DE112013002278B4

DE112013002278B4 - Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112013002278B4
Application number: DE112013002278.8T
Authority: DE
Inventors: Je-Hun Park; Jae-Hoon Kang; Seung-Su Ahn; Sung-Hyun Kim; Sung-Gu LEE; Jung-Wook Kim; Sun-Yong Ahn; Dong-Bok Park
Original assignee: Korloy Inc
Current assignee: Korloy Inc
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: KR101351844B1; CN104321460A; WO2013165090A1; DE112013002278T5; KR20130123237A; US20150125677A1; CN104321460B; US9273388B2

Abstract

Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug, welche an einer Oberfläche eines Grundmaterials vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbeschichtung eine Nano-Mehrschichtstruktur mit einer Dünnschicht A, einer Dünnschicht B, einer Dünnschicht C und einer Dünnschicht D oder eine Struktur, in der die Nano-Mehrschichtstruktur sich zumindest zweifach wiederholend gestapelt ist, aufweist, wobeidie Dünnschicht A aus TiAlN besteht, wobei für x gilt: 0,5≤x≤0,7;die Dünnschicht B aus AlTiCrN besteht, wobei für y und z gilt: 0,3≤y≤0,6 und 0<z≤0,3; die Dünnschicht C aus MeN besteht,wobei Me Nb oder V ist; unddie Dünnschicht D aus AlTiSiN besteht, wobei für a und b gilt: 0,3≤a≤0,7 und 0<b<0,1.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hartbeschichtung welche auf einem harten Grundmaterial wie beispielsweise Hartmetall, Cermets, HSS-Stahl, einem Schaftfräser, einem Bohrer, einem CNB-Material oder dergleichen aufgebracht ist, welches in einem Schneidwerkzeug verwendet wird, und insbesondere auf eine Hartbeschichtung für einen Schneidwerkzeug mit einer Nano-Mehrschichtstruktur, welche eine Dünnschicht A, eine Dünnschicht B, eine Dünnschicht C und eine Dünnschicht D oder eine sich wiederholend gestapelte Struktur hieraus aufweist, um die Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Zähigkeit und die Oxidationsbeständigkeit gegenüber bestehenden mehrschichtigen Dünnschichtstrukturen zu erhöhen.
Technischer Hintergrund
Im Hinblick auf industrielle Fertigungsanforderungen in Bezug auf Genauigkeit, Geschwindigkeit und große Stückzahlen werden Schneidwerkzeuge mit verbesserter Schneidleistung und höherer Lebensdauer benötigt. Insbesondere können an einem Vorderende eines Schneidwerkzeugs, welches mit einem Werkstück hoher Härte und niedriger Wärmeleitfähigkeit mit hoher Schnittgeschwindigkeit in Eingriff steht, Temperaturen von 900°C und mehr auftreten. Die Lebensdauer eines solchen Schneidwerkzeugs kann verbessert werden, indem eine Hartbeschichtung mit exzellenter Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit an einer Schneidfläche des Schneidwerkzeugs vorgesehen wird.
Zur Verbesserung der Schneidleistung und der Lebensdauer wird eine einschichtige Hartbeschichtung enthaltend TiN, Al₂O₃, TiAlN, AlTiN, AlCrN oder dergleichen mit Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Schlagzähigkeit und dergleichen oder eine mehrschichtige Hartbeschichtung, in welcher die einschichtige Hartbeschichtung in zwei oder mehr Lagen gestapelt sind, an einem harten Grundmaterial wie beispielsweise Hartmetall, Cermets, HSS-Stahl, einem Schaftfräser, einem Bohrer, oder dergleichen ausgebildet, um den Anforderungen einer hohen Härte eines Werkstücks sowie schwer zu schneidender Materialien gerecht zu werden.
In jüngerer Zeit ist eine kontinuierliche Zunahme der Härte von Werkstücken zu beobachten. Gleiches gilt für den Bedarf, schwer zu schneidende Materialien zu bearbeiten, welche eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen und dazu neigen, mit einem Werkzeug zu verschweißen. Da insbesondere rostfreie Stähle, wärmeständige Stahllegierungen, duktiles Gusseisen und dergleichen eine im Vergleich zu herkömmlichen Stählen geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, wird beim Schneiden die Schneidwärme nicht hinreichend über Späne abgeführt. Vielmehr konzentriert sich die Wärme an einem Schneidkantenabschnitt des Schneidwerkzeugs, wodurch aufgrund chemischer Reaktionen zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück Verschleiß, Fressen und Absplitterphänomene an dem Schneidkantenabschnitt des Schneidwerkzeugs auftreten können, so dass sich die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs erheblich verringert.
Mit einschichtigen oder mehrschichtigen Strukturen der oben genannten Zusammensetzung wird es immer schwerer, den Anforderungen an ein Schneidwerkzeug zum Schneiden von solch schwer zu schneidenden Materialien und duktilem Gusseisen hinsichtlich ausgeglichener Eigenschaften in Bezug auf eine exzellente Verschleißfestigkeit, eine exzellente Oxidationsbeständigkeit und exzellente Gleiteigenschaften gerecht zu werden.
Jüngere Versuche zur Verbesserung der Schneidleistung führten zu Verfahren zum regelmäßigen und wiederholten Stapeln von zumindest zwei Dünnschichten auf Nanolevel mit unterschiedlichen Materialeigenschaften.
So offenbart beispielsweise KR 10-0876366 B1 eine Dünnschichtstruktur, bei der eine untere Schicht auf einem Einsatz, einem Schaftfräser, einem Bohrer oder Hartmetallwerkzeug durch physikalische Gasphasenabscheidung abgelagert wird, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, wobei die Ausrichtung der Kristallkörner in Richtung einer Ebene (200) ausgerichtet sind, eine (Ti,Al)N Dünnschicht vorgesehen ist, welche eine Mittelschicht darstellt, kontinuierlich abgelagert ist, um die Schlagzähigkeit und die Sprödbruchbeständigkeit zu verbessern, sowie eine obere Schicht umfassend TiAlN oder AlTiSiN mit einer Schicht A, einer Schicht B, einer Schicht C und einer Schicht D, wobei die Schicht A, Schicht B, Schicht C und Schicht D abwechselnd gestapelt sind, um die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit der oberen Schicht zu verbessern.
Eine mehrschichtige Nitridhartbeschichtung für ein Substrat ist aus DE 11 2011 101 826 T5 bekannt. Die Hartbeschichtung besitzt eine Gesamtdicke von 1 bis 10 µm. Eine erste Schicht der Hartbeschichtung besteht dabei aus Ti_zAl_1-zN mit 0,4 ≤ z ≤ 0,6 mit einem Anteil an der Gesamtdicke von 20 bis 60%. Weiterhin weist die Hartbeschichtung eine zweite Schicht mit mehreren Unterschichtgruppen auf, wobei jede Unterschichtgruppe eine erste Unterschicht aus Ti_ySi_1-yN mit 0,85 ≤ y ≤ 0,98 und eine zweite Unterschicht aus Ti_xAl_1-xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6, umfasst; wobei in der ersten Unterschicht weder eine reine Siliziumphase noch eine reine Siliziumnitridphase vorliegt und die Summe von x und y im Bereich von 1,38 bis 1,46 liegt. Die Unterschichtgruppendicke liegt im Bereich von 2 bis 20 nm.
Obgleich die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit durch die vorstehend beschriebene Mehrschichtstruktur verbessert werden können, besteht weiterhin Bedarf für eine Hartbeschichtung mit gleichmäßiger Verbesserung unterschiedlicher Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Schlagzähigkeit und Sprödbruchbeständigkeit.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung schafft eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug, durch welche die Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Schlagzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit verbessert werden.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird durch eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird die Nano-Mehrschichtstruktur vorzugsweise derart gebildet, dass die Dünnschicht A, die Dünnschicht B, die Dünnschicht C und die Dünnschicht D aufeinanderfolgend auf das Grundmaterial aufgebracht sind.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung weist vorzugsweise jede aus Dünnschicht A, Dünnschicht B, Dünnschicht C und Dünnschicht D eine durchschnittliche Dicke von 3 nm bis 50 nm auf.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung weist vorzugsweise jede aus Dünnschicht A, Dünnschicht B, Dünnschicht C und Dünnschicht D eine durchschnittliche Dicke von 20 nm bis 40 nm auf.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung weist die Hartbeschichtung vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 1 µm bis 20 µm auf.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung weist die Hartbeschichtung vorzugsweise eine Degradationshärte von nicht weniger als 35 GPa nach einer Degradationsbehandlung mit einer Temperatur von 900°C über 30 min auf.
Vorteilhafte Effekte
Da bei einer Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Eigenschaften, die für eine Hartbeschichtung eines Schneidwerkzeugs benötigt werden, wie Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Schlagzähigkeit, Sprödbruchbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit gleichmäßig verbessert werden, nämlich durch wiederholtes Stapeln einer Nano-Mehrschichtstruktur, welche gebildet wird durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht mit exzellenter Verschleißfestigkeit und guten Hafteigenschaften an einem Grundmaterial, einer AL, Ti und Cr Verbundnitridschicht mit exzellenten Gleiteigenschaften, einer Nb oder V Verbundnitridschicht mit exzellenter Schlagzähigkeit und Sprödbruchbeständigkeit und ferner verbesserten Gleiteigenschaften in einer Hochtemperaturumgebung, einer Al, Ti und Si Verbundnitridschicht mit exzellenter Oxidationsbeständigkeit, kann die Hartbeschichtung sehr gut für die Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien eingesetzt werden.
Bei einer Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung werden die Dünnschichten zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Schlagzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit einer jeden Dünnschicht regelmäßig und wiederholt gestapelt, um die Funktionen der jeweiligen Dünnschichten zu maximieren und dadurch die Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Schlagzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit harmonisch in für das Schneiden von schwer zu schneidenden Materialien benötigter Weise zu verbessern.
Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung der Struktur einer Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben, um die vorliegende Erfindung so vollständig zu erklären, dass ein Fachmann diese ohne weiteres ausführen kann. Die vorliegende Erfindung kann in unterschiedlichen Formen verkörpert werden und ist nicht als auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt zu verstehen. In der Zeichnung sind die Abmessungen der Schichten und Bereiche zum Zweck des besseren Verständnisses übertrieben dargestellt.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung einer Struktur einer Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, weist eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug eine Struktur auf, in der eine Dünnschicht A, eine Dünnschicht B, eine Dünnschicht C und eine Dünnschicht D in aufeinanderfolgender Art und Weise auf einem Grundmaterial gestapelt sind, um eine Nano-Mehrschichtstruktur zu bilden, wobei die Nano-Mehrschichtstruktur sich wiederum zwei- oder mehrfach wiederholend gestapelt ist.
Die Dünnschicht A ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Verschleißfestigkeit und Härte zu verbessern. Sie weist eine Zusammensetzung auf, die aus Ti_1-xAl_xN mit 0,5≤x≤0,7 besteht.
Wenn in der Dünnschicht A der Al Gehalt kleiner als 0,5 ist, wird Al, welches einen kleineren Atomradius als Ti aufweist, substituiert, womit der feste Lösungsanteil von Al abnimmt, wodurch die Verschleißfestigkeit und Härte der Dünnschicht verringert werden. Da TiO₂ sich beim Schneiden in einer Umgebung mit hoher Temperatur einfach bildet, können Ti Atome in der Dünnschicht nach außen diffundieren, um bei hohen Temperaturen eine Härteverringerung durch die Verarmung an Ti Atomen zu veranlassen. Wenn der Al Gehalt größer als 0,7 ist, wird eine Phase mit hexagonaler B4 Struktur gebildet, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer eines Werkzeugs verringert werden. Es ist daher zu bevorzugen, wenn der Al Gehalt 0,5 oder mehr und 0,7 oder weniger beträgt.
Die Dünnschicht B ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Gleiteigenschaften zu verbessern. Sie weist eine Zusammensetzung auf, die aus Al_1-y-zTi_yCr_zN mit 0,3≤y≤0,6 und 0<z≤0,3 besteht.
Es ist vorteilhaft, wenn in der Dünnschicht B der Ti Gehalt 0,3 oder mehr und 0,6 oder weniger beträgt. Der Grund hierfür ist, dass dann, wenn der Ti Gehalt kleiner als 0,3 ist, eine Phase mit einer hexagonalen B4 Struktur gebildet wird, welche die Sprödbrüchigkeit erhöht sowie die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer eines Werkzeugs vermindert. Ist der Ti Gehalt größer als 0,6, wird Al mit einem kleineren Atomradius als Ti substituiert, wodurch der feste Lösungsanteil an Ti Atomen und die Härte und Verschleißfestigkeit verringert werden und da sich beim Schneiden in einer Hochtemperaturumgebung TiO₂ einfach bildet, können Ti Atome in der Dünnschicht nach außen diffundieren, um bei hohen Temperaturen eine Härteverringerung durch die Verarmung der Ti Atome zu veranlassen.
Weiterhin ist in der Dünnschicht B der Cr Gehalt 0,3 oder weniger. Wenn der Cr Gehalt 0,3 beträgt, werden die Gleiteigenschaften merklich verbessert. Jedoch wird bei einem Cr Gehalt von mehr als 0,3 eine grobkörnige Dünnschichtstruktur gebildet und gleichzeitig, wenn das Werkzeug beim Schneiden einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, entsteht eine Ausscheidung von Cr₂N, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer des Werkzeugs abnehmen. Es ist daher vorteilhaft, den Cr Gehalt auf weniger als 0,3 zu begrenzen.
Die Dünnschicht C ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Schlagzähigkeit und Sprödbruchbeständigkeit zu verbessern. Sie besteht aus NbN oder VN, welche grundsätzlich eine hohe Bruchfestigkeit und Sprödbruchbeständigkeit aufweisen. Eine solche Dünnschicht weist bei einer hohen Bearbeitungstemperatur einen Phasenübergang zu V₂O₅ und Nb₂O₅ auf, so dass sich die Gleiteigenschaften verbessern. Die Verbesserung der Gleiteigenschaften verhindert, dass die Schicht zusammen mit dem Werkstück abblättert, wodurch die Sprödbruchbeständigkeit und Schlagzähigkeit verbessert werden.
Die Dünnschicht C aus NbN oder VN bildet zusammen mit einer Dünnschicht aus einem anderen Material eine Mehrfachschicht auf Nanolevel, wodurch eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug sehr ausgeglichene Eigenschaften im Hinblick auf Härte, Sprödbruchbeständigkeit, Gleiteigenschaften und Verschleißwiderstand aufweist
Die Dünnschicht D ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Oxidationsbeständigkeit und Härte und zu verbessern. Sie weist eine Zusammensetzung auf, die aus Al_1-a-bTi_aSi_bN mit 0,3≤a≤0,7 und 0<b<0,1 besteht.
In der Dünnschicht D beträgt der Ti Gehalt vorzugsweise 0,3 bis 0,7. Der Grund hierfür ist, dass wenn der Ti Gehalt kleiner als 0,3 ist, eine Phase mit hexagonaler B4 Struktur gebildet wird, was zu Verspröden führt und die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer verringert. Wenn der Ti Gehalt größer als 0,7 ist, wird Al, dessen Atomradius kleiner als der von Ti ist, substituiert, womit der feste Lösungsanteil von Ti abnimmt, wodurch die Härte und Verschleißfestigkeit der Dünnschicht verringert werden. Da TiO₂ sich beim Schneiden in einer Umgebung mit hoher Temperatur einfach bildet, können Ti Atome in der Dünnschicht nach außen diffundieren, um bei hohen Temperaturen eine Härteverringerung durch die Verarmung an Ti Atomen zu veranlassen.
Die Dünnschicht D erhält 0,1 oder weniger an Si. Der Grund hierfür liegt darin, dass dann, wenn eine kleine Menge von 0,1 Si hinzugefügt wird, eine nicht-kristalline Si₃N₄ Phase entlang der Korngrenzen einer kristallinen AlTiN Phase gebildet wird, was zu einem feineren Korn in der kristallinen AlTiN Phase führt, wodurch sowohl die Härte als auch die Verschleißfestigkeit hervorragend verbessert werden. Weiterhin bildet eine nicht-kristalline Si₃N₄ Phase SiO₂, welches eine wichtige Rolle dabei spielt, bei einem Schneiden unter hohen Temperaturen ein Ausdiffundieren eines inneren Atoms nach außen zu verhindern, wodurch die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs erhöht wird.
Wenn in der Dünnschicht D hingegen der Si Gehalt größer als 0,1 ist, nimmt die nicht-kristalline Si₃N₄ Phase zu, wodurch sich die Härte verringert und zudem der Kornverfeinerungseffekt in der kristallinen AlTiN Phase abgeschwächt wird, woraus in der Folge eine Verminderung der Verschleißfestigkeit resultiert, was nicht erwünscht ist.
Vorzugsweise weisen die Dünnschicht A, die Dünnschicht B, die Dünnschicht C und die Dünnschicht D jeweils eine durchschnittliche Dicke von 3 nm bis 50 nm auf.
Wenn die Dicke einer Nano-Mehrschichtstruktur verringert wird, wird das Auftreten von Verlagerungen unterdrückt und hierdurch die Dünnschicht verstärkt. Wird die Dicke einer Dünnschicht kleiner als 3 nm, entsteht eine Mischzone durch Interdiffusion zwischen zwei Schichten, woraus eine Verminderung der Härte und des Elastizitätsmoduls resultiert und die Grenze zwischen den Nano-Mehrschichten zur Unterdrückung des Auftretens und der Bewegung von Verlagerungen unscharf wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Dünnschicht eine Dicke von nicht weniger als 3 nm aufweist. Wenn die Dicke mehr als 50 nm beträgt, treten Verlagerungen sehr einfach auf, so dass die Härte und der Elastizitätsmodul abnehmen. Zudem wird die Kohärenzformänderungsarbeit durch Bildung von Fehlversetzungen verringert, so dass eine Verminderung der Verstärkung beobachtet wird, welche unerwünscht ist.
Durch ein Experiment, bei dem lediglich die Dicke der Schichten verändert wurde, wurde gezeigt, dass dann, wenn die Dicke der Dünnschicht A, der Dünnschicht B, der Dünnschicht C und der Dünnschicht D in einem Bereich von 20 nm bis 40 nm gewählt wird, durch plastische Deformation ein exzellenter Korngrenzenverstärkungseffekt zur Unterdrückung von Verlagerungen erzielt werden kann, weswegen dieser Bereich bevorzugt wird.
In bevorzugten Beispielen der Erfindung werden die Dünnschicht A, die Dünnschicht B, die Dünnschicht C und die Dünnschicht D aufeinanderfolgend gestapelt, um eine Nano-Mehrschichtstruktur mit der Reihenfolge A-B-C-D zu bilden. Das Herstellungsverfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Vielmehr sind auch andere Reihenfolgen wie beispielsweise A-D-C-B, B-A-D-C, D-A-C-B und dergleichen möglich.
Wenn die Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung in einer gestapelten Struktur verwirklicht wird, bei der die Dünnschichthärte und Eigenspannung einer jeden Schicht, welche die Verschleißfestigkeit und die Belastbarkeit einer jeden Schicht beeinflussen, periodisch variiert werden, können die Verschleißfestigkeit und die Belastbarkeit als miteinander korrespondierende Eigenschaften gleichzeitig verbessert werden. Es wird daher eine Nano-Mehrschichtstruktur mit einer Reihenfolge A-B-C-D am meisten bevorzugt.
Bevorzugt weist die Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung eine Nano-Mehrschichtstruktur auf oder eine Struktur, in der die Nano-Mehrschichtstruktur sich zumindest zweifach wiederholend gestapelt ist, wobei eine durchschnittliche Dicke 1 µm bis 20 µm beträgt.
Wie oben beschrieben, schafft die Erfindung eine Nano-Mehrschichtstruktur durch Kombination von Dünnschichten aus TiAlN, AlTiCrN and AlTiSiN und NbN oder VN, welche sich durch eine gleichmäßige Verbesserung der Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Bruchzähigkeit, Sprödbruchbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit in Bezug auf die gesamte Hartbeschichtung auszeichnet.
Beispiele
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde eine Hartbeschichtung auf eine Oberfläche aus einen harten Grundmaterial WC - 10 Gewichts% Co durch ein Bogenionenplattierverfahren, nämlich ein physikalisches Gasabscheideverfahren (PVD) aufgebracht, wobei das harte Grundmaterial Cermets, Schnellarbeitsstahl, einen Schaftfräser, einen Bohrer oder dergleichen umfasst. Bei der Beschichtung wurden ein Target für TiAl, ein Target für AlTiCr, ein Target für Nb oder V und ein Target für AlTiSi im Hinblick auf die Dünnschicht A, die Dünnschicht B, die Dünnschicht C und die Dünnschicht D verwendet. Ein Anfangsdruck wurde auf 8.5 × 10^-5 Torr oder weniger abgesenkt und N₂ wurde als Reaktionsgas zugeführt. Der Gasdruck bei der Beschichtung betrug 30 mTorr oder weniger und bevorzugt 20 mTorr oder weniger. Die Beschichtungstemperatur betrug 400°C bis 550°C. Am Substrat wurde eine Vorspannung von -20 V to -150 V zur Beschichtung angelegt. Die Beschichtungsbedingungen können jedoch von dem Beispiel je nach Ausrüstung und Bedingungen abweichen.
In den Beispielen der vorliegenden Erfindung ist eine TiAlN Schicht eine Verschleißwiderstandsschicht, eine AlTiCr Schicht eine Gleitschicht, eine NbN Schicht oder VN Schicht eine Bruchzähigkeitsschicht und eine AlTiSi Schicht eine Oxidationsbeständigkeitsschicht, welche mit einer Durchschnittsdicke von 28 nm bis 31 nm aufeinander gestapelt sind, um eine Nano-Mehrschichtstruktur zu bilden. Eine solche Nano-Mehrschichtstruktur wurde anschließend wiederholt gebildet, um eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug mit einer Gesamtdicke von 3,4 µm bis 3,6 µm nach Beispielen der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Es versteht sich von selbst, dass unterschiedliche Typen von Dünnschichten zusätzlich an Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug, welches nach den Beispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, vorgesehen werden können.
Da eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach den Beispielen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines physikalischen Gasabscheideverfahrens (PVD) hergestellt wird, sind Schichtdicken von bis zu 20 µm möglich.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt das Zielzusammensetzungsverhältnis, die Dünnschichtdurchschnittsdicke, die gesamte Schichtdicke und die Stapelstruktur von für Beispiele von Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug nach der Erfindung. Tabelle 1

Beispiel Nr.	Struktur der Hartbeschichtung
Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Dünnschichtdurchschnitts dicke (nm)	Gesamte Schichtdicke (µm)	Stapelstruktur
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	31	3,5	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	30	3,4	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	30	3,6	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	31	3,4	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	31	3,5	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
6	AlTiN (7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	30	3,4	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	30	3,5	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	28	3,4	Fünffach A/B/C/D Nano-Mehrschicht

Um die Eigenschaften einer Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zu bewerten, wurden Hartbeschichtungen mit nahezu gleicher Dicke wie bei der vorliegenden Erfindung als Dünnschichtstrukturen wie in Tabelle 2 dargestellt auf das gleiche Grundmaterial wie bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, nämlich WC-10 Gewichts% Co aufgebracht. und Tabelle 2

Vergleich s-beispiel Nr.	Struktur der Hartbeschichtung
Vergleich s-beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Dünnschichtdurchschnittsdicke (nm)	Gesamte Schichtdicke (µm)	Stapelstruktur
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/TiN	30	3,5	Dreifach A/B/C Nano-Mehrschicht
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	30	3,5	Dreifach A/B/C Nano-Mehrschicht
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/TiN	31	3,4	Dreifach A/B/C Nano-Mehrschicht
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	31	3,6	Dreifach A/B/C Nano-Mehrschicht
5	AlTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(58: 37:5)	30	3,6	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(58: 37:5)	31	3,7	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiSi N(58:37:5)	31	3,8	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiSi N(58:37:5)	30	3,5	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/NbN	30	3,4	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	29	3,4	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/NbN	28	3,6	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	29	3,3	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	31	3,5	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	32	3,6	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	33	3,8	Vierfach A/B/C Nano-Mehrschicht

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, sind bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 eine TiAlN Schicht oder eine AlTiN Schicht, eine AlTiCrN Schicht und eine TiN Schicht aufeinanderfolgend in einer A/B/C Stapelstruktur gestapelt mit einer Durchschnittsdicke von 30 nm bis 31 nm, um Hartbeschichtungen mit einer Gesamtdicke von 3,4 µm bis 3,6 µm zu bilden. Bei den Vergleichsbeispielen 5 bis 8 sind eine TiAlN Schicht oder eine AlTiN Schicht, eine AlCrN Schicht oder eine AlTiCrN Schicht und eine AlTiSiN Schicht aufeinanderfolgend in einer A/B/C Stapelstruktur gestapelt mit einer Durchschnittsdicke von 30 nm bis 31 nm, um Hartbeschichtungen mit einer Gesamtdicke von 3,5 µm bis 3,8 µm zu bilden. Bei den Vergleichsbeispielen 9 bis 12 sind eine TiAlN Schicht oder eine AlTiN Schicht, eine AlTiCrN Schicht und eine NbN Schicht oder eine VN Schicht aufeinanderfolgend in einer A/B/C Stapelstruktur gestapelt mit einer Durchschnittsdicke von 28 nm bis 30 nm, um Hartbeschichtungen mit einer Gesamtdicke von 3,3 µm bis 3,6 µm zu bilden. Diese Hartbeschichtungen dienen dazu, die unterschiedlichen Schneidleistungen für Hartbeschichtungen im Vergleich zu Hartbeschichtungen nach der Erfindung aufzuzeigen, wobei bei den Vergleichsbeispielen entweder Dünnschichten ausgelassen sind oder Dünnschichten wie TiN Schichten AlCrN Schichten aufweisen.
Bei den Vergleichsbeispielen 13 bis 15 sind eine TiAIN Schicht, eine AlTiCrN Schicht oder eine AlCrN Schicht, eine NbN Schicht, eine VN Schicht oder eine TiN Schicht, und eine AlTiN Schicht oder eine AlTiSiN Schicht aufeinanderfolgend in einer A/B/C/D Stapelstruktur mit einer Durchschnittsdicke von 31 nm bis 33 nm, um Hartbeschichtungen mit einer Gesamtdicke von 3,5 µm bis 3,8 µm zu bilden. Diese Hartbeschichtungen dienen dazu, die unterschiedlichen Schneidleistungen für Hartbeschichtungen im Vergleich zu Hartbeschichtungen nach der Erfindung aufzuzeigen, wobei bei den Vergleichsbeispielen die Dünnschichten eine andere Zusammensetzung aufweisen.

Die folgenden Tabellen 3 und 4 zeigen die mittels energiedispersiver Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX) gemessenen tatsächlichen Zusammensetzungen der einzelnen Dünnschichten, nachdem die Hartbeschichtungen nach den erfindungsgemäßen Beispielen sowie den Vergleichsbeispielen hergestellt worden sind. Tabelle 3

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Dünnschichtzusammensetzung (EDX, in %)
Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Al	Ti	Cr	Nb	V	Si	N
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	23,9	18,4	1,2		14,8	0,7	41
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	22,1	17,1	1,1		13,7	0,7	45,4
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	20,1	15,9	4,1	13,6		0,7	45,
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	20,2	16	4,1		13,7	0,7	45,4
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	24,2	14	1,1	13,3		0,7	46,8
6	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	24,9	14,4	1,1		13,7	0,7	45,2
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	23,1	13,3	4,1	13,8		0,7	45
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	23,5	13,6	4,2		14	0,7	44,1

Tabelle 4

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Dünnschichtzusammensetzung (EDX, in %)
Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Al	Ti	Cr	Nb	V	Si	N
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ TiN	19,4	35,1	1,5				44
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/Ti N	16,8	33,6	5,6				44
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ TiN	22,7	30,8	1,5				45
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/Ti N	20	29,1	5,5				45,5
5	AlTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSi N(58:37:5)	36,3	12,3	5,5			0,9	45
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSi N(58:37:5)	33,2	16,2	5,6			0,9	44
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiSiN(58:37:5)	34,5	19,9	1,5			0,9	43,2
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiSiN(58:37:5)	29,1	22,5	1,4			0,9	46,1
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN	18,4	15,5	1,4	17,7			47
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/V N	15,8	14,1	5,3		17,6		47,2
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/N bN	20,2	11	5,5	18,3			45
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/V N	20	10,9	5,5		18,2		45,4
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	24,3	17,2	1,1	14,2			43,2
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	24,8	17,5	1,2		14,5		42
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	25,1	26,4	4,2			0,7	43,5

Wie Tabelle 3 zeigt, unterscheiden sich die Zusammensetzungen der real hergestellten Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug geringfügig von den Zielzusammensetzungen, entsprechen jedoch nahezu den Zielzusammensetzungen.
Vergleich von Härte bei Raumtemperatur, Degradationshärte, Reibungskoeffizient und Risslänge
Um die Beispiele 1 bis 4 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie die Vergleichsbeispiele vergleichen und beurteilen zu können, wurde eine Mikrohärtetest unter Verwendung eines Fischerskop (Modelbezeichnung „HP100C-XYP“; Deutschland, HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577) durchgeführt, und zwar bei Raumtemperatur unmittelbar nach Herstellung der Hartbeschichtungen und für die Degradationshärte nach einer Hochtemperaturbehandlung bei einer Temperatur von 900°C und einer Behandlungszeit von 30 Minuten.
Der Mikrohärtetest beinhaltete eine Belastung von 30 mN, eine Entlastung von 30 mN, eine Belastungszeit von 10 s und eine Kriechzeit von 5s.
Zur Beurteilung der Reibungseigenschaften der Hartbeschichtungen wurde ein Gleitweg (60 Umdrehungen einer Kugel aus Si₃N₄ mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Härte von HV_50g1600) mittels eines Kugel-Scheibe-Tests unter Verwendung eines Mikrotribometers vom Typ CETR UMT-2 gemessen. Die Messung der Reibungseigenschaften erfolgte bei einer Temperatur von 20°C bis 25°C, einer relativen Luftfeuchte von 50% bis 60% und einer Drehgeschwindigkeit von 318 U/min (10 m/min).
Zur Beurteilung der Rissfestigkeit der Hartbeschichtungen wurde die Länge eines Risses gemessen, der entsteht, wenn eine Diamantdruckmarke mit einer Last von 294,2 N (30 kgf) auf die Hartbeschichtung aufgebracht wird.

Die Messergebnisse der Raumtemperaturhärte, der Degradationshärte, des Reibungskoeffizienten und der Risslänge für die Beispiele 1 bis 8 sowie die Vergleichsbeispiele 1 bis 15 sind in den Tabellen 5 und 6 angegeben. Tabelle 5

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Raumtemperaturhärte (GPa)	Degradationshärte (GPa)	Reibungskoeffizient (COF)	Risslänge (µm
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	38	36,2	0,4	42
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	37,2	36	0,42	43
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	36,9	35,9	0,35	41
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	37	35,5	0,38	44
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	38,5	36,7	0,41	45
6	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	38,4	36,9	0,42	45
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	38,1	37,1	0,39	41
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	37,9	36,5	0,39	42

Tabelle 6

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Raumtemperaturhärte (GPa)	Degradationshärte (GPa)	Reibungskoeffizient (COF)	Risslänge (µm
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/Ti N	34	28	0,6	43
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	33,5	27	0,42	49
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/Ti N	35,8	28,4	0,58	44
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	34,2	26,8	0,48	45
5	AlTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN( 58:37:5)	36,8	34,5	0,5	47
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN( 58:37:5)	36,4	34,1	0,54	44
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:3 8:8)/Al TiSiN(58:37:5)	36,5	34,4	0,56	42
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/Al TiSiN(58:37:5)	35,9	34,1	0,59	42
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/N bN	35,8	30,1	0,45	52
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	35	31,5	0,4	49
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/NbN	34,9	30	0,42	48
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	35,1	30,3	0,39	44
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	37,5	32,5	0,54	50
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	38	32	0,56	49
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	37,4	31,8	0,53	51

Ein Vergleich der Vergleichsbeispiele 1 bis 12 mit den Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt, wie den Tabellen 5 und 6 entnommen werden kann, dass die Hartbeschichtungen der Vergleichsbeispiele mit Ausnahme einiger Dünnschichten mit Nano-Mehrschichtzusammensetzungen oder einer allgemeinen Zusammensetzung, wie einer TiN Schicht oder einer AlCrN Schicht und einer Stapelstruktur aus A/B/C, eine Raumtemperaturhärte von 33,5 GPa bis 36,8 GPa aufweisen, was vergleichsweise gering ist zu Raumtemperaturhärten von 36,9 GPa bis 38,5 GPa für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung, und insbesondere eine Degradationshärte von 26,8 GPa bis 34,5 GPa aufweisen, was vergleichsweise gering ist zu Degradationshärten von 35,5 GPa bis 37,1 GPa für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung, weswegen man sagen kann, dass die Härte unter einer Hochtemperaturdegradationsumgebung deutlich abfällt.
Die meisten der Vergleichsbeispiele weisen einen Reibungskoeffizient von 0,4 bis 0,6 auf, abgesehen von einem Reibungskoeffizient von 0,39 für das Vergleichsbeispiel 12, was im Vergleich zu Reibungskoeffizient von 0,35 bis 0,42 für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung hoch ist.
Weiterhin weisen die Vergleichsbeispiele 1 bis 12 eine Risslänge von 42 µm bis 52 µm auf, wohingegen die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Risslänge von 41 µm bis 45 µm aufweisen, weswegen man sagen kann, dass die Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Zähigkeit aufweisen.
Ein Vergleich der Vergleichsbeispiele 13 bis 15 mit denen Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt, wie den Tabellen 5 und 6 entnommen werden kann, dass die Hartbeschichtungen der Vergleichsbeispiele 13 bis 15, welche die gleiche Stapelstruktur A/B/C/D wie die Hartbeschichtungen der Beispiele der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei jedoch diese Hartbeschichtungen einige Dünnschichten mit der Nano-Mehrschichtzusammensetzung einer allgemeinen Zusammensetzung wie einer TiN Schicht oder eine AlCrN Schicht aufweisen, eine Raumtemperaturhärte von 37,4 GPa bis 38 GPa aufweisen, was in etwa einer Raumtemperaturhärte von 36,9 GPa bis 38,5 GPa für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, jedoch eine Degradationshärte von 31,8 GPa bis 32,5 GPa aufweisen, was immer noch vergleichsweise gering ist zu Degradationshärten von 35,5 GPa bis 37,1 GPa für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Weiterhin weisen die Vergleichsbeispiele 13 bis 15 einen Reibungskoeffizient von 0,52 bis 0,56 auf, was im Vergleich zu Reibungskoeffizient von 0,35 bis 0,42 für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr hoch ist.
Ferner weisen die Vergleichsbeispiele 13 bis 15 eine Risslänge von 49 µm bis 51 µm auf, was im Vergleich zu Risslängen von 41 µm bis 45 µm für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr lang ist, so dass man sagen kann, dass die Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Zähigkeit aufweisen.
Es hat sich gezeigt, dass für die Hartbeschichtungen der Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung Härte, Gleiteigenschaften (Reibungskoeffizient) und Bruchzähigkeit im Vergleich zu den Vergleichbeispielen 1 bis 15 sehr gleichmäßig verbessert werden.
Beurteilung der Verschleißfestigkeit

Zur Beurteilung der Schneidleistung hinsichtlich der Verschleißfestigkeit von Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 wurde ein Frästest unter folgenden Bedingungen vorgenommen: legierter Stahl (SCM440), Prüfmuster Nr. SPKN1504EDSR (ISO), Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min, Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn, und Schnitttiefe: 2 mm. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 7 und 8 dargestellt. Tabelle 7

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Lebensdauer (Schneidlänge in M)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/Nb N/AlTiSiN(58:37:5)	18	normaler Verschleiß
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	17,5	normaler Verschleiß
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	17,5	normaler Verschleiß
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	17,8	normaler Verschleiß
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	18,2	normaler Verschleiß
6	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	18,5	normaler Verschleiß
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	17,5	normaler Verschleiß
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	17,5	normaler Verschleiß

Tabelle 8

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Lebensdauer (Schneidlänge in M)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:3 8:8)/TiN	9	Absplitterungen
2	TiAlN(5 : 5)/AlTiCrN(4:3 :3)/TiN	9,5	exzessiver Verschleiß
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/TiN	11	exzessiver Verschleiß
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	11	exzessiver Verschleiß
5	AlTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(5 8:37:5)	12	Absplitterungen
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(5 8:37:5)	12,5	Absplitterungen
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTi SiN(58:37:5)	13	normaler Verschleiß
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTi SiN(58:37:5)	12,5	normaler Verschleiß
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/NbN	12	exzessiver Verschleiß
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	11,5	exzessiver Verschleiß
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/NbN	11	exzessiver Verschleiß
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	12	exzessiver Verschleiß
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	15	normaler Verschleiß
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	16,2	normaler Verschleiß
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	16	normaler Verschleiß

Wie die Tabellen 7 und 8 zeigen, weisen die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schneidlebensdauer von 17,5 m bis 18,5 m auf, das heißt in sämtlichen Fällen 17,5 m oder mehr, wobei der Grund des Lebensdauerendes normaler Verschleiß ist. Ein Vergleich der Vergleichsbeispiele 1 bis 12 mit denen Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt, dass die Hartbeschichtungen der Vergleichsbeispiele, mit Ausnahme einiger Dünnschichten mit Nano-Mehrschichtzusammensetzungen oder einer allgemeinen Zusammensetzung, wie einer TiN Schicht oder einer AlCrN Schicht und einer Stapelstruktur aus A/B/C, ihren Lebensdauerzyklus nicht durch normalen Verschleiß sondern durch Absplitterungen oder exzessiven Verschleiß beenden, ausgenommen die Vergleichsbeispiele 7 und 8, und eine Schneidlebensdauer von lediglich 9 m bis 13 m erreichen, selbst wenn man die Vergleichsbeispiele 7 und 8 berücksichtigt.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Vergleichsbeispiele 13 bis 15, welche die gleiche Stapelstruktur A/B/C/D wie die Hartbeschichtungen der Beispiele der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei jedoch diese Hartbeschichtungen einige Dünnschichten mit der Nano-Mehrschichtzusammensetzung einer allgemeinen Zusammensetzung wie einer TiN Schicht oder eine AlCrN Schicht aufweisen, ihren Lebensdauerzyklus durch normalen Verschleiß beenden, jedoch lediglich eine Schneidlebensdauer von 15 m bis 16,2 m aufweisen, was im Vergleich zu einer Schneidlebensdauer von 17,5 m bis 18,5 m für die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung gering ist.
Es hat sich gezeigt, dass die Hartbeschichtungen der Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung eine exzellente Verschleißfestigkeit aufweisen.
Beurteilung der Kerbschlagzähigkeit

Zur Beurteilung der Schneidleistung hinsichtlich der Kerbschlagzähigkeit von Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 wurde ein Fräsbearbeitungs-Schlagfestigkeits-Test mit folgenden Bedingungen vorgenommen: legierter Stahl (SCM440), Prüfmuster Nr. SPKN1504EDSR (ISO), Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min, Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn, und Schnitttiefe: 2 mm. Die Bearbeitung wurde bis zum Bruch eines mit der Hartbeschichtung versehenen Einsatzes durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 9 und 10 dargestellt. Tabelle 9

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdauer (Schneidlänge M)
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/NbN/AlTiSiN(58:37: 5)	13
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	10,5
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	11
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	11,2
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	10,7
6	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	10,5
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	11,5
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	12

Tabelle 10

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdauer (Schneidlänge M)
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:3 8:8)/TiN	8
2	TiAlN(5 : 5)/AlTiCrN(4:3 :3)/TiN	8,5
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/TiN	8,5
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	8,5
5	AlTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(58:37:5)	9
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(58:37:5)	9,5
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiSiN(58:37:5)	8
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiSiN(58:37:5)	8,5
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/NbN	10
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	10,5
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/NbN	11
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	10,5
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	9
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	10
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	9

Wie die Tabellen 9 und 10 zeigen, weisen die Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schneidlebensdauer von 10,5 m bis 13 m auf, das heißt in sämtlichen Fällen 10,5 m oder mehr. Hingegen weisen die Vergleichsbeispiele eine Schneidlebensdauer von 8 m bis 10,5 m, d.h. generell 10,5 m oder weniger. Folglich weisen die Hartbeschichtungen der Beispiele 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung eine exzellente Kerbschlagzähigkeit auf.
Beurteilung der Gesamtschneidleistung

Da Bohren im Vergleich zu Fräsen mit einer geringen Schneidgeschwindigkeit erfolgt und zudem unter einer Nassumgebung vorgenommen wird, sind die Gleiteigenschaften (Widerstand gegen Fressen) sowie die Sprödbruchbeständigkeit sehr wichtig. Um die Gleiteigenschaften, Sprödbruchbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit von Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 8 der vorliegenden Erfindung sowie den Vergleichsbeispiel 1 bis 15 gemeinsam zu beurteilen, wurde ein Bohrleistungs-Schneidtest mit folgenden Bedingungen durchgeführt: Karbonstahl (SCM440), Prüfmuster Nr. SPMT07T208/XOMT07T205 9504EDSR (indexierbarer Bohreinsatz, 20Φ-5D), Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min, Schnittvorschub: 0,1 mm/Zahn, und Schnitttiefe: 90 mm (Bohrlochtiefe). Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 11 und 12 dargestellt. Tabelle 11

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdau er (Loch: 20Φ-90 mm)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/Nb N/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
5	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
6	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ NbN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß
8	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/ VN/AlTiSiN(58:37:5)	256	normaler Verschleiß

Tabelle 12

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdauer (Loch: 20Φ-90 mm)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:3 8:8)/TiN	52	Fressen/Absplitterungen
2	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	52	exzessiver Verschleiß
3	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/TiN	104	Fressen/Absplitterungen
4	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/TiN	52	exzessiver Verschleiß
5	lTiN(7:3)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(58: 37:5)	156	Absplitterungen
6	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/AlTiSiN(5 8:37:5)	208	Absplitterungen
7	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTi SiN(58:37:5)	208	Absplitterungen
8	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTi SiN(58:37:5)	208	Absplitterungen
9	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/Nb N	232	exzessiver Verschleiß
10	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	156	exzessiver Verschleiß
11	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/NbN	156	exzessiver Verschleiß
12	AlTiN(7:3)/AlTiCrN(4:3:3)/VN	156	exzessiver Verschleiß
13	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ NbN/AlTiN(67:33)	232	exzessiver Verschleiß
14	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ VN/AlTiN(67:33)	256	normaler Verschleiß
15	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/ TiN/AlTiSiN(58:37:5)	232	exzessiver Verschleiß

Wie die Tabellen 11 und 12 zeigen, weisen die Schneidwerkzeuge, welche mit einer Hartbeschichtung nach den Beispielen 1 bis 8 gemäß der vorliegenden Erfindung versehen sind, alle eine erheblich höhere Schneidlebensdauer als die Vergleichsbeispiele 1 bis 15 auf.
Insbesondere ist zu erkennen, dass alle Vergleichsbeispiele 1 bis 15 mit Ausnahme des Vergleichsbeispiels 14 ihren Lebensdauerzyklus durch Fressen/Absplitterungen oder exzessiven Verschleiß beenden.
In einer Gesamtbetrachtung der Schneidleistung zeichnen sich die Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 8 der vorliegenden Erfindung durch eine exzellente Performance aus.
Eine Nano-Mehrschichtstruktur, welche durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht mit exzellentem Verschleißwiderstand, einer Al, Ti and Cr Verbundnitridschicht mit exzellenten Gleiteigenschaften, einer Nb oder V Verbundnitridschicht mit exzellenter Zähigkeit und Sprödbruchbeständigkeit und einer Al, Ti and Si Verbundnitridschicht mit exzellenter Oxidationsbeständigkeit erhalten wird, ermöglicht somit eine gleichmäßige Verbesserung einer Vielzahl von Eigenschaften, wie Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Zähigkeit, Sprödbruchbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeitsschicht, welche für eine Hartbeschichtung eines Schneidwerkzeugs zur Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien benötigt werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Beispielen näher erläutert. Modifikationen und Abweichungen im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche sind jedoch für einen Fachmann ohne weiteres möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug, welche an einer Oberfläche eines Grundmaterials vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbeschichtung eine Nano-Mehrschichtstruktur mit einer Dünnschicht A, einer Dünnschicht B, einer Dünnschicht C und einer Dünnschicht D oder eine Struktur, in der die Nano-Mehrschichtstruktur sich zumindest zweifach wiederholend gestapelt ist, aufweist, wobei die Dünnschicht A aus Ti_1-xAl_xN besteht, wobei für x gilt: 0,5≤x≤0,7; die Dünnschicht B aus Al_1-y-zTi_yCr_zN besteht, wobei für y und z gilt: 0,3≤y≤0,6 und 0<z≤0,3; die Dünnschicht C aus MeN besteht,wobei Me Nb oder V ist; und die Dünnschicht D aus Al_1-a-bTi_aSi_bN besteht, wobei für a und b gilt: 0,3≤a≤0,7 und 0<b<0,1.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1, bei der in der Nano-Mehrschichtstruktur die Dünnschicht A, die Dünnschicht B, die Dünnschicht C und die Dünnschicht D aufeinanderfolgend auf dem Grundmaterial gestapelt sind.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jede aus Dünnschicht A, Dünnschicht B, Dünnschicht C und Dünnschicht D eine durchschnittliche Dicke von 3 nm bis 50 nm aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 3, bei der jede aus Dünnschicht A, Dünnschicht B, Dünnschicht C und Dünnschicht D eine durchschnittliche Dicke von 20 nm bis 40 nm aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hartbeschichtung eine durchschnittliche Dicke von 1 µm bis 20 µm aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hartbeschichtung eine Degradationshärte von nicht weniger als 35 GPa nach einer Degradationsbehandlung mit einer Temperatur von 900°C über 30 min aufweist.