DE102014109942A1

DE102014109942A1 - Spannungsarme Hartbeschichtungen und deren Anwendungen

Info

Publication number: DE102014109942A1
Application number: DE201410109942
Authority: DE
Inventors: Vineet Kumar; Ronald Penich; Peter Leicht; Yixiiong Liu
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: FR3009696A1; GB201414590D0; US20150050490A1; US20190106795A1; CN104368833A; DE102014109942B4; US10184187B2; IL233737A0; KR20150020115A; US20160319439A1; JP2015036189A; GB2519840A; SE1450913A1; US9896767B2; US10808325B2; CN104368833B

Abstract

In einem Aspekt werden hierin beschichtete Schneidwerkzeuge beschrieben, die ein Substrat und eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M1-xAlxN umfassende feuerfeste Schicht aufweisen, wobei x ≥ 0,68 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische kristalline Phase umfasst und eine Härte von mindestens 25 GPa hat.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft feuerfeste Hartbeschichtungen für Schneidwerkzeuge und insbesondere durch Vakuumaufdampfen aufgebrachte feuerfeste Beschichtungen, die eine große Dicke, große Härte und geringe Spannungen aufweisen.
STAND DER TECHNIK
Auf die Oberflächen von Schneidwerkzeugen werden häufig eine oder mehrere Schichten von feuerfestem Material durch Vakuumaufdampftechniken (PVD) aufgetragen, um deren Eigenschaften zu verbessern, darunter die Verschleißfestigkeit, Leistung und Lebensdauer des Schneidwerkzeugs. Zum Beispiel werden oft Titannitrid-Beschichtungen (TiN) mittels PVD auf Hartcarbidsubstrate von Schneidwerkzeugen aufgetragen. Doch TiN beginnt bei etwa 500°C zu oxidieren und bildet Rutil (TiO₂), was eine rasche Zersetzung der Beschichtung fördert. Die Eingliederung von Aluminium in das kubische Gitter kann die zersetzende Oxidation einer TiN-Beschichtung durch Bildung eines aluminiumreichen Oxidschutzfilms auf der beschichteten Oberfläche verlangsamen.
Während es eine hohe Temperaturstabilität fördert, kann Aluminium auch Strukturveränderungen in einer TiN-Beschichtung auslösen, was sich negativ auf die Beschichtungsleistung auswirkt. Wenn immer größere Mengen von Aluminium in eine TiN-Beschichtung eingegliedert werden, kann dies das Wachstum der hexagonal dicht gepackten (HCP) Aluminiumnitridphase (AlN) induzieren, wodurch sich die Kristallstruktur der Beschichtung von einphasig kubisch in eine Mischung aus kubischer und hexagonaler Phase verändert. Ein Aluminiumgehalt von mehr als 70 Atomprozent kann die Kristallstruktur der AlTiN-Beschichtung weiter zu einphasig HCP verändern. Wesentliche Mengen von hexagonaler Phase können zu einer beträchtlichen Reduzierung der AlTiN-Härte führen, wodurch die Beschichtung vorzeitig fehlerhaft wird oder sonstige unerwünschte Leistungsmerkmale aufweist. Die Unfähigkeit, die Bildung der hexagonalen Phase ausreichend kontrollieren zu können, hat die volle Realisierung der von Aluminumzusätzen zu TiN-Beschichtungen gebotenen Vorteile behindert.
Weiterhin sind PVD-Beschichtungen einschließlich AlTiN wegen der durch den Ionenbeschuss während des Aufdampfprozesses induzierten hohen Resteigenspannungen in ihrer Dicke eingeschränkt. Resteigenspannungen erhöhen sich mit der Beschichtungsdicke, wodurch die Beschichtung für Ablösung oder andere Arten von adhäsivem Versagen anfällig wird. Die Vorspannung des Substrats kann reduziert werden, um die Resteigenspannung in PVD-Beschichtungen zu verringern. Doch kann eine Reduzierung der Vorspannung die Härte der Beschichtung erheblich beeinträchtigen. Zum Beispiel fördert eine Reduzierung der Vorspannung in AlTiN und ähnlichen Systemen die Bildung der hexagonalen Phase.
Angesichts dieser Überlegungen bestehen deutliche Schranken für die Bereitstellung von PVD-Beschichtungen von AlTiN mit einem hohen Aluminiumgehalt, großer Härte, großer Dicke und/oder geringer Resteigenspannung.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt werden Lösungen für die genannten Schranken aufgegriffen, um PVD-Beschichtungen für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile bereitzustellen, die einen hohen Aluminiumanteil, große Härte, eine große Dicke und/oder eine geringe Resteigenspannung aufweisen. Zum Beispiel weist ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug in manchen Ausführungsformen ein Substrat und eine durch PVD auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht auf, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. Weiterhin kann die feuerfeste Schicht einen Gehalt an hexagonaler Phase von mehr als 15 Gewichtsprozent und bis zu 35 Gewichtsprozent aufweisen. Wie hierin weiter beschrieben wird, kann die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht eine einzelne monolithische Schicht oder aus einer Mehrzahl von Teilschichten gebildet sein.
In einem anderen Aspekt weist ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht auf, wobei x ≥ 0,68 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische Kristallphase umfasst und eine Härte von mindestens 25 GPa hat.
In einem weiteren Aspekt werden hierin Verfahren zur Herstellung beschichteter Schneidwerkzeuge beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst in manchen Ausführungsformen das Bereitstellen eines Substrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats, die eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. In manchen Ausführungsformen wird mindestens ein Teil der feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von unter –40 V abgeschieden. Zum Beispiel kann die Vorspannung im Bereich von –20 V bis unter –40 V liegen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung über einer Oberfläche des Substrats, die eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht aufweist, wobei x ≥ 0,64 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Härte von mindestens 25 GPa hat, wobei die feuerfeste Schicht mit einer kathodischen Lichtbogen-Abscheidevorrichtung abgeschieden wird, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt können die hierin beschriebenen Verfahren zur Herstellung beschichteter Schneidwerkzeuge die Bildung der hexagonalen Phase in der abgeschiedenen feuerfesten Schicht begrenzen oder regeln. In manchen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über der Oberfläche des Substrats, die eine feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, wobei mindestens ein Teil der feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V aufgebracht wird und die hexagonale Phase in der feuerfesten Schicht auf 0–35 Gewichtsprozent begrenzt wird, indem mindestens ein Kathodenziel einen Durchmesser von weniger als etwa 80 mm hat.
Außerdem umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Substrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über der Oberfläche des Substrats, die eine feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, wobei mindestens ein Teil der feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V aufgebracht wird und die hexagonale Phase in der feuerfesten Schicht auf 0–35 Gewichtsprozent begrenzt wird, indem die Größe eines oder mehrerer den Lichtbogen steuernder Magnetfelder reduziert wird.
Weiterhin umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Substrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über der Oberfläche des Substrats, die eine feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, wobei mindestens ein Teil der feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V aufgebracht wird und die hexagonale Phase in der feuerfesten Schicht auf 0–35 Gewichtsprozent begrenzt wird, indem die feuerfeste Schicht als eine Mehrzahl von Teilschichtengruppen aufgebracht wird, wobei eine Teilschichtengruppe eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN umfasst.
Zusätzlich umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Substrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über der Oberfläche des Substrats, die eine feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, wobei mindestens ein Teil der feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V aufgebracht wird und die hexagonale Phase in der feuerfesten Schicht auf 0–35 Gewichtsprozent begrenzt wird, indem die feuerfeste Schicht mit einer kathodischen Lichtbogen-Abscheidevorrichtung aufgebracht wird, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schneidwerkzeugsubstrat nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
2 ist eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
3 ist eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anodenkonfiguration, die eine ringförmige Verlängerung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet.
5 ist ein Röntgen-Diffraktogramm einer feuerfesten Beschichtung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
6 ist ein Röntgen-Diffraktogramm einer feuerfesten Beschichtung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
7 ist ein Röntgen-Diffraktogramm einer feuerfesten Beschichtung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
8 ist ein Röntgen-Diffraktogramm einer feuerfesten Beschichtung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
9 zeigt nicht einschränkende Referenzbeispiele für das Abblättern einer PVD-Beschichtung zur Bestimmung der kritischen Belastung (L_c) nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
10 ist eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
11 ist ein Röntgen-Diffraktogramm einer feuerfesten Beschichtung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen lassen sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Beispiele sowie deren vorherige und folgende Beschreibungen leichter verstehen. Die hierin beschriebenen Elemente, Vorrichtung und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen, in der ausführlichen Beschreibung und den Beispielen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dienen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für den Fachmann offensichtlich, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
I. Beschichtete Schneidwerkzeuge
In einem Aspekt weist ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine durch PVD auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht auf, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. In manchen Ausführungsformen ist x ≥ 0,55 oder ≥ 0,6. Weiterhin kann die feuerfeste Schicht einen Gehalt an hexagonaler Phase von mehr als 15 Gewichtsprozent und bis zu 35 Gewichtsprozent aufweisen.
In einem anderen Aspekt weist ein beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung umfassend eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht auf, wobei x ≥ 0,68 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische kristalline Phase umfasst und eine Harte von mindestens 25 GPa hat.
Unter nunmehriger Zuwendung zu spezifischen Komponenten weisen hierin beschriebene beschichtete Schneidwerkzeuge ein Substrat auf. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug kann ein beliebiges Substrat aufweisen, das mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Ein Substrat ist in manchen Ausführungsformen ein Fräs-, Bohr- oder Wendeschneidplatteneinsatz. Wendeschneidplatten können eine beliebige ANSI-Standardgeometrie für Fräs- oder Drehanwendungen haben. Substrate von hierin beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugen können aus Hartcarbid, Carbid, Keramik, Cermet oder Stahl hergestellt sein. Ein Hartcarbidsubstrat weist in manchen Ausführungsformen Wolframcarbid (WC) auf. WC kann in einem Schneidwerkzeugsubstrat in einer Menge von mindestens etwa 80 Gewichtsprozent oder in einer Menge von mindestens etwa 85 Gewichtsprozent vorliegen. Außerdem kann der Metallbinder von Hartcarbid Cobalt oder Cobaltlegierung aufweisen. Cobalt kann zum Beispiel in einem Hartcarbidsubstrat in einer Menge im Bereich von 3 Gewichtsprozent bis 15 Gewichtsprozent vorliegen. In manchen Ausführungsformen kann Cobalt in einem Hartcarbidsubstrat in einer Menge im Bereich von 5–12 Gewichtsprozent oder von 6–10 Gewichtsprozent vorliegen. Weiterhin kann ein Hartcarbidsubstrat eine Zone von Binderanreicherung aufweisen, die an der Oberfläche des Substrats beginnt und sich von dieser aus nach innen erstreckt.
Hartcarbid-Schneidwerkzeuge können auch ein oder mehrere Zusätze aufweisen, wie zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder deren Verbindungen: Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium. In manchen Ausführungsformen bilden Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium Carbid-Mischkristalle mit dem WC des Substrats. In solchen Ausführungsformen kann das Substrat ein oder mehrere Carbid-Mischkristalle in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent aufweisen. Außerdem kann Hartcarbidsubstrat Stickstoff aufweisen.
Ein Schneidwerkzeugsubstrat kann eine oder mehrere Schneidkanten aufweisen, die an der Verbindungsstelle einer Freifläche und Spanfläche(n) des Substrats ausgebildet sind. 1 zeigt ein Schneidwerkzeugsubstrat nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Wie in 1 dargestellt, hat das Substrat (10) Schneidkanten (12), die an den Kreuzungspunkten der Freifläche (14) und der Spanflächen (16) des Substrats ausgebildet sind. Das Substrat (10) weist auch eine Öffnung (18) zum Befestigen des Substrats (10) an einem Werkzeugträger auf.
Zusätzlich zu Schneidwerkzeugen können Substrate Verschleißteile von verschiedener Konstruktion und für verschiedene Anwendungsgebiete aufweisen.
Wie hierin beschrieben weist eine Beschichtung eine durch PVD auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht auf, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. Alternativ ist eine Beschichtung aufweisend eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht an das Substrat angebracht, wobei x ≥ 0,68 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische Kristallphase umfasst und eine Härte von mindestens 25 GPa hat. In manchen Ausführungsformen hat x einer hierin beschriebenen feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN einen aus der Tabelle I ausgewählten Wert. Tabelle 1 – Al-Gehalt der Nanoschicht M_1-xAl_xN (at %)

Wert von x in M_1-xAl_xN

> 0,4

> 0,5

> 0,55

> 0,6

> 0,64

> 0.68

> 0.69

> 0.7

> 0.75

0,6–0,85

0,65–0,8

0,7–0,8

0,7–0,85
Mit einem aus der Tabelle 1 ausgewählten Wert von x kann die feuerfeste Schicht in manchen Ausführungsformen hexagonale Phase in einer Menge von bis zu 35 Gewichtsprozent aufweisen. Zum Beispiel kann die feuerfeste Schicht für x ≥ 0,64 oder x ≥ 0,69 einen Gehalt an hexagonaler Phase von mehr als 3 Gewichtsprozent und bis zu 30 Gewichtsprozent aufweisen. In manchen Ausführungsformen hat die feuerfeste Schicht einen Gehalt an hexagonaler Phase gemäß Tabelle II. Tabelle II – Gehalt an hexagonaler Phase in der feuerfesten Schicht

Hexagonale Phase der feuerfesten Schicht (Gew.-%)

0–35

3–30

20–35

25–35

20–30

1–10

1–5
Außerdem kann die feuerfeste Schicht in manchen Ausführungsformen einen Gehalt an hexagonaler Phase von über 35 Gewichtsprozent aufweisen. In manchen Ausführungsformen umfasst eine hierin beschriebene feuerfeste Schicht M_1-xAl_xN eine kubische Kristallphase. In manchen Ausführungsformen ist die kubische Kristallphase die einzige Kristallphase der feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN. In Ausführungsformen, bei denen in der feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN eine hexagonale Phase vorliegt, kann die kubische Phase die Ausgleichsmenge an kristallinem M_1-xAl_xN in der feuerfesten Schicht darstellen. Die kubische Phase von M_1-xAl_xN ist im Allgemeinen erwünscht, denn sie erhält die große Härte und Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der feuerfesten Schicht.
Die Phasenbestimmung einschließlich der Bestimmung der hexagonalen Phase von feuerfesten Beschichtungen erfolgt mittels Röntgen-Diffraktionstechniken (XRD) und der Rietveld-Verfeinerungsmethode, einer Full-Fit-Methode. Dabei werden das gemessene Probenprofil und ein errechnetes Profil miteinander verglichen. Durch Variation mehrerer dem Fachmann bekannter Parameter wird die Differenz zwischen den beiden Profilen minimiert. Alle in einer analysierten Beschichtungsschicht vorliegenden Phasen werden berücksichtigt, um eine ordnungsgemäße Rietveld-Verfeinerung durchführen zu können.
Ein Schneidwerkzeug, das eine hierin beschriebene feuerfeste Beschichtung aufweist, kann entsprechend XRD mit einer Technik mit streifendem Einfall, die eine ebene Oberfläche erfordert, analysiert werden. Die Freifläche des Schneidwerkzeugs kann in Abhängigkeit von der Schneidwerkzeug-Geometrie analysiert werden. Die XRD-Analyse der hierin beschriebenen Beschichtungen wurde mit einer Parallelstrahloptik, die mit einer Röntgenröhre aus Kupfer ausgestattet ist, durchgeführt. Die Betriebsparameter waren 45 kV und 40 mA. Typische Optiken für die Analyse bei streifendem Einfall umfassen einen Röntgenspiegel mit Anti-Streustrahl-Blende von 1/16 Grad und einer 0,04 Radian-Sollerblende. Die Empfangsoptik umfasste einen flachen Graphitmonochromator, einen Parallelplattenkollimator und einen versiegelten Proportionalzähler. Röntgendiffraktionsdaten wurden bei einem Streifwinkel erfasst, der für die Maximierung der Spitzenintensität der Beschichtung und die Eliminierung der Spitzen vom Substrat ausgewählt wurde. Zählzeiten und Scanrate wurden für die Lieferung optimaler Daten für die Rietveld-Analyse ausgewählt. Vor der Erfassung der Daten bei streifendem Einfall wurde die Beschichtungsprobenhöhe unter Verwendung von Röntgenstrahlteilung eingestellt.
Ein Hintergrundprofil wurde angepasst und eine Spitzensuche an den Probedaten durchgeführt, um alle Spitzenpositionen und Spitzenintensitäten zu identifizieren. Die Spitzenpositions- und Spitzenintensitätsdaten wurden dann zum Identifizieren der Kristallphasenzusammensetzung der Beschichtungsprobe unter Verwendung beliebiger herkömmlicher Kristallphasendatenbanken verwendet.

Kristallstrukturdaten wurden für die einzelnen in der Probe vorliegenden Kristallphasen eingegeben. Typische Rietveld-Verfeinerungsparametereinstellungen:

Hintergrundberechnungsmethode:	Polynomisch
Probengeometrie:	Flache Platte
Linearer Absorptionskoeffizient:	Berechnet aus der durchschnittlichen Probenzusammensetzung
Gewichtungsschema:	Gegen Lobs
Profilfunktion:	Pseudo-Voigt
Profilbasisbreite:	Nach Probe gewählt
Art der kleinsten Quadrate:	Newton-Raphson
Polarisationskoeffizient:	1,0

Die Rietveld-Verfeinerung umfasst normalerweise:

Probenverdrängung:	Verschiebung der Probe aus der Ausrichtung des Röntgenstrahls
Hintergrundprofil	ausgewählt zur besten Beschreibung des Hintergrundprofils der
	Diffraktionsdaten
Skalierungsfunktion :	Skalierungsfunktion der einzelnen Phase
B insgesamt:	Verdrängungsparameter angewendet auf alle Atome in Phase
Zellparameter:	a, b, c und Alpha, Beta und Gamma
W-Parameter:	Beschreibt Spitzen-FWHM

Jeder weitere Parameter muss ein akzeptables „gewichtetes R-Profil” erreichen Alle Rietveld-Phasenanalyseergebnisse werden in Gewichtsprozentwerten angegeben.
Die hierin beschriebene, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht hat eine Härte von mindestens 25 GPa. Härtewerte werden nach ISO 14577 mit einem Vickers-Eindringkörper bei einer Indentationstiefe von 0,25 μm bestimmt. In manchen Ausführungsformen hat eine feuerfeste Schicht mit einem hierin beschriebenen Aufbau, einschließlich eines aus der Tabelle I ausgewählten Werts x und eines aus der Tabelle II ausgewählten Gehalts an hexagonaler Phase, eine Härte gemäß Tabelle III. Tabelle III – Harte der feuerfesten Schicht (GPa)

Härte, GPa

> 25

> 27

> 28

25–35

25–30

26–32

27–35

28–35

30–35
Zusätzlich zur Härte kann die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht eine beliebige Dicke haben, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Die feuerfeste Schicht kann zum Beispiel eine Dicke von 1 μm bis 10 μm oder 2 μm bis 8 μm haben. In manchen Ausführungsformen hat die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm. Zum Beispiel kann eine feuerfeste Schicht mit einem hierin beschriebenen Aufbau, einschließlich eines aus der Tabelle 1 ausgewählten Werts x, eines aus der Tabelle II ausgewählten Gehalts an hexagonaler Phase und einer aus der Tabelle III ausgewählten Härte, eine aus der Tabelle IV ausgewählte Dicke haben. Tabelle IV – Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

Dicke μm

1–3

1–5

> 5

> 7

> 8

≥ 10

6–30

8–20

9–15
Die hierin beschriebenen Dicken feuerfester Schichten wurden auf einer Spanfläche des Schneidwerkzeugs gemessen.
Wie hierin weiter beschrieben, können M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schichten in manchen Ausführungsformen aus der Tabelle IV ausgewählte Dickenwerte haben, während sie eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht zum Beispiel eine Resteigenspannung entsprechend Tabelle V und eine Dicke von über 5 μm haben. Tabelle V – Resteigenspannung der feuerfesten Schicht

Resteigenspannung, GPa

< 2,2

< 2,0

< 1,5

< 1,0

0,5 bis 2,5

0,8 bis 2,0

1,0 bis 1,5
In Abwesenheit einer spezifischen Bezeichnung als Druckspannung kann den hierin beschriebenen Resteigenspannungen ein negativer Wert zugewiesen werden, um anzugeben, dass die Restspannung eine Druckspannung ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, werden einer Restspannung ohne eine spezifische Bezeichnung positive Werte zugewiesen, um Zugspannung anzugeben, und negative Werte, um Druckspannung anzugeben.
Für hierin beschriebene M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schichten wurde zur Bestimmung von Restspannung und Scherspannung eine modifizierte Sin²ψ-Methode unter Nutzung der Seemann-Bohlin-Geometrie (S-B) verwendet. Siehe V. Valvoda, R. Kuzel, R. Cerny, D. S. Rafaja, J. Musil, C. Kadlec, A. J. Perry, Thin Solid Films 193/194 (1990) 401. Nach dieser Methode wurde der interplanare Abstand aller messbaren Diffraktionsspitzen mit unterschiedlichen Miller-Indizes (hkl) mittels Röntgendiffraktionsgeometrie unter streifendem Einfall bestimmt. [Diffraktionsspitzen unterschiedlicher (hkl) Ebenen wurden in einem einzigen 2θ–Scan mit einem festen Winkel des einfallenden Strahls zur Probe erfasst.] Da Diffraktionsebenen beim Ansatz von Perry et al. unterschiedliche Winkel zur Normale der Probenoberfläche erzeugen, ist die Probenneigung ψ nicht erforderlich. Perry et al. trugen bei, dass der Winkel ψ eigentlich dem Bragg-Winkel θ minus Streifwinkel γ (ψ = θ – γ) entspricht. Bei einem einzigen 2θ-Scan wird der Bereich von Winkeln ψ daher automatisch gewählt, wenn eine Anzahl an Bragg-Spitzen mit unterschiedlichen Miller-Indizes bei verschiedenen 2θ-Winkeln gemessen wird. Die Restspannung wurde dann von einem Diagramm von Gitterparametern, die von unterschiedlichen Spitzen aus gegenüber Sin²ψ berechnet wurden, abgeleitet.
Für M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schichten, in denen M zum Beispiel Titan ist, wurden Restspannung und Scherspannung durch Röntgendiffraktion mittels der Sin²ψ -Methode des streifenden Einfalls unter Bezugnahme auf mehrere (hkl) Reflexionen der AlTiN-Kristallphase ermittelt. Das für die Ermittlung der Restspannung verwendete Instrument war ein mit einer Euler-Wiege zur Probenmanipulation ausgestattetes PANalytical Xpert Pro MRD. Die Röntgenquelle war eine Kupferröntgenröhre mit langem feinem Brennpunkt, die bei 45 kV und 40 mA betrieben wurde. Das Instrument wurde mit einer Parallelstrahloptik für die Bestimmung der Spannung in den Beschichtungen konfiguriert. Die Einfalloptik umfasste einen Röntgenspiegel und eine 0,04-Radian-Soller-Blende. Die empfangende Optik umfasste einen Parallelplattenkollimator mit 0,27 Grad, einen flachen Graphitmonochromator und einen versiegelten Proportionalzähler.
Die Reflexionen von AlTiN bei (111), (200), (220), (311), (222), (331), (420) und (422) wurden für die Messung der Restspannung gewählt. Die Streifwinkel wurde so gewählt, dass die Substratreflexionen minimiert werden und gleichzeitig gewährleistet wird, dass die gesamte Dicke der feuerfesten Schicht in die Analyse einbezogen wird. Datenerfassungsparameter für Schrittweite und Zählzeit wurden für jede einzelne (hkl)-Reflexion eingestellt, um eine ausreichende Spitzenintensität für die genaue Bestimmung der Spitzenposition zu erhalten.
Die Spitzendaten wurden dann mit den folgenden Gleichungen auf Absorption und Transparenz korrigiert. Absorptionskorrektur
Transparenzkorrektur
wobei:

t: = Schichtdicke
μ: = Linearer Absorptionskoeffizient (cm^–1)
θ: = 2Theta/2 (Grad)
(ω – θ): = Omega-Versatzwinkel (Grad)
Ψ: = Neigungswinkel (Psi-Spannung) (Grad)
τ: = Informationstiefe (μm)
R: = Radius der Goniometer (mm)

Die Spitzendaten wurden mit der folgenden Gleichung auf Lorentz-Polarisation korrigiert. Polarisationskorrektion

2θ_mon: = Beugungswinkel des Graphitmonochromators

Die Kα₂-Spitzen wurden mit dem Ladell-Modell entfernt. Spitzenpositionen wurden mit einer modifizierten Lorentz-Profilfunktion verfeinert.
Die Restspannung der feuerfesten Schicht wurde aus der allgemeinen Gleichung berechnet:
wobei σ_φ = σ₁cos²φ + σ₂sin²φ

d_φψ: = Gitterkonstante bei Winkel φ und Neigung ψ
d_o: = dehnungsfreie Gitterkonstante
φ: = Rotationswinkel
ψ: = Probenneigung
σ₁ & σ₂: = primäre Spannungstensoren in der Probenoberfläche
σ_φ: = Spannung bei Rotationswinkel φ
S₁ & ½ S₂: = Röntgenelastizitätskonstanten S₁ = –υ / E 1 / 2 S₂ = 1 + υ / E

Für die vorliegende AlTiN-Analyse wurde die Poissonsche Zahl (υ) auf 0,20 eingestellt, und der Elastizitätsmodul (E in GPa) wurde durch eine Nanoindentationsanalyse mit einem Fischerscope HM2000 entsprechend ISO-Norm 14577 unter Verwendung eines Vickers-Eindringkörpers bestimmt. Die Indentationstiefe wurde auf 0,25 μm eingestellt. Die Restspannungsanalyse mittels XRD kann auf gleiche Weise an feuerfesten Schichten durchgeführt werden, die Cr_1-xAl_xN und/oder Zr_1-xAl_xN umfassen, indem in dem Fachmann bekannter Weise mehrere für diese Zusammensetzungen geeignete (hkl)-Reflexionen ausgewählt werden. Weiterhin können die Poissonsche Zahl (υ) und die Elastizitätsmodule (E) für Schichten von Cr_1-xAl_xN und/oder Zr_1-xAl_xN ebenfalls mit der hierin beschriebenen Nanoindentationsanalyse bestimmt werden.
Eine hierin beschriebene, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht kann eine kritische Belastung (L_c) von mindestens 60 kgf aufweisen. Die die Haftung der feuerfesten Schicht charakterisierende kritische Belastung kann nach dem folgenden Protokoll ermittelt werden. Es wird ein Rockwelt-Härteprüfgerät mit Oberflächen-Skalen und einem Diamantkegel-Eindringkörper für Rockwell-Skalen A oder C, der frei von Rissen, Abblätterungen, Fehlern und anhaftenden Oberflächentrümmern ist, verwendet. Außerdem werden ein Punktamboss (Durchmesser 0,25 Zoll) und ein Flachamboss (Durchmesser 2 Zoll) eingesetzt. Es wird die richtige Vorbelastung (10 kg) für die zu beaufschlagende Eindringlast gewählt. Eine ebene Fläche auf dem beschichteten Substrat wird ausgewählt und auf dem Amboss unter dem Diamantkegel-Eindringkörper positioniert sowie die Stellschraube auf die erforderliche Skalen-Nullstellung gebracht. Dann erfolgen Eindrücke mit der gewünschten Oberflächenbelastung (z. B. 60, 100, 150 kgf usw.). Die Stellschraube wird gelöst und die Probe seitlich für die Beaufschlagung mit der nächsten Last verschoben. Die Eindrücke werden voneinander beabstandet, um wechselseitige Störwirkungen oder Beiträge von benachbarten Eindrücken zu vermeiden. Der empfohlene Abstand ist das Drei- bis Fünffache des Durchmessers des Eindrucks. Abgelöste, aber noch anhaftende feuerfeste Schicht kann durch Eintauchen der Probe für mehrere Minuten in ein Ultraschallbad entfernt werden. Alternativ kann abgelöste feuerfeste Schicht mit Klebeband entfernt werden. Die eingedrückten Proben werden entlang der Umfangsfläche des Eindrucks unter einem optischen Mikroskop auf Abblätterungen und Ablösung untersucht. Als kritische Belastung (L_c) wird die Last berichtet, bei der Abblättern und/oder Ablösen der Beschichtung über den Durchmesser des Eindrucks hinaus auftreten. 9 zeigt nicht einschränkende Referenzbeispiele für das Abblättern einer PVD-Beschichtung bei der vorliegenden Haftfestigkeitsprüfung. Eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht weist in manchen Ausführungsformen eine aus der Tabelle VI ausgewählte L_c auf. Tabelle VI – Kritische Belastung (L_c) einer feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN

> 60 kgf

> 100 kgf

> 150 kgf
Die M_1-xAl_xN umfassende und in den Tabellen I–VI hierein dargestellte Eigenschaften aufweisende feuerfeste Schicht wird in manchen Ausführungsformen als eine einzelne durchgängige Schicht von M_1-xAl_xN abgeschieden. Alternativ kann die feuerfeste Schicht als Mehrzahl von M_1-xAl_xN-Teilschichten abgeschieden werden. Weiterhin können Teilschichten anderen feuerfesten Materials zusammen mit M_1-xAl_xN-Teilschichten zur Bildung der feuerfesten Schicht verwendet werden. In manchen Ausführungsformen werden Teilschichten, die eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und eines oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen, zusammen mit den M_1-xAl_xN-Teilschichten zur Herstellung der feuerfesten Schicht verwendet. M_1-xAl_xN-Teilschichten und Teilschichten aus anderem feuerfesten Material können beliebige gewünschte Einzeldicken haben, so dass die Summierung der Teilschichtdicken größer als 5 μm ist. In manchen Ausführungsformen kann eine M_1-xAl_xN-Teilschicht und/oder Teilschicht aus anderem feuerfesten Material eine Dicke von 50 nm bis 5 μm haben.
Weiterhin können die die feuerfeste Schicht bildenden M_1-xAl_xN-Teilschichten Varianzen bei der Resteigenspannung zeigen. Zum Beispiel können einzelne M_1-xAl_xN-Teilschicht(en) mit einer geringen Resteigenspannung gemeinsam mit M_1-xAl_xN-Teilschicht(en) mit höherer Resteigenspannung zur Bildung der feuerfesten Schicht eingesetzt werden, die dann eine Gesamtresteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. Ebenso können die Resteigenspannungshöhen zwischen M_1-xAl_xN-Teilschichten und Teilschichten aus anderem feuerfesten Material so variiert werden, dass sie eine feuerfeste Schicht mit einer Gesamtresteigenspannung von weniger als 2,5 GPa bilden. In manchen Ausführungsformen können M_1-xAl_xN-Teilschicht(en) mit einer geringen Resteigenspannung gemeinsam mit Teilschicht(en) aus anderem feuerfesten Material mit höherer Resteigenspannung, z. B. TiN, zur Bildung der feuerfesten Schicht eingesetzt werden, die dann eine Gesamtresteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat. Alternativ können eine oder mehrere Teilschichten aus anderem feuerfesten Material, wie z. B. TiN, eine geringere Resteigenspannung als die M_1-xAl_xN-Teilschicht(en) der feuerfesten Schicht aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Resteigenspannungen der Teilschichten variieren, werden mindestens 30 Vol.-% der feuerfesten Schicht durch Teilschichten mit einer Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa gebildet. In manchen Ausführungsformen werden mindestens 40 Vol.-% oder mindestens 50 Vol.-% der feuerfesten Schicht durch Teilschichten mit einer Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa gebildet.
Wie oben in der Beschreibung des modifizierten Sin²Ψ-Verfahrens für Restspannungsanalyse dargelegt, wird der Streifwinkel so eingestellt, dass Substratreflexionen minimiert werden, während gewährleistet wird, dass die gesamte Dicke der feuerfesten Schicht in die Analyse einbezogen wird. Daher bezieht die Resteigenspannungsanalyse für eine aus M_1-xAl_xN-Teilschichten mit optionalen Teilschichten aus anderem feuerfesten Material gebildete feuerfeste Schicht die Resteigenspannungen der Teilschichten ein, um einen Wert von weniger als 2,5 GPa für die feuerfeste Schicht zu erhalten. In manchen Ausführungsformen können zum Beispiel M_1-xAl_xN-Teilschichten mit einer geringen Resteigenspannung gemeinsam mit M_1-xAl_xN-Teilschichten mit höherer Resteigenspannung zur Bildung der feuerfesten Schicht eingesetzt werden, so dass sich dann ein oder mehrere Restspannungsgefälle in der feuerfesten Schicht ergeben. Wie hierin beschrieben, können M_1-xAl_xN-Teilschichten mit einer geringen Resteigenspannung auch abwechselnd mit Teilschichten aus anderen feuerfesten Materialien mit höherer Resteigenspannung zur Bildung der feuerfesten Schicht eingesetzt werden, so dass sich dann ein oder mehrere Restspannungsgefälle in der feuerfesten Schicht ergeben.
Zusätzlich zu den unterschiedlichen Werten der Resteigenspannung können die die feuerfeste Schicht bildenden M_1-xAl_xN-Teilschichten unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Zum Beispiel können M_1-xAl_xN-Teilschichten mit einer höheren Resteigenspannung eine kleinere Korngröße als M_1-xAl_xN-Teilschichten mit geringerer Resteigenspannung aufweisen, so dass sich dann ein oder mehrere Korngrößengefälle in der feuerfesten Schicht ergeben. Die Korngröße einer M_1-xAl_xN-Teilschicht kann entsprechend der im Folgenden beschriebenen XRD-Technik ermittelt werden.
Außerdem können die feuerfeste Schicht bildende M_1-xAl_xN-Teilschichten im Wesentlichen den gleichen Wert für x oder unterschiedliche Werte für x haben. Zum Beispiel kann bei M_1-xAl_xN-Teilschichten im Wesentlichen der gleiche Wert für x aus Tabelle I ausgewählt oder können unterschiedliche Werte für x aus Tabelle I ausgewählt sein. Bei unterschiedlichen Werten kann in der feuerfesten Schicht ein Zusammensetzungsgefälle von Aluminium aufgestellt werden.
Außerdem kann die feuerfeste Schicht als eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen abgeschieden werden, wobei eine Teilschichtgruppe eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN umfasst. Eine kubische Phase bildende Nanoschicht kann ein kubisches Nitrid, ein kubisches Carbid oder kubisches Carbonitrid eines oder mehrerer metallischer Elemente, die aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVB, VB und VIB des Periodensystems ausgewählt sind, aufweisen. In manchen Ausführungsformen ist die kubische Phase bildende Nanoschicht zum Beispiel aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid, Titancarbid, Zirconiumnitrid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Niobnitrid, Hafniumnitrid, Hafniumcarbid, Vanadiumcarbid, Vanadiumnitrid, Chromnitrid, Aluminiumtitannitrid, kubischem Bornitrid, Aluminiumchromnitrid, Titancarbonitrid und Aluminumtitancarbonitrid ausgewählt. Weiterhin weist eine kubische Phase bildende Nanoschicht in manchen Ausführungsformen zusätzlich zur kubischen Phase hexagonale Phase auf. Eine kubische Phase bildende Nanoschicht von AlTiN, AlCrN und/oder AlZrN kann zum Beispiel geringe Mengen an hexagonaler Phase aufweisen.
Die Dicke einer Teilschichtgruppe, die eine auf eine kubische Phase bildende Nanoschicht aufgebrachte M_1-xAl_xN-Nanoschicht umfasst, kann im Allgemeinen im Bereich von 5 nm bis 50 nm liegen. In manchen Ausführungsformen hat die Teilschichtgruppe eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 40 nm. Die Dicke einer einzelnen M_1-xAl_xN-Nanoschicht kann von 5 nm bis 30 nm reichen, wobei die Dicke einer einzelnen kubische Phase bildenden Nanoschicht von 2 nm bis 20 nm reichen kann.
Weiterhin können Nanoschichten von M_1-xAl_xN und kubische Phase bildenden Zusammensetzungen Komgrößenverteilungen von 1 nm bis 15 nm aufweisen. Die hierin beschriebenen Korngrößenverteilungen von Nanoschichten können nach Röntgendiffraktionstechniken (XRD-Techniken) ermittelt werden. Kristallit- oder Korngrößenbestimmung durch XRD ist das Ergebnis der Feststellung der integralen Spitzenbreite und Spitzenform des gebeugten Probenmusters. Die Analyse der Korngröße durch die Rietveld-Methode beruht auf dem Wechsel der Parameter zur Bestimmung des Probenspitzenprofils im Vergleich zum Standardspitzenprofil. Die Profilparameter hängen von den für die Datenerfassung verwendeten Instrumenteneinstellungen und von der für die Verfeinerung verwendeten Profilfunktion ab.

Die XRD-Analyse wird mit einer Technik des streifendem Einfalls und mit den unten beschriebenen XRD-Instrumenten und -einstellungen durchgeführt. Es wird ein Größe-Dehnungs-Standard gemessen. Für diesen Zweck wird der Linienpositions- und Linienformstandard für Pulverdiffraktion SRM 660b von NIST verwendet. Ein Scan von hoher Qualität wird bei auf Auflösung feineingestellter Optik für den Standard erreicht (z. B. ≥ 140 Grad 20). Die Standardstruktur wird eingelesen und verfeinert. Geeignete Rietveld-Verfeinerungsparameter werden unten bei der Beschreibung der hexagonalen Phase angegeben. Die Rietveld-Verfeinerung für Kristallitgröße hängt von der zur Erkennung der Spitzen verwendeten Profilfunktion ab und umfasst normalerweise:

U-Parameter	beschreibt Spitzen-FWHM
V-Parameter	beschreibt Spitzen-FWHM
W-Parameter	beschreibt Spitzen-FWHM
Spitzenform 1	beschreibt den Spitzenform-Funktionsparameter
Spitzenform 2	beschreibt den Spitzenform-Funktionsparameter
Spitzenform 3	beschreibt den Spitzenform-Funktionsparameter
Asymmetrie	beschreibt Spitzenasymmetrie für das Rietveld- oder Howard-Modell

Die Verfeinerung des Standards definiert die Spitzenprofilparameter strikt nach dem Instrument. Diese Verfeinerung wird als der Spitzenaufweitungsstandard des Instruments gespeichert. Die unbekannten Probedaten werden in diese Standardverfeinerung importiert, wonach die Spitzenprofilverfeinerung mit den gleichen Parametern wie der Größenstandard ausgeführt wird. Die Ergebnisse der Verfeinerung der Spitzenprofile auf der unbekannten Probe bestimmen die Kristallitgröße.
2 ist eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das beschichtete Schneidwerkzeug (20) aus
2 umfasst ein Schneidwerkzeusubstrat (21) und eine am Substrat (21) anhaftende Beschichtung (22). Die Beschichtung (22) wird aus einer feuerfesten Schicht (23) gebildet, die eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen (24) umfasst. Eine Teilschichtgruppe (24) weist eine kubische Phase bildende Nanoschicht (25) und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN (26) auf. Die Teilschichtgruppen (24) werden wiederholt oder gestapelt, um die gewünschte Dicke der feuerfesten Schicht (23) zu liefern. Alternativ kann die feuerfeste Schicht (23) als einzelne M_1-xAl_xN-Schicht ohne Teilschichtgruppen ausgebildet sein.
10 ist eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das beschichtete Schneidwerkzeug (50) aus 10 umfasst ein Schneidwerkzeugsubstrat (51) und eine am Substrat (50) anhaftende Beschichtung (52). Die Beschichtung wird durch eine einzelne, monolithische feuerfeste Schicht (53) der Form M_1-xAl_xN gebildet, wobei x aus der Tabelle I hierin ausgewählt ist. Weiterhin kann die feuerfeste Schicht M_1-xAl_xN (53) eine beliebige Kombination von aus den Tabellen II–IV hierin ausgewählten Eigenschaften haben. In manchen Ausführungsformen hat die feuerfeste Schicht M_1-xAl_xN (53) zum Beispiel einen Wert von x ≥ 0,68 oder ≥ 0,69 und eine Härte von mindestens 25 GPa.
Die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht kann wie in 2 und 10 dargestellt direkt an dem Substrat angebracht werden. Als Alternative kann die feuerfeste Schicht durch eine oder mehrere feuerfeste Zwischenschichten am Substrat angebracht sein. Feuerfeste Zwischenschicht(en) der Beschichtung können eines oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und eines oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen. Zum Beispiel können in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere Zwischenschichten TiN, AlTiN, TiC, TiCN oder Al₂O₃ zwischen dem Schneidwerkzeugsubstrat und der feuerfesten Schicht angeordnet sein. Zwischenschichten können eine beliebige gewünschte Dicke haben, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In manchen Ausführungsformen hat die Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 5 μm.
Außerdem kann die Beschichtung weiterhin eine oder mehrere feuerfeste Schichten über der M_1-xAl_xN umfassenden feuerfesten Schicht aufweisen. Äußere feuerfeste Schichten der Beschichtung können eines oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und eines oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen. Zum Beispiel können in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere äußere feuerfeste Schichten von TiN, AlTiN, TiC, TiCN oder Al₂O₃ über der feuerfesten Schicht der Form M_1-xAl_xN angeordnet sein. Äußere feuerfeste Schichten können eine beliebige gewünschte Dicke haben, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In manchen Ausführungsformen hat eine äußere feuerfeste Schicht eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 5 μm.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das beschichtete Schneidwerkzeug (30) aus 3 umfasst ein Schneidwerkzeusubstrat (31) und eine am Substrat (31) anhaftende Beschichtung (32). Die Beschichtung (32) umfasst eine feuerfeste Schicht (33), die eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen (34) aufweist. Wie in 2 weist eine Teilschichtgruppe (34) eine kubische Phase bildende Nanoschicht (35) und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN (36) auf. Die Teilschichtgruppen (34) werden wiederholt oder gestapelt, um die gewünschte Dicke der feuerfesten Schicht (33) zu liefern. Eine Zwischenschicht (37) ist zwischen dem Schneidwerkzeugsubstrat (31) und der feuerfesten Schicht (33) angeordnet. In manchen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht (37) eine einzelne Schicht. Alternativ kann die Zwischenschicht (37) eine Mehrschichtstruktur annehmen.
II. Verfahren zur Herstellung von beschichteten Schneidwerkzeugen
In einem weiteren Aspekt werden hierin Verfahren zur Herstellung beschichteter Schneidwerkzeuge beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Substrats und das Abscheiden – mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung – einer Beschichtung über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats, die eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht aufweist, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat.
Die M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht, wobei x ≥ 0,4 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, kann beliebige für die feuerfeste Schicht in Abschnitt I oben beschriebene Zusammensetzungsparameter, Strukturen und/oder Eigenschaften haben. Die feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN, kann zum Beispiel einen aus Tabelle I hierin ausgewählten Wert x, einen aus Tabelle II hierin ausgewählten Gehalt an hexagonaler Phase, eine aus Tabelle 111 hierein ausgewählte Härte, eine aus Tabelle IV hierin ausgewählte Dicke und eine aus Tabelle V hierin ausgewählte Resteigenspannung haben.
Die feuerfeste Schicht kann als eine einzelne durchgängige Schicht der Form M_1-xAl_xN aufgebracht sein. In manchen Ausführungsformen wird zum Beispiel eine einzelne durchgängige Schicht der Form M_1-xAl_xN mittels kathodischer Lichtbogenabscheidung mit einer aus den Tabellen I bis V hierin ausgewählten Zusammensetzung und Eigenschaften auf eine oder mehrere Kathoden mit einem Durchmesser von etwa 80 mm aufgebracht. In manchen Ausführungsformen kann jede Kathode des kathodischen Abscheidegeräts einen Durchmesser von weniger als 80 mm haben. Weiterhin kann die Zusammensetzung der Kathoden mit einem Durchmesser von weniger als 80 mm so gewählt sein, dass die Bildung von hexagonaler Phase in der feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN begrenzt wird. Zum Beispiel kann die Kathodenzusammensetzung so gewählt werden, dass diese einen Aluminiumgehalt (Al) von über 0,5 hat. In manchen Ausführungsformen werden eine oder mehrere Kathoden mit einem Durchmesser von weniger als 80 mm und einer Zusammensetzung von Ti_0.33Al_0.67 verwendet werden, um die Bildung von hexagonaler Phase in der feuerfesten Schicht M_1-xAl_xN zu begrenzen. Ein solches Ergebnis ist kontraintuitiv angesichts dessen, dass Kathoden mit einem hohen Al-Gehalt die Bildung von hexagonaler Phase ermöglichen können.
Alternativ kann die einzelne durchgängige Schicht der Form M_1-xAl_xN mit einer Reduzierung der Stärke eines oder mehrerer den Lichtbogen lenkender Magnetfelder abgeschieden werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, können Elektromagnete und/oder Dauermagnete verschiedener Stärken hinter den Kathoden angeordnet werden, um die Bewegung der Brennflecken auf den Kathoden zu lenken. Nach manchen hierin beschriebenen Ausführungsformen kann eine Reduzierung der Stärke eines oder mehrerer den Lichtbogen lenkender Magnetfelder feuerfeste Schicht(en) der Form M_1-xAl_xN erzeugen, die wie in Abschnitt I oben beschriebene Zusammensetzungsparameter und Eigenschaften haben. Eine Verringerung der Stärke eines oder mehrerer den Lichtbogen lenkender Magnetfelder kann durch Wahl von schwachen Elektromagneten zur Anordnung hinter der/den Kathode(n) der Abscheidevorrichtung erreicht werden. Wenn zum Beispiel die kathodische Lichtbogenabscheidevorrichtung INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG verwendet wird, kann eine Reduzierung des den Lichtbogen lenkenden Magnetfelds durch Anordnen eines schwachen Elektromagneten (z. B. Stärke 6) hinter einer oder mehrerer Kathoden der Vorrichtung erreicht werden. Der bzw. die schwache(n) Elektromagnet(en) können bei einer Stromstärke von 0,1 A bis 0,8 A betrieben werden. In manchen Ausführungsformen beträgt die Stromstärke des schwachen Elektromagneten 0,2–0,5 A. Es ist hierin vorgesehen, dass eine Vielfalt von Konfigurationen von schwachen Elektromagneten betätigbar sind, um die erforderliche Stärkereduzierung eines oder mehrerer Lichtbogen lenkender Magnetfelder zu erreichen, um feuerfeste Schichten der Form M_1-xAl_xN mit den hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften zu erzielen.
Eine Reduzierung der Stärke eines oder mehrerer den Lichtboden lenkenden Felder kann auch mit Dauermagnetkonfigurationen bewirkt werden. Zum Beispiel kann die Anzahl und/oder Größe der hinter Kathoden der Abscheidevorrichtung angeordneten Magnetscheiben reduziert oder anderweitig verändert werden, um eine ausreichende Stärkereduzierung eines oder mehrerer den Lichtbogen lenkender Magnetfelder zur Erzeugung der hierin beschriebenen feuerfesten Schicht(en) zu bewirken. Es liegt in der Verantwortung des Fachmanns, die genannten Prinzipien bei kathodischen Lichtbogenabscheidevorrichtungen unterschiedlicher Konstruktion anzuwenden, um eine geeignete Stärkereduzierung des bzw. der den Lichtbogen lenkenden Felder bereitzustellen.
Weiterhin kann die einzelne durchgängige Schicht der Form M_1-xAl_xN mit der/den in Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzung und Eigenschaften mit einer kathodischen Lichtbogenabscheidevorrichtung abgeschieden werden, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist. In manchen Ausführungsformen kann jede Anode des kathodischen Abscheidegeräts eine ringförmige Verlängerung haben. Die ringförmige Verlängerung der Anode kann teilweise die Vorderfläche der zugehörigen Kathode überlappen. Zusätzlich kann zwischen Kathode und ringförmiger Anodenverlängerung ein Einschlussring angeordnet werden. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anodenkonfiguration, die eine ringförmige Verlängerung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Wie in 4 dargestellt, umringt die Anode (40) die Kathode (41) in der kathodischen Lichtbogenkonstruktion. Die ringförmige Verlängerung (43) ragt über die Vorderfläche (44) der Anode (40) hinaus. Ein Einschlussring (45) ist zwischen der ringförmigen Verlängerung (43) und der Kathode (41) angeordnet.
Die feuerfeste Schicht kann als eine Mehrzahl von M_1-xAl_xN-Teilschichten abgeschieden werden. Dicke und Resteigenspannung der einzelnen M_1-xAl_xN-Teilschichten können durch Einstellen der Zielaufdampfraten, Vorspannungen und/oder sonstiger PVD-Parameter geregelt werden.
Wie hierin beschrieben, kann die feuerfeste Schicht auch als eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen abgeschieden werden, wobei eine Teilschichtgruppe eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN umfasst. Zusammensetzungsparameter geeigneter kubische Phase bildender Nanoschichten sind hierin in Abschnitt I beschrieben. Weiterhin können kubische Phase bildende Nanoschichten und Nanoschichten der Form M_1-xAl_xN die in Abschnitt I angegebenen Dicken und Korngrößenverteilungen aufweisen. Die Dicke der kubische Phase bildenden Nanoschichten und M_1-xAl_xN-Nanoschichten kann neben anderen PVD-Parametern durch Einstellen der Zielaufdampfraten geregelt werden.
Die während des kathodischen Lichtbogenabscheidens der feuerfesten M_1-xAl_xN-Schicht verwendeten Vorspannungen können im Allgemeinen von –20 V bis –80 V reichen. Wie hierin beschrieben, kann zumindest ein Teil der M_1-xAl_xN umfassenden feuerfesten Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V abgeschieden werden. Zum Beispiel kann die Vorspannung im Bereich von –20 V bis unter –40 V liegen. In manchen Ausführungsformen kann die gesamte feuerfeste Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V abgeschieden werden. Wie in den hierin dargestellten Beispielen weiter diskutiert, wurde überraschend festgestellt, dass durch die Verwendung von einer oder mehreren Kathoden mit einem Durchmesser von weniger als 80 mm, die Verwendung von Anoden mit einer ringförmigen Verlängerung und/oder die Verringerung der Stärke eines oder mehrerer den Lichtbogen lenkender Magnetfelder die Bildung von hexagonaler Phase in der aus M_1-xAl_xN gebildeten feuerfesten Schicht bei Abscheidevorspannungen von weniger als –40 V auf 0–35 Gewichtsprozent begrenzt werden kann. Auf gleiche Weise kann die Abscheidung der M_1-xAl_xN umfassenden feuerfesten Schicht als eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen einschließlich kubische Phase bildenden Nanoschichten die Bildung von hexagonaler Phase bei Vorspannungen von weniger als –40 V ebenfalls auf weniger als 0–35 Gewichtsprozent begrenzen. In manchen Ausführungsformen begrenzen die genannten Verfahren der kathodischen Lichtbogenabscheidung die Bildung der hexagonalen Phase bei Vorspannungen von weniger als –40 V auf mehr als 15 Gewichtsprozent und bis zu 35 Gewichtsprozent. Die Fähigkeit zur Begrenzung der Bildung von hexagonaler Phase gestattet der abgeschiedenen, M_1-xAl_xN umfassenden feuerfesten Schicht die Beibehaltung der erwünschten Härte. Weiterhin können Vorspannungen von weniger als –40 V eine übermäßige Resteigenspannung in der feuerfesten Schicht der Form M_1-xAl_xN begrenzen. Daher können M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schichten mit der gewünschten Härte in zuvor nicht erreichter Dicke abgeschieden werden. Bei Kopplung mit Werten für x ≥ 0,4 könnenM_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schichten auch die bei Hochtemperatur-Schneidanwendungen erwünschte Oxidationsbeständigkeit aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines hierin beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs das Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung über einer Oberfläche des Substrats, die eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht aufweist, wobei x ≥ 0,64 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Härte von mindestens 25 GPa hat, wobei die feuerfeste Schicht mit einer kathodischen Lichtbogen-Abscheidevorrichtung abgeschieden wird, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist. In manchen Ausführungsformen kann jede Anode des kathodischen Abscheidegeräts eine ringförmige Verlängerung haben. Die ringförmige Verlängerung der Anode kann teilweise die Vorderfläche der zugehörigen Kathode überlappen. Zusätzlich kann zwischen Kathode und ringförmiger Anodenverlängerung ein Einschlussring angeordnet werden. Zum Beispiel ist eine in manchen Ausführungsformen vorhandene Anodenkonfiguration mit einer ringförmigen Verlängerung hierin in 4 dargestellt.
Außerdem kann die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung der hierin beschriebenen Verfahren einen erhöhten Aluminiumgehalt haben. In manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere Kathoden der kathodischen Lichtbogen-Abscheidevorrichtung zum Beispiel eine aus Tabelle VII ausgewählte Konstruktion haben. Tabelle VII – Kathodenkonstruktion

Al₇₀Ti₃₀

Ah₇₃Ti₂₇

Al₇₅Ti₂₅

Al₈₀Ti₂₀
Zum Beispiel können Kathoden aus Tabelle VII beim Abscheiden der feuerfesten Schicht in Verbindung mit einer ringförmigen Verlängerung verwendet werden. In einem anderen Beispiel können Kathoden aus Tabelle VII verwendet werden, wenn die feuerfeste Schicht als eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen abgeschieden wird. Wie hierin beschrieben, weist eine Teilschichtgruppe eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN auf. Zusammensetzungsparameter geeigneter kubische Phase bildender Nanoschichten sind hierin in Abschnitt I beschrieben. Weiterhin können kubische Phase bildende Nanoschichten und Nanoschichten der Form M_1-xAl_xN die in Abschnitt I angegebenen Dicken und Korngrößenverteilungen aufweisen. Die Dicke der kubische Phase bildenden Nanoschichten und M_1-xAl_xN-Nanoschichten kann neben anderen PVD-Parametern durch Einstellen der Zielaufdampfraten geregelt werden.
Vorspannungen für die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung verwendet, können im Allgemeinen im Bereich von –40 V bis –80 V liegen. In manchen Ausführungsformen ist die Vorspannung auf –40 V, –60 V oder –80 V eingestellt. Außerdem kann die Vorspannung während des Abscheidens der feuerfesten M_1-xAl_xN-Schicht im Bereich von –40 V bis –80 V variiert werden.
Die durch eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist, abgeschiedene feuerfeste Schicht der Form M_1-xAl_xN kann beliebige der in Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften haben, darunter eine beliebige Kombination von in den Tabellen I–VI aufgeführten Eigenschaften. in manchen Ausführungsformen hat die feuerfeste Schicht M_1-xAl_xN zum Beispiel einen Wert von x ≥ 0,68 oder ≥ 0,69 oder ≥ 0,7 und eine Härte von mindestens 25 GPa oder mindestens 27 GPa.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen weiter veranschaulicht.
BEISPIEL 1 – Beschichtetes Schneidwerkzeug
Ein Schneidwerkzeug wurde mit einer aus einer Mehrzahl von Teilschichtgruppen gebildeten feuerfesten Schicht beschichtet, von denen eine jede Teilschichtgruppe eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN aufwies, wobei M Titan und x ≥ 0,6 war. Die feuerfeste Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) einer [ANSI-Standardgeometrie CNGP433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –20 V, einem Stickstoff-Partialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argon-Partialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine INNOVA PVD-Vorrichtung der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der Beschichtung verwendet. Zur Bildung der feuerfesten Schicht wurden kubische Phase bildende TiN-Nanoschichten und Nanoschichten der Form Ti_1-xAl_xN (x ≥ 0,6) in wechselnder Abfolge mit Hilfe von Kathodenkonstruktionen aus Tabelle VIII abgeschieden. Tabelle VIII – Kathodenkonstruktionen

Beispiel Kathode für die kubische Phase bildend Nanoschicht Kathode für die TiM_1-xAl_xN Nanoschicht

1 Ti Ti_0.33Al_0.67
Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle IX angegeben. Gehalt an hexagonaler Phase, Resteigenspannung und Härte der feuerfesten Schicht wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle IX – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel Härte (GPa) Resteigenspannung (GPa) Hexagonale Phase (Gew.-%) Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

1 28,7 1950 32,7 7,1
Wie in Tabelle IX angegeben, zeigte die feuerfeste Schicht große Härte, geringe Resteigenspannung und große Dicke. Weiterhin ist 5 ein Röntgen-Diffraktogramm der feuerfesten Beschichtung aus Beispiel 1. Wie im Diffraktogramm dargestellt, lag das TiAlN der feuerfesten Schicht sowohl in kubischer als auch in hexagonaler Form vor.
BEISPIEL 2 – Beschichtetes Schneidwerkzeug
Es wurde ein beschichtetes Schneidwerkzeug nach Beispiel 1 hergestellt, wobei die Unterschiede darin bestanden, dass die Vorspannung auf –45 V erhöht und die Geometrie des Hartcarbidsubstrats die ANSI-Standardgeometrie CNGP432 war. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle X angegeben. Gehalt an hexagonaler Phase, Resteigenspannung und Härte der feuerfesten Schicht wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle X – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel Härte (GPa) Resteigenspannung (GPa) Hexagonale Phase (Gew.-%) Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

2 31,0 1081 32,2 6,3
Wie bei Beispiel 1 zeigte das beschichtete Schneidwerkzeug aus Beispiel 2 große Härte, geringe Resteigenspannung und große Dicke. 6 ist ein Röntgen-Diffraktogramm der feuerfesten Beschichtung aus Beispiel 2.
BEISPIEL 3 – Beschichtetes Schneidwerkzeug
Ein Schneidwerkzeug wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,6) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie SNG433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –30 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.33Al_0.67, und die Anoden der Vorrichtung waren mit ringförmigen Verlängerungen ausgestattet. Die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA wurde zum Beispiel in Advanced Plasma Optimizer(APO)-Konfiguration betrieben, die die ringförmigen Verlängerungen für die Anoden in der Vorrichtung berücksichtigt. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XI angegeben. Gehalt an hexagonaler Phase, Resteigenspannung und Härte der feuerfesten Schicht wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XI – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel Härte (GPa) Resteigenspannung (GPa) Hexagonale Phase (Gew.-%) Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

3 29,4 2053 0 8,1
Wie in Tabelle XI angegeben, zeigte die feuerfeste Schicht große Härte, geringe Resteigenspannung und große Dicke. 7 ist ein Röntgen-Diffraktogramm der feuerfesten Beschichtung aus Beispiel 3. Wie in 7 angegeben, lag das TiAlN der feuerfesten Schicht einphasig kubisch vor. Außerdem verwendete die feuerfeste TiAlN-Schicht dieses Beispiels keine kubische Phase bildenden Schichten, wodurch sie strukturell von den Beispielen 1 und 2 hierin abwich.
BEISPIEL 4 – Beschichtetes Schneidwerkzeug
Ein Schneidwerkzeug wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,6) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie CNGP432] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –30 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.33Al_0.67, und schwache Elektromagnete (z. B. Stärke 6) wurden hinter den Kathoden angeordnet, um den Lichtbogen lenkende Magnetfelder mit verringerter Stärke zu erzeugen. Die Stromstärke für die Elektromagnete war im Bereich von 0,2–0,4 A eingestellt.
Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XII angegeben. Gehalt an hexagonaler Phase, Resteigenspannung und Härte der feuerfesten Schicht wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XII – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel Härte (GPa) Resteigenspannung (GPa) Hexagonale Phase (Gew.-%) Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

4 26,4 838 0 7,8
Wie in Tabelle XII angegeben, zeigte die feuerfeste Schicht große Härte, geringe Resteigenspannung und große Dicke. 8 ist ein Röntgen-Diffraktogramm der feuerfesten Beschichtung aus Beispiel 4. Wie in 8 angegeben, lag das TiAlN der feuerfesten Schicht einphasig kubisch vor. Außerdem verwendete die feuerfeste TiAlN-Schicht dieses Beispiels keine kubische Phase bildenden Schichten, wodurch sie strukturell von den Beispielen 1 und 2 hierin abwich.
BEISPIEL 5 – Beschichtete Schneidwerkzeuge
Ein Schneidwerkzeug (5) wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,64) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie SNG433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –40 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.30Al_0.70, und die Anoden der Vorrichtung waren mit ringförmigen Verlängerungen ausgestattet. Die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA wurde zum Beispiel in Advanced Plasma Optimizer(APO)-Konfiguration betrieben, die die ringförmigen Verlängerungen für die Anoden in der Vorrichtung berücksichtigt. Zwei zusätzliche Schneidwerkzeuge (6, 7) wurden gemäß Protokoll dieses Beispiels 5 beschichtet; der einzige Unterschied bestand darin, dass das Schneidwerkzeug (6) mit einer Vorspannung von –60 V und das Schneidwerkzeug (7) mit einer Vorspannung von –80 V hergestellt wurde. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XIII angegeben. Härte, Gehalt an hexagonaler Phase und kritische Belastung der feuerfesten Schichten wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XIII – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel 5 Härte (GPa) Kritische Belastung (L_c) kgf Hexagonale Phase (Gew.-%) Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

5 29,3 > 150 < 5 2,4

6 29,7 > 150 < 5 2,5

7 297 > 150 < 5 2,5
11 ist ein Röntgen-Diffraktogramm der feuerfesten Ti_1-xAl_xN-Beschichtung des Schneidwerkzeugs (1) aus Beispiel 5. Wie in 11 dargestellt, zeigte die Ti_1-xAl_xN-Beschichtung kubische und hexagonale Kristallphasen.
BEISPIEL 6 – Beschichtete Schneidwerkzeuge
Ein Schneidwerkzeug (8) wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,67) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie SNG433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –40 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.27Al_0.73, und die Anoden der Vorrichtung waren mit ringförmigen Verlängerungen ausgestattet. Die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA wurde in Advanced Plasma Optimizer(APO)-Konfiguration betrieben, die die ringförmigen Verlängerungen für die Anoden in der Vorrichtung berücksichtigt. Zwei zusätzliche Schneidwerkzeuge (9, 10) wurden gemäß Protokoll dieses Beispiels 6 beschichtet; der einzige Unterschied bestand darin, dass das Schneidwerkzeug (9) mit einer Vorspannung von –60 V und Schneidwerkzeug (10) mit einer Vorspannung von –80 V hergestellt wurde. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XIV angegeben. Härte und kritische Belastung der feuerfesten Schichten wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XIV – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel 6 Härte (GPa) Kritische Belastung (L_c) kgf Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

8 26,0 > 150 2,7

9 27,2 > 150 2,5

10 28,8 > 150 2,5
Kubische und hexagonale Phasen lagen in der feuerfesten Ti_0.33Al_0.67N-Schicht der Schneidwerkzeuge 8–10 vor.
BEISPIEL 7 – Beschichtete Schneidwerkzeuge
Ein Schneidwerkzeug (11) wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,7) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie SNG433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –40 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.25Al_0.75, und die Anoden der Vorrichtung waren mit ringförmigen Verlängerungen ausgestattet. Die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA wurde in Advanced Plasma Optimizer(APO)-Konfiguration betrieben, die die ringförmigen Verlängerungen für die Anoden in der Vorrichtung berücksichtigt. Zwei zusätzliche Schneidwerkzeuge (12, 13) wurden gemäß Protokoll dieses Beispiels 7 beschichtet; der einzige Unterschied bestand darin, dass das Schneidwerkzeug (12) mit einer Vorspannung von –60 V und das Schneidwerkzeug (13) mit einer Vorspannung von –80 V hergestellt wurde. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XV angegeben. Härte, kritische Belastung und hexagonale Phase der feuerfesten Schichten wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XV – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel 7 Härte (GPa) Kritische Belastung (L_c) kgf Dicke der feuerfesten Schicht (μm) Hexagonale Phase (Gew.-%)

11 25,0 > 150 2,6 < 30

12 26,9 > 150 2,4 < 30

13 26,5 > 150 2,8 < 30
Die abgeschiedenen Ti_1-xAl_xN-Beschichtungen wiesen weniger als 30 Gew.-% hexagonale Phase auf, wobei der Rest der Kristallphase kubisch war.
BEISPIEL 8 – Beschichtete Schneidwerkzeuge
Ein Schneidwerkzeug (14) wurde mit einer einzigen, monolithischen feuerfesten Schicht der Form Ti_1-xAl_xN (x > 0,76) beschichtet. Die feuerfeste Ti_1-xAl_xN-Schicht wurde durch kathodische Lichtbogenabscheidung auf ein Wendeschneidplatten-Hartcarbidsubstrat (WC-6 Gew.-% Co) [ANSI-Standardgeometrie SNG433] bei einer Substrattemperatur von 550–600°C, einer Vorspannung von –60 V, einem Stickstoffpartialdruck von 4,0–4,5 Pa und einem Argonpartialdruck von 0,5–1,0 Pa abgeschieden. Eine kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA der OC Oerlikon Balzers AG wurde für das Abscheiden der feuerfesten Schicht verwendet. Die Kathodenzusammensetzung war Ti_0.20Al_0.80, und die Anoden der Vorrichtung waren mit ringförmigen Verlängerungen ausgestattet. Die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung vom Typ INNOVA wurde in Advanced Plasma Optimizer(APO)-Konfiguration betrieben, die die ringförmigen Verlängerungen für die Anoden in der Vorrichtung berücksichtigt. Ein zusätzliches Schneidwerkzeug (14) wurde gemäß Protokoll dieses Beispiels 8 beschichtet; der einzige Unterschied bestand darin, dass das Schneidwerkzeug (14) mit einer Vorspannung von –80 V hergestellt wurde. Eigenschaften der resultierenden feuerfesten Schicht sind in Tabelle XVI angegeben. Härte und kritische Belastung der feuerfesten Schichten wurden entsprechend den jeweiligen hierin in Abschnitt I beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle XVI – Eigenschaften der feuerfesten Schicht

Beispiel 8 Härte (GPa) Kritische Belastung (L_c) kgf Dicke der feuerfesten Schicht (μm)

13 25,4 > 150 2,7

14 26,1 > 150 2,7
Die abgeschiedenen feuerfesten Ti_1-xAl_xN-Schichten der Schneidwerkzeuge (13 und 14) wiesen kubische und hexagonale Kristallphasen auf.
In Erfüllung der verschiedenen Aufgaben der Erfindung wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dienen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen der Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich, ohne von deren Geist und Umfang abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 14577 [0043]
V. Valvoda, R. Kuzel, R. Cerny, D. S. Rafaja, J. Musil, C. Kadlec, A. J. Perry, Thin Solid Films 193/194 (1990) 401 [0048]
ISO-Norm 14577 [0055]
ANSI-Standardgeometrie CNGP433 [0088]
ANSI-Standardgeometrie CNGP432 [0091]
ANSI-Standardgeometrie SNG433 [0093]
ANSI-Standardgeometrie CNGP432 [0095]
ANSI-Standardgeometrie SNG433 [0098]
ANSI-Standardgeometrie SNG433 [0100]
ANSI-Standardgeometrie SNG433 [0102]
ANSI-Standardgeometrie SNG433 [0104]

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug, aufweisend: ein Substrat; und eine Beschichtung aufweisend eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht, wobei x ≥ 0,68 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische kristalline Phase umfasst und eine Härte von mindestens 25 GPa hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei x ≥ 0,69 ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei 0,7 ≤ x ≤ 0,85 ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht eine kritische Belastung (L_c) von mindestens 100 kg hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht eine L_c von mindestens 150 kg hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht weniger als 35 Gewichtsprozent an hexagonaler Phase enthält.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, wobei die feuerfeste Schicht weniger als 30 Gewichtsprozent an hexagonaler Phase enthält.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht eine Dicke von 2 bis 8 μm hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht direkt an dem Substrat angebracht ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht durch eine oder mehrere feuerfeste Zwischenschichten am Substrat angebracht ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, wobei eine oder mehrere feuerfeste Zwischenschichten eines oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und eines oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die eine oder mehreren Zwischenschichten aus der Gruppe bestehend aus TiN, AlTiN, TiC, TiCN und Al₂O₃ ausgewählt sind.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung weiterhin eine oder mehrere feuerfeste Schichten über der feuerfesten Schicht aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 13, wobei die eine oder mehreren feuerfesten Schichten eines oder mehrere metallische Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und eines oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, das eine Härte von mindestens 27 GPa hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Hartcarbid, Carbid, Keramik oder Stahl ausgebildet ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug, aufweisend: ein Substrat; und eine Beschichtung aufweisend eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht, wobei x ≥ 0,55 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine Dicke von über 5 μm, eine Härte von mindestens 25 GPa und eine Resteigenspannung von weniger als 2,5 GPa hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die Resteigenspannung weniger als 2,0 GPa beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die Resteigenspannung weniger als 1,5 GPa beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die Dicke der feuerfesten Schicht weniger als 10 μm beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die feuerfeste Schicht mehr als 15 Gewichtsprozent an hexagonaler Phase enthält.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 21, wobei die feuerfeste Schicht bis zu 35 Gewichtsprozent an hexagonaler Phase enthält.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei 0,6 ≤ x ≤ 0,85 ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die feuerfeste Schicht eine Härte von bis zu 35 GPa hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die feuerfeste Schicht mit einer Vorspannung von weniger als –40 V abgeschieden wird.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die feuerfeste Schicht eine Mehrzahl von Teilschichtgruppen aufweist und eine Teilschichtgruppe eine eine kubische Phase bildende Nanoschicht und eine angrenzende Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 26, wobei die die kubische Phase bildende Nanoschicht ein kubisches Nitrid, Carbid oder Carbonitrid eines oder mehrerer metallischer Elemente, die aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVB, VB und VIB des Periodensystems ausgewählt sind, aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 27, wobei die die kubische Phase bildende Nanoschicht aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid, Titancarbid, Zirconiumnitrid, kubischem Bornitrid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Niobnitrid, Hafniumnitrid, Hafniumcarbid, Vanadiumcarbid, Vanadiumnitrid, Chromnitrid, Aluminiumtitannitrid, Aluminiumchromnitrid, Titancarbonitrid und Aluminumtitancarbonitrid ausgewählt ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 27, wobei die die kubische Phase bildende Nanoschicht aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid und Aluminiumtitannitrid ausgewählt ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 27, wobei die die kubische Phase bildende Nanoschicht hexagonale Phase aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 26, wobei die die kubische Phase bildende Nanoschicht eine Dicke von 5–50 nm hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 31, wobei die Nanoschicht der Form M_1-xAl_xN eine Dicke von 10–200 nm hat.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 17, wobei das Substrat aus Hartcarbid, Carbid, Keramik oder Stahl ausgebildet ist.
Verfahren zu Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, umfassend: Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats; und Abscheiden einer Beschichtung über einer Oberfläche des Substrats, die eine M_1-xAl_xN umfassende feuerfeste Schicht aufweist, wobei x ≥ 0,64 und M Titan, Chrom oder Zirconium ist, die feuerfeste Schicht eine kubische kristalline Phase umfasst und eine Härte von mindestens 25 GPa hat, wobei die Beschichtung mit einer kathodischen Lichtbogen-Abscheidevorrichtung abgeschieden wird, die mindestens eine Anode mit einer ringförmigen Verlängerung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei x ≥ 0,69 ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei 0.7 ≤ x ≤ 0.85 ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die feuerfeste Schicht eine L_c von mindestens 100 kg hat.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die feuerfeste Schicht direkt auf das Substrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die ringförmige Anodenverlängerung die Vorderfläche einer Kathode teilweise überlappt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung eine oder mehrere Kathoden der Konstruktion Al₇₃Ti₂₇ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung eine oder mehrere Kathoden der Konstruktion Al₇₅Ti₂₅ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die kathodische Lichtbogen-Abscheidevorrichtung eine oder mehrere Kathoden der Konstruktion Al₈₀Ti₂₀ aufweist.