DE102015115859A1

DE102015115859A1 - Mehrschichtig strukturierte Beschichtungen für Schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE102015115859A1
Application number: DE102015115859.0A
Authority: DE
Inventors: Zhenyu Liu; Peter Rudolf Leicht; Yixiong Liu
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2016-03-31
Also published as: US20160090654A1; CN105463456A; CN105463456B; US10570521B2; US20170356091A1; US9719175B2

Abstract

Beschrieben werden Schneidwerkzeuge mit Beschichtungen, die einen erwünschten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneideinsatzdauer aufweisen können. Ein hierin beschriebenes Schneidwerkzeug weist ein Substrat und eine Beschichtung mit einer Vielzahl sich abwechselnder Schichten einer ersten Schicht aus Al2O3 und einer zweiten Schicht aus MeAl2O3 und/oder MeAl2O3/MeO2-Verbundmaterial auf, wobei Me für Zr, Hf, Ti oder eine Kombination daraus steht. Die Beschichtung hat eine übergitterartige Struktur.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für Schneidwerkzeuge und insbesondere Beschichtungen, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden wurden.
HINTERGRUND
Schneidwerkzeuge, einschließlich Hartmetall-Schneidwerkzeugen, werden sowohl im beschichteten als auch im unbeschichteten Zustand zur Bearbeitung verschiedener Metalle und Legierungen verwendet. Um die Verschleißfestigkeit, die Leistung und die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen zu erhöhen, wurden eine oder mehrere Schichten feuerfesten Materials auf die Oberflächen von Schneidwerkzeugen abgeschieden. Beispielsweise wurden TiC, TiCN, TiN und/oder Al₂O₃ auf Hartmetallsubstrate durch CVD und durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden. Während feuerfeste Beschichtungen auf der Basis von ein- oder mehrschichtigen Konstruktionen dieser erwähnten feuerfesten Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen bei der Verschleißhemmung und der Verlängerung der Lebensdauer von Werkzeugen effektiv sind, weisen sie selbstverständlich Leistungsgrenzen auf, sodass Bedarf an der Entwicklung neuer Beschichtungen mit verbesserten Eigenschaften besteht.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Gesichtspunkt werden die Schneidwerkzeuge als mit daran haftenden Beschichtungen beschrieben, die in einigen Ausführungsformen einen erwünschten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneidlebensdauer aufweisen können. Ein hier beschriebenes Schneidwerkzeug weist ein Substrat und eine Beschichtung auf, die eine Vielzahl von sich abwechselnden Schichten mit einer ersten Schicht aus Al₂O₃ und einer zweiten Schicht aus entweder MeAl₂O₃ und/oder MeAl₂O₃/MeO₂-Verbundwerkstoff aufweist, wobei Me für Zr, Hf oder Ti oder eine Kombination davon steht.
Verfahren zum Herstellen von beschichteten Schneidwerkzeugen sind ebenfalls vorgesehen. Ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten hier beschriebenen Schneidwerkzeugs umfasst das Vorsehen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung auf einer Oberfläche eines Schneidwerkzeugsubstrats mittels CVD, wobei die Beschichtung eine Vielzahl von sich abwechselnden Schichten mit einer ersten Schicht aus Al₂O₃ und einer zweiten Schicht aus entweder MeAl₂O₃ und/oder MeAl₂O₃/MeO₂-Verbundwerkstoff aufweist, wobei Me für Zr, Hf oder Ti oder eine Kombination davon steht. Die Vielzahl von sich abwechselnden Schichten kann mit der ersten oder zweiten am nächsten zum Substrat liegenden Schicht beginnen.
Diese und andere Ausführungsformen sind in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein beschichtetes Schneidwerkzeug nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform dar.
2 ist ein REM-Querschnittsbild (Rasterelektronenmikroskop) eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
3 ist ein vergrößertes Radiotransmissionselektronenmikroskop-(RTEM)-Hellfeld-(HF)-Bi1d eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
4 ist das vergrößerte RTEM-HF-Querschnittsbild eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform aus 3.
5 ist ein vergrößertes RTEM-High-Angle-Annular-Dark-Field-(HAADF)-Querschnittsbild. eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
6 ist ein vergrößertes RTEM-HAADF-Querschnittsbild eines mit einem fokussierten Ionenstrahl behandelten beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
7 ist eine schematische Darstellung verschiedener Dotierungsprozesse gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier beschriebene Ausführungsformen sind anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Beispiele und deren vorangegangenen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Elemente, Vorrichtungen und Verfahren, die hierin beschrieben sind, sind jedoch nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, die in der detaillierten Beschreibung und den Beispielen dargestellt sind. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne Weiteres offensichtlich, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
I. Beschichtete Schneidwerkzeuge
In einem Aspekt werden Schneidwerkzeuge als mit Beschichtungen versehen beschrieben, die in einigen Ausführungsformen einen erwünschten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneideinsatzdauer aufweisen. Mit Bezug auf 1 kann ein hier beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug 10 eine Schneidkante 12, eine Spanfläche 14, eine Freifläche 16 und eine Befestigungsbohrung 18 aufweisen. Der Einsatz 10 kann eine Vielzahl von Geometrien und Konfigurationen aufweisen, z. B. mit oder ohne Spanbrecher, Befestigungsbohrung oder positivem bzw. negativem Spanwinkel.
Mit Bezug auf 2 sieht eine hier beschriebene Ausführungsform einen Schneideinsatz 20 vor. Der Schneideinsatz 20 hat ein Substrat 22 und eine am Substrat 22 haftende Beschichtung; die Beschichtung hat eine mehrschichtige Struktur, die eine optionale Innenschicht 24 und eine optionale Bindungsschicht zwischen der Innenschicht 24, einer übergitterartigen Beschichtung 26 und der äußersten Beschichtungsschicht 28 aufweist. Die übergitterartige Beschichtung weist als A und B bezeichnete, sich wiederholende Beschichtungsschichten auf, wobei A und B eine Periodizität von Sequenzen aus Dotierstoff enthaltendem Al₂O₃ (B) und nicht dotiertem Al₂O₃ (A) bezeichnen. Alternativ dazu kann die Periodizität Dotierstoff enthaltendes Al₂O₃ (B) und gering dotiertes Al₂O₃ (A) aufweisen. Dotierstoffe können Ti, Zr, Hf oder eine Kombination davon einschließen. Die abwechselnden dotierten und nicht dotierten Schichten oder Schichten mit unterschiedlichen Dotierstufen können die Bildung von übergitterartigen Beschichtungsstrukturen bewirken.
Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung weist der Schneideinsatz 20 ein Substrat 22 auf. Substrate der beschichteten Schneidwerkzeuge können jedes beliebige Material umfassen, das mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht in Widerspruch steht. Bei einigen Ausführungsformen weist ein Substrat Hartmetall, PKD, PKB, Keramik, Cermet oder Stahl auf.
Ein Hartmetallsubstrat kann Wolframcarbid (WC) aufweisen. WC kann in einem Substrat in einem Anteil von mindestens etwa 70 Gew.-% vorliegen. In einigen Ausführungsformen liegt WC in einem Substrat in einem Anteil von mindestens etwa 80 Gewichtsprozent oder in einem Anteil von mindestens etwa 85 Gewichtsprozent vor. Des Weiteren kann ein metallisches Bindemittel eines Hartmetallsubstrats Cobalt oder eine Cobaltlegierung aufweisen. Cobalt beispielsweise kann in einem Hartmetallsubstrat in einem Anteil von etwa 3 Gewichtsprozent bis etwa 15 Gewichtsprozent vorliegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt Cobalt in einem Hartmetallsubstrat mit einem Anteil von etwa 5–12 Gew.-% bis etwa 6–10 Gew.-% vor. Weiter kann ein Hartmetallsubstrat eine Zone der Bindemittelanreicherung aufweisen, die an der Substratfläche beginnt und von dort nach innen verläuft.
Hartmetallsubstrate können außerdem einen oder mehrere Zusatzstoffe aufweisen, wie beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder ihre Verbindungen: Titanium, Niobium, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium. Bei einigen Ausführungsformen bilden Titanium, Niobium, Vanadium, Tantalum, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium feste Lösungscarbide mit dem WC in dem Substrat. Das Substrat kann bei einigen Ausführungsformen ein oder mehrere feste Lösungscarbide mit einem Mengenanteil von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% aufweisen. Des Weiteren kann ein Hartmetallsubstrat Stickstoff aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen weist ein Substrat eines hier beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs eine oder mehrere Schneidkanten auf, die an der Verbindungsstelle zwischen der Spanfläche und den Freiflächen des Substrats ausgebildet sind. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs ein Bohrer, ein Fräser, ein Sägeblatt oder eine andere Schneidvorrichtung.
Eine am Substrat haftende Beschichtung kann eine Bindungsschicht zwischen der Innenschicht 24 und der übergitterartigen Schicht 26 aufweisen. Eine Bindungsschicht weist TiCN und TiAlOC auf. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Bindungsschicht ferner TiOCN auf. TiCN, TiAlOC und TiOCN können als Unterschichten der Bindungsschicht vorgesehen sein. Weiter hat eine Bindungsschicht einer Struktureinheit normalerweise eine Dicke von weniger als 5 μm. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Bindungsschicht eine Dicke auf, die aus Tabelle I entnommen ist. Tabelle I – Dicke der Bindungsschicht

Dicke der Bindungsschicht (nm)

10–950

5–500

5–200

10–100
Wenn eine oder mehrere Unterschichten von TiCN, TiAlOC und/oder TiOCN eine Bindungsschicht bilden, kann jede der Unterschichten eine Dicke von 5–500 nm haben. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann eine Diffusionssperrschicht, die Nitrit, TiN, ZrN und HfN und/oder eine Kombination daraus aufweist, direkt am Substrat haften. Die Dicke der Diffusionssperre kann geringer als 2 μm sein.
Weiter kann eine hier beschriebene Beschichtung eine oder mehrere Außenschichten über den Struktureinheiten aufweisen. Eine Außenschicht weist bei einigen Ausführungsformen ein oder mehrere metallische Elemente auf, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, ausgewählt aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Bei einigen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere über den Struktureinheiten abgeschiedene Außenschichten ein Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid von einem oder mehreren metallischen Elemente auf, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems. Beispielsweise werden eine oder mehrere Außenschichten aus der Gruppe bestehend aus TiN, TiCN und TiOCN ausgewählt. Außenschichten von hier beschriebenen Beschichtungen können jede beliebige Dicke aufweisen, die nicht zu den Zielen der vorliegenden Erfindung in Widerspruch steht. Eine Außenschicht einer Beschichtung kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 5 μm aufweisen. Unter Berücksichtigung aller Komponenten kann eine hier beschriebene Beschichtung eine Dicke von bis zu 25 μm haben. Eine Beschichtung kann zum Beispiel eine Gesamtdicke von 2–15 μm oder 5–20 μm haben.
3 ist ein RTEM-HF-Bild eines Querschnitts einer Beschichtung 30 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung. Die abwechselnden A/B-Schichten 32, 34 sind im Bild deutlich zu erkennen. Eine A-Schicht 32 mit dunklerem Kontrast im Bild stellt eine dotierte Schicht dar, während eine B-Schicht 34 mit hellerem Kontrast im Bild eine Schicht mit geringerer oder keiner Dotierung wiedergibt. Abwechselnde dunkle Bereiche 36 und helle Bereiche 38 sind an Korngrenzen zu erkennen. Die dunklen Flächen 36 geben interkristalline ZrO₂-Ablagerungen an. Zahlreiche entlang der Korngrenzen verteilte ZrO₂-Ablagerungen sind im Bild zu erkennen, obwohl in 3 nur der Dunkelbereich 36 spezifisch ausgewiesen ist.
4 ist ebenfalls ein RTEM-HF-(Hellfeld)-Bild eines Querschnitts einer Beschichtung 40 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung. Die abwechselnden A/B-Schichten 42, 44 sind im Bild deutlich zu erkennen. Eine A-Schicht 42 stellt eine Schicht mit geringerer oder keiner Dotierung dar, während eine B-Schicht eine dotierte Schicht wiedergibt. Abwechselnde dunkle Bereiche 46 und helle Bereiche 48 sind an Korngrenzen zu erkennen. Die dunklen Bereiche 46 geben interkristalline ZrO₂-Ablagerungen an.
5 ist ein RTEM-HAADF-Bild (High Angle Annular Dark Field) eines Querschnitts einer Beschichtung 50. Dunkle Schichten 52 im HAADF-Bild geben fehlende Dotierung an. Hellere Schichten 54 geben höhere Dotierungsstufen an. Die hellen Bereiche 56 geben interkristalline ZrO₂-Ablagerungen an. 3–5 zeigen ein eindeutiges Winkelstreifenmuster, das innerhalb der individuellen Beschichtungskörnung vorliegt.
Bei einer Ausführungsform hat die vorliegende Erfindung ein Beschichtungsschema mit sich abwechselnden dotierten und nicht dotierten Aluminiumoxidschichten oder unterschiedlichen Dotierstufen mit hohen und niedrigen Stufen oder mit unterschiedlich dotierenden Schichten mit multipler Periodizität. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist es offensichtlich, dass die Periodizität hohe und niedrige Dotierungsstufen mit Zr, Hf oder Ti betrifft und dass die Schichten mit niedriger Dotierungsstufe eine geringere Menge von Dotierstoff als die Dotierstufen höherer Ebene oder gar keinen Dotierstoff aufweisen können. Die hier verwendeten Begriffe „gering dotierte Schicht” und „hoch dotierte Schicht” beziehen sich auf die abwechselnden aluminiumoxidhaltigen Schichten, bei denen die hoch dotierte Schicht mehr Dotierstoff aufweist als die niedrig dotierte Schicht und bei denen die niedrig dotierte Schicht weniger Dotierstoff als die hoch dotierte Schicht oder gar keinen Dotierstoff aufweist. Das Beschichtungsschema weist CVD-Beschichtungsschichten auf, die sich abwechselnde hoch dotierte Schichten und niedrig dotierte Schichten mit vorbestimmter Schichtdicke und/oder Körnung aufweisen. Die sich abwechselnden hoch dotierten und niedrig dotierten Schichten geben zusammen mit Schichtdicken im Nanomaßstab die Bildung von übergitterartigen Strukturen an. Die Schichtdicke und/oder Korngröße des mehrschichtigen Beschichtungsschemas kann im Bereich von 0,5–20 μm eingestellt werden, indem die für die unterschiedlichen Beschichtungsschichten vorgesehene Prozessdauer und die Quellenbedingungen für Dotierstoffe und Aluminiumoxide angepasst werden. Die individuellen Dicken der hoch dotierten und niedrig dotierten Schichten können jeweils im Bereich von 0,05–0,2 μm liegen. Unterschiedliche Phasen von Alpha- und Kappa-Aluminiumoxiden können durch abwechselnde Bindungs- und Zwischenschicht-Strukturen in das Beschichtungsschema eingeführt werden. Die Beschichtungsprozedur bietet eine gute Gelegenheit, die Dotierungsstufe mittels gut konzipierter Dotierstoffeinführung zu steuern. Die Aluminiumoxid-Dotierstoffe können ZrCl₄, HfCl₄ oder TiCl₄ sein, erzeugt durch Reaktion zwischen HCl-Gas mit Metallspezies von Ti-, Zr- oder Hf-Mischungen bei 360–450°C. Die innovativen Beschichtungsprozeduren bieten auch eine gute Gelegenheit, die Beschichtungsstruktur zu verändern. Die dotierte Korngröße lässt sich steuern, insbesondere Zirconiumdotiertes Aluminiumoxid (ZrAl₂O₃) mit ZrO₂-Bildung im Beschichtungssystem. Dies ist der Konkurrenz und Selektivität zwischen Al₂O₃, ZrO₂, dotiertem Aluminiumoxid (ZrAl₂O₃) und der ZrO₂-Bildung der zweiten Phase geschuldet.

6 ist ein Querschnitt eines Beschichtungsbeispiels 60 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung. Das Muster wurde durch Behandlung mit einem fokussierten Ionenstrahl präpariert. Die Positionen 62, 64 und 66 wurden unter Verwendung von energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) in einem RTEM analysiert. Tabelle 11 enthält die quantitativen Daten, die sich aus den EDS-Spektra für jede der Positionen 62, 64, 66 ergeben. Tabelle II Quantitative EDS eines Beschichtungsmusters 60

Position	Element	Gew.-%	At.-%
62	O	39,92	58,67
	Al	42,1	36,69
	Zr	17,96	4,63
64	O	39,76	52,98
	Al	59,19	46,76
	Zr	1,03	0,24
66	O	46,24	59,20
	Al	53,75	40,79
	Zr	0,00	0,00

Position 62 ist ein Verbundabschnitt der Beschichtung, der wegen der Bildung eines ZrO₂-Intrakorns hohe Zr-Anteile (17,96 Gew.-%) aufweist. Position 64 befindet sich innerhalb einer dotierten Schicht des Beschichtungsmusters 60. Position 64 weist 1,03 Gew.-% Zr und 59,19 Gew.-% Al auf. Position 66 befindet sich innerhalb einer nicht dotierten Schicht des Beschichtungsmusters 60. Position 66 weist kein Zr und 53,75 Gew.-% Al auf.
Eine dünne obere TiCN/TiN-Schicht kann als Verschleißanzeige und für das optische Erscheinungsbild abgeschieden werden. Die obere TiCN/TiN-Schicht kann auch als Opferschicht für das Nass- oder Trockenstrahlen nach Beschichtung fungieren, um die Belastungssituation in den Beschichtungsschichten abzuändern. Auch andere Außenschichtsysteme, wie z. B. ZrCN, HfCN und TiOCN können beim Beschichtungsschema angewandt werden.
Die Schichtdicke des Beschichtungsschemas kann im Bereich von 0,05–20 μm eingestellt werden, indem die für die unterschiedlichen Beschichtungsschichten und die Dotierstoff- und Aluminiumoxid-Quellenbedingungen vorgesehene Prozessdauer entsprechend angepasst wird.
Beschichtungen der hier beschriebenen Schneidwerkzeuge können Beschichtungsnachbehandlungen unterzogen werden. Beschichtungen können beispielsweise mit verschiedenen Nass- und/oder Trockenteilchenzusammensetzungen gestrahlt werden. Eine nachträgliche Strahlbehandlung kann auf jede beliebige Weise erfolgen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Strahlbehandlung ein Kugelstrahlen oder Druckstrahlen. Das Druckstrahlen kann auf eine Vielzahl von Arten erfolgen, einschließlich Druckluftstrahlen, Nass-Druckluftstrahlen, Druckflüssigkeitsstrahlen, Nassstrahlen, Druckflüssigkeitsstrahlen und Dampfstrahlen. Das Nassstrahlen erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Breis aus anorganischen und/oder keramischen Teilchen, wie beispielsweise Tonerde und Wasser. Der Schlamm mit Aluminiumoxidpartikeln kann pneumatisch auf eine Oberfläche des Körpers des beschichteten Schneidwerkzeugs aufgebracht werden, um auf die Oberfläche der Beschichtung zu prallen. Die Tonerdeteilchen können im Allgemeinen in einem Größenbereich von etwa 20 μm bis etwa 100 μm liegen.
Zu den Strahlparametern zählen Druck, Auftreffwinkel, Abstand zur Teiloberfläche und Dauer. Bei einigen Ausführungsformen kann der Aufprallwinkel in einem Bereich von etwa 5° bis etwa 90° liegen, d. h., dass die Partikel in einem Winkel auf die Beschichtungsfläche treffen, der im Bereich von etwa 5° bis etwa 90° liegt. Geeignete Drücke können in einem Bereich von 0,21–0,38 Megapascal (MPa) (30–55 Pounds per Square Inch (psi)) in einem Abstand zur beschichteten Oberfläche von 2,5–15 Zentimetern (1–6 Zoll) liegen. Ferner kann die Dauer des Strahlens allgemein in einem Bereich von 1–10 Sekunden oder länger liegen. Das Strahlen kann im Allgemeinen über den Oberflächenbereich der Beschichtung erfolgen oder kann auf ausgewählte Stellen erfolgen, wie beispielsweise in einem Werkstückkontaktbereich des Schneidwerkzeugs. Ein Werkstückkontaktbereich kann ein gehonter Bereich des Schneidwerkzeugs sein.
In anderen Ausführungsformen wird eine Beschichtung einer nachträglichen Polierbehandlung unterzogen. Das Polieren kann mit einer Paste geeigneter Diamanten- oder Keramikschleifkorngröße erfolgen. Die Korngröße der Paste liegt in einigen Ausführungsformen im Bereich von 1 μm bis 10 μm. In einer Ausführungsform wird eine Diamantschleifkornpaste von 5–10 μm zum Polieren der Beschichtung verwendet. Weiter kann die Schleifpaste mittels einer beliebigen Vorrichtung, die nicht in Widerspruch zu den Zielen dieser Erfindung steht, auf die CVD-Beschichtung aufgetragen werden, wie z. B. durch Bürsten. In einer Ausführungsform wird beispielsweise ein Flachpinsel verwendet, um Schleifpaste auf die CVD-Beschichtung in einem Werkstückkontaktbereich des Schneidwerkzeugs aufzubringen.
Eine hier beschriebene Beschichtung kann über einen Zeitraum hinweg gestrahlt oder poliert werden, der ausreicht, um eine erwünschte Oberflächenrauheit (Ra) und/oder andere Parameter, wie beispielsweise das Beseitigen von verbliebener Zugspannung in der Beschichtung, zu erzielen. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Beschichtung, die einer nachträglichen Behandlung unterzogen wird, eine aus Tabelle III ausgewählte Oberflächenrauheit (Ra) auf. Tabelle III – Oberflächenrauheit (R_a) nach Behandlung

Oberflächenrauheit (R_a) – nm

≤ 500

≤ 250

< 200

10–250

50–175

25–150
Die Oberflächenrauheit der Beschichtung kann über optische Profilometrie unter Verwendung der WYKO^® NT-Series Optical Profilers, im Handel erhältlich von Veeco Instruments, Inc. aus Plainview, New York, bestimmt werden.
Ferner entfernt eine Beschichtungsnachbehandlung in einigen Ausführungsformen nicht eine oder mehrere Außenschichten der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen entfernt beispielsweise eine Beschichtungsnachbehandlung nicht eine Außenschicht aus TiN, TiCN und/oder TiOCN. Alternativ dazu kann eine nachträgliche Behandlung eine oder mehrere Außenschichten wie z. B. TiN, TiCN und TiOCN entfernen oder teilweise entfernen.
II. Verfahren zum Herstellen von beschichteten Schneidwerkzeugen
Verfahren zum Herstellen von beschichteten Schneidwerkzeugen sind ebenfalls vorgesehen. Ein hier beschriebenes Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs weist das Vorsehen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer CVD-Beschichtung auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats auf.
Nunmehr unter Bezugnahme auf spezifische Schritte weist ein hier beschriebenes Verfahren das Vorsehen eines Substrats auf. Ein Substrat kann jedes beliebige Substrat sein, das im vorstehenden Abschnitt I aufgeführt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Substrat beispielsweise ein Hartmetall, wie z. B. ein im vorstehenden Abschnitt I aufgeführtes gesintertes Wolframcarbid. Weiter können gemäß hier beschriebener Verfahren abgeschiedene Beschichtungen beliebige in Abschnitt I wiedergegebene Konstruktionen und/oder Eigenschaften aufweisen.

Bei einigen Ausführungsformen befinden sich eine oder mehrere Basisschichten der Beschichtung zwischen dem Substrat und den aluminiumoxidhaltigen Schichten. Eine Basisschicht kann ein oder mehrere metallische Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweisen. Beispielsweise kann eine Basisschicht aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN) und Titanoxicarbonitrid (TiOCN) ausgewählt sein. In einigen Ausführungsformen liegt eine mehrschichtige Anordnung vor, die TiN und TiCN aufweist. Allgemeine CVD-Abscheidungsparameter für verschiedene Basisschichten sind in Tabelle IV wiedergegeben. Tabelle IV – CVD-Parameter für die Abscheidung der Basisschicht

Zusammensetzung der Basisschicht	Gasmischung	Temperatur (°C)	Druck kPa (Torr)	Dauer (Minuten)
TiN	H₂, N₂, TiCl₄	800–900	8–40 (60–300)	20–120
TiCN(MT)	H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN	750–900	4–40 (30–300)	60–300
TiCN(HT)	H₂, N₂, TiCl₄, CH₄	900–1050	4–40 (30–300)	30–200
TiOCN	H₂, N₂, TiCl₄, CH₄, CO	900–1050	8–67 (60–500)	30–300

Weiterhin können hier beschriebene Verfahren auch das Abscheiden von einer oder mehreren Außenschichten auf der aluminiumoxidhaltigen Schicht aufweisen. Eine Außenschicht kann bei einigen Ausführungsformen ein oder mehrere metallische Elemente aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Bei einer Ausführungsform wird beispielsweise eine Außenschicht aus TiCN und/oder TiOCN mit Bezug auf in Tabelle IV wiedergegebene CVD-Parameter abgeschieden. Gemäß den hier beschriebenen Verfahren abgeschiedene Beschichtungen können eine in der vorstehenden Tabelle IV wiedergegebene Architektur haben.

Die aluminiumoxidhaltigen Schichten können unter den folgenden beispielhaften Bedingungen gebildet werden: Temp.: 800~1500°C; Druck: 4–67 kPa (30~500 Torr); Gasmischung aus AlCl₃ + H₂ + CO₂ + H₂S (optional) + HCl (optional) über 3600 Minuten. Die dotierten Aluminiumoxide können unter den folgenden beispielhaften Bedingungen gebildet werden: Temp.: 800~1500°C; Druck: 4~67 kPa (30~500 Torr), Gasmischung aus AlCl₃ + (TiCl₄ oder ZrCl₄ oder HfCl₄ oder eine Kombination daraus) + H₂ + CO₂ + H₂S (optional) + HCl (optional) über 1600 Minuten und mit unterschiedlichen Stufen der Dotierstoffeinführung. CVD-Parameter mit Bezug auf die aluminiumoxidhaltigen Schichten sind in Tabelle V wiedergegeben. Tabelle V – CVD-Parameter für die Abscheidung der Basisschicht

Zusammensetzung der Basisschicht	Gasmischung	Temperatur (°C)	Druck kPa (Torr)	Dauer (Minuten)
Al₂O₃	AlCl₃ + H₂ + CO₂ + H₂S (optional) + HCl (optional)	800–1500	4–67 (30–500)	3–600
MeAl₂O₃/MeO₂		800–1500	4–67 (30–500)	1–600
	[(AlCl₃ + TiCl₄ oder ZrCl₄ oder HfCl₄) oder (Kombination daraus)] + H₂ + CO₂ + H₂S (optional) + HCl (optional)

Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung wird die Dotierungsstufe über die Steuerung des Al/Me-Verhältnisses durch den in die Metallchloridgeneratoren eingeführten HCl-Gasstrom verändert. Bei einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung wird die Einführungszeit des Dotierstoffs während des Abscheidens der Beschichtung geändert. Es ist ebenfalls möglich, eine Multiperiodizität von Sequenzen von Dotierstoff enthaltendem Aluminiumoxid und nicht dotiertem Aluminiumoxid oder von Sequenzen unterschiedlicher Dotierungsstufen mit unterschiedlichen Schichtdickenverhältnissen zu erzeugen. Die Dotierstoffeinführung kann abrupt, schubweise, variabel, konstant, hoch oder niedrig erfolgen. Mehrere Ausführungsformen von Dotierungsvariationen sind in 7 wiedergegeben.
Weiter können die abgeschiedenen Beschichtungen Beschichtungsnachbehandlungen wie z. B. nachträglichem Strahlen oder Polieren entsprechend der Beschreibung im vorstehenden Abschnitt I unterzogen werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das nachträgliche Strahlen eine moderate Zugspannung der Beschichtung in eine moderate Druckspannung ändern oder die Druckspannung der ursprünglich abgeschiedenen Beschichtung erhöhen.
Diese und andere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden nicht einschränkenden Beispielen veranschaulicht.
III. Beispiele – Beschichtetes Schneidwerkzeug
Ein hier beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug wurde erzeugt, indem ein Substrat eines gesinterten Wolframcarbid-(WC-Co)-Schneideinsatzes [ANSI Standardgeometrie CNMG432RN] in einen Axialstrom-Heißwand-CVD-Reaktor eingebracht wurde. Der Schneideinsatz wies etwa 6 Gew.-% Cobaltbindemittel auf, wobei die restlichen WC-Körner eine Größe von 1 μm bis 5 μm aufwiesen. Eine Beschichtung mit einer in Tabelle VI angegebenen Architektur wurde gemäß den in den Tabellen IV–V wiedergegebenen CVD-Prozessparametern auf dem gesinterten WC-Schneideinsatz abgeschieden. Al₂O₃-ZrAl₂O₃/ZrO₂ bezeichnet ein Zweischichtsystem mit α-Al₂O₃ und ZrAl₂O₃/ZrO₂.

Die Muster A–D wiesen das Zweischichtsystem mit α-Al₂O₃ und ZrAl₂O₃-ZrO₂ auf. Das Muster E wurde als Vergleichsbeispiel übernommen und wies nur eine äußerste Schicht mit α-Al₂O₃ auf. Alle Muster wurden anfänglich mit äußersten TiCN/TiN-Schichten beschichtet. Diese Schichten wurden nachträglich mittels starkem Nassstrahlen mit Aluminiumoxidpartikel enthaltendem Schlamm behandelt, um die TiCN/TiN-Schichten zu entfernen. Tabelle VI-CVD-Beschichtungsarchitektur

Muster	Substrat	CVD-Beschichtungsarchitektur	n
A	WC-Co	TiN*-TiCN(MT)-TiCN/TiOCN/[Al₂O₃/ZrAl₂O₃-ZrO₂]	1
B	WC-Co	TiN*-TiCN(MT)-TiCN/TiOCN/[Al₂O₃/ZrAl₂O₃-ZrO₂]	26
C	WC-Co	TiN*-TiCN(MT)-TiCN/TiOCN/[Al₂O₃/ZrAl₂O₃-ZrO₂]	40
D	WC-Co	TiN*-TiCN(MT)-TiCN/TiOCN/[Al₂O₃/ZrAl₂O₃-ZrO₂]	40
E	WC-Co	TiN*-TiCN(MT)-TiCN/TiOCN/Al₂O₃	-

* Innerste, an das Substrat angrenzende Schicht als Diffusionssperre.

Die sich ergebende mehrschichtige Beschichtung zeigte die in Tabelle VII angegebenen Eigenschaften.

Die Abscheidzeiten wurden abgeändert, um die unterschiedlichen Schichtdicken in A–D zu erzeugen. Tabelle VII – Eigenschaften von CVD-Beschichtungen

	A	B	C	D	E
BEISPIEL	(1X)	(26X)	(40X)	(40X)	(–)
TiN	0,4	0,4	0,5	0,3	0,5
MT-TiCN	7,9	6,8	8,8	10,0	9,5
HT-TiCN/TiOCN	1,0	0,9	1,0	1,1	0,9
[Al₂O₃/ZrAl₂O₃-ZrO₂]_n	7,2	8,8	8,1	10,9	7,7
Gesamt	16,2	16,9	18,3	22,3	18,5
Zr/AI-Verhältnis*	0,625	0,442	0,625	0,442	-
ZrAl2O3 (μm)	7,2	0,17	0,08	0,10	-

IV. Metallschneidprüfung
Die beschichteten Schneideinsätze (A–D) und der Vergleichsbeschichtungseinsatz (E) wurden einer kontinuierlichen Drehprüfung gemäß den im Folgenden angegebenen Parametern unterzogen. Zwei Wiederholungen wurden durchgeführt, um eine mittlere Einsatzdauer der Werkzeuge vorzusehen.
Werkstück- 1045 Stahl (C 45 DIN)
Geschwindigkeit – 1000 sfm
Vorschub – 304,8 m/min
Schnitttiefe – 0,08 mm
Steigungswinkel: -5°
Die Bestimmung der Lebensdauer erfolgte durch einen oder mehrere Fehlermodi folgender Faktoren:
Gleichmäßiger Verschleiß (UW) von 0,03 cm (0,012'')
Maximaler Verschleiß (MW) von 0,03 cm (0,012'')
Verschleiß an der Nase (NW) von 0,03 cm (0,012'')
Tiefe des Schnittkerbenverschleißes (DOCN) von 0,03 cm (0,012'')
Hinterkantenverschleiß (TW) von 0,03 mm (0,012'')

Drei Schneideinsätze wurden für jede Beschichtungsarchitektur (1–4) geprüft und lieferten Daten der Wiederholungen 1–3 sowie eine gemittelte Schneidlebensdauer. Die Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung sind in Tabelle VIII aufgeführt. Tabelle VIII – Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung

Beschichteter Schneideinsatz	Wiederholung 1 Lebensdauer (Minuten)	Wiederholung 2 Lebensdauer (Minuten)	Gemittelte Schneidlebensdauer (Minuten)
A	5,6	8,5	7,1
B	14,7	15,0	14,9
C	14,0	13,7	13,9
D	13,2	13,8	13,5
E*	11,8	12,2	12,0

* Vergleichseinsatz

Entsprechend den Angaben in Tabelle VIII überdauerten die beschichteten Schneideinsätze B–D mit einer mehrschichtigen Struktur mit sich abwechselnden dotierten und nicht dotierten Schichten den Einsatz A mit nur einer nicht dotierten und dotierten Schicht und den Einsatz E mit einer kontinuierlichen α-Al₂O₃-Außenschicht.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind beschrieben worden, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug, welches Folgendes aufweist: ein Substrat; und eine Beschichtung, welche eine Vielzahl von abwechselnden Schichten aufweist, die eine erste Schicht aus Al₂O₃ und eine zweite Schicht aus MeAl₂O₃ und/oder aus MeAl₂O₃/MeO₂-Verbundmaterial aufweisen; wobei Me für Ti, Zr, Hf oder eine Kombination daraus steht.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das MeO₂ innerhalb von Korngrenzen angeordnet ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht oder die zweite Schicht 0,05 bis 0,5 μm dick ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils 0,05 bis 0,5 μm dick sind.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils geringer als oder gleich 0,015 μm ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Schicht α-Al₂O₃, K-Al₂O₃ oder eine Kombination daraus aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Schicht näher am Substrat ist als die erste Schicht.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Schicht näher am Substrat ist als die zweite Schicht.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wechsel zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht die Bildung einer übergitterartigen Struktur innerhalb individueller Körner der Beschichtung bewirkt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der ersten Schicht ein oder mehrere metallische Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Beschichtung ferner eine Basisschicht angrenzend an die Substratfläche aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 9, wobei die sich abwechselnden Beschichtungsschichten ein Zickzackmuster innerhalb eines Korns aufweisen.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Basisschicht mindestens TiN und/oder MT-TiCN und/oder TiOCN aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ferner ein oder mehrere metallische Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Me in Gew.-% vorliegt, und der Gew.-%-Anteil zwischen zwei oder mehreren zweiten Schichten unterschiedlich ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Me von einer zweiten Schicht gradientenartig eingeführt und entfernt ist.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs, welches Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats; und Abscheiden einer Beschichtung mittels CVD auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats, wobei die Beschichtung eine Vielzahl abwechselnder Schichten mit einer ersten Schicht aus Al₂O₃ und einer zweiten Schicht aus MeAl₂O₃ und/oder MeAl₂O₃/MeO₂-Verbundmaterial aufweist; wobei Me für Ti, Zr, Hf oder eine Kombination daraus steht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Schicht oder die zweite Schicht 0,05 bis 0,5 μm dick ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die erste Schicht dem Substrat am nächsten ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der ersten Schicht abgeschieden wird, und wobei die Zwischenschicht ein oder mehrere metallische Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems aufweist.