DE112014001619B4

DE112014001619B4 - Hartstoff-Schichtsystem mit hervorragender Verschleißbeständigkeit

Info

Publication number: DE112014001619B4
Application number: DE112014001619.5T
Authority: DE
Inventors: Kenji Yamamoto; Maiko ABE; Mamoru Hosokawa
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: US20150368787A1; JP2014208903A; US9670575B2; WO2014156739A1; KR101702255B1; KR20150121118A; DE112014001619T5; JP6273161B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist ein laminierter Beschichtungsfilm, bei dem mindestens einer von jedem des Beschichtungsfilms (Q) und des Beschichtungsfilms (R), die nachstehend genannt sind, abwechselnd auf einem Substrat laminiert sind. [Beschichtungsfilm Q] Mindestens ein Beschichtungsfilm, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einem Beschichtungsfilm, der die Zusammensetzungsformel TiBCNaufweist, wobei die Atomverhältnisse von jedem Element 0,2 ≤ a ≤ 0,7, 0 ≤ b ≤ 0,35 und 0 ≤ c ≤ 0,35 sind, einem Beschichtungsfilm, der die Zusammensetzungsformel SiCNaufweist, wobei die Atomverhältnisse von jedem Element 0,2 ≤ d ≤ 0,50 und 0 ≤ e ≤ 0,3 sind, und einem Beschichtungsfilm, der die Zusammensetzungsformel BCNaufweist, wobei die Atomverhältnisse von jedem Element 0,03 ≤ f ≤ 0,25 und 0 ≤ g ≤ 0,5 sind. [Beschichtungsfilm R] Ein Beschichtungsfilm, der die Zusammensetzungsformel L(BCN) aufweist (wobei L mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo und V, ausgewählt ist) und wobei die Atomverhältnisse von jedem Element 0 ≤ x ≤ 0,15 und 0 ≤ y ≤ 0,5 sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartstoff-Schichtsystem, das eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist. Beispielsweise betrifft die vorliegende Erfindung ein Hartstoff-Schichtsystem, das eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und die auf einer Oberfläche eines Werkzeugs, wie z.B. eines Schneidwerkzeugs und einer Matrize oder einer Pressform oder einem Gesenk, ausgebildet ist.
Zum Zweck der Erhöhung der Standzeit von Werkzeugen, wie z.B. von Schneidwerkzeugen und Matrizen oder Pressformen oder Gesenken, wurde die Verschleißbeständigkeit der Werkzeuge herkömmlich derart verbessert, dass Oberflächen der Werkzeuge mit einer harten Beschichtung aus z.B. TiN, TiCN oder TiAIN beschichtet wurden.
In den vergangenen Jahren wurden z.B. laminierte Strukturen, wie sie in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben sind, als Beschichtungen vorgeschlagen, die auf Schneidwerkzeugoberflächen ausgebildet sind. Insbesondere offenbaren die Patentdokumente 1 und 2 jeweils eine laminierte Beschichtung, die so aufgebaut sind, dass zwei oder mehr Beschichtungen A, die aus einer festen Lösung von Mo und N, Mo₂N, MoN oder einem Gemisch davon hergestellt sind, und zwei oder mehr Beschichtungen B, die aus Ti_1-x-yAl_xSi_yN hergestellt sind, abwechselnd aufeinander laminiert sind. In einer solchen laminierten Beschichtung sind die Schichtdicke jeder der Beschichtungen A, B, das Dickenverhältnis zwischen den Beschichtungen A, B und die Gradientenstruktur des Schichtdickenverhältnisses in dem Querschnitt der Beschichtung entlang einer Laminierrichtung festgelegt. Darüber hinaus weisen in dieser laminierten Beschichtung die Beschichtungen A ein Schmiervermögen und eine Aufschweißbeständigkeit auf, wodurch sie die Qualität der Verarbeitung eines spanabhebend zu verarbeitenden Materials effektiv verbessern und die Temperatur einer Schneidkante bei einer Trockenbearbeitung mit hoher Drehzahl effektiv vermindern. Die Beschichtungen B weisen eine hervorragende Ausgewogenheit zwischen einer Verschleißbeständigkeit und einer Zähigkeit auf. Da jedoch z.B. für Schneidwerkzeuge eine noch bessere Verschleißbeständigkeit erforderlich ist, sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Patentdokumente 3 bis 5 beschreiben Hartstoff-Schichtsysteme. Patentdokument 6 beschreibt eine Hartbeschichtung. Patentdokument 7 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung mehrlagig beschichteter Hartmetallteile. Patentdokument 8 offenbart ein mehrlagig beschichtetes Schneidwerkzeug.

Patentdokument 1: JP 2011-093008 A
Patentdokument 2: JP 2011-093009 A
Patentdokument 3: DE 10 2005 004 402 A1
Patentdokument 4: DE 10 2005 063 421 B4
Patentdokument 5: DE 10 2007 035 118 A1
Patentdokument 6: DE 10 2008 045 269 A1
Patentdokument 7: EP 0 306 077 B1
Patentdokument 8: EP 1 174 528 B1

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Situation gemacht und die vorliegende Erfindung soll ein Hartstoff-Schichtsystem realisieren, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und die auf einer Oberfläche eines Werkzeugs, wie z.B. eines Schneidwerkzeugs und einer Matrize oder einer Pressform oder einem Gesenk, ausgebildet ist, so dass die Verschleißbeständigkeit des Schneidwerkzeugs ausreichend verbessert werden kann.
Das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung, welches das vorstehend beschriebene Problem lösen kann, ist ein Hartstoff-Schichtsystem, das auf einem Substrat ausgebildet ist und das mindestens eine Beschichtung Q und mindestens eine Beschichtung R umfasst, wobei die Beschichtungen Q, R abwechselnd aufeinander abgeschieden sind, so dass eine hervorragende Verschleißbeständigkeit des Hartstoff-Schichtsystems erzeugt wird.
Die Beschichtung Q ist mindestens eine Beschichtung, die aus der Gruppe, bestehend aus einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Ti_1-a-b-cB_aC_bN_c aufweist und 0,2 ≤ a ≤ 0,7, 0 ≤ b ≤ 0,35 und 0 ≤ c ≤ 0,35 genügt, wobei a, b und c Atomverhältnisse von B, C und N angeben, einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Si_1-d-eC_dN_e aufweist und 0,2 ≤ d ≤ 0,50 und 0≤ e ≤ 0,3 genügt, wobei d und e Atomverhältnisse von C und N angeben, und einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel B_1-f-gC_fN_g aufweist und 0,03 ≤ f ≤ 0,25 und 0 ≤ g ≤ 0,5 genügt, wobei f und g Atomverhältnisse von C und N angeben, ausgewählt ist.
Die Beschichtung R ist eine Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel L(B_xC_yN_1-x-y) aufweist und 0 ≤ x ≤ 0,15 und 0 ≤ y ≤ 0,5 genügt, wobei L mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo und V, ausgewählt ist, und x und y Atomverhältnisse von B und C angeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R gleich oder größer als 2 nm.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R gleich oder kleiner als 100 nm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Hartstoff-Schichtsystem realisiert werden, das eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist. Darüber hinaus kann mit diesem Hartstoff-Schichtsystem, das auf einer Oberfläche (welche die „äußerste Oberfläche“ angibt, das Gleiche gilt nachstehend) eines Werkzeugs (insbesondere eines Werkzeugs, das zum Stanzen in einer nassen Umgebung verwendet wird), wie z.B. eines Schneidwerkzeugs und einer Matrize oder einer Pressform oder einem Gesenk, ausgebildet ist, die Verschleißbeständigkeit z.B. des Schneidwerkzeugs verbessert werden. Als Ergebnis kann die Standzeit des Schneidwerkzeugs erhöht werden.
Zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung intensive Untersuchungen von harten Beschichtungen durchgeführt, die auf Oberflächen von Werkzeugen, wie z.B. Schneidwerkzeugen und Matrizen oder Pressformen oder Gesenken, ausgebildet sind. Insbesondere wurde die vorliegende Erfindung auf der Basis des folgenden Konzepts gemacht. D.h., TiB₂, SiC, B₄C oder eine Verbindung wie z.B. TiBN, TiBC, SiCN und BCN, die durch Zusetzen von C oder N zu TiB₂, SiC oder B₄C erhalten wird, ist eine harte Verbindung, weist jedoch einen hohen Reibungskoeffizienten in Bezug auf ein Metallmaterial auf. Folglich wird in dem Fall, bei dem nur eine Beschichtung, die aus der vorstehend beschriebenen harten Verbindung hergestellt ist, auf der äußersten Oberfläche des vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeugs oder dergleichen ausgebildet ist, aufgrund des Gleitens beim Schneidvorgang Reibungswärme erzeugt, und ein Substrat wird aufgrund eines Temperaturanstiegs weich gemacht. Dies führt zu einem Problem dahingehend, dass eine Beschädigung der Beschichtung aufgrund des Weichwerdens des Substrats verstärkt wird. Aus diesem Grund wurde auf der Basis des Konzepts, dass eine Beschichtung, die aus der vorstehend beschriebenen harten Verbindung hergestellt ist, und eine Verbindungsschicht, die ein Schmiervermögen aufweist, aufeinander abgeschieden werden, so dass eine Beschichtung mit einer hervorragenden Verschleißbeständigkeit gebildet wird, ein Hartstoff-Schichtsystem gefunden, in dem mindestens eine Beschichtung Q und mindestens eine Beschichtung R, die später beschrieben werden, abwechselnd aufeinander abgeschieden sind. Als Ergebnis wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
[Beschichtung Q]
Mindestens eine Beschichtung, die aus der Gruppe, bestehend aus
einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Ti_1-a-b-cB_aC_bN_c aufweist (wobei „a“, „b“ und „c“ die Atomverhältnisse von „B“, „C“ und „N“ angeben) und 0,2 ≤ a ≤ 0,7, 0 ≤ b ≤ 0,35 und 0 ≤ c ≤ 0,35 genügt,
einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Si_1-d-eC_dN_e aufweist (wobei „d“ und „e“ die Atomverhältnisse von „C“ und „N“ angeben) und 0,2 ≤ d ≤ 0,50 und 0 ≤ e ≤ 0,3 genügt, und
einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel B_1-f-gC_fN_g aufweist (wobei „f“ und „g“ die Atomverhältnisse von „C“ und „N“ angeben) und 0,03 ≤ f ≤ 0,25 und 0 ≤ g ≤ 0,5 genügt, ausgewählt ist.
[Beschichtung R]
Eine Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel L(B_xC_yN_1-x-y) aufweist (wobei „L“ mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo und V, ausgewählt ist, und „x“ und „y“ Atomverhältnisse von „B“ und „C“ angeben) und 0 ≤ x ≤ 0,15 und 0 ≤ y ≤ 0,5 genügt.
Die Gründe für das Festlegen jeder Beschichtung werden nachstehend beschrieben.
[Beschichtung Q]
Beispiele für die Beschichtung Q umfassen eine Beschichtung (eine Beschichtung Q1), welche die Zusammensetzungsformel Ti_1-a-b-cB_aC_bN_c aufweist. Die Beschichtung Q1 kann eine Beschichtung sein, die ferner C und N zusätzlich zu TiB₂ (Ti_0,33B_0,67) enthält, die eine Ti-N-Bindung, eine Ti-C-Bindung oder eine B-C-Bindung aufweist, die eine große Härte aufweist, oder eine B-N-Bindung aufweist, die ein Schmiervermögen aufweist, und die eine bessere Verschleißbeständigkeit aufweist. Wenn C und N enthalten sind, ist der C-Gehalt (b) vorzugsweise gleich oder größer als 0,05, mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,10 und noch mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,15. Darüber hinaus ist der N-Gehalt (c) vorzugsweise gleich oder größer als 0,05 und mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,10. Ein übermäßiger C-Gehalt und ein übermäßiger N-Gehalt führen jedoch zu einer Verminderung der Härte, d.h., zu einer Verminderung der Verschleißbeständigkeit. Aus diesem Grund betragen die Obergrenzen des C-Gehalts und des N-Gehalts 0,35. Die Obergrenze des C-Gehalts ist vorzugsweise gleich oder weniger als 0,20. Die Obergrenze des N-Gehalts ist vorzugsweise gleich oder weniger als 0,15.
Unter Berücksichtigung des Sicherstellens einer großen Härte ist der B-Gehalt (a) in der Beschichtung Q1 gleich oder größer als 0,2 und vorzugsweise gleich oder größer als 0,30. Es sollte beachtet werden, dass die Obergrenze des B-Gehalts unter Berücksichtigung des Falls von TiB₂ (in dem Fall, bei dem sie C und N nicht enthält) 0,7 beträgt. In dem Fall, bei dem sie C und/oder N enthält, kann der B-Gehalt gleich oder weniger als 0,60 und vorzugsweise gleich oder weniger als 0,50 sein.
Der Ti-Gehalt (1-a-b-c) in der Beschichtung Q1 wird abhängig von den Gehalten anderer Elemente festgelegt. Die Untergrenze des Ti-Gehalts kann z.B. gleich oder größer als 0,30 und vorzugsweise gleich oder größer als 0,40 sein. Darüber hinaus kann die Obergrenze des Ti-Gehalts z.B. gleich oder weniger als 0,50 und vorzugsweise gleich oder weniger als 0,45 sein.
Die Beschichtung Q kann eine Beschichtung (eine Beschichtung Q2) sein, welche die Zusammensetzungsformel Si_1-d-eC_dN_e aufweist. Die Beschichtung Q2 kann eine Beschichtung sein, die zusätzlich zu SiC (Si_0,50C_0,50) N enthält. N kann zum Erhöhen des Schmiervermögens enthalten sein. Zum Erhalten einer solchen Wirkung, die durch N erzeugt wird, ist der N-Gehalt (e) vorzugsweise gleich oder größer als 0,05. Ein übermäßiger N-Gehalt führt jedoch zu einer Verminderung der Härte. Aus diesem Grund ist die Obergrenze des N-Gehalts 0,3. Der N-Gehalt ist vorzugsweise gleich oder weniger als 0,1.
Unter Berücksichtigung des Sicherstellens einer großen Härte ist der C-Gehalt (d) in der Beschichtung Q2 gleich oder größer als 0,2 und vorzugsweise gleich oder größer als 0,30. Es sollte beachtet werden, dass die Obergrenze des C-Gehalts unter Berücksichtigung von SiC 0,50 beträgt. Wenn N enthalten ist, kann der C-Gehalt gleich oder weniger als 0,40 sein.
Der Si-Gehalt (1-d-e) in der Beschichtung Q2 wird abhängig von den Gehalten anderer Elemente (C, N) festgelegt. Der Si-Gehalt kann in einem Bereich von etwa 0,3 bis 0,6 liegen.
Die Beschichtung Q kann eine Beschichtung (eine Beschichtung Q3) sein, welche die Zusammensetzungsformel B_1-f-gC_fN_g aufweist. Die Beschichtung Q3 kann eine Beschichtung sein, die zusätzlich zu B₄C (B_0,80C_0,20) N enthält. N kann zum Erzeugen einer B-N-Bindung enthalten sein, die ein Schmiervermögen aufweist. Zum Erhalten einer solchen Wirkung, die durch N erzeugt wird, ist der N-Gehalt (g) vorzugsweise gleich oder größer als 0,10 und mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,15. Ein übermäßiger N-Gehalt führt jedoch zu einer Verminderung der Härte. Aus diesem Grund ist die Obergrenze des N-Gehalts 0,5. Der N-Gehalt ist vorzugsweise gleich oder weniger als 0,4.
Unter Berücksichtigung des Sicherstellens einer großen Härte ist der C-Gehalt (f) in der Beschichtung Q3 gleich oder größer als 0,03, vorzugsweise gleich oder größer als 0,04, mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,08 und insbesondere gleich oder größer als 0,10. Es sollte beachtet werden, dass die Obergrenze des C-Gehalts unter Berücksichtigung von B₄C 0,25 beträgt. Wenn N enthalten ist, kann der C-Gehalt gleich oder weniger als 0,20 und vorzugsweise gleich oder weniger als 0,16 sein.
Der B-Gehalt (1-f-g) in der Beschichtung Q3 wird abhängig von den Gehalten anderer Elemente (C, N) festgelegt. Der B-Gehalt kann in einem Bereich von etwa 0,50 bis 0,80 liegen.
Die Beschichtung Q kann mindestens eine Beschichtung sein, die aus der Gruppe, bestehend aus den Beschichtungen Q1, Q2, Q3, ausgewählt ist. Jede der Beschichtungen Q1, Q2, Q3, welche die Beschichtung Q bilden, kann so ausgebildet sein, dass zwei oder mehr Beschichtungen, die verschiedene Zusammensetzungen innerhalb der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungsbereiche aufweisen, aufeinander abgeschieden sind.
[Beschichtung R]
Die Beschichtung R enthält L (nachstehend als „Element L“ bezeichnet), das beim Gleiten ein schmierendes Oxid bildet und enthält insbesondere mindestens ein Element, das aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo und V, ausgewählt ist. Da V bei der niedrigsten Temperatur ein schmierendes Oxid bildet, ist V als Element L bevorzugt.
Die Beschichtung R kann zusätzlich zu einem Nitrid des Elements L ferner aus einer Verbindung hergestellt sein, die B und/oder C enthält. B und/oder C kann oder können enthalten sein, um die Härte weiter zu erhöhen. Um eine solche Wirkung zu erhalten, ist der B-Gehalt (x) in dem Fall, bei dem B enthalten ist, vorzugsweise gleich oder größer als 0,05. Ein übermäßiger B-Gehalt führt jedoch zu einer Verminderung der Härte. Aus diesem Grund ist der B-Gehalt gleich oder weniger als 0,15 und vorzugsweise gleich oder weniger als 0,10. Wenn C enthalten ist, ist der C-Gehalt (y) vorzugsweise gleich oder größer als 0,15 und mehr bevorzugt gleich oder größer als 0,20. Ein übermäßiger C-Gehalt führt jedoch zu einer Verminderung der Härte. Aus diesem Grund ist der C-Gehalt gleich oder weniger als 0,5 und vorzugsweise gleich oder weniger als 0,25.
Die Beschichtung R kann eine Beschichtung sein, die so ausgebildet ist, dass zwei oder mehr Beschichtungen, die verschiedene Zusammensetzungen innerhalb der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungsbereiche aufweisen, aufeinander abgeschieden sind.
[Dicke der Beschichtung]
Zum Erzeugen jeder Funktion der Beschichtungen Q, R ist es erforderlich, dass jede Beschichtung eine Dicke von gleich oder größer als ein bestimmter Wert aufweist und sich in einem unabhängig abgeschiedenen Zustand befindet. Der „unabhängig abgeschiedene Zustand“ gibt einen Zustand an, bei dem jede Beschichtung eine Dicke von gleich oder größer als ein bestimmter Wert aufweist. Bei der Bildung eines Mehrschichtsystems gibt es eine Tendenz dahingehend, dass eine geringe Schichtdicke jeder Schicht zu einem Mischen der Zusammensetzungen der Beschichtungen führt. Folglich ist die Zusammensetzung jeder Schicht über eine solche Schicht nicht konstant, solange jede Schicht nicht mit einer gewissen Dicke ausgebildet ist. Aus diesem Grund ist die Schichtdicke (in der vorliegenden Erfindung gibt die „Schichtdicke“ die Schichtdicke (Dicke) einer einzelnen Schicht an und unterscheidet sich von der Gesamschichtdicke (Gesamtdicke) des Hartstoff-Schichtsystems) jeder der Beschichtungen Q, R vorzugsweise gleich oder größer als 2 nm, mehr bevorzugt gleich oder größer als 5 nm und insbesondere gleich oder größer als 10 nm. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Gesamtschichtdicke des Hartstoff-Schichtsystems 3 µm beträgt, kann in diesem Fall das Hartstoff-Schichtsystem so ausgebildet werden, dass es eine Doppelschichtstruktur aus der Beschichtung Q mit einer Schichtdicke von 1500 nm und der Beschichtung R mit einer Schichtdicke von 1500 nm aufweist. Um jedoch einen maximalen Härteverstärkungseffekt der Beschichtung Q und einen maximalen Schmiereffekt der Beschichtung R zu erzeugen, weist das Hartstoff-Schichtsystem vorzugsweise eine Struktur auf, bei der zwei oder mehr Beschichtungen Q und zwei oder mehr Beschichtungen R abwechselnd aufeinander abgeschieden sind. Diesbezüglich ist die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R vorzugsweise gleich oder weniger als 100 nm. Die Obergrenze einer solchen Schichtdicke ist mehr bevorzugt gleich oder weniger als 50 nm und noch mehr bevorzugt gleich oder weniger als 30 nm.
Die Schichtdicken der Beschichtungen Q, R sind nicht notwendigerweise gleich und können gemäß der vorgesehenen Verwendung verändert werden. Beispielsweise kann die Schichtdicke der Beschichtung Q festgelegt sein (z.B. 20 nm) und die Schichtdicke der Beschichtung R kann zwischen 2 bis 100 nm variieren.
Bei einer extrem geringen Gesamtschichtdicke (die Gesamtdicke der Beschichtungen Q, R) des Hartstoff-Schichtsystems ist es schwierig, eine hervorragende Verschleißbeständigkeit ausreichend zu erzeugen. Aus diesem Grund ist die Gesamtschichtdicke vorzugsweise gleich oder größer als 1 µm und mehr bevorzugt gleich oder größer als 2 µm. Andererseits kann aufgrund einer extrem großen Gesamtschichtdicke des Hartstoff-Schichtsystems ein Bruch oder ein Ablösen der Schichten beim Zerspanen leicht auftreten. Aus diesem Grund ist die Gesamtschichtdicke vorzugsweise gleich oder weniger als 5 µm und mehr bevorzugt gleich oder weniger als 4 µm.
[Verfahren zur Bildung eines Hartstoff-Schichtsystems]
In der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Bildung des vorstehend beschriebenen Hartstoff-Schichtsystems nicht festgelegt und solche Hartstoff-Schichtsysteme können unter Verwendung von bekannten Verfahren wie z.B. einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden. Unter Berücksichtigung z.B. des Sicherstellens eines Haftvermögens an dem Substrat wird das Hartstoff-Schichtsystem vorzugsweise unter Verwendung einer PVD erzeugt. Insbesondere umfassen Beispiele ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren und ein Ionenplattierungsverfahren.
Beispiele für das Verfahren zur Bildung der Beschichtung Q umfassen ein Verfahren zur Bildung der Beschichtung Q unter Verwendung eines Targets, das Komponenten (Ti, Si und B), die von C und N verschieden sind, enthält, welche die Beschichtung Q bilden, als Verdampfungsquelle (ein Target) und unter Verwendung von Stickstoffgas oder eines Kohlenwasserstoffgases (z.B. Methan und Acetylen) als Atmosphärengas (reaktives Gas). Alternativ kann die Beschichtung Q unter Verwendung eines Targets (Nitrid, Carbonitrid, Carbid, Borcarbid, Bornitrid oder Borcarbonitrid) gebildet werden, das aus der Verbindung hergestellt ist, welche die Elemente enthält, welche die Beschichtung Q bilden.
Beispiele für das Verfahren zur Bildung der Beschichtung R umfassen ein Verfahren zur Bildung der Beschichtung R unter Verwendung eines Targets, das aus dem Element L ausgebildet ist (in dem Fall des Bildens einer Beschichtung, die B enthält, enthält das Target ferner B), als Verdampfungsquelle (ein Target) und unter Verwendung von Stickstoffgas oder eines Kohlenwasserstoffgases (z.B. Methan und Acetylen) als Atmosphärengas (reaktives Gas). Alternativ kann die Beschichtung R unter Verwendung eines Targets (Nitrid, Carbonitrid, Carbid, Borcarbid, Bornitrid oder Borcarbonitrid) gebildet werden, das aus der Verbindung hergestellt ist, welche die Elemente enthält, welche die Beschichtung R bilden. In dem Fall der Verwendung des vorstehend beschriebenen reaktiven Gases (Stickstoff oder Kohlenwasserstoffgas) kann zusätzlich zu dem reaktiven Gas ein Edelgas, wie z.B. Ar, Ne oder Xe, für eine Entladungsstabilität zugesetzt werden.
Beispielsweise kann ein Schichtabscheidungssystem, das in der 1 von JP 2008 - 024976 A gezeigt ist und zwei Lichtbogenverdampfungsquellen und zwei Sputterverdampfungsquellen umfasst, als System zur Herstellung des Hartstoff-Schichtsystems verwendet werden. Beispiele für das Schichtabscheidungsverfahren, bei dem das Schichtabscheidungssystem verwendet wird, umfassen das folgende Verfahren. Das Target für die Bildung der Beschichtung Q wird an einer der zwei Sputterverdampfungsquellen angebracht und das Target zur Bildung der Beschichtung R wird an der anderen Sputterverdampfungsquelle angebracht. Dann werden die Targets abwechselnd einer Entladung unterzogen, wodurch das Hartstoff-Schichtsystem aus den Beschichtungen Q, R durch das Sputterverfahren gebildet wird. Es sollte beachtet werden, dass eine der Beschichtungen Q, R durch das Ionenplattierungsverfahren gebildet werden kann und die andere der Beschichtungen Q, R durch das Sputterverfahren gebildet werden kann.
Bevorzugte Schichtabscheidungsbedingungen in dem Fall des Bildens der Beschichtung Q und/oder der Beschichtung R durch das Sputterverfahren werden nachstehend beschrieben.
Als erstes kann die Temperatur des Substrats (eines Verarbeitungstargets) bei der Schichtabscheidung gemäß der Art des Substrats optional ausgewählt werden. Unter Berücksichtigung des Sicherstellens eines Haftvermögens zwischen dem Substrat und dem Hartstoff-Schichtsystem ist die Temperatur vorzugsweise gleich oder höher als 300 °C und mehr bevorzugt gleich oder höher als 400 °C. Andererseits ist die Temperatur des Substrats unter Berücksichtigung z.B. des Verhinderns eines Verformens des Substrats vorzugsweise gleich oder niedriger als 700 °C und mehr bevorzugt gleich oder niedriger als 600 °C.
Eine Vorspannung, die an das Substrat (das Verarbeitungstarget) bei der Schichtabscheidung angelegt wird, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 30 bis 200 V (eine negative Vorspannung, die das negative Potenzial des Substrats bezogen auf das Erdpotenzial bereitstellt, das Gleiche gilt nachstehend). Es wird davon ausgegangen, dass die Vorspannung an das Substrat angelegt wird, um das Substrat (das Verarbeitungstarget) effektiv einem Ionenbombardement auszusetzen, und daher wird die Bildung einer Schicht mit einer Steinsalzstruktur gefördert. Zur Erzeugung eines solchen Effekts ist die vorstehend beschriebene Vorspannung vorzugsweise gleich oder höher als 30 V. Wenn die Vorspannung jedoch zu hoch ist, wird die Schicht mit ionisiertem Gas zur Schichtabscheidung geätzt, was zu einer extrem geringen Schichtabscheidungsgeschwindigkeit führt. Aus diesem Grund ist die Vorspannung vorzugsweise gleich oder niedriger als 200 V.
Ferner liegt in der vorliegenden Erfindung der Partialdruck oder Gesamtdruck des reaktiven Gases bei der Schichtabscheidung vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,6 Pa. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn der Partial- oder Gesamtdruck weniger als 0,1 Pa beträgt, die Menge von Stickstoff in der gebildeten Beschichtung unzureichend ist und die Beschichtung nicht mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung gebildet wird.
Das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise auf einer Oberfläche eines Werkzeugs ausgebildet, wodurch deren vorteilhafte Wirkungen in ausreichender Weise erzeugt werden. Beispiele für das Werkzeug umfassen Schneidwerkzeuge, wie z.B. Einsätze, Bohrer und Schaftfräser, verschiedene Arten von Matrizen für eine Schmiedeverarbeitung, zum Formpressen, zum Extrudieren, zum Scheren, usw., und Werkzeuge, wie z.B. Stanzwerkzeuge. Insbesondere ist das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung für Werkzeuge nützlich, die zum Zerspanen in einer nassen Umgebung verwendet werden. Insbesondere ist das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung für Bohrer geeignet, die in erster Linie für eine Nassbearbeitung verwendet werden.
Das Substrat, auf dem das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung gebildet wird, wird gemäß den vorstehend beschriebenen Arten von Werkzeugen optional festgelegt. Beispiele für das Substrat umfassen Substrate, die aus Metallmaterialien hergestellt sind, wie z.B. verschiedene Arten von Stahl und Hartmetallen, wobei die Stähle z.B. Kohlenstoffstähle für mechanische Strukturen, legierte Stähle für Strukturen, Werkzeugstähle und rostfreie Stähle umfassen. Darüber hinaus umfassen Beispiele für das Substrat ferner ein Substrat, das derart aufgebaut ist, dass z.B. eine plattierte Schicht oder eine aufgespritzte Schicht als eine Zwischenschicht auf einer Oberfläche des Metallmaterials ausgebildet ist.
Eine Basisschicht aus z.B. TiAIN, TiN oder CrN kann zwischen dem Substrat und dem Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein.
[Beispiele]
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele spezifischer beschrieben, ist jedoch nicht auf die später beschriebenen Beispiele beschränkt.
[Erstes Beispiel]
In einem ersten Beispiel wurde ein Hartstoff-Schichtsystem (die Dicken der Beschichtungen Q, R sind gleich) gebildet, welche die Beschichtungen Q, R umfasst, deren Zusammensetzungen verschieden sind. Es wurde eine Untersuchung bezüglich des Einflusses jeder Zusammensetzung auf die Verschleißbeständigkeit durchgeführt.
Ein Hartstoff-Schichtsystem wurde unter Verwendung eines Schichtabscheidungssystems, das eine Mehrzahl von Verdampfungsquellen umfasst, derart ausgebildet, dass Beschichtungen Q, R mit den in der Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen abwechselnd aufeinander abgeschieden worden sind. Die Details sind wie folgt. Ein Schneidwerkzeug (ein Carbidbohrer mit zwei Schneiden und φ 8,5 mm, der für einen Zerspanungstest verwendet wurde) wurde als Substrat vorbereitet. Dieses Substrat wurde einer Ultraschallentfettung und einem Reinigen in Ethanol unterzogen und wurde dann in das Schichtabscheidungssystem eingebracht. Nachdem die Luft bis 5 × 10^-3 Pa entfernt worden ist, wurde das Substrat auf 500 °C erwärmt. Anschließend wurde ein Ätzen mit Ar-Ionen für fünf Minuten durchgeführt. Dann wurde ein Hartstoff-Schichtsystem (die Gesamtschichtdicke der Beschichtungen Q, R beträgt etwa 3 µm (etwa 3000 nm)) auf dem Substrat ausgebildet, wie es nachstehend spezifisch beschrieben ist.
Ein Target, das aus Komponenten (Ti, Si, B) neben C und N ausgebildet ist, welche die Beschichtung Q bilden, die in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde als Target zur Bildung der Beschichtung Q verwendet. Wenn N in der Beschichtung Q enthalten ist, wurde Stickstoffgas als Atmosphärengas bei der Bildung der Beschichtung Q verwendet, und wenn C in der Beschichtung Q enthalten ist, wurde ein Kohlenwasserstoffgas als Atmosphärengas bei der Bildung der Beschichtung Q verwendet (gegebenenfalls wurde ferner Ar-Gas verwendet). Wenn N und C nicht in der Beschichtung Q enthalten sind, wurde nur Ar-Gas verwendet.
Ein Target (das ferner B enthält, wenn B in der Beschichtung R enthalten ist), das aus einem Element L ausgebildet ist, das die Beschichtung R bildet, die in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde als Target zur Bildung der Beschichtung R verwendet. Wenn N in der Beschichtung Q enthalten ist, wurde Stickstoffgas als Atmosphärengas bei der Bildung der Beschichtung R verwendet, und wenn C in der Beschichtung Q enthalten ist, wurde ein Kohlenwasserstoffgas als Atmosphärengas bei der Bildung der Beschichtung R verwendet (gegebenenfalls wurde ferner Ar-Gas verwendet).
Die Targets zur Bildung der Beschichtungen Q, R wurden jeweils an den verschiedenen Verdampfungsquellen angebracht und dann wurde ein Tisch, auf dem das Substrat angeordnet ist, in dem System gedreht, so dass die Targets abwechselnd einer Entladung unterzogen wurden. Auf diese Weise wurde ein Hartstoff-Schichtsystem (die Dicke einer einzelnen Schicht jeder Beschichtung ist in der Tabelle 1 gezeigt) durch ein Sputterverfahren gebildet. Es sollte beachtet werden, dass in jedwedem der Beispiele das vorstehend beschriebene Sputtern unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurde: Die Substrattemperatur beträgt 500 °C, der Gesamtdruck des Atmosphärengases beträgt 0,6 Pa, der Sputterverdampfungsquelle (Targetdurchmesser: 152 mm = 6 Zoll) wird eine Leistung von 3 kW zugeführt, die negative Vorspannung beträgt 100 V. Die Dicke jeder Beschichtung und die Abscheidungsanzahl jeder Beschichtung wurden in einer Weise eingestellt, dass die Drehzahl des Tischs, auf dem das Substrat angeordnet ist (d.h., die Drehzahl des Substrats) und die Entladungszeit des Targets verändert werden.
Als Vergleichsbeispiele wurden auch Proben, bei denen jeweils eine TiAIN Schicht (Nr. 1 in der Tabelle 1) oder eine TiN Schicht (Nr. 2 in der Tabelle 1) auf dem Substrat ausgebildet worden ist, und Proben (Nr. 31 bis 37 in der Tabelle 1), bei denen jeweils nur die Beschichtung Q auf dem Substrat ausgebildet worden ist, hergestellt.
[Zerspanungstest]
Unter den später beschriebenen Bedingungen wurde der Zerspanungstest unter Verwendung der Proben durchgeführt, in denen jeweils die Schicht auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugs ausgebildet ist. Bei diesem Zerspanungstest wurde die Anzahl von Löchern, die gebildet worden sind, bis der Carbidbohrer brach, als Index für das Leistungsvermögen des Werkzeugs verwendet. Die Fälle, bei denen die „Anzahl der gebildeten Löcher, bis der Carbidbohrer brach“ (die Anzahl der Löcher, die durch Zerspanung gebildet werden können) gleich oder höher als 1500 war, wurden so bewertet, dass sie eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufwiesen.
[Bedingungen des Zerspanungstests]

Zu zerspanendes Material: S50C (Stahlmaterial)
Schnittgeschwindigkeit: 100 m/min
Vorschub: 0,24 mm pro Umdrehung
Lochtiefe: 23 mm
Schmierung: externe Ölzufuhr, Emulsion
Bewertungsindex: Die Anzahl der gebildeten Löcher, bis der Carbidbohrer brach

Nr.	Zusammensetzung der Beschichtung Q (in Einheiten des Atomverhältnisses)	Schichtdicke der Beschichtung Q (nm)	Zusammensetzung der Beschichtung R (in Einheiten des Atomverhältnisses)	Schichtdicke der Beschichtung R (nm)	Anzahl der Löcher, die durch Zerspanung gebildet werden können (Anzahl der Löcher)
1	(Ti0,50Al0,50)N	3000	Entfällt	Entfällt	500
2	TiN	3000	Entfällt	Entfällt	200
3	Ti0,33B0,67	20	VN	20	2300
4	Ti0,33B0,47C0,20	20	VN	20	2500
5	Ti0,45B0,20C0,35	20	VN	20	2200
6	Ti0,30B0,20C0,50	20	VN	20	1000
7	Ti0,33B0,47N0,20	20	VN	20	2300
8	Ti0,45B0,20N0,35	20	VN	20	2300
9	Ti0,30B0,20N0,50	20	VN	20	900
10	Ti0,33B0,47N0,10C0,10	20	VN	20	2400
11	Ti0,45B0,20N0,15C0,20	20	VN	20	1900
12	Ti0,30B0,20N0,25C0,25	20	VN	20	1600
13	Si0,50C0,50	20	VN	20	2500
14	Si0,50C0,30N0,20	20	VN	20	2500
15	Si0,50C0,20N0,30	20	VN	20	2500
16	Si0,50C0,10N0,40	20	VN	20	800
17	B0,80C0,20	20	VN	20	2000
18	B0,74C0,16N0,10	20	VN	20	2200
19	B0,62C0,08N0,30	20	VN	20	2100
20	B0,56C0,04N0,40	20	VN	20	2100
21	B0,53C0,02N0,45	20	VN	20	1100
22	Si0,50C0,50	20	VN	20	2500
23	Si0,50C0,50	20	WN	20	2400
24	Si0,50C0,50	20	MoN	20	2300
25	Si0,50C0,50	20	(V0,50Mo0,50)N	20	2200
26	Si0,50C0,50	20	(W0,50Mo0,50)N	20	2100
27	Si0,50C0,50	20	V(N0,40C0,60)	20	800
28	Si0,50C0,50	20	V(B0,15N0,85)	20	2400
29	Si0,50C0,50	20	V(B0,40N0,60)	20	1200
30	Si0,50C0,50	20	V(B0,15N0,65C0,20)	20	2200
31	Si0,50C0,50	3000	Entfällt	Entfällt	1000
32	Ti0,33B0,67	3000	Entfällt	Entfällt	900
33	B0,80C0,20	3000	Entfällt	Entfällt	800
34	Ti0,33B0,47N0,20	3000	Entfällt	Entfällt	700
35	Ti0,33B0,47C0,20	3000	Entfällt	Entfällt	800
36	Si0,50C0,30N0,20	3000	Entfällt	Entfällt	600
37	B0,62C0,08N0,30	3000	Entfällt	Entfällt	700

Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde bei den Nr. 3 bis 5, 7, 8, 10 bis 15, 17 bis 20, 22 bis 26, 28 und 30 ein Hartstoff-Schichtsystem gebildet, welches die Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllte und daher wurde eine vorteilhafte Verschleißbeständigkeit erhalten. Andererseits liegen die Beispiele, die von den vorstehend genannten Beispielen verschieden sind, außerhalb des Bereichs, der in der vorliegenden Erfindung festgelegt ist, und daher wurde keine hervorragende Verschleißbeständigkeit erhalten. Die Details sind wie folgt.
Jede der Nr. 1 und 2 ist ein herkömmliches Beispiel (Vergleichsbeispiel), bei dem eine Ti_0,50Al_0,50N-Schicht oder eine TiN Schicht gebildet worden ist. In jedem dieser Beispiele war die Anzahl der Löcher, die durch Zerspanung gebildet werden können, gering und es lag eine schlechte Verschleißbeständigkeit vor.
Bei der Nr. 6 war der C-Gehalt der Beschichtung Q übermäßig. Bei der Nr. 9 war der N-Gehalt der Beschichtung Q übermäßig. Als Ergebnis lag bei jedem dieser Beispiele eine schlechte Verschleißbeständigkeit vor.
Bei der Nr. 16 war der N-Gehalt der Beschichtung Q übermäßig und der C-Gehalt der Beschichtung Q war unzureichend. Als Ergebnis lag eine schlechte Verschleißbeständigkeit vor.
Bei der Nr. 21 war der C-Gehalt der Beschichtung Q unzureichend. Bei der Nr. 27 war der C-Gehalt der Beschichtung R übermäßig. Bei der Nr. 29 war der B-Gehalt der Beschichtung R übermäßig. Als Ergebnis lag bei jedem dieser Beispiele eine schlechte Verschleißbeständigkeit vor.
Bei den Nr. 31 bis 37 wurde nur die Beschichtung Q, d.h., die Einschicht-Beschichtung, die aus einer harten Verbindung hergestellt worden ist, gebildet und daher lag keine hervorragende Verschleißbeständigkeit vor.
[Zweites Beispiel]
In einem zweiten Beispiel wurden Probenbeschichtungen (die alle die gleiche Gesamtdicke von 3000 nm aufwiesen) gebildet, welche die gleiche Zusammensetzung der Beschichtungen Q, R aufweisen und die sich bezüglich der Schichtdicke der Beschichtungen Q, R und der Abscheidungsanzahl der Beschichtungen Q, R unterscheiden. Es wurde eine Untersuchung im Hinblick auf den Einfluss der Schichtdicken der Beschichtungen Q, R und die Abscheidungsanzahl der Beschichtungen Q, R auf das Zerspanungsleistungsvermögen durchgeführt.

Die Zusammensetzung der Beschichtung Q war auf Si_0,50C_0,50 festgelegt und die Zusammensetzung der Beschichtung R war auf VN festgelegt. Wie es in der Tabelle 2 gezeigt ist, wurden die Proben wie in dem ersten Beispiel ausgebildet, wobei jedoch die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R und die Gesamtdicke der Beschichtungen Q, R gemäß den Proben variieren. Dann wurde ein Zerspanungstest wie in dem ersten Beispiel durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 2]

Nr.	Zusammensetzung der Beschichtung Q (in Einheiten des Atomverhältnisses)	Schichtdicke der Beschichtung Q (nm)	Zusammensetzung der Beschichtung R	Schichtdicke der Beschichtung R (nm)	Gesamtdicke (nm)	Anzahl der Löcher, die durch Zerspanung gebildet werden können (Anzahl der Löcher)
1	Si0,50C0,50	20	VN	20	3000	2500
2	Si0,50C0,50	1	VN	1	3000	1500
3	Si0,50C0,50	2	VN	2	3000	1800
4	Si0,50C0,50	10	VN	10	3000	2200
5	Si0,50C0,50	50	VN	50	3000	2700
6	Si0,50C0,50	100	VN	100	3000	2600
7	Si0,50C0.50	200	VN	200	3200	2000
8	Si0,50C0,50	1000	VN	1000	2000	1900
9	Si0,50C0,50	1500	VN	1500	3000	1900
10	Si0,50C0,50	10	VN	50	3000	2500
11	Si0,50C0,50	5	VN	20	3000	2700
12	Si0,50C0,50	10	VN	50	3000	2900
13	Si0.50C0.50	1000	VN	2000	3000	1800

Wie es in der Tabelle 2 gezeigt ist, waren bei den Nr. 1 bis 13 die angegebenen Beschichtungen Q, R aufeinander abgeschieden. Folglich wurde in jedem dieser Fälle eine vorteilhafte Verschleißbeständigkeit erhalten. Insbesondere bei den Nr. 1, 3 bis 6 und 10 bis 12 liegt die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R in einem mehr bevorzugten Bereich und daher lag eine noch bessere Verschleißbeständigkeit vor.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung JP 2014-208903 A , die am 25. März 2013 angemeldet worden ist und deren Offenbarung unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
Das Hartstoff-Schichtsystem der vorliegenden Erfindung wird auf Werkzeugen, wie z.B. Schneidwerkzeugen und Matrizen oder Pressformen oder Gesenken aufgebracht, wodurch die Standzeit dieser Werkzeuge erhöht wird.

Claims

Hartstoff-Schichtsystem, das auf einem Substrat ausgebildet ist, umfassend: mindestens eine Beschichtung Q und mindestens eine Beschichtung R, wobei die Beschichtungen Q, R abwechselnd aufeinander abgeschieden sind, so dass eine hervorragende Verschleißbeständigkeit des Hartstoff-Schichtsystems erzeugt wird, wobei die Beschichtung Q mindestens eine Beschichtung ist, die aus der Gruppe, bestehend aus einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Ti_1-a-b-cB_aC_bN_c aufweist und 0,2 ≤ a ≤ 0,7, 0 ≤ b ≤ 0,35 und 0 ≤ c ≤ 0,35 genügt, wobei a, b und c Atomverhältnisse von B, C und N angeben, einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel Si_1-d-eC_dN_eaufweist und 0,2 ≤ d ≤ 0,50 und 0 ≤ e ≤ 0,3 genügt, wobei d und e Atomverhältnisse von C und N angeben, und einer Beschichtung, welche die Zusammensetzungsformel B_1-f-gC_fN_g aufweist und 0,03 ≤ f ≤ 0,25 und 0 ≤ g ≤ 0,5 genügt, wobei f und g Atomverhältnisse von C und N angeben, ausgewählt ist, und die Beschichtung R eine Beschichtung ist, welche die Zusammensetzungsformel L(B_xC_yN_1-x-y) aufweist und 0 ≤ x ≤ 0,15 und 0 ≤ y ≤ 0,5 genügt, wobei L mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo und V, ausgewählt ist, und x und y Atomverhältnisse von B und C angeben.
Hartstoff-Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R gleich oder größer als 2 nm ist.
Hartstoff-Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schichtdicke jeder der Beschichtungen Q, R gleich oder kleiner als 100 nm ist.