DE112009005368B4

DE112009005368B4 - Hartschicht und mit hartschicht beschichtetes werkzeug

Info

Publication number: DE112009005368B4
Application number: DE112009005368.8T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Sugita; Takamasa Suzuki
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: WO2011058636A1; KR101616600B1; CN102791409B; US8932707B2; KR20120085311A; JPWO2011058636A1; US20120213990A1; DE112009005368T5; CN102791409A; JP5497062B2

Abstract

Hartschicht (20, 30, 34, 40, 44) mit hervorragender Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit, die sich auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Bauteils (12) befindet, mit:einer ersten Schicht (22), die aus AlaCrb(SiC)cadN besteht und sich auf einer Oberseite befindet, wobei α ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa - außer Cr - des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0,35≤a≤0,76, 0,12≤b≤0,43, 0,05≤c≤0,20 und 0≤d≤0,20 sind; ein Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 liegt, der reich an Aluminium ist; und a+b+c+d=1 erfüllt ist, wobeidie Hartschicht eine Gesamtschichtdicke Ttotal in einem Bereich von 0,5 µm bis 15 µm hat bei einer Schichtdicke T1 der ersten Schicht (22) oder, falls ein anderer Schichtabschnitt (23, 42) mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht (22) enthalten ist, bei einer die Schichtdicke T1 und den anderen Schichtabschnitt (23, 42) einschließenden Schichtdicke, die 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hartschicht und insbesondere auf eine Hartschicht mit hervorragender Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit.
STAND DER TECHNIK
Eine Hartschicht wird weithin auf Oberflächen von vorbestimmten Bauteilen aus Werkzeuggrundmaterialien wie Schnellarbeitswerkzeugstahl und Hartmetall eingesetzt. Die Wärmebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur) einer Schicht ist zum Beispiel für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines Werkstückmaterials hoher Härte sehr wichtig und hat eine deutliche Auswirkung auf die Werkzeuglebenslauer. Als eine solche Hartschicht mit hervorragender Wärmebeständigkeit sind zum Beispiel herkömmlicher Weise Schichten auf TiAIN-Basis und AlCrN-Basis bekannt (siehe z. B. JP 2007 - 15 106 A , JP 2007 - 119 795 A , JP 2007- 2 332 A , JP 2006 - 307 323 A , JP 2004 - 130 514 A , DE 601 24 061 T2 , JP 2006 - 192 545 A und US 7 504 149 B2 ).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Allerdings können Schneidkanten unter harten Bearbeitungsbedingungen verwendet werden, die bei der Zerspanarbeit aufgrund einer weiteren Geschwindigkeitserhöhung und Effizienzerhöhung zu höheren Temperaturen der Schneidkanten führen, weswegen von Hartschichten verlangt wird, dass sie eine weiter verbesserte Wärmebeständigkeit haben. Aufgrund von Umweltbedenken muss die verwendete Menge an Schneidflüssigkeit verringert werden; doch führt die Verringerung der verwendeten Menge an Schneidflüssigkeit tendenziell zu einer höheren Temperatur der Werkzeuge; und in dieser Hinsicht wird nach einer Verbesserung der Wärmebeständigkeit der Hartschichten verlangt.
Die Erfindung erfolgte angesichts dieser Situation und es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Hartschicht zur Verfügung zu stellen, die eine noch bessere Wärmebeständigkeit sicherstellt.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die obige Aufgabe zu lösen, sieht die erste Ausgestaltung der Erfindung eine Hartschicht mit hervorragender Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit vor, die sich auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Bauteils befindet und Folgendes umfasst: (a) eine erste Schicht, die aus Al_aCr_b(SiC)_ca_dN besteht [wobei o ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa (außer Cr) des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0,35≤a≤0,76, 0,12≤b≤0,43, 0,05≤c≤0,20 und 0≤d≤0,20 sind; ein Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 liegt, der reich an Aluminium ist; und a+b+c+d=1 erfüllt ist] und sich auf einer Oberseite befindet, (b) wobei die Hartschicht eine Gesamtschichtdicke Ttotal in einem Bereich von 0,5 µm bis 15 µm hat bei einer Schichtdicke T1 der ersten Schicht oder, falls ein anderer Schichtabschnitt mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht enthalten ist, bei einer die Schichtdicke T1 und den anderen Schichtabschnitt einschließenden Schichtdicke, die 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.
Die zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht die bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung angegebene Hartschicht vor, wobei (a) sich die erste Schicht direkt auf einer Oberfläche des vorbestimmten Bauteils befindet und nur aus der ersten Schicht besteht und wobei (b) die Schichtdicke T1 der ersten Schicht die Gesamtschichtdicke Ttotal ist.
Die dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht die bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung angegebene Hartschicht vor, wobei die Hartschicht eine zweite Schicht hat, die aus Ti_eAl_fCr_gβ_hN besteht [wobei β ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa (außer Ti, Cr) des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; e, f, g und h jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0≤e≤0,64, 0,32≤f≤0,81, 0≤g≤0,40 und 0≤h≤0,20 sind; e und g nicht gleichzeitig null sind; und e+f+g+h=1 erfüllt ist] und sich auf einer Oberfläche des vorbestimmten Bauteils zwischen dem vorbestimmten Bauteil und der ersten Schicht befindet.
Die vierte Ausgestaltung der Erfindung sieht die bei der dritten Ausgestaltung der Erfindung angegebene Hartschicht vor, wobei (a) sich die erste Schicht direkt auf der zweiten Schicht befindet und die Hartschicht nur aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht besteht und wobei (b) die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.
Die fünfte Ausgestaltung der Erfindung sieht die bei der dritten Ausgestaltung der Erfindung angegebene Hartschicht vor, wobei die Hartschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine Zwischenschicht hat, die aus einer Wechselschicht mit abwechselnd aufgestapelten Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht und die zweite Schicht oder einer Mischschicht mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht und der zweiten Schicht besteht.
Die sechste Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein mit einer Hartschicht beschichtetes Werkzeug, bei dem eine Oberfläche eines Werkzeuggrundmaterials mit der Hartschicht einer der ersten bis fünften Ausgestaltungen der Erfindung beschichtet ist.
Wirkungen der Erfindung
Bei der Hartschicht gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Schicht, die aus Al_aCr_b(SiC)_ca_dN besteht, das durch Zugeben von SiC (Siliciumcarbid) mit einem Atomverhältnis von 0,05 bis 0,20 zu einer aluminiumreichen Schicht auf AlCrN-Basis ausgebildet wird, die das Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 hat, auf zumindest einer Oberseite der Hartschicht mit einer Schichtdicke T1 der ersten Schicht ausgebildet oder nimmt, falls ein anderer Schichtabschnitt mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht enthalten ist, eine die Schichtdicke T1 und den anderen Schichtabschnitt einschließende Schichtdicke von 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ein, und daher wird eine noch bessere Wärmebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur) erreicht, während eine vorbestimmte Abrasionsbeständigkeit sichergestellt wird. Dies ermöglicht zum Beispiel eine Hocheffizienzbearbeitung wie ein Hochlastzerspanen mit einer größeren Schneidetiefe und eine Zerspanarbeit unter harten Bedingungen, die zu einer höheren Temperatur von Schneidkanten führen, etwa eine Hochgeschwindigkeitszerspanarbeit bei einem Material hoher Härte, oder verlängert die Lebensdauer eines Werkzeugs bei einer solchen Zerspanarbeit und ermöglicht die Verringerung einer verwendeten Menge an Schneidflüssigkeit.
Falls α mit einem Atomverhältnis von kleiner oder gleich 0,20 zugegeben wird, wird eine noch bessere Wärmebeständigkeit erreicht. Dadurch werden zum Beispiel unter Bedingungen, die wie bei einer Hochgeschwindigkeitsspanbohrarbeit lokal Schneidkanten (wie Ecken eines Bohrers) für lange Zeit höheren Temperaturen aussetzen, eine hervorragende Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit erreicht, wodurch sich die Haltbarkeit (Werkzeuglebensdauer) verbessert. Es wurde zwar bei einem Schaftfräser oder dergleichen, bei dem eine Last gleichmäßig auf die Schneidkanten wirkt, durch die Zugabe von α keine klare Ausdauerverbesserungswirkung festgestellt, doch verbessert sich die Haltbarkeit verglichen mit dem Fall ohne Zugabe von α bei einer Hochgeschwindigkeitsbohrarbeit mit einem Bohrer.
Da die dritte Ausgestaltung der Erfindung den Fall darstellt, bei dem sich auf einer Oberfläche des vorbestimmten Bauteils die aus Ti_eAl_fCr_gβ_hN bestehende zweite Schicht befindet, die zäh ist und eine hervorragende Haftung hat, verbessert sich die Haftung der Hartschicht und wird, da die Schichtdicke des Abschnitts mit den Schichtbestandteilen der ersten Schicht größer oder gleich 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal ist, aufgrund der Schichtbestandteile der ersten Schicht ordnungsgemäß die Wärmebeständigkeitsverbesserungswirkung erreicht. Falls zum Beispiel eine Hochgeschwindigkeitszerspanarbeit mit Trockenbearbeitung (Gebläseluft) eines Werkstückmaterials mit einer hohen Härte von 50 HRC oder mehr erfolgt, wird daher das Ablösen der Schicht unterdrückt und werden ordnungsgemäß eine hervorragende Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit erreicht. Zum Beispiel kann eine TiAl-Verbindung zwar eine schlechte Oxidationsbeständigkeit haben, da die Oxidation von Ti schneller als die Oxidation von Al ist, doch kann davon ausgegangen werden, dass die Zugabe von β die Sauerstofffehlstellenkonzentration von Ti-Oxid verringert und seine Wachstumsgeschwindigkeit verringert. Dadurch wird eine gleichmäßige Al-Oxidschicht erleichtert, wodurch die Oxidationsbeständigkeit sichergestellt wird.
Da die fünfte Ausgestaltung der Erfindung den Fall darstellt, bei dem sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht die Zwischenschicht befindet, die aus der Wechselschicht mit den abwechselnd aufgestapelten Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht und die zweite Schicht oder der Mischschicht mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht und der zweiten Schicht besteht, verbessert sich das Haftvermögen der ersten Schicht weiter und verbessert sich die Zähigkeit der Gesamtschicht. Dadurch wird das Ablösen der Oberflächenschicht selbst bei Bearbeitung eines schwer bearbeitbaren Materials (hartes, zähes Material) unterdrückt und wird für lange Zeit eine stabile Bearbeitungsleistung erreicht, wodurch sich die Werkzeuglebensdauer verbessert.
Da die sechste Ausgestaltung der Erfindung den Fall eines mit einer Hartschicht beschichteten Werkzeugs betrifft, bei dem eine Oberfläche eines Werkzeuggrundmaterials mit der Hartschicht einer der ersten bis fünften Ausgestaltungen der Erfindung beschichtet ist, wird im Wesentlichen die gleiche Wirkungsweise wie von der Hartschicht bei den ersten bis fünften Ausgestaltungen der Erfindung erreicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Darstellung, die einen Kugelschaftfräser zeigt, bei dem die Erfindung Anwendung findet; (a) ist eine Vorderansicht in einer Richtung senkrecht zur Schaftmitte; (b) ist eine vergrößerte Bodenansicht von der Vorderendenseite aus; (c) ist eine vergrößerte Schnittansicht in der Umgebung der Oberfläche des mit der Hartschicht versehenen Schneideabschnitts.
2 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Unterschieds zwischen AICr(SiC)N und AlCrSiCN; (a) ist eine konzeptionelle Darstellung der Atomstruktur von AICr(SiC)N; (b) ist eine konzeptionelle Darstellung der Atomstruktur von AICrSiCN; (c) ist eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkung von Si in AICrSiCN.
3 ist eine Vergleichsdarstellung von XPS-Messergebnissen zwischen einer SiC enthaltenden Probe, die SiC als Verbindung enthält, und einer nicht SiC enthaltenden Probe, die nicht SiC als Verbindung enthält.
4 ist eine Darstellung zur Erläuterung anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung; (a) und (b) sind beides Schnittansichten, die 1(c) entsprechen.
5 ist eine Darstellung zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung; (a) und (b) sind beides Schnittansichten, die 1(c) entsprechen.
6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Versuchsbedingungen für den Fall, dass an einer Vielzahl von Arten von Versuchsproben, zu denen erfindungsgemäße Proben und herkömmliche Proben gehören, ein Haltbarkeitsversuch durchgeführt wird.
7 zeigt im Einzelnen Schichtzusammensetzungen und die Schichtdicke der im Haltbarkeitsversuch von 6 verwendeten Versuchsproben und ist eine Darstellung zur Erläuterung des Versuchsergebnisses für den Haltbarkeitsversuch und den Wärmebeständigkeitsversuch oder dergleichen von 6.
8 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Versuchsbedingungen für den Fall, dass an einer Vielzahl von Arten von Versuchsproben, zu denen erfindungsgemäße Proben und herkömmliche Proben gehören, ein Haltbarkeitsversuch durchgeführt wird, der zu dem von 6 verschieden ist.
9 ist eine Darstellung, die im Einzelnen Schichtzusammensetzungen und die Schichtdicke der im Haltbarkeitsversuch von 8 verwendeten Versuchsproben zeigt.
10 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Versuchsergebnisses für den Haltbarkeitsversuch und den Wärmebeständigkeitsversuch oder dergleichen von 8 bezogen auf die Versuchsproben von 9.
11 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Versuchsbedingungen für den Fall, dass ein Haltbarkeitsversuch mit einem Bohrer durchgeführt wird, der mit der gleichen Hartschicht wie die Versuchsproben Nr. 30, 49, 50, 56 und 59 von 9 beschichtet ist.
12 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Versuchsergebnisses für den Haltbarkeitsversuch von 11.

AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung kommt vorzugsweise bei Hartschichten zum Einsatz, die sich auf Oberflächen von verschiedenen Arbeitswerkzeugen befinden, zu denen sich drehende Zerspanungswerkzeuge wie ein Schaftfräser, Gewindebohrer und Bohrer, sich nicht drehende Zerspanungswerkzeuge wie ein Drehmeißel oder Walzwerkzeuge gehören, und kann auch bei Hartschichten zum Einsatz kommen, die sich auf Oberflächen von anderen Bauteilen als Bearbeitungswerkzeugen befinden, etwa bei Oberflächenschutzschichten von Halbleiterbauelementen usw. Als Werkzeuggrundmaterialien des mit der Hartschicht beschichteten Werkzeugs werden zwar vorzugsweise Hartmetall, Schnellarbeitswerkzeugstahl, Legierungswerkzeugstahl, Cermet, Keramik, polykristalliner Diamant (PCD), einkristalliner Diamant, polykristallines CBN und einkristallines CBN verwendet, doch lassen sich auch andere Werkzeugmaterialien einsetzen.
Als Mittel zur Ausbildung einer Hartschicht werden vorzugsweise ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren, ein Sputterverfahren und ein PVD-Verfahren (PVD: Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung) wie ein PLD-Verfahren (PLD: Puls-Laser-Abscheidung) verwendet. Um einen Schichtbildungsprozess auszuführen, können in Bezug auf das Al, Cr, Ti, SiC (Siliciumcarbid), α, β, usw., die die Hartschicht bilden, diese einzelnen Metalle, Legierungen usw. als Target verwendet werden; doch können, um den Schichtbildungsprozess auszuführen, als Target auch Legierungen usw. von Al_aCr_b, Al_aCr_ba_d, Ti_eAl_f, Ti_eAl_fCr_g, Ti_eAl_fβ_h und Ti_eAl_fCr_gβ_h, verwendet werden. N (Stickstoff) kann durch Zufuhr von Reaktionsgas zugegeben werden. C (Kohlenstoff) ist eine Option von α und β und kann durch Zufuhr von Reaktionsgas (etwa Kohlenstoffhydridgas) oder durch ein festes Target (C-Target, C-haltiges Target) zugegeben werden. „(SiC)“ in Klammern gibt als Elementbestandteil der ersten Schicht das Vorhandensein von Siliciumcarbid in der ersten Schicht in Form einer Verbindung an.
Das mit der Hartschicht beschichtete Werkzeug wird zwar vorzugsweise unter Bearbeitungsbedingungen verwendet, die zu einer höheren Temperatur von Schneidkanten führen, zum Beispiel bei einer Trockenzerspanarbeit bei höherer Geschwindigkeit und höherer Last und einer Hochgeschwindigkeitszerspanarbeit für ein Werkstückmaterial hoher Härte, und stellt eine hervorragende Haltbarkeit (Werkzeuglebensdauer) sicher, doch kann das mit der Hartschicht beschichtete Werkzeug natürlich auch unter Prozessbedingungen verwendet werden, die weniger Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit erfordern, zum Beispiel bei einer Zerspanarbeit, die eine Schneidflüssigkeit verwendet.
Das α der ersten Schicht und das β der zweiten Schicht schließen beide Atomverhältnisse d, h von null ein und werden beliebig zugegeben; die erste Schicht kann Al_aCr_b(SiC)_cN sein [wobei a+b+c= 1 ist]; und die zweite Schicht kann Ti_eAl_fCr_gN sein [wobei e+f+g=1 ist]. Falls α oder β zugegeben wird, sind die Atomverhältnisse a bis d so definiert, dass sie den Zusammenhang a+b+c+d=1 erfüllen, und die Atomverhältnisse e bis h sind so definiert, dass sie den Zusammenhang e+f+g+h=1 erfüllen. Wenn α und β beide zugegeben werden, kann α=β oder α≠β erfüllt sein.
Die Atomverhältnisse e und g von Ti und Cr der zweiten Schicht schließen zwar null ein, doch sind diese Atomverhältnisse e und g nicht gleichzeitig null, und die zweite Schicht ist so gestaltet, dass sie zumindest Ti oder Cr enthält. Ti und Cr können beide mit vorbestimmten Atomverhältnissen enthalten sein. Mit anderen Worten kann für die zweite Schicht neben TiAlCrβN TiAlβN oder AlCrβN verwendet werden.
Die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht liegt in einem Bereich von 0,5 µm bis 15 µm; im Fall von weniger als 0,5 µm wird die Leistung der Hartschicht nicht ausreichend erreicht; und im Fall von mehr als 15 µm kann sich die Werkzeugleistung aufgrund von Abrundung usw. von Schneidkanten des Zerspanungswerkzeugs verschlechtern. Falls die Schichtdicke, die die erste Schicht und andere Schichtabschnitte mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht einschließt, bezogen auf die Gesamtschichtdicke Ttotal weniger als 20% beträgt, wird die Wirkung, die Wärmebeständigkeit aufgrund der Schichtbestandteile der ersten Schicht zu verbessern, nicht ausreichend erreicht, und daher wird die Schichtdicke auf größer oder gleich 20% eingestellt. Es wird angenommen, dass zu anderen Schichtabschnitten mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht zum Beispiel eine Wechselschicht, bei der abwechselnd eine Schicht mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht und eine andere Schicht aufgestapelt sind, oder eine Mischschicht, die Schichtbestandteile der ersten Schicht mit anderen Schichtbestandteilen gemischt hat, gehört; im Fall der Wechselschicht ist die Gesamtschichtdicke der Schichtabschnitte der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht inbegriffen; und im Fall der Mischschicht ist ihre Gesamtschichtdicke inbegriffen. Es ist noch erstrebenswerter, dass die Schichtdicke T1 der auf der Oberseite befindlichen ersten Schicht allein 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.
Bei der dritten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zwar eine zweite Schicht zwischen dem vorbestimmten Bauteil und der ersten Schicht und bei der fünften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zudem eine Zwischenschicht zwischen der zweiten Schicht und der ersten Schicht, doch kann die erste Ausgestaltung der Erfindung derart umgesetzt werden, dass sich zumindest die erste Schicht auf der Oberseite befindet; die Hartschicht kann wie in der zweiten Ausgestaltung der Erfindung nur aus der ersten Schicht bestehen; und zwischen dem vorbestimmten Bauteil und der ersten Schicht kann sich ein anderer Unterbau mit anderen Bestandteilen als die zweite Schicht befinden. Zwischen dem vorbestimmten Bauteil und der ersten Schicht können sich zwei oder mehr Arten von Schichten befinden, die von der zweiten Schicht oder der Zwischenschicht verschieden sind, und es können unter der Voraussetzung, dass die Gesamtschichtdicke der ersten Schicht und des Abschnitts mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht bezogen auf die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht größer oder gleich 20% ist, verschiedene Formen umgesetzt werden. Bei der Umsetzung der dritten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Hartschicht eingesetzt werden, die einen mehrschichtigen Aufbau hat, bei dem abwechselnd Schichten mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die zweite Schicht und die erste Schicht aufgestapelt sind. In diesem Fall kann die Schichtdicke, die durch Hinzufügen der Schichtdicke T1 zur Gesamtschichtdicke der Schichten mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht erreicht wird, auf größer oder gleich 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal eingestellt werden.
Die Zwischenschicht der fünften Ausgestaltung der Erfindung besteht zwar aus einer Wechselschicht mit abwechselnd aufgestapelten Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht und die zweite Schicht oder einer Mischschicht mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, doch kann die Wechselschicht die Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht und die zweite Schicht abwechselnd für zumindest eine Periode aufgestapelt haben; beide Schichten können die gleiche oder verschiedene Dicken haben; und daher werden die Anzahl an Stapelperioden und die jeweilige Schichtdicke nach Bedarf eingestellt. Die Mischschicht enthält alle Bestandteile der ersten Schicht und der zweiten Schicht und kann ausgebildet werden, indem sämtliche Targets und Reaktionsgase verwendet werden, die bei den Schichtbildungsprozessen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verwendet werden. Die Schichtdicke der Zwischenschicht wird zwar nach Bedarf derart eingestellt, dass die Summe der Schichtdicke des Abschnitts mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht in der Zwischenschicht (die Gesamtschichtdicke im Fall der Mischschicht oder die Gesamtschichtdicke der Schichten mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht im Fall der Wechselschicht) und die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal einnehmen, doch kann die Schichtdicke T1 der ersten Schicht auf der Oberseite allein 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal einnehmen. Eine Wechselschicht, die als Zwischenschicht eingesetzt wird, kann einen mehrschichtigen Aufbau haben, bei dem Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht und die zweite Schicht abwechselnd für ein oder mehr Perioden mit der Mischschicht oder einer anderen dazwischen liegenden Schicht aufgestapelt sind.
Erstes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun ausführlich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
1 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Kugelschaftfräsers 10, der ein Beispiel eines mit einer Hartschicht beschichteten Werkzeugs ist, bei dem die Erfindung zum Einsatz kommt; (a) ist eine Vorderansicht in einer Richtung senkrecht zur Schaftmitte; (b) ist eine vergrößerte Bodenansicht von der Vorderendenseite (der rechten Seite in der Ansicht von (a)) aus; ein Werkzeuggrundmaterial 12 aus Hartmetall oder Schnellarbeitswerkzeugstahl ist einstückig mit einem Schneideabschnitt 14 versehen, der von einem Schaft ausgeht. Der Schneideabschnitt 14 ist symmetrisch zur Schaftmitte mit Paaren von Umfangsschneidkanten 16 und Kugelschneidkanten 18 als Schneidkanten versehen und wird um die Schaftmitte herum drehend angetrieben, um mit den Umfangsschneidkanten 16 und den Kugelschneidkanten 18 eine Zerspanarbeit durchzuführen, wobei die Oberfläche des Schneideabschnitts 14 mit einer Hartschicht 20 beschichtet ist. Der schraffierte Bereich von 1(a) stellt die Hartschicht 20 dar, und 1(c) ist eine Schnittansicht in der Umgebung der Oberfläche des mit der Hartschicht 20 beschichteten Schneideabschnitts 14. Der Kugelschaftfräser 10 ist ein sich drehendes Zerspanungswerkzeug, und das Werkzeuggrundmaterial 12 entspricht einem vorbestimmten Bauteil, das mit der Hartschicht 20 versehen ist.
Wie in 1(c) zu erkennen ist, ist die Hartschicht 20 eine einlagige Schicht, die nur aus einer ersten Schicht 22 besteht, die sich direkt auf der Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 befindet. Die erste Schicht 22 besteht aus Al_aCr_b (SiC)_ca_dN [wobei α ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa (außer Cr) des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0,35≤a≤0,76, 0,12≤b≤0,43, 0,05≤c≤0,20 und 0≤d≤0,20 sind; das Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 liegt, der reich an Aluminium ist; und a+b+c+d=1 erfüllt ist], und die Schicht wird unter Verwendung einer Lichtbogen-Ionenplattieranlage mit einem vorbestimmten Target und einem Reaktionsgas ausgebildet. Die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22, d. h. die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht 20, liegt in einem Bereich von 0,5 bis 15 µm.
Die Hartschichten, die durch die in 7 gezeigten Versuchsproben Nr. 5, 6, 8 bis 11, 13, 15 bis 22, 24 und 25 angegebenen werden, sind spezifische Beispiele der Hartschicht 20 dieses Ausführungsbeispiels.
„(SiC)“ bedeutet als Elementbestandteil der ersten Schicht 22 das Vorhandensein von Siliciumcarbid in der ersten Schicht 22 in Form einer Verbindung, und wegen der Zugabe von SiC (Siliciumcarbid) mit einem Atomverhältnis von 0,05 bis 0,20 wird eine hervorragende Wärmebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur) erreicht, während eine vorbestimmte Abrasionsbeständigkeit sichergestellt wird. 2(a) ist eine konzeptionelle Darstellung der Atomstruktur, wenn α in der ersten Schicht 22 dieses Ausführungsbeispiels das Atomverhältnis d = 0 hat, d. h. die Atomstruktur von AlCr(SiC)N, wobei SiC in Form einer Verbindung vorhanden ist. Im Gegensatz dazu sind im Fall von AlCrSiCN, wie in 2(b) gezeigt ist, Si und C getrennt vorhanden. Wenn Si und C auf diese Weise im AICrSiCN getrennt vorhanden sind, konzentriert sich das Si, da Si leicht mit Sauerstoff kombiniert, an der sauerstoffreichen Oberfläche, wie in 2(c) gezeigt ist, und kombiniert das Si mit Sauerstoff, um auf der Oberfläche Siliciumoxid zu bilden, wodurch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit (Wärmebeständigkeit) erzielt wird.
Da jedoch Si aus der Schicht verloren geht, verringert sich die Dichte von Si in der Schicht, was die Abrasionsbeständigkeit verschlechtert. Da andererseits im Fall von AlCr(SiC)N aufgrund des Vorhandenseins in Form der SiC-Verbindung die Bindung mit Sauerstoff verringert wird und die Atommigration von Si zur Oberfläche nicht stattfindet, kann die Oxidationsbeständigkeit verbessert werden, während eine vorbestimmte Abrasionsbeständigkeit beibehalten wird. Das Vorhandensein von SiC in der Schicht kann anhand eines XPS-Messergebnisses (XPS: Röntgenfotoelektronenspektroskopie) ermittelt werden. 3 ist eine Darstellung eines Vergleichs von XPS-Messergebnissen zwischen dem Fall (SiC enthaltende Probe), dass SiC als Verbindung enthalten ist, und dem Fall (nicht SiC enthaltende Probe), dass SiC nicht als Verbindung enthalten ist, wobei die SiC enthaltende Probe einen Peak nahe bei 282 eV hat und anhand des Vorhandenseins dieses Peaks ermittelt werden kann, ob SiC in Form einer Verbindung enthalten ist.
Die Hartschicht 20 des Kugelschaftfräsers 10 dieses Ausführungsbeispiels setzt sich aus der ersten Schicht 22 zusammen, die aus Al_aCr_b(SiC)_ca_dN besteht, die durch Zugabe von SiC (Siliciumcarbid) mit einem Atomverhältnis von 0,05 bis 0,20 zu einer aluminiumreichen Schicht auf AlCrN-Basis ausgebildet wird, die das Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 hat, weswegen eine noch bessere Wärmebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur) erreicht wird, während eine vorbestimmte Abrasionsbeständigkeit sichergestellt wird. Dies ermöglicht zum Beispiel eine Hocheffizienzbearbeitung wie ein Hochlastzerspanen mit größerer Schneidetiefe und eine Zerspanarbeit unter schweren Bedingungen, die wie eine Hochgeschwindigkeitszerspanarbeit an einem Material hoher Härte eine höhere Temperatur von Schneidkanten verursachen, oder verlängert die Lebensdauer eines Werkzeugs bei einer solchen Zerspanarbeit und ermöglicht die Verringerung einer verwendeten Menge an Schneidflüssigkeit.
Wenn α mit einem Atomverhältnis von kleiner oder gleich 0,20 zugegeben wird (z. B. Versuchsproben Nr. 15 bis 18, 24 und 25 von 7), wird eine noch bessere Wärmebeständigkeit erreicht. Dadurch werden zum Beispiel unter Bedingungen, die wie bei der Hochgeschwindigkeitsspanbohrarbeit Schneidkanten (etwa Ecken eines Bohrers) lokal für lange Zeit einer höheren Temperatur aussetzen, eine hervorragende Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit erreicht, wodurch sich die Haltbarkeit (Werkzeuglebensdauer) verbessert. Wenn wie im Fall der Kugelschaftfräsers 10 dieses Ausführungsbeispiels eine Last im Wesentlichen gleichmäßig auf die Kugelschneidkanten 18 wirkt, kann aufgrund der Zugabe von α keine deutliche Ausdauerverbesserungswirkung erkannt werden.
Zweites Ausführungsbeispiel
Es werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Abschnitte, die die folgenden Ausführungsbeispiele mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemeinsam haben, werden mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht ausführlich beschrieben.
Die Hartschicht 30 von 4(a) weist zwischen dem Werkzeuggrundmaterial 12 und der ersten Schicht 22 eine zweite Schicht 32 auf. Die zweite Schicht 32 besteht aus Ti_eAl_fCr_gβ_hN [wobei β ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa (außer Ti, Cr) des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; e, f, g und h jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0≤e≤0,64, 0,32≤f≤0,81, 0≤g≤0,40 und 0≤h≤0,20 sind; e und g nicht gleichzeitig null sind; und e+f+g+h=1 erfüllt ist], und die Schicht wird wie im Fall der ersten Schicht 22 unter Verwendung einer Lichtbogen-Ionenplattieranlage mit einem vorbestimmten Target und einem Reaktionsgas ausgebildet. Die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht 30 liegt in diesem Fall wie im Fall der Hartschicht 20 in einem Bereich von 0,5 bis 15 µm, wobei die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 größer oder gleich 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal ist und der Rest die Schichtdicke der zweiten Schicht 32 ist.
Die Hartschichten, die durch die in 9 gezeigten Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 46, 48 bis 52, 54 und 56 bis 58 angegeben werden, sind spezifische Beispiele der Hartschicht 30 dieses Ausführungsbeispiels.
Da die Hartschicht 30 dieses Ausführungsbeispiels zwischen dem Werkzeuggrundmaterial 12 und der ersten Schicht 22 die aus Ti_eAl_fCr_gβ_hN bestehende zweite Schicht 32 angeordnet hat, die zäh ist und eine hervorragende Haftung hat, verbessert sich die Haftung der Hartschicht 30 und wird, da die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 größer oder gleich 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal ist, aufgrund der ersten Schicht 22 ordnungsgemäß die Wärmebeständigkeitsverbesserungswirkung erreicht. Wenn daher zum Beispiel eine Hochgeschwindigkeitszerspanarbeit durch Trockenbearbeitung (Gebläseluft) eines Werkstückmaterials mit einer hohen Härte von 50 HRC oder mehr erfolgt, wird das Ablösen der Schicht unterdrückt und werden ordnungsgemäß eine hervorragende Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit erreicht. Wenn β mit einem Atomverhältnis von kleiner oder gleich 0,20 zugegeben wird, wird aufgrund der zweiten Schicht 32 eine noch bessere Wärmebeständigkeit erreicht.
Drittes Ausführungsbeispiel
Die Hartschicht 34 von 4(b) ist eine Schicht mit einem mehrschichtigen Aufbau, bei dem zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 abwechselnd für ein oder mehr Perioden (eine Vielzahl von Perioden in diesem Ausführungsbeispiel) ein Paar Schichten 23, 33 der der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 entsprechenden Schichtbestandteile aufgestapelt sind und bei dem die zweite Schicht 32 und die erste Schicht 22 derart abwechselnd auf dem Werkzeuggrundmaterial 12 aufgestapelt sind, dass die erste Schicht 22 im Wesentlichen als Oberseite definiert ist. Die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht 34 liegt in einem Bereich von 0,5 bis 15 µm, wobei die Schichtdicken derart festgelegt sind, dass die Schichtdicke, die durch Addieren der Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 zur Gesamtschichtdicke der Vielzahl der den Schichtbestandteilen der ersten Schicht 22 entsprechenden Schichten 23 erreicht wird, 20% oder mehr der gesamten Schichtdicke Ttotal ausmacht. Die Schichtdicken der Schichten 22, 23, 32 und 33 sind zwar in 4(b) im Wesentlichen die gleichen, die Schichtdicken können jedoch nach Bedarf eingestellt werden, etwa indem die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 größer als die Schichtdicken der anderen Schichten 23, 32 und 33 eingestellt wird.
In der Hartschicht 34 dieses Ausführungsbeispiels befindet sich die zweite Schicht 32 auf dem Werkzeuggrundmaterial 12, weswegen die gleiche Wirkungsweise wie bei der Hartschicht 30 erreicht wird. Da die Hartschicht 34 zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 abwechselnd für ein oder mehr Perioden den mehrschichtigen Aufbau mit dem Paar Schichten 23, 33 der der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 entsprechenden Schichtbestandteile aufgestapelt hat, wird das Haftvermögen der ersten Schicht 22 weiter verbessert und die Zähigkeit der gesamten Hartschicht 34 verbessert. Da die Schichtdicke, die durch Addieren der Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 zur Gesamtschichtdicke der Vielzahl von Schichten 23, die den Schichtbestandteilen der ersten Schicht 22 entsprechen, erreicht wird, 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht, wird aufgrund der Schichtbestandteile der ersten Schicht 22 ordnungsgemäß die Wärmebeständigkeitsverbesserungswirkung erreicht. Der Schichtabschnitt des mehrschichtigen Aufbaus, in dem abwechselnd für ein oder mehr Perioden das Paar Schichten 23, 33 der der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 entsprechenden Schichtbestandteile aufgestapelt ist, entspricht der Zwischenschicht (der Wechselschicht in diesem Ausführungsbeispiel).
Viertes Ausführungsbeispiel
Die Hartschicht 40 von 5(a) stellt den Fall dar, dass sich zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 der Hartschicht 30 des zweiten Ausführungsbeispiels zudem eine Zwischenschicht 42 befindet. Die Zwischenschicht 42 ist eine Wechselschicht mit abwechselnd aufgestapelten Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 oder eine Mischschicht mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32, wobei in diesem Ausführungsbeispiel als die Zwischenschicht 42 die Mischschicht vorgesehen ist. Diese Mischschicht enthält sämtliche Bestandteile der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 und wird unter Verwendung sämtlicher Targets und Reaktionsgase ausgebildet, die in den Schichtbildungsprozessen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 verwendet werden; die Zwischenschicht 42 kann auch auf den Schichtbildungsprozess der zweiten Schicht 32 folgend kontinuierlich ausgebildet werden; und die erste Schicht 22 kann kontinuierlich weiter ausgebildet werden. Die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht 40 liegt in einem Bereich von 0,5 bis 15 µm; die Schichtdicke T2, die durch Kombinieren der ersten Schicht 22 und der Zwischenschicht (im Fall der Mischschicht) 42 erreicht wird, nimmt 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ein; und der Rest ist die Schichtdicke der zweiten Schicht 32. Die Schichtdicke der Zwischenschicht 42 wird zwar bei Bedarf derart eingestellt, dass die Schichtdicke T2 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht, doch kann die Schichtdicke T1 der auf der Oberseite befindlichen ersten Schicht 22 allein 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmachen.
Unter den in 9 gezeigten Versuchsproben sind die durch die Versuchsproben Nr. 47, 53, 55 und 59 bis 61 angegebenen Hartschichten, die beim Punkt „ZWISCHENSCHICHT“ unter dem Punkt „SCHICHTDICKE (µm)“ einen numerischen Wert (Schichtdicke) angegeben haben, spezifische Beispiele der Hartschicht 40 dieses Ausführungsbeispiels. Bei allen diesen Beispielen ist die Schichtdicke der Zwischenschicht 42 kleiner als die jeweilige Schichtdicke der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32.
Da die Hartschicht 40 dieses Ausführungsbeispiels zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 mit der Zwischenschicht 42 versehen ist, die aus der Wechselschicht mit den abwechselnd aufgestapelten Schichten der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 32 oder der Mischschicht mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 besteht, verbessert sich das Haftungsvermögen der ersten Schicht 22 weiter und verbessert sich die Zähigkeit der gesamten Hartschicht 40. Da die Schichtdicke T2, die durch Kombinieren der Zwischenschicht (im Fall der Mischschicht) 42 und der ersten Schicht 22 erreicht wird, 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht, wird aufgrund der Schichtbestandteile der ersten Schicht 22 ordnungsgemäß die Wärmebeständigkeitsverbesserungswirkung erreicht. Wenn die Zwischenschicht 42 die Wechselschicht ist, kann die Schichtdicke, die durch Addieren der Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 zur Gesamtschichtdicke des Schichtabschnitts der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht 22 erreicht wird, auf größer oder gleich 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal eingestellt werden. Dadurch wird das Ablösen der Oberflächenschicht selbst beim Bearbeiten eines schwer bearbeitbaren Materials (hartes, zähes Material) unterdrückt und wird für lange Zeit eine stabile Bearbeitungsleistung erreicht, wodurch sich die Werkzeuglebensdauer verbessert.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Die Hartschicht 44 von 5(b) ist eine Schicht mit einem mehrschichtigen Aufbau, bei dem zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 für ein oder mehr Perioden (eine Vielzahl von Perioden in diesem Ausführungsbeispiel) ein Paar der Schichten 23, 33 der der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 entsprechenden Schichtbestandteile abwechselnd so aufgestapelt ist, dass es die Zwischenschicht 42 von beiden Seiten bedeckt, und bei dem die erste Schicht 22 abwechselnd mit der Zwischenschicht 42 dazwischen auf dem Werkzeuggrundmaterial 12 aufgestapelt ist, so dass die erste Schicht 22 im Wesentlichen als Oberseite definiert ist. Die Gesamtschichtdicke Ttotal der Hartschicht 44 liegt in einem Bereich von 0,5 bis 15 µm, wobei die Schichtdicken derart festgelegt sind, dass die Schichtdicke, die durch Addieren der Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 zur Gesamtschichtdicke der Vielzahl der den Schichtbestandteilen der ersten Schicht 22 entsprechenden Schichten 23 und der aus der Mischschicht bestehenden Zwischenschicht 42 erreicht wird, 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht. Die Schichtdicken der Schichten 22, 23, 32, 33 und 42 sind zwar in 5(b) im Wesentlichen die gleichen, die Schichtdicken können jedoch bei Bedarf derart eingestellt werden, dass die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 größer als die Schichtdicken der anderen Schichten 23, 32, 33 und 42 ist. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die Zwischenschicht 42 zwischen dem Paar der Schichten 23, 33, weswegen die gleiche Wirkungsweise wie bei der Hartschicht 40 erreicht wird, und zusätzlich verbessern sich aufgrund des mehrschichtigen Aufbaus, bei dem die Schichten 23, 33 abwechselnd so aufgestapelt sind, dass sie die Zwischenschicht 42 für ein oder mehr Perioden von beiden Seiten bedecken, das Haftvermögen und die Zähigkeit weiter. Wie oben beschrieben wurde, ist die Schicht mit dem mehrschichtigen Aufbau, bei dem das Paar der Schichten 23, 33 der der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 entsprechenden Schichtbestandteile abwechselnd so aufgestapelt ist, dass es die Zwischenschicht 42 für ein oder mehr Perioden von beiden Seiten bedeckt, eine Form der Wechselschicht.
Versuchsergebnis 1
Für einen zweischneidigen Vierkantschaftfräser mit einem Werkzeuggrundmaterial aus Schnellarbeitsblockstahl (Schnellarbeitswerkzeugstahl) und einem Durchmesser von 10 mm erfolgt nun eine Beschreibung der Messergebnisse der Schichthärte (HV 0,025) sowie eines Wärmebeständigkeitsversuchs und eines Haltbarkeitsversuchs, die unter Anfertigung einer Vielzahl von Arten von Versuchsproben Nr. 01 bis 26 erfolgten, zu denen erfindungsgemäße Proben gehörten, die mit der Hartschicht 20 des ersten Ausführungsbeispiels versehen waren, die wie in 7 gezeigt aus einer einlagigen ersten Schicht 22 bestanden. Eine Versuchsprobe mit einer Schichthärte von weniger als 3000 wird als NG (verworfen) angesehen. Bei dem Wärmebeständigkeitsversuch wurden die Versuchsproben eine Stunde lang bei 1000 °C Atmosphärendruck/Luftatmosphäre ausgesetzt, bevor eine Oxidationsschichtdicke gemessen wurde. Wenn die Hartschicht vollständig oxidiert ist, d. h. im Fall einer totalen Oxidation, und auch bei einer Oxidationsschichtdicke von größer oder gleich 0,7 µm wird die Versuchsprobe als NG angesehen. Beim Haltbarkeitsversuch erfolgte an einem Kohlenstoffstahl (S50C nach JIS) unter den in 6 gezeigten Versuchsbedingungen eine Seitenflächenzerspanarbeit, um eine Schneidestrecke zu ermitteln, bevor die Schneidkantenfreiflächenabnutzungsbreite 0,2 mm erreichte, wobei die Versuchsprobe als NG angesehen wird, wenn die Schneidestrecke weniger als 10 m beträgt.
Die Versuchsproben Nr. 01 bis 03 von 7 sind herkömmliche Proben einer Hartschicht auf AlCrN-Basis, die kein SiC enthält; die Versuchsproben Nr. 05, 06, 08 bis 11, 13, 15 bis 22, 24 und 25 sind erfindungsgemäße Proben; und die verbleibenden Versuchsproben Nr. 04, 07, 12, 14, 23 und 26 sind Vergleichsproben (NG-Proben), die nicht die Erfordernisse der Erfindung im Hinblick auf das Atomverhältnis und das Cr/Al-Verhältnis (=b/a) der Schichtzusammensetzungen und die Gesamtschichtdicke Ttotal erfüllen. Ein schraffiertes (grau hinterlegtes) Feld bei den Punkten „HARTSCHICHT“ und „GESAMTSCHICHTDICKE“ in 7 gibt einen Punkt an, der von den Erfordernissen der Erfindung abweicht, und ein schraffiertes (grau hinterlegtes) Feld bei den Punkten „SCHICHTHÄRTE“, „OXIDATIONSSCHICHTDICKE“ und „SCHNEIDESTRECKE“ gibt NG an. Die Schichtzusammensetzungen in den Feldern „HARTSCHICHT“ von 7 sind Atomverhältnisse, die als Prozentanteil beschrieben sind. Es fehlt zwar die Beschreibung zu N (Stickstoff), doch sind die Hartschichten sämtlicher Versuchsproben Nitride, die N (Stickstoff) enthalten.
Wie anhand der Versuchsergebnisse von 7 erkannt werden kann, hat jede der erfindungsgemäßen Proben (Versuchsproben Nr. 05, 06, 08 bis 11, 13, 15 bis 22, 24 und 25) eine Schichthärte von größer oder gleich 3000, was verglichen mit den herkömmlichen Proben (Versuchsproben Nr. 01 bis 03) eine hervorragende Schichthärte sicherstellt. Jede erfindungsgemäße Probe (Versuchsproben Nr. 05, 06, 08 bis 11, 13, 15 bis 22, 24 und 25) hat beim Wärmebeständigkeitsversuch eine Oxidationsschichtdicke von kleiner oder gleich 0,6 µm und erfüllt das noch akzeptable Erfordernis (weniger als 0,7 µm), wobei insbesondere die Versuchsproben Nr. 15 bis 18, 24 und 25, die α enthalten, Oxidationsschichtdicken von weniger als 0,3 µm haben, was eine noch bessere Wärmebeständigkeit sicherstellt. Jede erfindungsgemäße Probe (Versuchsproben Nr. 05, 06, 08 bis 11, 13, 15 bis 22, 24 und 25) hat eine Schneidestrecke von größer oder gleich 10 m, wenn die Freiflächenabnutzungsbreite im Haltbarkeitsversuche 0,2 mm ist, und erfüllen das noch akzeptable Erfordernis, während sowohl die herkömmlichen Proben (Versuchsproben Nr. 01 bis 03) als auch die Vergleichsproben (Versuchsproben Nr. 04, 07, 12, 14, 23 und 26) Schneidestrecken von weniger als 10 m haben, weswegen die erfindungsgemäßen Proben eine hervorragende Haltbarkeit sicherstellen.
Versuchsergebnis 2
Die 9 und 10 sind Darstellungen zur Erläuterung von Messergebnissen der Schichthärte (HV 0,025) sowie eines Wärmebeständigkeitsversuchs und eines Haltbarkeitsversuchs, die für einen zweischneidigen Kugelschaftfräser mit einem Werkzeuggrundmaterial aus Hartmetall und einem Durchmesser von 6 mm (Spitzenradius R = 3 mm) durchgeführt wurden, indem eine Vielzahl von Arten von Versuchsproben Nr. 27 bis 61 angefertigt wurde, zu denen erfindungsgemäße Proben gehörten, die mit der Hartschicht 30 des zweiten Ausführungsbeispiels versehen waren, die aus der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 bestand, oder mit der Hartschicht 40 des vierten Ausführungsbeispiels, die zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 32 mit der Zwischenschicht 42 versehen war. Eine Versuchsprobe mit einer Schichthärte von weniger als 3000 wurde als NG (verworfen) angesehen. Im Wärmebeständigkeitsversuch wurden die Versuchsproben wie im Fall von 7 eine Stunde lang bei 1000° C Atmosphärendruck/Luftatmosphäre ausgesetzt, bevor die Oxidationsschichtdicke gemessen wurde. Wenn die Hartschicht vollständig oxidiert ist, d. h. im Fall einer totalen Oxidation, und auch im Fall einer Oxidationsschichtdicke von größer oder gleich 0,7 µm wird die Versuchsprobe als NG angesehen. Beim Haltbarkeitsversuch erfolgte an einem Legierungswerkzeugstahl hoher Härte (SKD 61 (50 HRC) nach JIS) unter den in 8 gezeigten Versuchsbedienungen eine Trockenzerspanarbeit (Tauchfräsen) mit Gebläseluft, um eine Schneidestrecke zu ermitteln, bevor eine Schneidkantenfreiflächenabnutzungsbreite 0,1 mm erreichte, wobei die Versuchsprobe als NG angesehen wird, wenn die Schneidestrecke weniger als 850 m beträgt.
Die Versuchsprobe Nr. 27 in 9 ist eine herkömmliche Probe, bei der die erste Schicht, die aus einer Hartschicht auf AlCrN-Basis besteht, kein SiC enthält; die Versuchsproben Nr. 30, 31 und 37 sind Vergleichsproben (NG-Proben), die nicht die Erfordernisse der Erfindung im Hinblick auf die Gesamtschichtdicke Ttotal und das Verhältnis der Schichtdicke T1 der ersten Schicht bezogen auf die Gesamtschichtdicke Ttotal erfüllen. Die restlichen Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 61 sind erfindungsgemäße Proben; unter diesen sind die Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 46, 48 bis 52, 54 und 56 bis 58 spezifische Beispiele der Hartschicht 30 ohne die Zwischenschicht 42; und die Versuchsproben Nr. 47, 53, 55 und 59 bis 61 sind spezifische Beispiele der Hartschicht 40 mit der Zwischenschicht 42. Ein schraffiertes (grau hinterlegtes) Feld bei den Punkten „ERSTE SCHICHT“ und „SCHICHTDICKE“ von 9 gibt einen Punkt an, der von den Erfordernissen der Erfindung abweicht, und ein schraffiertes (grau hinterlegtes) Feld bei den Punkten „SCHICHTHÄRTE“, „OXIDATIONSSCHICHTDICKE“ und „SCHNEIDESTRECKE“ in 10 gibt NG an. Die Schichtzusammensetzungen in den Feldern „HARTSCHICHT“ von 9 sind Atomverhältnisse, die als Prozentanteile beschrieben sind. Es fehlt zwar eine Beschreibung zu N (Stickstoff), doch sind die Hartschichten sämtlicher Versuchsproben Nitride, die N (Stickstoff) enthalten.
Wie anhand der Versuchsergebnisse von 10 erkannt werden kann, hat jede erfindungsgemäße Probe (Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 61) eine Schichthärte von größer oder gleich 3000, was verglichen mit der herkömmlichen Probe (Versuchsprobe Nr. 27) eine hervorragende Schichthärte sicherstellt. Jede erfindungsgemäße Probe (Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 61) hat beim Wärmebeständigkeitsversuch eine Oxidationsschichtdicke von kleiner oder gleich 0,4 µm und erfüllt das noch akzeptable Erfordernis (weniger als 0,7 µm), wobei insbesondere die Versuchsproben Nr. 46 bis 52 und 54 bis 58, die in der ersten Schicht α enthalten, Oxidationsschichtdicken von weniger als 0,3 µm haben, was eine noch bessere Wärmebeständigkeit sicherstellt. Jede der erfindungsgemäßen Proben (Versuchsproben Nr. 28, 29, 32 bis 36, 38 bis 61) hat eine Schneidestrecke von größer oder gleich 850 m, wenn die Freiflächenabnutzungsbreite im Haltbarkeitsversuch 0,1 mm beträgt, und erfüllt das noch akzeptable Erfordernis, während die herkömmliche Probe (Versuchsprobe Nr. 27) und die Vergleichsproben (Versuchsproben Nr. 30 und 31) eine Schneidestrecke von weniger als 850 m haben, weshalb die erfindungsgemäßen Proben eine hervorragende Haltbarkeit sicherstellen. Bei diesem Versuchsergebnis ist kein deutlicher Unterschied aufgrund des Vorhandenseins der Zwischenschicht 42 erkennbar. Für die Vergleichsprobe der Versuchsprobe Nr. 37 mit der Gesamtschichtdicke Ttotal von 18,5 µm konnten die Messung der Schichthärte, der Wärmebeständigkeitsversuch und der Haltbarkeitsversuch aufgrund des Ablösens der Schicht nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden.
Versuchsergebnis 3
12 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Ergebnisses eines Haltbarkeitsversuchs, der für einen Hartmetallbohrer mit einem Werkzeuggrundmaterial aus Hartmetall und einem Durchmesser von 6 mm durchgeführt wurde, indem fünf Versuchsproben angefertigt wurden, die mit den gleichen Hartschichten wie die Versuchsproben Nr. 30, 49, 50, 56 und 59 von 9 versehen waren, um an Kohlenstoffstahl (S50C gemäß JIS) unter den in 11 gezeigten Versuchsbedingungen eine Hochgeschwindigkeitsspanbohrarbeit mit Ölnebelzufuhr durchzuführen. Beim Haltbarkeitsversuch wurde die Anzahl gefertigter Löcher ermittelt, bevor die Schneidkantenfreiflächenabnutzungsbreite 0,2 mm erreichte, wobei die Versuchsprobe als NG angesehen wird, wenn die Anzahl gefertigter Löcher weniger als 4000 beträgt. Die Versuchsprobe Nr. 30 von 12 ist eine Vergleichsprobe, bei der die Schichtdicke T1 der ersten Schicht weniger als 20% der Gesamtschichtdicke Ttotal beträgt, und die anderen Versuchsproben Nr. 49, 50, 56 und 59 sind erfindungsgemäße Proben. Ein schraffiertes (grau hinterlegtes) Feld beim Punkt „ANZAHL GEFERTIGTER LÖCHER“ in 12 gibt NG an.
Wie anhand des Versuchsergebnisses von 12 erkannt werden kann, ermöglicht jede erfindungsgemäße Probe (Versuchsproben Nr. 49, 50, 56 und 59) das Bohren von 5000 Löchern oder mehr, während die Vergleichsprobe der Versuchsprobe Nr. 30 nur 2000 Löcher ermöglicht, weshalb die erfindungsgemäßen Proben die Haltbarkeit deutlich verbessern. Weil insbesondere die Versuchsproben Nr. 49, 50 und 56, die in der ersten Schicht α enthalten, eine Anzahl gefertigter Löcher von größer oder gleich 6000 haben, während die Versuchsprobe Nr. 59 ohne α in der ersten Schicht 5010 Löcher hat, kann durch die Zugabe von α zur ersten Schicht die Anzahl gefertigter Löcher deutlich erhöht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Kugelschaftfräser (mit Hartschicht beschichtetes Werkzeug)
12: Werkzeuggrundmaterial (vorbestimmtes Bauteil)
20, 30, 34, 40, 44: Hartschicht
22: erste Schicht
23: Schicht mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht
32: zweite Schicht
33: Schicht mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die zweite Schicht
42: Zwischenschicht
Ttotal: Gesamtschichtdicke der Hartschicht 20
T1: Schichtdicke der ersten Schicht 22
T2: Schichtdicke, die durch Kombinieren der Zwischenschicht 42 und der ersten Schicht 22 erreicht wird

Claims

Hartschicht (20, 30, 34, 40, 44) mit hervorragender Abrasionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit, die sich auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Bauteils (12) befindet, mit: einer ersten Schicht (22), die aus Al_aCr_b(SiC)_ca_dN besteht und sich auf einer Oberseite befindet, wobei α ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa - außer Cr - des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0,35≤a≤0,76, 0,12≤b≤0,43, 0,05≤c≤0,20 und 0≤d≤0,20 sind; ein Verhältnis b/a des Atomverhältnisses von Cr zu Al in einem Bereich von 0,25≤b/a≤0,67 liegt, der reich an Aluminium ist; und a+b+c+d=1 erfüllt ist, wobei die Hartschicht eine Gesamtschichtdicke Ttotal in einem Bereich von 0,5 µm bis 15 µm hat bei einer Schichtdicke T1 der ersten Schicht (22) oder, falls ein anderer Schichtabschnitt (23, 42) mit den gleichen Schichtbestandteilen wie die erste Schicht (22) enthalten ist, bei einer die Schichtdicke T1 und den anderen Schichtabschnitt (23, 42) einschließenden Schichtdicke, die 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.
Hartschicht (20) nach Anspruch 1, wobei sich die erste Schicht (22) direkt auf einer Oberfläche des vorbestimmten Bauteils (12) befindet und die Hartschicht nur aus der ersten Schicht (22) besteht und die Schichtdicke T1 der ersten Schicht (22) die Gesamtschichtdicke Ttotal ist.
Hartschicht (30, 34, 40, 44) nach Anspruch 1, wobei die Hartschicht eine zweite Schicht (32) hat, die aus Ti_eAl_fCr_gβ_hN besteht und sich auf einer Oberfläche des vorbestimmten Bauteils (12) zwischen dem vorbestimmten Bauteil (12) und der ersten Schicht (22) befindet, wobei β ein oder mehr Elemente aus den Gruppen IVa, Va, VIa - außer Ti, Cr - des Periodensystems der Elemente, B, C, Si und Y bezeichnet; e, f, g und h jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0≤e≤0,64, 0,32≤f≤0,81, 0≤g≤0,40 und 0≤h≤0,20 sind; e und g nicht gleichzeitig null sind; und e+f+g+h=1 erfüllt ist.
Hartschicht (30) nach Anspruch 3, wobei sich die erste Schicht (22) direkt auf der zweiten Schicht (32) befindet und die Hartschicht nur aus der ersten Schicht (22) und der zweiten Schicht (32) besteht und die Schichtdicke T1 der ersten Schicht (22) 20% oder mehr der Gesamtschichtdicke Ttotal ausmacht.
Hartschicht (34, 40, 44) nach Anspruch 3, wobei die Hartschicht zwischen der ersten Schicht (22) und der zweiten Schicht (32) eine Zwischenschicht hat, die aus einer Wechselschicht mit abwechselnd aufgestapelten Schichten (23, 33) der gleichen Schichtbestandteile wie die erste Schicht (22) und die zweite Schicht (32) oder einer Mischschicht (42) mit den gemischten Schichtbestandteilen der ersten Schicht (22) und der zweiten Schicht (32) besteht.
Mit einer Hartschicht beschichtetes Werkzeug (10), bei dem eine Oberfläche eines Werkzeuggrundmaterials (12) mit der Hartschicht (20, 30, 34, 40, 44) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 beschichtet ist.