DE112012003571B4 - CUTTING TOOL - Google Patents

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Abstract

Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat vorgesehenen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung von der Seite des Substrats hin eine TiAlN-enthaltenden Schicht, eine TiAlNO- oder TiNO-Schicht, deren durchschnittlicher Kristalldurchmesser größer als der der TiAlN-enthaltenden Schicht ist, und eine α-AlO3-Schicht, deren durchschnittlicher Kristalldurchmesser größer als der der TiAlNO- oder TiNO-Schicht ist, besitzt, die aufeinander aufgebracht sind, wobei der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite der oberen Schicht zwei- bis fünffach größer als auf der Seite des Substrats ist.A cutting tool having a substrate and a coating provided on the substrate, characterized in that the coating comprises, from the substrate side, a TiAlN-containing layer, a TiAlNO or TiNO layer whose average crystal diameter is larger than that of the TiAlN-containing layer , and an α-AlO3 layer, the average crystal diameter of which is larger than that of the TiAlNO or TiNO layer, which are stacked on each other, with the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer on the upper layer side being two to five times is larger than on the side of the substrate.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, insbesondere ein Schneidwerkzeug, das eine Beschichtung mit hoher Bruchfestigkeit aufweist.The present invention relates to a cutting tool, in particular a cutting tool having a coating with high fracture resistance.

Stand der TechnikState of the art

Die Schneidwerkzeuge, deren Oberfläche des Substrats beispielsweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik usw. mit ein-oder mehrlagiger Beschichtug versehen ist, sind als allgemein verwendeten Schneidwerkzeuge für die zerspanenden Bearbeitung von Metallen oder Leiterplatten und dergleichen bekannt. Meist verwendet als solche Beschichtung wird eine mittels chemischer Dampfabscheidung(CVD) hergestellte Beschichtung mit einem Schichtaufbau, der aus Schichten aus TiC (Titancarbid), TiN (Titannitrid), TiCN (Titancarbonitrid) und Al2O3(Aluminiumoxid) und dergleichen besteht. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit und der Bruchfestigkeit wurden die Zusammensetzung der Beschichtung und deren Schichtaufbau erprobt. So befindet sich in der letzten Zeit die mittels des CVD-Verfahrens aufgebrachte Beschichtung aus TiAIN(Titanaluminiumnitrid)-Schict in der Entwicklung.The cutting tools whose surface of the substrate made of, for example, hard metal, cermet, ceramics, etc. is coated with one or more layers are known as commonly used cutting tools for machining metals or printed circuit boards and the like. Most commonly used as such a coating is a chemical vapor deposition (CVD) coating having a layer structure composed of layers of TiC (titanium carbide), TiN (titanium nitride), TiCN (titanium carbonitride) and Al 2 O 3 (alumina) and the like. To increase wear resistance and fracture resistance, the composition of the coating and its layer structure were tested. Recently, the coating made of TiAIN (titanium aluminum nitride) layer applied by means of the CVD process has been in development.

Beispielsweise ist in der Patentliteratur 1 eine Hartstoffbeschichtung beschrieben, wobei auf der Oberfläche des Substrats mittels des CVD-Verfahrens eine TiAIN-Schicht und danach eine Al2O3-Schicht aufgebracht sind. Des Weiteren ist in der Patentliteratur 2 ein Element für Schneideinsatz beschrieben, das eine mittels CVD aufgetragene Al2O3-Schicht auf einer TiAlN-Schicht aufweist. Ferner ist in der Patentliteratur 3 ein Element beschrieben, das zwischen einer Anbindungsschicht wie zum Beispiel einer TiN-Schicht und einer TiAlN-Hartstoffschicht eine Gradientenschicht umfasst, welche auf ihrer der Anbindungsschicht zugewandten Seite aus einem TiN/h(hexagonalem Kristall)-AlN-Phasengemisch besteht und den Anteil der fcc(kubischem Kristall)-TiAlN-Schicht entsprechend der Zunahme der Schichtdicke zur Seite der Hartstoffschicht hin erhöht.For example, a hard coating is described in Patent Literature 1 in which a TiAlN film and then an Al 2 O 3 film are deposited on the surface of the substrate by the CVD method. Furthermore, in Patent Literature 2, there is described a member for cutting insert having an Al 2 O 3 layer deposited by CVD on a TiAlN layer. Further, in Patent Literature 3, a member is described which includes a gradient layer between a junction layer such as a TiN layer and a TiAlN hard layer, which is made of a TiN/h (hexagonal crystal)-AlN mixed phase on its side facing the junction layer and increases the proportion of the fcc (cubic crystal) TiAlN film toward the hard film side in accordance with the increase in film thickness.

US 2008/0160338 A1 , WO 2011 /055813 A1 , US 2009/0202312 A1 und DE 10 2006 000 149 A1 offenbaren ebenfalls beschichtete Schneidwerkzeuge. U.S. 2008/0160338 A1 , WO 2011/055813 A1 , U.S. 2009/0202312 A1 and DE 10 2006 000 149 A1 also disclose coated cutting tools.

Dokumente aus Stand der TechnikPrior Art Documents

Patentliteraturenpatent literature

  • Patentliteratur 1: Japanische Veröffentlichte Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. H09-125249 Patent Literature 1: Japanese Published Unexamined Patent Application No. H09-125249
  • Patentliteratur 2: Japanische Veröffentlichte Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2011-516722 (Übersetzung der PCT-Anmeldung)Patent Literature 2: Japanese Published Unexamined Patent Application No. 2011-516722 (Translation of the PCT application)
  • Patentliteratur 3: Japanische Veröffentlichte Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2011-500964 (Übersetzung der PCT-Anmeldung)Patent Literature 3: Japanese Published Unexamined Patent Application No. 2011-500964 (Translation of the PCT application)

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Aufgabenstellungtask

Bei dem in der oben genannten Patentliteratur 1 und in der Patentliteratur 2 beschriebenen Schichtaufbau mit einer TiAlN- und einer Al2O3-Schicht tritt aber aufgrund einer Restspannung infolge der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizientten oft eine Spaltung zwischen den Schichten oft auf, was zu niedrigerer Verschleißfestigkeit führt. Die Spaltung an der Schnittstelle zwischen der TiAlN- und der Al2O3-Schicht ereignete sich oft, auch wenn die Al2O3-Schicht als obere Schicht der TiAlN-Schicht nach der Struktur gemäß der Patentliteratur 3 aufgebracht wurde. Daher stellte sich die Aufgabe, die Haftfähigkeit der Beschichtung zu erhöhen, und zwar einschliesslich der Al2O3-Schicht, die für die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit und Abriebfestigkeit aufgrund des Temperaturanstiegs beim Schnittvorgang in einer hohen Geschwindigkeit erforderlich ist.However, in the layer structure having a TiAlN layer and an Al 2 O 3 layer described in the above Patent Literature 1 and Patent Literature 2, cleavage between the layers often occurs due to residual stress due to the difference in thermal expansion coefficient, resulting in lower wear resistance leads. Cleavage at the interface between the TiAlN and Al 2 O 3 layers often occurred even when the Al 2 O 3 layer was formed as the upper layer of the TiAlN layer according to the structure according to Patent Literature 3. Therefore, there has been a problem of increasing the adhesiveness of the coating including the Al 2 O 3 layer, which is required for the improvement of the oxidation resistance and abrasion resistance due to the temperature rise in cutting at a high speed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug mit einer Beschichtung zu schaffen, die eine hohe Haftfähigkeit zwischen den Schichten sowie eine hohe Verschleiß- und Bruchfestigkeit gewährleistet.The object of the invention is to provide a cutting tool with a coating that ensures high adhesion between the layers and high resistance to wear and tear.

Lösung der Aufgabesolution of the task

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The invention relates to a cutting tool according to claim 1. Preferred embodiments are given in the dependent claims.

Wirkung der Erfindungeffect of the invention

Das erfindungsmäßige Schneidwerkzeug kann die Haftfähigkeit zwischen der TiAlN-enthaltenden Schicht und der TiAlNO-bzw. TiNO-Schicht und der α-Al2O3-Schicht erhöhen, sodass die Beschichtung eine hohe Verschleiß- und Bruchfestigkeit sowie eine hohe Schnittleistung gewährleistet.The cutting tool according to the invention can improve the adhesion between the TiAlN-containing layer and the TiAlNO or TiNO layer and the α-Al 2 O 3 layer, so that the coating ensures high wear and fracture resistance as well as high cutting performance.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Das Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Beschichtung auf seinem Substrat auf. Die Beschichtung besteht aus einer Struktur, die von der Seite des Substrats her zumindest eine TiAlN(Titan-Aluminium-Nitrid)-enthaltende Schicht, eine TiAlNO(Titan-Aluminium-Oxynitrid)- oder TiNO(Titanoxynitrid)-Schicht, die einen größeren Durchschnitt der Kristalldurchmesser als die TiAlN-enthaltende Schicht aufweist, und eine α-Al2O3(Aluminiumoxid der α-Typ-Kristallstruktur)-Schicht, die einen größeren Durchschnitt der Kristalldurchmesser als den der TiAlNO-Schicht oder der oben beschriebenen TiNO-Schicht aufweist, besitzt, die aufeinander aufgebracht sind. Vorzugsweise wird des Weiteren eine TiN(Titannitrid)-Schicht zwischen dem Substrat und der TiAlN-enthaltenden Schicht vorgesehen. Der durchschnittliche Kristalldurchmesser wird in der vorliegenden Ausführungsform so berechnet, dass in der Mitte der Sichtdicke der jeweiligen Schichten eine gerade Linie gezeichnet wird, und die Anzahl der Korngrenzen, die durch einen vorgegebenen Bereich dieser geraden Linie (20 µm) schneidet, gezählt wird, und dann durch die Formel „vorgegebener Bereich (20 µm) /Anzahl der Korngrenzen“ ausgerechnet wird.The cutting tool according to the present embodiment has a coating on its substrate. The coating consists of a structure which, from the side of the substrate, contains at least a TiAlN (titanium aluminum nitride)-containing layer, a TiAlNO (titanium aluminum oxynitride) or TiNO (titanium oxynitride) layer having a larger diameter the crystal diameter than the TiAlN-containing layer, and an α-Al 2 O 3 (alumina of α-type crystal structure) layer having a larger average crystal diameter than that of the TiAlNO layer or the TiNO layer described above , which are applied to each other. Preferably, a TiN (titanium nitride) layer is further provided between the substrate and the TiAlN-containing layer. The average crystal diameter is calculated in the present embodiment such that a straight line is drawn at the center of the view thickness of the respective layers, and the number of grain boundaries crossing a predetermined range of this straight line (20 µm) is counted, and is then calculated by the formula "specified area (20 µm) / number of grain boundaries".

Durch die Erfüllung der oben beschriebenen Struktur kann die Haftfähigkeit zwischen der TiN-Schicht, der TiAlN-enthaltenden Schicht, der TiAlNO-bzw. TiNO-Schicht und der α-Al2O3-Schichterhöht werden, sodass die Beschichtung eine hohe Verschleiß- und Bruchfestigkeit gewährleisten kann. Übrigens umfasst die Beschichtung des Werkzeugs in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise keine C(Kohlenstoff)-Komponente, die leicht an der Komponente des Arbeitsmaterials Eisen verschweißt, sodass der Verschleiß durch Diffusion unterdrückt wird.By satisfying the structure described above, the adhesiveness between the TiN layer, the TiAlN-containing layer, the TiAlNO layer or the TiAlN layer can be improved. TiNO layer and the α-Al 2 O 3 layer are increased, so that the coating can ensure high wear and fracture resistance. Incidentally, in the present embodiment, the coating of the tool preferably does not include a C (carbon) component that easily welds to the component of the work material iron, so that the diffusion wear is suppressed.

Die TiN-Schicht trägt hierbei zur Erhöhung der Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und der oberen Schicht bei. Um die Diffusion des C(Kohlenstoff)-Atoms des Substrats zu unterdrücken und dadurch die Haftfähigkeit zu erhöhen, liegt die gewünschte Schichtdicke der TiN-Schicht zwischen 0,05 und 2,0 µm.The TiN layer contributes to increasing the adhesion between the substrate and the top layer. In order to suppress the diffusion of the C (carbon) atom of the substrate and thereby increase adhesion, the desired layer thickness of the TiN layer is between 0.05 and 2.0 µm.

Bei einer TiAlN-enthaltende Schicht handelt es sich hier um ein Mischkristall aus dem kubischen TiAlN-Kristall und dem hexagonalen AlN-Kristall. Durch das Vorhandensein dieser TiAlN-enthaltenden Schicht können die Verschleiß- und Bruchfestigkeit erhöht werden. Außerdem liegt der gewünschte Bereich der Schichtdicke der TiAlN-enthaltenden Schicht zwischen 2,5 und 12 µm.Here, a TiAlN-containing layer is a mixed crystal of the cubic TiAlN crystal and the hexagonal AlN crystal. The presence of this TiAlN-containing layer can increase wear and fracture resistance. In addition, the desired range of the layer thickness of the TiAlN-containing layer is between 2.5 and 12 μm.

Weiterhin kann in der TiAlN-enthaltenden Schicht kann das TiAlN den Wärmeausdehnungskoeffizient einstellen, indem das Verhältnis zwischen Ti und Al eingestellt wird. Daher ist es auch möglich, die Restspannung auf der Beschichtung auf den Druckspannungszustand anstatt auf die Zugspannung einzustellen. Ebenso ist es möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizient der an der α-Al2O3-Schicht angrenzenden Seite der TiAlN-enthaltenden Schicht dem der α-Al2O3-Schicht anzunähern oder den Wärmeausdehnungskoeffizient der an dem Substrat angrenzenden Seite der TiAlN-enthaltenden Schicht dem des Substrats anzunähern.Furthermore, in the TiAlN-containing layer, the TiAlN can adjust the coefficient of thermal expansion by adjusting the ratio between Ti and Al. Therefore, it is also possible to adjust the residual stress on the coating to the compressive stress state instead of to the tensile stress. It is also possible to approximate the coefficient of thermal expansion of the side of the TiAlN-containing layer adjacent to the α-Al 2 O 3 layer to that of the α-Al 2 O 3 layer or the coefficient of thermal expansion of the side of the TiAlN-containing layer adjacent to the substrate approximate that of the substrate.

Somit ist es möglich, durch das Einstellen des Verhältnisses zwischen Ti und Al die thermische Belastung, die an der Schnittstelle zwischen der Seite zur oberen Schicht und der Seite zum Substrat der TiAlN-enthaltenden Schicht entsteht, zu verringern und dadurch die Haftfähigkeit zwischen den Schichten zu erhöhen. Außerdem ist es wünschenswert, die TiAlNO-Schicht oder TiNO-Schicht, die sich zwischen der TiAlN-enthaltenden Schicht und der α-Al2O3-Schicht ausgebildet haben, so einzustellen, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen der TiAlN-enthaltenden Schicht und der α-Al2O3-Schicht aufweisen.Thus, by adjusting the ratio between Ti and Al, it is possible to reduce the thermal stress generated at the interface between the upper layer side and the substrate side of the TiAlN-containing layer, and thereby improve the interlayer adhesion raise. In addition, it is desirable to adjust the TiAlNO layer or TiNO layer formed between the TiAlN-containing layer and the α-Al 2 O 3 layer to have a thermal expansion coefficient between the TiAlN-containing layer and the have α-Al 2 O 3 layer.

Als nächstes ist eine TiAlNO-Schicht oder TiNO-Schicht erforderlich, um eine α-Al2O3-Schicht auf der oberen Schicht einzurichten. Bei der Einrichtung einer Al2O3-Schicht kann die Kristallstruktur des Al2O3-Kristalls als eine α-Al2O3-Schichtausgebildet werden, da die Al2O3-Schicht wie die TiAlNO- oder TiNO-Schicht eine O(Sauerstoff)-Komponente enthaltende Schicht auf der unteren Schicht aufweist. Der gewünschte Bereich der Schichtdicke der TiAlNO- oder TiNO-Schicht liegt zwischen 0,03 und 2 µm.Next, a TiAlNO layer or TiNO layer is required to establish an α-Al 2 O 3 layer on the upper layer. When establishing an Al 2 O 3 layer, the crystal structure of the Al 2 O 3 crystal can be formed as an α-Al 2 O 3 layer because the Al 2 O 3 layer is like the TiAlNO or TiNO layer a layer containing O(oxygen) component on the lower layer. The desired range of the layer thickness of the TiAlNO or TiNO layer is between 0.03 and 2 µm.

Die Beschichtung des Schneidwerkzeugs der vorliegenden Ausführungsform, die eine TiAlNO- oder TiNO-Schicht aufweist und daher eine stabile α-Al2O3-Schicht ausbilden kann, ermöglicht - im Vergleich zu einer κ-Al2O3- oder γ-Al2O3-Schicht, die durch κ- oder γ-Typ-Kristalle strukturiert wird - die Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur zu erhöhen und eine hohe Verschleißfestigkeit auch beim Schneiden in hoher Geschwindigkeit und von schwer zerspaltbaren Materialien zu gewährleisten. Die gewünschte Schichtdicke der α-Al2O3-Schicht liegt zwischen 2 bis 6 µm.The coating of the cutting tool of the present embodiment, which has a TiAlNO or TiNO layer and can therefore form a stable α-Al 2 O 3 layer, allows - compared to a κ-Al 2 O 3 - or γ-Al 2 O 3 layer structured by κ or γ type crystals - to increase oxidation resistance at high temperature and ensure high wear resistance even when cutting at high speed and difficult to split materials. The desired layer thickness of the α-Al 2 O 3 layer is between 2 and 6 μm.

Es ist beim Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Beständigkeit der TiAlN-enthaltenden Schicht und der α-Al2O3-Schicht sowie die Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten zugleich zu erhöhen, wenn der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht 0,1 bis 1 µm und der durchschnittliche Kristalldurchmesser der α-Al2O3-Schicht 0,5 bis 1,5 µm beträgt. Außerdem liegt der gewünschte Bereich des durchschnittlichen Kristalldurchmessers des TiN-Kristalls, der die TiN-Schicht konstruiert, in Hinsicht auf die Verbesserung der Stärke der TiN-Schicht bei 0,02 bis 0,3 µm.In the cutting tool of the present embodiment, it is possible to increase the durability of the TiAlN-containing layer and the α-Al 2 O 3 layer and the adhesiveness between the respective layers at the same time when the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer is 0.1 to 1 µm and the average crystal diameter of the α-Al 2 O 3 layer is 0.5 to 1.5 µm. In addition, the desired range of the average crystal diameter of the TiN crystal constituting the TiN layer is 0.02 to 0.3 µm in view of improving the strength of the TiN layer.

Erfindungsgemäß wird die Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten erhöht indem der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite der oberen Schicht zwei- bis fünfmal so groß wie der auf der Seite des Substrates ist. In konkreter Hinsicht wird die Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten erhöht indem der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite der oberen Schicht zwei- bis fünfmal so groß wie der auf der Seite des Substrates ausgebildet wird und dadurch das Wärmeausdehnungsverhalten der TiAlN-enthaltenden Schicht dem der unteren Schicht auf der Seite des Substrats, nämlich der TiN-Schicht, und dem der oberen Schicht, nämlich der TiAlNO-Schicht bzw. TiNO-Schicht oder der α-Al2O3-Schicht, angenähert werden kann.According to the present invention, the adhesiveness between the respective layers is increased by making the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer on the upper layer side 2 to 5 times that on the substrate side. Concretely, the adhesiveness between the respective layers is increased by making the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer on the upper layer side two to five times larger than that on the substrate side, and thereby the thermal expansion characteristics of the TiAlN-containing layer that of the lower layer on the side of the substrate, namely the TiN layer, and that of the upper layer, namely the TiAlNO or TiNO layer or the α-Al 2 O 3 layer can be approximated.

Außerdem bezeichnet die Seite des Substrats der TiAlN-enthaltenden Schicht in der vorliegenden Ausführungsform die Stelle mit einer Dicke von 10 % der Schichtdicke, die ausgehend von der Schnittstelle zur TiN-Schicht in der Richtung der Schichtdicke der TiAlN-enthaltenden Schicht gemessen wird, während die obere Seite der TiAlN-enthaltenden Schicht die Stelle mit einer Dicke von 10 % der Schichtdicke bezeichnet, die ausgehend von der Schnittstelle zur TiAlNO-Schicht oder zur TiNO-Schicht in der Richtung der Schichtdicke der TiAlN-enthaltenden Schicht gemessen wird.In addition, the side of the substrate of the TiAlN-containing layer in the present embodiment denotes the position having a thickness of 10% of the layer thickness measured from the interface with the TiN layer in the direction of the layer thickness of the TiAlN-containing layer while the upper side of the TiAlN-containing layer denotes the position having a thickness of 10% of the layer thickness measured from the interface to the TiAlNO layer or to the TiNO layer in the direction of the layer thickness of the TiAlN-containing layer.

Eine TiAlN-enthaltende Schicht besteht aus einem Mischkristall aus einem kubischen TiAlN-Kristall und einem hexagonalen AlN-Kristall, wobei der Anteil des kubischen TiAlN-Kristalls auf der Seite der oberen Schicht höher als auf der Seite des Substrats ist, während der Anteil des hexagonalen AlN-Kristalls an der Schnittstelle zur TiAlNO- oder TiNO-Schicht hoch ist, sodass die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat oder der TiN-Schicht und der TiAlN-enthaltenden Schicht sowie zwischen der TiAlN-enthaltenden Schicht und der TiAlNO- oder TiNO-Schicht und somit auch die Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten in der ganzen Beschichtung erhöht werden können. Außerdem kann die Verschleißfestigkeit der TiAlN-enthaltenden Schicht selbst erhöht werden.A TiAlN-containing layer consists of a mixed crystal of a cubic TiAlN crystal and a hexagonal AlN crystal, wherein the proportion of the cubic TiAlN crystal on the upper layer side is higher than that on the substrate side, while the proportion of the hexagonal AlN crystal at the interface with the TiAlNO or TiNO layer is high, so the adhesiveness between the substrate or the TiN layer and the TiAlN-containing layer and between the TiAlN-containing layer and the TiAlNO or TiNO layer and thus also the adhesion between the respective layers in the whole coating can be increased. In addition, wear resistance of the TiAlN-containing layer itself can be increased.

Des Weiteren ist es für die Erhöhung der Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten erwünscht, dass das Verhältnis Al/Ti der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite des Substrats größer ist als auf der oberen Seite. Das bedeutet: Wenn der Anteil von Al hoch ist, bleibt die restliche Al-Komponente, die keinen TiAlN-Kristall bildet, in Form von AlN weiterbestehen. Der Längenausdehnungskoeffizient bei ungefährer Zimmertemperatur (× 10-6 1°C) der jeweiligen Komponenten beträgt bei AlN 4,5, bei TiN 9,4, bei WC-Co 4,5 und bei Al2O3 7,2. Da die direkt auf dem Substrat ausgebildete TiN-Schicht aus einem Material mit niedrigem Elastizitätswert besteht und deshalb dünn ausgebildet ist, soll der Wärmeausdehnungskoeffizient auf der Seite des Substrats der TiAlN-enthaltenden Schicht vorzugsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hartmetalls (WC-Co) des Substrats angenähert werden, wofür die Erhöhung des Anteils von AlN und die Senkung des Anteils von TiN günstig sind.Furthermore, for increasing the adhesiveness between the respective layers, it is desirable that the Al/Ti ratio of the TiAlN-containing layer is larger on the substrate side than on the upper side. That is, when the content of Al is high, the residual Al component that does not form a TiAlN crystal remains in the form of AlN. The linear expansion coefficient at approximate room temperature (× 10 -6 1°C) of the respective components is 4.5 for AlN, 9.4 for TiN, 4.5 for WC-Co and 7.2 for Al 2 O 3 . Since the TiN layer formed directly on the substrate is made of a material with a low elastic value and is therefore formed thin, the coefficient of thermal expansion on the substrate side of the TiAlN-containing layer should preferably be approximated to the coefficient of thermal expansion of the cemented carbide (WC-Co) of the substrate , for which increasing the proportion of AlN and decreasing the proportion of TiN are favorable.

Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, dass die TiAlN-enthaltende Schicht so strukturiert ist, dass sie auf der Seite des Substrats einen hohen Al-Anteil und auf der Seite der oberen Schicht einen hohen Ti-Anteil aufweist, da hinsichtlich der Struktur der Beschichtung des Schneidwerkzeugs in der vorliegenden Ausführungsform der Wärmeausdehnungskoeffizient auf der Seite der oberen Schicht größer ist.On the other hand, it is desirable that the TiAlN-containing layer is structured to have a high Al content on the substrate side and a high Ti content on the upper layer side because of the structure of the coating of the cutting tool in the present embodiment, the coefficient of thermal expansion is larger on the upper layer side.

Außerdem ist es wünschenswert, eine TiAlN-enthaltende Schicht als obere Schicht der α-Al2O3-Schicht aufzuweisen, deren Anteil des hexagonalen AlN-Kristalls höher ist als der der TiAlN-enthaltenden Schicht unterhalb der α-Al2O3-Schicht, damit die Gleiteigenschaft der Beschichtung erhöht und die Verschweißfestigkeit verbessert wird. Der hexagonale AlN-Kristall erzielt die Wirkung einer hohen Verschweißfestigkeit gegenüber dem Arbeitsmaterial.In addition, it is desirable to have a TiAlN-containing layer as the upper layer of the α-Al 2 O 3 layer, the proportion of the hexagonal AlN crystal being higher than that of TiAlN-containing one Layer below the α-Al 2 O 3 layer so that the sliding properties of the coating are increased and the welding resistance is improved. The hexagonal AlN crystal achieves the effect of high welding resistance to the working material.

Für das Substrat kann übrigens vorzugsweise entweder ein Hartmetall, das dadurch entsteht, dass eine Festphase aus WC (Wolframcarbid) und nach Wunsch aus zumindest einer aus der 4., 5. oder 6. Gruppe des Periodensystems ausgewählten Metall-Sorte außer WC, wie Karbid, Nitrid und Karbonnitrid, in einer Verbindungsphase aus einem Eisengruppenmetall wie Co (Kobalt) oder/und Ni (Nickel) verbunden wird, oder aber Ti-Basis-Cermet, Si3N4 (Siliziumnitrid), Al2O3 (Aluminiumoxid), Diamant oder Keramiken wie CBN (kubisches Bornitrid) verwendet werden. Je nach den Gebrauchsbedingungen kann das Substrat aus einem Metall-Kohlenstoffstahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Legierungsstahl oder dergleichen bestehen.Incidentally, for the substrate, either a cemented carbide formed by forming a solid phase of WC (tungsten carbide) and desirably at least one kind of metal selected from the 4th, 5th or 6th group of the periodic table other than WC, such as carbide , nitride and carbon nitride, is combined in a compound phase of an iron group metal such as Co (cobalt) and/or Ni (nickel), or Ti-based cermet, Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide), Diamond or ceramics such as CBN (cubic boron nitride) can be used. Depending on the conditions of use, the substrate may be made of metal carbon steel, high speed steel, alloy steel or the like.

Zum Gebrauch für das Schneiden bei einer niedrigen Geschwindigkeit und somit bei einem relativ geringen Temperaturanstieg kann die TiCN-Schicht mit hoher Härte vorgesehen werden, die vorzugsweise zwischen der TiN- und TiAlN-Schicht ausgebildet wird.For use for cutting at a low speed and hence with a relatively low temperature rise, the TiCN layer with high hardness can be provided, which is preferably formed between the TiN and TiAlN layers.

(Herstellungsverfahren)(Production method)

Im Folgenden wird das Herstellungsverfahren einer Ausführungsform des oben beschriebenen Schneidwerkzeugs erläutert.The manufacturing method of an embodiment of the cutting tool described above is explained below.

Zuerst wird das oben beschriebene Substrat in der vorgegebenen Form des Werkzeugs ausgebildet, indem dem anorganischen Pulver aus Metallcarbiden, Nitriden, Karbonnitriden, Oxiden usw. -das durch Brennen hergestellt werden kann- eine entsprechende Menge von Metallpulver, Kohlenstoffpulver usw. hinzugefügt und eingemischt wird und mit den bekannten Ausformungsverfahren wie Pressen, Schlickergießen, Extrudieren, Kaltisostatischpressen usw. geformt wird. Der dadurch erzeugte, geformte Körper wird dann im Vakuum oder in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre calciniert, womit das Substrat aus einer harten Legierung hergestellt wird. Dann wird nach Wunsch eine Bearbeitung der Oberfläche des oben beschriebenen Substrats wie Schleifen oder Honen der Schneidkante vorgenommen.First, the substrate described above is formed into the predetermined shape of the tool by adding and mixing an appropriate amount of metal powder, carbon powder, etc. to the inorganic powder of metal carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, etc. -which can be produced by firing- and is formed using the known forming processes such as pressing, slip casting, extrusion, cold isostatic pressing, etc. The formed body thereby produced is then calcined in vacuum or in a non-oxidizing atmosphere, thereby preparing the hard alloy substrate. Then, if desired, surface processing of the above-described substrate such as grinding or honing of the cutting edge is performed.

Als nächstes wird eine Beschichtung der Oberfläche des erzeugten Substrates nach dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) ausgebildet. Ein Beispiel für die Abscheidungsbedingungen ist wie folgt: Zunächst wird nach Wunsch eine TiN-Schicht direkt auf dem Substrat gebildet. Ihre Abscheidungsbedingung besteht darin, dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,5 bis 10 Vol. % TiCl4 (Titantetrachlorid)-Gas und 10 bis 60 Vol. % N2 (Stickstoff)-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2 (Wasserstoff)-Gas verwendet, wobei die Abscheidungstemperatur zwischen 800 und 940°C, und der Druck zwischen 8 und 50 kPa liegen.Next, a coating is formed on the surface of the produced substrate by the chemical vapor deposition (CVD) method. An example of the deposition conditions is as follows: First, a TiN film is formed directly on the substrate as desired. Its deposition condition is that it comprises a mixed gas composition in the ratio of 0.5 to 10% by volume of TiCl 4 (titanium tetrachloride) gas and 10 to 60% by volume of N 2 (nitrogen) gas and the rest of the mixed gas H 2 (hydrogen) gas is used, the deposition temperature being between 800 and 940°C and the pressure between 8 and 50 kPa.

Als nächstes wird die TiAlN-enthaltende Schicht ausgebildet. Die Abscheidungsbedingung besteht darin, dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,5 bis 1,5 Vol. % TiCl4 (Titantetrachlorid)-Gas, 2,0 bis 6,0 Vol. % AlCl3(Aluminiumtrichlorid)-Gas und 1 bis 10 Vol. % NH3 (Ammoniak)-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2 (Wasserstoff)-Gas verwendet, wobei die Abscheidungstemperatur zwischen 830 und 850°C, und der Druck zwischen 5 und 20 kPa liegen.Next, the TiAlN-containing layer is formed. The deposition condition is that it has a mixed gas composition in the ratio of 0.5 to 1.5% by volume of TiCl 4 (titanium tetrachloride) gas, 2.0 to 6.0% by volume of AlCl 3 (aluminum trichloride) gas and 1 to 10% by volume of NH 3 (ammonia) gas and using H 2 (hydrogen) gas for the rest of the mixed gas, the deposition temperature being between 830 and 850°C, and the pressure being between 5 and 20 kPa.

Als nächstes wird die TiAlNO-Schicht auf der oberen Schicht der TiAlN-enthaltenden Schicht ausgebildet. Konkret wird die TiAlNO-Schicht wie bei der oben beschriebenen TiAlN-enthaltenden Schicht ausgeschieden, indem die Abscheidungsbedingung so umgestellt wird, dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,5 bis 1,5 Vol. % TiCl4-Gas, 2,0 bis 6,0 Vol.% AlCl3-Gas, 1 bis 10 Vol. % NH3-Gas, 0,5 bis 2.0 Vol.% CO2(Kohlendioxid)-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2-Gas verwendet, wobei die Abscheidungstemperatur zwischen 830 und 880°C, und der Druck zwischen 5 und 30 kPa liegen.Next, the TiAlNO layer is formed on the top layer of the TiAlN-containing layer. Concretely, like the TiAlN-containing layer described above, the TiAlNO layer is deposited by changing the deposition condition to have a mixed gas composition in the ratio of 0.5 to 1.5 vol% TiCl 4 gas, 2, 0 to 6.0 vol% AlCl 3 gas, 1 to 10 vol% NH 3 gas, 0.5 to 2.0 vol% CO 2 (carbon dioxide) gas, and the balance of the mixed gas, H 2 gas is used, the deposition temperature being between 830 and 880°C and the pressure being between 5 and 30 kPa.

Wenn eine TiNO-Schicht auf der TiAlN-enthaltenden Schicht ausgebildet wird, wird die Absscheidungsbedingung der TiAlN-enthaltenden Schicht für die Ausbildung einer TiNO-Schicht nachfolgend so umgestellt, dass sie ein Mischgas im Verhältnis von 0,5 bis 5 Vol. % TiCl4-Gas, 10 bis 30 Vol.% N2-Gas und 0,5 bis 3,0 Vol. % CO2-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2-Gas verwendet, und die Abscheidungstemperatur zwischen 950 und 1010°C und der Druck zwischen 5 und 30 kPa liegen.When a TiNO layer is formed on the TiAlN-containing layer, the deposition condition of the TiAlN-containing layer for forming a TiNO layer is subsequently switched to use a mixed gas in the ratio of 0.5 to 5 vol% TiCl 4 gas, 10 to 30 vol% N 2 gas and 0.5 to 3.0 vol% CO 2 gas and uses H 2 gas for the rest of the mixed gas, and the deposition temperature is between 950 and 1010°C and the pressure is between 5 and 30 kPa.

Als nächstes wird eine α-Al2O3-Schicht ausgebildet. Als konkretes Beispiel für die Abscheidungsbedingung wäre wünschenswert, dass sie ein Mischgas im Verhältnis von 0,5 bis 5,0 Vol. % AlCl3-Gas, 0.5 bis 3,5 Vol.% HCl (Chlorwasserstoff)-Gas, 0,5 bis 5,0 Vol. % CO2-Gas, 0 bis 0,5 Vol.% H2S (Schwefelwasserstoff)-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2-Gas verwendet, wobei die Abscheidungstemperatur zwischen 930 und 1010°C und der Druck zwischen 5 und 10 kPa liegen.Next, an α-Al 2 O 3 layer is formed. As a concrete example of the deposition condition, it would be desirable to be a mixed gas in the ratio of 0.5 to 5.0 vol% AlCl 3 gas, 0.5 to 3.5 vol% HCl (hydrogen chloride) gas, 0.5 to 5.0% by volume CO 2 gas, 0 to 0.5% by volume H 2 S (sulfur water stoff) gas and uses H 2 gas for the rest of the mixed gas, the deposition temperature being between 930 and 1010°C and the pressure between 5 and 10 kPa.

Als nächstes kann nach Wunsch eine TiAlN-enthaltende Schicht auf der Oberfläche der α-Al2O3-Schicht abgeschieden werden. Für die Abscheidung der TiAlN-enthaltenden Schicht wird die Abscheidungsbedingung so umgestellt dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,5 bis 5 Vol. % TiCl4-Gas, 0,5 bis 6,0 Vol.% AlCl3-Gas, 2 bis 10 Vol. % NH3-Gas umfasst und für den Rest H2-Gas verwendet, wobei die Abscheidungstemperatur zwischen 870 und 950°C und der Druck zwischen 5 und 25 kPa liegen. Durch diese Bedingungen wird der Gehalt des hexagonalen AlN-Kristalls in der TiAlN-enthaltenden Schicht erhöht.Next, if desired, a TiAlN-containing layer can be deposited on the surface of the α-Al 2 O 3 layer. For the deposition of the TiAlN-containing layer, the deposition condition is switched so that it has a mixed gas composition in the ratio of 0.5 to 5% by volume TiCl 4 gas, 0.5 to 6.0% by volume AlCl 3 gas, 2 to 10% by volume of NH 3 gas and using H 2 gas for the balance, the deposition temperature being between 870 and 950°C and the pressure being between 5 and 25 kPa. With these conditions, the content of the hexagonal AlN crystal in the TiAlN-containing layer is increased.

Zusätzlich kann nach Wunsch eine TiN-Schicht auf der α-Al2O3-Schicht oder auf der TiAlN-Schicht als eine Oberflächenschicht ausgeschieden werden. Beispielsweise sind als Bedingungen für die Abscheidung der TiN-Schicht wünschenswert, dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,1 bis 10 Vol. % TiCl4-Gas und 10 bis 60 Vol. % N2 -Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2-Gas verwendet, wobei die Temperatur in der Reaktionskammer im zwischen 800 und 1010°C und der Druck zwischen 10 und 85 kPa liegen.In addition, if desired, a TiN layer may be deposited on the α-Al 2 O 3 layer or on the TiAlN layer as a surface layer. For example, as conditions for depositing the TiN film, it is desirable that it comprises a mixed gas composition in the ratio of 0.1 to 10% by volume of TiCl 4 gas and 10 to 60% by volume of N 2 gas, and the rest of the mixed gas H 2 gas is used, wherein the temperature in the reaction chamber is between 800 and 1010°C and the pressure is between 10 and 85 kPa.

Des Weiteren lautet die Abscheidungsbedingung bei der Abscheidung einer TiCN-Schicht zwischen einer TiN- und TiAlN-enthaltenden Schicht so, dass sie eine Mischgas-Zusammensetzung im Verhältnis von 0,1 bis 10 Vol. % TiCl4-Gas, 10 bis 60 Vol.% N2-Gas, 0,1 bis 2,0 Vol. % CH3CN(Acetonitril)-Gas umfasst und für den Rest des Mischgases H2-Gas verwendet, wobei die Temperatur in der Reaktionskammer zwischen 830 und 910°C und der Druck zwischen 5 und 30 kPa liegen.Furthermore, in the case of depositing a TiCN layer between a layer containing TiN and TiAlN, the deposition condition is such that it has a mixed gas composition in the ratio of 0.1 to 10 vol% TiCl 4 gas, 10 to 60 vol% % N 2 gas , 0.1 to 2.0 vol the pressure should be between 5 and 30 kPa.

Durch Abstimmen von Abscheidungstemperatur, Atmosphäre und Rohmaterialgas sowie Einstellen der Abscheidungszeit nach den oben geführten Erläuterungen können die Organisationen der jeweiligen Schichten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert werden. Nach Wunsch kann außerdem das Polieren der Oberfläche der ausgebildeten Beschichtung, zumindest an der Schneidekante, vorgenommen werden. Durch dieses Polieren wird der Schneidenabschnitt glatt verarbeitet, um den Verschweiß des Arbeitsmaterials zu reduzieren und dadurch zu einer besseren Bruchfestigkeit des Werkzeugs beizutragen.By adjusting the deposition temperature, atmosphere, and raw material gas, and setting the deposition time as explained above, the organizations of the respective layers can be controlled within a predetermined range. If desired, the surface of the formed coating can also be polished, at least at the cutting edge. This polishing finishes the blade portion smoothly to reduce welding of the work material, thereby contributing to better tool breakage resistance.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Zu WC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,2 µm wurden im Verhältnis von 6 Gew.-% Co-Metallpulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser 1,5 µm, 2,0 Gew.-% TiC(Titancarbid)-Pulver und 0,2 Gew.-% Cr3 C2(Chromcarbid)-Pulver hinzugegeben, durchmischt und durch Pressen zur Form des Schneidwerkzeugs (CNMG 120408) geformt. Der so erzeugte, geformte Körper wurde einer Bindemittel-Entfernungsbehandlung unterzogen, und durch ein einstündiges Brennen in einem Vakuum von 0,5 bis 100 Pa bei 1400°C wirde ein Hartmetall hergestellt. Des Weiteren wurde die Seite der Spanfläche des hergestellten Hartmetalls einer Messerspitzenbehandlung (R-Honen) durch Bürsten unterzogen.To WC powder with an average particle size of 1.2 µm, 6% by weight of Co metal powder with an average particle diameter of 1.5 µm, 2.0% by weight of TiC (titanium carbide) powder and 0. Added 2 wt% Cr 3 C 2 (chromium carbide) powder, mixed and formed by pressing into the shape of the cutting tool (CNMG 120408). The molded body thus produced was subjected to a debinding treatment, and a cemented carbide was prepared by firing in a vacuum of 0.5 to 100 Pa at 1400°C for 1 hour. Further, the rake face side of the produced cemented carbide was subjected to knife point treatment (R honing) by brushing.

Anschließend wurden gegenüber dem oben beschriebenen Hartmetall Beschichtungen durch CVD-Verfahren und nach den Abscheidungsbedingungen der Tabelle 1 abgeschieden, und zwar in der in Tabelle 2 und 3 gezeigten Schichtstruktur. In Tabelle 2 wurden die Dicke der jeweiligen Schichten und der durchschnittliche Kristalldurchmesser der Kristalle, die die jeweiligen Schichten bilden, anhand von Fotographien durch das Rasterelektronenmikroskop (SEM) berechnet und eingetragen. In Tabelle 3 dagegen wurden der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite des Substrats, in der Mitte und auf der Seite der oberen Schicht, sowie die Kristallstruktur (Verhältnis des kubischen Kristalls = Spitzenintensität der Spitze des kubischen Kristalls bei der Spitze der Röntgenbeugung (XRD) / (Spitzenintensität der Spitze des kubischen Kristalls + Spitzenintensität der Spitze des hexagonalen Kristalls)) auf der Seite des Substrats, auf der Seite der oberen Schicht, an der Schnittestelle zur oberen Schicht und auf der oberen TiAlN-enthaltenden Schicht, sowie das Al-Verhältnis x (Wert x von Ti(1-x)AlxN) auf der Seite des Substrats, auf der Seite der oberen Schicht und an der Schnittstelle zur oberen Schicht berechnet und angegeben. Tabelle 1 Bedingung Mischgas-Zusammensetzung (Vol. %) Abscheidungstemperatur1) (°C) Druck (kPa) (1) TiCl4:3,0,N2:15,H2:Rest 850 9 (2) TiCl4:2,5,N2:23,CH3CN:0.4,H2:Rest 830 9 (3) TiCl4:1,0,AlCl3:5,0,NH3:3~10,H2:Rest 830-850 9 (4) TiCl4:1,0,AlCl3:2,0~6,0,NH3:3~10,H2:Rest 830-850 9 (5) TiCl4:1,0,AlCl3:7,0,NH3:3~10,H2:Rest 830-850 9 (6) TiCl4:1,0,AlCl3:2,0~6,0,NH3:3~10,CO2:0,5~2,0,H2: Rest 830-850 9 (7) TiCl4:1,0,AlCl3:2,0~6,0,NH3:5,CO2:2,0,CO:1,0,H2: Rest 830-850 9 (8) AlCl3:1,5,HCl:2,CO2:4,H2S:0,3,H2:Rest 930-1000 9 (9) TiCl4:2,0,AlCl3:1,0~4,0,NH3:3~10,H2:Rest 870-950 12 (10) TiCl4:2,5,N2:23,H2:Rest 800-1010 15 (11) TiCl4:3,0,N2,:20,CO2:2,0,H2:Rest 950-1010 12
1) Die Mischgas-Zusammensetzung wurde je nach der Organisation der jeweiligen Probe innerhalb der oben angegebenen Mengen des Gases eingestimmt.
2) Die Abscheidungstemperatur wurde je nach der Organisation der jeweiligen Probe innerhalb der oben angegebenen Temperaturen eingestimmt. Tabelle 2 Probe Nr. ←Seite des Substrats Beschichtung1) Seite der oberen Schicht→ TiN-Schicht TiCN-Schicht TiAlN-enthaltende Schicht TiAlNO-Schicht oder TiNO-Schicht Al2O3-Schicht 1 Oberflächenschicht 1 (1) TiN (0,5) [körnig:0,10] - (4) TiAlN (6,0) [säulenförmig:0,3] (6) TiAlNO (1,0) [körnig:0,4] (8) Al2O3(α) (4,0) [säulenförmig:0,5] (9) TiAlN (1,5) [säulenförmig:0,4] 2 (1) TiN (0,4) [körnig:0,25] - (3) TiAlN (8,0) [säulenförmig:0,8] (6) TiAlNO (1,5) [körnig:0,9] (8) Al2O3(α) (2,5) [säulenförmig:1,0] (10) TiN (0,7) [körnig:0,3]. 3 (1) TiN (0,3) [körnig:0,04] - (4) TiAlN (9,0) [säulenförmig:0,5] (6) TiAlNO (0,5) [körnig:0,6] (8) Al2O3(α) (5,5) [säulenförmig:1,51 - 4 (1) TiN (0,3) [körnig:0,04] - (4) TiAlN (9,0) [säulenförmig:0,5] (11) TiNO (0,5) [körnig:0,6] (8) Al2O3(α) (5,5) [säulenförmig:1,5] - 5 (1) TiN (0,5) [körnig:0,07] (2) TiCN (4,0) [säulenförmig:0,2] (4) TiAlN (5,0) [säulenförmig:0,3] (6) TiAlNO (1,0) [körnig:0,4] (8) Al2O3(α) (4,5) [säulenförmig:0,8] - 6 (1) TiN (0,3) [körnig:0,04] - (4) TiAlN (9,0) [säulenförmig:1,1] (6) TiAlNO (0,5) [körnig:1,3] (8) Al2O3(α) (5,5) [säulenförmig:1,6] - 7 - - (4) TiAlN (6,5) [säulenförmig:0,4] (6) TiAlNO (0,06) [körnig:0,5] (8) Al2O3(α) (5,0) [säulenförmip:0,9] (9) TiAlN (1,5) [säulenförmig:0,5] 8 (1) TiN (0,5) [körnig:0,07] - (2) TiCN (7,0) [säulenförmig:0,3] (6) TiAlNO (1,0) [körnig:0,4] (8) Al2O3(α) (4,5) [säulenförmig:0,8] - 9 (1) TiN (0,5) [körnig:0,25] - (4) TiAlN (8,0) [säulenförmig:0,6] (7) TiAlCNO (1,2) [körnig:0,15] (8) Al2O3(α) (4,7) [säulenförmig:0,8] (9) TiAlN (0,9) [säulenförmig:0,4] 10 (1) TiN (0,5) [körnig:0,07] - (3) TiAlN (8,0) [säulenförmig:0,8] (6) TiAlNO (0,8) [körnig:0,6] (8) Al2O3(α) (4,0) [säulenförmig:0,4] - 11 (1) TiN (0,5) [körnig:0,05] - (3) TiAlN (9,0) [säulenförmig:0,8] (6) TiAlNO (1,8) [körnig:0,5] (8) Al2O3(α) (4,0) [säulenförmig:2,0] -
1)Beschichtung
(1) - (10) : Abscheidungsbedingungen, (Schichtdicke (µm)), [Form des Kristalls, durchschnittlicher Kristalldurchmesser (µm)]
2) Bei der Al2O3-Schicht ist der Kristalltyp in Klammern angegeben. Tabelle 3 Probe Nr. TiAlN-enthaltende Schicht Durchschnittlicher der Kristalldurchmesser (µm) Kristallsystem (Anteil an kubischen Kristallen) Al-Anteil x Ti(1-X)AlXN Seite des Substrats Mitte Seite der oberen Schicht Verhältnis Seite des Substrats Seite der oberen Schicht Schnittstelle zur oberen Schicht Oberflächenschicht TiAIN Seite des Substrats Seite der oberen Schicht Schnittstelle zur oberen Schicht 1 0,15 0,30 0,45 3,0 86 90 75 10 0,84 0,80 0,53 2* 0,80 0,80 0,80 1,0 76 76 76 - 0,78 0,78 0,70 3 0,30 0,52 0,71 2,4 80 86 82 - 0,83 0,74 0,70 4* 0,45 0,55 0,75 1,7 83 85 74 - 0,82 0,79 0,63 5 0,20 0,30 0,45 2,3 85 86 75 - 0,85 0,80 0,70 6* 0,90 1,10 1,30 1,4 83 83 80 - 0,83 0,81 0,66 7* 0,41 0,41 0,50 1,2 80 88 68 14 0,80 0,85 0,55 8 - 0,33 (TiCN) - - - - - - - - - 9 0,35 0,60 0,69 2,0 80 88 72 10 0,78 0,83 0,83 10* 0,80 0,80 0,80 1,0 76 84 75 - 0,80 0,80 0,80 11* 0,80 0,80 0,80 1,0 78 82 72 - 0,74 0,74 0,74
* nicht erfindungsgemäßCoatings were then deposited on the cemented carbide described above by CVD methods and according to the deposition conditions of Table 1, specifically in the layer structure shown in Tables 2 and 3. In Table 2, the thickness of the respective layers and the average crystal diameter of the crystals constituting the respective layers were calculated and recorded from photographs taken by the scanning electron microscope (SEM). On the other hand, in Table 3, the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer on the substrate side, in the middle and on the upper layer side, and the crystal structure (cubic crystal ratio = peak intensity of the cubic crystal peak at the peak of the X-ray diffraction (XRD) / (peak intensity of the top of the cubic crystal + peak intensity of the top of the hexagonal crystal)) on the substrate side, on the top layer side, on the interface to the top layer and on the top TiAlN-containing layer, as well as the Al ratio x (value x of Ti (1-x) Al x N) on the substrate side, on the top layer side and at the top layer interface calculated and reported. Table 1 Condition Mixed gas composition (vol. %) Deposition temperature 1) (°C) Pressure (kPa) (1) TiCl 4 :3.0, N 2 :15, H 2 : balance 850 9 (2) TiCl 4 : 2.5, N 2 : 23, CH 3 CN: 0.4, H 2 : balance 830 9 (3) TiCl 4 :1.0, AlCl 3 :5.0, NH 3 :3~10, H 2 : balance 830-850 9 (4) TiCl 4 :1.0, AlCl 3 :2.0~6.0, NH 3 :3~10, H 2 : balance 830-850 9 (5) TiCl 4 :1.0, AlCl 3 :7.0, NH 3 :3~10, H 2 : balance 830-850 9 (6) TiCl 4 :1.0, AlCl 3 :2.0~6.0, NH 3 :3~10, CO 2 :0.5~2.0, H 2 : balance 830-850 9 (7) TiCl 4 :1.0, AlCl 3 :2.0~6.0, NH 3 :5, CO 2 :2.0, CO:1.0, H 2 : balance 830-850 9 (8th) AlCl 3 :1.5, HCl: 2, CO 2 :4, H 2 S: 0.3, H 2 : balance 930-1000 9 (9) TiCl 4 :2.0, AlCl 3 :1.0~4.0, NH 3 :3~10, H 2 : balance 870-950 12 (10) TiCl 4 :2.5, N 2 :23, H 2 : balance 800-1010 15 (11) TiCl 4 : 3.0 N 2 : 20 CO 2 : 2.0 H 2 : balance 950-1010 12
1) The mixed gas composition was adjusted within the above amounts of the gas depending on the organization of each sample.
2) The deposition temperature was tuned within the temperatures given above depending on the organization of each sample. Table 2 sample no ←side of the substrate coating 1) Top layer side→ TiN layer TiCN layer TiAlN-containing layer TiAlNO layer or TiNO layer Al 2 O 3 layer 1 surface layer 1 (1) TiN (0.5) [granular:0.10] - (4) TiAlN (6.0) [columnar:0.3] (6) TiAlNO (1.0) [granular:0.4] (8) Al 2 O 3 (α) (4.0) [columnar: 0.5] (9) TiAlN (1.5) [columnar:0.4] 2 (1) TiN (0.4) [granular:0.25] - (3) TiAlN (8.0) [columnar:0.8] (6) TiAlNO (1.5) [granular:0.9] (8) Al 2 O 3 (α) (2.5) [columnar: 1.0] (10) TiN (0.7) [granular:0.3]. 3 (1) TiN (0.3) [granular:0.04] - (4) TiAlN (9.0) [columnar:0.5] (6) TiAlNO (0.5) [granular:0.6] (8) Al 2 O 3 (α) (5.5) [columnar: 1.51 - 4 (1) TiN (0.3) [granular:0.04] - (4) TiAlN (9.0) [columnar:0.5] (11) TiNO (0.5) [granular:0.6] (8) Al 2 O 3 (α) (5.5) [columnar:1.5] - 5 (1) TiN (0.5) [granular:0.07] (2) TiCN (4.0) [columnar:0.2] (4) TiAlN (5.0) [columnar:0.3] (6) TiAlNO (1.0) [granular:0.4] (8) Al 2 O 3 (α) (4.5) [columnar: 0.8] - 6 (1) TiN (0.3) [granular:0.04] - (4) TiAlN (9.0) [columnar:1.1] (6) TiAlNO (0.5) [granular:1.3] (8) Al 2 O 3 (α) (5.5) [columnar:1.6] - 7 - - (4) TiAlN (6.5) [columnar:0.4] (6) TiAlNO (0.06) [granular:0.5] (8) Al 2 O 3 (α) (5.0) [columnar ip:0.9] (9) TiAlN (1.5) [columnar:0.5] 8th (1) TiN (0.5) [granular:0.07] - (2) TiCN (7.0) [columnar:0.3] (6) TiAlNO (1.0) [granular:0.4] (8) Al 2 O 3 (α) (4.5) [columnar: 0.8] - 9 (1) TiN (0.5) [granular:0.25] - (4) TiAlN (8.0) [columnar:0.6] (7) TiAlCNO (1.2) [granular:0.15] (8) Al 2 O 3 (α) (4.7) [columnar: 0.8] (9) TiAlN (0.9) [columnar:0.4] 10 (1) TiN (0.5) [granular:0.07] - (3) TiAlN (8.0) [columnar:0.8] (6) TiAlNO (0.8) [granular:0.6] (8) Al 2 O 3 (α) (4.0) [columnar: 0.4] - 11 (1) TiN (0.5) [granular:0.05] - (3) TiAlN (9.0) [columnar:0.8] (6) TiAlNO (1.8) [granular:0.5] (8) Al 2 O 3 (α) (4.0) [columnar: 2.0] -
1)Coating
(1) - (10) : Deposition conditions, (layer thickness (µm)), [shape of crystal, average crystal diameter (µm)]
2) For the Al 2 O 3 layer, the crystal type is given in brackets. Table 3 sample no TiAlN-containing layer Average crystal diameter (µm) Crystal system (portion of cubic crystals) Al content x Ti (1-X )Al X N side of the substrate center side of the top layer relationship side of the substrate side of the top layer Interface to the upper layer Surface layer TiAIN side of the substrate side of the top layer Interface to the upper layer 1 0.15 0.30 0.45 3.0 86 90 75 10 0.84 0.80 0.53 2* 0.80 0.80 0.80 1.0 76 76 76 - 0.78 0.78 0.70 3 0.30 0.52 0.71 2.4 80 86 82 - 0.83 0.74 0.70 4* 0.45 0.55 0.75 1.7 83 85 74 - 0.82 0.79 0.63 5 0.20 0.30 0.45 2.3 85 86 75 - 0.85 0.80 0.70 6* 0.90 1.10 1.30 1.4 83 83 80 - 0.83 0.81 0.66 7* 0.41 0.41 0.50 1.2 80 88 68 14 0.80 0.85 0.55 8th - 0.33 (TiCN) - - - - - - - - - 9 0.35 0.60 0.69 2.0 80 88 72 10 0.78 0.83 0.83 10* 0.80 0.80 0.80 1.0 76 84 75 - 0.80 0.80 0.80 11* 0.80 0.80 0.80 1.0 78 82 72 - 0.74 0.74 0.74
* not according to the invention

Dann wurde mit dem Schneidwerkzeug unter den folgenden Bedingungen eine intermittierende Schneideprüfung und eine Abriebschneideprüfung vorgenommen, um die Leistung des Werkzeugs zu bewerten. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4 gezeigt.Then, the cutting tool was subjected to an intermittent cutting test and an abrasion cutting test under the following conditions to evaluate the performance of the tool. The results are shown in Table 4.

(Bedingungen für intermittierendes Schneiden)(Intermittent cutting conditions)

Testmaterial: Chrom-Molybdän-Stahl 4-Nuten-Material (SCM440)

  • Form des Werkzeugs: CNMG120408
  • Schnittgeschwindigkeit: 280m/min.
  • Vorschubgeschwindigkeit: 0.40mm/U
  • Schnitt: 1,5 mm
  • Sonstiges: Einsatz wasserlöslicher Schneidflüssigkeit
  • Punkt der Auswertung: Anzahl der Stöße bis zu einer Beschädigung
Test Material: Chrome-Molybdenum Steel 4-Flute Material (SCM440)
  • Mold Shape: CNMG120408
  • Cutting speed: 280m/min.
  • Feed speed: 0.40mm/rev
  • Cut: 1.5mm
  • Other: Use of water-soluble cutting fluid
  • Point of evaluation: Number of impacts before damage

(Bedingungen für Verschleiß bei Schneiden)(Conditions for cutting edge wear)

Testmaterial: Chrom-Molybdän-Stahl Zylindermaterial (SCM435)

  • Form des Werkzeugs: CNMG120408
  • Schnittgeschwindigkeit: 300m/min.
  • Vorschubgeschwindigkeit: 0.30mm/U
  • Schnitt: 1,5 mm
  • Sonstiges: Einsatz wasserlöslicher Schneidflüssigkeit
  • Punkt der Auswertung: Abmessung des Zustands der Schneidkante und der Freiflächenverschleißbreite unter dem Mikroskop nach einer Schneidezeit von 10 Minuten
Tabelle 4 Probe Nr. Anzahl der Stöße [Anzahl] Ausmaß des Freiflächenverschleißes (mm) Zustand der Schneidkante 1 3600 0,206 Keine Abblätterung 2 3400 0,220 Keine Abblätterung 3 3550 0,214 Keine Abblätterung 4 3550 0,210 Keine Abblätterung 5 3000 0,209 Keine Abblätterung 6 3300 0,230 Keine Abblätterung 7 1800 0,240 Abblätterung vom Substrat 8 2300 0,238 Keine Abblätterung 9 1600 0,260 Abblätterung der Al2O3-Schicht 10 1380 0,330 Abblätterung der Al2O3-Schicht 11 1460 0,320 Abblätterung der Al2O3-Schicht Test Material: Chrome Molybdenum Steel Cylinder Material (SCM435)
  • Mold Shape: CNMG120408
  • Cutting speed: 300m/min.
  • Feed speed: 0.30mm/rev
  • Cut: 1.5mm
  • Other: Use of water-soluble cutting fluid
  • Point of evaluation: Measurement of the condition of the cutting edge and the flank wear width under the microscope after a cutting time of 10 minutes
Table 4 sample no Number of impacts [number] Amount of flank wear (mm) condition of the cutting edge 1 3600 0.206 No peeling 2 3400 0.220 No peeling 3 3550 0.214 No peeling 4 3550 0.210 No peeling 5 3000 0.209 No peeling 6 3300 0.230 No peeling 7 1800 0.240 delamination from the substrate 8th 2300 0.238 No peeling 9 1600 0.260 Exfoliation of the Al 2 O 3 layer 10 1380 0.330 Exfoliation of the Al 2 O 3 layer 11 1460 0.320 Exfoliation of the Al 2 O 3 layer

Aus den Tabellen 1 bis 4 ist ersichtlich, dass bei der Probe Nr. 7, die keine TiN-Schicht bildet, die Beschichtung vom Substrat abblätterte, während bei der Probe Nr. 8, bei der keine TiAlN-enthaltende Schicht, sondern eine TiCN-Schicht ausgebildet war, die Haftfähigkeit der Beschichtung zwar hoch war, die Ausbreiterung des Verschleißes aber schnell vor sich ging, sodass sich in den beiden Fällen eine niedrige Anzahl von Stößen beim diskontinuierlichen Schneiden und ein großes Ausmaß an Freiflächenverschleiß beim kontinuierlichen Schneiden ereigneten. Des Weiteren ereigneten sich bei den Proben 9 bis 11, bei denen der durchschnittliche Kristalldurchmesser des Kristalls, der die TiAlN-enthaltende Schicht, die TiAlNO-Schicht (jedoch bei Probe Nr. 9 = TiAlCNO-Schicht) und die α-Al2O3-Schicht strukturiert, nicht nach der Reihenfolge von der TiAlN-enthaltenden Schicht < der TiAlNO-Schicht < der α-Al2O3-Schicht angeordnet war, in allen Fällen eine Abblätterung der α-Al2O3-Schicht, eine niedrige Anzahl von Stößen beim diskontinuierlichen Schneiden und ein großes Ausmaß an Freiflächenverschleiß beim kontinuierlichen Schneiden.It can be seen from Tables 1 to 4 that Sample No. 7, which does not form a TiN layer, had the coating peeled off the substrate, while Sample No. 8, which does not form a TiAlN-containing layer but forms a TiCN layer was formed, although the adhesiveness of the coating was high, the wear propagation proceeded rapidly, so that in the two cases, a low number of impacts occurred in discontinuous cutting and a large amount of flank wear occurred in continuous cutting. Furthermore, during samples 9 to 11, at in which the average crystal diameter of the crystal structuring the TiAlN-containing layer, the TiAlNO layer (however, in sample No. 9 = TiAlCNO layer) and the α-Al 2 O 3 layer are not in the order of the TiAlN containing layer < the TiAlNO layer < the α-Al 2 O 3 layer, peeling of the α-Al 2 O 3 layer in all cases, a low number of impacts in discontinuous cutting, and a large amount of flank wear in continuous cutting.

Die Proben Nr. 1 bis 6 hingegen, bei denen von der Seite des Substrats her eine TiN-Schicht, eine TiAlN-enthaltende Schicht, eine TiAlNO-bzw. TiNO-Schicht und eine α-Al2O3-Schicht aufeinander aufgebracht lagen und zugleich der durchschnittliche Kristalldurchmesser des Kristalls, der die jeweiligen Schichten strukturiert, nach der Reihenfolge von der TiAlN-Schicht < der TiAlNO-Schicht oder TiNO-Schicht< α-Al2O3-Schicht angeordnet war, wiesen eine hohe Haftfähigkeit zwischen den jeweiligen Schichten der Beschichtung und eine Schneidleistung mit hoher Bruch- und Verschleißfestigkeit auf.On the other hand, Sample Nos. 1 to 6 in which a TiN film, a TiAlN-containing film, a TiAlNO film, or a TiAlN film were formed from the substrate side. TiNO layer and an α-Al 2 O 3 layer were applied to each other and at the same time the average crystal diameter of the crystal that structures the respective layers, according to the order of the TiAlN layer < the TiAlNO layer or TiNO layer < α- Al 2 O 3 layer was arranged, exhibited high adhesiveness between the respective layers of the coating and cutting performance with high fracture and wear resistance.

Claims (6)

Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat vorgesehenen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung von der Seite des Substrats hin eine TiAlN-enthaltenden Schicht, eine TiAlNO- oder TiNO-Schicht, deren durchschnittlicher Kristalldurchmesser größer als der der TiAlN-enthaltenden Schicht ist, und eine α-AlO3-Schicht, deren durchschnittlicher Kristalldurchmesser größer als der der TiAlNO- oder TiNO-Schicht ist, besitzt, die aufeinander aufgebracht sind, wobei der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite der oberen Schicht zwei- bis fünffach größer als auf der Seite des Substrats ist.A cutting tool having a substrate and a coating provided on the substrate, characterized in that the coating comprises, from the substrate side, a TiAlN-containing layer, a TiAlNO or TiNO layer whose average crystal diameter is larger than that of the TiAlN-containing layer , and an α-AlO 3 layer whose average crystal diameter is larger than that of the TiAlNO or TiNO layer, which are stacked, wherein the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer on the upper layer side is two to is five times larger than on the side of the substrate. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Kristalldurchmesser der TiAlN-enthaltenden Schicht 0,1 bis 1 µm beträgt, wobei der durchschnittliche Kristalldurchmesser der α-Al2O3-Schicht0,5 bis 1,5 µm beträgt.cutting tool after claim 1 characterized in that the average crystal diameter of the TiAlN-containing layer is 0.1 to 1 µm, while the average crystal diameter of the α-Al 2 O 3 layer is 0.5 to 1.5 µm. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die TiAlN-enthaltende Schicht aus einem Mischkristall aus einem kubischen TiAlN-Kristall und einem hexagonalen AlN-Kristall besteht, wobei der Anteil des kubischen TiAlN-Kristalls auf der Seite der oberen Schicht größer als auf der Seite des Substrats ist, während der Anteil des hexagonalen AlN-Kristalls an der Schnittstelle zur TiAlNO- oder TiNO-Schicht größer ist.cutting tool after claim 1 or 2 , characterized in that the TiAlN-containing layer consists of a mixed crystal of a cubic TiAlN crystal and a hexagonal AlN crystal, the proportion of the cubic TiAlN crystal being larger on the upper layer side than on the substrate side, while the proportion of the hexagonal AlN crystal at the interface with the TiAlNO or TiNO layer is larger. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Al/Ti der TiAlN-enthaltenden Schicht auf der Seite des Substrats größer als auf der Seite der oberen Schicht ist.Cutting tool according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the ratio of Al/Ti of the TiAlN-containing layer is larger on the substrate side than on the upper layer side. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine TiAlN-enthaltende Schicht, bei der der Anteil des hexagonalen AlN-Kristalls größer als bei der TiAlN-enthaltenden Schicht unterhalb der α-Al2O3-Schicht ist, als eine obere Schicht der α-Al2O3-Schichtvorgesehen ist.Cutting tool according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a TiAlN-containing layer in which the proportion of the hexagonal AlN crystal is larger than that in the TiAlN-containing layer below the α-Al 2 O 3 layer as an upper layer of the α-Al 2 O 3 layer is provided. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zwischen dem Substrat und der TiAlN-enthaltenden Schicht noch eine TiN-Schicht umfasst.Cutting tool according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the coating between the substrate and the TiAlN-containing layer further comprises a TiN layer.
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