DE102019006845B4

DE102019006845B4 - Beschichtetes Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE102019006845B4
Application number: DE102019006845.9A
Authority: DE
Inventors: Takao Katagiri
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2039-10-02
Also published as: JP6798534B2; CN110883345B; US20200080187A1; DE102019006845A1; CN110883345A; US11015239B2; JP2020040175A

Abstract

Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Überzugsschicht, wobei:die Überzugsschicht eine erste Mischnitridschicht aufweist, die eine Verbindung mit einer durch die Formel (1) dargestellten Zusammensetzung enthält(AlxCr1-x) N(1),wobei x einen Atomanteil des Al-Elements, bezogen auf die Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ x ≤ 0,90 erfüllt, und eine zweite Mischnitridschicht, die eine Verbindung mit einer durch die Formel (2) dargestellten Zusammensetzung enthält(AlyCr1-y)N(2),wobei y einen Atomanteil des Al-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ y ≤ 0,90 erfüllt,eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die erste Mischnitridschicht bilden, weniger als 50 nm beträgt,die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem aufweist und ein Verhältnis I(111)/I(200) zwischen einer Peakintensität 1(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und einer Peakintensität 1(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht bei einer Röntgenbeugungsanalyse 1,0 oder mehr beträgt,eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr beträgt, undeine Restspannung der zweiten Mischnitridschicht von -10,0 GPa oder mehr bis -2,0 GPa oder weniger beträgt.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug.
Stand der Technik
Zum Schneiden von Stahl usw. ist ein Schneidwerkzeug weitverbreitet eingesetzt worden, das aus einem Sinterkörper aus Hartmetall oder kubischem Bornitrid (cBN) besteht. Unter anderem aufgrund seiner hohen allgemeinen Vielseitigkeit ist ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug, das auf einer Oberfläche eines Hartmetallsubstrats eine Schicht oder zwei oder mehr Schichten aufweist, die jeweils aus einer harten Beschichtung, wie beispielsweise einer TiN-Schicht, einer TiAlN-Schicht, einer AlCrN-Schicht oder dergleichen bestehen, für verschiedenartige maschinelle Bearbeitungen verwendet worden.
Insbesondere weist ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Atomanteil von Al in AlCrN von 80% oder mehr eine verminderte Härte auf, da es hexagonale Kristalle enthält, und weist daher eine verminderte Verschleißfestigkeit auf.
Um das vorstehende Problem zu verbessern, schlägt die JP 2018-3 046 A beispielsweise eine harte Beschichtung vor, die aus Al_1-xCr_xN (0,05 ≤ x ≤ 0,25, wobei x einen Atomanteil von Cr bezeichnet) besteht und hexagonale Kristalle enthält.
Die US 2015 / 0 030 401 A1 betrifft ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Körper und einer harten Überzugsschicht. Die harte Überzugsschicht besteht aus einer komplexen Nitridschicht aus Al und Cr. Die harte Überzugsschicht, die auf einem Bereich von einer Schneidkante bis zu einer Stelle 100 µm von der Schneidkante entfernt auf der gegenüberliegenden Seite abgeschieden ist, hat eine körnige Kristallstruktur. Die durchschnittliche Korngröße der körnigen Kristalle auf der Oberfläche der harten Überzugsschicht in diesem Bereich beträgt 0,2 bis 0,5 µm. Die durchschnittliche Korngröße der körnigen Kristalle an einer Grenzfläche zwischen dem Schneidwerkzeugkörper und der harten Beschichtungsschicht in dem Bereich ist kleiner als die durchschnittliche Korngröße auf der Oberfläche der harten Beschichtungsschicht in einem Bereich von 0,02 bis 0,1 µm. Das Kristallkorngrößen-Längenverhältnis der Kristallkörner, deren Größe 0,15 µm oder weniger ist, beträgt 20% oder weniger.
Die US 2016 / 0 040 283 A1 betrifft ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: eine harte Überzugsschicht, die auf einer Oberfläche eines Werkzeugkörpers aus Sinterkarbid auf Wolframkarbidbasis aufgedampft ist und eine durchschnittliche Dicke von 2µm bis 10 µm aufweist, wobei (a) die harte Überzugsschicht eine Schicht aus komplexem Nitrid von Al, Cr und B umfasst, in der ein Verhältnis (Atomverhältnis) der Menge an Cr 0,2 bis 0,45 und ein Verhältnis (Atomverhältnis) der Menge an B 0,01 bis 0,1 zur Gesamtmenge an Al, Cr und B beträgt, und (b) in einem Bereich innerhalb von 100 µm von einer Kantenspitze auf einer Flankenfläche des oberflächenbeschichteten Schneidwerkzeugs die Hartbeschichtungsschicht eine körnige Kristallkornstruktur aufweist und die durchschnittliche Korngröße der körnigen Kristallkörner 0,1 µm bis 0,4 µm auf der Oberfläche der Hartbeschichtungsschicht beträgt.
Der Artikel „Investigation of the properties of Al_1-xCr_xN coatings prepared by cathodic arc evaporation“ von A. E. Reiter et al. (Surface & Coatings Technology, 2005, Vol. 200(7)) betrifft Al_1-xCr_xN -Schichten, die aus Al_1-XCr_X -Targets mit unterschiedlicher Zusammensetzung (0<x<1) durch reaktives kathodisches Lichtbogenverfahren abgeschieden sind. Es werden die chemische Zusammensetzung, die Kristallstruktur und die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Verschleißrate und Filmspannung charakterisiert. Zur Bestimmung der Phasen- und Gefügestabilität bei höheren Temperaturen wurden Wärmebehandlungen in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. In Oxidationsexperimenten zeigte sich, dass sich mit steigendem Al-Gehalt die Oxidationsstarttemperatur zu höheren Werten verschiebt. Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung und die Ergebnisse der mechanischen und chemischen Eigenschaften wurden mit den Ergebnissen von Zerspanungsversuchen korreliert.
Die DE 10 2014 109 942 A1 betrifft beschichtete Schneidwerkzeuge, die ein Substrat und eine durch Vakuumaufdampfen auf das Substrat aufgedampfte, M_1-X Al_X N 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.
Die JP 2010 - 94 744 A betrifft ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug mit einer harten Überzugsschicht aus (Cr, Al) N, die auf einer Oberfläche eines Werkzeugkörpers abgeschieden ist, der aus einem Hartmetall auf Wolframkarbidbasis oder einem Cermet auf Titancarbonitridbasis besteht. Die Hartstoffschicht besteht aus einer abwechselnd geschichteten Struktur aus einer dünnen Schicht A aus körnigen Kristallen (Cr, Al) N und einer dünnen Schicht B aus säulenförmigen Kristallen (Cr, Al) N. Die dünnen Schichten A und B haben jeweils eine Dicke von 0,1 bis 2 µm. Außerdem beträgt der Kristallkorndurchmesser des körnigen Kristalls 5 bis 30 nm und der Kristallkorndurchmesser des säulenförmigen Kristalls 50 bis 500 nm.
Die DE 10 2005 063 421 B4 betrifft ein Hartstoffschichtsystem mit abwechselnd abgeschiedenen Schichten.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
In letzter Zeit hat es auf dem Gebiet der Schneidbearbeitung einen Trend dahingehend gegeben, dass die Schneidbedingungen im Vergleich zum Stand der Technik immer härter werden, um die Bearbeitungseffizienz zu erhöhen. In Verbindung mit diesem Trend wird eine längere Werkzeugstandzeit als bisher gefordert. Insbesondere bei einer maschinellen Bearbeitung mit einer hohen Schneidtemperatur, wie beispielsweise bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder einer Hochlastbearbeitung, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund einer Reaktion zwischen einem Werkstück und einer Überzugsschicht Verschleiß auftritt.
Das Hartbeschichtungsausbildungsverfahren der JP2018-003046 A beinhaltet eine hohe Vorspannung und dementsprechend eine hohe Druckbelastung der Hartbeschichtung, was zu einer verminderten Haftfähigkeit führt. Aufgrund einer derartig hohen Druckbelastung ist die Festigkeit der Hartbeschichtung bei einer Bearbeitung, bei der eine hohe Last aufgewendet wird (insbesondere bei einer Rotationsbearbeitung), unzureichend, so dass es wahrscheinlich ist, dass im Werkzeug Risse auftreten. Darüber hinaus weist das erhaltene Werkzeug eine unzureichende Bruchfestigkeit auf, wodurch es schwierig ist, die Werkzeugstandzeit zu verlängern.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Umstände entwickelt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein beschichtetes Schneidwerkzeug bereitzustellen, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit und dementsprechend eine lange Werkzeugstandzeit aufweist.
Lösung des Problems
Der vorliegende Erfinder hat Studien zum Verlängern der Werkzeugstandzeit eines beschichteten Schneidwerkzeugs ausgeführt und herausgefunden, dass spezifische Konfigurationen eines beschichteten Schneidwerkzeugs eine Verbesserung seiner Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit ermöglichen, und hat als Ergebnis herausgefunden, dass die Werkzeugstandzeit des beschichteten Schneidwerkzeugs verlängert werden kann, was zum Abschluss der vorliegenden Erfindung geführt hat.
Die Kernpunkte der vorliegenden Erfindung sind nachstehend dargelegt.
[1] Ein beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Überzugsschicht, wobei:

die Überzugsschicht eine erste Mischnitridschicht, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (1) dargestellten Zusammensetzung enthält, und eine zweite Mischnitridschicht aufweist, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (2) dargestellten Zusammensetzung enthält: (Al_xCr_1-x)N (1)

(Al_yCr_1-y)N (2)

[2] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Punkt [1], wobei eine durchschnittliche Dicke der ersten Mischnitridschicht 0,1 µm oder mehr bis 1,0 µm oder weniger beträgt.
[3] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Punkt [1] oder [2], wobei eine durchschnittliche Dicke der zweiten Mischnitridschicht 0,5 µm oder mehr bis 5,0 µm oder weniger beträgt.
[4] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [3], wobei Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, säulenförmige Kristalle mit einem Aspektverhältnis von 2,0 oder mehr aufweisen.
[5] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [4], wobei die Überzugsschicht eine alternierende Laminatstruktur aufweist, bei der die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht auf eine alternierende Weise zweimal oder mehrmals ausgebildet sind.
[6] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [5], wobei eine durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht 1,0 µm oder mehr bis 6,0 µm oder weniger beträgt.
[7] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [6], wobei das Substrat ein Sinterkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik oder kubischem Bornitrid ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung kann ein beschichtetes Schneidwerkzeug bereitgestellt werden, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweist und das dementsprechend eine lange Werkzeugstandzeit aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen beschichteten Schneidwerkzeugs zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachstehend wird eine Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung (im Folgenden einfach als „vorliegende Ausführungsform“ bezeichnet) ausführlich beschrieben, die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die nachstehende Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung können vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Es wird darauf hingewiesen, dass in den Zeichnungen die gleichen Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht näher erläutert werden. Sofern nicht anders angegeben, basieren Positionsbeziehungen, wie z.B. vertikale und horizontale Beziehungen, auf den in den Zeichnungen dargestellten Positionsbeziehungen. Ferner sind die Abmessungsverhältnisse der Zeichnungen nicht auf die darin dargestellten beschränkt.
Ein beschichtetes Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein beschichtetes Schneidwerkzeug das ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Überzugsschicht aufweist, wobei:

die Überzugsschicht eine erste Mischnitridschicht, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (1) dargestellten Zusammensetzung enthält (im Folgenden auch einfach als „erste Mischnitridschicht“ bezeichnet), und eine zweite Mischnitridschicht aufweist, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (2) dargestellten Zusammensetzung enthält (im Folgenden auch einfach als „zweite Mischnitridschicht“ bezeichnet): (Al_xCr_1-x)N (1) wobei x einen Atomanteil des Al-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ x ≤ 0,90 erfüllt; und (Al_yCr_1-y)N (2) wobei y einen Atomanteil des Al-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ y ≤ 0,90 erfüllt; eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die erste Mischnitridschicht bilden weniger als 50 nm beträgt; die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem aufweist, wobei ein Verhältnis I(111 )/I(200) zwischen einer Peakintensität I(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und einer Peakintensität I(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht bei einer Röntgenbeugungsanalyse 1,0 oder mehr beträgt; eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr beträgt; und eine Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -10,0 GPa oder mehr bis -2,0 GPa oder weniger beträgt.

Die Details der Faktoren für das vorstehend beschriebene beschichtete Schneidwerkzeug mit verbesserter Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit und damit langer Werkzeugstandzeit sind nicht geklärt worden. Der vorliegende Erfinder betrachtet solche Faktoren als wie nachstehend dargelegt, die Faktoren sind jedoch nicht darauf beschränkt. D.h., in Bezug auf die erste Mischnitridschicht, die die Überzugsschicht bildet, führt diese, wenn x in der Zusammensetzung (Al_xCr_1-x)N der in einer solchen ersten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,75 oder mehr bis 0,90 oder weniger beträgt, zu einer ausgezeichneten Haftfähigkeit bezüglich der zweiten Mischnitridschicht, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist. Ferner ermöglicht das Einstellen der Zusammensetzung der Verbindung in der ersten Mischnitridschicht auf die vorstehend beschriebene Weise eine Steuerung der Orientierung (Verhältnis I(111)/I(200)) der zweiten Mischnitridschicht. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die die erste Mischnitridschicht bilden, weniger als 100 nm beträgt, kann dies verhindern, dass die Druckspannung der zweiten Mischnitridschicht zunimmt, was dazu führt, dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist. In Bezug auf die zweite Mischnitridschicht, die die Überzugsschicht bildet, führt diese, wenn y der Zusammensetzung (Al_yCr_1-y)N der in einer solchen zweiten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,75 oder mehr beträgt, zu einer verbesserten Wärmebeständigkeit. Daher kann selbst bei einer Bearbeitung mit einer hohen Schneidtemperatur, wie beispielsweise bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder einer Bearbeitung mit hoher Last, verhindert werden, dass ein Reaktionsverschleiß auftritt, und dies führt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs. Wenn y der Zusammensetzung (Al_yCr_1-y)N der in der zweiten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,90 oder weniger beträgt, führt dies zu einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit und zu einer Unterdrückung der Ausbildung hexagonaler Kristalle in der zweiten Mischnitridschicht, weil die zweite Mischnitridschicht Cr enthält, und dies dient als ein Faktor für eine verbesserte Verschleißfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs. Ferner zeigt das folgende Merkmal, gemäß dem die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem aufweist und ein Verhältnis I(111)/I(200) zwischen einer Peakintensität I(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und einer Peakintensität I(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht in einer Röntgenbeugungsanalyse 1,0 oder mehr beträgt, eine bevorzugte Orientierung einer kubischen Kristallebene (111) in der zweiten Mischnitridschicht an. Wenn die zweite Mischnitridschicht eine solche bevorzugte Orientierung einer kubischen Kristallebene (111) aufweist, neigt sie dazu, leicht eine dicht gepackte Ebene zu bilden, so dass die zweite Mischnitridschicht weniger wahrscheinlich verzerrt wird. Somit hat die zweite Mischnitridschicht eine hohe Härte, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr beträgt, wird das Abfallen von Partikeln weiter unterdrückt, so dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Wenn die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -10,0 GPa oder höher ist, ermöglicht dies ferner das Unterdrücken der Erzeugung von Rissen nach der Ausbildung der Überzugsschicht, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist. Wenn die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -2,0 GPa oder weniger beträgt, ermöglicht dies ein Unterdrücken des Fortschreitens der Rissbildung aufgrund der Wirkung einer Druckspannung, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist. Mit der Kombination der vorstehenden Wirkungen hat das beschichtete Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit und dementsprechend eine lange Werkzeugstandzeit.
Ein beschichtetes Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist ein Substrat und eine auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildete Überzugsschicht auf. Das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Substrat ist nicht besonders limitiert, solange es als Substrat für das beschichtete Schneidwerkzeug verwendbar ist. Beispiele des Substrats sind ein Sinterkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik, einem kubischen Bornitrid, ein Diamant-Sinterkörper und ein Hochgeschwindigkeitsstahl. Unter den vorstehenden Beispielen besteht das Substrat ferner vorzugsweise aus einer oder mehreren Arten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Sinterkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik und einem kubischen Bornitrid, da eine weitergehende hervorragende Bruchfestigkeit bereitgestellt werden kann.
Das beschichtete Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform zeigt die Tendenz einer weiter verbesserten Verschleißfestigkeit, wenn die durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht 1,0 µm oder mehr beträgt. Das beschichtete Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform zeigt die Tendenz einer weiter verbesserten Bruchfestigkeit, wenn die durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht 6,0 µm oder weniger beträgt. Daher beträgt die durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht vorzugsweise von 1,0 µm oder mehr bis 6,0 µm oder weniger. Insbesondere beträgt aus der gleichen Sicht wie vorstehend angegebenen die durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht bevorzugter 2,0 µm oder mehr bis 6,0 µm oder weniger und noch bevorzugter 3,0 µm oder mehr bis 5,5 µm oder weniger.
Erste Mischnitridschicht
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform enthält die Überzugsschicht eine erste Mischnitridschicht, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (1) dargestellten Zusammensetzung enthält: (Al_xCr_1-x)N (1)
(In der Formel (1) bezeichnet x einen Atomanteil des Al-Elements basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, und erfüllt 0,75 ≤ x ≤ 0,90.)
Bezüglich der ersten Mischnitridschicht, die die Überzugsschicht bildet, führt diese, wenn x der Zusammensetzung (Al_xCr_1-x)N der in einer solchen ersten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,75 oder mehr bis 0,90 oder weniger beträgt, zu einer hervorragenden Haftfähigkeit bezüglich einer zweiten Mischnitridschicht, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug mit einer verbesserten Bruchfestigkeit erhalten wird. Ferner ermöglicht das Einstellen der Zusammensetzung der Verbindung in der ersten Mischnitridschicht auf die vorstehend beschriebene Weise die Steuerung der Orientierung (Verhältnis I(111)/I(200)) der zweiten Mischnitridschicht.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Zusammensetzung jeder Mischnitridschicht durch (Al_0,80Cr_0,20)N dargestellt wird, gibt eine solche Darstellung an, dass der Atomanteil des Al-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, 0,80 beträgt und der Atomanteil des Cr-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, 0,20 beträgt. Das heißt, eine solche Darstellung zeigt an, dass der Anteil des Al-Elements basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements 80 Atom-% beträgt und dass der Anteil des Cr-Elements basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements 20 Atom% beträgt.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die erste Mischnitridschicht bilden, weniger als 50 nm. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die die erste Mischnitridschicht bilden, weniger als 100 nm beträgt, kann dies verhindern, dass die Druckspannung der zweiten Mischnitridschicht zunimmt, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug mit einer verbesserten Bruchfestigkeit erhalten wird. Die Untergrenze der durchschnittlichen Partikelgröße der Partikel, die die erste Mischnitridschicht bilden, ist nicht besonders eingeschränkt; eine solche Untergrenze kann jedoch beispielsweise 10 nm betragen.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Dicke der ersten Mischnitridschicht 0,1 µm oder mehr bis 1,0 µm oder weniger. Wenn die durchschnittliche Dicke der ersten Mischnitridschicht 0,1 µm oder mehr beträgt, ermöglicht dies, dass die erste Mischnitridschicht die Substratoberfläche weiterhin ausreichend bedeckt, so dass die Wirkung des beschichteten Schneidwerkzeugs, das die erste Mischnitridschicht aufweist, effektiver und zuverlässiger erhalten werden kann. Wenn die durchschnittliche Dicke der ersten Mischnitridschicht 1,0 µm oder weniger beträgt, führt dies zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs.
Zweite Mischnitridschicht
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform weist die Überzugsschicht eine zweite Mischnitridschicht auf, die eine Verbindung mit einer durch die nachstehende Formel (2) dargestellten Zusammensetzung enthält. (Al_yCr_1-y)N (2)
(In Formel (2) bezeichnet y einen Atomanteil des Al-Elements basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements und erfüllt 0,75 ≤ y ≤ 0,90.)
Bezüglich der zweiten Mischnitridschicht, die die Überzugsschicht bildet, führt diese zu einer verbesserten Wärmebeständigkeit, wenn y der Zusammensetzung (Al_yCr_1-y)N der in einer solchen zweiten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,75 oder mehr beträgt. Daher kann selbst bei einer Bearbeitung mit einer hohen Schneidtemperatur, wie beispielsweise bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder einer Bearbeitung mit hoher Last, verhindert werden, dass ein Reaktionsverschleiß auftritt, und dies führt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs. Wenn y der Zusammensetzung (Al_yCr_1-y)N der in der zweiten Mischnitridschicht enthaltenen Verbindung 0,90 oder weniger beträgt, führt dies zu einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit und zu einer Unterdrückung der Ausbildung hexagonaler Kristalle in der zweiten Mischnitridschicht, weil die zweite Mischnitridschicht Cr enthält, was als ein Faktor für eine verbesserte Verschleißfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs dient.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Dicke der zweiten Mischnitridschicht 0,5 µm oder mehr bis 5,0 µm oder weniger. Wenn die durchschnittliche Dicke der zweiten Mischnitridschicht 0,5 µm oder mehr beträgt, kann die Wirkung des beschichteten Schneidwerkzeugs, das die zweite Mischnitridschicht aufweist, effektiver und zuverlässiger erhalten werden. Wenn die durchschnittliche Dicke der zweiten Mischnitridschicht 5,0 µm oder weniger beträgt, kann dies verhindern, dass die Druckspannung zunimmt, was dazu führt, dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform weist die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem auf und beträgt ein Verhältnis I(111 )/I(200) zwischen einer Peakintensität I(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und einer Peakintensität I(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht bei einer Röntgenbeugungsanalyse 1,0 oder mehr. Das folgende Merkmal, bei dem die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem und ein Verhältnis I(111 )/I(200) zwischen einer Peakintensität I(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und der Peakintensität I(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht bei einer Röntgenbeugungsanalyse von 1,0 oder mehr aufweist, zeigt eine bevorzugte Orientierung einer kubischen Kristall- (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht an. Wenn die zweite Mischnitridschicht eine solche bevorzugte Orientierung einer kubischen Kristall- (111)-Ebene aufweist, neigt sie dazu, leicht eine dicht gepackte Ebene zu bilden, so dass die zweite Mischnitridschicht weniger wahrscheinlich verzerrt wird. Somit hat die zweite Mischnitridschicht eine hohe Härte, wodurch das beschichtete Schneidwerkzeug mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit erhalten wird. Die Obergrenze von I(111 )/I(200) ist nicht besonders eingeschränkt; eine solche Obergrenze kann jedoch beispielsweise 5,0 betragen.
Die Peakintensität für jede Kristallebene der zweiten Mischnitridschicht kann unter Verwendung eines kommerziellen Röntgendiffraktometers gemessen werden. Beispielsweise wird unter Verwendung des Modells RINT TTR III, das ein von Rigaku Corporation hergestelltes Röntgendiffraktometer ist, eine Röntgenbeugungsmessung mittels eines optischen 2θ/θ-Fokussierungssystems mit Cu-Kα-Strahlung unter den folgenden Bedingungen ausgeführt: Ausgang: 50 kV, 250 mA; ein einfallsseitiger Solarschlitz: 5°; ein Divergenz-Längsschlitz: 2/3°; ein DivergenzLängsbegrenzungsschlitz: 5 mm; ein Streuspalt: 2/3°; ein lichtempfangsseitiger Solarschlitz: 5°; ein Lichtempfangsschlitz: 0,3 mm; ein BENT-Monochromator; ein lichtempfangender monochromer Schlitz: 0,8 mm; eine Abtastbreite: 0,01°; eine Abtastgeschwindigkeit: 4°/min; und ein 2θ-Messbereich: 20°-50°, wodurch die Peakintensität für jede Kristallebene gemessen werden kann. Zum Erhalten der Peakintensität für jede Kristallebene von einem Röntgenbeugungsmuster kann eine mit dem Röntgendiffraktometer gelieferte Analysesoftware verwendet werden. Mit einer solchen Analysesoftware werden die Hintergrundverarbeitung und die Entfernung von Kα₂-Peaks unter Verwendung einer kubischen Spline-Funktion ausgeführt, und die Profilanpassung wird unter Verwendung der Pearson-VII-Funktion ausgeführt, wodurch jede Peakintensität erhalten werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn verschiedene Schichten zwischen der zweiten Mischnitridschicht und dem Substrat ausgebildet sind, jede Peakintensität durch ein Dünnschicht-Röntgenbeugungsverfahren gemessen werden kann, um den Einfluss der Schicht zu vermeiden. Wenn verschiedene Schichten auf einer Seite gegenüber dem Substrat quer über die zweite Mischnitridschicht ausgebildet sind, kann ferner eine Röntgenbeugungsmessung ausgeführt werden, nachdem derartige verschiedene Schichten durch Polieren entfernt wurden.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform weisen Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, säulenförmige Kristalle mit einem Aspektverhältnis von 2,0 oder mehr auf. Wenn die Partikel, die die zweiten Mischnitridschicht bilden, säulenförmige Kristalle mit einem Aspektverhältnis von 2,0 oder mehr aufweisen, ermöglicht dies eine Unterdrückung des Ausfallens solcher Partikel, wodurch die Wirkung der Bereitstellung der zweiten Mischnitridschicht für eine lange Zeitdauer erzielt werden kann. Dies führt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs. Es wird darauf hingewiesen, dass sich ein Aspektverhältnis auf den Wert bezieht, der durch Teilen der längsten Achse eines die zweite Mischnitridschicht bildendes Partikels durch die kürzeste Achse davon erhalten wird, und ein Aspektverhältnis, das näher bei 1 liegt, bezieht sich auf ein in einem höheren Maße gleichachsiges Partikel. Die Obergrenze des Aspektverhältnisses in Bezug auf die Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, ist nicht besonders eingeschränkt; eine solche Obergrenze kann jedoch beispielsweise 5,5 betragen.
In dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr beträgt, wird das Ausfallen von Partikeln weiter unterdrückt, was dazu führt, dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Die Obergrenze der durchschnittlichen Partikelgröße der Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, ist nicht besonders eingeschränkt; eine solche Obergrenze kann jedoch beispielsweise 200 nm betragen.
In der vorliegenden Ausführungsform können die Form, das Aspektverhältnis und die durchschnittliche Partikelgröße in Bezug auf die Partikel, die eine Mischnitridschicht bilden, gemessen werden, indem eine Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs unter Verwendung einer Rückstreuelektronenbeugungs(EBSD)mustervorrichtung beobachtet wird, die an ein Rasterelektronenmikroskop (REM), einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM) oder dergleichen befestigt ist, und das Kristallsystem der Partikel kann in einer Röntgenbeugungsmessung bestimmt werden. Insbesondere wird zum Beispiel zunächst ein Spiegelpoliervorgang bezüglich des beschichteten Schneidwerkzeugs in einer Richtung ausgeführt, die sich orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zur Substratoberfläche erstreckt, um eine Querschnittsstruktur zu erhalten. Beispiele eines Verfahrens zum Erhalten einer Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs sind nicht besonders eingeschränkt; solchen Beispiele sind jedoch: ein Polierverfahren unter Verwendung von Diamantpaste oder kolloidaler Kieselsäure; und Ionenmahlen. Als nächstes wird eine Probe mit der Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs auf das FE-REM aufgesetzt, und dann wird die Querschnittsstruktur der Probe mit einem Elektronenstrahl unter einem Einfallswinkel von 70° mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 0,5 nA bestrahlt. Unter Verwendung von EBSD wird vorzugsweise eine Querschnittsstruktur in der Flanke des beschichteten Schneidwerkzeugs mit einem Messbereich von 300 µm² und einer Schrittweite von 0,1 µm gemessen. Dabei wird eine Grenze mit einer Fehlorientierung von 5° oder mehr als eine Korngrenze betrachtet, und ein Bereich, der von einer solchen Korngrenze umgeben ist, wird als sich auf ein Partikel beziehend definiert. Ferner bezieht sich hier eine Partikelgröße auf den Wert einer Achse eines Partikels jeder Schicht, wobei diese Achse parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist. Hinsichtlich jeder der Mischnitridschichten können die Form, das Kristallsystem, das Aspektverhältnis und die durchschnittliche Größe wie vorstehend bezüglich der Partikel spezifiziert erhalten werden.
Ferner beträgt in dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -10,0 GPa oder mehr bis -2,0 GPa oder weniger. Wenn die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -10,0 GPa oder höher ist, ermöglicht dies eine Unterdrückung der Erzeugung von Rissen nach dem Ausbilden der Überzugsschicht, was dazu führt, dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist. Wenn die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht -2,0 GPa oder weniger beträgt, ermöglicht dies eine Unterdrückung des Fortschreitens von Rissbildung aufgrund der Wirkung einer Druckbelastung, und dies führt dazu, dass das beschichtete Schneidwerkzeug eine verbesserte Bruchfestigkeit aufweist.
Die vorstehende Restspannung bezieht sich auf eine in der Überzugsschicht verbleibende innere Spannung (inhärente Verzerrung). Im Allgemeinen wird eine Spannung, die durch einen „-“ (Minus)-Wert dargestellt wird, als Druckspannung bezeichnet, und eine Spannung, die durch einen „+“ (Plus)-Wert dargestellt wird, wird als Zugspannung bezeichnet. Wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Größe einer Restspannung angezeigt wird, bedeutet ein größerer „+“ Wert eine größere Restspannung, und ein kleinerer „-“ Wert bedeutet eine kleinere Restspannung.
Die vorstehende Restspannung kann durch ein sin²φ-Verfahren unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers gemessen werden. Eine solche Restspannung kann gemessen werden durch: Messen der Spannungen an drei beliebigen Stellen, die in einem am Schneiden beteiligten Abschnitt enthalten sind (solche Stellen werden vorzugsweise so ausgewählt, dass sie 0,5 mm oder mehr voneinander beabstandet sind, so dass die relevanten Spannungen die Spannungen des vorstehenden Abschnitts kennzeichnen), durch das sin²φ-Verfahren; und Ermitteln des Durchschnittswerts derartiger Spannungen.
1 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug 5 weist ein Substrat 1 und eine auf einer Oberfläche des Substrats 1 ausgebildete Überzugsschicht 4 auf. Ferner weist die Überzugsschicht 4 auf: eine auf der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildete erste Mischnitridschicht 2; und eine zweite Mischnitridschicht 3, die auf einer Oberfläche der ersten Mischnitridschicht 2 ausgebildet ist, die sich auf einer dem Substrat 1 gegenüberliegenden Seite befindet.
Bei dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform weist die Überzugsschicht vorzugsweise eine alternierende Laminatstruktur auf, bei der die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht zweimal oder mehrmals wiederholt alternierend ausgebildet sind. Wenn bei dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform die Überzugsschicht vorzugsweise eine alternierende Laminatstruktur aufweist, bei der die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht wiederholt zweimal oder mehrmals alternierend ausgebildet sind, kann dies verhindern, dass die Druckspannung zunimmt, wodurch tendenziell eine Verbesserung der Bruchfestigkeit erhalten wird, und dies ermöglicht eine erhöhte Dicke der gesamten Überzugsschicht, wodurch tendenziell eine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit erhalten wird.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform eine erste Mischnitridschicht und eine zweite Mischnitridschicht ausgebildet werden, beträgt die „Anzahl von Wiederholungen“ eins.
Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Überzugsschicht kann aus den jeweiligen Mischnitridschichten allein bestehen. Es ist jedoch bevorzugt, dass eine untere Schicht zwischen dem Substrat und den Mischnitridschichten vorgesehen ist (d.h. als eine Schicht unter der ersten Mischnitridschicht angeordnet ist). Dies verbessert die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und der Mischnitridschicht weiter. Insbesondere enthält die untere Schicht aus der gleichen Sicht wie vorstehend dargelegt vorzugsweise eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y, und mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C, N, O und B, und enthält bevorzugter eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y, und mindestens einem Element, das ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, N, O und B, und enthält ferner vorzugsweise eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Ta, Cr, W Al, Si und Y; und N. Ferner kann die untere Schicht aus einer einzelnen Schicht oder aus mehreren Schichten aus zwei oder mehr Lagen bestehen.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Dicke der unteren Schicht vorzugsweise 0,1 µm oder mehr bis 3,5 µm oder weniger, da dadurch die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und der Überzugsschicht tendenziell weiter verbessert wird. Aus der gleichen Sicht beträgt die durchschnittliche Dicke der unteren Schicht bevorzugter 0,2 µm oder mehr bis 3,0 µm oder weniger und noch bevorzugter 0,3 µm oder mehr bis 2,5 µm oder weniger.
Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Überzugsschicht kann eine obere Schicht auf einer Seite der Mischnitridschichten aufweisen, die dem Substrat gegenüberliegt (d.h. die als eine obere Schicht auf der zweiten Mischnitridschicht angeordnet ist), vorzugsweise auf einer Oberfläche der zweiten Mischnitridschicht. Die obere Schicht enthält ferner vorzugsweise eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y, und mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C, N, O und B, wodurch eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit erzielt wird. Ferner enthält die obere Schicht aus der gleichen Sicht wie vorstehend dargelegt vorzugsweise eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y, und mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C, N, O und B, und enthält bevorzugter eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y, und mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C, N, O und B, und enthält ferner vorzugsweise eine Verbindung von: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Nb, Ta, Cr W, Al, Si und Y, und N. Ferner kann die obere Schicht aus einer einzelnen Schicht oder aus zwei oder mehr Schichten bestehen.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Dicke der oberen Schicht vorzugsweise 0,1 µm oder mehr bis 3,5 µm oder weniger, da dies tendenziell zu einer hervorragenden Verschleißfestigkeit führt. Aus der gleichen Sicht beträgt die durchschnittliche Dicke der oberen Schicht bevorzugter 0,2 µm oder mehr bis 3,0 µm oder weniger und noch bevorzugter 0,3 µm oder mehr bis 2,5 µm oder weniger.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Überzugsschicht in einem beschichteten Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht besonders eingeschränkt. Beispiele für ein solches Verfahren sind jedoch physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise ein Ionenplattierungsverfahren, ein Lichtbogenionenplattierungsverfahren, ein Sputterverfahren und ein Ionenmischverfahren. Die Überzugsschicht wird vorzugsweise durch ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet, da scharfe Ränder ausgebildet werden können. Insbesondere ist das Lichtbogenionenplattierungsverfahren bevorzugter, da eine hervorragende Haftfähigkeit zwischen der Überzugsschicht und dem Substrat erzielt wird.
Ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend unter Verwendung spezifischer Beispiele beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht besonders eingeschränkt ist, solange die Konfigurationen des beschichteten Schneidwerkzeugs erhalten werden können.
Zuerst wird ein in einer Werkzeugform bearbeitetes Substrat in einem Reaktor einer physikalischen Gasphasenabscheidungsvorrichtung aufgenommen, und Metallverdampfungsquellen werden in den Reaktor eingebracht. Danach wird der Reaktor evakuiert, bis der Druck darin ein Vakuum von 1,0×10^-2 Pa oder weniger anzeigt, und das Substrat wird durch eine Heizeinrichtung im Reaktor erwärmt, bis die Temperatur 200°C oder mehr bis 700°C oder niedriger erreicht. Nach dem Erwärmen wird ein Ar-Gas in den Reaktor eingeleitet, so dass der Druck darin 0,5 Pa oder mehr bis 5,0 Pa oder weniger beträgt. In einer Ar-Gasatmosphäre mit einem Druck von 0,5 Pa oder mehr bis 5,0 Pa oder weniger wird eine Vorspannung von -500 V oder mehr bis -350 V oder weniger an das Substrat angelegt und veranlasst, dass ein Strom von 40 A oder mehr bis 50 A oder weniger durch ein Wolframfilament im Reaktor fließt, wodurch ein Ionenbeschussprozess mit dem Ar-Gas auf eine Oberfläche des Substrats ausgeführt wird. Nachdem der Ionenbeschussprozess auf die Substratoberfläche ausgeführt wurde, wird der Reaktor evakuiert, bis der Druck darin ein Vakuum von 1,0×10^-2 Pa oder weniger anzeigt.
Wenn die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete untere Schicht ausgebildet wird, wird das Substrat erwärmt, bis die Temperatur 400°C oder mehr bis 600°C oder weniger beträgt. Nach dem Erwärmen wird ein Gas in den Reaktor eingeleitet, so dass der Druck darin 0,5 Pa oder mehr bis 5,0 Pa oder weniger beträgt. Beispiele für ein solches Gas sind ein N₂-Gas, wenn die untere Schicht eine Verbindung aufweist aus: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y; und N, und weitere Beispiele für ein solches Gas sind auch ein Gasgemisch aus einem N₂-Gas und einem C₂H₂-Gas, wenn die untere Schicht eine Verbindung aufweist aus: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y; und N und C. Das Volumenverhältnis des Gasgemisches ist nicht besonders eingeschränkt; ein solches Volumenverhältnis kann jedoch beispielsweise N₂-Gas:C₂H₂-Gas = 95:5 bis 85:15 sein. Dann wird eine Vorspannung von -80 V oder mehr bis -40 V oder weniger an das Substrat angelegt, und eine Metallverdampfungsquelle gemäß den Metallkomponenten jeder Schicht wird über eine Lichtbogenentladung mit einem Lichtbogenstrom von 100 A oder mehr bis 200 A oder weniger verdampft, wodurch die untere Schicht ausgebildet werden kann.
Wenn die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete erste Mischnitridschicht ausgebildet wird, wird das Substrat derart gesteuert, dass die Temperatur 200°C oder mehr bis 400°C oder weniger beträgt, und ein Stickstoffgas (N₂) wird in den Reaktor eingeleitet, und der Druck im Reaktor wird auf 0,5 Pa oder mehr bis 4,0 Pa oder weniger eingestellt. Danach wird eine Vorspannung von -80 V oder mehr bis -40 V oder weniger an das Substrat angelegt, und eine Metallverdampfungsquelle gemäß den Metallkomponenten der ersten Mischnitridschicht wird über eine Lichtbogenentladung mit einem Lichtbogenstrom von 80 A oder mehr bis 150 A oder weniger verdampft, wodurch die erste Mischnitridschicht ausgebildet werden kann.
Wenn die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete zweite Mischnitridschicht ausgebildet wird, wird das Substrat so gesteuert, dass die Temperatur 200°C oder mehr bis 400°C oder weniger beträgt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Substrattemperatur vorzugsweise die gleiche ist wie die Substrattemperatur beim Ausbilden der ersten Mischnitridschicht, da die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht auf kontinuierliche Weise ausgebildet werden können. Nach der Temperatursteuerung wird ein N₂-Gas in den Reaktor eingeleitet, so dass der Druck darin 0,5 Pa oder mehr bis 4,0 Pa oder weniger beträgt. Dann wird eine Vorspannung von -200 V oder mehr bis -130 V oder weniger an das Substrat angelegt, und eine Metallverdampfungsquelle gemäß den Metallkomponenten der zweiten Mischnitridschicht wird über eine Lichtbogenentladung mit einem Lichtbogenstrom von 80 A oder mehr bis 150 A oder weniger verdampft, wodurch die zweite Mischnitridschicht ausgebildet werden kann.
Um die alternierende Laminatstruktur der ersten Mischnitridschicht und der zweiten Mischnitridschicht auszubilden, werden zwei oder mehr Arten von Metallverdampfungsquellen auf eine alternierende Weise über eine Lichtbogenentladung unter den vorstehend angegebenen Bedingungen verdampft, wodurch die jeweiligen Mischnitridschichten alternierend ausgebildet werden können. Durch Einstellen der Lichtbogenentladungszeit für jede der Metallverdampfungsquellen kann die Dicke jeder Mischnitridschicht, die die alternierende Laminatstruktur bildet, gesteuert werden.
Um einen gewünschten Wert für das Aspektverhältnis der Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, einzustellen, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht die Vorspannung eingestellt werden, oder der Al-Anteil der Verbindung der Formel (2), die in der zweiten Mischnitridschicht enthalten ist, kann eingestellt werden. Insbesondere führt das Anlegen einer höheren negativen Vorspannung im Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht tendenziell zu einer Zunahme des Aspektverhältnisses. Ferner führt ein erhöhter Al-Anteil der Verbindung der Formel (2), die in der zweiten Mischnitridschicht enthalten ist, tendenziell zu einer Abnahme des Aspektverhältnisses.
Zum Einstellen eines vorgegebenen Wertes für das Röntgenbeugungsintensitätsverhältnis I(111 )/I(200) in der zweiten Mischnitridschicht, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, in dem vorstehend beschriebenen Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht kann die Temperatur des Substrats eingestellt werden, kann der Druck in dem Reaktor eingestellt werden oder kann der Lichtbogenstrom eingestellt werden. Ferner kann (können) in dem vorstehend beschriebenen Prozess zum Ausbilden der ersten Mischnitridschicht und/oder der zweiten Mischnitridschicht die Dicke(n) der ersten Mischnitridschicht und/oder der zweiten Mischnitridschicht gesteuert werden. Insbesondere führt im Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht eine verminderte Temperatur des Substrats oder ein verminderter Druck im Reaktor tendenziell dazu, dass I(111 )/I(200) zunimmt, während ein erhöhter Lichtbogenstrom tendenzell dazu führt, dass I(111 )/I(200) abnimmt. Darüber hinaus führt im Prozess zum Ausbilden der ersten Mischnitridschicht eine verminderte Dicke der ersten Mischnitridschicht tendenziell dazu, dass I(111 )/I(200) zunimmt, und führt im Prozess zum Ausbilden der ersten Mischnitridschicht und der zweiten Mischnitridschicht eine erhöhte Dicke der ersten Mischnitridschicht und eine verminderte Dicke der zweiten Mischnitridschicht tendenziell dazu, dass I(111 )/I(200) durch ein bevorzugtes Wachstum einer (200)-Ebene abnimmt.
Zum Einstellen eines vorgegebenen Wertes für die Restspannung der in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten zweiten Mischnitridschicht kann in dem vorstehend beschriebenen Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht die Temperatur des Substrats eingestellt werden, kann die Vorspannung eingestellt werden, oder kann der Al-Anteil der Verbindung der Formel (2), die in der zweiten Mischnitridschicht enthalten ist, eingestellt werden, und kann (können) in dem vorstehend beschriebenen Prozess zum Ausbilden der ersten Mischnitridschicht und/oder der zweiten Mischnitridschicht die Dicke(n) der ersten Mischnitridschicht und/oder der zweiten Mischnitridschicht gesteuert werden. Insbesondere nimmt im Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht, wenn die Temperatur des Substrats vermindert wird, wenn eine höhere negative Spannung angelegt wird oder wenn der Al-Anteil der Verbindung der Formel (2), die in der zweiten Mischnitridschicht erhalten ist, erhöht wird, die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht tendenziell ab. Wenn ferner im Prozess zum Ausbilden der ersten Mischnitridschicht die Dicke der ersten Mischnitridschicht erhöht wird, nimmt die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht tendenziell ab, und wenn im Prozess zum Ausbilden der zweiten Mischnitridschicht die Dicke der zweiten Mischnitridschicht erhöht wird, nimmt die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht tendenziell ab.
Zum Einstellen eines gewünschten Wertes für die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel, die eine in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Mischnitridschicht bilden, kann die Vorspannung in dem vorstehend beschriebenen Prozess zum Ausbilden der Mischnitridschicht gesteuert werden. Das Anlegen einer höheren negativen Vorspannung führt tendenziell dazu, dass die durchschnittliche Partikelgröße jeder Mischnitridschicht zunimmt. Daher kann die durchschnittliche Partikelgröße jeder Mischnitridschicht durch Einstellen der Vorspannung gesteuert werden.
Beim Ausbilden der in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten oberen Schicht kann eine solche obere Schicht unter den gleichen Herstellungsbedingungen ausgebildet werden, wie sie vorstehend für die untere Schicht beschrieben wurden. Das heißt, zuerst wird das Substrat erwärmt, bis die Temperatur 400°C oder mehr bis 600°C oder weniger beträgt. Nach dem Erwärmen wird ein Gas in den Reaktor eingeleitet, so dass der Druck darin 0,5 Pa oder mehr bis 5,0 Pa oder weniger beträgt. Beispiele für ein solches Gas sind ein N₂-Gas, wenn die obere Schicht eine Verbindung aufweist aus: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y; und N, und weitere Beispiele für ein solches Gas beinhalten auch ein Gasgemisch aus einem N₂-Gas und einem C₂H₂-Gas, wenn die obere Schicht eine Verbindung aufweist aus: mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y; und N und C. Das Volumenverhältnis des Gasgemisches ist nicht besonders eingeschränkt; ein solches Volumenverhältnis kann jedoch beispielsweise N₂-Gas:C₂H₂-Gas = 95: 5 bis 85:15 sein. Dann wird eine Vorspannung von -80 V oder mehr bis -40 V oder weniger an das Substrat angelegt, und eine Metallverdampfungsquelle gemäß den Metallkomponenten jeder Schicht wird über eine Lichtbogenentladung mit einem Lichtbogenstrom von 100 A oder mehr bis 200 A oder weniger verdampft, wodurch die obere Schicht ausgebildet werden kann.
Die Dicke jeder Schicht, die die Überzugsschicht in dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform bildet, kann von einer Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs unter Verwendung eines optischen Mikroskops, eines Rasterelektronenmikroskops (REM), eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) oder dergleichen gemessen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich der durchschnittlichen Dicke jeder Schicht in dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform eine solche durchschnittliche Dicke erhalten werden kann durch: Messen der Dicke jeder Schicht von einer jeweiligen Querschnittsfläche an drei oder mehr Stellen in der Nähe der Position 50 µm vom Rand einer Oberfläche, die der Metallverdampfungsquelle zugewandt ist, in Richtung zur Mitte dieser Oberfläche und Berechnen des Durchschnittswertes (arithmetisches Mittel) der resultierenden Messungen.
Die Zusammensetzung jeder Schicht, die die Überzugsschicht in dem beschichteten Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform bildet, kann von einer Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung eines energiedispersiven Röntgenspektroskops (EDS), eines wellenlängendispersiven Röntgenspektroskops (WDS) oder dergleichen gemessen werden.
Es kann davon ausgegangen werden, dass das beschichtete Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform die Wirkung hat, dass die Werkzeugstandzeit im Vergleich zum Stand der Technik länger ist, und zwar zumindest aufgrund der Tatsache, dass es eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweist (es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Faktor einer solchen Verlängerung der Werkzeugstandzeit nicht darauf beschränkt ist). Spezifische Beispiele für Typen des beschichteten Schneidwerkzeugs der vorliegenden Ausführungsform sind ein Wendeschneideinsatz zum Fräsen oder Drehen, ein Bohrer, ein Schaftfräser usw.
Beispiele
Obwohl die vorliegende Erfindung nachstehend anhand von Beispielen ausführlicher beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Einsatz aus LNMU0303ZER-MJ (hergestellt von Tungaloy Corporation; ein Hartmetall mit einer Zusammensetzung aus 89,8% WC-9,8% Co-0,3% Cr₃C₂ (Massen-%)) wurde als Substrat hergestellt. In einem Reaktor einer Lichtbogenionenplattierungsvorrichtung wurde eine Metallverdampfungsquelle angeordnet, um die Zusammensetzung jeder der in den Tabellen 1 und 2 dargestellten Schichten zu erhalten. Das hergestellte Substrat wurde an einer Fixierhalterung eines Drehtisches im Reaktor fixiert.
Danach wurde der Reaktor evakuiert, bis der Druck darin ein Vakuum von 5,0×10^-3 Pa oder weniger anzeigte. Nach dem Evakuieren wurde das Substrat durch eine Heizeinrichtung im Reaktor erwärmt, bis die Temperatur 450°C erreichte. Nach dem Erwärmen wurde ein Ar-Gas in den Reaktor eingeleitet, so dass der Druck darin 2,7 Pa betrug.
In der Ar-Gasatmosphäre mit einem Druck von 2,7 Pa wurde eine Vorspannung von -400 V an das Substrat angelegt und veranlasst, dass ein Strom von 40 A durch ein Wolframfilament im Reaktor fließt, wodurch ein Ionenbeschussprozess mit dem Ar-Gas über 30 Minuten bezüglich einer Oberfläche des Substrats ausgeführt wurde. Nach dem Ionenbeschussprozess wurde der Reaktor evakuiert, bis der Druck darin ein Vakuum von 5,0×10^-3 Pa oder weniger anzeigte.
Bei den erfindungsgemäßen Proben 1 bis 15 wurde das Substrat nach dem Evakuieren so gesteuert, dass die Temperatur die in jeder der Tabellen 3 und 4 dargestellte Temperatur erreichte (Temperatur zu dem Zeitpunkt, zu dem die Abscheidung beginnt), ein Stickstoffgas (N₂) in den Reaktor eingeleitet wurde und eine Einstellung vorgenommen wurde, um den in den Tabellen 3 und 4 dargestellten Druck im Reaktor zu erreichen. Danach wurde die in jeder der Tabellen 3 und 4 dargestellte Vorspannung an das Substrat angelegt, und die Metallverdampfungsquellen für die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht mit den jeweiligen in Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen wurden in dieser Reihenfolge über eine Lichtbogenentladung mit den in den Tabellen 3 und 4 dargestellten Lichtbogenströmen alternierend aufgedampft, wobei die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht in dieser Reihenfolge alternierend auf der Substratoberfläche ausgebildet wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Steuerung derart ausgeführt, dass die in den Tabellen 3 und 4 dargestellten Drücke im Reaktor erreicht wurden. Ferner wurde in Bezug auf jede der Dicken der ersten Mischnitridschicht und der zweiten Mischnitridschicht die Lichtbogenentladungszeit für die Steuerung derart eingestellt, dass die in Tabelle 1 dargestellte Dicke erhalten wurde.
Hinsichtlich der Vergleichsproben 1 und 4 wurde das Substrat nach dem Evakuieren derart gesteuert, dass die Temperatur die in Tabelle 6 dargestellte Temperatur erreichte (Temperatur zu dem Zeitpunkt, zu dem die Abscheidung beginnt), und Stickstoffgas (N₂) wurde in den Reaktor eingeleitet und eine Einstellung wurde vorgenommen, um den in Tabelle 6 dargestellten Druck im Reaktor zu erreichen. Danach wurde die in Tabelle 6 dargestellte Vorspannung an das Substrat angelegt, und die Metallverdampfungsquelle mit der in Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzung wurde über eine Lichtbogenentladung mit dem in Tabelle 6 angegebenen Lichtbogenstrom verdampft, wodurch eine einzelne Schicht (B-Schicht) mit der in Tabelle 2 dargestellten Dicke auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wurde.
Hinsichtlich der Vergleichsproben 2, 3 und 5 bis 10 wurde das Substrat nach dem Evakuieren so gesteuert, dass die Temperatur die in jeder der Tabellen 5 und 6 dargestellte Temperatur erreichte (Temperatur zu dem Zeitpunkt, zu dem die Abscheidung beginnt), ein Stickstoffgas (N₂) wurde in den Reaktor eingeleitet und es wurde eine Einstellung vorgenommen, um den in den Tabellen 5 und 6 dargestellten Druck im Reaktor zu erreichen. Danach wurde die in jeder der Tabellen 5 und 6 dargestellte Vorspannung an das Substrat angelegt, und die Metallverdampfungsquellen für die A-Schicht bzw. die B-Schicht mit den in Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzungen wurden in dieser Reihenfolge alternierend über eine Lichtbogenentladung mit dem in jeder der Tabellen 5 und 6 dargestellten Lichtbogenstrom verdampft, wodurch die A-Schicht und die B-Schicht in dieser Reihenfolge alternierend auf der Substratoberfläche ausgebildet wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Steuerung derart ausgeführt, dass der in den Tabellen 5 und 6 angegebene Druck im Reaktor erreicht wurde. Ferner wurde hinsichtlich jeder der Dicken der A-Schicht und der B-Schicht die Lichtbogenentladungszeit für die Steuerung derart eingestellt, dass die in Tabelle 2 dargestellte Dicke erhalten wurde.

Nach dem Ausbilden jeder Schicht mit der in jeder der Tabellen 1 und 2 dargestellten vorgegebenen durchschnittlichen Dicke auf der Substratoberfläche wurde die Heizeinrichtung ausgeschaltet, und die Probe wurde aus dem Reaktor entnommen, nachdem die Temperatur der Probe 100 °C oder niedriger erreicht hatte. [Tabelle 1]

Probe Nr.	Überzugsschicht
	Erste Mischnitridschicht		Zweite Mischnitridschicht		Anzahl der Wiederholungen (Anzahl)	Durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht (µm)
	Zusammensetzung	Durchschnittliche Dicke (µm)	Zusammensetzung	Durchschnittliche Dicke (µm)	Anzahl der Wiederholungen (Anzahl)	Durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht (µm)
Erfindung Probe 1	(Al_0,75Cr_0,25)N	0,5	(Al_0,75Cr_0,25)N	1,0	2	3,0
Erfindung Probe 2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,5	(Al_0,80Cr_0,20)N	1,0	2	3,0
Erfindung Probe 3	(Al_0,90Cr_0,10)N	0,5	(Al_0,90Cr_0,10)N	1,0	2	3,0
Erfindung Probe 4	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 5	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,1	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,9	3	3,0
Erfindung Probe 6	(Al_0,80Cr_0,20)N	1,0	(Al_0,80Cr_0,20)N	2,0	1	3,0
Erfindung Probe 7	(Al_0,80Cr_0,20)N	1,0	(Al_0,80Cr_0,20)N	5,0	1	6,0
Erfindung Probe 8	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,5	(Al_0,80Cr_0,20)N	1,5	3	6,0
Erfindung Probe 9	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 10	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 11	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 12	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 13	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 14	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Erfindung Probe 15	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0

[Tabelle 2]

Probe Nr.	Überzugsschicht
	A-Schicht		B-Schicht		Anzahl der Wiederholungen (Anzahl)	Durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht (µm)
	Zusammensetzung	Durchschnitt liche Dicke (µm)	Zusammensetzung	Durchschnittliche Dicke (µm)	Anzahl der Wiederholungen (Anzahl)	Durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht (µm)
Vergleichsprobe 1	-	-	(Al_0,80Cr_0,20)N	3,0	1	3,0
Vergleichsprobe 2	(Al_0,95Cr_0,05)N	0,5	(Al_0,95Cr_0,05)N	1,0	2	3,0
Vergleichsprobe 3	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,5	(Al_0,80Cr_0,20)N	6,0	1	6.5
Vergleichsprobe 4	-	-	(Al_0,70Cr_0,30)N	3,0	1	3,0
Vergleichsprobe 5	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Vergleichspr obe 6	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Vergleichsprobe 7	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Vergleichsprobe 8	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Vergleichsprobe 9	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
Vergleichsprobe 10	(Al_0,80Ti_0,20)N	0,2	(Al_0,80Cr_0,20)N	0,8	3	3,0
* Das „-“ Symbol in der Spalte A-Schicht für jede der Vergleichsproben 1 and 4 in der Tabelle zeigt an, dass keine A-Schichten ausgebildet sind.

[Tabelle 3]

Probe Nr.	Erste Mischnitridschicht
Probe Nr.	Temperatur (°C)	Druck (Pa)	Spannung (V)	Strom (A)
Erfindung Probe 1	300	2	-80	100
Erfindung Probe 2	300	2	-80	100
Erfindung Probe 3	300	2	-80	100
Erfindung Probe 4	300	2	-80	100
Erfindung Probe 5	300	2	-80	100
Erfindung Probe 6	300	2	-80	100
Erfindung Probe 7	300	2	-80	100
Erfindung Probe 8	300	2	-80	100
Erfindung Probe 9	300	2	-60	100
Erfindung Probe 10	300	2	-40	100
Erfindung Probe 11	300	2	-40	100
Erfindung Probe 12	300	3	-40	100
Erfindung Probe 13	300	4	-40	100
Erfindung Probe 14	300	2	-80	100
Erfindung Probe 15	300	2	-80	100

[Tabelle 4]

Probe Nr.	Zweite Mischnitridschicht
Probe Nr.	Temperatur (°C)	Druck (Pa)	Spannung (V)	Strom (A)
Erfindung Probe 1	300	2	-130	100
Erfindung Probe 2	300	2	-150	100
Erfindung Probe 3	300	2	-170	100
Erfindung Probe 4	300	2	-150	100
Erfindung Probe 5	300	2	-150	100
Erfindung Probe 6	300	2	-150	100
Erfindung Probe 7	300	2	-150	100
Erfindung Probe 8	300	2	-150	100
Erfindung Probe 9	300	2	-150	100
Erfindung Probe 10	300	2	-150	100
Erfindung Probe 11	300	2	-200	100
Erfindung Probe 12	300	3	-150	100
Erfindung Probe 13	300	4	-150	100
Erfindung Probe 14	300	2	-150	150
Erfindung Probe 15	300	2	-150	80

[Tabelle 5]

Probe Nr.	A-Schicht
Probe Nr.	Temperatur (°C)	Druck (Pa)	Spannung (V)	Strom (A)
Vergleichsprobe 1
Vergleichsprobe 2	300	2	-80	100
Vergleichsprobe 3	300	2	-80	100
Vergleichsprobe 4
Vergleichsprobe 5	300	2	-80	100
Vergleichsprobe 6	300	2	-20	100
Vergleichsprobe 7	300	5	-80	100
Vergleichsprobe 8	300	2	-80	100
Vergleichsprobe 9	300	2	-200	100
Vergleichsprobe 10	300	2	-80	100
* Die „-“ Symbole für jede Vergleichsprobe 1 and 4 in der Tabelle zeigen an, dass keine A-Schichten ausgebildet sind.

[Tabelle 6]

Probe Nr.	B-Schicht
Probe Nr.	Temperatur (°C)	Druck (Pa)	Spannung (V)	Strom (A)
Vergleichsprobe 1	350	5	-150	100
Vergleichsprobe 2	300	2	-200	100
Vergleichsprobe 3	300	2	-150	100
Vergleichsprobe 4	300	2	-130	100
Vergleichspro be 5	300	2	-220	100
Vergleichsprobe 6	300	2	-150	100
Vergleichsprobe 7	300	5	-150	100
Vergleichsprobe 8	300	2	-150	200
Vergleichsprobe 9	300	2	-150	100
Vergleichsprobe 10	300	2	-150	200

Hinsichtlich der durchschnittlichen Dicke jeder Schicht jeder der erhaltenen Proben wurde eine solche durchschnittliche Dicke erhalten durch: Messen der Dicke jeder Schicht durch eine TEM-Beobachtung für jede der Querschnittsflächen an drei Stellen in der Nähe der Position 50 µm vom Rand einer Oberfläche, die der Metallverdampfungsquelle des beschichteten Schneidwerkzeugs zugewandt ist, in Richtung zur Mitte dieser Oberfläche und Berechnen des Durchschnittswertes (arithmetisches Mittel) der resultierenden Messungen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
Die Zusammensetzung jeder Schicht der erhaltenen Probe wurde von der Querschnittsfläche in der Nähe der Position bei höchstens 50 µm vom Rand einer Oberfläche, die der Metallverdampfungsquelle des beschichteten Schneidwerkzeugs zugewandt ist, in Richtung zur Mitte dieser Oberfläche unter Verwendung eines am TEM befestigten EDS gemessen. Die Messergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass sich das Zusammensetzungsverhältnis der Metallelemente jeder Schicht in jeder der Tabellen 1 und 2 auf einen Atomanteil jedes Metallelements relativ zu allen Metallelementen in der Metallverbindung bezieht, die jede Schicht bilden.
[Form, Kristallsystem, Aspektverhältnis und durchschnittliche Partikelgröße in Bezug auf Partikel]
Hinsichtlich der Partikel in der zweiten Mischnitridschicht oder in der B-Schicht in jeder der erhaltenen Proben wurden die Form, das Aspektverhältnis und die durchschnittliche Partikelgröße unter Verwendung eines an ein FE-SEM befestigten EBSD gemessen, und das Kristallsystem wurde durch eine Röntgenbeugungsmessung bestimmt. Insbesondere wurde das beschichtete Schneidwerkzeug unter Verwendung von Diamantpaste poliert und dann einem Endpoliervorgang unter Verwendung von kolloidalem Siliziumdioxid unterzogen, wodurch eine Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs erhalten wurde. Die Probe mit der Querschnittsstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs wurde auf das FE-REM aufgesetzt, und die Querschnittsstruktur der Probe wurde dann mit einem Elektronenstrahl unter einem Einfallswinkel von 70° mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 0,5 nA bestrahlt. Unter Verwendung des EBSD wurde eine Querschnittsstruktur in der Flanke des beschichteten Schneidwerkzeugs mit einem Messbereich von 300 µm² und einer Schrittweite von 0,1 µm gemessen. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Grenze mit einer Fehlorientierung von 5° oder mehr als Korngrenze betrachtet, und ein Bereich, der von einer solchen Korngrenze umgeben war, wurde so definiert, dass er sich auf ein Partikel bezieht. Hierin wurde die Partikelgröße als der Wert einer Achse in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats von Partikeln definiert, die jede Schicht bilden. Hinsichtlich der zweiten Mischnitridschicht und der B-Schicht wurden die Form, das Kristallsystem, das Aspektverhältnis und die durchschnittliche Partikelgröße bezüglich der spezifizierten Partikel erhalten. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 angegeben.
Hinsichtlich der ersten Mischnitridschicht oder der A-Schicht jeder der erhaltenen Proben wurde die durchschnittliche Partikelgröße der spezifizierten Partikel auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben erhalten. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 angegeben.
[I(111)/I(200)]
Das Verhältnis I(111 )/I(200) der zweiten Mischnitridschicht oder der B-Schicht jeder der erhaltenen Proben wurde unter Verwendung des Modells RINT TTR III gemessen, das ein von Rigaku Corporation hergestelltes Röntgendiffraktometer ist. Insbesondere wurde das Verhältnis I(111 )/I(200) durch Messen einer Peakintensität I(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht oder der B-Schicht und einer Peakintensität I(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht oder der B-Schicht durch eine Röntgenbeugungsmessung mittels eines optischen 20/0-Fokussierungssystems mit Cu-Kα-Strahlung unter den folgenden Bedingungen berechnet: Ausgang: 50 kV, 250 mA; einfallsseitiger Solarschlitz: 5°; ein Divergenzlängsschlitz: 2/3°; ein Divergenzlängsbegrenzungsschlitz: 5 mm; ein Streuspalt: 2/3°; ein lichtempfangsseitiger Solarschlitz: 5°; ein Lichtempfangsschlitz: 0,3 mm; ein BENT-Monochromator; ein lichtempfangender monochromer Schlitz: 0,8 mm; ein Abtastbreite: 0,01°; eine Abtastgeschwindigkeit: 4°/min; und ein 2θ-Messbereich: 20°-50°. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 dargestellt.
[Restspannung]

Hinsichtlich jeder der erhaltenen Proben wurde die Restspannung der zweiten Mischnitridschicht oder der B-Schicht durch ein sin²φ-Verfahren unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers gemessen. Eine solche Restspannung der zweiten Mischnitridschicht oder der B-Schicht wurde erhalten durch: Messen der Spannungen an drei beliebigen Stellen, die in einem Abschnitt enthalten sind, der am Schneiden beteiligt ist, und Berechnen des Durchschnittswertes (arithmetisches Mittel) der resultierenden Messungen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 dargestellt. [Tabelle 7]

Probe Nr.	Erste Mischnitridschic ht	Zweite Mischnitridschicht
Probe Nr.	Durchschnittlich e Partikelgröße (nm)	I(111)/I(200)	Kristallsystem	Durchschnittliche Partikelgröße (nm)	Partikel-Aspektverhältnis	PartikelForm	Restspannung (GPa)
Erfindung Probe 1	42	1,1	Kubisch	156	5,1	Säulenförmiger Kristall	-2,5
Erfindung Probe 2	33	1,2	Kubisch	124	3,2	Säulenförmiger Kristall	-3,0
Erfindung Probe 3	19	1,5	Kubisch	103	2,4	Säulenförmiger Kristall	-4,0
Erfindung Probe 4	29	2,0	Kubisch	102	3,4	Säulenförmiger Kristall	-4,5
Erfindung Probe 5	31	3,0	Kubisch	111	3,2	Säulenförmiger Kristall	-6,0
Erfindung Probe 6	32	1,1	Kubisch	119	3,2	Säulenförmiger Kristall	-8,0
Erfindung Probe 7	30	1,0	Kubisch	127	3,1	Säulenförmiger Kristall	-10,0
Erfindung Probe 8	32	1,1	Kubisch	120	3,1	Säulenförmiger Kristall	-8,5
Erfindung Probe 9	25	1,4	Kubisch	103	3,1	Säulenförmiger Kristall	-2,5
Erfindung Probe 10	18	1,6	Kubisch	105	3,2	Säulenförmiger Kristall	-2,0
Erfindung Probe 11	19	1,6	Kubisch	144	4,1	Säulenförmiger Kristall	-5,0
Erfindung Probe 12	20	1,4	Kubisch	102	3,4	Säulenförmiger Kristall	-4,5
Erfindung Probe 13	15	1,2	Kubisch	100	3,1	Säulenförmiger Kristall	-4,0
Erfindung Probe 14	20	1,0	Kubisch	111	2,9	Säulenförmiger Kristall	-3,2
Erfindung Probe 15	21	1,5	Kubisch	114	3,2	Säulenförmiger Kristall	-3,0

[Tabelle 8]

Probe Nr.	A-Schicht			B-Schicht
Probe Nr.	Durchschnittlich e Partikelgröße (nm)	I(111)/I(200)	Kristalsystem	Durchschnittliche Partikelgröße (nm)	Partikel-Aspektverhältnis	Partikelform	Restspannung (GPa)
Vergleichsprobe 1	-	0,5	Kubisch	126	2,0	Säulenförmiger Kristall	-11,0
Vergleichsprobe 2	8	1.6	Kubisch	68	1,5	Säulenförmiger Kristall	-5,0
Vergleichsprobe 3	34	0,9	Kubisch	105	2,9	Säulenförmiger Kristall	-12,0
Vergleichsprobe 4	-	3,1	Kubisch	182	5,9	Säulenförmiger Kristall	-5,0
Vergleichsprobe 5	39	2.1	Kubisch	95	3,1	Säulenförmiger Kristall	-11,0
Vergleichsprobe 6	11	2,2	Kubisch	102	3,2	Säulenförmiger Kristall	-1,5
Vergleichsprobe 7	31	0,8	Kubisch	94	3,1	Säulenförmiger Kristall	-6,0
Vergleichsprobe 8	42	0,8	Kubisch	104	2,8	Säulenförmiger Kristall	-3,5
Vergleichsprobe 9	142	4,2	Kubisch	102	4,7	Säulenförmiger Kristall	-14,0
Vergleichsprobe 10	15	0,5	Kubisch	106	3,0	Säulenförmiger Kristall	-3,5
** Das „-“ Symbol in der Spalte A-Schicht für jedes der Vergleichsbeispiele 1 und 4 in der Tabelle zeigt an, dass keine A-Schichten ausgebildet sind.

Unter Verwendung der erhaltenen Proben wurde der folgende Schneidtest ausgeführt, um Bewertungen vorzunehmen.
[Schneidtest]
Werkstück: S55C
Werkstückform: Platte mit den Abmessungen 200 mm × 150 mm × 70 mm
Schneidgeschwindigkeit: 200 m/min
Vorschub pro Zahn: 1,0 mm/Zahn
Schnitttiefe: 0,6 mm
Schnittbreite: 15 mm
Kühlmittel: wurde verwendet

Bewertungspunkte: Als Ende der Werkzeugstandzeit wurde eine Zeitpunkt definiert, zu dem eine Probe brach (Abplatzungen an der Schneidkante einer Probe auftraten) oder eine Flankenverschleißbreite von 0,20 mm aufwies, und die Bearbeitungszeit bis zum Ende der Standzeit wurde gemessen. Ferner wurden die Schadensform nach Ablauf von 10 Minuten Bearbeitungszeit und die Schadensform, wenn die Probe das Ende der Werkzeugstandzeit erreichte, durch ein REM beobachtet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schadensform des „Abplatzens“ nach Ablauf von 10 Minuten Bearbeitungszeit das Auftreten von Abplatzungen anzeigt, die es ermöglichen, die Bearbeitung fortzusetzen. Ferner zeigt eine lange Bearbeitungszeit eine ausgezeichnete Bruchfestigkeit und Verschleißfestigkeit an. Die erhaltenen Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 9 und 10 dargestellt. [Tabelle 9]

Probe Nr.	Verschleißtest
Probe Nr.	Schadensform nach 10 Minuten Bearbeitungszeit	Bearbeitungszeit (min)	Schadensform
Erfindung Probe 1	Normaler Verschleiß	100	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 2	Normaler Verschleiß	120	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 3	Normaler Verschleiß	140	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 4	Normaler Verschleiß	130	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 5	Normaler Verschleiß	140	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 6	Normaler Verschleiß	130	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 7	Normaler Verschleiß	160	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 8	Normaler Verschleiß	175	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 9	Normaler Verschleiß	120	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 10	Normaler Verschleiß	125	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 11	Normaler Verschleiß	130	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 12	Normaler Verschleiß	125	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 13	Normaler Verschleiß	115	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 14	Normaler Verschleiß	110	Normaler Verschleiß
Erfindung Probe 15	Normaler Verschleiß	130	Normaler Verschleiß

[Tabelle 10]

Probe Nr.	Verschleißtest
Probe Nr.	Schadensform nach 10 Minuten Bearbeitungszeit	Bearbeitungszeit (min)	Schadensform
Vergleichsprobe 1	Abplatzungen	30	Bruchbildung
Vergleichsprobe 2	Normaler Verschleiß	80	Normaler Verschleiß
Vergleichsprobe 3	Abplatzungen	35	Bruchbildung
Vergleichsprobe 4	Normaler Verschleiß	70	Normaler Verschleiß
Vergleichsprobe 5	Abplatzungen	40	Bruchbildung
Vergleichsprobe 6	Normaler Verschleiß	30	Bruchbildung
Vergleichsprobe 7	Normaler Verschleiß	75	Normaler Verschleiß
Vergleichsprobe 8	Normaler Verschleiß	70	Normaler Verschleiß
Vergleichsprobe 9	Abplatzungen	15	Bruchbildung
Vergleichsprobe 10	Normaler Verschleiß	25	Bruchbildung

Die Ergebnisse der Tabellen 9 und 10 zeigen, dass die Bearbeitungszeit jeder erfindungsgemäßen Probe 100 Minuten oder länger betrug, was länger war als die Bearbeitungszeit jeder Vergleichsprobe.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass jede erfindungsgemäße Probe eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweist und dementsprechend eine lange Werkzeugstandzeit aufweist.
Industrielle Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße beschichtete Schneidwerkzeug weist eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit auf, wodurch die Werkzeugstandzeit bezüglich derjenigen des Stands der Technik verlängert werden kann, und das beschichtete Schneidwerkzeug weist daher eine hohe industrielle Anwendbarkeit auf.
Bezugszeichenliste
1: Substrat, 2: erste Mischnitridschicht, 3: zweite Mischnitridschicht, 4: Überzugsschicht, 5: beschichtetes Schneidwerkzeug.

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Überzugsschicht, wobei: die Überzugsschicht eine erste Mischnitridschicht aufweist, die eine Verbindung mit einer durch die Formel (1) dargestellten Zusammensetzung enthält (Al_xCr_1-x) N (1), wobei x einen Atomanteil des Al-Elements, bezogen auf die Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ x ≤ 0,90 erfüllt, und eine zweite Mischnitridschicht, die eine Verbindung mit einer durch die Formel (2) dargestellten Zusammensetzung enthält (Al_yCr_1-y)N (2), wobei y einen Atomanteil des Al-Elements, basierend auf der Gesamtmenge des Al-Elements und des Cr-Elements, bezeichnet und 0,75 ≤ y ≤ 0,90 erfüllt, eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die erste Mischnitridschicht bilden, weniger als 50 nm beträgt, die zweite Mischnitridschicht ein kubisches Kristallsystem aufweist und ein Verhältnis I(111)/I(200) zwischen einer Peakintensität 1(111) für eine (111)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht und einer Peakintensität 1(200) für eine (200)-Ebene der zweiten Mischnitridschicht bei einer Röntgenbeugungsanalyse 1,0 oder mehr beträgt, eine durchschnittliche Partikelgröße von Partikeln, die die zweite Mischnitridschicht bilden, 100 nm oder mehr beträgt, und eine Restspannung der zweiten Mischnitridschicht von -10,0 GPa oder mehr bis -2,0 GPa oder weniger beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei eine durchschnittliche Dicke der ersten Mischnitridschicht von 0,1 µm oder mehr bis 1,0 µm oder weniger beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine durchschnittliche Dicke der zweiten Mischnitridschicht von 0,5 µm oder mehr bis 5,0 µm oder weniger beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Partikel, die die zweite Mischnitridschicht bilden, säulenförmige Kristalle mit einem Aspektverhältnis von 2,0 oder mehr umfassen.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Überzugsschicht eine alternierende Laminatstruktur aufweist, bei der die erste Mischnitridschicht und die zweite Mischnitridschicht wiederholt zweimal oder mehrmals alternierend ausgebildet sind.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine durchschnittliche Dicke der gesamten Überzugsschicht von 1,0 µm oder mehr bis 6,0 µm oder weniger beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat ein Sinterkörper aus Hartmetall, Cermet, Keramik oder kubischem Bornitrid ist.