DE102012109254A1

DE102012109254A1 - Werkzeug mit TiAlCrSiN-PVD-Beschichtung

Info

Publication number: DE102012109254A1
Application number: DE102012109254.0A
Authority: DE
Inventors: Veit Schier
Original assignee: Walter AG
Current assignee: Walter AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: JP6687390B2; US10487388B2; WO2014049105A1; JP2015530270A; KR20150064092A; CN104662195A; CN104662195B; EP2900842B1; EP2900842A1; US20150232978A1; ES2719079T3

Abstract

Werkzeug mit einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl und einer auf dem Grundkörper im PVD-Verfahren aufgebrachten mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung wenigstens eine Lage (A) Tia Al(1-a) N mit 0,33 ≤ a ≤ 1 und mit einer Lagendicke von 20 nm bis 3 µm und wenigstens eine Lage (B) aus einer Abfolge von wenigstens 4 abwechselnd übereinander angeordneten Sub-Lagen Tib Si(1-b) N und Alc Cr(1-c) N mit 0,70 ≤ b ≤ 0,98 und 0,3 ≤ c ≤ 0,75 und mit einer Lagendicke der Sub-Lagen von 0,5 nm bis 15 nm umfasst und optional weiterhin wenigstens eine Lage (C) Tid Si(1-d) N mit 0,70 ≤ d ≤ 0,98 und mit einer Lagendicke von 50 nm bis 1 µm umfasst, wobei die Verschleißschutzbeschichtung weitere Hartstofflagen aufweisen kann und wobei die Lagen (A), (B) und (C) verfahrensbedingt pro Lage bis zu 10 At.-% weitere Metalle, B, C und/oder O enthalten können.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl und einer darauf im PVD-Verfahren aufgebrachten ein- oder mehr-schichtigen Verschleißschutzbeschichtung.
Hintergrund der Erfindung
Schneidwerkzeuge, insbesondere Werkzeuge für die spanende Metallbearbeitung, bestehen aus einem Grundkörper, der beispielsweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl hergestellt ist. Zu Erhöhung der Standzeiten oder auch zu Verbesserung der Schneideigenschaften wird auf den Grundkörper häufig mittels CVD- oder PVD-Verfahren eine ein- oder mehrschichtige Verschleißschutzbeschichtung aus Hartstoffen aufgebracht. Bei den PVD-Verfahren unterscheidet man zwischen verschiedenen Verfahrensvarianten, wie Magnetronsputtern, Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD), Ionenplattierung, Elektronenstrahlverdampfung und Laserablation. Magnetronsputtern und Lichtbogenverdampfen zählen zu den am häufigsten für die Beschichtung von Werkzeugen angewendeten PVD-Verfahren. Innerhalb einzelner PVD-Verfahrensvarianten gibt es wiederum unterschiedliche Modifikationen, wie beispielweise ungepulstes oder gepulstes Magnetronsputtern oder ungepulstes oder gepulstes Lichtbogenverdampfen usw.
Das Target im PVD-Verfahren kann aus einem reinen Metall oder einer Kombination von zwei oder mehr Metallen bestehen. Umfasst das Target mehrere Metalle, so werden alle diese Metalle gleichzeitig in die in dem PVD-Verfahren aufgebaute Lage einer Beschichtung eingebaut. Bei gemischtmetallischen Targets wird Mengenverhältnis der Metalle zueinander in der aufgebauten Lage im Wesentlichen von dem Mengenverhältnis der Metalle in dem Target bestimmt.
Zur Erzeugung bestimmter Metallverbindungen werden dem Reaktionsraum des PVD-Verfahrens reaktive Gase zugeführt, wie z.B. Stickstoff zur Erzeugung von Nitriden, Sauerstoff zur Erzeugung von Oxiden, kohlenstoffhaltige Verbindungen zur Erzeugung von Carbiden oder Gemische dieser Gase zur Erzeugung von entsprechenden Mischverbindungen, wie Carbonitriden, Oxicarbiden etc.
Die WO 96/23911 A1 beschreibt eine Verschleißschutzschicht auf einem Substrat, bestehend aus einer unmittelbar auf dem Substrat aufgebrachten Hartstofflage und darüber einer Abfolge von 10 bis 1000 weiteren Einzellagen, die abwechselnd aus einem metallischen Hartstoff und einem kovalenten Hartstoff mit einer Dicke der Einzellagen zwischen 1 und 30 nm bestehen. Durch die periodisch alternierende Anordnung von Einzellagen aus metallischen Hartstoffen und kovalenten Hartstoffen sollen die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Verschleißschutzschicht verbessert werden.
Die WO 2006/041367 A1 beschreibt ein beschichtetes Schneidwerkzeug aus einem Hartmetallsubstrat und einer im PVD-Verfahren abgeschiedenen Beschichtung, die wenigstens eine Lage aus TiAlN mit einer Dicke von 1,5 bis 5 µm und einer Druckeigenspannung > 4 bis 6 GPa umfasst. Die TiAlN-Lage soll gegenüber bekannten Lagen eine verbesserte Haftung auf dem Untergrund aufweisen.
Die EP 2 298 954 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, bei dem auf einem Substrat mittels PVD-Verfahren eine Hartstoffbeschichtung aufgebracht wird, beispielsweise TiAlN, TiAlCrN oder TiAlCrSiN, wobei während des Abscheidungsverfahrens die Bias-Spannung des Substrates variiert wird. Durch das Verfahren soll eine verbesserte Verschleißbeständigkeit und höhere Lebensdauer des Werkzeugs erzielt werden.
Die EP 1 992 717 beschreibt ein Target zur Abscheidung einer Hartstoffschicht im PVD-Verfahren, welches Ti, Al, Cr, Si, B, C und N innerhalb verschiedener Mengenbereiche enthalten kann.
Die EP 1 174 528 beschreibt ein Schneidwerkzeug mit einer mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung, welche eine erste Hartstofflage und eine zweite Hartstofflage umfasst, wobei die erste Hartstofflage eines oder mehrere der Metalle Ti, Al und Cr und eines oder mehrere der Nichtmetalle N, B, C und O enthält und die zweite Hartstofflage Si und eines oder mehrere der Metalle der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Al und eines oder mehrere der Nichtmetalle N, B, C und O enthält.
Für bestimmte Metallbearbeitungsvorgänge, wie z.B. das Fräsen und Drehen, werden besonders hohe Anforderungen an das Werkzeug gestellt. Wichtige Parameter für solche Werkzeuge sind Hochtemperaturbeständigkeit, hohe Härte, hohe Risszähigkeit und ein hoher Elastizitätsmodul (E-Modul, Youngscher Modul).
Schneidwerkzeuge und deren Verschleißschutzbeschichtungen sind in der Regel für bestimmte Anwendungen ausgelegt, wobei hinsichtlich der vorgenannten Eigenschaften, soweit sie für die Anwendung wesentlich sind, üblicherweise Kompromisse eingegangen werden, da nicht alle gewünschten Eigenschaften gleichzeitig optimiert werden können. Es besteht daher ein Bedarf, die für bestimmte Anwendungen wichtigen Eigenschaften von Verschleißschutzbeschichtungen weiter zu verbessern.
Bekannte Ti₈₅Si₁₅N-Lagen in Verschleißschutzbeschichtungen besitzen beispielsweise sehr hohe Härte und sehr hohe E-Moduli, aber vergleichsweise schlechte tribochemische Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Ähnliches trifft auf Al₇₀Cr₃₀N-Lagen zu. Im Gegensatz dazu zeigen Ti₅₀Al₅₀N-Lagen zwar besseres tribochemisches Verhalten bei hohen Temperaturen, aber sie besitzen eine geringere Härte und geringere E-Moduli.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere Stählen, bereitzustellen mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Beschichtung mit hoher Härte, hoher Risszähigkeit, hohem Elastizitätsmodul und guter Hochtemperaturbeständigkeit, insbesondere für das Fräsen, Bohren und Drehen von Stählen.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Werkzeug mit einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl und einer auf dem Grundkörper im PVD-Verfahren aufgebrachten mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung, wobei die Verschleißschutzbeschichtung wenigstens eine Lage
(A) Ti_a Al_(1-a) N mit 0,33 ≤ a ≤ 1 und mit einer Lagendicke von 20 nm bis 3 µm und wenigstens eine Lage
(B) aus einer Abfolge von wenigstens 4 abwechselnd übereinander angeordneten Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N mit 0,70 ≤ b ≤ 0,98 und 0,3 ≤ c ≤ 0,75 und mit einer Lagendicke der Sub-Lagen von 0,5 nm bis 15 nm umfasst
und optional weiterhin wenigstens eine Lage
(C) Ti_d Si_(1-d) N mit 0,70 ≤ d ≤ 0,98 und mit einer Lagendicke von 50 nm bis 1 µm umfasst, wobei die Verschleißschutzbeschichtung weitere Hartstofflagen aufweisen kann und wobei die Lagen (A), (B) und (C) verfahrensbedingt pro Lage bis zu 10 At.-% weitere Metalle, B, C und/oder O enthalten können.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass Werkzeuge der erfindungsgemäßen Art aufgrund der neuen Verschleißschutzbeschichtung verbesserte Zerspanergebnisse und geringeren Verschleiß zeigen als bekannte Werkzeuge nach dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung besitzt hohe Härte, hohe Risszähigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul und gute Hochtemperaturbeständigkeit, was insbesondere für das Fräsen, Bohren und Drehen von Stählen von Vorteil ist.
Die erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtungen mit der Kombination aus TiAlN-Lagen (A) und Lagen (B) mit abwechselnd übereinander angeordneten TiSiN- und AlCrN-Sub-Lagen und optional TiSiN-Lagen (C) zeichnen sich durch eine höhere Verschleißbeständigkeit und längere Standzeiten aus, insbesondere durch weniger Abplatzen der Beschichtung an der Schneidkante.
Ohne dass die Erfinder sich hiermit an eine Theorie binden wollen, wird angenommen, dass in der Lage (B) der Wechsel der Lagenzusammensetzungen in den wenige Nanometer dünnen übereinander angeordneten TiSiN- und AlCrN-Sub-Lagen aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten in dem Gitter, das ein kubisch flächenzentriertes Gitter ist, zu einer Variation der Eigenspannungsverhältnisse der Lage (B) führt, welche die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung begünstigt.
Die nur wenige Nanometer dünnen übereinander angeordneten TiSiN- und AlCrN-Sub-Lagen in der erfindungsgemäßen Lage (B) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen lassen sich trotz ihrer geringen Dicke im Transmissionselektrodenmikroskop (TEM) nachweisen und unterscheiden. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist die Technik hinlänglich bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Lage (B) eine Abfolge von wenigstens 4 Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und 4 Sub-Lagen Al_c Cr_(1-c) N abwechselnd übereinander angeordnet auf. Die Gesamtzahl der Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und Al_c Cr_(1-c) N beträgt in dieser Ausführungsform somit wenigstens 8. Ist die Anzahl der Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und Al_c Cr_(1-c) N zu gering, können gegenüber dem Stand der Technik zwar höhere Härten und höhere E-Moduli erzielt werden, jedoch wirkt sich eine zu geringe Dicke der Lage (B) nachteilig auf die Verschleißfestigkeit der Gesamtbeschichtung aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Lage (B) eine Abfolge von höchstens 1500 Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und 1500 Sub-Lagen Al_c Cr_(1-c) N abwechselnd übereinander angeordnet auf. Die Gesamtzahl der Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und Al_c Cr_(1-c) N beträgt in dieser Ausführungsform somit höchstens 3000. Ist die Anzahl der Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und Al_c Cr_(1-c) N zu hoch, führt dies zu einer zu hohen Gesamtdicke der Verschleißschutzbeschichtung mit der Folge, dass die Beschichtung im Schneidkantenbereich schneller versagt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Lage (B) eine Gesamtlagendicke von 40 nm bis 3 µm auf. Ist die Gesamtlagendicke der Lage (B) zu gering, verliert die Lage (B) die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften. Ist die Gesamtlagendicke der Lage (B) zu hoch, führt dies zu einer zu hohen Gesamtdicker der Verschleißschutzbeschichtung mit der Folge, dass die Beschichtung im Schneidkantenbereich schneller versagt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verschleißschutzbeschichtung eine der folgenden Lagenabfolgen auf, wobei m, n, o, p, q und r ganze Zahlen > 0 sind:
[A-B]_n mit 1 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise 1 ≤ n ≤ 20,
([A-B]_n-C)_m mit 1 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise 1 ≤ n ≤ 20, und 1 ≤ m ≤ 20, vorzugsweise 1 ≤ m ≤ 5
A-[B-C]_n mit 1 ≤ n ≤ 30
[A-B-C]_n mit 2 ≤ n ≤ 30
{([A-B]_o-C)_q-(A-[B-C]_p)_r}_m mit 1 ≤ o ≤ 30, 1 ≤ p ≤ 30, 1 ≤ q ≤ 30, p + q ≥ 2, (13q + 25r)m ≤ 500.
Vorzugsweise ist die TiAlN-Lage (A) die innerste Lage der Verschleißschutzbeschichtung und in direktem Kontakt mit der Substratoberfläche des Grundkörpers. Die TiAlN-Lage (A) trägt zu einer sehr guten Haftung der Verschleißschutzbeschichtung auf der Substratoberfläche bei und verringert damit die Gefahr des Abplatzens oder Abschälens der Verschleißschutzbeschichtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N Lagendicken von 1,0 nm bis 12 nm, besonders bevorzugt von 3,0 nm bis 9,0 nm auf.
Die erfindungemäßen Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N mit 0,70 ≤ b ≤ 0,98 und 0,3 ≤ c ≤ 0,75 in der Lage (B) weisen mit Vorteil kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur auf.
Ist der Si-Gehalt in der Ti_b Si_(1-b) N-Lage zu hoch, besteht die Gefahr, dass die Lage amorph wird. Die Ti_b Si_(1-b) N-Lage hätte dann eine für den erfindungsgemäßen Zweck zu geringe Härte. Es wurde festgestellt, dass die Härte der Ti_b Si_(1-b) N-Lage bis zu einem Si-Gehalt von etwa 15 At.-%, d. h. b > 0,85, zunimmt und danach eine Abnahme der Härte eintritt. Innerhalb des erfindungsgemäßen Konzentrationsbereiches weist die Ti_b Si_(1-b) N-Lage eine hohe Härte und einen hohen E-Modul auf.
Ist der Al-Gehalt in der Al_c Cr_(1-c) N-Lage zu hoch, d. h. größer als 75 At.-%, besteht die Gefahr, dass die die Lage die hexagonale Kristallstruktur einnimmt, die für den erfindungsgemäßen Zweck eine zu geringe Härte besitzt und nicht hitzebeständig ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verschleißschutzbeschichtung eine Gesamtdicke von 0,5 µm bis 10 µm, vorzugsweise von 0,7 µm bis 5 µm, besonders bevorzugt 1,0 µm bis 3,0 µm, ganz besonders bevorzugt 1,5 µm bis 2,5 µm auf. Ist die Gesamtdicke der Verschleißschutzbeschichtung zu gering, tritt vorzeitiger Verschleiß an der Schneidkante auf aufgrund von zu hohem abrasivem und/oder tribochemischem Verschleiß und/oder aufgrund von Versagen des Substrats durch zu hohem Temperatureintrag. Ist die Gesamtlagendicke der Verschleißschutzbeschichtung zu hoch, wird die Gesamtdruckspannung der Schicht im Schneidkantenbereich zu hoch und die Verschleißschutzbeschichtung versagt adhäsiv oder kohäsiv oder es tritt mechanisches Versagen des Substrats, insbesondere bei Hartmetallsubstraten, ein.
Die Verschleißschutzbeschichtung des erfindungsgemäßen Werkzeugs kann in einer weiteren Ausführungsform weitere Hartstofflagen aufweisen. Zwischen dem Substrat und der erfindungsgemäßen Lagenabfolge, welche die Lagen (A), (B) und optional (C) umfasst, können zusätzliche Hartstofflagen oder Kombinationen davon vorhanden sein, z.B. TiAlN, TiN, AlCrN, TiCN etc. Des Weiteren können über der erfindungsgemäßen Lagenabfolge als äußere Lagen Verschleißindikatorschichten, reine Metalllagen, z.B. Al, Zr oder Nb, oder auch Metalloxidlagen, z. B. Al₂O₃, [AlCr]₂O₃, ZrO₂ oder Cr₂O_3, vorhanden sein, sofern diese zusätzlichen Lagen die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkzeugs nicht wesentlich beeinträchtigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung wenigstens bereichsweise eine als äußerste Lage angeordnete dünne Verschleißerkennungsschicht, vorzugsweise eine TiN- oder ZrN-Schicht, mit einer Dicke von 0,1 bis 1,5 µm auf. Verschleißerkennungsschichten der vorgenannten Art sind an sich bekannt und dienen in erster Linie als Dekorschichten und/oder dazu anzuzeigen, ob und in welchem Umfang das Werkzeug bereits benutzt wurde und wie stark der im Laufe der Benutzung aufgetretene Verschleiß ist. Die dünne Verschleißerkennungsschicht wird bei der Benutzung des Werkzeugs erkennbar abgenutzt, und bei stärkerer Abnutzung wird die darunter liegende, meist andersfarbige Verschleißschutzschicht sichtbar.
Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung weist zweckmäßigerweise eine Vickers-Härte HV von 2500 bis 4000, vorzugsweise von 3000 bis 3500 auf. Die hohe Härte der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung hat besondere Vorteile bei der Metallbearbeitung, insbesondere beim Drehen und Fräsen, da diese Metallbearbeitungsverfahren unter den trennenden Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide diejenigen mit den höchsten Ansprüchen an den Schneidstoff hinsichtlich Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit sind. Eine zu niedrige Härte hat den Nachteil, dass die Verschleißfestigkeit der Beschichtung abnimmt. Eine zu hohe Härte hat den Nachteil, dass die damit einhergehende Druckverspannung der Beschichtung überhöht wird und die Beschichtung an der Schneidkante zum Abplatzen neigt. In Kenntnis der vorliegenden Erfindung ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, durch Variation der Lagenzusammensetzungen und/oder der Lagenabfolge und/oder der Lagendicken geeignete Härtewerte der Verschleißschutzbeschichtung einzustellen.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung zweckmäßigerweise einen Elastizitätsmodul (E-Modul) von > 380 GPa, vorzugsweise von > 400 GPa auf. Bei äußerer Beanspruchung des Werkzeugs beim Zerspanvorgang werden in der Beschichtung und im Substrat mechanische Spannungen erzeugt, deren Höhe über den Elastizitätsmodul mit der eingebrachten elastischen Verformung verknüpft ist. Ist der Elastizitätsmodul der Beschichtung zu gering, entstehen innerhalb der Beschichtung geringe Spannungen bei mechanischer Verformung des Werkzeugs im Gebrauch, was mit dem Nachteil verbunden ist, dass die Beschichtung auch nur einen geringen Teil der Zerspankräfte aufnehmen kann. Ist der Elastizitätsmodul jedoch zu hoch, hat dies den Nachteil, dass bei mechanischer Verformung zu hohe Kräfte über die Beschichtung abgeleitet werden, wodurch sie vorzeitig zerstört werden kann.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist für bestimmte Metallbearbeitungsanwendungen, insbesondere Drehen und Fräsen, ganz besonders bei Metallbearbeitungsanwendungen mit unterbrochenem Schnitt, die Kombination aus hoher Härte und hohem Elastizitätsmodul besonders vorteilhaft. Die hohe Härte sorgt für hohe Verschleißbeständigkeit. Eine hohe Härte geht jedoch üblicherweise mit einer erhöhten Brüchigkeit einher. Der hohe Elastizitätsmodul sorgt gleichzeitig dafür, dass das Material eine geringere Brüchigkeit aufweist und beispielsweise beim unterbrochenen Schnitt auftretende starke mechanische Wechselbelastungen besser kompensieren kann. Durch die erfindungsgemäße Lagenabfolge erhält die Verschleißschutzbeschichtung des Werkzeugs diese vorteilhaften Eigenschaften.
Die für bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung vorgenannten Härte- und Elastizitätsmodulwerte der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung werden an dem Lagenverbund der Verschleißschutzbeschichtung gemessen und beziehen sich auf diesen, jedoch ohne eine gegebenenfalls als äußerste Lage vorhandene Verschleißindikatorschicht. Eine Verschleißindikatorschicht kann eine andere Funktion erfüllen als die Lagen der Verschleißschutzbeschichtung, wie oben beschrieben, und daher weicher sein und/oder einen abweichenden Elastizitätsmodul aufweisen. Eine Messung von Härte- und Elastizitätsmodulwerten der Verschleißschutzbeschichtung sollte daher ohne eine darüber angeordnete Verschleißindikatorschicht durchgeführt werden, wenn zu erwarten ist, dass die Verschleißindikatorschicht aufgrund ihrer Dicke und/oder Zusammensetzung die Messergebnisse wesentlich beeinflussen wird.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann als Vollhartmetallwerkzeug oder als Wendeschneidplatte ausgebildet sein, wobei das erfindungsgemäße Werkzeug vorzugsweise eine Wendeschneidplatte ist. Ganz besonders überragende Eigenschaften zeigt das erfindungsgemäße Werkzeug bei der Verwendung als Kopierschlichtplatte zum Hartfräsen von Stählen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist die Verschleißschutzbeschichtung eine mittlere Oberflächenrauheit Ra, gemessen über eine Länge von 10 µm, von ≤ 1,0 µm, vorzugsweise ≤ 0,5 µm auf.
Zur Glättung der Oberfläche des Werkzeugs nach dem Abscheiden der Beschichtung eignen sich bekannte Strahlverfahren, Schleifen oder Bürsten mit entsprechend harten und feinen Materialien. Ein zur Glättung der Oberfläche des Werkzeugs geeignetes Verfahren ist beispielsweise Nassstrahlen mit Glasperlen bei einem Druck von etwa 2,5 bar mit einem Strahlmedium aus 50% Glasperlen mit einem Durchmesser von 70–110 µm und 50% Glasperlen mit einem Durchmesser von 40–70 µm. Die geeignete Strahlbehandlungsdauer ist durch Prüfung der gewünschten Oberflächenglätte zu ermitteln.
Ein weiteres geeignetes Verfahren zur Glättung der Oberfläche des Werkzeugs ist Schleppschleifen. Ein geeignetes Schleifmittel ist beispielsweise ein Kokosnussschalengranulat mit feinem Diamantpulver als Schleifmittel und Haftöl. Auch das Nassstrahlen mit Korund mit beispielsweise der Körnung 280/320 und einer Strahlmittelkonzentration in der Flüssigkeit von etwa 18% ist insbesondere für eine Nachbehandlung geeignet. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Strahldruck von etwa 1,5 bis 2 bar angewendet, wobei Strahlrichtung und Strahlwinkel in Abhängigkeit vom Werkzeugtyp und der Werkzeuggröße einzustellen sind.
Die Oberflächenrauheit wurde zu Zwecken der Erfindung an polierten Test-Wendeschneidplatten mit einem Messgerät Hommel-ETAMIC TURBO WAVE V7.32 der Firma HOMMEL-ETAMIC GmbH, Schwenningen, Deutschland, gemessen (Taster: TKU300 – 96625_TKU300/TS1; Messbereich: 80µm; Teststrecke: 4,8mm; Geschwindigkeit: 0,5mm/s).
Herstellung der erfindungemäßen Verschleißschutzbeschichtung
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartstofflagen erfolgt im PVD-Verfahren, ausgewählt unter Lichtbogenverdampfen, Magnetron-, dualem Magnetron- oder HIPIMS-Verfahren, wobei auch Kombinationen der vorgenannten Verfahren angewendet werden können. Für die Abscheidung der erfindungsgemäßen Hartstofflagen wurde eine Beschichtungsanlage vom Typ Innova der Firma Balzers mit rotierendem Substratträger verwendet. Als Targets wurden schmelzmetallurgisch oder pulvermetallurgisch hergestellte Ti-Al-Targets für die Herstellung der Lagen (A) und Ti-Si-Targets sowie AI-Cr-Targets für die Herstellung der Lagen (B) und Ti-Si-Targets für die Herstellung der Lagen (C) mit den jeweils geeigneten Mengenanteilen der jeweiligen Metalle verwendet.
Die Dicke der einzelnen Lagen lässt sich unter anderem durch die Einstellen der Abscheidungsparameter, wie Temperatur, Biasspannung, Partialdrücke der eingeleiteten Gase, etc. sowie durch die Anordnung der Targets und die Einstellung der jeweiligen Substratbewegung bzw. -drehung in der Beschichtungsanlage beeinflussen. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, wie er je nach Anlagentyp die entsprechenden Einstellungen vorzunehmen hat. Vor der Beschichtung wurden die Substrate einer Ätzreinigung durch Ar-Ionen unterzogen, was dem Fachmann ebenfalls geläufig ist.
Härte und E-Modul (genauer der sogenannte reduzierte E-Modul) werden mittels Nanoindentierung gemessen. Hierbei wird ein Diamant-Prüfkörper nach Vickers in die Schicht gedrückt und während der Messung die Kraft-Weg-Kurve aufgezeichnet. Aus dieser Kurve können dann die mechanischen Kennwerte des Prüflings berechnet werden, unter anderem Härte und (reduzierter) E-Modul. Für die Bestimmungen der Härte und des E-Moduls der erfindungsgemäßen Schicht wurde ein Fischerscope^® H100 XYp der Firma Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen, Deutschland, verwendet. Zu beachten ist, dass die Eindrucktiefe nicht mehr als 10% der Schichtdicke betragen sollte, da ansonsten Eigenschaften des Substrates die Messungen verfälschen können.
Eigenspannungen in der erfindungsgemäßen Schicht lassen sich durch Röntgendiffraktion überprüfen. Dabei lassen sich Eigenspannungen erster, zweiter und dritter Ordnung unterscheiden, die sich in ihrer Reichweite und damit in ihrer Auswirkung auf die Schichthaftung unterscheiden. Für die Haftung der Verschleißschutzbeschichtung auf dem Grundkörper hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der Beschichtung die Eigenspannungen erster und zweiter Ordnung nicht zu hoch werden, zweckmäßigerweise nicht höher als –5 GPa (Druckspannung).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Werkzeug weiterhin eine verrundete Schneidkante mit einem Kantenradius im Bereich von 3 bis 10 µm, vorzugsweise von 5 bis 7 µm auf. Bei zu geringem Schneidkantenradius besteht die Gefahr, dass die Kante schnell abbricht. Ein zu hoher Schneidkantenradius hat sehr hohe Schnittkräfte zur Folge, die sich ungünstig auf die Lebensdauer des Werkzeugs und die Spanformen auswirken.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiele
Beispiel 1 – Wendeschneidplatten für Kopierschlichtfräser

Wendeschneidplatten für Kopierschlichtfräser der Plattenformbezeichnung P3204-D16 der Walter AG, Tübingen, Deutschland, aus einer Feinkorn-Hartmetallsorte mit 7 Gew.-% Co und einer WC-Korngröße von etwa 1µm wurden mit erfindungsgemäßen Beschichtungen und einer Vergleichsbeschichtung nach dem Stand der Technik versehen und die beschichteten Werkzeuge in Zerspanversuchen verglichen. Hierin angegebene Zusammensetzungen von Mischtargets bezeichnen Atom-%-Verhältnisse der enthaltenen Metalle. Beispiel 1a (Erfindung)

Lagenfolge:

[A-B]₁

Herstellung:

Lage (A):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Al-Mischtarget (Ti:Al = 50:50); Bias: 120 V DC; 4 Pa
	N₂; 160 A Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C;
	Lagendicke: 150 nm
Lage (B):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Si-Mischtarget (Ti:Si = 85:15) und Al-Cr-Mischtarget
	(Al:Cr = 70:30); Bias: 120 V DC; 4 Pa N₂; 160 A Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C; rotierender Substratträger
	Lagendicke: 1,85 µm
	Dicken der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: etwa 7 nm
	Anzahl der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: jeweils etwa 132

Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht: 2 µm

Härte:	3700 HV
E-Modul:	420 GPa

Beispiel 1b (Erfindung)

Lagenfolge:

[A-B]₂₀

Herstellung:

Lage (A):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Al-Mischtarget (Ti:Al = 50:50); Bias: 120 V DC; 4 Pa
	N₂; 160 A Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C;
	Lagendicke: 50 nm
Lage (B):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Si-Mischtarget (Ti:Si = 85:15) und Al-Cr-Mischtarget
	(Al:Cr = 70:30); Bias: 120 V DC; 4 Pa N2; 160 A Verdampferstrom; Abscheide
	temperatur: 550 °C; rotierender Substratträger
	Lagendicke: 56 nm
	Dicken der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: etwa 7 nm
	Anzahl der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: jeweils etwa 4

Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht: 2,2 µm

Härte:	3450 HV
E-Modul:	420 GPa

Beispiel 1c (Erfindung)

Lagenfolge:

[A-B]₁₀-C

Herstellung:

Lage (A):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Al-Mischtarget (Ti:Al = 50:50); Bias: 120 V DC; 4 Pa
	N₂; 160 A Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C;
	Lagendicke: 50 nm
Lage (B):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Si-Mischtarget (Ti:Si = 85:15) und Al-Cr-Mischtarget
	(Al:Cr = 70:30); Bias: 120 V DC; 4 Pa N2; 160 A Verdampferstrom; Abscheide
	temperatur: 550 °C; rotierender Substratträger
	Lagendicke: 56 nm
	Dicken der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: etwa 7 nm
	Anzahl der einzelnen Sub-Lagen TiSiN und AlCrN: jeweils etwa 4
Lage (C):	Lichtbogenverdampfen; Ti-Si-Mischtarget (Ti:Si = 85:15) und Al-Cr-Mischtarget
	(Al:Cr = 70:30); Bias: oszillierend (0,004 Hz) 60 V bzw. 120 V DC; 4 Pa N2; 160 A
	Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C; rotierender Substratträger
	Lagendicke: 1,0 µm

Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht: 2,1 µm

Härte:	3900 HV
E-Modul:	430 GPa

Beispiel 1d (Vergleich)

Herstellung:

Lage TiAlN:	Lichtbogenverdampfen; Ti-Al-Mischtarget (Ti:Al = 33:67); Bias: 120 V DC; 4 Pa
	N₂; 160 A Verdampferstrom; Abscheidetemperatur: 550 °C;
	Lagendicke: 2,3 µm
Härte:	3400 HV
E-Modul:	380 GPa

Zerspanversuche

Die beschichteten Werkzeuge wurden in Fräsversuchen verglichen und der maximale Freiflächenverschleiß V_bmax bei 1 bis 8 Überlaufen über die gekrümmte Werkstückfläche ermittelt. Die in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse sind Mittelwerte aus je zwei Versuchen für jedes Werkzeug und für jede Anzahl an Überläufen.

Werkstück:	Stahl 60HRC
Zerspanbedingungen:	Schnittgeschwindigkeit v_c = 250 m/min
	Zahnvorschub f_Z = 0,1 mm
	Eingriffstiefe a_p = 0,5 mm
	Eingriffstiefe a_e = 0,5 mm
	Auskragung x_s = 147,44 mm
	Fräsen ohne Kühlung

Tabelle 1

Anzahl Überläufe	1	2	3	4	5	6	7	8
	Verschleiß V_bmax [mm]
Bsp. 1a (Erfindung)	0,03	0,04	0,08	0,09	0,11	0,12	0,15	0,18
Bsp. 1b (Erfindung)	0,03	0,04	0,0,7	0,08	0,10	0,11	0,13	0,15
Bsp. 1d (Vergleich)	0,06	0,07	0,1	0,12	0,14	0,2	-	-

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 96/23911 A1 [0005]
WO 2006/041367 A1 [0006]
EP 2298954 A1 [0007]
EP 1992717 [0008]
EP 1174528 [0009]

Claims

Werkzeug mit einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl und einer auf dem Grundkörper im PVD-Verfahren aufgebrachten mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung wenigstens eine Lage (A) Ti_a Al_(1-a) N mit 0,33 ≤ a ≤ 1 und mit einer Lagendicke von 20 nm bis 3 µm und wenigstens eine Lage (B) aus einer Abfolge von wenigstens 4 abwechselnd übereinander angeordneten Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N mit 0,70 ≤ b ≤ 0,98 und 0,3 ≤ c ≤ 0,75 und mit einer Lagendicke der Sub-Lagen von 0,5 nm bis 15 nm umfasst und optional weiterhin wenigstens eine Lage (C) Ti_d Si_(1-d) N mit 0,70 ≤ d ≤ 0,98 und mit einer Lagendicke von 50 nm bis 1 µm umfasst, wobei die Verschleißschutzbeschichtung weitere Hartstofflagen aufweisen kann und wobei die Lagen (A), (B) und (C) verfahrensbedingt pro Lage bis zu 10 At.-% weitere Metalle, B, C und/oder O enthalten können.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (B) eine Abfolge von wenigstens 4 Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und 4 Sub-Lagen Al_c Cr_(1-c) N abwechselnd übereinander angeordnet aufweist und/oder dass die Lage (B) eine Abfolge von höchsten 1500 Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) und 1500 Sub-Lagen Al_c Cr_(1-c) N abwechselnd übereinander angeordnet aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (B) eine Gesamtlagendicke von 40 nm bis 3 µm aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung eine der folgenden Lagenabfolgen aufweist, wobei m, n, o, p, q und r ganze Zahlen > 0 sind: [A-B]_n mit 1 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise 1 ≤ n ≤ 20, ([A-B]_n-C)_m mit 1 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise 1 ≤ n ≤ 20, und 1 ≤ m ≤ 20, vorzugsweise 1 ≤ m ≤ 5 A-[B-C]_n mit 1 ≤ n ≤ 30 [A-B-C]_n mit 2 ≤ n ≤ 30 {([A-B]_o-C)_q-(A-[B-C]_p)_r}_m mit 1 ≤ o ≤ 30, 1 ≤ p ≤ 30, 1 ≤ q ≤ 30, p + q ≥ 2, (13q + 25r)m ≤ 500.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N Lagendicken von 1,0 nm bis 12 nm, vorzugsweise 3,0 nm bis 9,0 nm aufweisen.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sub-Lagen Ti_b Si_(1-b) N und Al_c Cr_(1-c) N kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur aufweisen.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung eine Gesamtdicke von 0,5 µm bis 10 µm, vorzugsweise von 0,7 µm bis 5 µm, besonders bevorzugt 1,0 µm bis 3,0 µm, ganz besonders bevorzugt 1,5 µm bis 2,5 µm aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung weitere Hartstofflagen und/oder wenigstens bereichsweise als äußerste Lage angeordnete dünne Verschleißerkennungsschicht, vorzugsweise eine TiN- oder ZrN-Schicht, mit einer Dicke von 0,1 bis 1,5 µm aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung eine Vickers-Härte HV von 2500 bis 4000, vorzugsweise 3000 bis 3500 aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung einen Elastizitätsmodul (E-Modul) von > 380 GPa, vorzugsweise von > 400 GPa aufweist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wendeschneidplatte, vorzugsweise eine Kopierschlichtplatte zum Hartfräsen von Stählen ist und/oder dass es ein Vollhartmetallwerkzeug ist.
Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung eine mittlere Oberflächenrauheit Ra, gemessen über eine Länge von 10 µm, von ≤ 1,0 µm, vorzugsweise ≤ 0,5 µm aufweist.