DE112013006240B4 - Mehrlagige Dünnschicht für Schneidwerkzeug und Schneidwerkzeug damit - Google Patents

Mehrlagige Dünnschicht für Schneidwerkzeug und Schneidwerkzeug damit Download PDF

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Abstract

Mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der Dünnschichteinheiten, die jeweils aus Dünnschichten A, B, C und D gebildet sind, mehr als einmal gestapelt sind,dadurch gekennzeichnet, dassdie Elastizitätsmodule k der Dünnschichten A, B, C und D folgende Bedingungen erfüllen:kA>kB und kD>kC,oderkC>kB und kD>kA,die Gitterparameter L der Dünnschichten folgende Bedingungen erfüllen:LA,LC>LB,LD,oderLB,LD>LA,LC,eine Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Gitterparameters L 20 % oder weniger beträgt, undeine durchschnittliche Gitterparameterperiode λLder mehrlagigen Dünnschicht die Hälfte einer durchschnittlichen Elastizitätsmodulperiode λkdavon beträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug und insbesondere eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der eine Übergitter-Dünnschicht mit einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu Zehnteln von Nanometern in der Form von A-B-C-D oder A-B-C-B gestapelt ist, die weniger Qualitätsunterschiede aufweist und dazu in der Lage ist, eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu realisieren.
  • Seit Ende der 1980er Jahre sind verschiedene TiN-basierte Mehrschichtfilmsysteme vorgeschlagen worden, um Materialien für ein Schneidwerkzeug mit einer großen Härte zu entwickeln.
  • So bildet beispielsweise ein Mehrschichtfilm, der durch abwechselndes und wiederholtes Übereinanderstapeln von TiN oder VN zu einer Dicke von wenigen Nanometern gebildet wird, ein sogenanntes Übergitter mit einem einzigen Gitterparameter und kohärenten Schnittflächen zwischen den Schichten anstatt von Unterschieden in den Gitterparametern der einzelnen Schichten. Mit dieser Beschichtung kann eine doppelt so hohe oder noch größere Härte im Vergleich zu der allgemeinen Härte jeder einzelnen Schicht erzielt werden, so dass es inzwischen zahlreiche Versuche gab, dieses Phänomen für die Beschichtung von Schneidwerkzeugen zu nutzen.
  • Zu Beispielen für Verstärkungsmechanismen, die für diese Übergitter-Beschichtungen verwendet werden, zählen Koehlers Modell, die Hall-Petch-Beziehung und ein Kohärenz-Spannunsgmodell, und diese Verstärkungsmechanismen beziehen sich auf einen Härteanstieg durch einen Unterschied zwischen den Gitterparametern von A und B, einen Unterschied zwischen den Elastizitätsmodulen von A und B und die Steuerung der Stapelperioden von A und B bei einer abwechselnden Aufbringung der Materialien A und B.
  • Grundsätzlich ist es schwierig, durch das abwechselnde Stapeln von zwei Materialien zwei oder mehr Verstärkungsmechanismen anzuwenden. Insbesondere bereitet die Herstellung einer mehrlagigen Dünnschicht mit hervorragenden Verschleißeigenschaften und einer gleich bleibenden Qualität unter den Bedingungen der Massenfertigung Schwierigkeiten, bei der große Abweichungen in einer Stapelperiode der mehrlagigen Dünnschicht sowohl zwischen den verschiedenen Chargen als auch innerhalb einer Charge bestehen.
  • Wie in 1 dargestellt, war es daher bei der Herstellung einer mehrlagigen Dünnschicht durch das abwechselnde Stapeln von zwei oder mehr Materialien konventionell üblich, das Stapeln so durchzuführen, dass eine elastische Periode und eine Gitterperiode zusammentreffen, wie in der US 5,700,551 A beschrieben. Allerdings ist es in diesem Fall schwierig, die zuvor genannten verschiedenen Verstärkungsmechanismen anzuwenden, so dass der Verbesserung der Verschleißfestigkeit der mehrlagigen Schicht hier Grenzen gesetzt sind.
  • Aus DE 11 2009 000 799 T5 ist eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug D1 bekannt, welche eine Schichtreihenfolge A-B-C-D und alternativ eine Schichtreihenfolge A-D-C-B aufweist, wobei die Schichten wie folgt definiert sind:
    • A- und C-Schicht: [Ti(1-x)Alx][C(1-y)Ny], 0,3≤x≤0.5, 0,5≤y≤1
    • B-Schicht: [Ti(1-q)Alq][C(1-r)Nr], 0,6≤q≤0.8, 0,5≤r≤1
    • D-Schicht: [Al(1-(a+b))TiaMb]N; M[Si,Cr], 0,3≤a≤0,5, 0,02≤b≤0,08
  • Ferner ist aus CN 101200797 A ein Mehrschichtaufbau A-B-C-D bekannt, bei dem allerdings die Periode des Gitterparameters L deutlich größer als die Periode des Elastizitätsmoduls ist.
  • Weiterhin sind aus DE 195 26 387 A1 ein doppelt beschichtetetr Stahlverbundgegenstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie aus DE 44 08 250 A1 ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Substrats und ein Beschichtungsmaterial mit zwei oder mehr TiAlN-Schichten bekannt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, während der Herstellung der mehrlagigen Dünnschicht aus einem Übergitter eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug bereitzustellen, die gegenüber konventionellen Übergitter-Beschichtungen eine bessere Verschleißfestigkeit aufweist, und ein mit der mehrlagigen Dünnschicht beschichtetes Schneidwerkzeug, durch Anpassen einer Gitterperiode und einer elastischen Periode der mehrlagigen Dünnschicht, so dass zwei oder mehr Dünnschicht-Verstärkungsmechanismen auf die mehrlagige Dünnschicht wirken.
  • Um die oben genannte technische Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug gemäß Patentanspruch 1 vor. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
  • Bei der mehrlagigen Dünnschicht kann die Dünnschichteinheit eine Dicke von 4 bis 50 nm und vorzugsweise 10 bis 30 nm aufweisen.
  • Bei der mehrlagigen Dünnschicht können die Dünnschichten B und D aus demselben Material bestehen.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ferner ein Schneidwerkzeug gemäß Patentanspruch 5 vorbeschlagen, dessen Oberfläche mit der mehrlagigen Dünnschicht beschichtet ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können beim Formen einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht solcher Art, dass vier oder mehr Dünnschichteinheiten zu einem Film laminiert werden und der laminierte Film anschließend wiederholt zu zwei oder mehr Schichten gestapelt wird, Veränderungen in Stapelperioden der Elastizitätsmodule und der Gitterparameter entsprechend der Stapelperiode der Dünnschichteinheit kontrolliert werden, wie in 2 dargestellt, so dass zwei oder mehr Verstärkungsmechanismen auf die mehrlagige Dünnschicht wirken. Folglich kann eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug bereitgestellt werden, die weniger Qualitätsschwankungen und eine bessere Verschleißfestigkeit im Vergleich zu einer mehrlagigen Dünnschicht aufweist, auf die nur ein einzelner Verstärkungsmechanismus wirkt.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt die Beziehung zwischen einer elastischen Periode und einer Gitterperiode in einer konventionellen mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht.
    • 2 zeigt die Beziehung zwischen einer elastischen Periode und einer Gitterperiode in einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist ein Graph, der die Veränderungen in einem Gitterparameter entsprechend dem Aluminiumgehalt in einer (Ti1-xAlx)N-basierten Dünnschicht aufzeigt.
    • 4 zeigt Fotografien der Testergebnisse der Schneidleistung einer mehrlagigen Dünnschicht gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung und einer mehrlagigen Dünnschicht gemäß einem Vergleichsbeispiel.
    • 5 zeigt Fotografien der Testergebnisse der Schneidleistung einer mehrlagigen Dünnschicht gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung und einer mehrlagigen Dünnschicht gemäß einem Vergleichsbeispiel.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung ausführlich auf Basis von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei die erfinderische Idee nicht auf die unten stehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass, wenn sich eine elastische Periode und eine Gitterperiode beim Stapeln einer Dünnschichteinheit unterschiedlich zueinander verhalten, anstatt sich zu decken, zwei oder mehr Verstärkungsmechanismen (d. h. der Mechanismus des Koehler's Modell und der Mechanismus der Hall-Petch-Beziehung) effektiv wirken können, insbesondere bei einer laminierten Übergitter-Dünnschicht, wodurch die Verschleißfestigkeit der mehrlagigen Dünnschicht verbessert wird, während gleichzeitig die Qualitätsschwankungen bei der Massenfertigung gegenüber einer mehrlagigen Dünnschicht reduziert werden können, bei der hauptsächlich ein einziger Verstärkungsmechanismus wirkt, und schlossen damit die vorliegende Erfindung ab.
  • Die mehrlagige Dünnschicht ist eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der eine Dünnschicht, die durch sequenzielles Stapeln von Dünnschichteinheiten gebildet wird, welche jeweils aus den Dünnschichten A, B, C, und D bestehen, wiederholt zu zwei oder mehr Schichten übereinander gestapelt wird, wobei die Elastizitätsmodule k der Dünnschichteinheiten die Verhältnisse kA > kB, kD > kc oder kc > kB, kD > kA erfüllen, die Gitterparameter L der Dünnschichteinheiten die Verhältnisse LA, LC > LB, LD oder LB, LD > LA, LC erfüllen, und eine Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten der Gitterparameter L 20 % oder weniger beträgt.
  • 2 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen einer elastischen Periode und einer Gitterperiode in einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht. Wie in 2 dargestellt, ist zu erkennen, dass die mehrlagige Übergitter-Dünnschicht sich darin von 1 unterscheidet, dass die elastische Periode (blau) etwa zweimal so groß wie die Gitterperiode (rot) ist und sich die elastische Periode und die Gitterperiode somit nicht decken.
  • In dem Koehler-Modell zum Elastizitätsmodul ist beschrieben, dass der Verstärkungseffekt dann entsteht, wenn die Dicke der Dünnschichten A und B so klein wird, dass sie weniger oder gleich 20 bis 30 nm wird, entsprechend einer Dicke von etwa 100 Atomschichten, wobei es sich um eine kritische Dicke handelt, bei der es schwierig ist, eine Versetzung zu erzeugen. Die erfinderische Idee besteht darin, dass die elastische Periode und die Gitterparameterperiode in Nichtübereinstimmung zueinander angepasst werden, so dass die zwei Verstärkungseffekte erzeugt werden können.
  • Ferner ist es schwierig, das Übergitter zu bilden, wenn die Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten des Gitterparameters L größer als 20 % ist. Daher wird der Gitterparameter vorzugsweise so angepasst, dass die Differenz in dem Bereich von 20 %, oder wenn möglich weniger liegt.
  • Bei der mehrlagigen Dünnschicht ist vorgesehen, dass die Dünnschichteinheiten aus vier Schichten bestehen und das Stapeln jeder Dünnschichteinheit in der Reihenfolge A-B-C-D oder A-B-C-B erfolgt. Das heißt, dass die zweite und vierte Schicht aus unterschiedlichen Materialien oder demselben Material geformt sein können.
  • Die durchschnittliche elastische Periode ist doppelt so breit wie die durchschnittliche Gitterperiode.
  • Beispiel
  • Vor dem Bilden einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht, bei der eine Dünnschicht aus vier Dünnschichteinheiten wiederholt zu zwei oder mehr Schichten gestapelt wird, wurde eine einlagige Dünnschicht aufgebracht, um den Elastizitätsmodul jeder Dünnschichteinheit zu messen und den Elastizitätsmodul jeder Dünnschichteinheit zu bestätigen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Zum Aufbringen der Dünnschichteinheit wurde die Lichtbogenionenplattierung eingesetzt, bei der sich um ein Vakuumaufdampfverfahren (PVD) handelt. Der Anfangsvakuumdruck wurde auf 8,5 ×10-5 Torr oder weniger gesenkt, anschließend wurde N2 als ein Reaktionsgas eingeleitet, und die Beschichtung erfolgte unter der Bedingung eines Reaktionsgasdrucks von 5,333 Pa (40 mTorr) oder weniger (vorzugsweise 1,333 - 4,666 Pa (10 bis 35 mTorr)), einer Temperatur von 400 bis 600°C und einer Substrat-Vorspannung von -30 bis -150 V. Tabelle 1
    Dünnschicht Zielzusammensetzung (in %) Elastizitätsmodul k (GPa)
    TiN Ti = 99,9 416
    TiAlN Ti : Al = 75 : 25 422
    TiAlN Ti: Al = 50 : 50 430
    AlTiN Ti : Al = 33 : 67 398
    CrN Cr = 99,9 475
    CrAlN Cr : Al = 50 : 50 367
    AlCrN Cr : Al = 30 : 70 403
    AlCrSiN Cr : Al : Si = 30 : 65 : 5 338
  • Die Gitterparameter der einzelnen Dünnschichteinheiten, welche die mehrlagige Dünnschicht bilden, können unter Verwendung einer Röntgenbeugungsanalyse nach dem Bilden der einlagigen Dünnschicht ermittelt werden, doch wurden die Gitterparameter der einzelnen Dünnschichteinheiten in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Atomradius, Ionenradius und Kovalenzradius bestimmt, die aus vorhandenen Experimenten und Theorien stammten. Speziell der Gitterparameter wurde durch quantitative Anwendung des Kovalenzradius auf eine B1 HCP-Struktur entsprechend dem Atomverhältnis berechnet.
  • Wie in 3 dargestellt, neigt der Gitterparameter im Fall der (Ti1-xAlx)N-basierten Dünnschicht dazu, mit zunehmendem Aluminiumgehalt annähernd linear abzunehmen, so dass der Gitterparameter der (Ti1-xAlx)N-basierten Dünnschicht durch die Gleichung 1 unten erhalten werden kann. Gitterparameter : a = 4,24 Å − 0,125 × Å ( x ist ein Molverh a ¨ ltnis von Aluminium )
    Figure DE112013006240B4_0005
  • Beispiel 1
  • In Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung wurde die Herstellung einer TiAlN-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Herstellung einer TiAlN- basierten mehrlagigen Dünnschicht nach einem konventionellen Verfahren verglichen.
  • Die Stapelstrukturen und Zusammensetzungen der mehrlagigen Dünnschicht wurden festgelegt, wie in Tabelle 2 unten dargestellt. Eine Dünnschicht, bestehend aus vier Dünnschichteinheiten, wurde insgesamt 180-mal wiederholt gestapelt, so dass eine durchschnittliche Gitterperiode 5 bis 10 nm betrug und die elastische Periode 10 bis 20 nm betrug, und so eine mehrlagige Dünnschicht mit einer endgültigen Schichtdicke von 2,6 bis 3,2 µm erhalten wurde. In diesem Fall wurde A30 (Modell Nr. SPKN1504EDSR), bei dem es sich um ein P30-Material handelt, das bei Korloy erhältlich ist, als ein Substrat verwendet, auf das die mehrlagige Dünnschicht aufgebracht wurde. Tabelle 2
    Dünnschicht Ziel A B C D Anmerkung
    1-1 Zusammensetzung Ti:Al=50:50 Ti:Al=75:25 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Beispiel
    Gitterparameter 423 442,5 409,7 442,5
    Elastizitätsmodul 430 422 398 422
    1-2 Zusammensetzung Ti:Al=33:67 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Ti:Al=75:25 Vergleichsbeispiel
    Gitterparameter 409,7 409,7 442,5 442,5
    Elastizitätsmodul 398 398 422 422
    1-3 Zusammensetzung Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Vergleichsbeispiel
    Gitterparameter 409,7 442,5 409,7 442,5
    Elastizitätsmodul 398 422 398 422
    1-4 Zusammensetzung Ti:Al=33:67 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 Vergleichsbeispiel
    Gitterparameter 409,7 409,7 423 423
    Elastizitätsmodul 398 398 430 430
    1-5 Zusammensetzung Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Vergleichsbeispiel
    Gitterparameter 409,7 423 409,7 423
    Elastizitätsmodul 398 430 398 430
  • In Tab. 2 lautet die Einheit des Gitterparameters Å und die Einheit des Elastizitätsmoduls ist GPa.
  • Für die Evaluation der Schneidleistung der wie oben aufgebrachten mehrlagigen Dünnschicht wurde SKD11 (Breite: 100 mm, Länge: 300 mm) als Werkstück verwendet, und die Zerspanung erfolgte unter trockenen Bedingungen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 250 m/Min., einem Vorschub pro Zahn von 0,2 mm/Zahn und einem Vorschub von 2 mm. Die Schneidleistung wurde durch Vergleichen des Verschleißes nach dem Zerspanen von 900 mm evaluiert. Die Ergebnisse sind in 4 aufgeführt.
  • Wie in 4 zu sehen, entwickelt sich der Verschleiß während des Zerspanens des SKD11 vorwiegend als Kolkverschleiß, und es kann bestätigt werden, dass die Kolkverschleiß-Eigenschaften in Beispiel 1-1 im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1-2 bis 1-5 verbessert sind.
  • Beispiel 2
  • In Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung wurde die Herstellung einer AlCr-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Herstellung einer AlCr-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach einem konventionellen Verfahren verglichen.
  • Die Stapelstrukturen und Zusammensetzungen der mehrlagigen Dünnschicht wurden festgelegt, wie in Tabelle 3 unten dargestellt. Eine Dünnschicht, bestehend aus vier Dünnschichteinheiten, wurde insgesamt 180-mal wiederholt gestapelt, so dass eine durchschnittliche Gitterperiode 5 bis 10 nm betrug und die elastische Periode 10 bis 20 nm betrug, und so eine mehrlagige Dünnschicht mit einer endgültigen Schichtdicke von 2,3 bis 2,6 µm erhalten wurde. In diesem Fall wurde ein K44UF-Material (Modell Nr. BE2060), erhältlich bei KFC Co., als Substrat verwendet, auf das die mehrlagige Dünnschicht aufgebracht wurde. Tabelle 3
    Dünnschicht Betrachtungseinheit A B C D Anmerkung
    2-1 Zusammensetzung Cr:Al:Si= 30:65:5 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Beispiel
    Gitterparameter 393,8 402 382,7 402
    Elastizitätsmodul 338 367 403 367
    2-2 Zusammensetzung Cr=99,9 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Beispiel
    Gitterparameter 420 382,7 402 382,7
    Elastizitätsmodul 475 403 367 403
    2-3 Zusammensetzung Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Vergleichsbeispiel
    Gitterparameter 382,7 402 382,7 402
    Elastizitätsmodul 403 367 403 367
  • In Tab. 3 lautet die Einheit des Gitterparameters Å und die Einheit des Elastizitätsmoduls ist GPa.
  • Für die Evaluation der Schneidleistung der wie oben aufgebrachten mehrlagigen Dünnschicht wurde SM45C (Breite: 90 mm, Länge: 300 mm) als Werkstück verwendet, und die Zerspanung erfolgte unter trockenen Bedingungen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 250 m/Min., einem Vorschub pro Zahn von 0,2 mm/Zahn und einem Vorschub von 2 mm. Der Verschleiß wurde nach dem Zerspanen von 12.000 Millimetern verglichen. Die Ergebnisse sind in 5 zu sehen.
  • Wie in 5 zu erkennen, zeigen die Beispiele 2-1 und 2-2 der vorliegenden Erfindung bessere Kolkverschleiß-Eigenschaften und Freiflächenverschleiß-Eigenschaften als das Vergleichsbeispiel 2-3.
  • Das heißt, dass eine mehrlagige Übergitter-Dünnschicht, die solcherart gestapelt wird, dass die elastische Periode und die Gitterperiode gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, bessere Verschleißeigenschaften gegenüber anderen Fällen aufweist.

Claims (5)

  1. Mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der Dünnschichteinheiten, die jeweils aus Dünnschichten A, B, C und D gebildet sind, mehr als einmal gestapelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizitätsmodule k der Dünnschichten A, B, C und D folgende Bedingungen erfüllen: k A > k B  und k D > k C ,
    Figure DE112013006240B4_0006
    oder k C > k B  und k D > k A ,
    Figure DE112013006240B4_0007
    die Gitterparameter L der Dünnschichten folgende Bedingungen erfüllen: L A , L C > L B , L D ,
    Figure DE112013006240B4_0008
    oder L B , L D > L A , L C ,
    Figure DE112013006240B4_0009
    eine Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Gitterparameters L 20 % oder weniger beträgt, und eine durchschnittliche Gitterparameterperiode λL der mehrlagigen Dünnschicht die Hälfte einer durchschnittlichen Elastizitätsmodulperiode λk davon beträgt.
  2. Mehrlagige Dünnschicht nach Anspruch 1, wobei die Dünnschichteinheit eine Dicke von 4 bis 50 nm aufweist.
  3. Mehrlagige Dünnschicht nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dünnschichten B und D aus demselben Material bestehen.
  4. Mehrlagige Dünnschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehrlagige Dünnschicht eine TiAlN-basierte Dünnschicht oder eine AlCrN-basierte Dünnschicht ist.
  5. Schneidwerkzeug, das mit der mehrlagigen Dünnschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4 beschichtet ist.
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