DE112018007874T5

DE112018007874T5 - Hartbeschichtung und mit Hartbeschichtung bedecktes Element

Info

Publication number: DE112018007874T5
Application number: DE112018007874.4T
Authority: DE
Inventors: Mei Wang
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2021-04-22
Also published as: US11447873B2; TWI720563B; CN112543818B; KR20210025642A; CN112543818A; TW202014540A; US20210164110A1; WO2020026392A1; JP7140834B2; JPWO2020026392A1; KR102519788B1

Abstract

Eine A-Lage (32), die eine Art an Einzelzusammensetzungslage ist, die durch eine von einer A-Zusammensetzung (Nitrid von AlCrSiα), einer B-Zusammensetzung (Nitrid von AlTiSiβ) und einer C-Zusammensetzung (Nitrid von AlCr(SiC)γ) gebildet wird, und zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen (38, 40), die durch zwei Nanoschichten (A-Nanoschicht 32n, B-Nanoschicht 34n, C-Nanoschicht 36n) der jeweiligen A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung gebildet werden, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, sind abwechselnd mit vorbestimmten Dicken aufeinandergeschichtet, wodurch eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit, Schmierfähigkeit und Schweißresistenz erzielt werden, beispielsweise derart, dass selbst bei einem Schneidevorgang mit einer Titanlegierung eine hervorragende Haltbarkeit erzielt wird. Dank dieser Merkmale ist es bei einem Schneidevorgang mit einer Titanlegierung oder irgendeiner anderen von verschiedenen Werkstückmaterialien wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Gusseisen und legiertem Stahl oder bei einer harten Bearbeitungsbedingung wie eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung möglich geworden, einen Bruch und ein Ablösen einer Hartbeschichtung durch die hohe Zähigkeit zu unterdrücken und dementsprechend eine Lebensdauer eines Werkzeugs zu erhöhen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hartbeschichtung und ein mit einer Hartbeschichtung bedecktes Element und insbesondere auf solch eine Hartbeschichtung, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz hat.
Stand der Technik
Eine Hartbeschichtung ist bei verschiedenen Elementen, etwa verschiedenen Bearbeitungswerkzeugen und Reibungsteilen, die Verschleißbeständigkeit haben müssen, dazu vorgesehen, eine Oberfläche eines Substrats, das aus Hartmetall, Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl oder dergleichen besteht, zu bedecken, wobei die verschiedenen Bearbeitungswerkzeuge schneidende Werkzeuge wie einen Schaftfräser, einen Fräser, einen Bohrer, einen Drehmaschinenfräser und eine Schneidspitze und nicht schneidende Werkzeuge wie einen Gewindeformer und ein Rundwerkzeug einschließen. Im Patentdokument 1 wird zum Beispiel eine Hartbeschichtung mit einer mehrlagigen Struktur eines AICrN-Systems / AlTiSiN-Systems vorgeschlagen. Im Patentdokument 2 wird eine Hartbeschichtung mit einer mehrlagigen Struktur eines AICrN-Systems / CrN-Systems vorgeschlagen. Im Patentdokument 3 wird eine Hartbeschichtung mit einer mehrlagigen Struktur eines AlCr-Systems / TiSi-Systems vorgeschlagen. Diese Hartbeschichtungen haben im Allgemeinen eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz.
Entgegenhaltungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2012 - 35 378 A
Patentdokument 2: JP 2014 - 79 834 A
Patentdokument 3: JP 2008 - 534 297 A

Offenbarung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösende Aufgabe
Allerdings besteht die Möglichkeit, dass die oben beschriebene Hartbeschichtung abhängig von zum Beispiel Bearbeitungs- und Einsatzbedingungen wie den Arten der Werkstückmaterialien und Schnittgeschwindigkeiten auch nicht unbedingt für eine hinreichend zufriedenstellende Leistung sorgen kann, sodass es noch Raum für Verbesserungen gibt. Wenn zum Beispiel das schneidende Werkzeug, das mit der herkömmlichen Hartbeschichtung bedeckt ist, für Schneidevorgänge zum Schneiden von Titanlegierung verwendet wird, gibt es den Fall, dass das schneidende Werkzeug aufgrund von zum Beispiel Ablösen oder Bruch der Hartbeschichtung in einer frühen Phase keine ausreichende Lebensdauer hat, da die Titanlegierung einen verhältnismäßig hohen Grad an Zähigkeit hat.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts des oben diskutierten Stands der Technik. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Hartbeschichtung und ein mit einer Hartbeschichtung bedecktes Werkzeug zur Verfügung zu stellen, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz haben und die dazu im Stande sind, auch bei Schneidevorgängen zum Schneiden von zum Beispiel Titanlegierung für eine gewisse Lebensdauer zu sogen.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Verschiedene Experimente und Studien, die in der oben beschriebenen Situation vom Erfinder der vorliegenden Erfindung und Mitarbeitern durchgeführt wurden, haben die Tatsache aufgedeckt, dass eine Hartbeschichtung mit hoher Zähigkeit und hervorragender Haltbarkeit erhalten werden kann, wenn eine A-Zusammensetzung, eine B-Zusammensetzung und eine C-Zusammensetzung verwendet werden, und diese zum Beispiel mit bestimmten Dicken aufeinandergeschichtet werden, wobei die A-Zusammensetzung ein Nitrid von AlCrSiα ist, wobei ein optionaler zusätzlicher Bestandteil α mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist, die B-Zusammensetzung ein Nitrid von AlTiSiβ ist, wobei ein optionaler zusätzlicher Bestandteil β mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist, und die C-Zusammensetzung ein Nitrid von AlCr(SiC)γ ist, wobei ein optionaler zusätzlicher Bestandteil γ mindestens eine Art an Element ist, das aus B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist. Die vorliegende Erfindung erfolgte beruhend auf der aufgedeckten Tatsache.
Eine erste Erfindung ist bei einer Hartbeschichtung, die so auf eine Oberfläche eines Substrats aufzubringen ist, dass sie die Oberfläche des Substrats bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass: (a) (a-3) die Hartbeschichtung eine Gesamtdicke in einem Bereich von 0,5 - 20 µm hat und drei Arten an Lagen enthält, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, wobei die drei Arten an Lagen aus (a-1) einer Einzelzusammensetzungslage und (a-2) zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bestehen, wobei die Einzelzusammensetzungslage durch eine von einer A-Zusammensetzung, einer B-Zusammensetzung und einer C-Zusammensetzung gebildet wird und wobei die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen Nanoschichten enthalten, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind und die durch zwei von drei Kombinationen gebildet werden, die aus einer Kombination der A-Zusammensetzung und der B-Zusammensetzung, einer Kombination der A-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung und einer Kombination der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung bestehen, (b) die A-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_aCr_bSi_cα_d repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse a, b, c, d 0,30 ≤ a ≤ 0,85, 0,10 ≤ b ≤ 0,65, 0,01 ≤ c ≤ 0,45, 0 ≤ d ≤ 0,10 und a + b + c + d = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil α mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; (c) die B-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_eTi_fSi₉β_h, repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse e, f, g, h 0,01 ≤ e ≤ 0,85, 0,05 ≤ f ≤ 0,90, 0,05 ≤ g ≤ 0,45, 0 ≤ h ≤ 0,10 und e + f + g + h = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil β mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; (d) die C-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_iCr_j(SiC)_kγ_I repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse i, j, k, I 0,20 ≤ i ≤ 0,85, 0,10 ≤ j ≤ 0,50, 0,03 ≤ k ≤ 0,45, 0 ≤ I ≤ 0,10 und i + j + k + I = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil γ mindestens eine Art an Element ist, der aus B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; (e) die Einzelzusammensetzungslage eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm hat; und (f) jede der Nanoschichten, die die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bilden, eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 500 nm hat und jede der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen eine Dicke in einem Bereich von 1 - 1000 nm hat.
Es wird darauf hingewiesen, dass das (SiC) der C-Zusammensetzung bedeutet, dass das (SiC) in der Form von Siliciumcarbid als einer Verbindung vorhanden ist. Außerdem ist es schwierig, die Dicke jeder Lage über den gesamten Bereich genau zu steuern. Jede der in dieser Beschreibung beschriebenen Dicken ist ein mittlerer Dickenwert und die Dicke kann teilweise von einem entsprechenden der oben beschriebenen Wertebereiche abweichen, solange der mittlere Dickenwert in den entsprechenden der oben beschriebenen Wertebereiche fällt.
Eine zweite Erfindung ist bei der Hartbeschichtung der ersten Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T2 von einer der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T3 der anderen der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen.
Eine dritte Erfindung ist bei der Hartbeschichtung der ersten oder zweiten Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine unterste Lage der Einzelzusammensetzungslage und der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, direkt auf einer Oberfläche des Substrats anzuordnen ist.
Eine vierte Erfindung ist bei der Hartbeschichtung der ersten oder zweiten Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass: (a) die Hartbeschichtung eine Grenzflächenlage enthält, die zwischen der Hartbeschichtung und dem Substrat anzuordnen ist; (b), (c) die Grenzflächenlage eine Dicke in einem Bereich von 10 - 1000 nm hat und durch eine von drei Arten an Lagen bereitgestellt wird, die Folgende sind: (b-1) eine Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird; (b-2) eine Nanoschicht-Wechsellage, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd derart aufeinandergeschichtet sind, dass jede der zwei Arten an Nanoschichten eine Dicke von 0,5 - 500 nm hat; und (b-3) eine Lage aus Metallnitrid, Metallcarbonitrid oder Metallcarbid, das durch mindestens eine Art an Element gebildet wird, das aus B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W ausgewählt ist.
Eine fünfte Erfindung ist bei der Hartbeschichtung von einer der ersten bis vierten Erfindungen dadurch gekennzeichnet, dass: (a) die Hartbeschichtung eine Oberflächenlage enthält, die für eine äußerste Oberfläche der Hartbeschichtung sorgt; (b) die Oberflächenlage durch eine Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird, oder eine Nanoschicht-Wechsellage bereitgestellt wird, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd derart aufeinandergeschichtet sind, dass jede der zwei Arten an Nanoschichten eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 500 nm hat; und (c) die Oberflächenlage eine Dicke von 5 - 1000 nm hat.
Eine sechste Erfindung ist bei der Hartbeschichtung von einer der ersten bis fünften Erfindungen dadurch gekennzeichnet, dass: eine Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung in einem Bereich von 2700 - 3300 (HV) liegt.
Die Beschichtungshärte (HV0,025) ist ein HV-Wert (Vickershärte) der Hartbeschichtung, der in Übereinstimmung mit dem Vickershärte-Prüfverfahren (JIS G0202, Z2244) unter einer durch das Härtesymbol HV0,025 angegebenen Bedingung gemessen wird.
Eine siebte Erfindung ist ein mit einer Hartbeschichtung bedecktes Element, das ein Substrat aufweist, dessen Oberfläche teilweise oder vollständig mit einer Hartbeschichtung bedeckt ist, und das durch gekennzeichnet ist, dass die Hartbeschichtung die Hartbeschichtung einer der ersten bis sechsten Erfindungen ist.
Eine achte Erfindung ist bei dem mit einer Hartbeschichtung bedeckten Element der siebten Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element ein intermittierend schneidendes Werkzeug ist, das Schneidkanten aufweist und das so um eine Achse zu rotieren ist, dass es durch die Schneidkanten einen intermittierenden Schneidevorgang durchführt.
Es wird darauf hingewiesen, dass, solange ein gerundeter Wert eines tatsächlichen Werts innerhalb eines entsprechenden numerischen Bereichs liegt, der in den oben beschriebenen Erfindungen definiert ist, ein solcher tatsächlicher Wert so zu interpretieren ist, dass er innerhalb des entsprechenden numerischen Bereiches liegt.
Wirkungen der Erfindung
Bei der oben beschriebenen Hartbeschichtung der vorliegenden Erfindung hat die Einzelzusammensetzungslage, die durch die A-Zusammensetzung gebildet wird, abhängig von den Anteilen an Al und Cr eine hohe Härte, Oxidationsbeständigkeit und Zähigkeit und die Einzelzusammensetzungslage, die durch die B-Zusammensetzung gebildet wird, abhängig von den Anteilen an Al und Ti eine hohe Zähigkeit, Schmierfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Außerdem hat die Einzelzusammensetzungslage, die durch die C-Zusammensetzung gebildet wird, eine geringe Bindungsfähigkeit mit Sauerstoff, da Si in der C-Zusammensetzung in der Form von SiC (Siliciumcarbid) als einer Verbindung vorhanden ist, und einen hohen Härtegrad, wobei die Verringerung der mechanischen Festigkeit auch bei einer Temperatur von 1000 °C oder höher gering ist, da das SiC eine kovalente Bindung ist, sodass die Einzelzusammensetzungslage, die durch die C-Zusammensetzung gebildet wird, eine hervorragende Wärmebeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit hat. Jede der Nanoschicht-Wechsellagen hat abhängig von den Zusammensetzungen der Nanoschichten die oben beschriebenen Eigenschaften. Außerdem hat jede der Nanoschicht-Wechsellagen eine Dicke, die kleiner als die der Einzelzusammensetzungslage ist, und Kristallpartikel, die kleiner als die der Einzelzusammensetzungslage sind, sodass sie eine hohe Härte und bessere Verschleißbeständigkeit hat. Darüber hinaus hat jede der Nanoschicht-Wechsellagen dank der mehrschichtigen Struktur eine erhöhte Zähigkeit. Die Bestandteile α, β, γ sind zu der jeweiligen A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung optional in einem Verhältnis von 10 at% (Atomprozent) oder weniger hinzugefügt, wodurch es möglich ist, Kristallpartikel der Beschichtung zu mikronisieren und die Größen der Partikel der Beschichtung zu steuern, indem die Zugabemenge gesteuert wird, wodurch zum Beispiel die Härte, Oxidationsbeständigkeit, Zähigkeit und Schmierfähigkeit der Beschichtung eingestellt werden können. Dank des Aufbaus, bei dem die eine Art an Einzelzusammensetzungslage und die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen mit den oben beschriebenen Eigenschaften abwechselnd mit vorbestimmten Dicken aufeinandergeschichtet sind, ist es möglich geworden, eine Hartbeschichtung zu erzielen, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Schmierfähigkeit, Schweißresistenz und Zähigkeit hat. Dank dieser Merkmale ist es im Fall eines schneidenden Werkzeugs zum Beispiel möglich geworden, die Lebensdauer des Werkzeugs dank der hohen Zähigkeit, die einen Bruch und ein Ablösen der Hartbeschichtung unterdrückt, bei einem Schneidevorgang mit verschiedenen Werkstückmaterialien wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Gusseisen, legiertem Stahl und Titanlegierung oder unter harten Bearbeitungsbedingungen wie Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung zu erhöhen.
Da bei der zweiten Erfindung das Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T2 von einer der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen und das Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T3 der anderen der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen, sind die eine Art an Einzelzusammensetzungslage und die zwei Arten der Nanoschicht-Wechsellagen mit entsprechenden Dicken versehen, die für bestimmte Eigenschaften sorgen, was es möglich macht, entsprechend Leistungen wie die Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz zu erzielen.
Bei der dritten Erfindung ist die unterste Lage der drei Arten an Lagen, die aus der einen Art an Einzelzusammensetzungslage und den zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bestehen, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, direkt auf einer Oberfläche des Substrats anzuordnen, sodass die Beschichtungsausbildungskosten gegenüber einer Anordnung, bei der in einer an das Substrat angrenzenden Grenze eine Grenzflächenlage oder dergleichen vorgesehen wird, gesenkt werden können.
Bei der vierten Erfindung ist in der an das Substrat angrenzenden Grenze die Grenzflächenlage vorgesehen, die durch die vorbestimmte Zusammensetzung oder die vorbestimmten Zusammensetzungen gebildet wird und die die vorbestimmte Dicke hat, sodass es möglich ist, die Haftfestigkeit der Hartbeschichtung am Substrat zu erhöhen.
Bei der fünften Erfindung ist als eine äußerste Lage der Hartbeschichtung die Oberflächenlage vorgesehen, die durch die vorbestimmte Zusammensetzung oder die vorbestimmten Zusammensetzungen gebildet wird und die die vorbestimmte Dicke hat, sodass es möglich ist, bestimmte Beschichtungsleistungen wie die Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz zu verbessern, indem die Zusammensetzung oder Zusammensetzungen und die Dicke der Oberflächenlage entsprechend festgelegt werden.
Bei der sechsten Erfindung liegt die Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung im Bereich von 2700 - 3300 (HV), sodass Verschleißbeständigkeit und hohe Zähigkeit mit hervorragendem Gleichgewicht zwischen ihnen erzielt werden können, wodurch ein Bruch und ein Ablösen der Hartbeschichtung unterdrückt werden und dementsprechend eine hervorragende Haltbarkeit erzielt werden kann.
Bei der siebten Erfindung, die sich auf das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element bezieht, ist es, da die Hartbeschichtung von jeder der ersten bis sechsten Erfindungen vorgesehen ist, möglich, im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie die entsprechende Erfindung zu erzielen.
Bei der achten Erfindung ist das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element ein intermittierendes Schneidewerkzeug wie ein Schaftfräser und ein Fräser, sodass auf das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element wiederholt eine Stoßbelastung aufgebracht wird und das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element leicht erhitzt wird, wenn durch die Schneidkanten intermittierend ein Schneidevorgang erfolgt. Daher wird die Hartbeschichtung der vorliegenden Erfindung, die dazu im Stande ist, eine hohe Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit, Schmierfähigkeit und Schweißresistenz zu erzielen, vorteilhafter Weise für solch ein intermittierend schneidendes Werkzeug verwendet.
Figurenliste

1 ist eine Vorderansicht, die exemplarisch einen Schaftfräser zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird.
2 ist eine vergrößerte Bodenansicht von der Seite eines fernen Endes des Schaftfräsers von 1 gesehen.
3 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Beschichtungsstruktur einer Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung noch eines weiteren Beispiels der Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
6 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung noch eines weiteren Beispiels der Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
7 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung noch eines weiteren Beispiels der Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
8 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung noch eines weiteren Beispiels der Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung, die auf dem Schaftfräser von 1 vorgesehen ist.
9 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung als ein Beispiel einer physikalischen Gasphasenabscheidungsvorrichtung zum Ausbilden der Hartbeschichtung jeder der 3 - 8 auf einem Werkzeugsubstrat.
10 ist eine Ansicht, die Arten an konstituierenden Elementen und ihre Anteile in einer A-Zusammensetzung zeigt, die die Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 1 - 50 bildet, die bei einer Schnittprüfung verwendet wurden.
11 ist eine Ansicht, die Arten an konstituierenden Elementen und ihre Anteile in einer B-Zusammensetzung zeigt, die die Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 1 - 50 bildet.
12 ist eine Ansicht, die Arten an konstituierenden Elementen und ihre Anteile in einer C-Zusammensetzung zeigt, die die Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 1 - 50 bildet.
13 ist eine Ansicht, die die Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 1 - 25 zeigt.
14 ist eine Ansicht, die die Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 26 - 50 zeigt.
15 ist eine Ansicht, die eine Beschichtungshärte der Hartbeschichtung jedes Prüfmusters 1 - 50 sowie eine Verschleißbreite, eine Schnittstrecke und ein Beurteilungsergebnis zeigt, die bei der Schnittprüfung gemessen oder erzielt wurden.

Ausführungsarten der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird vorteilhafterweise bei einer Hartbeschichtung eingesetzt, die auf einer Oberfläche von einem von verschiedenen Bearbeitungswerkzeugen anzuordnen ist, die rotierende schneidende Werkzeuge wie einen Schaftfräser, einen Fräser, einen Gewindebohrer und einen Bohrer, nicht rotierende Schneidewerkzeuge wie einen Drehmaschinenfräser sowie nicht schneidende Werkzeuge wie einen Gewindeformer, ein Rundwerkzeug und ein Presswerkzeug einschließen. Allerdings ist die vorliegende Erfindung auch bei einer Hartbeschichtung einsetzbar, die als eine Oberflächenschutzbeschichtung eines Lagerelements, einer Halbleitervorrichtung oder dergleichen dient, und zwar als eine Hartbeschichtung, die auf einem anderen Element als den Bearbeitungswerkzeugen anzuordnen ist und die zum Beispiel Verschleißbeständigkeit, Schmierfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit haben muss. Außerdem ist die vorliegende Erfindung auch bei einer Schneidspitze anwendbar, die zur Nutzung an einem von verschiedenen Bearbeitungswerkzeugen anzubringen ist. Als ein Werkzeugsubstrat eines mit einer Hartbeschichtung bedeckten Werkzeugs werden vorteilhafterweise Hartmetall, Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Cermet, Keramik, polykristalliner Diamant (PCD), einkristalliner Diamant, polykristallines CBN oder einkristallines CBN verwendet, obwohl auch andere Werkzeugmaterialien verwendet werden können. Als ein Verfahren zum Ausbilden der Hartbeschichtung wird vorteilhafterweise ein PVD-Verfahren (physikalisches Dampfabscheidungsverfahren) wie Lichtbogen-Ionenplattieren, Sputtern und PLD (Laserstrahlverdampfen) verwendet.
Die Hartbeschichtung der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise für ein schneidendes Werkzeug verwendet, das einen Schneidevorgang zum Schneiden von zum Beispiel Titanlegierung durchführt, doch es kann vorteilhafterweise auch für ein schneidendes Werkzeug verwendet werden, das für einen Schneidevorgang zum Schneiden eines anderen Werkstückmaterials wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Gusseisen und legiertem Stahl hat, da es eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Schmierfähigkeit, Schweißresistenz und Zähigkeit hat.
Die Hartbeschichtung enthält drei Arten an Lagen, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, wobei die drei Arten an Lagen aus einer Einzelzusammensetzungslage und zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bestehen, wobei die Einzelzusammensetzungslage durch eine von einer A-Zusammensetzung, einer B-Zusammensetzung und einer C-Zusammensetzung gebildet wird, wobei die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen Nanoschichten enthalten, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind und die durch zwei von drei Kombinationen gebildet werden, die aus einer Kombination der A-Zusammensetzung und der B-Zusammensetzung, eine Kombination der A-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung und einer Kombination der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung bestehen. Die Aufschichtungsreihenfolge der Lagen wird entsprechend festgelegt. Es ist vorzuziehen, dass die drei Arten an Lagen, die aus der Einzelzusammensetzungslage und den zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bestehen, für mindestens einen Zyklus in der vorbestimmten Reihenfolge aufeinandergeschichtet werden und dass die drei Arten an Lagen so für einen vollständigen Zyklus oder vollständige Zyklen aufeinandergeschichtet werden, dass die Anzahl der jeweiligen drei Arten an Lagen zueinander gleich ist. Allerdings kann die Aufschichtung der drei Arten an Lagen beendet werden, ohne dass eine oberste Lage der drei Arten an Lagen einen entsprechenden Zyklus vervollständigt, beispielsweise derart, dass die oberste Lage die gleiche Art wie eine unterste Lage der drei Arten an Lagen ist. Dies trifft auch für die Arten an Nanoschicht-Wechsellagen zu, von denen jede die Nanoschichten der zwei Zusammensetzungen enthält, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind. Und zwar ist es vorzuziehen, dass die zwei Arten an Nanoschichten für mindestens einen Zyklus aufeinandergeschichtet werden. Allerdings kann die Anzahl der Nanoschichten, die in jeder der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen aufeinandergeschichtet sind, eine ungerade Zahl sein. Wenn die Hartbeschichtung eine Grenzflächenlage und/oder eine Oberflächenlage enthält, schließt die Gesamtdicke der Hartbeschichtung die Dicke der Grenzflächenlage und/oder die Dicke der Oberflächenlage ein.
Es ist vorzuziehen, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T2 von einer der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T3 der anderen der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen. Allerdings kann jede der Dicken T1, T2, T3 auf einen Wert eingestellt werden, durch den das entsprechende Verhältnis von dem entsprechenden numerischen Bereich abweicht. Die Hartbeschichtung kann bei Bedarf eine Grenzflächenlage enthalten, die zwischen der Hartbeschichtung und dem Substrat vorzusehen ist. Es ist vorzuziehen, dass die Grenzflächenlage durch eine Einzelzusammensetzungslage, die von einer von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird, oder einer Nanoschicht-Wechsellage gebildet wird, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind. Allerdings kann die Grenzflächenlage eine Lage aus Metallnitrid, Metallcarbonitrid oder Metallcarbid sein, das durch mindestens eine Art an Element gebildet wird, das aus B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W gebildet wird, oder eine Lage, die durch eine andere Zusammensetzung oder andere Zusammensetzungen gebildet wird. Die Grenzflächenlage hat eine Dicke, die vorzugsweise in einem Bereich von 5 - 1000 nm liegt. Allerdings kann die Dicke der Grenzflächenlage außerhalb des numerischen Bereichs von 5 - 1000 nm liegen.
Die Hartbeschichtung kann bei Bedarf eine Oberflächenlage aufweisen. Es ist vorzuziehen, dass die Oberflächenlage durch eine Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird, oder durch eine Nanoschicht-Wechsellage gebildet wird, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind. Allerdings kann die Oberflächenlage eine Lage sein, die durch eine andere Zusammensetzung oder andere Zusammensetzungen gebildet wird. Die Oberflächenlage hat eine Dicke, die vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm liegt. Allerdings kann die Dicke der Oberflächenlage außerhalb des numerischen Bereichs von 0,5 - 1000 nm liegen.
Hinsichtlich der Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung könnte keine ausreichende Verschleißbeständigkeit erzielt werden, wenn sie zu gering wäre, und die Hartbeschichtung könnte sich leicht ablösen oder brechen, wenn sie übermäßig hoch wäre. Daher ist es ungeachtet des Vorhandenseins oder der Abwesenheit der Grenzflächenlage und der Oberflächenlage angemessen, dass die Beschichtungshärte in einem Bereich von zum Beispiel etwa 2700 - 3300 (HV) liegt, und es ist vorzuziehen, dass die Beschichtungshärte zum Beispiel in einem Bereich von etwa 2800 - 3200 (HV) liegt. Allerdings kann die Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung abhängig von zum Beispiel der Art des Werkstückmaterials und der Bearbeitungs- und Einsatzbedingungen kleiner als 2700 (HV) oder größer als 3300 (HV) sein.
Gemäß den Erkenntnissen, die vom Erfinder der vorliegenden Erfindung und Mitarbeitern gewonnen wurden, sorgte die Hartbeschichtung der vorliegenden Erfindung dank der abwechselnden Aufeinanderschichtung der drei Arten an Lagen, die aus der einen Art an Einzelzusammensetzungslage und den zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellage bestehen, für bessere mechanische Eigenschaften (Härte), Verschleißbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Scherfestigkeit als eine mehrlagige Beschichtung auf AlCrN-Basis oder AlCrTiN-Basis. Außerdem kann dank der Gitterversetzungshemmung, die durch eine Grenzfläche zwischen jeweils zwei benachbarten der Lagen erfolgt, die verschiedene elastische Eigenschaften (Elastizitätsmodul und Härtegrad) haben, eine hohe Härte realisiert werden. Die Grenzfläche trägt nicht nur zu einer Erhöhung der Beschichtungshärte bei, sondern dank der Funktion, Energiedissipation und Rissausbreitung zu hemmen, auch zu einer Zähigkeitsverbesserung. Da die Grenzfläche die Eigenschaften der mehrlagigen Beschichtung stark beeinflusst, macht es andererseits das Vorsehen der Nanoschicht-Wechsellage, in der ein Aufschichtungszyklus der Nanoschichten in einem Bereich von Nanometern liegt, möglich, die Wirkungen einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Tribologie der Hartbeschichtung zu erzielen, wenn die Größen der Kristallpartikel und die Beschichtungsdichte entsprechend eingestellt werden, indem die Dicke jeder Nanoschicht der Nanoschicht-Wechsellage gesteuert wird.
Außerdem hat jede der Einzellagen an Nano-, Grenzflächen- und Nanoschicht-Wechsellagen dank einer Gemischdiffusion von amorpher Legierungsphase und Kristallphase eine bessere Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit als eine herkömmliche mehrlagige Beschichtung grober Partikel. In jeder der Nanoschicht-Wechsellagen wird die innere Spannung dank Partikelgrenzendislokation und -disklination abgeschwächt, wodurch während einer Bearbeitung, etwa einem intermittierenden Schneidevorgang, Risse und Brüche der Beschichtung unterdrückt werden.
Die Hartbeschichtung der vorliegenden Erfindung hat dank der Ausbildung feiner Partikel eine glatte Oberfläche und eine dichte Oberflächenstruktur und dementsprechend eine bessere Verschleißbeständigkeit. Außerdem werden durch die Grenzflächen viele Grenzen definiert, wodurch über die Grenzflächen durch die Partikelgrenzendislokation und -disklination die innere Spannung abgeschwächt wird, was für eine bessere Zähigkeit und Härte sorgt, sodass es möglich ist, während einer Bearbeitung, etwa einem intermittierenden Schneidevorgang, die Ausbreitung der Risse und Brüche der Beschichtung zu unterdrücken.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
1 ist eine Vorderansicht, die einen Schaftfräser 10 zeigt, der ein Beispiel eines mit einer Hartbeschichtung bedeckten Elements ist, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird. 2 ist eine vergrößerte Bodenansicht von der Seite eines fernen Endes des Schaftfräsers 10 gesehen. Der Schaftfräser 10 wird hauptsächlich von einem Werkzeugsubstrat 12 (siehe 3 - 8) aus Hartmetall gebildet, und das Werkzeugsubstrat 12 weist einen Schaftabschnitt 14 und einen Klingenabschnitt 16 auf, die miteinander eine Einheit bilden. Der Klingenabschnitt 16 ist mit fünf Schneidkanten versehen, die in gleichen Intervallen um eine Achse des Schaftfräsers 10 herum vorgesehen sind, wobei jede der Schneidkanten eine periphere Schneidkante 18 und eine Endschneidkante 20 aufweist. Wenn der Schaftfräser 10 um die Achse rotiert wird, führt der Schaftfräser 10 durch die periphere Schneidkante 18 und die Endschneidkante 20 der Schneidkante einen intermittierenden Schneidevorgang durch. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schaftfräser 10 ein Radiusfräser, bei dem die periphere Schneidkante 18 und die Endschneidkante 20 miteinander an einer Ecke verbunden sind, die abgerundet ist. Der Schaftfräser 10 ist ein mit einer Hartbeschichtung bedecktes Werkzeug und entspricht einem intermittierend schneidenden Werkzeug.
Eine in 3 gezeigte Hartbeschichtung 30 ist so vorgesehen, dass sie eine Oberfläche des Klingenabschnitts 16 bedeckt, der ein Abschnitt des Werkzeugsubstrats 12 ist. 3 ist eine schematische Ansicht, die in Vergrößerung einen Querschnitt einer Nachbarschaft der Oberfläche des von der Hartbeschichtung 30 bedeckten Klingenabschnitts 16 ist. Der Bereich der Oberfläche, der von der Hartbeschichtung 30 bedeckt ist, ist in 1 durch eine schraffierte Fläche dargestellt. Es ist auch möglich, die Hartbeschichtung 30 derart vorzusehen, dass die Gesamtheit des Kugelkopffräsers 10 einschließlich des Schaftabschnitts 14 mit der Hartbeschichtung 30 bedeckt ist.
Die Hartbeschichtung 30 hat eine mehrlagige Struktur und enthält eine A-Lage 32, eine Nanoschicht-Wechsellage 38 und eine Nanoschicht-Wechsellage 40, die in dieser Reihenfolge der Beschreibung in einer Richtung von einer Außenfläche der Hartbeschichtung 30 zum Werkzeugsubstrat 12 hin angeordnet sind. Die A-Lage 32, die Nanoschicht-Wechsellage 38 und die Nanoschicht-Wechsellage 40 sind für mindestens einen Zyklus aufeinandergeschichtet. Die Hartbeschichtung 30 enthält außerdem eine Grenzflächenlage 44, die in ihrem an das Werkzeugsubstrat 12 angrenzenden Grenzabschnitt vorgesehen ist. Das heißt, dass auf einer Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 zunächst die Grenzflächenlage 44 angeordnet wird und dann auf der Grenzflächenlage 44 die Nanoschicht-Wechsellage 40, die Nanoschicht-Wechsellage 38 und die A-Lage 32 angeordnet werden. Die Nanoschicht-Wechsellage 40, die Nanoschicht-Wechsellage 38 und die A-Schicht 32 werden wiederholt in dieser Reihenfolge der Beschreibung derart aufeinandergeschichtet, dass ein oberster Abschnitt der Hartbeschichtung 30 durch die A-Lage 32 bereitgestellt wird. Die Hartbeschichtung 30 mit der Grenzflächenlage 44 hat eine Gesamtdicke Ttotal, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 20 µm eingestellt ist. Die A-Lage 32 hat eine Dicke T1, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm eingestellt ist. Die Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40 haben jeweils Dicken T2, T3, von denen jede entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 1 - 1000 nm eingestellt ist. Außerdem sind die Dicken T1 - T3 derart auf die jeweiligen Werte eingestellt, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 zur Dicke T2 und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 zur Dicke T3 beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen.
Die A-Lage 32 ist eine Einzelzusammensetzungslage, die nur durch eine A-Zusammensetzung gebildet wird. Die A-Zusammensetzung ist ein Nitrid, das durch die Zusammensetzungsformel Al_aCr_bSi_cα_d repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse a, b, c, d 0,30 ≤ a ≤ 0,85, 0,10 ≤ b ≤ 0,65, 0,01 ≤ c ≤ 0,45, 0 ≤ d ≤ 0,10 und a + b + c + d = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil α mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist. 10 ist eine Ansicht, die Beispiele eines Gehalts (at%) jedes Elements der A-Zusammensetzung zeigt, wobei jedes Leerzeichen bedeutet, dass der Gehalt (at%) des entsprechenden Elements 0 ist, und jeder graue Teil (jede mit Streupunkten versehene Spalte) bedeutet, dass das Atomverhältnis, das dem Gehalt des entsprechenden Elements entspricht, von dem entsprechenden numerischen Bereich der oben beschriebenen Zusammensetzungsformel abweicht. Das heißt, dass die Prüfmuster 7 - 50 die Erfordernisse der A-Zusammensetzung erfüllen. Die A-Lage 32 mit solch einer Zusammensetzung hat ein Kristallsystem in Form einer kubischen Steinsalzstruktur und zeichnet sich durch eine hohe Härte und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aus und sorgt abhängig von den Verhältnissen an Al und Cr für eine hohe Härte, Oxidationsbeständigkeit und Zähigkeit. Außerdem ist es durch die Hinzufügung von Si in einem vorbestimmten Verhältnis möglich, die Wärmebeständigkeit zu erhöhen. Außerdem ist es durch die Hinzufügung des optionalen zusätzlichen Bestandteils α im Verhältnis von nicht mehr als 10 at% möglich, Kristallpartikel zu mikronisieren und die Größen der Partikel zu steuern, indem die Zugabemenge gesteuert wird, wodurch die Härte, Zähigkeit und Schmierfähigkeit der Beschichtung eingestellt werden können. Außerdem verbessert das Vorhandensein dieser in der A-Lage 32 enthaltenen Elemente die Schmierfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit und verbessert die Festigkeit und Zähigkeit bei einer hohen Temperatur während eines Schneidevorgangs, der Wärme erzeugt. Dank dieser Merkmale ist es möglich, das Auftreten von zum Beispiel Absplitterungen und Brüchen bei einer Schneidebedingung, bei der starke Stöße und mechanische Lasten aufgebracht werden, zu unterdrücken. Außerdem ist es möglich, Oxidationsverschleiß aufgrund von Wärme, die während einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder dergleichen erzeugt wird, zu reduzieren und die Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz mit einem hervorragenden Gleichgewicht dazwischen zu erzielen, wodurch auch bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung eine hohe Haltbarkeit erzielt werden kann.
Die Nanoschicht-Wechsellage 38 hat eine mehrschichtige Struktur, die eine A-Nanoschicht 32n und eine B-Nanoschicht 34n enthält, die abwechselnd für mindestens einen Zyklus aufeinandergeschichtet sind, wobei die A-Nanoschicht 32n wie die A-Lage 32 durch die A-Zusammensetzung gebildet wird und die B-Nanoschicht 34n durch die B-Zusammensetzung gebildet wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein unterster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 38 durch die A-Nanoschicht 32n bereitgestellt, während ein oberster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 38 durch die B-Nanoschicht 34n bereitgestellt wird. Allerdings können der unterste Abschnitt und der oberste Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 38 jeweils durch die B-Nanoschicht 34n und die A-Nanoschicht 32n bereitgestellt werden. Die A-Nanoschicht 32n und die B-Nanoschicht 34n haben jeweils Dicken, die jeweils entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 500 nm eingestellt sind. Die B-Zusammensetzung ist ein Nitrid, das durch die Zusammensetzungsformel Al_eTi_fSi_gβ_h repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse e, f, g, h 0,01 ≤ e ≤ 0,85, 0,05 ≤ f ≤ 0,90, 0,05 ≤ g ≤ 0,45, 0 ≤ h ≤ 0,10 und e + f + g + h = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil β mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist. 11 ist eine Ansicht, die Beispiele eines Gehalts (at%) jedes Elements der B-Zusammensetzung zeigt, wobei jedes Leerzeichen bedeutet, dass der Gehalt (at%) des entsprechenden Elements 0 ist, und jeder graue Teil (jede mit Streupunkten versehene Spalte) bedeutet, dass das Atomverhältnis, das dem Gehalt des entsprechenden Elements entspricht, von dem entsprechenden numerischen Bereich der oben beschriebenen Zusammensetzungsformel abweicht. Das heißt, dass die Prüfmuster 7 - 50 die Erfordernisse der B-Zusammensetzung erfüllen. Die B-Zusammensetzung sorgt abhängig von den Anteilen an Al und Ti für eine hohe Zähigkeit, Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Durch die Hinzufügung des optionalen zusätzlichen Bestandteils β im Verhältnis von nicht mehr als 10 at% hat die Beschichtung eine hohe Härte und hervorragende Oxidationsbeständigkeit, was zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit führt. Die B-Zusammensetzung hat eine kubische Kristallstruktur und die Kristallpartikel werden durch die Hinzufügung des optionalen zusätzlichen Bestandteils β mikronisiert, wodurch die Härte und Verschleißbeständigkeit verbessert werden. Die Kristallstruktur ist mit höherer Priorität zur (200)-Fläche als zur (111)-Fläche orientiert, und eine integrale Stärke einer Beugungslinie der (200)-Oberfläche ist ganze 1,5 Mal oder mehr so groß wie die der (111)-Fläche.
Die Nanoschicht-Wechsellage 40 hat eine mehrschichtige Struktur, die die A-Nanoschicht 32n und eine C-Nanoschicht 36n enthält, die für mindestens einen Zyklus aufeinandergeschichtet sind, wobei die A-Nanoschicht 32n wie die A-Lage 32 durch die A-Zusammensetzung gebildet wird und die C-Nanoschicht 36n durch die C-Zusammensetzung gebildet wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein unterster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 40 durch die A-Nanoschicht 32n bereitgestellt, während ein oberster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 40 durch die C-Nanoschicht 36n bereitgestellt wird. Allerdings können der unterste Abschnitt und der oberste Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 40 jeweils durch die C-Nanoschicht 36n und die A-Nanoschicht 32n bereitgestellt werden. Die A-Nanoschicht 32n und die C-Nanoschicht 36n haben jeweils Dicken, die jeweils entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 500 nm eingestellt sind. Die C-Zusammensetzung ist ein Nitrid, das durch die Zusammensetzungsformel Al_iCr_j(SiC)_kγ_I repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse i, j, k, I 0,20 ≤ i ≤ 0,85, 0,10 ≤ j ≤ 0,50, 0,03 ≤ k ≤ 0,45, 0 ≤ I ≤ 0,10 und i + j + k + I = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil γ mindestens eine Art an Element ist, das aus B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist. 12 ist eine Ansicht, die Beispiele eines Gehalts (at%) jedes Elements der C-Zusammensetzung zeigt, wobei jedes Leerzeichen bedeutet, dass der Gehalt (at%) des entsprechenden Elements 0 ist, und jeder graue Teil (jede mit Streupunkten versehene Spalte) bedeutet, dass das Atomverhältnis, das dem Gehalt des entsprechenden Elements entspricht, von dem entsprechenden numerischen Bereich der oben beschriebenen Zusammensetzungsformel abweicht. Das heißt, dass die Prüfmuster 7 - 50 die Erfordernisse der C-Zusammensetzung erfüllen. Die C-Zusammensetzung hat eine geringe Bindungsfähigkeit mit Sauerstoff, da in der C-Zusammensetzung Si in der Form von SiC (Siliciumcarbid) als einer Verbindung vorhanden ist und das SiC eine kovalente Bindung ist, sodass der Härtegrad hoch ist, wobei auch bei einer Temperatur von 1000°C oder höher eine Reduktion der mechanischen Festigkeit gering ist, und für eine hohe Gleitfähigkeit gesorgt wird. Somit zeichnet sich die C-Zusammensetzung durch eine hohe Härte sowie eine hervorragende Wärmebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit aus. Außerdem ist es durch Hinzufügung des optionalen zusätzlichen Bestandteils γ im Verhältnis von nicht mehr als 10 at% möglich, Kristallpartikel zu mikronisieren und die Größen der Partikel zu steuern, indem die Zugabemenge gesteuert wird, wodurch die Härte, Zähigkeit und Schmierfähigkeit der Beschichtung eingestellt werden können. Dank der hervorragenden Verschleißbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit ist es möglich, einen Oxidationsverschleiß durch Wärme, die während einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder dergleichen erzeugt wird, zu reduzieren und eine ausreichende Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz zu erzielen, wodurch auch bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung eine hohe Haltbarkeit erzielt werden kann.
Jede der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40 sorgt abhängig von den Zusammensetzungen der Nanoschichten 32n, 34n, 36n für die oben beschriebenen Eigenschaften und zeichnet sich durch eine hohe Härte sowie eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit und Oxidationsbeständigkeit aus. Und zwar trägt die Grenzfläche zwischen den Nanoschichten 32n, 34n, 36n zu einer Erhöhung der Beschichtungshärte und dank der Funktion, die Energiedissipation und Rissausbreitung zu hemmen, auch zu einer Verbesserung der Zähigkeit bei. Da der Aufschichtungszyklus der Nanoschichten 32n, 34n, 36n in einem Bereich von Nanometern liegt, ist es zudem möglich, die Wirkungen der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Tribologie der Hartbeschichtung zu erzielen, wenn die Größen der Kristallpartikel und die Beschichtungsdichte entsprechend eingestellt werden, indem die Dicke von jeder der Nanoschichten 32n, 34n, 36n gesteuert wird. Jede der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40 hat dank einer Gemischdiffusion von amorpher Legierungsphase und Kristallphase eine bessere Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit als eine herkömmliche mehrlagige Beschichtung grober Partikel. In jeder der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40 wird die innere Spannung dank Partikelgrenzendislokation und -disklination abgeschwächt, wodurch während einer Bearbeitung, etwa einem intermittierenden Schneidevorgang, Risse und Brüche der Beschichtung und eine Ausbreitung der Risse und Brüche unterdrückt werden. Die Nanoschicht-Wechsellage 38 hat eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit und Schmierfähigkeit und eine Härte (durch Nanoindentierung gemessene Härte) von etwa 38 - 40 GPa. Die Nanoschicht-Wechsellage 40 hat eine hohe Härte und die Härte (durch Nanoindentierung gemessene Härte) beträgt etwa 43 - 45 GPa.
Da die A-Lage 32 und die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40 abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, kann außerdem die innere Spannung ausgeglichen werden, indem die Härte von jeder der Lagen 32, 38, 40 entsprechend eingestellt wird. Somit wird die Haftfestigkeit zwischen den Lagen 32, 38, 40 erhöht, sodass ein Ablösen unterdrückt wird und auch bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zum Bearbeiten von Materialien hoher Härte oder anderer schwierig zu schneidenden Materialien eine hervorragende Absplitterungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit erzielt werden.
Die Grenzflächenlage 44 ist eine Einzelzusammensetzungslage, die wie die A-Lage 32 nur durch die A-Zusammensetzung gebildet wird. Die Grenzflächenlage 44 hat eine Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 5 - 1000 nm eingestellt ist. Da die Grenzflächenlage 44 in einer an das Werkzeugsubstrat 12 angrenzenden Grenze vorgesehen ist, kann die Haftfestigkeit der Hartbeschichtung 30 am Werkzeugsubstrat 12 erhöht werden.
Hinsichtlich der Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung 30 könnte keine ausreichende Verschleißbeständigkeit erzielt werden, wenn sie gering wäre, und die Hartbeschichtung 30 könnte sich leicht ablösen oder brechen, wenn sie übermäßig hoch wäre. Im Ausführungsbeispiel liegt die Beschichtungshärte in einem Bereich von etwa 2700 - 3300 (HV).
Die 4 - 8 sind Ansichten zur Erläuterung weiterer Beispiele der Hartbeschichtungen, von denen jede auf der Oberfläche des Klingenabschnitts 16 des Schaftfräsers 10 anzuordnen ist. Jede der 4 - 8 ist eine schematische Schnittansicht, die der Ansicht von 3 entspricht, und die Gesamtdicke Ttotal von jeder Hartbeschichtung liegt in einem Bereich von 0,5 - 20 µm. Eine Hartbeschichtung 50 von 4 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Hartbeschichtung 30 insofern, als dass anstelle der A-Lage 32 eine B-Lage 34 vorgesehen ist, dass anstelle der Nanoschicht-Wechsellage 40 eine Nanoschicht-Wechsellage 42 vorgesehen ist und dass anstelle der Grenzflächenlage 44 eine Grenzflächenlage 52 vorgesehen ist. In der Hartbeschichtung 50 von 4 hat die B-Lage 34 eine Dicke T1, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm eingestellt ist. Die Nanoschicht-Wechsellagen 38, 42 haben jeweils Dicken T2, T3, von denen jede entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 1 - 1000 nm eingestellt ist. Außerdem sind die Dicken T1 - T3 derart auf die jeweiligen Werte eingestellt, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 zur Dicke T2 und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 zur Dicke T3 beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Dicke T1 der B-Lage 34 zwar unabhängig von der Dicke T1 der oben beschriebenen A-Lage 32 bestimmt wird, die Lagen 32, 34 aber beide Einzelzusammensetzungslagen sind, deren jeweilige numerischen Bereiche zueinander gleich sind, sodass das gleiche Bezugszeichen „T1“ als gemeinsames Bezugszeichen für die Dicken der A-Lage 32 und B-Lage 34 verwendet wird. Das Gleiche gilt für die Dicken T2, T3 der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 42.
Die B-Lage 34 ist eine Einzelzusammensetzungslage, die nur durch die B-Zusammensetzung gebildet wird. Die Nanoschicht-Wechsellage 42 hat eine mehrschichtige Struktur, die die B-Nanoschicht 34n und die C-Nanoschicht 36n enthält, die für mindestens einen Zyklus abwechselnd aufeinandergeschichtet sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein unterster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 42 durch die B-Nanoschicht 34n bereitgestellt, während ein oberster Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 42 durch die C-Nanoschicht 36n bereitgestellt wird. Allerdings können der unterste Abschnitt und der oberste Abschnitt der Nanoschicht-Wechsellage 42 auch jeweils durch die C-Nanoschicht 36n und die B-Nanoschicht 34n bereitgestellt werden. Die B-Nanoschicht 34n und die C-Nanoschicht 36n haben jeweils Dicken, von denen jede entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 500 nm eingestellt ist. Die Grenzflächenlage 52 ist eine Einzelzusammensetzungslage, die nur durch die B-Zusammensetzung gebildet wird, und sie hat eine Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 5 - 1000 nm eingestellt ist. Die Nanoschicht-Wechsellage 42 hat eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit und Schmierfähigkeit und eine Härte (durch Nanoindentierung gemessene Härte) von etwa 38 - 40 GPa.
Eine Hartbeschichtung 60 von 5 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Hartbeschichtung 30 insofern, als dass anstelle der A-Lage 32 eine C-Lage 36 vorgesehen ist, dass anstelle der Nanoschicht-Wechsellage 38 die Nanoschicht-Wechsellage 42 vorgesehen ist und dass anstelle der Grenzflächenlage 44 eine Grenzflächenlage 62 vorgesehen ist. In der Hartbeschichtung 60 von 5 hat die C-Lage 36 eine Dicke T1, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm eingestellt ist. Die Nanoschicht-Wechsellagen 40, 42 haben jeweils Dicken T2, T3, von denen jede entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 1 - 1000 nm eingestellt ist. Des Weiteren sind die Dicken T1 - T3 derart auf die jeweiligen Werte eingestellt, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 zur Dicke T2 und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 zur Dicke T3 beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen. Die C-Lage 36 ist eine Einzelzusammensetzungslage, die nur durch die C-Zusammensetzung gebildet wird. Die Grenzflächenlage 62 ist eine Nanoschicht-Wechsellage mit zwei Arten der A-Nanoschicht 32n, B-Nanoschicht 34n und C-Nanoschicht 36n, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, und einer Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 5 - 1000 nm eingestellt ist. Jede der zwei Arten an Nanoschichten, die zwei Arten der A-Nanoschicht 32n, B-Nanoschicht 34n und C-Nanoschicht 36n sind, hat eine Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 500 nm eingestellt ist.
Eine Hartbeschichtung 70 von 6 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Hartbeschichtung 30 hinsichtlich der Aufschichtungsreihenfolge der A-Lage 32 und der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40. In der Hartbeschichtung 70 ist die A-Lage 32 zwischen der Nanoschicht-Wechsellage 40 und der Nanoschicht-Wechsellage 38 angeordnet und die Nanoschicht-Wechsellage 40 ist als eine äußerste Lage der Hartbeschichtung 70 vorgesehen. Außerdem ist anstelle der Grenzflächenlage 44, die durch die A-Zusammensetzung gebildet wird, die Grenzflächenlage 62 vorgesehen, die eine Nanoschicht-Wechsellage ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Aufschichtungsreihenfolge der drei Arten an Lagen 32, 38, 40, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, entsprechend festgelegt werden kann, beispielsweise derart, dass die A-Lage 32 zwischen der Nanoschicht-Wechsellage 38 und der Nanoschicht-Wechsellage 40 angeordnet wird, wobei die Nanoschicht-Wechsellage 38 als die äußerste Lage vorgesehen wird. Das gleiche gilt für die anderen Hartbeschichtungen 50, 60. Außerdem kann entsprechend eine Kombination der einen Art der A-Lage 32, B-Lage 34 und C-Lage 36 und der zwei Arten der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40, 42 festgelegt werden, beispielsweise derart, dass die A-Lage 32 und die Nanoschicht-Wechsellagen 38, 42 aufeinandergeschichtet werden, oder derart, dass die A-Lage 32 und die Nanoschicht-Wechsellagen 40, 42 aufeinandergeschichtet werden.
Eine Hartbeschichtung 80 von 7 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Hartbeschichtung 30 insofern, als dass die Grenzflächenlage 44 fehlt.
Eine Hartbeschichtung 90 von 8 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Hartbeschichtung 30 insofern, als dass eine Oberflächenlage 92 für eine äußerste Oberfläche der Hartbeschichtung 90 sorgt und dass eine Grenzflächenlage 94 durch eine Zusammensetzung oder Zusammensetzungen gebildet wird, die anders als die A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung sind. Die Oberflächenlage 92 wird durch eine Einzelzusammensetzungslage bereitgestellt, die wie die A-Lage 32, B-Lage 34 oder C-Lage 36 durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird, oder sie ist wie die oben beschriebene Grenzflächenlage 62 eine Nanoschicht-Wechsellage, die zwei Arten der A-Nanoschicht 32n, B-Nanoschicht 34n und C-Nanoschicht 36n enthält, die derart abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, dass jede der zwei Arten an Nanoschichten eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 500 nm hat. Die Oberflächenlage 92 hat eine Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm eingestellt ist. Die Grenzflächenlage 94 wird durch ein Metallnitrid, Metallcarbonitrid oder Metallcarbid gebildet, das durch mindestens eine Art an Element gebildet wird, das aus B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W ausgewählt ist, und sie hat eine Dicke, die entsprechend auf einen Wert in einem Bereich von 5 - 1000 nm eingestellt ist.
Außerdem kann die Hartbeschichtung in anderen Formen aufgebaut sein, auch wenn dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. Zum Beispiel werden in jeder der Hartbeschichtungen 30, 50, 60, 70, 80, 90 die drei Arten an Lagen, die aus der einen Art an Einzelzusammensetzungslage (die durch eine von der A-Lage 32, B-Lage 34 und C-Lage 36 bereitgestellt wird) und zwei der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40, 42 bestehen, in einer vorbestimmten Reihenfolge für einen vollständigen Zyklus oder vollständige Zyklen abwechselnd so aufeinandergeschichtet, dass die Anzahl der jeweils drei Arten an Lagen zueinander gleich ist. Allerdings kann die Aufschichtung der drei Arten an Lagen beendet werden, ohne dass eine oberste oder unterste Lage der drei Arten an Lagen einen entsprechenden Zyklus vervollständigt, beispielsweise derart, dass die A-Lage 32, die für die oberste Lage der Hartbeschichtung 30 sorgt, weggelassen wird. Mit anderen Worten kann auch in jeder der Hartbeschichtungen 30, 50, 60, 70, 80, in der die Oberflächenlage nicht vorgesehen ist, die äußerste Lage als eine Oberflächenlage angesehen werden, die von den drei Arten an Lagen, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, verschieden ist. Auch was jede der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40, 42 betrifft, die die zwei Arten an Nanoschichten enthält (die jeweils zwei von der A-Schicht 32n, B-Nanoschicht 34n und C-Nanoschicht 36n sind), die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, kann die Anzahl an aufeinandergeschichteten Nanoschichten ebenfalls eine ungerade Zahl sein, beispielsweise derart, dass die Nanoschicht-Wechsellage 38 mit der A-Nanoschicht 32n beginnt und mit der A-Nanoschicht 32n endet. Außerdem ist es möglich, anstelle von jeder der Grenzflächenlagen 44, 52, 62, 94 eine Grenzflächenlage einzusetzen, die eine Einzelzusammensetzungslage ist, die nur durch die C-Zusammensetzung gebildet wird.
13 und 14 sind Ansichten zur in Einzelne gehenden Erläuterung einer Beschichtungsstruktur der Hartbeschichtung von jedem der Prüfmuster 1 - 50 an Schaftfräsern. In der Spalte „EINZELZUSAMMENSETZUNGSLAGE“ entsprechen „A-LAGE“, „B-LAGE“ und „C-LAGE“ jeweils der oben beschriebenen A-Lage 32, B-Lage 34 und C-Lage 36. Außerdem entsprechen in der Spalte „NANOSCHICHTWECHSELLAGE“ „A-SCHICHT“, „B-SCHICHT“ und „C-SCHICHT“ jeweils der oben beschriebenen A-Nanoschicht 32n, B-Nanoschicht 34n und C-Nanoschicht 36n und „WECHSELLAGE (AB)“, „WECHSELLAGE (AC)“ und „WECHSELLAGE (BC)“ jeweils den Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40, 42. Außerdem ist „GRENZFLÄCHENLAGE“ eine entsprechende von den oben beschriebenen Grenzflächenlagen 44, 52, 62, 94. Jeder horizontale Strich „-“ in „A-LAGE“, „B-LAGE“ und „C-LAGE“ in der Spalte „EINZELZUSAMMENSETZUNGSLAGE“, „ANZAHL SCHICHTPAARE“ UND „DICKE“ von „WECHSELLAGE (AB)“, „WECHSELLAGE (AC)“ und „WECHSELLAGE (BC)“ in der Spalte „NANOSCHICHT-WECHSELLAGE“ und „GRENZFLÄCHENLAGE“ bedeutet, dass die entsprechende Schicht oder Lage nicht vorgesehen ist. Außerdem ist keines der in den 13 und 14 gezeigten Prüfmuster 1 - 50 mit der Oberflächenlage versehen. In 13 bedeutet jeder graue Teil (jede mit Streupunkten versehene Spalte), dass ein entsprechendes Erfordernis hinsichtlich der Dicken des Ausführungsbeispiels (des Anspruchs 1 der Erfindung) nicht erfüllt ist, und die Prüfkörper 1 - 6 sind Vergleichsprodukte, während die Prüfmuster 7 - 50 Produkte der vorliegenden Erfindung sind.
9 ist eine schematische Konstruktionsansicht (schematische Ansicht) zur Erläuterung einer Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 100, die verwendet wird, um auf dem Werkzeugsubstrat 12 die oben beschriebenen Hartbeschichtungen 30, 50, 60, 70, 80, 90 oder die Hartbeschichtungen der in 13 und 14 beschriebenen Prüfmuster 1 - 50 (nachstehend einfach als „Hartbeschichtung 30 oder dergleichen“ bezeichnet, wenn sie nicht voneinander unterschieden werden) auszubilden. Die Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 100 ist so konfiguriert, dass sie die Hartbeschichtung 30 oder dergleichen auf der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 mittels Lichtbogen-Ionenplattieren als einer Art von PVD-Verfahren ausbildet, und sie ist dazu im Stande, kontinuierlich eine Vielzahl von Arten an Lagen, die sich hinsichtlich der Zusammensetzung unterscheiden, mit vorbestimmten Dicken auszubilden, indem eine Verdampfungsquelle (Target) und ein Reaktionsgas gewechselt werden. Wenn zum Beispiel die Hartbeschichtung 30 ausgebildet werden soll, werden die Nanoschicht-Wechsellagen 40, 38 und die A-Lage 32 abwechselnd aufeinandergeschichtet, nachdem die Grenzflächenlage 44 auf der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 ausgebildet wurde. 9 entspricht einer Draufsicht auf die Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 100 von einer Oberseite der Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 100 gesehen.
Die Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung 100 weist Folgendes auf: einen Drehtisch 154, der so anzutreiben ist, dass er sich um eine Rotationsachse S dreht, die sich im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung erstreckt, und der eine Vielzahl von Werkstücken halten soll, d. h. die Vielzahl von Werkzeugsubstraten 12, auf denen jeweils die Hartbeschichtung 30 oder dergleichen auszubilden ist; eine Vorspannungsstromquelle 156 zum Aufbringen einer negativen Vorspannung auf die Werkzeugsubstrate 12, einen Prozessbehälter in der Form einer Kammer 158, der darin die Werkzeugsubstrate 12 beherbergt, eine Reaktionsgaszuführvorrichtung 160 zum Zuführen eines Reaktionsgases in die Kammer 158; eine Gasabführvorrichtung 162 zum Abführen eines Gases aus dem Inneren der Kammer 158 durch zum Beispiel eine Vakuumpumpe, um so einen Druck im Inneren der Kammer 158 zu reduzieren; eine erste Lichtbogenstromquelle 164; eine zweite Lichtbogenstromquelle 166, eine dritte Lichtbogenstromquelle 168 und eine vierte Lichtbogenstromquelle 170. Der Drehtisch 154 ist ein scheibenförmiger Tisch, dessen Mitte der oben beschriebenen Rotationsachse S entspricht. Die Vielzahl von Werkzeugsubstraten 12 wird derart in einem Außenumfangsabschnitt des Drehtisches 154 angeordnet, dass jedes der Werkzeugsubstrate 12 eine Stellung einnimmt, die jedes Substrat 12 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse S sein lässt. Während die Werkzeugsubstrate 12 durch den Drehtisch 154 um die Rotationsachse S gedreht werden, kann jedes der Werkzeugsubstrate 12 um seine Achse gedreht werden. Wenn das Nitrid der A-Lage 32, B-Lage 34, C-Lage 36 oder dergleichen auszubilden ist, führt die Reaktionsgaszuführvorrichtung 160 Stickstoffgas in die Kammer 158 ein. Das Innere der Kammer 158 wird durch die Gasabführvorrichtung 162 zum Beispiel in einen Vakuumzustand von etwa 2 - 10 Pa versetzt und durch eine Heizung oder dergleichen, die nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, auf eine Dampfabscheidungstemperatur von zum Beispiel etwa 300 - 600°C erhitzt.
Jede der ersten Lichtbogenstromquelle 164, zweiten Lichtbogenstromquelle 166, dritten Lichtbogenstromquelle 168 und vierten Lichtbogenstromquelle 170 ist so konfiguriert, dass sie zwischen einer entsprechenden Anode 174, 178, 182, 186 und einer entsprechenden Kathode in Form einer ersten Verdampfungsquelle 172, zweiten Verdampfungsquelle 176, dritten Verdampfungsquelle 180 und vierten Verdampfungsquelle 184, die aus Dampfabscheidungsmaterial bestehen, einen Lichtbogenstrom hervorruft, um so eine Lichtbogenentladung herbeizuführen, wodurch selektiv Verdampfungsmaterial dazu gebracht wird, von der entsprechenden einen der ersten Verdampfungsquelle 172, zweiten Verdampfungsquelle 176, dritten Verdampfungsquelle 180 und vierten Verdampfungsquelle 184 abzudampfen. Nachdem es verdampft ist, wird das Verdampfungsmaterial zu positiven Ionen, die so abgeschieden werden, dass sie jedes der Werkzeugsubstrate 12, auf das eine negative (-) Vorspannung aufgebracht wird, bedecken. Das heißt, dass jede der Verdampfungsquellen 172, 176, 180, 184 durch eine Legierung von einer von der A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung gebildet wird, sodass eine der Verdampfungsquellen als eine Extraquelle dienen kann, die durch zum Beispiel die Legierung von einer von der A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung gebildet wird, die mit einer verhältnismäßig großen Dicke auszubilden ist, um es dadurch zu ermöglichen, die Beschichtungsausbildung effizient durchzuführen. Die Anzahl der Verdampfungsquellen kann drei sein, um so der Anzahl an Zusammensetzungen zu entsprechen, die aus der der A-Zusammensetzung, B-Zusammensetzung und C-Zusammensetzung bestehen.
Die oben beschriebenen Lichtbogenstromquellen 164, 166, 168, 170 werden bei Bedarf gewechselt, um so nacheinander die Lagen vorbestimmter Zusammensetzungen auszubilden, wodurch die Hartbeschichtung 30 oder dergleichen mit einer vorbestimmten Beschichtungsstruktur erzielt werden kann. Die Dicke jeder Lage kann eingestellt werden, indem eine Rotationsgeschwindigkeit des Drehtischs 154 und eine Einschaltzeit einer entsprechenden oder von entsprechenden der Lichtbogenstromquellen 164, 166, 168, 170 eingestellt werden. Ein Grenzabschnitt, der sich zwischen einer Vielzahl von Lagen befindet, deren Zusammensetzung verschieden ist, kann mit einer Mischlage bereitgestellt werden, die durch ein Gemisch von zwei Arten der Zusammensetzungen gebildet wird.
Es wird nun das Ergebnis einer Leistungsprüfung der Hartbeschichtungen beschrieben, die erfolgte, indem die Prüfmuster 1 - 50 angefertigt wurden, bei denen die Hartbeschichtung mit den jeweiligen in den 10 - 14 gezeigten Beschichtungsstrukturen auf einem Radiusfräser, der im Wesentlichen der gleiche wie der oben beschriebene Schaftfräser 10 ist, der die fünf Schneidkanten hat und durch das Werkzeugsubstrat 12 aus Hartmetall gebildet wird, und mit einem Durchmesser von 16 mm angeordnet waren. 15 ist eine Ansicht, die das Prüfergebnis zeigt, wobei „BESCHICHTUNGSHÄRTE“ einen HV-Wert (Vickershärte) von jeder Hartbeschichtung darstellt, der in Übereinstimmung mit dem Vickershärte-Prüfverfahren (JIS G0202, Z2244) unter einer durch das Härtesymbol HV0,025 angegebenen Bedingung gemessen wurde. Außerdem erfolge ein Schneidevorgang, in dem jedes der Prüfmuster 1 - 50 in Übereinstimmung mit einer unten beschriebenen Schnittprüfungsbedingung verwendet wurde, und es wurde eine Schnittstrecke und eine Verschleißbreite einer an die periphere Schneidkante 18 angrenzenden Flankenfläche gemessen und es wurde eine Beschichtungsleistung (Haltbarkeit) beurteilt. Genauer gesagt wurde die Verschleißbreite der Flankenfläche gemessen, indem der Schneidevorgang bei Bedarf unterbrochen wurde und dann die Schnittstrecke gemessen wurde, als die Verschleißbreite der Flankenfläche 0,2 mm oder mehr erreichte. Dann wurden diejenigen, die die Schnittstrecke 20 m oder mehr erreichten, als Erfolge „O“ bewertet, während diejenigen, die die Schnittstrecke von weniger als 20 m hatten, als Misserfolge „x“ bewertet wurden. Die Verschleißbreite wurde visuell unter Verwendung eines von Nikon Corporation hergestellten Mikroskops (MM-400/LM) gemessen.
- Schnittprüfungsbedingung -
Werkstückmaterial: Titanlegierung
Schnittgeschwindigkeit V: 70 m/min
Drehzahl n: 1400 min^-1
Vorschubrate: f = 0,09 mm/t, F = 630 mm/min
Bearbeitungsform: Seitenschneiden
Axiale Schnitttiefe ap: 28,8 mm
Radiale Schnitttiefe ae: 3,2 mm
Wie aus 15 hervorgeht, liegt jedes der Prüfmuster 7 - 50 als Produkt der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Beschichtungshärte (HV0,025) der Oberfläche in einem Bereich von 2700 - 3300 (HV) und lässt eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Stoßfestigkeit (Widerstand gegenüber Bruch und Ablösen bei einem intermittierenden Schneidevorgang) erwarten. Indessen zeigten die Prüfmuster 1 - 6 als die Vergleichsprodukte etwa 1900 - 2300 (HV). Hinsichtlich der Schnittstrecke war jedes der Prüfmuster 7 - 50 als die Produkte der vorliegenden Erfindung dazu in der Lage, den Schneidevorgang über 20 m durchzuführen und zeigte eine hervorragende Haltbarkeit. Indessen hatte jedes der Prüfmuster 1 - 6 als die Vergleichsprodukte die Schnittstrecke von weniger als 20 m.
Wie oben beschrieben wurde, ist es mit der Hartbeschichtung 30 oder dergleichen des Schaftfräsers 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel, in der drei Arten an Lagen, die aus der Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Lage 32, B-Lage 34 und C-Lage 36 bereitgestellt wird, und die zwei Nanoschicht-Wechsellagen, die durch jeweils zwei der Nanoschicht-Wechsellagen 38, 40, 42 bereitgestellt werden, abwechselnd mit vorbestimmten Dicken aufeinandergeschichtet sind, möglich, eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit, Schmierfähigkeit und Schweißresistenz zu erzielen. Zum Beispiel wurde selbst bei einem Schneidevorgang mit einer Titanlegierung eine hervorragende Haltbarkeit erzielt. Dank dieser Merkmale ist es bei einem Schneidevorgang mit einer Titanlegierung oder irgendeinem anderen von verschiedenen Werkstückmaterialien wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Gusseisen und legiertem Stahl oder bei einer harten Bearbeitungsbedingung wie einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung möglich geworden, durch die hohe Zähigkeit einen Bruch und ein Ablösen der Hartbeschichtung 30 oder dergleichen zu unterdrücken und dementsprechend eine Lebensdauer des Werkzeugs zu erhöhen.
Da das Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 der einen Art an Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T2 von einer der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen und das Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 der einen Art an Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T3 der anderen der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen, sind die eine Art an Einzelzusammensetzungslage und die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen außerdem mit entsprechenden Dicken versehen, die für bestimmte Eigenschaften sorgen, was es ermöglicht, entsprechend Leistungen wie die Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz zu erzielen.
Außerdem liegt die Beschichtungshärte (HV0,025) der Hartbeschichtung 30 oder dergleichen im Bereich von 2700 - 3300 (HV), sodass Verschleißbeständigkeit und hohe Zähigkeit mit einem hervorragenden Gleichgewicht dazwischen erzielt werden können, wodurch ein Bruch und ein Ablösen der Hartbeschichtung 30 oder dergleichen unterdrückt werden können und dementsprechend eine hervorragende Haltbarkeit erzielt werden kann.
Außerdem kann die Hartbeschichtung 80 von 7, die nicht mit der Grenzflächenlage versehen ist, zu reduzierten Beschichtungsausbildungskosten ausgebildet werden und der Schaftfräser 10 mit der Hartbeschichtung 80 kann kostengünstig hergestellt werden. Andererseits ist es mit den Hartbeschichtungen 30, 50, 60, 70, 90 und den Prüfmustern 7 - 50, die mit der Grenzflächenlage versehen sind, die die vorbestimmte Zusammensetzung oder die vorbestimmten Zusammensetzungen und die vorbestimmte Dicke hat, jeweils möglich, die Haftfestigkeit der Haftbeschichtung 30 oder dergleichen am Werkzeugsubstrat 12 zu erhöhen.
Außerdem ist es mit der Hartbeschichtung 90 von 8, die mit der Oberflächenlage 92 versehen ist, die die vorbestimmte Zusammensetzung oder die vorbestimmten Zusammensetzungen und die vorbestimmte Dicke hat, möglich, bestimmte Beschichtungsleistungen wie die Verschleißbeständigkeit und Schweißresistenz weiter zu verbessern, wenn die Zusammensetzung oder die Zusammensetzungen und die Dicke der Oberflächenlage 92 entsprechend festgelegt werden.
Außerdem ist der Schaftfräser 10 ein intermittierend schneidendes Werkzeug, das durch die periphere Schneidkante 18 und die Endschneidkante 20 intermittierend einen Schneidevorgang durchführen soll, sodass auf die periphere Schneidkante 18 und die Endschneidkante 20 wiederholt eine Stoßbelastung aufgebracht wird und die periphere Schneidkante 18 und die Endschneidkante 20 dementsprechend während des Schneidevorgangs leicht erhitzen. Beim Vorsehen der Hartbeschichtung 30 oder dergleichen, die eine hohe Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit, Schmierfähigkeit und Schweißresistenz hat, ist es jedoch möglich, die Lebensdauer des Werkzeugs zu erhöhen.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwar ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden, doch versteht sich, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich eine Ausführungsform ist und dass die vorliegende Erfindung auf der Grundlage des Wissens eines Fachmanns mit verschiedenen Abwandlungen und Verbesserungen ausgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

10:: Schaftfräser (mit einer Hartbeschichtung bedecktes Element, intermittierend schneidendes Werkzeug),
12:: Werkzeugsubstrat (Substrat),
18:: periphere Schneidkante (Schneidkante),
20:: Endschneidkante (Schneidkante),
30, 50, 60, 70, 80, 90:: Hartbeschichtung,
32:: A-Lage (Einzelzusammensetzungslage),
32n:: A-Nanoschicht (Nanoschicht),
34:: B-Lage (Einzelzusammensetzungslage),
34n:: B-Nanoschicht (Nanoschicht),
36:: C-Lage (Einzelzusammensetzungslage),
36n:: C-Nanoschicht (Nanoschicht),
38, 40, 42:: Nanoschicht-Wechsellage,
44, 52, 62, 94:: Grenzflächenlage,
92:: Oberflächenlage,
Ttotal:: Gesamtdicke,
T1:: Dicke Einzelzusammensetzungslage,
T2, T3:: Dicke Nanoschicht-Wechsellage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012 [0002]
JP 35378 A [0002]
JP 2014 [0002]
JP 54000834 A [0002]
JP 2008 [0002]
JP 534297 A [0002]

Claims

Hartbeschichtung, die so auf eine Oberfläche eines Substrats aufzubringen ist, dass sie die Oberfläche des Substrats bedeckt, wobei die Hartbeschichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Hartbeschichtung eine Gesamtdicke in einem Bereich von 0,5 - 20 µm hat und drei Arten an Lagen enthält, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, wobei die drei Arten an Lagen aus einer Einzelzusammensetzungslage und zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bestehen, wobei die Einzelzusammensetzungslage durch eine von einer A-Zusammensetzung, einer B-Zusammensetzung und einer C-Zusammensetzung gebildet wird und wobei die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen Nanoschichten enthalten, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind und die durch zwei von drei Kombinationen gebildet werden, die aus einer Kombination der A-Zusammensetzung und der B-Zusammensetzung, einer Kombination der A-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung und einer Kombination der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung bestehen; die A-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_aCr_bSi_cα_d repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse a, b, c, d 0,30 ≤ a ≤ 0,85, 0,10 ≤ b ≤ 0,65, 0,01 ≤ c ≤ 0,45, 0 ≤ d ≤ 0,10 und a + b + c + d = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil α mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; die B-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_eTi_fSi_gβ_h repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse e, f, g, h 0,01 ≤ e ≤ 0,85, 0,05 ≤ f ≤ 0,90, 0,05 ≤ g ≤ 0,45, 0 ≤ h ≤ 0,10 und e + f + g + h = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil β mindestens eine Art an Element ist, das aus B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; die C-Zusammensetzung ein Nitrid ist, das durch die Zusammensetzungsformel Al_iCr_j(SiC)_kγ_I repräsentiert wird, wobei die Atomverhältnisse i, j, k, I 0,20 ≤ i ≤ 0,85, 0,10 ≤ j ≤ 0,50, 0,03 ≤ k ≤ 0,45, 0 ≤ I ≤ 0,10 und i + j + k + I = 1 erfüllen und wobei der optionale zusätzliche Bestandteil γ mindestens eine Art an Element ist, das aus B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ausgewählt ist; die Einzelzusammensetzungslage eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 1000 nm hat; und jede der Nanoschichten, die die zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen bilden, eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 500 nm hat und jede der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen eine Dicke in einem Bereich von 1 - 1000 nm hat.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis T1/T2 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T2 von einer der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen und ein Verhältnis T1/T3 der Dicke T1 der Einzelzusammensetzungslage zur Dicke T3 der anderen der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen beide in einem Bereich von 0,2 - 10 liegen.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterste Lage der Einzelzusammensetzungslage und der zwei Arten an Nanoschicht-Wechsellagen, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind, direkt auf einer Oberfläche des Substrats anzuordnen ist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass: die Hartbeschichtung eine Grenzflächenlage enthält, die zwischen der Hartbeschichtung und dem Substrat anzuordnen ist; die Grenzflächenlage eine Dicke in einem Bereich von 5 - 1000 nm hat und durch eine von drei Arten an Lagen bereitgestellt wird, die Folgende sind: eine Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird; eine Nanoschicht-Wechsellage, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd derart aufeinandergeschichtet sind, dass jede der zwei Arten an Nanoschichten eine Dicke von 0,5 - 500 nm hat; und eine Lage aus Metallnitrid, Metallcarbonitrid oder Metallcarbid, das durch mindestens eine Art an Element gebildet wird, das aus B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W ausgewählt ist.
Hartbeschichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass: die Hartbeschichtung eine Oberflächenlage enthält, die für eine äußerste Oberfläche der Hartbeschichtung sorgt; die Oberflächenlage durch eine Einzelzusammensetzungslage, die durch eine von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet wird, oder eine Nanoschicht-Wechsellage bereitgestellt wird, die zwei Arten an Nanoschichten enthält, die durch jeweils zwei von der A-Zusammensetzung, der B-Zusammensetzung und der C-Zusammensetzung gebildet werden und die abwechselnd derart aufeinandergeschichtet sind, dass jede der zwei Arten an Nanoschichten eine Dicke in einem Bereich von 0,5 - 500 nm hat; und die Oberflächenlage eine Dicke von 5 - 1000 nm hat.
Hartbeschichtung nach einem der Ansprüche 1-5, die dadurch gekennzeichnet ist, dass: eine Beschichtungshärte der Hartbeschichtung in einem Bereich von 2700 - 3300 liegt.
Mit einer Hartbeschichtung bedecktes Element, das ein Substrat aufweist, dessen Oberfläche teilweise oder vollständig mit einer Hartbeschichtung bedeckt ist, wobei das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Hartbeschichtung die Hartbeschichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6 ist.
Mit einer Hartbeschichtung bedecktes Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: das mit einer Hartbeschichtung bedeckte Element ein intermittierend schneidendes Werkzeug ist, das Schneidkanten aufweist und das so um eine Achse zu rotieren ist, dass es durch die Schneidkanten einen intermittierenden Schneidevorgang durchführt.