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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Schneideinsätzen
sowie die nach den Verfahren herstellbaren Schneideinsätze.
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Schneideinsätze
bestehen aus einem Hartmetall-, Cermet-, oder Keramiksubstratkörper,
der in den meisten Fällen zur Verbesserung der Schneid-
und/oder Verschleißeigenschaften mit einer ein- oder mehrlagigen
Oberflächenbeschichtung versehen ist. Die Oberflächenbeschichtungen
bestehen aus übereinander angeordneten Hartstofflagen oder
-schichten aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden,
Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide,
Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide und Borooxocarbonitride
der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder
des Aluminiums, gemischtmetallischen Phasen sowie Phasengemischen
der vorgenannten Verbindungen. Beispiele für die vorgenannten
Verbindungen sind TiN, TiC, TiCN und Al2O3. Ein Beispiel für eine gemischtmetallische
Phase, bei der in einem Kristall ein Metall teilweise durch ein
anderes ersetzt ist, ist TiAlN. Die Beschichtung wird durch CVD-Verfahren
(chemische Dampfphasenabscheidung), PCVD-Verfahren (Plasma-unterstützte CVD-Verfahren)
oder durch PVD-Verfahren (physikalische Dampfphasenabscheidung)
aufgebracht.
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In
nahezu jedem Material herrschen Eigenspannungen infolge von mechanischer,
thermischer und/oder chemischer Behandlung. Bei der Herstellung
von Schneideinsätzen durch Beschichten eines Substratkörpers
mittels CVD-Verfahren resultieren Eigenspannungen beispielsweise
zwischen der Beschichtung und dem Substrat und zwischen den einzelnen
Schichten der Beschichtung aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Materialien. Die Eigenspannungen können Zugeigenspannungen
oder Druckeigenspannungen sein. Beim Aufbringen einer Beschichtung
mittels PVD-Verfahren werden zusätzliche Spannungen durch
den Ionenbeschuß bei diesem Verfahren in die Beschichtung
eingebracht. In mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtungen
herrschen in der Regel Druckeigenspannungen vor, wogegen CVD-Verfahren üblicherweise
Zugeigenspannungen in der Beschichtung erzeugen.
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Die
Wirkung der Eigenspannungen in der Beschichtung und im Substratkörper
können ohne erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften
des Schneideinsatzes sein, sie können aber auch erhebliche
vorteilhafte oder nachteilige Auswirkungen auf die Verschleißbeständigkeit
des Schneideinsatzes haben. Zugeigenspannungen, welche die Dehngrenze
des jeweiligen Materials übersteigen, verursachen Brüche
und Risse in der Beschichtung senkrecht zur Richtung der Zugeigenspannung.
Im Allgemeinen ist ein gewisses Maß an Druckeigenspannung
in der Beschichtung erwünscht, da dadurch Oberflächenrisse
verhindert oder geschlossen und die Ermüdungseigenschaften
der Beschichtung und damit des Schneideinsatzes verbessert werden.
Zu hohe Druckeigenspannungen können jedoch zu Haftungsproblemen
und Abplatzen der Beschichtung führen.
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Es
gibt 3 Arten von Eigenspannungen: Makrospannungen, die über
makroskopische Bereiche des Materials nahezu homogen verteilt sind,
Mikrospannungen, die in mikroskopischen Bereichen, wie beispielsweise einem
Korn, homogen sind, und inhomogene Mikrospannungen, die auch auf
einer mikroskopischen Ebene inhomogen sind. Aus praktischer Sicht
und für die mechanischen Eigenschaften eines Schneideinsatzes
sind die Makrospannungen von besonderer Bedeutung.
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Es
ist bekannt, dass Hartmetallschneidwerkzeuge, die mit Hartstoffschichten
wie beispielsweise TiN, TiC, TiCN, TiAlN, Al2O3 oder Kombinationen davon beschichtet sind,
hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen
können, jedoch können sie in unterbrochenen Schneidoperationen
aufgrund eines Verlustes an Zähigkeit gegenüber
unbeschichteten Schneidwerkzeugen oder solchen, die mittels PVD-Verfahren
beschichtet sind, eher ausfallen.
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Die
DE 197 19 195 beschreibt
einen Schneideinsatz mit einer mehrlagigen Beschichtung, die in
einem kontinuierlichen CVD-Verfahren bei Temperaturen zwischen 900°C
und 1.100°C abgeschieden wird. Der Wechsel des Materials
in der mehrlagigen Beschichtung von einer zur nächsten
Lage erfolgt durch eine Veränderung der Gaszusammensetzung
in dem CVD-Verfahren. Die äußerste Schicht (Deckschicht)
besteht aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus Carbiden, Nitriden
oder Carbonitriden von Zr oder Hf, in der innere Druckeigenspannungen
vorherrschen. Die darunter liegenden Schichten bestehen aus TiN,
TiC oder TiCN und weisen ausnahmslos innere Zugeigenspannungen auf.
Die in der äußeren Schicht gemessene Druckeigenspannung
liegt zwischen –500 und –2.500 MPa. Hierdurch
soll die Bruchzähigkeit verbessert werden.
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Zur
Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Beschichtung des
Substratkörpers von Schneideinsätzen oder anderen
Werkzeugen ist es bekannt, diese einer mechanischen Oberflächenbehandlung
zu unterziehen. Bekannte mechanische Behandlungsverfahren sind das
Bürsten und die Strahlbehandlung. Bei der Strahlbehandlung
wird ein feinkörniges Strahlmittel mit Korngrößen
bis etwa 600 μm mittels Pressluft unter erhöhtem
Druck auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet. Eine
solche Oberflächenbehandlung kann in der äußersten
Schicht sowie auch den darunter liegenden Schichten Zugeigenspannungen
vermindern oder Druckeigenspannungen erhöhen. Bei der Strahlbehandlung
unterscheidet man zwischen Trockenstrahlbehandlung, bei der das
feinkörnige Strahlmittel in trockenem Zustand eingesetzt
wird, und Nassstrahlbehandlung, bei der das körnige Strahlmittel
in einer Flüssigkeit suspendiert vorliegt.
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Es
wurde festgestellt, daß die Auswahl des Strahlmittels einen
erheblichen Einfluß auf die Veränderungen der
Eigenspannungen in der Beschichtung und in dem Substrat des Schneideinsatzes
hat, insbesondere die Härte des Strahlmittels im Verhältnis
zur Härte und Dicke der Beschichtung. Es konnte gezeigt
werden, daß bei Verwendung eines Strahlmittels, dessen
Härte größer als die Härte der äußersten
Schicht der Beschichtung ist, der Verschleißmechanismus
Abrasion ist und hohe Druckspannungen nur an den nahen Oberflächenbereichen
der Schicht bis ca. 1 μm Eindringtiefe entstehen, die sehr
schnell wieder relaxieren. In tiefer liegenden Schichten oder im
Substrat findet im Wesentlichen keine Erniedrigung der Zugspannungen oder
Erhöhung der Druckspannungen statt. Die nach dem Beschichtungsprozeß vorherrschende
Eigenspannung im Substrat bleibt unverändert. Eine Erhöhung
der Zähigkeit des Werkzeugs kann nicht erreicht werden.
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Ist
die Härte des Strahlmittels gleich der Härte der äußersten
Schicht der Beschichtung, so ist der Verschleißmechanismus
Oberflächenzerrüttung und es entstehen hohe Druckspannungen
die sich bis in tiefere Schichtlagen und abhängig von der
Schichtdicke auch bis ins Substrat auswirken können. In
dicken Schichten (>> 10 μm) kann
beim Naßstrahlen die Spannung im Substrat nur wenig verändert
und die Zugfähigkeit erhöht werden. Will man trotzdem
die Druckspannung im Substrat auch bei dicken Schichten erhöhen,
so muß man sehr lange Trockenstrahlen, was zu einer Erhöhung
der Störungen im Gitter führt und Haftungsprobleme
der Beschichtung verursachen kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindungen bestand in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung eines Schneideinsatzes und eines
nach dem Verfahren herstellbaren Schneideinsatzes mit erhöhten Druckeigenspannungen
in dem Substratkörper und mit verbesserter Verschleißbeständigkeit
und verbesserten Schneideigenschaften, insbesondere verbesserter
Kammrißfestigkeit und/oder Zugfähigkeit.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes,
bei dem man einen Hartmetall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper
mittels eines PVD, PCVD- oder CVD-Verfahrens mit einer ein- oder
mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden,
Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden,
Borocarbide, Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide, Borooxocarbonitride
der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder
des Aluminiums und/oder gemischtmetallischen Phasen und/oder Phasengemischen
der vorgenannten Verbindungen beschichtet und den Substratkörper
nach der Beschichtung einer Trocken- oder Naßstrahlbehandlung
unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzieht,
wobei
die Härte des Strahlmittels kleiner als die
Härte der äußersten Schicht der Beschichtung
ist oder
die Härte des Strahlmittels größer
als die Härte der äußersten Schicht der
Beschichtung ist und unter der äußersten Schicht
eine Schicht angeordnet ist, deren Härte größer
als
die Härte des Strahlmittels ist, wobei die über
der Schicht, deren Härte größer als die
Härte des Strahlmittels ist, angeordnete(n) Schicht(en)
durch die Strahlbehandlung wenigstens von Teilbereichen abgetragen
wird (werden),
- – die Gesamtschichtdicke
der Beschichtung höchstens 40 μm beträgt,
- – die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck
von 1 bar bis 10 bar erfolgt und für einen Zeitraum durchgeführt
wird, der ausreicht, daß
10 MPa < Δ SBES < 1000
MPa und [Δ SBES/Δ SSUB] < 2,
wobei Δ SBES der Betrag der größten
Veränderung der Eigenspannung in der Beschichtung nach
der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten
Schneideinsatz ist und Δ SSUB der
Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung
in dem Substrat nach der Strahlbehandlung gegenüber dem
nicht strahlbehandelten Schneideinsatz in einem Bereich von der
Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe von 10 μm
ist.
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Es
wurde überraschenderweise gefunden, dass man in einem beschichteten
Schneideinsatz durch Nachbehandlung mittels Bestrahlen mit einem
Strahlmittel, vorzugsweise durch Trockenstrahlen, in den oberflächennahen
Bereichen und der sogenannten "nahen Interface-Substrat-Zone" des
Substratkörpers besonders hohe Druckeigenspannungen erzeugen
kann, selbst wenn die ein- oder mehrlagige Beschichtung eine Gesamtschichte
von bis zu 40 μm aufweist, die Strahlbehandlung bei einem
Strahlmitteldruck von 1 bar bis 10 bar durchgeführt wird
und die Härte des Strahlmittels kleiner als die Härte
der äußersten Schicht (der Deckschicht) ist. Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist,
daß dabei keine oder nur geringe Störungsgrade
in die obersten Lagen der Beschichtung eingebaut werden. Die oberste
Lage und die weiteren Lagen der Beschichtung zeigen nur wenig Veränderung
in ihren Eigenspannungen.
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Der
Begriff "oberflächennaher Bereich" des Substratkörpers
bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von maximal
1 bis 2 μm in Richtung des Inneren des Substratkörpers.
Die zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen
erfolgt mittels Röntgendiffraktionsverfahren. Die weitverbreitet
angewendete winkeldispersive Messung nach dem sin2ψ-Verfahren
liefert einen Mittelwert für den Eigenspannungsanteil in
einer Ebene und erlaubt in WC-Substraten Eigenspannungsmessungen
nur bis zu sehr geringen Eindringtiefen von maximal 1 bis 2 μm
von der Oberfläche aus, d. h. nur im "oberflächennaher
Bereich" des Substratkörpers. [siehe auch unten "Messverfahren"]
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Der
Begriff "nahe Interface-Substrat-Zone" des Substratkörpers
bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa
10 μm in Richtung des Inneren des Substratkörpers.
Analysen des Eigenspannungsverlaufs in der "nahen Interface-Substrat-Zone"
waren mit der bisher angewendeten Methode der winkeldispersiven
Messung mit konventionellen Laborquellen nicht möglich.
Zum einen ist die Eindringtiefe der winkeldispersiven Messung wie
oben erwähnt auf eine nur sehr geringe Distanz von der äußersten
Oberfläche des Substratkörpers begrenzt. Darüber
hinaus liefert die winkeldispersive Messung nach dem sin2ψ-Verfahren nur einen Mittelwert
in einer Ebene, weshalb sich mit dieser Methode stufenweise Veränderungen
oder Gradientenverläufe der Eigenspannungen innerhalb kurzer
Distanzen mit dieser Methode nicht messen lassen. Für die
Analyse der Eigen spannungen in der "nahen Interface-Substrat-Zone"
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa
10 μm haben die Erfinder daher erstmals für die
gattungsgemäßen Schneideinsätze eine
energiedispersive Messung angewendet, die die Analyse von Eigenspannungsverläufen
bis zu einer Eindringtiefe von etwa 10 μm unter Erfassung
der Veränderung der Eigenspannungen innerhalb dieses Bereichs
erlaubt. [siehe auch unten "Messverfahren"]
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Der
Parameter "Δ SBES" bezeichnet den
Betrag der größten Veränderung der Eigenspannungen
in der Beschichtung, und "Δ SSUB"
bezeichnet den Betrag der größten Veränderung
der Eigenspannungen in dem Substrat, d. h. die Differenz der jeweiligen
Eigenspannungen zwischen einer unbehandelten Probe und einer Probe
nach der Strahlbehandlung. Der Begriff der "größten"
Veränderung der Eigenspannung bedeutet, daß die
Differenz der Eigenspannungen in den Bereichen der Beschichtung
oder des Substrates bestimmt wird, wo diese Differenz am größten
ist.
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Ein
weiterer Parameter zur Charakterisierung der erfindungsgemäß hergestellten
Schneideinsätze ist die "Integralbreite" im Röntgenbeugungsmuster.
Mittels diffraktometrischer Beugungsmethoden werden Interferenzlinienprofile
gemessen, deren Form von der Struktur des untersuchten Materials
abhängt. Das Interferenzlinienprofil wird durch Angabe
seiner Lage, Intensität und der Linienbreite beschrieben.
Die Lage der Interferenzlinien ist charakteristisch für
die Kristallstruktur des Materials und dient zur Identifizierung
der (kristallinen) Werkstoffphasen, aus den Linienverschiebungen
lassen sich die makroskopischen Gitterdehnungen und materialinhärenten
Eigenspannungen berechnen. Quantitative Phasengehalte und die kristallographische Werkstofftextur
werden aus den Integralintensitäten der Linien, gegeben
durch die Fläche unter dem Beugungsprofil, ermittelt. Die
sogenannte "Integralbreite" ist ein Maß zur Beschreibung
der Dispersion des Beugungsprofils. Sie berechnet sich aus dem Quotienten
von Integralintensität und der Intensität im Maximum
der Linie. Anschaulich ist die Integralintensität damit
gleich der Seitenlänge eines Rechteckes, das den gleichen Flächeninhalt
besitzt wie das Integral unter der Beugungskurve und dessen andere
Seite gleich der Maximalintensität des Profils ist (M.
v. Laue, Z. Kristallographie 64 (1926), 115). Im Vergleich
zu der oftmals verwendeten Halbwertsbreite des Beugungsprofils,
das heißt der Breite der Beugungslinie in Höhe
der halben Maximalintensität, die ein willkürliches
Maß zur Beschreibung der Dispersion darstellt, enthält
die Integralbreite Informationen über die Mikrostruktur
des Werkstoffgefüges, beschrieben durch die Größe
der kohärent streuenden Bereiche (Teilchengröße)
und die Mikrodehnungen, d. h. die Defektstruktur des Gitters. In
der Literatur existiert eine Vielzahl von profilanalytischen Ansätzen,
um aus den Integralbreiten einzelner Beugungslinien oder ganzer
Beugungsspektren Domänengrößen und Mikrodehnungen
zu ermitteln (siehe beispielsweise E. J. Mittemeijer, P. Scardi
(Eds.), Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials.
Springer Series in Materials Science, Volume 68, 2004).
Die in den vorliegenden Untersuchungen an den ungestrahlten und
gestrahlten Schichten ermittelten Integralbreiten und beobachteten
Linienverbreiterungen sind ihrer Ursache nach auf die Erhöhung
des Gitterstörungsgrades infolge der Strahlbehandlung zurückzuführen.
Die Integralbreiten einer nicht strahlbehandelten Al2O3-Schicht liegen üblicherweise in
der Größenordnung von 0,1 oder kleiner. Bei Strahlbehandlung
mit einem Strahlmittel, dessen Härte gleich der Härte
der bestrahlten Al2O3-Schicht
ist, z. B. Al2O3 als
Strahlmittel, erhöht sich die Integralbreite aufgrund des
Eintrags von Gitterstörungen auf Werte von 0,3 bis 0,7.
Bei Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte kleiner
ist als die Härte der Al2O3-Schicht, wie bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren, findet keine meßbare Veränderung der
Integralbreite statt.
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Die
Beschichtung besteht vorzugsweise aus einer Abfolge verschiedener
Einzellagen. Diese unterschiedlichen Lagen besitzen bereits vor
der Strahlbehandlung aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzungen,
Herstellungsbedingungen und Positionen innerhalb der Beschichtung
in der Regel auch unterschiedliche Eigenspannungen, d. h. Zug- oder
Druckspannungen unterschiedlicher Größen. Durch
die Strahlbehandlung verändern sich die Eigenspannungen
in den einzelnen Lagen wiederum aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzungen,
Herstellungsbedingungen und Positionen innerhalb der Beschichtung
unterschiedlich stark. Dort wo diese Veränderung innerhalb
der Gesamtbeschichtung am größten ist, wird der
Wert "Δ SBES" bestimmt bzw. muß die
anspruchsgemäße Bedingung erfüllt sein.
Entsprechendes gilt auch für das Substrat, wo die Eigenspannungen
und Veränderungen der Eigenspannungen in unterschiedlichen
Tiefen von der Oberfläche aus auch unterschiedlich groß sein
können. Die Bedingungen für "Δ SSUB" sind definitionsgemäß auf
einen Bereich von der Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe
von 10 μm begrenzt, da in WC-Substraten eine Messung der
Eigenspannungen in viel größeren Tiefen technisch
nicht möglich ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
die äußerste Schicht der Gesamtbeschichtung aus
Al2O3 oder TiN.
Als Strahlmittel eignet sich jedes auf dem Gebiet bekannte Material,
soweit dessen Härte kleiner ist als die Härte
der Schicht, die nach der Strahlbehandlung als äußerste
Schicht verbleiben soll. Besonders bevorzugt hat das Strahlmittel
eine Härte, die kleiner ist als die Härte der
vor der Strahlbehandlung äußersten Schicht. In
diesem Fall wirkt die Strahlbehandlung nicht abrasiv, und die vor
der Strahlbehandlung äußerste Schicht bleibt auch
nach der Strahlbehandlung die äußerste Schicht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht zwingend
notwendig, dass die Schicht, deren Härte größer
als die Härte des Strahlmittels ist, bereits vor der Strahlbehandlung
die äußerste Schicht der mehrlagigen Beschichtung
auf dem Substratkörper ist. In dem zur Herstellung der
Beschichtung auf dem Substratkörper angewendeten PVD, PCVD-
oder CVD-Verfahren kann über der Schicht, deren Härte
größer als die Härte des Strahlmittels
ist, wenigstens eine weitere Schicht vorgesehen sein, deren Härte
kleiner als die Härte des Strahlmittels ist. In dem Strahlbehandlungsverfahren
wirkt das Strahlmittel dann bezüglich dieser weiteren Schicht
oder Schichten abrasiv und trägt diese bis zu der Schicht,
deren Härte größer als die Härte
des Strahlmittels ist, ab. Nach der Strahlbehandlung ist dann die äußerste
Schicht eine solche, deren Härte größer
als die Härte des Strahlmittels ist.
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Ist
vor der Strahlbehandlung des beschichteten Substratkörpers über
der Schicht (z. B. einer Al2O3-Schicht
oder einer TiN-Schicht), deren Härte größer
als die Härte des Strahlmittels ist, wenigstens eine weitere
(weichere) Schicht vorgesehen, deren Härte kleiner als
die Härte des Strahlmittels ist, so ist es bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren nicht zwingend notwendig, daß diese weichere(n)
Schicht(en) über die gesamte Oberfläche des Substratkörpers
durch das Strahlbehandlungsverfahren abgetragen wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird die weichere Schicht
oder werden die weicheren Schichten nur von den beim Betrieb des
Werkzeugs besonders beanspruchten und/oder mit dem Werkstück
in Berührung tretenden Flächen des Werkzeugs,
vorzugsweise nur von der Spanfläche oder von der die Spanfläche
umfassenden Seite des Werkzeugs, abgetragen und diese Flächen
der vorteilhaften erfindungsgemäßen Strahlbehandlung unterzogen.
Dabei werden in den besonders beanspruchten Bereichen des Werkzeugs
die erfindungsgemäß vorteilhaften Veränderungen
der Eigenspannungen bewirkt.
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Bei
Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte kleiner als
die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung
oder derjenigen Schicht, die nach der Strahlbehandlung als äußerste
Schicht verbleiben soll, ist, wird als Verschleißmechanismus
dieser äußersten Schicht im Wesentlichen Oberflächenzerrüttung
(shot peening) angenommen. Es erfolgt kein wesentlicher Abtrag,
wie es der Fall ist, wenn die Härte des Strahlmittels größer
als die Härte der äußersten Schicht ist.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch diesen Mechanismus
und dieses Verfahren hohe Druckeigenspannungen in dem Substratkörper
erzeugt werden können, selbst wenn die Gesamtschichtdicke
der Beschichtung bis zu 40 μm groß ist. Dies war
deshalb überraschend, da man bei derart hohen Gesamtschichtdicken
der Beschichtung üblicherweise davon ausgehen würde,
dass die Eindringtiefe der durch das Verfahren erzeugten Druckeigenspannungen
im Substrat zu gering sind, um die erfindungsgemäß vorteilhaften
Eigenschaften der hergestellten Schneideinsätze zu erreichen.
Das Gegenteil wurde jedoch beobachtet. Bevorzugt beträgt
die Gesamtdicke der Beschichtung höchstens 30 μm,
vorzugsweise höchstens 25 μm, besonders bevorzugt
höchstens 20 μm.
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Die
Gesamtschichtdicke der Beschichtung sollte zweckmäßigerweise
jedoch wenigstens 1 μm, vorzugsweise wenigstens 5 μm,
besonders bevorzugt wenigstens 10 μm, ganz besonders bevorzugt
wenigstens 15 μm betragen. Eine zu geringe Gesamtschichtdicke
der Beschichtung hat den Nachteil, daß kein ausreichender
Verschleißschutz durch die Beschichtung mehr gewährleistet
ist.
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Die
Dauer der Strahlbehandlung und der Strahldruck sind wichtige Parameter
in dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei der
Strahldruck im Vergleich zur Strahldauer den größeren
Einfluß auf die Veränderung der Eigenspannungen
in der Beschichtung und dem Substratkörper hat. Die Dauer
der Strahlbehandlung darf keinesfalls zu kurz sein, damit die gewünschten
Veränderungen der Eigenspannungen bis in den Substratkörper
vordringen können und die oben genannten Bedingungen für Δ SBES und [Δ SBES/Δ SSUB] erfüllt werden. Die optimale
Dauer der Strahlbehandlung hängt auch von der hierfür
verwendeten Anlage, dem Abstand, der Art und der Ausrichtung der
Strahldüsen und von der Bewegung der Strahldüsen über
dem bestrahlten Werkzeug ab. Erfindungsgemäß geeignete
Strahlbehandlungsdauern liegen im Bereich von 10 bis 600 Sekunden,
wobei besonders geeignete Strahlbehandlungsdauern im Bereich von
15 bis 60 Sekunden liegen. Insbesondere wenn durch die Strahlbehandlung
zunächst eine oder mehrere äußere Schichten über
der Schicht, deren Härte größer als die
Härte des Strahlmittels ist, abgetragen werden sollen,
ist eine längere Strahlbehandlungsdauer zweckmäßig
oder erforderlich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der
Strahlmitteldruck 2 bar bis 8 bar, vorzugsweise 3 bar bis 5 bar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die
Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von etwa 4 bar durchgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann als Trockenstrahlbehandlung
und als Nassstrahlbehandlung durchgeführt werden. Ganz
besonders bevorzugt ist jedoch die Trockenstrahlbehandlung, da es
einen gleichmäßigeren Eintrag des Strahldrucks
in die Beschichtung und den Substratkörper über
die gesamte Oberfläche gewährleistet. Mittels
Trockenstrahlbehandlung sind auch höhere Drücke über
einen langen Zeitraum möglich, ohne daß das Werkzeug
hierdurch beschädigt wird. Bei der Naßstrahlbehandlung
besteht die Gefahr, daß der Eintrag des Strahldrucks an
den Kanten des Werkzeugs, d. h. auch an den wichtigen Schneidkanten,
erheblich höher ist als auf den glatten Oberflächen,
was dazu führen kann, daß die Kanten unter dem
Strahldruck beschädigt werden, bevor es überhaupt
zu einem wesentlichen oder zumindest ausreichenden Eintrag auf den für
Schneidvorgänge wesentlichen Flächen des Werkzeugs,
insbesondere der Spanfläche, kommt. Darüber hinaus
dämpft bei der Naßstrahlbehandlung die Bildung
eines Flüssigkeitsfilms auf der bestrahlten Oberfläche den
Eintrag von Eigenspannungen gegenüber der Trockenstrahlbehandlung
bei vergleichbaren Strahldruckbedingungen erheblich ab.
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Erfindungsgemäß kann
die Beschichtung des Substratkörpers ein oder mehrlagig
sein und aus verschiedensten Materialien bestehen, wie sie oben
angegeben sind. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
ist jedoch die Schicht, deren Härte größer
als die Härte des Strahlmittels ist, eine TiN-Schicht oder
eine Al2O3-Schicht.
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Besonders
bevorzugt ist das Strahlmittel Stahl, Glas oder ZrO2.
Vorzugsweise besteht das Strahlmittel aus kugelförmigen
Partikeln. Die mittlere Korngröße des Strahlmittels
liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 20 bis
450 μm, vorzugsweise 40 bis 200 μm, besonders
bevorzugt 50 bis 100 μm, sie hat jedoch keinen wesentlichen
Einfluß auf die Erzeugung von Druckeigenspannungen in dem
Substratkörper. Jedoch beeinflußt die mittlere
Korngröße des Strahlmittels die Oberflächenrauheit
der äußersten Schicht der Beschichtung. Eine geringe
mittlere Korngröße (feine Körnung) liefert
bei der Bestrahlung eine glatte Oberfläche, wogegen eine hohe
mittlere Korngröße eine rauhe Oberfläche
ergibt. Für die erfindungsgemäße Werkzeuge
ist die Erzeugung einer glatten Oberfläche und somit die
Verwendung eines Strahlmittels mit geringer mittlerer Korngröße bevorzugt.
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Die
Vickers-Härten der vorgenannten Strahlmittel liegen etwa
im Bereich von 500 bis 1500. Al2O3 (Korund) ist erfindungsgemäß als
Strahlmittel in der Regel nicht geeignet, da es eine sehr hohe Härte
besitzt (etwa 2000 bis 2500) und die meisten für Werkzeuge
gängigen Beschichtungen aus weicheren oder im Falle von Al2O3-Schichten gleich
harten Schichten aufgebaut sind. Nur wenn die Beschichtung eine äußerste
Schicht aufweist, die härter als Al2O3 ist, kann Al2O3 auch als Strahlmittel eingesetzt werden,
was in der Regel nicht der Fall sein wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren hat der Strahlwinkel,
d. h. der Winkel zwischen dem Behandlungsstrahl und der Oberfläche
des Werkzeugs, einen wesentlichen Einfluß auf den Eintrag
von Druckeigenspannungen. Bei einem Strahlwinkel von 90° erfolgt
der maximale Eintrag von Druckeigenspannungen. Geringere Strahlwinkel,
d. h. schräges Einstrahlen des Strahlmittels, führen
zu einer stärkeren Abrasion der Oberfläche und
geringerem Druckeigen spannungseintrag. Die stärkste Abrasionswirkung
wird bei Einstrahlwinkeln von etwa 15° bis 40° erzielt.
Die in dieser Beschreibung angegebenen Bestrahlungsparameter, wie
Strahldruck und Strahldauer, beziehen sich stets auf einen Strahlwinkel
von 90°, bei dem auch die hierin beschriebenen Beispiele
durchgeführt wurden. Bei geringeren Strahlwinkeln kann
es erforderlich sein, einen höheren Strahldruck und/oder
eine längere Strahldauer zu wählen, um einen Eintrag
von Druckeigenspannungen zu erzielen, der dem Eintrag bei einem
Strahlwinkel von 90° entspricht. In Kenntnis der Erfindung
kann der Fachmann jedoch diese bei geringeren Strahlwinkeln anzuwendenden
Parameter leicht ermitteln.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die Schicht, deren Härte größer als
die Härte des Strahlmittels ist, eine Schichtdicke im Bereich
von 0,1 μm bis 5 μm, vorzugsweise im Bereich von
0,5 μm bis 4 μm, besonders bevorzugt im Bereich
von 1 μm bis 3 μm auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die
mehrlagige Beschichtung als äußerste Schicht eine
Al2O3-Schicht oder
als äußerste Schichten eine Al2O3-Schicht und darüber eine TiN-Schicht
auf, wobei die Al2O3-Schicht
und vorzugsweise auch die TiN-Schicht eine größere
Härte als die Härte des Strahlmittels besitzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter
der Al2O3-Schicht
eine TiCN-Schicht angeordnet. Dabei können über
und/oder unter der TiCN-Schicht weitere Schichten angeordnet sein.
Zweckmäßig ist das Vorsehen einer Bindungsschicht
zwischen der TiCN-Schicht und der darüber angeordneten Schicht,
deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels
ist, wie beispielsweise der vorgenannten Al2O3-Schicht. Die Bindungsschicht verbessert
die Haftung der darüber und darunter angeordneten Schichten
und hat zweckmäßigerweise eine Dicke von 0,1 μm
bis 1 μm. Als Bindungsschicht zwischen einer TiCN-Schicht
und einer darüber angeordneten Al2O3-Schicht eignet sich ganz besonders eine
Schicht aus TiAlCNO, da diese in der α-Al2O3-Schicht eine bevorzugte (001)-Fasertextur
erzeugt und aufgrund ihrer Zusammensetzung und Mikrostruktur eine
hervorragende Anbindung an die TiCN-Schicht liefert. Eine gute Anbindung
der Schichten untereinander ist wichtig, um hohe Drücke
bei der Strahlbehandlung anwenden zu können, ohne daß die
Schichten abplatzen.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist eine
mehrlagige PVD Schicht als äußerste Schicht eine
Al2O3-Schicht oder
als äußerste Schichten eine Al2O3-Schicht und darüber eine TiN oder
ZrN Schicht auf, wobei die Lagen eine größere
Härte als die Härte des Strahlmittels besitzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter
der Aluminiumoxidschicht eine TiAlN-Schicht oder sind mehrere TiAlN-Schichten
vorgesehen. Die Schichtdicke der Al2O3- Schicht liegt bei den vorgenannten Ausführungsformen im
Bereich von 0,5 μm bis 10 μm, bevorzugt von 0,5 μm
bis 5 μm. Die Schichtdicken der Nitridschichten liegen im
Bereich von 0,5 μm bis 10 μm, bevorzugt von 0,5 μm
bis 5 μm. Anstelle von TiAlN-Schichten können
auch AlCrN-Schichten oder komplexere Metallnitridschichten zum Einsatz
kommen, wie Carbonitrid-Schichten oder Borcarbonitrid-Schichten.
Anstelle von Aluminiumoxid können auch komplexere Oxide,
wie z. B. (AlCr)2O3, zum
Einsatz kommen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die TiCN-Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 μm
bis 15 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 μm bis
10 μm auf. Die TiCN-Schicht wird zweckmäßigerweise
im Hochtemperatur-CVD-Verfahren oder im MT (Medium Temperature)-CVD-Verfahren aufgebracht,
wobei das MT-CVD-Verfahren für die Herstellung von Zerspanwerkzeugen
bevorzugt ist, da es kolumnare Schichtstrukturen liefert und aufgrund
der niedrigeren Abscheidungstemeperatur Zähigkeitsverluste
im Substrat vermindert.
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Erfindungsgemäß bevorzugte
Schichtabfolgen der erfindungsgemäßen Beschichtung
sind, ausgehend vom Substratkörper: TiN-TiCN-TiAlCNO-Al2O3 TiN-MT-TiCN-TiAlCNO-Al2O3-TiN. TiN-MT-TiCN-TiAlCNO-(Al2O3/TiAlCNO)n-MT-TiCN-TiN (n = 1 bis 5, bevorzugt n =
3)
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Eine
geeignete Gesamtschichtdicke liegt im Bereich von etwa 10 μm
bis 20 μm, wobei die TiCN-Schicht und die Al2O3-Schicht eine Dicke von jeweils etwa 2 bis
10 μm haben und die oberen und unteren TiN-Schichten jeweils
etwa 0,5 μm oder dünner sind und die TiAlCNO-Schicht
(Mischphase aus TiCN + Aluminiumtitanat) eine Dicke von etwa 0,5 μm
bis 1,5 μm hat.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch
aus, dass in dem oberflächennahen Bereich des Substratkörpers
hohe Druckeigenspannungen erzeugt werden. Zweckmäßigerweise
wird die Strahlbehandlung so durchgeführt, dass in dem
oberflächennahen Bereich des Substratkörpers eine
Druckeigenspannung von wenigstens –500 MPa, weiter bevorzugt
von wenigstens –1.000 MPa, weiter bevorzugt von wenigstens –1.500
MPa, weiter bevorzugt von wenigstens –2.000 MPa erzeugt
wird. Zum Inneren des Substratkörpers hin nimmt die durch
das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Druckeigenspannung
stetig ab, jedoch können durch das erfindungsgemäße
Verfahren im oberflächennahen Bereich des Substratkörpers
Druckeigenspannungen erzeugt werden, die größer
sind als nach dem Stand der Technik erzeugte Druckeigenspannungen.
-
Bei
einem erfindungsgemäß bevorzugten System mit einem
WC/Co-Hartmetallsubstratkörper und einer Beschichtung aus
0,5 μm TiN, 10,0 μm MT-TiCN, 0,8 μm TiAlCNO,
9,0 μm (Al2O3/TiAlCNO)3, 3,0 μm MT-TiCN und einer äußersten
Schicht von 0,5 μm TiN (= HHT18, siehe unten) können
mittels einer Trockenstrahlbehandlung mit grobkörnigem
ZrO2 als Strahlmittel für etwa
20 Sekunden und einem Strahldruck im Bereich von etwa 4 bar im äußersten
Oberflächenbereich des Substratkörpers Druckeigenspannungen
in der Größenordnung von bis zu –3.500
MPa und mehr erzeugt werden.
-
Die
Erfindung umfasst ausdrücklich auch Schneideinsätze
mit den Eigenschaften, die in Schneideinsätzen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
Die Erfindung umfasst auch Schneideinsätze, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
-
Messverfahren
-
Die
zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen
ist nur durch Röntgendiffraktionsverfahren möglich
(siehe zum Beispiel V. Hauk. Structural and Residual Stress
Analysis by Nondestructive Methods. Elsevier, Amsterdam, 1997").
Das weitverbreitet angewendete sin2ψ-Verfahren (E.
Macherauch, P. Müller, Z. angew. Physik 13 (1961), 305)
für die Röntgenanalyse von Eigenspannungen beruht
auf der Annahme eines homogenen Spannungszustandes innerhalb der
Eindringtiefe des Röntgenstrahles und liefert nur einen
Mittelwert für den Spannungsanteil in einer Ebene. Daher
ist das sin2ψ-Verfahren nicht für
die Untersuchung von mehrlagigen, strahlbehandelten CVD-Systemen
geeignet, in denen innerhalb kurzer Distanzen steile oder stufenweise
Veränderungen der Eigenspannung erwartet werden. Statt
dessen werden weiterentwickelte Verfahren angewendet, die auch in
dünnen Schichten die Erfassung von Eigenspannungsgradienten
erlauben (Ch. Genzel in: E. J. Mittemeijer, P. Scardi (Herausg.)
Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Springer
Series in Material Science, Band 68 (2004), S. 473; Ch. Genzel,
Mat. Science and Technol. 21 (2005), 10).
-
Um
das Tiefenprofil der Eigenspannungen in der Beschichtung zu analysieren,
wurde von den Erfindern das "Universal Plot-Verfahren" (wie es beispielsweise
in H. Ruppersberg, I. Detemple, J. Krier, Phys. stat. sol.
(a) 116 (1989), 681; Ch. Genzel, M. Broda, D. Dantz,
W. Reimers, J. Appl. Cryst., 32 (1999), 779; Ch.
Genzel, M. Klaus, I. Denks, H. G. Wulz, Mat. Sci. Eng. A390 (2005),
376, beschrieben ist) erstmalig auf strahlbehandelte Mehrschichtsysteme
angewendet. Das Verfahren beruht auf einer Gitterdehnungstiefenprofilmessung
bis zu sehr hohen Tiltwinkeln ψ, wodurch man die Eigenspannungsprofile
der Schichten auf direktem Weg erhält. Die Eigenspannungen
der Schichten wurden in dem winkeldispersiven Diffraktionsmodus
auf einem GE Inspection Technologies (vormals Seifert), 5-Circle-Diffraktometer
ETA (Ch. Genzel, Adv. X-Ray Analysis, 44 (2001), 247.)
durchgeführt. Die für die Messungen und die Bestimmung
der Eigenspannungen angewendeten Parameter sind in der nachstehenden
Tabelle 1 zusammengefasst.
-
Die
zerstörungsfreie Analyse der Eigenspannungsverteilung im
Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substratkörper
und der Beschichtung ist nur durch Hochenergie-Röntgendiffraktion
unter Verwendung intensiver paralleler Synchrotronstrahlung möglich.
Um den Einfluss des Strahlverfahrens auf den Zustand der Eigenspannung
in der Nähe der Substratoberfläche zu ermitteln,
wurde erstmalig energiedispersive Diffraktion angewendet. Dabei
wurde das "modifizierte Multi-Wellenlängen-Verfahren" (wie
es in
C. Stock, Promotionsarbeit, TU Berlin, 2003;
Ch.
Genzel, C. Strock, W. Reimers, Mat. Sci. Eng., A 372 (2004), 28,
beschrieben ist) benutzt, welches das Tiefenprofil der Eigenspannungen
in dem Substrat bis zu einer vom Substratmaterial abhängigen
Eindringtiefe liefert. Bei WC-Co-Substraten beträgt diese
Eindringtiefe etwa 10 μm. Die Experimente wurden auf dem
Materialforschungsmessplatz EDDI (Energy Dispersive Diffraction)
durchgeführt, welche von dem Hahn-Meitner-Institut Berlin
auf dem Synchrotron-Speicherring BESSY betrieben wird (
Ch.
Genzel, I. A. Denks, M. Klaus, Mat. Sci. Forum 524–525
(2006), 193). Die entsprechenden experimentellen Parameter
sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1: Experimentelle Parameter für
die Eigenspannungsanalyse der Beschichtung
| Strahlung | CuKα (ohne
kβ-Filter) 40 kV/45 mA (Langfeinfokus) |
| Diffraktionsmodus | winkeldispersiv |
| Optische
Elemente | • Primärstrahl:
polykapillare Halblinse
• Gebeugter Strahl: Parallelstrahloptik
(0,4° Soller-Blende+
001-LiF Monochromator) |
| Reflexionen | Al2O3: 024 (28 = 52,6°)
TiCN:
422 (28 = 123,5°) |
| Ψ-Bereich | 0°...89.5° (sin2Ψ = 0...0,99996) |
| Messdauer | 15
s/Stufe in Δ2θ (0,05°) |
| Beugungslinienauswertung | Pearson
VII-Funktion für die Kα1-
und Kα2-Linien |
| Lineare
Absorptionskoeffizienten | μAl2O3 = 124 cm–1
μTiCN = 876 cm–1 |
| Elastische Diffraktionskonstanten
(DEC)* ) | Al2O3: s1(024)
= –0,55 × 10–6 MPa–1
½ s2(024)
= 2,96 × 10–6 MPa–1 |
| TiCN:
s1(422) = –0,474 × 10–6 MPa–1
½ s2(422) = 2,83 × 10–6 MPa–1 |
- *) Berechnet anhand der Einkristall-Elastizitätskonstanten
von Al2O3 (Landoldt-Börnstein,
New Series, Group III, Band 11, Springer, Berlin, 1979) und TiN
(W. Kress, P. Roedhammer, H. Bilz, W. Teuchert, A. N. Christensen.
Phys. Rev. B17 (1978), 111.) nach dem Eshelby-Kröner-Modell
(J. D. Eshelby. Proc. Roy. Soc. (London) A241 (1957), 376;
E. Kröner, Z. Physik 151 (1958), 504.)
Tabelle 2: Experimentelle Parameter für
die Eigenspannungsanalyse in den Substratkörpern | Strahlung | weiße
Synchrotronstrahlung, E = [10 keV...120 keV] |
| Diffraktionsmodus | energiedispersiv |
| Strahlquerschnitt | 0,25 × 0,25
mm2 |
| Absorber | 2
cm Graphit |
| Optik
im gebeugtem Strahl | Doppelspaltsystem
mit einer Öffnung von 0,03 × 5 mm2 |
| Diffraktionswinkel | 2θ =
9° |
| Detektor | Festkörper-LEGe-Detektor
(Canberra) |
| Messmodus | symmetrischer Ψ-Modus
(Reflexion), ψ = 0°...80°, Δψ =
2° |
| Messdauer | 180
s/Diffraktionsspektrum |
| ausgewertete
Beugungslinien | 001,
101, 110, 002, 111 |
| Elastische
Diffraktionskonstanten | entnommen
aus B. Eigenmann, E. Macherauch, Mat.-Wiss. u. Werkstofftechn.
27 (1996), 426 |
| Kalibrierung | mit
spannungsfreiem Au-Pulver unter den gleichen experimentellen Bedingungen |
-
BEISPIELE
-
Beispiel 1
-
Nach
den erfindungsgemäßen Verfahren wurden ein WC/Co-Hartmetallsubstratkörper
(Wendeschneidplatten vom Typ SEHW1204AFN) im CVD-Verfahren mit mehrlagigen
Beschichtungen beschichtet und mit Strahlmitteln unterschiedlicher
Härte und Korngröße bestrahlt. Variiert
wurden Strahlzeit, Korngröße und Druck.
-
Es
wurden folgende Beschichtungssysteme aufgebracht:
| Bezeichnung | Schichtfolge
(ausgehend
vom Substratkörper) | Gesamtschichtdicke |
| HHA10 | Substratkörper | 10 μm |
| TiN | 0,5 μm | |
| MT-TiCN | 4,0 μm | |
| TiAlCNO | 1,0 μm | |
| Al2O3 | 4,0 μm | |
| TiN | 0,5 μm | |
| HHA17 | Substratkörper | 17 μm |
| TiN | 0,5 μm | |
| MT-TiCN | 10,0 μm | |
| TiAlCNO | 1,0 μm | |
| Al2O3 | 5,0 μm | |
| TiN | 0,5 μm | |
| HHT18 | Substratkörper | 18 μm |
| TiN | 0,5 μm | |
| MT-TiCN | 5,0 μm | |
| TiAlCNO | 0,8 μm | |
| (Al2O3/TiAlCNO)3 | 8,4 μm
(2,0 μm/0,8 μm) | |
| MT-TiCN | 3,0 μm | |
| TiN | 0,5 μm | |
-
Die
beschichteten Substratkörper wurden mit verschiedenen Strahlmitteln
(Stahl, Glas oder ZrO2), deren Härten
kleiner sind als die Härten der äußersten
TiN-Schicht, Trockenbestrahlung bei einem Strahlwinkel von 90° und
einem Strahlabstand (= Abstand von der Düse zur Werkzeugoberfläche)
von 60 mm unterzogen. Es wurde nur die Spanfläche des Körpers
bestrahlt.
-
Anschließend
wurden an der Spanfläche die Eigenspannungen in der äußeren
Al2O3-Schicht, der MT-TiCN-Schicht
und in der nahen Interface-Substrat-Zone des Substratkörpers
nach den zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Bedingungen
der Strahlbehandlung und die Ergebnisse der Eigenspannungsmessungen
sind in Tabelle 3 angegeben. Positive Werte bezeichnen Zugeigenspannungen,
negative Werte bezeichnen Druckeigenspannungen.
-
Zu
Vergleichszwecken wurde der Hartmetallsubstratkörper mit
der Beschichtung WAA mit Korund (Al
2O
3) als Strahlmittel behandelt, dessen Härte
größer ist als die Härte der TiN-Schicht
und daher abrasiv bis zum Abtrag der TiN-Schicht wirkte. Tabelle 3
| Schichtsystem | äußerste Schicht | Strahlmittel | Strahldruck
/ Strahlzeit | TiCN [MPa] | Al2O3 [MPa] | TiCN [MPa] | Substrat WC [MPa] | Δ SBES | Δ SSUB | Δ SBES/Δ SSUB |
| HHA10 | TiN | ungestrahlt | | - | 264 | 323 | –450 | - | - | - |
| HHA17 | TiN | ungestrahlt | | - | 256 | 330 | –490 | - | - | - |
| HHT18 | TiN | ungestrahlt | | 142 | 361 | 466 | –395 | - | - | - |
| HHA17 | Al2O3 | Al2O3 | 4
bar/10 sek | - | –4200 | 357 | –460 | 4456 | 30 | 148 |
| HHA10 | Al2O3 | Al2O3 | 4
bar/20 sek | - | –4816 | 129 | –663 | 5080 | 213 | 23,85 |
| HHA10 | Al2O3 | Al2O3 | 2
bar/20 sek | - | –2819 | 312 | –639 | 3083 | 189 | 16,31 |
| HHA10 | TiN | Glas (fein) | 2
bar/20 sek | - | 92 | 391 | –667 | 172 | 217 | 0,793 |
| HHA10 | TiN | Glas (fein) | 4
bar/20 sek | - | –447 | 286 | –1190 | 711 | 740 | 0,961 |
| HHA10 | TiN | Glas (grob) | 2
bar/20 sek | - | 205 | 280 | –1045 | 59 | 595 | 0,099 |
| HHA10 | TiN | Glas (grob) | 4
bar/20 sek | - | 40 | 192 | –1046 | 224 | 596 | 0,376 |
| HHA10 | TiN | Glas (grob) | 4
bar/100 sek | - | 50 | 222 | –790 | 214 | 340 | 0,629 |
| HHA10 | TiN | Stahl | 2
bar/20 sek | - | 169 | 249 | –780 | 95 | 330 | 0,288 |
| HHA10 | TiN | Stahl | 4
bar/30 sek | - | 187 | 547 | –720 | 224 | 270 | 0,830 |
| HHA10 | TiN | Stahl | 4
bar/360 sek | - | 35 | 598 | –600 | 275 | 150 | 1,833 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (fein) | 2
bar/20 sek | - | 117 | 290 | –1116 | 147 | 666 | 0,221 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (fein) | 2
bar/120 sek | - | 188 | 400 | –1200 | 77 | 750 | 0,103 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (fein) | 4
bar/20 sek | - | 71 | 371 | –1585 | 193 | 1135 | 0,170 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (grob) | 2
bar/20 sek | - | 98 | 217 | –1591 | 166 | 1141 | 0,145 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (grob) | 2
bar/120 sek | - | 115 | 510 | –1100 | 187 | 650 | 0,288 |
| HHA10 | TiN | ZrO2 (grob) | 4
bar/20 sek | - | –260 | 167 | –1296 | 524 | 846 | 0,619 |
| HHA17 | TiN | Stahl | 2
bar/30 sek | - | 262 | 679 | –985 | 349 | 495 | 0,705 |
| HHA17 | TiN | Stahl | 2
bar/360 sek | - | 227 | 684 | –610 | 354 | 180 | 1,967 |
| HHA17 | TiN | Stahl | 4
bar/30 sek | - | 126 | 666 | –723 | 336 | 233 | 1,442 |
| HHA17 | TiN | Stahl | 4
bar/360 sek | - | 162 | 697 | –1000 | 367 | 510 | 0,720 |
| HHA17 | TiN | Glas (grob) | 2
bar/90 sek | - | –76 | 777 | –877 | 447 | 387 | 1,150 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (grob) | 2
bar/30 sek | - | 208 | 581 | –1050 | 251 | 560 | 0,448 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (grob) | 4
bar/120 sek | - | 193 | 764 | –1020 | 434 | 530 | 0,818 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (grob) | 4
bar/360 sek | - | 89 | 592 | –1300 | 262 | 810 | 0,323 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (fein) | 4
bar/30 sek | - | 277 | 235 | –900 | 95 | 410 | 0,231 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (fein) | 4
bar/60 sek | - | 189 | 543 | –942 | 213 | 452 | 0,471 |
| HHA17 | TiN | ZrO2 (fein) | 4
bar/300 sek | - | 123 | 507 | –1200 | 177 | 710 | 0,249 |
| HHT18 | TiN | Glas (fein) | 4
bar/72 sek | –772 | 268 | 602 | –1356 | 1228 | 961 | 1,278 |
| HHT18 | TiN | ZrO2 (fein) | 4
bar/150 sek | –640 | 231 | 602 | –1355 | 1106 | 960 | 1,152 |
| HHT18 | TiN | ZrO2 (grob) | 4
bar/390 sek | –361 | 272 | 602 | –3851 | 827 | 3456 | 0,239 |
- *) positive Werte bedeuten Zugeigenspannungen,
negative Werte bedeuten Druckeigenspannungen.
-
Beispiel 2
-
Schneideinsätze
vom Typ SEHW1204AFN mit dem gleichen Substratkörper und
der Beschichtung HHA17 wurden erfindungsgemäß verschiedenen
Strahlbehandlungen unterzogen und anschließend dem Leistendrehtest
(Test mit unterbrochenem Schnitt) an einem 42CrMo4-Werkstück
unterzogen (vc = 250 m/min, f = 0,32 mm,
Rm = 1000 N/mm2, ap =
2,5 mm). Zum Vergleich wurde ein ungestrahlter und ein nach dem
Stand der Technik mit Al2O3 naßgestrahlter
Schneideinsatz untersucht.
-
Die
Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 4 wiedergegeben. Die
Schlagzahlwerte sind Mittelwerte aus 5 Leistendrehtests mit jeweils
gleich behandelten Proben. Tabelle 4
| Strahlmittel | Strahldruck/Strahlzeit | Lebensdauer
(Schlagzahl-Mittelwert aus fünf Tests) |
| ungestrahlt | - | 275 |
| Al2O3 (naß)
(= Stand der Technik) | 4
bar/10 sek | 855 |
| ZrO2
(3508) | 4
bar/120 sek | 3253 |
| ZrO2
(1208) | 2
bar/120 sek | 3060 |
| ZrO2
(1208) | 2
bar/30 sek | 2108 |
| Stahl
(SDK0,2B) | 4
bar/360 sek | 2268 |
| Glas
(MS100B) | 2
bar/90 sek | 1786 |
-
Je
höher die Zähigkeit eines Werkzeugs ist, desto
besser (höher) ist der Wert der Schlagzahl im Leistendrehtest.
Aus den Ergebnissen der Leistendrehtests wird deutlich, welche überragenden
Zähigkeitsgewinne durch das erfindungsgemäße
Verfahren in ansonsten gleichen Werkzeugen gegenüber ungestrahlten Werkzeugen
erreicht werden. Auch gegenüber der Verwendung eines Strahlmittels
nach dem Stand der Technik werden erheblich bessere Ergebnisse erzielt.
Die Lebensdauer der Schneidkanten war etwa um den Faktor 2 bis 4
höher als bei Werkzeugen, die nach dem Stand der Technik
mit Al2O3 naßgestrahlt
wurden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. v. Laue,
Z. Kristallographie 64 (1926), 115 [0017]
- - E. J. Mittemeijer, P. Scardi (Eds.), Diffraction Analysis
of the Microstructure of Materials. Springer Series in Materials
Science, Volume 68, 2004 [0017]
- - siehe zum Beispiel V. Hauk. Structural and Residual Stress
Analysis by Nondestructive Methods. Elsevier, Amsterdam, 1997" [0040]
- - E. Macherauch, P. Müller, Z. angew. Physik 13 (1961),
305 [0040]
- - Ch. Genzel in: E. J. Mittemeijer, P. Scardi (Herausg.) Diffraction
Analysis of the Microstructure of Materials. Springer Series in
Material Science, Band 68 (2004), S. 473; Ch. Genzel, Mat. Science
and Technol. 21 (2005), 10 [0040]
- - H. Ruppersberg, I. Detemple, J. Krier, Phys. stat. sol. (a)
116 (1989), 681 [0041]
- - Ch. Genzel, M. Broda, D. Dantz, W. Reimers, J. Appl. Cryst.,
32 (1999), 779 [0041]
- - Ch. Genzel, M. Klaus, I. Denks, H. G. Wulz, Mat. Sci. Eng.
A390 (2005), 376 [0041]
- - Ch. Genzel, Adv. X-Ray Analysis, 44 (2001), 247. [0041]
- - C. Stock, Promotionsarbeit, TU Berlin, 2003 [0042]
- - Ch. Genzel, C. Strock, W. Reimers, Mat. Sci. Eng., A 372 (2004),
28 [0042]
- - Ch. Genzel, I. A. Denks, M. Klaus, Mat. Sci. Forum 524–525
(2006), 193 [0042]
- - W. Kress, P. Roedhammer, H. Bilz, W. Teuchert, A. N. Christensen.
Phys. Rev. B17 (1978), 111. [0042]
- - J. D. Eshelby. Proc. Roy. Soc. (London) A241 (1957), 376;
E. Kröner, Z. Physik 151 (1958), 504. [0042]
- - B. Eigenmann, E. Macherauch, Mat.-Wiss. u. Werkstofftechn.
27 (1996), 426 [0042]