DE112007003659T5

DE112007003659T5 - Harte Verbundschicht, mit harter Verbundschicht beschichtetes Werkzeug und SChichtbildungsverfahren

Info

Publication number: DE112007003659T5
Application number: DE112007003659T
Authority: DE
Inventors: Takaomi Toihara; Mei Wang; Masatoshi Sakurai
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP5180221B2; WO2009037776A1; JPWO2009037776A1; DE112007003659B4

Abstract

Harte Verbundschicht mit hervorragender Verschleißbeständigkeit, in der eine Vielzahl von ersten Schichten und zweiten Schichten abwechselnd auf einer Oberfläche eines vorgegebenen Elements aufgeschichtet sind, wobei die Zusammensetzungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass:
die erste Schicht (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält [wobei für die Bereiche von x, y, a, b und c beim Atomverhältnis jeweils 0,3 ≤ x ≤ 0,8, 0 < y ≤ 0,10, 0 ≤ a ≤ 0,2, 0 ≤ b ≤ 0,3 und 0 ≤ c ≤ 0,1 gilt] und durch ein PVD-Verfahren mit einem Target aus dem Al_xCr_1-x-yY_y ausgebildet ist;
die zweite Schicht M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält [wobei M ein Metall aus einem einzelnen Element oder eine Legierung ist, die zwei oder mehr Arten an Metallelementen enthält, die aus der Gruppe IVa, der Gruppe Va, der Gruppe VIa des Periodensystems der Elemente, Al, Si und Y gewählt sind, und für die Bereiche von...

Description

TECHNICHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine harte Verbundschicht, insbesondere auf eine Verbesserung einer harten Verbundschicht mit hervorragender Verschleißbeständigkeit, in der eine Vielzahl von zwei Arten an Schichten, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen unterscheiden, abwechselnd aufgeschichtet sind.
STAND DER TECHNIK
Als verschleißbeständige harte Schicht, die auf einer Oberfläche eines vorgegebenen Elements, etwa auf einem Werkzeuggrundmaterial, ausgebildet ist, das etwa Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall enthält, sind verschiedene harte Verbundschichten vorgeschlagen worden, in denen eine Vielzahl von zwei Arten an Schichten, eine erste Schicht und eine zweite Schicht, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen unterscheiden, abwechselnd aufgeschichtet sind. Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 offenbaren Beispiele für eine solche harte Verbundschicht, in der zwei Arten an Schichten, die ein Metallelement, das aus der Gruppe IVa, der Gruppe Va, der Gruppe VIa des Periodensystems der Elemente gewählt ist, oder etwa ein Nitrid oder Carbid aus etwa Al enthält, unter Wiederholung der Dicke von etwa einigen wenigen Nanometern bis einigen wenigen hundert Nanometern abwechselnd und wiederholt aufgeschichtet sind. Das heißt, dass die Härte der Schicht und die Verschleißbeständigkeit durch verschiedene Mittel wie dünnschichtige und mehrschichtige erste und zweite Schichten und Legierungen aus Metallelementen entstehen.

Patentliteratur 1: JP 7-205361 A
Patentliteratur 2: JP 2005-256081 A

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Allerdings war es schwierig, eine harte Verbundsschicht zu erreichen, die mit einer Schichthärte von zum Beispiel etwa 3000 oder mehr HV 0,025 sehr hart ist, und ein mit einer harten Verbundschicht beschichtetes Werkzeug, um ein hartes Material zu bearbeiten, indem etwa abschreckgehärteter Stahl geschnitten wird, hatte nicht unbedingt eine ausreichende Verschleißbeständigkeit (Haltbarkeit), weswegen Verbesserungen erforderlich waren.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, für eine Verbesserung einer harten Verbundschicht zu sorgen, in der eine Vielzahl von zwei Arten an Schichten, die ein Metallelement enthalten, abwechselnd aufgeschichtet sind, wobei die Härte der Schicht weiter verbessert wird und die Schicht gegenüber dem harten Material eine hervorragende Verschleißbeständigkeit hat.
Lösung des Problems
Die oben beschriebene Aufgabe kann gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, die eine harte Verbundschicht mit hervorragender Verschleißbeständigkeit vorsieht, in der eine Vielzahl von ersten Schichten und zweiten Schichten abwechselnd auf einer Oberfläche eines vorgegebenen Elements aufgeschichtet sind, wobei die Zusammensetzungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschieden sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass: (a) die erste Schicht (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält [wobei für die Bereiche von x, y, a, b und c beim Atomverhältnis jeweils 0,3 ≤ x ≤ 0,8, 0 < y ≤ 0,10, 0 ≤ a ≤ 0,2, 0 ≤ b ≤ 0,3 und 0 ≤ c ≤ 0,1 gilt] und durch ein PVD-Verfahren mit einem Target aus dem Al_xCr_1-x-yY_y ausgebildet ist; (b) die zweite Schicht M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält [wobei M ein Metall aus einem einzelnen Element oder eine Legierung ist, die zwei oder mehr Arten an Metallelementen enthält, die aus der Gruppe IVa, der Gruppe Va, der Gruppe VIa des Periodensystems der Elemente, Al, Si und Y gewählt sind, und für die Bereiche von d, e und f beim Atomverhältnis jeweils 0 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,3 und 0 ≤ f ≤ 0,1 gilt] und durch ein PVD-Verfahren mit einem Target aus dem M ausgebildet ist; und (c) und ein Aufschichtungsintervall t, das gleich der Gesamtdicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht ist, in einem Bereich von 0,2 nm bis 100 nm liegt.
Die oben beschriebene Aufgabe kann gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, die die harte Verbundschicht der ersten Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Dickensumme D der harten Verbundschicht, in der ein Satz der ersten Schicht und der zweiten Schicht unter Wiederholung des Aufschichtungsintervalls t wiederholt aufgeschichtet ist, in einem Bereich von 0,2 μm bis 10 μm liegt.
Die oben beschriebene Aufgabe kann gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, die die harte Verbundschicht der ersten oder zweiten Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass die BCON-Zusammensetzungen der ersten oder zweiten Schicht zueinander gleich sind.
Die oben beschriebene Aufgabe kann gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, die ein mit einer harten Verbundschicht beschichtetes Werkzeug vorsieht, wobei es dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Oberfläche des mit der harten Verbundschicht beschichteten Werkzeugs mit der harten Verbundschicht einer der ersten bis dritten Ausgestaltungen der Erfindung beschichtet ist.
Die oben beschriebene Aufgabe kann gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, die ein Schichtbildungsverfahren vorsieht, um die harte Verbundschicht der dritten Ausgestaltung der Erfindung auf dem vorgegebenen Element durch ein PVD-Verfahren auszubilden, das eine Schichtbildungsvorrichtung verwendet, die Folgendes enthält: (a) einen Drehtisch, der das vorgegebene Element in einem Außenumfangsabschnitt in einem vorgegebenen Behälter hält und der drehend um genau eine Mittellinie herum angetrieben wird; (b) ein erstes Target, das das Al_xCr_1-x-yY_y enthält, und ein zweites Target, das das M enthält, die voneinander in Umfangsrichtung beabstandet in einem Umkreis des Drehtisches angeordnet sind; und (c) eine Reaktionsgaszufuhrvorrichtung, die ein vorgegebenes Reaktionsgas, das entsprechend den BCON-Zusammensetzungen festgelegt wird, in den vorgegebenen Behälter einführt, wobei das Schichtbildungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: (d) das vorgegebene Element abwechselnd und periodisch vor dem ersten Target und dem zweiten Target vorbeilaufen gelassen wird, indem der Drehtisch kontinuierlich in einer Richtung um die eine Mittellinie herum gedreht wird, wobei das Al_xCr_1-x-yY_y und das M unter Zufuhr des Reaktionsgases in den vorgegebenen Behälter und unter Abdampfen des Al_xCr_1-x-yY_y und des M vom ersten Target und vom zweiten Target jeweils mit dem Reaktionsgas reagieren gelassen werden, und folglich die erste Schicht auf der Oberfläche des vorgegebenen Elements ausgebildet wird, wenn das vorgegebene Element vor dem ersten Target vorbeilaufen gelassen wird, und die zweite Schicht auf der Oberfläche des vorgegebenen Elements ausgebildet wird, wenn das vorgegebene Element vor dem zweiten Target vorbeilaufen gelassen wird, und folglich die erste Schicht und die zweite Schicht abwechselnd und kontinuierlich auf dem vorgegebenen Element aufgeschichtet werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die erste Ausgestaltung der Erfindung sieht die harte Verbundschicht aus der (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthaltenen ersten Schicht und der M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthaltenden zweiten Schicht vor, in der eine Vielzahl von ihnen abwechselnd mit einem Aufschichtungsintervall t im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm aufgeschichtet sind, wobei die Härte der Schicht sehr hart ist, so dass sie zum Beispiel eine Härte von etwa 3000 bis 3500 HV 0,025 hat. Dadurch kann zum Beispiel für ein mit einer harten Verbundschicht beschichtetes Werkzeug gesorgt werden, das zum Bearbeiten eines harten Materials wie abschreckgehärtetem Stahl durch Schneiden verwendet wird, um eine hervorragende Verschleißbeständigkeit (Haltbarkeit) zu erzielen.
Mit dem mit der harten Verbundschicht beschichteten Werkzeug der vierten Ausgestaltung der Erfindung, das mit der oben genannten harten Verbundschicht beschichtet ist, und mit dem Schichtbildungsverfahren der fünften Ausgestaltung der Erfindung, um die harte Verbundschicht mit zueinander gleicher BCON-Zusammensetzung auszubilden, können im Wesentlichen die gleichen Wirkungen, erzielt werden, wie sie oben beschrieben wurden. Da die erste Schicht und die zweite Schicht gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung abwechselnd und kontinuierlich aufgeschichtet werden können, indem das Element auf dem Drehtisch kontinuierlich um die eine Mittellinie herum gedreht wird, kann die harte Verbundschicht effektiv in kurzer Zeit ausgebildet werden.
Da die Dickensumme D der Schicht der harten Verbundschicht gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung von 0,2 μm bis 10 μm reicht, kann unter Beschränkung der Abtragung der harten Verbundschicht eine hervorragende Verschleißbeständigkeit erzielt werden. Da die erste Schicht und die zweite Schicht gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung die gleichen BCON-Zusammensetzungen haben, muss das Reaktionsgas nicht für jede Schicht geändert werden, so dass zum Beispiel durch das Schichtbildungsverfahren gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung die harte Verbundschicht effektiv in kurzer Zeit ausgebildet werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt einen erfindungsgemäßen Schaftfräser dar, wobei (a) eine Vorderansicht senkrecht zur Längsachse ist und (b) eine Schnittansicht des Oberflächenabschnitts des mit der harten Verbundschicht beschichteten Kantenabschnitts ist.
2 stellt ein Beispiel der Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung dar, die vorzugsweise zum Ausbilden der harten Verbundschicht durch das PVD-Verfahren verwendet wird, wobei (a) ein schematisches Diagramm ist und (b) eine Draufsicht ist, die die Positionen des Drehtisches und der Targets zeigt.
3 zeigt Beispiele der erfindungsgemäßen harten Verbundschichten und Messungen bei ihrer Erprobung, um die Freiflächenabnutzungsbreite (Verschleißbeständigkeit) bei vorgegebenen Schneidbearbeitungsbedingungen zu messen.
4 zeigt Messungen bei der Erprobung von Vergleichsbeispielen der harten Verbundschichten, die sich hinsichtlich der Atomverhältnisse der ersten Schicht und der zweiten Schicht und des Aufschichtungsintervalls unterschieden, um die Freiflächenabnutzungsbreite (Verschleißbeständigkeit) unter den gleichen Schneidbearbeitungsbedingungen wie bei den Beispielen in 3 zu messen.

10: Schaftfräser (mit harter Verbundschicht beschichtetes Werkzeug)
12: Werkzeuggrundmaterial (vorgegebenes Element)
20: harte Verbundschicht
22: erste Schicht
24: zweite Schicht
30: Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung (Schichtbildungsvorrichtung)
32: erster Drehtisch (Drehtisch)
38: Kammer (Prozessbehälter)
40: Reaktionsgaszufuhrvorrichtung
48: erstes Target
52: zweites Target
O: die eine Mittellinie

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Erfindung lässt sich vorzugsweise bei einer harten Verbundschicht, die auf verschiedenen Bearbeitungswerkzeugen ausgebildet wird, etwa auf einem drehenden Schneidwerkzeug wie einem Schaftfräser, einem Gewindebohrer und einem Bohrer, auf einem nicht drehenden Schneidwerkzeug wie einem Drehwerkzeug und einer Gewindewalzbacke, und auch bei einer harten Verbundschicht einsetzen, die auf der Oberfläche eines anderen Elements als einem Bearbeitungswerkzeug ausgebildet wird, etwa als Oberflächenschutzschicht für etwa eine Halbleiterbauteil. Für ein Element wie das Werkzeuggrundmaterial, auf dem die harte Verbundschicht ausgebildet wird, lassen sich vorzugsweise Hartmetall und Schnellarbeitsstahl und auch andere Metallwerkstoffe einsetzen.
Für das PVD-Verfahren (PVD: physikalische Dampfabscheidung) zum Ausbilden der erfindungsgemäßen harten Verbundschicht lassen sich vorzugsweise das Lichtbogen-Ionenplattierverfahren und das Sputterverfahren einsetzen. Die Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht können geeignet entsprechend etwa der elektrischen Erzeugungsspannung am Target und der Drehgeschwindigkeit des Drehtisches festgelegt werden.
Die Atomverhältnisse x und y im Al_xCr_1-x-yY_y der ersten Schicht liegen jeweils im Bereich 0,3 ≤ x ≤ 0,8 und 0 < y ≤ 0,10, und sie können geeignet etwa den geforderten Eigenschaften entsprechend festgelegt werden. Das M der zweiten Schicht ist ein Metall aus einer Art an Element oder eine Legierung aus zwei oder mehr Arten an Elementen, das/die beispielsweise aus einer Gruppe von etwa Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y und etwa TiAl, TiSi, TiCr, TiY, TiZr, TiV, TiAlCr, TiAlY, AlCr, AlSi, CrV und CrN ausgewählt ist. Die Atomverhältnisse dieser Legierungen werden passend festgelegt. Das Atomverhältnis einer Legierung aus zwei Arten an Metallelementen wird beispielsweise auf etwa 0,5 festgelegt. Die Zusammensetzung der zweiten Schicht unterscheidet sich von der der ersten Schicht, und als das M kann eine andere Legierung oder ein anderes Metall als AlCrY eingesetzt werden.
Die erste Schicht und die zweite Schicht können BCON jeweils etwa in einem Verhältnis von mindestens 0,4 N (Stickstoff) oder mehr, 0,2 B (Bor) oder weniger, 0,3 C (Kohlenstoff) oder weniger, 0,1 O (Sauerstoff) oder weniger enthalten, wobei die Gesamtsumme „1” ist, und sie können nur N (Stickstoff) enthalten.
Die erste Schicht und die zweite Schicht können bei der dritten Ausgestaltung der Erfindung gleiche BCON-Zusammensetzungen enthalten, d. h. beim Atomverhältnis gilt a = d, b = e und c = f, und sie können bei der ersten oder zweiten Ausgestaltung der Erfindung so festgelegt sein, dass sie verschiedene Zusammensetzungen enthalten, d. h. sie müssen nicht unbedingt gleiche Zusammensetzungen enthalten. Sie können ein unvermeidliches Verunreinigungselement oder ein anderes Element als BCON enthalten, das sich nicht auf die Eigenschaften auswirkt.
Das Aufschichtungsintervall t entspricht der Gesamtdicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Wenn es 0,2 nm oder weniger beträgt, lassen sich nicht ausreichend die Eigenschaften (etwa die Härte, die Wärmebeständigkeit, die Säurebeständigkeit und das Schmiervermögen) der Schicht selbst erreichen, und wenn es 100 nm oder mehr beträgt, lässt sich nicht ausreichend die Wirkung der verbesserten Härte der Schicht aufgrund der dünneren Schicht erreichen. Dementsprechend muss es so festgelegt werden, dass es im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm liegt, wobei es in Anbetracht der Streuung (des Fehlers) der Dicke der Schicht vorzugsweise im Bereich von 0,5 nm bis 50 nm liegt. Da es in jeder Schicht oder in einem Teil der Schichten eine Streuung der Dicke der jeweiligen Schichten gibt, sollte der Mittelwert des Aufschichtungsintervalls t vorzugsweise in dem zuvor genannten Bereich liegen.
Auf der Oberfläche des Elements (etwa des Werkzeugsgrundmaterials) kann als Erstes entweder die erste Schicht oder die zweite Schicht ausgebildet werden, und es ist beispielsweise vorzuziehen, entsprechend der Zusammensetzung der Schicht als Erstes eine Schicht mit hervorragendem Haftvermögen auszubilden, wobei diese jedoch ohne besondere Einschränkungen ausgebildet werden kann. Die erste Schicht und die zweite Schicht werden als Paar aufeinander geschichtet, doch ist es auch möglich, eine ungerade Anzahl der Schichten auszubilden, wobei in diesem Fall die erste Schicht die oberste Schicht ist, wenn als Erstes die erste Schicht ausgebildet wird, und die zweite Schicht die oberste Schicht ist, wenn als Erstes die zweite Schicht ausgebildet wird. Falls nötig, kann zwischen der erfindungsgemäßen harten Verbundschicht und der Oberfläche des Elements eine andere harte Schicht angeordnet werden, oder es kann auf der obersten Schicht eine andere Schicht ausgebildet werden. Wenn sich die harte Verbundschicht nur aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht zusammensetzt, kann ihre Dicke ungeachtet des Aufschichtungsintervalls t erhöht oder verringert werden, indem die mit der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials in Kontakt befindliche unterste Schicht oder die oberste Schicht als eine andere Schicht als die Verbundschicht angesehen wird.
Die Dickensumme D der Schichten der harten Verbundschicht beträgt für etwa ein sich drehendes Schneidwerkzeugs, das eine verhältnismäßig hohe Stoßbelastung verkraften muss, zum Beispiel vorzugsweise 10 μm oder weniger, um die Abtragung der Schicht zu beschränken, und 0,2 μm oder mehr, um eine ausreichende Verschleißbeständigkeit zu erreichen, wobei sie von dem Objekt (Element), auf dem die Schicht ausgebildet ist, und den erforderlichen Eigenschaften abhängt. Oder für ein gleitfähiges Element, das beinahe keine Stoßbelastung verkraften muss, kann die Dickensumme D der Schicht 10 μm oder mehr betragen, und es ist möglich, dass die Dickensumme D etwa 20 μm beträgt.
Bei der fünften Ausgestaltung der Erfindung wird das Element im Außenumfangsabschnitt des Drehtisches gehalten, der sich um die eine Mittellinie herum dreht, und der Drehtisch wird kontinuierlich in einer Richtung gedreht. Dementsprechend läuft das Element abwechselnd und periodisch vor dem ersten Target und dem zweitem Target vorbei, die fest im Umkreis des Drehtisches angeordnet sind, und die erste Schicht und die zweite Schicht werden abwechselnd und kontinuierlich aufgeschichtet. Oder es kann ein anderes Schichtbildungsverfahren genutzt werden. Es stehen verschiedene Ausführungsbeispiele zur Verfügung, zum Beispiel eine unterbrochene Drehung mit Anhalten des Drehtisches nahe am Target und ein Bewegen des ersten Targets und des zweiten Targets bezüglich des Elements, das in einer festen Position gehalten wird. Die erste Schicht und die zweite Schicht können unabhängig voneinander und unterbrochen aufgeschichtet werden, etwa durch Wechseln des Reaktionsgases für jeweils die erste Schicht und die zweite Schicht oder durch Wechseln des abzudampfenden Targets, etwa wenn die BCON-Zusammensetzungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschieden sind.
Bei der fünften Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehtisch kontinuierlich in einer Richtung zu drehen, und es ist vorzuziehen, ihn drehend mit einer konstanten Geschwindigkeit anzutreiben, da sich dies leicht steuern lässt. Oder die Drehgeschwindigkeit kann entsprechend den Positionen, an denen das erste Target und das zweite Target angeordnet sind, periodisch erhöht und gesenkt werden.
Es kann ein Drehtisch genutzt werden, der das Element in seinem Außenumfangsabschnitt direkt in einer festen Stellung hält. Oder die Vorrichtung kann einen zweiten Drehtisch haben, der sich um eine zweite Mittellinie dreht, die sich von der oben genannten einen Mittelinie unterscheidet, wobei der zweite Drehtisch das Element halten und kontinuierlich um die zweite Mittellinie herum drehen kann, um die Schicht auszubilden, und es dementsprechend möglich ist, die Schicht gleichmäßig auf der Außenumfangsfläche des Elements auszubilden. Wenn das Element das Werkzeuggrundmaterial eines sich drehenden Schneidwerkzeugs ist, ist es zum Beispiel vorzuziehen, dass das Werkzeuggrundmaterial derart auf dem zweiten Drehtisch angeordnet wird, dass die Achse des Werkzeuggrundmaterials bezüglich seiner Stellung gleichachsig oder parallel zu der zweiten Mittellinie ist und dass das Werkzeuggrundmaterial kontinuierlich um die zweite Mittellinie herum gedreht wird, um die Schicht auszubilden. Der zweite Drehtisch kann zum Beispiel derart angeordnet sein, dass die zweite Mittellinie bezüglich ihrer Stellung parallel zu der oben genannten einen Mittellinie ist oder senkrecht zu der einen Mittellinie ist, oder er kann auf verschiedene andere Weise angeordnet sein.
Das erste Target und das zweite Target sind zum Beispiel bezüglich der einen Mittellinie des Drehtisches in symmetrischen Positionen angeordnet. Oder sie können in anderen Positionen als in symmetrischen Positionen angeordnet sein, es können zwei erste Targets und zwei zweite Targets abwechselnd um 90° voneinander versetzt angeordnet sein, es können drei oder mehr erste Targets und drei oder mehr zweite Targets angeordnet sein, oder es können auf verschiedene Weisen Targets angeordnet sein.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜRHUNGSBEISPIELEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nun ausführlich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
1. stellt einen Schaftfräser 10 als Beispiel eines mit einer harten Verbundschicht beschichteten Werkzeugs dar, wobei (a) eine Vorderansicht aus einer zu einer Längsachse senkrechten Richtung ist und ein hartmetallhaltiges Werkzeuggrundmetall 12 in einem Stück mit einem Schaft und einem Kantenabschnitt 14 versehen ist. Der Kantenabschnitt 14 hat als Schneidkanten eine Außenumfangskante 16 und eine Unterkante 18, wobei das Schneiden durch die Außenumfangskante 16 und die Unterkante 18 erfolgt, die um die Längsachse herum gedreht und angetrieben werden. Auf der Oberfläche des Kantenabschnitts 14 ist eine harte Verbundschicht 20 abgeschieden. Der in 1(a) mit schrägen Linien versehene Bereich gibt den Bereich an, der mit der harten Verbundschicht 20 bedeckt ist, und 1(b) zeigt eine Schnittansicht eines Oberflächenabschnitts des mit der harten Verbundschicht 20 beschichteten Kantenabschnitts 14. Der Schaftfräser 10 ist ein sich drehendes Schneidwerkzeug, und das Werkzeuggrundmaterial 12 entspricht einem vorgegebenen Element, auf dem die harte Verbundschicht 20 abgeschieden ist.
Wie aus 1(b) hervorgeht, ist die harte Verbundschicht 20 eine Verbundschicht, die eine Vielzahl von ersten Schichten 22 und zweiten Schichten 24 enthält, die gegenseitig auf der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 aufgeschichtet sind. Die erste Schicht 22 enthält Al_xCr_1-x-yY_y(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) [wobei für die Bereiche von x, y, a, b und c beim Atomverhältnis jeweils 0,3 ≤ x ≤ 0,8, 0 < y ≤ 0,10, 0 ≤ a ≤ 0,2, 0 ≤ b ≤ 0,3 und 0 ≤ c ≤ 0,1 gilt], und die zweite Schicht 24 enthält M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) [wobei M ein Metall aus einem einzelnen Element oder eine Legierung ist, die zwei oder mehr Arten an Metallelementen enthält, die aus der Gruppe IVa, der Gruppe Va, der Gruppe VIa des Periodensystems der Elemente, Al, Si und Y ausgewählt sind, und für die Bereiche von d, e und f beim Atomverhältnis jeweils 0 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,3 und 0 ≤ f ≤ 0,1 gilt]. Ein Aufschichtungsintervall t, das gleich der Gesamtdicke der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 ist, liegt im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm, und die Dickensumme D der harten Verbundschicht 20 liegt im Bereich von 0,2 μm bis 10 μm. Wenn ein Satz Schichten mit dem Aufschichtungsintervall t einem „Mehrschichtsatz” entspricht, kann die Anzahl der Mehrschichtsätze passend entsprechend dem Aufschichtungsintervall t und der Dickensumme D der harten Verbundschicht 20 festgelegt werden und umfasst zum Beispiel vorzugsweise 10 bis 1000 Mehrschichtsätze.
Die Atomverhältnisse x und y im Al_xCr_1-x-yY_y der ersten Schicht 22 liegen jeweils im Bereich von 0,3 ≤ x ≤ 0,8 und 0 < y ≤ 0,10 und werden passend entsprechend etwa den erforderlichen Eigenschaften festgelegt. Das M der zweiten Schicht 24 ist ein Metall aus genau einer Art an Element oder eine Legierung aus zwei oder mehr Arten an Elementen, das/die beispielsweise aus einer Gruppe von etwa Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y und etwa TiAl, TiSi, TiCr, TiY, TiZr, TiV, TiAlCr, TiAlY, AlCr, AlSi, CrV und CrN ausgewählt ist. Die Atomverhältnisse dieser Legierungen werden passend festgelegt. Das Atomverhältnis einer Legierung aus zwei Arten an Metallelementen wird zum Beispiel auf etwa 0,5 festgelegt. Die Zusammensetzung der zweiten Schicht 24 unterscheidet sich von der der ersten Schicht 22, und als das M kann eine andere Legierung oder ein anderes Metall als AlCrY eingesetzt werden. In den Beispielen Nr. 1, 6, 11, 15 und 24 des Ausführungsbeispiels in 3, ist das M der zweiten Schicht 24 ein Metall, das sich aus einem einzelnen Element zusammensetzt, und in den anderen Beispielen Nr. 2 bis 5, 7 bis 10, 12 bis 14 und 16 bis 23 ist das M der zweiten Schicht 24 eine Legierung, die sich aus zwei oder mehr Arten an Metallelementen zusammensetzt.
Jede der Schichten 22, 24 kann BCON jeweils etwa in einem Verhältnis von mindestens 0,4 N (Stickstoff) oder mehr, 0,2 B (Bor) oder weniger, 0,3 C (Kohlenstoff) oder weniger und 0,1 O (Sauerstoff) oder weniger enthalten, wobei die Gesamtsumme „1” ist, und sie können nur N (Stickstoff) enthalten. Die erste und zweite Schicht 22, 24 können gleiche BCON-Zusammensetzungen enthalten, d. h. beim Atomverhältnis gilt a = d, b = e und c = f, und sie können verschiedene Zusammensetzungen enthalten. Sie können ein unvermeidliches Verunreinigungselement oder ein anderes Element als BCON enthalten, das sich nicht auf die Eigenschaften auswirkt. Die Beispiele Nr. 1 bis 9 und 21 des Ausführungsbeispiels in 3 enthalten in jeder der Schichten 22, 24 gleiche BCON-Zusammensetzungen.
2 stellt eine Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 30 dar, die vorzugsweise zum Ausbilden der oben genannten harten Verbundschicht 20 verwendet wird, wobei (a) ein schematisches Diagramm in einer entlang den Linien A in (b) geschnittenen Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist. Die Lichtbogen-Ionenenplattiervorrichtung 30 ist etwa mit einem ersten Drehtisch 32, der im Wesentlichen horizontal angeordnet ist, einer Drehantriebsvorrichtung 33, einem zweiten Drehtisch 34, einer elektrischen Vorspannungsquelle 36, einer Kammer 38, einer Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40, einer Absaugvorrichtung 42, einer ersten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44 und einer zweiten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 46 versehen. Die Drehantriebsvorrichtung 33 treibt den ersten Drehtisch 32 drehend um genau eine Mittellinie O herum an, die im Wesentlichen vertikal verläuft. In einem Außenumfangsabschnitt des ersten Drehtisches 32 ist eine Vielzahl (von „vier” in 2(b)) von zweiten Drehtischen 34 angeordnet, die eine Vielzahl von Werkstücken, d. h. der Werkzeuggrundmaterialien 12, hält, auf denen etwa die Schneidkanten 16, 18 ausgebildet sind, bevor sie mit der harten Verbundschicht 20 beschichtet werden. Die elektrische Vorspannungsquelle 36 bringt auf das Werkzeuggrundmaterial 12 eine negative Vorspannung auf. Die Kammer 38 nimmt als Prozessbehälter in ihrem Inneren etwa das Werkzeuggrundmaterial 12 auf. Die Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 führt ein vorgegebenes Reaktionsgas in die Kammer 38 ein. Die Absaugvorrichtung 42 saugt ein Gas in der Kammer 38 durch etwa eine Vakuumpumpe ab, so dass sich der Innendruck verringert. Die Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 30 entspricht einer Schichtbildungsvorrichtung. In 2(b) ist das auf dem zweiten Drehtischen 34 anzuordnende Werkzeuggrundmaterial 12 nicht gezeigt.
Die zweiten Drehtische 34 sind parallel zum ersten Drehtisch 32 angeordnet und werden um eine Mittellinie (zweite Mittellinie) von ihnen gedreht, die parallel zu der einen Mittellinie O des ersten Drehtisches 32 ist, wobei sie eine Vielzahl der Werkzeuggrundmaterialien 12 in einer vertikalen Stellung halten, so dass die Achse parallel zur zweiten Mittellinie ist und der Kantenabschnitt 14 nach oben weist. Dementsprechend wird die Vielzahl der Werkzeuggrundmaterialien 12 drehend um die Mittellinie (zweite Mittellinie) der zweiten Drehtische 34 herum angetrieben und gleichzeitig durch den ersten Drehtisch 32 drehend um die eine Mittellinie O herum angetrieben. Um den ersten Drehtisch 32 herum sind jeweils an symmetrischen Positionen zu der einen Mittellinie O fest ein erstes Target 48 und ein zweites Target 52 angeordnet, wobei das Werkzeuggrundmaterial 12 auf dem zweiten Drehtisch 34 periodisch abwechselnd vor das erste Target 48 und das zweite Target 52 transportiert wird. Die Vielzahl der zweiten Drehtische 34 wird voneinander unabhängig drehend durch zum Beispiel eine unabhängige Drehantriebsvorrichtung angetrieben, doch können sie auch mechanisch drehend angetrieben werden, indem sie mit Hilfe etwa eines Getriebes mit der Drehung des ersten Drehtisches 32 verknüpft werden.
Die Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 ist mit Tanks aus etwa Stickstoffgas (N₂), Kohlenwasserstoffgas (etwa CH₄, C₂H₂) und Sauerstoffgas (O₂) versehen und führt zum Beispiel für Nitrid nur Stickstoffgas oder für Carbonitrid Stickstoffgas und Kohlenwasserstoffgas in dem oben genannten Atomverhältnis a bis f zu. Um andere Verbindungen wie Oxinitrid oder Bornitrid zu erzielen, kann auf die gleiche Weise passend ein vorgegebenes Gas zugeführt werden.
Das erste Target 48 enthält eine Al_xCr_1-x-yY_y-Legierung, die der Bestandteil der ersten Schicht 22 ist, und das zweite Target 52 enthält ein M-Metall, ein einfaches Element oder eine M-Legierung, die der Bestandteil der zweiten Schicht 24 ist. Die erste elektrische Lichtbogen-Stromquelle 44 dampft die Al_xCr_1-x-yY_y-Legierung von dem ersten Target 48 durch eine Lichtbogenentladung ab, bei der zwischen dem ersten Target 48 als Kathode und der Anode 50 ein vorgegebener Lichtbogenstrom angelegt wird. Die abgedampfte Al_xCr_1-x-yY_y-Legierung wird zu einem positiven (+) Metallion und haftet an dem Werkzeuggrundmaterial 12 an, an dem eine negative (–) Vorspannung angelegt ist. Nach der Reaktion mit dem zugeführten Reaktionsgas wird die erste Schicht 22 gebildet, die das oben genannte Al_xCr_1-x-yY_y (B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält. Die zweite elektrische Lichtbogen-Stromquelle 46 dampft das M-Metall oder die M-Legierung von dem zweiten Target 52 durch eine Lichtbogenentladung ab, bei der zwischen dem zweiten Target 52 als Kathode und der Anode 54 ein vorgegebener Lichtbogenstrom angelegt wird. Das abgedampfte M-Metall oder die abgedampfte M-Legierung wird zu einem positiven (+) Metallion und haftet an dem Werkzeuggrundmaterial 12 an, an dem eine negative (–) Vorspannung angelegt ist. Nach der Reaktion mit dem zugeführten Reaktionsgas wird die zweite Schicht 24 gebildet, die das oben genannte M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält.
Wenn durch eine solche Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 30 auf der Oberfläche des Kantenabschnitts 14 des Werkzeuggrundmaterials 12 die harte Verbundschicht 20 ausgebildet wird, wird unter vorheriger Absaugung durch die Absaugvorrichtung 42, wodurch in der Kammer 38 ein vorgegebener Druck (zum Beispiel etwa 1,33 Pa bis 3,99 Pa) gehalten wird, von der Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 ein vorgegebenes Reaktionsgas zugeführt, und gleichzeitig wird durch die elektrische Vorspannungsquelle 36 eine vorgegebene Vorspannung (zum Beispiel etwa –50 V bis –150 V) an das Werkzeuggrundmaterial 12 angelegt. Das Werkzeuggrundmaterial 12 läuft abwechselnd und periodisch vor dem ersten Target 48 und dem zweiten Target 52 vorbei, während gleichzeitig das Werkzeuggrundmaterial 12 auf dem zweiten Drehtisch 34 um die zweite Mittellinie herum gedreht wird, da der erste Drehtisch 32 kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Richtung um die eine Mittellinie O herum gedreht wird, während der zweite Drehtisch 34 drehend um die Mittellinie auf dem ersten Drehtisch 32 herum angetrieben wird.
Wenn die BCON-Zusammensetzungen in der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 zueinander gleich sind, d. h. wenn für die Atomverhältnisse a = d, b = e und c = f (Beispiele Nr. 1 bis 9 und 21 in dem Ausführungsbeispiel in 3) gilt, wird von der oben genannten Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 entsprechend der Zusammensetzung ein vorgegebenes Reaktionsgas zugeführt, das erste Target 48 wird abgedampft, indem durch die erste elektrische Lichtbogen-Stromquelle 44 ein Lichtbogenstrom aufgebracht wird, und gleichzeitig wird das zweite Target 52 abgedampft, indem durch die zweite elektrische Lichtbogen-Stromquelle 46 ein Lichtbogenstrom aufgebracht wird. Dies bringt jeweils das abgedampfte Metall von den Targets 48, 52 dazu, mit dem Reaktionsgas zu reagieren, um die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 auszubilden und an der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 anzuhaften. Und zwar haftet an der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 die erste Schicht 22 an, die das Al_xCr_1-x-yY_y (B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält, wenn das Werkzeuggrundmaterial 12 vor dem ersten Target 48 vorbeilaufen gelassen wird, und an der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 haftet die zweite Schicht 24 an, die das M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält, wenn das Werkzeuggrundmaterial 12 vor dem zweiten Target 52 vorbeilaufen gelassen wird. Dies führt dazu, dass die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 abwechselnd und kontinuierlich auf der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 aufgeschichtet werden, um die harte Verbundschicht 20 auszubilden. Da in diesem Ausführungsbeispiel um den ersten Drehtisch herum genau ein erstes Target 48 und ein zweites Target 52 angeordnet sind, ermöglicht genau eine Drehung des ersten Drehtisches 32 es, genau einen Mehrschichtsatz des ersten Targets 48 und des zweiten Targets 52 aufzuschichten. Der Stromwert des Lichtbogenstroms jeder elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44, 46 wird entsprechend der Schichtdicke der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 festgelegt, und die Drehgeschwindigkeit des ersten Drehtisches 32 wird entsprechend dem Aufschichtungsintervall t festgelegt, das der Gesamtdicke der ersten Schicht 22 und der Dicke der zweiten Schicht 24 entspricht. Eine solche harte Verbundschicht 20 lässt sich automatisch durch eine Steuerungsvorrichtung ausbilden, die einen Computer enthält.
Der Schichtbildungsprozess, der bei gleichzeitigem Einschalten der ersten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44 und der zweiten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 46 nahe am ersten Target 48 begonnen wird, bildet als Erstes die erste Schicht 22 auf dem Werkzeuggrundmaterial 12, während der Prozess, der unter gleichzeitigem Einschalten der ersten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44 und der zweiten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 46 nahe am zweiten Target 52 begonnen wird, als Erstes die zweite Schicht 24 bildet. Der Schichtbildungsprozess kann jedoch auch so gesteuert werden, dass die erste Schicht 22 als Erstes auf allen Werkzeuggrundmaterialien 12 gebildet wird, indem bei der zweiten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 46 das Umschalten von AUS auf EIN verzögert wird. Im Gegensatz dazu kann der Schichtbildungsprozess auch so gesteuert werden, dass als Erstes die zweite Schicht 24 auf allen Werkzeuggrundmaterialien 12 gebildet wird, indem bei der ersten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44 das Umschalten von AUS auf EIN verzögert wird.
Wenn die BCON-Zusammensetzungen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 verschieden sind (Beispiele Nr. 10 bis 20 und 22 bis 24 des Ausführungsbeispiels in 3), müssen die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 jeweils unter Wechsel eines von der Reaktionsgaszufuhrvorrichtung 40 zugeführten Reaktionsgases ausgebildet werden, indem durch jeweiliges Umschalten der ersten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 44 und der zweiten elektrischen Lichtbogen-Stromquelle 46 zwischen EIN und AUS zwischen dem ersten Target 48 und dem zweiten Target 52 gewechselt wird.
Im Folgenden werden die Ergebnisse einer Erprobung angegeben. Die Erprobung erfolgte mit der vorliegenden Erfindung, wobei auf einem viereckigen Schaftfräser mit einem Durchmesser von 10 mm und sechs Schneidkanten, der auf dem hartmetallhaltigen Werkzeuggrundmaterial 12 basierte, die oben genannte harte Verbundschicht 22 ausgebildet war, und mit einem Vergleichsbeispiel, das etwa hinsichtlich der Zusammensetzung der Schichten 22, 24 und des Aufschichtungsintervalls t verschieden war. Außerdem ist die Freiflächenabnutzungsbreite (mm) der Außenumfangskante 16 angegeben, nachdem das Beispiel verwendet wurde, um unter den unten beschriebenen Bedingungen eine Strecke von 25 m zu schneiden. Die 3 und 4 geben die Messungen an, wobei der Wert der „Freiflächenabnutzungsbreite (mm)” der Mittelwert der sechs Außenumfangskanten 16 ist. In den 3 und 4 geben die Dezimalstellen nach den Elementsymbolen wie „Al” in den Spalten „erste Schicht” und „zweite Schicht” die Atomverhältnisse x, y, a bis f an. Als zulässig wurde eine Abnutzungsbreite von 0,150 mm angesehen. Da die Härte (HV 0,025) der Schicht nicht immer einfach zu messen war, bedeuten fehlende Angaben in der Spalte, dass die Messung entfallen war.
– Bearbeitungsbedingungen –

• Bearbeitetes Material: SKD11 (60 HRC)
• Bearbeitungsart: seitliches Schneiden (Tiefenschnitt)
• Schneidegeschwindigkeit: 150 m/min (4800 min^–1)
• Vorschubgeschwindigkeit: 0,03 mm/t (860 mm/min)
• Schnitttiefe: aa = 10 mm, ar = 0,5 mm
• Kühlmittel beim Schneiden: Luftstrahl
• Bearbeitungsmaschine: vertikal arbeitendes Bearbeitungszentrum

3 zeigt Beispiele der Erfindung, bei denen die Freiflächenabnutzungsbreiten alle innerhalb des zulässigen Bereichs (0,150 mm) lagen. Im Gegensatz dazu zeigt 4 Vergleichsbeispiele mit Atomverhältnissen x, y und a bis f der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 oder mit einem Aufschichtungsintervall t außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs (Anspruch 1), wobei die grau unterlegten Zellen in 4 von denen der Erfindung verschieden sind, die Freiflächenabnutzungsbreiten allesamt den zulässigen Bereich (0,150 mm) überschritten und keine ausreichende Verschleißbeständigkeit erreicht werden konnte.
Die harte Verbundschicht 20 des Schaftfräsers 10 dieses Ausführungsbeispiels ist somit eine Verbundschicht aus der das (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthaltenden ersten Schicht 22 und der das M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthaltenden zweiten Schicht 24, von denen eine Vielzahl abwechselnd mit einem Aufschichtungsintervall t im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm aufgeschichtet ist. Diese harte Verbundschicht 20 ist sehr hart, so dass sie zum Beispiel eine Schichthärte von etwa 3000 bis 3500 HV 0,025 hat und selbst beim Bearbeiten eines Hartmaterials wie SKD11 (60 HRC) durch Schneiden eine hervorragende Verschleißbeständigkeit (Haltbarkeit) hat.
Da die Dickensumme D der Schicht der harten Verbundschicht 20 auf einen Bereich von 0,2 μm bis 10 μm festgelegt ist, kann unter Beschränkung der Abtragung der harten Verbundschicht 20 eine hervorragende Verschleißbeständigkeit erzielt werden.
Die Beispiele Nr. 9 und 21 des Ausführungsbeispiels in 3 haben die gleichen BCON-Zusammensetzungen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24, weswegen es nicht nötig ist, das Reaktionsgas mit jeder Schicht zu ändern, und weswegen die harte Verbundschicht 20 unter Verwendung der Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 30 effektiv in kurzer Zeit ausgebildet werden kann. Da die Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 30 in 2 die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 abwechselnd und kontinuierlich ausbilden kann, indem der erste Drehtisch 32 kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Richtung gedreht wird, kann die harte Verbundschicht 20 effektiv in kurzer Zeit aufgeschichtet werden.
Da das Werkzeuggrundmaterial 12 durch den zweiten Drehtisch 34 drehend um die Mittellinie herum parallel zur Achse angetrieben wird und durch den ersten Drehtisch 32 vor dem ersten Target 48 und dem zweiten Target 52 vorbeilaufen gelassen wird, wird die harte Verbundschicht 20 gleichmäßig auf der Außenumfangsfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 ausgebildet und stabil eine hervorragende Güte der Schichten erreicht.
Es versteht sich, dass die Erfindung mit weiteren Änderungen, Verbesserungen und Abwandlungen ausgeführt werden kann, die einem Fachmann in den Sinn kommen können, ohne von dem Schutzumfang und der Grundidee der Erfindung abzuweichen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die erfindungsgemäße harte Verbundschicht ist eine Verbundschicht aus einer ersten Schicht, die (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält, und einer zweiten Schicht, die M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält, von denen eine Vielzahl abwechselnd mit einem Aufschichtungsintervall t im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm aufgeschichtet ist. Die Härte der Schicht ist sehr hart, so dass sie zum Beispiel eine Härte von etwa 3000 bis 3500 HV 0,025 und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit (Haltbarkeit) hat, und sie wird vorzugsweise etwa für ein sich drehendes Schneidwerkzeug verwendet, um ein hartes Material wie abschreckgehärteten Stahl durch Schneiden zu bearbeiten.
Zusammenfassung
Eine auf einem Kantenabschnitt (14) eines Schaftfräsers (10) ausgebildete harte Verbundschicht (20) umfasst eine erste Schicht (22), die (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält, und eine zweite Schicht (24), die M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält, von denen eine Vielzahl abwechselnd mit einem Aufschichtungsintervall (t) im Bereich von 0,2 nm bis 100 nm aufgeschichtet sind, und die Härte dieser harten Verbundschicht (20) ist sehr hart, so dass sie zum Beispiel eine Härte von etwa 3000 bis 3500 HV 0,025 hat, und dies kann beim Bearbeiten eines harten Materials wie SKD11 (60 HRC) durch Schneiden für eine hervorragende Verschleißbeständigkeit (Haltbarkeit) sorgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 7-205361 A [0002]
- JP 2005-256081 A [0002]

Claims

Harte Verbundschicht mit hervorragender Verschleißbeständigkeit, in der eine Vielzahl von ersten Schichten und zweiten Schichten abwechselnd auf einer Oberfläche eines vorgegebenen Elements aufgeschichtet sind, wobei die Zusammensetzungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Schicht (Al_xCr_1-x-yY_y)(B_aC_bO_cN_1-a-b-c) enthält [wobei für die Bereiche von x, y, a, b und c beim Atomverhältnis jeweils 0,3 ≤ x ≤ 0,8, 0 < y ≤ 0,10, 0 ≤ a ≤ 0,2, 0 ≤ b ≤ 0,3 und 0 ≤ c ≤ 0,1 gilt] und durch ein PVD-Verfahren mit einem Target aus dem Al_xCr_1-x-yY_y ausgebildet ist; die zweite Schicht M(B_dC_eO_fN_1-d-e-f) enthält [wobei M ein Metall aus einem einzelnen Element oder eine Legierung ist, die zwei oder mehr Arten an Metallelementen enthält, die aus der Gruppe IVa, der Gruppe Va, der Gruppe VIa des Periodensystems der Elemente, Al, Si und Y gewählt sind, und für die Bereiche von d, e und f beim Atomverhältnis jeweils 0 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,3 und 0 ≤ f ≤ 0,1 gilt] und durch ein PVD-Verfahren mit einem Target aus dem M ausgebildet ist; und ein Aufschichtungsintervall t, das gleich der Gesamtdicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht ist, in einem Bereich von 0,2 nm bis 100 nm liegt.
Harte Verbundschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dickensumme D der harten Verbundschicht, in der ein Satz der ersten Schicht und der zweiten Schicht unter Wiederholung des Aufschichtungsintervalls t wiederholt aufgeschichtet ist, in einem Bereich von 0,2 μm bis 10 μm liegt.
Harte Verbundschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die BCON-Zusammensetzungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht zueinander gleich sind.
Mit einer harten Verbundschicht beschichtetes Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des mit der harten Verbundschicht beschichteten Werkzeugs mit der harten Verbundschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 beschichtet ist.
Schichtbildungsverfahren, um die harte Verbundschicht gemäß Anspruch 3 auf dem vorgegebenen Element durch ein PVD-Verfahren auszubilden, das eine Schichtbildungsvorrichtung verwendet, die Folgendes enthält: einen Drehtisch, der das vorgegebene Element in einem Außenumfangsabschnitt in einem vorgegebenen Behälter hält und der drehend um genau eine Mittellinie herum angetrieben wird; ein erstes Target, das das Al_xCr_1-x-yY_y enthält, und ein zweites Target, das das M enthält, die voneinander in Umfangsrichtung beabstandet in einem Umkreis des Drehtisches angeordnet sind; und eine Reaktionsgaszufuhrvorrichtung, die ein vorgegebenes Reaktionsgas, das entsprechend den BCON- Zusammensetzungen festgelegt wird, in den vorgegebenen Behälter einführt, wobei das Schichtbildungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: das vorgegebene Element abwechselnd und periodisch vor dem ersten Target und dem zweiten Target vorbeilaufen gelassen wird, indem der Drehtisch kontinuierlich in einer Richtung um die eine Mittellinie herum gedreht wird, während das Al_xCr_1-x-yY_y und das M unter Zufuhr des Reaktionsgases in den vorgegebenen Behälter und unter Abdampfen des Al_xCr_1-x-yY_y und des M vom ersten Target und vom zweiten Target jeweils mit dem Reaktionsgas reagieren gelassen werden, und folglich die erste Schicht auf der Oberfläche des vorgegebenen Elements ausgebildet wird, wenn das vorgegebene Element vor dem ersten Target vorbeilaufen gelassen wird, und die zweite Schicht auf der Oberfläche des vorgegebenen Elements ausgebildet wird, wenn das vorgegebene Element vor dem zweiten Target vorbeilaufen gelassen wird, und folglich die erste Schicht und die zweite Schicht abwechselnd und kontinuierlich auf dem vorgegebenen Element aufgeschichtet werden.