DE112018001654T5

DE112018001654T5 - Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112018001654T5
Application number: DE112018001654.4T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Katsuma
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-12-24
Also published as: KR102210002B1; JP7018934B2; CN110461512B; WO2018181034A1; KR20190122743A; US20200246876A1; CN110461512A; US11253926B2; JPWO2018181034A1

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug in einer Ausführungsform weist ein Basiselement, das eine erste Fläche aufweist, und eine Beschichtungsschicht auf, welche auf zumindest der ersten Fläche des Basiselements angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. Die erste Schicht ist auf der ersten Fläche angeordnet und enthält eine Titanverbindung. Die zweite Schicht ist auf der ersten Schicht diese kontaktierend angeordnet und enthält ein Aluminiumoxid. Die Beschichtungsschicht weist eine Mehrzahl von Leerräumen auf, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche Seite an Seite in der ersten Schicht in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein beschichtetes Werkzeug zur Verwendung in einem Schneidvorgang.
HINTERGRUND
Als ein beschichtetes Werkzeug zur Verwendung in einem Schneidvorgang, wie beispielsweise einem Drehvorgang und einem Fräsvorgang, ist ein beschichtetes Werkzeug bekannt, welches beispielsweise im Patentdokument 1 beschrieben ist. Das im Patentdokument 1 beschriebene beschichtete Werkzeug weist eine Konfiguration auf, bei welcher eine Beschichtungsschicht auf einer Fläche eines Basiselements angeordnet ist, das aus Hartmetall oder dergleichen gebildet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine Schicht (Titanverbindungsschicht), die eine Titanverbindung (Ti) enthält, und eine Schicht auf (Aluminiumoxidschicht), die ein Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthält. Bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen beschichteten Werkzeug ist eine Mehrzahl von Leerräumen an einer Schnittstelle zwischen der Titanverbindungsschicht und der Aluminiumoxidschicht geformt. Es gibt eine Beschreibung, dass ein Stoßentspannungseffekt aufgrund der Mehrzahl von Leerräumen erhaltbar ist.
Obwohl der Stoßentspannungseffekt durch Vorsehen der Leerräume erhaltbar ist, sind die Leerräume an der Grenze zwischen den zwei Schichten angeordnet, die in ihrer Zusammensetzung verschieden sind, und folglich kann eine Haftfähigkeit zwischen diesen Schichten gesenkt sein. Deshalb gibt es einen Bedarf für ein beschichtetes Werkzeug, welches eine gute Haftfähigkeit hat während eine große Stoßwiderstandsfähigkeit beibehalten wird.
DOKUMENTE DER BEZOGENEN TECHNIK
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-182209
KURZBESCHREIBUNG
Ein beschichtetes Werkzeug in einer der Ausführungsformen weist ein Basiselement, das eine erste Fläche aufweist, und eine Beschichtungsschicht auf, die auf zumindest der ersten Fläche des Basiselements angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. Die erste Schicht ist auf der ersten Fläche angeordnet und enthält eine Titanverbindung. Die zweite Schicht ist auf der ersten Schicht diese kontaktierend angeordnet und enthält ein Aluminiumoxid. In einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche weist die Beschichtungsschicht eine Mehrzahl von Leerräumen auf, die Seite an Seite in der ersten Schicht in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein beschichtetes Werkzeug in einer der Ausführungsformen zeigt,
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A im beschichteten Werkzeug, das in der 1 gezeigt ist,
3 ist eine vergrößerte Ansicht in der Nähe einer Beschichtungsschicht im beschichteten Werkzeug, das in der 2 gezeigt ist,
4 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Ausführungsform eines Bereichs B1 zeigt, der in der 3 gezeigt ist,
5 ist eine vergrößerte Ansicht, welche eine weitere Ausführungsform des Bereichs B1 zeigt, der in der 3 gezeigt ist,
6 ist eine Draufsicht, die ein Schneidwerkzeug in einer der Ausführungsformen zeigt, und
7 ist eine vergrößerte Ansicht in einem Bereich B2, der in der 6 gezeigt ist.

AUSFÜHRUNGSFORM
Ein beschichtetes Werkzeug 1 in einer der Ausführungsformen ist nachfolgend im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Zum Zwecke der Beschreibung zeigt eine jede der im folgenden bezogenen Zeichnungen in vereinfachter Form nur Hauptelemente, welche zum Beschreiben der Ausführungsformen erforderlich sind. Deshalb ist das beschichtete Werkzeug in der Lage, irgendwelche strukturellen Elemente aufzuweisen, die in den bezogenen Zeichnungen nicht gezeigt sind. Abmessungen dieser Elemente in einer jeden der Zeichnungen sind nicht solche, welche wahrheitsgetreu Abmessungen von tatsächlichen strukturellen Elementen und Abmessungsverhältnisse dieser Elemente zeigen.
Beschichtetes Werkzeug
Das beschichtete Werkzeug 1 der Ausführungsformen weist ein Basiselement 3 und eine Beschichtungsschicht 5 auf, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist. In den Ausführungsformen weist das Basiselement 3 eine erste Fläche 7 (eine obere Fläche in der 2), eine zweite Fläche 9 benachbart zur ersten Fläche 7 (eine Seitenfläche in der Figur zwei) und eine Schneidkante 11 auf, welche an zumindest einem Teil einer Kammlinie angeordnet ist, an welcher die erste Fläche 7 die zweite Fläche 9 schneidet.
In den Ausführungsformen weist das Basiselement 3 eine Viereck-Plattengestalt auf und weist die erste Fläche 7 eine Viereck-Plattengestalt auf. Die Anzahl der zweiten Flächen ist deshalb vier. In den Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der ersten Fläche 7 ein Spanflächenbereich und ist zumindest ein Teil der zweiten Fläche 9 ein Freiflächen- bzw. Flankenflächenbereich. Die Gestalt des Basiselements 3 ist nicht auf die Viereck-Plattengestalt beschränkt. Beispielsweise kann die erste Fläche eine dreieckige, fünfeckige oder sechseckige Gestalt haben. Alternativ kann das Basiselement 3 eine Säulengestalt zusätzlich zur Plattengestalt haben.
Die Beschichtungsschicht 5 ist auf zumindest der ersten Fläche 7 des Basiselements 3 angeordnet. Die Beschichtungsschicht 5 kann nur auf der ersten Fläche 7 oder auf einer anderen Fläche als der ersten Fläche im Basiselement 3 angeordnet sein. In den Ausführungsformen ist die Beschichtungsschicht 5 ebenfalls auf der zweiten Fläche 9 zusätzlich zur ersten Fläche 7 angeordnet. Die Beschichtungsschicht 5 ist für den Zweck des Verbesserns der Charakteristiken des Schneidwerkzeugs 1 während eines Schneidvorgangs vorgesehen, wie beispielsweise Abnutzungswiderstandsfähigkeit und Ausbrechwiderstandsfähigkeit.
In den Ausführungsformen weist die Beschichtungsschicht 5 eine erste Schicht 13 und eine zweite Schicht 15 auf, wie es in der 3 gezeigt ist. Die erste Schicht 13 ist an bzw. auf der ersten Fläche 7 angeordnet und enthält eine Titanverbindung. Die zweite Schicht 15 ist an bzw. auf der ersten Schicht 13 diese kontaktierend angeordnet und enthält ein Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Beispiele der Titanverbindung in der ersten Schicht weisen Titancarbid, - nitrid, -oxid, -carbonitrid, -kohlenstoffoxid bzw. -carbonoxid und -oxycarbonitrid auf. Die erste Schicht 13 kann eingerichtet sein, um nur eine der obigen Verbindungen zu enthalten oder kann alternativ eingerichtet sein, um eine Mehrzahl von Arten der obigen Verbindungen zu enthalten.
Die erste Schicht 13 kann als eine einzelne Schicht hergestellt sein oder kann alternativ eine Konfiguration aufweisen, in welcher eine Mehrzahl von Schichten die eine auf die andere laminiert sind, solange sie eine Titanverbindung enthält. Beispielsweise kann die erste Schicht 13 eine Konfiguration aufweisen, in welcher eine Schicht 17, die Titannitrid enthält, und eine Schicht 19, die Titancarbonitrid enthält, aufeinander laminiert sind. Eine Haftfähigkeit zwischen dem Basiselement 3 und der ersten Schicht 13 wird höher, falls die erste Schicht 13 die Schicht 17 enthält, die Titannitrid enthält.
Die Beschichtungsschicht 5 kann aus nur der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 gebildet sein oder kann alternativ eine andere Schicht als diese Schichten enthalten. Beispielsweise kann eine andere Schicht zwischen dem Basiselement 3 und der ersten Schicht 13 angeordnet sein oder kann alternativ eine andere Schicht an bzw. auf der zweiten Schicht 15 angeordnet sein.
Die Schicht 19, die das Titancarbonitrid enthält, kann eine Konfiguration aufweisen, in welcher eine Mehrzahl von in der Zusammensetzung unterschiedlichen Regionen aufeinander laminiert sind. Beispielsweise kann die Schicht, welche das Titancarbonitrid enthält, eine Konfiguration aufweisen, in welche ein erster Bereich 19a, der sogenanntes MT-(Moderattemperatur)-Titancarbonitrid enthält, und ein zweiter Bereich 19b, der sogenanntes HT-(Hochtemperatur)-Titancarbonitrid enthält, aufeinander laminiert sind. Eine Grenze zwischen den Schichten und eine Grenze zwischen den Bereichen kann beispielsweise durch Betrachten einer Elektronenmikroskop-(SEM: Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme oder einer Transm issionselektronenm ikroskop-(TEM: Transm issionselektronenm ikroskop)-Aufnahme ermittelt werden.
In Fällen, in welchen die erste Schicht 13 den ersten Bereich 19a und den zweiten Bereich 19b aufweist, kann die erste Schicht 13 weiter einen Zwischenbereich 19c zwischen dem ersten Bereich 19a und dem zweiten Bereich 19b aufweisen.
Beispiele des Aluminiumoxids, das in der zweiten Schicht 15 enthalten ist, weisen α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃), γ-Aluminiumoxid (γ-(α-Al₂O₃)) und κ-Aluminiumoxid (κ-Al₂O₃) auf. Falls die zweite Schicht 15 von diesen das α-Aluminiumoxid enthält, kann die Wärmewiderstandsfähigkeit des beschichteten Werkzeugs 1 verbessert sein. Die zweite Schicht 15 kann eingerichtet sein, um eine oder mehrere der obigen Verbindungen zu enthalten, oder kann alternativ eine Mehrzahl von Arten der obigen Verbindungen enthalten.
Eine Identifizierung des Aluminiumoxids unter den obigen Verbindungen, das in der zweiten Schicht 15 enthalten ist, kann beispielsweise evaluiert werden durch Ausführen einer Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und durch Beobachten einer Verteilung von Peakwerten.
Ein Gehalt bzw. Gehaltsanteil der Titanverbindung in der ersten Schicht 13 und ein Gehalt bzw. Gehaltsanteil des Aluminiumoxids in der zweiten Schicht 15 sind nicht auf einen spezifischen Wert beschränkt. Eine Ausführungsform davon ist eine Konfiguration, in welcher die erste Schicht 13 die Titanverbindung als einen Hauptbestandteil enthält und die zweite Schicht 15 das Aluminiumoxid als einen Hauptbestandteil enthält. Der Begriff „Hauptbestandteil“ bezeichnet einen Bestandteil, welcher unter den Werten der anderen Bestandteile einen in Gewichtsprozent größten Wert hat.
Die erste Schicht 13 kann einen anderen Bestandteil als die Titanverbindung enthalten, und die zweite Schicht 15 kann einen anderen Bestandteil als das Aluminiumoxid enthalten. Beispielsweise ist die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 verbessert, falls die erste Schicht 13 das Aluminiumoxid enthält und die zweite Schicht 15 die Titanverbindung enthält.
Die Beschichtungsschicht 5 in den Ausführungsformen weist die Leerräume 21 in einem Inneren der ersten Schicht 13 auf, wie es in der 4 gezeigt ist. Insbesondere weist die Beschichtungsschicht 5 die Mehrzahl der Leerräume 21 auf, die Seite an Seite in einer Richtung entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 des Basiselements 3 angeordnet sind.
Es ist deshalb möglich, den Stoßentspannungseffekt aufgrund der Leerräume 21 zu erhalten während eine Verschlechterung der Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 reduziert wird.
Darüber hinaus ist in den Ausführungsformen die Mehrzahl der Leerräume 21 Seite an Seite in der Richtung entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet. Dies führt zu einer schmaleren Distanz zwischen den Leerräumen 21 als beispielsweise in Fällen, in welchen die Mehrzahl der Leerräume 21 ohne Ordnung durchweg durch die erste Schicht 13 verteilt sind. Für einen Abschnitt X, der zwischen den Leerräumen 21 angeordnet ist, die zueinander in der ersten Schicht 13 benachbart sind (als ein erster Abschnitt X zum Zweck der Bequemlichkeit bezeichnet), ist es deshalb wahrscheinlich, verformt zu werden, wodurch es ermöglicht wird, die Stoßwiderstandsfähigkeit zu verbessern während die Festigkeit der ersten Schicht 13 sichergestellt wird. Folglich hat das beschichtete Werkzeug 1 der Ausführungsformen eine gute Haftfähigkeit während die verbesserte Stoßwiderstandsfähigkeit erhalten bleibt.
In Fällen, in welchen im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert von Breiten w1 der Leerräume 21 in einer Richtung parallel zur ersten Fläche 7 kleiner ist als eine Distanz zwischen den Leerräumen 21, die zueinander benachbart sind, das heißt, ein Mittelwert von Breiten w2 am ersten Abschnitt X, ist eine große Stoßwiderstandsfähigkeit in den Leerräumen 21 erhaltbar während eine Verschlechterung der Festigkeit des ersten Abschnitts reduziert wird.
Da die Titanverbindung, welche in der ersten Schicht 13 enthalten ist, ein Material ist, welches eine große Steifigkeit und niedrige Zähigkeit hat, ist es für einen Riss wahrscheinlicher, am ersten Abschnitt X aufzutreten, wenn die Breite w2 des ersten Abschnitts X kleiner wird. Es ist einfach die Breiten w2 des ersten Abschnitts X sicherzustellen, falls die Leerräume 21 und der Mittelwert der Breiten des ersten Abschnitts X die obige Beziehung haben. Für eine Festigkeit des ersten Abschnitts X ist es deshalb weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern, was zu einer verbesserten Stoßwiderstandsfähigkeit in den Leerräumen 21 führt.
Beim Evaluieren des Mittelwerts der Breiten w1 der Leerräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche ist es nicht notwendig, die Breiten w1 aller Leerräume 21 zu evaluieren, welche im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 existieren, sondern kann der Mittelwert durch einen Mittelwert der Breiten w1 von in etwa 5 bis 10 Leerräumen 21 evaluiert werden, die im Querschnitt Seite an Seite angeordnet sind. Beispielsweise kann ein quadratischer Bereich von 10 µm, der die Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 enthält, im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 extrahiert werden und können die Breiten w1 der Leerräume 21 in dem Bereich gemessen werden. Ein Mittelwert der Breiten w2 des ersten Abschnitts X kann durch einen Mittelwert der Distanzen zwischen in etwa 5 bis 10 Leerräumen 21 evaluiert werden, welche im Querschnitt Seite an Seite angeordnet sind. Es können andere Fälle des Ermittelns eines Mittelwerts in der vorliegenden Offenbarung gegeben sein. Ein Mittelwert von etwa 5 bis 10 Werten kann in jedem dieser Fälle erhalten werden.
Die Leerräume 21 können in der ersten Schicht 13 vorliegen. Zusätzlich zu dieser Konfiguration, in welcher die Leerräume 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet sind, wie es in der 4 gezeigt ist, ist es möglich, beispielsweise eine Konfiguration umzusetzen, in welcher die Leerräume 21 in einer jeden von der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sind, wie es in der 5 gezeigt ist. Ein imaginäres Liniensegment entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ist durch eine strichpunktierte Linie in der 5 angegeben, und die Leerräume 21, die in der zweiten Schicht 15 angeordnet sind, können entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sein.
Der Ausdruck, dass „die Leerräume 21 entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sind“ bezeichnet, dass die Distanzen ausgehend von der Mehrzahl von Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 innerhalb eines Bereichs von ±20 % eines Mittelwerts davon fällt. Die 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Querschnitts und zeigt einen Bereich, welcher zu 4 äquivalent ist.
In Fällen, in welchen die erste Schicht 13 Titancarbonitrid als die Titanverbindung enthält und die zweite Schicht 15 α-Aluminiumoxid als das Aluminiumoxid enthält, aus dem Blickpunkt der Wärmewiderstandsfähigkeit und der Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1, kann die Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1 weiter verbessert werden, falls die Mehrzahl von Leerräumen 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet sind.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Die Härte des Titancarbonitrids ist höher, aber eine Stoßwiderstandsfähigkeit davon ist niedriger als die des α-Aluminiumoxids. Deshalb, falls die Leerräume 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet sind, kann die Stoßwiderstandsfähigkeit aufgrund der Leerräume 21 in der ersten Schicht 13 verbessert sein und kann die Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1 weiter verbessert sein.
Obwohl keine besonderen Beschränkungen für die Größe der Leerräume 21 gelten, ist die Größe beispielsweise auf 20 bis 200 nm festlegbar. Der Stoßentspannungseffekt aufgrund der Leerräume 21 kann verbessert sein, falls 20 nm oder mehr die Größe der Leerräume 21 ist. Es ist einfach die Festigkeit der ersten Schicht 13 beizubehalten, falls 200 nm oder weniger die Größe der Leerräume 21 ist. Der Begriff „Größe der Leerräume 21“ in den Ausführungsformen bezeichnet einen Maximalwert der Breiten w1 der Leerräume 21 in dem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7.
Für die Gestalt der Leerräume 21 gilt keine besondere Beschränkung. Die Stoßwiderstandsfähigkeit kann weiter verbessert sein, während ein Verhältnis der Leerräume 21 reduziert wird, falls im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 die Breite w1 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als eine Höhe h1 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7, mit anderen Worten, falls der Mittelwert der Breiten w1 der Leerräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7. Der Grund hierfür ist wie folgt.
Während eines Schneidvorgangs eines Werkstücks zum Zweck des Herstellens eines Schnittprodukts ist die Beschichtungsschicht 5 für eine Schneidbelastung in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 anfällig. Falls die Leerräume 21 eine solche Gestalt haben, dass die Breite w1 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als die Höhe h1 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7, kann die Schneidbelastung in einem weiten Bereich der Leerräume 21 absorbiert werden, ohne die Leerräume 21 unnötigerweise zu vergrößern. Dies ermöglicht es, die Stoßwiderstandsfähigkeit weiter zu verbessern, während das Verhältnis der Leerräume 21 reduziert wird. Der Begriff „Höhen h1 der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7“ bezeichnet einen Maximalwert der Höhen h1 der Leerräume in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7.
Insbesondere tendiert die Schneidbelastung dazu, in einem weiten Bereich der Leerräume 21 absorbiert zu werden, falls 1,2 oder mehr ein Verhältnis des Mittelwerts der Höhen h1 der Leerräume 21 in Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 zum Mittelwert der Breiten w1 der Leerräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 ist. Darüber hinaus, falls das obige Verhältnis 2 oder weniger ist, ist es einfach, ein Verformungsmaß der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 sicherzustellen, was zu einer stabilen Absorption der Schneidbelastung in den Leerräumen 21 führt.
Falls in den Ausführungsformen der Mittelwert der Höhen h1 der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 kleiner ist als Rz, wobei Rz die Höhe der Grenze zwischen der ersten Fläche 7 und der zweiten Fläche 9 im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ist, ist es einfach eine Verschlechterung der Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 5 zu reduzieren.
Das beschichtete Werkzeug 1 der Ausführungsformen hat aufgrund der Verformung der Mehrzahl der Leerräume 21 in der ersten Schicht 13 eine verbesserte Stoßwiderstandsfähigkeit aufgrund der Verformung des ersten Abschnitts X, welcher zwischen den Leerräumen 21 angeordnet ist, die benachbart zueinander angeordnet sind,. Falls ein Mittelwert der Breiten der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 kleiner ist als Rz wird eine imaginäre Linie, welche die zueinander benachbarten Leerräume 21 verbindet, durch eine Zickzackgestalt angegeben, welche stärker gekrümmt ist als die Breite der Leerräume 21.
In Fällen, in welchen die imaginäre Linie durch die obige Gestalt bezeichnet ist, sogar, falls ein Riss an einem von den ersten Abschnitten X auftritt, ist es für den Riss weniger wahrscheinlich, zum ersten Abschnitt X fortzuschreiten, welcher zum ersten Abschnitt X mit dem Riss benachbart ist. Für die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht ist es deshalb weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern.
Für die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 5 ist es ebenfalls weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern, falls ein Mittelwert der Distanzen d1 ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 größer ist als ein Mittelwert der Breiten w2 der ersten Abschnitte X im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7. Der Begriff „Distanz d1 ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15“ bezeichnet einen Minimalwert der Distanz zur Grenzschicht 16 in den Leerräumen 21.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Da im Vergleich mit den ersten Abschnitten X der obere Fall eine ausreichende Distanz von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 sicherstellt, sogar, falls ein Riss in einem von den ersten Abschnitten X auftritt, ist es für den Riss weniger wahrscheinlich, die Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 zu erreichen. Für die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ist es weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern, da es für den Riss weniger wahrscheinlich ist, die Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 zu erreichen.
Die Leerräume 21 sind in der ersten Schicht 13 angeordnet und sind von der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 entfernt angeordnet. Für die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ist es weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern, während eine verbesserte Stoßwiderstandsfähigkeit in der Beschichtungsschicht 5 erzielt wird, falls im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Wert der Distanzen d1 ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Da im Vergleich mit der Größe der Leerräume 21 die Distanz ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ausreichend sichergestellt sein kann, sogar, falls die Leerräume 21 aufgrund einer Absorption der Schneidbelastung verformt werden, die Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 nicht verformt wird oder ein Verformungsmaß ausreichend klein ist. Für die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ist es weniger wahrscheinlich, sich zu verschlechtern, da die Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 einer großen Verformung weniger stark ausgesetzt ist.
Beispiele des Materials des Basiselements 3 weisen in den Ausführungsformen anorganische Materialien, wie beispielsweise Hartmetall, Cermet und Keramiken auf. Das Material des Basiselements 3 ist nicht auf diese Materialien beschränkt.
Beispiele der Zusammensetzung des Hartmetalls weisen WC-(Wolframcarbid)-Co, WC-TiC-(Titancarbid)-Co und WC-TiC-TaC-(Tantalcarbid)-Co auf. Insbesondere sind WC, TiC und TaC harte Partikel und ist Co die Binderphase. Das Cermet ist ein gesintertes Verbundmaterial, welches erhalten wird durch Zusammensetzen von Metall und einem keramischen Bestandteil. Spezifische Beispiele des Cermets weisen Verbindungen auf, die hauptsächlich aus TiC oder TiN (Titannitrid) gebildet sind.
Das Basiselement 3 weist in den Ausführungsformen ein Durchgangsloch 23 auf, welches durch die erste Fläche 7 und eine Fläche hindurchtritt, die an einer entgegengesetzten Seite der ersten Fläche 7 angeordnet ist. Das Durchgangsloch 23 ist zum Einsetzen eines Fixierelements verwendbar, welches gedacht ist, das beschichtete Werkzeug 1 an einem Halter zu fixieren. Beispiele des Fixierelements weisen eine Schraube und ein Klemmelement auf.
Die Größe des Basiselements 3 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise ist in den Ausführungsformen eine Länge einer Seite der ersten Fläche auf in etwa 3 bis 20 mm festlegbar. Eine Höhe ausgehend von der ersten Fläche 7 zur Fläche, welche an der entgegengesetzten Seite der ersten Fläche 7 angeordnet ist, ist auf in etwa 5 bis 20 mm festlegbar.
Herstellungsverfahren
Eine der Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs in den Ausführungsformen ist nachfolgend beschrieben.
Als erstes wird ein Mischpulver durch angemessenes Hinzugeben von Metallpulver, Kohlepulver bzw. Kohlenstoffpulver oder dergleichen zu einem anorganischen Pulver, welches aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid und Oxid oder dergleichen ausgewählt ist, die in der Lage sind, eine harte Legierung durch Sintern zu formen, die ein Basiselement 3 ausbildet, und dann durch Zusammenmischen davon hergestellt. Nachfolgend wird ein Formkörper hergestellt durch Formen des Mischpulvers in eine vorbestimmte Werkzeuggestalt unter Verwendung von bekannten Formverfahren. Beispiele des Formverfahrens weisen Pressformen, Gießformen, Extrusionsformen und kaltisostatisches Pressformen auf. Das Basiselement 3 wird hergestellt durch Sintern des Formkörpers in Vakuum oder einer nicht-oxidierenden Atmosphäre. Eine Fläche des Basiselements 3 kann einem Poliervorgang oder ein Honvorgang unterzogen werden, falls erforderlich.
Nachfolgend wird eine Beschichtungsschicht 5 auf der Oberfläche des Basiselements 3 durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren abgelagert bzw. abgeschieden.
Der erste Schritt ist es, eine Schicht 17 (Unterschicht), die Titannitrid enthält, in der ersten Schicht 13 abzulagern. Ein erstes Mischgas, welches als ein Reaktionsgas verwendet wird, wird hergestellt durch Mischen von 0,5 bis 10 Vol.-% Titantetrachlorid-Gas und 10 bis 60 Vol.-% Stickstoff-Gas in Wasserstoff-(H₂)-Gas. Die Schicht 17, die das Titannitrid enthält, wird in einem Temperaturbereich von 830 bis 870 °C abgelagert durch Einleiten des ersten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 10 bis 20 kPa in eine Kammer.
Der nächste Schritt ist es, einen ersten Bereich 19a in der ersten Schicht 13 abzulagern. Ein zweites Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 0,5 bis 10 Vol.-% Titantetrachlorid-Gas, 5 bis 60 Vol.-% Stickstoff-Gas und 0,1 bis 3 Vol.-% Acetonitilgas in Wasserstoff-Gas. Der erste Bereich 19a, der das MT-Titancarbonitrid enthält, wird in einem Temperaturbereich von 830 bis 870 °C abgelagert durch Einleiten des zweiten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 6 bis 12 kPa in die Kammer.
Der nächste Schritt ist es, eine Zwischenschicht 19c abzulagern. Ein drittes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 3 bis 30 Vol.-% Titantetrachloridgas, 3 bis 15 Vol.-% Methan-Gas, 5 bis 10 Vol.-% von Stickstoff-Gas und 0,5 bis 10 Vol.-% Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Gas in Wasserstoff-Gas. Der Zwischenbereich 19c, der eine Dicke von in etwa 50 bis 300 nm hat, wird in einem Temperaturbereich von 980 bis 1050 °C abgelagert durch Einleiten des dritten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 6 bis 12 kPa in die Kammer. Leerräume 21 sind im Zwischenbereich 19c aufgrund des dritten Mischgases formbar, das das Kohlendioxidgas enthält.
Darüber hinaus, wenn die Dicke des Zwischenbereichs 19c so schmal wie in etwa 50 bis 300 nm ist, wird es möglich, die Leerräume 21, die im Zwischenbereich 19c geformt werden, in einer Richtung entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 auszurichten.
Der nächste Schritt ist es, einen zweiten Bereich 19b in der ersten Schicht 13 abzulagern. Ein viertes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 1 bis 4 Vol.-% Titantetrachlorid-Gas, 5 bis 20 Vol.-% Stickstoffgas, 0,1 bis 10 Vol.-% Methangas und 0,5 bis 10 Vol.-% Kohlenstoffdioxidgas in Wasserstoffgas. Der zweite Bereich 19b, welcher eine Dicke von in etwa 0,3 bis 3 µm hat und das HT-Titancarbonitrid enthält, wird in einem Temperaturbereich von 950 bis 1050 °C abgelagert durch Einleiten des vierten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 5 bis 45 kPa in die Kammer.
Der nächste Schritt ist es, eine zweite Schicht 15 abzulagern. Eine Ablagerungstemperatur ist auf 950 bis 1100 °C eingestellt und ein Gasdruck ist auf 5 bis 20 kPa eingestellt. Eine Reaktionsgaszusammensetzung ist wie folgt. Ein fünftes Mischgas wird hergestellt durch Mischen von 5 bis 15 Vol.-% Aluminiumtrichlorid-(AlCl₃)-Gas, 0,5 bis 2,5 Vol.-% Chlorwasserstoff-(HCI)-Gas, 0,5 bis 5,0 Vol.-% Kohlenstoffdioxidgas und 0 bis 1 Vol.-% Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas in Wasserstoffgas. Die zweite Schicht 15 wird abgelagert durch Einleiten des fünften Mischgases in die Kammer.
Dann wird, falls erforderlich, ein Poliervorgang an einem Teil der Oberfläche der abgelagerten Beschichtungsschicht 5 ausgeführt, an welchem die Schneidkante 11 angeordnet ist. Falls der Poliervorgang ausgeführt wird, ist es für ein Werkstück weniger wahrscheinlich, an der Schneidkante 11 anzuschweißen, was zu dem beschichteten Werkzeug 1 führt, dass eine bessere Bruchwiderstandsfähigkeit hat.
Das obige Herstellungsverfahren ist eine Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des beschichteten Werkzeugs der Ausführungsformen. Deshalb sind die beschichteten Werkzeuge 1 der Ausführungsformen nicht auf solche beschränkt, welche durch das obige Herstellungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann eine dritte Schicht separat auf der zweiten Schicht 15 abgelagert werden.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, in welchem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Breiten w1 der Leerräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 kleiner ist als ein Mittelwert der Distanzen w2 der zueinander benachbarten Leerräume 21, kann das Kohlenstoffdioxidgas auf 0,5 bis 5 Vol.-% während des Ablagerns des Zwischenbereichs 19c eingestellt sein.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, in welchem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 der Mittelwert der Breiten w1 der Leerräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Leerräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7, können Zeiteinstellungen während des Ablagerns des Zwischenbereichs 19c vorgenommen werden, sodass der Zwischenbereich 19c in einer Dicke von den etwa 50 bis 150 nm abgelagert wird.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, in welchem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Distanzen d1 ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Leerräume 21 in Richtung parallel zur ersten Fläche 7, können Zeiteinstellungen während des Ablagerns des Zwischenbereichs 19c vorgenommen werden, um in einer Dicke von in etwa 50 bis 150 nm abgelagert zu werden, und danach kann der zweite Bereich 19b in der ersten Schicht 13 in einer Dicke von in etwa 0,5 bis 3 µm abgelagert werden.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, in welchem in dem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Distanzen d1 ausgehend von den Leerräumen 21 zur Grenze 16 größer ist als ein Mittelwert der Distanzen w2 der zueinander benachbarten Leerräume 21, kann der zweite Bereich 19b in der ersten Schicht 13 abgelagert werden, um dicker zu sein als der Mittelwert der Distanzen w2 der zueinander benachbarten Leerräume 21.
Schneidwerkzeug
Ein Schneidwerkzeug 101 einer der Ausführungsformen ist nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie es in den 6 und 7 gezeigt ist, weist das Schneidwerkzeug 101 der Ausführungsform einen stangenförmigen Körper auf, welcher sich ausgehend von einem ersten Ende (eine obere Seite in der 6) zu einem zweiten Ende erstreckt (eine untere Seite in der 6). Das Schneidwerkzeug 101 weist einen Halter 105 mit einer Tasche 103 auf, welche an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug 1 ist an der Tasche 103 angeordnet. Im Schneidwerkzeug 101 der Ausführungsformen ist das beschichtete Werkzeug 1 befestigt, sodass ein Teil der Kammlinie, welche als eine Schneidkante verwendbar ist, ausgehend von einem vorderen Ende des Halters 105 im Schneidwerkzeug 101 der Ausführungsform vorsteht.
Die Tasche 103 ist ein Teil, welcher ein Befestigen des beschichteten Werkzeugs 1 erlaubt. Die Tasche 103 weist eine Sitzfläche parallel zu einer unteren Fläche des Halters 105 und eine Begrenzungsseitenfläche auf, welche relativ zu Sitzfläche geneigt ist. Die Tasche 103 ist in einer Seite des ersten Endes des Halters 105 offen.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist an der Tasche 103 angeordnet. Eine untere Fläche des beschichteten Werkzeugs 1 kann sich mit der Tasche 103 in direktem Kontakt befinden. Alternativ kann eine Platte zwischen dem beschichteten Werkzeug 1 und der Tasche 103 gehalten werden.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist befestigt, sodass der Teil der Kammlinie, welche als die Schneidkante verwendbar ist, vom Halter 105 ausgehend auswärts vorsteht. In der Ausführungsform ist das beschichtete Werkzeug 1 am Halter 105 durch eine Schraube 107 befestigt. Insbesondere ist das beschichtete Werkzeug 1 am Halter 105 in solch einer Art befestigt, dass Schraubteile miteinander eingreifen durch Einsetzen der Schraube 107 in das Durchgangsloch des beschichteten Werkzeugs 1 und durch Einsetzen eines vorderen Endes der Schraube 107 in ein Schraubenloch (nicht gezeigt), das in der Tasche 103 geformt ist.
Beispielsweise sind Stahl und Gusseisen als der Halter 105 verwendbar. Von diesen Materialien wird ein hochfester Stahl bevorzugt verwendet.
Die Ausführungsformen beschreiben und stellen die Schneidwerkzeuge zur Verwendung in einem sogenannten Drehvorgang dar. Beispiele des Drehvorgangs weisen eine Innendurchmesserbearbeitung, eine Außendurchmesserbearbeitung und eine Nutbearbeitung auf. Die Schneidwerkzeuge sind nicht auf solche beschränkt, welche im Drehvorgang verwendet werden. Beispielsweise sind die beschichteten Werkzeuge 1 der obigen Ausführungsformen bei Schneidwerkzeugen zur Verwendung im Fräsvorgang anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: beschichtete Werkzeug
3: Basiselement
5: Beschichtungsschicht
7: erste Fläche
9: zweite Fläche
11: Schneidkante
13: erste Schicht
15: zweite Schicht
16: Grenze (Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht)
17: Titannitridschicht
19: Titancarbonitridschicht
19a: erster Bereich
19b: zweite Bereich
19c: Zwischenbereich
21: Leerräume
23: Durchgangsloch
101: Schneidwerkzeug
103: Tasche
105: Halter
107: Fixierschraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015182209 [0004]

Claims

Ein beschichtetes Werkzeug, aufweisend: ein Basiselement, welches eine erste Fläche aufweist, und eine Beschichtungsschicht, die auf zumindest der ersten Fläche des Basiselements angeordnet ist, die Beschichtungsschicht eine erste Schicht, die auf der ersten Fläche angeordnet ist und eine Titanverbindung enthält, und eine zweite Schicht aufweist, die auf der ersten Schicht diese kontaktierend angeordnet ist und ein Aluminiumoxid enthält, und die Beschichtungsschicht eine Mehrzahl von Leerräumen aufweist, welche in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche Seite an Seite in der ersten Schicht in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert von Breiten der Leerräume in einer Richtung parallel zur ersten Fläche kleiner ist als ein Mittelwert von Distanzen zwischen den zueinander benachbarten Leerräumen in der Richtung parallel zur ersten Fläche.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2 wobei die erste Schicht Titancarbonitrid enthält und die zweite Schicht α-Aluminiumoxid enthält.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Breiten der Leerräume in einer Richtung parallel zur ersten Fläche größer ist als ein Mittelwert von Höhen der Leerräume in einer Richtung orthogonal zur ersten Fläche.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert von Distanzen ausgehend von den Leerräumen zur Grenze größer ist als ein Mittelwert von Höhen der Leerräume in einer Richtung orthogonal zur ersten Fläche.
Das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert von Distanzen ausgehend von den Leerräumen zur Grenze größer ist als ein Mittelwert von Distanzen zwischen den zueinander benachbarten Leerräumen in einer Richtung parallel zur ersten Fläche.
Ein Schneidwerkzeug, aufweisend: einen Halter, welcher eine Stangengestalt hat, die sich ausgehend von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und welcher eine Tasche aufweist, die an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, welches an der Tasche angeordnet ist.