DE102022113731A1

DE102022113731A1 - Beschichtetes Werkzeugteil und Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102022113731A1
Application number: DE102022113731.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Kiepke
Original assignee: Hartmetall Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
Current assignee: Hartmetall Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023232421A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeugteil (10) eines spanabhebenden Werkzeugs, mit einem Substrat (12), das mit einer Verschleißschicht (22) und einer zwischen dem Substrat (12) und der Verschleißschicht (22) angeordneten Haftschicht beschichtet ist. Die Verschleißschicht (22) und die Haftschicht (20) weisen jeweils eine Vielzahl von übereinander angeordneten Sub-Schichten (24) auf. Jede Sub-Schicht (24) weist eine erste Einzellage (26), eine zweite Einzellage (28) und eine dritte Einzellage (30) auf, wobei die drei Einzellagen (26, 28, 30) in der Vielzahl von Sub-Schichten (24) in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet sind. Die erste Einzellage (26) weist Alx1Me1-x1(Ny1C1-y1) auf.Die zweite Einzellage (28) weist Alx2Me1-x2(Ny2C1-y2) auf. Die dritte Einzellage (30) weist Alx3Me1-x3-z3Siz3(Ny3C1-y3) auf. Eine Lagendicke der in der Haftschicht (20) enthaltenen dritten Einzellagen (30) variiert von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) derart, dass die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter unten angeordneten, dem Substrat (12) näherliegenden Sub-Schicht (24) geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat (12) weiter entfernten Sub-Schicht (24). Dagegen ist eine Lagendicke der in der Verschleißschicht (22) enthaltenen dritten Einzellagen (30) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) im Wesentlichen konstant oder zumindest variiert sie von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) weniger stark als in der Haftschicht (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeugteil eines spanabhebenden Werkzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkzeugteils eines spanabhebenden Werkzeugs.
Bei dem Werkzeugteil bzw. dem spanabhebenden Werkzeug kann es sich beispielsweise um ein Werkzeugteil bzw. Werkzeug handeln, das in der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt wird. Grundsätzlich können derartige Werkzeuge jedoch auch zur Bearbeitung anderer Werkstoffe wie z.B. Glas, Kunststoff, etc. eingesetzt werden.
Spanabhebende Werkzeuge sind beispielsweise Drehwerkzeuge, Fräswerkzeuge, Bohrwerkzeuge, Wälzschälwerkzeuge, etc. Bei dem beschichteten Werkzeugteil handelt es sich erfindungsgemäß um einen Teil eines solchen spanabhebenden Werkzeugs, das entweder als separates Teil, beispielsweise als Wendeschneidplatte, ausgestaltet ist oder um einen Teil des Werkzeugs, der integral mit einem Werkzeughalter oder Werkzeugschaft verbunden ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist das beschichtete Werkzeugteil aus Hartmetall, Cermet, polykristallinem kubischen Bornitrid, polykristallinem Diamant, Schneidkeramik oder Schnellarbeitsstahl. Vorgenannte Materialien dienen somit als Substrat für die Beschichtung.
Wenngleich die zuvor genannten Materialien bereits sehr gute Zerspanungseigenschaften aufweisen, da diese von sehr hoher Härte, Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit sind, werden Werkzeugteile spanabhebender Werkzeuge oder das gesamte spanabhebende Werkzeug vermehrt beschichtet, um die Zerspanungseigenschaften zu optimieren. Derartige Beschichtungen schützen das Werkzeugteil bzw. das Werkzeug optimal vor den dynamischen Belastungen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und fehlender bzw. schlechter Kühlung. Somit lassen sich die Standzeiten derartiger spanabhebender Werkzeuge mit Hilfe geeigneter Beschichtungen deutlich erhöhen.
Aus dem Stand der Technik ist bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Beschichtungen bekannt. Diesbezüglich wird nur beispielsweise auf die EP 2 310 594 , die EP 1 422 311 und die EP 2 336 382 verwiesen. Aus den drei zuvor genannten Druckschriften sind verschiedene AICrSiN-Beschichtungen bekannt. Bei der aus der EP 1 422 311 bekannten Beschichtung handelt es sich beispielsweise um eine arc-PVD-Beschichtung. Derartige arc-PVD-Beschichtungen weisen eine hohe Defektdichte auf, was häufig zu einem frühzeitigen Materialversagen führt. DC-Sputterschichten sind hingegen häufig zu weich und/oder weisen aufgrund vergleichsweise geringer lonisation eine zu schlechte Schichthaftung auf.
Al-haltige Schichten haben sehr häufig das Problem, dass diese bereits bei niedrigen Al-Gehalten eine hexagonale Phase ausbilden (hexagonale Kristallstruktur), was die Härte und Verschleißbeständigkeit der Beschichtung reduziert. Wünschenswerter sind dagegen Al-haltige Beschichtungen mit kubischer Kristallstruktur. Letzteres lässt sich jedoch bei höheren Al-Gehalten kaum realisieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung für ein Werkzeugteil eines spanabhebenden Werkzeugs bereitzustellen, die einen vergleichsweise hohen Al-Gehalt hat, jedoch dennoch eine kubische Kristallstruktur aufweist und damit von sehr hoher Härte und großer Verschleißbeständigkeit ist.
Diese Aufgabe wird durch ein beschichtetes Werkzeugteil gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Werkzeugteil ein Substrat aufweist, das mit einer Verschleißschicht und einer zwischen dem Substrat und der Verschleißschicht angeordneten Haftschicht beschichtet ist, wobei die Verschleißschicht und die Haftschicht jeweils eine Vielzahl von übereinander angeordneten Sub-Schichten aufweist, wobei jede Sub-Schicht eine erste Einzellage, eine zweite Einzellage und eine dritte Einzellage aufweist, wobei die drei Einzellagen in der Vielzahl von Sub-Schichten in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die erste Einzellage Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1) aufweist, die zweite Einzellage Al_x2Me_1-x2(Ny₂C_1-y2) aufweist, und die dritte Einzellage Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(N_y3C_1-y3) aufweist, wobei 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und x1 < x2, x1 < x3 und 0 ≤ y1, y2, y3 ≤ 1, wobei Me zumindest eines der folgenden Elemente: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweist, wobei eine Lagendicke der in der Haftschicht enthaltenen dritten Einzellagen von Sub-Schicht zu Sub-Schicht derart variiert, dass die Lagendicke der dritten Einzellage in einer weiter unten angeordneten, dem Substrat näherliegenden Sub-Schicht geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage in einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat weiter entfernten Sub-Schicht, und wobei eine Lagendicke der in der Verschleißschicht enthaltenen dritten Einzellagen von Sub-Schicht zu Sub-Schicht im Wesentlichen konstant ist oder zumindest von Sub-Schicht zu Sub-Schicht weniger stark variiert als in der Haftschicht.
Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst, welches die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen des als Substrat wirkenden Werkzeugteils;
- Beschichten des Substrats mit einer Haftschicht;
- Beschichten des mit der Haftschicht beschichteten Substrats mit einer Verschleißschicht;
wobei das Beschichten des Substrats mit der Haftschicht und das Beschichten des mit der Haftschicht beschichteten Substrats jeweils eine Ablagern einer Vielzahl von übereinander angeordneten Sub-Schichten aufweist, wobei jede Sub-Schicht eine erste Einzellage, eine zweite Einzellage und eine dritte Einzellage aufweist, wobei die drei Einzellagen in der Vielzahl von Sub-Schichten in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die erste Einzellage Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1) aufweist, die zweite Einzellage Al_x2Me_1-x2(N_y2C_1-y2) aufweist, und die dritte Einzellage Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(N_y3C_1-y3) aufweist, wobei 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und x1 < x2, x1 < x3 und 0 ≤ y1, y2, y3 ≤ 1, wobei Me zumindest eines der folgenden Elemente: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweist, wobei eine Lagendicke der in der Haftschicht enthaltenen dritten Einzellagen von Sub-Schicht zu Sub-Schicht derart variiert, dass die Lagendicke der dritten Einzellage in einer weiter unten angeordneten, dem Substrat näherliegenden Sub-Schicht geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage in einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat weiter entfernten Sub-Schicht, und wobei eine Lagendicke der in der Verschleißschicht enthaltenen dritten Einzellagen von Sub-Schicht zu Sub-Schicht im Wesentlichen konstant ist oder zumindest von Sub-Schicht zu Sub-Schicht weniger stark variiert als in der Haftschicht.

Die erfindungsgemäße Beschichtung weist also eine Haftschicht und eine darüber angeordnete Verschleißschicht auf. Beide Schichten bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Sub-Schichten, wobei jede Sub-Schicht mindestens drei verschiedene Einzellagen, vorliegend bezeichnet als „erste Einzellage“, „zweite Einzellage“ und „dritte Einzellage“, aufweist. Grundsätzlich kann jede Sub-Schicht auch mehr als drei Einzellagen aufweisen.
Die drei genannten Einzellagen der verschiedenen Sub-Schichten haben verschiedene Materialzusammensetzungen (siehe nachfolgend im Detail). Die drei genannten Einzellagen der Vielzahl von Sub-Schichten sind sowohl in der Haftschicht als auch in der Verschleißschicht jeweils in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet. Die Reihenfolge der Einzellagen in der Haftschicht kann, muss jedoch nicht zwangsläufig die gleiche Reihenfolge wie in der Verschleißschicht sein. Zudem sei erwähnt, dass die vorliegend verwendete Nomenklatur „erste, zweite und dritte Einzellage“ keine notwendige Reihenfolge impliziert, sondern lediglich zur Differenzierung der drei Einzellagen gedacht ist.
Sofern die erste Einzellage vereinfacht mit „1“, die zweite Einzellage mit „2“ und die dritte Einzellage mit „3“ bezeichnet wird, so sind in der Haftschicht und/oder der Verschleißschicht beispielsweise folgende Reihenfolgen möglich: 123123123... oder 213213213... oder 321321321... oder 123412341234... etc., wobei „4“ dann für eine oder mehrere weitere Einzellagen pro Sub-Schicht stünde.
Die erste Einzellage weist Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1) auf, wobei gilt: 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und 0 ≤ y1 ≤ 1 und Me zumindest eines der folgenden Elemente: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweist. Da x1 auch 0 sein kann, bedeutet dies, dass die erste Einzellage nicht zwangsläufig Aluminium aufweisen muss, sondern auch „nur“ eines der zuvor genannten Metalle Me aufweisen kann. Vorzugsweise weist die erste Einzellage jedoch sowohl Aluminium als auch eines dieser Metalle auf. Der Al-Gehalt ist jedoch vergleichsweise gering. Da y1 zwischen 0 und 1 schwanken kann, kann es sich bei der ersten Einzellage um ein Nitrid, ein Carbid oder ein Carbonitrid handeln.
Ähnliches gilt auch für die Zusammensetzungen der zweiten und dritten Einzellagen, wobei die zweite Einzellage Al_x2Me_1-x2 aufweist und aufgrund der Tatsache, dass x1 kleiner x2 ist, zwangsläufig einen höheren Al-Gehalt hat als die erste Einzellage. Aufgrund von 0 ≤ y2 ≤ 1 kann auch die zweite Einzellage ein Nitrid, ein Carbid oder ein Carbonitrid aufweisen.
In der dritten Einzellage Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(Ny₃C_1-y3) ist in dem Stoffgemisch zusätzlich zu Aluminium und dem weiteren Metall Me auch Si enthalten. Auch dieses Stoffgemisch kann als Nitrid, Carbid oder Carbonitrid ausgebildet sein (0 ≤ y3 ≤ 1). Der Al-Gehalt der dritten Einzellage ist größer als der Al-Gehalt der ersten Einzellage, aber nicht unbedingt größer als der Al-Gehalt der zweiten Einzellage.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegend angegebenen Stoffmengenanteile der drei Einzellagen jeweils absolut als Dezimalzahlen angegeben sind, so dass beispielsweise ein Stoffmengenanteil von 0,55 einem Stoffmengenanteil in Atomprozent von 55 % (55 At.-%) entspricht.
Die angegebenen Stoffzusammensetzungen der drei Einzellagen sowie deren alternierende Reihenfolge übereinander bieten diverse technische Vorteile. Die erste Einzellage weist einen vergleichsweise geringen Al-Gehalt (< 55 At.-%) auf. Sie kann auch gänzlich Al-frei ausgestaltet sein. In Kombination mit einem oder mehreren der oben genannten Metalle Me weist das in der ersten Einzellage enthaltene Stoffgemisch eine kubische Kristallstruktur auf. Die Zumischung von kubischen Nitriden (z.B. CrN, TiN...) oder kubischen Carbiden (z.B. TiC, ZrC...) lässt sich ein kubischer Mischkristall erzeugen, der im Vergleich zu reinem Aluminiumnitrid oder Aluminiumcarbid, welches typischerweise eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, eine deutlich höhere Härte und einen höheren Verschleißwiderstand hat.
Selbiges Prinzip der Zumischung von kubischen Nitriden oder kubischen Carbiden gilt auch für die zweite Einzellage. Aufgrund des höheren Al-Gehalts in der zweiten Einzellage hätte das darin enthaltene Stoffgemisch eigentlich jedoch eine hexagonale Kristallstruktur. Aufgrund der alternierenden Abfolge der genannten Einzellagen wird jedoch die zweite Einzellage durch die erste Einzellage kubisch „stabilisiert“, so dass auch diese letztendlich eine kubische Kristallstruktur aufweist. Somit tragen auch die zweiten Einzellagen zur höheren Härte und dem höheren Verschleißwiderstand vorteilhaft bei. Der vergleichsweise hohe Al-Gehalt in der zweiten Einzellage führt neben der hohen Härte auch zu einer großen Oxidationsbeständigkeit.
Das in der dritten Einzellage enthaltene Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid erhöht weiterhin die Härte der Beschichtung. Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid begünstigen normalerweise aber ebenfalls die Bildung einer hexagonalen Kristallstruktur. Die hexagonale Kristallstruktur der dritten Einzellage wird jedoch ebenfalls aufgrund der kubischen Kristallstruktur der ersten Einzellage unterdrückt. Somit ist auch die eigentlich hexagonale Kristallstruktur der dritten Einzellage aufgrund der ersten Einzellage „kubisch stabilisiert“.
Dies bedeutet zusammenfassend, dass die aufgrund der Stoffzusammensetzungen normalerweise in den zweiten und dritten Einzellagen auftretende hexagonale Phase durch das Auftragen der Al-armen ersten Einzellagen, welche jeweils dazwischen angeordnet sind und kubische Nitride oder kubische Carbide aufweisen, unterdrückt wird. Die kubische Kristallstruktur in den ersten Einzellagen führt damit letztendlich auch zu kubischen Kristallstrukturen in den zweiten und dritten Einzellagen. Dies hat sich als extrem vorteilhaft herausgestellt.
Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Beschichtung besteht darin, dass die Lagendicke der dritten Einzellagen von Sub-Schicht zu Sub-Schicht in der Haftschicht variiert. Vorzugsweise nimmt die Lagendicke der dritten Einzellagen von unten nach oben zu. Die Zunahme muss jedoch nicht exakt stetig sein, was aus prozesstechnischen Gründen auch kaum zu garantieren ist. Wichtig ist, dass die Lagendicke der dritten Einzellagen zumindest tendenziell von unten nach oben hin zunimmt, also dass die Lagendicke einer dritten Einzellage in zumindest einer weiter unten angeordneten, dem Substrat näher liegenden Sub-Schicht geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage in zumindest einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat weiter entfernten Sub-Schicht.
In der Verschleißschicht variiert die Lagendicke der dritten Einzellagen weniger stark als in der Haftschicht. Vorzugsweise ist die Lagendicke der in der Verschleißschicht enthaltenen dritten Einzellagen im Wesentlichen konstant (konstant mit prozesstechnisch-bedingten Abweichungen).
Somit entsteht kein „harter“ Übergang zwischen den Einzellagen der Haftschicht und den Einzellagen der Verschleißschicht. Stattdessen entsteht eine Art Si-Gradient, der innerhalb der Haftschicht von unten nach oben hin ansteigt. Dadurch ist die gesamte Beschichtung Si-haltig und damit härter als eine vergleichbare Beschichtung mit Si-freier Haftschicht.
Die erfindungsgemäße Beschichtung lässt sich insbesondere mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) herstellen. Die Herstellung mittels HiPIMS mit sehr hoher Pulsleistung erzeugt sehr dichte und defektarme Schichten.
Die oben genannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gilt 0,55 ≤ x2 ≤ 0,7 und 0,4 ≤ x3 ≤ 0,7. Mit anderen Worten schwankt der Al-Gehalt in den zweiten Einzellagen vorzugsweise zwischen 0,55 und 0,7, während der Al-Gehalt in den dritten Einzellagen vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7 schwankt. Diese Al-Gehalte haben sich in Versuchen der Anmelderin als vorteilhaft herausgestellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung gilt: 0,3 ≤ x1 ≤ 0,55 und 0,55 ≤ x2 ≤ 0,65 und 0,5 ≤ x3 ≤ 0,65.
In einer weiteren Ausgestaltung gilt für die dritten Einzellagen vorzugsweise: 0,01 ≤ z3 ≤ 0,15. Der Si-Gehalt schwankt also vorzugsweise zwischen 1 % und 15 %.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Beimischung von Cr als Metall (Me) in den drei Einzellagen herausgestellt. Besonders gute Versuchsergebnisse ließen sich mit der Beimischung von Chromnitrid in den drei Einzellagen erreichen (Me = Cr, y1 = 1, y2 = 1 und y3 = 1).
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, dass die Lagendicke der in der Haftschicht enthaltenen dritten Einzellagen mit zunehmendem Abstand von dem Substrat von Sub-Schicht zu Sub-Schicht monoton zunimmt. Dies führt zu einem „perfekten“ Gradientenverlauf des Si-Gehalts in der Haftschicht. Aufgrund der herstellungsbedingten Rotation des Werkzeugteils während der Beschichtung kann es jedoch zu Abweichungen der einzelnen Lagendicken kommen, weshalb die Zunahme in der Praxis lediglich als „im Wesentlichen stetig“ oder zumindest als „tendenziell zunehmend“ beschrieben werden kann.
Vorzugsweise sind in der Verschleißschicht die Lagendicken der ersten, zweiten und dritten Einzellagen konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant/ähnlich. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung gilt für eine Lagendicke t_Verschleiß der in der Verschleißschicht enthaltenen ersten, zweiten und dritten Einzellagen jeweils: 1 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 200 nm, vorzugsweise 1 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 30 nm, besonders bevorzugt 2 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 25 nm.
Dies führt in Tiefenrichtungen, in der die Sub-Schichten übereinander angeordnet sind, in der Haftschicht und in der Verschleißschicht jeweils zu mehr als drei Sub-Schichten pro Mikrometer, vorzugsweise zu mehr als 10 Sub-Schichten pro Mikrometer, besonders bevorzugt zu mehr als 20 Sub-Schichten pro Mikrometer.
Die Schichtdicke der gesamten Haftschicht ist vorzugsweise kleiner als die Schichtdicke der Verschleißschicht.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ferner versteht es sich, dass sich die vorstehend genannten Merkmale und die in den Ansprüchen zu dem beschichteten Werkzeugteil definierten Merkmale in gleicher bzw. äquivalenter Art und Weise auch auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines beschichteten Werkzeugteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Schichtaufbaus einer Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Diagramm mit Versuchsergebnissen;
5 ein Lichtmikroskop-Bild eines Kalottenschliffs eines mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung beschichteten Substrats;
6 ein REM-Bild eines mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung beschichteten Substrats;
7 ein Ergebnis einer XRD-Messung; und
8 eine Tabelle mit Versuchsergebnissen zu diversen Beschichtungsvarianten.

1 zeigt in rein schematischer Art und Weise ein beschichtetes Werkzeugteil. Das beschichtete Werkzeugteil ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
Bei dem beschichteten Werkzeugteil 10 kann es sich beispielsweise um eine Wendeschneidplatte handeln. Das beschichtete Werkzeugteil 10 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Substrat 12 aus Hartmetall auf, welches an seiner Oberseite mit einer Beschichtung 14 beschichtet ist. Selbstverständlich kann auch die gesamte Oberfläche des Werkzeugteils 10 beschichtet sein.
Im vorliegenden Fall kann es sich bei der beschichteten Fläche beispielsweise um die Spanfläche 16 einer Wendeschneidplatte handeln, die eine oder mehrere Schneidkanten 18 aufweist.
2 zeigt in schematischer Art und Weise den Schichtaufbau der Beschichtung 14. Die Beschichtung 14 ist aufgeteilt in eine Haftschicht 20 und eine Verschleißschicht 22. Die Haftschicht 20 ist direkt mit dem Substrat 12 verbunden. Die Verschleißschicht 22 ist auf der Oberseite der Haftschicht 20 aufgebracht.
Die Haftschicht 20 wie auch die Verschleißschicht 22 weisen jeweils eine Vielzahl von Sub-Schichten 24 auf. Diese Sub-Schichten 24 bestehen im vorliegenden Fall aus jeweils drei Einzellagen 26, 28, 30. In anderen Ausführungsbeispielen (hier nicht gezeigt) können pro Sub-Schicht 24 auch weitere Einzellagen hinzukommen.
Die Einzellagen 26, 28, 30, welche vorliegend als erste Einzellagen 26, zweite Einzellagen 28 und dritte Einzellagen 30 bezeichnet werden, haben jeweils unterschiedliche Materialzusammensetzungen, wobei jede der ersten Einzellagen 26, jede der zweiten Einzellagen 28 und jede der dritten Einzellagen 30 jeweils die gleiche Materialzusammensetzung haben. Die drei Einzellagen sind in alternierender Reihenfolge übereinander angeordnet, wobei vorliegend die Reihenfolge 123123123... gewählt ist.
Die ersten Einzellagen 26 und die zweiten Einzellagen 28 haben in allen Sub-Schichten 24 vorzugsweise die gleiche Dicke. Die Lagendicke der dritten Einzellagen 30 variiert jedoch in der Haftschicht 20, während sie in den Sub-Schichten 24 der Verschleißschicht 22 vorzugsweise jeweils gleich groß bzw. gleich dick ist (d.h. nicht variiert). In der Haftschicht 20 nimmt die Lagendicke der dritten Einzellagen 30 von unten nach oben, also ausgehend von dem Substrat 12 bis zum Übergang zu der Verschleißschicht 22, zumindest tendenziell zu. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Lagendicke der dritten Einzellagen 30 in der Haftschicht 20 von Sub-Schicht 24 zu Sub-Schicht 24 im Wesentlichen stetig zunimmt. Mit einer „im Wesentlichen stetigen“ Zunahme ist eine stetige Zunahme mit prozesstechnisch-bedingten kleineren Abweichungen gemeint.
Die Dicke der gesamten Beschichtung 14 liegt vorzugsweise im Bereich von 1-10 µm. Die Schichtdicke der Haftschicht 20 ist dabei bevorzugt kleiner als die Schichtdicke der Verschleißschicht 22. Besonders bevorzugt hat die Haftschicht 20 einen Anteil von 10-30 % an der Gesamtschichtdicke der Beschichtung 14.
Die ersten und zweiten Einzellagen 26, 28 haben vorzugsweise eine Lagendicke von 1-30 nm. Die Lagendicke der dritten Einzellagen 30 variiert, wie bereits erwähnt, in der Haftschicht 20. Sie steigt vorzugsweise innerhalb der Haftschicht 20 gleichmäßig von Sub-Schicht 24 zu Sub-Schicht 24 von unten nach oben hin an.
Die ersten Einzellagen 26 weisen folgendes Stoffgemisch auf: Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1). Die zweiten Einzellagen 28 weisen folgendes Stoffgemisch auf: Al_x2Me_1-x2(N_y2C_1-y2). Die dritten Einzellagen 30 weisen folgendes Stoffgemisch auf: Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(N_y3C_1-y3). Für die Parameter x1, x2, x3, y1, y2 und y3 gilt dabei Folgendes: 0 ≤ x1 ≤ 0,55, x1 < x2, x1 < x3, 0 ≤ y1 ≤ 1, 0 ≤ y2 ≤ 1 und 0 ≤ y3 ≤ 1. Das Metall Me weist zumindest eines der folgenden Elemente auf: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W.
Der niedrige Al-Gehalt innerhalb der ersten Einzellagen 26 sowie das Zumischen von kubischen Nitriden oder kubischen Carbiden (MeN oder MeC) führt auch in den zweiten und dritten Einzellagen 28, 30 zu kubischen Kristallstrukturen, wie sich aus den Versuchen der Anmelderin ergeben hat. Der stetig ansteigende Si-Gehalt in den dritten Einzellagen 30 der Haftschicht 20 führt bereits zu einer Haftschicht 20 mit hoher Härte, die optimal an dem Substrat 12 haftet. Zudem kommt es durch diesen ansteigenden Verlauf des Si-Anteils innerhalb der Haftschicht 20 zu keinem abrupten Übergang zwischen der Haftschicht 20 und der Verschleißschicht 22.
Die jeweils dazwischen angeordneten ersten Einzellagen 26 führen also dazu, dass auch die zweiten und dritten Einzellagen 28, 30, welche aufgrund ihrer Stoffzusammensetzung (hoher Al-Gehalt in den zweiten Einzellagen 28 und hoher Al-Gehalt sowie zusätzlicher Si-Gehalt in den dritten Einzellagen 30) eine hexagonale Kristallstruktur hätten, ebenfalls eine kubische Kristallstruktur aufweisen.
Experimentelle Versuche der Anmelderin, bei denen die Stoffzusammensetzungen der drei Einzellagen 26, 28, 30 variiert wurden, haben gezeigt, dass 3-lagig ausgestaltete Sub-Schichten 24, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, sowohl in Bezug auf die Härte als auch in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit deutlich von Vorteil sind. In 8 ist ein Teil dieser Versuchsergebnisse zusammengefasst. Dabei ist für die verschiedenen Schichtaufbauten der Sub-Schichten 24 jeweils die Stoffzusammensetzung der Einzellagen 26, 28, 30 (hier bezeichnet als „Lage 1“, „Lage 2“ und „Lage 3“) gezeigt. Ferner ist in der ersten Spalte jeweils der grundsätzliche strukturelle Aufbau der Sub-Schichten 24 angegeben (monolithisch, 2-lagig oder 3-lagig). Des Weiteren ist angegeben, ob sich eine hexagonale Kristallstruktur/Phase ergibt oder nicht. In der letzten Spalte wurden die einzelnen, ausgewerteten Schichten qualitativ bewertet, wobei 1 als sehr gut, 2 als gut, 3 als befriedigend, 4 als ausreichend, 5 als mangelhaft und 6 als ungenügend verwendet wurde. Anders als zuvor sind die Stoffmengenanteile der in 8 gezeigten Stoffzusammensetzungen prozentual in At.-% und nicht in absoluten Dezimalzahlen angegeben. Im Folgenden werden diese dennoch wieder als absolute Stoffmengenanteil in Dezimalzahlen angegeben.
Als vorteilhaft haben sich in der ersten Einzellage 26 insbesondere Al-Gehalte von 0 ≤ x1 ≤ 0,55 herausgestellt. Des Weiteren werden Al-Gehalte in den zweiten Einzellagen 28 von 0,55 ≤ x2 ≤ 0,65 und in den dritten Einzellagen 30 von 0,5 ≤ x3 ≤ 0,65 bevorzugt. Si-Anteile von 0,01 ≤ z3 ≤ 0,15 haben sich für die dritten Einzellagen 30 als sinnvoll bzw. vorteilhaft herausgestellt. Als besonders vorteilhaft ergaben sich folgende Stoffzusammensetzungen für die drei Einzellagen 26, 28, 30, jeweils angegeben als (Stoffzusammensetzung erste Einzellage 26, Stoffzusammensetzung zweite Einzellage 28, Stoffzusammensetzung dritte Einzellage 30): (CrN, Al_0,58Cr_0,42N, Al_0,58Cr_0,34Si_0,08N); (Al_0,48Cr_0,52N, Al_0,58Cr_0,42N, Al_0,58Cr_0,34Si_0,08N), (TiN, Al_0,67Ti_0,25Sc_0,08, Al_0,58Cr_0,34Si_0,08N), (Ti_0,82Si_0,18N, Al_0,59Ti_0,41N, Al_0,58Cr_0,34Si_0,08N), (Al_0,49Ti_0,51N, Al_0,58Ti_0,32N, Al_0.59Ti_0.33Si_0.08N).
8 zeigt lediglich Versuchsergebnisse zu Nitriden, wobei weitere hier nicht gezeigte Ergebnisse der Anmelderin ergeben haben, dass auch diverse Carbide mit ähnlichen Eigenschaften und Stoffmengenanteilen von Al und Me äquivalent einsetzbar wären.
3 zeigt in schematischer Form einen Versuchsaufbau, wie er zur Herstellung der Cr-basierten Beschichtung 14 mit der Materialzusammensetzung (Al_0,48Cr_0,52N, Al_0,58Cr_0,42N, Al_0.58Cr_0.34Si_0.08N) verwendet wurde. Hierzu wurde eine PVD-Beschichtungsanlage verwendet, die das Sputtern mittels HiPIMS-Verfahren unterstützt. Im vorliegenden Fall wurde von der Anmelderin die CC800-HiPIMS der CemeCon AG verwendet. Die verwendete Beschichtungsanlage verfügt über sechs Katoden, wobei vier Katoden im HiPIMS-Modus betrieben werden und zwei Katoden im DC-Modus betrieben werden. Die Si-freien Targets, welche zur Abscheidung der ersten und zweiten Einzellagen 26, 28 verwendet werden, werden im HiPIMS-Modus betrieben (gekennzeichnet in 3 als „HP“), die Sihaltigen Targets, welche zum Abscheiden der dritten Einzellagen 30 verwendet werden, werden im DC-Modus betrieben (in 3 als „DC“ bezeichnet). Es handelt sich insgesamt also um einen Hybridprozess.
Für den Beschichtungsprozess werden die gereinigten Werkzeuge 10 bzw. Substrate 12 in der Beschichtungsanlage chargiert. Entsprechend ihrem Durchmesser erfolgt die Chargierung einfach, zweifach, dreifach oder vierfach rotierend, so dass alle Funktionsflächen beschichtet werden können.
Zur Vorbereitung des Beschichtungsprozesses erzeugt die Beschichtungsanlage im Arbeitsraum ein Hochvakuum und die darin befindlichen Strahlheizungen erwärmen die Werkzeuge auf ca. 500 °C auf. Der sich daran anschließende Plasmaätzprozess reinigt die Werkzeugoberfläche. Hierzu wird im Beschichtungsraum mit Hilfe von Edelgas ein Druck von 200 bis 500 mPa eingestellt und ein Plasma erzeugt. Eine negative Spannung von mehr als 100 V beschleunigt die Edelgasionen auf die Werkzeugoberfläche, wodurch dort Verunreinigungen abgetragen werden.
Im letzten Schritt vor dem Beschichten reinigt ein kurzes Sputtern der Targets die Target-Oberfläche. Hierzu wird mit Hilfe von Edelgasen ein Druck von mehr als 1000 mPa erzeugt und durch das Anlegen einer negativen Spannung an die Targets der Sputterprozess gestartet. Während dieses Target-Reinigungsvorgangs schützen geschlossene Shutterbleche die Werkzeuge vor einem Materialauftrag.
Im Anschluss kann die tatsächliche Beschichtung der Werkzeuge bzw. Werkzeugteile 10 bzw. Substrate 12 erfolgen. Dazu wird mit Hilfe von Edelgasen ein Druck von 300 bis 600 mPa erzeugt und im Anschluss das Reaktivgas Stickstoff und/oder Acetyleneingelassen, bis ein Gesamtdruck von 630 bis 1000 mPa entsteht. Damit ein dichtes Schichtgefüge entsteht, werden bis zu vier der verwendeten Katoden nicht mit einer kontinuierlichen Spannung betrieben, sondern mit Spannungspulsen beaufschlagt und somit im sogenannten HiPIMS-Modus betrieben. Diese HiPIMS-Pulse haben eine Länge von 10 bis 200 µs, bevorzugt 20 bis 100 µs, und werden 1000- bis 8000-mal pro Sekunde erzeugt. Durch das Beaufschlagen der Werkzeuge mit einer negativen Spannung von 40 bis 100 V werden die so erzeugten Metallionen auf die Werkzeuge beschleunigt. Um den Sputterprozess zu starten, werden die Katoden mit den siliziumfreien Targets möglichst schnell mit einer Spannung beaufschlagt, so dass eine mittlere Leistung von 6000 bis 12.000 W an den Katoden anliegt. Die Spannung an den siliziumhaltigen Targets wird hingegen über einen Zeitraum von 10 bis 20 Minuten erhöht, so dass die mittlere Sputterleistung dieser Targets langsam und kontinuierlich ansteigt und so die Dicke der dritten Einzellagen 30 der Haftschicht 20 ansteigt und so der beschriebene Siliziumgradient entsteht. Nach dem Abscheiden dieses Gradienten werden alle Targets mit konstanter Leistung betrieben. Durch die Rotation der Werkzeuge während des Beschichtungsprozesses entsteht die nanostrukturierte Beschichtung 14.
Nach Abschluss des Beschichtungsprozesses kühlt der Arbeitsraum auf unter 200 °C ab, bevor er belüftet wird, so dass die nun beschichteten Werkzeuge entnommen werden können.
Die in 3 dargestellten Stoffzusammensetzungen der Targets entsprechen den in 8 dargestellten Stoffzusammensetzungen in der letzten Zeile der Cr-basierten Stoffgemische. Die hiermit erreichte Beschichtung (Al_0,48Cr_0,52N, Al_0,58Cr_0,42N, Al_0,58Cr_0,34Si_0,08N) ergab die mit Abstand besten Ergebnisse, insbesondere was die ausgewerteten Standzeiten der beschichteten Werkzeugteile ergab. In 4 ist dies anhand einer Standzeit-Auswertung verschiedener Beschichtungen gezeigt, wobei die erfindungsgemäße Art der Beschichtung (in 4 ganz rechts gezeigt) einer AICrN-Beschichtung mit hexagonaler Kristallstruktur und einer AlCrSiN-Schicht mit hexagonaler Kristallstruktur gegenübergestellt wurde. Wie aus diesem Vergleich ersichtlich ist, ließen sich mit der erfindungsgemä-ßen Beschichtung mehr als doppelt so lange Standzeiten erreichen wie mit hexagonalen AlCrN-Schichten und hexagonalen AlCrSiN-Schichten. In 5 und 6 ist die erfindungsgemäße AlCrSiN-Beschichtung in einer Lichtmikroskop-Aufnahme und einer REM-Aufnahme gezeigt. Ersichtlich ist darin insbesondere das Substrat 12 sowie die darauf haftende Beschichtung 14. In 5 lassen sich die Sub-Schichten 24 erkennen. Ferner ist aufgrund des Kalottenschliffs die Oberfläche 32 der Beschichtung 14 erkennbar.
Eine von der Anmelderin durchgeführte XRD-Messung, deren Ergebnis in 7 dargestellt ist, untermauert nochmals die Tatsache, dass für die erfindungsgemäße Beschichtung 14 keine hexagonale Phase, sondern lediglich eine kubische Phase als Kristallstruktur auftritt. Weitere XRD-Messungen haben Druckspannungen > 2,5 Gpa ergeben. Instrumentierte Eindringprüfungen ergaben eine Härte > 33 Gpa sowie ein Verhältnis der Eindringhärte HIT zu elastischem Eindringmodul EIT von: HIT³/EIT² > 0,15 (meist sogar größer als 0,2).
Im Ergebnis zeigten sich damit extrem gute Materialeigenschaften der erfindungsgemä-ßen Beschichtung 14.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2310594 [0006]
EP 1422311 [0006]
EP 2336382 [0006]

Claims

Beschichtetes Werkzeugteil (10) eines spanabhebenden Werkzeugs, mit einem Substrat (12), das mit einer Verschleißschicht (22) und einer zwischen dem Substrat (12) und der Verschleißschicht (22) angeordneten Haftschicht beschichtet ist, wobei die Verschleißschicht (22) und die Haftschicht (20) jeweils eine Vielzahl von übereinander angeordneten Sub-Schichten (24) aufweist, wobei jede Sub-Schicht (24) eine erste Einzellage (26), eine zweite Einzellage (28) und eine dritte Einzellage (30) aufweist, wobei die drei Einzellagen (26, 28, 30) in der Vielzahl von Sub-Schichten (24) in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die erste Einzellage (26) Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1) aufweist, die zweite Einzellage (28) Al_x2Me_1-x2(N_y2C_1-y2) aufweist, und die dritte Einzellage (30) Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(Ny₃C_1-y3) aufweist, wobei 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und x1 < x2, x1 < x3 und 0 ≤ y1, y2, y3 ≤ 1, wobei Me zumindest eines der folgenden Elemente: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweist, wobei eine Lagendicke der in der Haftschicht (20) enthaltenen dritten Einzellagen (30) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) derart variiert, dass die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter unten angeordneten, dem Substrat (12) näherliegenden Sub-Schicht (24) geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat (12) weiter entfernten Sub-Schicht (24), und wobei eine Lagendicke der in der Verschleißschicht (22) enthaltenen dritten Einzellagen (30) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) im Wesentlichen konstant ist oder zumindest von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) weniger stark variiert als in der Haftschicht (20).
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß Anspruch 1, wobei das in der ersten Einzellage (26) enthaltene Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1), das in der zweiten Einzellage (28) enthaltene Al_x2Me_1-x2(Ny₂C_1-y2) und das in der dritten Einzellage (30) enthaltene Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(Ny₃C_1-y3) jeweils eine kubische Kristallstruktur haben.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei 0,55 ≤ x2 ≤ 0,7 und 0,4 ≤ x3 ≤ 0,7.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und 0,55 ≤ x2 ≤ 0,65 und 0,5 ≤ x3 ≤ 0,65.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei 0,01 ≤ z3 ≤ 0,15.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei Me Cr aufweist.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei y1 = 1, y2 = 1 und y3 = 1.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei die Lagendicke der in der Haftschicht (20) enthaltenen dritten Einzellagen (30) mit zunehmendem Abstand von dem Substrat (12) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) monoton zunimmt.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei für eine Lagendicke t_Verschleiß der in der Verschleißschicht (22) enthaltenen ersten, zweiten und dritten Einzellagen (26, 28, 30) jeweils gilt: 1 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 200 nm, vorzugsweise 1 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 30 nm, besonders bevorzugt 5 nm ≤ t_Verschleiß ≤ 25 nm.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei in Tiefenrichtung, in der die Sub-Schichten (24) übereinander angeordnet sind, in der Haftschicht (20) und in der Verschleißschicht (22) mehr als 3 Sub-Schichten (24) pro 1 µm übereinander, vorzugsweise mehr als 10 Sub-Schichten (24) pro 1 µm übereinander, besonders bevorzugt mehr als 20 Sub-Schichten (24) pro 1 µm übereinander angeordnet sind.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei eine Schichtdicke der Haftschicht (20) kleiner als eine Schichtdicke der Verschleißschicht (22) ist.
Beschichtetes Werkzeugteil gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei das Substrat (12) ein Hartmetall, ein Cermet, ein polykristallines kubisches Bornitrid, einen polykristallinen Diamanten, eine Schneidkeramik oder einen Schnellarbeitsstahl aufweist.
Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückstücks, wobei das Werkzeug ein beschichtetes Werkzeugteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1-12 aufweist.
Verfahren zur Beschichtung eines Werkzeugteils eines spanabhebenden Werkzeugs, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des als Substrat (12) wirkenden Werkzeugteils; - Beschichten des Substrats (12) mit einer Haftschicht (20); - Beschichten des mit der Haftschicht (20) beschichteten Substrats (12) mit einer Verschleißschicht (22); wobei das Beschichten des Substrats (12) mit der Haftschicht (20) und das Beschichten des mit der Haftschicht (20) beschichteten Substrats (12) jeweils eine Ablagern einer Vielzahl von übereinander angeordneten Sub-Schichten (24) aufweist, wobei jede Sub-Schicht (24) eine erste Einzellage (26), eine zweite Einzellage (28) und eine dritte Einzellage (30) aufweist, wobei die drei Einzellagen (26, 28, 30) in der Vielzahl von Sub-Schichten (24) in einer regelmäßig alternierenden Reihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die erste Einzellage (26) Al_x1Me_1-x1(N_y1C_1-y1) aufweist, die zweite Einzellage (28) Al_x2Me_1-x2(Ny₂C_1-y2) aufweist, und die dritte Einzellage (30) Al_x3Me_1-x3-z3Si_z3(N_y3C_1-y3) aufweist, wobei 0 ≤ x1 ≤ 0,55 und x1 < x2, x1 < x3 und 0 ≤ y1, y2, y3 ≤ 1, wobei Me zumindest eines der folgenden Elemente: Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweist, wobei eine Lagendicke der in der Haftschicht (20) enthaltenen dritten Einzellagen (30) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) derart variiert, dass die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter unten angeordneten, dem Substrat (12) näherliegenden Sub-Schicht (24) geringer ist als die Lagendicke der dritten Einzellage (30) in einer weiter oben angeordneten, von dem Substrat (12) weiter entfernten Sub-Schicht (24), und wobei eine Lagendicke der in der Verschleißschicht (22) enthaltenen dritten Einzellagen (30) von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) im Wesentlichen konstant ist oder zumindest von Sub-Schicht (24) zu Sub-Schicht (24) weniger stark variiert als in der Haftschicht (20).