DE102022124181A1

DE102022124181A1 - Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers sowie beschichteter Körper erhältlich gemäß dem Verfahren

Info

Publication number: DE102022124181A1
Application number: DE102022124181.5A
Authority: DE
Inventors: Joern Kohlscheen; Christian Bareiss; Horst Jaeger; Patrick Kuhlemann; Christoph Gey
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-03-21
Also published as: US20240093378A1; CN117737648A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers (10), mit einem Substrat (12) und einer auf dem Substrat (12) angeordneten Beschichtung (11), die wenigstens eine auf dem Substrat (12) aufgebrachte Grundschicht (16) und wenigstens eine über der Grundschicht (16) angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht (14) umfasst, die durch Magnetronsputtern aufgetragen sind. Ferner betrifft die Erfindung einen beschichteten Körper hergestellt gemäß dem Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers sowie einen beschichteten Körper erhältlich gemäß dem Verfahren.
Im Allgemeinen werden zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken aus Stahl und Gusseisen geeignete Schneidwerkzeuge verwendet, die mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen sind. Solche beschichteten Schneidwerkzeuge bestehen üblicherweise aus einem Grundkörper und einer auf den Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine oder mehrere Lagen von Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid umfassen kann.
Derartige Beschichtungen machen den Schneideinsatz des Schneidwerkzeugs härter und damit verschleißfester, wodurch die Schneideigenschaften des Schneidwerkzeugs verbessert werden. Die Beschichtungen werden in der Regel sowohl mit CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) als auch mit PVD-Verfahren (physical vapor deposition) aufgebracht.
Üblicherweise werden PVD-Verfahren wie das Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) und das Kathodenzerstäuben (engl. Sputtern) verwendet. Beim Sputtern werden in einer abgeschlossenen Kammer ein Substrat und ein Target (Kathode) gegenüberliegend angeordnet. Durch eine Gasentladung wird ein Plasma als lonenquelle innerhalb der Kammer erzeugt. Die Ionen aus dem Plasma bombardieren das Target (Kathode) und schlagen Atome aus diesem heraus, die sich auf dem gegenüberliegend angeordneten Substrat abscheiden und eine Schicht auf diesem bilden.
Derartige PVD-Verfahren werden auch zur Abscheidung von Titannitrid und Titanaluminiumnitrid eingesetzt, wobei sowohl Gleichspannung als auch gepulste elektrische Spannung an den Kathoden zum Einsatz kommt, um eine Vergiftung der Metalltargets durch die elektrisch nichtleitenden Kathoden zu verringern. Die spannungsgepulste Versorgung der Kathoden wird in der Regel mit zwei Magnetronzerstäubungsquellen gewährleistet, die so mit einem Sinusgenerator verbunden werden, dass die beiden Magnetronzerstäubungsquellen mit einer bestimmten Pulsfrequenz im Wechsel als Anode und Kathode der Sputteranordnung wirken.
Bei der Herstellung von Beschichtungen von Körpern für Schneidwerkzeuge ist man zunehmend bedacht, härtere Beschichtungen herzustellen. Aus diesem Grund werden Beschichtungen durch dünne Schichten aus Aluminiumtitannitrid (AlTiN) und/oder Titancarbid (TiC) verstärkt.
Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Schichten stellt das Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (engl. high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS) dar. Im Vergleich zu der vorher beschriebenen Kathodenzerstäubung verwendet HiPIMS sehr hohe Kathodenleistungsdichten mit sehr kurzen elektrischen Pulsen, wodurch ein hoher Ionisationsgrad des Targetmaterials bei einer gleichzeitig hohen Gasionisierung erzeugt werden kann.
Aus der US 2021 / 0 395 875 A1 und der WO 2019/048507 A1 sind HiPIMS-Verfahren bekannt für die Abscheidung von aluminiumreichen Al_xTi_1-xN-haltigen Beschichtungen mit einem Aluminiumanteil > 75 at.-%. Es ist offenbart, dass während des HiPIMS-Verfahrens eine konstante negative Spannung an dem Substrat angelegt wird.
Die WO 2019 / 025 629 A1 offenbart einen Bohrkopf bestehend aus einem Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten verschleißfesten Beschichtung, die aus einer (AlCr)N-haltigen Lage besteht. Auf dieser Lage kann eine zweite Lage bestehend aus einem Metallcarbid angeordnet sein, insbesondere aus einem Titancarbid. Die zweite Lage wird mittels eines HiPIMS-Verfahrens hergestellt, wobei für das HiPIMS-Verfahren ein Titantarget oder ein Titancarbid-Target verwendet wird.
Ferner ist aus der US 2014 / 0 248 100 A1 eine Beschichtung für ein Schneidwerkzeug bekannt, wobei die Beschichtung mindestens eine Schicht umfasst, die mittels eines HiPIMS-Verfahrens hergestellt wurde. Die Schicht besteht insbesondere aus mindestens einer Nitrid- und/oder Carbidlage, die vorzugsweise ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Titan, Aluminium und Wolfram.
Zudem ist aus dem wissenschaftlichen Artikel von Katalin Balazsi (Vacuum 164 (2019) 121-125) ein Magnetron-Sputterverfahren zur Abscheidung von dünnen Nanokompositschichten bestehend aus TiC/a:C bekannt. Das offenbarte Verfahren beinhaltet die Bereitstellung von zwei voneinander getrennten Titan- und Graphittargets. Die Abscheidung der Schichten erfolgte bei einer Temperatur von 25 bis 800 °C sowie unter einer Argonatmosphäre (2,5 × 10^-3 mbar). Das Graphittarget wurde mit einer konstanten Energie von 150 W versorgt. Durch das beschriebene Verfahren wurden TiC/a:C-Beschichtungen mit unterschiedlichem Titananteil hergestellt. Schichten mit einem Titananteil von 30 at.-% (40 W des Titantargets) zeigten eine Härte von 26 GPa sowie ein E-Modul von 140 GPa.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von TiC/a:C-Beschichtungen mittels eines gepulsten Magnetron-Sputterverfahrens beschreiben J. Lin et al., in einem anderen wissenschaftlichen Artikel (Thin Solid Films 517 (2008) 1131-1135). Die Autoren offenbaren in dem Artikel ein Verfahren zur Herstellung von TiC/a:C-Beschichtungen, wobei die Abscheidung der Beschichtungen durch räumlich voneinander getrennte Titan- und Graphittargets erfolgt. Die Targetleistung wurde dabei zwischen 200 und 1400 W variiert, während das Substrat unter einer konstanten negativen Spannung von -50 V bei einer Abscheidungstemperatur von 250°C gehalten wurde. Während der Abscheidung wurde das Titantarget in einem gepulsten Modus mit einer Frequenz von 100 kHz betrieben, während das Graphittarget mit Gleichstrom betrieben wurde. Hierdurch konnten Beschichtungen mit einer Härte von 24 - 29 GPa und einem Reibungskoeffizienten von 0,24 - 0,25 sowie einer Verschleißrate von 2,5 × 10^-7 mm³ N^-1 m^-1 hergestellt werden. Der Kohlenstoffanteil der Beschichtungen lag in einem Bereich von 55 - 66 at.-%.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem weitere Beschichtungen für Schneidwerkzeuge mit verbesserten Leistungen hinsichtlich der Zerspanung von Metallen und Metalllegierungen hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines beschichteten Körpers sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers mit einem Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten Beschichtung bereitgestellt, die wenigstens eine auf dem Substrat aufgebrachte Grundschicht und wenigstens eine über der Grundschicht angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht umfasst,
wobei die Grundschicht aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet ist und wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon,
wobei die Metallcarbid-haltige Schicht wenigstens ein Carbid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram sowie Kombinationen davon umfasst, und
wobei die Metallcarbid-haltige Schicht einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Aufbringen der Grundschicht auf das Substrat, wobei während des Aufbringens der Grundschicht eine gepulste Spannung in einem Bereich von -50 bis -200 V an das Substrat angelegt wird; und
- Aufbringen der Metallcarbid-haltigen Schicht über der Grundschicht mittels Magnetronsputtern, wobei das Substrat während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht unter einer konstanten Spannung in einem Bereich von -50 bis -200 V gehalten wird, und wobei die Metallcarbid-haltige Schicht unter Verwendung eines Graphit-Targets und eines von dem Graphit-Target getrenntem Metall-Target aufgebracht wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit dem oben dargestellten Verfahren Beschichtungen aus Metallcarbid-haltigen Schichten hergestellt werden können, die eine höhere Härte aufweisen als vergleichbare Beschichtungen aus dem Stand der Technik sowie darüber hinaus eine geringeren Reibwert. Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, dass sich solche harten Beschichtungen nur dann ausbilden, wenn während des Aufbringens der Grundschicht eine gepulste Spannung in einem Bereich von -50 bis -200 V an das Substrat angelegt wird und während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht eine konstante Spannung in einem Bereich von -50 bis 200 V an das Substrat angelegt wird. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik bei denen eine konstante negative Spannung am Substrat angelegt wird, wird nun während des Aufbringens der Grundschicht eine gepulste Spannung am Substrat verwendet. Somit kann eine Grundschicht hergestellt werden, die besonders geringe mechanische Spannungen aufweist, da der Beschuss während des Schichtwachstums im gepulsten Modus (d.h. unterbrochen und nicht konstant) erfolgt. In Kombination mit einer Metallcarbid-haltigen Schicht, die mit einer konstanten Spannung aufgebracht wurde, können Beschichtungen erhalten werden, die eine höhere Härte sowie eine höhere Verschleißbeständigkeit aufweisen als bekannte Beschichtungen aus dem Stand der Technik.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen beschichteten Körpers geeignete Substrate sind bekannt. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Hartmetall, Cermet, kubischem Bornitrid, Stahl oder Schnellarbeitsstahl hergestellt sein.
Während des Abscheidens der Beschichtung wird die Temperatur des Substrats bevorzugt in einem Bereich von 500 bis 600°C gehalten, weiter bevorzugt zwischen 450 und 550°C. Dies ermöglich die Bildung einer besonders homogenen Schicht sowie eine bessere Haftung auf dem Substrat.
Vorteilhafterweise wird während des Aufbringens der Beschichtung ein Argonpartialdruck in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 Pa verwendet, bevorzugt 0,3 bis 0,5 Pa. Argon stellt ein aus dem Stand der Technik bekanntes übliches Gas für Sputterverfahren dar, womit durch die Verwendung von Argon auf bekannte Prozessspezifikationen zurückgegriffen werden kann.
Vorteilhafterweise wird an das Substrat während des Aufbringens der Grundschicht eine gepulste Spannung in einem Bereich von -50 bis -150 V angelegt, bevorzugt -90 bis -120 V. Durch das Anlegen einer negativen Spannung kann vorteilhafterweise eine Verdichtung der Beschichtung während des Auftragens erzielt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt wird während des Aufbringens der Grundschicht an das Substrat eine gepulste Spannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 bis 6 kHz angelegt, vorzugsweise 3 bis 5 kHz. Die verwendeten Pulse können eine Pulslänge in einem Bereich von 30 bis 100 µs aufweisen, vorzugsweise 50 bis 80 µs.
Gemäß einem Aspekt wird das Substrat während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht unter einer konstanten Spannung in einem Bereich von -80 bis -200 V gehalten, besonders bevorzugt -100 bis -150 V.
Ein anderer Aspekt sieht vor, dass es sich bei dem Metall-Target ein Titan-Target handelt. Dementsprechend ist die Metallcarbid-haltige Schicht eine Titancarbid-haltige Schicht.
Vorteilhafterweise erfolgt das Aufbringen der Titancarbid-haltigen Schicht in einem gepulsten Modus, wobei der Modus das Graphittarget und das Titantarget jeweils mit elektrischen Pulsen ansteuert, die eine Frequenz in einem Bereich von 0,1 - 5 kHz aufweisen, vorzugsweise 0,5 - 2 kHz.
Gemäß einem weiteren Aspekt erfolgt das Aufbringen der Titancarbid-haltigen Schicht in einem gepulsten Modus, wobei der elektrische Puls des gepulsten Modus' eine zeitliche Länge in einem Bereich von 20 bis 200 µs aufweist, vorzugsweise 40 bis 100 µs. Mit Pulslänge ist hier das Zeitintervall gemeint, in dem die Leistung freigesetzt wird (sog. „on-time“).
Vorteilhafterweise werden das Titantarget und das Graphittarget während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht jeweils mit einer mittleren Kathodenenergie in einem Bereich von 2 bis 8 kW betrieben, vorzugsweise 4 bis 6 kW.
Da die Targets in einem gepulsten Modus betrieben werden, erfolgt der Eintrag der Kathodenenergie nur während der Pulslänge, wodurch eine wesentlich höhere Energie freigesetzt wird. Eine unzureichende lonisation des Graphittargets stellt oftmals ein Problem bei der Abscheidung von Kohlenstoff aus einem Graphittarget dar. Aufgrund der vorbestimmten Taktung der Pulse kann aber ein höherer Energieeintrag auf das Target erfolgen, sodass eine höhere lonisationsrate des abzuscheidenden Materials erreicht wird, ohne dass das Target zur Überhitzung neigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetronsputter-Verfahren ein Hochleistungsimpulsmagnetronsputter-Verfahren (HiPIMS). Ein solches Verfahren bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung von Pulsen in kurzer Zeit ein hoher Energieeintrag auf die Targets erfolgen kann. Somit kann ein hoher Ionisationsgrad des Targetmaterials, insbesondere des Graphittargets, erreicht werden. Da die Pulse nur in einer kurzen Zeitdauer auf das Targetmaterial wirken, bei einer gleichzeitig hohen Pulsfrequenz, ergibt sich insgesamt eine niedrige durchschnittliche Kathodenleistung. Auf diese Weise kann ein Abkühlen der Targets während des Prozesses gewährleistet werden, wodurch die Stabilität des Verfahrens insgesamt erhöht wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein beschichteter Körper mit einem Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten Beschichtung, die wenigstens eine auf dem Substrat aufgebrachte Grundschicht und wenigstens eine über der Grundschicht angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht umfasst. Die Grundschicht ist also zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht und dem Substrat angeordnet, womit die Metallcarbid-haltige Schicht auch als Deckschicht bezeichnet werden kann. Die Grundschicht ist aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon. Die Metallcarbid-haltige Schicht umfasst wenigstens ein Carbid von einem Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram sowie Kombinationen davon. Die Metallcarbid-haltige Schicht weist einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% auf. Der Körper ist durch das oben beschriebene Verfahren erhältlich.
Vorteilhafterweise wird die Grundschicht so durch das Magnetronsputter-Verfahren auf das Substrat aufgetragen, dass die Grundschicht während ihrer Herstellung besonders geringe mechanische Spannungen erfährt. Somit weist die Grundschicht auch nach der Herstellung besonders geringe mechanische Spannungen auf. Dies wird insbesondere durch den Verfahrensschritt erreicht, in dem eine gepulste Spannung an das Substrat angelegt wird, während die Grundschicht auf dem Substrat abgeschieden wird.
Die erfindungsgemäß aufgetragene Grundschicht bewirkt eine besonders gute Verbindung der Metallcarbid-haltigen Schicht mit dem Substrat. Zudem resultiert ein synergistischer Effekt aus der spannungsarmen Grundschicht und der harten und gleichzeitig reibungsarmen Metallcarbid-haltigen Schicht, wodurch insgesamt eine reibungsarme und zugleich verschleißfeste Beschichtung gebildet wird.
Bevorzugt weist die Metallcarbid-haltige Schicht einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% auf, besonders bevorzugt von 45 - 55 Atom-%. Eine solche Schicht ist besonders verschleißfest. Darüber hinaus wird ein geringer Reibkoeffizient durch das Vorhandensein von ungebundenem Kohlenstoff ermöglicht. Ungebundener Kohlenstoff lagert sich vorzugsweise während der Abscheidung als weiches Graphit ab und ermöglicht somit die gewünschte Reibminderung. Bei dem in der Schicht vorhandenen Metallcarbid handelt es sich überwiegend um kristallines Metallcarbid. Die Metallcarbid-Kristallite können in eine Kohlenstoff-Matrix eingebettet sein. Die Kohlenstoff-Matrix kann amorphen oder graphitischen Kohlenstoff umfassen. Auch eine Mischung von amorphem und graphitischem Kohlenstoff ist denkbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht und der Grundschicht eine Zwischenschicht vorgesehen, wobei die Zwischenschicht aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet ist, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon.
Bevorzugt ist die Zwischenschicht gebildet aus einem Aluminiumtitancarbonitrid.
Eine derartige Zwischenschicht weist sowohl einen Nitridanteil auf, der mit der Grundschicht kompatibel ist, als auch einen Titancarbidanteil, der mit der Metallcarbid-haltigen Schicht kompatibel ist. Auf diese Weise können beide Schichten besonders gut miteinander verbunden werden. Durch das Einfügen einer Zwischenschicht kann ferner die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung weiter verbessert werden. Zudem kann durch die Zwischenschicht eine besonders gute Haftung zwischen der Grundschicht und der Metallcarbid-haltigen Schicht erreicht werden.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst die Zwischenschicht wenigstens eine Wechselschicht aus einer Carbonitridlage und einer über der Carbonitridlage angeordneten Nitridlage, wobei die Carbonitridlage aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon, gebildet ist, und wobei die Nitridlage aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon, gebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Carbonitridlage aus Aluminiumtitancarbonitrid und/oder die Nitridlage aus Aluminiumtitannitrid gebildet.
Prinzipiell ist die Anzahl der Wiederholungen der Wechselschichten beliebig und nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zwischenschicht 1 bis 10 Wiederholungen der mindestens einen Wechselschicht aus Carbonitrid- und Nitridlage auf, bevorzugt 3 bis 5 Wiederholungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht und der Grundschicht eine Zwischenschicht vorgesehen, wobei die Zwischenschicht aus einem Carbonitrid eines Metalls gebildet ist, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon.
Bevorzugt ist die Zwischenschicht gemäß diesem Aspekt aus einem Titancarbonitrid gebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Zwischenschicht wenigstens eine Wechselschicht aus einer Carbonitridlage und einer über der Carbonitridlage angeordneten Nitridlage, wobei die Carbonitridlage aus einem Carbonitrid eines Metalls gebildet ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon, und wobei die Nitridlage aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon, gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Carbonitridlage aus Titancarbonitrid und/oder die Nitridlage aus Aluminiumtitannitrid gebildet.
Prinzipiell ist die Anzahl der Wiederholungen der Wechselschichten beliebig und nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zwischenschicht 1 bis 10 Wiederholungen der mindestens eine Wechselschicht aus Carbonitrid- und Nitridlage auf, bevorzugt 3 bis 5 Wiederholungen.
Durch das Einfügen einer Wechselschicht aus abwechselnden Carbonitrid- und Nitridlagen kann eine besonders harte Beschichtung erzeugt werden, die auch bei hohen Temperaturen beständig ist. Im Vergleich zu Schichten ohne Wechselschicht kann so die Härte der Beschichtung insgesamt weiter verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Metallcarbid-haltigen Schicht um eine Titancarbid-haltige Schicht. Die Metallcarbid-haltige Schicht umfasst also Titancarbid und ungebundenen Kohlenstoff.
Bevorzugt umfasst die Metallcarbid-haltige Schicht kristallines Titancarbid, genauer gesagt kubisches Titancarbid, bei dem der (200) Reflex mittels Röntgenstrukturanalyse nachgewiesen werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Titancarbid-haltige Schicht eine plastische Härte in einem Bereich von 25 bis 50 GPa auf, bevorzugt von 30 bis 50 GPa, besonders bevorzugt von 35 bis 45 GPa. Die plastische Härte wird durch das folgende Verfahren gemessen: instrumentierte Härte bzw. Eindringprüfung nach DIN ISO 14577-1.
Gemäß einem anderen Aspekt weist die Titancarbid-haltige Schicht ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 200 bis 500 GPa auf, bevorzugt von 300 bis 500 GPa, besonders bevorzugt von 350 bis 450 GPa. Der Elastizitätsmodul wird ebenso nach DIN ISO 14577-1 bestimmt.
Ein anderer Aspekt sieht vor, dass das Substrat ein Schneideinsatz oder ein Werkzeughalter ist.
Der Werkzeughalter kann einen Aufnahmeraum mit mindestens einer Fläche aufweisen, die beim Einspannen eines Werkzeugs in den Werkzeughalter mit dem Werkzeug im direkten Kontakt steht, wobei die mindestens eine Fläche mit der Beschichtung versehen ist, wie sie oben beschrieben wurde.
Grundsätzlich kann jede Fläche des Werkzeughalters beschichtet werden, die beim Einspannen eines Werkzeugs mit diesem in direkten Kontakt kommt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die mindestens eine Fläche eine Klemmfläche, Basisfläche, Drehmomentübertragungsfläche oder Anlagefläche.
Die Beschichtung eines Werkzeughalters mit der oben beschriebenen Beschichtung macht diesen insgesamt verschleißfähiger. Insbesondere aufgrund des Trends, Werkzeuge mit immer verschleißfesteren, also härteren Beschichtungen zu versehen, ist es vorteilhaft, den Werkzeughalter ebenfalls mit einer harten und verschleißfesten Beschichtung zu beschichten, um diesen gegenüber dem Werkzeug widerstandsfähiger auszulegen. Somit kann der Verschleiß, den der Werkzeughalter durch den direkten Kontakt mit dem Werkzeug erfährt, deutlich reduziert werden.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert, die jedoch nicht in einem einschränken Sinn auszulegen sind.
Herstellungsbeispiele
Beispiel 1
In einer HiPIMS-Beschichtungsanlage des Typs CC800 der Firma Cemecon AG wurde ein Substrat (nach Reinigung und Aufrauhung durch Mikrostrahlen mit Korundpulver) für ein Schneidwerkzeug aus Hartmetall (mit 6 Gewichts-% Kobaltbinder, 94 Gewichts-% WC) mit einer Grundschicht aus AlTiN, nachfolgend als Basisschicht bezeichnet, und einer Titancarbid-haltigen Schicht versehen. Die während des Verfahrens verwendeten Parameter zur Abscheidung der einzelnen Schichten können Tabelle 1 entnommen werden.
Zur Abscheidung der einzelnen Schichten wurde eine Kathode mit einer Zusammensetzung aus Titan (rein) und eine Kathode aus Graphit (rein) verwendet. Stickstoff wurde als Gas zugegeben (reaktive Prozessführung). Als Arbeits- bzw. Sputtergas wurde dem Stand der Technik entsprechend Argon zugeführt.
Für die so hergestellte Basisschicht wurde eine plastische Härte von 37,6 GPa gemessen. Die Titancarbid-haltige Schicht weist eine plastische Härte von 25,2 GPa auf.
Beispiel 2 (Referenz) - Variante 1a:
Die Substrate, Vorbehandlung und Beschichtungsanlage sind analog zum obigen Beispiel. Es wurde eine Grundschicht aus AlTiN konventionell im DC-Sputterverfahren abgeschieden. Die Metallcarbid-Schicht wurde analog zu der Metallcarbid-Schicht im erfindungsgemäßen Beispiel abgeschieden, mit dem Unterschied, dass während des Abscheidens die Kathode und das Substrat nicht gepulst wurden. Die während des Verfahrens verwendeten Parameter zur Abscheidung der einzelnen Schichten können ebenfalls der Tabelle 1 entnommen werden.
Für die Basisschicht wurde eine plastische Härte von 33,6 GPa gemessen. Die Titancarbid-haltige Schicht weist eine plastische Härte von 21,5 GPa auf.
Beispiel 3 (Referenz) - Variante 1c:
Die Substrate, Vorbehandlung und Beschichtungsanlage sind analog zum obigen Beispiel. Es wurde eine Grundschicht aus AlTiN konventionell im DC-Sputterverfahren abgeschieden. Die Metallcarbid-Schicht wurde analog zu der Metallcarbid-Schicht im erfindungsgemäßen Beispiel abgeschieden, mit dem Unterschied, dass während des Abscheidens die Kathode und das Substrat gepulst wurden. Die während des Verfahrens verwendeten Parameter zur Abscheidung der einzelnen Schichten können ebenfalls der Tabelle 1 entnommen werden.

Für die Basisschicht wurde eine plastische Härte von 33,6 GPa gemessen. Die Titancarbid-haltige Schicht weist eine plastische Härte von 16 GPa auf. Tabelle 1. Übersicht über Schichtvarianten und wichtige verwendete Prozessparameter.

Parameter	Variante - 1b	Variante - 1a	Variante - 1 c
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
Basisschicht	TiAIN	TiAIN	TiAIN
Lagendicke [µm]	3,6	3,6	3,3
Pulsfrequenz [Hz]	4000	DC	DC
Pulsdauer [µs]	50	--	-
Leistung [kW]	10	9	9
Substratspannung [V]	100 (gepulst)	100 (konstant)	100 (konstant)
plast. Härte [GPa]	37,6	33,6	33,6
Metallcarbid-Schicht	TiC	TiC	TiC
Lagendicke [µm]	1,3	1,2	1,5
Pulsfrequenz [Hz]	4000	DC	4000
Pulsdauer [µs]	50	--	50
Leistung [kW]	2/5 (gepulst)	2/5 (konstant)	2/5 (gepulst)
Substratspannung [V]	100 (konstant)	100 (konstant)	100 (gepulst)
plast. Härte [GPa]	25,2	21,5	16

Zerspanversuche 1 bis 3:
In Fräsversuchen an einem Werkstück aus Stahl der Sorte 1.4322 wurde ein Schneidwerkzeug mit einer Beschichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 mit einer Schneidplattengeometrie HNGJ0905ANSN-GD eingesetzt (Zerspanversuch 1).
Die gleichen Fräsversuche wurden mit Schneidwerkzeugen durchgeführt, die mit einer Beschichtung gemäß Beispiel 2 (Zerspanversuch 2) und Beispiel 3 (Zerspanversuch 3) versehen waren.
Ein Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min, einer Schnitttiefe ap von 0,6 mm bei einer Eingriffsbreite ae von 33,5 mm betrieben. Der Zahnvorschub fz betrug 0,3 mm/U. Die Fräsbearbeitung erfolgte trocken, ohne Kühlung.
Insgesamt wurde der Freiflächenverschleiß der jeweiligen beschichteten Schneidwerkzeuge nach 3, 6, 9 und 12 Durchgängen bestimmt, wobei ein Durchgang je 300 mm Fräslänge entspricht.
Mit den beschichteten Schneidwerkzeugen wurde der in Tabelle 2 dargestellte Freiflächenverschleiß ermittelt.

Nach dem zwölften Durchgang wurde eine Freiflächenverschleiß von 0,09 mm für die Beschichtung des erfindungsgemäßen Beispiels 1 ermittelt. Damit zeigt die erfindungsgemäße Beschichtung von Beispiel 1 im Vergleich zu Beispiel 3 einen um 33 % (0,12 mm) geringeren Freiflächenverschleiß und im Vergleich zu Beispiel 2 einen um 177 % (0,25 mm) geringeren Freiflächenverschleiß. Folglich weist die erfindungsgemäße Beschichtung einen deutlich verminderten Freiflächenverschleiß im Vergleich zu den Referenzbeispielen auf. Tabelle 2. Übersicht der Zerspanversuche 1 - 3

	Freiflächenverschleiß

Durchgänge	0	3	6	9	12
Zerspanversuch 1	0 mm	0,06 mm	0,06 mm	0,08 mm	0,09 mm
Zerspanversuch 2	0 mm	0,07 mm	0,09 mm	0,12 mm	0,25 mm
Zerspanversuch 3	0 mm	0,06 mm	0,08 mm	0,11 mm	0,12 mm

Zerspanversuche 4 bis 6:
In Fräsversuchen an einem Werkstück aus Stahl der Sorte 0.7060 wurde ein Schneidwerkzeug mit einer Beschichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 mit einer Schneidplattengeometrie HNGJ0905ANSN-GD eingesetzt (Zerspanversuch 4).
Die gleichen Fräsversuche wurden mit Schneidwerkzeugen durchgeführt, die mit einer Beschichtung gemäß Beispiel 2 (Zerspanversuch 5) und Beispiel 3 (Zerspanversuch 6) versehen waren.
Ein Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min, einer Schnitttiefe ap von 2 mm bei einer Eingriffsbreite ae von 33,5 mm betrieben. Der Zahnvorschub fz betrug 0,3 mm/U. Die Fräsbearbeitung erfolgte trocken, ohne Kühlung.
Insgesamt wurde der Freiflächenverschleiß der jeweiligen beschichteten Schneidwerkzeuge nach 0, 6, 12, 18, 24, 30 und 36 Durchgängen bestimmt, wobei ein Durchgang je 300 mm Fräslänge entspricht.
Mit den beschichteten Schneidwerkzeugen wurde der in Tabelle 3 dargestellte Freiflächenverschleiß ermittelt.

Nach dem 36ten Durchgang wurde eine Freiflächenverschleiß von 0,1 mm für die Beschichtung des erfindungsgemäßen Beispiels 1 ermittelt. Damit zeigt die erfindungsgemäße Beschichtung von Beispiel 1 im Vergleich zu Beispiel 3 einen um 280 % (0,38 mm) geringeren Freiflächenverschleiß und im Vergleich zu Beispiel 2 einen um 120 % (0,22 mm) geringeren Freiflächenverschleiß. Folglich weist die erfindungsgemäße Beschichtung einen deutlich verminderten Freiflächenverschleiß im Vergleich zu den Referenzbeispielen auf. Tabelle 3. Übersicht der Zerspanversuche 4 - 6

	Freiflächenverschleiß

Durchgänge	0	6	12	18	24	30	36
Zerspanversuch 4	0 mm	0,03 mm	0,03 mm	0,04 mm	0,04 mm	0,05 mm	0,1 mm
Zerspanversuch 5	0 mm	0,04 mm	0,04 mm	0,06 mm	0,07 mm	0,1 mm	0,22 mm
Zerspanversuch 6	0 mm	0,03 mm	0,04 mm	0,06 mm	0,08 mm	0,13 mm	0,38 mm

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines beschichteten Körpers mit einem Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten Beschichtung;
- 2 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines weiteren beschichteten Körpers mit einem Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten Beschichtung, wobei die Beschichtung eine Wechselschicht umfasst;

- 3 die plastische Härte und das Elastizitätsmodul aus verschiedenen Titan- und Kohlenstoffzusammensetzungen (variierend von Position 1 bis 10); und
- 4 eine schematische Darstellung eines Schneidwerkzeughalters.

1 zeigt den Aufbau eines beschichteten Körpers, hergestellt gemäß dem oben genannten Verfahren.
Bei dem beschichteten Körper 10 handelt es sich um einen Bestandteil eines Schneidwerkzeugs. Insbesondere kann es sich bei dem beschichteten Körper 10 um den Schneideinsatz eines Schneidwerkzeugs handeln, der für eine spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken vorgesehen ist.
Der beschichtete Körper 10 weist ein Substrat 12 auf.
Bei dem Substrat 12 handelt es sich typischerweise um einen Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hartmetall, Cermet, kubischem Bornitrid, Stahl, Schnellarbeitsstahl sowie Kombinationen davon.
Auf dem Substrat 12 ist eine Beschichtung 11 angeordnet.
Die Beschichtung 11 umfasst eine Metallcarbid-haltige Schicht 14, eine Zwischenschicht 18 und eine Grundschicht 16.
Die auf dem Substrat 12 angeordnete Beschichtung 11 weist dabei vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 10 µm auf, vorzugsweise von 2 bis 6 µm, besonders bevorzugt von 3 bis 5 µm.
Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten sowie deren Anordnung wird nachfolgend genauer erläutert.
Angrenzend an das Substrat 12 ist eine Grundschicht 16 angeordnet.
Die Grundschicht 16 besteht aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Grundschicht 16 um Aluminiumtitannitrid.
Die auf dem Substrat 12 angeordnete Grundschicht 16 weist dabei vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 8 µm auf, vorzugsweise von 1 bis 5 µm, besonders bevorzugt von 2 bis 4 µm.
Auf einer dem Substrat 12 abgewandten Seite der Grundschicht 16 ist eine Zwischenschicht 18 angeordnet.
Die Zwischenschicht 18 besteht insbesondere aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium und Zirkon sowie Kombinationen davon.
Besonders bevorzugt ist die Zwischenschicht 18 aus Aluminiumtitancarbonitrid gebildet.
Alternativ kann die Zwischenschicht 18 aus einem Carbonitrid von einem Metall gebildet sein, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon.
In dieser Variante ist die Zwischenschicht 18 aus Titancarbonitrid gebildet.
Die auf der Grundschicht 16 angeordnete Zwischenschicht 18 weist dabei vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 0.5 bis 6 µm auf, vorzugsweise von 1 bis 4 µm besonders bevorzugt von 2 bis 4 µm.
Auf einer der Grundschicht 16 abgewandten Seite der Zwischenschicht 18 ist die Metallcarbid-haltige Schicht 14 angeordnet. Die Zwischenschicht 18 ist somit zwischen der Grundschicht 16 und der Metallcarbid-haltigen Schicht 14 ausgebildet. Die Zwischenschicht 18 verbindet also die Grundschicht 16 mit der Metallcarbid-haltigen Schicht 14.
Die Metallcarbid-haltige Schicht 14 umfasst wenigstens ein Carbid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram sowie Kombinationen davon. Vorzugsweise handelt es sich um eine Titancarbid-haltige Schicht.
Ferner weist die Metallcarbid-haltige Schicht 14 einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% auf.
Die auf der Zwischenschicht 18 angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht 14 weist dabei vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 0.1 bis 3 µm auf, vorzugsweise von 1 bis 3 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 2 µm.
Bevorzugt ist die Metallcarbid-haltige Schicht 14 die äußerste Schicht der Beschichtung 11.
Die oben genannten Schichten wurden auf dem Substrat durch ein Magnetronsputterverfahren aufgetragen, insbesondere durch ein Hochleistungsimpulsmagnetronsputter-Verfahren (HiPIMS).
2 zeigt einen beschichteten Körpers 10 mit einem alternativen Aufbau der Beschichtung 11.
Im Unterschied zur 1 bildet in 2 die Zwischenschicht 18 eine Wechselschicht 20. Die Wechselschicht 20 ist zwischen der Grundschicht 16 und der Metallcarbid-haltigen Schicht 14 angeordnet.
Die Wechselschicht 20 umfasst mindestens eine Carbonitridlage 22, die über der Grundschicht 16 angeordnet ist, sowie eine über der Carbonitridlage 22 angeordnete Nitridlage 24. Die Nitridlage 24 ist somit zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht 14 und der Carbonitridlage 22 angeordnet.
Die Wechselschicht 20 weist vorzugsweise 1 bis 10 Wiederholungen bestehend aus der Carbonitridlage 22 oder Nitridlage 24 auf. Bevorzugt weist die Wechselschicht 3 bis 5 Wiederholungen auf.
Die Carbonitrid- und die Nitridlage 22, 24 der Wechselschicht 20 werden ebenfalls durch ein Magnetronsputterverfahren hergestellt, insbesondere durch ein Hochleistungsimpulsmagnetronsputterverfahren (HiPIMS).
Die Carbonitridlage 22 besteht aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon.
Besonders bevorzugt ist die Carbonitridlage 22 aus Aluminiumtitancarbonitrid gebildet.
Die Carbonitridlage 22 weist dabei vorzugsweise eine Dicke von 0,02 bis 1 µm auf, bevorzugt von 0,02 bis 0,5 µm, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,2 µm.
Alternativ kann die Carbonitridlage 22 aus einem Carbonitrid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon gebildet sein.
In dieser Variante ist die Carbonitridlage 22 bevorzugt aus einem Titancarbonitrid gebildet.
Die Nitridlage 24 wird gebildet aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Silicium, Zirkon sowie Kombinationen davon.
Besonders bevorzugt ist die Nitridlage 24 aus Aluminiumtitannitrid gebildet.
Die Nitridlage 24 weist dabei vorzugsweise eine Dicke von 0,02-1 µm auf, bevorzugt von 0,02 bis 0,5 µm, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,2 µm.
Die 3 zeigt ein Messdiagramm von 10 verschiedenen Titancarbid-haltigen Schichten, wobei die Schichten sich jeweils in ihrem Ti:C-Verhältnis voneinander unterscheiden.
Die hergestellten Beschichtungen umfassen jeweils ein Substrat und die Titancarbid-haltige Beschichtung.
Das Substrat bestand aus einem Hartmetall mit einem Binderanteil von 6 Gew.-%- Kobalt und 94 Gew.-% Wolframcarbid.
Das Messdiagramm zeigt die plastische Härte (Hpl) und den Elastizitätsmodul (E) als mechanische Kennwerte der jeweiligen Titancarbid-haltigen Beschichtungen, deren Zusammensetzung von Position 1 bis 10 variiert wurde (Position 1 war Kohlenstoff-reich, Position 10 war Titan-reich).
Die plastische Härte und der Elastizitätsmodul wurden wie weiter oben beschrieben ermittelt.
Wie aus dem Messdiagramm der 3 hervorgeht, weist die Beschichtung der Position Nr. 6 eine besonders hohe plastische Härte sowie einen besonders hohen Elastizitätsmodul auf. Die plastische Härte beträgt 31,5GPa und der Elastizitätsmodul beträgt 407 GPa. Zugleich stellt die Beschichtung Nr. 6 diejenige Beschichtung dar, welches die höchste gemessene plastische Härte und Elastizitätsmodul aufweist.
Die Beschichtung Nr. 6 weist einen Titananteil von 43,5 Atom-% und einen Kohlenstoffanteil von 56,5 Atom-% auf. Der Anteil von Titan und Kohlenstoff wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) gemessen, wobei nur diese beiden Elemente berücksichtigt wurden. Die Messung wurde in Aufsicht auf die Probenoberfläche durchgeführt mit 15 kV Anregung und 60 s Expositionszeit (Messgerät: Phenom XL).
4 zeigt einen Werkzeughalter 26 zum Aufnahmen eines Werkzeugs (hier nicht gezeigt).
Der Werkzeughalter 26 definiert einen Aufnahmeraum 28, der eingerichtet ist, ein Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer, aufzunehmen. Der Aufnahmeraum 28 weist eine Vielzahl von Flächen auf, die beim Einspannen eines Werkzeugs mit diesem in Kontakt kommen können.
Insbesondere weist der Aufnahmeraum 28 eine Basisfläche 30, eine Drehmomentübertragungsfläche 32, eine Anlagefläche 34 und eine Klemmfläche 36 auf. Diese Flächen können mit einer oben genannten Beschichtung 11 versehenen werden (hier nicht gezeigt).
Die Basisfläche 30 ist die Fläche, welche die Stirnseite des Werkzeughalters 26 bildet.
Die Drehmomentübertragungsfläche 32 ist die Fläche, die beim spanenden Betrieb das Werkzeug mit einem Drehmoment beaufschlagt.
Ist ein Werkzeug im Werkzeughalter eingespannt, wird dieses durch die Klemmfläche 36 in seiner Position fixiert.
Die Anlageflächen 34 bezeichnen alle sonstigen Flächen, die mit dem Werkzeug in Kontakt stehen, und sich nicht unter die obigen Flächen subsumieren lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20210395875 A1 [0008]
WO 2019048507 A1 [0008]
WO 2019025629 A1 [0009]
US 20140248100 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers (10), wobei der Körper ein Substrat (12) und eine auf dem Substrat (12) angeordnete Beschichtung (11) umfasst, die wenigstens eine auf dem Substrat (12) aufgebrachte Grundschicht (16) und wenigstens eine über der Grundschicht (16) angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht (14) umfasst, wobei die Grundschicht (16) aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet ist, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon, wobei die Metallcarbid-haltige Schicht (14) wenigstens ein Carbid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram sowie Kombinationen davon umfasst, wobei die Metallcarbid-haltige Schicht (14) einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% aufweist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Aufbringen der Grundschicht (16) auf das Substrat (12), wobei während des Aufbringens der Grundschicht (16) eine gepulste Spannung in einem Bereich von -50 bis -200 V an das Substrat angelegt wird; und - Aufbringen der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) über der Grundschicht (16) mittels Magnetronsputtern, wobei das Substrat (12) während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) unter einer konstanten Spannung in einem Bereich von -50 bis -200 V gehalten wird, und wobei die Metallcarbid-haltige Schicht (14) unter Verwendung eines Graphit-Targets und eines von dem Graphit-Target getrenntem Metall-Target aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) während des Aufbringens der Grundschicht (16) eine gepulste Spannung in einem Bereich von -50 bis -150 V gehalten wird, bevorzugt -90 bis -120 V.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Aufbringen der Grundschicht (16) an das Substrat (12) angelegte gepulste Spannung eine Frequenz in einem Bereich von 1 bis 6 kHz aufweist, vorzugweise 3 bis 5 kHz, und eine Pulslänge in einem Bereich von 30 bis 100 µs aufweist, vorzugsweise 50 bis 80.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) während des Aufbringens der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) unter einer konstanten Spannung in einem Bereich von -80 bis -200 V gehalten wird, besonders bevorzugt -100 bis -150 V.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Target ein Titan-Target ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Titancarbid-haltigen Schicht (14) in einem gepulsten Modus erfolgt, wobei der Modus das Graphit-Target und das Titan-Target jeweils mit elektrischen Pulsen ansteuert, die eine Frequenz in einem Bereich von 0,1 - 5 kHz aufweisen, vorzugsweise -0,5 - 2 kHz.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Titancarbid-haltigen Schicht (14) in einem gepulsten Modus erfolgt, wobei ein Puls des gepulsten Modus eine Pulslänge in einem Bereich von 20 - 200 µs aufweist, vorzugweise 40 - 100 µs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit- und das Titan-Target während des Aufbringens der Titancarbid-haltigen Schicht (14) jeweils mit einer Kathodenenergie in einem Bereich von 2 bis 8 kW betrieben werden, vorzugsweise 4 bis 6 kW.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetronsputterverfahren ein Hochleistungsimpulsmagnetronsputter-Verfahren (HiPIMS) ist.
Beschichteter Körper (10), mit einem Substrat (12) und einer auf dem Substrat (12) angeordneten Beschichtung (11), die wenigstens eine auf dem Substrat (12) aufgebrachte Grundschicht (16) und wenigstens eine über der Grundschicht (16) angeordnete Metallcarbid-haltige Schicht (14) umfasst, wobei die Grundschicht (16) aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet ist, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon, wobei die Metallcarbid-haltige Schicht (14) wenigstens ein Carbid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram sowie Kombinationen davon umfasst, und wobei die Metallcarbid-haltige Schicht (14) einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von 40 - 65 Atom-% aufweist, und wobei der Körper (10) erhältlich ist durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) und der Grundschicht (16) eine Zwischenschicht (18) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (18) aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall gebildet ist, wobei das weitere Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (18) aus AlTiCN gebildet ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (18) wenigstens eine Wechselschicht (20) aus einer Carbonitridlage (22) und einer über der Carbonitridlage (22) angeordneten Nitridlage (24) umfasst, wobei die Carbonitridlage (22) aus einem Carbonitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon gebildet ist, und wobei die Nitridlage (24) aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon gebildet ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonitridlage (22) aus AlTiCN und/oder die Nitridlage (24) aus AlTiN gebildet sind.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) und der Grundschicht (16) eine Zwischenschicht (18) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (18) aus einem Carbonitrid von einem Metall gebildet ist, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (18) aus TiCN gebildet ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (18) wenigstens eine Wechselschicht (20) aus einer Carbonitridlage (22) und einer über der Carbonitridlage (22) angeordneten Nitridlage (24) umfasst, wobei die Carbonitridlage (22) aus einem Carbonitrid von einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon gebildet ist, und wobei die Nitridlage (24) aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Si, Zr sowie Kombinationen davon gebildet ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonitridlage (22) aus TiCN und/oder die Nitridlage (24) aus AlTiN gebildet sind.
Beschichteter Körper (10) nach einem der Ansprüche 13 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (18) 1 bis 10 Wiederholungen der mindestens einen Wechselschicht (20) aus Carbonitridlage (22) und Nitridlage (24) aufweist, bevorzugt 3 bis 5 Wiederholungen.
Beschichteter Körper (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Metallcarbid-haltigen Schicht (14) um eine Titancarbid-haltige Schicht (14) handelt.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Titancarbid-haltige Schicht (14) eine plastische Härte in einem Bereich von 25 bis 50 GPa aufweist, bevorzugt von 30 bis 50 GPa, besonders bevorzugt von 35 bis 45 GPa.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Titancarbid-haltige Schicht (14) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 200 bis 500 GPa aufweist, bevorzugt von 300 bis 500 GPa, besonders bevorzugt von 350 bis 450 GPa.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) ein Schneideinsatz oder ein Werkzeughalter (26) ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) ein Werkzeughalter (26) ist, der einen Aufnahmeraum (28) mit mindestens einer Fläche aufweist, die beim Einspannen eines Werkzeugs in den Werkzeughalter (26) mit dem Werkzeug in direkten Kontakt steht, wobei die mindestens eine Fläche mit der Beschichtung (11) versehen ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fläche eine Basisfläche (30), eine Drehmomentübertragungsfläche (32), eine Anlagefläche (34) oder eine Klemmfläche (36) ist.