DE102018110200A1

DE102018110200A1 - Mehrschichtige nitrid-hartbeschichtungen

Info

Publication number: DE102018110200A1
Application number: DE102018110200.3A
Authority: DE
Inventors: Vineet Kumar; Ronald Penich; Chen Chen; Zhenyu Liu; Nicholas F. Jr. Waggle
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US11453063B2; CN108977808A; CN108977808B; US20180347027A1; US20200173012A1; US10570501B2

Abstract

In einem Aspekt werden hierin Beschichtungen beschrieben, die Verbundarchitekturen verwenden, die einen hohen Aluminiumgehalt und eine hohe Härte für verschiedene Schneidanwendungen bereitstellen. Zum Beispiel umfasst ein beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die eine Refraktärschicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird und die an dem Substrat haftet, wobei die Refraktärschicht eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen umfasst, wobei eine Unterschichtgruppe eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht und eine angrenzende Verbund-Unterschicht umfasst, welche einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Nitrid-Hartbeschichtungen und insbesondere mehrschichtige Nitrid-Hartbeschichtungen, die durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden und die einander abwechselnde Nanoschichten umfassen, die Titanaluminiumnitrid und Titansiliciumnitrid umfassen.
HINTERGRUND
Häufig werden eine oder mehrere Schichten aus refraktärem Material durch physikalische Gasphasenabscheidungs- (PVD-) Techniken auf die Oberflächen von Schneidwerkzeugen aufgebracht, um Eigenschaften einschließlich von Abriebbeständigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Schneidwerkzeugs zu verstärken. Titannnitrid- (TiN-) Beschichtungen werden beispielsweise üblicherweise durch PVD auf Hartmetall-Schneidwerkzeugsubstrate aufgebracht. Jedoch beginnt TiN bei etwa 500 °C zu oxidieren und bildet rutiles TiO₂, wodurch eine rasche Verschlechterung der Beschichtung gefördert wird. Integration von Aluminium in das kubische Gitter kann den oxidativen Abbau einer TiN-Beschichtung durch Bildung einer schützenden aluminiumreichen Oxidschicht auf der Beschichtungsoberfläche verlangsamen.
Auch wenn Aluminium eine Verbesserung der Beständigkeit gegen hohe Temperaturen bereitstellt, kann es auch strukturelle Änderungen in einer TiN-Beschichtung hervorrufen, die einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Beschichtung haben. Durch Erhöhen der Aluminiummengen, die in eine TiN-Beschichtung aufgenommen werden, kann das Wachsen einer hexagonal-dichtest gepackten (hdp) Aluminiumnitrid- (AIN-) Phase hervorgerufen werden, was die Kristallstruktur der Beschichtung von einphasig-kubisch in eine Mischung aus kubischen und hexagonalen Phasen ändert. In manchen Fällen kann ein Aluminiumgehalt von über 70 Atomprozent die Kristallstruktur der AlTiN-Schicht weiter in eine einphasig-hdp ändern. Signifikante Mengen einer hexagonalen Phase können zu einer erheblichen Verringerung der Härte von AITiN führen, was zu einem vorzeitigen Versagen der Beschichtung oder anderen unerwünschten Leistungseigenschaften führt. Schwierigkeiten bei der Steuerung der Bildung der hexagonalen Phase können eine vollständige Verwirklichung der Vorteile, die durch die Aluminiumzugaben zu TiN-Beschichtungen geboten werden, verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt werden hierin Beschichtungen beschrieben, die Verbundarchitekturen verwenden, die einen hohen Aluminiumgehalt und eine hohe Härte für verschiedene Schneidanwendungen bereitstellen. Zum Beispiel umfasst ein beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die eine Refraktärschicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird und die an dem Substrat haftet, wobei die Refraktärschicht eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen umfasst, wobei eine Unterschichtgruppe eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht und eine angrenzende Verbund-Unterschicht umfasst, welche einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst. In manchen Ausführungsformen weist die Titanaluminiumnitrid-Unterschicht die Formel Ti_1-xAl_xN auf, worin x ≥ 0,68. Die Beschichtung, die an dem Substrat haftet, umfasst in manchen Ausführungsformen ferner eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der Refraktärschicht und dem Substrat. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise Titanaluminiumnitrid umfassen. In manchen Ausführungsformen weist das Titanaluminiumnitrid der Zwischenschicht die Formel Ti_1-zAl_zN auf, worin z ≥ 0,68. In anderen Ausführungsformen kann z kleiner als 0,68 sein.
Diese und andere Ausführungsformen sind in der detaillierten Beschreibung, die folgt, detaillierter beschrieben.
Figurenliste

1 stellt ein Schneidwerkzeugsubstrat gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform dar.
2 stellt nicht beschränkende Bezugsbeispiele für ein Abblättern von PVD-Beschichtungen zur Bestimmung einer kritischen Last (L_c) gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen dar.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß manchen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
In einem Aspekt umfasst ein beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat und eine Beschichtung, die eine Refraktärschicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird und die an dem Substrat haftet, wobei die Refraktärschicht eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen umfasst, wobei eine Unterschichtgruppe eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht und eine angrenzende Verbund-Unterschicht umfasst, welche einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst.
Betrachtet man nun bestimmte Komponenten, so umfassen hierin beschriebene beschichtete Schneidwerkzeuge ein Substrat. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug kann ein beliebiges Substrat umfassen, das mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In manchen Ausführungsformen ist ein Substrat ein Schaftfräser, ein Bohrer oder eine Wendeschneidplatte. Wendeschneidplatten können jede gewünschte ANSI-Standardgeometrie oder nicht standardmäßige Geometrie für Fräs-, Lochbohr- oder Drehspananwendungen aufweisen. Substrate hierin beschriebener Schneidwerkzeuge können aus Hartmetall, Carbid, Keramik, Cermet oder Stahl gebildet sein. Ein Hartmetallsubstrat umfasst bei einigen Ausführungsformen Wolframcarbid (WC). WC kann in einem Schneidwerkzeugsubstrat in einer Menge von mindestens ca. 80 Gewichtsprozent oder in einer Menge von mindestens ca. 85 Gewichtsprozent vorliegen. Darüber hinaus können metallische Bindemittel von Hartmetall Cobalt oder eine Cobaltlegierung umfassen. Beispielsweise kann Cobalt in einem Hartmetallsubstrat in einer Menge im Bereich von 3 Gewichtsprozent bis 15 Gewichtsprozent vorliegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt Cobalt in einem Hartmetallsubstrat in einer Menge im Bereich von 5 bis 12 Gewichtsprozent oder von 6 bis 10 Gewichtsprozent vor. Ferner kann ein Hartmetallsubstrat eine bindemittelangereicherte Zone vorweisen, die an der Oberfläche des Substrats beginnt und sich von der Oberfläche des Substrats nach innen erstreckt.
Hartmetall-Schneidwerkzeugsubstrate können außerdem einen oder mehrere Zusatzstoffe umfassen, beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder ihrer Verbindungen: Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium. Bei einigen Ausführungsformen bilden Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium mit dem WC des Substrats Mischkristallcarbide. Bei diesen Ausführungsformen kann das Substrat eines oder mehrere Mischkristallcarbide in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent umfassen. Darüber hinaus kann ein Hartmetallsubstrat Stickstoff umfassen.
Ein Schneidwerkzeugsubstrat kann eine oder mehrere Schneidkanten umfassen, die an der Verbindungsstelle zwischen einer Spanfläche und Freifläche(n) des Substrats ausgebildet sind. 1 veranschaulicht ein Schneidwerkzeugsubstrat gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 1 veranschaulicht, weist das Substrat (10) Schneidkanten (12) auf, die an Verbindungsstellen zwischen der Substratspanfläche (14) und Freiflächen (16) ausgebildet sind. Das Substrat (10) umfasst außerdem eine Öffnung (18) zum Befestigen des Substrats (10) an einem Werkzeughalter.
Wie hierin beschrieben, umfasst eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, eine Refraktärschicht, die durch PVD abgeschieden wird. Die PVD-Refraktärschicht umfasst eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen, wobei eine Unterschichtgruppe eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht und eine angrenzende Verbund-Unterschicht umfasst, welche einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst. In manchen Ausführungsformen weist die Titanaluminiumnitrid-Unterschicht die Formel Ti_1-xAl_xN auf, worin x ≥ 0,68. In manchen Ausführungsformen weist x in der Ti_1-xAl_xN-Unterschicht einen Wert auf, der aus Tabelle I ausgewählt ist. Tabelle I - Al-Gehalt der Ti_1-xAl_xN-Unterschicht (At.-%)

Wert von x in Ti_1-xAl_xN

≥ 0,69

≥ 0,7

≥ 0,75

≥ 0,8

0,68-0,9

0,7-0,9

0,72-0,9

0,75-0,9

0,8-0,9
Unterschichten aus Titanaluminiumnitrid können zwischen Unterschichtgruppen allgemein einen einheitlichen Aluminiumgehalt aufweisen. Alternativ dazu kann der Aluminiumgehalt der Titanaluminiumnitrid-Unterschichten zwischen Unterschichtgruppen verschieden sein. Zum Beispiel kann der Aluminiumgehalt von Titanaluminiumnitrid-Unterschichten periodisch oder aperiodisch über die Dicke der Refraktärschicht variieren. In manchen Ausführungsformen steigt der Aluminiumgehalt in Titanaluminiumnitrid-Unterschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt. In anderen Ausführungsformen sinkt der Aluminiumgehalt in Titanaluminiumnitrid-Unterschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt.
Die Dicke einer Titanaluminiumnitrid-Unterschicht kann nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgewählt werden, unter anderem gemäß der insgesamt gewünschten Dicke der Refraktärschicht, der Zahl der Unterschichtgruppen und der Dicke der angrenzenden Verbund-Unterschicht, die einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst. In manchen Ausführungsformen weist eine Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid eine Dicke von weniger als 100 nm auf. Eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht einer Unterschichtgruppe kann auch eine Dicke aufweisen, die aus Tabelle II ausgewählt ist. Tabelle II - Dicke der Titanaluminiumnitrid-Unterschicht (nm)

5 bis 100

10 bis 100

20 bis 100

20 bis 90

20 bis 60
Unterschichten aus Titanaluminiumnitrid können zwischen den Unterschichtgruppen allgemein eine einheitliche Dicke aufweisen. Alternativ dazu kann die Dicke der Titanaluminiumnitrid-Unterschichten zwischen den Unterschichtgruppen verschieden sein. Zum Beispiel kann die Dicke von Titanaluminiumnitrid-Unterschichten periodisch oder aperiodisch über die Dicke der Refraktärschicht variieren. In manchen Ausführungsformen nimmt die Dicke der Titanaluminiumnitrid-Unterschicht in einer Richtung zu, die vom Substrat wegführt. In anderen Ausführungsformen nimmt die Dicke der Titanaluminiumnitrid-Unterschicht in einer Richtung ab, die vom Substrat wegführt.
Eine Unterschichtgruppe umfasst auch eine Verbund-Unterschicht, die an die Titanaluminiumnitrid-Unterschicht angrenzt. Die Verbund-Unterschicht umfasst einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid (TiSiN) und Titanaluminiumnitrid. In manchen Ausführungsformen weist das Titansiliciumnitrid die Formel Ti_1-pSi_pN auf, worin 0,05 ≤ p ≤ 0,3. In manchen Ausführungsformen weist p in der Ti_1-pSi_pN-Unterschicht einen Wert auf, der aus Tabelle III ausgewählt ist. Tabelle III - Si-Gehalt der Ti_1-pSi_pN-Nanoschicht (At.-%)

Wert von p in Ti_1-pSi_pN

0,05-0,25

0,05-0,20

0,05-0,15

0,1-0,2

0,1-0,15
Nanoschichten von TiSiN können zwischen Unterschichtgruppen oder innerhalb einer Unterschichtgruppe allgemein einen einheitlichen Siliciumgehalt aufweisen. Alternativ dazu kann der Siliciumgehalt von TiSiN-Nanoschichten zwischen Unterschichtgruppen oder innerhalb einer Unterschichtgruppe variieren. Zum Beispiel kann der Siliciumgehalt von TiSiN-Nanoschichten periodisch oder aperiodisch über die Dicke der Refraktärschicht variieren. In manchen Ausführungsformen steigt der Siliciumgehalt in TiSiN-Nanoschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt. In anderen Ausführungsformen sinkt der Siliciumgehalt in TiSiN-Nanoschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt.
Die Dicke der TiSiN-Nanoschichten einer Unterschichtgruppe kann nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgewählt werden, unter anderem gemäß der Zahl der TiSiN-Nanoschichten einer einzelnen Unterschichtgruppe, der Dicke und/oder der Zahl von einander abwechselnden Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten, der insgesamt gewünschten Dicke der Refraktärschicht und der Dicke der angrenzenden Titanaluminiumnitrid-Unterschicht. In manchen Ausführungsformen weist eine TiSiN-Nanoschicht eine Dicke von weniger als 10 nm auf. Zum Beispiel kann die TiSiN-Nanoschicht eine Dicke von 1 bis 7 nm, 1 bis 5 nm oder 1 bis 3 nm aufweisen.
Eine Verbund-Unterschicht umfasst auch Titanaluminiumnitrid-Unterschichten, die sich mit den TiSiN-Unterschichten abwechseln. In manchen Ausführungsformen weisen die Titanaluminiumnitrid-Unterschichten die Formel Ti_1-yAl_yN auf, worin x ≥ 0,68. In manchen Ausführungsformen weist y in der Ti_1-yAl_yN-Unterschicht einen Wert auf, der aus der obigen Tabelle I ausgewählt ist. Nanoschichten von Titanaluminiumnitrid können zwischen Unterschichtgruppen oder innerhalb einer Unterschichtgruppe allgemein einen einheitlichen Aluminiumgehalt aufweisen. Alternativ dazu kann der Aluminiumgehalt von Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten zwischen Unterschichtgruppen oder innerhalb einer Unterschichtgruppe variieren. Zum Beispiel kann der Aluminiumgehalt von Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten periodisch oder aperiodisch über die Dicke der Refraktärschicht variieren. In manchen Ausführungsformen steigt der Aluminiumgehalt in Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt. In anderen Ausführungsformen sinkt der Aluminiumgehalt in Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten in einer Richtung, die vom Substrat wegführt.
Die Dicke der Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten einer Unterschichtgruppe kann nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgewählt werden, unter anderem gemäß der Zahl der Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten einer einzelnen Unterschichtgruppe, der Dicke und/oder der Zahl von einander abwechselnden TiSiN-Nanoschichten, der insgesamt gewünschten Dicke der Refraktärschicht und der Dicke der angrenzenden Titanaluminiumnitrid-Unterschicht. In manchen Ausführungsformen weist eine Titanaluminiumnitrid-Nanoschicht eine Dicke von weniger als 10 nm auf. Zum Beispiel kann die Titanaluminiumnitrid-Nanoschicht eine Dicke von 1 bis 7 nm, 1 bis 5 nm oder 1 bis 3 nm aufweisen.
Eine Gruppe von Verbund-Unterschichten kann jede gewünschte Zahl von einander abwechselnden Nanoschichten aus TiSiN und Titanaluminiumnitrid umfassen. In manchen Ausführungsformen umfasst eine Verbund-Unterschicht bis zu 30 oder bis zu 20 kombinierte Nanoschichten aus TiSiN und Titanaluminiumnitrid. Die Dicke einer Verbund-Unterschicht hängt ab von der Zahl einander abwechselnder TiSiN- und Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten, aus denen die Verbund-Unterschicht besteht. In manchen Ausführungsformen weist eine Dicke einer Verbund-Unterschicht einen Wert auf, der aus der obigen Tabelle II ausgewählt ist. Außerdem liegt ein Dickenverhältnis zwischen einer Verbund-Unterschicht und einer angrenzenden Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid (z. B. einer Ti_1-xAl_xN-Unterschicht) in manchen Ausführungsformen im Bereich von 0,5 bis 5. In manchen Ausführungsformen liegt das Dickenverhältnis zwischen einer Verbund-Unterschicht und einer angrenzenden Titanaluminiumnitrid-Unterschicht im Bereich von 1,5 bis 5 oder 2 bis 4.
Überdies kann die Dicke der Verbund-Unterschicht durch die gesamte Refraktärschicht hindurch im Allgemeinen einheitlich sein. Alternativ dazu kann die Dicke der Verbund-Unterschicht zwischen Unterschichtgruppen variieren. Zum Beispiel kann die Dicke der Verbund-Unterschicht periodisch oder aperiodisch über die Dicke der Refraktärschicht variieren. In manchen Ausführungsformen nimmt die Dicke der Verbund-Unterschicht in einer Richtung zu, die vom Substrat wegführt. In anderen Ausführungsformen nimmt die Dicke der Verbund-Unterschicht in einer Richtung ab, die vom Substrat wegführt.
Eine Zahl von Unterschichtgruppen kann durch PVD abgeschieden werden, um eine Refraktärschicht der gewünschten Dicke bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen weist ein refraktäres Element, das die Unterschichtgruppe umfasst, eine Dicke von weniger als 1 µm auf. Eine Refraktärschicht, welche die Unterschichtgruppen umfasst, kann auch eine Dicke aufweisen, die aus der Tabelle IV ausgewählt ist. Tabelle IV - Dicke der PVD-Refraktärschicht (um)

0,1-1

0,2-0,8

0,1-0,6

≤ 0,5

0,1-0,5
Wie hierin beschrieben, kann ein Titanaluminiumnitrid in der Refraktärschicht einen hohen Aluminiumgehalt aufweisen. Ti_1-xAl_xN-Unterschichten und Ti_1-yAl_yN-Nanoschichten von Unterschichten einer Verbundschicht können Aluminiumgehalte zeigen, bei denen x und y über 0,68 liegen. In manchen Ausführungsformen weisen sowohl x als auch y einen Wert auf, der aus der obigen Tabelle I ausgewählt ist. In solchen Ausführungsformen mit hohem Aluminiumgehalt kann die PVD-Refraktärschicht weniger als 35 Gewichtsprozent hexagonale Phase zeigen. In manchen Ausführungsformen kann die PVD-Refraktärschicht eine hexagonale Phase mit einem Wert zeigen, der aus Tabelle V ausgewählt ist. Tabelle V - Gehalt der hexagonalen Phase der Refraktärschicht

Hexagonale Phase der Refraktärschicht (Gew.-%)

0-35

3-30

20-35

25-35

20-30

1-10

1-5
In manchen Ausführungsformen umfasst die PVD-Refraktärschicht keine hexagonale Phase. Darüber hinaus kann die PVD-Refraktärschicht auch eine oder mehrere Siliciumnitridphasen, wie etwa Si₃N₄, umfassen. In manchen Ausführungsformen umfasst die PVD-Refraktärschicht zusätzlich zu TiSiN- und/oder Titanaluminiumnitridphasen eine amorphe Phase.
Eine Phasenbestimmung von refraktären Beschichtungen, die hierin beschrieben werden, einschließlich einer Bestimmung der hexagonalen Phase, wird unter Verwendung von Röntgendiffraktions- (XRD-) Techniken und der Rietveld-Verfeinerungsmethode, die ein Full-Fit-Verfahren ist, bestimmt. Das gemessene Prüfkörperprofil und ein berechnetes Profil werden verglichen. Durch Variieren mehrerer Parameter, die dem Fachmann bekannt sind, wird der Unterschied zwischen den beiden Profilen minimiert. Alle Phasen, die in einer zu analysierenden Beschichtungsschicht vorhanden sind, werden berücksichtigt, um eine ordnungsgemäße Rietveld-Verfeinerung durchzuführen.
Ein Schneidwerkzeug, das eine Beschichtung umfasst, die eine hierin beschriebene PVD-Refraktärschicht einschließt, kann gemäß XRD unter Verwendung einer Technik mit streifendem Einfall, die eine flache Oberfläche benötigt, analysiert werden. Die Spanfläche oder die Freifläche des Schneidwerkzeugs kann abhängig von der Geometrie des Schneidwerkzeugs analysiert werden. Eine XRD-Analyse von hierin beschriebenen Beschichtungen kann unter Verwendung eines optischen Parallelstrahlensystems, das mit einer Kupfer-Röntgenröhre ausgestattet ist, abgeschlossen werden. Die Betriebsparameter sind 45 KV und 40 MA. Eine typische Optik für die Analyse mit streifendem Einfall schließt einen Röntgenspiegel mit einem Streustrahlschlitz von 1/16 Grad und einem Soller-Schlitz von 2° (0,04 Radian) ein. Eine Empfangsoptik schließt einen flachen Graphit-Monochromator, einen Parallelplattenkollimator und einen abgedichteten Proportionalzähler ein. Röntgendiffraktionsdaten werden in einem streifenden Einfallswinkel erfasst, der ausgewählt wird, um eine Beschichtungs-Spitzenintensität zu maximieren und Störspitzen aus dem Substrat zu eliminieren. Zählzeiten und Abtastrate werden so ausgewählt, dass optimale Daten für die Rietveld-Analyse bereitgestellt werden. Vor der Erfassung der Daten aus dem streifenden Einfall wird die Prüfkörperhöhe unter Verwendung von Röntgenstrahlteilung eingestellt.
Ein Hintergrundprofil wird angepasst und eine Spitzensuche wird an den Prüfkörperdaten durchgeführt, um alle Spitzenpositionen und Spitzenintensitäten zu identifizieren. Die Spitzenpositions- und -intensitätsdaten werden verwendet, um die Zusammensetzung der Kristallphase der Prüfkörperbeschichtung unter Verwendung beliebiger, im Handel erhältlicher Kristallphasendatenbanken zu identifizieren.

Kristallstrukturdaten wurden für jede der im Prüfkörper vorhandenen Kristallphasen eingegeben. Typische Einstellungen von Rietveld-Verfeinerungsparametern sind:

Hintergrundberechnungsverfahren:	Polynom
Prüfkörpergeometrie:	Flache Platte
Linearer Absorptionskoeffizient	Berechnet aus der durchschnittlichen Prüfkörperzusammensetzung
Gewichtungsschema:	Gegen Lobs
Profilfunktion:	Pseudo-Voigt
Profilbasisbreite:	Gewählt pro Prüfkörper
Least-Squares-Typ	Newton-Raphson
Polarisationskoeffizient:	1,0

Die Rietveld-Verfeinerung schließt typischerweise ein:

Prüfkörperverschiebung:	Verschiebung des Prüfkörpers aus Röntgenstrahlausrichtung
Hintergrundprofil	ausgewählt, um das Hintergrundprofil der Diffraktionsdaten am besten zu beschreiben
Skalenfunktion:	Skalenfunktion der einzelnen Phasen
B gesamt:	Verschiebungsparameter, der an alle Atome in der Phase angelegt wird
Zellparameter:	a, b, c und alpha, beta und gamma
W-Parameter:	beschreibt Spitzen-FWHM

Etwaige zusätzliche Parameter, um ein annehmbares „Gewichtetes R-Profil“ zu erreichen
Alle Rietveld-Phasen-Analyseergebnisse werden als Gewichtsprozentwerte wiedergegeben.
Die PVD-Refraktärschicht, die hierin beschriebene Unterschichtgruppen umfasst, kann eine Härte von mindestens 22 GPa aufweisen. Härtewerte werden gemäß ISO 14577 mit einem Vickers-Eindringkörper mit einer Eindringtiefe von 0,25 µm bestimmt. In manchen Ausführungsformen weist eine PVD-Refraktärschicht mit einer hierin beschriebenen Konstruktion eine Härte gemäß Tabelle VI auf. Tabelle VI - Härte der PVD-Refraktärschicht (GPa)

≥ 25

≥ 27

≥ 28

25-35

25-30

27-35

28-35

30-35
Zusätzlich zur Härte kann eine Refraktärschicht, welche die hierin beschriebene Unterschichtgruppe umfasst, eine kritische Last (L_c) von mindestens 588 N (60 kgf) zeigen. Eine kritische Last, die die Haftung der Refraktärschicht kennzeichnet, wird gemäß dem folgenden Protokoll bestimmt. Ein Rockwell-Härtetester mit Oberflächenskalen wird verwendet, mit einem Rockwell-A- oder C-Brale-Eindringkörper, der frei von Sprüngen, Abplatzungen, Fehlern und anhaftender Oberflächenverschmutzung ist. Ebenfalls verwendet werden ein Spot-Amboss (0,64 Zentimeter (0,25 Zoll) Durchmesser) und ein flacher Amboss (5 Zentimeter (2 Zoll) Durchmesser). Die geeignete Vorbelastung (98 N (10 kg)) für die verwendete Eindringkörperlast wird ausgewählt. Eine flache Oberfläche des beschichteten Substrats wird ausgewählt und auf dem Amboss unter dem Brale-Eindringkörper positioniert und die Hochstellschraube wird auf die benötigte Nullskalaposition eingestellt. Eine Einkerbung (Einkerbungen) wird (werden) mit der gewünschten oberflächlichen Last (z. B. 588, 981, 1471 N usw. (60, 100, 150 kgf usw.)) aufgebracht. Die Hochstellschraube wird gelöst und die Probe wird lateral positioniert, um die nächste Last aufzubringen. Einkerbungen werden voneinander beabstandet, um Störeffekte oder Beiträge von benachbarten Einkerbungen zu vermeiden. Der empfohlene Entfernungsabstand ist 3-5x der Durchmesser der Einkerbung. Etwaige gelöste, aber immer noch haftende Refraktärschichten können durch mehrminütiges Eintauchen der Probe in ein Ultraschallbad entfernt werden. Alternativ dazu kann ein Klebestreifen verwendet werden, um eine gelöste Refraktärschicht zu entfernen. Die eingekerbten Proben werden unter einem optischen Mikroskop (10x-100x) auf Abblättern und Delaminierung entlang des Oberflächenrands der Einkerbung untersucht. Die kritische Last (L_c) wird als Last angegeben, bei der Abblättern und/oder Delaminierung über den Durchmesser der Einkerbung hinaus auftritt. 2 stellt nicht-beschränkende Bezugsbeispiele für Abblättern einer PVD-Beschichtung unter dem vorliegenden Haftungstest dar. Eine Refraktärschicht, die hierin beschriebene Unterschichtgruppen umfasst, zeigt in manchen Ausführungsformen eine L_c, die aus Tabelle VII ausgewählt ist. Tabelle VII - Kritische Last (L_c) einer M_1-xAl_xN-Refraktärschicht

≥ 588 N (60 Kgf)

≥ 981 N (100 Kgf)

≥ 1471 N (150 Kgf)
Die Beschichtung, die an dem Substrat haftet, umfasst in manchen Ausführungsformen ferner eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der PVD-Refraktärschicht und dem Substrat. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise Titanaluminiumnitrid umfassen. Das Titanaluminiumnitrid der Zwischenschicht kann beispielsweise die Formel Ti₁-_zAl_zN aufweisen, worin z ≥ 0,68. In manchen Ausführungsformen weist z einen Wert auf, der aus der obigen Tabelle I ausgewählt ist. In anderen Ausführungsformen kann z kleiner als 0,68 sein. Eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht weist in manchen Ausführungsformen weniger als 5 Gewichtsprozent hexagonale Phase auf. Eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht kann beispielsweise frei von einer hexagonalen Phase sein.
Die PVD-Refraktärschicht, die Unterschichtgruppen umfasst, kann in manchen Ausführungsformen direkt auf einer Zwischenschicht angeordnet sein, die Ti₁-_zAl_zN umfasst. Alternativ dazu kann eine bzw. können mehrere Zwischenschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zwischen der Ti_1-zAl_zN-Schicht und der PV-Refraktärschicht angeordnet sein, die eine Mehrzahl von hierin beschriebenen Schichten aus Untergruppen umfasst. Eine Zwischenschicht (Zwischenschichten) kann (können) durch PVD- und/oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden werden. Eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht kann jede gewünschte Dicke aufweisen. In manchen Ausführungsformen weist eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht eine Dicke von 0,5 µm bis 2 µm auf. In anderen Ausführungsformen kann eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht eine Dicke von 2 µm bis 10 µm aufweisen. Eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht kann auch eine Härte mit einem Wert aufweisen, der aus der obigen Tabelle V ausgewählt ist.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß manchen Ausführungsformen. Wie in 3 dargestellt ist, umfasst das beschichtete Schneidwerkzeug 30 ein Substrat 31 und eine TiAIN-Zwischenschicht 32. In der Ausführungsform von 3 haftet die TiAIN-Zwischenschicht 32 direkt am Substrat 31. In anderen Ausführungsformen kann eine oder können mehrere Innenschichten zwischen der TiAIN-Zwischenschicht 32 und dem Substrat 31 positioniert sein. Eine PVD-Refraktärschicht 33, die eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen 33a umfasst, haftet an der TiAIN-Zwischenschicht 32. Eine Unterschichtgruppe 33a umfasst eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht (B) und eine angrenzende Verbund-Unterschicht (A), die einander abwechselnde Nanoschichten aus TiSiN und TiAIN umfasst.
Wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde, kann eine hierin beschriebene Beschichtung ferner eine oder mehrere Innenschichten zwischen der Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht und dem Substrat umfassen. Eine Innenschicht (Innenschichten) der Beschichtung kann (können) ein oder mehrere metallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems, umfassen. Zum Beispiel kann bzw. können in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere Innenschichten aus TiN, TiC, TiCN oder Al₂O₃ zwischen dem Schneidwerkzeugsubstrat und der Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht positioniert sein. Die Innenschicht(en) kann (können) jede gewünschte Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In manchen Ausführungsformen weist eine Innenschicht eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 5 µm auf.
Darüber hinaus kann die Beschichtung ferner eine oder mehrere Außenschichten über der PVD-Refraktärschicht umfassen, welche die Mehrzahl von hierin beschriebenen Unterschichtgruppen umfasst. Eine refraktäre Außenschicht (refraktäre Außenschichten) der Beschichtung kann (können) ein oder mehrere metallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems, umfassen. Zum Beispiel kann bzw. können in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere refraktäre Außenschichten aus TiN, AlTiN, TiC, TiCN oder Al₂O₃ über der aus den Unterschichtgruppen gebildeten Refraktärschicht positioniert werden. Die refraktäre(n) Außenschicht(en) kann (können) jede gewünschte Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In manchen Ausführungsformen weist eine refraktäre Außenschicht eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 5 µm auf. Alternativ dazu kann die PVD-Refraktärschicht, welche die Unterschichtgruppen umfasst, die äußerste Schicht der Beschichtung sein.
Die Unterschichten, welche die Refraktärschicht bilden, können anhand einer beliebigen physikalischen Gasphasenabscheidungstechnik abgeschieden werden, einschließlich Kathoden-Lichtbogenverdampfung oder Magnetron-Sputtern. Vorspannungen, die während der Abscheidung der Unterschichtgruppen durch Kathoden-Lichtbogenverdampfung verwendet werden, können im Allgemeinen im Bereich von -40 V bis -210 V liegen. Außerdem können Vorspannungen zwischen den Abscheidungen der Unterschichten variieren. In manchen Ausführungsformen werden Titanaluminiumnitrid-Unterschichten und Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten von aneinander angrenzenden Verbund-Unterschichten von der gleichen (den gleichen) Kathode(n) abgeschieden. In solchen Ausführungsformen kann eine Titanaluminiumnitrid-Zusammensetzung über die Dicke der Refraktärschicht einheitlich sind. Alternativ dazu kann eine Zusammensetzungsvariation zwischen Unterschichten und/oder innerhalb von Unterschichten durch die Steuerung von Abscheidungsprozessparametern und/oder durch die Abscheidung von unterschiedlichen Kathodenzusammensetzungen hergestellt werden.
In manchen Ausführungsformen wird bzw. werden auch eine oder mehrere Ti_1-zAl_zN-Zwischenschichten durch Kathoden-Lichtbogenverdampfung abgeschieden. Eine Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht kann mit der (den) gleichen Kathode(n) abgeschieden werden, die für die Abscheidung von Titanaluminiumnitrid der Refraktärschicht verwendet wird (werden). Außerdem können Vorspannungen im Allgemeinen in einem Bereich von -20 V bis -100 V liegen. In manchen Ausführungsformen wird die Vorspannung während der Abscheidung einer Ti_1-zAl_zN-Zwischenschicht erhöht oder gesenkt.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispielen weiter veranschaulicht.
BEISPIEL 1 - Beschichtetes Schneidwerkzeug

Ein Schneidwerkzeug wurde mit einer Refraktärschicht beschichtet, die aus einer Mehrzahl von Unterschichtgruppen gebildet wurde, wobei eine Unterschichtgruppe eine Ti_1-xAl_xN-Unterschicht umfasst und eine angrenzende Verbund-Unterschicht einander abwechselnde Nanoschichten aus TiSiN und Ti_1-yAl_yN umfasst, wobei x und y ≥ 0,68. Eine Zwischenschicht aus Ti₁-_zAl_zN (z ≥ 0,68) wurde zwischen dem Substrat und der Refraktärschicht, welche die Unterschichtgruppen umfasst, verwendet. Die Beschichtung wurde durch Kathoden-Lichtbogenverdampfung auf einem Wendeschneidplattensubstrat [ANSI-Standardgeometrie CNGG432FS] aus Hartmetall (WC-6 Gew.-% Co) gemäß den Parametern in Tabelle VIII abgeschieden. Tabelle VIII - Kathoden-Lichtbogenverdampfungsparameter

Schicht	Schritt	Ziel	Dauer	Vorspannung	Temperatur	Druck	Dicke
TiAIN-Basisschicht	1	Al_0.71Ti_0.29	42 min	40 V	530 °C	3,5 Pa	1,5 µm
TiAIN-Basisschicht	2	Al_0.71Ti_0.29	84 min	80 V	530 °C	(3,5*10^-2 mbar)	1,5 µm
Deckschicht	3	Ti_0.85Si_0.15	5 min	120 V	450 °C	5 Pa	∼64 nm
	3	Al_0.71Ti_0.29	5 min	120 V			∼64 nm
	4	Al_0.71Ti_0.29	5 min	120 V			∼36 nm
	5	Ti_0.85+Si_0.15	5 min	160 V			∼64 nm
	5	Al_0.71Ti_0.29	5 min	160 V		(5*10^-2 mbar)	∼64 nm
	6	Al_0.71Ti_0.29	5 min	160 V			∼36 nm
	7	Ti_0.85Si_0.15	5 min	210 V			∼64 nm
	7	Al_0.71Ti_0.29	5 min	210 V			∼64 nm
	8	Al_0.71Ti_0.29	5 min	210 V			∼36 nm

Eigenschaften der resultierenden Beschichtung sind in Tabelle IX angegeben. Der Gehalt an hexagonaler Phase und die Härte der refraktären Deckschicht wurden gemäß ihren jeweiligen, hierin beschriebenen Techniken bestimmt. Tabelle IX - Refraktärschichteigenschaften

Beispiel Härte (GPa) Hexagonale Phase (Gew.-%) Beschichtungsdicke [µm]

1 30,2 0 1,8
BEISPIEL 2 - Metallzerspanungstests

Beschichtete Wendeschneidplatten (1) mit der Architektur von Beispiel 1 wurden einer Schneidstandzeitprüfung in Bezug auf beschichtete Vergleichswendeschneidplatten (2-4) unterzogen. Die beschichteten Vergleichswendeschneidplatten (2-4) zeigten Zusammensetzungseigenschaften von Tabelle X. Die in Tabelle X aufgeführten Beschichtungen wurden durch Kathoden-Lichtbogenverdampfung abgeschieden. Tabelle X - Beschichtete Vergleichswendeschneidplatten

Beschichtete Wendeschneidplatte	Substrat	Erste Schicht	Zweite Schicht
2	WC-Co (6 Gew.-%) CNMG432.xx	TiAIN (1,1 µm)	TiAlSiN (3,5 µm)
3	WC-Co (6 Gew.-%) CNGG432FS	Ti_0.39Al_0.61N (3 µm)	Keine
4	WC-Co (6 Gew.-%) CNGG432FS	Ti_0.39Al_0.61N (2,1 µm)	Keine

Beschichtete Wendeschneidplatten 1-4 wurden einer Schneidstandzeitprüfung in einem kontinuierlichen Inconel 718-Drehspantest unterzogen. Die Schneidbedingungen waren wie folgt:

Schneidgeschwindigkeit: 91 m/m (300 sfm)
Vorschub pro Umdrehung: 0,2 mmpr (0,006 ipr)
Axiale Schnitttiefe: 0,025 Zentimeter (0,01 Zoll)
Kühlmittel: Flutung
Werkzeugstandzeitkriterien sind in Tabelle XI angegeben.

Gleichmäßige Abnutzung	0,02 (0,006)
Max. Abnutzung	0,02 (0,006)
Eckabnutzung	0,02 (0,006)
Tiefe der Schnittkerbe	0,02 (0,006)
Hinterkante	0,02 (0,006)

Für jede Wendeschneidplatte wurden insgesamt 4 Wiederholungen durchgeführt. Die durchschnittlichen Schneidstandzeiten sind in Tabelle XII angegeben. Tabelle XII - Standzeiten beschichteter Schneidwerkzeuge (Minuten)

Beschichtete Wendeschneidplatte Durchschnittliche Standzeit

1 13,8

2 2,2

3 2,0

4 5,7
Wie in Tabelle XII angegeben ist, zeigten Schneidwerkzeuge mit Beschichtungsarchitekturen von Beispiel 1 hierin erhebliche Zunahmen der Schneidstandzeiten im Verhältnis zu den Vergleichswendeschneidplatten.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug, umfassend: ein Substrat und eine Beschichtung, die eine Refraktärschicht umfasst, die durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden wurde und die an dem Substrat haftet, wobei die Refraktärschicht eine Mehrzahl von Unterschichtgruppen umfasst, wobei eine Unterschichtgruppe eine Titanaluminiumnitrid-Unterschicht und eine angrenzende Verbund-Unterschicht umfasst, welche einander abwechselnde Nanoschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Titanaluminiumnitrid-Unterschicht die Formel Ti_1-xAl_xN aufweist, worin x ≥ 0,68.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, worin x ≥ 0,69.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, worin 0,7 ≤ x ≤ 0,9.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Titanaluminiumnitrid-Nanoschichten die Formel Ti_1-yAl_yN aufweisen, worin y ≥ 0,68.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, worin y ≥ 0,69.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, worin 0,7 ≤ y ≤ 0,9.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Refraktärschicht eine Härte von mindestens 22 GPa aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die Refraktärschicht eine Härte von 25 bis 35 GPa aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Refraktärschicht weniger als 35 Gewichtsprozent hexagonale Phase aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, wobei die Refraktärschicht weniger als 5 Gewichtsprozent hexagonale Phase aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Titansiliciumnitrid-Nanoschichten die Formel Ti_1-pSi_pN aufweisen, worin 0,05 ≤ p ≤ 0,3.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Refraktärschicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 981 N (100 kg) aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Refraktärschicht eine Dicke von weniger als 1 µm aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine Zwischenschicht zwischen der Refraktärschicht und dem Substrat umfassend.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 15, wobei die Zwischenschicht Titanaluminiumnitrid umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 16, wobei ein Aluminiumgradient zwischen der Zwischenschicht und der Refraktärschicht vorhanden ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Titanaluminiumnitrid der Zwischenschicht die Formel Ti_1-zAl_zN aufweist, worin z ≥ 0,68.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 18, wobei die Zwischenschicht weniger als 5 Gewichtsprozent hexagonale Phase umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Zwischenschicht eine Härte von über 22 GPa aufweist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 15-20, wobei die Zwischenschicht das Substrat berührt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 15-21, ferner eine Innenschicht zwischen der Zwischenschicht und dem Substrat umfassend.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 22, wobei die Innenschicht ein oder mehrere metallische Elemente, die ausgewählt sind 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 umfasst.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine Außenschicht über der Refraktärschicht umfassend, wobei die Außenschicht ein oder mehrere metallische Elemente, die ausgewählt sind 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 umfasst.