DE102012000540B4

DE102012000540B4 - Beschichtetes Schneidwerkzeug und Verwendung

Info

Publication number: DE102012000540B4
Application number: DE102012000540.7A
Authority: DE
Inventors: Wangyang Ni; Zhigang Ban; Ronald M. Penich; Yixiong Liu
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: CA2764795A1; KR20120090843A; FR2971247A1; GB2487843A; US20120201615A1; DE102012000540A1; GB201202134D0; US8409702B2; JP2012161909A; CN102653148A

Abstract

Beschichtetes Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Schneidwerkzeugkonfiguration und eine Hartbeschichtung mit mindestens einer Aluminiumtitannitridschicht, die eine einphasige Struktur von B1 kubischer Phase und eine Zusammensetzung von (AlxTi1-x)N aufweist, wobei x im Bereich von 0,46 bis 0,52 mol liegt, wobei die Hartbeschichtung weiterhin eine Eigenspannung im Bereich von –0,4 bis –3 GPa nach Messung durch das XRD Sin2 Ψ-Verfahren und eine kristallografische Orientierung aufweist, die durch ein Röntgendiffraktions-Peakintensitätsverhältnis (200) zu (111) im Bereich von 1 bis 14 gekennzeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumtitannitrid eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von 15 bis 50 Nanometern aufweist.

Description

Erfindungsgebiet:
Die Erfindung betrifft Schneidwerkzeuge mit Hartbeschichtungen, die Aluminiumtitannitrid umfassen. Die Erfindung betrifft insbesondere beschichtete Schneidwerkzeuge mit Hartbeschichtungen, die Aluminiumtitannitrid mit einer einphasigen Struktur von B1 kubischer Phase und Zusammensetzungen von (Al_xTi_1-x)N umfassen, wobei x im Bereich von etwa 0,46 bis etwa 0,52 mol liegt und deren Verwendung.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist wohlbekannt, Hartbeschichtungen, die Aluminiumtitannitrid umfassen, zu verwenden, um die Leistung von Schneidwerkzeugen zu verbessern. Die Entwicklung solcher Hartbeschichtungen begann in den 1980er Jahren und hält heute an. Einige der Entwicklungen werden in den folgenden Patenten und veröffentlichten Patentanmeldungen gelehrt:
US-Patentnummern 7,431,988 B2 ; 7,188,463 B2 ; 7,169,485 B2 ; 7,094,479 B2 ; 7,018,726 B2 ; 6,924,454 B2 ; 6,866,921 B2 ; 6,844,069 B2 ; 6,838,151 B2 ; 6,811,581 B2 ; 6,737,178 B2 ; 6,688,817 B2 ; 6,669,747 B2 ; 6,599,062 B1 ; 6,558,749 B2 ; 6,565,957 B2 ; 6,395,379 B1 ; 6,333,099 B1 ; 6,274,249 B1 ; 6,250,855 B1 ; US 6 110 571 A ; US 6 071 560 A ; US 6 033 734 A ; US 5 712 030 A ; US 5 296 016 A ; europäische Patentnummern EP 1 762 637 B1 ; EP 1 674 597 B1 ; EP 1 260 611 B1 ; EP 1 150 792 B1 ; EP 1 122 226 B1 ; EP 1 021 584 B1 ; EP 1 099 003 B1 ; EP1 087 026 B1 ; EP 1 038 989 B1 ; EP 1 017 870 B1 ; EP 0 925 386 B1 ; EP 0 801 144 B1 ; EP 0 798 399 B1 ; EP 0 709 353 B1 ; EP 0 558 061 B1 ; EP 0 492 059 B1 ; veröffentliche US-Patentanmeldungen mit den Nummern 2009/0098372 A1; US 2009/0075114 A1; US 2008/0299383 A1; US 2008/02896608 A1; US 2007/0148496 A1; US 2007/0059558 A1; US 2006/0257562 A1; US 2006/0219325 A1; US 2006/0154051 A1; veröffentlichte europäische Patentanmeldungsnummern EP 2 017 366 A1 ; EP 2 008 743 A1 ; EP 2 000 236 A1 ; EP 1 801 260 A1 ; EP 1 683 875 A2 ; EP 1 616 978 A1 ; EP 1 616 974 A1 ; EP 1 470 879 A8 ; veröffentlichte PCT-Patentanmeldungen WO 2009/031958 A1 und WO 2008/037556 A2 und US 2011/0081539 A1, die den den gleichen Besitzer wie die vorliegende Anmeldung aufweist. Außerdem war die Entwicklung solcher Hartbeschichtungen das Thema vieler technischer Abhandlungen, z. B. S. PalDey et al. ”Single Layer and Multilayer Wear Resistant Coatings of (Ti, Al)N: A Review,” Materials Science and Engineering A342 (2003) 58–79; J. Musil et al. ”Superhard Nanocomposite Ti_1-xAl_xN Films Prepared by Magnetron Sputtering,” Thin Solid Films 365 (2000) 104–109; A. Hörling et al. ”Mechanical Properties and Machining Performance of Ti_1-xAl_xN-Coated Cutting Tools,” Surface & Coatings Technology 191 (2005) 384–392; G. Häkansson et al. ”Microstructure and Physical Properties of Polycrystalline Metastable Ti_0.5Al_0.5N Alloys Grown by D. C. Magnetron Sputter Deposition,” Thin Solid Films 191 (1987) 55-65; C.-T. Huang et al. ”Deposition of (Ti, Al)N films on A2 Tool Steel by Reactive R. F. Magnetron Sputtering,” Surface and Coatings Technology 71 (1995) 259–266; M. Arndt et al. ”Performance of New AlTiN Coatings in Dry and High Speed Cutting,” Surface Coatings Technology 163–164 (2003) 674–680; R. Cremer et al. ”Optimization of (Ti, Al)N Hard Coatings by a Combinatorial Approach,” International Journal of Inorganic Materials 3 (2001) 1181–1184; T. Suzuki et al. ”Microstructures and Grain Boundaries of (Ti, Al)N Films,” Surface Coatings Technology 107 (1998) 41–47; J. L. Endrino et al. ”Hard AlTiN, AlCrN PVD Coatings for Machining of Austenitic Stainless Steel,” Surface Coatings Technology 200 (2006) 6840–6845; W.-D. Münz ”Titanium Aluminum Nitride Films: A New Alternative to TiN Coatings,” J. Vacuum Science Technology A 4 (6) (1986) 2717–2725; M. Zhou et al. ”Phase Transition and Properties of Ti-Al-N Thin Films Prepared by R. F.-Plasma Assisted Magnetron Sputtering,” Thin Solid Films 339 (1999) 203–208; Y. Tanaka et al. ”Properties of (Ti_1-xAl_x)N Coatings for Cutting Tools Prepared by the Cathodic Arc Ion Plating Method,” J. Vacuum Science Technology A 10 (4) (1992) 1749–1756; A. Hörling et al. ”Thermal Stability of Arch Evaporated High Aluminium-Content Ti_1-xAl_xN Thin Films,” J. Vacuum Science Technology A 20 (5) (2002) 1815–1823; T. Ikeda et al. ”Phase Formation and Characterization of Hard Coatings in the Ti-Al-N System Prepared by the Cathodic Arc Ion Plating Method,” Thin Solid Films 195 (1991) 99–110 und A. Kimura et al. ”Metastable (Ti_1-xAl_x)N Films with Different Al Content,” J. of Material Science Letters 19 (2000) 601–602. Gattungsgemäße beschichtete Scheidwerkzeuge sind aus der EP 1 021 584 B1 und der DE 10 2008 019 202 A1 bekannt
Trotz des Gedränges bei diesem Stand der Technik treibt der Bedarf an verbesserten Bearbeitungseigenschaften die Entwicklungsbemühungen weiter voran. Die Lehren des Stands der Technik sind leider manchmal verwirrend und widersprüchlich bezüglich der Eigenschaften von Titanaluminiumnitridbeschichtungen. Es ist wahrscheinlich, dass mindestens einige der Diskrepanzen auf die Empfindlichkeit der Eigenschaften von Aluminiumtitannitridbeschichtungen gegenüber dem für das Abscheiden der Hartbeschichtungen verwendeten präzisen Bedingungen und Parameter zurückzuführen sind, der Substrate, auf denen sie abgeschieden werden und der Bedingungen und Techniken, die zum Messen der Eigenschaften verwendet werden. Eine Folge der großen Anzahl möglicher Bedingungen und Parameterkombinationen ist, dass es sehr schwierig ist vorherzusagen, welches die Hartbeschichtungseigenschaften eines beschichteten Schneidwerkzeugs für eine bestimmte Aluminiumtitannitridbeschichtungszusammensetzung sein werden.
Kurze Darstellung der Erfindung
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden beschichtete Schneidwerkzeuge bereitgestellt mit einer Hartbeschichtung umfassend mindestens eine Aluminiumtitannitridschicht mit einer einphasigen Struktur von B1 kubischer Phase und einer Zusammensetzung von (Al_xTi_1-x)N, wobei x im Bereich von etwa 0,46 bis etwa 0,52 mol liegt, wobei die Hartbeschichtung eine Eigenspannung im Bereich von etwa –0,4 bis etwa –3 Gigapascal (GPa) nach Messung durch das XRD Sin² Ψ-Verfahren und eine kristallografische Orientierung, gekennzeichnet durch ein Röntgendiffraktions-Peakintensitätsverhältnis (200) zu (111) im Bereich von etwa 1 bis etwa 14, aufweist. Die Aluminiumtitannitridschicht weist eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von etwa 15 bis etwa 50 Nanometern auf. Die Gesamtdicke der Hartbeschichtung liegt bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Mikrometern. Bevorzugt umfassen die Hartbeschichtungen mehr als eine derartige Aluminiumtitannitridschichten. Bevorzugt ist das Substrat Wolframsintercarbid. Ebenfalls bevorzugt ist das Substrat in der Form eines Stirnfräsers, eines Fräswerkzeugs, eines Drehmeißels oder eines Bohrmeißels konfiguriert.
Bevorzugte Verfahren zum Herstellen derartiger beschichteter Schneidwerkzeuge beinhalten das Abscheiden einer Bindungsschicht auf dem Substrat gefolgt von einer Übergangsschicht und den Aluminiumtitannitridschichten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Kritikalität der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstehen. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen nur zum Zweck der Darstellung angelegt wurden und nicht als eine Definition der Grenzen der vorliegenden Erfindung.
1 ist eine Perspektivansicht mit einer weggeschnittenen Sektion eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der weggeschnittenen Sektion wurde ein Abschnitt der Hartbeschichtung entfernt, um das Substrat offenzulegen.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines beschichteten Schneidwerkzeugs mit einer einschichtigen Aluminiumtitannitridbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines beschichteten Schneidwerkzeugs mit einer Bondschicht gefolgt von der Aluminiumtitannitridbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines beschichteten Schneidwerkzeugs mit einer mehrschichtigen Hartbeschichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In dieser Sektion werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einer Ausführlichkeit beschrieben, die für einen Fachmann ausreicht, um die vorliegende Erfindung auszuüben. Immer wenn der Ausdruck „etwa” verwendet wird, um ein Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu modifizieren, ist dies so auszulegen, dass es sich auf die üblichen Toleranzen bezüglich des Herstellens und/oder Messens des relevanten Merkmals bezieht. Immer wenn hier oder in den beigefügten Ansprüchen ein Bereich verwendet wird, um ein Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, ist der Bereich so auszulegen, dass er die angegebenen Endpunkte des Bereichs und jeden Punkt dazwischen enthält.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten beschichtete Schneidwerkzeuge mit Hartbeschichtungen, die mindestens eine Aluminiumtitannitridschicht mit einer einphasigen Struktur von B1 kubischer Phase und einer Zusammensetzung von (Al_xTi_1-x)N umfassen, wobei x im Bereich von etwa 0,46 bis etwa 0,52 mol liegt, wobei die Hartbeschichtung eine Eigenspannung im Bereich von etwa –0,4 bis etwa –3 Gigapascal (GPa) nach Messung durch das Sin² Ψ-Verfahren und eine kristallografische Orientierung, gekennzeichnet durch ein Röntgendiffraktions-Peakintensitätsverhältnis (200) zu (111) im Bereich von etwa 1 bis etwa 14 aufweist. Zur Zweckmäßigkeit des Ausdrucks wird das derartige Aluminiumtitannitridschichten umfassende Material hier manchmal als das „erfindungsgemäße Aluminiumtitannitrid” bezeichnet. Die mittlere Kristallitgröße des erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrids liegt im Bereich von etwa 15 bis etwa 50 Nanometern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die kristallografische Orientierung der Hartbeschichtungen durch ein Röntgendiffraktionsspitzenverhältnis (200) zu (111) im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 charakterisiert. Bei noch bevorzugteren Ausführungsformen liegt dieses Verhältnis im Bereich von etwa 5 bis etwa 10.
Die Hartbeschichtungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können aus einer oder mehreren Schichten des erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrids bestehen, entweder alleine oder in Kombination mit Schichten aus anderen Beschichtungsmaterialien. Diese anderen Beschichtungsmaterialien können Aluminiumtitannitridschichten umfassen, die andere Charakteristika besitzen als die der erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitridschichten. Zu Beispielen für andere Beschichtungsmaterialien zählen auch Aluminiumtitannitrid der Zusammensetzung (Al_xTi_1-x)N, wobei x nicht im Bereich von 0,46–0,52 liegt, wie etwa TiN und (Al_xTi_1-x)N mit x größer als 0,52.
Die Substrate der beschichteten Schneidwerkzeuge von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine beliebige Schneidwerkzeugkonfiguration aufweisen. Bevorzugt weist das Substrat die Konfiguration eines Stirnfräsers, eines Fräswerkzeugs, eines Drehmeißels oder eines Bohrmeißels auf. Die Substrate können auch beliebiges geeignetes Schneidwerkzeugmaterial umfassen, das mit dem Prozess oder den Prozessen kompatibel ist, die zum Abscheiden der Hartbeschichtung verwendet werden. Zu Beispielen für einige bevorzugte Substratmaterialien zählen Wolframsintercarbid.
1 zeigt ein beschichtetes Schneidwerkzeug in der Form einer beschichteten Schneidplatte 2 mit einer Hartbeschichtung 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Abschnitt der Hartbeschichtung 4 ist in 1 weggeschnitten, um das darunterliegende Substrat 6 zu zeigen. Die Schneidplatte 2 weist eine Flankenoberfläche 8 und eine Spanoberfläche 10 auf. Die Flankenoberfläche 8 und die Spanoberfläche 10 schneiden sich und bilden eine Schneidkante 12 an der Verbindung davon. Es ist zu verstehen, dass beschichtete Schneidwerkzeuge der vorliegenden Erfindung Geometrien aufweisen können, die von der Geometrie der in 1 gezeigten Schneidplatte 2 verschieden sein können. Beispielsweise kann ein beschichtetes Schneidwerkzeug gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Form eines beliebigen anderen Typs eines Drehmeißels, eines Stirnfräsers oder eines Bohrmeißels vorliegen.
Die 2–4 zeigen Abschnitte von Querschnitten von beschichteten Schneidplatten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an der Grenzfläche der Hartbeschichtung und des Substrats. Es versteht sich, dass die Darstellungen der Schichtdicken in diesen Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind und nur die allgemeine räumliche Beziehung der Schichten und des Substrats zeigen sollen. Unter Bezugnahme auf 2 wird ein beschichtetes Schneidwerkzeug 20 mit einem Substrat 22 und einer Hartbeschichtung 24 gezeigt, die aus einer einzelnen Schicht des erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrids besteht. Die Hartbeschichtung 24 kann eine beliebige gewünschte Dicke aufweisen, besitzt aber bevorzugt eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 wird ein beschichtetes Schneidwerkzeug 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das beschichtete Schneidwerkzeug 30 weist eine Hartbeschichtung 32 und ein Substrat 34 auf. Die Hartbeschichtung 32 umfasst eine Titannitridbindungsschicht 36 und eine Schicht 38 aus dem erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrid.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird ein beschichtetes Schneidwerkzeug 50 mit einer Hartbeschichtung 52 auf einem Substrat 54 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Hartbeschichtung 52 weist eine Titannitridbindungsschicht 56, eine Schicht 58 der erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitridschicht und eine obere Titannitridschicht 60, die weniger als 1,5 Mikrometer dick ist, auf.
Das erfindungsgemäße Aluminiumtitannitrid weist eine B1 kubische Kristallstruktur auf und keine hexagonale Phase. Die Abwesenheit der hexagonalen Phase kann durch Röntgendiffraktion unter Verwendung der Rietveld-Methode, die ein Profilanpassungsverfahren ist, bestimmt werden. Bei der Rietveld-Methode wird das gemessene Probenprofil mit einem berechneten Profil verglichen und die Variationen zwischen den beiden Profilen werden durch Einstellen verschiedener Parameter minimiert. Das Röntgendiffraktionsmuster einer Beschichtung wird mit einem Röntgendiffraktionssystem mit paralleler Strahloptik gesammelt, das eine Technik des streifenden Einfalls mit einem Streifwinkel von 1 Grad für das Sammeln einsetzt. Das Röntgendiffraktionssystem verwendet eine Kupferröntgenröhre (bei 45 kV und 40 mA betrieben), einen Cu-W/Si-Parabolspiegel mit einer Anti-Streustrahl-Blende von 1/16 Grad, einer 0,04 Radian-Sollerblende und einer Empfangsoptik, die einen flachen Graphitmonochromator, einen Parallelplattenkollimator und einen versiegelten Proportionalzähler enthält. Die Beschichtungsprobenhöhe wird unter Verwendung von Röntgenstrahlteilung eingestellt, und die Zählzeiten und die Scanrate werden für die Rietveld-Methodenanalyse optimiert. Während der Analyse werden ein Hintergrundprofil angepasst und eine Peaksuche an den gesammelten Probedaten durchgeführt, um alle Peakpositionen und Peakintensitäten zu identifizieren, die dann zum Identifizieren der Phasenzusammensetzung der Probe unter Verwendung herkömmlicher Kristallphasendatenbanken verwendet werden.
Der Fachmann versteht, dass der gemessene Wert der Eigenspannung einer Hartbeschichtung von vielen Faktoren abhängt, einschließlich der Konfiguration und Zusammensetzung des Substrats, auf dem die Hartbeschichtung abgeschieden wurde, und dem Verfahren, das zum Vornehmen der Messung verwendet wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Eigenspannungswerte der vorliegenden Erfindung gemessen werden sollen, wenn die Hartbeschichtung auf einem Schneidwerkzeugsubstrat abgeschieden wird, und nicht auf einem Objektträger. Es ist auch wichtig zu verstehen, dass die Eigenspannung der Hartbeschichtungen der beschichteten Schneidwerkzeuge der vorliegenden Erfindung unter Einsatz des Sin² Ψ-Verfahrens gemessen wird. Die für die Sin² Ψ-Spannungsanalyse erforderlichen Daten werden mit der XRD-Technik des „streifenden Einfalls” gesammelt. Das für diese Spannungsanalyse verwendete Instrument ist ein PANalytical Xpert Pro MRD, das mit einer Euler-Wiege für Probenmanipulation befestigt ist. Die Röntgenquelle ist eine Kupferröntgenröhre mit langem feinem Brennpunkt, die bei 45 KV und 40 mA betrieben wird. Das Instrument ist mit einer Parallelstrahloptik für die Bestimmung der Spannung in den Beschichtungen konfiguriert. Die Einfalloptik enthält einen Cu-W/Si-Parabolröntgenspiegel, eine Anti-Streustrahl-Blende von 1/16 Grad und eine 0,04-Radian-Soller-Blende. Die empfangende Optik enthält: einen Parallelplattenkollimator mit 0,27 Grad, einen flachen Graphitmonochromator und einen versiegelten Proportionalzähler. Der Omegawinkel (Streifwinkel) für die Spannungsanalyse ist bei 1,0 Grad fixiert. Daten werden für die Reflexionen bei (111), (200), (220), (311), (222), (331), (420) und (422) gesammelt. Die Beschichtungseigenspannung wird aus der folgenden allgemeinen Gleichung berechnet:
wobei σ_φ = σ₁cos²φ + σ₂sin²φ

dφψ: = Gitterkonstante bei Winkel φ und Neigung ψ
d₀: = spannungsfreie Gitterkonstante
φ: = Rotationswinkel
ψ: = Probenneigung
σ₁ & σ₂: = primäre Spannungstensoren in der Probenoberfläche
σ_φ: = Spannung bei dem Rotationswinkel von φ
S₁ & ½S₂: = Röntgenelastizitätskonstanten^1,2,6

Für diese Analyse wurde Poissonsche Zahl (υ) auf 0,20 eingestellt und der Elastizitätsmodul (E in GPa) wurde durch eine Nanoindentationsanalyse bestimmt. Wenngleich die Eigenspannung von Hartbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich von etwa –0,4 bis etwa –3 GPa liegt, liegt die Eigenspannung bevorzugt im Bereich von etwa –0,4 bis etwa –2,5 GPa und besonders bevorzugt im Bereich von etwa –0,4 bis etwa –1,8 GPa.
Die Gesamtdicke der Hartbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung muss bezüglich der Anwendung gewählt werden, für die das beschichtete Substrat verwendet werden soll, sowie die Natur des Substrats und die Anzahl der die Hartbeschichtung ausmachenden Schichten. Bevorzugt liegt die Gesamtdicke der Hartbeschichtungen im Bereich von etwa 2 bis etwa 10 Mikrometern.
Bei Hartbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Schicht des erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrids eine beliebige gewünschte Dicke aufweisen, doch liegt die Dicke einer derartigen Schicht bevorzugt in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Mikrometern und besonders bevorzugt liegt die Dicke im Bereich von etwa 1 bis etwa 8 Mikrometern.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Hartbeschichtungen durch den Kathodenlichtbogenprozess abgeschieden, wenngleich andere Abscheidungsprozesse verwendet werden können, z. B. Magnetronsputtern, gefiltertes kathodisches Lichtbogenverdampfen. Bevorzugt befindet sich das Substrat auf einer Temperatur zwischen etwa 350°C und etwa 600°C während der Abscheidung jeder der erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitridschichten und besonders bevorzugt im Bereich zwischen etwa 400°C und etwa 550°C. Es wird auch bevorzugt, dass die Substratvorspannung für diese Schichten im Bereich von etwa 20 bis etwa 80 V liegt, und besonders bevorzugt liegt die Vorspannung im Bereich von etwa 30 bis etwa 60 V.
BEISPIELE
Beispiel 1
Eine 5,1 Mikrometer dicke Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Einzelschicht aus dem erfindungsgemäßen Aluminiumtitannitrid umfasst, wurde auf einem Wolframsintercarbidsubstrat abgeschieden, das in der Form einer quadratischen Gestalt konfiguriert war, wobei eine Kathodenlichtbogenabscheidungseinheit mit 4 über Pulvermetallurgie vorbereiteten Targets mit einer Zusammensetzung aus 55 Atomprozent Aluminium und 45 Atomprozent Titan bestand. Das Substrat wurde auf einem Doppelrotationskarussell montiert. Während des Abscheidungsprozesses betrug die Substrattemperatur 450°C. Die Stromquelle war 6 Kilowatt und die Atmosphäre war Stickstoff, die einen Druck von 5,0 × 10^–2 Millibar beibehielt. Die Schicht wurde in 200 Minuten unter Verwendung einer Vorspannung von –40 V abgeschieden. Die Hartbeschichtungszusammensetzung wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) 20 KV JEOL (JSM 6400) gemessen, das mit einem energiedispersivem Spektrometer (EDS – Energy Dispersive Spectrometer) Oxford INCA ausgestattet war, und wurde als (Al_0.47Ti_0.53)N bestimmt. Dünnschichtröntgenfraktion wurde zum Messen der Phasenzusammensetzung verwendet. Es wurde auf einem Instrument PANalytical X'pert Pro MRD durchgeführt, das mit einer Euler-Wiege ausgestattet war, unter Verwendung eines streifenden Einfallswinkels von einem Grad. Es wurde herausgefunden, dass die Hartbeschichtung eine einzelne Phase war, die aus der B1 kubischen Phase bestand. Durch die Williamson-Hall-Röntgendiffraktionsmethode wurde bestimmt, dass die Hartbeschichtung eine mittlere Kristallitgröße von 40,4 Nanometern aufwies. Die kristallografische Orientierung, bestimmt durch das Peakverhältnis der Reflexionen 200 zu 111 der Hartbeschichtung wurde durch Röntgendiffraktion mit einer Bragg-Brentano-Konfiguration (θ~2θ) bestimmt. Es wurde auf einem Instrument Panalytical X'pert Pro MPD (PANalytical B. V.) unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung (45 KV, 40 mA) durchgeführt. Das Intensitätsverhältnis des (200)-Diffraktionspeaks zum (111)-Peak wurde als 8,1 bestimmt. Die Härte der Hartbeschichtung wurde mit einem Fischerscope HM2000 (Fischer Technology Inc.) gemäß der ISO-Norm 14577 unter Einsatz einer Vickers-Spitze gemessen. Die Indentationstiefe wurde auf 0,25 μm eingestellt. Der Mittelwert von 15 Messungen wird berichtet. Die gemessene Härte der Hartbeschichtung betrug 30,6 GPa. Die Eigenspannung durch das Sin² Ψ-Verfahren wurde als –0,483 GPa gemessen. Die Messdaten für Beispiel 1 sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiele 2–4
Beschichtete Substratbeispiele 2 der vorliegenden Erfindung mit Hartbeschichtungen mit dem in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden auf eine Weise ähnlich der in Beispiel 1 beschriebenen hergestellt, mit Ausnahme des folgenden Unterschieds. Die Vorspannung von –40 V und –30 V wurde auf abwechselnde Weise an das Substrat mit 9,7 Minuten für –40 V und 4,8 Minuten für –30 V angelegt. Insgesamt zehn Wechsel wurden durchgeführt, gefolgt mit dem Beenden der Beschichtungsabscheidung mit 14,5 Minuten von –40 V Vorspannung. Die Gesamtabscheidungszeit beträgt 159,5 Minuten. Außerdem verwendete Beispiel 1 einen Stickstoffdruck von 5,0 × 10^–2 Millibar. Beispiele 3 und 4 wurden auf ähnliche Weise wie Beispiel 1 hergestellt, außer dass Beispiele 3 und 4 einen Stickstoffdruck von 3,2 × 10^–2 Millibar verwendeten. Die Zusammensetzung, Kristallstruktur, Kristallitgröße, Härte, Eigenspannung und Röntgendiffraktions-I(200)/I(111)-Orientierungsverhältnis für die Hartbeschichtung jedes beschichteten Substrats, nach Messung durch die in Beispiel 1 identifizierten Verfahren, sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Alle Beispiele sind durch eine 100% kubische Phase, relative große Härte (> 29 GPa) und niedrigere Druckfestigkeit (< –2 GPa) gekennzeichnet.
Vergleichsproben

Beschichtete Substrate, die in Tabelle 1 als Vergleiche 1–3 identifiziert sind, mit herkömmlichen Aluminiumtitannitridbeschichtungen, wurden auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt und ausgewertet. Die Eigenschaften der Hartbeschichtungen dieser beschichteten Substrate sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Vergleich 1, der einen niedrigeren Aluminiumgehalt aufweist als das vorliegende Patent, besitzt eine geringere Härte, wenngleich es 100% kubische Phase und geringere Spannung aufweist. Und Vergleich 2 und 3, die einen höheren Aluminiumgehalt als das vorliegende Patent aufweisen, besitzen relativ höhere Spannungen. Die Härte des Vergleichs verschlechtert sich auch, wenn eine hohe Menge an hexagonalen Phasen anwesend ist. TABELLE 1

Probe-ID	x Wert für (Al_xTi_1-x)N	Phasen	Hex. Phase (Gew.-%)	Kristallitgröße (nm)	Härte (GPa)	Eigenspannung (GPa)	I(200)/I(111)-Verhältnis
Beispiel 1	0,47	B1 kubisch	0	40,4	30,6	–0,483	8,1
Beispiel 2	0,48	B1 kubisch	0	44,4	29,2	–1,186	9,4
Beispiel 3	0,49	B1 kubisch	0	37,9	30,3	–1,531	9,9
Beispiel 4	0,51	B1 kubisch	0	23,2	31,5	–1,858	3,9
Vergleich 1	0,45	B1 kubisch	0	24,2	28,7	–1,408	7,9
Vergleich 2	0,53	B1 kubisch + hex.	0,6	17,7	31,3	–4,834	3,7
Vergleich 3	0,53	B1 kubisch + hex.	16,8	14,9	28,2	–2,785	1,3

Es wurde ein Bohrtest durchgeführt, um eine Ausführungsform einer Beschichtung der vorliegenden Erfindung auszuwerten. Alle Beispiele und Vergleich 1 weisen eine ähnliche Beschichtungsdicke von etwa 5 Mikrometern auf. Die Substrate wurden in einem Dreifachrotationskarussell montiert. Die Substrate waren Wolframsintercarbid der Qualität WC-10 Gew.-% Co in der Form von 0,33-Inch-Durchmesser-Bohrern. Das Schneidmaterial ist Stahl 4140. Die Prüfbedingungen und -ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtungen der vorliegenden Erfindung überraschenderweise eine bessere Leistung als die Vergleichsprobe aufwiesen. TABELLE 2

Probe-ID	x Wert für (Al_xTi_1-x)N	Oberflächengeschwindigkeit (Fuß/min)	Vorschubrate (Inch pro Umdrehung)	Lochtiefe (Inch)	Kühlmittel	Hergestellte Anzahl von Löchern
Beispiel 1	0,47	590	0,008	1,85	Flut	1058
Beispiel 2	0,48	590	0,008	1,85	Flut	1161
Beispiel 3	0,49	590	0,008	1,85	Flut	1405
Vergleich 1	0,45	590	0,008	1,85	Flut	842

Wenngleich nur einige wenige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass daran viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen. Alle Patentanmeldungen und Patente, sowohl ausländische als auch inländische, und alle anderen Publikationen, auf die hierin Bezug genommen wird, sind hier in ihrer Gänze in dem ganzen, vom Gesetz gestatteten Ausmaß aufgenommen.

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Schneidwerkzeugkonfiguration und eine Hartbeschichtung mit mindestens einer Aluminiumtitannitridschicht, die eine einphasige Struktur von B1 kubischer Phase und eine Zusammensetzung von (Al_xTi_1-x)N aufweist, wobei x im Bereich von 0,46 bis 0,52 mol liegt, wobei die Hartbeschichtung weiterhin eine Eigenspannung im Bereich von –0,4 bis –3 GPa nach Messung durch das XRD Sin² Ψ-Verfahren und eine kristallografische Orientierung aufweist, die durch ein Röntgendiffraktions-Peakintensitätsverhältnis (200) zu (111) im Bereich von 1 bis 14 gekennzeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumtitannitrid eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von 15 bis 50 Nanometern aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat Wolframsintercarbid umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eigenspannung der Hartbeschichtung im Bereich von –0,4 bis –2,5 GPa liegt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, wobei die Eigenspannung der Hartbeschichtung im Bereich von –0,4 bis –1,8 GPa liegt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Peakintensitätsverhältnis (200) zu (111) im Bereich von 5 bis 10 liegt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Aluminiumtitannitridschicht im Bereich von 1 bis 10 μm liegt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartbeschichtung eine Titannitrid-Bindungsschicht zwischen dem Substrat und der Aluminiumtitannitridschicht aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner eine Titannitridschicht auf die Aluminiumtitannitridschicht aufgebracht ist.
Verwendung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als Stirnfräser, als Fräswerkzeug, als Drehmeißel und als Bohrmeißel.