DE112011101826T5

DE112011101826T5 - Mehrschichtige Nitridhartbeschichtungen

Info

Publication number: DE112011101826T5
Application number: DE112011101826T
Authority: DE
Inventors: Ronald M. Penich; Yixiong Liu; Wangyang Ni; Mark S. Greenfield
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: US20110293909A1; FR2960557A1; US20130157023A1; WO2011149580A1; US8409695B2; DE112011101826B4; JP2013528252A; CN102933736A; US8568866B2; CN102933736B

Abstract

Eine verschleißfeste mehrschichtige Nitridhartbeschichtung (2) für Substrate (6). Die Hartbeschichtung umfasst eine erste Schicht (4) aus Titanaluminiumnitrid und eine zweite Schicht (8) mit mehreren Unterschichtgruppen (10a). Jede Unterschichtgruppe umfasst eine erste Unterschicht (12) aus Titansiliziumnitrid und eine zweite Unterschicht (14) aus Titanaluminiumnitrid. Die Zusammensetzung des Titanaluminiumnitrids in sowohl der ersten Schicht (4) als auch in den Unterschichtgruppen (10a) ist (TixAl1-x)N, wobei 0,4 ≤ x ≤ 0,6 ist. Die Zusammensetzung der Titansiliziumnitrid-Unterschichten (12) ist (TiySi1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98 ist, und wobei das gesamte Silizium in dem Titansiliziumnitrid in fester Lösung vorliegt, so dass weder eine reine Siliziumphase noch eine reine Siliziumnitridphase vorliegt. Die in den Unterschichtgruppen vorliegende Gesamtmenge von Aluminium und Silizium wird in engen Grenzen gesteuert, so dass die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft mehrschichtige Nitridhartbeschichtungen für Substrate. Insbesondere betrifft die Erfindung Hartbeschichtungen mit einer ersten Schicht aus Titanaluminiumnitrid und einer zweiten Schicht, die Gruppen von alternierenden Unterschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid umfasst. Die Erfindung betrifft auch beschichtete Gegenstände mit derartigen Hartbeschichtungen und Verfahren zur Herstellung der Hartbeschichtungen und der hartbeschichteten Gegenstände.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene Arten von Gegenständen werden schon seit mehreren Jahrzehnten mit Hartbeschichtungen versehen, um ihre Verschleißfestigkeit zu verbessern und dadurch ihre Betriebslebensdauer zu verlängern. Hartbeschichtungen werden üblicherweise auf Schneidwerkzeuge und verschleißfeste Bauteile aufgebracht. Im Lauf der Jahre sind große Anstrengungen zur Entdeckung neuer Hartbeschichtungen mit verbesserten Eigenschaften unternommen worden.
So lehrt zum Beispiel die US-PS Nr. 7,060,345 von Fukui et al. eine Hartbeschichtung, die eine oder mehrere erste Schichten aus einer schmierend wirkenden Verbindung, die aus Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxidnitriden und Carbonitriden von Titansilicium ausgewählt ist, und eine oder mehrere zweite Schichten aus einer harten Verbindung, die aus den Nitriden, Carbiden und Carbonitriden eines Metalls, das aus Titan, Chrom und einer Titan-Chrom-Legierung ausgewählt ist, umfasst. Die ersten und zweiten Schichten können wiederholt aufeinander abgeschieden sein, um eine Hartbeschichtung aus mehreren alternierenden schmierend wirkenden und harten Schichten zu bilden.
Auch die US-PS 6,586,122 von Ishikawa lehrt die Verwendung einer mehrschichtigen Hartbeschichtung auf einem Schneidwerkzeug. In diesem Fall umfasst die mehrschichtige Hartbeschichtung eine erste Schicht, die ein oder metallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus Titan, Aluminium und Chrom und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Bor, Kohlenstoff und Sauerstoff umfasst, und eine zweite Schicht, die Silicium und ein oder mehrere metallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus metallischen Elementen der Gruppe 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Aluminium und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Bor, Kohlenstoff und Sauerstoff umfasst. Diese zweite Schicht hat eine Struktur, in der eine siliciumreiche Phase in einer Matrixphase, die eine verhältnismäßig kleine Menge an Silicium enthält, dispergiert ist. Die siliciumreiche Phase kann amorphes oder kristallines Siliciumnitrid oder Silicium sein und wird unter Verwendung einer Substrattemperatur im Bereich von etwa 300 bis 500°C in Verbindung mit einer Substratvorspannung, die periodisch zwischen verschiedenen Niveaus negativer Spannung oder zwischen positiven und negativen Spannungen wechselt, gebildet.
Ebenso lehrt die japanische Offenlegungsschrift 2000-334606 eine mehrschichtige Hartbeschichtung, wobei die Hartbeschichtung alternierende Schichten von Titanaluminiumnitrid und Titansiliciumnitrid umfasst. Die Titanaluminiumnitridschichten enthalten 40 bis 75 Atomprozent Aluminium. Die Titansiliciumnitridschichten enthalten 10 bis 60 Atomprozent Silicium. Die Titansiliciumnitridschichten enthalten unabhängige Phasen aus Silicium und Siliciumnitrid. Eine Schwesteranmeldung, d. h. die japanische Offenlegungsschrift 2000-334607 , enthält Lehren von fast identischen Hartbeschichtungen, außer dass keine unabhängigen Phasen aus Silicium und Siliciumnitrid erwähnt werden. Stattdessen soll die Titansiliciumnitridschicht eine Natriumchlorid-Kristallstruktur aufweisen, wenngleich die in dieser Anmeldung beschriebenen Hartbeschichtungszusammensetzungen die gleichen sind wie in der Schwesteranmeldung. Bei einem Vergleich der beiden Schwesteranmeldungen scheint es so zu sein, dass die während der physikalischen Gasphasenabscheidung der Hartbeschichtungen verwendete Substratvorspannung zur Steuerung der Struktur der Titansiliciumnitridbeschichtung verwendet wird. Eine niedrige negative Vorspannung (–30 V) wird zur Erzeugung von Titansiliciumnitridschichten, die unabhängige Phasen aus Silicium und Siliciumnitrid enthalten, verwendet, wohingegen eine viel höhere negative Vorspannung (–100 V) zur Erzeugung von Titansiliciumnitridschichten, die nur die Natriumchlorid-Kristallstruktur aufweisen, verwendet wird. In beiden Anmeldungen werden die Hartbeschichtungen unter Verwendung von Substrattemperaturen von höchstens 400°C gebildet.
Nichtsdestotrotz besteht im Zuge der Zunahme von Produktionsraten und der Intensivierung von Anstrengungen zur Bereitstellung von Fertigungswirtschaftlichkeit nach wie vor Bedarf an verschleißfesteren Schneidwerkzeugen und Verschleißbauteilen mit längerer Lebensdauer. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Bedarf zu entsprechen.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Hartbeschichtung entdeckt, die überraschenderweise eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Die vorliegende Erfindung stellt eine Hartbeschichtung bereit, die eine erste Schicht aus Titanaluminiumnitrid und eine zweite Schicht mit mehreren Unterschichtgruppen umfasst. Jede der Unterschichtgruppen umfasst eine erste Unterschicht aus Titansiliciumnitrid und eine zweite Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid. Die Zusammensetzung des Titanaluminiumnitrids sowohl in der ersten Schicht als auch in den Unterschichtgruppen ist durch die Formel (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6, gegeben. Die Zusammensetzung der Titansiliciumnitridunterschichten ist durch die Formel (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98, gegeben. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die überraschende Entdeckung gemacht, dass die verbesserte Verschleißfestigkeit der Hartbeschichtung davon abhängt, dass die kombinierte Menge an Aluminium und Silicium in den Unterschichtgruppen derart genau gesteuert wird, dass die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Gegenstände mit derartigen Hartbeschichtungen und Verfahren zur Herstellung der Hartbeschichtungen und der hartbeschichteten Gegenstände.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Kritikalität der Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen nur zum Zweck der Veranschaulichung und nicht als Definitionen der Grenzen der vorliegenden Erfindung dienen sollen.
1 ist eine schematische Zeichnung einer Hartbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Zeichnung, die drei Unterschichtgruppen der zweiten Schicht der Hartbeschichtung von 1 zeigt.
3 ist eine mittels Transmissionselektronenmikroskopie angefertigte mikrophotographische Aufnahme eines Querschnitts einer Hartbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine bei höherer Vergrößerung angefertigte mikrophotographische Aufnahme der zweiten Schicht der Hartbeschichtung von 2.
5 ist eine Auftragung der Ergebnisse von Test Nr. 1 Drehwerkzeuglebensdauer als Funktion der Summe von x in der Formel (Ti_xAl_1-x)N und y in der Formel (Ti_ySi_1-y)N.
6 ist eine Auftragung der Ergebnisse von Test Nr. 2 Drehwerkzeuglebensdauer als Funktion der Summe von x in der Formel (Ti_xAl_1-x)N und y in der Formel (Ti_ySi_1-y)N.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
In diesem Abschnitt werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so ausführlich beschrieben, dass ein Fachmann die vorliegende Erfindung ausüben kann. Es versteht sich jedoch, dass daurch, dass herin eine begrenzte Zahl von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, in keiner Weise eingeschränkt wird.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine schematische Darstellung einer Hartbeschichtung 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie gezeigt, besteht die Hartbeschichtung 2 aus einer ersten Schicht 4, die an ein Substrat 6 gebunden ist, und einer zweiten Schicht 8. Die zweite Schicht 8 umfasst mehrere einander benachbart übereinandergestapelte Unterschichtgruppen, z. B. Unterschichtgruppen 10a, 10b, 10c, die in 2 gezeigt sind. Jede derartige Unterschichtgruppe, z. B. Unterschichtgruppe 10a, umfasst eine erste Unterschicht 12 und eine zweite Unterschicht 14.
Die Zusammensetzung der ersten Schicht 4 und jeder zweiten Unterschicht 14 ist Titanaluminiumnitrid der Formel (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6. Nichtsdestotrotz versteht es sich, dass die Zusammensetzung der ersten Schicht nicht mit derjenigen irgendeiner bestimmten Titanaluminiumnitrid-Unterschicht identisch sein muss. Um Verwirrung vermeiden zu helfen, wird in den Ansprüchen die Zusammensetzung der ersten Schicht in den Ansprüchen durch die Formel (Ti_zAl_1-z)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6, wiedergegeben. Außerdem versteht es sich, dass die Zusammensetzungen der Titanaluminiumnitrid-Unterschichten nicht miteinander identisch sein müssen. Titanaluminiumnitridzusammensetzungen außerhalb dieses Bereichs haben schlechtere Härte- und Eigenspannungsniveaus. Die erste Schicht 4 und jede zweite Unterschicht 14 haben Kristallstrukturen, die kubisch flächenzentriert oder eine Kombination von kubisch flächenzentriert und hexagonal dichtest gepackt sind.
Die Zusammensetzung jeder Unterschicht 12 ist Titansiliciumnitrid der Formel (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98. Nichtsdestotrotz versteht es sich, dass die Zusammensetzungen der Titansiliciumnitrid-Unterschichten nicht miteinander identisch sein müssen. Titansiliciumnitridzusammensetzungen mit weniger Silicium haben schlechtere Härteniveaus, wohingegen solche mit mehr Silicium leicht sekundäre Phasen aus amorphem Silicium und/oder Siliciumnitrid bilden, die sich beide nachteilig auf die Zähigkeit der Hartbeschichtung auswirken.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die überraschende Entdeckung gemacht, dass die Verschleißfestigkeit der Hartbeschichtung von der kombinierten Menge an Aluminium und Silicium in jeder der Unterschichtgruppen abhängt. Genauer gesagt wurde gefunden, dass die Summe von x in der Formel (Ti_xAl_1-x)N und y in der Formel (Ti_ySi_1-y)N in dem engen Bereich von 1,38 bis 1,46 gesteuert werden muss. Summen ober- und unterhalb dieses Bereichs liefern schlechtere Verschleißfestigkeitsniveaus. Vorzugsweise liegt die Summe zwischen 1,39 und 1,45, um die Verschleißfestigkeit weiter zu optimieren.
Die Dicke von Hartbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 1 bis etwa 10 Mikron und weiter bevorzugt im Bereich zwischen etwa 2 bis etwa 6 Mikron. Vorzugsweise umfasst die erste Schicht der Hartbeschichtung zwischen etwa 20 und 60 Prozent der Gesamtdicke der Hartbeschichtung. Relative Dicken der ersten Schicht außerhalb dieses Bereichs verleihen der Hartbeschichtung schlechtere Kombinationen von Haftung und Verschleißfestigkeit.
Die Dicken der einzelnen Unterschichten der zweiten Unterschichtgruppen der Hartbeschichtungen der vorliegenden Erfindung liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 15 Nanometer. Bei geringeren Dicken ist es schwierig, die Stabilität der Unterschicht aufrechtzuerhalten. Das Verhältnis der Dicken der ersten und zweiten Unterschichten in einer Unterschichtgruppe liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 2, um die Hartbeschichtung mit der optimalen Kombination von Härte und Zähigkeit zu versehen. Der numerische Wert dieses Verhältnisses kann von Untergruppe zu Untergruppe gleich sein oder variieren.
Die Unterschichtgruppendicke in Hartbeschichtungen der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 20 Nanometer und weiter bevorzugt im Bereich von etwa 3 bis etwa 10 Nanometer. Die Unterschichtgruppendicke kann von Unterguppe zu Untergruppe variieren. Bei Unterschichtgruppendicken außerhalb dieser Bereiche stößt man auf die oben für die Unterschichtdicken außerhalb ihrer bevorzugten Bereiche beschriebenen Schwierigkeiten. Die Dicken der Unterschichtgruppen helfen in Kombination mit der Zahl der Unterschichtgruppen bei der Bestimmung der Gesamtdicke der zweiten Schicht. In einigen bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Zahl der Unterschichtgruppen 200 oder mehr.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine mittels Transmissionselektronenmikroskopie angefertigte mikrophotographische Aufnahme eines Querschnitts einer Hartbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der untere Teil der Hartbeschichtung 2 ist eine einschichtige erste Schicht 4 aus Titanaluminiumnitrid, und der obere Teil ist eine mehrschichtige zweite Schicht 6 aus mehreren Unterschichtgruppen mit einer Unterschicht aus Titansiliciumnitrid und einer Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid, wenngleich dies in der mikrophotographischen Aufnahme schwer zu erkennen ist. 4 zeigt die in 3 gezeigte mehrschichtige zweite Schicht 8 in höherer Vergrößerung, so dass die einzelnen ersten und zweiten Unterschichten 12, 14 erkennbar sind. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Unterschichtgruppe 10 ungefähr 5 Nanometer dick.
Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass neben den oben beschriebenen Schichten oder Unterschichten auch noch zusätzliche Schichten oder Unterschichten in der Hartbeschichtung eingeschlossen werden können. So kann zum Beispiel zwischen dem Substrat und der ersten Schicht der Hartbeschichtung eine Schicht oder Zwischenschicht angeordnet sein. Zusätzliche Schichten oder Unterschichten können über der zweiten Schicht der Hartbeschichtung abgeschieden werden. Diese zusätzlichen Schichten oder Unterschichten können eine beliebige gewünschte Dicke und Zusammensetzung aufweisen. Vorzugsweise liegt die Dicke derartiger zusätzlicher Schichten im Bereich von 50 bis 600 Nanometer und die Dicke derartiger zusätzlicher Unterschichten im Bereich von 10 bis 1000 Nanometer. Die Zusammensetzungen derartiger zusätzlicher Schichten und Unterschichten sind vorzugsweise Ti, Cr, TiN, TiAlN, CrN, TiAlCrN, AlCrN, TiSiN, TiAlSiN, AlCrSiN und TiAlCrSiN.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Gegenstände mit den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Hartbeschichtungen. Die Gegenstände sind vorzugsweise Zerspanungswerkzeuge und verschleißfeste Bauteile, können aber eine beliebige Art von dem Fachmann bekanntem Gegenstand sein, für den eine durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschiedene Hartbeschichtung zur Verlängerung der Betriebslebensdauer durch Verbesserung seiner Oxidationsbeständigkeit und/oder Verschleißfestigkeit vorteilhaft ist. Die Gegenstände umfassen vorzugsweise Wolframsintercarbide, Cermets, Stähle (insbesondere Schnellarbeitsstähle), Keramiken, kubisches Bornitrid, polykristallinen Diamant, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid-Titan. Illustrative Beispiele für derartige Gegenstände sind Bohrer, Schaftfräser, Wendeschneidplatten zum Fräsen oder Drehen, Metallkreissägen für Schlitzarbeiten, Verzahnungswerkzeuge, Reibahlen, Gewindebohrer, unterirdische Bohrmeißel, Stempel, Gesenke und Formen.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Hartbeschichtungen. Dabei geht man so vor, dass man mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf einer Oberfläche eine erste Schicht aus Titanaluminiumnitrid abscheidet und dann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf der ersten Schicht mehrere Unterschichtgruppen, die jeweils eine erste Unterschicht aus Titansiliciumnitrid und eine zweite Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid aufweisen, abscheidet, so dass die Gesamtdicke der Hartbeschichtung zwischen etwa 1 und 10 Mikron liegt, die erste Schicht etwa 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke ausmacht und jede Gruppe von Unterschichten zwischen etwa 2 und 20 Nanometer dick ist. Das Verhältnis der Dicken der ersten und zweiten Unterschicht in einer Unterschichtgruppe liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 2. Die Dicken der alternierenden Unterschichten aus Titansiliciumnitrid und Titanaluminiumnitrid der Unterschichtgruppen der zweiten Schichten der Hartbeschichtungen können durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit des Substrats und der Targetverdampfungsraten gesteuert werden. Die Zusammensetzungen der Titanaluminiumnitridschichten und -unterschichten und der Titansiliciumnitridunterschichten sind die oben im Hinblick auf die erfindungsgemäße Hartbeschichtung beschriebenen. Es kann ein beliebiger dem Fachmann bekannter Prozess zur physikalischen Gasphasenabscheidung verwendet werden, aber die Magnetronsputter- und Kathodenlichtbogenverdampfungsprozesse sind bevorzugt. Die Oberfläche, auf der die erste Schicht abgeschieden wird, kann die des Substrats oder einer anderen Beschichtung, die auf das Substrat aufgebracht worden ist, sein. Das Verfahren kann auch das Abscheiden von einer oder mehreren zusätzlichen Schichten oder Unterschichten über oder unter der ersten und zweiten Schicht umfassen. Beispiele für derartige zusätzliche Schichten sind bereits bei der Erörterung von zusätzlichen Schichten oder Unterschichten, die Teil der erfindungsgemäßen Hartbeschichtung sein können, beschrieben worden.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen beschichteten Gegenstände. Bei derartigen Verfahren geht man so vor, dass man den zu beschichtenden Gegenstand bereitstellt, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Gegenstands eine erste Schicht, die Titanaluminiumnitrid umfasst, abscheidet und dann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf der ersten Schicht mehrere Unterschichtgruppen, die jeweils eine erste Unterschicht aus Titansiliciumnitrid und eine zweite Unterschicht aus Titanaluminiumnitrid aufweisen, abscheidet, so dass die Gesamtdicke der Hartbeschichtung zwischen etwa 1 und 10 Mikron liegt, die erste Schicht etwa 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke ausmacht und jede Gruppe von Unterschichten zwischen etwa 2 und 20 Nanometer dick ist. Das Verhältnis der Dicken der ersten und zweiten Unterschicht in einer Unterschichtgruppe liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 2. Die Zusammensetzungen der Titanaluminiumnitridschichten und -unterschichten und der Titansiliciumnitridunterschichten sind die oben im Hinblick auf die erfindungsgemäße Hartbeschichtung beschriebenen. Es kann ein beliebiger Prozess zur physikalischen Gasphasenabscheidung verwendet werden, aber die Magnetronsputter- und Kathodenlichtbogenverdampfungsprozesse sind bevorzugt. Die Oberfläche, auf der die erste Schicht abgeschieden wird, kann die des Substrats oder einer anderen Beschichtung, die auf das Substrat aufgebracht worden ist, sein. Die Oberfläche des Gegenstands, auf dem die Hartbeschichtung abgeschieden wird, oder ein Teil davon kann bereits eine Beschichtung aufweisen, so dass die Hartbeschichtung auf dieser Beschichtung abgeschieden wird. Das Verfahren kann auch das Abscheiden von einer oder mehreren zusätzlichen Schichten oder Unterschichten über oder unter der ersten und zweiten Schicht umfassen. Beispiele für derartige zusätzliche Schichten sind bereits bei der Erörterung von zusätzlichen Schichten oder Unterschichten, die Teil der erfindungsgemäßen Hartbeschichtung sein können, beschrieben worden.
BEISPIELE
Beispiele für Hartbeschichtungen der vorliegenden Erfindung, die in Tabelle 1 als Beispiele 1–7 identifiziert sind. Diese Hartbeschichtungen wurden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung nach dem Kathodenlichtbogenverdampfungsprozess unter Verwendung einer Substrattemperatur von 450 bis 550°C und einer Vorspannung von –40 bis –60 V auf Sintercarbid (WC-Co) abgeschieden. Jede Unterschichtgruppe der zweiten Schicht hatte eine Dicke von etwa 5 Nanometer und ein Verhältnis der Dicke der Titansiliciumnitridschicht zur Dicke des Titanaluminiumnitrids von ungefähr 0,47.
Zum Vergleich wurde eine im Handel erhältliche Titanaluminiumnitrid-Einschicht-Hartbeschichtung unter ähnlichen Bedingungen abgeschieden. Die Merkmale dieser Hartbeschichtung sind in Tabelle 1 angegeben. Die in Tabelle 1 angegebenen chemischen Zusammensetzungen wurden an repräsentativen Proben der ersten Schichten und der zweiten Schichten mittels Rasterelektronenmikroskopie mit elektronendispersiver Spektroskopie bei 20 kEV gemessen.
Zur Bestimmung der Kristallstruktur der ersten Schichten wurde Röntgenbeugung bei 45 keV verwendet, und zur Bestimmung der Kristallstruktur der zweiten Schichten wurde 200-keV-Transmissionselektronenmikroskopie-Beugung an einem ausgewählten Bereich (unter Verwendung eines ausgewählten Bereichs von 1,5 Mikron) verwendet. In jedem Fall wurde die Analyse an einer repräsentativen Probe der betreffenden ersten bzw. zweiten Schicht durchgeführt. In den Proben der zweiten Schichten wurden keine Ringe oder Muster detektiert, die auf unabhängige amorphe oder kristalline Silicium- oder Siliciumnitridphasen schließen lassen. Die Proben der ersten Schichten der Beispiele 1 bis 4 erwiesen sich alle als kubisch flächenzentriert, während diejenigen der Beispiele 5–7 sich als eine Mischung von kubisch flächenzentriert und hexagonal dichtest gepackt erwiesen. Die Analyse der Vergleichsprobe ergab eine Kristallstruktur einer Mischung von kubisch flächenzentriert und hexagonal dichtest gepackt.
Die Härte der Hartbeschichtungen wurde nach der Nanoindentationsmethode gemäß ISO 14577 gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wie zu sehen ist, ist jede der Hartbeschichtungen der vorliegenden Erfindung erheblich härter als die zum Vergleich dienende Hartbeschichtung. TABELLE 2

Hartbeschichtung ID Härte der Hartbeschichtung (GPa)

1 32,0

2 32,1

3 31,6

4 32,1

5 31,5

6 30,8

7 33,6

Vgl. 28,3
Zur Beurteilung der Schneidleistungsfähigkeit der Hartbeschichtungen wurden Metallschneidtests unter den angegebenen Bedingungen durchgeführt. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Hartbeschichtungen beim kontinuierlichen Schneiden wurden Drehtests unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen durchgeführt. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Hartbeschichtungen beim unterbrochenen Schneiden wurden Stirnfrästests durchgeführt. Die Bedingungen für die Stirnfrästests sind in Tabelle 4 angegeben. In Tabelle 4 ist auch die Summe x + y für die Zweitschichtuntergruppen für die Beispiele 1–7 aufgeführt.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 5 aufgeführt. Wie in dieser Tabelle zu sehen ist, zeigten die Hartbeschichtungen der vorliegenden Erfindung sowohl beim Drehen als auch beim Fräsen Verbesserungen der Werkzeuglebensdauer gegenüber der zum Vergleich dienenden Hartbeschichtung. Die Ergebnisse der Drehtests, Test Nr. 1 und Test Nr. 2, sind in den 5 bzw. 6 als Funktion der Summe von x in der Formel (Ti_xAl_1-x)N und y in der Formel (Ti_ySi_1-y)N aufgetragen.

Die Auftragungen illustrieren, dass diese Summe die Werkzeuglebensdauer stark beeinflusst. Aus den in diesen Auftragungen etablierten Trends ist ersichtlich, dass die Werkzeuglebensdauer der Hartbeschichtung überraschenderweise besser ist, wenn die Summe im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt. TABELLE 5

ID	Summe von X + Y für Zweitschichtuntergruppen	Test Nr. 1 Werkzeuglebensdauer (Minuten)	Test Nr. 2 Werkzeuglebensdauer (Minuten)	Test Nr. 3 Werkzeuglebensdauer (Minuten)
Beispiel 1	1,41	32,1	25,9	(nicht getestet)
Beispiel 2	1,38	27,1	17,4	(nicht getestet)
Beispiel 3	1,45	29,3	22,9	12
Beispiel 4	1,42	35,4	28,7	9
Beispiel 5	1,36	(nicht getestet)	17,8	(nicht getestet)
Beispiel 6	1,40	(nicht getestet)	25,0	(nicht getestet)
Beispiel 7	1,44	(nicht getestet)	26,7	(nicht getestet)
Vergleich	(nicht zutreffend)	12,5	18,3/20,8	6,9

Wenngleich nur wenige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass daran viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen. Auf alle Patentanmeldungen, Patentschriften und alle anderen Veröffentlichungen, auf die hierin Bezug genommen wird, wird hiermit im vollen gesetzlich erlaubten Ausmaß in vollem Umfang Bezug genommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7060345 [0003]
US 6586122 [0004]
JP 2000-334606 [0005]
JP 2000-334607 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 14577 [0032]

Claims

Hartbeschichtung (2) für ein Substrat (6), umfassend: eine erste Schicht (4), umfassend (Ti_zAl_1-z)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6; und eine zweite Schicht (8) mit mehreren Unterschichtgruppen (10a), wobei jede Unterschichtgruppe eine erste Unterschicht (12) aus (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98, und eine zweite Unterschicht (14) aus (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6, umfasst; wobei in der ersten Unterschicht (12) weder eine reine Siliciumphase noch eine reine Siliciumnitridphase vorliegt und die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.
Hartbeschichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (4) 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke der Hartbeschichtung ausmacht.
Hartbeschichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Dicke jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 3 bis 20 nm liegt.
Hartbeschichtung (2) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Dicke der ersten Unterschicht (12) zur Dicke der zweiten Unterschicht (14) in jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 0,2 bis 2,0 liegt.
Hartbeschichtung (12) nach Anspruch 1, wobei die Summe von x und y im Bereich von 1,39 bis 1,45 liegt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6), umfassend: einen Gegenstand (6) mit einer Oberfläche und eine mindestens einen Teil der Oberfläche des Gegenstands (6) bedeckende Hartbeschichtung (2) mit: einer ersten Schicht (4), umfassend (Ti_zAl_1-z)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6; und einer zweiten Schicht (8) mit mehreren Unterschichtgruppen (10a), wobei jede Unterschichtgruppe eine erste Unterschicht (12) aus (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98, und eine zweite Unterschicht (14) aus (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6, umfasst; wobei in der ersten Unterschicht (12) weder eine reine Siliciumphase noch eine reine Siliciumnitridphase vorliegt und die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei die erste Schicht (4) 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke der Hartbeschichtung ausmacht.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei die Dicke jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 3 bis 20 nm liegt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis der Dicke der ersten Unterschicht (12) zur Dicke der zweiten Unterschicht (14) in jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 0,2 bis 2,0 liegt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei die Summe von x und y im Bereich von 1,39 bis 1,45 liegt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus einem Schneidwerkzeug und einem Verschleißbauteil handelt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus Bohrern, Schaftfräsern, Wendeschneidplatten zum Fräsen oder Drehen, Metallkreissägen für Schlitzarbeiten, Verzahnungswerkzeugen, Reibahlen und Gewindebohrern handelt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus unterirdischen Bohrmeißeln, Stempeln, Gesenken und Formen handelt.
Hartbeschichteter Gegenstand (6) nach Anspruch 6, wobei der Gegenstand (6) mindestens einen Werkstoff aus der Gruppe bestehend aus Wolframsintercarbiden, Cermets, Stählen (insbesondere Schnellarbeitsstählen), Keramiken, kubischem Bornitrid, polykristallinem Diamant, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid-Titancarbid umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Hartbeschichtung (2), bei dem man: a) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf der Oberfläche eine erste Schicht (4), umfassend (Ti_zAl_1-z)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6, abscheidet und b) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf der ersten Schicht (4) eine zweite Schicht (8) mit mehreren Unterschichtgruppen (10a), wobei jede Unterschichtgruppe (10a) eine erste Unterschicht (12) aus (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98, und eine zweite Unterschicht (14) aus (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6, umfasst, abscheidet; wobei in der ersten Unterschicht (12) weder eine reine Siliciumphase noch eine reine Siliciumnitridphase vorliegt und die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die erste Schicht (2) 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke der Hartbeschichtung ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Dicke jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 3 bis 20 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Verhältnis der Dicke der ersten Unterschicht (12) zur Dicke der zweiten Unterschicht (14) in jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 0,2 bis 2,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Summe von x und y im Bereich von 1,39 bis 1,45 liegt.
Verfahren zur Herstellung eines hartbeschichteten Gegenstands (6), bei dem man: a) einen Gegenstand (6) mit einer Oberfläche bereitstellt; b) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Gegenstands eine erste Schicht (4), umfassend (Ti_zAl_1-z)N, worin 0,4 ≤ z ≤ 0,6, abscheidet und c) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf der ersten Schicht eine zweite Schicht (8) mit mehreren Unterschichtgruppen (10a), wobei jede Unterschichtgruppe (10a) eine erste Unterschicht (12) aus (Ti_ySi_1-y)N, worin 0,85 ≤ y ≤ 0,98, und eine zweite Unterschicht (14) aus (Ti_xAl_1-x)N, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6, umfasst, abscheidet; wobei in der ersten Unterschicht (12) weder eine reine Siliciumphase noch eine reine Siliciumnitridphase vorliegt und die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die erste Schicht (4) 20 bis 60 Prozent der Gesamtdicke der Hartbeschichtung ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Dicke jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 3 bis 20 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Verhältnis der Dicke der ersten Unterschicht (12) zur Dicke der zweiten Unterschicht (14) in jeder Unterschichtgruppe (10a) im Bereich von 0,2 bis 2,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Summe von x und y im Bereich von 1,39 bis 1,45 liegt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus einem Schneidwerkzeug und einem Verschleißbauteil handelt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus Bohrern, Schaftfräsern, Wendeschneidplatten zum Fräsen oder Drehen, Metallkreissägen für Schlitzarbeiten, Verzahnungswerkzeugen, Reibahlen und Gewindebohrern handelt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem es sich bei dem Gegenstand (6) um einen Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus unterirdischen Bohrmeißeln, Stempeln, Gesenken und Formen handelt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Gegenstand (6) mindestens einen Werkstoff aus der Gruppe bestehend aus Wolframsintercarbiden, Cermets, Stählen (insbesondere Schnellarbeitsstählen), Keramiken, kubischem Bornitrid, polykristallinem Diamant, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid-Titancarbid umfasst.