DE112011101379T5

DE112011101379T5 - Beschichtung für Schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE112011101379T5
Application number: DE112011101379T
Authority: DE
Inventors: Seong Woo Cho; Han Sung Kim; Dong Youl Lee; Dae Suk Han; Young Ho Seo; Seoun Young Ahn; Dong Bok PARK
Original assignee: Korloy Inc
Current assignee: Korloy Inc
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-04-18
Also published as: US8999532B2; US20130149527A1; CN103403222B; CN103403222A; WO2012165696A1; KR20120134669A; KR101297298B1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Beschichtung für Schneidwerkzeuge in Form einer mehrlagigen Hartbeschichtung, die unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) von unten her auf einem Grundwerkstoff in der Abfolge einer TiCN-Schicht, einer Bindungsschicht, einer Aluminiumoxidschicht (Al2O3) und einer Deckschicht gebildet wird und die in der Lage ist, die Schneidleistung zu verbessern, da die Oberflächeneigenspannung der Beschichtung in einem Druckspannungszustand erhalten werden kann, indem die Zusammensetzung der Deckschicht entsprechend angepasst wird, ohne dass dabei ein separater zusätzlicher Prozess nötig ist, wie etwa ein Strahlverfahren oder ein kombiniertes Verfahren aus chemischem Aufdampfen und Vakuumaufdampfen (PVD), wobei die Deckschicht gleichzeitig als Verschleißschutzschicht dient. Die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) auf der Oberfläche eines Grundwerkstoffes gebildet und weist eine Aluminiumoxidschicht auf, die auf einer α-Phase ausgebildet ist, welche auf dem Grundwerkstoff angeordnet ist und aus einem Verbundgefüge besteht, das ein gemischt kolumnares und äquiaxiales Kristallgefüge aufweist, und eine Deckschicht, die aus AlxTiySizCrwN besteht (hierin x + y + z + w = 1, x ≥ 0,75, y ≥ 0,2, 0 ≤ z ≤ 0,06, 0 ≤ w ≤ 0,08) und auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartstoffbeschichtung, die auf einem Grundwerkstoff aus Hartmetall ausgebildet ist, und insbesondere eine Hartstoffbeschichtung, die in mehreren Lagen durch chemisches Aufdampfen (CVD) als Hartstoffbeschichtung in der Abfolge einer TiN-Schicht, einer TiCN-Schicht, einer Bindungsschicht, einer Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) und einer Deckschicht von unten her auf einen Grundwerkstoff aufgebracht wird, und die dazu in der Lage ist, die Schneidleistung zu verbessern, da die Oberflächeneigenspannung der Deckschicht in einem Druckspannungszustand dadurch aufrechterhalten werden kann, dass die Deckschicht eine andere Zusammensetzung aufweist als die TiN/TiCN-Schicht, die sonst üblicherweise als Deckschicht verwendet wird, ohne dass dabei ein zusätzlicher separater Prozess nötig ist, wie etwa ein Strahlverfahren oder ein kombiniertes Verfahren aus chemischem Aufdampfen und Vakuumaufdampfen (PVD), wobei die Deckschicht gleichzeitig als Verschleißschutzschicht dient.
STAND DER TECHNIK
Eine dünne TiCN-Schicht, die als Hartstoffbeschichtung auf Hartmetall-Werkzeugen weit verbreitet ist, wird durch eine Reaktion bei einer hohen Temperatur von etwa 1000°C mithilfe von Reaktionsgasen wie TiCL₄, CH₄ und N₂ gebildet. In diesem Prozess wird Kohlenstoff (C) aus einem Grundwerkstoff aus Hartmetall in die TiCN-Dünnschicht diffundiert und bildet eine sehr harte und brüchige Phase, wie Co₃W₃C oder Co₆W₆C an der Grenzfläche zwischen dem Grundwerkstoff und der TiCN-Dünnschicht, wodurch die Zähigkeit eines Schneidwerkzeugs beeinträchtigt werden kann.
Zur Umgehung dieser vorerwähnten Einschränkung wird ein Verfahren zum Bilden einer TiCN-Dünnschicht mithilfe einer chemischen Aufdampfung bei moderaten Temperaturen (nachfolgend „MTCVD”) vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren werden TiCl₄ und CH₃CN als Quelle für Kohlenstoff und Stickstoff (N) bei der Bildung der TiCN-Schicht verwendet, so dass die Aufdampftemperatur auf einen Bereich von etwa 750°C bis 850°C gesenkt werden kann. Dadurch kann die Bildung einer sehr harten und brüchigen Phase, wie Co₃W₃C oder Co₆W₆C kontrolliert werden, da die Diffusion von Kohlenstoff aus dem Hartmetall-Grundwerkstoff in die TiCN-Schicht bei der Bildung der TiCN-Dünnschicht gehemmt wird. Das Verfahren ist also dadurch gekennzeichnet, dass die in der Beschichtung gebildete TiCN-Dünnschicht eine hohe Zähigkeit sowie eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
Die vorerwähnte MTCVD-TiCN-Dünnschicht wurde mit einem mehrlagigen Aufbau in den Handel gebracht, bei welchem eine Bindungsschicht auf der MTCVD-TiCN-Dünnschicht gebildet wird, auf die anschließend eine Oxidschicht, wie beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht wird, und wird seit Kurzem vielfach für Schneidwerkzeuge für Dreh- und Fräsanwendungen verwendet.
Beim Zerspanungsprozess entstehen aufgrund der Reibung zwischen dem Schneidwerkzeug (Schneidplatte) und dem Werkstück Hitze und Abrieb an der Dünnschicht, und bei einer mehrlagig aufgebauten Dünnschicht, bei der, ausgehend von einem Grundwerkstoff, auf eine MTCVD-TiCN-Schicht eine Bindungsschicht und eine Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) folgen, wird auf der Aluminiumoxidschicht zusätzlich eine Deckschicht als oberste Schicht aufgebracht, um den Nutzungszustand des Schneidwerkzeugs anzuzeigen oder das Werkzeug von anderen Produkten auf dem Markt zu unterscheiden.
Allerdings kann aufgrund des Spannungszustands bei der vorerwähnten typischen CVD-Beschichtung für Schneidwerkzeuge die verschleißfeste Deckschicht aufgrund der Eigenspannung leicht beschädigt werden, da die Oberflächeneigenspannung bis zur Aluminiumoxidschicht in einem Zugspannungszustand steht (siehe 1), so dass die Standzeit der Deckschicht beim Zerspanen verringert werden kann.
Um dieses Problem zu umgehen, wird im Stand der Technik auf verschiedene Weise versucht, unter Anwendung eines separaten Prozesses Druckeigenspannung in eine Beschichtung einzubringen: Dies geschieht zum Beispiel im Strahlverfahren. Alternativ wird die Druckeigenspannung durch Beschichten einer Deckschicht im Vakuumaufdampfverfahren (PVD) erzeugt, nachdem zuvor eine Aluminiumoxidschicht oder ähnliches mithilfe des CVD-Verfahrens gebildet wurde.
Durch das Strahlverfahren kann jedoch noch ein weiterer separater Prozess notwendig werden, und ein kombiniertes Verfahren aus CVD- und PVD-Beschichtung kann nicht nur umständlich und mühsam sein, sondern auch zu einer schlechten Haftung zwischen CVD-Schicht und PVD-Schicht führen und somit die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung insgesamt beeinträchtigen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die in der Lage ist, die Standzeit eines Werkzeugs zu verlängern, indem es möglich ist, die gesamte Beschichtung ausschließlich unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) herzustellen. Dabei kann die Oberflächeneigenspannung der Beschichtung nach Aufbringen der Beschichtung im CVD-Verfahren in einem Druckspannungszustand gehalten werden, wobei die Deckschicht zugleich teilweise als Verschleißschutz dienen kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt folglich eine Beschichtung für Schneidwerkzeuge bereit, die auf einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) gebildet wird, umfassend: eine α-Aluminiumoxidschicht, die auf dem Grundwerkstoff angeordnet ist und aus einem Verbundgefüge besteht, das ein gemischt säulenförmiges und äquiaxiales Kristallgefüge aufweist; und eine Deckschicht, die aus Al_xTi_ySi_zCr_wN besteht (wobei x + y + z + w = 1, x ≥ 0,75, y ≥ 0,2, 0 ≤ z ≤ 0,06, 0 ≤ w ≤ 0,08) und auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist.
In der Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung, kann w zum Beispiel im Bereich von 0,01 und 0,06 liegen, um die charakteristische Eigenart der Deckschicht zu verstärken.
Außerdem kann in der Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des CVD-Verfahrens eine Bindungsschicht aus TiC_xO_yN_z(x + y + z = 1, x, y, z > 0, 0,4 ≤ x ≤ 0,5, 0,3 ≤ y ≤ 0,4, 0,15 ≤ z ≤ 0,25) unter der Aluminiumoxidschicht gebildet werden. Diese Bindungsschicht kann aus einem gleichartigen dendritischen Gefüge zusammengesetzt sein und ein primäres nadelförmiges Gefüge in einer Dickenrichtung und ein sekundäres nadelförmiges Gefüge aufweisen, das in Nadelkristallform auf der Oberfläche des primären nadelförmigen Gefüges ausgebildet ist.
Außerdem kann in der Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Texturkoeffizienten (TC) der einzelnen Kristallebenen der Aluminiumoxidschicht, berechnet nach der nachfolgend aufgeführten Rechnung 1, TC (024) 2,0 oder mehr sein, TC (116) weniger als 1,8 und TC (012), TC (104), TC (110) und TC (113) zusammen weniger als 1,3,
[Gleichung 1]

TC(hkl) = I(hkl)/I₀(hkl) × {(1/n) × ΣI(hkl)/I₀(hkl)}^–1

I(hkl):

Diffraktionsintensität einer Kristallebene

I₀(hkl):

Standard-Diffraktionsintensität der ASTM-Standards-Daten für Pulverdiffraktion

n:

Anzahl der für die Berechnung verwendeten Kristallebenen

(hkl):

(012), (104), (110), (113), (024), (116).

Ferner kann in der Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung ein oberer Teil der Aluminiumoxidschicht mit Bor (B) auf einen Gehalt von 0,05 wt% oder weniger dotiert sein.
Des Weiteren kann die Dicke der Deckschicht in der Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich von 1,5 μm und 3,5 μm liegen.
VORTEILHAFTE EFFEKTE
Bei einer Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung erübrigt sich die typische Strahlbehandlung oder gemischte Behandlung im CVD- und PVD-Verfahren, da die Oberflächeneigenspannung der Beschichtung nach dem Beschichten im chemischen Aufdampfverfahren (CVD) im Druckspannungszustand bleibt. Dadurch kann die Standzeit der Werkzeuge in einem vereinfachten Prozess verlängert werden.
Da sich die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur durch ihre charakteristische Eigenart von Produkten anderer Hersteller unterscheidet, sondern auch 75 at% oder mehr Aluminium enthält, kann das Aluminium mit dem Sauerstoff in der Luft während des Zerspanens Aluminiumoxid bilden und somit die Schneidleistung zusätzlich verbessern, da die Deckschicht zum Teil als Verschleißschutz fungieren kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den Spannungszustand einer Beschichtung, die im herkömmlichen chemischen Aufdampfverfahren (CVD) gebildet wurde, im Verhältnis zu ihrer Dicke.
2 ist ein Bild aus einem Rasterelektronenmikroskop (REM), welches das Mikrogefüge einer Bindungsschicht in einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein REM-Bild, auf dem das Mikrogefüge einer Aluminiumoxidschicht in der Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu sehen ist.
4 ist ein Diagramm, das den Spannungszustand einer Beschichtung gemäß einer Ausführung (A185) der vorliegenden Erfindung im Verhältnis zu ihrer Dicke zeigt.
5 zeigt in einem Diagramm das Messergebnis der Oberflächeneigenspannung von Beschichtungen in Abhängigkeit von einem Aluminiumgehalt (Al) einer Deckschicht.
6 zeigt in einem Diagramm die Veränderungen im Schädigungsgrad der Beschichtungen in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt der Deckschicht.
7 zeigt in einem Diagramm die Veränderungen in der Oberflächeneigenspannung der Beschichtungen in Abhängigkeit von der Dicke der Deckschicht.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei kann die Erfindung jedoch auf verschiedene Arten ausgeführt werden und darf nicht als auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt verstanden werden; vielmehr dienen diese Ausführungen zur Vervollständigung der vorliegenden Offenbarung und zur Veranschaulichung der Erfindung für Fachleute.
Eine Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) auf der Oberfläche eines Grundwerkstoffes gebildet und weist eine α-Aluminiumoxidschicht auf, die auf dem Grundwerkstoff angeordnet ist und aus einem Verbundgefüge besteht, das ein gemischt säulenförmiges (kolumnares) und äquiaxiales Kristallgefüge aufweist, und eine Deckschicht, die aus Al_xTi_ySi_zCr_wN besteht (wobei x + y + z + w = 1, x ≥ 0,75, y ≥ 0,2, 0 ≤ z ≤ 0,06, 0 ≤ w ≤ 0,08) und auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist.
Die Beschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgenden Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen CVD-Aluminiumoxid-Beschichtung auf.
Erstens ist die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht, die einen hohen Gehalt an Aluminium (Al) enthält, anstatt einer typischen TiN/TiCN-Schicht als Deckschicht aufgebracht ist.
Bei Verwendung eines Vakuumaufdampfverfahrens (PVD) kann es schwierig sein, eine Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht mit einem Aluminiumgehalt von 0,65 oder mehr ohne Phasentrennung zu bilden. Erfolgt die Beschichtung jedoch in einem chemischen Niederdruck-Aufdampfverfahren (LPCVD), ist ein hoher Aluminiumgehalt von 0,75 oder mehr möglich. Wenn die Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht erfindungsgemäß als Deckschicht verwendet wird, kann die Oberflächeneigenspannung der Beschichtung im Druckspannungszustand ohne Zuhilfenahme des üblichen Strahlverfahrens oder einer Kombination aus CVD- und PVD-Verfahren hergestellt werden. Dadurch kann die Standzeit eines Schneidwerkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit einer Beschichtung im Zugspannungszustand verbessert werden. Darüber hinaus oxidiert das in der Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht enthaltene Aluminium während des Zerspanens und wirkt ähnlich wie Aluminiumoxid, so dass die Standzeit des Schneidwerkzeug zusätzlich verlängert werden kann, da die Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht somit nicht nur als charakteristisches Merkmal, sondern auch teilweise als Verschleißschutzschicht dient. Ist der Aluminiumgehalt geringer als 0,75, kann keine ausreichende Druckeigenspannung und keine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit erwartet werden. Es muss also sichergestellt werden, dass der Aluminiumgehalt 0,75 oder mehr beträgt.
Wird die Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht mit einem hohen Aluminiumgehalt allerdings beim Zerspanen längere Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt, kann eine Phasentrennung von einem kubischflächenzentrierten (fcc) Kristallgefüge zu einem Aluminium- oder Titanbestandteil (Ti) erfolgen, was zu einer Verschlechterung der Hochtemperaturhärte und damit einer Verschlechterung der Schneidleistung führt. Die Verschlechterung der Hochtemperaturhärte kann in der vorliegenden Erfindung jedoch durch die Zugabe von Silizium (Si) und Chrom (Cr) verhindert werden, wodurch die Deckschicht gleichzeitig eine einzigartige Färbung erhält und somit auch als dekoratives Element und charakteristisches Merkmal dienen kann.
Si wird einer TiAlN-basierten Dünnschicht zugegeben, um eine Vielzahl von Grenzflächen durch Phasentrennung in nanoskaliges Si₃N₄ in der TiAlN-basierten Dünnschicht zu bilden. Zugleich dient das Si als Bestandteil zur Verbesserung der Raumtemperaturhärte und der Hochtemperaturhärte durch die Festigkeitssteigerung der Grenzflächen. Wenn der hinzugegebene Si-Gehalt 0,06 übersteigt, verschlechtern sich die physikalischen Eigenschaften, da eine große Menge an einphasigem Si oder amorphem Si₃N₄ gebildet wird. Der Gehalt an hinzugegebenem Si darf also maximal 0,06 betragen. Selbst wenn nur eine geringe Menge Si hinzugefügt wird, ist eine festgelegte Wirkung zu erwarten. So kann der Gehalt an zugefügtem Si zum Beispiel 0,01 oder mehr betragen, um die vorerwähnte Hochtemperatur-Festigkeitssteigerung ausreichend zu erzielen.
Cr ist ein Bestandteil zur Verbesserung der Hochtemperaturhärte aufgrund der Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung und bringt gleichzeitig eine einzigartige Färbung mit sich (ein helles Grau), wenn es der TiAlN-basierten Dünnschicht wie Si hinzugegeben wird. Beträgt der hinzugegebene Cr-Anteil weniger als 0,01, ist die Wirkung vernachlässigbar, übersteigt der Gehalt des hinzugefügten Cr jedoch 0,07, kann es nicht in ein Kristallgitter gelöst werden. Cr ist also vorzugsweise in einem Anteil von 0,07 oder weniger hinzuzufügen, und am besten in einem Mengenbereich von 0,01 bis 0,06.
Zweitens ist die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrogefüge einer α-Aluminiumoxidschicht aus einem Verbundwerkstoff besteht, der ein gemischt kolumnares und äquiaxiales Kristallgefüge aufweist, das sich von dem typischen einfachen kolumnaren Gefüge unterscheidet.
Die α-Aluminiumoxidschicht, die aus dem vorerwähnten Verbundgefüge besteht, kann die Standzeit eines Werkzeugs gegenüber einem solchen Werkzeug effektiv verbessern, das nur aus einem typischen einfachen kolumnaren Gefüge besteht, besonders bei der unterbrochenen Bearbeitung, bei der eine Stoßbelastung auftritt. Ferner wird ein oberer Teil der α-Aluminiumoxid-Dünnschicht während der Dünnschichtbildung teilweise mit Bor (B) in der Form BCl₃ dotiert. Der Grund dafür liegt darin, dass die Bordotierung im oberen Teil während der Bildung des Aluminiumoxids eine Umwandlung des Kristallgefüges des Aluminiumoxids in ein gemischtes Gefüge aus einem unteren kolumnaren Kristallgefüge und einem oberen äquiaxialen Kristallgefüge bewirkt. Die Oberfläche des α-Aluminiumoxids (Al₂O₃), die durch die Teildotierung mit Bor gebildet wird, wandelt sich von der facettierten Form eines kolumnaren Kristallgefüges zu einer hexagonalen Plattenform, was sich auf die Schneidleistung der Beschichtung auswirkt. Liegt die Dotierungsmenge mit Bor über 0,05 wt%, wird die Schneidleistung der Beschichtung aufgrund der Bildung einer Bor-Verbindung eher verschlechtert. Die Dotierungsmenge mit Bor darf also maximal 0,05 wt% betragen.
Drittens kann eine Leistungsverschlechterung des Schneidwerkzeugs aufgrund einer Abnahme der Bindungskraft verhindert werden, da die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein gleichartiges dendritisches Gefüge aufweist, bei welchem das Mikrogefüge einer Bindungsschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen aufzeigt, die vertikal und horizontal vorstehen, und die auf der Bindungsschicht ausgebildete α-Al₂O₃-Schicht eine physikalisch hohe Bindungskraft bezüglich der Bindungsschicht aufweist. Wenn jedoch die Zusammensetzung der Bindungsschicht nicht innerhalb des in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Bereichs liegt, findet die Bildung des gleichartigen dendritischen Gefüges nicht statt, so dass der vorerwähnte Bereich eingehalten werden sollte.
Die harte Beschichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung kann für einen Grundwerkstoff aus Hartmetall, Cermet oder Keramik verwendet werden. In der Ausführung der vorliegenden Erfindung wurde die Beschichtung in der Abfolge einer TiN-Schicht, einer MT-TiCN-Schicht, einer TiC_xO_yN_z-Bindungsschicht, einer Aluminiumoxidschicht und einer Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schicht unter Verwendung einer Schneidplatte aus Hartmetall gebildet.
(1) TiN-Schicht
TiN wurde als innerste Schicht auf einem Grundwerkstoff aus Hartmetall in einer Dicke von etwa 2,2 μm gebildet, indem etwa 5,4% Vol. TiCl₄, 55,8% Vol. H₂ und 38,8% Vol. N₂ bei einer Temperatur im Bereich von 850°C bis 900°C und einem Druck im Bereich von 150 mbar bis 200 mbar eingebracht wurden.
(2) MT-TiCN-Schicht
Mithilfe eines chemischen Aufdampfverfahrens bei moderater Temperatur (MTCVD) wurde eine TiCN-Schicht mit kolumnarem Kristallgefüge auf der TiN-Schicht gebildet. Die Aufdampftemperatur lag im Bereich von etwa 850°C bis 900°C, als Reaktionsgase wurden etwa 47% Vol. H₂, 40% Vol. N₂, 12% Vol. TiCl₄ und 1% Vol. CH₃CN eingeführt, die gebildete TiCN-Schicht wies eine Dicke von 7 μm bis 8 μm auf, während der Aufdampfdruck im Bereich von 70 mbar bis 90 mbar lag.
3) Bindungsschicht
Eine Dünnschicht mit der Zusammensetzung TiC_xO_yN_z(x + y + z = 1, x, y, z > 0, 0,4 ≤ x ≤ 0,5, 0,3 ≤ y ≤ 0,4, 0,1 5 ≤ z ≤ 0,25) wurde als Bindungsschicht auf der MT-TiCN-Schicht gebildet. Die Aufdampfung der TiC_xO_yN-Schicht erfolgte in einem Zustand, bei dem Reaktionsgase (75% Vol. H₂, 19% Vol. N₂, 3,0% Vol. CH₄, 2,0% Vol. CO und 1,5% Vol. TiCl₄) bei einer Aufdampftemperatur von etwa 1.000°C und in einem Druckbereich von 100 mbar bis 150 mbar eingeführt wurden. Das Ergebnis einer Analyse der gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung gebildeten Dünnschicht im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zeigte, dass die Dünnschicht aus einem gleichartigen dendritischen Mikrogefüge mit einem doppelten nadelförmigen Gefüge zusammengesetzt war, in welchem primäre nadelförmige Kristalle ausgebildet waren, auf deren Flächen sekundäre nadelförmige Kristalle angeordnet waren (siehe 2). Eine energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) im TEM zeigte, dass die Dünnschicht aus TiC_0,43N_0,36O_0,21 zusammengesetzt war.
4) Aluminiumoxidschicht
(024) Die auf der Bindungsschicht geformten Ebenen der Aluminiumoxidschicht bildeten vorzugsweise eine α-Al₂O₃-Schicht mit einem Verbund-Kristallgefüge aus kolumnaren Kristallen und äquiaxialen Kristallen. Die Aufdampfung der Aluminiumoxidschicht erfolgte in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt etwa 78% Vol. H₂, 3,5% Vol. CO₂, 0,28% Vol. H₂S und 3% Vol. bis 4% Vol. HCl in einem Temperaturbereich von etwa 1.000°C bis 1.005°C und bei einem Druck im Bereich von 55 mbar bis 75 mbar eingeführt wurden, und gleichzeitig eine Al₂O₃ erzeugende Vorrichtung, die für die Erzeugung von Al₂O₃ erforderlich ist, eine Reaktionstemperatur von 335°C aufrechterhielt, und 10,4% Vol. H₂ und 5% Vol. HCl zur Bildung von Al₂O₃ mit einer gleichmäßigen Dicke eingeführt wurden. In einem zweiten Schritt wurden dann 0,1% Vol. bis 0,25% Vol. BCl₃ während desselben Al₂O₃-Aufdampfprozesses wie im ersten Schritt eingeführt, um das Mikrogefüge der α-Al₂O₃-Schicht in ein gemischtes Gefüge mit zwei Phasen umzuwandeln, bei welchem äquiaxiale Kristalle auf dem oberen Bereich der kolumnaren Kristalle ausgebildet sind. Die bevorzugte Wachstumsrichtung der im vorerwähnten Prozess gebildeten α-Al₂O₃-Schicht wurde in der Röntgendiffraktion analysiert, und die Texturkoeffizienten der Kristallebenen wurden mithilfe der nachfolgend aufgeführten Gleichung 1 berechnet. Das Ergebnis bestätigte, dass die α-Al₂O₃-Schicht vorzugsweise in einer (024) Richtung wuchs, wie in der nachfolgend aufgeführten Tabelle 1 aufgelistet.
[Gleichung 1]

TC(hkl) = I(hkl)/I₀(hkl) × {(1/n) × ΣI(hkl)/I₀(hkl)}^–1

I(hkl):

Diffraktionsintensität einer Kristallebene

I₀(hkl):

Standard-Diffraktionsintensität der ASTM-Standards-Daten für Pulverdiffraktion

n:

Anzahl der für die Berechnung verwendeten Kristallebenen

(hkl):

(012), (104), (110), (113), (024), (116)

[Tabelle 1] XRD-Analyseergebnisse einer Aluminiumoxidschicht der vorliegenden Erfindung

(hkl) (012) (104) (110) (113) (024) (116)

TC 1.123 0.278 0.496 0.611 2.338 1.154
Das heißt für die Aluminiumoxidschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, dass TC (024) 2,0 oder mehr betrug, TC (116) weniger als 1,8 und TC (102), TC (104), TC (110) und TC (113) zusammen weniger als 1,3 betrugen.
(5) AlTiSiCrN-Schicht
Sechs Typen von Al_xTi_ySi_zCr_wN-Schichten mit Zusammensetzungen, die in der nachfolgend aufgeführten Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden mithilfe eines LPCVD-Verfahrens auf der Aluminiumoxidschicht aus dem gemischten Gefüge mit zwei Phasen ausgebildet.
Dabei wurden H₂, NH₃, TiCl₄, und AlCl₃ als Reaktionsgase zur Bildung von AlTiN verwendet. Von diesen Gasen wurde AlCl₃ in einer chemischen Reaktion von H₂, HC1 und Al-Spänen unter Verwendung einer separaten Erzeugungsvorrichtung gewonnen, wobei Si zur Verbesserung von Hochtemperaturhärte und Oxidationsbeständigkeit mithilfe eines Verfahrens in die Dünnschicht eingebracht wurde, bei welchem eine SiCl₄-Lösung verdampft und in einen LPCVD-Reaktor eingeführt wird.

Außerdem wurde selektiv Cr zur Verbesserung der Hochtemperaturhärte mithilfe eines Verfahrens in die Dünnschicht eingebracht, in welchem CrCl₄ in einer chemischen Reaktion von Cr-Spänen, H₂ und HCl unter Verwendung einer separaten Erzeugungsvorrichtung bei einer Temperatur von etwa 700°C gewonnen und anschließend in den LPVCD-Reaktor geleitet wurde. Die Aufdampftemperatur bei der Bildung der Dünnschicht lag im Bereich von 750°C bis 850°C, und der Aufdampfdruck lag im Bereich von 20 mbar bis 150 mbar. Die in dem vorerwähnten Verfahren gebildeten Deckschichten mit einer Dicke von etwa 1,7 μm sind in Tabelle 2 unten aufgeführt. [Tabelle 2]

Typ	Deckschicht-Zusammensetzung	Beschichtungsbedingungen (800°C, 50 mbar)	Anmerkungen
A165	Al_0,64Ti_0,29Si_0,04Cr_0,03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 3,0, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Vergleichs-Beispiel
A170	Al_0,71Ti_0,22Si_0,04Cr_0,03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 3,4, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Vergleichs-Beispiel
A175	Al_0,74Ti_0,19Si_0,04Cr_0,03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 3,8, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Beispiel
A180	Al_0,79Ti_0,14Si_0,04Cr_0,03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 4,2, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Beispiel
A185	Al_0,84Ti_0,09Si_0,04Cr_0,03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 4,6, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Beispiel
A190	Al_0,89Ti_0,06Si_0,03Cr_0,02N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄ = 5,0, 2,0 ml/min SiCl₄, 1,0 l/min CrCl₄	Beispiel

Das Ergebnis einer Messung der Eigenspannung von A185 der erzeugten Beschichtungen in Richtung der Dicke bestätigte, dass die Eigenspannung im Druckspannungszustand bis zu 10 μm von einer Oberfläche aus vorlag, d. h. bis zur Aluminiumoxidschicht, wie in 4 dargestellt.
Weiter ging aus den Messergebnissen der Oberflächeneigenspannung aller Beschichtungen aus Tabelle 2 hervor, dass ein Zugspannungszustand (wie in 5 dargestellt) dann erreicht wurde, wenn der Aluminiumgehalt weniger als 0,75 betrug, ein Zustand praktisch ohne Eigenspannung bei einem Aluminiumgehalt von 0,75 vorlag und ein Druckspannungszustand mit einem Aluminiumgehalt von mehr als 0,8 erreicht wurde.

Um darüber hinaus die Veränderung der Schneidleistung in Abhängigkeit von der Dicke der Deckschicht gemäß der vorliegenden Erfindung zu untersuchen, wurden Deckschichten mit einer Zusammensetzung wie A185 in Tabelle 2 mit Dicken, wie in Tabelle 3 aufgelistet, gebildet. [Tabelle 3]

Typ	Deckschicht-Zusammensetzung	Dicke der Dünnschicht (μm)	Anmerkungen
1	A175 (Al_0,74Ti_0,19Si_0,04Cr_0,03N)	1.0	Vergleichs-Beispiel
2		1.5	Vergleichs-Beispiel
3		2.0	Beispiel
4		2.5	Beispiel
5		3.0	Beispiel
6		3.5	Beispiel

Zur Beurteilung der Schneidleistung der so vorbereiteten Beschichtungen wurden Zerspanungsbearbeitungen durchgeführt, bei welchen thermochemischer Verschleiß und Verschleiß aufgrund von Oxidation auftritt. Die Bearbeitungen erfolgten unter folgenden Bedingungen:

– Werkstück: SCM 440 Zylinder (Durchmesser 300 mm × Länge 600 mm, einschließlich vier Nuten)
– Schnittgeschwindigkeit (Vc): 230 m/min
– Vorschubgeschwindigkeit (fn): 0,3 mm/U
– Schnitttiefe (ap): 1,5 mm
– Bearbeitungsverfahren: Nassbearbeitung
– Bearbeitungsdauer: 30 Minuten pro Mustertyp

Der unter den vorerwähnten Bearbeitungsbedingungen aufgetretene Schädigungsgrad der Schneidwerkzeuge wurde gemessen und anschließend wurde das Schädigungsverhältnis für 20 Muster desselben Typs, die auf dieselbe Art 30 Minuten lang bearbeitet worden waren, bestimmt und die Häufigkeit von Kantenschäden der einzelnen Muster ermittelt. Wenn nach 30 Minuten keine Scharten oder Schneidkantenausbrüche auftraten, wurde das Muster als „normal” gewertet, traten jedoch nach 30 Minuten Scharten oder Schneidkantenausbrüche auf, wurde das Muster als „geschädigt” klassifiziert. Die Berechnung des Schädigungsverhältnisses erfolgte dabei nach Gleichung 2 unten. Für alle sechs Mustertypen von A165 bis A190 wurde dieselbe Bewertung durchgeführt.
[Gleichung 2]

Schädigungsverhältnis (%) = (Anzahl der beschädigten Muster/Gesamtanzahl an Mustern) × 100

6 zeigt in einem Diagramm die Veränderungen im Schädigungsgrad der Beschichtungen in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt der Deckschicht. Wie in 6 zu erkennen, wurde der Druckspannungszustand der Oberflächeneigenspannung mit zunehmendem Aluminiumgehalt in der Deckschicht verstärkt, wodurch auch das Schädigungsverhältnis rapide abnahm. Aus dem Diagramm geht hervor, dass ein besonders gutes Schädigungsverhältnis mit einem Aluminiumgehalt von 75 at% oder mehr erzielt werden konnte.
7 zeigt in einem Diagramm die Veränderungen in der Oberflächeneigenspannung der Beschichtungen in Abhängigkeit von der Dicke der Deckschicht. Wie in 7 zu erkennen, war die Druckeigenspannung der Beschichtung bei weniger als 0,8 GPa ungenügend, wenn die Dicke weniger als 1,5 μm betrug, während bei einer Dicke von mehr als 3,0 μm eine partielle Ablösung der Deckschicht auftrat. Die Dicke der Deckschicht sollte also vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 μm bis 3,0 μm liegen.

Claims

Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die an einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) gebildet wird, umfassend: eine α-Aluminiumoxidschicht, die auf dem Grundwerkstoff angeordnet ist und aus einem Verbundgefüge besteht, das ein gemischt säulenförmiges und äquiaxiales Kristallgefüge aufweist; und eine Deckschicht, die aus Al_xTi_ySi_zCr_wN besteht (wobei x + y + z + w = 1, x ≥ 0,75, y ≥ 0,2, 0 ≤ z ≤ 0,06, 0 ≤ w ≤ 0,08) und auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist.
Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die an einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines CVD-Verfahrens gebildet wird, nach Anspruch 1, wobei unter Verwendung eines CVD-Verfahrens eine Bindungsschicht aus TiC_xO_yN_z(x + y + z = 1, x, y, z > 0, 0,4 ≤ x ≤ 0,5, 0,3 ≤ y ≤ 0,4, 0,15 ≤ z ≤ 0,25) unter der Aluminiumoxidschicht gebildet wird und diese Bindungsschicht aus einem gleichartigen dendritischen Gefüge zusammengesetzt ist und ein primäres nadelförmiges Gefüge in einer Dickenrichtung und ein sekundäres nadelförmiges Gefüge aufweist, das in Nadelkristallform auf der Oberfläche des primären nadelförmigen Gefüges ausgebildet ist.
Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die an einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines CVD-Verfahrens gebildet wird, nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Texturkoeffizienten (TC) der einzelnen Kristallebenen der Aluminiumoxidschicht, berechnet nach der nachfolgend aufgeführten Rechnung 1, TC (024) 2,0 oder höher ist, TC (116) weniger als 1,8 und TC (012), TC (104), TC (110) und TC (113) zusammen weniger als 1,3 sind, [Gleichung 1] TC(hkl) = I(hkl)/I₀(hkl) × {(1/n) × ΣI(hkl)/I₀(hkl)}^–1 I(hkl): Diffraktionsintensität einer Kristallebene I₀(hkl): Standard-Diffraktionsintensität der ASTM-Standards-Daten für Pulverdiffraktion n: Anzahl der für die Berechnung verwendeten Kristallebenen (hkl): (012), (104), (110), (113), (024), (116).
Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die an einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines CVD-Verfahrens gebildet wird, nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oberer Teil der Aluminiumoxidschicht mit Bor (B) auf einen Gehalt von 0,05 wt% oder weniger dotiert ist.
Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die an einer Oberfläche aus einem Grundwerkstoff unter Verwendung eines CVD-Verfahrens gebildet wird, nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke der Deckschicht im Bereich von 1,5 μm bis 3,5 μm liegt.