DE112011104813B4

DE112011104813B4 - Hartlaminarbeschichtung

Info

Publication number: DE112011104813B4
Application number: DE112011104813.0T
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Sakurai; Toshihiro Ohchi
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: US9109280B2; CN103339282A; DE112011104813T5; KR101544661B1; KR20130121171A; WO2012105003A1; JP5651713B2; US20130309469A1; JPWO2012105003A1

Abstract

Hartlaminarbeschichtung (20), die aus einer Mehrzahl von Filmen besteht, die zwei Arten von Filmen in der Form eines ersten Films (22) und eines zweiten Films (24) mit jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen und alternierend auf einer Oberfläche einer Grundstruktur (12, 62, 84) laminiert beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Film ein Carbid, ein Nitrid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid oder ein Carbo-Oxynitrid von (AlaCrbBc) ist, während der zweite Film TiB2 ist, die atomaren Verhältnisse a, b und c in dem ersten Film a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2 erfüllen, und eine Dicke des ersten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, während eine Dicke des zweiten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, wobei die Hartlaminarbeschichtung eine Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm aufweist, und die Hartlaminarbeschichtung aus nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100 Schichten, welche alternierend aufeinander laminiert sind, besteht.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hartlaminarbeschichtung, die zwei Arten von Filmen mit jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen beinhaltet, und die alternierend auf einer Oberfläche einer Grundstruktur laminiert sind, und spezieller auf eine Verbesserung von Eigenschaften der Hartlaminarbeschichtung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Verschiedene Hartlaminarbeschichtungen, die zwei Arten von Filmen in der Form eines ersten Films und eines zweiten Films mit jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen beinhalten, und die alternierend aufeinander laminiert sind, wurden als eine verschleißbeständige Hartlaminarbeschichtung vorgeschlagen, die auf einer Oberfläche einer Grundstruktur eines Werkzeugs aus einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl oder einem Sintercarbid vorgesehen ist. Die Patentdokumente 1 und 2 offenbaren Beispiele solcher Hartlaminarbeschichtungen, wobei zwei Arten von Filmen, die aus Metallelementen gebildet sind, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems der Elemente zählen, oder Nitriden oder Carbiden von beispielsweise Al alternierend aufeinander mit vorbestimmter Dicke in sukzessiver Lamination laminiert sind. Namentlich sind diese Hartlaminarbeschichtungen bei der Filmhärte und Verschleißbeständigkeit aufgrund der Verringerung der Dicke des ersten und des zweiten Films und der Erhöhung der Anzahl an Laminationen der Filme, des Legierens der Metallelemente, und verschiedener anderer Mittel verbessert.
DOKUMENTE DES STANDS DER TECHNIK
Patentdokumente

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

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung gelöste Aufgabenstellung
Allerdings weisen Schneidwerkzeuge, die mit solchen Hartlaminarbeschichtungen ausgestattet sind, nicht ausreichend befriedigende Eigenschaften bzgl. auf ihre Schweißbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit (bzw. Abriebbeständigkeit) auf, wo die Schneidwerkzeuge verwendet werden, um Werkstücke wärmebeständiger Legierungen, wie etwa Inconel (Markenname eines Nickel basierten Sintercarbids) und Titanlegierungen, oder Werkstücke aus Kompositmaterialien, die diese wärmebeständigen Legierungen enthalten, zu schneiden. Somit leiden solche Schneidwerkzeuge an einem Nachteil einer geringen Einsatzdauer auf Grund eines geringen Grads deren Verschleißbeständigkeit.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik gemacht. Es ist daher eine Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, eine Hartlaminarbeschichtung bereitzustellen, welche ausreichend hohe Grade an Schweißbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweist, wo ein Scheidwerkzeug, das mit der Hartlaminarbeschichtung ausgestattet ist, verwendet wird, um wärmebeständige Legierungen, wie etwa Inconel und Titanlegierungen, oder Werkstücke aus Kompositmaterialien, die diese wärmebeständigen Legierungen enthalten, zu schneiden.
Mittel zum Lösen der Aufgabenstellung
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung, welcher verschiedene Studien bzgl. des oben beschriebenen Stands der Technik durchgeführt hat, fand heraus, dass eine Ti basierte Hartlaminarbeschichtung, die Bor (B) beinhaltet, zufriedenstellend bzgl. deren Hochtemperaturhärte und Schweißbeständigkeit ist, aber nicht ausreichend bzgl. ihrer Verschleißbeständigkeit und Bindungsstärke war, während eine Ti basierte Hartlaminarbeschichtung, die die alternierend laminierten ersten und zweiten Filme beinhaltet, wovon einer ein Carbid, ein Nitrid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid oder ein Carbo-Oxynitrid einer Legierung von AlCr, die Bor (B) enthält, beinhaltet, und der andere davon Bor (B) beinhaltet, zufriedenstellend bzgl. deren Verschleißbeständigkeit und Bindungsstärke (Adhesionsfestigkeit) war. Die vorliegende Erfindung wurde auf diesem Fund basiert.
Das heißt, gemäß der Erfindung wird eine Hartlaminarbeschichtung bereitgestellt, die (a) aus einer Mehrzahl von Filmen besteht, die zwei Arten von Filmen in der Form eines ersten Films und eines zweiten Films mit jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen und alternierend auf einer Oberfläche einer Grundstruktur laminiert beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass (b) der oben beschriebene erste Film ein Carbid, ein Nitrid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid oder ein Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) ist, (c) während der oben beschriebene zweite Film TiB₂ ist, (d) die atomaren Verhältnisse a, b und c in dem oben beschriebenen ersten Film a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2 erfüllen, und (e) eine Dicke des oben beschriebenen ersten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, (f) während eine Dicke des oben beschriebenen zweiten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, (g) wobei die oben beschriebene Hartlaminarbeschichtung eine Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm aufweist, und (h) die oben beschriebene Hartlaminarbeschichtung aus nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100 Schichten, welche alternierend aufeinander laminiert sind, besteht.
Vorteile der Erfindung
Die Hartlaminarbeschichtung dieser Erfindung ist durch alternierendes Laminieren des ersten Films aus dem Carbid, Nitrid, Carboxid, Nitroxid, Carbonitrid oder Carbo-Oxynitrid aus (Al_aCr_bB_c), und des zweiten Films aus TiB₂ auf der Oberfläche der Grundstruktur gebildet, die atomaren Verhältnisse a, b und c von (Al_aCr_bB_c) in dem ersten Film erfüllen a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2, und die Dicke des erstens Films beträgt nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm, während die Dicke des zweiten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, wobei die Hartlaminarbeschichtung die Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm aufweist. Die Anzahl der ersten und zweiten Filme, die alternierend aufeinander laminiert sind, um die Hartlaminarbeschichtung zu bilden, ist nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100, so dass die Hartlaminarbeschichtung zufriedenstellende Eigenschaften sowohl bzgl. deren Verschleißbeständigkeit als auch bei deren Schweißbeständigkeit aufweist.
Die oben beschriebene Hartlaminarbeschichtung ist bevorzugt auf einer Oberfläche verschiedener Arten von Bearbeitungswerkzeugen, wie etwa Schneidwerkzeugbits und anderen nicht rotierenden Schneidwerkzeugen, und Rundwerkzeugen, ebenso wie auf einer Oberfläche zumindest eines Schneidabschnitts eines Fingerfräsers, eines Gewindewerkzeugs, eines Bohrwerkzeugs, und anderer Rotationsschneidwerkzeuge vorgesehen. Allerdings kann die vorliegende Hartlaminarbeschichtung auf einer Oberfläche verschiedener Elemente vorgesehen werden, die sich von Bearbeitungswerkzeugen unterscheiden, wie etwa eine Schutzbeschichtung auf Halbleitervorrichtungen. Die Grundstruktur, wie etwa die Grundstruktur eines Werkzeugs, auf welcher die Hartlaminarbeschichtung vorgesehen ist, ist bevorzugt aus einem Sintercarbid oder einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl gebildet, kann aber aus jeglichem anderen metallischen Material gebildet sein.
Die Hartlaminarbeschichtung ist bevorzugt durch einen PVD-Prozess (physikalischer Gasphasenabscheidungsprozess) gebildet, wie etwa einem Bogenionenplattierungsprozess und einem Sputterprozess. Die Dicke der ersten und zweiten Filme kann beispielsweise durch Einstellen der Menge an elektrischer Energie, die den Targets zuzuführen ist, und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit eines Rotationstischs geeignet gesteuert werden.
Die atomaren Verhältnisse a, b und c von (Al_aCr_bB_c) des oben beschriebenen ersten Films werden so ausgewählt, dass sie a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2 erfüllen. Die atomaren Verhältnisse a, b und c können gemäß einem metallischen Material oder benötigter Eigenschaften bestimmt werden. Wenn das atomare Verhältnis b weniger als 0,2 beträgt oder das atomare Verhältnis c gleich 0 ist oder wenn das atomare Verhältnis b mehr als 0,7 beträgt oder das atomare Verhältnis c mehr als 0,2 beträgt, kann die Hartlaminarbeschichtung einen zufriedenstellenden Grad an Verschleißbeständigkeit nicht aufweisen. Der erste Film kann irgendeines aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) sein.
Die oben beschriebenen ersten und zweiten Filme können unvermeidbar enthaltene Verunreinigungselemente beinhalten.
Der oben beschriebene erste Film weist eine Dicke von nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm auf, während der zweite Film die Dicke von nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm aufweist, und die Hartlaminarbeschichtung weist eine Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm auf. Wenn die Dicke des ersten und zweiten Films weniger als 0,1 µm beträgt oder wenn die Gesamtdicke der Hartlaminarbeschichtung weniger als 0,2 µm beträgt, ist die Hartlaminarbeschichtung zumindest bzgl. der Verschleißbeständigkeit nicht zufriedenstellend. Wenn die Dicke des ersten oder zweiten Films mehr als 5,0 µm beträgt oder wenn die Dicke der Hartlaminarbeschichtung mehr als 10,0 µm beträgt, sind die Herstellungskosten der Hartlaminarbeschichtung inakzeptabel hoch.
Die Anzahl der ersten und zweiten Filme, die alternierend aufeinander laminiert sind, beträgt nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100. Wenn die Anzahl der Filme weniger als 2 ist, weist die Hartlaminarbeschichtung nicht den ersten Film oder den zweiten Film auf und ist bzgl. deren Verschleißbeständigkeit nicht zufriedenstellend. Wenn die Anzahl der ersten und zweiten Filme mehr als 100 beträgt, sind die Herstellungskosten der Hartlaminarbeschichtung entsprechend erhöht.
Entweder der erste Film oder der zweite Film können als erster in Kontakt mit der Oberfläche der Grundstruktur (beispielsweise eines Werkzeugs) in Abhängigkeit von den Zusammensetzungen der ersten und zweiten Filme gebildet sein. Beispielsweise ist einer aus den ersten und zweiten Filmen, welcher einen höheren Grad an Bindungsstärke aufweist, in Kontakt mit der Grundstruktur gebildet. Allerdings können der erste oder der zweite Film in Kontakt mit der Grundstruktur unabhängig von ihren Zusammensetzungen gebildet sein. Die ersten und zweiten Filme können als ein Paar oder eine Mehrzahl sukzessiver Paare alternierend aufeinander laminiert sein, aber eine ungerade Gesamtanzahl der ersten und zweiten Filme kann aufeinander laminiert sein, so dass der erste Film als die unterste und oberste Schicht gebildet ist, oder der zweite Film als die unterste und oberste Schicht gebildet ist. Es ist anzumerken, dass ein anderer Hartfilm als die ersten und zweiten Filme zwischen der Oberfläche der Grundstruktur und der vorliegenden Hartlaminarbeschichtung nach Bedarf zwischengelagert sein kann, und ein anderer Film auf der obersten Schicht gebildet sein kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die einen Fingerfräser zeigt, auf welchen eine Hartlaminarbeschichtung der vorliegenden Erfindung aufbringbar ist, wobei die Ansicht eine schräge Frontalansicht in einer Blickrichtung senkrecht zu einer Achse des Fingerfräsers ist;
2 ist eine Ansicht, die den Fingerfräser von 1 zeigt, wobei die Ansicht eine Schnittansicht ist, die die Hartlaminarbeschichtung, die auf einer Oberfläche eines Schneidabschnitts des Fingerfräsers vorgesehen ist, in Vergrößerung zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Bogenionenplattierungsvorrichtung zeigt, die konfiguriert ist, die Hartlaminarbeschichtung von 1 in einem PVD-Prozess geeignet zu bilden;
4 ist eine Draufsicht zum Erklären einer Positionsbeziehung zwischen einem Rotationstisch und Targets der Bogenionenplattierungsvorrichtung von 3;
5 ist eine schräge Frontalansicht eines Kugelfräsers, auf welchem eine Hartlaminarbeschichtung der vorliegenden Erfindung aufbringbar ist, in Blickrichtung rechtwinklig zu der Achse des Kugelfräsers;
6 ist eine Frontalansicht eines Endes des Schneidabschnitts des Kugelfräsers von 5, in der axialen Blickrichtung des Kugelfräsers;
7 ist eine schräge Frontalansicht eines Gewindebohrers, auf welchem die Hartlaminarbeschichtung der vorliegenden Erfindung aufbringbar ist, aus Blickrichtung rechtwinklig zu der Achse des Gewindebohrers;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Schneidabschnitt des Gewindebohrers von 7 zeigt.
MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben werden.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine Ansicht, die einen Fingerfräser 10 zeigt, welcher ein Beispiel eines Werkzeugs ist, auf welchem eine Hartlaminarbeschichtung der vorliegenden Erfindung aufbringbar ist, wobei die Ansicht eine schräge Frontalansicht aus Blick in einer Richtung rechtwinklig zu einer Achse C des Fingerfräsers 10 ist. Dieser Fingerfräser weist eine Werkzeuggrundstruktur 12 auf, die aus einem Sintercarbid gebildet ist, und aus einem Schaft und einem Schneidabschnitt 14 besteht. Der Schneidabschnitt 14 weist integral gebildete helikale periphere Schneidkanten 16 und eine lineare Endschneidkante 18 als Schneidkanten auf. Der Schneidabschnitt 14 wird um die Achse C rotiert, um einen Schneidbetrieb mit den peripheren Schneidkanten 16 und der Endschneidkante 18 durchzuführen, und ist auf dessen Oberfläche mit einer Hartlaminarbeschichtung 20 beschichtet. Ein schraffierter Bereich in 1 zeigt die Hartlaminarbeschichtung 20.
2 ist die Querschnittsansicht, die eine vergrößerte Struktur der Hartlaminarbeschichtung 20, die auf der Oberfläche des Schneidabschnitts 14 vorgesehen ist, zeigt. Der Fingerfräser 10 ist ein Rotationsschneidwerkzeug, und die Werkzeuggrundstruktur 12 korrespondiert mit einem Grundkörper mit einer Oberfläche, auf welcher die Hartlaminarbeschichtung 20 vorgesehen ist.
Wie aus 2 ersichtlich, besteht die Hartlaminarbeschichtung 20 aus einer Vielzahl von Schichten, die auf einer Oberfläche der Werkzeuggrundstruktur 12 durch alternierendes Laminieren eines ersten Films 22 und eines zweiten Films 24 jeweils verschiedener Zusammensetzungen aufeinander gebildet sind. Der erste Film 22 ist aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid einer Legierung von (Al_aCr_bB_c) gebildet. Die atomaren Verhältnisse a, b und c der Legierung von (Al_aCr_bB_c) erfüllen a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2. Namentlich ist das atomare Verhältnis b nicht weniger als 0,2 und nicht mehr als 0,7, während das atomare Verhältnis c mehr als 0 und nicht mehr als 0,2 ist. Ferner ist die Dicke des erstens Films 22 nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm. Der zweite Film 24 ist aus einer Legierung aus TiB₂ gebildet. Die Dicke des zweiten Films 24 ist nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm. Die Hartlaminarbeschichtung 20, die die ersten und zweiten Filme 22, 24 alternierend laminiert beinhaltet, besteht aus nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100 Schichten und weist eine Dicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm auf.
3 ist die schematische Ansicht, die eine Bogenionenplattierungsvorrichtung 30 zeigt, die geeigneter Weise zum Bilden der oben beschriebenen Hartlaminarbeschichtung 20 verwendet wird. 4 ist eine Draufsicht, die entlang der Linien A-A von 3 genommen ist. Diese Bogenionenplattierungsvorrichtung 30 ist ausgestattet mit: einem ersten Rotationstisch 32 mit einer im Wesentlichen horizontalen Tragoberfläche; einer Rotationsantriebsvorrichtung 33 zum Rotieren des ersten Rotationstischs 32 um eine im Wesentlichen vertikale Achse O; eine Mehrzahl von (vier in dem Beispiel von 4) zweiten Rotationstischen 34, die in einem radial äußeren Abschnitt des ersten Rotationstischs 32 angeordnet sind und eine Vielzahl von Werkstücken in der Form der Werkzeuggrundstrukturen 12 mit den Schneidkanten 16, 18, die mit der Hartlaminarbeschichtung 20 zu beschichten sind, hält; eine Vorspannungsstromquelle 36 zum Anlegen einer negativen Vorspannung an die Werkzeuggrundstrukturen 12; eine Kammer 38, die als ein Prozessierungscontainer dient, der darin die Werkzeuggrundstrukturen 12 etc. beherbergt; eine Reaktionsgaszuführvorrichtung 40 zum Zuführen eines geeigneten Reaktionsgases in die Kammer 38; eine Absaugvorrichtung 42, die mit einer Vakuumpumpe zum Absaugen eines Gases aus der Kammer 38 ausgestattet ist, und dadurch den Druck innerhalb der Kammer 38 reduziert; eine erste Bogenstromquelle 44; eine zweite Bogenstromquelle 46; etc. Die Bogenionenplattierungsvorrichtung 30 entspricht einer Beschichtungsbildungsvorrichtung. Es ist anzumerken, dass die Werkzeuggrundstrukturen 12, die durch die zweiten Rotationstische 34 gehalten werden, in 4 nicht gezeigt sind.
Die oben beschriebenen zweiten Rotationstische 34 sind parallel zu dem ersten Rotationstisch 32 angeordnet, so dass jeder der zweiten Rotationstische 34 um dessen Achse (zweite Achse) rotiert wird, welche parallel zu der Achse O des ersten Rotationstischs 32 ist. Jeder zweite Rotationstisch 34 hält eine Mehrzahl der Werkzeuggrundstrukturen 12, so dass jede Werkzeuggrundstruktur 12 aufrecht mit ihrer Achse parallel zu der oben beschriebenen zweiten Achse und mit deren Schneidabschnitt 14 auf deren Oberseite ausgerichtet steht, so dass jede der Werkzeuggrundstrukturen 12 um die Achse des zweiten Rotationstischs 34 (um die zweite Achse) rotiert wird, während gleichzeitig um die Achse O des ersten Rotationstischs 32 rotiert wird. Um den ersten Rotationstisch 32 sind ein erstes Target 48 und ein zweites Target 52 fixiert angeordnet, welche voneinander um 180° um die Achse O getrennt sind. Wenn der erste Rotationstisch 32 kontinuierlich rotiert wird, werden die Werkzeuggrundstrukturen 12 zyklisch und alternierend vor die ersten und zweiten Targets 48, 52 gemeinsam mit den zweiten Rotationstischen 34 bewegt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die zwei Targets in der Form der ersten und zweiten Targets 48, 52 in der 180° voneinander getrennten Beziehung zueinander um die Achse O angeordnet. Während die vorliegende Ausführungsform so konfiguriert ist, dass die Mehrzahl der zweiten Rotationstische 34 durch jeweilige Rotationsantriebsvorrichtungen unabhängig von der Rotation des ersten Rotationstischs 32 rotiert werden, können die zweiten Rotationstische 34 mechanisch über ein Getriebe oder einen anderen Mechanismus mit dem ersten Rotationstisch 32 verbunden sein, so dass die zweiten Rotationstische 34 synchron mit der Rotation des ersten Rotationstischs 32 rotiert werden.
Die oben angemerkte Reaktionsgaszuführvorrichtung 40 ist mit Reservoirs ausgestattet, die Stickstoffgas (N₂), ein Kohlenwasserstoffgas (CH₄, C₂H₂, etc.), ein Sauerstoffgas (O₂), etc., speichern, und führt das geeignete Gas oder die geeigneten Gase in Abhängigkeit von den Zusammensetzungen der zu bildenden ersten und zweiten Filme 22, 24 zu. Beispielsweise wird lediglich das Stickstoffgas zugeführt, um ein Nitrid zu bilden. Ferner wird lediglich das Kohlenwasserstoffgas zugeführt, um ein Carbid zu bilden, oder das Sauerstoffgas oder das Kohlenwasserstoffgas werden zugeführt, um ein Carboxid zu bilden. Ferner werden das Stickstoffgas und das Sauerstoffgas zugeführt, um ein Oxynitrid zu bilden, oder das Stickstoffgas und das Kohlenwasserstoffgas werden zugeführt, um ein Carbonitrid zu bilden. Das Sauerstoffgas, das Stickstoffgas und das Kohlenwasserstoffgas werden zugeführt, um ein Carbo-Oxynitrid zu bilden. Die geeigneten Gase werden zugeführt, um andere Verbindungen, wie etwa ein Borid, Oxynitrid oder ein Bornitrid zu bilden.
Das erste Target 48, das angeordnet ist, um zu der oben bezeichneten Achse O zu zeigen, ist aus einer Legierung aus (Al_aCr_bB_c) gebildet, welche die Bestandteile des ersten Films bereitstellt, während das zweite Target 52, das ebenso angeordnet ist, um auf die Achse O zu zeigen, aus einer Legierung aus TiB₂ gebildet ist, welche die Bestandteile des zweiten Films 24 bereitstellt. Die oben bezeichnete erste Bogenstromquelle 44 legt einen vorbestimmten Bogenstrom zwischen einer Kathode in der Form des oben bezeichneten ersten Targets 48 und einer Anode 50 an, um eine Bogenentladung zum Verdampfen der Legierung aus (Al_aCr_bB_c) von dem ersten Target 48 durchzuführen, so dass die verdampfte Legierung aus (Al_aCr_bB_c) als positive (+) Metallionen auf den Werkzeuggrundstrukturen 12 abgeschieden wird, an welche eine negative Vorspannung angelegt wird. Dabei reagiert die verdampfte Legierung aus (Al_aCr_bB_c) mit dem zugeführten Reaktionsgas oder den zugeführten Reaktionsgasen, um ein Carbid, ein Nitrid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid oder ein Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) zu bilden, um dadurch den ersten Film 22 zu bilden. Die oben bezeichnete zweite Bogenstromquelle 46 legt einen vorbestimmten Bogenstrom zwischen einer Kathode in der Form des oben bezeichneten zweiten Targets 52 und einer Anode 54 an, um eine Bogenentladung zum Verdampfen der Legierung aus TiB₂ von dem zweiten Target 52 durchzuführen, so dass die verdampfte Legierung von TiB₂ als positive (+) Metallionen auf den Werkzeuggrundstrukturen 12 abgeschieden wird, an welche die negative Vorspannung angelegt wird.
Wenn die Hartlaminarbeschichtung 20 auf der Oberfläche des Schneidabschnitts 14 jeder der Werkzeuggrundstrukturen 12 unter Verwendung der Bogenionenplattierungsvorrichtung 30, die wie oben beschrieben konstruiert ist, gebildet wird, wird bzw. werden das vorbestimmte Reaktionsgas bzw. die vorbestimmten Reaktionsgase von der Reaktionsgaszuführvorrichtung 40 zugeführt, während der Druck innerhalb der Kammer 38 auf einem vorbestimmten Niveau (beispielsweise innerhalb eines Bereichs von etwa 1,33 Pa bis etwa 3,99 Pa) durch den Betrieb der Absaugvorrichtung 42 gehalten wird, und die vorbestimmte Vorspannung (z.B. innerhalb eines Bereichs zwischen etwa –50 V und etwa –150 V) von der Vorspannungsstromquelle 36 an die Werkzeuggrundstrukturen 12 angelegt wird. Dabei wird der erste Rotationstisch 32 kontinuierlich um die Achse O in einer Richtung bei einer konstanten Geschwindigkeit gedreht, während die zweiten Rotationstische 34 um ihre Achsen gedreht werden, so dass die Rotationsgrundstrukturen 12 zyklisch und alternierend vor den ersten und zweiten Targets 48, 52, gemeinsam mit den zweiten Rotationstischen 44 rotiert werden, während die Werkzeuggrundstrukturen 12 um die zweite Achse rotiert werden.
Der erste Film 22, der aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) gebildet ist, wird auf der Oberfläche der Werkzeuggrundstruktur 12 abgeschieden, wenn die Werkzeuggrundstruktur 12 vor das erste Target 48 bewegt wird, während der zweite Film 24, der aus TiB₂ gebildet ist, auf der Oberfläche der Werkzeuggrundstruktur 12 abgeschieden wird, wenn die Werkzeuggrundstruktur 12 vor das zweite Target 52 bewegt wird. Somit werden der erste Film 22 und der zweite Film 24 alternierend und wiederholt auf der Oberfläche der Werkzeuggrundstruktur 12 laminiert, um die Hartlaminarbeschichtung 20 zu bilden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten und zweiten Targets 48, 52 um den ersten Rotationstisch 32 angeordnet, so dass der erste Film 22 und der zweite Film 24 während der Rotation des ersten Rotationstischs 32 aufeinander laminiert werden. Die Mengen der Bogenströme, die von den jeweiligen Bogenstromquellen 44, 46 zugeführt werden, werden gemäß der Dicke der zu bildenden ersten und zweiten Filme 22, 24 bestimmt. Die Bildung dieser Hartlaminarbeschichtung 20 kann automatisch durch eine Steuervorrichtung, einschließlich eines Computers, gesteuert werden.
Da der erste Film 22 aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) gebildet ist, während der zweite Film 24 aus TiB₂ gebildet ist, müssen die ersten und zweiten Filme 22, 24 unabhängig voneinander gebildet werden, so dass das Reaktionsgas oder die Reaktionsgase, die von der Reaktionsgaszuführvorrichtung 40 zuzuführen sind, geändert wird bzw. geändert werden, und die ersten und zweiten Bogenstromquellen 44, 46 werden selektiv an- bzw. ausgeschaltet, um die ersten und zweiten Targets 48, 42 selektiv an- oder auszuschalten.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
5 ist die schräge Frontalansicht eines Kugelfräsers 60 mit einem Schneidabschnitt 64, auf welchem die Hartlaminarbeschichtung 20 in einem Prozess gebildet ist, der dem für den Fingerfräser 10 bei der ersten Ausführungsform ähnlich ist, aus Blick in der Richtung rechtwinklig zu der Achse C des Kugelfräsers 60, und 6 ist eine Draufsicht vom Ende des Schneidabschnitts 64 des Kugelfräsers 60, wie in dessen axialer Richtung betrachtet. Dieser Kugelfräser 60 weist eine Werkzeuggrundstruktur 62 auf, die aus einem Sintercarbid gebildet ist, und aus einem Schaft und dem Schneidabschnitt 64 besteht. Der Schneidabschnitt 64 weist integral gebildet helikale periphere Schneidkanten 66 und zwei halbrunde Kugel(end)schneidkanten 68 als Schneidkanten auf. Der Schneidabschnitt 64 wird um die Achse rotiert, um einen Schneidbetrieb mit den peripheren Schneidkanten 66 und den Kugelschneidkanten 68 durchzuführen, und ist auf dessen Oberfläche mit der Hartlaminarbeschichtung 20, wie in 2 gezeigt, beschichtet. Schraffierte Bereiche in 5 und 6 zeigen die Hartlaminarbeschichtung 20.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
7 ist die schräge Frontalansicht eines Gewindebohrers 70 mit einem Schneidabschnitt 76, auf welchem die oben beschriebene Hartlaminarbeschichtung 20 in einem Prozess gebildet ist, der dem für den Fingerfräser 10 in der ersten Ausführungsform ähnlich ist, aus Blick einer Richtung rechtwinklig zu der Achse C des Gewindebohrers 70 und 8 ist die Querschnittsansicht, die den Schneidabschnitt 76 mit Blick aus einer Richtung der Achse C zeigt. Beispielsweise ist dieser Gewindebohrer 70 ein spiralgenuteter Gewindebohrer mit drei Spiralnuten 80, die integral mit einer Werkzeuggrundstruktur 84 eines Sintercarbids mit schaftartiger Form gebildet sind. Namentlich weist die Werkzeuggrundstruktur 84 einen Schaft 72, der durch eine Hauptspindel zu halten ist, einen Halsabschnitt 74 und den Schneidabschnitt 76 auf, welche in dieser Reihenfolge der Beschreibung in der axialen Richtung gebildet sind. Der Schneidabschnitt 76 weist ein Außengewinde 78 auf, welches durch die Spiralnuten 80 in Segmente unterteilt ist, so dass Schneidkanten 82 entlang der Spiralnuten 80 gebildet werden. Der Schneidabschnitt 76 ist mit einem kompletten Gewindeabschnitt 76a, der aus einem kompletten Gewinde besteht, und ein abgekanteter Abschnitt 76b mit einem Gewindedurchmesser, der sich in der axialen Richtung entlang des axialen Endes kontinuierlich verringert, gebildet. Der Schneidabschnitt 76 ist auf dessen Oberfläche mit der Hartlaminarbeschichtung 20, die in 2 gezeigt ist, beschichtet. Eine schraffierte Fläche in 7 zeigt die Hartlaminarbeschichtung 20.
Eine Mehrzahl verschiedener Arten von Prüfproben eines Fingerfräsers, der mit dem von 1 identisch ist, außer dass der vorliegende Fingerfräser vom Zweischneidkantentyp ist, wurden durch Beschichten der Oberfläche dessen Schneidabschnitts mit den jeweiligen Hartlaminarbeschichtungen mit jeweils unterschiedlichen Kombinationen der Zusammensetzungen, Dicken und Anzahl von Laminierungen der Filme, wie in der nachfolgenden Tabelle angezeigt, angefertigt. Die Tabelle zeigt die Zusammensetzung, Dicke, Anzahl der Filme und ausgewertete Verschleißbeständigkeit der Hartlaminarbeschichtungen, die auf einer Oberfläche des Schneidabschnitts eines Fingerfräsers, der mit dem von 1 identisch ist, gebildet ist, außer dass der vorliegende Fingerfräser ein Zweischneidkantentyp ist, im Vergleich mit denen der Vergleichsproben, die die numerischen Anforderungen der vorliegenden Erfindung nicht erfüllen, und der Proben des Stands der Technik, bei denen die Hartlaminarbeschichtung lediglich eine Art von Film beinhaltet. Prüffingerfräsungsbetriebe wurden mit den Prüfprobenfingerfräsern unter den folgenden Fingerfräsungsbedingungen durchgeführt, und die Prüfprobenfingerfräser wurden auf der Grundlage einer Distanz (bzw. einer Schnittlänge) des Fingerfräsungsbetriebs, der durch die Prüfprobenfingerfräser durchgeführt wurde, evaluiert. Die Ergebnisse der Evaluation sind ebenso in der Tabelle angezeigt. In der Tabelle entspricht ein Film A dem ersten Film 22, während ein Film B dem zweiten Film 24 entspricht. Die letzten Buchstaben „N“, „C“, „CO“, „NO“, „CN“ und „CON“ der Darstellung der Zusammensetzung des Films A bezeichnen jeweils ein Nitrid, ein Carbid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid bzw. ein Carbo-Oxynitrid. Die Fingerfräsungsdistanz, die in der Tabelle angezeigt ist, ist die Distanz des Fingerfräsungsbetriebs, die durch den Fingerfräser jeder der Prüfproben durchgeführt werden konnte, bevor 0,2 mm Verschleiß der den Endschnittkanten 80 benachbarten Abtragoberfläche beobachtet wurde. Die Verschleißbeständigkeit jeder der Prüfprobenfingerfräser wurde in Abhängigkeit der Fräsungsdistanz evaluiert, und eine „gut“ Evaluation wurde gegeben, wo die Fräsungsdistanz mehr als 50 m war. Tabelle
<Bedingungen der Prüffräsbetriebe>

Fingerfräser: Sintercarbid-Zweischnittkanten-Fingerfräser (ø 6 mm), der mit der Hartlaminarbeschichtung beschichtet ist
Werkstück: Inconel 718 (Markenname eines Nickel basierten Sintercarbids) Verwendetes Bearbeitungswerkzeug: Vertikalbearbeitungszentrum
Schneidgeschwindigkeit: 29 m/min.
Vorschubgeschwindigkeit: 0,02 mm/Schnittkante
Frästiefe: 0,3 mm
Schneidflüssigkeit: Öl

Bei dem oben beschriebenen Schneidbetrieb wiesen alle der Prüfprobenfingerfräser, die mit dem Hartlaminarbeschichtungen 20, die jeweils die alternierend laminierten ersten und zweiten Filme 22, 24 beinhalteten, beschichtet waren, zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. der Schweißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Bindungsstärke auf, aber diese Prüfprobenfingerfräser wiesen unterschiedliche Grade an Verschleißbeständigkeit, wie in der obigen Tabelle angezeigt, auf. Namentlich erhielten in der obigen Tabelle „Erfindungsproben 1–16“, welche Fingerfräser sind, die mit der Hartlaminarbeschichtung 20 beschichtet sind, die alternierend laminiert erste und zweite Filme 22, 24 beinhalten, die „gut“ Auswertung der Verschleißbeständigkeit, und die „Vergleichsproben 1–7“, welche ebenso Fingerfräser sind, die mit der Hartlaminarbeschichtung 20 beschichtet sind, erhielten die „nicht gut“ Auswertung der Verschleißbeständigkeit. Die „Proben des Stands der Technik 1–4“ sind Fingerfräser, die mit den jeweiligen Hartbeschichtungen beschichtet sind, von denen jede lediglich eine Art von Film verwendet.
Bei jeder der „Erfindungsproben 1–16“, die die „gut“ Auswertung der Verschleißbeständigkeit erhalten haben, beinhaltet die Hartlaminarbeschichtung 20, die den Schneidabschnitt beschichtet, den ersten Film 22 (Film A), der aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid der Legierung von (Al_aCr_bB_c) gebildet ist, und den zweiten Film 24 (Film B), welche alternierend aufeinander laminiert sind. Ferner erfüllen die atomaren Verhältnisse a, b und c der Legierung von (Al_aCr_bB_c) a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2. Ferner beträgt die Dicke des erstens Films 22 nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm. Der zweite Film 24 ist aus der Legierung aus TiB₂ gebildet und die Dicke des zweiten Films 24 beträgt nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm. Die Anzahl der ersten und zweiten Filme 22, 24, die alternierend aufeinander laminiert sind, um die Hartlaminarbeschichtung 20 zu bilden, beträgt nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100, und die Hartlaminarbeschichtung 20 weist eine Dicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm auf. All diese „Erfindungsproben 1–16“ erhielten die „gut“ Auswertung der Verschleißbeständigkeit, unabhängig davon, ob der erste Film 22 (Film A) oder der zweite Film 24 (Film B) die unterste Schicht oder die oberste Schicht ist, wie in der obigen Tabelle angezeigt.
Demgegenüber erhielten den „Vergleichsproben 1–7“ die „nicht gut“ Auswertung der Verschleißbeständigkeit. Diese Proben waren ebenso mit der Hartlaminarbeschichtung 20 beschichtet, von denen jede die alternierend laminierten ersten und zweiten Filme 22, 24 an den Schneidkanten beinhaltete, und wobei der erste Film 22 aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid der Legierung von (Al_aCr_bB_c) oder (Al_1-aCr_a) gebildet ist, während der zweite Film 24 aus TiB₂ gebildet ist. Allerdings liegt irgendeines aus den Atomen, dem atomaren Verhältnis a, der Filmdicke und der Anzahl der Filme, die alternierend aufeinander laminiert sind, außerhalb eines entsprechenden der Bereiche der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben ist. Ferner wiesen die „Proben des Stands der Technik 1–4“, wobei die Hartlaminarbeschichtung lediglich eine Art von Film verwendet, bemerkenswert geringe Grade an Verschleißbeständigkeit auf, und vermochten ebenso nicht, zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. zumindest einer aus deren Schweißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Bindungsstärke, die nicht in der obigen Tabelle gezeigt sind, aufzuweisen.
Die oben beschriebenen illustrierten Ausführungsformen sind so konfiguriert, dass die Hartlaminarbeschichtung 20 den ersten Film 22 aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid der Legierung von (Al_aCr_bB_c) und den zweiten Film 24, der aus TiB₂ gebildet ist, beinhaltet, welche alternierend auf einer Oberfläche der Grundstruktur 12, 62, 84 laminiert sind, so dass die Hartlaminarbeschichtung zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. allem aus deren Verschleißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Schweißbeständigkeit und Bindungsstärke (Adhesionsfestigkeit) aufweist.
Die illustrierten Ausführungsformen sind ferner so konfiguriert, dass die atomaren Verhältnisse a, b und c in (Al_aCr_bB_c) des ersten Films 22 a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0.2 erfüllen, und die Dicke des ersten Films 22 nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, während die Dicke des zweiten Films 24 nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, wobei die Hartlaminarbeschichtung 20 die Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm aufweist, so dass die Hartlaminarbeschichtung 20 zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. allem aus deren Verschleißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Schweißbeständigkeit und Bindungsstärke (Adhesionsfestigkeit) aufweist.
Die illustrierten Ausführungsformen sind ebenso konfiguriert, dass die Anzahl der ersten und zweiten Filme 22, 24 der Hartlaminarbeschichtung 20, die alternierend aufeinander laminiert sind, nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100 beträgt, so dass die Hartlaminarbeschichtung 20 zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. allem aus deren Verschleißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Schweißbeständigkeit und Bindungsstärke (Adhesionsfestigkeit) aufweist.
Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen lediglich zu illustrativem Zweck beschrieben worden sind, ist es so zu verstehen, dass die vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Abänderungen und Verbesserungen, welche dem Fachpublikum gegenwärtig werden mögen, ausgeführt werden kann.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Hartlaminarbeschichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet den ersten Film 22, der aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carboxid, einem Nitroxid, einem Carbonitrid oder einem Carbo-Oxynitrid der Legierung von (Al_aCr_bB_c) gebildet ist und den zweiten Film 24, der aus TiB₂ gebildet ist, welche alternierend auf einer Oberfläche der Werkzeuggrundstruktur 12, 62, 84 laminiert sind, so dass die Hartlaminarbeschichtung 20 zufriedenstellende Eigenschaften bzgl. allem aus deren Verschleißbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Schweißbeständigkeit und Bindungsstärke (Adhesionsfestigkeit) aufweist. Die Hartlaminarbeschichtung 20 mit der insbesondere verbesserten Verschleißbeständigkeit kann als eine Hartbeschichtung für Rotationsschneidwerkzeug, etc. geeignet eingesetzt werden.

Claims

Hartlaminarbeschichtung (20), die aus einer Mehrzahl von Filmen besteht, die zwei Arten von Filmen in der Form eines ersten Films (22) und eines zweiten Films (24) mit jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen und alternierend auf einer Oberfläche einer Grundstruktur (12, 62, 84) laminiert beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Film ein Carbid, ein Nitrid, ein Carboxid, ein Nitroxid, ein Carbonitrid oder ein Carbo-Oxynitrid von (Al_aCr_bB_c) ist, während der zweite Film TiB₂ ist, die atomaren Verhältnisse a, b und c in dem ersten Film a = 1 – b – c, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 < c ≤ 0,2 erfüllen, und eine Dicke des ersten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, während eine Dicke des zweiten Films nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 5,0 µm beträgt, wobei die Hartlaminarbeschichtung eine Gesamtdicke von nicht weniger als 0,2 µm und nicht mehr als 10,0 µm aufweist, und die Hartlaminarbeschichtung aus nicht weniger als 2 und nicht mehr als 100 Schichten, welche alternierend aufeinander laminiert sind, besteht.