涂覆层或涂覆膜中的n、c和o的浓度之和可以被认为是100原子％，则形成涂层体系的一个涂覆层或一个涂覆膜中碳和/或氧的原子百分比浓度可以为3原子％至38原子％。
21.在第一方面的另一实例中，b层中掺杂剂元素的原子百分比浓度以及在a层包含掺杂剂元素的情况下a层中掺杂剂元素的原子百分比浓度可以随着涂层体系的中间涂覆膜的总厚度而改变，以中间涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围可优选为0.1％至600％。
22.在第一方面的另一实例中，中间涂覆膜可包含不同的膜节段，其中i由i＝1至i＝n变化，其中i和n是自然数，即包括节段，其中膜节段的数量为至少一个，即n≥1，优选超过一个，即n≥2，其中所述中间膜节段中的每一个可以包含下层部分和上层部分，部分的每一个
可以由一个或多个双层b形成，每个双层b可以由一个层a和一个层b形成，其中在中间涂覆膜的厚度的延伸内的所有a层可包含相同的化学元素但浓度不一定相同，并且在中间涂覆膜的厚度的延伸内的所有b层可包含相同的化学元素但浓度不一定相同，其中至少两个在彼此上沉积的中间膜节段(例如216.1和216.2)可以在以下物理化学性质中的至少一种的方面不同：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布，其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算、机械性质，诸如硬度、弹性和模量、化学组成。
23.在第一方面的另一实例中，分别属于两个连续沉积的中间膜节段的至少两个下层部分可以表现出不同的内应力，其中216.i比216.i+1更靠近基材，并且更靠近基材的下层部分可以表现出比另一下层部分更低的内应力。
24.在第一方面的另一实例中，下层涂层可包含与层a相同的元素。
25.在第一方面的另一实例中，上层涂覆膜可包含：1)与层b相同的化学元素，并且在这种情况下，上层涂覆膜可以通过使用用于沉积层b的相同靶材来制造，优选沉积为单层，或2)层a的相同化学元素和层b的相同化学元素，并且在这种情况下，上层涂覆膜可以通过分别使用用于沉积中间涂覆膜中的层a和层b的相同靶材以多层形式来制造，但是与中间涂覆膜相比，上层涂覆膜可具有不同的层a和b的厚度比和不同的化学组成，其中，上层涂覆膜(220)中单个层a的厚度相对于单个层b的厚度可以更低或相等或更高，但是如果a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
＞0，则a
216中的层厚度
/b2
16中的层厚度
＞a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
。
26.在第一方面的另一实例中，掺杂剂元素在下层涂覆膜中的浓度以及，如果有的话，在上层涂覆膜中的浓度可以随着下层涂覆膜的总厚度而改变。
27.在第一方面的另一实例中，掺杂剂元素的浓度可以随着涂层体系的上层涂覆膜的总厚度而改变。
28.在第一方面的另一实例中，分别以下层涂覆膜或上层涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围可以为0.1％至600％。
29.根据本发明的第二方面，公开了用于制造根据第一方面的涂层体系的方法，其中通过使用反应性阴极电弧pvd法制造涂层体系，其中为了沉积a层，使用一个或多个a
源
靶材，并且其中为了沉积b层，使用一个或多个b
源
靶材，其中至少使用氮气作为反应性气体，并且a
源
靶材包含al和cr和任选的一种或多种选自b、y、ta、si、w、ti、ca、mg、fe、co、zn和nb的掺杂剂元素，并且b层b
源
靶材包含al和cr和一种或多种选自b、y、ta、si、w、ti、ca、mg、fe、co、zn和nb的掺杂剂元素，其中如果a
源
靶材和b
源
靶材均包含一种或多种掺杂剂元素，则它们在至少一种掺杂剂元素方面彼此不同，并且其中在沉积涂层体系的过程中，以下参数中的至少一个：气体压力、温度、偏置电压、源电流、磁场形状和/或强度以及反应性气体，改变以改变涂层的以下物理化学性质中的至少一种：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布，其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算、机械性质，诸如硬度和弹性模量、以及化学组成。
30.详细描述为了更好地解释本发明，将使用图1至8。
31.图1特别用于示意性显示本发明的涂层体系(也称为涂层方案)的优选实施方案。
图1包含图1a、图1b、图1c和图1d(a)和(b)。
32.在图1a中示意性显示了根据本发明的涂层体系的基本实施方案。
33.本发明的涂层体系210(或涂层方案210)包含至少三层涂覆膜：下层涂覆膜212(下层涂覆膜也可称为下层涂覆层)、中间涂覆膜216和上层涂覆膜220(上层涂覆膜也可称为上层涂覆层)。
34.下层涂覆膜212沉积在待涂覆的基材201表面上，或者在任何情况下(如果在基材201与下层涂覆膜212之间沉积了任何其它层)比中间涂覆膜216更靠近基材201沉积。
35.中间涂覆膜216沉积在下层涂覆膜212与上层涂覆膜220之间。
36.上层涂覆膜220比中间涂覆膜216更远离基材201沉积。
37.优选地，上层涂覆膜220沉积为涂层体系210的最外层。
38.中间涂覆膜216沉积为多层膜，所述多层膜包括多个a型层(下文也称为a层)和多个b型层(下文也称为b层)。
39.a层和b层在彼此上交替沉积，形成层a/b/a/b/a
…
的顺序。
40.a层包含铝(al)、铬(cr)和氮(n)，或包含铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，即a层包含al、cr和n以及任选进一步包含一种或多种如上所述的掺杂剂元素。
41.b层包含铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，即b层包含al、cr、n和一种或多种如上所述的掺杂剂元素。
42.根据一个优选实施方案，b层中包含的化学元素至少在一种化学元素方面不同于a层中包含的化学元素，这意味着，如果a型层和b型层均包含一种或多种掺杂剂，则存在于b层中的至少一种掺杂剂不存在于a层中，或者存在于a层中的至少一种掺杂剂不存在于b层中，其中在b型层(在本发明的上下文中也称为b层)中的一种或多种掺杂剂的浓度高于a型层(在本发明的上下文中也称为a层)中的一种或多种掺杂剂的浓度。
43.根据另一优选实施方案，b层中包含的化学元素可以是a层中包含的相同化学元素，但在这种情况下，b层和a层均包含一种或多种掺杂剂，并且a层的化学组成在化学元素的浓度方面不同于b层的化学组成，其中一种或多种掺杂剂元素在b层中的浓度高于一种或多种掺杂剂元素在a层中的浓度。
44.根据根据本发明的方法的一个优选实施方案，用于制造a层的a
源
靶材的化学元素组成在至少一种化学元素方面不同于用于制造b层的b
源
靶材的化学组成，即包含在b
源
靶材中的至少一种化学元素未包含在a
源
靶材中，或包含在a
源
靶材中的至少一种化学元素未包含在b
源
靶材中，并且一种或多种掺杂剂在b
源
靶材中的浓度高于一种或多种掺杂剂在a
源
靶材中的浓度。
45.根据根据本发明的方法的另一优选实施方案，用于制造a层的a
源
靶材的化学元素组成在化学元素的浓度方面不同于用于制造b层的b
源
靶材的化学组成，即如果包含在b
源
靶材中的化学元素与包含在a
源
靶材中的化学元素相同，则两种种类的靶材包含一种或多种掺杂剂元素，并且a
源
靶材中化学元素的化学元素浓度不同于b
源
靶材中的化学元素浓度，并且一种或多种掺杂剂在b
源
靶材中的浓度高于一种或多种掺杂剂在a
源
靶材中的浓度。
46.如图1b中示意性显示的那样，中间涂覆膜216由一个或多个膜节段216.i组成，其中i由i＝1至i＝n变化，其中i和n是自然数且n≥1，优选n≥2。
47.那些中间涂覆膜节段不一定具有相同的厚度。
48.在所有这些膜节段中，优选所有a层通过使用相同的靶材(在本发明的上下文中也称为a
源
靶材)来制造，并且优选所有b层通过使用相同的靶材(在本发明的上下文中也称为b
源
靶材)来制造。
49.那些中间涂覆膜节段在以下物理化学性质中的最少一种的方面不同：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布(其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算)、机械性质(例如硬度、弹性模量)、化学组成。
50.关于不同膜节段216.1至216.n中上述提及的物理化学性质的差异(这意味着不同中间膜节段216.i之间的差异)优选通过在涂覆沉积工艺过程中改变一个或多个工艺参数，特别是选自以下的一个或多个工艺参数来产生：压力、温度、偏置电压、偏置电流、源电流、磁场形状、磁场强度、反应性气体流量、反应性气体分压、引入涂覆室中的反应性气体的种类。
51.但是，不管沉积中间涂覆膜216使工艺参数发生任何改变，对于所有中间膜节段216.i(这意味着由i＝1至i＝n)，优选通过使用分别用于沉积a层和b层的相同靶材a
源
靶材和相同b
源
靶材来制造整个中间涂覆膜216。
52.根据本发明的一个优选实施方案，如图1b中示意性显示的那样，涂层体系设计为具有包含不同膜节段216.i的中间涂覆膜216，其中i由i＝1至i＝n变化，其中i和n是自然数，即包含节段216.1至216.n，其中中间膜节段216.i的数量为至少一个，即n≥1，优选超过一个，即n≥2，其中所述中间膜节段216.i的每一个包含下层部分216.i.下层和上层部分216.i.上层，如图1b和图1c中示意性显示的那样，部分的每一个由一个或多个双层b形成，每个双层b由一个层a和一个层b形成，如图1d中示意性显示的那样，其中在中间涂覆膜216的厚度的延伸内的所有a层包含相同的化学元素但浓度不一定相同，并且在中间涂覆膜216的厚度的延伸内的所有b层包含相同的化学元素但浓度不一定相同。
53.优选地，至少两个在彼此上沉积的中间膜节段(例如216.1和216.2)在以下物理化学性质中的至少一种的方面不同：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布，其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算、机械性质，诸如硬度、弹性模量、和/或化学组成。
54.根据本发明的一个优选实施方案，沉积在相应下层部分216.i.下层上的至少一个上层部分216.i.上层表现出不同于相应下层部分的内应力。该特征优选通过在沉积下层部分216.i.下层的过程中施加具有值ui的恒定偏置电压，并通过在沉积上层部分216.i.上层的过程中施加由值ui至值u
i+1
变化的可变偏置电压来产生，如图1c中示意性显示的那样，其中优选ui和u
i+1
是负偏置电压，且u
i+1
的绝对值高于ui的绝对值，即|u
i+1
|＞|ui|。优选地，分别属于两个连续沉积的中间膜节段的至少两个下层部分(例如包含在216.1中的216.1.下层和包含在216.2中的216.2.下层，其中216.比216.2更靠近基材)表现出不同的内应力，并且优选更靠近基材的下层部分(例如216.1.下层)表现出比另一下层部分(例如216.2.下层)更低的内应力。该特征优选通过在沉积下层部分216.i.下层的过程中施加具有值ui的恒定负偏置电压，并通过在沉积下层部分216.i+1.下层的过程中施加具有值u
i+1
的不同的
恒定负偏置电压来产生，其中偏置电压u
i+1
的绝对值高于偏置电压ui的绝对值，即ui+1＞ui，如图1c中示意性显示的那样。例如通过施加用于沉积216.1.下层的第一恒定负偏置电压u1和用于沉积216.2.下层的第二恒定负偏置电压u2，其中216.1.下层比216.2.下层更靠近基材，且u1的绝对值低于u2的绝对值，即|u1|＜|u2|，实现了216.2.下层中的内应力高于216.1.下层中的内应力。在上下文中的内应力优选是压缩应力。
55.如图1d中示意性显示的那样，在相应的下层部分和上层部分中作为双层b存在的a层和b层优选沉积为纳米层。
56.上层部分216.i.上层的厚度低于上层部分216.i.上层沉积在其上的相应的下层部分216.i.下层的厚度，即216.i.下层的厚度＞216.i.上层的厚度。
57.如图1b中示意性显示的那样，中间涂覆膜216还可以包含顶层216_tp。
58.优选地，在沉积中间涂覆膜216的过程中施加负偏置电压，并且优选地，负偏置电压的值(绝对值)从沉积中间涂覆膜216开始时采用的较低偏置电压u1提高到沉积中间涂覆膜216结束时采用的较高偏置电压un。优选地，该偏置电压变化以使得在沉积相应的下层部分216.i.下层的过程中偏置电压尽可能保持恒定在值ui，并在沉积相应的上层部分216.i.上层的过程中逐渐由ui提高到更高的值ui+1的方式进行。
59.如图1d中示意性显示的那样，根据本发明，a层的单个层厚度大于b层的单个层厚度。
60.a层的单个层厚度相对于b层的单个层厚度之间的比率在50％至400％以上的范围内。
61.下层涂覆膜212的厚度优选为涂层体系210的总厚度的65％至97％。
62.上层涂覆膜220的厚度优选为涂层体系210的总厚度的3％至35％。
63.上层涂覆膜220的层厚度优选低于下层涂覆膜212的层厚度。
64.根据本发明的一个优选实施方案：-上层涂覆膜220和/或中间涂覆膜216，或-上层涂覆膜220的至少一个节段(即沿上层涂覆膜220的厚度延伸而不包含沿其厚度的完整延伸或整个上层涂覆膜220的上层涂覆膜220的一部分)和/或中间涂覆膜216的至少一个节段除氮(n)之外包含氧(o)和/或碳(c)，以这种方式，可以实现：-上层涂覆膜220和/或中间涂覆膜216，或-上层涂覆膜220的至少一个节段和/或中间涂覆膜216的至少一个节段不仅包含金属氮化物，还包含金属氧氮化物或金属碳氮化物或金属羧氮化物(carboxynitride)。
65.如果仅考虑n、c和o的浓度，这意味着，如果相应的涂覆层或涂覆膜中n、c和o的浓度之和被认为是100原子％，则形成涂层体系210的一个涂覆层或一个涂覆膜中碳和/或氧的原子百分比浓度优选为3原子％至38原子％。
66.铝对铬的原子百分比浓度的比(al/cr)优选随着涂层体系的总厚度而改变。在这种情况下，浓度的比al/cr的变化范围优选为69/31至79/21。
67.如果考虑所有元素的浓度，这意味着，如果相应的b层或a层中所有元素的浓度之
和被认为是100原子％，则b层中掺杂剂元素的原子百分比浓度和在a层包含掺杂剂元素的情况下a层中掺杂剂元素的原子百分比浓度为0.1原子％至20原子％、优选0.5原子％至15原子％。
68.b层中掺杂剂元素的原子百分比浓度和在a层包含掺杂剂元素的情况下a层中掺杂剂元素的原子百分比浓度优选随着涂层体系的中间涂覆膜的总厚度而改变。以中间涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围优选为0.1％至600％。
69.下层涂覆膜212优选包含与层a相同的元素。
70.上层涂覆膜220包含：-优选与层b相同的化学元素，这意味着，上层涂覆膜220可以沉积为单层，或-优选层a的化学元素和层b的化学元素二者，这意味着，上层涂覆膜220可以沉积为具有多层周期性的多层，其包含通过使用用于沉积中间涂覆膜216的相同靶材制造的层a和b，但与中间涂覆膜216相比具有不同的层a和b的厚度比和不同的化学组成。上层涂覆膜220中层a的厚度相对于层b的厚度可以更低或相等或更高，但是在后一种情况下，其必须不如节段216中那么高，即如果a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
＞0，则a
216中的层厚度度
/b
216中的层厚度
＞a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
。
71.尽管所有层a由相同的a
源
靶材制造且所有b层由相同的b
源
靶材制造，但并不意味着所有a层的化学组成均相同，并且也意味着所有b层的化学组成沿着涂覆膜的厚度或沿着包含这些a层和b层的涂覆膜的节段是相同的，因为由于工艺参数可以改变，因此相应的a层和b层中化学元素的浓度也可以由于在涂层沉积过程中使用的不同工艺参数的影响而改变。
72.同样地，尽管一个涂覆膜由相同的一个或多个靶材制造，但这并不意味着该涂覆膜的化学组成沿着涂覆膜的厚度是相同的，因为如上文已经提及的那样在涂层沉积过程中使用的工艺参数的影响。
73.掺杂剂元素在下层涂覆膜212中的浓度和/或，如果有的话，掺杂剂元素在上层涂覆膜220中的浓度优选随着下层涂覆膜212的总厚度和/或随着涂层体系210的上层涂覆膜220的总厚度而改变。分别以下层涂覆膜或上层涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围优选为0.1％至600％。
74.本发明的涂层体系(如上文已经提及的那样，在上下文中也称为涂层方案)如上所述包含以本发明的方式特别调整的层布置，其使得能够同时满足以下具有挑战性的要求：-减少磨料磨损，-减少月牙洼磨损，-减少/抑制热裂纹的形成与扩展，以及-使得热能够从端铣刀-切屑界面传递至基材和涂层-基材界面。
75.为了示例性显示通过使用根据本发明的涂层体系而获得的出乎意料的益处，下面将描述一些实施例。这些实施例不应理解为限制本发明，而是仅作为展示：用于沉积本发明的涂层体系210的一些实例的工艺参数：
○
压力范围：0.1pa至9pa(受控的n2分压)
○
基材温度范围：200℃至600℃
○
偏置电压范围：+20v至-300v
○
源电流范围：50a至200a
对于发明实施例的沉积，涂覆参数选自上述提及的范围，并且还根据需要改变以改变性质。
76.通过使用相应的反应性气体，例如用于提供氮的n2气体、用于提供氧的o2气体、用于提供碳的c2h2或ch4，在涂覆室中提供元素氮、碳和氧用于形成涂层体系210。
77.为了提供al、cr和掺杂剂元素，固体靶材被用作待蒸发的阴极，并以这种方式被用作形成涂层体系的材料源。
78.靶材优选在用作电弧pvd源的电弧蒸发器中作为阴极操作。
79.意味着该工艺是反应性的：反应性阴极pvd涂覆工艺。
80.在用于沉积涂层方案210的整个涂覆工艺过程中，使用最少两种相互不同的靶材(相互不同的靶材意味着一种靶材不同于另一种)。这些靶材关于以下方面中的最少一个相互不同：1)al在总al+cr含量中的浓度(意味着al/(al+cr)，以原子％计)，和/或2)相对于总金属浓度的所有掺杂剂一起的总浓度，和/或3)相对于总掺杂剂浓度和/或总元素浓度的掺杂剂之一的浓度。
81.alcr金属靶材在本实施例中用作al和cr源，alcr金属靶材具有相对于al和cr最少68％的al的浓度(al/(al+cr)，以原子％计)。
82.所有掺杂剂(金属或半金属掺杂剂)直接作为alcr靶材中的掺杂剂提供。
83.在以下实施例中，alcr靶材用作a
源
靶材，而alcrb靶材用作b
源
靶材，但是这些实施例不应被理解为限制本发明，而是仅作为展示。
84.切削测试的结果：在湿条件下铣削淬硬钢(钢型1.2344)38 hrc粗加工和45 hrc精加工。38 hrc粗加工测试称为实施例测试1。
85.45 hrc精加工测试称为实施例测试2。
86.实施例测试1包括涂覆的切削端铣刀的测试，其标记为：-现有技术＝商业市场中的基准涂层-本发明中给出的示例性发明涂层1、2、3。
87.38 hrc粗加工的测试参数：这里测试了使用端铣刀的粗加工性能。工件材料为38hrc硬化钢(1.2344)。工具是硬质合金端铣刀，直径＝10mm，具有4个齿。切削参数如下所列：切削速度vc＝175m/min；进料速率f＝0.05mm/齿；切削深度ap＝5.0mm；切削宽度ae＝4mm；外部冷却：湿；以及磨损标准：vbmax＝120μm。图1中给出了以％计的工具寿命，其比较了现有技术和三个发明实施例。对于现有技术和一个发明实施例，在图2中给出了测试持续时间后磨损进展的差异。在图2中，显示了作为代表性实施例的四个主切削刃中的一个。
88.图2显示了实施例测试1中涂覆的硬质合金端铣刀的寿命的比较，所述实施例测试1是针对作为市场基准的现有技术测试的三个示例性(发明实施例1、2、3)发明的耐磨涂层方案的38 hrc硬化钢(钢类型1.2344)应用的湿式铣削切削测试。可以看出，与作为市场基准的现有技术相比，本发明的涂层具有高达220％的工具寿命的显著提高。
89.图3显示了以在测试工具中每种变体取1个工具的代表性实施例形式给出的实施例测试1中的涂覆硬质合金端铣刀的磨损与磨损演变，所述实施例测试1是针对作为基准的现有技术测试的发明实施例1的耐磨涂层方案的38 hrc硬化钢(钢类型1.2344)应用的湿式
铣削切削测试。可以看出，与本发明的涂层相比，在现有技术的涂层中，磨损(尤其是起始磨损)要高得多，并且磨损进展要快得多。由此，如图2中实施例1测试的工具寿命所示，现有技术的涂层更早失效。相反，实施例1的本发明的涂层具有非常低的起始磨损和均匀的磨损进展，直到由最大磨损(vbmax)限定的工具寿命结束为止都没有碎裂。
90.实施例测试2包括涂覆的切削端铣刀的测试，其标记为：-现有技术＝商业市场中的基准涂层-本发明中给出的示例性发明涂层1、2、4。
91.45 hrc精加工的测试参数：这里测试了使用端铣刀的精加工性能。工件材料为45 hrc硬化钢(1.2344)。工具是硬质合金端铣刀，直径＝10mm，具有4个齿。切削参数如下所列：切削速度vc＝150m/min；进料速率f＝0.1mm/齿；切削深度ap＝5.0mm；切削宽度ae＝0.5mm；外部冷却：湿；以及磨损标准：vbmax＝140μm。图3中给出了以％计的工具寿命，其比较了现有技术和三个发明实施例(1、2、4)。对于现有技术和一个发明实施例(4)，在图5中给出了测试持续时间后磨损进展的差异。在图5中，显示了作为代表性实施例的四个主切削刃中的一个。
92.图4显示了实施例测试2中涂覆的硬质合金端铣刀的寿命的比较，所述实施例测试2是针对作为市场基准的现有技术测试的三个示例性(发明实施例1、2、4)发明的耐磨涂层方案的45 hrc硬化钢(钢类型1.2344)应用的湿式铣削切削测试。可以看出，与作为市场基准的现有技术相比，本发明的涂层具有高达200％的工具寿命的显著提高。
93.图5显示了以在测试工具中的每种变体取1个工具的代表性实施例形式给出的在实施例测试2中的涂覆硬质合金端铣刀的磨损与磨损演变，所述实施例测试2是针对作为基准的现有技术测试的发明实施例2的耐磨涂层方案的45 hrc硬化钢(钢类型1.2344)应用的湿式铣削切削测试。可以看出，与本发明的涂层相比，在现有技术的涂层中，磨损(尤其是起始磨损)要高得多，并且磨损进展要快得多。由此，如图4中实施例2测试的工具寿命所示，现有技术的涂层更早失效。相反，实施例2的本发明的涂层具有非常低的起始磨损和均匀的磨损进展，直到由最大磨损(vbmax)限定的工具寿命结束为止都没有碎裂。
94.在表1中给出了现有技术的涂层和本发明的涂层的性质。这些性质是硬度(h)、弹性模量(e)、h/e比率、h3/e2比率和压缩应力。如表1中所示的本发明的涂层的性质显示，这些本发明的涂层具有以下共同特征：相对于现有技术实例具有提高的e、更低的h值、略低的h/e比率、明显更低的h3/e2比率和更高的压缩应力。此外，明显更高的压缩应力保持在有利于耐磨性的水平上，同时仍然处于基材和涂层之间不发生失效的水平上。结合专用的新结构以及结合专用的化学(包括合金化和掺杂)的所有这些使得能够同时：减少磨料磨损，减少月牙洼磨损，减少/抑制热裂纹的形成与扩展，以及使得热能够从端铣刀-切屑界面传递到基材和本文所示的本发明涂层的涂层-基材界面。
95.表1显示了现有技术的涂层和本发明的涂层的实施例的性质(硬度、弹性模量、它们的比率和压缩应力)；

技术特征：
1.沉积在基材(201)表面上的涂层体系(210)，其包含下层涂覆膜(212)、沉积为多层膜(216)的中间涂覆膜(216)，所述多层膜(216)由在彼此上交替沉积形成a/b/a/b/a
…
结构的多个a层和多个b层组成，所述a层包含铝铬和任选的一种或多种掺杂剂元素，并且所述b层包含氮化铝铬和一种或多种掺杂剂元素，所述涂层体系(210)的特征在于，-所述下层涂覆膜(212)沉积在待涂覆的所述基材(201)表面上或在任何情况下比所述中间涂覆膜(216)更靠近所述基材(201)沉积，-所述中间涂覆膜(216)沉积在所述下层涂覆膜(212)与上层涂覆膜(220)之间，-所述上层涂覆膜(220)比所述中间涂覆膜(216)更远离所述基材(201)沉积，-所述a层包含：-铝(al)、铬(cr)和氮(n)，或-铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，-所述b层包含铝(al)、铬(cr)、氮(n)和一种或多种选自硼(b)、钇(y)、钽(ta)、硅(si)、钨(w)、钛(ti)、钙(ca)、镁(mg)、铁(fe)、钴(co)、锌(zn)和铌(nb)的掺杂剂元素，其中：-所述a层至少在化学组成方面不同于所述b层，其中：-至少一种化学元素存在于所述b层中但不存在于所述a层中，或存在于所述b层中但不存在于所述a层中，或-如果a层和b层均含有相同的化学元素，则所述化学元素在所述b层中的浓度不同于所述化学元素在所述a层中的浓度，并且-一种或多种掺杂剂在所述b层中的浓度高于，如果有的话，一种或多种掺杂剂元素在所述a层中的浓度。2.根据权利要求1的涂层体系，其特征在于所述上层涂覆膜(220)沉积为所述涂层体系的最外层。3.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述a层的单个层厚度大于所述b层的单个层厚度。4.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述a层的单个层厚度相对于所述b层的单个层厚度之间的比率在1％至600％、优选50％至400％以上的范围内。5.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述下层涂覆膜(212)的厚度为所述涂层体系的总厚度的65％至97％。6.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述上层涂覆膜的厚度为所述涂层体系的总厚度的3％至35％。7.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述上层涂覆膜的层厚度低于所述下层涂覆膜的层厚度。8.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于：-所述上层涂覆膜(220)或所述上层涂覆膜(220)的至少一个节段或，如果有的话，包含在所述上层涂覆膜(220)中的所述a层的至少一部分和/或所述b层的至少一部分，和/或
‑
所述中间涂覆膜(216)或所述中间涂覆膜(216)的至少一个节段，或包含在所述中间涂覆膜(216)中的所述a层的至少一部分和/或所述b层的至少一部分除氮(n)之外还包含氧(o)和/或碳(c)。9.根据权利要求8的涂层体系，其特征在于如果仅考虑n、c和o的浓度，这意味着，如果相应的涂覆层或涂覆膜中的n、c和o的浓度之和被认为是100原子％，则形成所述涂层体系的一个涂覆层或一个涂覆膜中碳和/或氧的原子百分比浓度为3原子％至38原子％。10.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于铝对铬的原子百分比浓度的比(al/cr)随着所述涂层体系的总厚度而改变，其中浓度的比al/cr的变化范围优选为69/31至79/21。11.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于如果考虑所有元素的浓度，这意味着，如果相应的b层或a层中所有元素的浓度之和被认为是100原子％，则所述b层中掺杂剂元素的原子百分比浓度和在所述a层包含掺杂剂元素的情况下所述a层中掺杂剂元素的原子百分比浓度为0.1原子％至20原子％、优选0.5原子％至15原子％。12.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述b层中掺杂剂元素的原子百分比浓度和在所述a层包含掺杂剂元素的情况下所述a层中掺杂剂元素的原子百分比浓度随着所述涂层体系的所述中间涂覆膜的总厚度而改变，以所述中间涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围优选为0.1％至600％。13.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述中间涂覆膜(216)包含不同的膜节段(216.i)，其中i由i＝1至i＝n变化，其中i和n是自然数，即包括节段(216.1至216.n)，其中膜节段(216.i)的数量为至少一个，即n≥1，优选超过一个，即n≥2，其中所述中间膜节段的每一个包含下层部分(216.i.下层)和上层部分(216.i.上层)，所述部分的每一个由一个或多个双层b形成，每个双层b由一个层a和一个层b形成，其中在所述中间涂覆膜(216)的厚度的延伸内的所有a层包含相同的化学元素但浓度不一定相同，并且在所述中间涂覆膜(216)的厚度的延伸内的所有b层包含相同的化学元素但浓度不一定相同，其中至少两个在彼此上沉积的中间膜节段，例如216.1和216.2，在以下物理化学性质的至少一种的方面不同：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布，其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算、机械性质，诸如硬度、弹性和模量、化学组成。14.根据权利要求13的涂层体系，其特征在于分别属于两个连续沉积的中间膜节段的至少两个下层部分(216.i中包含的216.i.下层和216.i+1中包含的216.i+1.下层)表现出不同的内应力，其中216.i比216.i+1更靠近所述基材，并且更靠近所述基材的下层部分(216.i.下层)表现出比另一下层部分(216.i+1.下层)更低的内应力。15.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述下层涂覆膜(212)包含与所述层a相同的元素。16.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于所述上层涂覆膜(220)包含：3)与所述层b相同的化学元素，并且在这种情况下，所述上层涂覆膜(220)通过使用用于沉积所述层b的相同靶材来制造，优选沉积为单层，或4)所述层a的相同化学元素和所述层b的相同化学元素，并且在这种情况下，所述上层涂覆膜(220)通过分别使用用于沉积所述中间涂覆膜(216)中的所述层a和层b的相同靶材以多层形式来制造，但是与所述中间涂覆膜(216)相比，所述上层涂覆膜(220)具有不同的
层a和b的厚度比和不同的化学组成，其中所述上层涂覆膜(220)中单个层a的厚度相对于单个层b的厚度更低或相等或更高，但是如果a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
＞0，则a
216中的层厚度
/b
216中的层厚度
＞a
220中的层厚度
/b
220中的层厚度
。17.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于掺杂剂元素在所述下层涂覆膜中的浓度以及，如果有的话，在所述上层涂覆膜中的浓度随着所述下层涂覆膜的总厚度而改变。18.根据前述权利要求任一项的涂层体系，其特征在于掺杂剂元素的浓度随着所述涂层体系的所述上层涂覆膜的总厚度而改变。19.根据前述权利要求16至18任一项的涂层体系，其特征在于分别以所述下层涂覆膜或所述上层涂覆膜中相应的掺杂剂元素的最低浓度为基础，变化范围为0.1％至600％。20.用于制造根据前述权利要求1至19任一项的涂层体系的方法，其特征在于通过使用反应性阴极电弧pvd法制造所述涂层体系，其中为了沉积所述a层，使用一个或多个a
源
靶材，并且其中为了沉积所述b层，使用一个或多个b
源
靶材，其中至少使用氮气作为反应性气体，并且所述a
源
靶材包含al和cr和任选的一种或多种选自b、y、ta、si、w、ti、ca、mg、fe、co、zn和nb的掺杂剂元素，并且所述b层b
源
靶材包含al和cr和一种或多种选自b、y、ta、si、w、ti、ca、mg、fe、co、zn和nb的掺杂剂元素，其中如果所述a
源
靶材和所述b
源
靶材均包含一种或多种掺杂剂元素，则它们在至少一种掺杂剂元素方面彼此不同，并且其中在沉积所述涂层体系的过程中，以下参数中的至少一个：气体压力、温度、偏置电压、源电流、磁场形状和/或强度以及反应性气体，改变以改变所述涂层的以下物理化学性质中的至少一种：主要晶体取向、晶体尺寸和/或晶体尺寸分布，其均由x射线衍射图的峰强度和峰下面积以及半高全宽来计算、机械性质，诸如硬度和弹性模量、以及化学组成。

技术总结
沉积在基材(201)表面上的涂层体系(210)，其包含下层涂覆膜(212)、沉积为多层膜(216)的中间涂覆膜(216)，所述中间涂覆膜(216)由在彼此上交替沉积形成A/B/A/B/A


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：欧瑞康表面解决方案股份公司，普费菲孔
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/8/14