DE112019004453T5

DE112019004453T5 - Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112019004453T5
Application number: DE112019004453.2T
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: 2021-06-02
Also published as: CN112638564A; JPWO2020050262A1; WO2020050262A1; US20210245260A1; JP7089038B2; CN112638564B; US11998991B2

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung weist ein Basiselement mit einer ersten Fläche und einer auf der ersten Fläche angeordnete Beschichtungsschicht auf. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. 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 nebeneinander angeordnet sind, die eine Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht 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. Die zweite Schicht weist einen unteren Schichtteil und einen oberen Schichtteil auf, und ein Winkel, der durch eine Normale der (001)-Fläche der enthaltenen Bestandteile in Bezug auf einen Querschnitt der zweiten Schicht gebildet wird, ist ein Orientierungsunterschied, der untere Schichtteil der zweiten Schicht weist einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder mehr beträgt, von 50% oder mehr auf, und der obere Schichtteil der zweiten Schicht weist einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder weniger beträgt, von 80% oder mehr auf.

Description

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 dem beschichteten Werkzeug, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, 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.
Weiterhin wird beim beschichteten Werkzeug, das in Patentdokument 2 beschrieben ist, beschrieben, dass eine hohe Verschleißfestigkeit in einem oberen Schichtteil und eine hohe Haftung in einem unteren Schichtteil erhalten werden kann, indem eine Aluminiumoxidschicht mit dem oberen Schichtteil, in dem ein Flächenanteil von Kristallkörnern, in denen eine Normale der (001)-Fläche in Bezug auf eine Normale der Oberfläche der Aluminiumoxidschicht innerhalb von ±10° liegt, 90% beträgt, und dem unteren Schichtteil, in dem der Flächenanteil der Kristallkörner 50% oder weniger beträgt, ausgebildet ist.
STAND DER TECHNIK DOKUMENTE
PATENTUNTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2015-182209
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2017-042901

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 auf, die auf der ersten Fläche angeordnet ist und eine Titanverbindung enthält. Die Beschichtungsschicht weist eine zweite Schicht auf, die in Kontakt mit der ersten Schicht angeordnet ist und Aluminiumoxid enthält. 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. Die zweite Schicht weist in ihrer Dickenrichtung einen unteren Schichtteil, der an einer Seite des Basismaterials angeordnet ist und eine Dicke von 0,1 bis 2,0 µm hat, und einen oberen Schichtteil auf, der an einer Seite der Oberfläche angeordnet ist, die der Seite des Basismaterials entgegengesetzt ist und eine Dicke von 1,0 bis 5,0 µm hat. Ein Winkel, der durch eine Normale der (001)-Fläche der enthaltenen Bestandteile in Bezug auf einen Querschnitt der zweiten Schicht ausgebildet ist, ist ein Orientierungsunterschied, wobei der untere Schichtteil der zweiten Schicht einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder mehr beträgt, von 50% oder mehr aufweist, und der obere Schichtteil der zweiten Schicht einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder weniger beträgt, von 80% oder mehr aufweist. Ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung weist 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 oben erwähnte beschichtete Werkzeug aufweist, das an der Tasche angeordnet ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein beschichtetes Werkzeug in einer der Ausführungsformen 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 des 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 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 der Ausführungsformen 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 der vorliegenden Offenbarung hat eine viereckige Plattenform, und die erste Fläche 7 hat eine viereckige Form. Die Anzahl der zweiten Flächen 9 beträgt somit vier. In den Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der ersten Fläche 7 ein Spanflächenbereich und ist zumindest ein Teil der zweiten Fläche 9 ein Freiflächenbereich. Die Form des Basiselements 3 ist nicht auf die viereckige Plattenform 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 der vorliegenden Offenbarung 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).
Die erste Schicht 13 weist eine Mehrzahl von Hohlräumen 21 auf, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche in einer Richtung entlang einer Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 nebeneinander angeordnet sind, wie in 4 dargestellt. Ein Mittelwert von Breiten w1 der Hohlräume 21 in einer Richtung entlang der Grenzfläche ist kleiner als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen 21.
Die zweite Schicht 15 weist in ihrer Dickenrichtung einen unteren Schichtteil 15a, der an einer Seite des Basiselements 3 angeordnet ist und eine Dicke von 0,1 bis 2,0 µm hat und einen oberen Schichtteil 15b auf, der an einer Seite der Oberfläche angeordnet ist, die der Seite des Basiselements 3 entgegengesetzt ist und eine Dicke von 1,0 bis 5,0 µm hat. Ein Winkel, der durch eine Normale der (001)-Fläche der Bestandteile in Bezug auf einen Querschnitt der zweiten Schicht 15 gebildet wird, ist ein Orientierungsunterschied, wobei der untere Schichtteil 15a einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder mehr beträgt, von 50% oder mehr aufweist, und der obere Schichtteil 15b einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder weniger beträgt, von 80% oder mehr aufweist.
Beispiele für die Titanverbindung, die in der ersten Schicht 13 enthalten ist, 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 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 dem Basiselement 3 und der ersten Schicht 13 kann verbessert werden, wenn die erste Schicht 13 die Titannitridschicht 17 aufweist. 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. Beispielsweise 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 19 aufeinander laminiert sind. Eine Grenze zwischen den Schichten und eine Grenze zwischen den Bereichen kann z.B. durch Betrachtung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme (einer Rasterelektronenmikroskop- (REM: Rasterelektronenmikroskop) Aufnahme oder einer Transmissionselektronenmikroskop- (TEM: Transmissionselektronenmikroskop) Aufnahme) bestimmt werden. Die Identifizierung kann anhand des Verhältnisses der Elemente, aus denen die einzelnen Schichten ausgebildet sind, sowie anhand von Unterschieden in der Größe oder Ausrichtung eines Kristalls erfolgen.
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.
Beispiele für das in der zweiten Schicht 15 enthaltene Aluminiumoxid sind α-Aluminiumoxid (α-Al₂O\₃), γ-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und κ-Aluminiumoxid (κ-Al₂O₃). Wenn die zweite Schicht 15 α-Aluminiumoxid als einen Hauptbestandteil 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.
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 Hauptkomponente enthält und die zweite Schicht 15 das Aluminiumoxid als 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 wird 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 Beschichtungsschicht 5 weist die Hohlräume 21 in einem Inneren der ersten Schicht 13 auf, wie in 4 dargestellt. Insbesondere weist die Beschichtungsschicht 5 eine Mehrzahl von Hohlräumen 21, die in einem Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 in der ersten Schicht 13 in einer Richtung entlang einer Grenze 16 zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 des Basiselements 3 nebeneinander angeordnet sind.
Es ist daher möglich, den Stoßrelaxationseffekt aufgrund der Hohlräume 21 zu erhalten und gleichzeitig die Verschlechterung der Haftfähigkeit zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 zu reduzieren. Folglich hat das beschichtete Werkzeug 1 eine gute Haftfähigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der erhöhten Stoßfestigkeit.
Bei der Auswertung 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 auszuwerten sondern kann der Mittelwert durch einen Mittelwert der Breiten w1 von etwa 10 im Querschnitt nebeneinander angeordneten Hohlräumen 21 ermittelt werden. Zum Beispiel kann ein 10 µm großer quadratischer Bereich, der die Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 einschließt, im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche 7 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 im Querschnitt durch einen Mittelwert der Abstände zwischen etwa 5 nebeneinander angeordneten Hohlräumen 21 ermittelt werden.
Die Hohlräume 21 können in der ersten Schicht 13 vorhanden sein. Zusätzlich zur Konfiguration, bei der die Hohlräume 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet sind, wie in 4 dargestellt, ist es beispielsweise möglich, eine Konfiguration zu verwenden, bei der die Hohlräume 21 sowohl in der ersten Schicht 13 als auch in der zweiten Schicht 15 angeordnet sind, 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 Hohlräume 21, die in der zweiten Schicht 15 angeordnet sind, können entlang der Grenze zwischen der ersten Schicht 13 und der zweiten Schicht 15 angeordnet sein. In 5 werden der untere Schichtteil 15a und der obere Schichtteil 15b weggelassen.
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 erste Schicht 13 Titancarbonitrid als 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 von Hohlräumen 21 in der ersten Schicht 13 angeordnet ist.
Der Grund hierfür ist wie folgt. Die Härte des Titancarbonitrids ist höher, aber seine Stoßfestigkeit ist 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 einen Maximalwert 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 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. 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 aufgenommen 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 Schneidlast 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 angedeutet 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 Schneidlast 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 starken Verformungen ausgesetzt ist.
Die Kristallorientierung jedes der Kristallkörner in der zweiten Schicht 15 kann durch ein Elektronenrückstreuungsbeugungsverfahren (EBSD) identifiziert werden, und in der erhaltenen Aufnahme ist es durch die Einstellung der Färbung möglich, die α-Aluminiumoxid-Kristallpartikel 15 in verschiedenen Farben entsprechend der Orientierung anzuzeigen und den Raum zwischen den zueinander benachbarten Kristallpartikel 15 z.B. schwarz anzuzeigen.
Durch Einstellen der Färbung wie oben beschrieben ist es möglich, die Grenzen zwischen der Mehrzahl von α-Aluminiumoxid-Kristallpartikel, die in der ersten Schicht 15 enthalten sind, leicht zu bestimmen. Da die Farbe der α-Aluminiumoxid-Kristallpartikel je nach Orientierung unterschiedlich dargestellt wird, ist es möglich, leicht zu beurteilen, ob jeder der α-Aluminiumoxid-Kristallpartikel nur eine Orientierung oder zwei oder mehr Bereiche mit voneinander verschiedenen Orientierungen hat.
Die in der zweiten Schicht 15 vorhandenen Kristallpartikel weisen α - Aluminiumoxid auf, und das α-Aluminiumoxid weist eine Kristallstruktur eines hexagonalen Kristallgitters auf. Das heißt, in den α-Aluminiumoxid-Kristallpartikel hat der α -Aluminiumoxid-Kristall eine allgemein hexagonale Säulenform. Die Fläche, die der Endfläche des Hexagons in der hexagonalen Säule entspricht, ist eine (001)-Fläche im α-Aluminiumoxid-Kristall. Daher hat der α -Aluminiumoxidkristall eine Form, die sich in einer Richtung orthogonal zur (001)-Fläche erstreckt.
In dem oberen Schichtteil 15b beträgt der Bereich, der von den Kristallkörnern eingenommen wird, in dem die Normale der (001)-Fläche in Bezug auf die Normale der Oberfläche der zweiten Schicht 15 innerhalb von ±10° liegt, 80 % oder mehr, und in dem unteren Schichtteil 15a beträgt der Bereich, der von den Kristallkörnern eingenommen wird, in dem die Normale der (001)-Fläche in Bezug auf die Normale der Oberfläche der zweiten Schicht 15 ±10° oder mehr beträgt, 50 % oder mehr. Durch diese Konfiguration können eine hohe Verschleißfestigkeit in der zweiten Schicht 15b, die an der Seite der Oberfläche angeordnet ist, und eine hohe Haftfähigkeit in dem unteren Schichtteil 15a, der an der Seite des Basiselements 3 angeordnet ist, mit der ersten Schicht 19 erzielt werden. Daher weist das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung auch hervorragende mechanische Eigenschaften auf.
Beispiele für das Material des Basiselements 3 weisen anorganische Materialien auf, wie Hartmetall, Cermet und Keramik. 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. Insbesondere 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 TiC, TiCN oder TiN (Titannitrid) ausgebildet sind.
Das Basiselement 3 kann ein Durchgangsloch 23 aufweisen, das durch die erste Fläche 7 und eine an einer gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche 7 angeordnete 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 ist eine Länge einer Seite der ersten Fläche 7 in den Ausführungsformen auf etwa 3-20 mm einstellbar. Eine Höhe von der ersten Fläche 7 bis zur Fläche, die an der gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche 7 angeordnet ist, ist auf etwa 5-20 mm einstellbar.
< Herstellungsverfahren>
Im Folgenden wird eine der Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs der Ausführungsformen 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 durch Mischen von 0,5-10 Vol.-% Titantetrachloridgas, 5-60 Vol.-% Stickstoffgas und 0,1-3 Vol.-% Acetonitrilgas in Wasserstoffgas hergestellt. Der MT-erste Bereich 19a wird in einem Temperaturbereich von 830-870°C durch Einleiten des zweiten Mischgases bei einem Gaspartialdruck von 6-12 kPa in die Kammer abgeschieden.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden eines Zwischenbereichs 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.
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 eines unteren Schichtteils 15a. Die Abscheidetemperatur wird auf 950-1100°C und der Gasdruck auf 5-20 kPa eingestellt. Eine Reaktionsgaszusammensetzung 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 1,5-5,0 Vol.-% Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas in Wasserstoffgas hergestellt. Der untere Schichtteil 15a wird durch Einleiten des fünften Mischgases in die Kammer abgeschieden.
Der nächste Schritt ist das Abscheiden eines oberen Schichtteils 15b. Die Abscheidetemperatur wird auf 950-1100°C und der Gasdruck auf 5-20 kPa eingestellt. Eine Reaktionsgaszusammensetzung ist wie folgt. Ein sechstes 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 0-1,5 Vol.-% Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas in Wasserstoffgas hergestellt. Der obere Schichtteil 15b wird durch Einleiten des sechsten 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 die 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 dieser mit 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 eine Zeitanpassung während des Abscheidens des Zwischenbereichs 19c durchgeführt werden, so dass er mit einer Dicke von ungefähr 50-150 nm abgeschieden wird, und danach kann die Zeitanpassung während des Abscheidens des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 durchgeführt werden, so dass er mit einer Dicke von ungefähr 0.5-3 µm abgeschieden wird. Zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1, bei dem im Querschnitt orthogonal zur ersten Fläche der Mittelwert der Abstände d1 der Hohlräume 21 zur Grenze 16 größer ist als ein Mittelwert der Breiten w2 der zueinander benachbarten Hohlräume 21, kann während des Abscheidens des zweiten Bereichs 19b in der ersten Schicht 13 eine Zeitanpassung vorgenommen werden, so dass er mit einer Dicke von etwa 0,5-3 µm abgeschieden wird.
<Schneidwerkzeug>
Ein Schneidwerkzeug 101 einer der Ausführungsformen wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 6 und 7 dargestellt, weist das Schneidwerkzeug 101 der Ausführungsformen 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 oben erwähnte beschichtete Werkzeug 1 auf, das an der Tasche 103 angeordnet ist. Im Schneidwerkzeug 101 ist das beschichtete Werkzeug 1 so angebracht, dass ein Teil der Kammlinie, der als Schneidkante verwendet werden kann, von einem vorderen Ende des Halters 105 in den Beispielen in 6 und 7 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 befestigt, dass der als Schneidkante nutzbare Teil der Kammlinie aus dem Halter 105 nach außen vorsteht. In den Ausführungsformen ist das beschichtete Werkzeug 1 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 Werkstoffen wird vorzugsweise Stahl mit hoher Zähigkeit verwendet.
Die vorliegende Offenbarung hat 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 für den Einsatz 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
15a: unterer Schichtteil
15b: oberer Schichtteil
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 Schneidwerkzeug, 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 in Kontakt mit der ersten Schicht angeordnet ist und Aluminiumoxid enthält, in einem Querschnitt orthogonal zu der 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 von Breiten der Hohlräume in einer Richtung entlang der Grenzfläche kleiner ist als ein Mittelwert der Abstände zwischen den zueinander benachbarten Hohlräumen, die zweite Schicht in ihrer Dickenrichtung einen unteren Schichtteil, der an einer Seite des Basismaterials angeordnet ist und eine Dicke von 0,1 bis 2,0 µm hat, und einen oberen Schichtteil aufweist, der an einer Seite der Oberfläche angeordnet ist, die der Seite des Basismaterials entgegengesetzt ist und eine Dicke von 1,0 bis 5,0 µm hat, und ein Winkel, der durch eine Normale der (001)-Fläche der enthaltenen Bestandteile in Bezug auf einen Querschnitt der zweiten Schicht gebildet wird, ein Orientierungsunterschied ist, der untere Schichtteil der zweiten Schicht einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder mehr beträgt, von 50% oder mehr aufweist und der obere Schichtteil der zweiten Schicht einen Anteil der Bestandteile, deren Orientierungsunterschied 10° oder weniger beträgt, von 80% oder mehr aufweist.
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 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 aufweist, 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.