DE112009000799T5

DE112009000799T5 - Mehrschichtiger Hartüberzug für Wendeschneidplatte

Info

Publication number: DE112009000799T5
Application number: DE112009000799T
Authority: DE
Inventors: Hyung Kwun Kim; Jae Hoon Kang; Jung Wook Chungju Kim; Seung Su Chungju Ahn; Sun Yong Ahn
Original assignee: Korloy Inc
Current assignee: Korloy Inc
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: CN102016121B; KR100876366B1; US8507109B2; CN102016121A; US20110033723A1; DE112009000799B4; WO2009131310A3; WO2009131310A2

Abstract

Mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte bereitgestellt, wobei auf ein Hartmetall wie z. B. eine Schneidplatte, eine Schaftfräse und einen Bohrer oder ein Cermet-Werkzeug durch physikalisches Aufdampfen eine Basisschicht aufgebracht wird, um die Haftkraft zu verbessern und die Kristalle einer Oberfläche 200 auszurichten, anschließend ein mehrschichtiger Überzug aus (Ti, Al)N, bei dem es sich um eine Zwischenschicht handelt, aufgebracht wird, um die Stoßbeständigkeit und die Abplatzbeständigkeit zu erhöhen, und eine obere Schicht ausgebildet wird, indem abwechselnd eine Schicht A, eine Schicht B, eine Schicht C und eine Schicht D aufgeschichtet werden [Zusammensetzungsgleichung 1]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schichten A, C [Ti(1 – x)Alx][C(1 – y)Ny], 0,3 ≤ x ≤ 0,5, 0,5 ≤ y ≤ 1, [Zusammensetzungsgleichung 2]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht B [Ti(1 – q)Alq][C(1 – r)Nr], 0,6 ≤ q ≤ 0,8, 0,5 ≤ r ≤ 1, und [Zusammensetzungsgleichung 3]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht D [A1(1 – (a + b))TiaMb]N; M[Si, Cr]0,3...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überzug, der an einem Hartmetall, z. B. einer Schneidplatte, einem Schaftfräser und einem Bohrer, und einer Wendeschneidplatte, z. B. einem Cermet-Werkzeug, ausgebildet ist, und insbesondere einen mehrschichtige Hartüberzug für eine Wendeschneidplatte, der eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, indem nacheinander eine Basisschicht, eine Zwischenschicht und eine obere Schicht mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen und Überzugsstrukturen aufgebracht werden.
Allgemeiner Stand der Technik
Im Allgemeinen ist es üblich, beschichtete Hartmetalllegierungen auf N-Basis wie TiN, TiCN und TiAlN mithilfe eines Lichtbogenprozesses oder durch Aufdampfen, wobei es sich um physikalische Gasphasenabscheidung handelt, aufzubringen, um die Abriebbeständigkeit von Wendeschneidplatten/abriebbeständigen Werkzeugen zu verbessern. Die mit TiAlN beschichtete Hartmetalllegierung ist derjenige Überzug, dem in jüngerer Zeit auf dem Gebiet des Metallschneidens die höchste Aufmerksamkeit geschenkt wird, da diese Überzüge bei hohen Temperaturen die höchste Abriebbeständigkeit aufweisen.
Obwohl allerdings das TiAlN aufgrund seiner hohen Härte eine hohe Abriebbeständigkeit aufweist, ist die Stoßbeständigkeit geringer als bei TiN- und TiCN-Überzügen, weshalb es sich im Allgemeinen nicht für Arbeiten eignet, bei denen Stöße oder mittlere/geringe Geschwindigkeiten auftreten, während TiN und TiCN je nach Arbeitsbedingungen das gleiche Verhalten zeigen.
Obwohl es möglich ist, die Abriebbeständigkeit oder die Stoßbeständigkeit durch Verändern der Art der Aufbringung und der Aufbringungsfaktoren zu verbessern, ist es im Wesentlichen schwierig, beide Eigenschaften zu verbessern. Im Allgemeinen sind die Abriebbeständigkeit und die Stoßbeständigkeit entgegengesetzte Eigenschaften und können nur schwer gleichzeitig verbessert werden, da die Eigenschaften von den Regionen und den Verwendungen der Überzüge abhängen; im Allgemeinen sind aber sowohl die Abriebbeständigkeit als auch die Stoßbeständigkeit notwendig, derart, dass es im Wesentlichen unmöglich ist, einen Überzug aufzubringen, dessen Eigenschaften für unterschiedliche Werkstücke unter verschiedenen Bearbeitungsbedingungen geeignet sind.
Aus diesem Grund haben der/die Anmelder in jüngerer Zeit mit der koreanischen Patentanmeldung Nr. 200343513 , eingereicht am 30. Juni 2003, ein sekundäres Verfahren zum Reduzieren der Bruchhäufigkeit aufgrund von mechanischen Stößen vorgeschlagen, wobei ein TiN-Überzug oder andere Überzüge mit einer guten Schlüpfrigkeit mit einem TiAlN-Überzug mit guter Abriebbeständigkeit kombiniert wurden, anstatt die Eigenschaften des Überzugs selbst zu verbessern.
Die Aufbringungszeit nimmt jedoch aufgrund der Reduzierung der Verdampfungsquelle zu, da zum Aufbringen des schlüpfrigen Überzugs eine andere Verdampfungsquelle benötigt wird als die Verdampfungsquelle zum Aufbringen des Hauptüberzugs. Beim kontinuierlichen Schneiden kommt es darüber hinaus zu Werkzeugbruch, da die Grundeigenschaften des Überzugs selbst nicht verbessert wurden.
Der/die Anmelder haben mit der koreanischen Patenteintragung Nr. 100622912 „A TiAlN-based multi-layer with antiwear and antishockcoated to cutting tool” (ein TiAlN-basierte Mehrschicht mit Abnutzungsbeständigkeit, die stoßfest auf ein Schneidwerkzeug aufgebracht ist) vorgestellt, um die Probleme zu lösen, wobei allerdings hinsichtlich der Erhöhung der Abriebbeständigkeit und der Oxidationsbeständigkeit Einschränkungen vorliegen.
Andererseits ist aktuellen industriellen und technischen Trends zufolge zur Steigerung der Produktivität eine Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit erforderlich, weshalb allgemein Wendeschneidplatten mit einem Überzug aus TiAlN anstelle von TiN oder TiCN benutzt werden, da TiAlN eine bessere Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Mit der Zunahme der Schneidgeschwindigkeit wurden die Überzüge zudem kontinuierlich weiterentwickelt, und die US-amerikanische Patentschrift Nr. US 5580653 beispielsweise schlägt einen einzelnen Überzug vor, wobei einer AlTiN-Überzugsstruktur Si zugesetzt wurde, um die Oxidationsbeständigkeit zu erhöhen, während die US-amerikanische Patentschrift Nr. US 6586122 eine mehrschichtige Struktur mit einem Zyklus von zwei Überzügen je nach dem Gehalt von Si für die zweite Überzugsstruktur vorschlägt.
Da jedoch bei diesen Patenten der Si-haltige Überzug im Vergleich zu dem Überzug ohne Si eine wesentlich höhere Druckspannung aufweist, weist er auch eine hohe Sprödheit auf. Der Si-haltige Überzug löst sich zudem aufgrund der hohen Druckspannung leicht ab, wenn er unmittelbar auf eine Wendeschneidplatte aufgebracht wird.
Zum Lösen der Probleme wurde eine Technik vorgeschlagen, die einen mehrschichtigen Überzug implementiert, indem ein Überzug ohne Si auf eine Wendeschneidplatte aufgebracht wird und ein anderes Si-Verhältnis angewandt wird, um auf diese Weise nur die Abriebbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.
Diese Technik weist allerdings ebenfalls ein Problem auf, indem zwei oder mehr Targetquellen mit unterschiedlichem Si-Gehalt in einer PVD-Beschichtungsvorrichtung bereitgestellt werden müssen und die Targets mit Si teuer sind, weshalb sie wirtschaftlich nachteilig ist.
Entscheidend ist es daher, eine mehrschichtige Überzugsstruktur zu implementieren, die wirtschaftlich vorteilhaft ist, indem nur ein Target mit Si oder Cr bereitgestellt wird, und die die Abplatzbeständigkeit aufweist, die die oben beschriebenen Patente verlangen, und einen mehrschichtigen Überzug, der neben den Eigenschaften der genannten mehrschichtigen Überzugsstruktur sowohl eine verbesserte Abriebbeständigkeit als auch eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um die Probleme des Stands der Technik zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrschichtigen Hartüberzug für eine Wendeschneidplatte bereitzustellen, der die Schichtablösung und den Werkzeugverschleiß minimieren kann, die bei der Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit auftreten können, indem nacheinander eine Basisschicht, eine Zwischenschicht und eine obere Schicht mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen und Überzugsstrukturen einzeln auf die Wendeschneidplatte aufgebracht werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrschichtigen Hartüberzug bereitzustellen, der eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, indem als ein Aufschichtungszyklus eine Schicht A, eine Schicht B, eine Schicht C und eine Schicht D aufgebracht werden, die unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen, und zwar in der Reihenfolge A/B/C/D oder A/D/C/B.
Technische Lösung
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, wird ein mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte bereitgestellt, wobei auf ein Hartmetall wie z. B. eine Schneidplatte, eine Schaftfräse und einen Bohrer oder ein Cermet-Werkzeug durch physikalisches Aufdampfen eine Basisschicht aufgebracht wird, um die Haftkraft zu verbessern und die Kristalle einer Oberfläche 200 auszurichten, anschließend ein mehrschichtiger Überzug aus (Ti, Al)N, bei dem es sich um eine Zwischenschicht handelt, aufgebracht wird, um die Stoßbeständigkeit und die Abplatzbeständigkeit zu erhöhen, und eine obere Schicht ausgebildet wird, indem abwechselnd eine Schicht A, eine Schicht B, eine Schicht C und eine Schicht D aufgeschichtet werden [Zusammensetzungsverhältnis 1]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schichten A, C[Ti(1 – x)Alx][C(1 – y)Ny], 0,3 ≤ x ≤ 0,5, 0,5 ≤ y ≤ 1, [Zusammensetzungsverhältnis 2]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht B [Ti(1 – q)Alq][C(1 – r)Nr], 0,6 ≤ q ≤ 0,8, 0,5 ≤ r ≤ 1, und [Zusammensetzungsverhältnis 3]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht D [Al(1 – (a + b))TiaMb]N; M[Si, Cr]0,3 ≤ a ≤ 0,5, 0,02 ≤ b ≤ 0,08, und die Überzugszusammensetzung der Basisschicht durch das Zusammensetzungsverhältnis 1 implementiert ist, die Überzugsstruktur der Zwischenschicht ein mehrschichtiger Überzug ist, der durch Aufbringen der Schicht A/Schicht B/Schicht C mit den Zusammensetzungsverhältnissen 1 und 2 ausgebildet ist, und die Überzugsstruktur der oberen Schicht durch abwechselndes Aufschichten der Schicht A, der Schicht B, der Schicht C und der Schicht D ausgebildet ist, die in den Zusammensetzungsverhältnissen 1, 2 und 3 implementiert sind und unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen, und zwar in der Schichtenreihenfolge A/B/C/D oder A/D/C/B.
Die Dicke eines einzelnen Überzugs aus (Ti, Al)N, wobei es sich um den Überzug der Basisschicht handelt, beträgt 0,05 bis 0,7 μm, die Dicke des mehrschichtigen Überzugs, wobei es sich um die Zwischenschicht handelt, die durch abwechselndes Aufbringen der Schichten A/B/C ausgebildet ist, die durch die Zusammensetzungsverhältnisse 1 und 2 implementiert sind, beträgt 1,0 bis 20,0 μm, wobei die mehrschichtige Überzugsstruktur einen Aufschichtungszyklus zwischen 1,0 und 50,0 nm aufweist, und wobei in der Überzugsstruktur der oberen Schicht die Überzugszusammensetzungsverhältnisse der Schicht A und der Schicht C gleich sind, und auf jeden Fall entweder die Schicht B oder die Schicht D abwechselnd zwischen der Schicht A und der Schicht D aufgeschichtet ist, wobei die Schichten A, B, C und D einen Aufschichtungszyklus (λ = 1,0 bis 50 nm) bilden und die Dicke der oberen Schicht 0,5 bis 5 μm beträgt.
Die Überzugsdicke einschließlich der gesamten Basisschicht, Zwischenschicht und oberen Schicht liegt im Bereich von 1,0 bis 30,0 μm.
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren verdeutlicht werden. In der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Begriffe oder Wörter sind nicht in ihrer allgemeinen und lexikalischen Bedeutung aufzufassen, sondern in der Bedeutung und dem Konzept, das dem technischen Grundgedanken der vorliegenden Erfindung entspricht, basierend auf dem Grundsatz, dass die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Konzepte von Begriffen angemessen definieren können, um ihre Erfindung möglichst klar darzustellen.
Vorteilhafte Wirkungen
Ein mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine verbesserte Haftkraft und eine stabile Kristallorientierung auf, indem nacheinander ein einzelner Überzug aus (Ti, Al)N auf die Basisschichtaufgebracht wird, ein mehrschichtiger Überzug aus (Ti, Al)N mit verbesserter Stoßbeständigkeit und Abplatzbeständigkeit auf eine Zwischenschicht aufgebracht wird, und sodann ein mehrschichtiger Überzug aus (Al, Ti, Si)N, der eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, auf einer oberen Schicht ausgebildet wird, um auf diese Weise einen mehrschichtigen Überzug auf der Fläche einer Wendeschneidplatte oder eines Werkzeugs aufzubringen, das Abriebbeständigkeit erfordert.
Insbesondere ist der einzelne (Ti, Al)N-Überzug, bei dem es sich um die Basisschicht handelt, für eine verbesserte Haftkraft und Kristallorientierung einer Fläche 200 vorgesehen, und weist eine Zusammensetzungsgleichung auf, die Ti(1 – x)Alx)(Atomverhältnis, 0,3 ≤ x ≤ 0,5)N erfüllt, sowie eine mittlere Überzugsdicke von 0,05 bis 0,7 μm. Der mehrschichtige (Ti, Al)N-Überzug, bei dem es sich um die Zwischenschicht handelt, ist für eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Abplatzbeständigkeit vorgesehen und ist durch abwechselndes Aufbringen von zwei Überzügen implementiert, wobei die Zusammensetzungsgleichung von einem der Überzüge einen einzelnen Überzug von (Ti(1 – z)Alz)N(Atomverhältnis, 0,6 ≤ z ≤ 0,8) erfüllt und die Zusammensetzungsgleichung von dem anderen Überzug einen einzelnen Überzug von (Ti(1 – z)Alz)N(Atomverhältnis, 0,3 ≤ q ≤ 0,5) erfüllt, und weist eine mittlere Überzugdicke von 1,0 bis 20,0 μm und einen mittleren Aufschichtungszyklus (λ) von 1,0 bis 50,0 nm auf.
Ferner ist der mehrschichtige Überzug aus (Al, Ti, Si)N, bei dem es sich um die obere Schicht handelt, für eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit vorgesehen, wobei die Überzugsstruktur gebildet ist, indem abwechselnd eine Schicht A, eine Schicht B, eine Schicht C und eine Schicht D mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen in der Reihenfolge A/B/C/D oder A/D/A/B aufgebracht werden. Die Zusammensetzungsgleichung der Schicht A und der Schicht B, die das gleiche Zusammensetzungsverhältnis aufweisen, erfüllt (Ti(1 – x)Alx)N(Atomverhältnis, 0,3 ≤ z ≤ 0,5), die Zusammensetzungsgleichung der Schicht C erfüllt (Ti(1 – q)Alq)N(Atomverhältnis, 0,6 ≤ q ≤ 0,8), und die Zusammensetzungsgleichung der Schicht D erfüllt [Al(1 – (a + b))TiaSib]N(Atomverhältnis, 0,3 ≤ a ≤ 0,5, 0,02 ≤ b ≤ 0,08), wobei die mittlere Überzugsdicke 0,5 bis 5,0 μm beträgt und der mittlere Aufschichtungszyklus (λ) 1,0 bis 50,0 nm beträgt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Wendeschneidplatte herzustellen, die das Ablösen und den Abrieb minimieren kann, die beim Schneiden bei hoher Geschwindigkeit auftreten können, weshalb für die Industrie wesentliche Wirkungen zu erwarten sind.
Art der Ausführung der Erfindung
Im Folgenden soll ein mehrschichtiger Hartüberzug für eine Wendeschneidplatte gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Auf eine detaillierte Beschreibung zugehöriger bekannter Funktionen oder Konfigurationen wird bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verzichtet, um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht zu verdunkeln.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Überzugsstruktur mit einzelnen Schichten einer Basisschicht zur Verbesserung der Haftkraft und der Kristallanordnung auf einer Oberfläche 200, einer Zwischenschicht mit verbesserter Stoßbeständigkeit und Abplatzbeständigkeit, und einer oberen Schicht mit verbesserter Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit ausgebildet wird.
Zum Erreichen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Lichtbogenprozess oder Aufdampfen verwendet, wobei es sich um allgemein bekannte Gasphasenabscheidungsverfahren handelt. Gemäß der Konfiguration einer Vorrichtung für den Lichtbogenprozess werden Targets zum Ausbilden von Metallkomponenten eines Hartüberzugs an Verdampfungsquellen montiert und auf ein Beschichtungsmaterial aufgebracht, das auf einem Drehtisch angebracht ist, an den durch Zuführen eines vorbestimmten Stroms eine vorbestimmte Spannung angelegt wird.
Ferner wird der Vorrichtung während des Aufbringens ein Stickstoffgas zugeführt, um einen komplexen Nitridüberzug auszubilden. Die Anordnung der Targets, die an den Verdampfungsquellen montiert sind, ist in Tabelle 1 gezeigt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, erfüllen die Zusammensetzungsverhältnisse die Zusammensetzungsgleichungen, und der Tisch mit dem Beschichtungsmaterial dreht sich in der Reihenfolge erste Verdampfungsquelle, zweite Verdampfungsquelle, dritte Verdampfungsquelle und vierte Verdampfungsquelle.
Ferner sind die erste Verdampfungsquelle und die dritte Verdampfungsquelle sowie die zweite Verdampfungsquelle und die vierte Verdampfungsquelle jeweils einander gegenüber am Tisch angeordnet.

Auf diese Weise wird von der ersten Verdampfungsquelle und der dritten Verdampfungsquelle ein Überzug aus (Ti, Al)N aufgebracht, um die Basisschicht aufzubringen, ein mehrschichtiger Überzug aus (Ti, Al)N mit einem anderen Al-Gehalt wird von der ersten, zweiten und vierten Verdampfungsquelle aufgebracht, um die Zwischenschicht aufzubringen, und die obere Schicht wird von der ersten, zweiten, dritten und vierten Verdampfungsquelle in dieser Reihenfolge aufgebracht. Tabelle 1

Probenname		An Verdampfungsquelle montierter Targettyp
Probenname		Erste, dritte Verdampfungsquelle	Zweite Verdampfungsquelle	Vierte Verdampfungsquelle
A-1	Zusammensetzungsgleichung	Ti_(1-x)Al_x	Ti_(1-y)Al_y	Al(1 – (a + b)Ti_aSi_b
A-1	Zusammensetzungsverhältnis	0,35 ≤ x ≤ 0,5	0,6 ≤ y ≤ 0,8	0,3 ≤ a ≤ 0,5 0,02 ≤ b ≤ 0,08
A-2	Zusammensetzungsgleichung	Ti_(1-x)Al_x	Al_(1-(a+b)Ti_aSi_b	Ti_(1-y)Al_y
A-2	Zusammensetzungsverhältnis	0,3 ≤ x ≤ 0,5	0,3 ≤ a ≤ 0,5 0,02 ≤ b ≤ 0,08	0,6 ≤ y ≤ 0,8
A-3	Zusammensetzungsgleichung	Ti_(1-x)Al_x	Ti_(1-y)Al_y	Al_(1-(a+b)Ti_aCr_b
A-3	Zusammensetzungsverhältnis	0,35 ≤ x ≤ 0,5	0,6 ≤ y ≤ 0,8	0,3 ≤ a ≤ 0,5 0,02 ≤ b ≤ 0,08
A-4	Zusammensetzungsgleichung	Ti_(1-x)Al_x	Al_(1-(a+b)Ti_aCr_b	Ti_(1-y)Al_y
A-4	Zusammensetzungsverhältnis	0,3 ≤ x ≤ 0,5	0,3 ≤ a ≤ 0,5 0,02 ≤ b ≤ 0,08	0,6 ≤ y ≤ 0,8

Die Aufbringungsbedingungen beinhalten das Herstellen eines Argongasflusses von 1000 sccm in die Kammer und das Aufrechterhalten der an das Beschichtungsmaterial angelegten Spannung bei 150 bis 400 V, um erste Verunreinigungen und einen Oxidüberzug auf der Oberfläche des Beschichtungsmaterials zu entfernen.
Dieser Prozess wird im Allgemeinen als Ätzen bezeichnet. Anschließend wird der Kammer kontinuierlich ein Stickstoffgas von 2000 bis 3000 sccm zugeführt, und die Spannung, die an das Beschichtungsmaterial angelegt wird, wird zwischen 30 und 200 V gehalten. Bei diesem Prozess wird der Strom, der an die Verdampfungsquellen angelegt wird, zwischen 80 und 150 A gehalten, und der Innendruck der Kammer wird zwischen 2,0 und 4,0 Pa gehalten. Als nächstes wird das Innere der Kammer durch ein Stickstoffgas gekühlt.
Die Aufbringungsbedingungen werden in äquivalenter Weise auf das Aufbringen der Basisschicht, der Zwischenschicht und der oberen Schicht angewandt, wobei die Schichten mit unterschiedlichen Überzugsstrukturen aufgebracht werden.

a) Bei der Überzugsstruktur der Basisschicht wachst zunächst die Oberfläche 200, die durch Al in Bezug auf die Spanfläche und die Freifläche einer Schneidklinge horizontal ausgerichtet ist, in einem einzelnen Überzug aus (Ti, Al)N, wobei dann, wenn das Verhältnis von Ti zu Al weniger als 0,3 beträgt, die Orientierung der Oberfläche 200 nicht ausreichend ist, während die Kristallisation der Oberfläche nicht ausreichend ist, wenn das Verhältnis über 0,5 liegt.

Wenn die Überzugsdicke weniger als 0,05 μm beträgt, reduziert die hohe Orientierung der Oberfläche 200 die Kristallorientierungs-Hysteresewirkung auf die harte Beschichtung der oberen Schicht und reduziert zudem die Anhaftung. Wenn der Überzug in einer Dicke von 0,7 μm aufgebracht wird, lassen sich eine ausreichende Kristallorientierungs-Hysteresewirkung und Anhaftung erreichen.

b) Bei der Überzugsstruktur der Zwischenschicht wird der mehrschichtige Überzug aus (Ti, Al)N mit unterschiedlichen Al-Verhältnissen abwechselnd in Einzelüberzügen mit einem signifikant voneinander abweichenden Elastizitätsmodul aufgebracht, derart, dass sich die Stoßbeständigkeit und die Festigkeit verbessern lassen. Das bedeutet, der Einzelüberzug aus (Ti, Al)N mit einer geringen Menge an Al weist einen kleineren Elastizitätsmodul auf als der Einzelüberzug aus (Ti, Al)N mit einer großen Menge an Al, und es ist möglich, durch Anpassen des Aufschichtungszyklus Werkzeugbruch und Abplatzen aufgrund von Stößen durch den Schneidvorgang zu steuern. Wenn die Überzugsdicke weniger als 1,0 μm beträgt, kann die Kristallorientierung der Oberfläche 100, die als die Basisschicht gewachsen ist, beeinträchtigt werden, und bei einem Aufschichtungszyklus von weniger als 1,0 μm kann die Härte reduziert werden.

Wenn die Überzugsdicke mehr als 10,0 μm beträgt, kann die hohe Druckspannung im Überzug selbst zu einer Eigenablösung führen, und wenn der Aufschichtungszyklus über 50,0 nm liegt, ist es schwierig, die Entstehung von Lageveränderungen und eine Bewegung zwischen den Überzügen zu steuern, wodurch die Härte reduziert werden kann.

c) Bei der Überzugsstruktur der oberen Schicht ist es möglich, sowohl die Abriebbeständigkeit als auch die Oxidationsbeständigkeit zu erhöhen, indem die Schicht A und die Schicht C mit dem Überzug aus (Ti, Al)N mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul hergestellt werden, und die Schicht B und die Schicht D mit einem Überzug mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul hergestellt werden, während die Schichten A/B/C/D nacheinander aufgebracht werden.

Das heißt, für die Schicht B werden die Schichten abwechselnd in der Reihenfolge A/B/C/D oder A/D/C/B aufgebracht, wobei als ein Überzug ein Überzug aus (Ti, Al) benutzt wird, der eine relativ große Menge an Al enthält, und als ein anderer Überzug ein Überzug aus (Al, Ti, Si)N oder (Al, Ti, Cr)N benutzt wird, der Si oder Cr enthält. Mit anderen Worten, die Überzugszusammensetzungsverhältnisse der Schichten A und C sind gleich, während die Schicht B und die Schicht D andere Überzugszusammensetzungsverhältnisse aufweisen, wobei es sich um einen Zyklus handelt. Die Wirkung, die durch Hinzufügen von Si und Cr erzielt werden kann, ist eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wie aus verschiedenen Dokumenten bekannt. Allerdings sind die Hinzufügungsverhältnisse und die Überzugsstrukturen unterschiedlich, anders als bei der vorliegenden Erfindung.
Beim Zusammensetzungsverhältnis des Überzugs aus (Al, Ti, Si)N oder des Überzugs aus (Al, Ti, Cr)N ist es möglich, die Härte und die Oxidationsbeständigkeit allein mit einer Mindestmenge zu verbessern, indem das Verhältnis von Si oder Cr auf einen Bereich zwischen 0,02 und 0,08 festgelegt wird, und das gesamte relative Elementeverhältnis einschließlich der Basisschicht und der Zwischenschicht auf einen Bereich zwischen 0,005 und 0,02 festgelegt wird.
Wenn der Gehalt von Si oder Cr für das Gesamtmetallelementverhältnis über 0,02 liegt, kann dies zu einer Ablösung führen, oder die hohe Spannung kann zu einem Härteverlust führen. Die Ablösung tritt auch bei einer Überzugsdicke von mehr als 10,0 μm auf, wodurch sogar die Aufschichtungsstruktur geschädigt werden kann. Dies ist auch der Grund für die Festlegung des Aufschichtungszyklus und der Überzugsdicke für die Zwischenüberzugsstruktur.
<Erste Ausführungsform>
Wie in der folgenden Tabelle 2 gezeigt, wurde für jeden Aufschichtungszyklus der Zwischenschicht und der oberen Schicht die Schneidleistung bewertet.
Ein Kugelfräser mit Doppelklingen mit Z10 und 30 mm Durchmesser wurde für eine Fräsprüfung verwendet. Die Schneidbedingungen waren wie folgt. Die Umfangsgeschwindigkeit betrugt 317 m/Min., die Anzahl der Umdrehungen betrug 4.000 U/Min. die Vorschubrate betrug 3.000 mm/Min., die Axialtiefe betrug 0,3 mm, die Radialtiefe betrug 0,5 mm und das Werkstück war aus wärmebehandeltem SKD11 mit einer Oberflächenhärte von etwa 50 (HRC), wobei kein Schmiermittel verwendet wurde.
Ein Schaftfräser mit Doppelklinge mit Z10 und 6 mm Durchmesser wurde für eine Schaftfräsprüfung verwendet. Die Schneidbedingungen waren wie folgt. Die Umfangsgeschwindigkeit betrugt 376 m/Min., die Anzahl der Umdrehungen betrug 20.000 U/Min. die Vorschubrate betrug 3.500 mm/Min., die Axialtiefe betrug 0,3 mm, die Radialtiefe betrug 1,2 mm und das Werkstück war aus wärmebehandeltem SKD11 mit einer Oberflächenhärte von etwa 50 (HRC), wobei kein Schmiermittel verwendet wurde.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, ist zu erkennen, dass zwischen der mehrschichtigen Struktur aus AlTiSiN und der mehrschichtigen Struktur aus AlTiCrN als Überzugsstruktur der oberen Schicht kein großer Unterschied in der Abriebbeständigkeit vorlag, dass aber ein signifikanter Unterschied für die Abriebbeständigkeit der Aufschichtungszyklen der mehrschichtigen Struktur vorlag.
Es ist zu erkennen, dass die Abriebbeständigkeit stark abnimmt, wenn ein Aufschichtungszyklus einen vorbestimmten kritischen Punkt überschreitet, ein Ergebnis, das aus vielen Dokumenten bekannt ist.

So wurde erkannt, dass durch geeignetes Kombinieren der Aufschichtungszyklen und der Überzugsstrukturen die Abriebbeständigkeit besonders unter Schneidbedingungen für die Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit verbessert werden konnte. Tabelle 2

Element	Probenname	Überzugsstruktur					Ergebnis der Schneidprüfung
		Basisschicht	Zwischenschicht		Obere Schicht		Kugelfräser	Schaftfräser
		Überzugsstruktur	Überzugsstruktur	Aufschichtungszyklus	Überzugsstruktur	Aufschichtungszyklus	Abrieb an der Freifläche (mm)	Abrieb an der Freifläche (mm)
Erfindung	A-1	Einzelüberzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN	1–30 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi SiN	1–30 nm	0,02	0,03
	A-2			1–30 nm		30–50 nm	0,04	0,05
	A-3			30–50 nm		1–30 nm	0,03	0,04
	A-4			30–50 nm		30–50 nm	0,07	0,08
	B-1			1–30 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi CrN	1–30 nm	0,05	0,06
	B-2			1–30 nm		30–50 nm	0,04	0,06
	B-3			30–50 nm		1–30 nm	0,06	0,07
	B-4			30–50 nm		30–50 nm	0,07	0,07
Vergleich	a-1			1–30 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi SiN	51–60 nm	0,20	0,31
	a-2			51–60 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi SiN	1–30 nm	0,30	0,35
	a-3			1–30 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi CrN	51–60 nm	0,15	0,21
	a-4			51–60 nm	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTi CrN	1–30 nm	0,22	0,21

<Zweite Ausführungsform>
Tabelle 3 zeigt, ob es je nachdem, ob die Basisschicht angebracht wird, zu einer Ablösung kommt, sowie die Ergebnisse der Schneidprüfung entsprechend der Überzugsstruktur der Zwischenüberzugsstruktur. Die Funktion der Basisschicht besteht darin, die Haftkraft zwischen der Zwischenschicht und der oberen Schicht zu erhöhen, indem ein Einzelüberzug aus TiAlN aufgebracht wird, und durch Orientieren der als erstes gewachsenen Fläche der Fläche 200 die Abriebbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Die Funktion der Zwischenschicht besteht darin, die Abplatzbeständigkeit und die Festigkeit zu erhöhen, wobei die Schneidbedingungen dieselben waren wie bei der ersten Ausführungsform oben.
Es konnte festgestellt werden, ob hinsichtlich der Festigkeit eine Wirkung des wichtigen Faktors der vorliegenden Erfindung vorlag. Ein Kugelfräser mit Doppelklingen mit Z10 und 30 mm Durchmesser wurde für eine Schneidprüfung mit begrenztem Vorschub verwendet. Die Schneidbedingungen waren wie folgt. Die Umfangsgeschwindigkeit betrugt 317 m/Min., die Anzahl der Umdrehungen betrug 4.000 U/Min. die Vorschubrate betrug 3.000 mm/Min., die Axialtiefe betrug 0,3 mm, die Radialtiefe betrug 0,5 mm und das Werkstück war aus wärmebehandeltem SKD11 mit einer Oberflächenhärte von etwa 50 (HRC) und wies zum Feststellen eine Bohrung an seiner Oberfläche auf. Gemessen wurden die Beschädigung der Schneidkante und die Bearbeitungsstrecke bis zum Auftreten von Abplatzungen.

Das Ergebnis zeigte, dass bei den Proben C3 und C4 ohne Basisschicht eine Ablösung auftrat, und es war zu erkennen, dass das Werkzeug bei den Proben C1 und C2 ohne Zwischenschicht aufgrund von Abplatzungen eine reduzierte Lebensdauer aufwies. Tabelle 3

Element	Probenname	Überzugsstruktur			Vorschubgrenze	Ablösung der Schneidkante (vor der Bearbeitung)
Element	Probenname	Basisschicht	Aufschichtungszyklus der Zwischenschicht (20 nm)	Aufschichtungszyklus der oberen Schicht (20 nm)	Bearbeitungsstrecke bis zur Beschädigung (m)	Ablösung der Schneidkante (vor der Bearbeitung)
Erfindung	C-1	Einzelüberzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiSiN	300	Nein
Erfindung	C-2	Einzelüberzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiCrN	295	Nein

Vergleich	c-1	Einzelüberzug TiAlN		Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiSiN	180 (Abplatzen)	Nein
	c-2	Einzelüberzug TiAlN		Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiCrN	170 (Abplatzen)	Nein
	c-3		Mehrschichtiger Überzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiSiN	100	Nein
	c-4		Mehrschichtiger Überzug TiAlN	Mehrschichtiger Überzug TiAlN/AlTiCrN	110	Nein

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise modifiziert und geändert werden kann, ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Man wird daher verstehen, dass die Modifikationen und Änderungen in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart einen mehrschichtigen Hartüberzug für eine Wendeschneidplatte. Der mehrschichtige Hartüberzug für die Wendeschneidplatte, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, wird gebildet, indem nacheinander eine Basisschicht, eine Zwischenschicht und eine obere Schicht mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen und Überzugsstrukturen einzeln auf die Wendeschneidplatte aufgebracht werden, wodurch ein Ablösen und Werkzeugverschleiß minimiert werden, die bei der Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit auftreten können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 200343513 [0005]
KR 100622912 [0007]
US 5580653 [0009]
US 6586122 [0009]

Claims

Mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte bereitgestellt, wobei auf ein Hartmetall wie z. B. eine Schneidplatte, eine Schaftfräse und einen Bohrer oder ein Cermet-Werkzeug durch physikalisches Aufdampfen eine Basisschicht aufgebracht wird, um die Haftkraft zu verbessern und die Kristalle einer Oberfläche 200 auszurichten, anschließend ein mehrschichtiger Überzug aus (Ti, Al)N, bei dem es sich um eine Zwischenschicht handelt, aufgebracht wird, um die Stoßbeständigkeit und die Abplatzbeständigkeit zu erhöhen, und eine obere Schicht ausgebildet wird, indem abwechselnd eine Schicht A, eine Schicht B, eine Schicht C und eine Schicht D aufgeschichtet werden [Zusammensetzungsgleichung 1]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schichten A, C [Ti(1 – x)Alx][C(1 – y)Ny], 0,3 ≤ x ≤ 0,5, 0,5 ≤ y ≤ 1, [Zusammensetzungsgleichung 2]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht B [Ti(1 – q)Alq][C(1 – r)Nr], 0,6 ≤ q ≤ 0,8, 0,5 ≤ r ≤ 1, und [Zusammensetzungsgleichung 3]: das Überzugszusammensetzungsverhältnis der Schicht D [A1(1 – (a + b))TiaMb]N; M[Si, Cr]0,3 ≤ a ≤ 0,5, 0,02 ≤ b ≤ 0,08, und und die Überzugszusammensetzung der Basisschicht durch die Zusammensetzungsgleichung 1 implementiert ist, die Überzugsstruktur der Zwischenschicht ein mehrschichtiger Überzug ist, der durch Aufbringen der Schicht A/Schicht B/Schicht C mit den Zusammensetzungsgleichungen 1 und 2 ausgebildet ist, und die Überzugsstruktur der oberen Schicht durch abwechselndes Aufschichten der Schicht A, der Schicht B, der Schicht C und der Schicht D ausgebildet wird, die in den Zusammensetzungsgleichungen 1, 2 und 3 implementiert sind und unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen, und zwar in der Schichtenreihenfolge A/B/C/D oder A/D/C/B.
Mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte nach Anspruch 1, wobei die Dicke eines einzelnen Überzugs aus (Ti, Al)N, wobei es sich um den Überzug der Basisschicht handelt, 0,05 bis 0,7 um beträgt, die Dicke des mehrschichtigen Überzugs, wobei es sich um die Zwischenschicht handelt, die durch abwechselndes Aufbringen der Schichten A/B/C ausgebildet ist, die durch die Zusammensetzungsgleichungen 1 und 2 implementiert sind, 1,0 bis 20,0 μm beträgt, wobei die mehrschichtige Überzugsstruktur einen Aufschichtungszyklus innerhalb von 1,0 bis 50,0 nm aufweist, und wobei in der Überzugsstruktur der oberen Schicht die Überzugszusammensetzungsverhältnisse der Schicht A und der Schicht C gleich sind, und auf jeden Fall entweder die Schicht B oder die Schicht D abwechselnd zwischen der Schicht a und der Schicht D aufgeschichtet ist, wobei die Schichten A, B, C und D einen Aufschichtungszyklus (λ = 1,0 bis 50 nm) bilden und die Dicke der oberen Schicht 0,5 bis 5 μm beträgt.
Mehrschichtiger Überzug für eine Wendeschneidplatte nach Anspruch 1, wobei die Überzugsdicke einschließlich der gesamten Basisschicht, Zwischenschicht und oberen Schicht im Bereich von 1,0 bis 30,0 μm liegt.