DE112016005414B4

DE112016005414B4 - Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112016005414B4
Application number: DE112016005414.9T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Kodama; Hayato Kubo; Tadashi Katsuma; Kensaku WATANABE; Kenji Kumai
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: KR102089996B1; CN108290223B; WO2017090765A1; JP6853327B2; CN108290223A; KR20180072800A; JP6608949B2; US10682707B2; JP2020037179A; JPWO2017090765A1; US20180369926A1; DE112016005414T5

Abstract

Ein Schneidwerkzeug (1), aufweisend:ein Basiselement (5) undeine Beschichtungsschicht (6), welche auf einer Oberfläche des Basiselements (5) angeordnet ist,wobei die Beschichtungsschicht (6) aufweist:eine untere Schicht (7), welche Titancarbonitrid enthält,eine obere Schicht (9), welche oberhalb der unteren Schicht (7) angeordnet ist und Aluminiumoxid mit einer α-Kristallstruktur enthält, undeine Zwischenschicht (8), welche zwischen der unteren Schicht (7) und der oberen Schicht (9) angeordnet ist,wobei die Zwischenschicht (8) aufweist:eine erste Schicht (8a), welche zur unteren Schicht (7) benachbart ist und TiCx1Ny1Oz1(0 ≤ x1 < 1, 0 ≤ y1 < 1, 0 < z1 < 1 und x1 + y1 + z1 = 1) enthält,eine zweite Schicht (8b), welche zur oberen Schicht (9) benachbart ist und TiCx2Ny2Oz2(0 ≤ x2 < 1,0 ≤ y2 < 1,0 < z2 < 1 und x2 + y2 + z2 = 1) enthält, undeine dritte Schicht (8c), welche zwischen der ersten Schicht (8a) und der zweiten Schicht (8b) angeordnet ist und TiCx3Ny3Oz3(0 ≤ x3 < 1, 0 ≤ y3 < 1,0 ≤ z3 < 1 und x3 + y3 + z3 = 1) enthält, undwobei z1 > z3 und z2 > z3 ist,wobei die zweite Schicht (8b) eine Mehrzahl nadelförmiger Vorsprünge (13) aufweist, welche in einem Querschnitt orthogonal zur Oberfläche des Basiselements (5) aufwärts vorstehen, undwobeidie dritte Schicht (8c) einen ersten Vorsprung (14) aufweist, welcher aufwärts vorsteht, undzumindest einer der Vorsprünge (13) ausgehend von einem obersten Abschnitt (14a) des ersten Vorsprungs (14) aufwärts vorsteht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Ausführungsform betrifft ein Schneidwerkzeug, welches eine Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche eines Basiselements aufweist.
BEZOGENE TECHNIK
Ein Schneidwerkzeug ist bekannt, welches ein Basiselement aus Hartmetall, Cermet oder Keramik und eine Beschichtungsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche des Basiselements angeordnet ist. Diese Art von Schneidwerkzeug wird gewöhnlich als ein beschichtetes Werkzeug bezeichnet. Beispielsweise sind eine Titancarbonitrid-(TiCN)-Schicht und eine Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Schicht als eine Beschichtungsschicht bekannt.
Für das Schneidwerkzeug ist es hochwahrscheinlich, unter schwierigen Schneidbedingungen eingesetzt zu werden, wie beispielsweise schweres unterbrochenes Schneiden, zusammen mit der neuerlich höheren Effizienz in einem Schneidvorgang. Eine Schneidkante ist anfällig für starke Stöße während des schweren unterbrochenen Schneidens. Die Beschichtungsschicht ist starken Stößen ausgesetzt, und unter den schwierigen Schneidbedingungen ist es wahrscheinlich, dass ein Abplatzen und Abschälen der Beschichtungsschicht auftritt. Die Beschichtungsschicht erfordert daher eine Verbesserung der Bruchwiderstandsfähigkeit zusätzlich zu einer Abnutzungswiderstandsfähigkeit.
In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-174304 (Patentdokument 1) liegt eine Zwischenschicht, welche, wenn diese in einer Querschnittsrichtung betrachtet wird, aus nadelförmigen Partikeln gebildet ist, an einer Schnittstelle zwischen eine Titancarbonitridschicht und einer Aluminiumoxidschicht vor, welche auf einer Oberfläche der Titancarbonitridschicht abgelagert ist. Das Vorliegen der Zwischenschicht trägt zu einer Verbesserung der Bruchwiderstandsfähigkeit eines im Patentdokument 1 beschriebenen Schneidwerkzeugs bei.
Weiter ist aus JP 2010 - 172 989 A ein Schneidwerkzeug bekannt, aufweisend: ein Basiselement und eine Beschichtungsschicht, welche auf einer Oberfläche des Basiselements angeordnet ist, wobei die Beschichtungsschicht aufweist: eine untere Schicht, welche Titancarbonitrid enthält, eine obere Schicht, welche oberhalb der unteren Schicht angeordnet ist und Aluminiumoxid mit einer α-Kristallstruktur enthält, und eine Zwischenschicht, welche zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht aufweist und wobei die zweite Schicht eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweist, welche in einem Querschnitt orthogonal zur Oberfläche des Basiselements aufwärts vorstehen.
Zudem sind aus S. Ruppi: „Deposition, microscturture and properties of texturecontrolled CVD α-Al2O3 coatings“, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 23, 2005, 306-316 (https://doi.org/10.1016/i.ijrmhm.2005.05.004) Mikrostrukturen und Eigenschaften von Beschichtungen aus Aluminiumoxid mit α-Kristallstruktur bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schneidwerkzeug mit weiter verbesserter Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitergehende Ausgestaltungen des Schneidwerkzeugs sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeugs einer Ausführungsform,
2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Konfiguration eines Querschnitts einer Beschichtungsschicht des Schneidwerkzeugs der 1, und
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Hauptteils für den Zweck des Beschreibens einer Konfiguration nahe einer Zwischenschicht des Schneidwerkzeugs der 2.

AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie es in der 1 gezeigt ist, hat ein Schneidwerkzeug 1 (nachfolgend einfach als „ein Werkzeug“ bezeichnet) in der vorliegenden Ausführungsform eine Stabgestalt, deren Hauptfläche in etwa eine Rechteckgestalt hat. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine obere Fläche in der 1 eine Hauptfläche, bildet ein Teil der Hauptfläche eine Spanfläche 2 und bildet ein Teil einer Seitenfläche eine Flankenfläche bzw. Freifläche 3. Zumindest ein Teil eines Bereichs, in welchem die Spanfläche 2 die Freifläche 3 schneidet, bildet eine Schneidkante 4.
Wie in einer schematischen Darstellung eines Querschnitts, welcher in der 2 gezeigt ist, weist das Werkzeug 1 ein Basiselement 5 und eine Beschichtungsschicht 6 auf, welche an/auf einer Oberfläche des Basiselements 5 angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht 6 weist eine untere Schicht 7, eine Zwischenschicht 8 und eine obere Schicht 9 auf. Die untere Schicht 7 ist an/auf der Oberfläche des Basiselements 5 angeordnet. Die obere Schicht 9 ist oberhalb/über der unteren Schicht 7 angeordnet. Die Zwischenschicht 8 ist zwischen der unteren Schicht 7 und der oberen Schicht 9 angeordnet. Die untere Schicht 7 enthält Titancarbonitrid. Die obere Schicht 9 enthält Aluminiumoxid mit einer α-Kristallstruktur (α-Al₂O₃).
Die untere Schicht 7 kann sich mit der Oberfläche des Basiselements 5 in Kontakt befinden. Die Beschichtungsschicht 6 kann weiter eine Grundschicht bzw. Basisschicht 10 aufweisen, welche zwischen der unteren Schicht 7 und dem Basiselement 5 angeordnet ist. Beispiele der Grundschicht 10 weisen eine Schicht auf, die Titannitrid (TiN) enthält.
Die obere Schicht 9 kann eine äußerste Schicht der Beschichtungsschicht 6 sein. Die Beschichtungsschicht 6 kann weiter eine Oberflächenschicht 11 aufweisen, welche oberhalb/über der oberen Schicht 9 angeordnet ist. Beispiele der Oberflächenschicht 11 weisen eine Schicht auf, die Titannitrid enthält.
Als Titancarbonitrid, welches in der unteren Schicht 7 enthalten ist, gibt es zum Beispiel ein so genanntes MT-(moderate temperature)-Titancarbonitrid, welches geformt werden kann durch Ablagern bzw. Abscheiden unter Verwendung eines Rohmaterials, welches Acetonitril-(CH₃CN)-Gas enthält, bei relativ niedrigen Temperaturen von 780 bis 900 °C. Kristalle 12 des Titancarbonitrids in der unteren Schicht 7 können aus stabförmigen Kristallen gebildet sein, welche in einer Dickenrichtung der Beschichtungsschicht 6 schmal und lang sind.
Wenn eine mittlere Kristallbreite der Kristalle 12 des Titancarbonitrids in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Basismaterials 5 (eine Querrichtung in der 2) 100 bis 800 nm ist, hat die untere Schicht 7 eine große Zähigkeit und bildet Effekte des Absorbierens von Stößen aus, welche auf die Beschichtungsschicht 6 wirken, wodurch eine Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht 6 verbessert wird. Ein bevorzugter Bereich der mittleren Kristallbreite ist 400 bis 600 nm.
Hier wird das Titancarbonitrid, welches in der unteren Schicht 7 enthalten ist, durch TiC_xN_y repräsentiert. Wenn 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0,2 ≤ y ≤ 0,6 und x + y = 1 ist, hat die Beschichtungsschicht 6 eine große Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit. Wenn 0,6 ≤ x ≤ 0,8 und 0,2 ≤ y ≤ 0,4 ist, hat die Beschichtungsschicht 6 eine größere Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die Zwischenschicht 8 eine erste Schicht 8a benachbart zur unteren Schicht 7, eine zweite Schicht 8b benachbart zur oberen Schicht 9 und eine dritte Schicht 8c auf, welche zwischen der ersten Schicht 8a und der zweiten Schicht 8b angeordnet ist. Eine jede von der ersten Schicht 8a, der zweiten Schicht 8b und der dritten Schicht 8c enthält eine Titanverbindung.
Wenn die Titanverbindung, welche in der ersten Schicht 8a enthalten ist, durch TiC_x1N_y,O_z1 repräsentiert ist, sind 0 ≤ x1 < 1, 0 ≤ y1 < 1, 0 < z1 < 1 und x1 + y1 + z1 = 1. Wenn die Titanverbindung, welchen in der zweiten Schicht 8b enthalten ist, durch TiC_x2N_y2O_z2 repräsentiert ist, sind 0 ≤ x2 < 1, 0 ≤ y2 < 1, 0 < z2 < 1 und x2 + y2 + z2 = 1. Wenn die Titanverbindung, welche in der dritten Schicht 8c enthalten ist, durch TiC_x3N_y3O_z3 repräsentiert ist, sind 0 ≤ x3 < 1, 0 ≤ y3 < 1, 0 ≤ z3 < 1 und x3 + y3 + z3 = 1.
Hier ist z1 > z3 und ist z2 > z3. Das heißt, in der Zwischenschicht 8 in der vorliegenden Ausführungsform ist ein Sauerstoffgehaltsverhältnis in einer jeden der ersten Schicht 8a und der zweiten Schicht 8b relativ betrachtet größer als das in der dritten Schicht 8c, wie sie oben beschrieben ist. Da die Zwischenschicht 8 so eingerichtet ist, ist es möglich, eine Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und einer jeden von der unteren Schicht 7 und der oberen Schicht 9 zu verbessern.
Insbesondere trägt das Vorliegen der ersten Schicht 8a, deren Sauerstoffgehaltsverhältnis relativ betrachtet größer ist, zum Verbessern der Adhäsion der Zwischenschicht 8 an der unteren Schicht 7 bei. Das Vorliegen der zweiten Schicht 8b, deren Sauerstoffgehaltsverhältnis relativ betrachtet größer ist, trägt zum Verbessern der Adhäsion der Zwischenschicht 8 an der oberen Schicht 9 bei. Zusätzlich, da das Sauerstoffgehaltsverhältnis in der zweiten Schicht 8b relativ betrachtet größer ist, tendiert das Aluminiumoxid in der oberen Schicht 9 dazu, eine α-Kristallstruktur einzunehmen.
Das Sauerstoffgehaltsverhältnis in der Gesamtheit der Zwischenschicht 8 ist nicht einheitlich hoch, sondern die dritte Schicht 8c, deren Sauerstoffgehaltsverhältnis relativ betrachtet geringer ist, liegt zwischen der ersten Schicht 8a und der zweiten Schicht 8b vor. Da das Sauerstoffgehaltsverhältnis in der dritten Schicht 8c relativ betrachtet geringer ist, hat die dritte Schicht 8c eine höhere Härte als die erste Schicht 8a und die zweite Schicht 8b. Dies führt insgesamt zu einer höheren Härte der Zwischenschicht 8, wodurch eine Verschlechterung in der Haltbarkeit der Zwischenschicht 8 verhindert wird. Deshalb führt die verbesserte Adhäsion und Haltbarkeit der Zwischenschicht 8 zu einer verbesserten Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht 6.
Insbesondere ist die Adhäsion zwischen der unteren Schicht 7 und der oberen Schicht 9 hoch, wenn in der ersten Schicht 8a 0,1 ≤ x1 ≤ 0,5, 0,2 ≤ y1 ≤ 0,5 und 0,1 ≤ z1 ≤ 0,4 sind, in der zweiten Schicht 8b 0,3 ≤ x2 ≤ 0,8, 0 ≤ y2 ≤ 0,3 und 0,1 ≤ z2 ≤ 0,5 sind und in der dritten Schicht 8c 0,2 ≤ x3 ≤ 0,7, 0,3 ≤ y3 ≤ 0,8 und 0 ≤ z3 ≤ 0,1 sind.
In der ersten Schicht 8a und der zweiten Schicht 8b kann z1 ≥ z2 erzielt werden, jedoch, wenn z1 < z2 erzielt wird, ist es möglich, Verbindungseigenschaften zwischen der Zwischenschicht 8 und der unteren Schicht 7 zu verbessern, für welche die Zwischenschicht 8 gestaltet ist, mit dieser verbunden zu werden. Dies führt zu einer weiter verbesserten Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 6 als Ganzes.
Die zweite Schicht 8b kann in einem Querschnitt orthogonal zur Oberfläche des Basiselements 5 eine Mehrzahl von nadelförmigen Vorsprüngen 13 aufweisen, welche aufwärts vorstehen. Wie es in der 3 gezeigt ist, wenn die Mehrzahl von Vorsprüngen 13 bereitgestellt ist, kann die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 weiter verbessert werden, wodurch folglich die Bruchwiderstandsfähigkeit des Werkzeugs 1 verbessert wird. Ein möglicher Grund für eine weitere Verbesserung der Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 ist, dass die Vorsprünge 13 als ein Keil dienen.
Die wie hierin verwendeten nadelförmigen Vorsprünge 13 bezeichnen solch eine Gestalt, dass diese im Hinblick auf ein Verhältnis drei oder mehr ist, welches erhalten wird durch Teilen einer Länge des Vorsprungs 13 in einer Richtung orthogonal zur Oberfläche des Basiselements 5 durch eine Breite in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Basiselements 5 an einem Mittelpunkt der Länge des Vorsprungs 13 im oben genannten Querschnitt.
Ein jeder der Vorsprünge 13 hat bevorzugt eine Länge von 20 bis 300 nm. Eine starke Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der Oberfläche 9 ist sichergestellt, wenn 40 bis 100 nm eine mittlere Länge der Vorsprünge 13 ist. Eine starke Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 wird ebenfalls sichergestellt, wenn die Anzahl der Vorsprünge 13, welche sich mit einem Neigungswinkel von nicht mehr als 10° bezüglich einer Richtung orthogonal zur Oberfläche des Basiselements 5 erstrecken, 80 % oder mehr einer Gesamtzahl der Vorsprünge 13 ist.
Obwohl die Anzahl der nadelförmigen Vorsprünge 13 nicht besonders beschränkt ist, wird die starke Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 sichergestellt, wenn drei oder mehr der Vorsprünge 13 im Mittel in einem Bereich von 0,5 µm in einer Richtung parallel zur Oberfläche im oben genannten Querschnitt vorliegen.
Eine Oberfläche der dritten Schicht 8c, welche unterhalb der zweiten Schicht 8b angeordnet ist, kann flach sein, oder alternativ, weist einen oder eine Mehrzahl von ersten Vorsprüngen 14 auf, welche aufwärts vorstehen. Wenn die dritte Schicht 8c den ersten Vorsprung 14 aufweist, ist eine Verbindungsfläche zwischen der zweiten Schicht 8b und der dritten Schicht 8c gesteigert, um eine Adhäsion zwischen den beiden Schichten zu verbessern. Der erste Vorsprung 14 muss nicht notwendigerweise eine Nadelgestalt haben.
Wenn zumindest einer der Vorsprünge 13 aufwärts ausgehend von einem obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 vorsteht, wird es für ein vorderes Ende des Vorsprungs 13 einfach, in einer Dickenrichtung tiefer in der oberen Schicht 9 angeordnet zu sein. Dies ermöglicht es, die Rolle des Keils zu verbessern, wodurch die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 weiter verbessert wird.
Eine Oberfläche der unteren Schicht 7, welche unter der Zwischenschicht 8 angeordnet ist, kann flach sein, oder alternativ, weist einen oder mehrere zweite Vorsprünge 15 auf, welche aufwärts vorstehen. Wenn die untere Schicht 7 den zweiten Vorsprung 15 aufweist, ist eine Verbindungsfläche zwischen der Zwischenschicht 8 und der unteren Schicht 7 gesteigert, um die Adhäsion zwischen diesen beiden Schichten zu verbessern. Der zweite Vorsprung 15 muss nicht notwendigerweise eine Nadelgestalt haben.
Das Titancarbonitrid, welches in der unteren Schicht 7 enthalten ist, hat eine Kristallstruktur, welche sich in der Richtung orthogonal zur Oberfläche des Basiselements 5 erstreckt. Die Kristalle 12 des Titancarbonitrids können eine Zwillingsgrenze 16 aufweisen, welche sich in der Richtung orthogonal zur Oberfläche des Basiselements 5 erstreckt. In diesem Fall ist der zweite Vorsprung 15 ein Teil der unteren Schicht 7, welche sich mit der Zwischenschicht 8 in Kontakt befindet und welche zu einem vorderen Endabschnitt des Kristalls 12 korrespondiert, dessen oberster Abschnitt die Zwillingsgrenze 16 ist.
Die ersten Vorsprünge 14 können klassifiziert sein als einer, welcher oberhalb des zweiten Vorsprungs 15 in der unteren Schicht 7 angeordnet ist, und als einer, welcher nicht oberhalb des zweiten Vorsprungs 15 angeordnet ist. Die wie hierin verwendete Aussage, dass der erste Vorsprung 14 oberhalb des zweiten Vorsprungs 15 in der unteren Schicht 7 angeordnet ist, bezeichnet einen Zustand, in welchem ein oberster Abschnitt des zweiten Vorsprungs 15 mit einem obersten Abschnitt des ersten Vorsprungs 14 durch eine imaginäre gerade Linie X verbindbar ist, welche in der 3 gezeigt ist. Wenn zumindest einer von den Vorsprüngen 13 auf der imaginären geraden Linie X angeordnet ist, welche durch den obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 und den obersten Abschnitt 15a des zweiten Vorsprungs 15 verläuft, ist es für das vordere Ende des Vorsprungs 13 einfach, in der Dickenrichtung tiefer in der oberen Schicht 9 angeordnet zu sein. Deshalb kann die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 in einem Bereich gesteigert sein, in welchem die Beschichtungsschicht 6 anfällig für ein Abschälen ist, insbesondere im obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 und im obersten Abschnitt 15a des zweiten Vorsprungs 15, wodurch die Abnutzungswiderstandsfähigkeit und die Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht weiter verbessert wird.
Hier, wenn die Länge des Vorsprungs 13 an der imaginären geraden Linie X größer ist als eine Länge der dritten Schicht 8c an der imaginären geraden Linie X, ist es möglich, die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 weiter zu verbessern.
Wenn die ersten Vorsprünge 14 eine mittlere Breite von 80 bis 300 nm und eine mittlere Höhe von 50 bis 200 nm haben, ist es möglich, die Adhäsion zwischen der unteren Schicht 7, der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 zu verbessern. Ein bevorzugter Bereich der mittleren Breite der ersten Vorsprünge 14 ist 100 bis 200 nm, und eine bevorzugte Breite der mittleren Höhe ist 100 bis 150 nm.
Wie es in der 3 gezeigt ist, bezeichnet eine Breite w1 des ersten Vorsprungs 14 eine Distanz zwischen Böden r und s von unteren Teilen bzw. Flanken an entgegengesetzten Seiten, welche sich ausgehend von dem obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 in Richtung zum Basiselement 5 erstrecken, wenn eine parallele Linie, welche zur Oberfläche des Basiselements 5 parallel ist, die den unteren Teil bzw. die untere Flanke an einer Seite des Bodens s schneidet, nachdem sie durch den Boden r des unteren Teils bzw. der unteren Flanke verlaufen ist, welcher vom Basiselement 5 entfernt ist (eine Seite, welche eine größere Höhe ausgehend vom Basiselement 5 hat). Wie es in der 3 gezeigt ist, bezeichnet eine Höhe h1 des ersten Vorsprungs 14 eine Distanz h1 einer Vertikallinie von einer parallelen Linie, welche als eine Referenz der Breite w1 des ersten Vorsprungs 14 zum obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 dient. Eine mittlere Höhe der ersten Vorsprünge 14 wird ermittelt durch einen Mittelwert der Höhen h1 von nicht weniger als drei ersten Vorsprüngen 14, welche zueinander benachbart sind. Eine Länge des Vorsprungs 13, welcher an dem obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 vorliegt, wird gemessen unter Verwendung, als ein Startpunkt, eines Schnittpunkts von zwei verlängerten Kammlinien, welche mit dem obersten Abschnitt 14a des ersten Vorsprungs 14 kontinuierlich sind.
Wenn der Kristall 12 des Titancarbonitrids in der unteren Schicht 7 die Zwillingsgrenze 16 hat, kann die Zwillingsgrenze 16 fortgesetzt sein, da Kristalle der ersten Schicht 8a und der dritten Schicht 8c wachsen können durch Fortbilden der gleichen Kristallstruktur wie der Kristall 12 des Titancarbonitrids, sogar, wenn die erste Schicht 8a und die dritte Schicht 8c abgelagert werden. In diesem Fall kann die Adhäsion zwischen der unteren Schicht 7 und der Zwischenschicht 8 weiter verbessert werden.
Die Adhäsion zwischen der unteren Schicht 7, der Zwischenschicht 8 und der oberen Schicht 9 kann verbessert werden, wenn in der vorliegenden Ausführungsform die zweiten Vorsprünge 15 eine mittlere Breite von 80 bis 600 nm und eine mittlere Höhe von 30 bis 200 nm haben. Die zweiten Vorsprünge 15 haben bevorzugt eine mittlere Breite in einem Bereich von 200 bis 400 nm und eine mittlere Höhe in einem Bereich von 60 bis 150 nm.
Wie es in der 3 gezeigt ist, bezeichnet eine Breite w2 des zweiten Vorsprungs 15 eine Distanz zwischen Böden p und q von unteren Teilen bzw. Flanken an entgegengesetzten Seiten, welche sich ausgehend vom obersten Abschnitt 15a des zweiten Vorsprungs 15 in Richtung zum Basiselement 5 erstrecken, wenn eine parallele Linie, welche zur Oberfläche des Basiselements 5 parallel ist, den unteren Teil bzw. die untere Flanke an einer Seite des Bodens q schneidet, nachdem sie durch den Boden p des unteren Teils bzw. der unteren Flanke hindurchgetreten ist, welcher vom Basiselement 5 entfernt ist (eine Seite, welche eine größere Höhe ausgehend vom Basiselement 5 hat). Eine mittlere Breite der zweiten Vorsprünge 15 wird ermittelt durch einen Mittelwert der Breiten w2 von nicht weniger als drei zweiten Vorsprüngen 15, welche zueinander benachbart sind. Wie es in der 3 gezeigt ist, bezeichnet eine Höhe h2 des zweiten Vorsprungs 15 eine Distanz h2 einer Vertikallinie ausgehend von einer Parallellinie als eine Referenz der Breite w2 des zweiten Vorsprungs 15 zum obersten Abschnitt 15a des zweiten Vorsprungs 15. Eine mittlere Höhe der zweiten Vorsprünge 15 wird ermittelt durch einen Mittelwert der Höhen h2 von nicht weniger als drei zweiten Vorsprüngen 15, welche zueinander benachbart sind.
Eine Dicke der zweiten Schicht 8b ist nicht auf besondere Werte beschränkt. Jedoch, wenn sie 10 bis 35 nm ist, tendiert das Aluminiumoxid in der oberen Schicht 9, eine α-Kristallstruktur einzunehmen, ohne die Härte der Zwischenschicht 8 zu verschlechtern. Wenn die zweite Schicht 8b die Vorsprünge 13 aufweist, bezeichnet die Dicke der zweiten Schicht 8b eine Dicke, welche die Vorsprünge 13 ausschließt. Krümmungspunkte liegen in einem Bereich vor, in welchem die Vorsprünge 13 vorliegen, und es liegt ein Bereich vor, in welchem keine Vorsprünge 13 vorliegen. Es ist deshalb einfach, eine Grenze dazwischen zu ermitteln, wodurch es ermöglicht wird, die Dicke der zweiten Schicht 8b unter Ausschluss der Vorsprünge 13 zu messen.
Die Adhäsion zwischen der zweiten Schicht 8b und der oberen Schicht 9 ist verbessert, wenn die erste Schicht 8a eine Dicke von 5 bis 50 nm hat und die dritte Schicht 8c eine Dicke von 50 bis 300 nm hat. Die erste Schicht 8a hat bevorzugt einen Dickenbereich von 10 bis 35 nm. Die dritte Schicht 8c hat bevorzugt einen Dickenbereich von 70 bis 100 nm
Wie es oben gezeigt ist, wenn die Dicke der dritten Schicht 8c größer ist als die Dicke einer jeden von der ersten Schicht 8a und der zweiten Schicht 8b, ist die Härte der Zwischenschicht 8 insgesamt weiter verbessert. Dies stellt weiter sicher, eine Verschlechterung der Haltbarkeit der Zwischenschicht 8 zu verhindern.
Die Dicke einer jeden von der ersten Schicht 8a, der zweiten Schicht 8b und der dritten Schicht 8c ist ein Mittelwert von Werten, welche erhalten werden durch Ausführen einer Dickenmessung an zehn oder mehr Abschnitten, welche mit gleichen Intervallen an der Basis einer Grenzlinie der Kristalle 12 des Titancarbonitrids, der ersten Schicht 8a und der dritten Schicht 8c in einem Sichtbereich angeordnet sind, in welchem drei oder mehr Kristalle 12 des Titancarbonitrids vorliegen.
Eine Struktur und eine Dicke einer jeden der Schichten, und eine Gestalt von Kristallen, welche eine jede der Schichten bilden, sind messbar durch Auswerten einer Elektronenmikroskopie (einer Rasterelektronenmikroskopie-(SEM)-Aufnahme oder einer Transmissionselektronenmikroskopie-(TEM)-Aufnahme) in einem Querschnitt des Werkzeugs 1. Eine mittlere Kristallbreite von individuellen Kristallen ist ein Wert, welcher erhaltbar ist durch Auffinden individueller Breiten in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Basiselements 5 in einer Mitte einer Länge in einer Dickenrichtung von individuellen Kristallen und durch Mitteln der Breiten. In der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet die Aussage, dass die Kristallform der Kristalle, welche eine jede Schicht der Beschichtungsschicht 6 bilden, eine Säulengestalt ist, einen Zustand, in welchem ein Verhältnis einer mittleren Kristallbreite der individuellen Kristalle zu einer Länge in der Dickenrichtung der Beschichtungsschicht 6 im Mittel 0,3 oder weniger ist. In einem Fall, in welchem das Verhältnis der mittleren Kristallbreite der individuellen Kristalle zu der Länge in der Dickenrichtung der Beschichtungsschicht 6 im Mittel 0,3 überschreitet, ist definiert, dass eine Kristallform davon eine granulare Gestalt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält die obere Schicht 9 Kristalle von Aluminiumoxid der α-Kristallstruktur und hat eine hohe Härte und Abnutzungswiderstandsfähigkeit. Wenn ein Orientierungskoeffizient Tc(104) der oberen Schicht 9 an einer Oberflächenseite zwei oder mehr ist, was durch die folgende allgemeine Formel für Tc(hkl) ausgedrückt ist, und welcher erhaltbar ist durch eine Röntgendiffraktometrieanalyse, welche an/von der Oberfläche der Beschichtungsschicht 6 gemessen wird, ist die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der oberen Schicht 9 verbessert. Folglich ist das Werkzeug 1 das Werkzeug 1, welches über eine lange Dauer verwendbar ist. Der Tc(104) an der Oberflächenseite liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 3,5.
Hier ist (hkl) eine Kristallebene von irgendeiner von (012), (104), (110), (113), (006), (024), (116) und (214) und wird ein Orientierungskoeffizient Tc(hkl) ausgedrückt durch Tc(hkl) = {I(hkl) / I₀(hkl)} / [(1/9) × Σ {I(HKL) / I₀(hkl)}]. Hier ist (HKL) eine Kristallebene von (012), (104), (110), (113), (006), (024), (116) und (214), ist I eine Peakstärke bzw. Peakintensität (im Weiteren kurz: Peakstärke), welche einer jeden der Kristallebenen zugeordnet ist, und ist I₀ eine standardmäßige Diffraktionsintensität einer jeden der Kristallebenen, welche auf der JCPDS-Karte (engl. „JCPDS card“; im Weiteren JCPDS-Karte) Nr. 00-010-0173 beschrieben ist.
Obwohl ein Grund, warum Tc (104) einen Wert von so groß wie zwei oder mehr hat, nicht klar ist, scheint sich eine Orientierungsrichtung von Kristallen von Aluminiumoxid abhängig von der Zusammensetzung und der Gestalt der Zwischenschicht 8 zu ändern.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Orientierungskoeffizient Tc(104) an einer Seite des Basiselements 5 in einem Abschnitt, welcher eine Dicke von 10 bis 40% von der Seite des Basiselements 5 hat, kleiner als ein Orientierungskoeffizient Tc(104) an einer Oberflächenseite in der oberen Schicht 9. Mit anderen Worten, wenn ein Peak an der Seite des Basiselements 5, welcher durch eine Messung in einem Zustand erfassbar ist, in welchem nur ein Abschnitt der oberen Schicht 9, welche an der Seite des Basiselements 5 angeordnet ist, übrig bleibt durch Polieren eines Teils der oberen Schicht 9, mit einem oberflächenseitigen Peak verglichen wird, welcher erfassbar ist durch Messen von der Oberflächenseite der oberen Schicht 9, ist der Tc(104) an der Oberflächenseite im oberflächenseitigen Peak größer als der Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 im Peak an der Seite des Basiselements 5.
Insbesondere ist der Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 kleiner als der Tc(104) an der Oberflächenseite. Wenn der Orientierungskoeffizient Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 in der oberen Schicht 9 kleiner ist, wird eine Differenz zwischen einer thermischen Expansionsrate der oberen Schicht 9 und der thermischen Expansionsrate eine jeder der Zwischenschicht 8 und der unteren Schicht 7 kleiner, und deshalb ist es für die obere Schicht 9 weniger wahrscheinlich, sich abzuschälen. Ein Bereich des Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 ist bevorzugt 0,1 bis 1,1, und weiter bevorzugt 0,5 bis 1,1.
Ein Verfahren des Messens des Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 und des Tc(104) an der Oberflächenseite in der oberen Schicht 9 ist nachfolgend beschrieben. Eine Röntgendiffraktometrieanalyse der oberen Schicht 9 wird gemessen unter Verwendung einer Röntgendiffraktometrieanalysevorrichtung unter Verwendung eines CuKα-Strahls. Da die Messung an einer flachen Oberfläche ausgeführt wird, welche eine große Fläche hat, wird die Messung an der Freifläche 3 ausgeführt, wenn die Spanfläche 2 mit Unregelmäßigkeiten bereitgestellt ist, wie beispielsweise einem Brecher. Wenn Peakstärken einer jeden der Kristallebenen der oberen Fläche 9 aus einer Röntgendiffraktometrietabelle herausgefunden werden, wird eine Kristallebene eines erfassten Peaks identifiziert und wird eine Peakstärke davon gemessen durch Überprüfen eines Beugungswinkels einer jeden der Kristallebenen, wie es in Nr. 00-101-0173 der JCPDS-Karte beschrieben ist.
Zum Messen des Tc(104) an der Oberflächenseite wird eine Messung von der Oberflächenseite der oberen Schicht 9 ausgeführt. Insbesondere wird eine Röntgendiffraktometrieanalyse an der Beschichtungsschicht 6 in einem Zustand ausgeführt, in welchem die Oberflächenschicht 11 durch Polieren entfernt ist, oder in einem Zustand, in welchem die Oberflächenschicht 11 nicht poliert ist. Ein Orientierungskoeffizient Tc(hkl) wird berechnet durch Messen einer Peakstärke eines jeden der erhaltenen Peaks. Wenn die Oberflächenschicht 11 durch Polieren entfernt wird, können 20% oder weniger der Dicke der oberen Schicht 9 entfernt werden. Sogar, wenn die Röntgendiffraktometrieanalyse in dem Zustand ausgeführt wird, in welchem die Oberflächenschicht 11 keinem Polieren ausgesetzt wird, müssen neun Peaks des Aluminiumoxids gemessen werden. Ein oberflächenseitiger Peak wird erfasst, während ebenfalls ein Orientierungszustand an der Seite des Basiselements 5 der oberen Schicht 9 enthalten ist. Jedoch, da ein Strukturzustand der oberen Schicht 9, welche in der Röntgendiffraktometrieanalyse an einer Position nahe einer gemessenen Fläche angeordnet ist, einen großen Einfluss auf den Peak hat, hat der Orientierungszustand an der Seite des Basiselements 5 einen geringeren Einfluss auf den oberflächenseitigen Peak.
Um den Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 zu messen, wird eine Peakstärke in einem Zustand gemessen, in welchem nur ein Teil der oberen Schicht 9, welcher zum Basiselement 5 nahe ist, durch das Polieren eines Teils der oberen Schicht 9 verbleibt. Insbesondere wird die obere Schicht 9 der Beschichtungsschicht 6 als erstes poliert, bis eine Dicke von 10 bis 40% der Dicke der oberen Schicht 9 vor dem Polieren erhalten wird. Das Polieren wird ausgeführt durch einen Bürstvorgang unter Verwendung von abrasiven Diamantkörnern, einem Vorgang unter Verwendung von elastischen Schleifrädern oder eines Strahlvorgangs. Nachfolgend wird der polierte Teil der oberen Schicht 9 einer Röntgendiffraktometrieanalyse unter den gleichen Bedingungen wie die Messung an dem Teil der Oberflächenseite der oberen Schicht 9 unterzogen, und werden Peaks der oberen Schicht 9 gemessen, um einen Orientierungskoeffizienten Tc(hkl) zu berechnen.
Der Tc(104) an der Oberflächenseite in oberflächenseitigen Peaks der oberen Schicht 9, welche durch das oben genannte Verfahren gemessen werden, ist vergleichbar mit dem Tc(104) an der Seite des Basiselements 5. Der Orientierungskoeffizient Tc ist erhaltbar durch ein Verhältnis von Standarddaten ohne Orientierung, was durch JCPDS-Karten beschrieben ist, und ist deshalb ein Index bzw. ein Kennwert, welcher ein Maß von Orientierung für eine jede der Kristallebenen angibt.
Wenn zwei höchste Peakstärken an der Oberfläche in der oberen Schicht 9 I(116) und I(104) sind, insbesondere, wenn in Bezug auf oberflächenseitige Peaks der oberen Schicht 9 einer von I(116) und I(104) der stärkste ist und der andere von I(116) und I(104) der zweitstärkste ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Kolkverschleiß an der Spanfläche 2 auftritt, und ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Freiflächenverschleiß aufgrund von Mikroabplatzungen an der Freifläche 3 auftritt. Hier kann I(104) der stärkste sein und kann I(116) der zweitstärkste sein, oder kann alternativ I(116) der stärkste sein und kann I(104) der zweitstärkste sein.
Mit der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Tc(104) an der Oberflächenseite der oberflächenseitigen Peaks größer ist als der Tc(104) an der Seite des Basiselements 5 in den Peaks an der Seite des Basiselements 5, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Freiflächenabnutzung an der Freifläche 3 auftritt, und kann eine Bruchwiderstandsfähigkeit in der Spanfläche 2 verbessert werden, um Effekte des Verbesserns der Bruchwiderstandsfähigkeit des Schneidwerkzeugs 1 zu erzeugen.
Wenn der Tc(006) an der Oberflächenseite eins oder mehr ist, zusätzlich dazu, dass der Tc(104) an der Oberflächenseite größer ist als der Tc(104) an der Seite des Basiselements 5, wird eine Kolkverschleißwiderstandsfähigkeit der oberen Schicht 9 signifikant verbessert.
Die Grundschicht 10 in der vorliegenden Ausführungsform enthält Titannitrid. Die Grundschicht 10 verhindert, dass Bestandteile des Basiselements 5, wie beispielsweise Kobalt (Co), Kohlenstoff (C) und Wolfram (W), in die untere Schicht 7 diffundieren. Folglich ist es für die Härte des Oberflächenteils des Basiselements 5 und die Härte der unteren Schicht 7 weniger wahrscheinlich, verschlechtert zu werden. Die Grundschicht 10 kann nur Titannitrid enthalten, oder alternativ, kann neben Titannitrid Titancarbonitrid, Titan-Oxicarbonitrid (TiCNO) und Chromnitrid (CrN) enthalten. Eine Dicke der Grundschicht 10 ist beispielsweise auf 0,1 bis 1 µm festlegbar.
Die Oberflächenschicht 11 in der vorliegenden Ausführungsform enthält Titannitrid. Die Oberflächenschicht 11 kann nur Titannitrid enthalten, oder alternativ, kann neben Titannitrid Titancarbonitrid, Titan-Oxicarbonitrid und Chromnitrid enthalten. Die Oberflächenschicht 11 ist aus einem eingefärbten Material gebildet und angeordnet, um einfach zu ermitteln, ob die Schneidkante 4 schon benutzt wurde. Eine Dicke der Oberflächenschicht 11 ist beispielsweise auf 0,1 bis 3 µm festlegbar.
Obwohl ein Material des Basiselements 5 nicht besonders beschränkt ist, gibt es beispielsweise Hartmetalle, Ti-basierte Cermets und Keramiken. Beispiele des Hartmetalls weisen eines auf, in welchem eine Hartphase, die Wolframcarbid (WC) und zumindest eine Art enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden der Metalle der Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems besteht, falls gewünscht, durch eine Bindephase verbunden ist, welche ein Eisengruppenmetall aufweist, wie beispielsweise Kobalt und Nickel (Ni). Beispiele der Keramiken weisen Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumoxid, Diamant und kubisches Bornitrid (cBN) auf. Das Basiselement 5 kann eines sein, welches abhängig von der gewünschten Verwendung aus Metall, beispielsweise Kohlenstoffstahl, Schnellarbeitsstahl und legiertem Stahl besteht.
Das Werkzeug 1 ist gestaltet, um einen Schneidvorgang auszuführen durch In-Kontakt-Bringen der Schneidkante 4, welche an einem Schnittteil der Spanfläche 2 und der Freifläche 3 geformt ist, mit einem Werkstück. Das Werkzeug 1 ist in der Lage, die oben beschriebenen exzellenten Effekte zu erzielen. Das Werkzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform ist anwendbar für, zusätzlich zu Schneidwerkzeugen, zahlreiche Arten von Verwendungen, beispielsweise für abnutzungsresistente Teile, wie beispielsweise Gleitteile und Metallformen, für Aushebe- bzw. Grabwerkzeuge, für Werkzeuge wie beispielsweise Werkzeuge mit Kanten, und für zusammenstoßresistente Komponenten. Das Werkzeug 1 hat ebenfalls eine exzellente mechanische Verlässlichkeit in diesen Anwendungen.
Ein Verfahren des Herstellens des Schneidwerkzeugs in der vorliegenden Ausführungsform ist nachfolgend in Bezug auf eine Ausführungsform eines Verfahrens des Herstellens des Werkzeugs 1 beschrieben.
Als erstes werden beispielsweise Metallpulver und Kohlepulver bzw. Kohlenstoffpulver angemessen zu einem anorganischen Pulver hinzugegeben, welches von Metallkarbiden, Nitriden und Carbonitriden und Oxiden ausgewählt ist. Diese werden dann zusammengemischt. Ein geformter Körper wird hergestellt durch Formen der Pulver, welche gemischt sind, in einer vorbestimmten Gestalt, unter Verwendung eines bekannten Formverfahrens. Beispiele des Formverfahrens weisen Pressformen, Gießformen, Extrusionsformen und kaltisostatisches Pressformen auf. Das Basiselement 5 wird hergestellt durch Sintern des geformten Körpers in Vakuum oder einer nicht-oxidierenden Atmosphäre. Ein Poliervorgang oder ein Honvorgang kann auf der Fläche des Basiselements 5 angewendet werden, falls erforderlich.
Nachfolgend wird die Beschichtungsschicht 6 auf der Oberfläche des Basiselements 5 durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren abgelagert.
Zuerst wird ein Mischgas, welches als ein Reaktionsgas verwendet wird, hergestellt durch Mischen von 0,5 bis 10 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas und 10 bis 60 Vol.-% Stickstoff-(N₂)-Gas in Wasserstoff-(H₂)-Gas. Die Grundschicht 10, welche Titannitrid enthält, wird abgelagert durch Einleiten des ersten Mischgases in eine Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 800 bis 940°C und ein Druck in der Kammer auf 8 bis 50 kPa gesteuert werden.
Nachfolgend wird ein zweites Mischgas hergestellt durch Mischen von 0,5 bis 10 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas, 5 bis 60 Vol.-% Stickstoff-(N₂)-Gas und 0,1 bis 3 Vol.-% Acetonitilgas in Wasserstoff-(H₂)-Gas. Die untere Schicht 7 wird abgelagert durch Einleiten des zweiten Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 780 bis 880°C und ein Druck in der Kammer auf 5 bis 25 kPa gesteuert werden.
Hier kann eine mittlere Kristallbreite von säulenförmigen Kristallen des Titancarbonitrids, welche die untere Schicht 7 bilden, an einer Seite, welche vom Basiselement 5 entfernt ist, größer gemacht werden als an einer Seite nahe am Basiselement 5 durch Steigern eines Gehaltsverhältnisses von Acetonitrilgas in einer späteren Phase des Ablagerns als in einer Ausgangsphase des Ablagerns.
Dann wird die Zwischenschicht 8 hergestellt. Ein drittes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 3 bis 30 Vol.-% Titantetrachloridgas, 3 bis 15 Vol.-% Methan-(CH₄)-Gas, 5 bis 10 Vol.-% von Stickstoff-(N₂)-Gas, 0,5 bis 1 Vol.-% Kohlenstoffoxid-(CO)-Gas und 0,5 bis 10 Vol.-% von Aluminiumtrichlorid-(AlCl₃)-Gas in Wasserstoff-(H₂)-Gas. Die erste Schicht 8a wird abgelagert durch Einleiten des dritten Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 900 bis 1050°C und ein Druck in der Kammer auf 5 bis 40 kPa gesteuert werden.
Nachfolgend wird ein viertes Mischgas hergestellt durch Mischen von 1 bis 4 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas, 0,1 bis 10 Vol.-% Methangas und 5 bis 20 Vol.-% Stickstoffgas in Wasserstoffgas. Die dritte Schicht 8c wird abgelagert durch Einleiten des vierten Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 900 bis 1050°C und ein Druck in der Kammer auf 5 bis 40 kPa gesteuert werden. Obwohl keine Sauerstoffquelle im vierten Mischgas enthalten ist, diffundiert ein Teil des Sauerstoffs aus der ersten Schicht 8a.
Nachfolgend wird ein fünftes Mischgas hergestellt durch Mischen von 3 bis 15 Vol.-% Titantetrachloridgas, 3 bis 10 Vol.-% Methangas, 3 bis 25 Vol.-% Stickstoffgas und 0,5 bis 2 Vol.-% Kohlenstoffoxidgas in Wasserstoffgas. Die zweite Schicht 8b wird dann abgelagert durch Einleiten des fünften Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 900 bis 1050°C und ein Druck in der Kammer auf 5 bis 40 kPa gesteuert werden.
Dann wird die obere Schicht 9 hergestellt. Ein sechstes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 5 bis 15 Vol.-% Aluminiumtrichlorid-(AlCl₃)-Gas, 0,5 bis 2,5 Vol.-% Wasserstoffchlorid-(HCl)-Gas, 0,5 bis 5 Vol.-% Kohlenstoffdioxidgas und 0 bis 1 Vol.-% Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas in Wasserstoffgas. Die obere Schicht 9 wird abgelagert durch Einleiten des sechsten Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 950° bis 1100°C und ein Druck in der Kammer auf 5 bis 20 kPa gesteuert werden.
Dann wird, falls gewünscht, die Oberflächenschicht 11 abgelagert. Ein siebtes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 0,1 bis 10 Vol.-% Titantetrachloridgas und 10 bis 60 Vol.-% Stickstoffgas in Wasserstoffgas. Die Oberflächenschicht 11 wird abgelagert durch Einleiten des siebten Mischgases in die Kammer, während eine Ablagerungstemperatur auf 960 bis 1100 °C und ein Druck in der Kammer auf 10 bis 85 kPa gesteuert werden.
Nachfolgend wird, falls erforderlich, ein Poliervorgang in einem Bereich der Oberfläche der abgelagerten Beschichtungsschicht 6 ausgeführt, in welcher die Schneidkante 4 angeordnet ist. Nach dem Abschluss des Poliervorgangs ist es einfach ein Werkstück daran zu hindern, an die Schneidkante 4 anzuschweißen, was zu einem Werkzeug 1 mit einer exzellenten Bruchwiderstandsfähigkeit führt.
BEISPIELE
Eine Pulvermischung wurde hergestellt, welche 6 Gew.-% metallisches Kobaltpulver, das einen mittleren Partikeldurchmesser von 1,2 µm hatte, 0,5 Gew.-% Titancarbid-(TiC)-Pulver, das einen mittleren Partikeldurchmesser von 2 µm hatte, 5 Gew.-% Niobcarbid (NbC), das einen mittleren Partikeldurchmesser von 2 µm hatte, und als Rest Wolframcarbidpulver enthielt, das einen mittleren Partikeldurchmesser von 1,5 µm hatte. Ein geformter Körper wurde hergestellt durch Formen der Pulvermischung in einer Werkzeuggestalt (CNMG120408) unter Verwendung von Pressformen. Ein Basiselement wurde hergestellt durch Anwenden eines Binder-Entfernungsvorgangs am geformten Körper, gefolgt von Sintern in einem Vakuum bei 1500°C und 0,01 Pa für eine Stunde. Danach wurde das hergestellte Basiselement einem Bürstvorgang unterzogen, und ein Teil, welcher als eine Schneidkante in einem Werkzeug dient, wurde einem Rundhonen unterzogen.
Ein Schneidwerkzeug wurde hergestellt durch Ablagern einer Beschichtungsschicht auf dem Basiselement durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungsverfahren unter Abscheidungsbedingungen der Tabelle 1. Individuelle Gehalte werden jeweilig durch chemische Symbole in den Tabellen 1 bis 3 ausgedrückt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt.
Eine Dicke und ein mittlerer Kristallpartikeldurchmesser einer jeden der Schichten wurde gemessen durch Überprüfen eines Querschnitts unter Verwendung einer SEM, welcher die Beschichtungsschicht aufweist und welcher zur Oberfläche des Basiselements in den obigen Beispielen orthogonal ist. Eine Dicke einer jeden der Schichten, eine mittlere Breite und eine mittlere Höhe eines jeden der ersten Vorsprünge und der zweiten Vorsprünge und die Anzahl und eine mittlere Länge der nadelförmigen Vorsprünge in der zweiten Schicht wurden gemessen durch Überwachen einer Umgebung der Zwischenschicht unter Verwendung einer TEM.
Eine flache Fläche einer Freifläche des Schneidwerkzeugs wurde einer Röntgendiffraktometrieanalyse unter Verwendung von CuKα-Strahlen ohne Polieren der Beschichtungsschicht unterzogen, und Identifikationen von oberflächenseitigen Peaks, welche von der Oberflächenseite der oberen Schicht gemessen wurden (in den Tabellen als eine Oberflächenseite oder ein oberflächenseitiger Peak angegeben), und von Peakstärken eines jeden der Peaks wurde an drei willkürlichen Abschnitten ausgeführt.
Von den oberflächenseitigen Peaks wurde ein Peak, welcher die größte Stärke hat, und ein Peak, welcher die zweitgrößte Stärke hat, ermittelt, und ein Orientierungskoeffizient Tc einer (104)-Ebene der JCPDS-Karte wurde berechnet. Dann wurde das Polieren ausgeführt, bis eine Dicke von 10 bis 40 % einer Dicke der oberen Schicht erreicht wurde, und ein basiselementseitiger Peak (in den Tabellen als eine Basiselementseite bezeichnet), welcher in einem Zustand gemessen wurde, in welchem nur ein Teil nahe am Basiselement durch das Polieren eines Teils der oberen Schicht übrig geblieben ist, wurde identifiziert, und eine Peakstärke eines jeden der Peaks wurde durch eine gleiche Röntgendiffraktometrieanalyse gemessen. Ein Orientierungskoeffizient Tc der (104)-Ebene wurde berechnet unter Verwendung der Peakstärke eines jeden der erhaltenen Peaks. Eine Dicke einer jeden der Schichten wurde gemessen durch Überprüfen einer Bruchfläche des Werkzeugs mittels einer SEM. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 angegeben.

Eine Abnutzungswiderstandsfähigkeit und eine Bruchwiderstandsfähigkeit wurden evaluiert durch Ausführen eines kontinuierlichen Schneidtests und eines unterbrochenen Schneidtests unter Verwendung des oben erhaltenen Schneidwerkzeugs unter den folgenden Bedingungen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 angegeben.

(Bedingungen des kontinuierlichen Schneidens)
Werkstück:	Chrom-Molybdän-Stahlmaterial (SCM435)
Werkzeuggestalt:	CNMG120408
Schnittgeschwindigkeit:	300 m/min
Zustellerrate:	0,3 mm/Umdrehung
Schnitttiefe:	1,5 mm
Schnittdauer:	25 min

Weiteres:	wasserlösbare Schneidflüssigkeit wurde verwendet
Evaluationsgegenstand:	Freiflächen- bzw. Flankenflächenabnutzungsbreite an der Freifläche bzw. Flankenflächean einem tatsächlich abgenutzten Abschnitt durch Überwachen eines gehoniten Schneidkantenteils mit einer Rasterelektronenmikroskopie
(Bedingungen des unterbi rochenen Schneidens)
Werkstück: (SCM440)	Chrom-Molybdän-Stahl, Stahlmaterial mit vier Nuten
Werkzeuggestalt:	CNMG120408
Schnittgeschwindigkeit:	300 m/min
Zustellerrate:	0,3 mm/Umdrehung
Schnitttiefe:	1,5 mm
Weiteres:	wasserlösbare Schneidflüssigkeit wurde verwendet
Evaluationsgegenstand: auftritt	Messen der Anzahl der Zusammenstöße bis ein Bruch

[Tabelle 1]

Beschichtungsschicht	Mischgaszusammensetzung (Vol.-%)	Kammertemperatur (°C)	Druck (kPa)
TiN-1	TiCl₄ : 2,5, N₂ : 23, H₂: Rest	900	16
TiCN	TiCl₄ : 1, N₂: 10 ,CH₃CN : 0,1→0,4, H₂: Rest	850	9
A-1	TiCl₄ : 1, CO₂ : 2, H₂: Rest	850	10
A-2	TiCl₄ : 1, CO₂ : 10, H₂: Rest	850	10
A-3	TiCl₄ : 1, CO₂: 0,1, H₂: Rest	850	10
B-1	TiCl₄ : 1, N₂ : 10, CH₄ : 2, H₂: Rest	1010	9
B-2	TiCl₄ : 1, N₂ : 10, CH₄ : 2, CO₂ : 5, H₂: Rest	1010	9
C-1	TiCl₄ : 7, CH₄ : 3,5, N₂ : 5, CO : 1 , H₂: Rest	1000	15
C-2	TiCl₄ : 7, CH₄ : 3,5, N₂ : 15, CO : 1, H₂: Rest	1000	15
C-3	TiCl₄ : 7, CH₄ : 3,5, N₂ : 5, H₂: Rest	1000	15
Al₂O₃	AlCl₃ : 7, HCl : 1, CO₂ : 1, H₂S : 0,5, H₂: Rest	1000	10
TiN-2	TiCl₄ : 2, N₂ : 40, H₂: Rest	1010	80

[Tabelle 3]

Probe Nr.	Beschichtungsschicht						Schneidleistung
	Obere Schicht					Oberflächenschicht	Flankenabnutzungsbreite (mm)	Anzahl der Stöße (Anzahl)
	Dicke (µm)	Tc(104)		Stärkster Peak	Zweitstärkster Peak	Art (Dicke (µm))
	Dicke (µm)	Basiselementseite	Oberflächenseite	Stärkster Peak	Zweitstärkster Peak	Art (Dicke (µm))
1	6	0,7	3,1	(104)	(116)	TiN-2 (1,5)	0,09	3800
2	7	1,1	2,8	(104)	(116)	-	0,14	3500
3	3	0,5	2	(116)	(104)	TiN-2 (1,5)	0,15	3300
4	6	2	2	(104)	(116)	TiN-2 (3)	0,19	3100
5	6	0,8	1,1	(110)	(104)	TiN-2 (1)	0,21	3250
6	8	1,2	1,1	(012)	(110)	TiN-2 (1)	0,37	2650
7	7	1	0,7	(012)	(110)	TiN-2 (0,5)	0,48	2200
8	7	0,8	1,2	(012)*	(110)*	TiN-2 (2)	0,49	1700
9	7	0,6	1,2	(012)	(110)	TiN-2 (2)	0,31	1800
10	7	0,7	1	(012)*	(110)*	TiN-2 (2)	0,39	1500

Gemäß den Ergebnissen in den Tabellen 1 bis 3 hatten die Proben Nr. 6-8, von welchen eine jede keine erste Schicht, keine zweite Schicht oder keine dritte Schicht hatte, eine große Flankenabnutzungsbreite und erreichten einen Bruch bei einer geringen Anzahl von Stößen. Probe Nr. 9, bei welcher z1 < z2 war, und Probe Nr. 10, bei welcher z2 = z3 war, hatten ebenfalls eine große Flankenabnutzungsbreite und erreichten einen Bruch bei einer geringen Anzahl von Stößen. Bei Probe Nr. 8, welche keine zweite Schicht hatte, und bei Probe Nr. 10, bei welcher z2 = z3 war, wurde ein Peak einer κ-Kristallstruktur zusätzlich zur α-Kristallstruktur in den Peaks der oberen Schicht während der Röntgendiffraktometriemessung beobachtet.
Im Gegensatz dazu war in den Proben Nr. 1 bis 5 eine Flankenabnutzungsbreite gering und hat die Anzahl von Stößen 3000 überschritten, in welchen, wenn die Titanverbindung, welche in der ersten Schicht 8a enthalten ist, durch TIC_x1N_y1O_z1, 0 ≤ x1 < 1, 0 ≤ y1 < 1, 0 < z1 < 1 und x1 + y1 + z1 = 1 repräsentiert ist, wenn die Titanverbindung, welche in der zweiten Schicht 8b enthalten ist, durch TiC_x2N_y2O_z2, 0 ≤ x2 < 1, 0 ≤ y2 < 1, 0 < z2 < 1 und x2 + y2 + z2 = 1 repräsentiert ist, und wenn die Titanverbindung, welche in der dritten Schicht 8c enthalten ist, durch TiC_x3N_y3O_Z3, 0 ≤ x3 < 1, 0 ≤ y3 < 1, 0 ≤ z3 < 1 und x3 + y3 + z3 = 1 repräsentiert ist.
In den Proben Nr. 1 bis 4 der Proben Nr. 1 bis 5, in welchen die zweite Schicht, die die nadelförmigen Vorsprünge nicht aufweist, eine Dicke von 10 bis 35 nm hatte, war die Flankenabnutzungsbreite gering und die Anzahl der Stöße groß.
In den Proben 1 bis 3 und 5, in welchen die zweite Schicht die nadelförmigen Vorsprünge hatte, welche aufwärts vorstehen, war die Bruchwiderstandsfähigkeit verbessert und war die Anzahl der Stöße gesteigert.
In den Proben Nr. 1 bis 4, in welchen der Orientierungskoeffizient Tc(104) an der Oberflächenseite in der Röntgendiffraktometrieanalyse der oberen Schicht zwei oder mehr war, war eine Abnutzungswiderstandsfähigkeit groß und war eine Flankenabnutzungsbreite gering. In den Proben 1 bis 3 und 5, in welchen ein Orientierungskoeffizient Tc(104) der Basiselementseite geringer war als der Orientierungskoeffizient Tc(104) an der Oberflächenseite, war die Bruchwiderstandsfähigkeit verbessert und die Anzahl der Stöße gesteigert. Darüber hinaus, in den Proben Nr. 1 bis 4, in welchen in den oberflächenseitigen Peaks der oberen Schicht war eine von I(104) und I(116) der stärkste Peak war und der andere der zweitstärkste Peak, wurde festgestellt, dass diese Proben eine geringere Flankenabnutzungsbreite und eine insbesondere exzellente Abnutzungswiderstandsfähigkeit hatten.
Bezugszeichenliste

1: Schneidwerkzeug (Werkzeug)
2: Spanfläche
3: Flankenfläche bzw. Freifläche
4: Schneidkante
5: Basiselement
6: Beschichtungsschicht
7: untere Schicht
8: Zwischenschicht
8a: erste Schicht
8b: zweite Schicht
8c: dritte Schicht
9: obere Schicht
10: Grundschicht
11: Oberflächenschicht
12: Titancarbonitrid-Kristall
13: Vorsprung
14: erster Vorsprung
14a: oberster Abschnitt
15: zweiter Vorsprung
15a: oberster Abschnitt
16: Zwillingsgrenze
X: imaginäre gerade Linie
r, s, p, q: Boden
w1: Breite des ersten Vorsprungs
w2: Breite des zweiten Vorsprungs
h1: Höhe des ersten Vorsprungs
h2: Höhe des zweiten Vorsprungs

Claims

Ein Schneidwerkzeug (1), aufweisend: ein Basiselement (5) und eine Beschichtungsschicht (6), welche auf einer Oberfläche des Basiselements (5) angeordnet ist, wobei die Beschichtungsschicht (6) aufweist: eine untere Schicht (7), welche Titancarbonitrid enthält, eine obere Schicht (9), welche oberhalb der unteren Schicht (7) angeordnet ist und Aluminiumoxid mit einer α-Kristallstruktur enthält, und eine Zwischenschicht (8), welche zwischen der unteren Schicht (7) und der oberen Schicht (9) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (8) aufweist: eine erste Schicht (8a), welche zur unteren Schicht (7) benachbart ist und TiC_x1N_y1O_z1 (0 ≤ x1 < 1, 0 ≤ y1 < 1, 0 < z1 < 1 und x1 + y1 + z1 = 1) enthält, eine zweite Schicht (8b), welche zur oberen Schicht (9) benachbart ist und TiC_x2N_y2O_z2 (0 ≤ x2 < 1,0 ≤ y2 < 1,0 < z2 < 1 und x2 + y2 + z2 = 1) enthält, und eine dritte Schicht (8c), welche zwischen der ersten Schicht (8a) und der zweiten Schicht (8b) angeordnet ist und TiC_x3N_y3O_z3 (0 ≤ x3 < 1, 0 ≤ y3 < 1,0 ≤ z3 < 1 und x3 + y3 + z3 = 1) enthält, und wobei z1 > z3 und z2 > z3 ist, wobei die zweite Schicht (8b) eine Mehrzahl nadelförmiger Vorsprünge (13) aufweist, welche in einem Querschnitt orthogonal zur Oberfläche des Basiselements (5) aufwärts vorstehen, und wobei die dritte Schicht (8c) einen ersten Vorsprung (14) aufweist, welcher aufwärts vorsteht, und zumindest einer der Vorsprünge (13) ausgehend von einem obersten Abschnitt (14a) des ersten Vorsprungs (14) aufwärts vorsteht.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß Anspruch 1, wobei z1 < z2 ist.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die untere Schicht (7) einen zweiten Vorsprung (15) aufweist, welcher aufwärts vorsteht, und zumindest einer der Vorsprünge (13) auf einer imaginären geraden Linie (X) angeordnet ist, welche durch einen obersten Abschnitt (14a) des ersten Vorsprungs (14) und einen obersten Abschnitt (15a) des zweiten Vorsprungs (15) verläuft.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß Anspruch 3, wobei eine Länge des Vorsprungs (13) auf der imaginären geraden Linie (X) größer ist als eine Länge der dritten Schicht (8c) auf der imaginären geraden Linie (X).
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Schicht (8b) eine Dicke von 10-35 nm hat.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Schicht (8a) eine Dicke von 5-50 nm und die dritte Schicht (8c) eine Dicke von 50-300 nm hat.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Orientierungskoeffizient Tc (104) der oberen Schicht (9) 2 oder mehr ist, welcher durch eine Messung unter Verwendung einer Röntgendiffraktometrieanalyse von einer Oberflächenseite der Beschichtungsschicht (6) erfassbar ist und welcher durch die folgende allgemeine Formel Tc(hkl) ausgedrückt ist: ein Orientierungskoeffizient $Tc (hkl) = {I (hkl) / I_{0} (hkl)} / [(1 / 9) \times \sum {I (HKL) / I_{0} (hkl)}]$
wobei (HKL) eine Kristallebene von (012), (104), (110), (113), (024), (116), (214), (146) und (006) ist, I eine Peakstärke ist, welche einer jeden der Kristallebenen zugeordnet ist, und I₀ eine standardmäßige Diffraktionsintensität einer jeden der Kristallebenen ist, welche auf der JCPDS-Karte Nr. 00-010-0173 beschrieben ist.
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß Anspruch 7, wobei der Orientierungskoeffizient Tc(104) auf der Basiselementseite kleiner ist als der Orientierungskoeffizient Tc(104) an einer Oberflächenseite in der oberen Schicht (9).
Das Schneidwerkzeug (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei von der Röntgendiffraktometrieintensität I(hkl), welche erfassbar ist durch Messen unter Verwendung einer Röntgendiffraktometrieanalyse von der Oberflächenseite der Beschichtungsschicht (6), eine von I(116) und I(104) am stärksten ist und eine andere von I(116) und I(104) am zweitstärksten ist.