技术领域
[0001] 本
发明涉及一种具有涂层的滚刀和涂覆滚刀的方法。
铣削刀具，例如滚
铣刀具，在实践中遭受高负荷。因此产生比较大的磨损。直的滚铣刀具在操作中受到强烈的冲击或撞击负荷。
背景技术
[0002] 已知，这种刀具设置有与其使用条件相适应的涂层，例如硬质材料涂层。为此采用
物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition PVD)。对于滚铣和其它切削工作，目前主要使用一层的层，例如TiN层或TiAlN层或者AlCrN。对于这些涂层，整个厚度上都存在恒定的化学组成。但是存在着目标的矛盾，因为一方面为了耐磨损性而希望尽可能硬的涂层，另一方面这些硬层只能较小程度地缓解(abfedern)机械应
力集中。例如在具有断续切削(Schnitt)的加工步骤中会产生这种
应力集中。由此，裂缝会通过刀具涂层而蔓延，并导致刀具失效。WO2004/059030A2公开一种具有含AlCr的硬质材料层的
工件，及其制备方法。其中，可以设置具有朝着表面增加的Al含量的所谓梯度层。层的组成可以在整个层厚度上连续地或阶梯状地改变。
[0003] 已知涂层的共同点在于，它们一方面在其耐磨损性方面且另一方面在其对于冲击和撞击负荷不敏感性方面并非总具有最佳性质。另一问题在于排走所加工工件的切屑。因此，为了优化排屑，例如对于
电弧-PVD涂层而言，已知通过后处理使涂层表面平滑。不过这是额外的加工步骤，并导致相应的成本。
[0004] 为了制备刀具涂层，WO 2004/059030A2公开，从分别具有固定组成(例如Al∶Cr-组成)的
合金源(所谓的靶)
蒸发硬质材料层的金属成分。不过，由于靶的组成固定的原因，在可能的可沉积的层组合物方面的灵活性受到限制。
[0005] 对于负荷强烈的刀具，如滚刀而言，涂层在一定的操作时间后因磨损而丧失其功能。为了在这种情况下不必更换整个刀具，希望仅更新涂层，亦即实施重新涂覆。为此必须至少部分地除掉，例如磨掉具有磨损涂层的刀具表面。随后可以重新涂覆刀具。不过，未被除掉的表面区域在刀具的先前应用中有部分就已遭受到了很高的
温度。由于由此引起的该区域的变化，就造成新涂层的粘合性部分不足够。这又会导致涂层在操作中失效，例如会脱落下来。由于该问题也限制了可行的重新涂覆的次数。
[0006] 发明描述
[0007] 由上述
现有技术出发，本发明的目的在于，提供开头所述种类的滚铣刀具和方法，其中以可简单制备的方式一方面改善耐磨损性，另一方面改善对于冲击或撞击负荷的不敏感性，并且改善可重新涂覆性。
[0008] 根据本发明，该目的是通过独立
权利要求1和15的主题实现的。有利的方案在
从属权利要求以及
说明书和
附图中可找到。
[0009] 对于具有涂层的滚铣刀具来说，本发明如此实现了该目的：通过物理气相沉积法来制备涂层，该方法中，在涂覆室内，在含氮的气氛中，在一方面至少一个
阳极和另一方面至少一个纯Al
阴极以及至少一个纯Cr阴极之间，分别产生电弧放电，以此方式使Al和Cr从阴极蒸发；该方法中，待涂覆的滚铣刀具在涂覆室中旋转，并使其相继旁(vorbei)经(geführt)至少两个阴极；和在该方法中，被蒸发的Al和Cr以
原子或
离子化形式与来自含氮气氛的氮一起沉积在旋转着旁经阴极的滚铣刀具上。所述涂层具有多个叠置的由(AlCr)-氮化物构成的层，其中所述多个层由两种在其Al∶Cr比例上不同的类型的层形成，其中，第一类型层的Al∶Cr比例为55∶45至65∶35，优选60∶40至65∶35，第二类型层的Al∶Cr比例为70∶30至74∶26，并且所述两种类型的层在涂层中相互交替。这些层的每个又由多个叠置的纳米层构成，并且所述涂层通过粘附层与刀具基体连接。
[0010] 本发明还提出一种用于滚刀的多层交替的氮化物型硬质材料层结构。通过借助于适当控制工艺参数来改变Al∶Cr比例，交替地形成不同硬度并具有不同内应力的层。每个第二层都具有相同的Al∶Cr组成。所述涂层也即例如通过顺序为A-B-A-B-...A-B的层的组合而形成。
[0011] 根据本发明，该过程中使用一种物理气相沉积法，该方法中，使要涂覆的刀具尤其多次地旁经至少两个均未合金化的金属-阴极。为此，可以将所述刀具例如设置于在涂覆室中旋转的圆盘(Teller)或类似物的上面。所述阴极例如可以设置在圆盘中心或在圆盘侧面。这种涂覆方法和相应的涂覆设备，也称为圆形阴极(Rundkathoden-)法或圆形阴极设备，其由WO 02/050864A1，EP 1 357 577 B1或WO05/038077 A2所公开。与使用合金化的靶不同，通过使用纯金属靶，在调节沉积材料的组成方面存在较高灵活性，例如通过适当选择分别产生的电弧放电。显然还可以设置多于两个的纯金属靶，例如一个铬靶结合两个或更多个
铝靶。
[0012] 在此，涂覆室通常被抽
真空(或部分抽真空)。多数情况下同样在要涂覆的刀具上施加(负)
电压，从而使得从阴极释放出来的离子通过电磁力而传输到刀具上。阴极可以是圆柱形的，并且例如并排排列，在此情况下，其圆柱轴可以竖直指向。阳极可以设置在阴极之间。另外可以分别在阴极中设置一个
磁性源(电磁体和/或
永磁体)，在此情况下，阴极和属于其的磁体分别相对于彼此旋转。在此，例如可考虑，阴极旋转而磁体固定不动。但也可考虑，磁体在阴极中旋转而阴极固定不动。这样，因为旋转的
磁场将电弧均匀地引导到阴极表面上，因此阴极材料均匀地蒸发。通常在此过程中涂覆多个设置于旋转的刀具
支架或刀具圆盘上的刀具。
[0013] 通过掺混来自气相的氮而形成本发明的氮化物。除了来自涂覆室中气氛的氮外，自然还可以沉积其它成分，例如
氧或
碳。根据本发明，本发明交替的层的Al∶Cr比例例如通过适当调节各阴极和至少一个阳极之间的电弧放电
电流而进行调节。该过程中，例如通过调节在至少两个阴极和至少一个阳极之间的合适的电弧电流而首先施加上具有所期望的Al∶Cr比例的第一层。在沉积了具有所期望的组成和厚度的第一层之后，改变Al∶Cr比例，例如通过相应改变通向阴极的电弧电流的方式。随后涂布第二层。然后再选择与第一层中相同的组成，并涂布第三层，等等，直到构成本发明刀具的涂层为止。在此，尤其可以设计使得在层组成中除了Al和Cr外没有其它金属成分。
[0014] 通过使刀具以合适的方式先后依次旁经阴极，可以有利地形成纳米层。纳米层这个名字来源于其厚度。尤其是其具有几纳米范围的厚度。在极端情况下，其可以仅由一个分子层或原子层构成。每层的纳米层数目和厚度可以在给定阴极的规格及其在涂覆室中排列方式情况下例如通过刀具的转速来控制。
[0015] 因为从起到靶的作用的非合金化的阴极上分别只蒸发两种金属之一，铝或铬，所以在刀具上，尤其是在其旁经Al阴极时可以沉淀较多的铝，并在其旁经Cr阴极时可以沉淀较多的铬。由此，可以在纳米层意义上调节多层结构的
单层内的Al∶Cr比例。在此，尤其可以周期性改变纳米层的Al∶Cr比例。由于纳米层的原因，也可以在涂层的各个多层内改变Al∶Cr比例。所述纳米层也可以在其
晶体结构上有所不同。
[0016] 平均到涂层的每个层上，根据本发明，Al∶Cr比例介于55∶45至65∶35或70∶30至74∶26之间，并且在每个第2层的情况下都相同。已发现，较低的Al含量减小单层的硬度和层的阻热作用。另一方面，过高的Al含量会导致不希望的晶体结构。如果所述层除了Al和Cr外不含有其它金属成分，则只基于金属成分计，对于第一类型层而言，铝含量介于55和65原子％、优选介于60和65原子％之间，而铬含量介于45和35原子％、优选介于40和35原子％之间；或者对于第二类型层而言，铝含量介于70和74原子％之间，而铬含量介于30和26原子％之间。在所述涂层的总组成中，可以存在多于30原子％、例如约50原子％的氮。
[0017] 通过将具有不同内应力的不同硬度的层根据本发明组合，且所述层又由各个其性质上同样不相同的纳米层构成，能够灵活调节所述涂层。因此，通过将多个层和纳米层根据本发明组合，一方面通过硬的、但同时也是脆的层达到较高的抗摩擦性以及由此带来的高耐磨损性。另一方面，通过相对软的层的高延展性，确保在撞击或冲击负荷时(如其恰恰在滚铣时出现的那样)具有足够的可承受能力。由此，提高滚铣刀具的耐磨损性，尤其是减小涂层中裂缝扩展倾向或者涂层的脱落。
[0018] 甚至在刀具使用中由于输入热而使基材变软时(例如在工具
钢情况下)，根据本发明的涂层对于在由流下来的切屑造成的负荷时的干扰(所谓的蛋壳效应)也具有足够的抗力。采用单个层则难以达到这点。此外，所述涂层具有足够的阻热作用和耐氧化性。通过相对高的铝含量确保了这点。
[0019] 另外，根据本发明，所述涂层通过尤其是化学上不同的粘附层与刀具基体连接。这种粘附层改善了涂层的连接，并可靠防止涂层在操作过程中脱落下来。同时，粘附层在刀具遭受撞击时起到减弱撞击的作用。对于粘附层而言，不含Al的金属氮化物尤其是适合的。根据本发明知晓，这些层可以以简单方式用本发明所用的方法，在使用纯的金属阴极情况下产生。反之，如果使用合金化的阴极作为靶，则不可能产生这些粘附层。粘附层的厚度例如可以小于1μm。
[0020] 根据本发明知晓，尤其是(全)钢或(全)硬金属-滚铣刀具可以有利地设置有根据本发明的涂层。在操作过程中，在较高耐磨损性的同时，其撞击或冲击负荷可以特别有利地得到提高。对于旋转的刀具尤其可考虑使用本发明的涂层，并且用于其中会出现特别高的应力集中的具有断续切削的加工方法。此外，根据本发明的多层结构对于在断续切削中出现的热相互作用也提供了优点，尤其是当如采用冷却
润滑剂例如乳液的
金属加工过程中所显著出现的热相互作用时。
[0021] 可以使用铬氮化物层作为粘附层。尤其是不向铬氮化物层中掺入其它金属。对于连接而言，铬氮化物层被证实是特别合适的。同时可以通过以下方式简单地产生铬氮化物层∶在氮气氛中从纯的Cr阴极蒸发铬，并与氮一起沉积在刀具基体上，而不使用Al阴极。
[0022] 所述涂层的各个层厚度例如可以介于0.05和0.5μm之间。根据一种方案，所述涂层的两种层类型A和B的层可以具有不同的厚度。亦即化学上不同的层可以具有不同的厚度。根据本发明还知晓，一种或两种层类型A和B在涂层表面方向上的厚度可以持续不断地或阶梯状地升高或降低。以此方式可以更灵活地调节涂层的性质。
[0023] 根据一个方案，所述涂层的最外层可属于Al含量较高的层类型(第二类型层)。亦即对于在使用刀具过程中与要加工的工件
接触的层，可以选择更硬、更耐磨损的层。但所述涂层的最外层也可以属于Al含量较低的层类型(第一类型层)。在该情况下，最外层属于更软、不太倾向于润滑工件的层类型。相应地，所述涂层的最内层可以属于Al含量较低的层类型(第一类型层)。亦即最内层具有较低的Al含量，并相应地是更可延展的。以此方式实现所述涂层特别稳定地连接在粘附层或刀具基体上。
[0024] 根据另一方案，在所述涂层的最上层上可以设置减小摩擦和/或不同
颜色的被覆层。所述被覆层的厚度可以例如为0.1至1μm。减小摩擦在本文中是指，由于被覆层的组成和表面结构的原因，对于例如流到被覆层上的金属切屑，
摩擦系数小于流到所述涂层其它层上的情况中的摩擦系数。以此方式使排屑情况得以优化，并且粘附到被加工的工件上的倾向较小。避免了切屑造成的损害。由于被覆层可以具有别的颜色，因而确保了特别便利的磨损辨识过程。出于美观的原因，也可以希望别的颜色。所述被覆层例如可以是含碳的层和/或Me层，其中Me＝Cr，Ti或Zr。因此，例如可以使用AlMe-氮化物层作为被覆层。例如可以使用MeNC(例如CrNC)或AlMeNC作为含碳的层。所述化合物中的碳降低了摩擦系数。因此，与现有技术不同，在使用本发明的被覆层时，不再需要额外把涂层表面弄光滑。
生产得以简化。通过断开金属靶，例如切断向金属靶输入的电弧电流或者通过合适的遮板(Shutter)而针对性地遮蔽一个或多个金属阴极，也可以沉积不含金属的含
烃的层，该层的摩擦特别低(reibungsarm)。Me层也可以是金属间层，例如AlMe层，优选AlCr层。它例如可以呈
银色。金属间化合物具有比较高的硬度和低的摩擦值。还可考虑MeNO层(例如CrNO)作为被覆层。
[0025] 为了进行制备，又可以通过物理气相沉积来施加被覆层。例如可以通过在涂覆过程快结束时向涂覆室中除氮气氛外额外引入所期望量的含碳气体(例如甲烷，乙炔等)而混入元素碳。通过氮与含碳气体任意的混合比例可以实现几乎任意的元素组成C∶N。不含金属的含烃的层例如可以通过在气相沉积时断开金属源来获得。为了制备不含氮化物的金属被覆层，例如由铝和一种别的金属构成的层，在涂覆过程中可以相应中断将氮导入室中。
[0026] 所述被覆层可以具有梯度的组成。梯度的组成是指，化学组成在一定范围内逐步或连续改变。通过例如在两个具有梯度组成的材料区域之间实施过渡，可以很大程度地避免应力集中。为了制得梯度组成，例如可以分步或连续地改变在金属靶和阳极之间为产生电弧而施加的电压，或者分步或连续地改变引入涂覆室中的气体量。
[0027] 所述这些层(两种层类型A和B的层和/或被覆层)还可以含有
硅，其中硅含量可以为所述层的金属成分的0.1至2.0原子％。在该情况下，所述这些层除了铝和铬外还含有硅作为其它元素。基于所述层的金属成分(亦即尤其是没有氮成分)，在该情况下亦即铝、铬和硅计，硅的含量可以为0.1至5.0原子％。硅的加入致使耐氧化性和绝热性进一步改善。
[0028] 根据本发明知晓，在制备滚刀涂层时表面上的目标矛盾可通过大量的层而特别好地解决。相应地，本发明的涂层可以具有多于10层，优选多于30层，更优选多于45层。如果对于涂层使
用例如至少60层，则可以达到很大程度上优化的性质。所述各个层又可以由多于5个，优选多于15个，更优选多于25个纳米层构成。
[0029] 所述涂层的层可以以立方晶体结构存在或沉积。立方晶体结构的特征在于高硬度，并且例如就相对于较软的六
角形晶体结构而言是优选的。对于组合AlCr而言，为实现立方晶体结构，最大的Al含量以金属成分计约为72原子％。
[0030] 为了加工，滚刀具有锋利的刀刃。根据本发明另一方案，滚铣刀具的刀刃可以在施加涂层前倒圆(verrundet)。这种经倒圆的刀刃可以更好地涂覆。尤其是改善涂层或粘附层的粘附性以及所涂覆的刀刃的机械
稳定性。
[0031] 此外，根据本发明，所述目的通过一种重新涂覆根据本发明的滚铣刀具的方法而实现，该方法中，至少部分除掉，尤其是磨掉待重新涂覆的刀具表面，用物理气相沉积法通过以下方式在该待重新涂覆的刀具表面上施加Cr-氮化物粘附层：在含氮的气氛中，只在至少一个阳极和至少一个纯Cr阴极之间产生电弧放电，并以此方式从阴极蒸发出Cr，并且使滚铣刀具在涂覆室中旋转，其中使其至少旁经Cr阴极，使得蒸发的Cr与氮一起在滚铣刀具上冷凝。随后同样用物理气相沉积法在Cr-氮化物粘附层上施加根据本发明的涂层。在此，所述物理气相沉积法尤其可以是用其涂覆根据本发明的滚铣刀具的方法。
[0032] 在所述方法中，在除掉(Abtragen)待重新涂覆的刀具表面之后并在重新涂覆之前可以通过合适的方法，尤其是干或湿喷射处理(Nass-oder Trockenstrahlen)，来预处理刀具的刀刃，尤其是将其倒圆。在除掉待重新涂覆的刀具表面或任选在预处理过刀刃后，并在重新涂覆前可以清洁滚铣刀具。
[0033] 根据本发明知晓，通过使用纯的金属阴极，并通过只从纯的Cr阴极蒸发出铬，并与来自气相的氮一起沉积到在刀具的至少部分被除掉的表面上的Cr-氮化物粘附层上的方式，可以解决尤其是在滚铣刀具中存在的重新涂覆的问题。用传统的合金化的靶不能施加这种Cr-氮化物粘附层。所述粘附层起到改善涂层连接的作用，即使是在没被除掉的表面段上，在别的情况下这样的表面段由于其因加工造成的表面变化变而难以涂覆。由此，还增加可能重新涂覆的数目。在此，可以保留明显一半以上的待涂覆的表面不被除掉。通过这种除掉，首先除掉氧化的表面区域。
[0034] 以下借助附图更详细地阐述本发明的
实施例：
[0035] 附图说明和具体实施方式
[0036] 图1表示具有涂层的本发明的滚铣刀具，
[0037] 图2表示根据第一实施例的耐用度(Standzeit)-柱状图，
[0038] 图3表示根据第二实施例的耐用度-柱状图，和
[0039] 图4表示根据第三实施例的耐用度-和磨损-柱状图。
[0040] 图1示意性地且局部地表示根据本发明的滚铣刀具10。滚铣刀具10具有由多个叠置的层14组成的涂层12。在刀具基体16上首先施加粘附层18，在此是CrN层18。粘附层18改善其余层的连接，并且同时具有减弱撞击的作用。在粘附层18上施加第一AlCr-氮化物层20。第一AlCr-氮化物层是第一类型层，并且具有在60∶40至65∶35范围内的第一Al∶Cr比例。在第一层20上施加在图1上没有详细画出的第二层类型的AlCr-氮化物层，其具有在69.5∶30.5至72∶28范围内的不同的第二Al∶Cr比例。在第二AlCr-氮化物层上形成又是第一类型层的第三AlCr-氮化物层20，该层在其组成上与第一AlCr-氮化物层20相同，并在第三AlCr-氮化物层20上形成第二层类型的第四AlCr-氮化物层22，该层在其组成上与第二AlCr-氮化物层相同。该结构在涂层12上延续。每个AlCr-氮化物层又由多个在图1中没有详细画出的叠置的纳米层组成。纳米层的厚度可以例如小于
20nm。
[0041] 表1表示本发明的层的典型性质。通过采用试验负荷为30至70mN的纳米硬度测量得到硬度值和
弹性模量。可以看到，与特别为滚铣而开发的单
块(Monoblock-)层或梯度层形式的现有技术相比，AlCrN多层结构层结合了很高的硬度与很高的E-模量，可以预期这使耐磨损性得到改善。AlCrN多层方案实施例1符合要求地 具有平均中等的Al含量，实施例2具有比实施例1更高的中等的Al含量和减小的单层层厚度。
[0042] 表1
[0043]涂层类型 H[GPa] E[GPa]
对比1，AlCrSiN梯度 37.3 435
对比2，AlCrN-单块 35.7 588
AlCrN-多层实施例1 35.7 569
AlCrN-多层实施例2 38.4 582
[0044] 在所示的实施例中，将六十层由AlCr-氮化物形成的层14叠置。在构造该涂层时两种所述的层类型交替。这六十层层14的每层又由多于25层的纳米层组成。涂层12的AlCr-氮化物层20，22全部以立方晶体结构存在。在涂层12最上面的层22上设置减小摩擦和不同颜色的被覆层24。在所示的实施例中是含碳的层24。这减小了用滚铣刀具10加工工件时的摩擦。这尤其导致从刀具表面26最佳地排屑。
[0045] 带有本发明涂层12的滚铣刀具10通过物理气相沉积(PVD)而制得，例如WO02/050864A1，EP 1 357 577 B1或WO 05/038077 A2中所述那样。该过程中，在没有详细画出的PVD涂覆室中并排排列不同的纯金属阴极，在所画出的实施例中并排排列着圆柱形的纯Al-和Cr-阴极。借助于在至少一个阳极和阴极之间的电弧放电，可以使Al和Cr以所期望的量从作为靶的各阴极释放出来。同时可以将氮或含碳的气体引入涂覆室中。为了制备粘附层18，只使Cr从Cr阴极释放出来，并将氮导入涂覆室中。在此情况下，没有铝从Al阴极释放出来。为此，例如可以借助于遮板来遮盖Al阴极。因此，CrN层沉积在刀具基体16上。随后，在保持氮气氛下，借助于电弧放电而从纯Al和Cr靶上释放出Al和Cr，从而使AlCr-氮化物层沉积在粘附层18上。通过指向Al和Cr靶的合适的电弧电流而在其AlCr比例方面选择这些层的组成。接下来，可以以类似方式将第二层22沉积在第一层20上，以此类推，所述的第二层22同样是AlCr-氮化物层22且具有其AlCr组成。如果要额外沉积硅，则可以在涂覆室中另外设置硅合金化的阴极。为了随后施加例如含碳的被覆层
24，可以将含碳的气体，例如甲烷或乙炔，引入涂覆室中。于是碳就被沉积在被覆层24中。
[0046] 在分别相同的加工条件下，将具有本发明涂层12(“多层涂层”)的不同的本发明刀具10与具有常规的一层的AlCrN涂层(“单层涂层”)的刀具在它们的耐用度或它们的磨损情况方面进行比较。在以下三个实施例中，常规的一层涂层均具有69∶31的Al∶Cr比例。以下三表中针对这三个实施例给出相应的实验参数。
[0047] 表2：
[0048]
[0049] 表3：
[0050]
[0051] 表4：
[0052]
[0053] 在此，在加工(此情形中是滚铣)由不同材料制成的工件时，对由具有本发明涂层的不同基体材料制成的滚刀进行实验。在所示的实施例中，所加工的工件是
齿轮。加工过程均干燥地进行，亦即没有加入冷却润滑液。vc表示切削速度(m/min)，fa表示进给量(mm/刀具转数(WU))。本发明的涂层(多层涂层)分别由多个AlCrN层构成(60或45层)，其中，在每种情况下两个在其Al∶Cr比例方面不同的层在涂层中交替。在所研究的实施例中，所述层均具有相同的厚度。每个本发明的层又是由多个纳米层构成。本发明的涂层设置有Al∶Cr比例均是70∶30的AlCrN被覆层。
[0054] 在图2至4中以图表说明实验结果。在图2和3中分别绘出耐用度图(％)，其中，将根据本发明涂覆的刀具(“AlCrN多层涂层”)的耐用度与常规涂覆的刀具(“AlCrN单层涂层”)相比较。在此情况下，为了进行比较，常规刀具的耐用度分别标准化为100％。可以看到，在同样的加工条件下，根据本发明涂覆的刀具具有比常规刀具明显更高的耐用度(约130％或约185％)。
[0055] 图4中画出了耐用度-和磨损图。在该图的Y轴上一方面绘出了用该刀具最多可加工的工件数，另一方面绘出了在此过程中出现的刀具最大磨损量(μm)。斜阴影线表示的柱块一方面表示常规单层涂层的磨损量(μm)，另一方面表示本发明的多层涂层的磨损量(μm)。图4中另两个柱块都表示用该两种对比的刀具可加工的工件(齿轮)数。可以看到，用常规涂覆的刀具可加工小于1400个工件，而用根据本发明涂覆的刀具可加工1800个工件。另外还看到，常规涂覆的刀具具有的最大磨损量约为300μm，而根据本发明涂覆的刀具具有的磨损量约为250μm。
