DE112019004436T5

DE112019004436T5 - Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112019004436T5
Application number: DE112019004436.2T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Katsuma
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-05-20
Also published as: JP7089039B2; CN112672839A; US20210220920A1; JPWO2020050263A1; CN112672839B; WO2020050263A1

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement mit einer ersten Fläche und einer auf dem Basiselement angeordnete Beschichtungsschicht auf. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. In einem Neigungswinkelverteilungsdiagramm, in dem ein Neigungswinkel gemessen wird, der durch eine Normale einer [112}-Fläche, die eine Kristallfläche von Kristallkörnern der ersten Schicht ist, in Bezug auf eine Normale einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet wird, werden die gemessenen Neigungswinkel innerhalb eines Bereichs von 0 bis 45° in Teilungen von 0,25° unterteilt und werden die in jeder Teilung vorhandenen Gradzahlen akkumuliert, wobei der höchste Peak in einem Bereich von 0 bis 10° vorliegt. Die Gesamtzahl der in diesem Bereich vorhandenen Gradzahlen macht 45 % oder mehr aller Gradzahlen aus. Die erste Schicht enthält eine Mehrzahl von Hohlräumen, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche nebeneinander in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind, und ein Mittelwert der Breiten der Hohlräume in einer Richtung entlang der Grenzfläche ist kleiner als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen.

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 z.B. einem Drehvorgang und einem Fräsvorgang, ist ein beschichtetes Werkzeug bekannt, das z.B. im Patentdokument 1 beschrieben ist. Das in Patentdokument 1 beschriebene beschichtete Werkzeug hat eine Konfiguration, bei der eine Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche eines Basiselements angeordnet ist, das aus Hartmetall oder dergleichen ausgebildet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine Schicht (Titanverbindungsschicht), die eine Titanverbindung (Ti) enthält, und eine Schicht (Aluminiumoxidschicht) auf, die Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthält.
In Patentdokument 1 ist beschrieben, dass die Titanverbindungsschicht in einer (112)-Fläche ausgerichtet ist, die eine überlegene Hochtemperaturfestigkeit aufweist. In Patentdokument 2 ist eine Mehrzahl von Hohlräumen an einer Grenzfläche zwischen der Titanverbindungsschicht und der Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Es ist beschrieben, dass aufgrund der Mehrzahl von Hohlräumen ein Stoßrelaxationseffekt erzielt werden kann.
STAND DER TECHNIK DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2006-015426
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2015-182209

KURZERLÄUTERUNG
Ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement mit einer ersten Fläche und eine Beschichtungsschicht auf, die zumindest auf 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 kontaktieren auf der ersten Schicht angeordnet und enthält Aluminiumoxid. In einem Neigungswinkelverteilungsdiagramm, in dem ein Neigungswinkel gemessen wird, der durch eine Normale einer [112}-Fläche, die eine Kristallfläche von Kristallkörnern der ersten Schicht ist, in Bezug auf eine Normale einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet wird, werden die gemessenen Neigungswinkel innerhalb eines Bereichs von 0-45° in Teilungen von 0,25° unterteilt und werden die in jeder Teilung vorhandenen Gradzahlen akkumuliert, wobei der höchste Peak in einem Bereich von 0-10° vorliegt. Die Gesamtzahl der Gradzahlen, die im Bereich von 0-10° vorhanden sind, macht 45 % oder mehr aller Gradzahlen im Neigungswinkelverteilungsdiagramm aus. Die erste Schicht weist eine Mehrzahl von Hohlräumen auf, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht nebeneinander angeordnet ist. Ein Mittelwert von Breiten der Hohlräume in einer Richtung entlang der Grenzfläche ist kleiner als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen. Ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung weist einen Halter, der eine Stabform, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und eine Tasche hat, die an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und ein beschichtetes Werkzeug auf, das an der Tasche angeordnet ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in dem in 1 dargestellten beschichteten Werkzeug.
3 ist eine vergrößerte Ansicht in der Nähe einer Beschichtungsschicht in dem in 2 dargestellten beschichteten Werkzeug.
4 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Ausführungsform eines in 3 dargestellten Bereichs B1 zeigt.
5 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine weitere Ausführungsform des in 3 dargestellten Bereichs B1 zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines in 6 dargestellten Bereichs B2.

AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend wird ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Jede der Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, zeigt jedoch zur Vereinfachung der Beschreibung nur die für die Beschreibung notwendigen Hauptelemente in vereinfachter Form. Daher kann das beschichtete Werkzeug jedes Strukturelement aufweisen, das nicht in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird, dargestellt ist. Abmessungen der Elemente in den einzelnen Zeichnungen sind nicht solche, die die Abmessungen tatsächlicher Strukturelemente und die Abmessungsverhältnisse dieser Elemente getreu darstellen.
<Beschichtetes Werkzeug>
Das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement 3 und eine Beschichtungsschicht 5 auf, wie in den 1 und 2 dargestellt. Das Basiselement 3 weist eine erste Fläche 7 (eine obere Fläche in 2), eine zweite Fläche 9, die an die erste Fläche 7 angrenzt (eine Seitenfläche in 2), und eine Schneidkante 11 auf, die zumindest an einem Teil einer Kammlinie angeordnet ist, an welchem die erste Fläche 7 die zweite Fläche 9 schneidet.
Das Basiselement 3 hat in dem in 1 gezeigten Beispiel eine viereckige Plattenform, und die erste Fläche 7 hat eine viereckige Form. Die Anzahl der zweiten Flächen 9 beträgt somit vier. Zumindest ein Teil der ersten Fläche 7 ist ein Spanflächenbereich, und zumindest ein Teil der zweiten Fläche 9 ist ein Freiflächenbereich. Die Form des Basiselements 3 ist nicht auf die Form einer viereckigen Platte beschränkt, und die erste Fläche 7 kann beispielsweise eine dreieckige, fünfeckige, sechseckige oder kreisförmige Form haben. Alternativ kann das Basiselement 3 neben der Plattenform auch eine säulenartige Form haben.
Die Beschichtungsschicht 5 ist zumindest auf der ersten Fläche 7 des Basiselements 3 angeordnet. Die Beschichtungsschicht 5 kann nur auf der ersten Fläche 7 oder auf einer anderen Fläche als die erste Fläche 7 des Basiselements 3 angeordnet sein. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Beschichtungsschicht 5 zusätzlich zur ersten Fläche 7 auch auf der zweiten Fläche 9 angeordnet. Die Beschichtungsschicht 5 dient dazu, die Eigenschaften des beschichteten Werkzeugs 1 während eines Schneidvorgangs zu verbessern, wie z.B. die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegen Ausbrüche.
Die Beschichtungsschicht 5 weist eine erste Schicht 13 und eine zweite Schicht 15 auf, wie in 3 dargestellt. Die erste Schicht 13 ist auf der ersten Fläche 7 angeordnet und enthält eine Titanverbindung. Die zweite Schicht 15 ist kontaktierend auf der ersten Schicht 13 angeordnet und enthält Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Beispiele für die in der ersten Schicht 13 enthaltene Titanverbindung weisen Titancarbid, -nitrid, -oxid, -carbonitrid, -carbonoxid und -oxycarbonitrid auf. Die erste Schicht 13 kann so eingerichtet sein, dass sie nur eine der oben genannten Verbindungen enthält, oder sie kann alternativ so eingerichtet sein, dass sie eine Mehrzahl von Arten der oben genannten Verbindungen enthält.
Die erste Schicht 13 kann aus einer einzigen Schicht ausgebildet sein oder kann alternativ eine Konfiguration haben, bei der mehrere Schichten aufeinander laminiert sind, solange sie eine Titanverbindung enthält. Zum Beispiel kann die erste Schicht 13 eine Konfiguration haben, in der eine Titannitridschicht 17 und eine Titancarbonitridschicht 19 aufeinander laminiert sind. Die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und dem Basiselement 3 wird erhöht, wenn die erste Schicht 13 die Titannitridschicht 17 als eine Schicht enthält, die das Basiselement 3 kontaktiert. Die Titannitridschicht 17 und die Titancarbonitridschicht 19 enthalten Titannitrid bzw. Titancarbonitrid als eine Hauptkomponente und können weitere Komponenten enthalten. Der Begriff „Hauptkomponente“ bezeichnet eine Komponente, die unter den Werten der anderen Komponenten den größten Wert in Masse-% hat.
Die Beschichtungsschicht 5 kann nur aus der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ausgebildet sein oder kann alternativ eine andere Schicht als diese Schichten aufweisen. Zum Beispiel kann eine andere Schicht zwischen dem Basiselement 3 und der ersten Schicht 13 eingefügt sein oder kann alternativ eine andere Schicht auf der zweiten Schicht 15 angeordnet sein.
Die Titancarbonitridschicht 19 kann eine Konfiguration haben, bei der mehrere Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufeinander laminiert sind. Zum Beispiel kann die Titancarbonitridschicht 19 eine Konfiguration haben, bei der ein sogenannter MT (moderate Temperatur) erster Bereich 19a und ein sogenannter HT (hohe Temperatur) zweiter Bereich 19b aufeinander laminiert sind.
In Fällen, in denen die erste Schicht 13 den ersten Bereich 19a und den zweiten Bereich 19b aufweist, kann die erste Schicht 13 außerdem einen Zwischenbereich 19c zwischen dem ersten Bereich 19a und dem zweiten Bereich 19b aufweisen. Eine Grenze zwischen den Schichten und eine Grenze zwischen den Bereichen kann z.B. durch Betrachtung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme (einer rasterelektronenmikroskopischen (REM: Rasterelektronenmikroskop) Aufnahme oder einer transmissionselektronenmikroskopischen (TEM: Transmissionselektronenmikroskop) Aufnahme) bestimmt werden. Die Identifizierung kann anhand des Verhältnisses der Elemente, aus denen die einzelnen Schichten ausgebildet sind, und anhand von Unterschieden in der Größe oder Ausrichtung eines Kristalls erfolgen.
Beispiele für das in der zweiten Schicht 15 enthaltene Aluminiumoxid sind α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃), γ-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und κ-Aluminiumoxid (κ-Al₂O₃). Wenn die zweite Schicht 15 unter diesen α-Aluminiumoxid enthält, kann die Wärmebeständigkeit des beschichteten Werkzeugs 1 erhöht werden. Die zweite Schicht 15 kann so eingerichtet sein, dass sie nur eine der oben genannten Verbindungen enthält oder kann alternativ eine Mehrzahl von Arten der oben genannten Verbindungen enthalten.
Die Identifizierung des in der zweiten Schicht 15 enthaltenen Aluminiumoxids aus den oben genannten Verbindungen kann z.B. durch Durchführen einer Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und Beobachten einer Verteilung der Peakwerte ausgewertet werden.
Der Anteil der Titanverbindung in der ersten Schicht 13 und der Anteil des Aluminiumoxids in der zweiten Schicht 15 sind nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Eine Ausführungsform davon ist eine Konfiguration, bei der die erste Schicht 13 die Titanverbindung als eine Hauptkomponente enthält und die zweite Schicht 15 das Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente enthält. Der Begriff „Hauptkomponente“ bezeichnet eine Komponente, die unter den Werten der anderen Komponenten den größten Wert in Masse-% hat.
Die erste Schicht 13 kann eine andere Komponente als die Titanverbindung enthalten, und die zweite Schicht 15 kann eine andere Komponente als das Aluminiumoxid enthalten. Zum Beispiel ist die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 verbessert, wenn die erste Schicht 13 das Aluminiumoxid und die zweite Schicht 15 die Titanverbindung enthält.
Die erste Schicht 13 kann so eingerichtet sein, dass sie ein Neigungswinkelverteilungsdiagramm zeigt, in dem der Neigungswinkel gemessen wird, der durch die Normale der [112}-Fläche, die die Kristallfläche der Kristallkörner ist, in Bezug auf die Normale der Oberfläche gebildet wird, in dem der höchste Peak der gemessenen Neigungswinkel im Bereich der Neigungswinkelverteilung von 0-10° erscheint und in dem der Gesamtprozentsatz der Gradzahlen, die innerhalb der Neigungswinkelverteilung von 0-10° vorhanden sind, 45% oder mehr aller Gradzahlen im Neigungswinkelverteilungsdiagramm beträgt, wodurch die Hochtemperaturfestigkeit erhöht wird.
Die Messung des oben genannten Neigungswinkels kann z.B. mit dem Elektronenrückstreuungsbeugungsverfahren (EBSD) ausgewertet werden. Ein Beispiel für die Messung mit dem Elektronenrückstreuungsbeugungsverfahren ist unten dargestellt.
Zunächst wird die zweite Schicht 15, die auf der ersten Schicht 13 vorhanden ist, durch Schleifen, Polieren o. Ä. entfernt, um die erste Schicht 13 freizulegen. Als Nächstes wird ein Polierverfahren auf einer Oberfläche angewendet, an der die erste Schicht 13 freigelegt ist, um die Oberfläche zu glätten, und eine Ionenfräsbehandlung wird auf den Messbereich angewendet.
Die polierte Oberfläche, d.h. die Oberfläche der auf diese Weise freigelegten ersten Schicht, wird mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, und der Neigungswinkel, der durch die Normale der {112}-Fläche gebildet wird, wird in einem Bereich von etwa 40 × 25 µm² in Abständen von 0,1 µm gemessen. Anschließend können die gemessenen Neigungswinkel, die im Bereich von 0-45° liegen, in die Teilungen von 0,25° unterteilt werden.
Die Beschichtungsschicht 5 in der vorliegenden Offenbarung weist die Hohlräume 21 in einem Innenraum der ersten Schicht 13 auf, wie in 4 dargestellt. Insbesondere weist die Beschichtungsschicht 5 eine Mehrzahl von Hohlräumen 21 auf, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 in der ersten Schicht 13 in einer Richtung entlang der Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 des Basiselements 3 nebeneinander angeordnet sind.
Im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ist ein Mittelwert der Breiten w1 der Hohlräume 21 in einer Richtung parallel zur ersten Fläche 7 kleiner als ein Abstand zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen 21, nämlich ein Mittelwert der Breiten w2 am ersten Abschnitt X. Das beschichtete Werkzeug 1, das eine solche Konfiguration hat, kann eine hohe Stoßfestigkeit in den Hohlräumen 21 erhalten, während eine Verschlechterung der Festigkeit des ersten Abschnitts X reduziert wird.
Daher kann der Stoßrelaxationseffekt durch die Hohlräume 21 erzielt werden, während die Verschlechterung der Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 reduziert wird.
Beim Ermitteln des Mittelwertes der Breiten w1 der Hohlräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 ist es nicht notwendig, die Breiten w1 aller im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 vorhandenen Hohlräume 21 zu ermitteln, sondern der Mittelwert kann durch einen Mittelwert der Breiten w1 von etwa 10 im Querschnitt nebeneinander angeordneten Hohlräumen 21 ermittelt werden. Zum Beispiel kann im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein 10 µm großer quadratischer Bereich, der die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 einschließt, extrahiert werden und können die Breiten w1 der Hohlräume 21 in diesem Bereich gemessen werden. Ein Mittelwert der Breiten w2 des ersten Bereichs X kann durch einen Mittelwert der Abstände zwischen etwa 5 nebeneinander angeordneten Hohlräumen 21 im Querschnitt ermittelt werden.
Die Hohlräume 21 können in der ersten Schicht 13 vorhanden sein und können z.B. nicht nur die in der ersten Schicht 13 vorhandene Konfiguration, wie in 4 dargestellt, oder eine in jeder der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 vorhandene Konfiguration haben, wie in 5 dargestellt. Ein imaginäres Liniensegment entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 ist in 5 durch eine Strich-Punkt-Linie angegeben, und die in der zweiten Schicht 15 vorhandenen Hohlräume 21 können entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sein.
Die Formulierung „die Hohlräume 21 sind entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet“ bedeutet, dass die Abstände von der Mehrzahl der Hohlräume 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 in einen Bereich von ±20% eines Mittelwertes davon fallen. In Fällen, in denen die erste Schicht 13 Titancarbonitrid als eine Titanverbindung und die zweite Schicht 15 α-Aluminiumoxid als Aluminiumoxid enthält, kann die Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1 unter dem Gesichtspunkt der Wärmebeständigkeit und der Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1 weiter verbessert werden, wenn die Mehrzahl der Hohlräume 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet ist.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Die Härte des Titancarbonitrids ist höher, jedoch ist seine Stoßfestigkeit geringer als die von α-Aluminiumoxid. Wenn daher die Hohlräume 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet sind, kann die Stoßfestigkeit aufgrund der Hohlräume 21 in der ersten Schicht 13 erhöht werden und kann die Haltbarkeit des beschichteten Werkzeugs 1 weiter verbessert werden.
Obwohl keine besonderen Beschränkungen für die Größe der Hohlräume 21 gelten, kann die Größe z.B. auf 20-200 nm eingestellt werden. Der Stoßrelaxationseffekt aufgrund der Hohlräume 21 kann verstärkt werden, wenn die Größe der Hohlräume 21 20 nm oder mehr beträgt. Es ist einfach, die Festigkeit der ersten Schicht 13 beizubehalten, wenn die Größe der Hohlräume 21 200 nm oder weniger beträgt. Der Begriff „Größe der Hohlräume 21“ bezeichnet in den Ausführungsformen den maximalen Wert der Breiten w1 der Hohlräume 21 im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7.
Der Form der Hohlräume 21 sind keine besonderen Grenzen gesetzt. Die Stoßfestigkeit kann bei gleichzeitiger Verringerung eines Verhältnisses der Hohlräume 21 weiter verbessert werden, wenn 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, wenn im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Breiten w1 der Hohlräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7. Der Grund hierfür ist wie folgt.
Während eines Schneidvorganges eines Werkstücks zur Herstellung eines Schnittprodukts wird die Beschichtungsschicht 5 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 durch eine Schneidbelastung belastet. Wenn die Hohlräume 21 eine solche Form 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 Hohlräume 21 absorbiert werden, ohne dass die Hohlräume 21 größer als nötig hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Stoßfestigkeit weiter zu erhöhen und gleichzeitig das Verhältnis der Hohlräume 21 zu verringern.
Insbesondere tendiert die Schneidbelastung dazu, in einem weiten Bereich der Hohlräume 21 absorbiert zu werden, wenn das Verhältnis des Mittelwerts der Breiten w1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 zum Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 1,2 oder mehr beträgt. Wenn das obige Verhältnis 2 oder weniger beträgt, ist es außerdem einfach, einen Verformungsbetrag der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 sicherzustellen, was zu einer gleichbleibenden Absorption der Schneidbelastung in den Hohlräumen 21 führt.
Wenn im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 der Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 kleiner ist als Rz, wobei Rz eine maximale Höhe der Grenze zwischen der ersten Fläche 7 und der zweiten Fläche 9 ist, ist es einfach, die Verschlechterung der Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 5 zu reduzieren.
Das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung hat die erhöhte Stoßfestigkeit aufgrund der Verformung des ersten Abschnitts X, der zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen 21 angeordnet ist und aufgrund der Verformung der Mehrzahl von Hohlräumen 21 in der ersten Schicht 13. Wenn ein Mittelwert der Breiten der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7 kleiner ist als Rz, wird eine imaginäre Linie, die die zueinander benachbarten Hohlräume 21 verbindet, durch eine Zickzackform angegeben, die stärker gekrümmt ist als die Breite des Hohlraums 21.
In Fällen, in denen die imaginäre Linie durch die obige Form angegeben ist, ist es selbst dann, wenn ein Riss an einem der ersten Abschnitte X auftritt, weniger wahrscheinlich, dass sich der Riss auf den ersten Abschnitt X ausbreitet, der zum ersten Abschnitt X mit dem Riss benachbart ist. Es ist daher weniger wahrscheinlich, dass sich die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 5 verschlechtert.
Die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 5 wird auch weniger wahrscheinlich beeinträchtigt, wenn im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Abstände d1 von den Hohlräumen 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 größer ist als ein Mittelwert der Breiten w2 der ersten Abschnitte X.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Da im obigen Fall im Vergleich zu den ersten Abschnitten X ein ausreichender Abstand von den Hohlräumen 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 gewährleistet ist, ist es selbst dann, wenn ein Riss an einem der ersten Abschnitte X auftritt, weniger wahrscheinlich, dass der Riss die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 erreicht. Die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 wird weniger wahrscheinlich beeinträchtigt, da der Riss weniger wahrscheinlich die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 erreicht.
Die Hohlräume 21 sind in der ersten Schicht 13 angeordnet und sind von der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 entfernt. Die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 wird weniger wahrscheinlich beeinträchtigt, während eine verbesserte Stoßfestigkeit in der Beschichtungsschicht 5 erreicht wird, wenn im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Abstände d1 von den Hohlräumen 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7.
Der Grund hierfür ist folgender. Da der Abstand von den Hohlräumen 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 im Vergleich zur Größe der Hohlräume 21 ausreichend gewährleistet werden kann, wird die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 nicht verformt, selbst wenn die Hohlräume 21 aufgrund der Absorption der Schneidbelastung verformt werden, oder der Verformungsbetrag wird ausreichend klein. Die Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 wird weniger wahrscheinlich beeinträchtigt, da die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 weniger großen Verformungen ausgesetzt ist.
Beispiele für das Material des Basiselements 3 weisen anorganische Materialien wie Hartmetall, Cermet und Keramik auf. Das Material des Basiselements 3 ist nicht auf diese Materialien beschränkt.
Beispiele für die Zusammensetzung von Hartmetall weisen WC (Wolframcarbid)-Co, WC-TiC (Titancarbid)-Co und WC-TiC-TaC (Tantalcarbid)-Co auf. Im Einzelnen sind WC, TiC und TaC harte Partikel und ist Co eine Bindephase. Das Cermet ist ein gesinterter Verbundwerkstoff, der durch Zusammensetzen von Metall mit einer keramischen Komponente erhältlich ist. Spezifische Beispiele für das Cermet weisen Verbindungen auf, die hauptsächlich aus TiCN, TiC oder TiN (Titannitrid) ausgebildet sind.
Das Basiselement 3 kann ein Durchgangsloch 23 aufweisen, das durch die erste Fläche 7 und eine auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche 7 angeordneten Fläche verläuft. Das Durchgangsloch 23 kann zum Einsetzen eines Befestigungselements verwendet werden, das dazu bestimmt ist, das beschichtete Werkzeug 1 an einem Halter zu befestigen. Beispiele für das Befestigungselement sind eine Schraube und ein Klemmelement.
Die Größe des Basiselements 3 ist nicht besonders beschränkt. In der Ausführungsform ist zum Beispiel eine Länge einer Seite der ersten Fläche 7 auf etwa 3-20 mm einstellbar. Eine Höhe von der ersten Fläche 7 zur Fläche auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche 7 ist auf etwa 5-20 mm einstellbar.
<Herstellungsverfahren>
Eine der Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1 der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden beschrieben.
Zunächst wird ein gemischtes Pulver hergestellt, indem in geeigneter Weise Metallpulver, Kohlenstoffpulver oder ähnliches zu anorganischem Pulver, ausgewählt aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid und Oxid oder ähnlichem, die in der Lage sind, eine harte Legierung auszubilden, die ein Basiselement 3 durch Sintern ausbildet, hinzugefügt und dann miteinander vermischt werden. Anschließend wird ein Formkörper hergestellt, indem das gemischte Pulver mit Hilfe eines bekannten Formgebungsverfahrens in eine vorbestimmte Werkzeugform geformt wird. Beispiele für das Formgebungsverfahren sind Pressformen, Gießformen, Strangpressen und kaltisostatisches Pressen. Die Herstellung des Basiselements 3 erfolgt durch Sintern des Formkörpers in Vakuum oder in einer nicht oxidierenden Atmosphäre. Die Oberfläche des Basiselements 3 kann dann je nach Bedarf einem Polier- und Honvorgang unterzogen werden.
Anschließend wird eine Beschichtungsschicht 5 auf der Oberfläche des Basiselements 3 durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungsverfahren (CVD) abgeschieden.
Im ersten Schritt wird eine Titannitridschicht 17 (Unterschicht) in der ersten Schicht 13 abgeschieden. Ein erstes Mischgas, das als Reaktionsgas verwendet wird, wird durch Mischen von 0,5-10 Vol.-% Titantetrachloridgas und 10-60 Vol.-% Stickstoffgas in Wasserstoff-(H₂)-Gas hergestellt. Die Titannitridschicht 17 wird in einem Temperaturbereich von 830-870°C durch Einleiten des ersten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 10-20 kPa in eine Kammer abgeschieden.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden eines ersten Bereichs 19a in der ersten Schicht 13. Ein zweites Mischgas wird hergestellt, indem 0,5-10 Vol.-% Titantetrachloridgas, 1-60 Vol.-% Stickstoffgas und 0,1-3,0 Vol.-% Acetonitrilgas in Wasserstoffgas gemischt werden. Das Acetonitrilgas wird ab dem Beginn der Abscheidung um 0,2 Vol.-% pro Stunde erhöht, während das zweite gemischte Gasgemisch in die Kammer eingeleitet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der erste Bereich 19a, der MT-Titancarbonitrid enthält, in einem Temperaturbereich von 830-870°C abgeschieden, indem das zweite Mischgas mit einem Gaspartialdruck von 6-12 kPa in die Kammer eingeleitet wird. Das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung kann durch Ändern der Menge an Acetonitrilgas auf diese Weise erhalten werden.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden einer Zwischenschicht 19c. Ein drittes Mischgas wird durch Mischen von 3-30 Vol.-% Titantetrachloridgas, 3-15 Vol.-% Methangas, 5-10 Vol.-% Stickstoffgas und 0,5-5 Vol.-% Kohlendioxid-(CO₂)-Gas in Wasserstoffgas hergestellt. Der Zwischenbereich 19c mit einer Dicke von etwa 50-300 nm wird in einem Temperaturbereich von 980-1050°C durch Einleiten des dritten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 6-12 kPa in die Kammer abgeschieden. Im Zwischenbereich 19c sind Hohlräume 21 ausbildbar, da das dritte Mischgas Kohlendioxidgas enthält. Mit den obigen Bedingungen kann ein beschichtetes Werkzeug 1 hergestellt werden, bei dem in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Breiten w1 der Hohlräume 21 in einer Richtung parallel zur ersten Fläche 7 kleiner ist als ein Mittelwert der Abstände w2 zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen 21.
Da die Dicke des Zwischenbereichs 19c so klein wie etwa 50-300 nm ist, wird es außerdem möglich, die im Zwischenbereich 19c ausgebildeten Hohlräume 21 in einer Richtung entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 auszurichten.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden eines zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13. Ein viertes Mischgas wird durch Mischen von 1-4 Vol.-% Titantetrachloridgas, 5-20 Vol.-% Stickstoffgas, 0,1-10 Vol.-% Methangas und 0,5-10 Vol.-% Kohlendioxidgas in Wasserstoffgas hergestellt. Der zweite Bereich 19b mit einer Dicke von etwa 0,3-3 µm, der HT-Titancarbonitrid enthält, wird in einem Temperaturbereich von 950-1050°C durch Einleiten des vierten Mischgases mit einem Gaspartialdruck von 5-45 kPa in die Kammer abgeschieden.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden einer zweiten Schicht 15. Die Abscheidungstemperatur wird auf 950-1100°C und der Gasdruck auf 5-20 kPa eingestellt. Die Zusammensetzung des Reaktionsgases ist wie folgt. Ein fünftes Mischgas wird durch Mischen von 5-15 Vol.-% Aluminiumtrichlorid-(AlCl₃)-Gas, 0,5-2,5 Vol.-% Chlorwasserstoff-(HCI)-Gas, 0,5-5,0 Vol.-% Kohlendioxidgas und 0-1 Vol.-% Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas in Wasserstoffgas hergestellt. Die zweite Schicht 15 wird durch Einleiten des fünften Mischgases in die Kammer abgeschieden.
Danach wird bei Bedarf ein Poliervorgang auf einem Teil der Oberfläche der abgeschiedenen Beschichtungsschicht 5 durchgeführt, an dem die Schneidkante 11 angeordnet ist. Wenn der Poliervorgang durchgeführt wird, ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Werkstück an der Schneidkante 11 anschweißt, was dazu führt, dass das beschichtete Werkzeug 1 eine bessere Bruchfestigkeit aufweist.
Das obige Herstellungsverfahren ist eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1 der vorliegenden Offenbarung. Daher sind die beschichteten Werkzeuge 1 der vorliegenden Offenbarung nicht auf solche beschränkt, die nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine dritte Schicht separat auf der zweiten Schicht 15 abgeschieden werden.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, bei dem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 der Mittelwert der Breiten w1 der Hohlräume 21 in der Richtung parallel zur ersten Fläche 7 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7, wird vorzugsweise eine Zeitanpassung während der Abscheidung des Zwischenbereichs 19c durchgeführt, so dass der Zwischenbereich 19c in einer Dicke von etwa 50-150 nm abgeschieden wird.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, bei dem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 ein Mittelwert der Abstände d1 von den Hohlräumen 21 zur Grenze 16 größer ist als ein Mittelwert der Höhen h1 der Hohlräume 21 in der Richtung orthogonal zur ersten Fläche 7, ist es bevorzugt, dass die Zeitanpassung während der Abscheidung des Zwischenbereichs 19c durchgeführt wird, so dass er in einer Dicke von etwa 50 - 150 nm abgeschieden wird, und dass danach die Zeitanpassung während der Abscheidung des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 durchgeführt wird, so dass er in einer Dicke von etwa 0,5-3 µm abgeschieden wird.
Zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1, bei dem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Abstände d1 der Hohlräume 21 zur Grenze 16 größer ist als ein Mittelwert der Abstände w2 der benachbarten Hohlräume 21, wird vorzugsweise eine Zeitanpassung bei der Abscheidung des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 vorgenommen, so dass dieser in einer Dicke von etwa 0,5-3 µm abgeschieden wird.
<Schneidwerkzeug>
Ein Schneidwerkzeug 101 der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 6 und 7 dargestellt, weist das Schneidwerkzeug 101 einen Halter 105 mit einem stabförmigen Körper, der sich von einem ersten Ende (einer Oberseite in 6 und 7) zu einem zweiten Ende (einer Unterseite in 6 und 7) erstreckt, wobei eine Tasche 103 an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug 1 auf, das in der Tasche 103 angeordnet ist. Bei dem Schneidwerkzeug 101 der vorliegenden Offenbarung ist das beschichtete Werkzeug 1 so angebracht, dass ein Teil der Kammlinie, der als Schneidkante verwendbar ist, aus einem vorderen Ende des Halters 105 vorsteht.
Die Tasche 103 ist ein Teil, der die Befestigung des beschichteten Werkzeugs 1 ermöglicht. Die Tasche 103 weist eine Sitzfläche, die parallel zu einer unteren Fläche des Halters 105 verläuft, und eine seitliche Begrenzungsfläche auf, die relativ zur Sitzfläche geneigt ist. Die Tasche 103 öffnet sich in eine Seite des ersten Endes des Halters 105.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist an der Tasche 103 angeordnet. Eine untere Fläche des beschichteten Werkzeugs 1 kann in direktem Kontakt mit der Tasche 103 stehen. Alternativ kann eine Platte zwischen dem beschichteten Werkzeug 1 und der Tasche 103 gehalten werden.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist so angebracht, dass der als Schneidkante verwendbare Teil der Kammlinie aus dem Halter 105 nach außen vorsteht. Das beschichtete Werkzeug 1 ist mit einer Schraube 107 am Halter 105 befestigt. Insbesondere ist das beschichtete Werkzeug 1 so am Halter 105 befestigt, dass die Schraubenteile miteinander in Eingriff gebracht werden, indem die Schraube 107 in das Durchgangsloch des beschichteten Werkzeugs 1 und ein vorderes Ende der Schraube 107 in ein in der Tasche 103 ausgebildetes Schraubenloch (nicht dargestellt) eingesetzt wird.
Als Halter 105 sind z.B. Stahl und Gusseisen verwendbar. Von diesen Materialien wird vorzugsweise Stahl mit hoher Zähigkeit verwendet.
Die in 6 und 7 gezeigten Beispiele haben die Schneidwerkzeuge für den Einsatz im sogenannten Drehvorgang dargestellt und beschrieben. Beispiele für den Drehvorgang sind die Innendurchmesserbearbeitung, die Außendurchmesserbearbeitung und der Einstechvorgang. Die Schneidwerkzeuge sind nicht auf solche beschränkt, die für den Drehvorgang verwendet werden. Zum Beispiel sind die beschichteten Werkzeuge 1 der vorliegenden Offenbarung auf die Schneidwerkzeuge zur Verwendung im Fräsvorgang anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: beschichtetes Werkzeug
3: Basiselement
5: Beschichtungsschicht
7: erste Fläche
9: zweite Fläche
11: Schneidkante
13: erste Schicht
15: zweite Schicht
16: Grenze zwischen erster Schicht und zweiter Schicht
17: Titannitridschicht
19: Titancarbonitridschicht
19a: erster Bereich
19b: zweiter Bereich
19c: Zwischenbereich
21: Hohlraum
23: Durchgangsloch
101: Schneidwerkzeug
103: Tasche
105: Halter
107: Befestigungsschraube

Claims

Ein beschichtetes Werkzeug, aufweisend: ein Basiselement mit einer ersten Fläche und eine Beschichtungsschicht, die zumindest auf der ersten Fläche des Basiselements angeordnet ist, wobei 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 Aluminiumoxid enthält, in einem Neigungswinkelverteilungsdiagramm, in dem ein Neigungswinkel gemessen wird, der durch eine Normale einer [112}-Fläche, die eine Kristallfläche von Kristallkörnern der ersten Schicht ist, in Bezug auf eine Normale einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet wird, die gemessenen Neigungswinkel innerhalb eines Bereichs von 0-45° in Teilungen von 0,25° unterteilt werden und die in jeder Unterteilung vorhandenen Gradzahlen akkumuliert werden, der höchste Peak in einem Bereich von 0 bis 10° vorhanden ist und eine Gesamtzahl von Gradzahlen, die in dem Bereich von 0 bis 10° vorhanden sind, 45% oder mehr aller Gradzahlen in dem Neigungswinkelverteilungsdiagramm ausmacht, und, in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche, die erste Schicht eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist, die nebeneinander in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind, und ein Mittelwert der Breiten der Hohlräume in einer Richtung entlang der Grenzfläche kleiner ist als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht Titancarbonitrid und die zweite Schicht α-Aluminiumoxid enthält.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Breiten der Hohlräume in einer Richtung parallel zur ersten Fläche größer ist als ein Mittelwert der Höhen der Hohlräume in einer Richtung orthogonal zur ersten Fläche.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Abstände von den Hohlräumen zur Grenze größer ist als ein Mittelwert der Höhen der Hohlräume in einer Richtung orthogonal zur ersten Fläche.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche ein Mittelwert der Abstände von den Hohlräumen zur Grenze größer ist als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen.
Ein Schneidwerkzeug, aufweisend: einen Halter, der eine Stabform hat, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und eine Tasche hat, die an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das an der Tasche angeordnet ist.