DE10106940A1

DE10106940A1 - Beschichtetes Werkzeug mit einer Gleitbeschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10106940A1
Application number: DE10106940A
Authority: DE
Inventors: Jun Alfred S Gates; Aharon Inspektor
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2001-08-23
Also published as: US20030148144A1; JP2001259903A

Abstract

Es wird ein beschichtetes Werkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen, wobei das Werkzeug ein Substrat mit einer Schneidkante umfaßt. Das Werkzeug ist mit einem Überzug mit Gleitmitteleigenschaften versehen, der hexagonales Bornitrid in einem Zustand restlicher Druckspannung umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft beschichtete Werkzeuge, beispiels weise Rundwerkzeuge, einschließlich Bohrer, Fräser, Räumer, sowie Schneideinsätze zur Entfernung eines Werkstoffes, beispielsweise Metall, von einem Werkstück.

Die spanabhebende Bearbeitung ist ein Beispiel für eine Bearbeitung, bei der ein beschichteter Schneideinsatz gemäß der Erfindung verwendet wird. Bei der spanabhebenden Bear beitung wird der Werkstoff vom Werkstück gewöhnlich in Form von Spänen entfernt. Diese Späne fließen über die Oberfläche des Schneideinsatzes und berühren somit diese Oberfläche, während die Schneidkante des Schneideinsatzes das Werkstück kontaktiert. Wenn ein Span über die Oberfläche des Schneid einsatzes fließt, entsteht Reibung zwischen beiden. Die Reibung zwischen dem Span und der Oberfläche des Schneidein satzes verursacht Verschleiß des Schneideinsatzes.

Eine Verminderung des Ausmaßes der Reibung zwischen Span und Schneideinsatz würde die Lebensdauer des Schneideinsatzes verlängern helfen. Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Beschichtung aus Sulfiden, Seleniden und Telluriden wie beispielsweise MoS₂, NbS₂, TaS₂, WS₂, MoSe₂, NbSe₂, TaSe₂, WSe₂, TaTe₂, NbTe₂ und WTe₂ auf Schneideinsätze aufzubrin gen, um die Reibung zwischen dem Span und der Oberfläche des Schneideinsatzes zu verringern, wobei Molybdändisulfid das bevorzugte Beschichtungsmaterial darstellt (vgl. die PCT- Anmeldung WO96/30148). Obwohl Molybdändisulfid zu einer reibungsvermindernden Beschichtung mit Gleitmitteleigen schaften führt, besitzt es nicht die wünschenswerte Stabilität gegenüber hohen Temperaturen und keine Oxida tionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Hochtemperatur stabilität und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Tempera turen sind sehr wünschenswerte Eigenschaften eines Schneid einsatzes im Hinblick auf die hohen Temperaturen, die an der Grenzfläche zwischen Span und Oberfläche des Schneideinsat zes sowie an der Grenzfläche zwischen Schneideinsatz und Werkstück herrschen.

Gegenstand der Erfindung ist zum einen ein beschichtetes Werkzeug, das ein Substrat mit einer Schneidkante umfaßt. Es ist eine Gleitbeschichtung vorhanden, die hexagonales Bor nitrid umfaßt. Die Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid befindet sich in einem Zustand restlicher Druckspannung.

Gegenstand der Erfindung ist zum anderen ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs, das folgende Schritte umfaßt: Die Bildung eines gesinterten Substrats aus aus einem Pulvergemisch, das Auftragen einer Gleitbeschich tung aus hexagonalem Bornitrid, wobei sich die Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid in einem Zustand restlicher Druck spannung befindet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; darin ist

Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneideinsatzes;

Fig. 2 ein Querschnitt einer Ecke des Schneideinsatzes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Querschnitt einer Ecke einer zweiten Ausfüh rungsform eines Schneideinsatzes;

Fig. 4 ein Querschnitt einer Ecke einer dritten Ausfüh rungsform eines Schneideinsatzes;

Fig. 5 ein Querschnitt einer Ecke einer vierten Ausfüh rungsform eines Schneideinsatzes und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Bohrers.

Die in Fig. 1 gezeigte spezielle Ausführungsform des Schneideinsatzes 10 weist eine Spanfläche 12, eine Frei fläche 14 und eine Bodenfläche 16 auf. Die Spanfläche 12 und die Freifläche 14 schneiden sich unter Bildung der Schneid kanten 18.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Ecke des Schneidein satzes 10. Der Schneideinsatz 10 besteht aus einem Substrat 22 mit einer Spanfläche 24 und einer Freifläche 26, die sich unter Bildung einer Substrat-Schneidkante 28 schneiden. Substratwerkstoffe schließen Werkzeugstähle (beispielsweise Hochgeschwindigkeitsstahl), Cermets, Hartmetalle und Kera mikwerkstoffe ein. Ein typisches Material für das Substrat ist eine Wolframcarbid-Cobalt-Legierung. Der Cobaltgehalt kann zwischen etwa 0,2 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% liegen. Vorzugsweise kann der Cobaltgehalt zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 12 Gew.-% betragen. Das Substrat kann bis zu 10 Gew.-% Titan, bis zu 10 Gew.-% Tantal und bis zu 6 Gew.-% Niob sowie geringere Mengen an Vanadium und Chrom enthalten. Ein bevorzugter Substratwerkstoff enthält Cobalt in einer Menge von zwischen etwa 2,3 Gew.-% und etwa 2,9 Gew.-%, bis zu etwa 0,4 Gew.-% Tantal, bis zu etwa 0,1 Gew.-% Titan und bis zu etwa 0,1 Gew.-% Niob, wobei der Rest aus Wolfram carbid besteht. Dieser bevorzugte Substratwerkstoff besitzt eine Korngröße von zwischen 1 µm und 6 µm und eine Härte zwischen 92,8 und 93,6 Rockwell A (R_A).

Andere Werkstoffe wie beispielsweise Cermets und Keramiken können ebenfalls als geeignetes Substratmaterial verwendet werden.

Eine einzige Überzugsschicht 30 mit Gleitmitteleigenschaften befindet sich auf der Spanfläche 24 und der Freifläche 26. Die Gleitschicht 30 befindet sich in einem Zustand restli cher Druckspannung. Die Überzugsschicht 30 besteht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN). Die Überzugsschicht 30 kann außerdem turbostratisches Bornitrid (t-BN) enthalten, wel ches eine Form des hexagonalen Bornitrids darstellt. Die Überzugsschicht 30 weist eine Dicke auf, die zwischen etwa 1 µm und etwa 6 µm liegen kann.

Typische Methoden zum Auftragen des h-BN schließen plasma unterstützte chemische Dampfabscheidung (PACVD) und induktiv gekoppelte, plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (ICPACVD) ein; diese Methoden sind in der nachfolgend ange gebenen Literatur näher beschrieben. Das ICPACVD-Verfahren ist in dem Artikel von M. Kuhr, S. Reinke und W. Kulisch "Deposition of Cubic Boron Nitride with Inductively Coupled Plasma" in Surface and Coatings Technology, 74-75 (1995), Seiten 806-812, beschrieben. Das PACVD-Verfahren ist be schrieben in dem Artikel von O. Gafri, A. Grill, D. Itzhak, A. Inspektor und R. Avni "Boron Nitride Coatings on Steel and Graphite Produced in a Low Pressure R. F. Plasma" in Thin Solid Films, 72 (1980), Seiten 523-527.

Hexagonales Bornitrid (einschließlich turbostratischem Bornitrid) besitzt Gleitmitteleigenschaften und führt zu einer ausgezeichneten Gleitfähigkeit, so daß Späne, die bei einer spanabhebenden Bearbeitung gebildet werden, leicht über die Spanfläche unter verringerter Reibung gleiten. Eine solche Reibungsverminderung erhöht die Lebensdauer des Schneideinsatzes. Hexagonales Bornitrid (einschließlich turbostratischen Bornitrids) besitzt eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität und eine ausgezeichnete Oxidations beständigkeit bei hohen Temperaturen, so daß es nicht abge baut wird, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie sie üblicherweise an der Grenzfläche zwischen Schneideinsatz und Werkstück und an der Grenzfläche zwischen Span und Ober fläche des Schneideinsatzes auftreten, wenn der Span über die Oberfläche des Schneideinsatzes fließt.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des Schneideinsatzes umfassen die wesentlichen Schritte die Bildung eines gesinterten Substrats aus einem Pulvergemisch mittels pulvermetallurgischer Methoden. Eine beispielhafte Vor gehensweise umfaßt dabei das Vermahlen der Bestandteile des Substrats während eines vorbestimmten Zeitraums in einer Kugelmühle. Das Pulvergemisch wird dann zu einem grünen Preßling verpreßt. Der Grünling wird dann beispielsweise durch Sintern verfestigt und bildet dann das gesinterte Substrat.

Das Verfahren umfaßt sodann das Auftragen einer gleitmittel artigen Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid auf die Ober fläche des gesinterten Substrats, wobei die Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid sich in einem Zustand restlicher Druckspannung befindet. Genauer gesagt ist das Beschich tungsverfahren ein Verfahren der chemischen Dampfabschei dung, einschließlich PACVD oder ICPACVD, Verfahren also, die in den bereits genannten Artikeln beschrieben sind.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Ecke einer anderen speziellen Ausführungsform eines Schneideinsatzes 38 mit einem Substrat 40. Das Substrat 40 besitzt eine Spanfläche 42 und eine Freifläche 44, die sich unter Bildung einer Substratschneidkante 46 schneiden.

Auf der Oberfläche des Substrats befindet sich bei dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Zwischen schichtaufbau mit einer einzigen Zwischenschicht 48. Die Zwischenschicht 48 kann durch chemische Dampfabscheidung (CVD) oder durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) aufgetragen werden. Die Zwischenschicht 48 kann ein Nitrid, Carbonitrid, Carbid, Oxynitrid, Oxycarbid, Oxid oder Borid eines der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V oder VI, Alu miniumoxid, kubisches Bornitrid, Diamant, Titan-Aluminium- Nitrid und/oder Titan-Aluminium-Carbonitrid umfassen. Die Dicke der Zwischenschicht 48 kann zwischen etwa 1 µm und etwa 6 µm liegen.

Auf der Oberfläche der Zwischenschicht 48 befindet sich ein äußerer Überzug 50 mit Gleitmitteleigenschaften. Die Gleit schicht 50 besteht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN). Die Gleitschicht 50 kann außerdem turbostratisches Bornitrid (t- BN) enthalten, das eine hochgespannte Form des hexagonalen Bornitrids darstellt. Der äußere Überzug 50 mit Gleitmittel eigenschaften besitzt eine Dicke, die zwischen etwa 1 µm und etwa 6 µm liegen kann. Typische Methoden zur Aufbringung des Überzugs aus hexagonalem Bornitrid umfassen PACVD und ICPACVD, wie in den oben genannten Artikeln beschrieben. Die äußere Gleitschicht 50 aus hexagonalem Bornitrid (ein schließlich turbostratischem Bornitrid) bewirkt dieselbe ausgezeichnete Gleitfähigkeit wie die Gleitschicht 30 des oben beschriebenen Schneideinsatzes 10. Es ist zu erwarten, daß die Härte der Gleitschicht 50 geringer ist als die Härte der Zwischenschicht 48.

Der beschichtete Schneideinsatz 38 besitzt eine Spanfläche 52 und eine Freifläche 54. Die Spanfläche 52 und die Frei fläche 54 schneiden sich unter Bildung einer Schneidkante 56 des beschichteten Schneideinsatzes 38.

Das Verfahren zur Herstellung des Schneideinsatzes umfaßt im wesentlichen einen ersten Schritt, bei dem ein gesintertes Substrat aus einem Pulvergemisch gebildet wird. Wie bei dem Schneideinsatz 10 wird dieser Schritt typischerweise auf pulvermetallurgischem Wege durchgeführt.

Der nächste Schritt umfaßt das Auftragen eines Überzugs als Zwischenschicht auf die Oberfläche des gesinterten Sub strats. Die spezielle Ausführungsform gemäß Fig. 3 stellt einen Schichtaufbau mit einer einzigen Zwischenschicht dar. Die Zwischenschicht kann mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) oder physikalischer Dampfabscheidung (PVD) aufgetragen werden.

Der letzte Schritt umfaßt das Auftragen der äußeren, Gleit mitteleigenschaften aufweisenden Überzugsschicht aus hexa gonalem Bornitrid auf die Zwischenschicht. Dieser Schritt ist wie der Beschichtungsschritt zum Auftragen der Gleit schicht auf den Schneideinsatz 10 und kann unter Verwendung der PACVD- oder ICPACVD-Technik durchgeführt werden, um den Überzug aus hexagonalem Bornitrid aufzutragen.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer Ecke einer dritten speziellen Ausführungsform eines Schneideinsatzes 60, wel cher ein Substrat 62 mit einer Spanfläche 64 und einer Freifläche 66 aufweist. Die Spanfläche 64 und die Freifläche 66 schneiden sich unter Bildung einer Substratschneidkante 68.

Das Substrat 62 besitzt einen Zwischenschichtaufbau 70. Der Zwischenschichtaufbau 70 besitzt eine innerste (oder innere) Zwischenschicht 72 unmittelbar anschließend an die Ober fläche des Substrats 62. Und der Zwischenschichtaufbau 70 besitzt eine äußerste (oder äußere) Zwischenschicht 74 auf der Oberfläche der inneren Schicht 72. Ein Beispiel für einen zweischichtigen bzw. mehrschichtigen Zwischenschicht aufbau besteht aus einer inneren Zwischenschicht aus Titan carbid auf der Oberfläche des Substrats und einer äußeren Zwischenschicht aus Aluminiumoxid auf der Titancarbid schicht. Der Zwischenschichtaufbau besitzt eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 15 µm.

Der Zwischenschichtaufbau kann jedoch auch mehr als zwei Schichten umfassen. Ein Beispiel für einen vielschichtigen Zwischenschichtaufbau mit mehr als zwei Schichten besteht aus einer inneren Zwischenschicht aus Titancarbid auf der Oberfläche des Substrats, einer mittleren Zwischenschicht aus Titancarbonitrid auf der Titancarbidschicht und einer äußeren Zwischenschicht aus Titannitrid auf der Oberfläche der Schicht aus Titancarbonitrid.

Der Schneideinsatz 60 (Fig. 4) besitzt eine äußere Überzugsschicht 78 mit Gleitmitteleigenschaften auf der Oberfläche der äußersten Zwischenschicht 74. Die äußere Gleitschicht 78 besteht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN). Die äußere Gleitschicht 78 kann zusätzlich turbostratisches Bornitrid (t-BN) enthalten, das eine hochgespannte Form von hexagonalem Bornitrid darstellt. Die äußere Gleitschicht 78 besitzt eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 6 µm. Typische Methoden zum Auftragen des hexagonalen Bornitrids schließen PACVD und ICPACVD ein, wie in den oben genannten Arti keln beschrieben. Die äußere Gleitschicht 78 aus hexagonalem Bornitrid (einschließlich tubostratischem Bornitrid) bewirkt dieselbe ausgezeichnete Gleitfähigkeit wie die Überzugs schicht 30 bei dem oben beschriebenen Schneideinsatz 10. Es wird erwartet, daß die Härte der Gleitschicht 78 nicht so groß ist wie die Härte des Zwischenschichtaufbaus 70. Der Schneideinsatz 60 besitzt eine Spanfläche 84 und eine Frei fläche 86, die sich unter Bildung einer Schneidkante 88 schneiden.

Die wesentlichen Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Schneideinsatzes sind wie diejenigen zur Herstellung des Schneideinsatzes 38. Der Unterschied besteht darin, daß der Zwischenschichtaufbau zwei unterschiedliche Schichten um faßt, und nicht nur eine einzige Zwischenschicht. Diese Zwischenschichten können mittels CVD- oder PVD-Methoden aufgebracht werden, so daß beide Schichten CVD-Schichten, beide Schichten PVD-Schichten sind oder eine Schicht eine CVD-Schicht und die andere Schicht eine PVD-Schicht ist.

Die Erfindung umfaßt auch einen Schichtaufbau, bei dem sich eine oder mehrere Schichten oben über der Gleitschicht aus hexagonalem Bornitrid befindet. Fig. 5 zeigt einen Quer schnitt einer Ecke einer anderen speziellen Ausführungsform eines Schneideinsatzes 100 mit einem Substrat 102. Der Schneideinsatz 100 weist eine Spanfläche 104 und eine Frei fläche 106 auf, die sich unter Bildung einer Schneidkante 108 des Schneideinsatzes schneiden.

Bei dieser speziellen Ausführungsform gemäß Fig. 5 liegt ein Zwischenschichtaufbau vor, der eine Zwischenschicht 110 umfaßt. Die Zwischenschicht 110 ist direkt auf die Ober fläche des Substrats entweder durch CVD- oder PVD-Methoden aufgebracht. Die Zwischenschicht 110 kann ein Nitrid, Car bonitrid, Carbid, Oxynitrid, Oxycarbid, Oxid oder Borid eines Übergangsmetalls der Gruppen IV, V und VI, Aluminium oxid, kubisches Bornitrid, Diamant, Titan-Aluminium-Nitrid und/oder Titan-Aluminium-Carbonitrid enthalten. Die Dicke der Zwischenschicht 110 kann zwischen etwa 1 µm und etwa 15 µm liegen.

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Zwischenschicht aufbau aus mehreren oder vielen Überzugsschichten zusammen gesetzt sein kann. Im Falle mehrerer Schichten können eine oder mehrere der Schichten durch CVD-Techniken und eine oder mehrere der Schichten durch PVD-Techniken aufgebracht wer den.

Direkt auf die Oberfläche der Zwischenschicht 110 ist eine Überzugsschicht 112 mit Gleitmitteleigenschaften aufgetra gen, und zwar entweder durch PACVD- oder ICPACVD-Techniken. Die Gleitschicht 112 umfaßt hexagonales Bornitrid, das turbostratisches Bornitrid einschließen kann.

Bei der speziellen Ausführungsform gemäß Fig. 5 befindet sich ein äußerer, aus einer einzigen Schicht 114 bestehender Schichtaufbau auf der Oberfläche der Gleitschicht 112. Die Überzugsschicht 114 wird direkt auf die Oberfläche der Gleitschicht 112 entweder durch CVD oder durch PVD aufge tragen. Der äußere Schichtaufbau kann jedoch aus mehreren Überzugsschichten bestehen. Im Falle eines Mehrschichtauf baus können eine oder mehrere der Schichten mittels CVD- Techniken und eine oder mehrerer der Schichten mittels PVD- Techniken aufgetragen werden. Die Überzugsschicht 114 sowie jede Schicht eines äußeren Mehrschichtaufbaus kann ein Nitrid, Carbonitrid, Carbid, Oxynitrid, Oxycarbid, Oxid oder Borid eines der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V und VI, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, Diamant, Titan-Alumi nium-Nitrid und/oder Titan-Aluminium-Carbonitrid enthalten. Die Dicke der äußeren Überzugsschicht 114 kann zwischen etwa 1 µm und etwa 6 µm liegen.

Das Verfahren zur Herstellung des Schneideinsatzes umfaßt im wesentlichen einen ersten Schritt der Bildung eines gesin terten Substrats aus einem Pulvergemisch. Wie bei dem Schneideinsatz 10 wird dieser Schritt typischerweise auf pulvermetallurgischem Wege durchgeführt.

Der nächste Schritt umfaßt das Auftragen eines Zwischen schichtaufbaus auf die Oberfläche des gesinterten Substrats. Die spezielle Ausführungsform gemäß Fig. 5 stellt einen Zwischenschichtaufbau mit einer einzigen Schicht dar, die somit die äußerste Schicht des Zwischenschichtaufbaues ist. Der Zwischenschichtaufbau kann mittels chemischer Dampfab scheidung (CVD) oder physikalischer Dampfabscheidung (PVD) aufgetragen werden.

Der nächste Schritt umfaßt das Auftragen der äußeren Gleit schicht aus hexagonalem Bornitrid auf die Zwischenschicht. Dieser Schritt ist wie der Beschichtungsschritt zum Auftra gen der Gleitschicht auf den Schneideinsatz 10, wobei die PACVD- oder ICPACVD-Technik zum Auftragen der Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid verwendet werden kann.

Der letzte Schritt umfaßt das Auftragen des äußeren Schicht aufbaus auf die Oberfläche der Gleitschicht. Die spezielle Ausführungsform gemäß Fig. 5 stellt einen äußeren Schicht aufbau mit einer einzigen Schicht dar, welche gleichzeitig die äußerste Schicht ist. Der äußere Schichtaufbau kann mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) oder physikali scher Dampfabscheidung (PVD) aufgetragen werden.

Die folgenden Beispiele sind repräsentativ für den Aufbau der Überzugsschichten, wobei sich ein äußerer Schichtaufbau aus einer oder mehreren Schichten auf der Gleitschicht befindet. Beispielsweise kann ein Schichtaufbau umfassen (a) eine Zwischenschicht aus Titannitrid auf der Oberfläche des Substrats; (b) eine Schicht aus hexagonalem Bornitrid auf der Oberfläche der Zwischenschicht aus Titannitrid; und (c) eine Schicht aus Titannitrid auf der Oberfläche der Schicht aus hexagonalem Bornitrid. Ein weiteres Beispiel für einen solchen Schichtaufbau umfaßt (a) eine Zwischenschicht aus Titancarbid auf der Oberfläche des Substrats; (b) eine Schicht aus Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Zwischen schicht aus Titancarbid; (c) eine Schicht aus hexagonalem Bornitrid auf der Oberfläche der Aluminiumoxidschicht; und (d) eine Schicht aus Titannitrid auf der Oberfläche der Schicht aus hexagonalem Bornitrid.

Ein weiteres Beispiel für einen Schichtaufbau mit einer oder mehreren Schichten auf der Schicht aus hexagonalem Bornitrid umfaßt (a) eine Zwischenschicht aus Titancarbid auf der Oberfläche des Substrats; (b) eine Schicht aus Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Zwischenschicht aus Titancarbid; (c) eine Schicht aus hexagonalem Bornitrid auf der Oberfläche der Aluminiumoxidschicht; (d) eine Schicht aus Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Schicht aus hexagonalem Bornitrid; und (e) eine Schicht aus Titannitrid auf der Oberfläche der äußersten Aluminiumoxidschicht.

Die folgenden speziellen Ausführungsbeispiele zeigen, daß mit der vorliegenden Erfindung die Reibung zwischen der Oberfläche des Schneideinsatzes und dem Span vermindert wird. Dabei bedeutet eine Verminderung der Oberflächen rauhigkeit des Schneideinsatzes, daß die Reibung verringert wird.

Es wurden sechs Schneideinsätze mittels pulvermetallurgi scher Methoden aus einer Wolframcarbid-Cobalt-Legierung folgender Zusammensetzung hergestellt: Cobalt in einer Menge zwischen etwa 2,3 Gew.-% und etwa 2,9 Gew.-%, bis zu etwa 0,4 Gew.-% Tantal, bis zu etwa 0,1 Gew.-% Titan und bis zu etwa 0,1 Gew.-% Niob, Rest: Wolframcarbid. Drei Schneidein sätze wurden mit einer Beschichtung aus hexagonalem Bor nitrid, das etwas turbostratisches Bornitrid enthielt, durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PACVD) beschichtet.

Drei Schneideinsätze wurden unbeschichtet belassen.

Die Oberflächenrauhigkeit der sechs Schneideinsätze wurde unter Verwendung eines Sheffield-Profilometers bestimmt, wobei die in Tabelle I wiedergegebenen Ergebnisse erhalten wurden:

Tabelle I

Testergebnisse Oberflächenrauhigkeit

Die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit der unbeschich teten Schneideinsätze betrug 43,3 Mikroinches = 43,3 × 25,4 nm (R_tm) und 5 Mikroinches = 5 × 25,4 nm (R_a). Diese Rauhig keit ist größer als die durchschnittliche Oberflächenrauhig keit der beschichteten Schneideinsätze (27,3 Mikroinches = 27,3 × 25,4 nm (R_tm) bzw. 3 Mikroinches = 3 × 25,4 nm (R_a). Somit ist ersichtlich, daß die Schneideinsätze mit der Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid (einschließlich turbostratischem Bornitrid) eine niedrigere Oberflächen rauhigkeit aufweisen. Ein Schneideinsatz mit niedriger Oberflächenrauhigkeit führt zu einer Verringerung der Reibung zwischen der Oberfläche des Schneideinsatzes und einem darüber hinwegfließenden Span.

Bei dem Schneideinsatz (dessen Substrat eine Cobaltlegierung auf Basis von Wolframcarbid war) mit der Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid, aufgetragen mittels ICPACVD, wurde eine Kugelabrieb-Kerb-Methode zur Messung der Dicke des Überzugs aus hexagonalem Bornitrid angewandt. Bei der Messung dauerte es 4 Minuten, bis die Kerbe durch die 5 µm dicke Schicht aus hexagonalem Bornitrid unter Verwendung einer 0,25 µm-Diamantpaste durchgerieben war. Demgegenüber waren nur 2 Minuten nötig, um eine Kerbe durch eine 6 µm dicke Schicht aus Titancarbid unter der Verwendung der gleichen 0,25 µm-Diamantpaste durchzureiben. Die Mikrohärte des Titancarbids war mehr als doppelt so groß wie die Mikro härte des hexagonalen Bornitrids. Es dauerte doppelt so lange, um die Kerbe durch die Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid durchzureiben, wie es dauerte, die Kerbe durch die Schicht aus Titancarbid durchzureiben, obwohl diese Schich ten ähnlich dick waren. Dieses Ergebnis, d. h. der Zeitunter schied beim Durchreiben der Kerbe, beruhte auf den Gleitmit teleigenschaften der Schicht aus hexagonalem Bornitrid, im Gegensatz zur Titancarbidschicht, die geringere Gleitmittel eigenschaften aufweist.

Die übergangselektronenmikroskopische (TEM) Prüfung der Schicht aus hexagonalem Bornitrid, aufgetragen mittels ICPACVD, ergab, daß die Schicht aus hexagonalem Bornitrid hauptsächlich amorph war, aber Cluster aus turbostratischem Bornitrid (t-BN) aufwies. Turbostratisches Bornitrid ist eine hochgespannte Form von hexagonalem Bornitrid.

Die Probe der mittels ICPACVD auf dem Hartmetall-Schneid einsatz, der für die TEM-Prüfung hergestellt worden war, abgeschiedenen Schicht aus hexagonalem Bornitrid zeigte, daß die Schicht aus hexagonalem Bornitrid restliche Druckspan nungen enthielt. Wenn die Probe für die TEM-Prüfung dünner gemacht wurde, wurde festgestellt, daß das beschichtete Substrat um den verdünnten Bereich herum Risse bekam und sich in Richtung auf das Substrat bog und damit zeigte, daß die Beschichtung hohe Druckspannungen aufwies, da ein unbe schichtetes Hartmetallsubstrat dieses Biegen und Reißen nicht zeigt. Die Anwesenheit restlicher Druckspannung auf der äußeren Überzugsschicht bietet gewisse Vorteile, wie in den folgenden US-Patenten (die alle auf die Kennametal Inc. übertragen worden sind) hervorgeht: 5 232 318, 5 266 388 und 5 395 680.

Fig. 6 zeigt einen Bohrer 120, der ein in Axialrichtung rückwärtiges Ende 122 und ein in Axialrichtung vorderes Ende 124 aufweist. Eine Stirnfläche 126 und eine durch die Span nut definierte Fläche 128 schneiden sich unter Bildung einer vorderen Schneidkante 130. Die durch die Spannut definierte Fläche 128 schneidet auch die zylindrische Mantelfläche 132 unter Bildung einer seitlichen Schneidkante 134. Somit weist der Bohrer ein Flächenpaar auf (Fläche 126 und Fläche 128), das eine Kante (Kante 130) definiert, und ein anderes Flä chenpaar (Fläche 128 und Fläche 132), das eine andere Kante (Kante 134) definiert. Der Bohrer 120 weist einen darauf abgeschiedenen vielschichtigen Beschichtungsaufbau gemäß der Erfindung auf, welcher jedoch nicht dargestellt ist.

Der Inhalt der oben genannten Patentschriften und sonstigen Druckschriften wird hiermit zum Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung erklärt.

Andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung oder Ausübung der hier be schriebenen Erfindung. Die Beschreibung und Beispiele dienen nur der Erläuterung, während der wahre Umfang der Erfindung durch die nachfolgenden Patentansprüche bestimmt wird:

Claims

1. Beschichtetes Werkzeug, umfassend ein Substrat mit einer Schneidkante und einen Überzug aus hexagonalem Bornitrid auf dem Substrat, welcher Gleitmitteleigenschaften aufweist und sich in einem Zustand restlicher Druckspannung befindet.

2. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der als Gleitschicht dienende Überzug direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen ist.

3. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Gleitmittelei genschaften durch induktiv gekoppelte, plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung oder durch plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung aufgetragen worden ist.

4. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Gleitmittel eigenschaften eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 6 µm auf weist.

5. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich einen Zwischen schicht-Aufbau aufweist, der eine oder mehrere Schichten umfaßt und direkt auf die Oberfläche des Substrats aufge bracht worden ist.

6. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Schicht des Zwischenschichtaufbaus ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus den Nitriden, Carbonitriden, Carbiden, Oxynitriden, Oxycarbiden, Oxiden und Boriden der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V und VI, Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid, Diamant, Titan-Alumi nium-Nitrid und Titan-Aluminium-Carbonitrid.

7. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschichtaufbau eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 6 µm aufweist.

8. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Aufbau eine innere Zwischenschicht umfaßt, die direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen worden ist und Titancarbid umfaßt, und daß der Zwischenschicht-Aufbau ferner eine äußere Zwi schenschicht aus Titannitrid oder Aluminiumoxid aufweist.

9. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zwischenschicht-Aufbau zusätzlich eine mittlere Schicht zwischen der inneren Zwischenschicht und der äußeren Zwischenschicht aufweist und diese mittlere Schicht Titancarbonitrid umfaßt.

10. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des Zwischenschicht-Aufbaus durch physikalische Dampfab scheidung aufgebracht worden ist.

11. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des Zwischenschicht-Aufbaus durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht worden ist.

12. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Aufbau min destens zwei Schichten umfaßt, wovon eine durch physikali sche Dampfabscheidung und eine andere dieser Schichten durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht worden ist.

13. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Gleitmittel eigenschaften auf den Zwischenschicht-Aufbau aufgetragen worden ist.

14. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Gleitmittel eigenschaften eine Härte besitzt, die geringer ist als die Härte des Zwischenschicht-Aufbaus.

15. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer Schichtaufbau mit einer oder mehreren Schichten auf die Oberfläche des Über zugs mit Gleitmitteleigenschaften aufgetragen worden ist.

16. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der Schichten des äußeren Schichtaufbaus ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus den Nitriden, Carbonitriden, Carbiden, Oxynitriden, Oxycarbiden, Oxiden und Boriden der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V und VI, Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid, Diamant, Titan-Alumi nium-Nitrid und Titan-Aluminiumcarbonitrid.

17. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des äuße ren Schichtaufbaus durch physikalische Dampfabscheidung auf getragen worden ist.

18. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des äuße ren Schichtaufbaus durch chemische Dampfabscheidung aufge tragen worden ist.

19. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Schichtaufbau mindestens zwei Schichten umfaßt, von denen eine durch physikalische Dampf abscheidung und eine andere der Schichten durch chemische Dampfabscheidung aufgetragen worden ist.

20. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Gleitmittel eigenschaften zusätzlich turbostratisches Bornitrid enthält.

21. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ausgewählt ist aus der aus Hartmetallen, Cermets und keramischen Werkstof fen bestehenden Gruppe.

22. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat Wolframcarbid und Kobalt umfaßt, wobei Cobalt in einer Menge zwischen etwa 0,2 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% des Substrats vorliegt.

23. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat bis zu 10 Gew.-% Tantal, bis zu 10 Gew.-% Titan, bis zu 6 Gew.-% Niob und zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 12 Gew.-% Cobalt aufweist.

24. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des beschich teten Werkzeugs eine Oberflächenrauhigkeit (R_a) von zwischen etwa 25 × 25,4 nm (25 Mikroinches) und etwa 30 × 25,4 nm (30 Mikroinches) besitzt.

25. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Spanflä che, eine Freifläche und eine Schneidkante am Zusammentref fen zwischen Spanfläche und Freifläche aufweist.

26. Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, welches folgende Schritte umfaßt:
es wird ein gesintertes Substrat aus einem Pulvergemisch gebildet;
und eine Gleitschicht in Form eines Überzugs mit Gleitmit teleigenschaften aus hexagonalem Bornitrid wird aufgetragen, wobei die Schicht aus hexagonalem Bornitrid sich in einem Zustand restlicher Druckspannung befindet.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht direkt auf die Oberfläche des gesinterten Substrat aufgebracht wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeich net, daß die Gleitschicht mittels plasmaunterstützter che mischer Dampfabscheidung oder induktiv gekoppelter, plasma unterstützter chemischer Dampfabscheidung aufgebracht wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zusätzlichen Schritt ein Zwischenschicht-Aufbau aus einer oder mehreren Schichten direkt auf die Oberfläche des gesinterten Substrats aufge bracht wird, wobei jede der Schichten des Zwischenschicht aufbaus ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus den Nitriden, Carbonitriden, Carbiden, Oxynitriden, Oxycarbiden, Oxiden und Boriden der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V und VI, Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid, Diamant, Titan- Aluminium-Nitrid und Titan-Aluminium-Carbonitrid, und daß die Gleitschicht auf den Zwischenschicht-Aufbau aufgebracht wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des Zwischenschicht-Aufbaus durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht wird.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten des Zwischenschicht-Aufbaus durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht wird.

32. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Aufbau mindestens zwei Schichten umfaßt, wovon eine mittels physikalischer Dampfabscheidung und, eine andere dieser Schichten durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht zusätzlich turbostra tisches Bornitrid enthält.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch Wolframcarbid und Cobalt umfaßt.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch zusätzlich bis zu 10 Gew.-% Tantal, bis zu 10 Gew.-% Titan, bis zu 6 Gew.-% Niob und etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Cobalt umfaßt.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer oder mehreren Schichten bestehender äußerer Schichtaufbau auf die Gleitschicht aufgebracht wird.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichten des äußeren Schichtaufbaus ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus den Nitriden, Carbonitri den, Carbiden, Oxynitriden, Oxycarbiden, Oxiden und Boriden der Übergangsmetalle der Gruppen IV, V und VI, Aluminium oxid, kubischem Bornitrid, Diamant, Titan-Aluminium-Nitrid und Titan-Aluminium-Carbonitrid.

38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeich net, daß mindestens eine der Schichten des äußeren Schicht aufbaus durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht wird.

39. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeich net, daß mindestens eine der Schichten des äußeren Schicht aufbaus durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht wird.

40. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere Schichtaufbau mindestens zwei Schichten umfaßt, wovon eine Schicht durch physikalische Dampfabscheidung und eine andere dieser Schichten durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht wird.