DE112016003954T5

DE112016003954T5 - Beschichtetes Werkzeug

Info

Publication number: DE112016003954T5
Application number: DE112016003954.9T
Authority: DE
Inventors: Hayato Kubo
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: DE112016003954B4; JPWO2017038762A1; US10837104B2; KR102141354B1; US20190010606A1; KR20180034564A; CN107921551B; JP6608937B2; WO2017038762A1; CN107921551A

Abstract

Ein Schneidwerkzeug einer Ausführungsform umfasst einen Grundkörper aus Hartmetall und eine Beschichtungsschicht, die auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht umfasst eine erste Schicht 7, die in Kontakt mit dem Grundkörper steht und Ti(CN) (0 ≤ x ≤ 1) enthält. Ein KAM-Durchschnittswert von WC-Partikeln in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, beträgt 1 ° oder weniger, gemessen mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs (EBSD) -Verfahren, unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs-Bildgebungssystem.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Ausführungsform betrifft ein beschichtetes Werkzeug mit einer Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche eines Grundkörpers.
HINTERGRUNDTECHNIK
Üblicherweise sind beschichtete Werkzeuge bekannt, bei denen beispielsweise mindestens eine Titancarbidschicht, mindestens eine Titannitridschicht, mindestens eine Titancarbonitridschicht, mindestens eine Aluminiumoxidschicht und mindestens eine Titanaluminiumnitridschicht auf einer Oberfläche eines Grundkörpers aus Hartmetall abgeschieden werden.
Die beschichteten Werkzeuge benötigen eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit. Zum Beispiel erhöht eine höhere Effizienz eines Schneidprozesses die Möglichkeiten zur Verwendung eines Schneidwerkzeugs in einem unterbrochenen, schweren Schneidprozess bzw. unterbrochenen Schwerzerspanungsprozess oder dergleichen, bei dem eine große Schlagwirkung auf eine Schneidkante ausgeübt wird. Unter solch harten/heftigen Schneidbedingungen besteht der Wunsch, ein Absplittern und Abblättern einer Beschichtungsschicht aufgrund eines auf die Beschichtungsschicht ausgeübten starken Schlages/Stoßes zu verhindern.
Das japanische Patent 2011-152602 (Patentdokument 1) offenbart ein Schneidwerkzeug mit einer Titannitridschicht, abgeschieden durch physikalische Gasphasenabscheidung als eine Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche eines Grundkörpers. Dieses Patent offenbart auch, dass Kristallorientierungen von Titannitridkristallkörnern auf einer Oberfläche der Beschichtungsschicht, welche durch Messung unter Verwendung eines Elektronen-Rückstreu-Beugungs (EBSD)-Systems erhältlich sind, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert werden.
KURZBESCHREIBUNG
Ein Schneidwerkzeug einer Ausführungsform umfasst einen Grundkörper aus Hartmetall und eine Beschichtungsschicht, die auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht umfasst eine erste Schicht, welche in Kontakt mit dem Grundkörper steht und Ti (C_xN_1-X) (0 ≤ x ≤ 1) enthält. Ein KAM-Durchschnittswert von WC-Partikeln in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, beträgt 1° oder weniger, gemessen mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs (EBSD) -Verfahren unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs-Bildgebungssystem.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeugs in einer Ausführungsform; und
2 ist eine schematische Schnittansicht des in 1 dargestellten Schneidwerkzeugs.

AUSFÜHRUNGSFORM
Ein beschichtetes Werkzeug muss unter härteren Bearbeitungsbedingungen verwendbar sein, um die Bearbeitungseffizienz zu erhöhen. Es besteht der Wunsch, dass eine Beschichtungsschicht weniger anfällig für Absplittern und Abblättern ist, indem die Adhäsion zwischen einem Grundkörper aus Hartmetall und der Beschichtungsschicht verbessert wird. Ein Schneidwerkzeug (nachfolgend einfach als ein Werkzeug bezeichnet) 1 ist als eine Ausführungsform des beschichteten Werkzeugs dargestellt, die diese Bedürfnisse erfüllt. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Werkzeug 1 eine erste Oberfläche 2 (eine obere Oberfläche in 1) und eine zweite Oberfläche 3 (eine Seitenoberfläche in 1). Wie in 2 dargestellt, umfasst das Werkzeug 1 einen Grundkörper 4 und eine Beschichtungsschicht 5, die auf dem Grundkörper 4 angeordnet ist.
In dem in 1 dargestellten Werkzeug 1 fungiert zumindest ein Teil der ersten Oberfläche 2 als eine Spanfläche und mindestens ein Teil der zweiten Oberfläche 3 fungiert als eine Freifläche. Zumindest ein Teil einer Kammlinie, wo die erste Oberfläche 2 die zweite Oberfläche 3 schneidet, bildet eine Schneidkante 6.
Der Grundkörper 4 ist aus Hartmetall zusammengesetzt/gebildet. Beispiele für Zusammensetzungen des Hartmetalls umfassen WC-Co, WC-TiC-Co und WC-TiC-TaC-Co. Hierbei sind WC (Wolframcarbid), TiC (Titancarbid), TaC (Tantalcarbid) harte Partikel und Co (Cobalt) eine Binderphase. Die obigen Zusammensetzungen sind Beispiele. Alternativ kann der Grundkörper 4 eine andere Struktur haben, die aus WC-Partikeln, mindestens einer Art harter Phase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems, und einer Binderphase aus Co hergestellt ist.
Die Beschichtungsschicht 5 enthält eine erste Schicht 7, welche in Kontakt mit dem Grundkörper 4 steht. Die erste Schicht 7 enthält Ti (C_xN_1-X) (0 ≤ x ≤ 1)
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt ein KAM-Durchschnittswert von WC-Partikeln in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von einer Oberfläche des Grundkörpers 4 erstreckt, 1° oder weniger, gemessen mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs (EBSD) -Verfahren unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs-Bildgebungssystem. Der KAM-Durchschnittswert mit dem obigen Wert führt zu einem kleineren Verformungsvolumen der WC-Partikel, die an der Oberfläche des Grundkörpers 4 vorhanden sind, was zu einer geringeren Eigenspannung zwischen dem Grundkörper 4 und der ersten Schicht 7 führt. Somit kann die Adhäsion zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtungsschicht 5 verstärkt werden, um die Ablösebeständigkeit der Beschichtungsschicht 5 zu verbessern, so dass die Beschichtungsschicht 5 weniger anfällig für Absplittern ist. Wenn der KAM-Durchschnittswert 0,8 ° oder weniger beträgt, ist es möglich, die Adhäsion zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtungsschicht 5 weiter zu verbessern.
Die KAM („Karnel Average Misorientation“) zeigt eine lokale Orientierungsdifferenz an, die eine Kristallorientierungsdifferenz zwischen benachbarten Messpunkten ist, die durch die EBSD-Methode gemessen wurden. Der KAM-Wert ist ein Wert, der eine Korrelation mit einer Größe, wie beispielsweise der plastischen Verformung, aufweist. Der KAM-Wert stellt die lokale Deformations- und Versetzungsdichte auf mikroskopischer Ebene dar, deshalb ist durch Messung des KAM-Werts, eine lokale plastische Verformung auf mikroskopischer Ebene beobachtbar. Der KAM-Mittelwert kann durch Messen von KAM-Werten an einzelnen Positionen in einem Observationsbereich und anschließendes Mitteln der KAM-Werte erhalten werden.
In dem Schritt des Abscheidens einer herkömmlichen Beschichtungsschicht kann eine Verzerrung zwischen einem Grundkörper aus Hartmetall und der Beschichtungsschicht in Kontakt mit dem Grundkörper auftreten. Es wird angenommen, dass die Ursache der Verzerrung darin besteht, dass die Oberfläche des Grundkörpers in dem Schritt des Abscheidens der Beschichtungsschicht durch die Abnahme von Kohlenstoff in einem Bereich nahe einer Oberfläche des Grundkörpers, in Bezug auf das Innere des Grundkörpers, deformiert wird. Aufgrund der Deformation der Oberfläche des Grundkörpers neigt eine winzige plastische Verformung dazu in einem Teil der WC-Partikel zu verbleiben, die auf der Oberfläche des Grundkörpers vorhanden sind. Daher kann, wenn ein Stoß auf das beschichtete Werkzeug ausgeübt wird, sich die Beschichtungsschicht leicht von dem Grundkörper ablösen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtungsschicht 5 verringert, durch Steuern einer Abnahme des Kohlenstoffgehalts in dem Bereich nahe der Oberfläche des Grundkörpers 4 in Bezug auf das Innere des Grundkörpers 4. Durch Steuern der Abnahme des Kohlenstoffgehalts wird der KAM-Durchschnittswert zu 1° oder weniger.
Alternativ kann der Grundkörper 4 in der vorliegenden Ausführungsform so ausgestaltet sein, dass ein Verhältnis eines Kohlenstoffgehalts in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche erstreckt, zu einem Kohlenstoffgehalt in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 200 µm oder mehr von der Oberfläche erstreckt, 0,95 bis 1 beträgt. In anderen Worten, der Grundkörper 4 kann so ausgestaltet sein, dass eine Abnahme des Kohlenstoffgehalts in dem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche erstreckt und unmittelbar unter der Beschichtungsschicht 5 angeordnet ist, 5 Gew.-% oder weniger beträgt in Bezug auf den Kohlenstoffgehalt in dem Bereich der sich bis zu einer Tiefe von 200 µm oder mehr von der Oberfläche erstreckt. Die Adhäsion zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtungsschicht 5 wird weiter verbessert, wenn die obige Struktur erfüllt wird.
Die Verzerrung zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtungsschicht 5 ist verringert, da die winzige plastische Verformung, die in den WC-Partikeln auftritt, die nahe der Oberfläche des Grundkörpers 4 vorhanden sind, in der vorliegenden Ausführungsform gesteuert wird. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Beschichtungsschicht 5 von dem Grundkörper 4 ablöst, selbst wenn ein großer Schlag auf das Werkzeug 1 ausgeübt wird.
Obwohl die Dicke der ersten Schicht 7 nicht besonders beschränkt ist, kann die Dicke beispielsweise auf 6-15 µm eingestellt werden. Die Verschleißfestigkeit kann verbessert werden, wenn die Dicke der ersten Schicht 7 6 µm oder mehr beträgt, insbesondere 10 µm oder mehr. Die Bruchfestigkeit kann erhöht werden, wenn die Dicke der ersten Schicht 7 15 µm oder weniger beträgt, insbesondere 13 µm oder weniger.
Obwohl die erste Schicht 7, die Ti (C_xN_1-X) (0 ≤ x ≤ 1) enthält, aus einer einzigen Schicht zusammengesetzt sein kann, ist die erste Schicht 7 in der vorliegenden Ausführungsform aus zwei Bereichen gebildet/zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind. Insbesondere umfasst die erste Schicht 7 einen ersten Bereich 8, der in Kontakt mit dem Grundkörper 4 steht, und einen zweiten Bereich 9, der auf dem ersten Bereich 8 angeordnet ist.
In dem Werkzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform kann ein Kohlenstoffgehalt in dem ersten Bereich 8 kleiner sein als ein Kohlenstoffgehalt in dem zweiten Bereich 9. Insbesondere ist der erste Bereich 8 hauptsächlich aus Titannitrid (TiN) gebildet, und der zweite Bereich 9 ist hauptsächlich aus Titancarbonitrid Ti (C_xN_1-X) (0 ≤ x ≤ 1)) gebildet. Die Adhäsion zwischen dem Grundkörper 4 und der ersten Schicht 7 kann weiter verbessert werden, wenn die erste Schicht 7 die obige Struktur aufweist. Insbesondere wenn der erste Bereich 8 in der ersten Schicht 7 aus TiN zusammengesetzt ist, diffundieren Bestandteile des Hartmetalls weniger wahrscheinlich von dem Grundkörper 4 in Richtung der Beschichtungsschicht 5 und es ist daher weniger wahrscheinlich, dass sich die Oberfläche des Grundkörpers 4 deformiert.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der erste Bereich 8 aus Titannitridpartikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,05-0,5 µm gebildet, und die Titannitridpartikel sind zu Stängel- bzw. Säulenkristallen ausgebildet, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers 4 erstrecken.
In der vorliegenden Ausführungsform findet das epitaktische Wachstum an einem Bereich zwischen den WC-Partikeln, welche an der Oberfläche des Grundkörpers 4 angeordnet sind, und den Titannitridpartikeln, welche auf einer Seite des Grundkörpers 4 in dem ersten Bereich 8 angeordnet sind, statt. Zusätzlich wird Co in einem Verhältnis von 0,2-3 Gew.-% in dem ersten Bereich 8 diffundiert. Die Adhäsion zwischen dem Grundkörpers 4 und der Beschichtungsschicht 5 kann weiter verbessert werden, wenn Co so diffundiert wird.
Der zweite Bereich 9 in der vorliegenden Ausführungsform ist aus einer Schicht 9a, die hauptsächlich aus sogenanntem MT (Moderate Temperatur) -Titancarbonitrid zusammengesetzt, und einer Schicht 9b gebildet, die auf der Schicht 9a angeordnet ist und hauptsächlich aus HT (Hochtemperatur) -Titancarbonitrid zusammengesetzt ist.
Die Schicht 9a ist aus Stängelkristallen gebildet, und ein Rohstoff der Schicht 9a enthält ein Acetonitril (CH₃CN) -Gas, und welche bei einer Abscheidungstemperatur abgeschieden werden, welche eine relativ niedrige Temperatur von 780-900 °C ist. Hierbei ist eine Breite der Stängelkristalle, in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Grundkörpers 4, 0,4 µm oder weniger. Die Adhäsion zwischen dem Grundkörper 4 und dem ersten Bereich 8 kann weiter verbessert werden, wenn die Stängelkristalle die obige Struktur aufweisen. Die Schicht 9b ist aus körnigen Kristallen gebildet, die bei einer Abscheidungstemperatur abgeschieden werden, bei der es sich um eine relativ hohe Temperatur von 950-1100 °C handelt.
Vorsprünge, die sich in einer Schnittansicht in einer Dreiecksform nach oben verjüngen, sind auf einer Oberfläche der Schicht 9b vorgesehen. Wenn diese Vorsprünge vorgesehen sind, kann die Adhäsion zu einer zweiten Schicht 10, die später genauer beschrieben wird, verbessert werden, um sicherzustellen, dass die Beschichtungsschicht 5 weniger anfällig für Abblättern und Absplittern ist.
Obwohl die Dicke des ersten Bereichs 8 nicht besonders beschränkt ist, kann die Dicke beispielsweise auf 0,5-3 µm eingestellt werden. Obwohl die Dicke des zweiten Bereichs 9 ebenfalls nicht besonders beschränkt ist, kann die Dicke beispielsweise auf 5,5 bis 14,5 µm eingestellt werden. Die Adhäsion der Beschichtungsschicht 5 an dem Grundkörper 4 kann weiter verbessert werden, und die Verschleißfestigkeit kann auch verbessert werden, wenn die Dicke des ersten Bereichs 8 0,5-3 µm, insbesondere 0,5-2,0 µm, beträgt und die Dicke des zweiten Bereichs 9 5,5-14,5 µm, insbesondere 8,0-12,5 µm, beträgt.
Die Beschichtungsschicht 5 in der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner eine zweite Schicht 10 und eine dritte Schicht 11, zusätzlich zu der ersten Schicht 7. Die zweite Schicht 10 befindet sich auf der ersten Schicht 7 und die dritte Schicht 11 befindet sich auf der zweiten Schicht 10. Die zweite Schicht 10 befindet sich auf der Schicht 9b.
Die zweite Schicht 10 enthält Titan und Sauerstoff und ist beispielsweise aus TiCO TiNO, TiCNO, TiAlCO oder TiAICNO zusammengesetzt. Insbesondere enthält die zweite Schicht 10 in der vorliegenden Ausführungsform Ti(C_xN_1-x-yO_y) (0 <x <1, 0 <y <1). Die dritte Schicht 11 enthält Aluminiumoxid.
Die Verschleißfestigkeit der Beschichtungsschicht 6 kann weiter verbessert werden, wenn sie mit der dritten Schicht 11 bereitgestellt wird. Außerdem kann die Adhäsion zwischen der ersten Schicht 7 und der dritten Schicht 11 verbessert werden, wenn die zweite Schicht 10 zwischen der ersten Schicht 7 und der dritte Schicht 11 angeordnet ist.
Aluminiumoxidpartikel, die die dritte Schicht 11 bilden, weisen eine Kristallstruktur des α-Typs auf, wenn die zweite Schicht 10 den obigen Bestandteil enthält. Die dritte Schicht 11, die aus dem Aluminiumoxid mit der Kristallstruktur des α-Typs zusammengesetzt ist, weist eine hohe Härte auf. Es ist daher möglich, die Verschleißfestigkeit der Beschichtungsschicht 6 zu verbessern.
Wenn die zweite Schicht 10 Ti(C_xN_1-x-yO_y) und x + y = 1 enthält, hat das Ti(C_xN_1-x-yO_y) in der zweiten Schicht 10 eine Nadelform und eine Kristallstruktur, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers 4 bis zu einer Höhe von 0,05-0,5 µm erstreckt. Diese Struktur trägt zur Verbesserung der Adhäsion zwischen dem zweiten Bereich 9 und der dritten Schicht 11 bei.
Wenn die dritte Schicht 11 aus dem Aluminiumoxid mit einer Kristallstruktur vom α-Typ zusammengesetzt ist, kann die Härte der dritten Schicht 11 verbessert werden, um die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs 1 zu verbessern. Insbesondere ist die Beschichtung 5 weniger anfällig für Verschleiß, wenn I (116) und I (104) die erst- bzw. zweitstärksten Maxima/Peaks darstellen, die von einer Oberflächenseite der dritten Schicht 11 durch eine Röntgenbeugungsmessung detektierbar sind.
Die Dicken der einzelnen Schichten und die Eigenschaften der Kristalle der einzelnen Schichten sind über die Betrachtung einer Elektronenmikroskopaufnahme (Rasterelektronenmikroskop (SEM) -Fotografie oder Transmissionselektronenmikroskop (TEM) -Fotografie) in einem Querschnitt des Werkzeugs 1 messbar. In der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet die Tatsache, dass die Kristalle der einzelnen Schichten der Beschichtungsschicht 5 säulenförmig sind, einen Zustand, in dem ein Verhältnis einer mittleren Kristallbreite zur Länge jedes Kristalls in einer Dickenrichtung der Beschichtungsschicht 5 durchschnittlich 0,3 oder weniger beträgt. Unterdessen sind Kristalle, deren Verhältnis der mittleren Kristallbreite zu der Länge jedes Kristalls in der Dickenrichtung der Beschichtungsschicht 5 0,3 übersteigt, als körnchenförmig definiert.
Die Beschichtungsschicht 5 in der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner eine vierte Schicht 12 zusätzlich zu der ersten Schicht 7, der zweiten Schicht 10 und der dritten Schicht 11. Die vierte Schicht 12 befindet sich auf der dritten Schicht 11. Die vierte Schicht 12 enthält Ti(C_xN_1-x-yO_y) (0 <x <1, 0 <y <1). Die vierte Schicht 12 kann aus einem beliebigen anderen Material wie beispielsweise Chromnitrid zusammengesetzt sein. Die vierte Schicht 12 in der vorliegenden Ausführungsform wird mit einer Dicke von 0,1-3 µm abgeschieden.
Die Beschichtungsschicht 6 der vorliegenden Ausführungsform ist eine, bei der der zweite Bereich 9, die zweite Schicht 10, die dritte Schicht 11 und die vierte Schicht 12, welche jeweils aus der Titancarbonitridschicht gebildet sind, in dieser Reihenfolge von einer Seite des Grundkörpers 4 aufeinander gestapelt werde.
Das Werkzeug 1 ist ausgelegt, einen Schneidprozess auszuführen, indem die Schneidkante 6, welche entlang zumindest eines Teils der Kammschnittlinie der Spanfläche und der Freifläche angeordnet ist, in Kontakt mit einem Werkstück gebracht wird. Das Werkzeug 1 ist somit in der Lage, die oben beschriebenen ausgezeichneten Wirkungen zu erzeugen. Das Werkzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform ist auch auf eine Vielzahl von Verwendungen neben Schneidwerkzeugen anwendbar, wie Grabwerkzeugen und Kantenwerkzeugen. Das Werkzeug 1 erreicht außerdem eine ausgezeichnete mechanische Zuverlässigkeit in diesen Anwendungen.
Ein Verfahren zum Herstellen des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend beschrieben, unter Bezugnahme auf ein Beispiel des Verfahrens zum Herstellen des Werkzeugs 1.
Zuerst werden Metallpulver, Kohlenstoffpulver oder dergleichen in geeigneter Weise zu anorganischem Pulver aus Metallcarbid, -nitrid, -carbonitrid, -oxid oder dergleichen, welche in der Lage sind durch Sintern eine harte Legierung zu bilden, aus welcher der Grundkörper 4 gebildet wird, gegeben und vermischt. Diese Pulvermischung wird dann durch ein bekanntes Formgebungsverfahren, wie etwa dem Pressformen, Gießformen, Extrusionsformen und isostatischen Kaltpressen, zu einer vorbestimmten Werkzeugform geformt. Diese wird dann im Vakuum oder einer nicht oxidierenden Atmosphäre gesintert, wodurch der Grundkörper 4, zusammengesetzt aus der vorgenannten harten Legierung, erhalten wird. Eine Oberfläche des Grundkörper 4 wird dann einem Polierprozess unterzogen, und ein Schneidteil wird, falls gewünscht, einem Honprozess unterzogen.
Anschließend wird eine Beschichtungsschicht auf der Oberfläche durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden.
Zuerst wird der Grundkörper 4 aus dem Hartmetall einer Vorbehandlung bei einer Filmablagerungstemperatur von 700 bis 800 °C und 5 bis 50 kPa unterzogen, durch Herstellen eines Gasgemisches aus 1 bis 5 Vol.-% Kohlenmonoxid (CO) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas, und anschließendes Einspeisen des Gasgemisches in eine Kammer. Ein Verhältnis des Kohlenstoffgehalts in der Oberfläche des Grundkörpers 4 wird durch die Vorbehandlung erhöht. Demzufolge ist es, wenn anschließend die erste Schicht 7 abgelagert wird, weniger wahrscheinlich, dass Kohlenstoffbestandteile diffundieren und sich in Richtung der ersten Schicht 7 auf der Oberfläche des Grundkörpers 4 bewegen, so dass das Auftreten einer großen Verzerrung in den WC-Partikeln in der Oberfläche des Grundkörpers 4 weniger wahrscheinlich ist.
Anschließend wird der erste Bereich 8, der hauptsächlich aus Titannitrid (TiN) zusammengesetzt ist, bei einer Filmablagerungstemperatur von 800-940 °C und 8-50 kPa abgeschieden, durch Herstellen eines Gasgemisches aus 0,5-10 Vol.-% Titantetrachlorid (TiCl₄) -Gas, 10-60 Vol.-% Stickstoff (N₂) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas, und anschließendes Einspeisen des Gasgemisches in die Kammer. Hierbei wird die Ausgangstemperatur der Filmabscheidung so gesteuert, dass sie um 10-50 °C niedriger ist als die Endtemperatur der Filmabscheidung und die Temperatur wird während der Filmabscheidung erhöht. Dies stellt sicher, dass W- und Co-Bestandteile in der Oberfläche des Grundkörpers weniger wahrscheinlich diffundieren und eine große Verzerrung in den WC-Partikeln in der Oberfläche des Grundkörpers 4 weniger wahrscheinlich auftritt.
Danach wird der zweite Bereich 9 abgeschieden. Zuerst wird die Schicht 9a, die hauptsächlich aus MT-Titancarbonitrid zusammengesetzt ist, bei einer Filmablagerungstemperatur von 780-880 ° C und 5-25 kPa abgeschieden, durch Herstellen eines Gasgemisches aus 0,5-10 Vol.-% Titantetrachlorid (TiCl4) -Gas, 5-60 Vol.-% Stickstoff (N₂) -Gas, 0,1-3 Vol.-% Acetonitril (CH₃CN) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas, und anschließendes Einspeisen des Gasgemisches in die Kammer. Hierbei kann, durch eine Erhöhung des Gehalts/Mengenverhältnisses des Acetonitril (CH₃CN) -Gases in einem späteren Stadium der Filmabscheidung im Vergleich zu einem Anfangsstadium der Filmabscheidung, eine mittlere Kristallbreite der Stängelkristallle aus Titancarbonitrid, welche die Schicht 9a bilden, auf einer Seite der Oberfläche größer gemacht werden als auf einer Seite des Grundkörpers 4.
Anschließend wird die hauptsächlich aus HT-Titancarbonitrid zusammengesetzte Schicht 9b, die den zweiten Bereich 9 bildet, abgeschieden. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine HT-Titancarbonitridschicht unter spezifischen Abscheidungsbedingungen abgeschieden. Die Abscheidung wird bei einer Filmablagerungstemperatur von 900 bis 1050 °C und 5 bis 40 kPa durchgeführt, durch Herstellen eines Gasgemisches aus 1-4 Vol.-% Titantetrachlorid (TiCl₄) -Gas, 5-20 Vol.-% Stickstoff (N₂) -Gas, 0,1-10 Vol.-% Methan (CH₄) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas, und anschließendes Einspeisen des Gasgemisches in die Kammer.
Außerdem wird die zweite Schicht 10 abgeschieden. Die spezifischen Abscheidungsbedingungen in der vorliegenden Ausführungsform sind wie folgt. Die Abscheidung wird bei einer Filmablagerungstemperatur von 900-1050 °C und 5-40 kPa durchgeführt, durch Herstellen eines Gasgemisches aus 3-15 Vol.-% Titantetrachlorid (TiCl₄) -Gas, 3-10 Vol.-% Methan (CH₄) -Gas, 10-25 Vol.-% Stickstoff (N₂) -Gas, 0,5-2,0 Vol.-% Kohlenmonoxid (CO) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂)-Gas, und anschließendes einspeisen des Gasgemisches in die Kammer. In diesem Schritt kann das Stickstoffgas (N₂) mit Argon (Ar) -Gas ersetzt werden. Durch diesen Schritt werden die nadelförmigen Kristalle, die sich in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers 4 erstrecken, in der zweiten Schicht 10 gebildet, wodurch die Adhäsion an die dritte Schicht 11, die nachfolgend abgeschieden wird, verbessert wird.
Danach wird die dritte Schicht 11 abgeschieden. Zuerst werden Aluminiumoxidkristallkerne gebildet bei 950 bis 1100 ° C und 5 bis 40 kPa unter Verwendung eines Gasgemisches aus 5-10 Vol.-% Aluminiumtrichlorid (AlCl₃) -Gas, 0,1-1,0 Vol.-% Chlorwasserstoff (HCl) -Gas, 0,1-5,0 Vol.-% Kohlendioxid (CO₂) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas.
Anschließend erfolgt eine weitere Abscheidung bei 950-1100 °C und 5-20 kPa unter Verwendung eines Gasgemisches aus 0,5-5,0 Vol.-% Aluminiumtrichlorid (AlCl₃) -Gas, 1,5-5,0 Vol.-% Chlorwasserstoff (HCl) -Gas, 0,5-5,0 Vol.-% Kohlendioxid (CO₂) -Gas, 0-1,0 Vol.-% Schwefelwasserstoff (H₂S) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂)-Gas. In diesem Abscheidungsprozess der zweiten Stufe wird ein Wachstumszustand von Aluminiumoxidkristallen, abgeschieden auf einer Seite der dritten Schicht 11 nahe der zweiten Schicht 10, angepasst, um die Orientierungen der Aluminiumoxidkristalle zu steuern.
Anschließend wird ein Aluminiumoxid bei 950 bis 1100 °C und 5 bis 20 kPa abgeschieden, unter Verwendung eines Gasgemisches aus 5-15 Vol.-% Aluminiumtrichlorid (AlCl₃) -Gas, 0,5-2,5 Vol.-% Chlorwasserstoff (HCl) -Gas, 0,5-5,0 Vol.-% Kohlendioxid (CO₂) -Gas, 0-1,0 Vol.-% Schwefelwasserstoff (H₂S) -Gas und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas. In diesem Abscheidungsprozess der dritten Stufe wird ein Wachstumszustand von Aluminiumoxidkristallen, abgeschieden auf einer Oberflächenseite der dritten Schicht 11, angepasst, um die Orientierungen der Aluminiumoxidkristalle zu steuern.
Die zweite Stufe und die dritte Stufe in dem Abscheidungsprozess der dritten Schicht 11 können so ausgestaltet sein, dass die Zusammensetzung des Gasgemisches kontinuierlich verändert wird, anstatt unabhängige Prozesse zu sein.
Falls gewünscht, wird die vierte Schicht 12 abgeschieden. Wenn die vierte Schicht 12 aus TiN zusammengesetzt ist, sind die spezifischen Abscheidungsbedingungen wie folgt. Das heißt, eine Abscheidung wird bei einer Filmabscheidungstemperatur von 960-1100 °C und 10-85 kPa durchgeführt, unter Verwendung eines Gasgemisches, als Reaktionsgaszusammensetzung, aus 0,1-10 Vol.-% Titantetrachlorid (TiCl4) -Gas, 10-60 Vol.-% Stickstoff (N₂) -Gas, und, nämlich der Rest, Wasserstoff (H₂) -Gas. und anschließendes Einspeisen des Gasgemisches in die Kammer.
Danach wird, falls gewünscht, ein Polierprozess an mindestens einem Teil der Oberfläche der abgeschiedenen Beschichtungsschicht 5 ausgeführt, an dem sich die Schneidkante 6 befindet. Der Polierprozess macht die Schneidkante 6 glatt und ein Werkstück wird weniger wahrscheinlich geschweißt, was so zu dem Werkzeug mit verbesserter Bruchfestigkeit führt.
Beispiele
Zunächst werden in einer Menge von 6 Gew.-% Kobaltmetallpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,2 µm, in einer Menge von 0,5 Gew.-% Titancarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2,0 µm, in einer Menge von 5 Gew.-%, Niobiumcarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2,0 µm, und, nämlich der Rest, Wolframcarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,5 µm, zugegeben und vermischt. Dies wurde durch Pressformen in eine Werkzeugform (CNMG120408) geformt, gefolgt von einem Entbinderungsprozess. Dies wurde dann im Vakuum bei 1500 °C und 0,01 Pa für eine Stunde gesintert, wodurch ein aus Hartmetall zusammengesetzter Grundkörper hergestellt wurde. Der so hergestellte Grundkörper wurde dann einem Bürstprozess unterzogen und ein Teil des Grundkörpers, welcher als eine Schneidkante diente, einem Rundhonungsprozess.
Ein Schneidwerkzeug wurde durch Abscheiden einer Beschichtungsschicht auf den Grundkörper aus Hartmetall, über ein chemisches Gasphasenabscheidungs (CVD) - Verfahren unter Filmabscheidungsbedingungen gemäß Tabelle 1 hergestellt. Verbindungen sind in den Tabellen 1 und 2 durch ihre chemischen Symbole dargestellt.
Zuerst wurde die Spanfläche in der obigen Probe einer Röntgenbeugungsanalyse unter Verwendung von CuKa-Strahlen unterzogen, ohne die Beschichtungsschicht zu polieren. Unter den gemessenen Beugungsmaxima/Beugungspeaks wurden ein stärkstes Maximum bzw. ein stärkster Peak und ein zweitstärkstes Maximum bzw. ein zweitstärkster Peak festgelegt.
Eine Bruchfläche des Werkzeugs wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und eine Dicke von jeder der Schichten gemessen. Eine KAM-Messung nach dem EBSD-Verfahren wurde wie folgt durchgeführt.
Ein Querschnitt des Schneidwerkzeugs wurde einem Schwabbelpolieren (buff polishing) unter Verwendung von choroidalem Siliciumdioxid (choroidal silica) unterzogen und ein Messbereich wurde unter Verwendung eines von Oxford Instruments hergestellten EBSD (Modellnummer JSM7000F) in quadratische Bereiche (Pixel) unterteilt. Die Orientierungen der Pixel in jedem der unterteilten Bereiche wurden gemessen, indem von einem rückgestreuten Elektron eines Elektronenstrahls der auf die Oberfläche der Probe auftrifft ein Kikuchi-Muster erhalten wurde. Gemessene Orientierungsdaten wurden unter Verwendung einer Analysesoftware, die in das gleiche System eingebettet war, analysiert und verschiedene Parameter wurden berechnet.
Die Beobachtungsbedingungen waren wie folgt. Eine Beschleunigungsspannung betrug 15 kV. Ein Messbereich war auf der Oberfläche des Hartmetalls das den Grundkörper bildete 60 µm breit und 5 µm tief. Ein Abstand zwischen benachbarten Pixeln (Schrittgröße) wurde auf 0,1 µm eingestellt. Diejenigen deren Orientierungsdifferenz zwischen benachbarten Pixeln 5° oder mehr betrug wurden als Kristallkorngrenzen betrachtet. In Bezug auf KAM wurde ein Durchschnittswert von Orientierungsdifferenzen zwischen den Pixeln innerhalb des Kristallkorns und benachbarten Pixeln, die in einem Bereich vorliegen, der die Kristallgrenzen nicht überschreitet, berechnet und ein KAM-Durchschnittswert wurde als ein Durchschnittswert aller Pixel gemessen, die den gesamten Messbereich bilden. Bei der Messung des KAM-Durchschnittswerts wurden drei beliebige Sichtfelder gemessen und ihr Durchschnittswert wurde ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabellen 2 und 3 dargestellt.
Dann wurden ein kontinuierlicher Schneidetest und ein intermittierender Schneidetest mit dem erhaltenen Schneidwerkzeug unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit wurden bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
(Kontinuierliche Schneidbedingungen)

Werkstück: Chrom-Molybdän-Stahl (SCM435)
Werkzeugform: CNMG120408
Schnittgeschwindigkeit: 300 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,30 mm/U
Schnitttiefe: 1,5 mm
Schneidzeit: 25 Minuten
Sonstiges: Verwendung von wasserlöslicher Schneidflüssigkeit
Bewertungspunkte: Ein Schneidkantenhonabschnitt wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht und eine Freiflächenverschleißbreite an der Freifläche in einem tatsächlich verschlissenen Bereich wurde gemessen.

(Intermittierende Schneidbedingungen)

Werkstück: Chrom-Molybdän-Stahl mit vier Rillen (flutes) (SCM440)
Werkzeugform: CNMG120408
Schnittgeschwindigkeit: 300 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,30 mm / U
Schnitttiefe: 1,5 mm
Sonstiges: Verwendung von wasserlöslicher Schneidflüssigkeit
Bewertungsgegenstand: Die Anzahl der Schläge/Stöße vor dem Erreichen einer Fraktur wurde gemessen.

[Tabelle 1]

Beschichtungsschicht		Zusammensetzung Gasgemisch (Vol.-%)	Temperatur Kammer (°C)	Druck (kPa)
Wärmebehandlung		CO:2.5,H₂: Verhältnis	750	10
TiN-1		TiCl₄:2.5,N₂:23,H₂: Verhältnis	800→850	16
TiN-2		TiCl4:2.5,N2:23,H2: Verhältnis	900	16
TiCN-1(MT)		TiCl₄:1.0,N₂:10,CH₃CN:0.1➙0.4,H₂: Verhältnis	850	9
TiCN-2(HT)		TiCl₄:1.0,N₂:10,CH₄:2.0,H₂: Verhältnis	1010	9
TiCO-1		TiCl₄:7.0,CH₄:5.5,CO:0.5,H₂: Verhältnis	1000	15
TiCNO-1		TiCl₄:7.0,CH₄:3.5,N₂:15.0,CO:1.0.H₂: Verhältnis	1000	15
Al₂O₃-1		AlCl₃:8.0,HCl:0.5,CO₂:1.0.H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-2		AlCl₃:3.5,HCl:2.0,CO₂:1.0,H₂S:0.5,H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-3		AlCl₃:7.0,HCl.1.0,CO₂:1.0,H₂S:0.5,H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-4		AlCl₃:2.5➙5.0,HCl:2.0➙0.5,CO₂:1.3,H₂S:0.1,H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-5		AlCl₃:6.5,HCl:1,CO₂:1.5_,H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-6		AlCl₃:6.0.HCl:1.0.CO₂:1.2.H₂S:0.4,H₂: Verhältnis	1000	10
Al₂O₃-7		AlCl₃:4.0,HCl:2.0,CO₂:3.0,H₂S:0.7,H₂: Verhältnis	970	20
Al₂O₃-8		AlCl₃:8.0,HCl.0.5,CO₂:3.0,H₂S:0.6,H₂: Verhältnis	1050	10
Al₂O₃-9		AlCl₃:5.0➙12,HCl:2.0➙1.5,CO₂:3.0,H₂S:0.3,H₂: Verhältnis	990	10
TiN-3		TiCl₄:2.0,N₂:40,H₂: Verhältnis	1010	30
*TiCN-1 (MT),Al₂O₃-3,Al₂O₃-8:
Die zugegebene Menge von jedem Gas (AlCl_3, CO₂, H₂S) wurde kontinuierlich von x nach y verändert.
	*Die Kammertemperatur von TiN-1 wurde kontinuierlich gesteigert von 800°C bis 850°C.

[Tabelle 2]

Probe Nr.	Wärmebehandlung	Beschichtungsschicht
		Erster Bereich	Zweiter Bereich		Erste Schicht Dicke (µm)	Zweite Schicht	Dritte Schicht			Vierte Schicht
		Erster Bereich	Schicht 9a	Schicht 9b	Erste Schicht Dicke (µm)	Zweite Schicht	Dritte Schicht			Vierte Schicht
1	Ja	TiN-1 (0.2)	TiCN-1 (15.5)	TiCN-2 (0.2)	15,9	TiCNO-1 (0.1)	Al₂O₃-1 (<0.1 )	Al₂O₃-2 (2)	Al₂O₃-3 (5)	-
2	Ja	TiN-1	TiCN-1	TiCN-2	14,5	TiCO-1	Al₂O₃-1	Al₂O₃-4		TiN-3
2	Ja	(1)	(1)	(0.5)	14,5	(0.1)	(<0.1 )	(7)		(2)
3	Ja	TiN-1 (0.5)	TiCN-1 (5.5)	TiCN-2 (0.1)	6,1	TiCO-1 (0.05)	Al₂O₃-5 (<0.1 )	Al₂O₃-2 (3)	Al₂O₃-6 (4)	TiN-3 (1.5)
4	Ja	TiN-1 (2)	TiCN-1 (8)	TiCN-2 (0.3)	10,3	TiCO-1 (0.1)	Al₂O₃-1 (<0.1 )	Al₂O₃-7 (1)	Al₂O₃-8 (6)	TiN-3 (1)
5	Ja	-	TiCN-1	TiCN-2	5,5	TiCNO-1	Al₂O₃-1	Al₂O₃-9		TiN-3
5	Ja		(5)	(0.5)	5,5	(0.5)	(<0.1 )	(7)		(3)
6	Ja	TiN-2	TiCN-1	TiCN-2	7,5	TiCNO-1	Al₂O₃-2			TiN-3
6	Ja	(1)	(6)	(0.5)	7,5	(0.1)	(7)			(1)
7	Nein	TiN-1	TiCN-1	TiCN-2	10,1	TiCNO-1	Al₂O₃-5	Al₂O₃-3	Al₂O₃-2	TiN-3
7	Nein	(0.5)	(9)	(0.1)	10,1	(0.1)	(<0.1 )	(2)	(5)	(0.5)
*1) Werte in Klammem stellen die Schichtdicke in µm dar.

[Tabelle 3]

Probe Nr.	KAM Durchschnittswert (° )	XRD Maximum /Signal		Zerspanleistung
		Erststärkstes Maximum/Peak	Zweitstärkstes Maximum/Peak	Freiflächenverschleißbreite Vb	Zahl der Schläge
		Erststärkstes Maximum/Peak	Zweitstärkstes Maximum/Peak	(mm)	(Anzahl)
1	0.8	(104)	(116)	0.16	3100
2	0.5	(116)	(104)	0.12	3500
3	0.6	(104)	(116)	0.16	3400
4	0.4	(104)	(116)	0.09	3750
5	1	(110)	(104)	0.22	3000
6	1.3	(104)	(012)	0.32	2600
7	1.8	(012)	(110)	0.44	2300

Gemäß den Ergebnissen der Tabellen 1 bis 3, tritt in Proben Nr. 1 bis 5, deren KAM-Durchschnittswert 0,4-1 ° beträgt, was kleiner als 1 °ist, geringes oder kein Abblättern in der Beschichtungsschicht auf, eine Freiflächenverschleißbreite ist kleiner und die Anzahl der Schläge/Stöße erhöht. Insbesondere ist in den Proben Nr. 2 bis 4, deren erste Schicht eine Dicke von 6-15 µm aufweist, die Freiflächenverschleißbreite klein und die Anzahl der Schläge/Stöße groß. In den Proben Nr. 1 bis 4, deren erste Schicht zusammengesetzt ist aus einem ersten Bereich gebildet aus TiN und einem zweiten Bereich gebildet aus Ti (C_xN_1-x) (0 <x <1), welche die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, ist eine Freiflächenverschleißbreite klein und die Anzahl der Schläge/Stöße groß.
In den Proben Nr. 2 bis 4, deren erster Bereich eine Dicke von 0,5 bis 3 µm und deren zweiter Bereich eine Dicke von 5,5 bis 14,5 µm aufweist, ist die Flankenverschleißbreite klein und die Anzahl der Schläge/Stöße groß.
Bezugszeichenliste

1: Schneidewerkzeug
2: erste Oberfläche
3: zweite Oberfläche
4: Grundkörper
5: Beschichtungsschicht
6: Schneidkante
7: erste Schicht
8: erster Bereich
9: zweiter Bereich
10: zweite Schicht
11: dritte Schicht
12: vierte Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011152602 [0004]

Claims

Beschichtetes Werkzeug, umfassend: einen Grundkörper aus Hartmetall; und eine Beschichtungsschicht, angeordnet auf einer Oberfläche des Grundkörpers, die Beschichtungsschicht umfassend eine erste Schicht, welche in Kontakt mit dem Grundkörper steht und Ti(C_xN_1-x) (0 ≤ x ≤ 1) enthält, wobei ein KAM-Durchschnittswert von WC-Partikeln in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, 1° oder weniger beträgt, gemessen mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs (EBSD) -Verfahren, unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops mit einem Elektronen-Rückstreu-Beugungs-Bildgebungssystem.
Beschichtetes Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht eine Dicke von 6-15 µm aufweist.
Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht einen ersten Bereich, der in Kontakt mit dem Grundkörper steht, und einen zweiten Bereich umfasst, der auf dem ersten Bereich angeordnet ist, und ein Kohlenstoffgehalt von dem ersten Bereich kleiner ist als ein Kohlenstoffgehalt von dem zweiten Bereich.
Beschichtetes Werkzeug gemäß Anspruch 3, wobei der erste Bereich eine Dicke von 0,5-3 µm und der zweite Bereich eine Dicke von 5,5-14,5 µm aufweist.
Beschichtetes Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Beschichtungsschicht ferner umfasst: eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht angeordnet ist und Ti(C_xN_1-x-yO_y) enthält (0 <x <1, 0 <y <1), und eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht angeordnet ist und Aluminiumoxid enthält.
Beschichtetes Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Schicht einen Stängelkristall aus Titancarbonitrid umfasst, der sich in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, und eine Breite des Stängelkristalls in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Grundkörpers 0,4 µm oder weniger beträgt.
Beschichtetes Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Verhältnis eines Kohlenstoffgehalts in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 5 µm von der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, zu einem Kohlenstoffgehalt in einem Bereich, der sich bis zu einer Tiefe von 200 µm oder mehr von der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt, 0,95 bis 1 beträgt.