DE102022115550A1 - Beschichtetes Werkzeug, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Werkzeugs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen Schicht oder unteren Schicht von zwei Schichten aus einem Metallnitrid. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs sowie dessen Verwendung. Um eine Beschichtung für ein Werkzeug anzugeben, die eine erhöhte Standzeit bei verbesserter Leistung ermöglicht, ist eine Schichtzusammensetzung (AlvTiwCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%) 0,455 ≤v ≤ 0,685, 0,255 ≤ w + x ≤ 0,485, 0,03≤ y + z ≤ 0,09, 1,8≤ y/z ≤ 2,2 und 0,8 ≤ w/x ≤1,2, wobei v + w + x + y + z = 1 ist. Ferner soll ein hierzu geeignetes Verfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Werkzeuges angegeben werden. Hierfür ist vorgesehen, dass ein aus einer Metalllegierung Alv, Tiw, Crx, Siyund Hfzbestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer Nz-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metallnitrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird und dass das beschichtete Werkzeug als Schneideinsatz, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen, oder als Stanzwerkzeug verwendet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen Schicht oder unteren Schicht von zwei Schichten aus einem Metallnitrid. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs sowie dessen Verwendung.
- Die Beschichtung von Grundkörpern, die zum Beispiel aus einem Hartmetall oder einem Cermet bestehen, dient dem Ziel, eine optimale Kombination von höchster Verschleißfestigkeit und höchster Zähigkeit, d.h. von Eigenschaften zu erlangen, die wegen ihrer Gegenläufigkeit nur schwer miteinander zu verknüpfen sind. Die ersten verwendeten Schichten bestanden aus Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid oder Titanaluminiumnitrid oder Aluminiumoxyd. Zum Aufbringen der Beschichtung werden chemische oder physikalische Aufdampfverfahren (CVD, PVD) verwendet.
- CVD-Verfahren werden beispielsweise zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Aluminiumoxyd verwendet. Aluminiumoxyd weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit auf und zeigt eine hohe Warmhärte und eine geringe thermische Leitfähigkeit. Solche beschichteten Werkzeuge eignen sich zur Trockenzerspanung und/oder zur Bearbeitung von Sonderlegierungen wie Titan- und/oder Nickel-Legierungen. Es ist auch bekannt, auf den Grundkörper mehrlagige Beschichtungen, zum Beispiel Titanaluminiumnitrid als erste Schicht und Aluminiumoxyd als Deckschicht zu verwenden.
- Als PVD-Verfahren sind insbesondere das Lichtbogen-Verdampfen (arcPVD) und das Kathodenzerstäuben (Sputtern) bekannt. Beim sogenannten Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmaterial, dem Target, durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einem Plasma gelöst und anschließend auf einen in der Nähe des Targets angeordneten Substrat abgeschieden. Befindet sich in der Beschichtungsapparatur ein Reaktivgas, so können auf dem Grundkörper Verbindungen wie beispielsweise TiN abgeschieden werden. Als sogenanntes Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas dient meist ein Edelgas wie Argon.
- Bei der Abscheidung von Titanaluminiumnitrid können entweder zwei Targets oder ein Target, bestehend aus einer Legierung TiAl in Verbindung mit einem N2-haltigen Gas erfolgen. Die Al-Dotierung dient zur Erhöhung der Härte der TiN-Schichten. Bekannt sind auch Schichten aus AlZrN.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung für ein Werkzeug anzugeben, die eine erhöhte Standzeit bei verbesserter Leistung ermöglicht.
- Ferner soll ein hierzu geeignetes Verfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Werkzeuges angegeben werden.
- Die auf das beschichtete Werkzeug gerichtete Aufgabe wir durch ein Werkzeug nach Anspruch 1 gelöst, das durch folgende Schichtzusammensetzung gekennzeichnet ist: (AlvTiNCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%):
Bevorzugt wird das Verhältnis von Si zu Hf mit 2:1 gewählt. - Bevorzugte Schichtdicken liegen zwischen 0,5 µm und 8 µm, vorzugsweise maximal bei 5 µm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Grundkörper aus einem Hartmetall oder einem Cermet gewählt. Wesentlich ist der Gesamtgehalt von Si und Hf, der 9 at% nicht übersteigen soll sowie das Verhältnis der Si- und der Hf-Bestandteile, die zur Verschließverbesserung der Werkzeuge bei hohen ist.
- Temperaturen beitragen. Insbesondere bei Zerspanungsreaktionen entstehen beim Spanablösen an der Schneidkante durch Reibung hohe Temperaturen, die bei fehlender Verschleißbeständigkeit zu einem hohen Kantenverschleiß oder sogar zu einem Schneidkantenbruch führen können, welche das Schneidwerkzeug unbrauchbar machen können. Überraschenderweise hatte die erfindungsgemäße Schicht neben der hohen Oxidationsbeständigkeit den Vorteil, dass die Schnittkräfte in der Trockenbearbeitung von Titanlegierungen im Vergleich zu analogen Schichtsystemen ohne Hf um 20 % bis 30 % vermindert waren. Im Vergleich zu Mehrfachschichten, die aus einer harten Schicht und einer Gleitschicht bestanden, konnten höhere Standzeiten mit einer erfindungsgemäßen Monoschicht sowohl beim Drehen als auch beim Fräsen erzielt werden. Als äußere von insgesamt zwei Schichten kann auch CrN oder AlCrN aufgetragen werden.
- Bevorzugt wird das in Anspruch 5 beschriebene Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein aus einer Metalllegierung (Alv, Tiw, Crx, Siy und Hfz) bestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer N2-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metallnitrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird. Als Reaktionsgas wird vorzugsweise Argon verwendet, dem ein 5 bis 10 %iger Anteil an Stickstoff zugesetzt wird. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein Co-Sputtern angewendet werden, bei dem zwei unterschiedliche Körper, bestehend aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen eingesetzt werden, um die gewünschte Abscheidung zu erhalten.
- Die erfindungsgemäßen beschichteten Werkzeuge sind insbesondere als Schneideinsätze, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen oder als Stanzwerkzeuge besonders geeignet.
- Im Folgenden wird die Erfindung an konkreten Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
Claims (7)
- Beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen oder unteren Schicht von zwei Schichten Schicht aus einem Metallnitrid, gekennzeichnet durch eine Schichtzusammensetzung (AlvTiwCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%)
- Beschichtetes Werkzeug nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass y/z = 2 ist. - Beschichtetes Werkzeug nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke 0,5 µm - 8 µm beträgt. - Beschichtetes Werkzeug nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem Hartmetall, CBN oder einem Cermet besteht. - Beschichtetes Werkzeug nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht aus CrN oder AlCrN besteht. - Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer Metalllegierung Alv, Tiw, Crx, Siy und Hfz bestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer Nz-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metallnitrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird. - Verwendung des beschichteten Werkzeugs nach einem der
Ansprüche 1 bis5 als Schneideinsatz, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen, oder als Stanzwerkzeug.
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