DE112019004443T5

DE112019004443T5 - Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112019004443T5
Application number: DE112019004443.5T
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: CN112654449B; JPWO2020050264A1; US20210187623A1; CN112654449A; JP7261806B2; WO2020050264A1

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement, das eine erste Fläche aufweist, und eine Beschichtungsschicht auf, die zumindest auf der ersten Fläche des Basiselements angeordnet ist. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht, die auf der ersten Fläche angeordnet ist und die kubisches Titancarbonitrid enthält, und eine zweite Schicht auf, die in Kontakt mit der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Schicht hat einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) des Titancarbonitrids durch Röntgenbeugungsanalyse von 3,0 oder mehr. Die Beschichtungsschicht weist eine Mehrzahl von Hohlräumen auf, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche in der ersten Schicht, in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht nebeneinander angeordnet sind. 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.
In Patentdokument 1 ist beschrieben, dass eine Titanverbindungsschicht in einer (220)-Fläche ausgerichtet ist, was die Haftung der Schicht an einem Substrat oder der darunter liegenden Schicht verstärkt, wodurch das Auftreten von Delaminationen an einer Grenzfläche erschwert wird und das Auftreten von ungewöhnlichen Schäden und Lebensdauerverschlechterungen durch Delaminationen unterdrückt wird.
Das in Patentdokument 2 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. Zusätzlich sind in dem beschichteten Werkzeug, das in Patentdokument 2 beschrieben 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 erzielbar ist.
STAND DER TECHNIK DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H8-300203
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2015-182209

KURZERLÄUTERUNG
Ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement, das eine erste Fläche aufweist, 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 kubisches Titancarbonitrid. Die zweite Schicht ist kontaktierend auf der ersten Schicht angeordnet und enthält Aluminiumoxid. Die erste Schicht hat einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) des Titancarbonitrids durch Röntgenbeugungsanalyse von 3,0 oder mehr. Die Beschichtungsschicht weist in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche eine Mehrzahl von Hohlräumen auf, die in der ersten Schicht in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht nebeneinander angeordnet ist. Ein Mittelwert der 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 mit einer Stabform, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und einer Tasche, die an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, sowie das oben beschriebene beschichtete 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 in einem in 3 dargestellten Bereich B1.
5 ist eine vergrößerte Ansicht einer weiteren Ausführungsform in dem in 3 dargestellten Bereich B1.
6 ist eine Draufsicht, die ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht in einem in 6 dargestellten Bereich 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 kubisches Titancarbonitrid. Die zweite Schicht 15 ist kontaktierend auf der ersten Schicht 13 angeordnet. Die zweite Schicht 15 kann z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthalten.
Zusätzlich kann z.B. eine Titannitridschicht 17 zwischen der ersten Schicht 13 und dem Basiselement 3 vorhanden sein. Die Haftfähigkeit zwischen dem Basiselement 3 und der ersten Schicht 13 wird durch eine solche Konfiguration erhöht.
Die erste Schicht 13 weist eine Titancarbonitridschicht 19 auf. Außer dem Titancarbonitrid kann die erste Schicht 13 z.B. Titancarbid, -nitrid, -oxid, -carbonoxid und -oxycarbonitrid enthalten. Die erste Schicht 13 kann aus einer einzigen Schicht ausgebildet sein oder alternativ eine Konfiguration haben, bei der mehrere Schichten aufeinander laminiert sind, solange sie kubisches Titancarbonitrid enthält.
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 enthalten. 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, in 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 weiter 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.
Die erste Schicht 13 weist den höchsten Peak in einer (220)-Fläche unter den Kristallflächen des kubischen Titancarbonitrids durch Röntgenbeugungsanalyse (XRD) auf und erfüllt einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) von 3,0 oder mehr, was die Haftung der Schicht an einem Substrat 3 oder der darunter liegenden Schicht verstärkt. Dies erschwert das Auftreten von Delaminationen an einer Grenzfläche und unterdrückt das Auftreten von ungewöhnlichen Schäden und Lebensdauerverschlechterungen durch Delaminationen.
Der Orientierungskoeffizient Tc (hkl) kann mit der folgenden Formel berechnet werden. $Tc (hkl) = {I (hkl) / I_{0} (hkl)} / [(1 / 7) \times \sum {I (HKL) / I_{0} (HKL)}]$
Hier ist (HKL) die Kristallfläche von (111), (200), (220), (311), (331), (420) und (422). I(HKL) und I(hkl) sind Peakintensitäten der Peaks, die jeder Kristallfläche zugeordnet sind, die in der Röntgenbeugungsanalyse des kubischen Titancarbonitrids der ersten Schicht detektiert wurden. I₀(HKL) und I₀(hkl) sind Standardbeugungsintensitäten der einzelnen Kristallflächen, die in der JCPDS-Karte Nr. 00-042-1489 beschrieben sind.
Der obige Orientierungskoeffizient Tc (hkl) kann von einer oberen Fläche der ersten Schicht 13 aus gemessen werden, zum Beispiel an einer Spanfläche 9.
Wenn die zweite Schicht 15 Aluminiumoxid enthält, gehören dazu beispielsweise 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 alternativ eine Mehrzahl von Arten der oben genannten Verbindungen enthalten kann.
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.
Ein Gehalt von Titancarbonitrid in der ersten Schicht 13 und ein Gehalt von Aluminiumoxid in der zweiten Schicht 15 sind nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Eine Ausführungsform davon ist eine Konfiguration, bei der die erste Schicht 13 das Titancarbonitrid 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 das Titancarbonitrid enthalten, und die zweite Schicht 15 kann eine andere Komponente als das Aluminiumoxid enthalten. Beispielsweise 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, wie das Titancarbonitrid, enthält.
Die Beschichtungsschicht 5 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.
In dem beschichteten Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung ist in dem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 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 an dem ersten Abschnitt X. Das beschichtete Werkzeug 1, das eine derartige Konfiguration hat, kann eine hohe Stoßfestigkeit in den Hohlräumen 21 erzielen, während eine Verschlechterung der Festigkeit des ersten Abschnitts X verringert wird. Als ein Ergebnis hat das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung eine große Stoßfestigkeit und gute Haftfähigkeit.
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 kann der Mittelwert 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, dass „die Hohlräume 21 entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sind“, bedeutet, dass die Abstände von der Mehrzahl der Hohlräume 21 zur Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 innerhalb eines Bereichs von ±20% eines Mittelwerts davon liegen.
In Fällen, in denen 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 sein, 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 im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 den maximalen Wert der Breiten w1 der Hohlräume 21.
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 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 im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7.
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 sichergestellt 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. Zum Beispiel kann die Länge einer Seite der ersten Fläche 7 auf etwa 3-20 mm eingestellt werden. Die Höhe von der ersten Fläche 7 zur Fläche auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche 7 kann auf etwa 5-20 mm eingestellt werden.
<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. Eine 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.
In einem ersten Schritt wird eine Titannitridschicht 17 (Unterschicht) auf der Oberfläche des Basiselements 3 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 durch Mischen von 0,5-10 Vol.-% Titantetrachloridgas, 1-50 Vol.-% Stickstoffgas, 0,1-5,0 Vol.-% Acetonitrilgas und 0,01 - 0,5 Vol.-% Methangas in Wasserstoffgas hergestellt. Der MT-erste Bereich 19a wird durch Einleiten des zweiten Mischgases in die Kammer abgeschieden.
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 HT-zweite Bereich 19b mit einer Dicke von etwa 0,3-3 µm wird in einem Temperaturbereich von 950-1050°C durch Einleiten des vierten Mischgases bei 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 nicht auf solche beschränkt, die nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine dritte Schicht separat auf die zweite Schicht 15 aufgebracht 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, kann eine Zeitanpassung während des Abscheidens des Zwischenbereichs 19c durchgeführt werden, 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, kann die Zeitanpassung während der Abscheidung des Zwischenbereichs 19c durchgeführt werden, so dass er in einer Dicke von ungefähr 50-150 nm abgeschieden wird, und danach kann die Zeitanpassung während der Abscheidung des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 durchgeführt werden, so dass er in einer Dicke von ungefähr 0,5-3 µm abgeschieden wird.
Um das beschichtete Werkzeug 1 herzustellen, 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, kann bei der Abscheidung des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 eine Zeitanpassung vorgenommen werden, 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 den 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) zu einem zweiten Ende (einer Unterseite in 6) erstreckt, wobei eine Tasche 103 an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug 1 auf, das an der Tasche 103 angeordnet ist. Im Schneidwerkzeug 101 ist das beschichtete Werkzeug 1 so befestigt, 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 hochzäher Stahl verwendet.
Die in 6 und 7 gezeigten Beispiele haben die Schneidwerkzeuge für die Verwendung 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 obigen Ausführungsform 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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP H8300203 [0004]
JP 2015182209 [0004]

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 die kubisches Titancarbonitrid enthält, und eine zweite Schicht aufweist, die auf der ersten Schicht diese kontaktierend angeordnet ist, die erste Schicht einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) des Titancarbonitrids durch Röntgenbeugungsanalyse von 3,0 oder mehr hat, in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche, die Beschichtungsschicht eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist, die in der ersten Schicht in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht nebeneinander 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 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 benachbarten Hohlräumen.
Ein Schneidwerkzeug, aufweisend: 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 das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das an der Tasche angeordnet ist.