DE112013002291T9

DE112013002291T9 - Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112013002291T9
Application number: DE112013002291.5T
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: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: KR101351845B1; US20150152561A1; CN104302805B; WO2013165091A1; DE112013002291T5; DE112013002291B4; US9422627B2; CN104302805A; KR20130123238A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug. Eine gleichmäßige Verbesserung einer Vielzahl von Eigenschaften, welche für eine Hartbeschichtung eines Schneidwerkzeugs benötigt werden, wie Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Zähigkeit, Sprödbruchbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeitsschicht, wird durch wiederholtes Stapeln einer Nano-Mehrschichtstruktur erzielt, welche gebildet wird durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht (Dünnschicht A) mit exzellenter Verschleißfestigkeit, einer A, Ti und zumindest einem aus Si, Cr und Nb Verbundnitridschicht (Dünnschicht B) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, einer Al und Ti Verbundnitridschicht (Dünnschicht C) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und einer Al und Cr Verbundnitridschicht (Dünnschicht D) zur Unterdrückung von Rissausbildung und mit exzellenten Gleiteigenschaften, wodurch die Hartbeschichtung zur Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien geeignet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende 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 das koreanische Patent Nummer 876366 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.
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.
Offenbarung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung schafft eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug, durch welche die Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Schlagzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit verbessert werden.
Technische Lösung
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug an einer Oberfläche eines Grundmaterials vorgesehen, wobei die Hartbeschichtung eine Nano-Mehrschichtstruktur aufweist, bei der eine Dünnschicht A, eine Dünnschicht B, eine Dünnschicht C und eine Dünnschicht D aufeinanderfolgend gestapelt sind, oder eine Struktur, in der die Nano-Mehrschichtstruktur sich zumindest zweifach wiederholend gestapelt ist, wobei die Dünnschicht A aus Ti_xAh_1-xN (0.5≤x≤0.7) besteht; die Dünnschicht B aus Al_1-y-zTi_yMe_zN (0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1 wobei Me zumindest eines aus Si, Cr, und Nb ist) besteht; die Dünnschicht C aus Al_aTi_1-aN (0.5≤a≤0.7)besteht; und die Dünnschicht D aus Al_bCr_1-bN (0.5≤b≤0.7)besteht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung 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 Ausgestaltung 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 Ausgestaltung der Erfindung weist die Hartbeschichtung vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 1 µm bis 20 µm auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung 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, in einer Reihenfolge A-B-C-D, welche gebildet wird durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht (Dünnschicht A) mit exzellenten Hafteigenschaften an einem Grundmaterial und exzellenter Verschleißfestigkeit, einer Al, Ti und zumindest einem aus Si, Cr und Nb Verbundnitridschicht (Dünnschicht B) mit exzellenter Verschleißfestigkeit aufgrund zusätzlich erhöhter Härte der Dünnschicht wegen eines durch Si, Cr und Nb bewirkten Verstärkungseffekts resultierend aus einer Mischkristallverfestigung sowie weiter verbesserter Oxidationsbeständigkeit aufgrund einer schnellen Oxidbildung aus den Mischkristallen bei hohen Temperaturen, einer Al und Ti Verbundnitridschicht (Dünnschicht C) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und einer Al und Cr Verbundnitridschicht (Dünnschicht D) zur Unterdrückung von Rissausbildung und mit exzellenter Gleiteigenschaften, 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 Härte, Oxidationsbeständigkeit und Gleiteigenschaften regelmäßig und wiederholt in der Dünnschichtenreihenfolge A-B-C-D 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.
Figurenliste

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 und die Dünnschicht C sind jeweils eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Haftung an einem Grundmaterial sowie die Verschleißfestigkeit und Härte zu verbessern. Sie weisen eine Zusammensetzung auf, die aus Ti_1-xAl_xN (0.5≤x≤0.7) bzw. Al_aTi_1-aN (0.5≤a≤0.7) besteht.
Die Dünnschichten A und C weisen einen Gehalt an Ti und Al von 0,5 bis 0,7 auf und bestehen somit aus einem Ti-reichen Ti und Al Verbundnitrid und einem Al-reichen Ti und Al Verbundnitrid. Wenn in einem TiAlN der Gehalt an Ti größer als der Gehalt an Al ist, nimmt die Zähigkeit zu, während die Härte abnimmt und wenn der Gehalt an Al größer als der Gehalt an Ti ist, nimmt die Härte zu, während die Zähigkeit abnimmt.
Aus diesem Grunde bestehen die Dünnschicht A und die Dünnschicht C aus einem Ti und Al Verbundnitrid hoher Zähigkeit und einem Ti und Al Verbundnitrid hoher Härte und sind abwechselnd um die Dünnschicht B angeordnet oder mit der Dünnschicht D dazwischen, um eine Hartbeschichtung zu bilden, welche hinsichtlich Zähigkeit und Härte harmonisch verbessert ist.
Wenn in der Dünnschicht A der Ti Gehalt größer als 0,7 ist (und der Al Gehalt kleiner als 0,3 ist), wird Al, welches einen kleineren Atomradius als Ti aufweist, substituiert, womit der feste Lösungsanteil (Mischkristallanteil) 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, was unerwünscht ist.
Wenn in der Dünnschicht A der Al Gehalt größer als 0,7 ist (und der Ti Gehalt weniger als 0,3 beträgt), wird eine Phase mit hexagonaler B4 Struktur gebildet, wodurch die Sprödbruchgefahr zunimmt und die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer eines Werkzeugs verringert werden, was unerwünscht ist
Es ist daher zu bevorzugen, wenn sowohl in der Dünnschicht A als auch in der Dünnschicht C der Gehalt an Al und Ti jeweils auf nicht mehr als 0,7 begrenzt wird.
Die Dünnschicht A und die Dünnschicht C jeweils bestehend aus einem Ti und Al Verbundnitrid bilden zusammen mit anderen Dünnschichten eine Mehrschichtstruktur auf Nanolevel, woraus eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung resultiert, welche hervorragend ausgeglichene Eigenschaften in Bezug auf den Verschleißwiderstand, die Zähigkeit, die Sprödbruchbeständigkeit und die Gleiteigenschaften aufweist.
Die Dünnschicht A weist im Vergleich zu anderen Dünnschichten geringe Eigenspannungen auf und besitzt eine hohe Verschleißfestigkeit. Deswegen wird bevorzugt die Dünnschicht A auf der Grundschicht angeordnet. Die Dünnschicht B und die Dünnschicht C sind Funktionsschichten mit hoher Härte und weisen hohe aufgrund von Mischkristallverfestigung Druckeigenspannungen auf (generell gilt für PVD-Dünnschichten, dass die Druckeigenspannungen mit der Härte zunehmen). Würde man eine solche Dünnschicht B oder Dünnschicht C unmittelbar auf dem Grundmaterial aufbringen, so ergäbe sich eine Abschwächung der Verschleißfestigkeit aufgrund der unterschiedlichen Eigenspannungen in der Dünnschicht und im Grundmaterial, was unerwünscht ist.
Die Dünnschicht B ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Sie weist eine Zusammensetzung auf, die aus Al_1-y-zTi_yMe_zN (0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1 wobei Me zumindest eines aus Si, Cr, and Nb ist) besteht.
In der Dünnschicht B beträgt der Ti Gehalt vorzugsweise 0,4 bis 0,7. Der Grund hierfür ist, dass wenn der Ti Gehalt kleiner als 0,4 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 Al 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 von zumindest einem aus Si, Cr und Nb. Wenn Si, Cr und Nb in der genannten Menge vorhanden sind, werden zweiwertige Oxide wie Si₂O₃, Cr₂O₃ oder Nb₂O₃ gebildet einschließlich einer Schicht Al₂O₃, wodurch die Oxidationsbeständigkeit der Hartbeschichtung merklich erhöht wird. Zumindest eines aus Si, Cr und Nb wird in die Kristallstruktur von AlTiN als Mischkristall eingebaut, wodurch die Oxidationsbeständigkeit und Härte (insbesondere die Degradationshärte) der Dünnschicht verbessert werden.
Wenn in der Dünnschicht D hingegen der Gehalt zumindest eines aus Si, Cr und Nb größer als 0,1 ist, bildet sich eine grobkörnige Dünnschichtstruktur. Wird das Werkzeug einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt, entsteht eine Ausscheidung von Cr₂N oder dergleichen, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer des Werkzeugs abnehmen. Es ist daher vorteilhaft, den Gehalt auf weniger als 0,1 zu begrenzen.
Die Dünnschicht D ist eine dünne Schicht, die vorwiegend dazu dient, die Verschleißfestigkeit, Zähigkeit (Kerbschlagzähigkeit) zu verbessern und eine Rissbildung zu unterdrücken. Sie weist eine Zusammensetzung auf, die aus Al_bCr_1-bN (0.5≤b≤0.7)besteht.
Es ist vorteilhaft, wenn in der Dünnschicht D der Al Gehalt 0,5 bis 0,7 beträgt. Der Grund hierfür ist, dass dann, wenn der Al Gehalt kleiner als 0,5 ist, d.h. der Cr Gehalt 0,5 und größer ist, im Gebrauch, insbesondere beim Schneiden bei hohen Temperaturen, eine Ausscheidung von Cr₂N entsteht, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer des Werkzeugs abnehmen, was unerwünscht ist. Wenn der Al Gehalt größer als 0,7 ist, d.h. der Cr Gehalt 0,3 und kleiner ist, nimmt die Isolierwirkung zu, so dass bedingt durch die Fertigungsmittel ein Gleichstromabscheideverfahren schwer durchzuführen ist. Zudem wird hcp-AlCrN anstelle von fcc-AlCrN gebildet, was zu Verspröden führt sowie zu einer Verminderung der Verschleißfestigkeit, der Zähigkeit und der Lebensdauer, was unerwünscht 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 mit exzellenten Haftungseigenschaften, Verschleißfestigkeit und Härte, die Dünnschicht B mit erhöhter Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufgrund von Mischkristallbildung, die Dünnschicht C als Funktionsschicht zur zusätzlichen Komplementierung des Verschleißfestigkeit und die Dünnschicht D als Funktionsschicht zur Verbesserung der Zähigkeit und Gleiteigenschaften einer Dünnschicht A-B-C aufeinanderfolgend gestapelt, um eine Nano-Mehrschichtstruktur mit der Reihenfolge A-B-C-D zu bilden. Schwächen der einzelnen Dünnschichten sind dabei harmonisch gegeneinander ausgeglichen, so dass insgesamt die Verschleißfestigkeit, die Oxidationsbeständigkeit, die Zähigkeit und die Gleiteigenschaften verbessert werden.
Gegensätzliche Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Zähigkeit werden gleichzeitig verbessert durch eine gestapelte Struktur, bei der die Dünnschichthärte (und Eigenspannung) einer jeden Schicht, welche die Verschleißfestigkeit und die Belastbarkeit einer jeden Schicht beeinflussen, periodisch variiert sind. Es daher empfehlenswert, dass eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung eine Nano-Mehrschichtstruktur mit einer Reihenfolge A-B-C-D aufweist.
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 aufeinanderfolgendes Stapeln von Dünnschichten aus TiAlN, AlTiMeN (wobei Me mindestens eines aus Si, Cr, Nb ist) und AlTiN und AlCrN, 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 eine Zielvorgabe für TiAl, eine Zielvorgabe für AlTiSi, AlTiCr oder AlTiNb, eine Zielvorgabe AlTi und eine Zielvorgabe für AlCr 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 sind eine TiAlN Schicht, eine AlTi(Si, Cr, Nb)N Schicht, eine AlTiN Schicht und eine AlCrN Schicht mit einer Durchschnittsdicke von 25 nm bis 45 nm aufeinanderfolgend gestapelt, um eine Nano-Mehrschichtstruktur zu bilden. Eine solche Nano-Mehrschichtstruktur wurde anschließend wiederholt gebildet, um eine Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug mit einer Gesamtdicke von 4,2 µm bis 4,5 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)	Dünnschichtdurchschnittsdicke (nm)	Gesamte Schichtdicke (µm)	Stapel struktur
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	25	4.2	A/B/C/D Nano-Mehrschicht
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5))	27	4.3	A/B/C/D Nano-Mehrschicht
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	35	4.4	A/B/C/D Nano-Mehrschicht
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	37	4.4	A/B/C/D Nano-Mehrschicht
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	45	4.5	A/B/C/D Nano-Mehrschicht
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	42	4.4	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

Vergleichsbeispiel Nr.	Struktur der Hartbeschichtung
Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Dünnschicht durchschnitts dicke (nm)	Gesamte Schichtdicke (µm)	Stapelstruktur
1	TiAlN(5:5)		4.3	Einzelschicht
2	AlTiN(67:33)		4.2	Einzelschicht
3	AlCrN(5:5)		4.1	Einzelschicht
4	AlCrN(7:3)		4.3	Einzelschicht
5	AlTiSiN(58:37:5)		4.2	Einzelschicht
6	AlTiCrN(54:38:8)		4.2	Einzelschicht
7	TiAlNbN(50:40:10)		4.1	Einzelschicht
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	40	4.3	A/B Nano-Mehrschicht
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	47	4.4	A/B Nano-Mehrschicht
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	23	4.2	A/B Nano-Mehrschicht
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	23	4.2	A/B Nano-Mehrschicht
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	32	4.3	A/B Nano-Mehrschicht
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	42	4.0	A/B Nano-Mehrschicht

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, betreffen die Vergleichsbeispiele 1 bis 7 Einzel-Dünnschichten wie sie bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden mit einer Gesamtschichtdicke von 4,1 µm bis 4,3 µm. Die Vergleichsbeispiele 8 bis 13 betreffen zweilagige Dünnschichten, wie sie ebenfalls bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, mit einer Durchschnittsdicke von 23 nm bis 47 nm, um Hartbeschichtungen mit einer A/B Nano-Mehrschichtstruktur mit einer Gesamtdicke von 4,0 µm bis 4,4 µm zu bilden. Diese Hartbeschichtungen dienen dazu, die unterschiedlichen Schneidleistungen und interschiedlichen Stapelstrukturen für Hartbeschichtungen (wobei bei den Vergleichsbeispielen einige Dünnschichten ausgelassen sind) im Vergleich zu Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug nach der Erfindung aufzuzeigen.

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	Si	Nb	N
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	31,1	18,2	5,2	1,8		43,7
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	27,4	18,4	7,5	1,9		44,8
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	29,4	15,1	8,9			16,6
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	27,4	16,6	9,5			16,5
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	24,3	21,2	6,2		4,2	44,1
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	22,2	22,8	7,4		4,3	43,3

Tabelle 4

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Dünnschichtzusammensetzung (EDX, in %)
Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur	Al	Ti	Cr	Si	Nb	N
1	TiAlN(5:5)	27.1	28.9				44
2	AlTiN(67:33)	37.4	19.4				43.2
3	AlCrN(5:5)	26.6		28.9			44.5
4	AlCrN(7:3)	35.8		18.5			45.7
5	AlTiSiN(58:37:5)	34.2	20		2		43.8
6	AlTiCrN(54:38:8)	28.7	19.4	6.7			45.2
7	TiAlNbN(50:40:10)	29.3	18.9			6.2	45.6
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	27.8	10.6	14.3			47.3
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	30.2	16.6	10.1			43.1
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	31.4	9.2	14.7			44.7
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	29.4	23.5		1.8		45.3
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	25.3	22.6	5.4			46.7
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	25.5	22			6.1	46.4

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 1 bis 13 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 30 kgf auf die Hartbeschichtung aufgebracht wird.

Die Messergebnisse der Raumtemperaturhärte, der Degradationshärte, des Reibungskoeffizienten und der Risslänge für die Beispiele 1 bis 6 sowie die Vergleichsbeispiele 1 bis 13 sind in den Tabellen 5 und 6 angegeben. Tabelle 5

Beispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Raumtem - peraturhärte (GPa)	Degradationshärte (GPa)	Reibungskoeffizient (COF)	Risslänge (µm
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	37.6	37.4	0.47	43
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	38.3	38	0.39	45
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	38.4	36.9	0.46	43
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	37.3	36.1	0.35	46
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	36.5	35.1	0.36	47
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	36.9	35.7	0.32	42

Tabelle 6

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungs-verhältnis)	Raumtem - peraturhärte (GPa)	Degradationshärte (GPa)	Reibungskoeffizient (COF)	Risslänge (µm)
1	TiAlN(5:5)	32,4	24	0,70	64
2	AlTiN(67:33)	35,5	29	0,72	64
3	AlCrN(5:5)	31,1	27	0,32	46
4	AlCrN(7:3)	29,5	25,5	0,31	48
5	AlTiSiN(58:37:5)	35,4	34,7	0,51	58
6	AlTiCrN(54:38:8)	35,2	34,1	0,43	59
7	TiAlNbN(50:40:10)	34,8	31,1	0,41	58
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	35	32,1	0,46	44
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	34,5	31,4	0,6	43
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	34,7	33,2	0,67	49
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	36,3	35,7	0,4	64
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	35,9	34,7	0,43	53
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	36,9	32,1	0,46	54

Wie den Tabellen 5 und 6 entnommen werden, weisen die Hartbeschichtungen vom Einzel-Dünnschichttyp, deren Dünnschichten auch in den Beispielen für Nano-Mehrschichtzusammensetzungen für Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung vorkommen, eine Raumtemperaturhärte von 29,5 GPa bis 35,5 GPa auf, was im Vergleich zu Raumtemperaturhärten von 36,5 GPa bis 38,4 GPa für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr gering ist, und insbesondere eine Degradationshärte von 24 GPa bis 34,7 GPa, d.h. generell weniger als 35 GPa, was im Vergleich zu Degradationshärten von 35,1 GPa bis 38 GPa für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr gering ist, weswegen man sagen kann, dass die Härte unter einer Hochtemperaturdegradationsumgebung deutlich abfällt.
Die meisten der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 weisen einen Reibungskoeffizient von 0,41 bis 0,72 auf, abgesehen von den Vergleichsbeispielen 3 und 4, welche lediglich aus AlCrN bestehen, das ohnehin der Verbesserung der Gleiteigenschaften dient, was im Vergleich zu Reibungskoeffizienten von 0,32 bis 0,47 für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung hoch ist.
Weiterhin weisen die Vergleichsbeispiele 1 bis 7 eine Risslänge von 46 µm bis 64 µm auf, wohingegen die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Risslänge von 42 µm bis 47 µm aufweisen, weswegen man sagen kann, dass die Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Zähigkeit aufweisen.
Es zeigt sich, dass die Vergleichsbeispiele 1 bis 7 mit Einzelschichten jeweils lediglich hinsichtlich einer speziellen Eigenschaft besonders gut sind. So weisen beispielsweise die Vergleichsbeispiele 3 und 4 mit guten Gleiteigenschaften (Gleiteigenschaften) eine Raumtemperaturhärte und Degradationshärte von 25,5 und 31,1 GPa auf, was sehr gering ist. Vergleichsbeispiele 5 und 6 besitzen eine hohe Raumtemperaturhärte und Degradationshärte, weisen jedoch eine Risslänge von nahezu 60 µm auf.
Die Vergleichsbeispiele 8 bis 13, bei denen die Hartbeschichtungen gebildet werden durch abwechselnde Anordnung von zwei Dünnschichten, welche aus den Beispielen für Nano-Mehrschichtzusammensetzungen für Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ausgewählt sind, weisen eine Raumtemperaturhärte von 34,5 GPa bis 36,9 GPa auf, was im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 hoch ist, jedoch im Vergleich zu Raumtemperaturhärten von 36,5 GPa bis 38,4 GPa für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung immer noch gering ist, sowie fernere eine Degradationshärte von 31,4 GPa bis 35,7 GPa, was im Vergleich zu Degradationshärten von 35,1 GPa bis 38 GPa für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung gering ist, weswegen man sagen kann, dass die Härte unter einer Hochtemperaturdegradationsumgebung deutlich abfällt.
Die Vergleichsbeispiele 8 bis 13 weisen ferner einen Reibungskoeffizient von 0,4 bis 0,67 auf, was im Vergleich zu Reibungskoeffizienten von 0,32 bis 0,47 für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung hoch ist.
Weiterhin weisen die Vergleichsbeispiele 8 bis 13 eine Risslänge von 43 µm bis 64 µm auf, was im Vergleich zu Risslänge von 42 µm bis 47 µm für die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr groß ist, weswegen 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 6 gemäß der vorliegenden Erfindung Härte, Gleiteigenschaften (Reibungskoeffizient) und Zähigkeit (Bruchzähigkeit) im Vergleich zu den Vergleichbeispielen 1 bis 13 sehr gleichmäßig verbessert werden.
Beurteilung der Verschleißfestigkeit

Zur Beurteilung der Schneidleistung hinsichtlich der Verschleißfestigkeit von Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 wurde ein Frästest unter folgenden Bedingungen vorgenommen: legierter Stahl (SM45C), Prüfmuster Nr. SPKN1504EDSR (ISO), Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min, Schnittvorschub: 0.3 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)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	18,2	normaler Verschleiß
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	16,4	normaler Verschleiß
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	17,8	normaler Verschleiß
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	14,8	normaler Verschleiß
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33/AlCrN(7:3)	15	normaler Verschleiß
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	16,8	normaler Verschleiß

Tabelle 8

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Lebensdauer (Schneidlänge in M)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)	7.8	Bruch
2	AlTiN(67:33)	8	Absplitterungen
3	AlCrN(5:5)	2.5	exzessiver Verschleiß
4	AlCrN(7:3)	2.5	Verschleiß
5	AlTiSiN(58:37:5)	10	Absplitterungen
6	AlTiCrN(54:38:8)	11	Bruch
7	TiAlNbN(50:40:10)	8	exzessiver Verschleiß
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	10	Bruch
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	9.4	Absplitterungen
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	9	Bruch
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	13.4	exzessiver Verschleiß
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	12.1	exzessiver Verschleiß
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	11.8	exzessiver Verschleiß

Wie die Tabellen 7 und 8 zeigen, weisen die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schneidlebensdauer von 15 m bis 18,2 m auf, das heißt in sämtlichen Fällen 15 m oder mehr, wobei der Grund des Lebensdauerendes normaler Verschleiß ist. Die Hartbeschichtungen vom Einzel-Dünnschichttyp, deren Dünnschichten auch in den Beispielen für Nano-Mehrschichtzusammensetzungen für Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung vorkommen, nämlich die Vergleichsbeispiele 1 bis 7, sowie die Hartbeschichtungen, die durch abwechselnde Anordnung von zwei Dünnschichten A/B gebildet werden, welche aus den Beispielen für Nano-Mehrschichtzusammensetzungen für Hartbeschichtungen für ein Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ausgewählt sind, beenden ihren Lebensdauerzyklus nicht durch normalen Verschleiß sondern durch Bruchversagen, Verschleiß oder exzessiven Verschleiß, ausgenommen die Vergleichsbeispiele 7 und 8, und erreichen eine Schneidlebensdauer von lediglich 2,5 m bis 13,4 m. Die Verschleißfestigkeit der Vergleichsbeispiele ist im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Beispielen ausgesprochen gering.
Es hat sich gezeigt, dass die Hartbeschichtungen der Beispiele 1 bis 6 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 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 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)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	8,7
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	8,7
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	9,3
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	8,6
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33/AlCrN(7:3)	7,1
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	7,6

Tabelle 10

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdauer (Schneidlänge M)
1	TiAlN(5:5)	2,9
2	AlTiN(67:33)	2,8
3	AlCrN(5:5)	0,8
4	AlCrN(7:3)	1
5	AlTiSiN(58:37:5)	3,2
6	AlTiCrN(54:38:8)	3
7	TiAlNbN(50:40:10)	1,2
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	3,6
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	4,3
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	5,4
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	6,5
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	6,7
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	5,3

Wie die Tabellen 9 und 10 zeigen, weisen die Beispiele 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schneidlebensdauer von 7,1 m bis 9,3 m auf, das heißt in sämtlichen Fällen 7 m oder mehr. Hingegen weisen die Vergleichsbeispiele 1 bis 13 eine Schneidlebensdauer von 0,8 m bis 6,7 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 in 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 6 der vorliegenden Erfindung sowie den Vergleichsbeispiel 1 bis 13 gemeinsam zu beurteilen, wurde ein Bohrleistungs-Schneidtest mit folgenden Bedingungen durchgeführt: Karbonstahl (SM45C, Karbonstahlbohrer), Prüfmuster Nr. SPMT07T208/XOMT07T205 (indexierbarer Bohreinsatz, 20Φ-5D), Schnittgeschwindigkeit: 150 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)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	264	exzessiver Verschleiß
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	234	normaler Verschleiß
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	230	normaler Verschleiß
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	212	normaler Verschleiß
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33/AlCrN(7:3)	187	normaler Verschleiß
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	177	normaler Verschleiß

Tabelle 12

Vergleichsbeispiel Nr.	Nano-Mehrschichtstruktur (Zielzusammensetzungsverhältnis)	Schneidlebensdauer (Loch: 20Φ-90 mm)	Grund für das Ende der Lebensdauer
1	TiAlN(5:5)	61	Fressen/ exzessiver Verschleiß
2	AlTiN(67:33)	68	Fressen/Absplitterungen
3	AlCrN(5:5)	18	exzessiver Verschleiß
4	AlCrN(7:3)	12	exzessiver Verschleiß
5	AlTiSiN(58:37:5)	82	Absplitterungen
6	AlTiCrN(54:38:8)	76	Fressen/Absplitterungen
7	TiAlNbN(50:40:10)	45	exzessiver Verschleiß
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	107	exzessiver Verschleiß
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	104	Absplitterungen
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	111	Fressen/Absplitterungen
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	164	exzessiver Verschleiß / Absplitterungen
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	146	exzessiver Verschleiß
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	120	exzessiver Verschleiß

Wie die Tabellen 11 und 12 zeigen, weisen die Schneidwerkzeuge, welche mit einer Hartbeschichtung nach den Beispielen 1 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung versehen sind, alle eine erheblich höhere Schneidlebensdauer als die Vergleichsbeispiele 1 bis 13 auf.
Alle Beispiele 1 bis 6 mit Ausnahme des Beispiels 1 beenden ihren Lebensdauerzyklus durch normalen Verschleiß und haben eine Schneidlebensdauer von 177 bis 264. Hingegen beenden die Vergleichsbeispiele 1 bis 13 ihren Lebensdauerzyklus durch Fressen, Absplitterungen oder exzessiven Verschleiß und weisen eine Lebensdauer von lediglich 12 bis 164 auf. Die Hartbeschichtungen nach den Beispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung zeichnen sich somit durch eine sehr exzellente Performance aus.
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 mit einer Reihenfolge A-B-C-D, welche gebildet wird durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht (Dünnschicht A) mit guten sowohl exzellenten Hafteigenschaften an einem Grundmaterial als auch exzellenter Verschleißfestigkeit, einer Al, Ti und zumindest einem aus Si, Cr und Nb Verbundnitridschicht (Dünnschicht B) mit exzellenter Verschleißfestigkeit aufgrund zusätzlich erhöhter Härte der Dünnschicht wegen eines durch Si, Cr und Nb bewirkten Verstärkungseffekts resultierend aus einer Mischkristallverfestigung sowie weiter verbesserter Oxidationsbeständigkeit aufgrund einer schnellen Oxidbildung aus den Mischkristallen bei hohen Temperaturen, einer Al und Ti Verbundnitridschicht (Dünnschicht C) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und einer Al und Cr Verbundnitridschicht (Dünnschicht D) zur Unterdrückung von Rissfortbildung und mit exzellenten Gleiteigenschaften, kann die Hartbeschichtung sehr gut für die Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien eingesetzt werden.
Eine Nano-Mehrschichtstruktur, welche durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer Ti und Al Verbundnitridschicht (Dünnschicht A) mit exzellenten Hafteigenschaften an einem Grundmaterial und exzellenter Verschleißfestigkeit, einer A, Ti und zumindest einem aus Si, Cr und Nb Verbundnitridschicht (Dünnschicht B) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, einer Al und Ti Verbundnitridschicht (Dünnschicht C) mit exzellenter Verschleißfestigkeit und einer Al und Cr Verbundnitridschicht (Dünnschicht D) zur Unterdrückung von Rissausbildung und mit exzellenten Gleiteigenschaften in der Reihenfolge A-B-C-D erhalten wird, ermöglicht 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 876366 [0007]

Claims

Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug, welche an einer Oberfläche eines Grundmaterials vorgesehen ist, wobei die Hartbeschichtung eine Nano-Mehrschichtstruktur aufweist, bei der eine Dünnschicht A, eine Dünnschicht B, eine Dünnschicht C und eine Dünnschicht D aufeinanderfolgend gestapelt sind, oder eine Struktur, in der die Nano-Mehrschichtstruktur sich zumindest zweifach wiederholend gestapelt ist, wobei die Dünnschicht A aus Ti_xAl_1-xN (0.5≤x≤0.7) besteht; die Dünnschicht B aus Al_1-y-zTi_yMe_zN (0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1 wobei Me zumindest eines aus Si, Cr, and Nb ist) besteht; die Dünnschicht C aus Al_aTi_1-aN (0.5≤a≤0.7) besteht; und die Dünnschicht D aus Al_bCr_1-bN (0.5≤b≤0.7) besteht.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1, 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 1, 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, bei der die Hartbeschichtung eine durchschnittliche Dicke von 1 µm bis 20 µm aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1, 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.