CH695498A5

CH695498A5 - Harte Mehrlagenbeschichtung, mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtetes Werkzeug, welches diese harte Mehrlagenbeschichtung aufweist, und Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlag

Info

Publication number: CH695498A5
Application number: CH00419/02A
Authority: CH
Inventors: Takaomi Toihara C Corporation
Original assignee: Osg Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2006-06-15
Also published as: JP2002275618A; US20020132141A1; DE10210839B4; US7008688B2; DE10210839A1; JP3910373B2

Description

CH 695 498 A5

Beschreibung

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine harte Mehrlagenbeschichtung und insbesondere auf eine solche harte Mehrlagenbeschichtung, welche eine ausgezeichnete Abnützungsresistenz und Zähigkeit besitzt.

Diskussion der verwandten Technik

[0002] Es ist ein beschichtetes Werkzeug bekannt, bei dem das Substrat des Werkzeuges aus gesintertem Carbid oder einem anderen Material hergestellt und an seiner Oberfläche mit einer aus TiAIN gebildeten harten Beschichtung überzogen ist. Als Beispiel für ein solches beschichtetes Werkzeug offenbart die JP-A-10-168 583 (japanische Patent-Offenlegung aus 1998) ein Werkzeug, bei welchem eine Zwischenschicht aus einem relativ weichen Material, wie CrN, zwischen das Substrat des Werkzeuges und die aus TiAIN gebildete harte Beschichtung dazu zwischengeschaltet ist, um die adhäsive bzw. Bindungsfestigkeit, mit welcher sich die harte Beschichtung an das Substrat des Werkzeuges bindet, zu erhöhen. Ferner offenbart die JP-A-11-216 601 (japanische Patent-Offenlegung aus 1999) eine harte Mehrlagenbeschichtung, welche aus zwei Arten von harten Beschichtungslagen aus TiAIN besteht, die hinsichtlich der Kristallanteile von Ti und AI jeweils aus voneinander verschiedenen Mischungszusammensetzungen bestehen und alternierend aufgebracht werden.

[0003] Da jedoch eine Hartbeschichtung aus TiAIN auf Grund der grossen inneren Spannungen darin eine schlechte Zähigkeit aufweist, wird die Hartbeschichtung während des Schneidens leicht abgesplittert bzw. vom Substrat des Werkzeuges abgetrennt, wodurch es unmöglich ist, eine ausgezeichnete Abnützungsresistenz von TiAIN in genügender Weise auszubilden. Das Vorsehen einer Zwischenschicht oder das Übereinanderlagern zweier verschiedener Arten von Hartbeschichtungslagen aus TiAIN, die hinsichtlich der vermischten Kristallanteile voneinander unterschiedlich sind, mag wohl das Absplittern und Abtrennen bis zu einem gewissen Grad verhindern, tut dies jedoch nicht in genügender Weise.

Kurzfassung der Erfindung

[0004] Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf den oben besprochenen Stand der Technik gemacht. Daher ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine harte Mehrlagenbeschichtung zu schaffen, welche hauptsächlich aus TiAIN aufgebaut ist, und die hinsichtlich ihrer Zähigkeit verbessert ist, ohne die Abnützungsresistenz zu verschlechtern, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung daran gehindert wird, vom Substrat abzusplittern oder sich zu lösen. Dieses erste Ziel wird gemäss einem der unten beschriebenen ersten bis vierten Aspekte der Erfindung erreicht.

[0005] Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtetes Werkzeug zu schaffen, welches diese harte Mehrlagenbeschichtung aufweist und die oben beschriebenen technischen Vorteile besitzt. Dieses zweite Ziel kann gemäss dem unten beschriebenen fünften Aspekt der Erfindung erreicht werden.

[0006] Es ist ein dritter Aspekt der Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbeschichtung zu schaffen, welche die oben beschriebenen technischen Vorteile aufweist. Dieses dritte Ziel wird gemäss einem der unten beschriebenen sechsten bis achten Aspekte der Erfindung erzielt.

[0007] Nach dem ersten Aspekt dieser Erfindung wird eine harte Mehrlagenbeschichtung geschaffen, welche mindestens eine erste Beschichtungslage und mindestens eine zweite Beschichtungslage aufweist, die alternierend übereinander abgelegt werden, wobei jede der wenigstens einen ersten Beschichtungslagen aus (Ti AI ) (C N ) besteht, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind, und jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslage CrYsI aufweist, und wobei eine der mindestens einen ersten Beschichtungslagen die äusserste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

[0008] Gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung besteht in der im ersten Aspekt der Erfindung geschilderten harten Mehrlagenbeschichtung die oben genannte mindestens eine erste Beschichtungslage aus einer Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen, von denen eine eine innerste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

[0009] Gemäss dem dritten Aspekt der Erfindung besitzt in der im ersten und zweiten Aspekt der Erfindung geschilderten harten Mehrlagenbeschichtung jede der mindestens einen ersten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-1000 nm aufweist, und wobei die harte Mehrlagenbeschichtung eine Gesamtstärke von 0,5-20 pm besitzt.

[0010] Gemäss dem vierten Aspekt der Erfindung weist in der im ersten bis dritten Aspekt der Erfindung geschilderten harten Mehrlagenbeschichtung jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslagen des Weiteren (Ti AI ) (C N ) auf, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind, so dass die zweite Beschichtungslage eine Zusammensetzung au^ ein^m Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N ) besitzt.

v x 1—x v y 1-y'

[0011] Der fünfte Aspekt der Erfindung schafft ein mit einer harten Mehrlagenbeschichtung überzogenes Werkzeug, welches Folgendes aufweist: die harte Mehrlagenbeschichtung, wie sie in einem der ersten bis vierten Aspekte der Erfindung definiert worden sind; und ein Substrat, welches eine mit der harten Mehrlagenbeschichtung überzogene Oberfläche besitzt.

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[0012] Nach dem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbeschichtung geschaffen, wie sie in einem der ersten bis vierten Aspekte der Erfindung definiert ist, und zwar auf der Oberfläche eines Substrates, indem eine lonenplattierungsvorrichtung vom Lichtbogentyp verwendet wird, welche Folgendes aufweist: (a) eine erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle zur Lieferung eines Lichtbogenstromes an eine erste, aus Ti AI gebildete Kathode, worin 0,20 < x < 0,60 ist; (b) eine zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle zur Lieferung ei-nes'Lichtbogenstromes an eine zweite, aus Cr gebildete Kathode; (c) eine Energiequelle für eine Vorspannung zum Anlegen einer negativen Vorspannung an das Substrat; (d) eine Dreheinrichtung zum Drehen des Substrates um eine vorbestimmte Achse; und (e) eine Zufuhreinrichtung für ein Reaktionsgas zum Einführen eines Reaktionsgases in eine Kammer, in der das Substrat und die ersten und zweiten Kathoden untergebracht sind. Das Verfahren umfasst einen Schalt-Verfahrensschritt zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen, so dass die ersten und zweiten Beschichtungslagen alternierend übereinander abgelegt werden, wobei die Stärke der ersten Beschichtungslage durch Steuern der Zeitperiode, während welcher die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird, und wobei die Stärke der zweiten Beschichtungslage durch Steuern der Zeitperiode, während welcher die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der zweiten Lichtbo-gen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird.

[0013] Nach dem siebenten Aspekt der Erfindung umfasst der Schalt-Verfahrensschritt in dem im sechsten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren einen simultanen Schalt-Verfahrensschritt, um sowohl die erste wie die zweite Lichtbo-gen-Entladungs-Energiequelle einzuschalten, so dass jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslagen eine Zusammensetzung aufweist, die aus einem Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N )besteht, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind, und wobei die Anteile des CrN und des (Ti AI ) (d N *) inyder Zusammensetzung durch Steuern der Menge an Lichtbogenstrom eingestellt wird, welcher von der ersten ijchtÜjogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird, und derjenigen Menge an Lichtbogenstrom, welcher von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird.

[0014] Nach dem achten Aspekt der Erfindung werden die ersten und zweiten Kathoden bei dem im sechsten oder siebenten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates in einer zur vorbestimmten Achse, um welche das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird, senkrechten Richtung angeordnet.

[0015] Bei der im ersten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung besitzt das die erste Beschichtungslage bildende (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) eine Härte (Hv) von etwa 2300-3000, wogegen das die zweiïe Beschichtungslage bildende CrN eine Härte (Hv) von etwa 1800-2000 besitzt. Auf diese Weise werden die erste Beschichtungslage mit dem relativ hohen Grad an Härte und die zweite Beschichtungslage mit dem relativ niedrigen Grad an Härte alternierend übereinander abgelegt, wobei die harte Mehrlagenbeschichtung infolge des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslage mit relativ niedrigem Härtegrad eine erhöhte Zähigkeit besitzt, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung nicht leicht unter dem Absplittern und Ablösen vom Substrat leidet. Da ferner das CrN nicht oxydiert sein wird, es sei denn CrN würde auf eine hohe Temperatur von etwa 700°C erhitzt, verschlechtert die Anwesenheit von CrN auch nicht die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbeschichtung. Da des Weiteren die äusserste oder oberste Lage der harten Mehrlagenbeschichtung von der ersten Beschichtungslage mit einem hohen Härtegrad gebildet sein wird, besitzt die harte Mehrlagenbeschichtung eine ausgezeichnete Abnützungsresistenz.

[0016] Die im zweiten Aspekt der Erfindung definierte harte Mehrlagenbeschichtung, bei der die innerste oder unterste Schicht von der ersten Beschichtungslage gebildet wird, kann sich mit dem Substrat mit ausgezeichneter Haftung bzw. Bindekraft verbinden.

[0017] Bei der im dritten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung besitzen die ersten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen die zweiten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-1000 nm aufweisen, und die harte Mehrlagenbeschichtung eine Gesamtstärke von 0,5-20 pm hat. Diese Dimensionierungsmerkmale des dritten Aspektes der Erfindung haben die Wirkung, das Absplittern und Ablösen der Mehrlagenbeschichtung infolge des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslage weiter zu verhindern, wogegen die Abnützungsresistenz auf Grund des Vorhandenseins der ersten Beschichtungslage beibehalten wird.

[0018] Bei der im vierten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung, bei welcher die zweite Beschichtungslage eine Zusammensetzung aus einem Gemisch aus CrN und (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) aufweist, werden die zweiten Beschichtungslagen mit denxersten Beschichtungslagen mit grösserer Haft- oder Verbindungskraft verbunden, als wäre die zweite Beschichtungslage nur von CrN gebildet, wobei das Absplittern und Ablösen der harten Mehrlagenbeschichtung mit grösserer Zuverlässigkeit verhindert wird.

[0019] Das im fünften Aspekt der Erfindung definierte, mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtete Werkzeug erbringt im Wesentlichen dieselben technischen Vorteile wie die ersten bis vierten Aspekte der Erfindung und hat eine verbesserte Dauerhaftigkeit bzw. eine verlängerte Lebensdauer.

[0020] Bei dem im sechsten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren alterniert die Bildung der ersten Beschichtungslage mit der Bildung der zweiten Beschichtungslage, indem die ersten und zweiten Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequellen ein- und ausgeschaltet werden, und die Stärke jeder der Beschichtungslagen wird durch Steuern des von der entsprechenden Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes und/oder durch die Energieeinschaltzeit der jeweiligen Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingestellt, so dass jede der Beschichtungslagen mit hoher Präzision so ausgebildet werden kann, dass sie eine gewünschte Dicke besitzt.

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[0021] Bei dem im siebenten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren werden die ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen eingeschaltet, um dadurch die zweite Beschichtungslage in Form einer gemischten Schicht auszubilden, welche eine Zusammensetzung in Form einer Mischung von CrN und (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) aufweist, wobei die Menge an von den jeweiligen ersten unä zwfeiteny Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequellen gelieferten Lichtbogenströme gesteuert werden, wodurch in der Mischungszusammensetzung der so gebildeten zweiten Beschichtungslage vorbestimmte Anteile an Cr und (TixAll_x) (C N ) erhalten werden.

[0022] Bei dem im achten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren werden die ersten und zweiten Kathoden jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates in einer, vorzugsweise horizontalen, Richtung angeordnet, die senkrecht zur oben beschriebenen vorbestimmten Achse liegt, um welche das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird. Die beiden Kathoden sind nämlich in ihren jeweiligen Lagen symmetrisch zueinander bezüglich des Substrats, gesehen in senkrechter Richtung zur vorbestimmten Achse, angeordnet. Somit können die ersten und zweiten Beschichtungslagen im Wesentlichen gleichmässig über die gesamte Fläche des Substrates ausgebildet werden.

[0023] Die vorliegende Erfindung kann in vorteilhafter Weise bei einer harten Mehrlagenbeschichtung angewandt werden, die dazu vorgesehen ist, das Substrat eines beliebigen Bearbeitungswerkzeuges zu bedecken, welches relativ zum Werkstück bewegt wird, um das Werkstück zu bearbeiten, wie etwa ein drehendes Schneidewerkzeug (z.B. ein Schaftfräser, ein Bohrer, ein Innengewindeschneider bzw. eine Aussengewindeschneidvorrichtung), ein nicht-drehendes Werkzeug (z.B. ein austauschbarer Einsatz, der an einem für den Drehbankbetrieb benutzten Werkzeughalter fixiert ist) oder ein kaltformendes Werkzeug, das dazu ausgebildet ist, durch plastisches Verformen des Werkstückes in eine gewünschte Form zu bringen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auch für harte Mehrlagenbeschichtungen angewandt werden, die als Oberflächen-Schutzbeschichtung vorgesehen sind, um einen Körper oder ein Element zu bedecken, die sich von solchen Bearbeitungswerkzeugen unterscheiden. Es sei bemerkt, dass das Substrat des Bearbeitungswerkzeuges, das mit der harten Mehrlagenbeschichtung bedeckt werden soll, vorzugsweise aus gesintertem Car-bid hergestellt ist. Das Werkzeug-Substrat kann jedoch auch aus anderem metallischem Material hergestellt sein, wie einem Schnell-Werkzeugstahl.

[0024] Als erfindungsgemässes Verfahren zum Ausbilden einer harten Mehrlagenbeschichtung wird vorteilhaft ein Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren angewandt wie nach dem sechsten Aspekt der Erfindung. Es ist jedoch möglich, ein anderes physikalisches Bedampfungsverfahren (PVD), wie ein Sputter-Verfahren oder alternativ ein chemisches Be-dampfungsverfahren (CVD), wie ein Plasma-CVD-Verfahren bzw. ein thermisches CVD-Verfahren, anzuwenden.

[0025] Das in der zweiten Beschichtungslage enthaltene CrN kann aus reinem Chromnitrid bestehen, kann aber auch alternativ C (Kohlenstoff) und/oder B (Bor) enthalten. Das heisst, dass das in der zweiten Beschichtungslage enthaltene CrN auch die Form CrCN (Chrom-Kohlennitrid), CrBN (Chrom-Bornitrid) oder CrCBN (Chrom-Kohlenstoff-Bornitrid) annehmen kann.

[0026] Wenn die durchschnittliche Stärke der ersten Beschichtungslage geringer als 10 nm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung keine ausreichende Abnützungsresistenz besitzen. Falls die durchschnittliche Stärke der ersten Beschichtungslage grösser als 2000 nm ist, dann kann die harte Mehrlagenbeschichtung - trotz des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslage, die den ersten Beschichtungslagen jeweils überlagert ist und einen relativ geringen Härtegrad besitzt - leicht zum Absplittern neigen. Daher beträgt die durchschnittliche Stärke der ersten Beschichtungslage vorzugsweise 10-2000 nm, insbesondere 100-1000 nm. Dann, wenn die harte Mehrlagenbeschichtung eine Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen aufweist, können alle ersten Beschichtungslagen dieselbe Stärke aufweisen oder können sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Dicke voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann eine der ersten Beschichtungslagen, welche die äusserste Lage darstellt, eine grössere Dicke ausweisen als die anderen ersten Beschichtungslagen, um so die Abnutzungsresistenz und die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbeschichtung weiter zu steigern. Es ist ebenfalls möglich, eine Mehrzahl erster Beschichtungslagen in einer auf den Stärken der jeweiligen ersten Beschichtungslagen basierenden Ordnung vorzusehen, so dass eine dickere erste Beschichtungslage, deren Stärke grösser ist als die einer dünneren ersten Beschichtungslage, weiter aussen von der dünneren ersten Beschichtungslage angeordnet ist.

[0027] Wenn die durchschnittliche Stärke der zweiten Beschichtungslage geringer als 10 nm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung nicht im Stande sein, einen Stoss oder eine andere auf die Mehrlagenbeschichtung aufgebrachte Kraft ausreichend zu absorbieren. Falls die durchschnittliche Stärke der zweiten Beschichtungslage grösser als 1000 nm ist, dann wird sich die Härte und Hitzebeständigkeit der gesamten harten Mehrlagenbeschichtung verschlechtern. Daher beträgt die durchschnittliche Stärke der zweiten Beschichtungslage vorzugsweise 10-1000 nm, insbesondere 10-500 nm. Dann, wenn die harte Mehrlagenbeschichtung eine Mehrzahl von zweiten Beschichtungslagen aufweist, können alle zweiten Beschichtungslagen dieselbe Stärke aufweisen oder können sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Dicke voneinander unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich, eine Mehrzahl zweiter Beschichtungslagen in einer auf den Stärken der jeweiligen zweiten Beschichtungslagen basierenden Ordnung vorzusehen, so dass eine dickere zweite Beschichtungslage, deren Stärke grösser ist als die einer dünneren zweiten Beschichtungslage, weiter aussen von der dünneren zweiten Beschichtungslage angeordnet ist.

[0028] Wenn die Gesamtstärke der harten Mehrlagenbeschichtung geringer als 0,5 |jm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung keine ausreichende Abnützungsresistenz und Hitzebeständigkeit besitzen. Wenn die Gesamtstärke der harten Mehrlagenbeschichtung grösser als -20 |jm ist, dann ist leicht die Wahrscheinlichkeit gegeben, dass die harte Mehrlagenbeschichtung unter Absplitterung und Ablösung vom Substrat leidet. Daher beträgt die Gesamtstärke der harten Mehrlagenbeschichtung vorzugsweise 0,5-20 |jm, insbesondere 1-10 |jm.

[0029] Während die zweite Beschichtungslage nach dem vierten Aspekt der Erfindung aus einem Gemisch von CrN

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und (Ti Ai ) (C N ) zusammengesetzt ist (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind), kann die zweite Beschichtungslage leâiglicïS au^ CrN bestehen. Ferner kann das (Ti A^_ ) (C N ), welches gemäss dem vierten Aspekt der Erfindung in der gemischten Zusammensetzung der zweiten *Bescnichiung^lage enthalten ist, mit dem (Ti AI ) (C N ) der Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage identisch sein, kann aber auch vom (Ti AI ) fc N * ) cfér Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage in den gemischten Kristallanteilen x und y verschieden seit!. y

[0030] Die nach dem sechsten Aspekt der Erfindung definierte Zufuhreinrichtung für Reaktionsgas kann einen Aufbau besitzen, der in Abhängigkeit von der gewünschten Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage bestimmt wird. Wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage ein Nitrid ist, kann die Zufuhreinrichtung für Reaktionsgas so ausgebildet werden, dass sie beispielsweise Stickstoff (N ) als Gas zuführt. Wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage ein Carbid-Nitrid ist, kann die Zufuhreinrichtung für Reaktionsgas so ausgebildet werden, dass sie beispielsweise Stickstoff (N ) und einen Kohlenwasserstoff (CH , C H etc.) als Gase zuführt. Bei der nach dem sechsten Aspekt der Erfindung definierten Dreheinrichtung erstreckt sich aie vorbestimmte Achse, um welche das Substrat gedreht wird, vorzugsweise in vertikaler Richtung.

[0031] Bei dem nach dem sechsten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren vergrössert sich die Dicke der ersten und zweiten Beschichtungslagen mit dem Fortschreiten der Zeit, während welcher die ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen eingeschaltet gehalten werden. Ferner aber wird sich die Dicke der Beschichtungslagen auch mit der Erhöhung der Menge an Lichtbogenstrom erhöhen, welcher von den ersten und zweiten Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequellen geliefert wird. Daher kann die Dicke der Beschichtungslagen durch Steuern der Energieeinschaltzeit jeder der Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen oder auch durch Steuern des von jeder der Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequellen gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt werden. Es können jedoch auch sowohl die Energieeinschaltzeit als auch der Lichtbogenstrom gesteuert werden, um die Stärke der Beschichtungslagen einzustellen. Ferner können auch die an das Substrat angelegte Vorspannung oder andere Faktoren einbezogen werden, um die Stärke der Beschichtungslagen zu kontrollieren.

[0032] Bei dem nach dem siebenten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren wird das Substrat durch die Dreheinrichtung derart gedreht, dass CrN und (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) am Substrat in alternierender und wiederholter Weise anhaften* In ^cliesCm Falle variiert der Aufbau der zweiten Beschichtungslage je nach der Geschwindigkeit, mit welcher das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird. Hinsichtlich der Ausbildung der ersten Beschichtungslage haftet das (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) am Substrat auf Grund der Drehung des Substrats in intermiitierenderiWei^e.

[0033] Wenngleich die ersten und zweiten Kathoden bei dem nach dem achten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind, können die Positionen der ersten und zweiten Kathoden nötigenfalls verändert werden, beispielsweise so, dass die ersten und zweiten Kathoden nebeneinander gelegen sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0034] Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung dieser Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

Fig. 1A ein Seitenriss eines mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichteten Werkzeugs in Form eines

Schaftfräsers ist, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 1B ist ein Querschnitt durch einen Schneidzahnabschnitt des Schaftfräsers nach Fig. 1A, welcher eine harte Mehrlagenbeschichtung veranschaulicht, die am Substrat des Schaftfräsers vorgesehen ist;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die beispielshalber eine lonenplattierungsvorrichtung vom Lichtbogen typ darstellt, die vorteilhaft zur Ausbildung der in Fig. 1B gezeigten harten Mehrlagenbeschichtung eingesetzt werden kann;

Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Vorgehen zur Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung un ter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 veranschaulicht; und

Fig. 4 ist eine Tabelle, welche das Ergebnis eines Schneidversuches zeigt, bei welchem zwanzig Proben in

Form von Schaftfräsern getestet wurden, um ein Werkstück zu schneiden, und welche die Menge an Absplitterungen von einer Schneidekante des jeweiligen Schaftfräsers sowie die Grösse der Abnützung an einer Umfangsflankenfläche jedes Schaftfräsers angibt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

[0035] Fig. 1A ist ein Seitenriss eines mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichteten Werkzeugs in Form eines Schaftfräsers 10, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Schaftfräser 10 weist ein Werkzeugsubstrat (Grundmaterial) 12 auf, das eine im Wesentlichen zylindrische Form besitzt und aus gesintertem Carbid ausgebildet ist. Das Werkzeugsubstrat 12 besitzt einen Schneidzahnabschnitt 14 und einen Schaftabschnitt 15, die einteilig miteinander ausgebildet sind. Der Schneidzahnabschnitt 14, in welchen schraubenlinienförmi-ge Auskehlungen und Schneidzähne geformt sind, besitzt eine Oberfläche, die mit einer harten Mehrlagenbeschichtung

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20 beschichtet ist. In Fig. 1A stellt der schräg schraffierte Abschnitt jenen Teil der Oberfläche dar, auf welchem die harte Mehrlagenbeschichtung 20 aufgebracht ist. Jeder der Schneidzähne hat eine Umfangsflankenfläche eine Boden- oder Endflankenfläche und eine Kratzfläche, die durch die entsprechende schraubenlinienförmige Auskehlung bereitgestellt wird, so dass an jedem Schneidzahn eine Umfangsschneidekante 16 und eine Boden- oder Endschneidekante 18 ausgebildet ist. Die Umfangsschneidekante 16 wird durch die Überschneidung der Kratzfläche und der Umfangsflan kenfläche, definiert, wogegen die Endschneidekante 18 durch die Überschneidung der Kratzfläche und der Endflankenfläche definiert ist. Bei einem Schneidevorgang mit diesem Schaftfräser 10, wird der Schaftfräser 10 um seine Achse gedreht, wobei das Werkstück durch die Schneidekanten 16 und 18 geschnitten wird.

[0036] Wie aus Fig. 1B ersichtlich ist, welche einen Querschnitt durch den Schneidzahnabschnitt 14 darstellt, der mit der harten Mehrlagenbeschichtung 20 beschichtet ist, besteht die harte Mehrlagenbeschichtung 20 aus einer Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen 22 und einer Mehrzahl von zweiten Beschichtungslagen 24, die übereinander liegen, so dass die ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 in einer Laminierungs- oder Überlagerungsrichtung der Beschichtungslagen 22, 24 alternierend angeordnet sind. Die harte Mehrlagenbeschichtung 20 besitzt eine Gesamtstärke von 0,5-20 |jm. Jede der ersten Beschichtungslagen 22 hat eine Zusammensetzung, welche durch (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) repräsentiert wird, und eine durchschnittliche Dicke von 1cf-200Ô nm! Jecfé der zweiten Beschichtungslagen 24 hat eine Zusammensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind), und eine durchschnittliche Dicke von 10-1000 nm. Das (Ti * AI (C VN1_ ^ welches in der Mischungszusammensetzung jeder der zweiten Beschichtungslagen 24 enthalten ist,xist identisch rfiit dem (Ti AI ) (C N ) der Zusammensetzung jeder der ersten Beschichtungslagen 22. Das in jeder der zweiten Beschichtungslagen y24 Enthaltene CrN besteht aus reinem Chromnitrid, das weder Kohlenstoff noch Bor enthält. Die obersten bzw. äussersten Schichten sowie die unterste bzw. innerste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung 20 werden durch erste Beschichtungslagen 22 bereitgestellt, so dass die Gesamtzahl der alternierend angeordneten ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 eine ungerade Zahl ist. Wenn auch die harte Mehrlagenbeschichtung 20 bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einer Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen 22 und einer Mehrzahl von zweiten Beschichtungslagen 24 besteht, so kann die harte Mehrlagenbeschichtung gemäss der Erfindung auch aus zwei ersten Beschichtungslagen 22 und einer zweiten Beschichtungslage 24 bestehen, welche zwischen die beiden ersten, als äusserste und innerste Schicht dienenden Beschichtungslagen 22 gelegt ist, so dass die Gesamtzahl der Beschichtungslagen 22, 24 drei ausmacht.

[0037] Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die beispielshalber eine lonenplattierungsvorrichtung 30 vom Lichtbogentyp darstellt, die vorteilhaft zur Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung 20 eingesetzt werden kann. Die lonenplattierungsvorrichtung 30 vom Lichtbogentyp umfasst: ein Halteorgan 32 zum Halten einer Vielzahl von Zwischenprodukten in Form von Substraten 12, von denen ein jedes noch nicht mit der harten Mehrlagenbeschichtung 20 beschichtet ist, aber die Umfangs- und Endschneidekanten 16, 18 bereits darin ausgebildet hat; eine Drehvorrichtung 34 zum Drehen des Halteorgans 32 um eine Drehachse, die sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt; eine Energiequelle 36 für eine Vorspannung zum Anlagen einer negativen Vorspannung an die Substrate 12; ein Bearbeitungsgefäss in Form einer Kammer 38, in der die Substrate 12 untergebracht sind; erste und zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen 44 und 46; eine Zufuhreinrichtung 40 für Reaktionsgas zum Zuführen eines Reaktionsgases in die Kammer 38; und eine Vakuumeinrichtung 42 zum Saugen eines Gases ins Innere des Reaktors 22, beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe, um so den Druck im Inneren der Kammer 38 herabzusetzen. Das Halteorgan 32 besteht aus einem zylindrischen oder prismatischen Element, dessen Zentrum an der oben beschriebenen Drehachse liegt. Die Vielzahl von Substraten 12 wird vom Halteorgan 32 derart gehalten, dass jedes Substrat 12 eine im Wesentlichen horizontale Lage einnimmt, wobei der Schneidzahnabschnitt 14 in radialer Richtung des Halteorganes 32 nach aussen vorragt. Die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas ist mit Tanks ausgestattet, in denen jeweils Stickstoffgas (N ) und Kohlenwasserstoffgas (CH4, C2Hs etc.) gelagert sind. Die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas ist so ausgebildet, dass sie entsprechend einer gewünschten Zusammensetzung der Beschichtungslage aktiviert werden kann. Das bedeutet, dass die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas das Stickstoffgas aus dem entsprechenden Tank liefert, wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage 22 TiAIN ist, wogegen die Einrichtung 40 aus den entsprechenden Tanks das Stickstoffgas und das Kohlenwasserstoffgas liefert, wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage 22 TiAICN ist. Bei der Ausbildung der zweiten Beschichtungslage 24, welche eine Zusammensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N ) hat, welch Letzteres mit dem (Ti AI ) (C N ) der ersten Beschichtungslage 22 identisch ist, wird clas den SÏickst&ff (N) aufweisende CrN durch Zufuhr von Sti^kstoftgas gebildet.

[0038] Die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 ist mit einer Verdampfungsquelle in Form einer ersten Kathode 48 verbunden, welche aus Ti^ AI gebildet ist (worin 0,20 < x < 0,60 ist) entsprechend der Komponente der ersten Beschichtungslage 22, und auch einer ersten Anode 50. Die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 dient dazu, eine vorbestimmte Menge an Lichtbogenstrom zwischen der ersten Kathode 48 und der ersten Anode 50 zu liefern, um zwischen ihnen eine Lichtbogenentladung zu bewirken, so dass das Tix AI aus der ersten Kathode 48 verdampft. Das verdampfte Ti A verwandelt sich in Metallionen (positive Ionen) uncfhaftéì dann an den Substraten 12 an, an welche eine negativeVorspannung durch die Energiequelle 36 für die Vorspannung angelegt ist. In ähnlicher Weise wird die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 mit einer weiteren Verdampfungsquelle in Form einer ersten Kathode 52 verbunden, welche aus Cr gebildet ist entsprechend der Komponente der zweiten Beschichtungslage 24, und auch einer zweiten Anode 54. Die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 dient dazu, eine vorbestimmte Menge an Lichtbogenstrom zwischen der zweiten Kathode 52 und der zweiten Anode 54 zu liefern, um zwischen ihnen eine Lichtbogenentladung zu bewirken, so dass das Cr aus der zweiten Kathode 52 verdampft. Das verdampfte Cr verwandelt sich in Metallionen (positive Ionen) und haftet dann an den Substraten 12 an, an welche eine negative Vorspannung durch die Energiequelle 36 für die Vorspannung angelegt ist. Die ersten und zweiten Kathoden 48 und 52 sind in ihren

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jeweiligen, zueinander bezüglich des Halteorgans 32 symmetrischen Lagen, gesehen in im Wesentlichen horizontaler Richtung, angeordnet.

[0039] Die Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Vorgehen zur Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung 20 auf der Oberfläche des Schneidzahnabschnittes 14 des Substrats 12 unter Verwendung der lonenplattierungsvorrich-tung 30 vom Lichtbogentyp veranschaulicht. Bevor die Verfahrensschritte S1-S3 verwirklicht werden, wird der Druck im Inneren der Kammer 38 mittels der Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas und der Vakuumeinrichtung 42 auf einen vorbestimmten Wert gebracht (der beispielsweise von 1,33 x 5 x 10"1 Pa bis 1,33 x 40 x 10"1 Pa reicht), während mittels der Energiequelle 36 für die Vorspannung ein vorherbestimmter Wert an negativer Vorspannung (die beispielsweise von -50V bis -150V reicht) an die Substrate 12 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt vakuumiert die Vakuumeinrichtung 42 die Kammer 38, während gleichzeitig die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas das Reaktionsgas in die Kammer 38 derart liefert, dass der Druck im Inneren der Kammer 38 auf dem oben beschriebenen Wert gehalten wird. Die Verfahrensschritte S1-S3 werden dann in Gang gebracht, indem die Dreheinrichtung 34 aktiviert wird, um das Halteorgan 32 mit einer vorbestimmten Anzahl von Umdrehungen (beispielsweise 3 min-1) in Drehung zu versetzen, so dass sich die harte Mehrlagenbeschichtung 20 auf dem Substrat 12 ausbildet. Diese Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung 20 wird unter Steuerung einer Steuereinrichtung durchgeführt, die einen Computer umfasst.

[0040] Beim Verfahrensschritt SI wird die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 abgeschalten gehalten, während die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 eingeschaltet ist, so dass sie einen Lichtbogenstrom von etwa 150A annähernd 5 Minuten lang zwischen die erste Kathode 48 und die erste Anode 50 liefert, um dadurch eine Entladung zwischen ihnen zu bewirken, sodass die erste, aus (Ti AI ) (C N ) bestehende Beschichtungslage 22 mit vorbestimmter Dicke auf dem Substrat 12 ausgebildet wird. xDeryWeft des von der ersten Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequelle 44 zugeführten Lichtbogenstroms und die Energieeinschaltzeit, über welche die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 eingeschaltet bleibt, werden auf Basis der gewünschten Dicke der ersten Beschichtungslage 22 bestimmt. Unter dieser Voraussetzung, d.h. hier bei einem Stromwert von 150A und einer Energieeinschaltzeit von 5 Minuten, ist es möglich, eine aus TiQ 4AI N bestehende Beschichtunglage mit einer Stärke von etwa 340 nm als «(Ti AI ) (C N )-Lage» (welche die erste Beschichtunglage 22 darstellt) der in der Tabelle der Fig. 4 veranschaulichten Probe Klr. 10 zu bilden. Da das Substrat 12, als Zwischenprodukt, um die oben beschriebene Drehachse gedreht wird, die sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt, haftet beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ti AI N intermittierend am Substrat 12 an.

0,4 0,6

[0041] Der Verfahrensschritt S1 ist vom Verfahrensschritt S2 gefolgt, in welchem die erste Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequelle 44 eingeschaltet wird, um einen Lichtbogenstrom von etwa 145A annähernd 0,4 Minuten (24 Sekunden) lang zwischen die erste Kathode 48 und die erste Anode 50 zu liefern und dadurch eine Entladung zwischen ihnen zu bewirken, während gleichzeitig die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 eingeschalten gehalten wird, um einen Lichtbogenstrom von etwa 120A zwischen die zweite Kathode 52 und die zweite Anode 54 über denselben Zeitraum (von etwa 0,4 Minuten) zu liefern und dadurch eine Entladung zwischen ihnen zu bewirken, so dass die aus einem Gemisch von (Ti AI ) (C N ) und CrN bestehende zweite Beschichtungslage 24 mit vorbestimmter Dicke auf der ersten Beschichtungslage 2^ ausgebildet wird, die in der oben beschriebenen Weise gebildet wurde. Die Werte der von den jeweiligen ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 und 46 gelieferten Lichtbogenströme werden auf Basis der gewünschten Anteile an (Ti AI ) (C N ) und CrN und der gewünschten Stärke der zweiten Beschichtungslage 24 bestimmt. Die Energieeinschaltzeiten d&r ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen 44 und 46 werden auf der Basis der gewünschten Stärke der zweiten Beschichtungslage 24 bestimmt. Unter dieser Voraussetzung ist es möglich, eine aus einem Gemisch von Ti AI N und CrN bestehende Beschichtungslage mit einer Stärke von etwa 20 nm als «Cr-Gemischlage» (welche die zweite'Beschichtungslage 24 darstellt) der in der Tabelle der Fig. 4 veranschaulichten Probe Nr. 10 zu bilden. Da das Substrat 12, als Zwischenprodukt, um die oben beschriebene Drehachse gedreht wird, die sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt, haften beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das TiQ4AlogN und das CrN alternierend und wiederholt am Substrat 12 an, während sie teilweise untereinander vermischt sind.

[0042] Die oben beschriebenen Verfahrensschritte S1 und S2 werden über eine vorbestimmte Anzahl (n-1) von Malen durchgeführt, wobei die vorbestimmte Anzahl um eins (1) kleiner ist als die Gesamtanzahl (n) der ersten und zweiten Beschichtungslagen 22, 24. Nach der vorbestimmten Anzahl (n-1) von Malen der Durchführung der Verfahrensschritte S1 und S2, wird der Verfahrensschritt S3 in Gang gebracht, um die erste Beschichtungslage 22 als äusserste Lage zu bilden. Beispielsweise werden im Falle der Probe Nr. 10 in der Tabelle der Fig. 4, bei welcher die Gesamtanzahl der ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 fünfzehn beträgt, die Verfahrensschritte S1 und S2 vierzehn Male alternierend durchgeführt, um so alternierend die ersten und zweiten Beschichtungslagen 22, 24 auszubilden. Nach der Bildung der sieben ersten Beschichtungslagen 22 mit jeweils gleicher Dicke und den sieben zweiten Beschichtungslagen 24 mit jeweils gleicher Dicke wird also der Verfahrensschritt S3 durchgeführt. Im Verfahrensschritt S3 ist die Zeit zur Bildung der ersten Beschichtungslage 22, d.h. die Energieeinschaltzeit, während welcher die erste Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequelle 44 eingeschaltet gehalten wird, um einen vorbestimmten Zeitraum a länger als beim Verfahrensschritt S1, wodurch die Dicke der im Verfahrensschritt S3 ausgebildeten ersten Beschichtungslage 22 grösser ist als diejenige der im Verfahrensschritt S1 ausgebildeten ersten Beschichtungslage 22. Somit schafft die Durchführung des Verfahrensschrittes S3 als äusserste Lage eine erste Beschichtungslage 22 mit ausgezeichneter Hitzebeständigkeit und Abnützungsresistenz. Es sei bemerkt, dass in der Spalte «Dicke (nm)» der «(Ti AI ) (C N ) -Schicht» in der Tabelle der Fig. 4 der an der rechten Seite des «/ (Schrägstriches)» angegebene Wertxdie Öickeyder Arsten Beschichtungslage 22 als der äussersten Lage darstellt, wogegen der an der linken Seite des «/ (Schrägstriches)» angegebene Wert die Dicke der anderen, als der äussersten, ersten Beschichtungslagen 22 repräsentiert.

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[0043] Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt das jede der ersten Beschichtungslagen 22 bildende (Ti AI ) (C ) (worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind) eine Härte (Hv) von etwa 2300-3000, wogegen das CrN efne Harte |Hv) \ron annähernd 1800-2000 hat. Somit hat jede der zweiten Beschichtungslagen 24, welche aus einer Mischung aus (Ti AI ) (C N ) und CrN bestehen, eine geringere Härte als jede der ersten Beschichtungslagen 22. Die harte Mehrlagenbeschichtung 20, bei welcher die ersten Beschichtungslagen 22 mit einem relativ hohen Härtegrad und die zweiten Beschichtungslagen 24 mit einem relativ niedrigen Härtegrad alternierend übereinander gelagert sind, hat eine Zähigkeit, die auf Grund des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslagen 24 mit relativ niedrigem Härtegrad vergrössert ist, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung 20 nicht leicht unter dem Absplittern und Ablösen vom Substrat 12 leidet und demgemäss eine verbesserte Dauerhaftigkeit bzw. eine verlängerte Lebensdauer aufweist.

[0044] Ferner besitzt jede der ersten Beschichtungslagen 22 eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen jede der zweiten Beschichtungslagen 24 eine durchschnittliche Stärke von 10-1000 nm aufweist und die harte Mehrlagenbeschichtung 20 eine Gesamtstärke von 0,5-20 |jm hat. Diese Dimensionsangaben wirken sich dahingehend aus, dass sie auf Grund der Anwesenheit der zweiten Beschichtungslagen 24 die Verhinderung eines Absplitterns bzw. eines Ablösens der harten Mehrlagenbeschichtung 20 sichern, wogegen die Abnützungsresistenz auf Grund der Anwesenheit der ersten Beschichtungslagen 22 aufrechterhalten wird.

[0045] Da ausserdem die äusserste Lage der harten Mehrlagenbeschichtung 20, d.h. die Aussenfläche der Mehrlagenbeschichtung 20, von einer der ersten Bechichtungslagen 22 mit relativ hohem Härtegrad gebildet ist, besitzt die harte Mehrlagenbeschichtung 20 eine ausgezeichnete Abnützungsresistenz. Dies insbesondere beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem diejenige erste Beschichtungslage 22, welche die äusserste Lage bildet, eine grössere Dicke besitzt als die anderen ersten Beschichtungslagen 22, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung 20 eine noch bessere Abnützungsresistenz besitzt.

[0046] Da des Weiteren beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die im Kontakt mit dem Substrat 12 befindliche innerste Lage ebenfalls von einer der ersten Beschichtungslagen 22 gebildet ist, die aus (Ti AI ) (C N ) besteht, kann die harte Mehrlagenbeschichtung 20 mit ausgezeichneter Haft- und Bindekraft mit dem êubstrat l£ verbunden werden, wodurch das Ablösen der Mehrlagenbeschichtung 20 vom Substrat 12 noch wirksamer verhindert werden kann.

[0047] Weil überdies jede der zweiten Beschichtungslagen 24 eine Zusammensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N ) besitzt, werden die zweiten Beschichtungslagen 24 an die ersten Beschichtungslagen 22 mit einem höheren Grcid aft Haft- und Bindestärke verbunden, als würde jede der zweiten Beschichtungslagen 24 nur aus CrN bestehen, wodurch das Absplittern und Ablösen der Mehrlagenbeschichtung 20 noch zuverlässiger verhindert werden kann. Das CrN wird so lange nicht oxydiert, als das CrN nicht auf eine höhere Temperatur von etwa 700°C aufgeheizt wird, so dass die Gegenwart von CrN die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbeschichtung 20 nicht beeinträchtigt.

[0048] Die Ausbildung der ersten Beschichtungslage 22 und der zweiten Beschichtungslage 24 wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ferner durch Ein-und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen-Entla-dungs-Energiequellen 44 und 46 alternierend ausgebildet, und die Dicke jeder der Beschichtungslagen 22 und 24 wird durch Steuern des entsprechenden Lichtbogen-Stromwertes und der Energieeinschaltzeit der entsprechenden Lichtbo-gen-Entladungs-Energiequelle eingestellt, so dass jede der Beschichtungslagen 22, 24 so ausgebildet werden kann, dass sie mit hoher Genauigkeit die gewünschte Dicke besitzt.

[0049] Ferner werden die ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen 44 und 46 dann beide eingeschaltet, um so die zweite Beschichtungslage 24 als gemischte Schicht mit einem Zusammensetzungsgemisch aus CrN und (Ti AI ) (C N ) auszubilden, wogegen die Menge an von den jeweiligen ersten und zweiten Lichtbogen-Entla-dungs-Energiisquelien 44 und 46 geliefertem Lichtbogenstrom so gesteuert werden, dass man im Zusammensetzungsgemisch der gebildeten zweiten Beschichtungslage 24 leicht vorbestimmte Anteile an CrN und (Ti AI ) (C N ) erhält. x x y y

[0050] Des Weiteren werden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die ersten und zweiten Kathoden 48 und 52 jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Halteorgans 32 in im Wesentlichen horizontaler Richtung angeordnet, während das Halteorgan 32 durch die Dreheinrichtung 34 um die Drehachse gedreht wird, welche sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt. Diese Anordnung bewirkt, dass es möglich wird, die ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 im Wesentlichen gleichmässig über die gesamte Oberfläche des Substrates 12 auszubilden.

[0051] Es wurde ein Schneidtest mit den Proben 1-20, d.h. zwanzig Quadrat-Schaftfräsern, jeder mit zwei Zähnen und einem Durchmesser von 10 mm, durchgeführt. Die Substrate dieser Schaftfräser sind aus gesintertem Carbid hergestellt und sind mit jeweils voneinander verschiedenen Beschichtungen bedeckt, wie in der Tabelle der Fig. 4 angegeben ist. Die Proben 1-15 sind Beispiele nach der vorliegenden Erfindung. Die Proben 16 und 17 sind Vergleichsbeispiele, bei denen jeweils die Beschichtung aus einer einzigen Beschichtungslage besteht, die nur aus CrN gebildet wurde. Die Proben 18-20 sind herkömmliche Beispiele, bei denen jeweils die Beschichtung aus einer einzigen Beschichtungslage besteht, die nur aus TiAIN gebildet wurde. Nachdem ein Werkstück an seiner Seitenfläche von jedem der Schaftfräser über einen Abstand von 50 m unter Schneidbedingungen geschnitten wurde, wie sie unten spezifiziert sind, wurden bei dem Test die abgesplitterte Menge in den Umfangs- und Endschneideflächen und ebenso die abgenützte Menge in den Umfangsflankenflächen überprüft. Die abgesplitterte Menge von den Schneidekanten jedes Schaftfräsers wurde mit «VIEL», «ETWAS» oder «WENIG» klassifiziert, wie in der Spalte «Absplittern» der Tabelle der Fig. 4 angegeben ist. «VIEL» gibt an, dass die entsprechende Probe beträchtlich an Absplitterungen während des Schneidebetriebes des

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Tests litt, und dass die entsprechende Probe für die Verwendung unter den unten angegebenen Schneidebedingungen nicht geeignet und daher auch als Produkt nicht vermarktbar ist. «ETWAS» gibt an, dass die entsprechende Probe etwas unter Absplitterungen litt, und zwar in einem solchen Ausmass, dass die Probe für eine Vermarktung nicht unbrauchbar wird. «WENIG» zeigt an, dass die entsprechende Probe nie oder nur wenig unter Absplitterungen litt, so dass ein abgesplitterter Anteil entweder gar nicht existierte oder zu gering war, um visuell bestätigt werden zu können.

[0052] Schneidebedingungen Werkstück: SKD61 (50HRC)

Umdrehungszahl: 5000 min"1 (157 m/min)

Zufuhrgeschwindigkeit: 426 mm/min (0,043 mm/Zahn)

Schneidetiefe: RD (radiale Tiefe) = 10 mm

AD (axiale Tiefe) = 0,2 mm

Schneidfluid: Trockenes Schneiden unter Anwendung eines Luftstrahls;

Verwendete Fräsmaschine: Horizontales Bearbeitungszentrum.

[0053] Aus dem Ergebnis des in der Tabelle der Fig. 4 angegebenen Schneidetests ist ersichtlich, dass bei den erfin-dungsgemässen Beispielen (Proben 1-15) die Schneidkanten «WENIG» oder «ETWAS» abgesplittert und die Umfangsflankenflächen über eine nicht grössere Breite als etwa 0,1 mm abgenützt waren. Somit zweigte jede der Proben 1-15 einen ausreichend hohen Grad an Dauerhaftigkeit für den praktischen Gebrauch. Anderseits wurden bei den Vergleichsbeispielen (Proben 16 und 17), bei denen das Substrat mit der Beschichtung aus einer einzigen, nur aus CrN bestehenden Lage überdeckt ist, die Schneidekanten zwar nur «WENIG» abgesplittert, doch waren die Umfangsflankenflächen über eine beträchtlich grosse Breite von ungefähr 0,4 mm abgenützt. Somit wies jede der Proben 16 und 17 keinen ausreichend hohen Grad an Dauerhaftigkeit bzw. Abnützungsresistenz auf. Bei den herkömmlichen Beispielen (Proben 18-20), bei denen das Substrat jeweils mit einer Beschichtung aus einer einzigen Lage bestehend lediglich aus TiAIN beschichtet war, wurden die Schneidkanten «VIEL», d.h. sehr abgesplittert, und die Umfangsflankenflächen waren über eine nicht geringere als 0,15 mm grosse Breite abgenützt. Es ist zu bedenken, dass die Schneidkanten bei Anwendung eines Schlages während des Schneidebetriebes auf sie leicht absplitterten, und dass sich die Abnützung der Umfangsflankenflächen jeweils ausgehend von den abgesplitterten Teilen der Schneidkanten entwickelte. Somit zeigte jede der Proben 18-20 eine schlechte Dauerhaftigkeit.

[0054] Wenngleich oben nur die zurzeit bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt worden ist, so versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten des dargestellten Ausführungsbeispiels beschränkt ist, sondern mit verschiedenen anderen Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die den Fachleuten geläufig sind, ohne den Grundgedanken und den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert sind.

Claims

Patentansprüche

1. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) mit wenigstens einer ersten Beschichtungslage (22) und mindestens einer zweiten Beschichtungslage (24), die alternierend einander überlagert sind, bei welcher jede der ersten Beschichtungslagen (22) aus (Ti AI ) (C N ) besteht, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind, während jede der zweiten Beschichtungslagen (24^ CrKl aufweist oder daraus besteht, und bei welcher eine der wenigstens einen ersten Beschichtungslagen die äusserste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

2. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine erste Beschichtungslage (22) aus einer Mehrzahl erster Beschichtungslagen (22) besteht, von denen eine davon die innerste Lage der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

3. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der jede der wenigstens einen ersten Beschichtungslagen (22) eine durchschnittliche Dicke von 10-2000 nm besitzt, wogegen jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungslagen (24) eine durchschnittliche Dicke von 10-1000 nm aufweisen, und bei der die harten Mehrlagenbeschichtung eine Gesamtstärke von 0,5-20 |jm hat.

4. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach einem der Ansprüche 1-3, bei der jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungslagen (24) des Weiteren (Tix AI1x) (Cy N ) aufweist, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind.

5. Mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtetes Werkzeug (10), welches Folgendes aufweist: die harte Mehrlagenbeschichtung (20), wie sie in einem der Ansprüche 1-4 definiert ist; und ein Substrat (12), mit einer mit der harten Mehrlagenbeschichtung überzogenen Fläche.

6. Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbeschichtung (20), wie sie in einem der Ansprüche 1-4 definiert ist, auf einer Oberfläche eines Substrats (12) durch Verwendung einer lonenplattierungsvorrichtung (30) vom Lichtbogentyp, welche Folgendes aufweist: (a) eine erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle (44) zur Lieferung eines Lichtbogenstromes an eine erste, aus Ti AI gebildete Kathode (48), worin 0,20 < x < 0,60 ist; (b) eine zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle (46^ zur Lieferung eines Lichtbogenstromes an eine zweite, aus Cr gebildete Kathode (52); (c) eine Energiequelle (36) für eine Vorspannung zum Anlegen einer negativen Vorspannung an das Substrat; (d) eine Dreheinrichtung (34) zum Drehen des Substrates um eine vorbestimmte Achse; und (e) eine Zufuhreinrichtung (40) für ein Reaktionsgas zum Einführen eines Reaktionsgases in eine Kammer (38), in der das Substrat und die ersten und zweiten Kathoden untergebracht sind, welches Verfahren folgendes aufweist: einen Schalt-Verfahrensschritt (S1, S2, S3) zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen-Entla-

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dungs-Energiequellen, so dass die ersten und zweiten Beschichtungslagen (22, 24) alternierend übereinander abgelegt werden, wobei die Stärke der ersten Beschichtungslage (22) durch Steuern der Zeitperiode, während welcher die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird, und wobei die Stärke der zweiten Beschichtungslage durch Steuern der Zeitperioden, während welcher die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schalt-Verfahrensschritt einen simultanen Schalt-Verfahrensschritt (S2) zum Einschalten sowohl der ersten als auch der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen (44, 46) derart aufweist, dass jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungslagen (24) eine Zusammensetzung besitzt, die aus einem Gemisch von CrN und (Ti AI ) (C N ) besteht, worin 0,20 < x < 0,60 und 0 < y < 0,5 sind, und wobei die An-

X 1 —X V 1—V

teile des CrN und des (Tix AI ) (C N ) in der Zusammensetzung durch Steuern der Menge an Lichtbogenstrom eingestellt wird, welcher von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird, und derjenigen Menge an Lichtbogenstrom, welcher von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die ersten und zweiten Kathoden (48, 50) jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates (12) in einer zur vorbestimmten Achse, um welche das Substrat durch die Dreheinrichtung (34) gedreht wird, senkrechten Richtung angeordnet sind.

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