DE112019005024T5

DE112019005024T5 - Hartbeschichtung für Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112019005024T5
Application number: DE112019005024.9T
Authority: DE
Inventors: Je-Hun Park; Jin-han Gwon; Seung-Su Ahn
Original assignee: Korloy Inc
Current assignee: KORLOY INC., KR
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN113166919A; US20210404052A1; WO2020111657A1; CN113166919B; KR102112084B1

Abstract

Eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge, die auf einem harten Basismaterial und angrenzend daran mithilfe eines PVD-Verfahrens gebildet wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der gesamten Hartbeschichtung 0,5 bis 10 µm beträgt, und die Hartbeschichtung eine oder mehrere Nitridschichten und eine oder mehrere Oxidschichten enthält. Jede der einen oder mehreren Nitridschichten hat eine Dicke von 0,1 bis 5,0 µm und besteht aus AlaTibMecN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) oder AlaCrbMecN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) in einer kubischen Phase, und jede der einen oder mehreren Oxidschichten weist eine Dicke von 0,1 bis 3,0 µm auf und besteht aus γ-Al2O3in einer kubischen Phase. Wenn die Anzahl der in der Zusammensetzung diskontinuierlichen Grenzflächen in der gesamten Hartbeschichtung einschließlich des harten Basismaterials n ist, erfüllt n die Bedingung 4 ≤ n ≤ 9, und das Verhältnis der Mikrohärte (H1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (H2) der Oxidschicht erfüllt 1,03 < H1/H2 < 1,3, und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Nitridschicht (E1) zu dem Elastizitätsmodul der Oxidschicht (E2) erfüllt 1,1 < E1/E2 < 1,3. Jede der Nitridschichten und jede der Oxidschichten weist einen elastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von 0,07 bis 0,09 und einen plastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H3/E2) von 0,13 bis 0,29 auf, und der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,09 bis 0,12, und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H3/E2) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,29 bis 0,32.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge, die mithilfe eines PVD-Verfahrens hergestellt wird, und eine Beschichtung mit ausgezeichneter Bindungskraft, Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit.
Stand der Technik
Um einen Werkstoff für Schneidwerkzeuge mit hoher Härte zu entwickeln, wurden seit den späten 1980er Jahren verschiedene Mehrschichtsysteme auf TiN-Basis vorgeschlagen.
Wenn zum Beispiel eine Beschichtung zur Bildung eines sogenannten Übergitters mit einer Gitterkonstante durchgeführt wird, indem eine mehrlagige Schicht durch wiederholtes abwechselndes Stapeln von TiN oder VN bis zu einer Dicke von mehreren Nanometern gebildet wird, so dass eine kohärente Grenzfläche zwischen den Schichten trotz des Unterschieds in der Gitterkonstante zwischen den einzelnen Einzelschichten entsteht, kann die mehrlagige Schicht eine hohe Härte aufweisen, die mindestens das Zweifache der typischen Härte jeder Einzelschicht beträgt. So wurden verschiedene Versuche unternommen, um das obige Phänomen auf eine Dünnschicht für Schneidwerkzeuge anzuwenden.
In der letzten Zeit kam eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge mit verschiedenen mehrlagigen Strukturen zum Einsatz, die deutlich verbesserte physikalische Eigenschaften als eine Einzelschicht erzielt, indem wiederholt Nitride mit verschiedenen Zusammensetzungen wie beispielsweise AlTiN, TiAlN, AlTiMeN (wobei Me ein Metallelement ist) abwechselnd gestapelt werden.
Darüber hinaus wurde, wie in der folgenden Patentschrift, versucht, die Vorteile von jeweils einem Nitrid und einem Oxid zu nutzen, indem Al₂O₃ und eine Nitridschicht wie TiAIN im Verbund geschichtet wurden.
Eine Hartbeschichtung, die eine Verbundschicht aus einer Nitridschicht auf TiAIN-Basis und einer Oxidschicht auf Al₂O₃-Basis enthält, die durch ein PVD-Verfahren gebildet wurde, weist jedoch eine geringe Bindungskraft zwischen den jeweiligen Schichten auf, und ein Mehrschichtverbund, der durch die Komplexierung einer Nitridschicht mit hoher Härte und hohem Elastizitätsmodul und einer Oxidschicht mit niedriger Härte und niedrigem Elastizitätsmodul erhalten wird, zeigt eine Härte und einen Elastizitätsmodul mit mittleren Werten gemäß der Mischungsregel und weist daher keine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit auf. Es besteht also dahingehend ein Problem, dass ein solcher Mehrschichtverbund keinen hohen Nutzwert als Hartbeschichtung für ein Schneidwerkzeug aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Technische Schwierigkeit
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge bereitzustellen, wobei die Hartbeschichtung eine ausgezeichnete Bindungskraft zwischen den Schichten aufweist, welche die Hartbeschichtung bilden, und außerdem eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit aufweist.
Technische Lösung
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung eine Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge vor, die auf einem harten Basismaterial und angrenzend daran mithilfe eines PVD-Verfahrens gebildet wird, wobei die Dicke der gesamten Hartbeschichtung 0,5 bis 10 µm beträgt, und die Hartbeschichtung eine oder mehrere Nitridschichten und eine oder mehrere Oxidschichten enthält. Jede der einen oder mehrere Nitridschichten hat eine Dicke von 0,1 bis 5,0 µm und besteht aus Al_aTi_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) oder Al_aCr_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) in einer kubischen Phase, und jede der einen oder mehreren Oxidschichten weist eine Dicke von 0,1 bis 3,0 µm auf und besteht aus γ-Al₂O₃ in einer kubischen Phase. Wenn die Anzahl der Zusammensetzungsunterbrechungen in der gesamten Hartbeschichtung einschließlich des harten Basismaterials n ist, erfüllt n die Bedingung 4 ≤ n ≤ 9, und das Verhältnis der Mikrohärte (H1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (H2) der Oxidschicht erfüllt 1,03 < H1/H2 < 1,3, und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Nitridschicht (E1) zu dem Elastizitätsmodul der Oxidschicht (E2) erfüllt 1,1 < E1/E2 < 1,3. Jede der Nitridschichten und jede der Oxidschichten weist einen elastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von 0,07 bis 0,09 und einen plastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) von 0,13 bis 0,29 auf, und der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,09 bis 0,12, und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,29 bis 0,32.
Vorteilhafte Effekte
Eine Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist nicht nur eine ausgezeichnete Bindungskraft zwischen den Schichten auf, sondern auch eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit in ihrer Gesamtheit, selbst in einer Struktur, in der ein Nitrid und ein Oxid wiederholt gestapelt sind, indem die Zusammensetzung von jeweils einer Nitridschicht und einer Oxidschicht, welche die Hartbeschichtung mit einer mehrlagigen Verbundschicht bilden, die Prozessbedingungen, die Anzahl der gestapelten Schichten und dergleichen gesteuert werden. Folglich können, wenn die Hartbeschichtung auf ein Schneidwerkzeug angewendet wird, die Schneidleistung und die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs verbessert werden.
Figurenliste

1 zeigt schematisch die Struktur einer Hartbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsmodus der Erfindung
Nachfolgend werden die Konfiguration und die Wirkung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Wenn in der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung bestimmt wird, dass ausführliche Beschreibungen von bekannten Funktionen oder Konfigurationen im Stand der Technik den Kern der vorliegenden Erfindung auf unnötige Weise verschleiern könnten, wird auf die ausführlichen Beschreibungen verzichtet. Außerdem gilt, wenn es heißt, dass ein Teil eine Komponente „enthält“, dass dieser Teil darüber hinaus weitere Komponenten enthalten kann, anstatt die anderen Komponenten auszuschließen, sofern nicht anders angegeben.
Wie oben beschrieben, besteht in einer Hartbeschichtung, die aus einer Verbundschicht aus einer Nitridschicht und einer Oxidschicht gebildet wird, ein signifikanter Unterschied in den physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Härte und Elastizitätsmodul zwischen den Schichten aufgrund des Unterschiedes in der Zusammensetzung der einzelnen Schichten, so dass es eine Grenze bei der Sicherstellung der Bindungskraft zwischen den dünnen Schichten gibt, die bei einem Schneidvorgang erforderlich ist. Um das obige Problem zu lösen, haben die vorlegenden Erfinder in ihren Studien herausgefunden, dass ein elastischer Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) und ein plastischer Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) zwischen Dünnschichten die Bindungskraft zwischen den Dünnschichten beeinflussen, und wenn jede Dünnschicht einen vorgegebenen Bereich an Härte und Elastizitätsmodul aufweist, die Bindungskraft, die Verschleißfestigkeit und die Kantenfestigkeit der gesamten Hartbeschichtung verbessert werden, und haben damit die vorliegende Erfindung vollendet.
Eine Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird mithilfe eines PVD-Verfahrens auf einem harten Basismaterial gebildet, wobei die Dicke der gesamten Hartbeschichtung 0,5 bis 10 µm beträgt, und die Hartbeschichtung eine oder mehrere Nitridschichten und eine oder mehrere Oxidschichten enthält. Jede der einen oder mehrere Nitridschichten hat eine Dicke von 0,1 bis 5,0 µm und besteht aus Al_aTi_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) oder Al_aCr_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) in einer kubischen Phase, und jede der einen oder mehreren Oxidschichten weist eine Dicke von 0,1 bis 3,0 µm auf und besteht aus γ-Al₂O₃ in einer kubischen Phase. Wenn die Anzahl der Zusammensetzungsunterbrechungen in der gesamten Hartbeschichtung einschließlich des harten Basismaterials n ist, erfüllt n die Bedingung 4 ≤ n ≤ 9, und das Verhältnis der Mikrohärte (H1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (H2) der Oxidschicht erfüllt 1,03 < H1/H2 < 1,3, und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Nitridschicht (E1) zu dem Elastizitätsmodul der Oxidschicht (E2) erfüllt 1,1 < E1/E2 < 1,3. Jede der Nitridschichten und jede der Oxidschichten weist einen elastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von 0,07 bis 0,09 und einen plastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) von 0,13 bis 0,29 auf, und der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,09 bis 0,12, und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) der gesamten Hartbeschichtung beträgt 0,29 bis 0,32.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der „elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E)“ das Verhältnis eines Wertes der Härte (H) zu einem Wert des Elastizitätsmoduls (E), und der „plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²)‟ bedeutet das Verhältnis des Kubus des Wertes der Härte (H) zu dem Quadrat des Wertes des Elastizitätsmoduls (E).
Wenn die Dicke der gesamten Hartbeschichtung weniger als 0,5 µm beträgt, ist es schwierig, die eigenen inhärenten Eigenschaften der Dünnschicht zu zeigen, und wenn die Dicke mehr als 10 µm beträgt, steigt das Risiko einer Schichtablösung, wenn bedacht wird, dass die Druckspannung, die in einer Dünnschicht akkumuliert wird, proportional zur Dicke der Dünnschicht und der Zeit aufgrund der Herstellungseigenschaften der Dünnschicht ist, die durch ein PVD-Verfahren verursacht werden. Somit liegt die Dicke der gesamten Hartbeschichtung vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1,0 µm und noch besser 2 bis 8 µm.
Wenn jede der einen oder mehrere Nitridschichten eine Dicke von weniger als 0,1 µm aufweist, ist es schwierig, die Verschleißfestigkeitseigenschaften zu zeigen, die in einer Dünnschicht inhärent enthalten sind, und wenn die Dicke mehr als 5 µm beträgt, wird die Bindungskraft zu einer Oxidschicht aufgrund eines Anstiegs der Härte und des Elastizitätsmoduls signifikant reduziert, der durch einen Anstieg der Druckspannung verursacht wird. Daher beträgt die Dicke der Nitridschicht vorzugsweise 0,1 bis 5 µm.
Wenn in der Zusammensetzung der einen oder mehreren Nitridschichten der Gehalt von AI weniger als 0,55 beträgt, ist 1,03 < H1/H2 < 1,3 oder 1,1 < E1/E2 < 1,3 nicht erfüllt, so dass die Bindungskraft zu einer Oxidschicht verringert wird, oder ist 0,09 < H/E < 0,12 oder 0,29 < H³/E < 0,32 beim Bilden eines Mehrschichtverbunds mit der Oxidschicht nicht erfüllt, so dass die Verschleißfestigkeit und die Kantenfestigkeit herabgesetzt werden, was zu einer Verschlechterung des Wertes als Schneidwerkzeug führt. Darüber hinaus steigt, wenn der Gehalt von AI mehr als 0,7 beträgt, die Sprödigkeit durch die Bildung einer Phase mit einer hexagonalen B4-Struktur, so dass sich die Verschleißfestigkeit verschlechtert und die Lebensdauer eines Werkzeugs verkürzt werden kann. Daher liegt der Gehalt von AI vorzugsweise im Bereich von 0,55 bis 0,7.
Wenn jede der einen oder mehrere Oxidschichten eine Dicke von weniger als 0,1 µm aufweist, ist es schwierig, die Oxidationsbeständigkeitseigenschaften zu zeigen, die in einer Dünnschicht inhärent enthalten sind, und wenn die Dicke mehr als 3 µm beträgt, wird die gesamte Ausrüstung in einem Beschichtungsofen einer Oxidation (Vergiftung) unterzogen und isoliert, so dass keine Oxidschicht mehr abgeschieden werden kann. Daher beträgt die Dicke der Oxidschicht vorzugsweise 0,1 bis 3 µm.
Außerdem besteht die Oxidschicht vorzugsweise aus γ-Al₂O₃ in einer kubischen Phase, um die Härte, den elastischen Verformungsbeständigkeitsindex und den plastischen Verformungsbeständigkeitsindex der Hartbeschichtung zu erzielen.
Wenn die Anzahl der in der Zusammensetzung diskontinuierlichen Grenzflächen in der gesamten Hartbeschichtung einschließlich des harten Basismaterials n ist, und wenn das n weniger als 4 beträgt, sind der elastische Verformungsbeständigkeitsindex und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex eines Mehrschichtverbunds aus einer Nitridschicht und einer Oxidschicht niedrig (etwa der Mittelwert von hoher Härte/Elastizitätsmodul der Nitridschicht und niedriger Härte/Elastizitätsmodul der Oxidschicht), so dass sich die Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit eines Schneidwerkzeugs verschlechtern. Wenn n größer als 9 ist, kann der elastische Verformungsbeständigkeitsindex zunehmen, der plastische Verformungsbeständigkeitsindex nimmt jedoch ab, so dass sich die Kantenfestigkeit eines Schneidwerkzeugs verschlechtert. Daher erfüllt n vorzugsweise 4 ≤ n ≤ 9.
Wenn in der Hartbeschichtung das Verhältnis (H1/H2) der Mikrohärte (H1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (H2) der Oxidschicht weniger als 1,03 beträgt, ist die Bindungskraft zwischen der Nitridschicht und der Oxidschicht gut, die Verschleißfestigkeit eines Schneidwerkzeugs ist jedoch aufgrund der geringen Härte der Nitridschicht (basierend auf der Härte der Oxidschicht) herabgesetzt. Wenn das Verhältnis mehr als 1,3 beträgt, ist die Bindungskraft zwischen der Nitridschicht und der Oxidschicht stark herabgesetzt, so dass jede Schicht während der Bearbeitung eines Schneidwerkzeugs leicht abreißt, was dazu führt, dass sich die Werkzeugleistung stark verschlechtert. Daher liegt das Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 1,03 bis 1,3.
Wenn in der Hartbeschichtung das Verhältnis (E1/E2) der Mikrohärte (E1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (E2) der Oxidschicht weniger als 1,1 beträgt, ist die Bindungskraft zwischen der Nitridschicht und der Oxidschicht gut, die Verschleißfestigkeit eines Schneidwerkzeugs ist jedoch aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls der Nitridschicht (basierend auf dem Elastizitätsmodul der Oxidschicht) herabgesetzt. Wenn das Verhältnis mehr als 1,3 beträgt, ist die Bindungskraft zwischen der Nitridschicht und der Oxidschicht stark herabgesetzt, so dass jede Schicht während der Bearbeitung eines Schneidwerkzeugs leicht abreißt, was dazu führt, dass sich die Werkzeugleistung stark verschlechtert. Daher liegt das Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 1,3.
Wenn in der Hartbeschichtung der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von jeweils der Nitridschicht und der Oxidschicht weniger als 0,07 beträgt, ist der Elastizitätsmodul (E) zu hoch im Vergleich zur Härte (H), so dass die Bindungskraft zu der Oxidschicht signifikant herabgesetzt ist. Wenn H/E größer als 0,09 ist, werden das Härteverhältnis und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls, die in der vorliegenden Erfindung begrenzt sind, nicht erfüllt, so dass die Bindungskraft zwischen den Schichten erheblich verschlechtert wird. Daher liegt H/E vorzugsweise im Bereich von 0,07 bis 0,09.
Wenn in der Hartbeschichtung der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) von jeweils der Nitridschicht und der Oxidschicht weniger als 0,13 beträgt, ist der Elastizitätsmodul (E) zu hoch im Vergleich zur Härte (H), so dass die Bindungskraft zu der Oxidschicht signifikant herabgesetzt ist. Wenn H³/E² größer als 0,29 ist, werden das Härteverhältnis und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls, die in der vorliegenden Erfindung begrenzt sind, nicht erfüllt, so dass die Bindungskraft zwischen den Schichten erheblich verschlechtert wird. Daher liegt H³/E² vorzugsweise im Bereich von 0,13 bis 0,29.
Um die Bindungskraft zu verbessern, wird der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von jeweils der Nitridschicht und der Oxidschicht jeder Schicht, die die gesamte Hartbeschichtung bilden, auf 0,07 bis 0,09 gesteuert, und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) davon wird auf 0,13 bis 0,29 gesteuert. Wenn jedoch ein Mehrschichtverbund aus einer Nitridschicht und einer Oxidschicht gebildet wird, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, überschreitet die gesamte Hartbeschichtung den Wert der einzelnen Schichten, so dass letztendlich die Verschleißfestigkeit und die Kantenfestigkeit signifikant verbessert werden. Wenn jedoch der elastische Verformungsbeständigkeitsindex der gesamten Hartbeschichtung 0,12 übersteigt oder der plastische Verformungsbeständigkeitsindex der gesamten Hartbeschichtung 0,32 übersteigt, ist der Elastizitätsmodul im Vergleich zu der Härte zu gering, oder die Härte ist im Vergleich zu dem Elastizitätsmodul zu hoch, und daher kommt es während eines Schneidprozesses häufig zu einem abnormal schnellen Verschleiß oder einem vorzeitigen Bruch einer Dünnschicht, was zu einer Wertminderung eines Schneidwerkzeugs führt.
In der Hartbeschichtung beträgt die durchschnittliche Größe der Kristallkörner, welche die Nitridschicht und die Oxidschicht bilden, vorzugsweise weniger als 200 nm.
In der Hartbeschichtung werden die Nitridschicht und die Oxidschicht vorzugsweise gebildet, indem sie abwechselnd und wiederholt gestapelt werden.
In der Hartbeschichtung kann die Dicke einer Oxidschicht, die einem Basismaterial am nächsten liegt, größer sein als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.
Das harte Basismaterial kann ein Sinterkörper sein, der Sinterkarbid, Cermet, Schnellarbeitsstahl, cBN oder Diamant enthält.
Beispiele
In Beispielen der vorliegenden Erfindung wird eine bipolare Stromversorgung von 40 kHz oder höher auf die Oberfläche eines harten Basismaterials aufgebracht, das aus einem Sinterkörper besteht, der Hartmetall, Cermet, Schnellarbeitsstahl, cBN oder Diamant enthält, indem reaktives Puls-Magnetron-Sputtern verwendet wird, bei dem es sich um ein Vakuumaufdampfverfahren (Physical Vapor Deposition, PVD) handelt, und eine Prozesstemperatur von 450 bis 600°C wird darauf angewendet, um eine mehrlagige Schicht mit einer Struktur zu bilden, wie in 1 dargestellt.
In der mehrlagigen Schicht gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Nitridschicht auf der untersten Schicht ausgebildet, die in Kontakt zu dem harten Basismaterial steht, und werden dann nacheinander ein Oxid und ein Nitrid abwechselnd und wiederholt ausgebildet. Die Anzahl der insgesamt gebildeten Dünnschichten beträgt vorzugsweise 4 bis 9.
Konkret wurden ein Lichtbogen-Target aus AITi oder AlCr und ein Sputter-Target aus AI als Target für die Beschichtung verwendet, der anfängliche Vakuumdruck wurde auf 8,5×10^-5 Torr oder weniger reduziert, und N₂ und O₂ wurden als Reaktionsgas injiziert. Darüber hinaus wurde der Gasdruck zum Beschichten auf 50 mTorr oder weniger, vorzugsweise 40 mTorr oder weniger gehalten, und die Beschichtungstemperatur betrug 400 bis 600 °C. Eine Substratvorspannung, die zum Zeitpunkt der Beschichtung angelegt wurde, betrug -20 V bis -100 V zum Aufbringen einer Nitridschicht und betrug - 100 V bis -150 V zum Aufbringen einer Oxidschicht. Die oben genannten Beschichtungsbedingungen können je nach Kennzahlen und Bedingungen der Geräte variieren.

Die Zusammensetzung, die Härte, die Elastizitätsmodule, der elastische Verformungsbeständigkeitsindex und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex der einzelnen Schichten, die einen Mehrschichtverbund bilden, sind in den Tabellen 1 bis 4 unten aufgeführt. Tabelle 1

Einzelschicht 1-1 (Nitridschicht)	Probe Nr.	1	2	3	4	5
	AlTi (EDX, at%)	51:49	55:45	61:39	67:33	73:27
	Härte (H1)	31	33,0	36,1	34,5	28,5
	Elastizitätsmodul (E1)	382	380,5	409,9	390,2	340
	H/E	0,081	0,087	0,088	0,088	0,084
	H³/E²	0,204	0,248	0,280	0,270	0,200
	H1/H2	1,069	1,138	1,245	1,190	0,983
	E1/E2	1,158	1,153	1,242	1,182	1,030

In Tabelle 1 beruhen H1/H2 und E1/E2 auf den Werten der Einzelschicht 1-1 und den Werten der Einzelschicht 2 aus Tabelle 4. Tabelle 2

Einzelschicht 1-2 (Nitridschicht)	Probe Nr.	6	7
	AlCrSi (EDX, at%)	64:36	60:35:5
	Härte (H1)	30,5	32,7
	Elastizitätsmodul (E1)	380,8	397
	H/E	0,080	0,082
	H³/E²	0,196	0,222
	H1/H2	1,052	1,128
	E1/E2	1,154	1,203

In Tabelle 2 beruhen H1/H2 und E1/E2 auf den Werten der Einzelschicht 1-2 und den Werten der Einzelschicht 2 aus Tabelle 4. Tabelle 3

Einzelschicht 1-3 (Nitridschicht)	Probe Nr.	8	9
	AlTi (EDX, at%)	59:39:2	50:40:10
	Härte (H1)	36,5	43,5
	Elastizitätsmodul (E1)	410	440
	H/E	0,089	0,099
	H³/E²	0,289	0,425
	H1/H2	1,259	1,5
	E1/E2	1,242	1,333

In Tabelle 3 beruhen H1/H2 und E1/E2 auf den Werten der Einzelschicht 1-3 und den Werten der Einzelschicht 2 aus Tabelle 4. Tabelle 4

Einzelschicht 2 Oxidschicht	Probe Nr.	10
	Al₂O₃ (EDX, at%)	100
	Härte (H2)	29
	Elastizitätsmodul (E2)	330
	H/E	0,088
	H³/E²	0,224
	H1/H2	Vergleich mit den Einzelschichten 1-1, 1-2 und 1-3
	E1/E2	Vergleich mit den Einzelschichten 1-1, 1-2 und 1-3

Insgesamt wurden 19 Proben durch einen Aufbau hergestellt, bei dem jede einzelne Schicht mit der oben beschriebenen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften abwechselnd und wiederholt auf die Oberfläche eines harten Basismaterials in einer Kombination, wie in den Tabellen 5 bis 8 unten gezeigt, gestapelt wurde. Tabelle 5

Mehrschichtverbund aus Einzelschicht 1-1 und Einzelschicht 2 (wenn die Dicke der 1. Oxidschicht > Dicken der 2. + 3. + 4. Schicht erfüllt ist)
Probe Nr.	AlTi (EDX, at%)	Anzahl der AlTiN/Al₂O₃-Multischichten	Härte (H)	Elastizitätsmodul (E)	H/E	H³/E²
11	51:49	3	29,5	350	0,084	0,210
12	51:49	7	30,2	360	0,084	0,213
13	55:45	7	30,8	340,2	0,091	0,252
14	61:39	3	29,3	350,2	0,084	0,205
15	61:39	7	33,5	350,8	0,095	0,306
16	61:39	9	33,9	352,1	0,096	0,314
17	61:39	10	32,8	350,1	0,094	0,288
18	67:33	7	31,5	321,2	0,098	0,303
19	67:33	10	31,4	330	0,095	0,284
20	73:27	3	29,1	330,3	0,088	0,226
21	73:27	9	29,5	338,8	0,087	0,224
22	73:27	10	29,4	340,3	0,086	0,219

Tabelle 6

Mehrschichtverbund aus Einzelschicht 1-2 und Einzelschicht 2 (wenn die Dicke der 1. Oxidschicht > Dicken der 2. + 3. + 4. Schicht erfüllt ist)
Probe Nr.	AlCrSi (EDX, at%)	Anzahl der AlTiN/Al₂O₃-Multischichten	Härte (H)	Elastizitätsmodul (E)	H/E	H³/E²
23	64:36	7	32,1	337,1	0,095	0,291
24	60:35:5	7	32,6	338	0,096	0,303

[Tabelle 7]

Mehrschichtverbund aus Einzelschicht 1-3 und Einzelschicht 2 (wenn die Dicke der 1. Oxidschicht > Dicken der 2. + 3. + 4. Schicht erfüllt ist)
Probe Nr.	AlTiSi (EDX, at%)	Anzahl der AlTiN/Al₂O₃-Multischichten	Härte (H)	Elastizitätsmodul (E)	H/E	H³/E²
25	59:39:2	7	35,4	376,6	0,094	0,312
26	40:40:10	7	37,9	390,5	0,097	0,357

Tabelle 8

Mehrschichtverbund aus Einzelschicht 1-1 und Einzelschicht 2 (wenn die Dicke der 1. Oxidschicht > Dicken der 2. + 3. + 4. Schicht erfüllt ist)
Probe Nr.	AlTi (EDX, at%)	Anzahl der AlTiN/Al₂O₃-Multischichten	Härte (H)	Elastizitätsmodul (E)	H/E	H³/E²
27	61:39	7	29,8	348	0,086	0,219
28	61:39	9	30,5	355	0,086	0,225
29	67:33	9	30,9	349	0,089	0,242

Wie in Tabelle 5 aufgeführt, wurde im Fall der Proben 11 bis 22 ein Mehrschichtverbund durch Stapeln des Nitrids der Einzelschicht 1-1 und des Oxids der Einzelschicht 2 gebildet, um die in 1 gezeigte Struktur zu bilden, wobei die erste Oxidschicht, die dem harten Basismaterial am nächsten ist, eine Dicke aufweist, die größer ist als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.

Wie in Tabelle 6 aufgeführt, wurde im Fall der Proben 23 bis 24 ein Mehrschichtverbund durch Stapeln des Nitrids der Einzelschicht 1-2 und des Oxids der Einzelschicht 2 gebildet, um die in 1 gezeigte Struktur zu bilden, wobei die erste Oxidschicht, die dem harten Basismaterial am nächsten ist, eine Dicke aufweist, die größer ist als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.
Wie in Tabelle 7 aufgeführt, wurde im Fall der Proben 25 bis 26 ein Mehrschichtverbund durch Stapeln des Nitrids der Einzelschicht 1-3 und des Oxids der Einzelschicht 2 gebildet, um die in 1 gezeigte Struktur zu bilden, wobei die erste Oxidschicht, die dem harten Basismaterial am nächsten ist, eine Dicke aufweist, die größer ist als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.
Wie in Tabelle 8 aufgeführt, wurde im Fall der Proben 27 bis 28 ein Mehrschichtverbund durch Stapeln des Nitrids der Einzelschicht 1-1 und des Oxids der Einzelschicht 2 gebildet, um die in 1 gezeigte Struktur zu bilden, wobei die erste Oxidschicht, die dem harten Basismaterial am nächsten ist, eine Dicke aufweist, die nicht größer ist als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.
Evaluierung der physikalischen Eigenschaften der Hartbeschichtung
Die Schichtablösungsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Kantenfestigkeit von mehrlagigen Schichtverbünden, die so gebildet wurden, dass sie die in den Tabellen 5 bis 8 aufgeführten Eigenschaften aufwiesen, wurden unter den folgenden Evaluierungsbedingungen bewertet.

(1) Evaluierung der Schichtablösungsbeständigkeit: Anwesenheit oder Abwesenheit von abnormalem Verschleiß durch Reißen der Dünnschicht Zu zerspanendes Material: SM45C Probenmodellnummer: SNMX1206ANN-MM Schnittgeschwindigkeit: 200 m/Min Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn Schnitttiefe: 2 mm
(2) Evaluierung der Verschleißfestigkeit: Verschleiß der Schneidplattenfreifläche und der schrägen Fläche Zu zerspanendes Material: SCM440 Probenmodellnummer: SNMX1206ANN-MM Schnittgeschwindigkeit: 250 m/Min Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn Schnitttiefe: 2 mm
(3) Evaluierung der Kantenfestigkeit: Abplatzungen am Nasen-R-Abschnitt und am Grenzabschnitt der Schneideinsatzkante Zu zerspanendes Material: STS316L Probenmodellnummer: APMT1604PDSR-MM Schnittgeschwindigkeit: 150 m/Min Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn Schnitttiefe: 10 mm

Die Evaluierungsergebnisse, die unter den obigen Bedingungen erhalten wurden, sind in Tabelle 9 unten aufgeführt. Tabelle 9

Num mer	Schichtablösungsbeständigkeit		Verschleißfestigkeit		Kantenfestigkeit		Anmerkungen
Num mer	Bearbeitungslänge (mm)	Verschleißtyp	Bearbeitungslänge (mm)	Verschleißtyp	Bearbeitungslänge (mm)	Verschleißtyp	Anmerkungen
11	660	Reißen der Dünnschicht, übermäßiger Verschleiß	2600	Übermäßiger Verschleiß	550	Abplatzung am R-Abschnitt	Vergleichsbeispiel
12	640	Reißen der Dünnschicht, Abplatzung	4800	Normaler Verschleiß	200	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
13	2200	Normaler Verschleiß	4800	Normaler Verschleiß	400	Abplatzung am R-Abschnitt	Vergleichsbeispiel
14	2150	Normaler Verschleiß	3000	Übermäßiger Verschleiß	420	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
15	2450	Normaler Verschleiß	5200	Normaler Verschleiß	1600	Normaler Verschleiß	Beispiel
16	2400	Normaler Verschleiß	5200	Normaler Verschleiß	1400	Normaler Verschleiß	Beispiel
17	2000	Normaler Verschleiß	5000	Normaler Verschleiß	430	Abplatzung am R-Abschnitt	Vergleichsbeispiel
18	2400	Normaler Verschleiß	5200	Normaler Verschleiß	200	Normaler Verschleiß	Beispiel
19	2000	Normaler Verschleiß	5000	Normaler Verschleiß	400	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
20	600	Reißen der Dünnschicht, Abplatzung	1000	Übermäßiger Verschleiß, Bruch	550	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
21	800	Reißen der Dünnschicht, Abplatzung	1200	Übermäßiger Verschleiß, Bruch	400	Abplatzungen am R-Abschnitt und Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
22	650	Reißen der Dünnschicht, Abplatzung	1000	Übermäßiger Verschleiß, Bruch	400	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
23	2200	Normaler Verschleiß	4800	Normaler Verschleiß	1400	Normaler Verschleiß	Beispiel
24	2400	Normaler Verschleiß	4800	Normaler Verschleiß	1200	Normaler Verschleiß	Beispiel
25	2800	Normaler Verschleiß	5200	Normaler Verschleiß	1200	Normaler Verschleiß	Beispiel
26	750	Reißen der Dünnschicht, Abplatzung	5400	Normaler Verschleiß	750	Abplatzung am R-Abschnitt	Vergleichsbeispiel
27	2400	Normaler Verschleiß	3000	Übermäßiger Verschleiß	800	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
28	2100	Normaler Verschleiß	3400	Übermäßiger Verschleiß	620	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel
29	2000	Normaler Verschleiß	3400	Übermäßiger Verschleiß	600	Abplatzung am Grenzabschnitt	Vergleichsbeispiel

Wie in der obigen Tabelle 9 bestätigt werden kann, weisen die Proben Nr. 15, 16, 18, 23, 24 und 25, die den Beispielen entsprechen, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen eine ausgezeichnete Schichtablösungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit auf.

Auf der anderen Seite sind die Proben Nr. 11, 12, 14, 20, 21, 22, 27, 28, 29 mit einem geringen elastischen Verformungswiderstandsindex (H/E) oder einem geringen plastischen Verformungswiderstandsindex (H³/E²) niedrig, und bei den Proben Nr. 11 bis 14, 17, 19 bis 22 und 26 bis 29 sowie den Proben Nr. 27 bis 29, in welchen die Dicke der ersten Oxidschicht so ausgebildet ist, dass sie kleiner als die Dicken der übrigen Oxidschichten ist, zeigt sich, dass es einen signifikanten Unterschied bei der Schichtablösungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit gibt.
Das heißt, es ist erkennbar, dass eine Hartbeschichtung mit der Zusammensetzung, der Härte und der Stapelstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung dazu in der Lage ist, eine verbesserte Schichtablösungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Kantenfestigkeit zu realisieren, im Vergleich zu einer typischen Hartbeschichtung, in der eine Nitridschicht und eine Oxidschicht zusammengesetzt sind.

Claims

Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge, die auf einem harten Basismaterial und angrenzend daran mithilfe eines PVD-Verfahrens gebildet ist, wobei die Dicke der gesamten Hartbeschichtung 0,5 bis 10 µm beträgt; die Hartbeschichtung eine oder mehrere Nitridschichten und eine oder mehrere Oxidschichten enthält; jede der einen oder mehrere Nitridschichten eine Dicke von 0,1 bis 5,0 µm hat und aus Al_aTi_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) oder Al_aCr_bMe_cN (wobei Me mindestens eines ist, das aus Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr und Y gewählt wird, und 0,55 ≤ a ≤ 0,7, 0,2 < b ≤ 0,45, und 0 ≤ c < 0,1) in einer kubischen Phase besteht; jede der einen oder mehreren Oxidschichten eine Dicke von 0,1 bis 3,0 µm aufweist und aus γ-Al₂O₃ in einer kubischen Phase besteht; wenn die Anzahl der in der Zusammensetzung des kontinuierlichen Grenzflächen in der gesamten Hartbeschichtung einschließlich des harten Basismaterials n ist, das n die Bedingung 4 ≤ n ≤ 9 erfüllt; das Verhältnis der Mikrohärte (H1) der Nitridschicht zu der Mikrohärte (H2) der Oxidschicht 1,03 < H1/H2 < 1,3 erfüllt, und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Nitridschicht (E1) zu dem Elastizitätsmodul der Oxidschicht (E2) 1,1 < E1/E2 < 1,3 erfüllt; jede der Nitridschichten und jede der Oxidschichten einen elastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) von 0,07 bis 0,09 aufweist und einen plastischen Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) von 0,13 bis 0,29; der elastische Verformungsbeständigkeitsindex (H/E) der gesamten Hartbeschichtung 0,09 bis 0,12 beträgt; und der plastische Verformungsbeständigkeitsindex (H³/E²) der gesamten Hartbeschichtung 0,29 bis 0,32 beträgt.
Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Kristallkorngröße jeder Schicht, welche die Hartbeschichtung bildet, weniger als 200 nm beträgt.
Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge nach Anspruch 1, wobei: die Nitridschichten und die Oxidschichten wiederholt in abwechselnder Weise ausgebildet sind, und eine Nitridschicht am nächsten zu dem harten Basismaterial ausgebildet ist.
Hartbeschichtung für Schneidwerkzeuge nach Anspruch 1, wobei die Dicke einer Oxidschicht, die am nächsten zu dem Basismaterial ausgebildet ist, größer ist als die Summe der Dicken der übrigen Oxidschichten.