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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Mehrlagenhartstoffbeschichtung
und insbesondere auf eine Mehrlagenhartstoffbeschichtung, die neben einer
hervorragenden Verschleißfestigkeit und Haftfestigkeit
eine hohe Schlüpfrigkeit (Aufschweißwiderstand)
hat.
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STAND DER TECHNIK
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Es
ist ein mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehenes Werkzeug
vorgeschlagen worden, das sich aus (i) einem Werkzeugsubstrat, das
aus einem Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall besteht, und (ii)
einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung zusammensetzt, die auf einer
Oberfläche des Werkzeugsubstrats aufgebracht ist. Die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
enthält eine TiAlN-Schicht und eine Mischschicht aus TiAlN
+ CrN, die abwechselnd übereinander liegen. Als ein Beispiel
für das mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehene
Werkzeug offenbart das Patentdokument 1 ein Drehschnittwerkzeug
mit einer TiAlN-Schicht und einer Mischschicht, die abwechselnd übereinander
liegen, wobei die TiAlN-Schicht eine hohe Härte hat, während
die Mischschicht CrN enthält, dessen Härte verhältnismäßig
gering ist. Mit diesem Drehschnittwerkzeug wird dank des Vorhandenseins
der TiAlN-Schicht mit der hohen Härte eine hervorragende Verschleißfestigkeit
erzielt, während dank des Vorhandenseins der Mischschicht,
die CrN enthält, dessen Härte verhältnismäßig
gering ist, eine höhere Haftfestigkeit erzielt wird, so
dass eine Schartenbildung und ein Abblättern der Beschichtung
eingeschränkt wird, wodurch sich die Haltbarkeit des Werkzeugs
deutlich erhöht.
- Patentdokument 1: JP 2002-275618 A
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE
AUFGABE
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Aufgrund
des verhältnismäßig hohen Reibungskoeffizienten
der oben beschriebenen TiAlN-Schicht könnte es jedoch,
wenn das Schneidwerkzeug zum Schneiden eines Werkstücks
verwendet wird, das aus einem leicht verschweißbaren Werkstoff
wie Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, aufgrund des hohen
Reibungskoeffizienten der TiAlN-Schicht zu einer Verschweißung
zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück kommen.
Die Verschweißung verschlechtert das Schneidverhalten,
etwa die maschinelle Bearbeitungsgenauigkeit, und führt
in einer frühen Phase zu Verschleiß auf dem Schneidwerkzeug,
wodurch es unmöglich ist, die gewünschte Haltbarkeit
des Schneidwerkzeugs zu erreichen. So kommt es zum Beispiel bei
einem Schneidvorgang mit einem Drehschnittwerkzeug wie einem Kugelschaftfräser
oder einem Bohrer insbesondere in einem Abschnitt des Drehschnittwerkzeugs,
der tendenziell in Reibungskontakt mit dem Werkstück kommt,
etwa in einem Abschnitt um die Drehachse herum und in einem die
jeweilige Spanfläche bildenden Abschnitt, leicht zu einem
Verschweißen.
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Die
Erfindung erfolgte im Lichte des oben beschriebenen Stands der Technik.
Ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung,
die sich vornehmlich aus TiAlN zusammensetzt, den Widerstand gegenüber
einem Aufschweißen zu verbessern.
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MITTEL ZUR LÖSUNG
DER AUFGABE
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Um
die obige Aufgabe zu lösen, sieht die erste Erfindung eine
Mehrlagenhartstoffbeschichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass sie besteht aus (a) einer Unterlage, die auf einem vorbestimmten Körper
aufgebracht ist und eine TiAlN-Schicht und eine Mischschicht aus
TiAlN + CrN enthält, die abwechselnd übereinander
liegen; (b) einer Zwischenlage, die auf der Unterlage aufgebracht
ist und aus einer Mischschicht aus TiAlN + CrN besteht; und (c)
einer CrN-Lage, die auf der Zwischenlage aufgebracht ist und für
eine Oberfläche der Mehrlagenhartstoffbeschichtung sorgt.
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Bei
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung gemäß der ersten
Erfindung ist die zweite Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
die Unterlage eine Dicke von 2 μm bis 8 μm hat;
die Zwischenlage eine Dicke von 0,1 μm bis 5 μm
hat; die CrN-Lage eine Dicke von 0,1 μm bis 5 μm
hat; und die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung nicht
mehr als 10 μm beträgt.
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Die
dritte Erfindung sieht eine Mehrlagenhartstoffbeschichtung vor,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie besteht aus (a) einer Unterlage,
die auf einem vorbestimmten Körper aufgebracht ist und eine
TiAlN-Schicht und eine Mischschicht aus TiAlN + CrN enthält,
die abwechselnd übereinander liegen; und (b) einer CrN-Lage,
die auf der Unterlage aufgebracht ist und für eine Oberfläche
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung sorgt.
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Bei
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung gemäß der dritten
Erfindung ist die vierte Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
die Unterlage eine Dicke von 2 μm bis 8 μm hat;
die CrN-Lage eine Dicke von 0,1 μm bis 8 μm hat;
und die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung nicht mehr
als 10 μm beträgt.
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Bei
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung gemäß einer
der ersten bis vierten Erfindungen ist die fünfte Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die TiAlN-Schicht für jeweils
die unterste Schicht und die oberste Schicht der Unterlage sorgt.
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Bei
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung gemäß einer
der ersten bis fünften Erfindungen ist die sechste Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
auf einer Oberfläche eines Schneidwerkzeugs aufzubringen
ist.
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Die
siebte Erfindung sieht ein mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung
versehenes Werkzeug vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das
mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehene Werkzeug an einer
Oberfläche von ihm mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
gemäß einer der ersten bis fünften Erfindungen
bedeckt ist.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Bei
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung gemäß jeder
der ersten bis sechsten Erfindungen ist es dank des Vorhandenseins
der Unterlage, die die TiAlN-Schicht und die Mischschicht aus TiAlN
+ CrN enthält, die abwechselnd übereinander liegen,
möglich, eine hervorragende Verschleißfestigkeit
und Haftfestigkeit zu erzielen. Da außerdem die CrN-Lage
den obersten Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung bildet
und die Oberfläche der Mehrlagenhartstoffbeschichtung mit
einem geringen Reibungskoeffizienten versieht, ist es möglich,
die Schlüpfrigkeit und den Aufschweißwiderstand
zu verbessern. Da außerdem die Oxidationseinsetztemperatur
des CrN-Lage mit etwa 700°C hoch ist, bleiben die hervorragenden
Eigenschaften der Beschichtung auch in einer Hochtemperaturumgebung
stabil erhalten.
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Wenn
daher eine solche Mehrlagenhartstoffbeschichtung bei einem Drehschnittwerkzeug
wie einem Kugelschaftfräser Anwendung findet, ist es möglich,
in einem großen Einsatzbereich von zum Beispiel einem Fall,
bei dem ein Werkstück geschnitten wird, das aus einem eisenhaltigen
Werkstoff oder einem nichteisenhaltigen Werkstoff (zum Beispiel aus
einer Kupferlegierung) mit geringer Härte und leichter
Verschweißbarkeit besteht, bis zu einem Fall, bei dem ein
Werkstück geschnitten wird, das aus einem Werkstoff hoher
Härte wie einem wärmebehandelten Stahl mit einer
Härte von etwa 50 HRC besteht, eine hervorragende Schneideleistung
zu erzielen. Dank des Vorhandenseins des CrN-Lage ist es genauer
gesagt möglich, den Verschleiß auf der jeweiligen
Spanfläche einzuschränken und in einer späten
Phase des Schneidevorgangs eine Änderung des Spanwinkels
zur negativen Seite einzuschränken, so dass das Schneidevermögen
zufrieden stellend für lange Zeit aufrechterhalten wird,
was die Haltbarkeit des Werkzeugs verbessert und die Qualität
der fertigen Oberfläche des Werkstücks stabilisiert.
Ein Drehschnittwerkzeug wie ein Kugelschaftfräser hat einen
fernen Endabschnitt, der sich im Bereich seiner Drehachse befindet,
und das Werkstück ist aufgrund des geringen Schneidevermögens
des fernen Endabschnitts leicht mit dem fernen Endabschnitt verschweißbar.
Dank des Vorhandenseins der CrN-Lage kann das Aufschweißen
jedoch eingeschränkt werden, wodurch die Schneideleistung
und die Haltbarkeit zufrieden stellend aufrechterhalten werden können.
Da sich die hervorragenden Eigenschaften der Beschichtung auch stabil
in der Hochtemperaturumgebung erzielen lassen, ist das Schneidwerkzeug
außerdem dazu in der Lage, unter harten Schneidebedingungen
mit einer zum Beispiel durch Reibungshitze verursachten hohen Temperatur
mit hoher Effizienz einen Schneidevorgang auszuführen.
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Da
sich außerdem bei der ersten Erfindung die aus der (CrN
enthaltenden) TiAlN + CrN-Mischschicht bestehende Zwischenlage zwischen
der Unterlage und der CrN-Lage befindet, liegt die CrN-Lage mit
hoher Haftung auf der Zwischenlage, so dass eine Schartenbildung
und ein Abblättern der CrN-Lage noch besser eingeschränkt
werden können.
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Bei
der fünften Erfindung, bei der die TiAlN-Schicht für
jeweils die unterste Schicht und die oberste Schicht der Unterlage
sorgt, kann die Unterlage dank der für die unterste Schicht
sorgenden TiAlN-Schicht an dem vorbestimmten Körper (zum
Beispiel dem Werkzeugsubstrat) mit hervorragender Haftung anhaften,
während die Unterlage dank der für die oberste
Schicht sorgenden TiAlN-Schicht eine hervorragende Verschleißfestigkeit
haben kann. Da die CrN-Lage direkt oder über die Zwischenlage
auf der TiAlN-Schicht als der obersten Schicht aufgebracht ist,
wird die TiAlN-Schicht mit der hohen Härte nicht in direktem
Kontakt mit dem Werkstück gebracht. Allerdings dient die
TiAlN-Schicht dazu, eine Verformung der CrN-Lage einzuschränken,
so dass Verschleißfestigkeit der CrN-Lage verbessert wird.
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Mit
dem mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehenen Werkzeug der
siebten Erfindung ist es möglich, im Wesentlichen die gleiche
Wirkung wie bei der ersten bis fünften Erfindung zu erzielen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1:
Ein Satz Ansichten eines Schaftfräsers, der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt, wobei die Ansicht (a) eine Draufsicht senkrecht zur
Achse des Schaftfräsers ist, die Ansicht (b) eine vergrößerte
Unteransicht ist und die Ansicht (c) eine Querschnittansicht eines
geschichteten Teilbereichs eines Schneidezahnabschnitts ist, der
mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehen ist.
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2:
Eine Schnittansicht mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung als
einem weiteren Beispiel, das sich von der in der Ansicht (c) von 1 gezeigten
Mehrlagenhartstoffbeschichtung unterscheidet.
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3:
Eine schematische Ansicht, die als Beispiel eine Lichtbogenionenplattieranlage
zeigt, die dazu in der Lage ist, vorteilhaft die Mehrlagenhartstoffbeschichtungen
der 1 und 2 zu bilden.
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4:
Ein Satz Ansichten, der ein Messergebnis für Reibungskoeffizienten
von CrN und TiAlN im Vergleich zueinander zeigt, wobei die Messungen mit
einem Kugel-auf-Scheibe-Verfahren erfolgten.
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5:
Ein Satz Ansichten zur Erläuterung eines Messergebnisses
zur jeweiligen Flankenverschleißbreite auf beschichteten
Schneidwerkzeugen (einschließlich erfindungsgemäßen
Produkten und Vergleichsprodukten), die sich untereinander hinsichtlich
der Zusammensetzung der Beschichtung unterschieden, wobei die Messung
erfolgte, nachdem jedes beschichtete Schneidwerkzeug unter vorgegebenen
Schneidebedingungen zum Schneiden von C1100 (Kupfer) verwendet worden
war.
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6:
Ein Satz Ansichten zur Erläuterung eines Messergebnisses
zur jeweiligen Flankenverschleißbreite auf beschichteten
Schneidwerkzeugen (einschließlich erfindungs gemäßen
Produkten und Vergleichsprodukten), die sich untereinander hinsichtlich
der Zusammensetzung der Beschichtung unterschieden, wobei die Messung
erfolgte, nachdem jedes beschichtete Schneidwerkzeug unter vorgegebenen
Schneidebedingungen zum Schneiden von S50C (Kohlenstoffstahl für
den Maschinenbau) verwendet worden war.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
FÜR DIE ERFINDUNG
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Die
Erfindung lässt sich vorteilhafter Weise bei einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung
anwenden, die dazu vorgesehen ist, ein Substrat eines Schneidekanten
aufweisenden Drehschnittwerkzeugs (z. B. Schaftfräser,
Bohrer und Gewindeschneider) zu bedecken. Allerdings kann die Erfindung
auch bei anderen Bearbeitungswerkzeugen wie einem nicht schneidenden
Werkzeug (z. B. einem austauschbaren Einsatz, der für einen
Dreharbeitsgang an einem Werkzeughalter befestigt wird) oder einem
Kaltformwerkzeug Anwendung finden, das dafür vorgesehen
ist, ein Werkstück durch plastisches Verformen des Werkstücks
in eine gewünschte Form zu bringen. Darüber hinaus
kann sie auch bei einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung Anwendung
finden, die als eine Oberflächenschutzbeschichtung vorgesehen
ist, die einen anderen Körper oder ein anderes Bauteil
(zum Beispiel ein Elektronikbauteil) als das Bearbeitungswerkzeug
bedecken soll. Dabei ist zu beachten, dass das Substrat des Bearbeitungswerkzeugs,
das mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung beschichtet werden soll,
vorzugsweise aus Hartmetall oder einem Schnellarbeitstahl besteht.
Allerdings kann das Werkzeugsubstrat auch aus einem beliebigen anderen
Metallwerkstoff bestehen.
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Als
Verfahren zum Ausbilden der erfindungsgemäßen
Mehrlagenhartstoffbeschichtung wird vorteilhafter Weise ein Lichtbogenionenplattierverfahren eingesetzt.
Allerdings ist es auch möglich, andere Verfahren zur Abscheidung
aus der Dampfphase (PVD) wie ein Sputterverfahren oder ersatzweise
ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung (CVD) wie ein Plasma-CVD-Verfahren
oder ein thermisches CVD-Verfahren einzusetzen.
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Es
ist vorzuziehen, dass die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen
Mehrlagenhartstoffbeschichtung nicht mehr als 10 μm beträgt,
da die Beschichtung leicht vom Körper abblättern
würde, wenn die Gesamtdicke größer als
10 μm wäre. Wenn der Körper Schneidekanten
hat, würde eine Gesamtdicke von mehr als 10 μm
außerdem dazu führen, dass die Schneidekanten
abgerundet wären, was die Schneideleistung verschlechtern
würde. Es ist vorzuziehen, dass die Dicke der Unterlage
nicht weniger als 2 μm beträgt, da es nicht möglich
ist, eine zufrieden stellende Beschichtungsleistung und -festigkeit, etwa
eine ausreichende Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit
und Haftfestigkeit, zu erreichen, wenn die Dicke der Unterlage weniger
als 2 μm beträgt. Darüber hinaus ist
es angebracht, dass die Dicke der Unterlage nicht mehr als 8 μm
beträgt, damit die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
nicht mehr als 10 μm beträgt.
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Es
ist angebracht, dass die Dicke der in der Unterlage enthaltenen
TiAlN-Schicht von 160 nm bis 2000 nm reicht und dass die Dicke der
in der Unterlage enthaltenen TiAlN + CrN-Mischschicht von 10 nm
bis 1000 nm reicht, damit die Verschleißfestigkeit dank
der TiAlN-Schicht aufrechterhalten werden kann, während
die Schartenbildung und das Abblättern dank der TiAlN +
CrN-Mischschicht wirksam verhindert werden können. Wenn
die Unterlage eine Vielzahl von TiAlN-Schichten und eine Vielzahl
von TiAlN + CrN-Mischschichten enthält, können
die TiAlN-Schichten und auch die TiAlN + CrN-Mischschichten untereinander
jeweils die gleiche Dicke haben. Allerdings können die
TiAlN-Schichten und die TiAlN + CrN-Mischschichten auch jede andere
beliebige Gestaltung einnehmen, etwa eine Gestaltung, bei der die
Dicken der TiAlN-Schichten oder der TiAlN + CrN-Mischschichten untereinander
verschieden sind, so dass sich die Schichtdicke kontinuierlich ändert.
Es ist vorzuziehen, dass das Mischkristallverhältnis zwischen
Ti und Al in der in der Unterlage enthaltenen TiAlN-Schicht in einem
Bereich von etwa 2:8 (= Ti:Al) bis etwa 6:4 (= Ti:Al) liegt. Das
Mischkristallverhältnis zwischen Ti und Al im TiAlN der
in der Unterlage enthaltenen TiAlN + CrN-Mischschicht kann im Wesentlichen
das gleiche wie das Mischkristallverhältnis in der TiAlN-Schicht
sein, doch muss es nicht unbedingt das gleiche wie das Mischkristallverhältnis
in der TiAlN-Schicht sein.
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Es
ist vorzuziehen, dass die Gesamtzahl der übereinander liegenden
und die Unterlage bildenden TiAlN-Schichten und TiAlN + CrN-Mischschichten mindestens
drei beträgt, so dass die TiAlN-Schicht für die
unterste und oberste Schicht der Unterlage sorgt. Allerdings kann
auch die TiAlN + CrN-Misch schicht für die oberste Schicht
der Unterlage sorgen, zum Beispiel wenn die Dicke der TiAlN + CrN-Mischschicht
mit einigen zehn nm gering ist. In diesem Fall kann die für
die oberste Schicht sorgende TiAlN + CrN-Mischschicht als Zwischenlage
verwendet werden, auch wenn neben der für die oberste Schicht sorgenden
TiAlN + CrN-Mischschicht die aus einer weiteren TiAlN + CrN-Mischschicht
bestehende Zwischenlage vorgesehen ist. Die dritte Erfindung umfasst
nicht nur eine Gestaltung, bei der die TiAlN-Schicht für
die oberste Schicht der Unterlage sorgt, auf der direkt die CrN-Lage
aufgebracht ist, sondern auch eine Gestaltung, bei der die TiAlN
+ CrN-Mischschicht für die oberste Schicht der Unterlage
sorgt, auf der direkt die CrN-Lage aufgebracht ist.
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Es
ist angebracht, dass die Dicke der Zwischenlage nicht weniger als
0,1 μm beträgt, da keine ausreichende Haftung
zwischen den Lagen erzielt werden kann, wenn die Dicke der Zwischenlage
weniger als 0,1 μm beträgt. Es ist angebracht,
dass die Dicke der CrN-Lage, die den obersten Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
bildet, nicht weniger als 0,1 μm beträgt, da keine
ausreichende Schlüpfrigkeit erzielt werden kann, wenn die
Dicke der CrN-Lage weniger als 0,1 μm beträgt.
Es ist vorzuziehen, dass die Dicke der CrN-Lage nicht weniger als
0,5 μm beträgt. Damit die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
nicht mehr als 10 μm beträgt, ist es angebracht,
dass die Dicke der Zwischenlage und die Dicke der CrN-Lage jeweils
nicht mehr als 5 μm betragen, wenn die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
die Zwischenlage enthält, und dass die Dicke der CrN-Lage
nicht mehr als 8 μm beträgt, wenn die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
die Zwischenlage nicht enthält. Damit die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
die gewünschte Beschichtungsfestigkeit und -leistung zeigt,
ist es angebracht, dass die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung,
wenn die Mehrlagenhartstoffbeschichtung die Zwischenlage nicht enthält,
nicht weniger als 2,1 μm beträgt, während
die Dicke der Unterlage nicht weniger als 2 μm beträgt,
und dass die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung, wenn
die Mehrlagenhartstoffbeschichtung die Zwischenlage enthält,
nicht weniger als 2,2 μm beträgt. Es ist vorzuziehen,
dass die Gesamtdicke der Mehrlagenhartstoffbeschichtung nicht weniger
als 2,5 μm beträgt, wenn die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
die Zwischenlage enthält.
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Die
TiAlN – CrN-Mischschicht sorgt jeweils für die
Mischschicht der Unterlage und der Zwischenlage. Die Mischschichten
der Unterlage und der Zwischenlage können zwar durch exakt
die gleiche Zusammensetzung gebildet werde, doch können
sie auch hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften gezielt
unterschiedlich eingestellt werden, indem zum Beispiel die Schichtbildungsbedingungen wie
das Mischkristallverhältnis zwischen Ti und Al, das Mischverhältnis
zwischen TiAlN und CrN und der bei der Schichtbildung angelegte
Lichtbogenstrom und die Vorspannung geändert werden.
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Bei
der Erfindung ist die CrN-Lage dafür vorgesehen, den obersten
Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung zu bilden. Bei der
ersten Erfindung, bei der die CrN enthaltende Zwischenlage vorgesehen
ist, kann eine gewisse Verbesserung der Schlüpfrigkeit
jedoch auch dann erwartet werden, wenn die Zwischenlage so eingerichtet
ist, dass sie ohne die CrN-Lage den obersten Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
bildet.
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Die
TiAlN-Schicht, die TiAlN + CrN-Mischschicht (einschließlich
der Zwischenlage) und die CrN-Lage können jeweils neben
den unvermeidlichen Verunreinigungselementen Kohlenstoff oder ein anderes
Element enthalten, solange das darin enthaltene andere Element nicht
die gewünschte Wirkung bezüglich der Verschleißfestigkeit,
der Haftfestigkeit, der Haftung, der Wärmebeständigkeit
und dem Aufschweißwiderstand beeinträchtigt, die
Eigenschaften darstellen, die von der Mehrlagenhartstoffbeschichtung
verlangt werden, solange also die darin enthaltenen anderen Elemente
diese Eigenschaften nicht deutlich verschlechtern. So kann zum Beispiel
als CrN nicht nur reines Chromnitrid verwendet werden, sondern auch
CrCN, dass ein C (Kohlenstoff) enthaltendes Karbonitrid ist. Darüber
hinaus kann als TiAlN nicht nur reines TiAlN-Nitrid, sondern auch
TiAlCN verwendet werden, das ein C (Kohlenstoff) enthaltendes Karbonitrid
ist.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiele beschrieben.
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1 ist
ein Satz Ansichten, die einen Kugelschaftfräser 10 zeigen,
der ein Beispiel für ein mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung
versehenes Drehschnittwerkzeug ist, bei dem die Erfindung Anwendung
findet, wobei die Ansicht (a) eine Draufsicht senkrecht zur Achse
des Kugelschaftfräsers 10 ist und die Ansicht
(b) eine vergrößerte Unteransicht von einem fernen
Ende des Kugelschaftfräsers 10 (von der rechten
Seite des Kugelschaftfräsers 10 in der Ansicht
(a)) aus ist. Der Kugelschaftfräser 10 enthält ein
Werkzeugsubstrat 10 aus Hartmetall. Das Werkzeugsubstrat 12 hat
einen Schneidezahnabschnitt 14 und einen Schaftabschnitt,
die miteinander eine Einheit bilden. Der Schneidezahnabschnitt 14 ist
mit Schneidekanten in Form eines Paars Außenschneidekanten 16 und
eines Paars rundnasiger Endschneidekanten 18 versehen,
die bezüglich der Achse symmetrisch zueinander angeordnet
sind, so dass durch die Außenschneidekanten 16 und
die rundnasigen Endschneidekanten 18 ein Schneidevorgang ausgeführt
werden kann, während der Kugelschaftfräser 10
um seine Achse gedreht wird. Der Schneidezahnabschnitt 14 ist
an seiner Oberfläche mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 beschichtet,
die in den Ansichten (a), (b) von 1 durch
den Bereich mit den schrägen Linien dargestellt ist. Die
Ansicht (c) von 1 ist eine Querschnittsansicht
eines geschichteten Teilbereichs des Schneidezahnabschnitts 14,
der mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 beschichtet
ist. Der Kugelschaftfräser 10 entspricht einem
mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehenen Werkzeug, während
das Werkzeugsubstrat 12 einem vorbestimmten Körper entspricht, auf
dem die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 aufgebracht ist.
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Wie
aus der Ansicht (c) von 1 hervorgeht, wird die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 von
einer Unterlage 22, einer Zwischenlage 24 und einer
CrN-Lage 26, die eine Außenfläche und
einen obersten Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 bildet,
gebildet. Die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 hat eine
Gesamtdicke von 2,2 μm bis 10 μm. Die Unterlage 22 besteht
aus mindestens drei Schichten, die die TiAlN-Schichten 22a und
TiAlN + CrN-Mischschichten 22b enthalten und die abwechselnd übereinander
liegen. Die Unterlage 22 hat eine Dicke von 8 μm.
Jede TiAlN-Schicht 22a hat eine mittlere Dicke von 160
nm bis 2000 nm, während jede Mischschicht 22b eine
mittlere Dicke von 10 nm bis 1000 nm hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel
liegen TiAlN-Schichten 22a gleicher Dicke und Mischschichten 22b gleicher
Dicke abwechselnd übereinander. Jede Mischschicht 22b ist
eine Schicht, in der TiAlN und CrN mit einem vorgegebenen Verhältnis gemischt
sind. Das Mischkristallverhältnis zwischen Ti und Al im
TiAlN der TiAlN-Schichten 22a und der Mischschichten 22b liegt
in einem Bereich von 2:8 (= Ti:Al) bis 6:4 (= TI:Al). Bei diesem
Ausführungsbeispiel beträgt das Mischkristallverhältnis
zwischen Ti und Al 4:6 (= Ti:Al). Die TiAlN-Schichten 22a sorgen für
die oberste und unterste Schicht der Unterlage 22. Die
Gesamtanzahl der TiAlN-Schichten und Mischschichten 22a, 22b ist
eine ungerade Zahl, die nicht weniger als drei beträgt.
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TiAlN
hat eine Härte (Hv) von etwa 2300 bis 3000, während
CrN eine Härte (Hv) von 1800 bis 2300 hat. Jede der TiAlN
und CrN enthaltenden Mischschichten 22b hat eine Härte,
die geringer als die Härte jeder der nur TiAlN enthaltenden
TiAlN-Schichten 22a ist. In der Unterlage 22,
in der die TiAlN-Schichten 22a mit der hohen Härte
und die Mischschichten 22b mit der verhältnismäßig
geringen Härte abwechselnd übereinander liegen,
wird daher dank des Vorhandseins der TiAlN-Schichten 22a mit
der hohen Härte eine hervorragende Verschleißfestigkeit
erzielt, während dank des Vorhandseins der Mischschicht 22b mit
der geringen Härte eine höhere Haftfestigkeit
erzielt wird, was das Risiko einer Schartenbildung und eines Abblätterns
der Beschichtung 20 verringert. Wie oben beschrieben wurde,
reicht die mittlere Dicke jeder TiAlN-Schicht 22a von 160
nm bis 2000 nm, die mittlere Dicke jeder Mischschicht 22b von
10 nm bis 1000 nm und die Gesamtdicke der Unterlage 22 von
2 μm bis 8 μm, so dass dank der TiAlN-Schichten 22a die
Verschleißbeständigkeit bewahrt werden kann, während
dank der Mischschichten 22b die Schartenbildung und das
Abblättern wirksam verhindert werden können.
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Die
Zwischenlage 24 ist eine Mischschicht, in der TiAlN und
CrN miteinander gemischt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
hat die Zwischenlage 24 die gleiche Zusammensetzung wie
die Mischschichten 22b. Die Zwischenlage 24 ist
auf der Unterlage 22 aufgebracht, genauer gesagt hängt
sie mit der TiAlN-Schicht 22a als der obersten Schicht
der Unterlage 22 zusammen. Die Dicke der Zwischenlage 24 reicht
von 0,1 μm bis 5 μm. Die Zwischenlage 24 aus TiAlN
+ CrN wird also vor der CrN-Lage 26 auf der Unterlage 24,
d. h. auf der obersten TiAlN-Schicht 22a, aufgebracht,
wodurch die Haftung der CrN-Lage 26 bezüglich
der Unterlage 22 verbessert wird. Das Mischkristallverhältnis
zwischen Ti und Al im TiAlN der Zwischenlage 24 liegt in
einem Bereich von 2:8 (= Ti:Al) bis 6:4 (= Ti:Al). Bei diesem Ausführungsbeispiel
beträgt das Mischkristallverhältnis zwischen Ti und
Al 4:6 (= Ti:Al).
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Die
CrN-Lage 26 ist auf der Zwischenlage 24 aufgebracht
und hängt mit ihr zusammen und hat eine Dicke von 0,1 μm
bis 5 μm. Das die CrN-Lage 26 bildende CrN hat
einen geringeren Reibungskoeffizienten als TiAlN. Dank der CrN-Lage 26,
die dazu vorgesehen ist, die Außenfläche und den
obersten Abschnitt der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 zu
bilden, ist es daher möglich, die Schlüpfrigkeit
zwischen der Beschichtung 20 und einem Werkstück,
und zwar den Widerstand gegenüber einem Verschweißen zwischen
der Beschichtung 20 und dem Werkstück, zu verbessern.
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4 ist
ein Satz Ansichten, der das Messergebnis für Reibungskoeffizienten
von CrN und TiAlN zeigt, das durch ein Kugel-auf-Scheibe-Verfahren
erzielte wurde, das im Wesentlichen das gleiche wie das in JIS
R1613 definierte Prüfverfahren ist. In 4 zeigt
die Ansicht (a) die Versuchsbedingungen und die Ansicht (b) ein
Versuchsergebnis. Die Reibungskoeffizientenkurven der Ansicht (b)
stellen die Änderungen des jeweiligen Reibungskoeffizienten während
eines Anfangszeitraums da. Der Reibungskoeffizient von TiAlN läuft
innerhalb eines Bereiches von etwa 0,5 bis 0,7 zusammen, während
der Reibungskoeffizient von CrN bei etwa 0,3 zusammenläuft.
Darüber hinaus zeigt die Ansicht (c) von 4 die
Reibungskoeffizienten, die bei hoher Temperatur (400°C)
gemessen wurden. Der bei der hohen Temperatur gemessene Reibungskoeffizient
von TiAlN beträgt etwa 0,7, während der bei der
hohen Temperatur gemessene Reibungskoeffizient von CrN etwa 0,25
beträgt. Die bei der hohen Temperatur gemessenen Reibungskoeffizienten
sind also im Großen und Ganzen die gleichen wie die bei
Zimmertemperatur (25°C) gemessenen und in der Ansicht (b)
von 4 gezeigten Reibungskoeffizienten. Dabei ist zu beachten,
dass die in der Ansicht (c) von 4 gezeigten
Reibungskoeffizienten mit Ausnahme dessen, dass die Temperatur 400° betrug,
unter den gleichen Versuchsbedingungen gemessen wurden, wie sie
in der Ansicht (a) von 4 angegeben sind.
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Die
oben beschriebene Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 enthält
zwar die Zwischenlagen 24, doch kann sich die CrN-Lage 26 auch
wie in der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 28 von 2 direkt auf
der Unterlage 22 befinden, wobei die Zwischenlage 24 wegfällt.
In diesem Fall kann die Unterlage 22 im Großen
und Ganzen den gleichen Aufbau wie in der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 haben,
wobei die Dicke der CrN-Lage 26 aufgrund der fehlenden
Zwischenlage 24 erhöht werden kann. Die Dicke der
CrN-Lage 26 kann somit von 0,1 μm bis 0,8 μm reichen.
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Das
in den TiAlN-Schichten 22a und den Mischschichten 22b der
Unterlage 22 und der Zwischenlage 24 enthaltene
TiAlN ist reines TiAl-Nitrid, das keinen Kohlenstoff enthält.
Allerdings kann das reine TiAl-Nitrid auch durch TiAlCN ersetzt
werden, das ein Karbonitrid ist, das Kohlenstoff in einer Menge
enthält, die so bestimmt ist, dass sich die Härte, die
Haftung und die anderen Eigenschaften nicht verschlechtern. Das
in den Mischschichten 22b der Unterlage 22, der
Zwischenlage 24 und der CrN-Lage 26 enthaltene
CrN ist reines Chromnitrid, das keinen Kohlenstoff enthält.
Allerdings kann das reine Chromnitrid durch CrCN ersetzt werden,
das ein Karbonitrid ist, das Kohlenstoff in einer Menge enthält,
die so bestimmt ist, dass sich die Schlüpfrigkeit, die
Wärmebeständigkeit und die anderen Eigenschaften
nicht verschlechtern.
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Abgesehen
davon stellt 3 eine schematische Ansicht
(schematische Darstellung) dar, die eine Lichtbogenionenplattieranlage 30 zeigt,
die vorteilhafter Weise zum Ausbilden der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 oder 28 verwendet
werden kann. Die Lichtbogenionenplattieranlage 30 enthält: ein
Haltebauteil 32 zum Halten einer Vielzahl von Zwischenprodukten
in Form der Substrate 12, von denen noch keines mit der
Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 oder 28 beschichtet
ist, aber jedes bereits mit Schneidekanten 16, 18 ausgebildet
ist; eine Drehvorrichtung 34 zum Drehen des Haltebauteils 32 um
eine Drehachse, die im Wesentlichen in vertikaler Richtung verläuft;
eine Vorspannungsversorgungsquelle 36 zum Anlegen einer negativen
Vorspannung an die Substrate 12; einen Prozessbehälter
in Form einer Kammer 38, der die Substrate 12 aufnimmt; eine
erste und zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46;
eine Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 zum Zuführen eines
Reaktionsgases in die Kammer 38; und eine Vakuumvorrichtung
42 zum Absaugen eines Gases im Innern des Reaktors 22 mit
beispielsweise einer Vakuumpumpe, um so den Druck im Innern der
Kammer 38 zu reduzieren. Das Haltebauteil 32 besteht
aus einem zylinderförmigen oder prismenförmigen
Bauteil, dessen Mitte auf der oben beschriebenen Achse liegt. Die
Vielzahl von Substraten 12 wird durch das Haltebauteil 32 so
gehalten, dass jedes Substrat 12 eine im Wesentlichen horizontale
Lage einnimmt, wobei der Schneidezahnabschnitt 14 in Radialrichtung
des Haltebauteils 32 nach außen ragt. Die Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 ist
mit einem Tank ausgestattet, in dem Stickstoffgas (N2)
gespeichert ist, so dass unter Zufuhr des Stickstoffgases in die
Kammer 38 ein Nitrid aus TiAl und ein Nitrid aus Cr gebildet
werden können. Dabei ist zu beachten, dass, wenn ein Karbonitrid
aus TiAl und ein Karbonitrid aus Cr gebildet werden sollen, ein Tank
vorgesehen wird, der Kohlenwasserstoffgas (CH4,
C2H2, usw.) speichert,
damit sowohl das Kohlenwasserstoffgas als auch das Stickstoffgas
zugeführt werden können.
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Die
erste Bogenentladungsversorgungsquelle 44 ist mit einer
ersten Verdampfungsquelle (Target) 48 als Kathode, die
aus einer TiAl-Legierung gebildet ist, die das in den TiAlN-Schichten 22a und
den Mischschichten 22b enthaltene TiAlN bildet, und außerdem
mit einer Anode 50 verbunden. Die erste Bogenentladungsversorgungsquelle 44 dient
dazu, zwischen der ersten Verdampfungsquelle 48 und der
Anode 50 eine vorbestimmte Höhe an Lichtbogenstrom zuzuführen,
um dazwischen für eine Bogenentladung zu sorgen, damit
von der ersten Verdampfungsquelle 48 TiAl abgedampft wird.
Das abgedampfte TiAl wird zu Metallionen (positiven Ionen) und haftet
dann an den Werkzeugsubstraten 12 an, an die durch die
Vorspannungsversorgungsquelle 36 die negative Vorspannung
angelegt wird. Entsprechend ist die zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 46 mit
einer zweiten Verdampfungsquelle (Target) 52 als Kathode,
die aus Cr gebildet ist, das das in den Mischschichten 22b,
der Zwischenlage 24 und der CrN-Lage 26 enthaltene
CrN bildet, und außerdem mit einer Anode 54 verbunden.
Die zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 46 dient dazu,
zwischen der zweiten Verdampfungsquelle 52 und der Anode 54 eine vorbestimmte
Höhe an Lichtbogenstrom zuzuführen, um dazwischen
für eine Bogenentladung zu sorgen, damit von der zweiten
Verdampfungsquelle 52 Cr abgedampft wird. Das angedampfte
Cr wird zu Metallionen (positiven Ionen) und haftet dann an den
Werkzeugsubstraten 12 an, an die durch die Vorspannungsversorgungsquelle 39 die
negative Vorspannung anlegt wird.
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Wenn
unter Verwendung der Lichtbogenionenplattieranlage 30 auf
einer Oberfläche des Schneidezahnabschnitts 14 des
Werkzeugsubstrats 12 die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 oder 28 ausgebildet
werden soll, wird der Druck im Innern der Kammer 38 durch
die Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 und die Vakuumvorrichtung 42 auf
einem vorgegeben Wert gehalten (der zum Beispiel von 1,33 × 5 × 10–1 Pa bis 1,33 × 40 × 10–1 Pa reicht), während durch
die Vorspannungsversorgungsquelle 36 an das Werkzeugsubstrat 12 ein
vorgegebener Wert für die negative Vorspannung angelegt
wird (der zum Beispiel von –50 V bis –150 V reicht).
Dabei entleert die Vakuumvorrichtung 42 die Kammer 30 und
speist die Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 gleichzeitig das
Reaktionsgas auf eine solche Weise in die Kammer 30 ein,
dass der Druck im Innern der Kammer 30 bei dem oben beschriebenen
Wert gehalten wird. Während dann die Drehvorrichtung 34 aktiviert
wird, um das Haltebauteil 32 mit einer vorgegeben Drehzahl
(von zum Beispiel 3 min–1), zu
drehen, wird auf dem Werkzeugsubstrat 12 durch gezieltes
Einschalten (AN) und Abschalten (AUS) der ersten und zweiten Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46 die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 oder 28 gebildet.
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Und
zwar wird der Lichtbogenstrom, wenn die erste Bogenentladungsversorgungsquelle 44 eingeschaltet
ist, während die zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 46 ausgeschaltet
ist, zwischen der ersten Verdampfungsquelle 48 und der
Anode 50 zugeführt, so dass von der ersten Verdampfungsquelle 48 TiAl-Metallionen
abgegeben werden. Die abgegebenen TiAl-Metallionen reagieren mit
dem Stickstoffgas, so dass TiAlN gebildet wird und an der Oberfläche
des Werkstoffsubstrats 12 anhaftet, wodurch die TiAlN- Schicht 22a gebildet
werden kann. Der Wert des von der ersten Bogenentladungsversorgungsquelle 44 zugeführten
Lichtbogenstroms und die Einschaltzeit, während der die
erste Bogenentladungsversorgungsquelle 44 eingeschaltet
ist, werden basierend auf der gewünschten Dicke der TiAlN-Schicht 22a festgelegt.
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Wenn
nun die zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 46 eingeschaltet
ist, während die erste Bogenentladungsversorgungsquelle 44 ausgeschaltet
ist, wird der Lichtbogenstrom zwischen der zweiten Verdampfungsquelle 52 und
der Anode 54 zugeführt, so dass von der ersten
Verdampfungsquelle 48 Cr-Metallionen abgegeben werden.
Die abgegebenen Cr-Metallionen reagieren mit dem Stickstoffgas,
so dass CrN gebildet wird und an der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 anhaftet,
wodurch die CrN-Lage 26 gebildet werden kann. Der Wert
des von der zweiten Bogenentladungsversorgungsquelle 46 zugeführten
Lichtbogenstroms und die Einschaltdauer, während der die
zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 46 eingeschaltet
ist, werden basierend auf der gewünschten Dicke der Cr-Lage 26 festgelegt.
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Wenn
nun die erste und zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46 beide
eingeschaltet sind, wird der Lichtbogenstrom zwischen der ersten Verdampfungsquelle 48 und
der Anode 50 und zwischen der zweiten Verdampfungsquelle 52 und
der Anode 54 zugeführt. In diesem Fall werden
von der ersten Verdampfungsquelle 48 die TiAl-Metallionen abgegeben,
während von der zweiten Verdampfungsquelle 52 die
Cr-Metallionen abgegeben werden. Die abgegebenen TiAl-Metallionen
und Cr-Metallionen reagieren mit dem Stickstoffgas, so dass das
TiAlN und das CrN gebildet werden und an der Oberfläche
des Werkzeugsubstrats 12 anhaften. Da sich die erste Verdampfungsquelle 48 und
die zweite Verdampfdungsquelle 52 auf jeweils entgegengesetzten
Seiten des Haltebauteils 33 befinden, haften das TiAlN
und das CrN abwechselnd an der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 an,
wenn sich das Haltebauteil 32 dreht, so dass es möglich
ist, die Mischlage 22b und die Zwischenlage 24 zu
bilden, in denen das TiAlN und das CrN miteinander gemischt sind.
Die Einschaltdauern, während der die erste und zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46 eingeschaltet
sind, werden basierend auf den gewünschten Dicken der Mischschicht 22b und
der Zwischenlage 24 festgelegt. Die Werte der von der ersten
und zweiten Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46 zugeführten
Lichtbogenströme werden basierend auf den gewünschten
Dicken der Mischlage 22b und der Zwischenlage 24 und
dem Mischverhältnis zwischen TiAlN und CrN festgelegt.
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Indem
also die erste und zweite Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46 jeweils
zwischen ihren eingeschalteten und ausgeschalteten Zuständen (AN
und AUS) umgeschaltet werden, ist es möglich, kontinuierlich
die Unterlage 22 (mit den TiAlN-Schichten 22a und
den TiAlN + CrN-Mischschichten 22b, die abwechselnd übereinander
liegen), die aus der TiAlN + CrN-Mischschicht bestehende Zwischenlage 24 und
die CrN-Lage 26 auszubilden, so dass die Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28 auf
der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 aufgebracht
werden kann. Der Arbeitsablauf für das Ausbilden der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28,
etwa das jeweilige Umschalten der ersten und zweiten Bogenentladungsversorgungsquelle 44, 46, kann
automatisch durch eine Steuerungsvorrichtung erfolgen, die einen
Computer enthält.
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Dank
des Vorhandenseins der Unterlage 22 mit den TiAlN-Schichten 22a und
den TiAlN + CrN-Mischschichten 22b, die abwechselnd übereinander
liegen, ist es mit der erfindungs gemäßen Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28 möglich,
eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Haftfestigkeit zu
erzielen. Da die CrN-Lage 26 außerdem den obersten Abschnitt
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28 bildet
und dafür sorgt, dass die Oberfläche der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 22, 28 einen
geringen Reibungskoeffizienten hat, ist es möglich, die
Schlüpfrigkeit und den Aufschweißwiderstand zu
verbessern. Da außerdem die Oxidationseinsetztemperatur
der CrN-Lage 26 mit etwa 700°C hoch ist, werden
auch in einer Hochtemperaturumgebung stabil hervorragende Beschichtungseigenschaften
bewahrt. Mit dem mit der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28 beschichteten
Kugelschaftfräser 10 ist es daher möglich,
in einem breiten Einsatzbereich von zum Beispiel einem Fall, bei
dem ein Werkstück geschnitten wird, das aus einem eisenhaltigen
oder nichteisenhaltigen Werkstoff (z. B. Kupferlegierung) mit geringer
Härte besteht und leicht verschweißbar ist, bis
zu einem Fall, bei dem eine Werkstück geschnitten wird,
das aus einem Werkstoff hoher Härte wie wärmebehandeltem
Stahl mit einer Härte von etwa 50 HRC besteht, eine hervorragende
Schneideleistung und Haltbarkeit zu erzielen. Genauer gesagt ist
es aufgrund des Vorhandenseins der CrN-Lage 26 möglich,
den Verschleiß auf jeder Spanfläche einzuschränken
und in einer späten Phase des Schneidevorgangs eine Änderung des
Spanwinkels zur negativen Seite einzuschränken, so dass
das Schneidevermögen zufrieden stellend für eine
lange Zeit aufrechterhalten werden kann, wodurch die Haltbarkeit
des Werkzeugs verbessert und die Qualität der fertigen
Oberfläche des Werkstücks stabilisiert wird. Der
Kugelschaftfräser 10 hat einen fernen Endabschnitt,
der sich im Bereich seiner Drehachse befindet, wobei das Werkstück
aufgrund des geringen Schneidevermögens des fernen Endabschnitts
leicht mit dem fernen Endabschnitt verschweißbar ist. Dank
des Vorhandenseins der CrN-Lage 26 kann das Verschweißen
jedoch eingeschränkt werden, wodurch die Schneideleistung
und die Haltbarkeit zufrieden stellend bewahrt werden. Da sich die
hervorragenden Beschichtungseigenschaften außerdem auch
in der Hochtemperaturumgebung stabil erreichen lassen, ist das Schneidwerkzeug
dazu in der Lage, unter harten Schneidebedingungen wie unter einer
beispielsweise durch Reibungshitze verursachten hohen Temperatur
einen Schneidevorgang auszuführen. Bei diesen Ausführungsbeispielen,
in denen die TiAlN-Schicht 22a für die unterste
Schicht und die oberste Schicht der Unterlage 22 sorgt,
kann die Unterlage 22 dank der für die unterste
Schicht sorgenden TiAlN-Schicht 22a mit hervorragender
Haftung am Werkzeugsubstrat anhaften, während die Unterlage 22 dank
der für die oberste Schicht sorgenden TiAlN-Schicht 22a eine hervorragende
Verschleißfestigkeit haben kann. Da die CrN-Lage 26 direkt
oder über die Zwischenlage 24 auf der für
die oberste Schicht sorgenden TiAlN-Schicht 22a aufgebracht
ist, wird die TiAlN-Schicht 22a mit der hohen Härte
nicht in direktem Kontakt mit dem Werkstück gebracht. Allerdings dient
die TiAlN-Schicht dazu, die Verformung der CrN-Lage 26 einzuschränken,
so dass sich die Verschleißfestigkeit der CrN-Lage 26 verbessert.
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Da
sich bei der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20 von 1 zudem
zwischen der Unterlage 22 und der CrN-Lage 26 die
aus der (CrN enthaltenden) TiAlN + CrN-Mischschicht bestehende Zwischenlage 24 befindet,
liegt die CrN-Lage 26 bezüglich der Unterlage 22,
für deren oberste Schicht die TiAlN-Schicht 22a sorgt,
mit hoher Haftung auf, so dass Schartenbildung und Abblättern
der CrN-Lage 26 noch besser eingeschränkt werden.
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Da
bei der Mehrlagenhartstoffbeschichtung 20, 28 dieser
Ausführungsbeispiele die Gesamtdicke der Beschichtung 20, 28 zudem
nicht mehr als 10 μm beträgt, ist es möglich,
das Abblättern der Beschichtung 20, 28 von
dem Werkzeugsubstrat 12 einzuschränken, so dass
eine hervorragende Haftung zwischen der Beschichtung 20, 28 und
dem Werkzeugsubstrat 12 erzielt wird. Dank der Gesamtdicke
von nicht mehr als 10 μm kann außerdem verhindert
werden, dass die Außenschneidekanten 16 und die
rundnasigen Endschneidekanten 18 abgerundet werden, so
dass eine Verschlechterung der Schneideleistung verhindert wird.
Da gleichzeitig die Gesamtdicke der Beschichtung 20, 28 nicht
weniger als 2,2 μm beträgt, ist es möglich,
eine vorgegebene Beschichtungsfestigkeit und -leistung zu erzielen.
Dadurch, dass die Dicke der Unterlage 22 nicht weniger
als 2 μm beträgt, ist es möglich, die
von der Unterlage 22 geforderte Beschichtungsleistung und
-festigkeit, wie etwa eine ausreichende Verschleißfestigkeit,
Wärmebeständigkeit und Haftfestigkeit, zu erreichen.
Da die Dicke der Zwischenlage 24 und der CrN-Lage 26 zudem
jeweils nicht weniger als 0,1 μm beträgt, ist
es möglich, Beschichtungseigenschaften wie eine ausreichende
Haftung und Schlüpfrigkeit zu erreichen.
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5 ist
ein Satz Ansichten, der das Messergebnis der VB-Verschleißbreite
(Flankenverschleißbreite) auf jeweiligen Kugelschaftfräsern 10 zeigt,
die jeweils rundnasige Endschneidekanten 18 hatten, deren
Radius R 1,5 mm betrug, wobei die Messung erfolgte, nachdem jeder
Kugelschaftfräser 10 verwendet wurde, um unter
den in der Ansicht (a) von 5 angegebenen
Schneidebedingungen C1100 (JIS: Kupfer) über eine Strecke
von 400 mm zu schneiden. Die Kugelschaftfräser 10 hatten
jeweils verschiedene Beschichtungen, wie sie in der Ansicht (b)
von 5 angegeben sind. Wie in der Ansicht (b) von 5 gezeigt
ist, reichten die VB-Verschleißbreiten der erfindungsgemäßen
Produkte von 0,035 μm bis 0,049 μm, so dass ersichtlich
ist, dass die erfindungsgemäßen Produkte eine
Verschleißbeständigkeit hatten, die gegenüber
den Vergleichsprodukten verbessert ist, und auch gegenüber
einem leicht verschweißbaren Werkstück wie Kupfer
eine hervorragende Haltbarkeit hatten. So war die Haltbarkeit jedes
erfindungsgemäßen Produkts zum Beispiel mindestens
zweimal so hoch wie die Haltbarkeit des Vergleichsprodukts (herkömmliches
Produkt), dessen Beschichtung lediglich aus der Unterlage 22 mit
dem mehrschichtigen Aufbau bestand, da die VB-Verschleißbreite
bei diesem Vergleichsprodukt 0,093 μm betrug. Dabei ist
zu beachten, das die TiAlN-Schicht 22a sowohl bei den Vergleichsprodukten wie
auch bei den erfindungsgemäßen Produkten für die
oberste und unterste Schicht der Unterlage 22 mit dem mehrschichtigen
Aufbau sorgte (in dem die TiAlN-Schichten 22a und die TiAlN – CrN-Mischschichten 22b abwechselnd übereinander
liegen).
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6 ist
ein Satz Ansichten, der das Messergebnis der VB-Verschleißbreite
(Flankenverschleißbreite) auf jeweiligen Kugelschaftfräsern 10 zeigt,
die jeweils rundnasige Endschneidkanten 18 hatten, deren
Radius R 3 mm betrug, wobei die Messung erfolgte, nachdem jeder
Kugelschaftfräser 10 dazu verwendet wurde, unter
den in der Ansicht (a) von 6 angegebenen
Schneidebedingungen S50C (JIS: Kohlenstoffstahl für den
Maschinenbau) über eine Strecke von 56 mm zu schneiden.
Die Kugelschaftfräser 10 hatten jeweils verschiedene
Beschichtungen, wie sie in der Ansicht (b) von 6 angegeben
sind. Wie in der Ansicht (b) von 6 gezeigt
ist, reichten die VB-Verschleißbreiten bei den erfindungsgemäßen
Produkten von 0,063 μm bis 0,078 μm, so dass verständlich
ist, dass die erfindungsgemäßen Produkte eine
Verschleißfestigkeit hatten, die gegenüber den
Vergleichsprodukten verbessert war, und auch gegenüber
einem Werkstück aus einem Werkstoff hoher Härte
wie Kohlenstoffstahl eine hervorragende Haltbarkeit hatten. Die
Haltbarkeit jedes erfindungsgemäßen Produkts war
zum Beispiel um 10% gegenüber dem Vergleichsprodukt (herkömmliches
Produkt) mit der Beschichtung, die lediglich aus der Unterlage 22 mit
dem mehrschichtigen Aufbau bestand, verbessert, da die VB-Verschleißbreite
bei dem Vergleichsprodukt 0,091 μm betrug. Dabei ist zu
beachten, dass die TiAlN-Schicht 22a bei sowohl den Vergleichsprodukten
wie auch den erfindungsgemäßen Produkten für
die oberste und unterste Schicht der Unterlage 22 mit dem
mehrschichtigen Aufbau sorgte (in dem die TiAlN-Schichten 22a und
die TiAlN + CrN-Mischschichten 22b abwechselnd übereinander
liegen).
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Oben
wurden zwar die derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben, doch versteht sich, dass die Erfindung
nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt
ist, sondern mit verschiedenen anderen Änderungen, Abwandlungen
und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die dem Fachmann
in den Sinn kommen, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der
in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindungen abzuweichen.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Da
die erfindungsgemäße Mehrlagenhartstoffbeschichtung
ausreichend Verschleißfestigkeit und Aufschweißwiderstand
hat, ist es, wenn die Mehrlagenhartstoffbeschichtung auf der Oberfläche eines
Werkzeugsubstrats eines Drehschnittwerkzeugs oder dergleichen aufbracht
wird, möglich, in einem weiten Einsatzbereich von zum Beispiel
einem Fall, bei dem ein Werkstück geschnitten wird, das aus
einer Kupferlegierung oder einem anderen Werkstoff geringer Härte
und leichter Verschweißbarkeit besteht, bis zu einem Fall,
bei dem ein Werkstück geschnitten wird, das aus einem wärmebehandelten Stahl
oder einem anderen Werkstoff hoher Härte besteht, eine
hervorragende Schneideleistung und Haltbarkeit zu erzielen. Daher
wird die erfindungsgemäße Mehrlagenhartstoffbeschichtung
vorteilhafter Weise als eine Hartstoffbeschichtung verwendet, die auf
der Oberfläche eines Schneidwerkzeugs wie eines Kugelschaftfräsers
aufgebracht wird. Daneben kann sie auch als eine Beschichtung Anwendung
finden, die zum Beispiel als eine Oberflächenschutzbeschichtung
für einen anderen Körpers als die Bearbeitungswerkzeuge,
etwa für ein elektronisches Bauteil, sorgen soll.
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Zusammenfassung
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(geändert mit Eintritt in nationale
Phase)
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Eine
Mehrlagenhartstoffbeschichtung (20a) enthält:
(a) eine Unterlage (22), die auf einem Körper (12)
aufzubringen ist und die eine TiAlN-Schicht (22a) und eine
TiAlN + CrN-Mischschicht (22b) enthält, die abwechselnd übereinander
liegen; und (b) eine CrN-Lage (26), die auf der Unterlage
aufgebracht ist und die für eine Außenfläche
der Mehrlagenhartstoffbeschichtung sorgt. Die Mehrlagenhartstoffbeschichtung
kann außerdem (c) eine Zwischenlage (24) enthalten,
die sich zwischen der Unterlage und der CrN-Lage befindet. Außerdem
ist ein mit einer Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehenes Werkzeug
(10) offenbart, das als den Körper, der mit der
Mehrlagenhartstoffbeschichtung beschichtet ist, ein Werkzeugsubstrat
(12) enthält.
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- 10
- Kugelschaftfräser
(mit Mehrlagenhartstoffbeschichtung versehenes Werkzeug)
- 12
- Werkzeugsubstrat
(Körper)
- 20,
28
- Mehrlagenhartstoffbeschichtung
- 22
- Unterlage
- 22a
- TiAlN-Schicht
- 22b
- Mischschicht
- 24
- Zwischenlage
- 26
- CrN-Lage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-275618
A [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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