DE112016005895B4

DE112016005895B4 - Beschichtetes Werkzeug

Info

Publication number: DE112016005895B4
Application number: DE112016005895.0T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Mori
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN108472749B; KR102109492B1; US11224920B2; KR20180084977A; JP6978942B2; JPWO2017111073A1; CN108472749A; US20190017178A1; WO2017111073A1; DE112016005895T5

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug, aufweisend:ein Basiselement undeine Beschichtungsschicht, welche auf dem Basiselement angeordnet ist, wobeidie Beschichtungsschicht eine alternierende Schicht aufweist, die erste Schichten und zweite Schichten aufweist, welche alternierend beschichtet sind, wobei die ersten Schichten (TibNbdMe)CxN1-xenthalten, wobei M eine oder mehrere Arten sind, welche aus den Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem, mit der Ausnahme von Ti und Nb, und Al ausgewählt sind, 0,2 ≤ b ≤ 0,8, 0,01 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,7, b + d + e = 1 und 0 < x < 1 ist; und die zweiten Schichten M'N enthalten, wobei M' ein Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Ausführungsform betrifft ein beschichtetes Werkzeug.
Hintergrund
Als ein beschichtetes Werkzeug, welches zum Schneiden verwendet wird, ist ein beschichtetes Werkzeug bekannt, welches beispielsweise ein hartes Basiselement, das aus WC-basierten Hartmetallen und TiCN-basiertem Cermet gebildet ist, und zahlreiche Beschichtungsschichten aufweist, welche auf einer Oberfläche des harten Basiselements angeordnet sind. Obwohl eine TiCN-Schicht und eine TiAIN-Schicht gewöhnlich als die Beschichtungsschichten bei diesem beschichteten Werkzeug verwendet werden, werden verschiedene Beschichtungsschichten zum Zweck des Verbesserns einer Abnutzungswiderstandsfähigkeit und einer Bruchwiderstandsfähigkeit entwickelt.
Beispielsweise offenbart JP 2011-302 832 A eine Beschichtungsschicht, deren untere Schicht eine TiAIN-Schicht ist und deren obere Schicht eine TiNbAIN-Schicht ist. Weiter offenbart JP 2010-076 084 A eine Beschichtungsschicht, welche eine Konfiguration hat, in welcher Schichten A, die aus TiNbSiN gebildet sind, und Schichten B, die aus TiAIN gebildet sind, alternierend beschichtet sind.
Weitere beschichtete Werkzeuge sind zudem aus US 2013 / 0 022 419 A1 , DE 601 24 061 T2 und US 2010 / 0 189 835 A1 bekannt.
Unlängst besteht ein Bedarf, die Abnutzungswiderstandsfähigkeit und die Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschichten im technischen Gebiet der beschichteten Werkzeuge weiter zu verbessern.
Kurzbeschreibung
Ein beschichtetes Werkzeug in einer Ausführungsform weist ein Basiselement und eine Beschichtungsschicht auf, welche auf dem Basiselement angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine alternierende Schicht auf, welche aus ersten Schichten und zweiten Schichten gemacht ist, die alternierend beschichtet bzw. geschichtet sind. Die ersten Schichten enthalten (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x (wobei M eine oder mehrere Arten sind, welche aus den Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem, mit der Ausnahme von Ti und Nb, und Al ausgewählt sind, 0,2 ≤ b ≤ 0,8, 0,01 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,7, b + d + e = 1 und 0 < x < 1 ist). Die zweiten Schichten enthalten M'N (wobei M' ein Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist).
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines beschichteten Werkzeugs einer Ausführungsform,
2 ist eine schematische Darstellung, welche in vergrößerter Abmessung die Nähe einer Beschichtungsschicht im beschichteten Werkzeug in der 1 zeigt,
3 ist eine schematische Darstellung, welche in vergrößerter Abmessung die Nähe einer Beschichtungsschicht in einem beschichteten Werkzeug in einer ersten modifizierten Ausführungsform zeigt,
4 ist eine schematische Darstellung, welche in vergrößerter Abmessung die Nähe einer Beschichtungsschicht in einem beschichteten Werkzeug in einer zweiten modifizierten Ausführungsform zeigt, und
5 ist eine schematische Darstellung, welche in vergrößerter Abmessung die Nähe einer Beschichtungsschicht in einem beschichteten Werkzeug in einer dritten modifizierten Ausführungsform zeigt.

Ausführungsform
Beschichtetes Werkzeug
Ein beschichtetes Werkzeug 1 in einer Ausführungsform ist mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Das beschichtete Werkzeug 1, welches in der 1 gezeigt ist, weist eine erste Fläche 20, eine zweite Fläche 22 und eine Schneidkante 24 auf, welche zumindest in einem Teil eines Schnittbereichs der ersten Fläche 20 und der zweiten Fläche 22 angeordnet ist. Das in der 1 dargestellte beschichtete Werkzeug 1 ist eine Ausführungsform von austauschbaren Schneideinsätzen, welche verwendbar sind durch befestigt-sein an einer vorbestimmten Position eines vorderen Endes eines Halters (nicht dargestellt).
In der 1 ist die erste Fläche 20 als eine obere Fläche dargestellt, und zumindest ein Teil der ersten Fläche 20 ist eine Spanfläche. In der 1 ist die zweite Fläche 22 als eine seitliche Fläche dargestellt, und zumindest ein Teil der zweiten Fläche 22 ist eine Flanken- bzw. Freifläche. Es ist sogar unproblematisch, wenn zumindest ein Teil der ersten Fläche 20 eine Flanken- bzw. Freifläche ist und zumindest ein Teil der zweiten Fläche 22 eine Spanfläche ist.
Das beschichtete Werkzeug 1 weist ebenfalls ein Basiselement 2 und eine Beschichtungsschicht 4 auf, welche auf dem wie in der 2 gezeigten Basiselement 2 angeordnet ist. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Beschichtungsschicht 4 eine alternierende Schicht 6 auf, welche aus ersten Schichten 7 und zweiten Schichten 8 gemacht ist, die alternierend geschichtet bzw. beschichtet sind. Die ersten Schichten 7 enthalten (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x (wobei M eine oder mehrere Arten sind, welche aus den Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem, mit der Ausnahme von Ti und Nb, und Al ausgewählt sind, 0,2 ≤ b ≤ 0,8, 0,01 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,7, b + d + e = 1 und 0 < x < 1 ist). Die zweiten Schichten 8 enthalten M'N (wobei M' ein Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist). Wenn eine Kombination der ersten Schichten 7 und der zweiten Schichten 8 als ein Satz angenommen wird, weist die alternierende Schicht 6 zwei Sätze oder mehr auf. Die alternierende Schicht 6 weist bevorzugt fünf Sätze oder mehr auf.
Die erste Schicht 7 hat aufgrund der obigen Zusammensetzung eine hohe Härte und Oxidationswiderstandsfähigkeit. Die zweite Schicht 8 hat aufgrund der obigen Zusammensetzung eine große Zähigkeit. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Schicht 7 mit der zweiten Schicht 8 kompatibel, wodurch gute Verbindungseigenschaften erhalten werden. Folglich hat das beschichtete Werkzeug 1 eine lange Lebensdauer, da die alternierende Schicht 6 eine exzellente Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit hat.
In der vorliegenden Ausführungsform ist 25 GPa oder mehr eine Härte in Mikro-Vickers der alternierenden Schicht 6. Die Härte in Mikro-Vickers wird unter einer Last von 20 mN mittels eines Nanoindenters gemessen.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die alternierende Schicht 6 eine Mehrzahl von ersten Schichten 7 und eine Mehrzahl von zweiten Schichten 8 auf. Ein jeder von einem Mittelwert von Dicken t₁ der ersten Schichten 7 und einem Mittelwert von Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 ist 1 bis 100 nm. Eine gute Balance zwischen Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit wird innerhalb dieses Bereichs erzielt. Der Durchschnittswert der Dicken t₁ der ersten Schichten 7 ist z.B. 10 bis 50 nm. Der Durchschnittswert der Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 ist z.B. 12 bis 100 nm.
Der wie hierin verwendete Durchschnittswert der Dicken t₁ der ersten Schichten 7 bezeichnet einen Wert, welcher erhalten wird durch Messen der Dicken einer jeden der ersten Schichten 7 und durch Dividieren einer Summe der gemessenen Dicken durch die Anzahl der Schichten. Dies trifft ebenfalls für die zweiten Schichten 8 zu. Ein Messobjekt für den Durchschnittswert der Dicken t₁ der ersten Schichten 7 und den Durchschnittswert der Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 kann die erste Fläche 20 oder die zweite Fläche 22 sein, wenn die Messungen vor einem Schneidvorgang ausgeführt werden, aber das Messobjekt nach dem Schneidvorgang muss eine Oberfläche sein, welche als eine Flanken- bzw. Freifläche dient.
Eine Gesamtdicke der alternierenden Schicht 6 ist z.B. 0,5 bis 3 µm. Wenn 0,5 bis 3 µm die Gesamtdicke der alternierenden Schicht 6 ist, hat die alternierende Schicht 6 eine große Bruchwiderstandsfähigkeit und hat eine große Bruchwiderstandsfähigkeit, da die Eigenspannung der alternierenden Schicht 6 nicht zu groß wird.
Im Hinblick auf den Durchschnittswert der Dicken t₁ der ersten Schichten 7 und den Durchschnittswert der Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 kann der Durchschnittswert der Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 größer sein als der Durchschnittswert der Dicken t₁ der ersten Schichten 7. In diesem Fall werden die Eigenspannungen der alternierenden Schicht 6 entspannt und tendiert die alternierende Schicht 6 dazu, dicker zu werden ohne ein Abschälen oder Abplatzen zu verursachen.
Ein Verhältnis t₁/t₂ des Durchschnittswerts der Dicken t₁ der ersten Schichten 7 und des Durchschnittswerts der Dicken t₂ der zweiten Schichten 8 kann 0,6 bis 0,9 sein. In diesem Fall tendiert die alternierende Schicht 6 weiter dazu, dicker zu werden.
Die erste Schicht 7 ist nachfolgend beschrieben. Im Hinblick auf die Zusammensetzung (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x der ersten Schicht 7, hat die erste Schicht 7 eine große Härte, da b größer als 0,2 ist, und hat die Beschichtungsschicht 4 eine große Abnutzungswiderstandsfähigkeit, da b kleiner als 0,8 ist. Die alternierende Schicht 6 hat eine große Oxidationswiderstandsfähigkeit, und die Beschichtungsschicht 4 hat eine große Wärmewiderstandsfähigkeit, da d größer als 0,01 ist. Die alternierende Schicht 6 hat eine große Härte, da d 0,2 oder weniger ist.
Das Metall M in der ersten Schicht 7 ist gebildet aus einer oder mehreren Arten, welche aus den Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem, mit der Ausnahme von Ti und Nb, und Al ausgewählt sind. Wenn die erste Schicht 7 unter anderem Al als das Metall M enthält, können die Härte und die Oxidationswiderstandsfähigkeit der alternierenden Schicht 6 verbessert sein. Neben dem obigen, wenn die erste Schicht 7 eine oder mehr Arten enthält, welche aus Cr und W ausgewählt sind, kann die Oxidationswiderstandsfähigkeit der alternierenden Schicht 6 verbessert sein.
Die zweite Schicht 8 ist nachfolgend beschrieben. Im Hinblick auf eine Zusammensetzung von M'N der zweiten Schicht 8 (wobei M' ein Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist), insbesondere, wenn die zweite Schicht 8 als M' zumindest eines von Ti, Cr und W enthält, ist die Zähigkeit der zweiten Schicht 8 verbesserbar und ist die Bruchwiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht 4 verbesserbar. Insbesondere wenn M' Ti ist, ist besonders die zweite Schicht 8 aus TiN gebildet und hat die zweite Schicht 8 geringe Eigenspannungen und entspannt hierdurch die Eigenspannungen der alternierenden Schicht 6. Für die alternierende Schicht 6 ist es deshalb weniger wahrscheinlich, sich aufgrund einer Selbstzerstörung vom Basiselement 2 abzuschälen oder abzuplatzen, wodurch eine verbesserte Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit erzielt werden.
Obwohl M' das Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist, bedeutet dies nicht, dass die zweiten Schichten 8 kein Nb enthalten. Da die zweiten Schichten 8 und die ersten Schichten 7 alternierend geschichtet bzw. beschichtet sind, kann Nb in der ersten Schicht 7 in die zweite Schicht 8 hinein diffundieren. Deshalb kann die zweite Schicht 8 etwas Nb in einem Verhältnis von in etwa 1/10 oder weniger mit Bezug auf ein Gehaltsverhältnis d von Nb in der ersten Schicht 7 enthalten.
Ein Gehaltsverhältnis eines jeden Elements in der alternierenden Schicht 6 ist messbar unter Verwendung einer Energiedispersiv-Röntgenspektroskopie-(EDS)-Analysevorrichtung, welche in einem Elektronenmikroskop-Messinstrument enthalten ist. Hier kann es schwierig sein, einen Peak eines Lα-Strahls von Ti (in der Nähe einer Energie von 0,4 keV) in einem EDS-Analyseverfahren genau zu messen aufgrund einer Überlappung mit einem Peak eines Ka-Strahis von N (Stickstoff). Deshalb, wenn die Möglichkeit vorliegt, dass N enthalten ist, muss ein Gehalt von Ti gefunden werden unter Verwendung eines Ka-Strahis von Ti (in der Nähe einer Energie von 4,5 keV) anstatt des Peaks des Lα-Strahls von Ti. Beim Messen des Metalls M und des Metalls M' ist es erforderlich, an beliebigen fünf oder mehr Stellen der Beschichtungsschicht 4 zu messen. Ihre Mittelwerte der gemessenen Werte müssen jeweilig evaluiert werden als der Gehalt des Metalls M und der Gehalt des Metalls M'.
Beispiele des Materials des Basiselements 2 weisen Hartmetall, Cermet, Keramik, einen ultrahochdruck-gesinterten Körper und Stahl auf. Beispiele des Hartmetalls und des Cermets weisen solche auf, welche aus einer Hartphase, die hauptsächlich aus Wolframcarbid und/oder Titancarbonitrid gebildet ist, und einer Binderphase gemacht sind, die hauptsächlich aus Eisengruppenmetallen wie bspw. Kobalt und Nickel gebildet ist. Beispiele der Keramik weisen solche auf, welche hauptsächlich aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid gebildet sind. Beispiele des ultrahochdruck-gesinterten Körpers weisen Hartmaterialien auf, welche erhalten werden durch Sintern unter Ultrahochdruck einer Hartphase, gebildet aus polykristallinem Diamant oder kubischen Bornitrid (cBN), und einer Binderphase, welche aus Keramik und Eisengruppenmetall gebildet ist.
Die Beschichtungsschicht 4 kann zwischen der alternierenden Schicht 6 und dem Basiselement 2 eine Zwischenschicht 11 aufweisen, welche eine Dicke von 0,1 bis 1 µm hat und eine TiN-Schicht oder eine CrN-Schicht enthält. Diese Konfiguration trägt dazu bei, die Adhäsion der alternierenden Schicht 6 am Basismaterial 2 zu verbessern, und für die alternierende Schicht 6 ist es deshalb weniger wahrscheinlich, sich abzuschälen. Insbesondere wenn das Basiselement 2 cBN enthält, ist die Beschichtungsschicht 4 effektiv, welche die Zwischenschicht 11 aufweist. Eine Dicke der Zwischenschicht 11 kann größer sein als eine jede einer Dicke der Mehrzahl von ersten Schichten 7 und einer Dicke der Mehrzahl von zweiten Schichten 8. Mit dieser Konfiguration ist es für die alternierende Schicht 6 sicher weniger wahrscheinlich, sich abzuschälen.
Alternativ kann die zweite Schicht 8 zur Zwischenschicht 11 angrenzen. Diese Konfiguration trägt dazu bei, Verbindungseigenschaften zwischen der alternierenden Schicht 6 und der Zwischenschicht 11 zu verbessern, als wenn die erste Schicht 7 zur Zwischenschicht 11 angrenzt. Diese ist der Fall, da es für die zweite Schicht 8, welche durch die Zusammensetzung M'N repräsentiert ist, wahrscheinlicher als für die erste Schicht 7 ist, an/mit der Zwischenschicht 11 verbunden zu sein, welche durch die Zusammensetzung (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x repräsentiert ist.
Wenn das Basiselement 2 TiC oder TiN bei Anwesenheit der Zwischenschicht 11 enthält, ist es möglich, den Effekt des Reduzierens der alternierenden Schicht 6 aufgrund der Zwischenschicht 11 zu verbessern, wodurch eine verbesserte Adhäsion resultiert.
Eine Oberflächenschicht (nicht dargestellt), welche aus TiN oder CrN gebildet ist, kann auf der alternierenden Schicht 6 angeordnet sein (eine vom Basiselement 2 entfernte Position). Wenn die Beschichtungsschicht 4 die Oberflächenschicht aufweist, ist es möglich, die Farbe der Beschichtungsschicht 4 auf eine Farbe festzulegen, welche eine Benutzung einfacher überprüfbar macht, und es ist ebenfalls möglich, Gleiteigenschaften der Beschichtungsschicht 4 zu verbessern.
Obwohl die obige Ausführungsform das beschichtete Werkzeug 1 beschrieben hat, welches in etwa die Plattengestalt hat, ist die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt, sondern auf solche anwendbar, welche eine Gestalt haben, die eine andere ist als die in etwa Plattengestalt. Das beschichtete Werkzeug 1 ist ebenfalls als Bohrer, Schaftfräser, Räumer, Gewindeformer oder Werkzeug mit Kanten anwendbar. Weiter ist das beschichtete Werkzeug 1 ebenfalls anwendbar für andere Zwecke als Schneiden, beispielsweise für abnutzungswiderstandsfähige Elemente wie z.B. Metallformen und Grab- bzw. Aushubwerkzeuge.
Modifizierte Ausführungsformen
Modifizierte Ausführungsformen des beschichteten Werkzeugs 1 der obigen Ausführungsform sind nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung ist auf Punkte gerichtet, in welchen die modifizierten Ausführungsformen vom beschichteten Werkzeug 1 der obigen Ausführungsform verschieden sind, und Beschreibungen von Ähnlichkeiten zwischen dem beschichteten Werkzeug 1 der obigen Ausführungsform und denen der modifizierten Ausführungsformen werden hier ausgelassen.
Obwohl die obige Ausführungsform die Ausführungsform zeigt, in welcher die Dicke einer jeden der ersten Schichten 7 und die Dicke einer jeden der zweiten Schichten 8 im beschichteten Werkzeug, welches in der 2 gezeigt ist, in etwa konstant sind, ist die Konfiguration der alternierenden Schicht 6 nicht auf die obige beschränkt. Die erste bis dritte modifizierte Ausführungsform sind nachfolgend beschrieben.
Eine Dicke einer von der Mehrzahl von ersten Schichten 7, welche am weitesten vom Basiselement 2 weg entfernt angeordnet ist, ist größer als die der anderen ersten Schichten 7 in der ersten Ausführungsform, wie es in der 3 gezeigt ist. Die dicke erste Schicht 7 ist an einer Position angeordnet, welche in der alternierenden Schicht 6 am weitesten vom Basiselement 2 entfernt ist. Wenn die alternierende Schicht 6 die obige Konfiguration hat, hat die erste Schicht 7, welche während eines Schneidvorgangs am nächsten am Werkstück angeordnet ist und welche für eine Lastkonzentration aufgrund des Schneidvorgangs empfänglich ist, die größte Dicke. Folglich ist die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 verbessert, wodurch eine verbesserte Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Beschichtungsschicht 4 erzielt wird.
In der zweiten modifizierten Ausführungsform kann eine Dicke einer von einer Mehrzahl der ersten Schichten 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, größer sein als die der anderen ersten Schichten 7, wie es in der 4 gezeigt ist. Die erste Schicht 7 hat eine größere Bruchwiderstandsfähigkeit mit zunehmender Dicke. Mit der obigen Konfiguration hat die erste Schicht 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, eine große Bruchwiderstandsfähigkeit. Deshalb, sogar wenn ein Teil einer Oberflächenseite in der alternierenden Schicht 6 partiell bricht, ist es für die erste Schicht 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, weniger wahrscheinlich, zu brechen, und ist es einfach zu verhindern, dass fast die ganze alternierende Schicht 6 gleichzeitig bricht. Dies trägt zum Verbessern der Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 bei.
In der zweiten Ausführungsform kann eine Dicke einer von einer Mehrzahl der zweiten Schichten 8, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, größer sein als solche der anderen Schichten 8, wie es in der 4 gezeigt ist. Die zweite Schicht 8 hat eine größere Bruchwiderstandsfähigkeit mit zunehmender Dicke. Mit der obigen Konfiguration hat die zweite Schicht 8, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, eine große Bruchwiderstandsfähigkeit. Deshalb, sogar wenn ein Teil einer Oberflächenseite in der alternierenden Schicht 6 partiell bricht, ist es für die zweite Schicht 8, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, weniger wahrscheinlich, zu brechen, und ist es einfach zu verhindern, dass fast die ganze alternierende Schicht 6 gleichzeitig bricht. Dies trägt zum Verbessern der Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 bei.
Von einem Standpunkt des Verbesserns der Abnutzungswiderstandsfähigkeit und der Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 ausgehend kann die alternierende Schicht 6 in einer Konfiguration in der dritten modifizierten Ausführungsform gebildet sein, wie es in der 5 gezeigt ist. Von einer Mehrzahl der ersten Schichten 7 in der dritten modifizierten Ausführungsform hat die erste Schicht 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, die größte Dicke, und hat die erste Schicht 7, welche am weitesten vom Basiselement 2 entfernt angeordnet ist, die zweitgrößte Dicke. Insbesondere ist die Dicke der ersten Schicht 7 der der Mehrzahl von ersten Schichten 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, größer als die der anderen ersten Schichten 7. Die Dicke der ersten Schicht 7 von der Mehrzahl von ersten Schichten 7, welche am weitesten vom Basiselement 2 weg entfernt angeordnet ist, ist größer als die der ersten Schichten 7, mit der Ausnahme der ersten Schicht 7, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist. Diese Konfiguration trägt zum Verbessern der Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 bei.
Die Konfiguration der Mehrzahl von ersten Schichten 7 in der dritten modifizierten Ausführungsform kann wie folgt umformuliert werden. Diese ersten Schichten 7 in der dritten modifizierten Ausführungsform weisen die erste Schicht 7 auf, welche am nächsten am Basiselement 2 angeordnet ist, und ist aus einem Bereich, in welchem die Dicken der ersten Schichten 7 mit zunehmender Entfernung vom Basiselement 2 abnehmen, und einem Bereich gemacht, welcher vom Basiselement 2 weiter entfernt angeordnet ist als der vorhergehende Bereich und in welchem die Dicken der ersten Schichten 7 mit zunehmender Entfernung vom Basiselement 2 zunehmen. Diese Konfiguration trägt zum Verbessern der Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 4 bei.
Herstellungsverfahren
Ein Verfahren des Herstellens des beschichteten Werkzeugs in der vorliegenden Ausführungsform ist nachfolgend beschrieben.
Das Basiselement 2, welches eine Werkzeuggestalt hat, wird mit einem herkömmlichen, gut bekannten Verfahren hergestellt. Nachfolgend wird die Beschichtungsschicht 4 auf einer Oberfläche des Basiselements 2 abgelagert/abgeschieden. Ein Physikalische-Gasphasenabscheidung-(PVD)-Verfahren, wie beispielsweise ein lonenplattierungsverfahren und ein Sputter-Verfahren, ist geeignet anwendbar als ein Verfahren des Ablagerns/Abscheidens der Beschichtungsschicht 4.
Wenn die Beschichtungsschicht 4 mit dem lonenplattierungsverfahren hergestellt wird, ist das Folgende ein Beispiel für Ablagerungsverfahren. Als erstes, als Target, welches die ersten Schichten 7 bildet, wird ein erstes Target hergerichtet, welches metallisches Titan (Ti), metallisches Niob (Nb), ein Metall M und Kohlenstoff enthält. Als ein Target, welches die zweiten Schichten 8 bildet, wird ein zweites Target hergerichtet, welches ein Metall M' enthält.
Das erste Target, welches die ersten Schichten 7 bildet, und das zweite Target, welches die zweiten Schichten 8 bildet, werden an/auf einer Seitenwandfläche einer Kammer einer Ablagerungsvorrichtung platziert. Das erste Target und das zweite Target werden bevorzugt an entgegengesetzten Positionen mit dem Basiselement 2 dazwischen angeordnet. Das Ablagern wird ausgeführt während das Basiselement 2 unter den folgenden Ablagerungsbedingungen rotiert wird. Das heißt, die alternierende Schicht 6 kann abgelagert bzw. abgeschieden werden durch alternierendes Ablagern bzw. Abscheiden der ersten Schicht 7 und der zweiten Schicht 8 auf der Oberfläche des Basiselements 2, insbesondere durch Reaktion mit Stickstoffgas (N₂) einer Stickstoffquelle zur geleichen Zeit, bei welcher eine Metallquelle verdampft und ionisiert wird durch eine Lichtbogenentladung und eine Glimmentladung. Die Dicken der ersten Schicht 7 und der zweiten Schicht 8 können gesteuert werden durch Ausführen des Ablagerns während das Basiselement 2 mit 2 bis 10 Umdrehungen pro Minute rotiert wird.
Hier wird die erste Schicht 7 abgelagert, welche Kohlenstoff enthält, da das erste Target Kohlenstoff enthält. Die zweite Schicht 8, welche wenig Kohlenstoff enthält, wird abgelagert, da das zweite Target keinen Kohlenstoff enthält. Sogar wenn das zweite Target keinen Kohlenstoff enthält, kann die zweite Schicht 8 unvermeidbaren Kohlenstoff enthalten, welcher von der ersten Schicht 7 diffundiert, da das erste Target Kohlenstoff enthält.
Wenn die Beschichtungsschicht 4 mit dem lonenplattierungsverfahren oder dem Sputter-Verfahren abgelagert bzw. abgeschieden wird, kann eine besondere hoch-harte Beschichtungsschicht 4 hergestellt werden durch eine Lichtbogenstromanwendung, welche eine Kristallstruktur der Beschichtungsschicht 4 berücksichtigt. Hier kann eine Adhäsion zwischen dem Basiselement 2 und der Beschichtungsschicht 4 durch Anwenden einer Bias-Spannung von 30 bis 200 V verbessert werden.
Wenn die Zwischenschicht 11 abgelagert bzw. abgeschieden wird, wird ein drittes Target zum Ablagern der Zwischenschicht 11 hergerichtet. Das dritte Target enthält Ti oder Cr. Die Zwischenschicht 11 kann abgelagert werden durch Platzieren des dritten Targets an einer Seitenwandfläche der Kammer und durch Ausführen des Ablagerns vor dem Ablagern der alternierenden Schicht 6 unter den gleichen wie oben beschriebenen Bedingungen. Wenn ein Metallbestandteil der Zwischenschicht 11 der gleiche wie von der zweiten Schicht 8 ist, ist das zweite Target ebenfalls als das dritte Target verwendbar.
Beispiel 1
Eine Menge von 10 Gew.-% metallisches Kobalt-(Co)-Pulver und eine Menge von 0,6 Gew.-% Chromcarbid-(Cr₃C₂)-Pulver wurden zu Wolframcarbid-(WC)-Pulver hinzugegeben, welches einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,8 µm hatte, und wurde dann zusammengemischt, gefolgt von Formen und Sintern. Nachdem dies einem Schleifvorgang unterzogen wurde, wurde eine Oberfläche davon mit einer Lauge, Säure und destilliertem Wasser in der angegebenen Reihenfolge gewaschen, wodurch ein Basiselement hergestellt wurde, welches aus Hartmetall gebildet war.
Das obige Basiselement wurde in eine Lichtbogen-Ionenplattierungsvorrichtung eingegeben, welche das erste Target, das zweite Target und das dritte Target darin hatte, wie in der Tabelle 1 repräsentiert. Jede Probe wurde erhalten durch Ablagern der Beschichtungsschicht, welche in der Tabelle 1 repräsentiert ist, durch Heizen des Basiselements auf 500°C und durch Festlegen einer Rotationsgeschwindigkeit des Basiselements auf 3 bis 6 Umdrehungen pro Minute und eines Lichtbogenstroms auf 150 A. Ablagerungsbedingungen wurden erreicht, sodass N₂-Gas in einer Atmosphäre mit einem Totaldruck von 4 Pa vorlag, und eine Bias-Spannung wurde auf 35 V festgelegt.
Unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (VE8800) und eines Transmissionselektronenmikroskops, hergestellt durch Keyence Corporation, wurde eine jede der erhaltenen Proben einer Strukturuntersuchung unterzogen, um die Kristalle, welche die Beschichtungsschicht bilden, und eine Schichtdicke davon zu prüfen. Zusammensetzungen der Beschichtungsschicht (die erste Schicht, die zweite Schicht und die Zwischenschicht) wurden berechnet durch Ausführen einer quantitativen Analyse der Zusammensetzung der Beschichtungsschicht bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV mit einem ZAF-Verfahren als eine Art von EDS-Analyseverfahren unter Verwendung einer EDAX-Analysevorrichtung (AMETEK EDAX-VE9800), welche mit dem obigen Mikroskop assoziiert ist. Bei einer Filmdickenmessung sind eine jede von Dicken einer Mehrzahl von ersten Schichten und einer Mehrzahl von zweiten Schichten innerhalb eines Sichtbereichs überprüfbar, in welchem diese Schichten bei einer Vergrößerung sichtbar sind, welche ein Überprüfen einer jeden der Dicken der ersten Schichten und der zweiten Schichten gestattet. Weiter wurden die Messungen an Überprüfungspunkten an beliebigen drei oder mehr Überprüfungsbereichen ausgeführt, und eine Dicke t₁ der ersten Schicht 1 und eine Dicke t₂ der zweiten Schicht 2 wurden durch Mitteln der Messergebnisse berechnet. Die Zwischenschicht 11 wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop während der Messung von t₁ und t₂ gemessen.

Jede Probe wurde einem Schneidtest unter den folgenden Bedingungen unterzogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt.

Schneidverfahren:	Schulterbearbeitung (Fräsvorgang)
Werkstück:	SKD11
Schnittgeschwindigkeit:	150 m/min
Zustellerrate:	0,12 mm/Schneidkante
Schnitttiefe:	Horizontalschnitttiefe 10 mm, Vertikalschnitttiefe 3 mm
Schneidzustand:	Trocken

Evaluationsverfahren: Ein Abplatz- bzw. Ausbruchszustand wurde gemessen nach dem Schneiden für 10 min, und die Anzahl der Vorgänge, während denen ein Schneidvorgang kontinuierlich ausgeführt werden konnte, wurde evaluiert. [Tabelle 1]

Probe Nr.	Target			Beschichtungsschicht
Probe Nr.	erstes Target	zweites Target	drittes Target	Zwischenschicht	erste Schicht	zweite Schicht
1	TiNbAlC	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	TiN
2	TiAl	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.5Al_0.5)N	TiN
3	TiNbAI	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.1Al_0.51)N	TiN
4	TiNbAlC	TiAl	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	(Ti_0.50Al_0.50 )N

[Tabelle 2]

Probe Nr.	Dicke der Zwischenschicht (µm)	Gesamtdicke der alternierenden Schicht (µm)	Filmdicke (individuell) nm		Verhältnis	Schneidergebnis
Probe Nr.	Dicke der Zwischenschicht (µm)	Gesamtdicke der alternierenden Schicht (µm)	t₁	t₂	t₁/t₂	Bearbeitungsanzahl (Stück)	Schneidkantenzustand
1	0,5	1,5	30	50	0,6	1000	konstante Abnutzung
2	0,5	1,5	40	45	0,89	600	starker Kolkverschleiß
3	0,5	1,5	38	40	0,95	500	starker Kolkverschleiß
4	0,5	1,5	45	60	0,75	700	starkes Abplatzen

Wie es aus den Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, hatte in der Probe Nr. 1, welche eine alternierende Schicht aufweist, in der die erste Schicht, welche aus dem obigen (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x gebildet ist, und die zweite Schicht, welche aus dem obigen M'N gebildet ist, in einer alternierenden Art angeordnet sind, die Schneidkante einen konstanten Abnutzungszustand, und die Bearbeitungsanzahl war größer als in den Proben Nr. 2 bis 4.
Beispiel 2
Eine Menge von 50 Gew.-% kubisches Bornitrid-(cBN)-Pulver, welches einen mittleren Partikeldurchmesser von 2 µm hatte, eine Menge von 46 Gew.-% Titannitrid-(TiN)-Pulver und eine Menge 4 Gew.-% metallisches Aluminium-(Al)-Pulver wurden zueinander gegeben und miteinander vermischt. Dies wurde durch eine Ultrahochdruck-Sintervorrichtung unter Bedingungen von 1400°C und 5 GPa gesintert. Ein Basiselement, welches aus einem cBN-Sinterkörper gebildet war, wurde hergestellt durch Ausschneiden des erhaltenen cBN-Sinterkörpers und dann Löten des cBN-Sinterkörpers an Eckteile eines Basismetalls, gefolgt von einem Poliervorgang.
Gleich zu Beispiel 1 wurde eine Beschichtungsschicht, welche die in der Tabelle 3 gezeigte Konfiguration hat, mit einem Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren abgelagert bzw. abgeschieden.
Gleich zu Beispiel 1 wurden Filmdicken der Beschichtungsschicht einer jeden Probe (t₁, t₂ und eine Zwischenschichtdicke) überprüft und eine quantitative Analyse der Zusammensetzung der Beschichtungsschicht ausgeführt. Proben Nr. 5 bis 13 wurden einer Härtemessung in Mikro-Vickers unterzogen, und diese Proben hatten eine Härte von 25 GPa.

Die erhaltenen Proben wurden einem Schneidtest unter den folgenden Bedingungen unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 dargestellt.

Schneidverfahren:	Außendurchmesserschneiden (Drehvorgang)
Werkstück:	SCM415H
Schnittgeschwindigkeit:	150 m/min
Zustellerrate:	0,1 mm/Schneidkante
Schnitttiefe:	0,2 mm
Schneidzustand:	Trocken

Evaluationsverfahren: Ein Abplatz- bzw. Ausbruchszustand wurde gemessen nach dem Schneiden für 3 min, und die Schneiddauer, während der ein Schneidvorgang ausgeführt werden konnte, wurde evaluiert. Tabelle 3

Probe Nr.	Target			Beschichtungsschicht
Probe Nr.	erstes Target	zweites Target	drittes Target	Zwischenschicht	erste Schicht	zweite Schicht
5	TiNbAlC	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	TiN
6	TiNbAlCrC	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.2Nb_0.1Al_0.53Cr_0.17)C_0.1N_0.9	TiN
7	TiNbAIVC	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.3Nb_0.2Al_0.43V_0.O7)C_0.5N_0.5	TiN
8	TiNbAIWC	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.8Nb_0.01Al_0.11W_0.08)C_0.8N_0.2	TiN
9	TiNbAlC	TiCr	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	(Ti_0.5Cr_0.5)N
10	TiNbAlC	Cr	Cr	CrN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	CrN
11	TiNbAlC	W	Cr	CrN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	WN
12	TiNbAlC	V	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	VN
13	TiNbAlC	Ti	^_	^_	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	TiN
14	TiAl	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.5Al_0.5)N	TiN
15	TiNbAI	Ti	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)N	TiN
16	TiNbAlC	TiAl	Ti	TiN	(Ti_0.38Nb_0.11Al_0.51)C_0.05N_0.95	(Ti_0.5Al_0.5)N

Tabelle 4

Probe Nr.	Dicke der Zwischenschicht (µm)	Gesamtdicke der alternierenden Schicht (µm)	Filmdicke (individuell) nm		Verhältnis	Schneidergebnis
Probe Nr.	Dicke der Zwischenschicht (µm)	Gesamtdicke der alternierenden Schicht (µm)	t₁	t₂	t₁/t₂	Schneiddauer (min)	Schneidkantenzustand
5	0,5	1,5	30	50	0,6	30	konstante Abnutzung
6	0,5	1,5	35	50	0,7	27	konstante Abnutzung
7	0,5	1,5	35	50	0,7	25	starker Kolkverschleiß
8	0,5	1,5	35	50	0,7	23	starker Kolkverschleiß
9	1	1,5	35	50	0,7	21	feines Abplatzen
10	0,1	1,5	35	40	0,9	17	feines Abplatzen
11	0,05	3	50	50	1	16	Abschälen und Abplatzen
12	2	0,5	20	45	0,4	15	Abschälen und Abplatzen
13	-	1,5	35	70	0,5	12	Abschälen und Abplatzen
14	0,5	1,5	40	45	0,9	7	Bruch, verursacht durch Kolkverschleiß
15	0,5	1,5	38	40	1	5	Bruch, verursacht durch Kolkverschleiß
16	0,5	1,5	45	60	0,8	8	starkes Abplatzen

Wie es aus den Tabellen 3 und 4 ersichtlich ist, hatten die Proben 5 bis 13, welche eine alternierende Schicht aufweisen, in der eine erste Schicht, welche aus dem obigen (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x gebildet ist, und eine zweite Schicht, welche aus dem obigen M'N gebildet ist, in einer alternierenden Art angeordnet sind, eine längere Bearbeitungsdauer als die Proben Nr. 14 und 15. Insbesondere hatten die Proben 5 bis 12, in welchen das Basiselement aus dem cBN-Sinterkörper gebildet war und die Zwischenschicht, welche aus TiN oder CrN gebildet war, darin vorlag, eine lange Bearbeitungsdauer. Die Proben Nr. 5 bis 10, deren Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 bis 1 µmhatte, verursachten kein Abschälen der Beschichtungsschicht.
Bezugszeichenliste

1: beschichtetes Werkzeug
2: Basiselement
4: Beschichtungsschicht
6: alternierende Schicht
7: erste Schicht
8: zweite Schicht
11: Zwischenschicht
20: erste Fläche
22: zweite Fläche
24: Schneidkante

Claims

Ein beschichtetes Werkzeug, aufweisend: ein Basiselement und eine Beschichtungsschicht, welche auf dem Basiselement angeordnet ist, wobei die Beschichtungsschicht eine alternierende Schicht aufweist, die erste Schichten und zweite Schichten aufweist, welche alternierend beschichtet sind, wobei die ersten Schichten (Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x enthalten, wobei M eine oder mehrere Arten sind, welche aus den Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem, mit der Ausnahme von Ti und Nb, und Al ausgewählt sind, 0,2 ≤ b ≤ 0,8, 0,01 ≤ d ≤ 0,2, 0 ≤ e ≤ 0,7, b + d + e = 1 und 0 < x < 1 ist; und die zweiten Schichten M'N enthalten, wobei M' ein Metall der Gruppen 4, 5 und 6 im Periodensystem mit der Ausnahme von Nb ist.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei ein Mittelwert der Dicken der zweiten Schichten größer ist als ein Mittelwert der Dicken der ersten Schichten.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 2, wobei ein Verhältnis der Mittelwerte der Dicken der ersten Schichten zum Mittelwert der Dicken der zweiten Schichten 0,6 bis 0,9 ist.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Dicke von einer aus einer Mehrzahl der ersten Schichten, welche am nächsten am Basiselement angeordnet ist, größer ist als eine Dicke einer jeden der Mehrzahl der ersten Schichten, welche andere als die eine sind.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Dicke von einer aus einer Mehrzahl der zweiten Schichten, welche am nächsten am Basiselement angeordnet ist, größer ist als eine Dicke einer jeden der Mehrzahl der zweiten Schichten, welche andere als die eine sind.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Dicke von einer aus einer Mehrzahl der ersten Schichten, welche am weitesten vom Basiselement weg angeordnet ist, größer ist als eine Dicke einer jeden der Mehrzahl der ersten Schichten, die andere sind als die erste Schicht, welche am nächsten am Basiselement angeordnet ist.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtungsschicht eine Zwischenschicht aufweist, welche eine Dicke von 0,1 bis 1 µm hat und eine TiN-Schicht oder eine CrN-Schicht aufweist.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 7, wobei eine Dicke der Zwischenschicht größer ist als eine Dicke einer jeden einer Mehrzahl der ersten Schichten und größer ist als eine Dicke einer jeden von einer Mehrzahl der zweiten Schichten.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Schicht zur Zwischenschicht angrenzt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Basiselement aus einem cBN-Sinterkörper gebildet ist.