DE102012003857B4

DE102012003857B4 - Beschichtete Schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE102012003857B4
Application number: DE102012003857.7A
Authority: DE
Inventors: Aharon Inspektor; Nicholas F. Jr. Waggle; Michael F. Beblo; Mark J. Rowe; Zhigang Ban
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: US20120237792A1; DE102012003857A1; CN102672214A; BR102012005406A2; KR20120107049A; US20130224519A1; CA2766636A1; FR2972658A1; JP2012196756A; US8859114B2; US8440328B2

Abstract

Beschichtetes Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst:
ein Substrat; und
eine Beschichtung, die an dem Substrat anhaftet, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst:
eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und die AITiN umfasst, oder die Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente umfasst, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind; und
eine äußere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung über der inneren Schicht aufgebracht wird, wobei die äußere Schicht eine erste Phase umfasst, die aus AlTiSiN zusammengesetzt ist, oder die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen, die aus der aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen zusammengesetzt ist, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und wobei die äußere Schicht eine weitere Phase umfasst, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen zusammengesetzt ist, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, oder die aus Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1 zusammengesetzt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschichtete Schneidwerkzeuge, wobei die Beschichtungen insbesondere durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Schneidwerkzeuge, einschließlich Hartmetallschneidwerkzeuge, werden bisher sowohl im beschichteten als auch im unbeschichteten Zustand für die maschinelle Bearbeitung verschiedener Metalle und Legierungen verwendet. Um die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer eines Schneidwerkzeugs zu steigern, wurden eine oder mehrere Schichten von hitzebeständigen Materialien auf die Oberflächen der Schneidwerkzeuge aufgebracht. So wurden z. B. TiC, TiCN, TiN und Al₂O₃ durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) auf Substrate aus Hartmetall aufgebracht. Darüber hinaus, nachdem einige Mängel der CVD in Bezug auf spezielle Schneidanwendungen erkannt wurden, bieten die Hersteller von Schneidwerkzeugen auch hitzebeständige Beschichtungen an, die durch PVD aufgebracht werden. Beispielsweise sind durch PVD aufgebrachte Beschichtungen aus TiN in der Welt der Schneidwerkzeuge allgemein akzeptiert.
Ein Nachteil von TiN-Beschichtungen ist die Anfälligkeit für Oxidation bei relativ niedrigen Temperaturen. TiN-Beschichtungen zeigen z. B. bereits ab 550 °C eine Oxidation. Daraufhin wurde Aluminium zu den TiN-Beschichtungen hinzugefügt, in dem Bestreben, die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Zusätzlich wurde Silizium zu den TiN-Beschichtungen hinzugefügt, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Das Hinzufügen von Silizium zu TiN- und/oder TiAIN-Beschichtungen kann jedoch erhebliche Spannungen in den Beschichtungen hervorrufen und dadurch zu frühzeitigen Defekten in der Beschichtung durch Ablösen von der Oberfläche des Schneidwerkzeugs führen.
Das Patent US 6 586 122 B2 führt Verfahren an, um Silizium in TiN- und TiAIN-Beschichtungen zu integrieren, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Druckeigenspannung der Beschichtungen zu vermindern. Die synthetischen Verfahren, die im Patent US 6 586 122 B2 offenbart werden, führen eine Beschichtung mit getrennten Phasen ein, wobei eine Si₃N₄-Nanophase mit hoher Siliziumkonzentration innerhalb einer TiSiN-Matrixphase mit niedriger Siliziumkonzentration dispergiert wird. Das Dispergieren einer Si₃N₄-Nanophase mit hoher Siliziumkonzentration innerhalb einer Matrixphase mit niedriger Siliziumkonzentration kann die Gitterverformung, die durch die Substitution von Ti durch Si in einer TiN- oder TiAlSiN-Beschichtung hervorgerufen wird, vermindern.
Die synthetischen Verfahren, die erforderlich sind, um eine derartige phasengetrennte Beschichtung einzuführen, sind nichtsdestotrotz ungewöhnlich und erfordern eine Abänderung herkömmlicher PVD-Verfahren und/oder -Geräte, wobei sie möglicherweise die weitverbreitete Anwendung der Verfahren einschränken und die Kosten für die Herstellung beschichteter Werkzeuge erhöhen.
Aus der DE 41 15 616 C2 sind Hartstoff-Mehrlagen-Schichtsysteme für Schneidwerkzeuge bekannt, die mittels PVD-Verfahren hergestellt werden und abwechselnd mehrere Schichten aus TiAlN_x und TiAlN_y aufweisen. Die DE 102 62 174 B4 beschreibt PVD-Schichtsysteme aus TiAIN und TiAl(Me)N. In der EP 1 400 609 B1 sind Mehrlagen-Schichtsysteme für Schneidwerkzeuge offenbart, die neben TiAIN-Schichten auch Lagen aus Ti_yAl_xSi_(1-x+y)N aufweisen. Die EP 1690 959 B1 zeigt Schichtsysteme, die aus Lagen von Ti_(1-m+z)Al_mSi_zN verschiedener Zusammensetzung bestehen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt werden hier beschichtete Schneidwerkzeuge beschrieben, die in einigen Ausführungsformen eine verbesserte Verschleißfestigkeit in einer oder mehreren Schneidanwendungen zeigen. Gemäß Anspruch 1 umfasst ein erfindungsgemäßes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat anhaftet, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst: eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst, und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird. Die äußere Schicht der Beschichtung umfasst eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen ausgewählt aus Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, zusammengesetzt ist, und eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1,zusammengesetzt ist.
In einigen Ausführungsformen zeigen die hier beschriebenen Beschichtungen eine Druckeigenspannung und/oder eine Druck-Schubspannung.
Ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Substrats für das Schneidwerkzeug und das Aufbringen einer inneren Beschichtungsschicht auf das Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung, wobei die innere Schicht Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst. Eine äußere Beschichtungsschicht wird über der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht, wobei die äußere Schicht Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, umfasst, wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
Gemäß einem weiteren Verfahren wird eine äußere Schicht über der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht, wobei die äußere Schicht eine Phase umfasst, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen ausgewählt aus Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, zusammengesetzt ist, und eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1, zusammengesetzt ist.
Ein Verfahren zum Erhöhen der Standzeit eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Umlenken eines oder mehrerer Ermüdungsmechanismen der Beschichtung zu einer Grenzfläche einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht der Beschichtung, indem die innere Schicht aus einer Zusammensetzung hergestellt wird, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und die Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst, und das Herstellen der äußeren Schicht aus einer Zusammensetzung, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und die Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, umfasst, wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
Das Umlenken kann das Auslösen eines oder mehrerer Ermüdungsmechanismen der Beschichtung an einer Grenzfläche der inneren Schicht und der äußeren Schicht der Beschichtung umfassen.
Diese und andere Ausführungsformen sind genauer in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt.
Figurenliste

1 zeigt ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs entsprechend einer hier beschriebenen Ausführungsform.
2 zeigt ein Glimmentladungsspektrum eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
3 zeigt einen Ausschnitt des Glimmentladungsspektrums von 2.
4 zeigt ein energiedispersives Spektrum einer Beschichtung gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
5 zeigt ein Röntgendiffraktogramm eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
6 zeigt ein Glimmentladungsspektrum eines durch Nachbeschichtung behandelten Schneidwerkzeugs gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
7 zeigt einen Ausschnitt des Glimmentladungsspektrums von 6.
8 ist ein energiedispersives Spektrum einer durch Nachbeschichtung behandelten Beschichtung gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
9 ist ein Röntgendiffraktogramm eines durch Nachbeschichtung behandelten Schneidwerkzeugs gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können leichter mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Beispiele und ihre vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibungen verstanden werden.
In einem Aspekt werden hier beschichtete Schneidwerkzeuge beschrieben, die, in einigen Ausführungsformen, eine verbesserte Verschleißfestigkeit in einer oder mehreren Schneidanwendungen zeigen können.
Insbesondere umfasst ein erfindungsgemäßes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat anhaftet, wobei die Beschichtung eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und die Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst, und eine äußere Schicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung über der inneren Schicht aufgebracht wird. Die äußere Schicht der Beschichtung umfasst eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, zusammengesetzt ist, und eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1, zusammengesetzt ist.
Was die Bestandteile eines hier beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs betrifft, so umfasst ein hier beschriebenes Schneidwerkzeug ein Substrat. Ein hier beschriebenes Schneidwerkzeug kann ohne Widerspruch zu den Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung irgendein Substrat umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat Hartmetall, Carbid, Keramik, Cermet oder Stahl.
Ein Substrat aus Hartmetall umfasst in einigen Ausführungsformen Wolframcarbid (WC). In einigen Ausführungsformen ist WC in einem Substrat in einem Anteil von mindestens etwa 70 Gewichtsprozent vorhanden. In einigen Ausführungsformen ist WC in einem Substrat in einem Anteil von mindestens etwa 80 Gewichtsprozent oder in einem Anteil von mindestens etwa 85 Gewichtsprozent vorhanden. Zusätzlich umfasst in einigen Ausführungsformen das Bindemittel eines Substrats aus Hartmetall Kobalt oder eine Kobalt-Legierung. Kobalt ist in einigen Ausführungsformen in einem Substrat aus Hartmetall in einem Anteil vorhanden, der im Bereich von etwa 3 Gewichtsprozent bis etwa 15 Gewichtsprozent liegt. In einigen Ausführungsformen ist Kobalt in einem Substrat aus Hartmetall in einem Anteil vorhanden, der im Bereich von etwa 5 Gewichtsprozent bis etwa 12 Gewichtsprozent oder von etwa 6 Gewichtsprozent bis etwa 10 Gewichtsprozent liegt. In einigen Ausführungsformen kann ein Substrat aus Hartmetall eine Zone mit einer Anreicherung des Bindemittels aufweisen, die an der Oberfläche des Substrats beginnt und sich von der Oberfläche aus nach innen erstreckt.
Ein Substrat aus Hartmetall umfasst in einigen Ausführungsformen ferner einen oder mehrere Zusatzstoffe, wie z. B. eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder ihrer Verbindungen: Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkon und/oder Hafnium. In einigen Ausführungsformen bilden Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkon und/oder Hafnium mit dem WC im Substrat Carbid-Mischkristalle. Das Substrat umfasst in einigen Ausführungsformen einen oder mehrere Carbid-Mischkristalle in einem Anteil im Bereich von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 5 Gewichtsprozent. Zusätzlich umfasst ein Substrat aus Hartmetall in einigen Ausführungsformen Stickstoff.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Substrat eines hier beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs eine oder mehrere Schneidkanten, die an der Verbindung zwischen einer Spanfläche und Freiflächen des Substrats gebildet sind. 1 zeigt ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs entsprechend einer hier beschriebenen Ausführungsform. Wie in 1 gezeigt, besitzt das Substrat (10) Schneidkanten (12), die an der Verbindung zwischen der Substrat-Spanfläche (14) und den -Freiflächen (16) gebildet sind.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs einen Einsatz, einen Bohrer, ein Sägeblatt oder eine andere Vorrichtung zum Schneiden umfassen.
Wie hier beschrieben umfasst eine Beschichtung, die an einem Substrat anhaftet, eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB and VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht, umfasst. Die hier beschriebenen Gruppen des Periodensystems werden gemäß der CAS-Bezeichnung gekennzeichnet.
In einigen Ausführungsformen umfassen ein oder mehrere metallische Elemente der Gruppen IVB, VB and VIB, die für eine Kombination mit Aluminium bei der Herstellung einer inneren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung geeignet sind, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom. Darüber hinaus umfassen in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA and VIA, die für die Verwendung bei der Herstellung einer inneren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung geeignet sind, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung eine Zusammensetzung entsprechend dem folgenden Verhältnis auf:
(Al_a Zr_b Hf_c V_d Nb_e Ta_f Cr_g Ti_{1-(a+b+c+d+e+f+g)})(O_xC_yN_1-(x+y)), mit 0 <a <1, 0 ≤ b <1, 0 ≤ c <1, 0 ≤ d <1, 0 ≤ e <1, 0 ≤ f <1, 0 ≤ g <1, 0 ≤ x <1, 0 ≤ y <1 und (a + b + c + d + e + f + g) < 1 und (x + y) < 1.
In einigen Ausführungsformen besitzt eine innere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung eine Zusammensetzung entsprechend dem folgenden Verhältnis: Al_aTi_1-aN mit 0 < a < 1. In einigen Ausführungsformen einer inneren Schicht ist die Zusammensetzung Al_aTi_1-aN, 0,3 ≤ a ≤ 0,8. In einigen Ausführungsformen 0,35 ≤ a ≤ 0,75. In einigen Ausführungsformen 0,4 ≤ a ≤ 0,7 oder 0,42 ≤ a ≤ 0,65.
In einigen Ausführungsformen befindet sich Al_aTi_1-aN einer inneren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung in der kristallinen Phase. Al_aTi_1-aN einer inneren Schicht zeigt in einigen Ausführungsformen eine kubische Kristallstruktur. In einigen Ausführungsformen ist die kubische Kristallstruktur von Al_aTi_1-aN einer inneren Schicht kubisch-flächenzentriert (fcc). In einigen Ausführungsformen zeigt Al_aTi_1-aN einer inneren Schicht eine hexagonale Kristallstruktur. In einigen Ausführungsformen zeigt Al_aTi_1-aN einer inneren Schicht eine Mischung aus einer kubischen Kristallstruktur und einer hexagonalen Kristallstruktur.
Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen eine innere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung polykristallin mit einer mittleren Kristallitgröße von mindestens etwa 10 nm. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer Beschichtung eine mittlere Kristallitgröße von mindestens etwa 20 nm oder mindestens etwa 50 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer Beschichtung eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 nm oder von etwa 20 nm bis etwa 80 nm auf. Eine innere Schicht einer Beschichtung weist in einigen Ausführungsformen eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von etwa 30 nm bis etwa 70 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer Beschichtung eine mittlere Kristallitgröße größer als 100 nm auf.
Eine innere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung kann ohne Widerspruch zu den Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung jede gewünschte Dicke aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer Beschichtung eine Dicke im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 10 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 2 µm bis etwa 8 µm oder von etwa 3 µm bis etwa 7 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 1,5 µm bis etwa 5 µm oder von etwa 2 µm bis etwa 4 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine innere Schicht einer Beschichtung eine Dicke kleiner als etwa 1 µm oder größer als etwa 10 µm auf.
Wie ferner hier beschrieben ist in einigen Ausführungsformen eine innere Schicht einer Beschichtung unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats des Schneidwerkzeugs durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Alternativ können in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen einer Oberfläche des Substrats und der inneren Schicht aufgebracht werden, so dass die innere Schicht nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Oberfläche des Substrats steht.
Eine hier beschriebene Beschichtung umfasst auch eine äußere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung über der inneren Schicht aufgebracht wird, wobei die äußere Schicht Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus Stickstoff und nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht, umfasst, wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
In einigen Ausführungsformen umfassen ein oder mehrere metallische Elemente der Gruppen IVB, VB and VIB, die für eine Kombination mit Aluminium und Silizium bei der Herstellung einer äußeren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung geeignet sind, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom. Darüber hinaus umfassen in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA and VIA, die für die Verwendung bei der Herstellung einer äußeren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung geeignet sind, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht einer Beschichtung wie hier beschrieben eine Zusammensetzung entsprechend dem folgenden Verhältnis auf:
(Al_m Zr_n Hf_o V_p Nb_q Ta_r Cr_s Ti_{1-(m+n+o+p+q+r+s+z)}Si_z)(O_vC_wN_1-(v+w)), mit 0 < m < 1, 0 ≤ n<1,0≤o<1,0≤p<1,0≤q<1,0≤r<1,0≤s<1,0<z<1,0≤v<1,0≤w < 1 und (m+n+o+p+q+r+s+z)< 1 und (v + w) < 1.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung eine Phase, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN mit 0 < m < 1 und 0 < z < 1 und (m+z) < 1 zusammengesetzt ist. In einigen Ausführungsformen nimmt der Silizium-Anteil der Al_mTi_1-(m+z)Si_zN-Phase zur inneren Schicht der Beschichtung hin ab. In einigen Ausführungsformen 0,05 ≤ m ≤ 0,75. In einigen Ausführungsformen 0,1 ≤ m ≤ 0,65. In einigen Ausführungsformen 0,15 ≤ m ≤ 0,60. In einigen Ausführungsformen 0,01 ≤ z ≤ 0,3. In einigen Ausführungsformen 0,02 ≤ z ≤ 0,25.
In einigen Ausführungsformen ist eine Phase einer äußeren Schicht gebildet aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN, mit 0,05 ≤ m ≤ 0,75 und 0,01 ≤ z ≤ 0,3 oder 0,05 ≤ m ≤ 0,75 und 0,02 ≤ z ≤ 0,25. In einigen Ausführungsformen 0,1 ≤ m ≤ 0,65 und 0,01 ≤ z ≤ 0,3 oder 0,1 ≤ m ≤ 0,65 und 0,02 ≤ z ≤ 0,25. In einigen Ausführungsformen 0,15 ≤ m ≤ 0,60 und 0,01 ≤ z ≤ 0,3 oder 0,15 ≤ m ≤ 0,60 und 0,02 ≤ z ≤ 0,25.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung, die eine Phase umfasst, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN zusammengesetzt ist, ferner eine zusätzliche Phase, die aus Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1 zusammengesetzt ist. In einigen Ausführungsformen nimmt der Silizium-Anteil einer Al_1-kSi_kN-Phase zur inneren Schicht hin ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Silizium-Anteil einer Al_1-kSi_kN-Phase nicht zur inneren Schicht hin ab.
In einigen Ausführungsformen umfasst die äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung, die eine Phase umfasst, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN zusammengesetzt ist, ferner eine zusätzliche Phase, die aus einem oder mehreren Titansiliziden Ti_hSi_l zusammengesetzt ist, wobei h eine ganze Zahl im Bereich zwischen 1 und 5 und I eine ganze Zahl im Bereich zwischen 1 und 4 ist. In einigen Ausführungsformen ist beispielsweise ein Titansilizid einer äußeren Schicht TiSi, TiSi₂, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄ oder Ti₃Si.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen, in denen eine zusätzliche Phase aus Al_1-kSi_kN und und/oder Titansilizid in der äußeren Schicht vorhanden ist, ist die Phase, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN zusammengesetzt ist, die primäre Phase der äußeren Schicht, die mehr als 50 % der äußeren Schicht bildet. In einigen Ausführungsformen bildet Al_mTi_1-(m+z)Si_zN mehr als 60 % oder mehr als 70 % der äußeren Schicht. In einigen Ausführungsformen bildet eine zusätzliche Phase aus Al_1-kSi_kN bis zu etwa 35 % der äußeren Schicht. Eine zusätzliche Phase aus Al_1-kSi_kN bildet in einigen Ausführungsformen etwa 1 % bis etwa 30 % der äußeren Schicht. In einigen Ausführungsformen bildet eine zusätzliche Phase aus Al_1-kSi_kN etwa 5 % bis etwa 25 % oder etwa 10 % bis etwa 20 % der äußeren Schicht. In einigen Ausführungsformen bildet eine zusätzliche Phase aus Titansilizid etwa 1 % bis etwa 20 % oder etwa 5 % bis etwa 15 % der äußeren Schicht.
Die prozentualen Anteile der Zusammensetzung der Phasen einer hier beschriebenen äußeren Schicht können mit Hilfe von Röntgenbeugungs-Verfahren (XRD) und des Rietveld-Verfeinerungsverfahrens bestimmt werden. Das Rietveld-Verfahren ist ein Verfahren der Ausgleichsrechnung, die das gesamte Muster berücksichtigt. Das gemessene Profil der Probe und ein berechnetes Profil werden verglichen. Durch die Variation verschiedener, Fachleuten bekannter Parameter wird der Unterschied zwischen beiden Profilen minimiert. Um eine korrekte Rietveld-Verfeinerung durchzuführen, werden alle in der äußeren Schicht vorhandene Phasen mit einbezogen.
Ein Schneidwerkzeug, das eine hier beschriebene Beschichtung umfasst, kann durch XRD analysiert werden mit Hilfe einer Technik mit streifendem Einfall, die eine ebene Oberfläche erfordert. Abhängig von der Geometrie des Schneidwerkzeugs kann die Spanfläche oder Freifläche des Schneidwerkzeugs analysiert werden. Für die Analyse der Phasenzusammensetzung eines hier beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs wurde ein mit einer Eulerwiege ausgerüstetes PANalytical Xpert MRD Beugungssystem verwendet. Die Röntenbeugungsanalyse wurde vervollständigt durch das Verwenden eines mit einer Kupfer-Röntgenröhre ausgestatteten optischen Systems mit parallelem Strahlengang. Die Betriebsparameter waren 45 kV und 40 mA. Die typische Optik für die Analyse mit streifendem Einfall umfasste einen Röntgenspiegel mit einer 1/16 Grad Streustrahlenblende und einer 0,04 Radiant Sollerblende. Die Empfangsoptik umfasste einen ebenen Graphitmonochromator, einen Parallel-Lamellenkollimator und einen geschlossenen Proportionalzähler.
Die Daten der Röntgenbeugung wurden bei einem streifenden Winkel erfasst, der so ausgewählt war, dass die Intensität der Beschichtungs-Peaks maximiert und die durch das Substrat verursachten Interferenz-Peaks minimiert oder eliminiert wurden. Die Zählzeiten und die Abtastgeschwindigkeit wurden so gewählt, dass sie optimale Daten für die Rietveld-Analyse lieferten. Vor dem Erfassen der Daten der Messung mit streifendem Einfall wurde die Höhe der Probe durch Strahlteilung des Röntgenstrahls eingestellt.
Ein Hintergrundprofil wurde angepasst, und die Peaksuche wurde auf den Daten der Probe durchgeführt, um alle Positionen und Intensitäten der Peaks zu ermitteln. Die Daten der Positionen und Intensitäten der Peaks wurden verwendet, um die Zusammensetzung der Kristallphasen der Beschichtung der Probe mit Hilfe einer der im Markt verfügbaren Datenbanken für Kristallphasen zu bestimmen.

Die Daten der Kristallstruktur wurden für jede der Kristallphasen, die in der Probe vorhanden waren, eingegeben. Typische Parametereinstellungen für die Rietveld-Verfeinerung sind:

Berechnungsverfahren für den Hintergrund:	Polynomisch
Probengeometrie:	Flache Scheibe
Linearer Absorptionskoeffizient:	Aus der mittleren Zusammensetzung der Probe berechnet
Gewichtungsschema:	gegen Lobs
Profilfunktion:	Pseudo-Voight
Breite der Profilbasis:	Pro Probe gewählt
Art der kleinsten Fehlerquadrate:	Newton-Raphson
Polarisationskoeffizient:	1,0

Die Rietveld-Verfeinerung umfasst typischerweise:

Verlagerung der Probe:	Verschieben der Probe aus der Orientierung der Röntgenstrahlen
Hintergrundprofil:	so ausgewählt, dass es am besten das Hintergrundprofil der Beugungsdaten beschreibt
Skalierungsfunktion:	Skalierungsfunktion jeder einzelnen Phase
B insgesamt:	Verlagerungsparameter angewendet auf alle Atome einer Phase
Zellenparameter:	a, b, c und Alpha, Beta und Gamma
W-Parameter:	beschreibt Peak-FWHM

Jeder zusätzliche Parameter, um eine ausreichende Güte der Ausgleichsrechnung zu erreichen.
Alle Ergebnisse der Rietveld-Phasenanalyse sind in Gewichtsprozent angegeben.
Eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung, wenn sie Al_mTi_1-(m+z)Si_zN und Al_1-kSi_kN und/oder Titansilizid-Phasen in einigen Ausführungsformen umfasst, umfasst keine Phase, in der Silizium von Aluminium und/oder einem oder mehreren metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB and VIB des Periodensystems getrennt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst z. B. eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung nicht oder nicht in erheblichem Umfang eine Siliziumnitrid-Phase einschließlich Si₃N₄.
In einigen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Phasen einer äußeren Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung kristallin. In einigen Ausführungsformen ist z. B. eine Phase einer äußeren Schicht, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN zusammengesetzt ist, kristallin. In einigen Ausführungsformen zeigt eine kristalline Al_mTi_1-(m+z)Si_zN -Phase einer äußeren Schicht eine kubische Kristallstruktur. In einigen Ausführungsformen ist die kubische Kristallstruktur einer Al_mTi_1-(m+z)Si_zN-Phase fcc.
In einigen Ausführungsformen ist eine zusätzliche Phase einer äußeren Schicht, die aus Al_1-kSi_kN zusammengesetzt ist, kristallin. In einigen Ausführungsformen zeigt eine kristalline Al_1-kSi_kN-Phase einer äußeren Schicht eine hexagonale Struktur. In einigen Ausführungsformen ist die hexagonale Struktur einer Al_1-kSi_kN-Phase wurtzit. In einigen Ausführungsformen ist eine zusätzliche Phase einer äußeren Schicht, die aus Titansilizid zusammengesetzt ist, kristallin. In einigen Ausführungsformen zeigt z. B. eine Ti₅Si₃-Phase eine hexagonale Struktur.
In einigen Ausführungsformen ist eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung polykristallin. In einigen Ausführungsformen weist z. B. eine polykristalline äußere Schicht eine mittlere Kristallitgröße von mindestens etwa 10 nm auf. Eine äußere Schicht weist in einigen Ausführungsformen eine mittlere Kristallitgröße von mindestens etwa 20 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht eine mittlere Kristallitgröße in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht eine mittlere Kristallitgröße im Bereich von etwa 20 nm bis etwa 80 nm oder von etwa 30 nm bis etwa 70 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht einer Beschichtung eine mittlere Kristallitgröße größer als 100 nm auf.
In einigen Ausführungsformen sind eine oder mehrere kristalline Phasen einer äußeren Schicht polykristallin mit einer hier beschriebenen mittleren Kristallitgröße. In einigen Ausführungsformen ist z. B. eine Phase einer äußeren Schicht, die aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN zusammengesetzt ist, polykristallin mit einer mittleren hier angegebenen Kristallitgröße. In einigen Ausführungsformen ist eine in der äußeren Schicht vorhandene zusätzliche Phase aus Al_1-kSi_kN polykristallin mit einer mittleren hier angegebenen Kristallitgröße. In einigen Ausführungsformen weisen zwei oder mehr polykristalline Phasen einer äußeren Schicht die gleiche oder die im Wesentlichen gleiche mittlere Kristallitgröße auf. In einigen Ausführungsformen weisen zwei oder mehr polykristalline Phasen einer äußeren Schicht verschiedene Kristallitgrößen auf.
Eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung kann ohne Widerspruch zu den Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung jede Dicke aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist eine äußere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,2 µm bis etwa 5 µm auf. Eine äußere Schicht weist in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 5 µm oder von etwa 1 µm bis etwa 4 µm auf.
Wie hier beschrieben nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht in einigen Ausführungsformen zur inneren Schicht hin ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin mit einer Rate von mindestens etwa 7 Atomprozent/µm ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin mit einer Rate von mindestens etwa 8 Atomprozent/µm oder mindestens etwa 8,5 Atomprozent/µm ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin mit einer Rate von mindestens etwa 9 Atomprozent/µm oder mindestens etwa 9,5 Atomprozent/µm ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin mit einer Rate im Bereich von etwa 5 Atomprozent/µm bis etwa 15 Atomprozent/µm ab. In einigen Ausführungsformen nimmt der Anteil von Silizium in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin mit einer Rate im Bereich von etwa 7 Atomprozent/µm bis etwa 11 Atomprozent/µm ab.
In einigen Ausführungsformen wird eine äußere Schicht einer hier beschriebenen Beschichtung unmittelbar auf die Oberfläche der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Alternativ können in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der inneren und der äußeren Schicht aufgebracht werden. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen die äußere Schicht die am weitesten außen gelegene Schicht der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen ist die äußere Schicht nicht die am weitesten außen gelegene Schicht der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen können z. B. eine oder mehrere zusätzliche Schichten auf die äußere Schicht aufgetragen werden, um die Beschichtung fertig zu stellen.
Eine hier beschriebene Beschichtung weist in einigen Ausführungsformen eine Haftfestigkeit, gemessen nach dem Rockwell A Eindruck-Adhäsionsbelastungstest, größer oder gleich 60 kg auf. In einigen Ausführungsformen weist eine Beschichtung eine Haftfestigkeit, gemessen nach dem Rockwell A Eindruck-Adhäsionsbelastungstest, größer oder gleich 100 kg auf. Für die Messung der Haftfestigkeit einer Beschichtung am Substrat wurde ein Rockwell Härteprüfer mit einem Rockwell Skala A Brale kegelförmigen Diamant-Prüfstempel mit den gewählten Belastungen von 60 kg und 100 kg verwendet. Die Haftfestigkeit ist definiert als die minimale Belastung, bei der sich die Beschichtung ablöst. Eine Haftfestigkeit der Beschichtung größer oder gleich 60 kg wie hier angegeben gibt an, dass keine Ablösung der Beschichtung bei einer Belastung von 60 kg beobachtet wurde. In ähnlicher Weise gibt eine Haftfestigkeit der Beschichtung größer oder gleich 100 kg wie hier angegeben an, dass keine Ablösung der Beschichtung bei einer Belastung von 100 kg beobachtet wurde.
In einigen Ausführungsformen zeigen die hier beschriebenen Beschichtungen eine Druckeigenspannung. In einigen Ausführungsformen umfasst ein hier beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat anhaftet, wobei die Beschichtung eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus Stickstoff und nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht, umfasst, und eine äußere Schicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung über der inneren Schicht aufgebracht wird, wobei die äußere Schicht Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus Stickstoff und nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht, umfasst, wobei die Beschichtung eine Druckeigenspannung und/oder eine Druck-Schubspannung aufweist.
In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung von mindestens etwa 2500 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung von mindestens etwa 2700 MPa auf oder mindestens etwa 2800 MPa auf. Eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, weist in einigen Ausführungsformen vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung im Bereich von etwa 2500 MPa bis etwa 3000 MPa oder von etwa 2600 MPa bis etwa 2900 MPa auf.
In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung von mindestens etwa 20 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung von mindestens etwa 50 MPa oder mindestens etwa 70 MPa auf. Eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, weist in einigen Ausführungsformen vor dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung im Bereich von etwa 20 MPa bis etwa 130 MPa oder von etwa 30 MPa bis etwa 100 MPa auf.
In einigen Ausführungsformen befindet sich eine hier beschriebene Beschichtung in einem Zustand nach dem Strahlen nach dem Abscheiden. In einigen Ausführungsformen, bei denen die äußere Schicht die am weitesten außen gelegene Schicht ist, wird die äußere Schicht durch Strahlen nach dem Abscheiden behandelt. In einigen Ausführungsformen wird eine hier beschriebene äußere Schicht mit einem anorganischen Strahlmittel abgestrahlt. In einigen Ausführungsformen wird eine äußere Schicht z. B. mit Al₂O₃-Partikeln abgestrahlt.
Das Strahlen nach dem Abscheiden kann in einigen Ausführungsformen die Druckeigenspannung der Beschichtung erhöhen. In einigen Ausführungsformen ist z. B. das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung einer hier beschriebenen Beschichtung nach dem Strahlen nach dem Abscheiden und der Druckeigenspannung der Beschichtung vor dem Strahlen nach dem Abscheiden mindestens 1,2. In einigen Ausführungsformen ist das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung einer hier beschriebenen Beschichtung nach dem Strahlen nach dem Abscheiden und der Druckeigenspannung der Beschichtung vor dem Strahlen nach dem Abscheiden mindestens 1,3 oder mindestens 1,5. In einigen Ausführungsformen ist das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung einer hier beschriebenen Beschichtung nach dem Strahlen nach dem Abscheiden und der Druckeigenspannung der Beschichtung vor dem Strahlen nach dem Abscheiden in einem Bereich von etwa 1,1 bis etwa 3 oder von etwa 1,2 bis etwa 2.
In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung von mindestens etwa 3400 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung von mindestens etwa 3500 MPa oder mindestens etwa 3600 MPa auf. Eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, weist in einigen Ausführungsformen nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druckeigenspannung im Bereich von etwa 3400 MPa bis etwa 4000 MPa oder von etwa 3500 MPa bis etwa 3800 MPa auf.
In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung von mindestens etwa 40 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung von mindestens etwa 50 MPa auf oder mindestens etwa 60 MPa auf. Eine hier beschriebene Beschichtung, die eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die über der inneren Schicht aufgebracht ist, umfasst, weist in einigen Ausführungsformen nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine Druck-Schubspannung im Bereich von etwa 20 MPa bis etwa 100 MPa oder von etwa 30 MPa bis etwa 70 MPa auf.
Eigenspannung und Schubspannung einer hier beschriebenen Beschichtung wurden durch das Sin²ψ-Verfahren mit Bezug auf die (200)-Reflexion auf der AlTiSiN-Kristallphase bestimmt. Das für die Bestimmung der Eigenspannung verwendete Messgerät war ein PANalytical Xpert Pro MRD, das mit einer Eulerwiege zur Probenmanipulation ausgerüstet war. Die Röntgenquelle war eine Kupfer Long Fine Focus Röntgenröhre, die mit 45 KV und 40 MA betrieben wurde. Das Messgerät war für die Bestimmung der Spannung in den Beschichtungen mit Parallelstrahloptik eingestellt. Die Einfallsoptik umfasste eine polykapillare 8 mm Linse mit einem Kreuzschlitz-Kollimator. Die Empfangsoptik umfasste einen 0,27 Grad Parallel-Lamellenkollimator, einen ebenen Graphitmonochromator, und einen geschlossenen Proportionalzähler.
Chi-Neigungen von 0, 28,88, 43,08, 56,77, 75,0, -28,88, -43,08, -56,77 und - 75,0 wurden für die Messung der Eigenspannungsstufen ausgewählt. Die Parameter für die Schrittgröße und die Zählzeit für die Datensammlung wurden für jeden Neigungswinkel angepasst, um eine ausreichende Peak-Intensität für die genaue Bestimmung der Peak-Position zu erhalten.
Die Peak-Daten wurden dann hinsichtlich der Absorption und Transparenz unter Verwendung der folgenden Gleichungen korrigiert:

Absorptions-Korrektur $A = [1 - \frac{tan (ω - θ)}{tan θ}] x [1 - e^{(- υ t x \frac{2 sin θ x cos (ω - θ)}{{sin}^{2} θ - {sin}^{2} (ω - θ)})}]$
Transparenz-Korrektur $Δ 2 θ = \frac{180}{π} x \frac{2 τ}{R} x \frac{sin (θ) cos (θ)}{sin (ω)}$
mit $τ = \frac{t}{β} \times \frac{(1 - β) \times e^{- β} - e^{- β}}{1 - e^{- β}}$
und $β = \frac{2 μ t sin θ x cos (ω - θ)}{{sin}^{2} θ - {sin}^{2} (ω - θ)}$
mit
- t = Schichtdicke
- µ = linearer Absorptionskoeffizient (cm^-1)
- θ = 2 Theta / 2 (Grad)
- (ω-θ□ = Omega Versatzwinkel (Grad)
- ψ = Neigungswinkel (Psi Spannung) (Grad)
- τ = Informationstiefe (Mikron)
- R = Goniometerradius (mm)

Die Peak-Daten wurden hinsichtlich der Lorentz-Polarisation unter Verwendung der folgenden Gleichungen korrigiert:

Polarisationskorrektur $L P = \frac{{cos}^{2} 2 θ_{m o n} x {cos}^{2} 2 θ}{sin θ}$
2θ_mon = Beugungswinkel des Graphitmonochromators

Die Kα₂-Peaks wurden unter Verwendung des Ladell-Modells entfernt. Die Peak-Positionen wurden unter Verwendung einer modifizierten Lorentz-förmigen Profilfunktion präzisiert.
Die Eigenspannung der Beschichtung wurde durch die allgemeine Gleichung berechnet: $\frac{d_{φ ψ} - d_{0}}{d_{0}} = S_{1} (σ_{1} + σ_{2}) + \frac{1}{2} S_{2} σ_{φ} {sin}^{2} ψ$
mit $σ_{φ} = σ_{1} {cos}^{2} φ + σ_{2} {sin}^{2} φ$
mit

d_φψ = Gitterkonstante für Winkel φ und Neigung ψ
d_o = spannungsfreie Gitterkonstante
φ = Drehwinkel
ψ = Probenneigung
σ₁ & σ₂ = primäre Spannungstensoren in der Probenoberfläche
σ_φ = Spannung am Drehwinkel φ
S₁ & ½ S₂ = Röntgen-elastische Konstanten $\begin{matrix} S_{1} = \frac{- υ}{E} & \begin{matrix} \end{matrix} \frac{1}{2} S_{2} = \frac{1 + υ}{E} \end{matrix}$

Für die vorliegende Analyse wurde die Poissonzahl (u) auf 0,20 gesetzt, und der Elastizitätsmodul (E in GPa) wurde aus der Nanoindentierungs-Analyse bestimmt, die mit einem Fischerscope HM2000 nach ISO Standard 14577 unter Verwendung eines Vickers-Prüfstempels ausgeführt wurde. Die Eindrucktiefe wurde auf 0,25 µm gesetzt. Um den Modulus für die innere Schicht zu bestimmen, wurde eine Nanoindentierung mit einem AlTiN-beschichteten Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs durchgeführt. Der Modul für die äußere Schicht aus AlTiSiN wurde ebenfalls durch eine Nanoindentierungs-Prüfung für ein beschichtetes Schneidwerkzeug bestimmt, das entsprechend der hier beschriebenen Ausführungsformen eingerichtet war. Der Wert des Moduls (E), der für die Berechnung der Eigenspannung einer hier beschriebenen Beschichtung verwendet wurde, war der gewichtete Mittelwert des einzelnen Modul-Werts, der für die innere Schicht aus AlTiN bestimmt wurde, und des einzelnen Modul-Werts, der für die äußere Schicht aus AlTiSiN bestimmt wurde, wobei der gewichtete Mittelwert auf der Dicke der inneren und äußeren Schichten der Beschichtung basierte. Multiple dφψ und sin²ψ-Daten machten es möglich, dass eine lineare Regressionsgerade an die Daten angepasst wurde. Die resultierende Steigung der Geraden ist gleich σ_φ. Der Achsenabschnitt der Geraden nähert sich dem d_o spannungsfreien Gitter.
In einigen Ausführungsformen kann eine Beschichtung eine oder mehrere der hier angegebenen mechanischen Eigenschaften aufweisen, einschließlich Haftfestigkeit vor dem Strahlen nach dem Abscheiden. In einigen Ausführungsformen kann eine Beschichtung nach dem Strahlen nach dem Abscheiden eine oder mehrere der mechanischen Eigenschaften wie hier angegeben aufweisen, einschließlich Haftfestigkeit.
Ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Substrats für das Schneidwerkzeug und das Aufbringen einer inneren Schicht einer Beschichtung auf das Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung, wobei die innere Schicht Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB and VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst. Eine äußere Beschichtungsschicht wird über der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht, wobei die äußere Schicht Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, umfasst, wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
In einigen Ausführungsformen wird eine äußere Schicht über der inneren Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht, wobei die äußere Schicht eine Phase umfasst, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, zusammengesetzt ist, und eine Phase, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1, zusammengesetzt ist.
Die inneren und äußeren Schichten einer hier beschriebenen Beschichtung können mit Hilfe herkömmlicher PVD-Techniken einschließlich Vakuum-Aufdampfung, Sputter-Abscheidung, Bogenentladungs-Gasphasenabscheidung oder Ionenplattierung aufgebracht werden. Darüber hinaus können die inneren und äußeren Schichten, die entsprechend der hier beschriebenen Verfahren aufgebracht sind, jede der die Zusammensetzung betreffenden, chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften, die hier vorstehend für die inneren und äußeren Schichten beschrieben werden, umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs ferner das Strahlen nach dem Abscheiden der durch PVD aufgebrachten Beschichtung, die die innere und die äußere Schicht umfasst. Das Strahlen nach dem Abscheiden kann in jeder gewünschten Art und Weise gehandhabt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Strahlen nach dem Abscheiden Kugelstrahlen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Strahlen nach dem Abscheiden Hochdruckstrahlen. Hochdruckstrahlen kann in einer Vielzahl von Formen gehandhabt werden, einschließlich Druckluftstrahlen, Nassdruckluftstrahlen, Hochdruckflüssigkeitsstrahlen, Nassstrahlen, Hochdruckflüssigkeitsstrahlen und Dampfstrahlen.
In einigen Ausführungsformen von hier beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs wird das Nassstrahlen unter Verwendung einer Aufschlämmung von anorganischen Partikeln und Wasser ausgeführt. In einigen Ausführungsformen umfassen die anorganischen Partikel Aluminiumoxid-Partikel. Die Aufschlämmung von Aluminiumoxid-Partikeln und Wasser wird in einigen Ausführungsformen pneumatisch auf eine Oberfläche des Körpers des beschichteten Schneidwerkzeugs projiziert, um auf die Oberfläche der Beschichtung einzuwirken.
Die wesentlichen Parameter der Aluminiumoxid-Wasser-Aufschlämmung sind Korn-Konzentration (d. h. Aluminiumoxid-Partikel) in Volumenprozent und Größe der Aluminiumoxid-Partikel in Mikrometer (µm). In einigen Ausführungsformen umfasst die Aufschlämmung zwischen etwa 5 Volumenprozent und etwa 35 Volumenprozent Aluminiumoxid-Schwebstoffteilchen mit dem Rest als Wasser. In einigen Ausführungsformen umfasst die Aufschlämmung zwischen etwa 8 Volumenprozent und etwa 25 Volumenprozent Aluminiumoxid-Schwebstoffteilchen mit dem Rest als Wasser. In einigen Ausführungsformen umfasst die Aufschlämmung zwischen etwa 10 Volumenprozent und etwa 15 Volumenprozent Aluminiumoxid-Schwebstoffteilchen mit dem Rest als Wasser.
In einigen Ausführungsformen kann die Größe der Aluminiumoxid-Partikel in einem Bereich zwischen etwa 20 µm und etwa 100 µm liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Größe der Aluminiumoxid-Partikel in einem Bereich zwischen etwa 35 µm und etwa 75 µm liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Größe der Aluminiumoxid-Partikel in einem Bereich zwischen etwa 45 µm und etwa 50 µm liegen.
Die Betriebsparameter für den Schritt des Nassstrahlens sind Druck, Winkel der Einwirkung, Abstand zur Oberfläche des Werkstücks und Dauer. In dieser Anwendung kann der Winkel der Einwirkung in einem Bereich von etwa 45 Grad bis etwa 90 Grad liegen, d. h. dass die Partikel auf die Oberfläche der Beschichtung in einem Winkel einzuwirken, der im Bereich von etwa 45 Grad bis etwa 90 Grad liegt.
In einigen Ausführungsformen liegt der Druck in einem Bereich zwischen etwa 30 Pfund pro Quadratzoll (psi) und etwa 55 psi. In einigen Ausführungsformen liegt der Druck in einem Bereich zwischen etwa 35 psi und etwa 50 psi. In einigen Ausführungsformen liegt der Abstand der Strahldüse zur Oberfläche des Werkstücks im Bereich von etwa 1 Zoll bis etwa 6 Zoll. Der Abstand zwischen der Strahldüse und der Oberfläche des Werkstücks liegt in einigen Ausführungsformen im Bereich von etwa 3 Zoll bis etwa 4 Zoll. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die Beschichtung des Schneidwerkzeugs für jede gewünschte Zeitdauer abgestrahlt werden unter dem Vorbehalt, dass die äußere Schicht, die eine hier beschriebene Zusammensetzung aufweist, nicht vollständig oder im Wesentlichen vollständig entfernt wird. In einigen Ausführungsformen liegt die Dauer des Strahlen nach dem Abscheidens im Bereich von etwa 1 Sekunde bis etwa 10 Sekunden. Die Dauer des Strahlens nach dem Abscheiden liegt in einigen Ausführungsformen im Bereich von etwa 2 Sekunden bis etwa 8 Sekunden oder von etwa 3 Sekunden bis etwa 7 Sekunden.
In einigen Ausführungsformen kann das Strahlen nach dem Abscheiden an hier beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugen durchgeführt werden entsprechend der Offenbarung des Patents der Vereinigten Staaten Nr. 6,869,334, das hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. In einigen Ausführungsformen kann das Behandeln des Körpers des beschichteten Schneidwerkzeugs durch Strahlen nach dem Abscheiden die Druckeigenspannung in einer hier definierten äußeren Schicht aus Al_mTi_1-(m+z)Si_zN erhöhen.
In einem anderen Aspekt werden Verfahren zum Erhöhen der Standzeit eines beschichteten Schneidwerkzeugs hier beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Erhöhen der Standzeit eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Umlenken eines oder mehrerer Ermüdungsmechanismen zu einer Grenzfläche einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht der Beschichtung, indem die innere Schicht aus einer Zusammensetzung hergestellt wird, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems besteht oder AlTiN, umfasst, und die äußere Schicht aus einer Zusammensetzung hergestellt wird, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und Aluminium und Silizium und ein oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA and VIA des Periodensystems besteht oder AlTiSiN, umfasst, und wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
Innere und äußere Schichten im Sinne der hier beschriebenen Verfahren zur Erhöhung der Standzeit eines beschichteten Schneidwerkzeugs können jede der hier vorstehend beschriebenen die Zusammensetzung betreffenden, chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften für die inneren und äußeren Schichten umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Umlenken das Auslösen einer oder mehrere Ermüdungsmechanismen der Beschichtung an einer Grenzfläche der inneren Schicht und der äußeren Schicht der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen umfassen Ermüdungsmechanismen der Beschichtung Rissbildung, Ablösung, Abblättern oder Kombinationen davon.
Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele genauer erläutert.
BEISPIEL 1
Körper eines beschichteten Schneidwerkzeugs
Ein hier beschriebener Körper eines beschichteten Schneidwerkzeugs wurde herstellt, indem ein gehärteter Wolframcarbid-(WC-)Schneideinsatzsubstrat mit einem Kobalt-Bindemittel in ein MP323 PVD-Gerät, das kommerziell bei Metaplas lonon Oberflächentechnik GmbH in Bergisch-Gladbach Deutschland, erhältlich ist, eingesetzt wurde. Das WC-Substrat wurde auf eine Temperatur von 530 °C aufgeheizt, und die Aluminium- und Titan-Bestandteile der inneren Schicht wurden durch eine Reihe von Kathoden mit einer Zusammensetzung aus 67 % AI und 33 % aufgedampft, während N₂ als reaktives Gas mit einem Druck von 5 E^-2 mbar zugeführt wurde, um die kristalline innere Schicht aus AITiN auf das WC-Substrat aufzubringen. Die innere Schicht wies eine Dicke von etwa 2 µm auf.
Nachdem die innere Schicht auf der Oberfläche des WC-Substrats gebildet worden war, wurde die äußere Schicht durch Kathodenzerstäubung der elementaren Bestandteile AI, Ti und Si aufgebracht, während N₂ als reaktives Gas mit einem Druck von 8 E^-3 mbar zugeführt wurde. Die äußere Schicht haftete an der inneren Schicht aus AITiN an, wobei die äußere Schicht eine kristalline AlTiSiN-Phase und eine kristalline AlSiN-Phase umfasste. Für einen Teil des Aufbringens der äußeren Schicht wurden AITi-Kathoden gemeinsam mit AITiSi-Kathoden verwendet. Die äußere Schicht aus AlTiSiN/AlSiN wies eine Dicke von etwa 0,5 µm auf.
2 stellt ein Glimmentladungs(GDS)spektrum des beschichteten Schneidwerkzeugs dar. Wie im Spektrum dargestellt, nimmt der Anteil des Siliziumgehalts der äußeren Schicht zur inneren Schicht aus TiAIN hin ab, wodurch er einen Silizium-Gradienten in der äußeren Schicht aus AlTiSiN/AlSiN schafft. 3 ist ein Ausschnitt des Glimmentladungsspektrums von 2, der den Silizium-Gradienten der äußeren Schicht aus AlTiSiN/AlSiN nochmals darstellt.
4 stellt ein energiedispersives Spektrum (EDS) der hergestellten Beschichtung dar. Ähnlich wie das GDS zeigte auch das EDS einen Silizium-Gradienten in der äußeren Schicht, wobei der Siliziumgehalt zur inneren Schicht aus AITiN hin abnahm.
5 stellt ein Röntgendiffraktogramm der Beschichtung dar. Das Diffraktogramm von 5 liefert Reflexionen im Zusammenhang mit dem WC-Substrat, der inneren Schicht aus AlTiN und der äußeren Schicht, die Phasen aus kubischem AlTiSiN und hexagonalem AISiN umfasst.
Der Körper des beschichteten Schneidwerkzeugs wurde anschließend einer Nachbeschichtung mit einer Aluminiumoxid-Aufschlämmung unterzogen in Übereinstimmung mit den Parametern für das Strahlen nach dem Abscheiden, die hier vorstehend bestimmt wurden. 6 stellt ein GDS des beschichteten Schneidwerkzeugs nach der Nachbeschichtung dar. Das GDS von 6 zeigt, dass die Nachbeschichtung die Parameter der Zusammensetzung der Beschichtung nicht verändert hat, einschließlich des Silizium-Gradienten in der äußeren Schicht. 7 ist ein Ausschnitt des GDS von 6, der die statische Natur der Zusammensetzung der Beschichtung nach der Nachbeschichtung nochmals darstellt. 8 ist ein EDS der Beschichtung, das ebenfalls im Wesentlichen keine Änderung der Parameter der Zusammensetzung der Beschichtung nach der Nachbeschichtung zeigt.
Darüber hinaus zeigt 9 ein Röntgendiffraktogramm der Beschichtung nach der Nachbeschichtung. Wie 9 zeigt, blieben die kristallinen AlTiSiN- und AlSiN-Phasen der äußeren Schicht nach der Nachbeschichtung erhalten.
BEISPIEL 2
Standzeit des Schneidwerkzeugs

Hier beschriebene beschichtete Schneidwerkzeuge wurden einer Prüfung der Standzeit im Vergleich mit Schneidwerkzeugen, die nach dem bisherigen Stand der Technik beschichtet waren, unterzogen. Nicht einschränkende Ausführungsformen von beschichteten Schneidwerkzeugen der vorliegenden Erfindung, A, B, C und D, wurden gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 hergestellt. Die Parameter für die Zusammensetzung der Schneidwerkzeuge A, B, C und D und Schneidwerkzeuge gemäß dem bisherigen Stand der Technik, E und F, werden in Tabelle I dargestellt. Tabelle I - Parameter für die Zusammensetzung der Beschichtung

Beschichtetes Schneidwerkzeug	Substrat	Erste Schicht	Zweite Schicht	Strahlen nach dem Abscheiden*
A	WC, Co Bindemittel	AITiN	AlTiSiN/AlSiN	3 Sekunden
B	WC, Co Bindemittel	AITiN	AlTiSiN/AlSiN	3 Sekunden
C	WC, Co Bindemittel	AITiN	AlTiSiN/AlSiN	4 Sekunden
D	WC, Co Bindemittel	AITiN	AlTiSiN/AlSiN	4 Sekunden
E	WC, Co Bindemittel	AITiN	-	-
F	WC, Co Bindemittel	AITiN	-	-

* Nassstrahlen mit 50 µm Aluminiumoxid-Partikel-Wasser-Aufschlämmung

Die beschichteten Schneidwerkzeuge A - F wurden einer Prüfung der Standzeit in einem 304 Edelstahl Außendurchmesser (OD) Drehversuch unterzogen. Die Bedingungen für das Schneiden waren wie folgt:

Schnittgeschwindigkeit - 91 m/min
Vorschub - 0,41 mm/Umdrehung
Schnitttiefe - 2,03 mm
Material des Werkstücks - 304SS
Kühlmittel - Überflutung

Die Ergebnisse der Prüfung der Lebensdauer werden in Tabelle II dargestellt. Tabelle II - Ergebnisse für die Standzeit für ein beschichtetes Schneidwerkzeug

Beschichtetes Schneidwerkzeug Standzeit (Minuten)

A 31,2

B 30,9

C 31,4

D 32,5

E 15,7

F 18,2
Wie in Tabelle II gezeigt, zeigten Schneidwerkzeuge mit einem hier beschriebenen Aufbau der Beschichtung (A - D) einen erheblichen Anstieg der Lebensdauer im Vergleich mit den Schneidwerkzeugen, die nach dem bisherigen Stand der Technik beschichtet waren (E, F).
BEISPIEL 3
Standzeit des Schneidwerkzeugs

Hier beschriebene beschichtete Schneidwerkzeuge wurden einer Prüfung der Standzeit im Vergleich mit Schneidwerkzeugen, die nach dem bisherigen Stand der Technik beschichtet waren, unterzogen. Nicht-einschränkende Ausführungsformen von beschichteten Schneidwerkzeugen der vorliegenden Erfindung, J und K, wurden gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 hergestellt. Die Parameter für die Zusammensetzung der Schneidwerkzeuge J und K und der Schneidwerkzeuge L und M, die nach dem bisherigen Stand der Technik beschichtet waren, sind in Tabelle III dargestellt. Tabelle III - Parameter für die Zusammensetzung der Beschichtung

Beschichtetes Schneidwerkze ug	Substrat	Erste Schic ht	Zweite Schicht	Strahlen nach Abscheiden*
J	WC, Co Bindemitt el	AITiN	AlTiSiN/AlS iN	5 Sekunden
K	WC, Co Bindemitt el	AITiN	AlTiSiN/AlS iN	5 Sekunden
L	WC, Co Bindemitt el	AITiN	-	-
M	WC, Co Bindemitt el	AITiN	-	-

* Nassstrahlen mit 50 µm Aluminiumoxid-Partikel-Wasser-Aufschlämmung

Die beschichteten Schneidwerkzeuge J - M wurden einer Prüfung der Lebensdauer in einem Inconel 718 Außendurchmesser (OD) Drehversuch unterzogen. Die Bedingungen für das Schneiden waren wie folgt:

Schnittgeschwindigkeit - 91 m/min
Vorschub - 0,15 mm/Umdrehung
Schnitttiefe - 0,25 mm
Material des Werkstücks - IN718
Kühlmittel - Überflutung

Die Ergebnisse der Prüfung der Lebensdauer werden in Tabelle IV dargestellt. Tabelle IV - Ergebnisse für die Standzeit für ein beschichtetes Schneidwerkzeug

Beschichtetes Schneidwerkzeug Lebensdauer (Minuten)

J 12,5

K 12,8

L 10,8

M 9,0
Wie in Tabelle IV dargestellt, zeigten Schneidwerkzeuge mit einem hier beschriebenen Aufbau der Beschichtung (J, K) einen Anstieg der Standzeit im Vergleich mit den Schneidwerkzeugen, die nach dem bisherigen Stand der Technik beschichtet waren (L, M).

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: ein Substrat; und eine Beschichtung, die an dem Substrat anhaftet, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst: eine innere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und die AITiN umfasst, oder die Aluminium und ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente umfasst, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind; und eine äußere Schicht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung über der inneren Schicht aufgebracht wird, wobei die äußere Schicht eine erste Phase umfasst, die aus AlTiSiN zusammengesetzt ist, oder die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren metallischen Elementen, die aus der aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen zusammengesetzt ist, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und wobei die äußere Schicht eine weitere Phase umfasst, die aus Aluminium und Silizium und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen zusammengesetzt ist, die aus der aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems bestehenden Gruppe ausgewählt sind, oder die aus Al_1-kSi_kN mit 0 ≤ k < 1 zusammengesetzt ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die innere Schicht polykristallin ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Schicht polykristallin ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das AITiN der inneren Schicht Al_aTi_1-aN mit 0 < a < 1 umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei 0,35 ≤ a ≤ 0,75 ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das AlTiSiN der äußeren Schicht Al_mTi_1-(m+z)Si_zN mit 0 < m < 1 und 0 < z < 1 und (m+z) < 1 umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei 0,05 ≤ m ≤ 0,7 und 0,01 ≤ z ≤ 0,3 ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei das Al_mTi_1-(m+z)Si_zN eine kubische kristalline Phase aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei das Al_mTi_1-(m+z)Si_zN mehr als 50 % der äußeren Schicht bildet.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Al_1-kSi_kN eine hexagonale Kristallstruktur aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Al_1-kSi_kN von 1 % bis 35 % der äußeren Schicht bildet.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Siliziums in der äußeren Schicht zur inneren Schicht hin abnimmt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Wolframcarbid-Hartmetall umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Druckeigenspannung aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Druckeigenspannung mindestens 2500 MPa beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Druckeigenspannung mindestens 3400 MPa aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung nach dem Abscheiden gestrahlt ist.