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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft einen beschichteten Gegenstand, wobei der beschichtete Gegenstand ein Substrat und auf dem Substrat eine Beschichtungsanordnung umfasst. Derartige beschichtete Gegenstände sind bei Anwendungen von Nutzen, die eine Verschleißbeständigkeit erfordern, wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, beim Metallschneiden, Metallumformen, und bei Reibungsanwendungen, um die Nutzungsdauer von Verschleißteilen zu verlängern. Auf spezifischere Weise betrifft die Erfindung einen derartigen beschichteten Gegenstand, wobei die Beschichtungsanordnung einen PVD-Beschichtungsbereich umfasst. Der PVD-Beschichtungsbereich umfasst eine oder mehrere Beschichtungslagen, die mittels Techniken der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht wurden, und wobei mindestens eine Beschichtungslage Yttrium enthält. Die Beschichtungslage kann eine Dicke von mehr als ungefähr 100 Nanometern haben, oder die Beschichtungslage kann, auf nicht-einschränkende Weise, eine Nanoschicht(en) sein, wobei die Dicke höchstens ungefähr 100 Nanometer beträgt. Der PVD-Beschichtungsbereich ist von großer Härte, um geeignete Verschleißeigenschaften zu verleihen.
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Bei den Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) (die oftmals einfach als Dünnschichtverfahren bezeichnet werden) handelt es sich um Abscheidungsverfahren auf Atomebene, wobei ein Material ausgehend von einer feststofflichen Quelle in Form von Atomen verdampft wird und gasförmig durch ein Vakuum oder ein Umfeld aus Gas (oder Plasma), in welchem ein Vakuum oder ein geringer Druck herrscht, zum Substrat transportiert wird, wo es kondensiert.
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Typischerweise werden PVD-Verfahren verwendet, um Dünnschichten mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen Nanometern bis einigen tausend Nanometern aufzubringen; sie können indes auch verwendet werden, um mehrlagige Beschichtungen, sehr dicke Abscheidungen oder freistehende Strukturen zu bilden. PVD-Verfahren können verwendet werden, um Dünnschichten aus Elementen oder Legierungen abzuscheiden, aber auch Verbindungen, die reaktive Abscheideverfahren durchlaufen. In den reaktiven Abscheideverfahren werden die Verbindungen gebildet, indem das Abscheidematerial mit der gasförmigen Umgebung, wie etwa mit Stickstoff, reagiert (z. B. Titannitrid, TiN). Siehe Donald M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, Society of Vakuum Coaters, Albuquerque, New Mexico (1998), S. 3–4.
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Im Handel sind beschichtete Produkte erhältlich, die eine harte PVD-Beschichtung aufweisen. In Tabelle 1 sind die chemischen Formeln, die Härte und weitere Eigenschaften aufgeführt. Tabelle 1 – Eigenschaften von PVD-Beschichtungen für beschichtete Schneidplatten, die im Handel erhältlich sind
| Bezeichnung der Beschichtung | Chemische Formel | Lagen | Härte (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) |
| TiN | TiN | Einlagige Beschichtung | 24,8 | 551 |
| TiN/TiCN multi | TiN/TiCN | Satz mehrerer abwechselnder Beschichtungslagen aus TiN und TiCN | 30,1 | 545 |
| TiAlN | (Ti 55 At-% Al 45 At-%)N | Einlagige Beschichtung | 27,6 | 552 |
| TiN/AlTiN | (Ti 60 At-% Al 40 At-%)N | Satz mehrerer abwechselnder Beschichtungslagen aus TiN und AlTiN | 28,5 | 541 |
| AlTiN | (Ti 37 At-% Al 63 At-%)N | Einlagige Beschichtung | 25,2 | 359 |
| AlCrN | (Cr 37 At-% Al 63 At-%)N | Einlagige Beschichtung | 29,4 | 514 |
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In Tabelle 1 ist die chemische Formel der Beschichtungsanordnung insgesamt in Atomprozent der Elemente, mit Ausnahme von Stickstoff, angegeben. Die Härte und das Elastizitätsmodul sind in GPa (Gigapascal) aufgeführt und wurden mittels eines Nano-Eindringprüfverfahrens gemessen. Genauer gesagt, wurden die Härte und das Elastizitätsmodul unter Anwendung des Nano-Eindringprüfverfahrens gemäß der Norm ISO 14577-1 mit einer Eindringtiefe von 0,25 μm bestimmt.
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Bei Metallschneideanwendungen und Ähnlichem verlängert eine Beschichtungslage mit einer erhöhten Härte typischerweise die Werkzeugnutzungsdauer der beschichteten Schneidplatte, und eine geringere Härte verkürzt typischerweise die Werkzeugnutzungsdauer der beschichteten Schneidplatte. Dieser Zusammenhang scheint bei Metallumformungs- und Reibungsanwendungen (z. B. bei Verschleißteilen) gegeben zu sein.
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Die
US-Patentschrift Nr. 6,033,768 , erteilt an Muenz et al., betrifft einen harten Werkstoff zur Verwendung mit Schneidewerkzeugen, insbesondere zur Verwendung in der kühlmittel- und schmiermittelfreien Bearbeitung von Metallen wie Stählen für Prägestempel oder Aluminiumlegierungen. Gemäß Muenz et al. erfolgt ein Yttriumzusatz in der Größenordnung von 0,1 bis 4,0 Atomprozent, vorzugsweise in der Größenordnung von 1,5 bis 2,0 Atomprozent, zu ternären TiAlN-Legierungen, oder bei den folgenden mehrlagigen Beschichtungen: TiAlN/CrN, TiAlN/ZrN, TiAlN/TiN, TiAlN/MoN und TiAlN/WN. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Yttrium bei Muenz et al. ungleichmäßig über die gesamte Schicht aus hartem Werkstoff verteilt sein, in der Wachstumsrichtung der Beschichtung. Unter Abwendung dessen, was nach Muenz et al. als ”bevorzugte Abscheidungsbedingungen” bezeichnet wird, besteht die Nitridbeschichtung zu 40 At-% aus Titan, zu 56 At-% aus Aluminium, zu 2 At-% aus Yttrium und zu 2 At-% aus Chrom.
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Die veröffentlichte PCT-Patentanmeldung
WO 2009/110829 , erteilt an Johansson et al., betrifft ein beschichtetes Schneidewerkzeug, wobei die Beschichtung mindestens eine Lage aus (Ti1-(x + z)SiXMez)N mit kubischer Struktur umfasst, wobei 0,04 < x < 0,20 und 0 < z < 0,10, wobei Me eines oder mehrere von Y, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Fe und Zn ist, vorzugsweise Y, Nb, Mo und Fe. Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. US 2010/0129168 A1, erteilt an Waki et al., betrifft eine Beschichtungslage, die eine erste Lage und eine zweite Lage besitzt. Die erste Lage umfasst Ti1-a-b-c-d AlaWbSicMd(C1 – xN), wobei M eines ist, das aus Nb, Mo, Ta, Hf und Y ausgewählt ist. Die zweite Lage umfasst Ti1-e-f-g AleSifM'g(C1 – xN), wobei M' eines ist, das aus Nb, Mo, Ta, Hf und Y ausgewählt ist.
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Es wäre sehr erstrebenswert, einen beschichteten Gegenstand bereitzustellen, der eine harte Beschichtung hat, welche verbesserte Eigenschaften aufweist, wobei der beschichtete Gegenstand bei Anwendungen von Nutzen ist, die eine Verschleißbeständigkeit erfordern, wie beispielsweise beim Metallschneiden, Metallumformen, und bei Reibungsanwendungen, um die Nutzungsdauer von Verschleißteilen zu verlängern. Es wäre weiterhin sehr erstrebenswert, einen derartigen beschichteten Gegenstand herzustellen, der eine harte Beschichtung aufweist, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird und derartige verbesserte Eigenschaften zeigt.
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Weiterhin wäre es sehr erstrebenswert, einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitzustellen, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften (z. B. eine erhöhte Härte) zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist. Weiterhin wäre es sehr erstrebenswert, einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitzustellen, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften (z. B. eine geringere Korngröße) zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist. Weiterhin wäre es sehr erstrebenswert, einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitzustellen, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer Form handelt es sich bei der Erfindung um einen beschichteten Gegenstand, der ein Substrat und eine Beschichtungsanordnung umfasst. Die Beschichtungsanordnung umfasst einen PVD-Beschichtungsbereich, der mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, wobei der Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium besteht. Die Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium liegt zwischen ungefähr 3 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen. Der Gehalt an Yttrium liegt zwischen ungefähr 0,5 Atomprozent und ungefähr 5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen.
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In einer weiteren ihrer Formen handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtungslage auf ein Substrat, wobei es die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats; und Aufbringen einer Beschichtungsanordnung auf das Substrat, wobei die Beschichtungsanordnung einen PVD-Beschichtungsbereich umfasst, der mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird. Der PVD-Beschichtungsbereich enthält Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium besteht. Die Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium beträgt mindestens ungefähr 3 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen sowie höchstens ungefähr 55 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen. Der Gehalt an Yttrium beträgt mindestens ungefähr 0,5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen sowie höchstens ungefähr 5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen, die Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung sind:
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1 ist eine isometrische Ansicht einer spezifischen Ausführungsform einer Schneidplatte, die den Aufbau eines SNMA-Schneidewerkzeugs hat und auf die eine erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung aufgebracht wurde;
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2 ist eine photomikrographische Querschnittsaufnahme (mit einer 5-Mikrometer-Skala) der Bruchfläche einer Beschichtungslage aus (Ti 57,3 At-% Al 38,3 At-% Y 4,4 At-%)N, mit einer Verbindungsschicht aus Titannitrid zwischen der Ti-Al-Y-N-Beschichtungslage und dem Substrat;
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3 ist eine photomikrographische Querschnittsaufnahme (mit einer 5-Mikrometer-Skala) der Bruchfläche einer Beschichtungslage aus (Ti 55 At-% Al 45 At-%)N, wobei es sich nicht um eine erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung handelt;
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4 ist ein Röntgenbeugungsspektrum (XRD), das die Beschichtung und das Substrat einer Beschichtungslage aus (Ti 33,2 At-% Al 59 At-% Y 7,8 At-%)N zeigt, wobei die Beschichtungslage eine amorphe Struktur hat;
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5 ist ein Röntgenbeugungsspektrum (XRD), das die Beschichtung und das Substrat einer Beschichtungslage aus (Ti 37 At-% Al 63 At-%)N zeigt, wobei die geschätzte Korngröße gleich 15 Nanometer ist, und wobei diese Beschichtung keine erfindungsgemäße Beschichtung darstellt;
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6 ist eine graphische Darstellung der Härte (GPa) und der Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium (in Atomprozent der Elemente, mit Ausnahme des Stickstoffs), für die Ti-Al-Y-N-Beschichtungslagen;
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7 ist eine photographische Aufnahme, die den Kolkverschleiß an einem erfindungsgemäßen Schneidewerkzeug, das mit TiN/TiAlYN beschichtet ist, zeigt;
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8 ist eine photographische Aufnahme, die den Kolkverschleiß an einem Schneidewerkzeug zeigt, das mit TiN/TiAlYN beschichtet ist, wobei diese Beschichtungsanordnung keine erfindungsgemäße Beschichtung darstellt; und
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9 ist eine schematische Ansicht der Beschichtungsanordnung des Beispiels IN #67.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft einen beschichteten Gegenstand, wobei der beschichtete Gegenstand ein Substrat und eine Beschichtungsanordnung umfasst. Derartige beschichtete Gegenstände sind bei Anwendungen von Nutzen, die eine Verschleißbeständigkeit erfordern, wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, beim Metallschneiden, Metallumformen und bei Reibungsanwendungen, um die Nutzungsdauer von Verschleißteilen zu verlängern. Im Zusammenhang der Erfindung umfasst die Beschichtungsanordnung einen PVD-Beschichtungsbereich, der eine oder mehrere Beschichtungslagen umfasst, welche mittels Techniken der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht werden. Der PVD-Beschichtungsbereich ist von großer Härte, um geeignete Verschleißeigenschaften bereitzustellen. Die Beschichtungslagen im PVD-Beschichtungsbereich haben eine Dicke im Bereich von mehr als ungefähr 100 Nanometer und ungefähr 10 Mikrometern. Bei den Beschichtungslagen kann es sich weiterhin, ohne dass dies eine Einschränkung darstellen würde, um Nanolagen handeln, wobei die Dicke jeder Lage weniger als ungefähr 100 Nanometer beträgt.
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Auf spezifischere Weise betrifft die Erfindung einen beschichteten Gegenstand, der ein Substrat und eine Beschichtungsanordnung umfasst. Die Beschichtungsanordnung umfasst einen PVD-Beschichtungsbereich, der mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, wobei der Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium besteht. Die Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium liegt zwischen ungefähr 3 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen, mit Ausnahme von Stickstoff. Der Gehalt an Yttrium liegt zwischen ungefähr 0,5 Atomprozent und ungefähr 5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen, mit Ausnahme von Stickstoff.
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Bezüglich des Verfahrens betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtungslage auf ein Substrat, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats; und Aufbringen einer Beschichtungsanordnung auf das Substrat, wobei die Beschichtungsanordnung einen PVD-Beschichtungsbereich umfasst, der mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird; und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium besteht; und wobei die Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium mindestens ungefähr 3 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen und höchstens ungefähr 55 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen, mit Ausnahme von Stickstoff, beträgt, und der Gehalt an Yttrium mindestens ungefähr 0,5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen und höchstens ungefähr 5 Atomprozent der Summe an Aluminium, Yttrium und den weiteren Elementen, mit Ausnahme von Stickstoff, beträgt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine beschichtete Schneidplatte, die im Allgemeinen mit 20 bezeichnet wird. Die beschichtete Schneidplatte 20 hat einen SNMA-Aufbau; wobei die beschichtete Schneidplatte jedoch einen beliebigen geeigneten Aufbau haben kann. Die beschichtete Schneidplatte 20 hat ein Substrat 22 und eine Beschichtungsanordnung 24. Die beschichtete Schneidplatte 20 hat Seitenflächen 28 und eine Neigungsfläche 30, wobei sich eine Schneidkante 32 an der Verbindung zwischen den Seitenflächen 28 und der Neigungsfläche 30 befindet.
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Wie bereits erwähnt, enthält der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist. Der Zusatz von Yttrium zu der Beschichtung bewirkt eine Verringerung der Korngröße des PVD-Beschichtungsbereichs. Typischerweise führt die Verringerung der Korngröße in der Beschichtungslage gemäß der Hall-Petch-Beziehung zu einer Erhöhung der Härte. Beim Zusatz von Yttrium zu einer Beschichtung mit einem hohen Aluminiumgehalt, d. h. mit einem Aluminiumgehalt von mehr als ungefähr 60 bis ungefähr 65 Atomprozent bezogen auf die weiteren Elemente mit Ausnahme von Stickstoff, muss jedoch darauf geachtet werden, dass dies zu einer Beschichtung mit einer amorphen Mikrostruktur führen kann.
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2 ist eine photomikrographische Querschnittsaufnahme (mit einer 5-Mikrometer-Skala) der Bruchfläche einer Beschichtungslage aus (Ti 57,3 At-% Al 38,3 At-% Y 4,4 At-%)N, mit einer Verbindungsschicht aus Titannitrid zwischen der Ti-Al-Y-N-Beschichtungslage und dem Substrat. Auf dieser photomikrographischen Aufnahme ist zu erkennen, dass die Ti-Al-Y-N-Beschichtungslage eine verringerte Korngröße hat. Die Verringerung der Korngröße führt zu einer Erhöhung der Härte, welche bei Verschleißanwendungen eine erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Es sollte erwählt werden, dass eine erhöhte Härte selbstverständlich auch bei Metallumformungsanwendungen und Reibungsanwendungen erstrebenswert ist, um die Nutzungsdauer von Verschleißteilen zu verlängern.
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Die Darstellung der Korngröße in 2 steht im Gegensatz zu der Korngröße einer Ti-Al-N-Beschichtungslage wie sie in 3 dargestellt ist. 3 ist nämlich eine photomikrographische Querschnittsaufnahme (mit einer 5-Mikrometer-Skala) der Bruchfläche einer Beschichtungslage aus (Ti 55 At-% Al 45 At-%)N. Die Korngröße der Ti-Al-N-Beschichtungslage der 3 ist größer als die Korngröße der Ti-Al-Y-N-Beschichtungslage der 2. Hinsichtlich der größeren Korngröße im PVD-Beschichtungsbereich der 2 wäre nicht zu erwarten, dass diese eine ebenso große Härte wie die kleinere Korngröße bewirkt, die in 2 dargestellt ist.
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Wie oben erwähnt, kann der Zusatz von Yttrium zu einer Beschichtung mit einem hohen Aluminiumgehalt, d. h. mit einem Aluminiumgehalt von mehr als ungefähr 60 bis ungefähr 65 Atomprozent, bezogen auf die weiteren Elemente mit Ausnahme von Stickstoff, zu einer amorphen Mikrostruktur führen. Diesbezüglich ist die 4 ein Röntgenbeugungsspektrum (XRD), das die Beschichtung und das Substrat einer Beschichtungslage aus (Ti 33,2 At-% Al 59 At-% Y 7,8 At-%)N zeigt, wobei die Beschichtungslage eine amorphe Struktur hat. In 4 handelt es sich bei dem Substrat um Hartmetall. Dies steht im Gegensatz zu der Korngröße einer Ti-Al-N-Beschichtungslage wie sie in 5 dargestellt ist. 5 ist ein Röntgenbeugungsspektrum (XRD), das die Beschichtung und das Substrat einer Beschichtungslage aus (Ti 37 At-% Al 63 At-%)N zeigt, wobei die geschätzte Korngröße gleich 15 Nanometer ist. In 5 handelt es sich bei dem Substrat um Wolframcarbid mit einem Kobaltbinder.
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Es wurden eine Reihe von Beispielen unter Verwendung von PVD-Techniken hergestellt, wobei der PVD-Beschichtungsbereich als Bestandteil der Beschichtungsanordnung auf das Substrat aufgebracht wurde. Der PVD-Beschichtungsbereich wurde unter Anwendung des Verfahrens der plasmaunterstützten kathodischen Lichtbogen-PVD unter Einhaltung der folgenden Parameter aufgebracht. Die Abscheidetemperaturen lagen im Bereich von ungefähr 400°C bis ungefähr 600°C. Der PVD-Beschichtungsbereich wurde in einer Stickstoffatmosphäre aufgebracht, wobei der Stickstoffdruck im Bereich von ungefähr 1E-2 bis 5E-2 (1 × 10–2 bis 5 × 10–2) mbar (Millibar) lag. Die Substratvorspannung lag im Bereich von ungefähr –40 Volt bis ungefähr –100 Volt.
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Die spezifischen Beispiele und einige ihrer Eigenschaften sind im Folgenden in Tabelle A bis Tabelle C aufgeführt. Die Zusammensetzungen sind in Atomprozent angegeben, unter Bezugnahme auf die Elemente, die im PVD-Beschichtungsbereich vorliegen, mit Ausnahme von Stickstoff. In Tabelle A sind die Härte und das Elastizitätsmodul in GPa (Gigapascal) angegeben, und sie wurden mittels des Nano-Eindringprüfverfahrens gemäß der
Norm ISO 14577-1:2002 gemessen, welche die Bezeichnung 'Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter – Teil 1: Prüfverfahren' trägt. Die Eindringtiefe wurde auf 0,25 Mikrometer eingestellt. Tabelle A Zusammensetzung und ausgewählte Eigenschaften von einlagigen Beschichtungen
| Beispiel | Bezeichnung der Beschichtung | Ti (At-%) | Al (At-%) | Y (At-%) | Al + Y (At-%) | Härte (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) | Dicke (Mikrometer) |
| IN #51 | TiAlYN | 57,3 | 38,3 | 4,4 | 42,7 | 32,4 | 459 | 3,4 |
| R #206 | AlTiYN | 33,2 | 59 | 7,8 | 66,8 | 22,6 | 277 | 4,2 |
| R #94 | AlCrYN | Cr = 34,3 Ti = 0 | 58,4 | 7,3 | 65,7 | 26,5 | 401 | 3,9 |
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In Tabelle A sind Angaben zu Beispielen aufgeführt, bei denen der PVD-Beschichtungsbereich eine einzige Beschichtungslage umfasst. Tabelle B Zusammensetzung und ausgewählte Eigenschaften von mehrlagigen Beschichtungen
| Beispiel | Bezeichnung der Beschichtung | Ti (At-%) | Al (At-%) | Y (At-%) | Al + Y (At-%) | Härte (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) | Dicke (Mikrometer) |
| IN #67 | TiAlYN | 60,2 | 35,7 | 4,1 | 39,8 | 32 | 473 | 4,2 |
| IN #99 | TiAlYN | 56,4 | 39,6 | 4 | 43,6 | 34,1 | 483 | 4,3 |
| IN #135 | TiAlYN | 92,7 | 6,5 | 0,8 | 7,3 | 30,6 | 515 | 4,8 |
| IN #100 | AlTiYN | 92 | 7 | 1 | 8 | 31,1 | 497 | 3,7 |
| IN #115 | 2AlTiYN | 93,2 | 5,9 | 0,8 | 6,7 | 30,6 | 494 | 4,9 |
| IN #101 | AlTiYN | 89,9 | 8,9 | 1,2 | 10,1 | 31,8 | 489 | 4,0 |
| IN #103 | AlTiYN | 86,1 | 12,3 | 1,6 | 13,9 | 33 | 456 | 4,7 |
| IN #87 | TiAlSiYN | 62,8 Si = 3,4 | 31,1 | 2,6 | 33,7 | 34,6 | 466 | 4,0 |
| R #214 | TiAlCrYN | Ti = 12,9 Cr = 27,8 | 53,9 | 5,4 | 59,3 | 30,1 | 512 | 4,3 |
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In Tabelle B sind Angaben zu Beispielen aufgeführt, bei denen der PVD-Beschichtungsbereich mehrere Beschichtungslagen umfasst. Bei der Zeichnung in
9 handelt es sich um eine schematische Zeichnung, welche die Beschichtungsanordnung der beschichteten Schneidplatte zeigt, die in Tabelle B als Beispiel IN #67 bezeichnet ist. Die Schneidplatte trägt im Allgemeinen die Bezeichnung
100. Die Schneidplatte
100 hat ein Substrat
102 mit einer Oberfläche
104 sowie, auf der Oberfläche
104, eine Beschichtungsanordnung (Klammer
106). Die Beschichtungsanordnung
106 enthält eine Beschichtungsgrundlage
108 aus Titannitrid. Ein Beschichtungsbereich, der mittels der Klammer
110 dargestellt ist, befindet sich auf der Beschichtungsgrundlage
108. Der Beschichtungsbereich
110 umfasst vierzehn Sätze sich abwechselnder Beschichtungslagen (siehe Klammer
114 für jeden der Sätze). Jeder Satz
114 umfasst eine erste Beschichtungslage aus Titan-Aluminium-Yttrium und Stickstoff
118 sowie eine zweite Beschichtungslage aus Titan-Aluminium-Yttrium und Stickstoff
120, die einen höheren Titangehalt aufweist. Der verbleibende Abschnitt (siehe Klammer
124) des Beschichtungsbereichs
110 umfasst dreizehn Sätze sich abwechselnder Beschichtungslagen (
118,
120). Die Beschichtungsanordnung
106 hat eine obere Beschichtungslage
126, die Titan-Aluminium-Yttrium und Stickstoff umfasst, wobei sie sich auf der am weitesten außen liegenden Beschichtungslage des Beschichtungsbereichs
110 befindet. Tabelle C Zusammensetzung und ausgewählte Eigenschaften von nanolagigen Beschichtungen
| Beispiel | Bezeichnung der Beschichtung | Ti (At-%) | Al (At-%) | Y (At-%) | Al + Y (At-%) | Härte (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) | Dicke (Mikrometer) |
| IN #113 | TiAlYN | 91,8 | 7,4 | 0,8 | 8,2 | 28 | 486 | 4,6 |
| IN #114 | TiAlYN | 86,5 | 11,9 | 1,6 | 13,5 | 31,6 | 512 | 4,1 |
| IN #116 | AlTiYN | 90,9 | 8,1 | 1 | 9,1 | 31,4 | 505 | 5,1 |
| IN #117 | AlTiYN | 84 | 14,1 | 1,9 | 16 | 30,9 | 501 | 3,2 |
| IN #104 | AlTiYN | 74,1 | 23,2 | 2,7 | 25,9 | 33,8 | 482 | 5,3 |
| IN #105 | AlTiYN | 74,5 | 24 | 1,5 | 25,5 | 31,7 | 461 | 5,3 |
| IN #106 | AlTiYN | 46,5 | 50,3 | 3,2 | 53,5 | 27 | 337 | 4 |
| R #259 | AlTiYN | 45,8 | 50,8 | 3,4 | 54,2 | 28 | 424 | 2,9 |
| R #265 | AlTiYN | 51,8 | 46,9 | 1,3 | 48,2 | 31,3 | 521 | 3,8 |
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In Tabelle C sind Angaben zu Beispielen aufgeführt, bei denen der PVD-Beschichtungsbereich Nanolagen umfasst.
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6 ist eine graphische Darstellung der Härte (GPa) und der Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium (in Atomprozent), für die Ti-Al-Y-N-Beschichtungslagen. Wie aus der graphischen Darstellung hervorgeht, gibt es eine Spannbreite der Fraktion Al + Y, in welcher die Härte der Beschichtung den größtmöglichen Wert erreicht.
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Es wurden Schneideversuche durchgeführt, um die Schneidleistung beschichteter Schneidplatten zu bewerten, die eine Beschichtungsanordnung haben, welche die yttriumhaltigen Beschichtungslagen umfasst. Dies betraf eine erfindungsgemäß beschichtete Schneidplatte mit einer TiN/TiAlYN-haltigen Beschichtungsanordnung im Vergleich mit einer herkömmlich beschichteten Schneidplatte mit einer TiN/TiAlN-Beschichtungsanordnung. Die herkömmlich beschichtete Schneidplatte hat eine mehrlagige TiN-TiAlN-Beschichtungsanordnung, wobei es sich um eine standardmäßige Beschichtungsanordnung handelt, die bei Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvania 15650 unter der Bezeichnung ”VF” erhältlich ist. Die Schneidebedingungen/parameter waren wie folgt: der Bearbeitungsvorgang war ein Drehvorgang; der Schneidplatten-Typ war SNMA120408; das Werkstück bestand aus dem Werkstoff Stahl 4140; die Geschwindigkeit betrug 660 sfm (surface feet per minute) [201,17 Oberflächenmeter pro Minute], der Vorschub in Inch per revolution (ipr) betrug 0,012 ipr [0,031 Zentimeter pro Umdrehung] und die Schneidtiefe betrug 0,06 Inch (1,5 Millimeter). Der Drehvorgang galt als nicht erfolgreich, wenn ein Kolkverschleiß von 0,004 Inch (0,1 Millimeter) festgestellt wurde.
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Unter Bezugnahme auf die Ergebnisse war die Werkzeuglebensdauer bei der herkömmlich beschichteten Schneideplatte mit einer TiN/TiAlN-Beschichtungsanordnung gleich 16,8 Minuten. Die Werkzeuglebensdauer bei der erfindungsgemäß beschichteten Schneideplatte mit einer TiN/TiAlYN-Beschichtungsanordnung war gleich 26,6 Minuten. Weiterhin handelt es sich bei 7 um eine photographische Aufnahme, die den Kolkverschleiß an einer Schneidplatte, welche mit TiN/TiAlYN beschichtet ist, zeigt. Bei 8 handelt es sich um eine photographische Aufnahme, die den Kolkverschleiß an einer Schneidplatte, welche mit TiN/TiAlN beschichtet ist, zeigt. Beim Betrachten der 7 und 8 wird ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Schneidplatte mit TiN/TiAlYN-Beschichtung weniger Kolkverschleiß erfährt, als dies bei der herkömmlichen Schneidplatte mit TiN/TiAlN-Beschichtung der Fall ist.
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Es wurden weitere Metallschneideversuche durchgeführt, wobei die erfindungsgemäß beschichteten Schneidplatten mit herkömmlich beschichteten Schneidplatten verglichen wurden. Die herkömmlich beschichtete Schneidplatte hat eine mehrlagige TiN-TiAlN-Beschichtungsanordnung, wobei es sich um eine standardmäßige Beschichtungsanordnung handelt, die bei Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvania 15650 unter der Bezeichnung ”VF” erhältlich ist. Die Schneidebedingungen/-parameter waren wie folgt: der Bearbeitungsvorgang war ein Drehvorgang; der Schneidplatten-Typ war SNMA120408; das Werkstück bestand aus dem Werkstoff Stahl 4140; die Geschwindigkeit betrug 660 sfm (surface feet par minute) [201,17 Oberflächenmeter pro Minute], der Vorschub in Inch per revolution (ipr) betrug 0,012 ipr [0,031 Zentimeter pro Umdrehung] und die Schneidtiefe betrug 0,06 Inch (1,5 Millimeter). Der Drehvorgang galt als nicht erfolgreich, wenn ein Kolkverschleiß von 0,004 Inch (0,1 Millimeter) festgestellt wurde.
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Die Versuchsergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle D aufgeführt. Tabelle D. Vergleich der herkömmlich beschichteten Schneidplatten mit den erfindungsgemäß beschichteten Schneidplatten
| Beispiel | Werkzeuglebensdauer (Minuten) |
| Herkömmliches TiN/TiAlN | 14,5 |
| Herkömmliches AlTiN | 12,5 |
| IN #134 | 24,4 |
| IN #135 | 22,2 |
| IN #136 | 22,3 |
| IN #137 | 12,7 |
Tabelle E Zusammensetzung und ausgewählte Eigenschaften von nanolagigen Beschichtungen
| Beispiel | Härte (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) | Dicke (Mikrometer) |
| IN #134 | 30,9 | 481 | 5 |
| IN #135 | 30,6 | 515 | 4,8 |
| IN #136 | 33 | 478 | 5 |
| IN #137 | 34,3 | 478 | 3,6 |
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Die Zusammensetzung der Beschichtung für die Beispiele IN#134 bis IN#137 enthält Titan, Aluminium, Yttrium und Stickstoff. Die Summe der Gehalte an Titan, Aluminium und Yttrium beträgt 100 Atomprozent. Die Summe der Gehalte an Aluminium und Yttrium (in Atomprozent) liegt zwischen ungefähr 3 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent der Summe (in Atomprozent) der Gehalte an Aluminium, Yttrium und Titan (in Atomprozent). Der Gehalt an Yttrium (in Atomprozent) liegt zwischen ungefähr 0,5 Atomprozent und ungefähr 5 Atomprozent der Summe der Gehalte an Aluminium, Yttrium und Titan (in Atomprozent).
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Beim Betrachten der Tabelle D wird ersichtlich, dass die meisten der erfindungsgemäß beschichteten Schneidplatten, die eine yttriumhaltige Beschichtung haben, gegenüber den herkömmlich beschichteten Schneidplatten, deren Beschichtungen kein Yttrium enthalten, eine erheblich erhöhte Werkzeuglebensdauer haben.
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Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen beschichteten Gegenstand bereitstellt, der eine harte Beschichtung hat, welche verbesserte Eigenschaften aufweist, wobei der beschichtete Gegenstand bei Anwendungen von Nutzen ist, die eine Verschleißbeständigkeit erfordern, wie beispielsweise beim Metallschneiden, Metallumformen, und bei Reibungsanwendungen, um die Nutzungsdauer von Verschleißteilen zu verlängern. Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitstellt, der eine harte Beschichtung hat, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wurde und derartig verbesserte Eigenschaften zeigt.
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Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitstellt, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften (z. B. eine erhöhte Härte) zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist. Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitstellt, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften (z. B. eine geringere Korngröße) zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist. Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen derartigen beschichteten Gegenstand bereitstellt, der einen PVD-Beschichtungsbereich aufweist, der verbesserte Eigenschaften zeigt, und wobei der PVD-Beschichtungsbereich Aluminium und Yttrium und Stickstoff und mindestens ein Element enthält, welches aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium ausgewählt ist.
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Die Patentschriften und sonstigen Dokumente, die im vorliegenden Schriftstück genannt sind, werden mittels Verweis einbezogen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung wird der Fachmann aus der Beschreibung oder einer praktischen Umsetzung der Erfindung, wie sie im vorliegenden Schriftstück offenbart ist, entnehmen können. Die Beschreibung und die Beispiele sind derart aufzufassen, dass sie lediglich der Erläuterung dienen und den Geltungsbereich der Erfindung nicht einschränken. Der tatsächliche Geltungsbereich und Sinn der Erfindung werden in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6033768 [0007]
- WO 2009/110829 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Donald M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, Society of Vakuum Coaters, Albuquerque, New Mexico (1998), S. 3–4 [0003]
- Norm ISO 14577-1 [0005]
- Norm ISO 14577-1:2002 [0032]
