DE112016002130T5

DE112016002130T5 - Hartbeschichtung und Element, das mit der Hartbeschichtung bedeckt ist

Info

Publication number: DE112016002130T5
Application number: DE112016002130.5T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Nii; Kenji Yamamoto; German Fox-Rabinovich
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CA2983720A1; WO2016181813A1; KR20170137162A; CN107532280A; JP2016211052A; US20180355469A1

Abstract

Hartbeschichtung, die auf einem Substrat ausgebildet ist und die in der Formel (1) dargestellte Zusammensetzung aufweist. TiaCrbAlcZrdLe(BxCyNz) – (1) (In der Formel ist L mindestens eine Art von Element von Si und Y, und a, b, c, d, e, x, y und z erfüllen 0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0,03 ≤ d ≤ 0,20, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + d + e = 1 und x + y + z = 1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hartfilm und ein Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, und insbesondere einen Hartfilm mit einer hervorragenden Haftungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit und ein Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, bei dem der Hartfilm auf einem Substrat ausgebildet ist.
STAND DER TECHNIK
Ein Metall auf Titanbasis, wie z. B. reines Titan oder eine Titanlegierung, weist Eigenschaften wie z. B. eine hohe Hochtemperaturfestigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Demgemäß ist es, wenn beispielsweise eine Zerspanung mit dem Metall auf Titanbasis als zu zerspanendes Material durchgeführt wird, weniger wahrscheinlich, dass Wärme, die während des Zerspanens erzeugt wird, zu einer Seite des zu zerspanenden Materials oder einer Seite von Spänen abgeleitet wird, und sie neigt dazu, sich auf einer Schneidkante eines Zerspanungswerkzeugs anzusammeln. Als Ergebnis ist es wahrscheinlich, dass die Schneidkantentemperatur zunimmt. Ferner ist Titan chemisch aktiv, so dass es mit der vorstehend genannten zunehmenden Schneidkantentemperatur wahrscheinlich ist, dass Titan an dem Werkzeug haftet. Durch diese Haftung nimmt der Verschleiß des Werkzeugs leicht zu und es besteht ein Problem dahingehend, dass die Verschleißbeständigkeit abnimmt, was zu einer verkürzten Werkzeugstandzeit führt. Die Haftung eines Metalls, wie z. B. des Metalls auf Titanbasis, wird nachstehend manchmal einfach als „Haftung” bezeichnet.
um Unterdrücken der vorstehend genannten Haftung des Metalls auf Titanbasis während des Zerspanens wurde eine Bearbeitung bisher im Allgemeinen durch ein Nassverfahren und bei einer niedrigen Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Es ist jedoch eine Verbesserung der Produktivität erforderlich und für das Zerspanungswerkzeug für das vorstehend genannte Metall auf Titanbasis ist es erforderlich, dass die vorstehend genannte Haftung unterdrückt werden kann, ohne die Schnittgeschwindigkeit zu vermindern.
Um die vorstehend genannte Anforderung zu erfüllen, wurden Versuche unternommen, die Haftung durch Aufbringen einer Beschichtung auf die Schneidkante des Zerspanungswerkzeugs zu unterdrücken, wodurch die Schnittgeschwindigkeit erhöht wird. Beispielsweise wurde bisher als die vorstehend genannte Beschichtung ein Film mit einer Verbindung mit einem hohen Schmelzpunkt, wie z. B. TiAlN, vorgeschlagen. Ferner zeigt das Patentdokument 1 ein oberflächenbeschichtetes Zerspanungswerkzeug zum Bearbeiten einer Titanlegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Werkzeug aus einer Verbindung ausgebildet ist, die aus Al, entweder einem oder beiden Elementen von Cr und V und irgendeinem von einem oder mehreren Element(en) von Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammengesetzt ist. Ferner zeigt das Patentdokument 1, dass dann, wenn die vorstehend genannte Verbindung V enthält, ein Oxid von V mit einem niedrigen Schmelzpunkt während des Zerspanens in einer Hochtemperaturumgebung als Schmiermittel wirkt, wodurch ein Effekt des Unterdrückens der Haftung eines zu zerspanenden Materials erwartet werden kann.
Das Patentdokument 2 zeigt ein Zerspanungswerkzeug mit verbesserten Eigenschaften, die für die Zerspanung von Titan und einer Legierung davon geeignet sind, das ein Substrat, das Wolframcarbid enthält, und eine Beschichtung von einer Beschichtung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid und Borcarbid, und die durch ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren auf das vorstehend genannte Substrat aufgebracht worden ist, und einer Beschichtung, die Borcarbid umfasst, und die durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren auf das vorstehend genannte Substrat aufgebracht worden ist, umfasst.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP 2005-262389 A
Patentdokument 2: JP 9-216104 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Das vorstehend genannte Problem der Haftung des Metalls auf Titanbasis an dem Werkzeug kann nicht nur für das vorstehend genannte Zerspanungswerkzeug auftreten, sondern auch für ein Werkzeug, das für eine plastische Bearbeitung des Metalls auf Titanbasis verwendet wird. Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Umstände gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Hartfilms, der die Haftung einer zu bearbeitenden Komponente während der Bearbeitung stärker unterdrücken kann als eine herkömmlich verwendete Verbindung mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. TiAlN, so dass selbst dann eine zufriedenstellende Bearbeitung, wie z. B. eine Zerspanungsbearbeitung oder plastische Bearbeitung, erreicht wird, wenn das zu bearbeitende Material ein Metall auf Titanbasis ist, sowie eines Elements, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, wie z. B. eines Zerspanungswerkzeugs oder eines Werkzeugs für eine plastische Bearbeitung, bei dem der Hartfilm auf einem Substrat ausgebildet ist. Die Eigenschaft des Unterdrückens der Haftung der zu bearbeitenden Komponente während der Bearbeitung, wie z. B. der Zerspanungsbearbeitung oder der plastischen Bearbeitung, wird nachstehend manchmal als „Haftungsbeständigkeit” bezeichnet.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Ein Hartfilm der vorliegenden Erfindung, der die vorstehend genannten Probleme lösen kann, ist ein Hartfilm, der auf einem Substrat ausgebildet werden soll und der eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist. Ti_aCr_bAl_cZr_dL_e(B_xC_yN_z) (1)
In der vorstehenden Formel (1)
ist L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y,
sind a, b, c, d, e, x, y und z Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, Zr, L, B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0,03 ≤ d ≤ 0,20, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + d + e = 1 und x + y + z = 1.
Ein weiterer Hartfilm der vorliegenden Erfindung, der das vorstehend genannte Problem lösen kann, ist ein Hartfilm, der auf einem Substrat ausgebildet werden soll, umfassend: (einen) Film(e) Q, der oder die eine Zusammensetzung aufweist oder aufweisen, die durch die folgende Formel (2) dargestellt ist und eine Filmdicke von 1,0 nm oder mehr und 50 nm oder weniger aufweist; und (einen) Film(e) R, der oder die eine Zusammensetzung aufweist oder aufweisen, die durch die folgende Formel (3) dargestellt ist und eine Filmdicke von 1,0 nm oder mehr und 50 nm oder weniger aufweist, wobei der oder die Film(e) Q und der oder die Film(e) R abwechselnd laminiert sind. Film Q: Ti_aCr_bAl_cL_e(B_xC_yN_z) (2)
In der vorstehenden Formel (2)
ist L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y,
sind a, b, c, e, x, y und z Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, L, B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + e = 1 und x + y + z = 1. Film R: Zr(B_sC_tN_u) (3)
In der vorstehenden Formel (3)
sind s, t und u die Atomverhältnisse von B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ s ≤ 0,15, 0 ≤ t ≤ 0,10, 0,80 ≤ u ≤ 1 und s + t + u = 1.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, das ein Substrat und den vorstehend genannten Hartfilm umfasst, der auf dem Substrat ausgebildet ist. Die Elemente, die mit einem Hartfilm beschichtet sind, umfassen ein Zerspanungswerkzeug, das zum Zerspanen von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird, und ein Werkzeug für eine plastische Bearbeitung, das zum plastischen Bearbeiten von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein Hartfilm, der die Haftung einer zu bearbeitenden Komponente während einer Zerspanungsbearbeitung oder einer plastischen Bearbeitung unterdrückt und selbst dann eine zufriedenstellende Zerspanungsbearbeitung oder plastische Bearbeitung erreichen kann, wenn das zu bearbeitende Material ein Metall auf Titanbasis ist, sowie ein Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, bei dem der Hartfilm auf einem Substrat ausgebildet ist, bereitgestellt werden.
MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden während der Bearbeitung eines Metallmaterials, insbesondere während der Bearbeitung von reinem Titan oder einer Titanlegierung, eine einfache Erhöhung der Temperatur einer Schneidkante während der Zerspanung aufgrund von deren niedriger Wärmeleitfähigkeit und die Eigenschaft eines Metalls auf Titanbasis, chemisch aktiv zu sein, kombiniert, so dass leicht eine Haftung auf einer Verschleißoberfläche eines Bearbeitungswerkzeugs, wie z. B. eines Zerspanungswerkzeugs oder eines Werkzeugs für eine plastische Bearbeitung, verursacht wird. Bei dem Verschleiß des Werkzeugs zur Bearbeitung des Metalls auf Titanbasis, insbesondere bei dem Verschleiß eines Films auf einer Oberfläche des Werkzeugs, ist ein sogenannter Haftungsverschleiß vorherrschend, der von einem Haftungsteil des vorstehend genannten Metalls auf Titanbasis als Ausgangspunkt fortschreitet. Um demgemäß die Standzeit des vorstehend genannten Bearbeitungswerkzeugs zu verlängern, ist es nicht ausreichend, dass der auf das Werkzeug aufgebrachte Film eine hervorragende Wärmebeständigkeit aufweist, und er muss auch eine hervorragende Haftungsbeständigkeit auf der Verschleißoberfläche aufweisen.
Daher haben die vorliegenden Erfinder zum Erhalten eines Hartfilms mit einer besonders hervorragenden Haftungsbeständigkeit, selbst wenn das zu bearbeitende Material ein Metall auf Titanbasis ist, intensive Untersuchungen insbesondere bezüglich der Zusammensetzung des Hartfilms durchgeführt. Als Ergebnis wurde, wenn eine festgelegte Menge von Zr in einem Film enthalten sein kann, der eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist, wie z. B. TiCrAl(BCN), CrAl(BCN), TiCrAl(Si/Y)(BCN) oder CrAl(Si/Y)(BCN), so dass eine Zusammensetzung erhalten wird, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist, gefunden, dass die Haftung des Metalls auf Titanbasis vermindert werden kann, so dass die Standzeit des Bearbeitungswerkzeugs ausreichend erhöht wird, mit anderen Worten, dass ein Hartfilm mit einer hervorragenden Haftungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit erhalten wird. Das vorstehend beschriebene Zr wird bevorzugt durch Reibungswärme während des Zerspanens oxidiert, so dass ZrO₂ als extrem stabiles Oxid gebildet wird. Darüber hinaus weist ZrO₂ eine niedrige Reaktivität mit Ti auf, so dass die Haftung des Metalls auf Titanbasis auf der Verschleißoberfläche unterdrückt werden kann. Ti_aCr_bAl_cZr_dL_e(B_xC_yN_z) (1)
In der vorstehenden Formel (1)
ist L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y,
sind a, b, c, d, e, x, y und z Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, Zr, L, B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0,03 ≤ d ≤ 0,20, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + d + e = 1 und x + y + z = 1.
Die Zr-Menge, die zum Ausüben der vorstehend genannten Funktion und des vorstehend genannten Effekts erforderlich ist, beträgt als Atomverhältnis d zu den Metallelementen, d. h., Ti, Cr, Al, Zr und L, 0,03 oder mehr. Das Atomverhältnis d von Zr beträgt vorzugsweise 0,05 oder mehr und mehr bevorzugt 0,10 oder mehr. Wenn andererseits Zr übermäßig enthalten ist, nimmt die Oxidationsbeständigkeit des Films ab. Demgemäß beträgt das Atomverhältnis d von Zr 0,20 oder weniger und vorzugsweise 0,15 oder weniger.
Im Hinblick auf das Sicherstellen der Oxidationsbeständigkeit und der Härte des Films, die während des Zerspanens und dergleichen erforderlich sind, liegen die vorstehend genannten Elemente, die von Zr verschieden sind, d. h., Ti, Cr, Al, L, B, C und N, innerhalb der Bereiche der vorstehend genannten Formel (1). Die Bereiche von jedem der Elemente sind zusammen mit bevorzugten Bereichen davon nachstehend gezeigt.
Das Atomverhältnis a von Ti zu den Metallelementen beträgt 0,30 oder weniger. Das Atomverhältnis a von Ti beträgt vorzugsweise 0,25 oder weniger, mehr bevorzugt 0,20 oder weniger und noch mehr bevorzugt 0,10 oder weniger. Das Atomverhältnis a von Ti kann Null sein, kann jedoch z. B. 0,05 oder mehr betragen, wenn Ti enthalten sein kann.
Das Atomverhältnis b von Cr zu den Metallelementen beträgt 0,10 oder mehr und 0,30 oder weniger, vorzugsweise 0,25 oder weniger und mehr bevorzugt 0,20 oder weniger.
Das Atomverhältnis c von Al zu den Metallelementen beträgt 0,40 oder mehr, vorzugsweise 0,45 oder mehr und mehr bevorzugt 0,50 oder mehr. Andererseits beträgt die Obergrenze des Atomverhältnisses c von Al 0,70 oder weniger, vorzugsweise 0,65 oder weniger und mehr bevorzugt 0,60 oder weniger.
Das Atomverhältnis e von L, d. h. eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y, zu den Metallelementen kann Null sein, beträgt jedoch vorzugsweise 0,03 oder mehr. Die Obergrenze des vorstehend genannten Atomverhältnisses e beträgt 0,10 oder weniger, vorzugsweise 0,08 oder weniger und mehr bevorzugt 0,05 oder weniger. Das vorstehend genannte Atomverhältnis e steht für die Gesamtmenge von Si und Y. Dasselbe gilt nachstehend. Si und Y können allein verwendet werden oder können als eine Kombination von zwei Arten davon verwendet werden.
In dem Film der vorliegenden Erfindung beträgt das Atomverhältnis z von N zu B, C und N 0,80 oder mehr und 1 oder weniger. Das Atomverhältnis z von N beträgt vorzugsweise 0,85 oder mehr und mehr bevorzugt 0,90 oder mehr. Wie es vorstehend beschrieben ist, nutzt der Film der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen ein Nitrid als Basis. B oder C können jedoch zugesetzt werden. Das Atomverhältnis x von B kann Null sein, kann jedoch z. B. 0,01 oder mehr und ferner 0,02 oder mehr betragen. Im Hinblick auf das Sicherstellen der Verschleißbeständigkeit beträgt das Atomverhältnis x von B jedoch 0,15 oder weniger, vorzugsweise 0,10 oder weniger und mehr bevorzugt 0,05 oder weniger.
Darüber hinaus wird die Haftung durch Zusetzen von C unterdrückt, wie es vorstehend beschrieben ist. Das Atomverhältnis y von C kann Null sein, kann jedoch z. B. 0,03 oder mehr betragen, so dass der Haftungsunterdrückungseffekt erhalten wird. Im Hinblick auf das Sicherstellen der Verschleißbeständigkeit beträgt das Atomverhältnis y von C 0,10 oder weniger, vorzugsweise 0,07 oder weniger und mehr bevorzugt 0,05 oder weniger.
Ferner haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass ein Effekt, der demjenigen des Films ähnlich ist, in dem Zr homogen als feste Lösung gelöst ist, wie es durch die vorstehende Formel (1) dargestellt ist, auch erhalten wird, wenn Filme, die aus TiCrAlL(BCN) zusammengesetzt sind, das durch die folgende Formel (2) dargestellt ist, und Filme, die aus Zr(BCN) zusammengesetzt sind, das durch die folgende Formel (3) dargestellt ist, abwechselnd laminiert sind. Die Bereiche von jedem der Atomverhältnisse a, b, c, e, x, y und z von Ti, Cr, Al, L, B, C und N in der folgenden Formel (2) und die bevorzugten Ober- und Untergrenzen davon, und die Bereiche von jedem der Atomverhältnisse s, t und u von B, C und N in der folgenden Formel (3) und die bevorzugten Ober- und Untergrenzen davon sind mit denjenigen der Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, L, B, C und N in der vorstehenden Formel (1) identisch. Film Q: Ti_aCr_bAl_cL_e(B_xC_yN_z) (2)
In der vorstehenden Formel (2)
ist L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y,
sind a, b, c, e, x, y und z die Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, L, B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + e = 1 und x + y + z = 1. Film R: Zr(B_sC_tN_u) (3)
In der vorstehenden Formel (3)
sind s, t und u die Atomverhältnisse von B, C bzw. N, und die Atomverhältnisse weisen die folgenden Bereiche auf:
0 ≤ s ≤ 0,15, 0 ≤ t ≤ 0,10, 0,80 ≤ u ≤ 1 und s + t + u = 1.
Um durch die vorstehend genannte Mehrfachschichtanordnung den gleichen Effekt wie denjenigen des Films mit der vorstehend genannten Formel (1) zu erhalten, in dem Zr homogen als feste Lösung in dem Film gelöst ist, muss die Filmdicke von jeder Schicht des Films Q und des Films R 1,0 nm oder mehr betragen. Jede Filmdicke beträgt vorzugsweise 2 nm oder mehr und mehr bevorzugt 5 nm oder mehr. Darüber hinaus muss die Filmdicke von jeder Schicht des Films Q und des Films R 50 nm oder weniger betragen und beträgt vorzugsweise 30 nm oder weniger, mehr bevorzugt 20 nm oder weniger und noch mehr bevorzugt 10 nm oder weniger. Der Hartfilm, in dem der Film Q und der Film R in der vorstehend beschriebenen Weise laminiert sind, wird nachstehend manchmal als „Hartfilm des Laminierungstyps” bezeichnet).
Die Filmdicke einer Schicht des Films Q und diejenige einer Schicht des Films R müssen nicht notwendigerweise identisch sein und können jedweden Wert aufweisen, solange dieser innerhalb des vorstehend genannten Bereichs liegt. In dem Hartfilm des Laminierungstyps der vorliegenden Erfindung kann einer des Films Q und des Films R auf einer Substratseite angeordnet sein. Ferner kann dieser eine Filmstruktur aufweisen, bei welcher der Film Q oder der Film R, der auf der Substratseite vorliegt, auch auf einer äußersten Oberflächenseite vorliegt, und er kann abhängig von dem Zweck verschiedene Laminierungsstrukturen aufweisen.
Die Gesamtdicke des Hartfilms, in dem der Film Q und der Film R, die vorstehend genannt sind, laminiert sind, ist in keiner Weise beschränkt. Um jedoch die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung effektiv bereitzustellen, beträgt die Gesamtdicke des Hartfilms vorzugsweise 0,5 μm oder mehr. Wenn jedoch die Gesamtdicke des Films übermäßig erhöht wird, ist es wahrscheinlich, dass während der Zerspanung eine Beschädigung oder ein Ablösen des Films stattfindet. Daher beträgt die Gesamtdicke vorzugsweise 10 μm oder weniger, mehr bevorzugt 5 μm oder weniger und noch mehr bevorzugt 3 μm oder weniger. Auch in dem Fall der Einzelschicht, die der vorstehenden Formel (1) genügt, beträgt die Filmdicke vorzugsweise 10 μm oder weniger.
Es wird empfohlen, die Laminieranzahl des Films Q und des Films R in einer geeigneten Weise einzustellen, so dass die vorstehend beschriebene Gesamtdicke erfüllt ist. Um eine Funktion aufgrund des Films Q und des Films R in einem laminierten Zustand maximal bereitzustellen, ist die Laminieranzahl vorzugsweise eine Mehrzahl und beträgt 5 oder mehr. Im Hinblick darauf ist es bevorzugt, die Filmdicke jedes der Filme Q und der Filme R zu vermindern, um die Laminieranzahl zu erhöhen. Die hier verwendete Laminieranzahl ist ein Wert, wenn die Laminierung des Einschichtfilms Q und des Einschichtfilms R eine Laminieranzahl von 1 aufweist.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, bei dem der vorstehend genannte Hartfilm auf einem Substrat ausgebildet ist. Die Elemente, die mit einem Hartfilm beschichtet sind, umfassen z. B. Zerspanungswerkzeuge wie Plättchen bzw. Platten, Bohrer und Schaftfräser, verschiedene Matrizen zum Schmieden, Formpressen, Extrusionsformen, Abscheren und dergleichen, Werkzeuge für eine plastische Bearbeitung, wie z. B. Schnittstempel, und dergleichen. Insbesondere umfassen sie Werkzeuge zur Bearbeitung von Metallmaterialien, wie z. B. Bearbeitungswerkzeuge, die für eine allgemeine Zerspanung oder plastische Bearbeitung von Materialien auf Eisenbasis verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist am effektivsten, wenn sie auf ein Zerspanungswerkzeug angewandt wird, bei dem ein zu zerspanendes Material reines Titan oder eine Titanlegierung ist, oder auf ein Werkzeug (eine Vorrichtung) für eine plastische Bearbeitung, bei der ein zu bearbeitendes Material reines Titan oder eine Titanlegierung ist und ein Fressen auf einer Gleitoberfläche während der plastischen Bearbeitung ein Problem wird. Die vorstehend genannte Bearbeitung kann entweder eine Nassbearbeitung oder eine Trockenbearbeitung sein, solange es sich um eine Bearbeitung handelt, bei der die Haftung oder das Fressen ein Problem wird.
Die Art des Substrats, das in dem vorstehend genannten Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, verwendet wird, ist nicht speziell beschränkt und die nachstehend beschriebenen Substrate werden verwendet. D. h., Beispiele dafür umfassen Hartmetalle auf WC-Basis, wie z. B. Legierungen auf WC-Co-Basis, Legierungen auf WC-TiC-Co-Basis, Legierungen auf WC-TiC-(TaC oder NbC)-Co-Basis und Legierungen auf WC-(TaC or NbC)-Co-Basis; Cermets, wie z. B. Legierungen auf TiC-Ni-Mo-Basis und Legierungen auf TiC-TiN-Ni-Mo-Basis, Hochleistungsschnellstähle, wie z. B. SKH51 oder SKD61, die in JIS G 4403 (2006) festgelegt sind; Keramiken; Sinterkörper aus kubischem Bornitrid; Diamantsinterkörper; Siliziumnitridsinterkörper; Gemische, die aus Aluminiumoxid und Titancarbid zusammengesetzt sind; und dergleichen.
Wenn der Hartfilm der vorliegenden Erfindung auf dem Substrat ausgebildet wird, kann zur Verbesserung des Haftvermögens zwischen dem Substrat und dem Hartfilm eine Zwischenschicht z. B. aus einem weiteren Metall, einem Nitrid, einem Carbonitrid oder einem Carbid zwischen dem Substrat und dem Hartfilm ausgebildet werden. Die vorstehend genannten Zwischenschichten umfassen z. B. TiN, CrN, TiAlN, CrAlN, TiCrAlN und dergleichen.
Der Hartfilm der vorliegenden Erfindung kann auf einer Oberfläche des Substrats mit einem bekannten Verfahren wie z. B. einem PVD-Verfahren (physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren) oder einem CVD-Verfahren (chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren) gebildet werden. Als solches Verfahren ist z. B. ein Ionenplattierungsverfahren, wie z. B. ein Lichtbogenionenplattierungsverfahren (AIP-Verfahren), oder ein reaktives PVD-Verfahren, wie z. B. ein Sputterverfahren, effektiv.
Verfahren zur Bildung der Hartfilme, welche die Zusammensetzungen der vorstehenden Formeln (1) bis (3) aufweisen, umfassen das folgende Verfahren. Beispielsweise wird die Bildung durch das AIP-Verfahren oder das Sputterverfahren unter Verwendung eines Legierungstargets, das Metallelemente als Komponenten, die von C und N verschieden sind, enthält, die den vorstehend genannten Film bilden, und ferner gegebenenfalls B enthält, als Target, wobei es sich um eine Verdampfungsquelle handelt, und unter Verwendung von Stickstoffgas oder eines Kohlenwasserstoffgases, wie z. B. Methan oder Acetylen, als Atmosphärengas durchgeführt. In dem vorstehend genannten Atmosphärengas kann Ar-Gas enthalten sein. Alternativ kann eine Abscheidung unter Verwendung eines Targets durchgeführt werden, das aus einer Verbindung zusammengesetzt ist, welche die Zusammensetzungen der vorstehend genannten Formeln (1) bis (3) aufweist, d. h., eines Targets, das aus einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Bornitrid oder einem Carbobornitrid zusammengesetzt ist. Im Hinblick auf die Anlagenkosten oder die Abscheidungsgeschwindigkeit wird jedoch das Verfahren empfohlen, bei dem das Legierungstarget verwendet wird.
Insbesondere wenn der Hartfilm des Laminierungstyps aus dem Film Q, der durch die vorstehende Formel (2) dargestellt ist, und dem Film R, der durch die vorstehende Formel (3) dargestellt ist, gebildet wird, kann der Hartfilm des Laminierungstyps z. B. durch Ausbringen von Zr durch das AIP-Verfahren oder das Sputterverfahren gebildet werden, während ein Film, der aus TiCrAlL(BCN) zusammengesetzt ist, durch das AIP-Verfahren gebildet wird.
Als Vorrichtung zur Bildung des vorstehend genannten Hartfilms kann z. B. eine PVD-Verbundvorrichtung verwendet werden, die sowohl mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle als auch mit einer Sputterverdampfungsquelle ausgestattet ist, wie es in der 1 von JP 2008-024976 A gezeigt ist.
Die Temperatur des Substrats während der Abscheidung kann abhängig von der Art des Substrats in einer geeigneten Weise ausgewählt werden. Im Hinblick auf das Sicherstellen des Haftvermögens zwischen dem Substrat und dem Hartfilm kann sie auf 300°C oder höher und ferner auf 400°C oder höher eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Temperatur des Substrats im Hinblick auf das Verhindern einer Verformung und dergleichen des Substrats auf 700°C oder niedriger und ferner auf 600°C oder niedriger eingestellt werden.
Ferner können als weitere Abscheidungsbedingungen ein Gesamtdruck des Atmosphärengases von 0,5 Pa oder und 4 Pa oder weniger, ein Lichtbogenstrom von 100 bis 200 A, eine Vorspannung, die an das Substrat angelegt wird, von –30 bis –200 V, eine elektrische Leistung, die in die Sputterverdampfungsquelle eingespeist wird, von 0,1 bis 3 kW und dergleichen eingesetzt werden.
BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele spezifischer beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht so aufgefasst werden, dass sie durch die folgenden Beispiele beschränkt ist und kann selbstverständlich mit geeigneten Veränderungen innerhalb des Umfangs ausgeführt werden, der an das vorstehend und nachstehend beschriebene Wesentliche angepasst werden kann. All dies ist in den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung einbezogen.
Beispiel 1
Filme, welche die in der Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, wurden unter Verwendung einer PVD-Verbundvorrichtung gebildet, die eine Mehrzahl von Lichtbogenverdampfungsquellen und eine Mehrzahl von Sputterverdampfungsquellen aufweist und die sowohl das AIP-Verfahren als auch das Sputterverfahren ausführen kann. Der Hartfilm der vorliegenden Erfindung kann sowohl durch das AIP-Verfahren als auch durch das Sputterverfahren, die vorstehend beschrieben worden sind, abgeschieden werden. Im Folgenden wurde der Film jedoch durch das AIP-Verfahren gebildet. Als Substrat wurde ein auf Spiegelglanz gebrachter Hartmetall-Prüfkörper mit 13 mm im Quadrat × 4 mm dick für die Härteuntersuchung hergestellt und ein Plättchen (CNMG432, Hartmetall) wurde für einen Zerspanungstest hergestellt. Dann wurde auf diesen Substraten gleichzeitig eine Abscheidung durchgeführt. Insbesondere wurden diese Substrate in die vorstehend genannte Vorrichtung eingeführt und dann wurden die Substrate nach einer Evakuierung auf 5 × 10^–3 Pa auf 500°C erwärmt und für 5 Minuten einem Ätzen mit Ar-Ionen unterzogen. Danach wurde nur Stickstoff oder ein Mischgas aus Stickstoff und Methangas bis 4 Pa eingeführt und die vorstehend genannten Filme von etwa 3 μm wurden unter der Bedingung eines Lichtbogenstroms von 150 A und einer an die Substrate angelegten Vorspannung von –50 V gebildet, wobei eine Probe für die Härteuntersuchung und eine Probe für den Zerspanungstest erhalten wurden.
In der vorstehend genannten Abscheidung wurde ein Legierungstarget verwendet, das Metallelemente als Komponenten enthielt, die von C und N verschieden waren, und jeden Film bilden, und das ferner abhängig von der Zusammensetzung B enthielt. Als Legierungstarget wurde ein metallurgisches Pulvertarget verwendet, das durch Mischen dieser Elemente, so dass es die gewünschte Zusammensetzung aufwies, und Durchführen einer Verfestigung und eines Erwärmens durch ein HIP-Verfahren erhalten worden ist.
Darüber hinaus wurden als Vergleichsbeispiele auch Proben hergestellt, in denen jeweils ein TiAlN-Film, ein TiCrAlN-Film, ein TiCrAlSiN-Film und ein AlCrN-Film ausgebildet waren.
Unter Verwendung der Probe für die Härteuntersuchung und der Probe für den Zerspanungstest, die so erhalten worden sind, wurden die Härteuntersuchung und der Zerspanungstest in der folgenden Weise durchgeführt.
Härteuntersuchung
Unter Verwendung der vorstehend genannten Probe für die Härteuntersuchung wurde die Vickers-Härte unter der Bedingung einer Belastung von 1 N gemessen.
Zerspanungstest
Es wird davon ausgegangen, dass das Fortschreiten des Verschleißes in dem Fall des Zerspanens des Metalls auf Titanbasis vorwiegend ein Haftungsverschleiß ist. In diesem Beispiel wurde daher die Haftungsbeständigkeit durch die Zerspanungsstandzeit bewertet, wie es nachstehend gezeigt ist. D. h., durch die Verwendung der vorstehend genannten Probe für den Zerspanungstest wurde der Zerspanungstest unter den folgenden Bedingungen durchgeführt und die Haftungsbeständigkeit wurde bei der Zerspanungslänge bewertet, bei welcher der maximale Teil des Flankenverschleißes 300 μm erreichte, wie es nachstehend gezeigt ist. Die Zerspanungslänge, bei welcher der maximale Teil des Flankenverschleißes 300 μm erreicht, wird nachstehend einfach als die „Zerspanungsstandzeit” bezeichnet.
Zerspanungstestbedingungen

Werkzeug: CNMG432, Material: K313
Zu zerspanendes Material: Ti-6Al-4V
Geschwindigkeit: 45 m/min
Vorschub: 0,15 mm/min
DOC (Schnitttiefe): 2 mm
Schmierung: Nass
Bewertung: Schnittlänge, bei welcher der maximale Teil des Flankenverschleißes 300 μm erreicht.

Wenn die vorstehend genannte Vickers-Härte höher war und die Zerspanungsstandzeit länger war, wurden die Haftungsbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit als besser bewertet und die Werkzeugstandzeit wurde als länger bewertet. Die entsprechenden Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
Aus der Tabelle 1 ergibt sich folgendes. Die Nr. 1 bis 6 sind Beispiele, bei denen der Einfluss der Zr-Menge d untersucht wurde. Von diesen Beispielen lagen in den Nr. 2 bis 5 die Atomverhältnisse von Zr und der anderen Elemente innerhalb der angegebenen Bereiche, die Härte war hoch und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls erhöht. Andererseits war dann, wenn die Zr-Menge d unzureichend war, wie in Nr. 1, die Zerspanungsstandzeit verkürzt. Darüber hinaus war, wenn die Zr-Menge d übermäßig war, wie in Nr. 6, die Zerspanungsstandzeit ebenfalls verkürzt.
Die Nr. 7 bis 10 sind Beispiele, in denen der Einfluss der Ti-Menge a untersucht wurde. Von diesen Beispielen lagen in den Nr. 7 bis 9 die Atomverhältnisse von Ti und der anderen Elemente innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war hoch und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls verlängert. Andererseits war in Nr. 10 die Ti-Menge a übermäßig, so dass die Zerspanungsstandzeit verkürzt war.
Die Nr. 11 bis 15 sind Beispiele, bei denen der Einfluss der Cr-Menge b untersucht wurde. Von diesen Beispielen lagen in den Nr. 12 bis 14 die Atomverhältnisse von Cr und den anderen Elementen innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war groß und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls erhöht. Andererseits war in Nr. 11 Cr nicht enthalten und die Al-Menge c war übermäßig. Daher war die Härte gering und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls beträchtlich verkürzt. Darüber hinaus war bei der Nr. 15 die Cr-Menge b übermäßig, so dass die Zerspanungsstandzeit verkürzt war.
Die Nr. 16 bis 21 sind Beispiele, bei denen der Einfluss der Al-Menge c untersucht wurde. Von diesen Beispielen lagen in den Nr. 17 bis 20 die Atomverhältnisse von Al und den anderen Elementen innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war groß und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls verlängert. Andererseits war in Nr. 16 Al unzureichend und Ti und Cr waren übermäßig enthalten. Daher war die Härte gering und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls verkürzt. Darüber hinaus war bei der Nr. 21 die Al-Menge c übermäßig, so dass die Härte gering war und die Zerspanungsstandzeit kurz war.
Die Nr. 22 bis 27 sind Beispiele, bei denen der Einfluss des Gehalts e von L, d. h., Si und Y, untersucht wurde. Von diesen Beispielen lagen in den Nr. 22 bis 24, 26 und 27 die Atomverhältnisse von L und den anderen Elementen innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war groß und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls erhöht. Wenn diese Beispiele, die L in festgelegten Mengen enthalten, z. B. mit Nr. 19 verglichen werden, wird gefunden, dass die Zerspanungsstandzeit durch das Zusetzen von L in kleinen Mengen ausreichend verlängert wird. Andererseits überschritt in Nr. 25 die L-Menge e die Obergrenze des angegebenen Bereichs, so dass die Härte gering war und die Zerspanungsstandzeit ebenfalls verkürzt war.
Die Nr. 28 und 29 sind Beispiele, bei denen der Einfluss der B-Menge x untersucht wurde. Bei der Nr. 28 lagen die Atomverhältnisse von B und der anderen Elemente innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war groß und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls verlängert. Im Gegensatz dazu war bei der Nr. 29 B übermäßig enthalten, so dass die Härte gering war und die Zerspanungsstandzeit verkürzt war.
Die Nr. 30 bis 32 sind Beispiele, bei denen der Einfluss der C-Menge y untersucht wurde. Bei den Nr. 30 und 31 lagen die Atomverhältnisse von C und der anderen Elemente innerhalb der festgelegten Bereiche, die Härte war groß und die Zerspanungsstandzeit war ebenfalls verlängert. Im Gegensatz dazu war bei der Nr. 32 die C-Menge y übermäßig, so dass die Härte gering war und die Zerspanungsstandzeit verkürzt war.
Die Nr. 33 bis 36 sind Beispiele, die Ergebnisse der Bildung der Filme zeigen, die herkömmlich verwendet wurden. In allen diesen Beispielen war insbesondere die Zerspanungsstandzeit kurz.
Beispiel 2
Hartfilme des Laminierungstyps, in denen TiCrAlN-Filme als die Filme Q und ZrN-Filme als die Filme R abwechselnd laminiert waren, wie es in der Tabelle 2 gezeigt ist, wurden durch das AIP-Verfahren gebildet, wobei insbesondere die AIP-Verdampfungsquellen der gleichen Vorrichtung wie im Beispiel 1 verwendet worden sind. Die entsprechenden Details sind wie folgt. Dieselben Substrate wie im Beispiel 1 wurden hergestellt und eine Abscheidung wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, wobei jedoch die Filme Q mit den in der Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung und Filmdicke und die Filme R mit den in der Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung und Filmdicke zur Bildung eines laminierten Films mit einer Gesamtdicke von etwa 3 μm abwechselnd laminiert wurden. Die jeweiligen Filmdicken der Filme Q und der Filme R in der Tabelle 2 wurden durch Verändern der Laminierungszyklen variiert. Ein (Ti, Cr, Al)-Target, das die von N verschiedenen Komponenten enthielt, wurde zur Bildung der vorstehend genannten Filme Q verwendet und ein Zr-Target wurde zur Bildung der vorstehend genannten Filme R verwendet.
Durch die Verwendung einer Probe für die Härteuntersuchung und einer Probe für den Zerspanungstest, die so erhalten worden sind, wurden die Härteuntersuchung und der Zerspanungstest in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die entsprechenden Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 2]
Aus der Tabelle 2 ergibt sich folgendes. Die Nr. 1 bis 6 sind Beispiele, bei denen die Zusammensetzungen und die Gesamtdicke der Filme Q und der Filme R identisch waren und die Filmdicke einer Schicht jedes Films verändert wurde. Von diesen Beispielen erfüllen bei den Nr. 2 bis 5 die Zusammensetzungen und die Filmdicken der Filme Q und der Filme R die Bereiche, die in der vorliegenden Erfindung angegeben sind, so dass die Härte groß war und auch die Zerspanungsstandzeit lang war, wodurch eine hervorragende Haftungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit erhalten wurden. Im Gegensatz dazu waren in der Nr. 1 sowohl die Filmdicken der Filme Q als auch der Filme R gering, so dass die Härte gering war und die Zerspanungsstandzeit verkürzt war. Bei der Nr. 6 überschritten sowohl die Filmdicken der Filme Q als auch der Filme R die festgelegten Bereiche, so dass die Härte gering war und auch die Zerspanungsstandzeit kurz war, was zu einer schlechten Haftungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit führte.
Während die vorliegende Erfindung detailliert und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, ist einem Fachmann klar, dass damit verschiedene Veränderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Anmeldung beruht auf einer japanischen Patentanmeldung (Nr. 2015-097299) , die am 12. Mai 2015 eingereicht worden ist und deren Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist für ein Zerspanungswerkzeug, das zum Zerspanen von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird, oder ein Werkzeug für eine plastische Bearbeitung geeignet, das für eine plastische Bearbeitung von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird.

Claims

Hartfilm, der auf einem Substrat ausgebildet werden soll und der eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist: Ti_aCr_bAl_cZr_dL_e(B_xC_yN_z) (1), wobei in der vorstehenden Formel (1) L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y ist, a, b, c, d, e, x, y und z Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, Zr, L, B, C bzw. N sind, und die Atomverhältnisse die folgenden Bereiche aufweisen: 0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0,03 ≤ d ≤ 0,20, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + d + e = 1 und x + y + z = 1.
Hartfilm, der auf einem Substrat ausgebildet werden soll, umfassend: (einen) Film(e) Q, der oder die eine Zusammensetzung aufweist oder aufweisen, die durch die folgende Formel (2) dargestellt ist und eine Filmdicke von 1,0 nm oder mehr und 50 nm oder weniger aufweist; und (einen) Film(e) R, der oder die eine Zusammensetzung aufweist oder aufweisen, die durch die folgende Formel (3) dargestellt ist und eine Filmdicke von 1,0 nm oder mehr und 50 nm oder weniger aufweist, wobei der oder die Film(e) Q und der oder die Film(e) R abwechselnd laminiert sind: Film Q: Ti_aCr_bAl_cL_e(B_xC_yN_z) (2), wobei in der vorstehenden Formel (2) L eine Art oder mehr von Elementen von Si und Y ist, a, b, c, e, x, y und z Atomverhältnisse von Ti, Cr, Al, L, B, C bzw. N sind, und die Atomverhältnisse die folgenden Bereiche aufweisen: 0 ≤ a ≤ 0,30, 0,10 ≤ b ≤ 0,30, 0,40 ≤ c ≤ 0,70, 0 ≤ e ≤ 0,10, 0 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,10, 0,80 ≤ z ≤ 1, a + b + c + e = 1 und x + y + z = 1; und Film R: Zr(B_sC_tN_u) (3), wobei in der vorstehenden Formel (3) s, t und u die Atomverhältnisse von B, C bzw. N sind, und die Atomverhältnisse die folgenden Bereiche aufweisen: 0 ≤ s ≤ 0,15, 0 ≤ t ≤ 0,10, 0,80 ≤ u ≤ 1 und s + t + u = 1.
Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, das ein Substrat und den Hartfilm nach Anspruch 1 oder 2 umfasst, wobei der Hartfilm auf dem Substrat ausgebildet ist.
Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, nach Anspruch 3, bei dem es sich um ein Zerspanungswerkzeug handelt, das zum Zerspanen von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird.
Element, das mit einem Hartfilm beschichtet ist, nach Anspruch 3, bei dem es sich um ein Werkzeug für eine plastische Bearbeitung handelt, das zum plastischen Bearbeiten von reinem Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird.