DE102014018915A1

DE102014018915A1 - AlCrN-basierte Beschichtung zur verbesserten Beständigkeit gegen Kolkverschleiß

Info

Publication number: DE102014018915A1
Application number: DE102014018915.5A
Authority: DE
Inventors: Anders Olof Eriksson; Mirjam Arndt; Sebastian Stein
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US11035035B2; MY182512A; IL253069A0; EP3134561B1; TWI676713B; IL253069B; AR102991A1; CN107002252A; US20180044773A1; BR112017013434B1; JP7080056B2; RU2712329C2; RU2017126262A3; MX2017008350A; SG11201705109RA; EP3134561A1; ZA201704772B; CA2971754A1; PH12017501170A1; RU2017126262A

Abstract

Auf einer Oberfläche eines Substrats (201) abgeschiedene Beschichtung (210), die einen mehrschichtigen Film (216) umfasst, der aus einer Vielzahl von A-Schichten und einer Vielzahl von B-Schichten besteht, die abwechselnd übereinander geschichtet werden und dabei eine A/B/A/B/A...-Architektur bilden, wobei die A-Schichten Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid enthalten und die B-Schichten Aluminium-Chrom-Nitrid enthalten und kein Bor enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass – der mehrschichtige Film (216) mindestens einen ersten Abschnitt (216a) und einen letzten Abschnitt (216c) umfasst, wobei der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) höher ist als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c) und – sowohl der erste Beschichtungsabschnitt (216a) als auch der letzte Beschichtungsabschnitt (216c) Druckeigenspannungen aufweisen und wobei die Druckeigenspannung in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) niedriger ist als diejenige in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine AlCrN-basierte Beschichtung, die eine herausragende Beständigkeit gegen Kolkverschleiß bei der Trockenbearbeitung wie Abwälzfräsen aufweist.
Stand der Technik
Arndt et al schlägt in WO2013156131A1 eine Beschichtung zur Verringerung von Kolkverschleiß von Schneidewerkzeugen bei der Bearbeitung vor, die besonders vorteilhaft bei der Trockenbearbeitung wie Abwälzfräsen sein soll. 1 zeigt eine Ansicht einer Beschichtung 110 gemäß WO2013156131A1 , die mindestens einen mehrschichtigen Film 116 umfasst, der aus abwechselnd übereinander geschichteten A- und B-Nanoschichten besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die A-Nanoschichten Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid enthalten und die B-Nanoschichten Aluminium-Chrom-Nitrid enthalten und kein Bor enthalten. Gemäß der Beschreibung in WO2013156131A1 weist die Beschichtung 110 eine besonders gute Leistung bei Bearbeitungsvorgängen auf, wenn die A-Nanoschichten aus Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid bestehen und die B-Nanoschichten aus Aluminium-Chrom-Nitrid bestehen. WO2013156131A1 lehrt auch, dass die Verwendung einer Basisschicht 112 bestehend aus Aluminium-Chrom-Nitrid auch vorteilhaft sein soll, besonders wenn die Basisschicht 112 derart abgeschieden wird, dass während der Abscheidung eine Biasspannung angelegt wird und von einem niedrigsten Wert zu einem höchsten Wert variiert. Außerdem lehrt WO2013156131A1 , dass eine negative nicht unter 70 V in absoluten Werten liegende Biasspannung vorteilhaft für die Abscheidung von Bor enthaltenden A-Nanoschichten sein soll, da auf diese Weise die notwendige Kombination aus hoher Dichte und niedriger Wärmeleitfähigkeit der Bor enthaltenden Schichten erreicht werden kann.
Dennoch gibt es trotz der mit der oben genannten Beschichtung sowie mit anderen momentan erhältlichen Beschichtungen erreichten Vorteile immer noch einen Bedarf an neuen Beschichtungen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen, die die wachsenden Anforderungen an verschiedene Bearbeitungsvorgänge und insbesondere an die Trockenbearbeitung wie Abwälzfräsen erfüllen können.
Ziel der vorliegenden Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer AlCrN-basierten Beschichtung, die im Vergleich zu bekannten Beschichtungen eine erhebliche Verringerung von Kolk- und Flankenverschleiß ermöglicht und somit die Schnittleistung und die Lebensdauer von Schneidewerkzeugen, die bei verschiedenen Bearbeitungsvorgängen verwendet werden, besonders bei der Trockenbearbeitung wie Abwälzfräsen, erheblich steigert. Außerdem ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Substraten, insbesondere Schneidewerkzeugen, bereitzustellen, die mit einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet sind.
Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wurde durch die Bereitstellung einer Beschichtung 210 gemäß Anspruch 1 erreicht, umfassend einen mehrschichtigen Film 216, der aus einer Vielzahl von A-Schichten und einer Vielzahl von B-Schichten besteht, die abwechselnd übereinander geschichtet werden und eine A/B/A/B/A...-Architektur bilden, wobei die A-Schichten Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid enthalten und die B-Schichten Aluminium-Chrom-Nitrid enthalten und kein Bor enthalten, wobei die Beschichtung 210 derart abgeschieden wird, dass der mehrschichtige Film 216 mindestens einen ersten Abschnitt 216a und einen letzten Abschnitt 216c enthält, wobei der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Abschnitt 216a höher ist als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Abschnitt 216c.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der erste Beschichtungsabschnitt 216a des mehrschichtigen Films 216 negative Eigenspannungen auf und die Eigenspannung in dem Beschichtungsabschnitt 216a ist in absoluten Zahlen niedriger als diejenige in dem letzten Beschichtungsabschnitt 216c. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die negative Eigenspannung auch Druckeigenspannung genannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der durchschnittliche Borgehalt im ersten Abschnitt 216a mindestens um das 1,2fache höher als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Abschnitt 216c. Noch bevorzugter ist der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Abschnitt 216a mindestens um das 1,4fache höher als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Abschnitt 216c.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Abschnitt 216a höchstens 6mal so hoch wie der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Abschnitt 216c.
Wie oben erwähnt umfasst ein mehrschichtiger Film 216 gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens einen ersten Abschnitt 216a und einen letzten Abschnitt 216c. Es könnte jedoch je nach Anwendung vorteilhaft sein, dass der mehrschichtige Film 216 zusätzlich eine oder mehr mittlere Abschnitte 216b enthält, die zwischen dem ersten Abschnitt 216a und dem letzten Abschnitt 216c abgeschieden werden, deren Druckeigenspannung höher ist als die Druckeigenspannung des ersten Abschnitts 216a und vorzugsweise, aber nicht zwingend notwendig, niedriger als die Druckeigenspannung des letzten Abschnitts 216c.
Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Druckeigenspannung in einem oder mehr mittleren Abschnitte 216b ebenso hoch oder höher als in dem letzten Abschnitt 216c.
In einer Beschichtung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung wird der erste oder niedrigere Abschnitt 216a des mehrschichtigen Films 216 näher zu dem Substrat 201 abgeschieden, während der letzte Abschnitt oder höhere Abschnitt 216c direkt über dem ersten Abschnitt 216a oder über einem letzten mittleren Abschnitt 216b des mehrschichtigen Films 216 abgeschieden wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung einer Beschichtung 210 mit einem mehrschichtigen Film 216, der nur einen ersten Abschnitt 216a und einen letzten Abschnitt 216c umfasst, beträgt die Dicke des ersten Abschnitts 216a vorzugsweise etwa 40% bis 90% der Gesamtdicke des mehrschichtigen Films 216.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung einer Beschichtung 210 mit einem mehrschichtigen Film 216, der zusätzlich eine oder mehr mittlere Abschnitte 216b umfasst, beträgt die Dicke des ersten Abschnitts 216a vorzugsweise etwa 20%–80% der Gesamtdicke des mehrschichtigen Films 216.
Überraschenderweise war es durch die Verwendung einer negativen Biasspannung von weniger als 70 V in absoluten Zahlen zur Abscheidung des ersten Abschnitts 216a des mehrschichtigen Films 216 und einer negativen Biasspannung von mindestens 90 V oder höher in absoluten Zahlen zur Abscheidung des letzten Abschnitts 216c des mehrschichtigen Films 216 möglich, Beschichtungen herzustellen, die eine erheblich verbesserte Schneidleistung der bei der Trockenbearbeitung benutzten beschichteten Werkzeuge im Vergleich zu Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik aufweisen.
Besonders gute Ergebnisse wurden durch die Verwendung einer negativen Biasspannung von weniger als 50 V in absoluten Zahlen zur Abscheidung des ersten Abschnitts 216a des mehrschichtigen Films 216 und einer negativen Biasspannung von mindestens 100 V oder höher in absoluten Zahlen zur Abscheidung des letzten Abschnitts 216c des mehrschichtigen Films 216 erzielt.
In einer bevorzugten Ausführung einer Beschichtung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung haben die A-Schichten in dem mehrschichtigen Film 216 ohne Berücksichtigung von Verunreinigungen eine Elementzusammensetzung, die durch die Formel (Al_xCr_yB_z)N angegeben wird, wobei x > 0, y > 0 und z > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Bor in Atomprozent ist, wenn nur Aluminium, Chrom und Bor für die Berechnung der Elementzusammensetzung in den entsprechenden A-Schichten berücksichtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung haben die B-Schichten in dem mehrschichtigen Film 216 ohne Berücksichtigung von Verunreinigungen eine Elementzusammensetzung, die durch die Formel (Al_vCr_w)N angegeben wird, wobei v > 0 und w > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium und Chrom in Atomprozent ist, wenn nur Aluminium und Chrom bei der Berechnung der Elementzusammensetzung in den entsprechenden B-Schichten berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung einer erfinderischen Beschichtung erfüllen die Koeffizienten x, y und z in den A-Schichten die Bedingungen 1 ≤ x/y ≤ 4,5 und/oder 0,01 ≤ z ≤ 30.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung einer erfinderischen Beschichtung erfüllen die Koeffizienten v und w in den B-Schichten die Bedingung 1 ≤ v/w ≤ 4,5.
In einer bevorzugten Ausführung einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung 210 mindestens eine zwischen dem Substrat 201 und dem niedrigeren Abschnitt 216a des mehrschichtigen Films 216 abgeschiedene Schicht 212, wobei die mindestens eine Schicht 212 als Basisschicht verwendet wird und Aluminium-Chrom-Nitrid enthält und kein Bor enthält.
Vorzugsweise hat die mindestens eine Schicht 212 eine Elementzusammensetzung, die durch die Formel (Al_vCr_w)N angegeben wird, wobei v > 0 und w > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium und Chrom in Atomprozent ist, wenn nur Aluminium und Chrom bei der Berechnung der Elementzusammensetzung in der Basisschicht 212 berücksichtigt werden.
Eine Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem weitere beispielsweise als Haftschichten zwischen dem Substrat 201 und der Basisschicht 212 oder zwischen dem Substrat 201 und dem niedrigeren Abschnitt 216a des mehrschichtigen Films 216 abgeschiedene Schichten umfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung 210 mindestens eine auf dem letzten Abschnitt 216c des mehrschichtigen Films 216 abgeschiedene Schicht 220, wobei die mindestens eine Schicht 220 als äußerste Schicht verwendet wird und vorzugsweise Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid enthält.
Die äußerste Schicht 220 hat vorzugsweise eine Elementzusammensetzung, die durch die Formel (Al_xCr_yB_z)N angegeben wird, wobei x > 0, y > 0 und z > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Bor in Atomprozent ist, wenn nur Aluminium, Chrom und Bor bei der Berechnung der Elementzusammensetzung in der entsprechenden äußersten Schicht 220 berücksichtigt werden. Je nach Anwendung kann es in einigen Fällen vorteilhafter sein, dass der Koeffizient des Borgehalts in der äußersten Schicht 220 größer als null ist (z > 0). Gemäß einer bevorzugten Ausführung einer erfinderischen Beschichtung erfüllen die Koeffizienten v und w in der Basisschicht 212 die Bedingung 1 ≤ v/w ≤ 4,5.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung einer erfinderischen Beschichtung erfüllen die Koeffizienten x, y und z in der äußersten Schicht 220 die Bedingungen 1 ≤ x/y = 4,5 und/oder 0,01 ≤ z = 30.
Gemäß einer bevorzugteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Elementzusammensetzung der Basisschicht 212 dieselbe wie die Elementzusammensetzung der B-Schichten und/oder die Elementzusammensetzung der obersten Schicht 220 ist dieselbe wie die Elementzusammensetzung der A-Schichten.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Basisschicht 212 zusammen mit der Dicke des ersten Abschnitts 216a des mehrschichtigen Films 216 etwa 40% bis 70% der Gesamtdicke der Beschichtung 210.
Vorzugsweise ist die Druckeigenspannung in der Basisschicht 212 nicht größer als 2 GPa, wie von der Röntgendiffraktometrie XRD unter Verwendung des sin²psi-Verfahrens bestimmt. Diese Messungen wurden an dem hkl-Reflex (111) vorgenommen, Chi-Bereich von 0 bis 80° in 5°-Schritten. Anschließend wurden die Peaks durch eine Pearson VII-Verteilung angepasst. Aus dem Gitterabstand d zum sin²psi-Plot wurden die Neigung m und der Achsenabschnitt d_i entnommen. Mit m, d_i und den röntgen-elastischen Konstanten s₁ und 1/2s₂ (Annahme: isotropes Material) wurde der Druck berechnet.
Bei einigen Anwendungen wurde beobachtet, dass besonders gute Ergebnisse erreicht werden können, wenn man Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, deren Druckeigenspannung in dem ersten Abschnitt 216a etwa 2,5 GPa oder weniger, vorzugsweise etwa 1,5 GPa oder weniger, noch bevorzugter etwa 1 GPa oder weniger beträgt.
Die Druckeigenspannung in der Basisschicht 212 sollte vorzugsweise gleich oder niedriger als diejenige in dem ersten Abschnitt 216a sein.
Ähnlich besonders gute Ergebnisse wurden beobachtet, wenn man Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindungen verwendet, deren Druckeigenspannung in dem letzten Abschnitt 216c etwa 3 GPa oder mehr, bei einigen Anwendungen vorzugsweise etwa 4 GPa oder mehr beträgt.
Die Druckeigenspannung in der äußersten Schicht 220 sollte vorzugsweise gleich oder höher als diejenige in dem letzten Abschnitt 216c sein.
Vorzugsweise ist die Druckeigenspannung in der äußersten Schicht nicht größer als 8 GPa.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung einer Beschichtung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung weist die äußerste Schicht 220 einen spannungsfreien Gitterparameter auf, der nicht niedriger als 2,37 A ist, wie durch die vorgenannten XRD – Kontrollen unter Verwendung des sin²psi-Verfahrens bestimmt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detaillierter anhand einiger beispielhafter Fälle beschrieben werden.

Probekörper und verschiedene Schneidewerkzeuge wie z. B. Abwälzfräser wurden mit Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß der in Tabelle 1 gegebenen Beispiele beschichtet. Tabelle 1: Biasspannung, die während der Abscheidung von drei verschiedenen Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, sowie geschätzte Dicke der entsprechenden Beschichtungsschichten nach der Abscheidung

Beschichtungsschicht	Beispiel 1		Beispiel 2		Beispiel 3
Beschichtungsschicht	Bias (V)	Dicke (μm)	Bias (V)	Dicke (μm)	Bias (V)	Dicke (μm)
212	–40	0,35	–40	0,6	–40	0,35
216a	–40	1,6	–40	1,4	–40	1,6
216b					–100	0,6
216c	–130	0,9	–100	0,6	–130	0,3
220	–130	0,35	–130	0,6	–130	0,35

Die Beschichtungen der Beispiele 1 bis 3 wurden durch Arc-Verdampfung von AlCr- und AlCrB-Targets in einer reaktiven Stickstoffatmosphäre wie folgt abgeschieden: Die Beschichtungsanordnung ist schematisch in der 3 (3a und 3b) dargestellt.
Die zu beschichtenden Substrate 335 wurden in Substratträgern (nicht gezeichnet) gehalten, die in einem rotierbaren Karussel 330 angeordnet waren. Das rotierbare Karussel 330 war in der Mitte einer Vakuumkammer 300 angeordnet, die mindestens ein AlCr-Target 341 und mindestens ein AlCrB-Target 342 derart umfasste, dass während der Rotation des Karussels mindestens für einen Moment jedes Substrat 335 abwechselnd nur dem mindestens einen AlCr-Target 341 oder dem mindestens einen AlCrB-Target 342 gegenüberstehen konnte. Auf diese Weise wurde der mehrschichtige Film 216 gebildet. Während der Schichtabscheidung wurden die Substratträger mit einer negativen Spannung versorgt, um eine negative Bias-Spannung an die zu beschichtenden Substrate 335 anzulegen. In allen Beispielen 1 bis 3 wurde Stickstoff gleichzeitig als Prozessgas und als reaktives Gas verwendet. Ein Stickstoffstrom wurde in die Vakuumkammer durch einen Gaseintritt 351 eingeführt und von der Vakuumkammer durch einen Gasaustritt 352 entfernt, um einen konstanten Stickstoffdruck in der Kammer von ungefähr 3–4 Pa aufrechtzuerhalten.
3b zeigt die Konfiguration einer Beschichtungsmaschine, mit der es möglich ist, den Borgehalt in den Bor enthaltenden AlCrBN-Schichten (A-Schichten) wegen des Einflusses der AlCr-Targets zu variieren. Dies könnte beispielsweise während der Filmabscheidung in einem Rotationssegment passieren, wo das Substrat gleichzeitig den Abscheidungsflüssen von einem AlCr-Target (341) und einem AlCrB-Target (342) ausgesetzt ist. In einem solchen Fall ist es möglich, dass der Borgehalt in den zu den B-Schichten angrenzenden Bereichen niedriger ist als in den übrigen A-Schichten.
Der Beschichtungsdruck muss nicht zwingendermaßen in dem oben erwähnten Bereich (3 bis 4 Pa) liegen, er kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 10 Pa liegen, je nach Merkmalen des benutzten Beschichtungsapparats und Beschichtungskonfiguration.
Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung und Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht durch die oben beschriebenen Beispiele begrenzt.
Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können beispielsweise die Verwendung von mindestens einem zusätzlichen von Stickstoff unterschiedlichen Gas umfassen, das als Prozessgas während des Beschichtungsverfahrens verwendet wird, wie z. B. Argon. In diesem Fall kann die Beschichtung zum Beispiel durch Arc-Verdampfung von AlCr umfassenden Targets 341 und AlCrB umfassenden Targets 342 in einer Argonstickstoffatmosphäre abgeschieden werden.
Ebenso können andere Beschichtungsparameter und Schichtdicken zur Herstellung von Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung gewählt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung eines Verfahrens zur Abscheidung von Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird das zu beschichtende Substrat vor der Abscheidung der Beschichtung 210 einem Nitrierprozess unterzogen. Auf diese Weise kann eine besonders gute mechanische Stabilität und Haftung zwischen Substrat und Beschichtung während des Schneidvorgangs erreicht werden.
Bei einigen Anwendungen mag es vorteilhaft sein, weitere Legierungselemente wie Wolfram (W) und/oder Tantal (Ta) hinzuzufügen oder Bor durch Wolfram und/oder Tantal zu ersetzen.
Beschichtungsleistung in Schnitttests:
Es wurden einzelne Zahntests als Vergleichstests zur Simulation von Betriebsbedingungen bei Verzahnungsvorgängen durchgeführt. Bei den sogenannten „Fly-Cutting”-Tests („Fliegende Schnitt-Tests”) wurden einzelne Zähne von einem PM-HSS Abwälzfräser mit dem Modul m_n = 2,557 mm erodiert. Während der Tests wurden Werkstücke aus 16MnCr5N mit einer Breite von 30 mm, einem Durchmesser von d_a = 116 mm, einem Neigungswinkel α = 17,5°, einem Steigungswinkel β₂ = 20° und 40 Zähnen hergestellt. Ein Beispiel für die Verwendung eines solchen Prüfaufbaus wird von Klocke et al. in der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Prognosis of the local tool wear in gear finish hobbing" in Prod. Eng. Res. Devel., DOI 10.1007/s11740-011-0343-9 vom 21. September 2011 gegeben. Die Tests wurden mit einer Schnittgeschwindigkeit v_c = 260 m/min und einer axialen Vorschubgeschwindigkeit f_a = 4,8 mm durchgeführt. Während der Tests wurden der Flanken- und Kolkverschleiß gemessen. Jeder Test wurde wiederholt, um die Ergebnisse zu überprüfen.
Um die Beschichtungsleistung zu berechnen, wurden Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik sowie die vorliegende Beschichtung mit den Standard PM-HSS-Zähnen beschichtet. Die Zähne wurden von einem Standard-Abwälzfräser mit folgenden technischen Daten erodiert: Modul m_n = 2,557 mm, Eingriffswinkel α_n0 = 17,5°, Außendurchmesser d_a0 = 110 mm, n_i/z₀ = 20/2 Zähne, rechts mit Kopfrücknahme.
Die mit Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung beschichteten Werkzeuge zeigten eine verbesserte Beständigkeit gegen Kolk- und Flankenverschleiß und erreichten eine um etwa 40–60% höhere Lebensdauer als AlCrN-Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik und AlCrBN-basierte Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik.
4 zeigt ein Beispiel für die Verschleißentwicklung in einem Fly-Cutting-Test. 4a zeigt eine AlCrN-basierte Beschichtung gemäß dem Stand der Technik mit einer Lebensdauer von 13,6 m. Die vorliegende erfundene Beschichtung zeigte zu den gleichen Bearbeitungsbedingungen eine um fast 50% höhere Lebensdauer von 20,3 m, 4b. Jeder Test wurde durch eine Wiederholung überprüft und mit den oben genannten technologischen Parameter durchgeführt.
Ebenso wurden dieselbe vergleichende AlCrN-basierte Beschichtung und dieselbe Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die für die Durchführung der oben beschriebenen Fly-Cutting-Tests benutzt wurden, für die Beschichtung der HSS-Abwälzfräser verwendet, die bei der Herstellung von Teilungsrädern (20MnCr5) benutzt werden. In diesem Fall ermöglichten die gemäß der vorliegenden Erfindung beschichteten Werkzeuge eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit von vc = 200 m/min auf vc = 300 m/min, wobei mit jedem Werkzeug die gleiche Anzahl an Teilen hergestellt wurde, bis es abgenutzt war. Dies führt zu einer Reduzierung der Bearbeitungszeit und somit zu einer gesteigerten Produktivität im Vergleich zur Verwendung von Werkzeugen, die mit AlCrN-Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik beschichtet sind.
Ein Profil der mustergültigen erfinderischen Beschichtung, die gemäß Beispiel 1 abgeschieden wurde, ist in 5 gegeben, wie durch Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) unter Verwendung von 5 kV Cs⁺ Primärionen erhalten wurde. Die Beschichtungsabschnitte 216a und 216c sind schematisch angegeben. 5a zeigt die Elementanalyse ohne Berücksichtigung von Verunreinigungen. 5b zeigt die Elementanalyse unter Berücksichtigung von verunreinigenden Elementen in der Beschichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013156131 A1 [0002, 0002, 0002, 0002, 0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Klocke et al. in der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Prognosis of the local tool wear in gear finish hobbing” in Prod. Eng. Res. Devel., DOI 10.1007/s11740-011-0343-9 vom 21. September 2011 [0046]

Claims

Auf einer Oberfläche eines Substrats (201) abgeschiedene Beschichtung (210), die einen mehrschichtigen Film (216) umfasst, der aus einer Vielzahl von A-Schichten und einer Vielzahl von B-Schichten besteht, die abwechselnd übereinander geschichtet werden und dabei eine A/B/A/B/A...-Architektur bilden, wobei die A-Schichten Aluminium-Chrom-Bor-Nitrid enthalten und die B-Schichten Aluminium-Chrom-Nitrid enthalten und kein Bor enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass – der mehrschichtige Film (216) mindestens einen ersten Abschnitt (216a) und einen letzten Abschnitt (216c) umfasst, wobei der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) höher ist als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c) und – sowohl der erste Beschichtungsabschnitt (216a) als auch der letzte Beschichtungsabschnitt (216c) Druckeigenspannungen aufweisen und wobei die Druckeigenspannung in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) niedriger ist als diejenige in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c).
Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) mindestens um das 1,2fache höher ist als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c).
Beschichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) mindestens um das 1,4fache höher ist als der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c).
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Borgehalt in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) höchstens 6mal so hoch ist wie der durchschnittliche Borgehalt in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c).
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannung in dem ersten Beschichtungsabschnitt (216a) etwa 2,5 GPa oder weniger beträgt.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannung in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c) etwa 3 GPa oder mehr beträgt.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannung in dem letzten Beschichtungsabschnitt (216c) nicht mehr als 8 GPa beträgt.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die A-Schichten in dem mehrschichtigen Film (216) eine Elementzusammensetzung ohne Berücksichtigung von Verunreinigungen haben, die durch die Formel (Al_xCr_yB_z)N angegeben wird, wobei x > 0, y > 0 und z > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Bor in Atomprozent sind, wenn nur Aluminium, Chrom und Bor bei der Berechnung der Elementzusammensetzung in den entsprechenden A-Schichten berücksichtigt werden.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die B-Schichten in dem mehrschichtigen Film 216 eine Elementzusammensetzung ohne Berücksichtigung von Verunreinigungen haben, die durch die Formel (Al_vCr_w)N angegeben wird, wobei v > 0 und w > 0 jeweils die Konzentration von Aluminium und Chrom in Atomprozent sind, wenn nur Aluminium und Chrom bei der Berechnung der Elementzusammensetzung in den entsprechenden B-Schichten berücksichtigt werden.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten x, y und z in den A-Schichten die Bedingungen 1 ≤ x/y ≤ 4,5 und/oder 0,01 ≤ z ≤ 30 erfüllen.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten v und w in den B-Schichten die Bedingung 1 ≤ v/w ≤ 4,5 erfüllen.
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Basisschicht (212) umfasst, die eine Druckeigenspannung aufweist, die genauso hoch oder niedriger ist als diejenige in dem ersten Abschnitt (216a) des mehrschichtigen Films (216).
Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine äußerste Schicht (220) umfasst, die eine Druckeigenspannung aufweist, die genauso hoch oder höher ist als diejenige in dem letzten Abschnitt (216a) des mehrschichtigen Films (216).
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der mehrschichtige Film (216) unter Verwendung von PVD-Techniken, vorzugsweise Lichtbogen-Ionenplattieren-Beschichtungstechniken, hergestellt wird, und der erste Beschichtungsabschnitt (216a) und der letzte Beschichtungsabschnitt (216c) des mehrschichtigen Films (216) mit derselben Beschichtungskonfiguration, denselben Targets und denselben Beschichtungsparametern außer der Biasspannung abgeschieden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung des ersten Beschichtungsabschnitts (216a) des mehrschichtigen Films (216) eine negative Biasspannung verwendet wird, die in absoluten Zahlen niedriger ist als die negative Biasspannung, die zur Abscheidung des letzten Beschichtungsabschnitts (216c) des mehrschichtigen Films (216) verwendet wird.