DE112021001965T5

DE112021001965T5 - Beschichtetes werkzeug

Info

Publication number: DE112021001965T5
Application number: DE112021001965.1T
Authority: DE
Inventors: Hirotoshi Ito
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2023-01-12
Also published as: CN115397588A; WO2021193677A1; JP7431946B2; JPWO2021193677A1; KR20220136410A; US20230158578A1

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug in einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine Basis und eine auf der Basis angeordnete Beschichtungsschicht auf. Die Beschichtungsschicht weist eine Al2O3-Schicht und eine Oberflächenschicht auf, die sich in einem Bereich von einer ersten Oberfläche auf einer von der Basis abgewandten Seite der Al2O3-Schicht zu einer zweiten Oberfläche befindet, die eine Oberfläche der Beschichtungsschicht ist. Die Oberflächenschicht weist eine erste Erosionsrate von 0,1 µm/min oder weniger auf. Die erste Erosionsrate wird durch Messung erhalten, indem man eine Flüssigkeit A, in der 3 Massen-% amorphe Al2O3-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,1-1,3 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, auf die Oberflächenschicht aufprallen lässt. Die Oberflächenschicht weist eine zweite Erosionsrate von 2,0 µm/min oder mehr auf. Die zweite Erosionsrate wird durch Messung erhalten, indem man eine Flüssigkeit B, in der 3 Massen-% kugelförmige Al2O3-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,8-3,2 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit der Oberflächenschicht kollidieren lässt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-057635, eingereicht am 27. März 2020. Der Inhalt dieser Anmeldung ist hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein beschichtetes Werkzeug.
HINTERGRUND
Ein beschichtetes Werkzeug mit einer Beschichtungsschicht, die auf einer Basis aus Hartmetall oder dergleichen angeordnet ist, wird in einem Schneidvorgang verwendet. Eine Beschichtungsschicht, bei der eine TiN-Schicht, eine TiCN-Schicht und eine Al₂O₃-Schicht nacheinander übereinander auf der Basis laminiert sind, ist bekannt. Es wurde eine Technik verwendet, die es einfach macht, eine benutzte Ecke zu unterscheiden, indem eine TiN-Schicht auf der Al₂O₃-Schicht angeordnet ist, so dass die TiN-Schicht während des Gebrauchs entfernt werden kann.
In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2017-221992 (Patentdokument 1) wird erörtert, dass eine TiN-Schicht und eine andere Schicht auf Ti-Basis als TiN auf einer Al₂O₃-Schicht angeordnet sind.
Nanjo Yoshiyasu und andere vier Personen, „Research related to evaluations of mechanical properties of TiCN single layer film and TiCN multilayer film by Micro Slurry-Jet Erosion (MSE) method“ Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 2018, 84(2), pp. 167-174 (Nicht-Patentdokument 1) ist eine Forschungsarbeit, die sich auf die Bewertungen der mechanischen Eigenschaften einer Beschichtungsschicht bezieht, und bewertet die TiN-Schicht und die TiCN-Schicht durch das MSE-Verfahren. Das Nicht-Patentdokument 1 erörtert einen Test, bei dem eine Aufschlämmung, die durch Mischen von amorphem (polygonalem) Aluminiumoxid mit einer Partikelgröße von 8000 mit gereinigtem Wasser erhalten wird, auf die Beschichtungsschicht gerichtet wird. Das Nicht-Patentdokument 1 beschreibt, dass eine geringere Erosionsrate, die durch das MSE-Verfahren erzielt wird, zu besseren mechanischen Eigenschaften der Beschichtungsschicht führt.
WO 2017/163972 (Patentdokument 2) beschreibt eine Bewertung der Verschleißwiderstandsfähigkeit einer Hartbeschichtung durch das MSE-Verfahren unter Verwendung amorpher (polygonaler) Aluminiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von 8000. Das Patentdokument 2 beschreibt, dass eine geringere Erosionsrate, die mit dem MSE-Verfahren erzielt wird, zu besseren mechanischen Eigenschaften der Hartbeschichtung führt.
KURZERLÄUTERUNG
Ein beschichtetes Werkzeug in einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine Basis und eine auf der Basis angeordnete Beschichtungsschicht auf. Die Beschichtungsschicht weist eine Al₂O₃-Schicht und eine Oberflächenschicht auf, die in einem Bereich von einer ersten Fläche an einer von der Basis abgewandten Seite in der Al₂O₃-Schicht zu einer zweiten Fläche angeordnet ist, die eine Oberfläche der Beschichtungsschicht ist. Die Oberflächenschicht hat eine erste Erosionsrate von 0,1 µm/min oder weniger. Die erste Erosionsrate wird durch Messung erhalten, indem man eine Flüssigkeit A, in der 3 Massen-% amorphe Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,1-1,3 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit der Oberflächenschicht kollidieren lässt. Die Oberflächenschicht hat eine zweite Erosionsrate von 2,0 µm/min oder mehr. Die zweite Erosionsrate wird durch Messung erhalten, indem man eine Flüssigkeit B, in der 3 Massen-% kugelförmige Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,8-3,2 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit der Oberflächenschicht kollidieren lässt.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein beschichtetes Werkzeug in einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
2 ist eine Schnittansicht eines Querschnitts entlang der Linie II-II in dem in 1 dargestellten beschichteten Werkzeug,
3 ist eine vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht in dem in 2 dargestellten beschichteten Werkzeug und
4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Schneidwerkzeug in einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORM
<Beschichtete Werkzeuge>
Beschichtete Werkzeuge 1 in nicht-einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung zeigen die Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, in vereinfachter Form nur die für die Beschreibung der Ausführungsformen erforderlichen Konfigurationen. Die beschichteten Werkzeuge 1 können daher jedes beliebige Strukturelement aufweisen, das in den genannten Zeichnungen nicht dargestellt ist. Abmessungen der Konfigurationen in den Zeichnungen geben weder die Abmessungen von tatsächlichen Strukturelementen noch die Größenverhältnisse dieser Strukturelemente wieder.
1 bis 3 zeigen als eine Ausführungsform der beschichteten Werkzeuge 1 einen Schneideinsatz, der für ein Schneidwerkzeug verwendbar ist, das für einen Schneidvorgang eines Werkstücks eingesetzt wird. Das beschichtete Werkzeug 1 ist zusätzlich zu Schneidwerkzeugen auch bei verschleißfesten Teilen wie Gleitstücke und Metallformen, Grabwerkzeuge, Werkzeuge wie Klingen und schlagfeste Teile anwendbar. Die Anwendungen der beschichteten Werkzeuge 1 sind nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt.
Das beschichtete Werkzeug 1 kann eine Basis 2 und eine Beschichtungsschicht 3 aufweisen, die auf der Basis 2 angeordnet ist.
Beispiele für das Material der Basis 2 können Hartlegierungen, Keramiken und Metalle aufweisen. Beispiele für Hartlegierungen können Hartmetalle aufweisen, bei denen eine Hartphase, die aus WC (Wolframcarbid) und, falls gewünscht, zumindest einer Art, die aus der Gruppe bestehend aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid der Metalle der Gruppe 4, 5 und 6 des Periodensystems, die nicht WC sind, ausgewählt wird, durch eine Binderphase gebunden ist, die aus einem Metall der Eisengruppe wie Co (Kobalt) oder Ni (Nickel) gebildet ist. Andere Hartlegierungen können Cermets auf Ti-Basis sein. Bei den Keramiken kann es sich z.B. um Si₃N₄ (Siliziumnitrid), Al₂O₃ (Aluminiumoxid), Diamant und cBN (kubisches Bornitrid) handeln. Bei den Metallen kann es sich z.B. um unlegierten Stahl, Schnellarbeitsstahl und legierten Stahl handeln. Das Material der Basis 2 ist jedoch nicht auf die oben genannten Materialien beschränkt.
Die Beschichtungsschicht 3 kann die gesamte oder einen Teil der Oberfläche 4 der Basis 2 bedecken. Wenn die Beschichtungsschicht 3 nur einen Teil der Oberfläche 4 der Basis 2 bedeckt, kann man sagen, dass die Beschichtungsschicht 3 zumindest auf einem Teil der Basis 2 angeordnet ist.
Die Beschichtungsschicht 3 kann durch das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann die Beschichtungsschicht 3 eine CVD-Schicht sein.
Die Beschichtungsschicht 3 ist nicht auf eine bestimmte Dicke beschränkt. Die Dicke der Beschichtungsschicht 3 kann z.B. auf 1-30 µm festgelegt sein. Die Dicke und die Struktur der Beschichtungsschicht 3 sowie die Formen der Kristalle, aus denen die Beschichtungsschicht 3 gebildet ist, können beispielsweise durch eine Querschnittsbetrachtung mit einem Elektronenmikroskop gemessen werden. Beispiele für ein Elektronenmikroskop können ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) und ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) aufweisen.
Das beschichtete Werkzeug 1 kann eine erste Fläche 5 (obere Fläche), eine zweite Fläche 6 (Seitenfläche), die an die erste Fläche 5 angrenzt, und eine Schneidkante 7 aufweisen, die zumindest an einem Teil eines Kammteils zwischen der ersten Fläche 5 und der zweiten Fläche 6 angeordnet ist, wie in einer nicht-einschränkenden Ausführungsform, die in 1 und 2 gezeigt ist.
Die erste Fläche 5 kann eine Spanfläche sein. Die gesamte erste Fläche 5 oder ein Teil davon kann die Spanfläche sein. Zum Beispiel kann ein Bereich, der sich entlang der Schneidkante 7 in der ersten Fläche 5 erstreckt, die Spanfläche sein.
Die zweite Fläche 6 kann eine Freifläche sein. Die gesamte zweite Fläche 6 oder ein Teil davon kann die Freifläche sein. Zum Beispiel kann ein Bereich, der sich entlang der Schneidkante 7 in der zweiten Fläche 6 erstreckt, die Freifläche sein.
Die Schneidkante 7 kann an einem Teil oder der Gesamtheit des Kammteils angeordnet sein. Die Schneidkante 7 kann zum Schneiden eines Werkstücks verwendet werden.
Das beschichtete Werkzeug 1 kann eine viereckige Plattenform haben, wie in der nicht-einschränkenden Ausführungsform in 1 dargestellt. Die Form des beschichteten Werkzeugs 1 ist nicht auf die Form einer viereckigen Platte beschränkt. Die erste Fläche 5 kann beispielsweise eine dreieckige, fünfeckige, sechseckige oder kreisförmige Form haben. Das beschichtete Werkzeug 1 kann eine Säulenform haben.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist nicht auf eine bestimmte Größe beschränkt. Zum Beispiel kann eine Länge einer Seite der ersten Fläche 5 auf etwa 3-20 mm festgelegt sein. Eine Höhe von der ersten Fläche 5 zu einer Fläche (untere Fläche), die an einer der ersten Fläche 5 entgegengesetzten Seite angeordnet ist, kann auf etwa 5-20 mm festgelegt sein.
Die Beschichtungsschicht 3 kann eine Al₂O₃-Schicht 8 und eine Oberflächenschicht 9 aufweisen, wie in einer nicht-einschränkenden Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist.
Die Al₂O₃-Schicht 8 kann Al₂O₃-Partikel aufweisen. Die Al₂O₃-Schicht 8 kann eine Schicht bezeichnen, die Al₂O₃ als einen Hauptbestandteil aufweist. Der Begriff „Hauptbestandteil“ kann einen Bestandteil bezeichnen, der im Vergleich zu anderen Bestandteilen den größten Massenprozentwert hat.
Die Oberflächenschicht 9 kann in einem Bereich von einer ersten Oberfläche 10 auf einer von der Basis 2 abgewandten Seite in der Al₂O₃-Schicht 8 zu einer zweiten Oberfläche 11, die eine Oberfläche der Beschichtungsschicht 3 ist, angeordnet sein. Die Oberflächenschicht 9 kann die zweite Oberfläche 11 aufweisen. Die Oberflächenschicht 9 kann in Kontakt mit der Al₂O₃-Schicht 8 stehen.
Eine Erosionsrate der Oberflächenschicht 9 kann durch einen MSE-Test (Micro Slurry-jet Erosion) erhalten werden. Für den MSE-Test können amorphe Al₂O₃-Partikel und kugelförmige Al₂O₃-Partikel verwendet werden.
Bei den amorphen Al₂O₃-Partikeln kann es sich um solche handeln, die z.B. durch Pulverisierung von Rohmaterialpartikeln oder alternativ durch Bildung von Bruchflächen und Ecken in einem Mahlvorgang hergestellt werden. Die amorphen Al₂O₃ Partikel können als kantige Al₂O₃ Partikel umschrieben werden.
Die kugelförmigen Al₂O₃ Partikel können eine Form ähnlich einer Kugel ohne Ecken haben. Die Form der kugelförmigen Al₂O₃ Partikel muss nicht die einer Kugel sein, jedoch ist eine kleine Verformung zulässig, wenn es weder eine gebrochene Oberfläche noch eine Ecke gibt.
MSE-Testergebnisse unter Verwendung der amorphen Al₂O₃ Partikel können solche sein, die durch Auswertung der Verschleißwiderstandsfähigkeit der Oberflächenschicht 9 vorliegen. Nachfolgend wird eine Erosionsrate, die durch den MSE-Test unter Verwendung der amorphen Al₂O₃ Partikel erhalten wurde, als erste Erosionsrate bezeichnet. Eine niedrige erste Erosionsrate bedeutet eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit.
MSE-Testergebnisse unter Verwendung der kugelförmigen Al₂O₃ Partikel können solche sein, die durch Auswertung der Schälwiderstandsfähigkeit der Oberflächenschicht 9 verfügbar sind. Nachfolgend wird eine Erosionsrate, die durch den MSE-Test unter Verwendung der kugelförmigen Al₂O₃ Partikel erhalten wurde, als zweite Erosionsrate bezeichnet. Eine niedrige zweite Erosionsrate bedeutet eine ausgezeichnete Schälwiderstandsfähigkeit. Mit anderen Worten bezeichnet eine hohe zweite Erosionsrate, dass sie sich leicht ablösen lässt.
Die erste Erosionsrate kann 0,1 µm/min oder weniger betragen. Die zweite Erosionsrate kann 2,0 µm/min oder mehr betragen. Diese sorgen für eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit und gewährleisten außerdem, dass sich die Oberfläche der Beschichtungsschicht 3 leicht abschälen lässt. Es ist möglich, zu vermeiden, dass die Beschichtungsschicht 3 durch einen starken Aufprall vollständig zerbrochen wird, da ihre Oberfläche leicht ablösbar ist. Dies führt folglich zu einer ausgezeichneten Bruchwiderstandsfähigkeit. Insbesondere kann eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit erreicht werden, wenn die erste Erosionsrate 0,1 µm/min oder weniger beträgt. Die Oberflächenschicht 9 lässt sich leicht von der Al₂O₃ Schicht 8 ablösen, wenn die zweite Erosionsrate 2,0 µm/min oder mehr beträgt. Das heißt, die Oberfläche der Beschichtungsschicht 3 ist leicht ablösbar. Es ist daher leicht, eine benutzte Ecke (die Schneidkante 7) oder ähnliches zu erkennen. Dies gewährleistet auch eine ausgezeichnete Bruchwiderstandsfähigkeit.
Die erste Erosionsrate kann auf die folgende Weise erhalten werden. Indem man eine Flüssigkeit A, in der 3 Masse-% amorphe Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,1-1,3 µm in 100 Masse-% gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit einem Prüfobjekt (der Oberflächenschicht 9) kollidieren lässt, kann die Tiefe des Prüfobjekts, die durch die Kollision entfernt wurde, bewertet werden.
Die zweite Erosionsrate kann auf die folgende Weise erhalten werden. Indem man eine Flüssigkeit B, in der 3 Masse-% kugelförmige Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,8-3,2 µm in 100 Masse-% gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit einem Prüfobjekt kollidieren lässt, kann die Tiefe des Prüfobjekts, die durch die Kollision entfernt wurde, bewertet werden. Ein mittlerer Partikeldurchmesser der kugelförmigen Al₂O₃-Partikel kann 2,9-3,1 µm betragen.
Bei der Messung der ersten Erosionsrate und der zweiten Erosionsrate kann die Flüssigkeit A oder B mit einer Geschwindigkeit von 98-102 m/s zur Kollision gebracht werden, so dass die Flüssigkeit A oder B annähernd rechtwinklig auf eine Oberfläche des Objekts (Oberflächenschicht 9) aufprallen kann.
Die Erosionsrate kann mit einem MSE-Prüfgerät (MSE-Al₂O₃) der Firma Palmeso Co., Ltd. gemessen werden. Als amorphe Al₂O₃ Partikel kann z.B. „MSE-GA-1-3“ der Firma Palmeso Co., Ltd. verwendet werden. Als kugelförmige Al₂O₃ Partikel können z.B. „MSE-BA-3-3-10“ von Palmeso Co., Ltd. verwendet werden. Die mittleren Partikeldurchmesser der amorphen Al₂O₃-Partikel und der kugelförmigen Al₂O₃-Partikel können durch Bildverarbeitung von SEM-Aufnahmen ermittelt werden.
Die erste Erosionsrate kann 0,05 µm/min oder weniger betragen. Alternativ dazu kann die erste Erosionsrate 0,01 µm/min oder weniger betragen. Die zweite Erosionsrate kann 5,0 µm/min oder mehr betragen. Alternativ dazu kann die zweite Erosionsrate 3,0 µm/min oder mehr betragen.
Die Al₂O₃-Schicht 8 kann mit der Basis 2 in Kontakt sein oder auch nicht. Beispielsweise kann sich zwischen der Al₂O₃-Schicht 8 und der Basis 2 eine weitere Schicht befinden. Mit anderen Worten kann die Beschichtungsschicht 3 eine weitere Schicht aufweisen, die zwischen der Al₂O₃-Schicht 8 und der Basis 2 angeordnet ist.
Die Oberflächenschicht 9 kann eine TiN-Schicht aufweisen. Die Oberflächenschicht 9, die die TiN-Schicht aufweist, lässt sich leicht ablösen.
Die TiN-Schicht kann in Kontakt mit der Al₂O₃-Schicht 8 stehen. Wenn die TiN-Schicht in Kontakt mit der Al₂O₃-Schicht 8 ist, lässt sich die TiN-Schicht leicht von der Al₂O₃-Schicht 8 ablösen. Wenn die Beschichtungsschicht 3 jedoch nur aus der TiN-Schicht ausgebildet ist, weist sie eine schlechte Verschleißwiderstandsfähigkeit auf, obwohl sie sich leicht abschälen lässt.
Die TiN-Schicht kann TiN-Partikel aufweisen. Die TiN-Schicht kann eine Schicht bezeichnen, der TiN als einen Hauptbestandteil aufweist. Dies gilt auch für andere Schichten.
Die Oberflächenschicht 9 kann eine TiC-Schicht aufweisen. Die Oberflächenschicht 9 (Beschichtungsschicht 3), die die TiC-Schicht aufweist, hat eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit.
Die TiC-Schicht darf nicht in Kontakt mit der Al₂O₃-Schicht 8 sein. Wenn die TiC-Schicht in Kontakt mit der Al₂O₃-Schicht 8 ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Oberflächenschicht 9 aufgrund der hohen Adhäsion zwischen der Al₂O₃-Schicht 8 und der TiC-Schicht ablöst. Daher kann sich zwischen der Al₂O₃-Schicht 8 und der TiC-Schicht zumindest eine weitere Schicht befinden. Mit anderen Worten kann die Oberflächenschicht 9 die TiC-Schicht und zumindest eine weitere Schicht aufweisen, die sich zwischen der TiC-Schicht und der Al₂O₃-Schicht 8 befindet. Zum Beispiel kann zwischen der Al₂O₃-Schicht 8 und der TiC-Schicht eine TiN-Schicht angeordnet sein.
Die Oberflächenschicht 9 kann eine TiCN-Schicht aufweisen. Die TiCN-Schicht kann grundsätzlich Eigenschaften haben, die zwischen der TiN-Schicht und der TiC-Schicht liegen. Insbesondere hat die TiCN-Schicht eine Haftfähigkeit und Verschleißwiderstandsfähigkeit, die zwischen denen von TiN und TiC liegen.
Zum Beispiel ist die Wahrscheinlichkeit des Ablösens grundsätzlich geringer, wenn die Al₂O₃-Schicht 8 mit der TiCN-Schicht in Kontakt ist, als wenn die Al₂O₃-Schicht 8 nicht mit der TiCN-Schicht in Kontakt ist. Um die Konfiguration des beschichteten Werkzeugs 1 in den Fällen zu erfüllen, in denen die Al₂O₃-Schicht 8 in Kontakt mit der TiCN-Schicht steht, muss die TiCN-Schicht leicht ablösbar sein.
Zum Beispiel lässt sich die TiCN-Schicht mit einem hohen N-Gehalt (Stickstoff) leicht ablösen. Um eine leicht ablösbare TiCN-Schicht zu erhalten, kann N/(C+N) der TiCN-Schicht 0,7 oder mehr betragen. Die TiCN-Schicht, deren N/(C+N) 0,7 oder mehr beträgt, kann beispielsweise durch Erhöhung des Stickstoffgehalts in einem schichtbildenden Gas bei einer Temperatur von weniger als 1000 °C hergestellt werden. Alternativ kann der N/(C+N) der TiCN-Schicht 0,9 oder weniger betragen. Das N/(C+N) wird im Atomverhältnis berechnet.
Wenn beispielsweise die Al₂O₃-Schicht 8 nicht in Kontakt mit der TiCN-Schicht steht, kann das N/(C+N) weniger als 0,7 betragen. Alternativ kann das Verhältnis N/(C+N) auch 0,5 oder mehr betragen.
Das N/(C+N) kann ein Gehaltsverhältnis in einem Atomverhältnis von N relativ zu einer Summe von C und N sein. Das N/(C+N) kann durch ein energiedispersives Röntgenspektroskopie (EDS)-Analyseverfahren gemessen werden.
Die Oberflächenschicht 9 kann eine TiN-Schicht, eine TiC-Schicht und eine TiCN-Schicht in dieser Reihenfolge von einer Seite der Al₂O₃-Schicht 8 aus aufweisen. Die Oberflächenschicht 9, die in dieser Reihenfolge eingerichtet ist, hat eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit, und die Oberfläche der Beschichtungsschicht 3 lässt sich leicht ablösen.
<Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs>
Ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs in einer nicht-einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden beschrieben, indem eine Ausführungsform der Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1 mit den obigen Bewertungsergebnissen im MSE-Test dargestellt wird.
Zunächst kann die Basis 2 hergestellt werden. Es werden Fälle beschrieben, in denen eine aus einer Hartlegierung gebildete Basis als Basis 2 hergestellt wird. Zunächst kann ein Mischpulver hergestellt werden, indem einem anorganischen Pulver aus Metallcarbid, -nitrid, -carbonitrid, -oxid oder dergleichen, in geeigneter Weise Metallpulver, Kohlenstoffpulver oder dergleichen hinzugegeben und anschließend miteinander vermischt wird, die in der Lage sind, die Basis 2 durch Sintern auszubilden. Mit einem bekannten Verfahren, wie z.B. Pressformen, Gießen, Strangpressen oder kaltisostatisches Pressen, kann ein Formkörper durch Formen des Mischpulvers in eine vorbestimmte Werkzeugform erhalten werden. Anschließend kann die Basis 2 durch Sintern des erhaltenen Formkörpers in einem Vakuum oder in einer nicht oxidierenden Atmosphäre hergestellt werden. Eine Oberfläche 4 der Basis 2 kann einem Polier- und Honvorgang unterzogen werden.
Anschließend kann das beschichtete Werkzeug 1 durch Abscheiden einer Beschichtungsschicht 3 auf der Oberfläche 4 der erhaltenen Basis 2 durch ein CVD-Verfahren hergestellt werden.
Die Al₂O₃-Schicht 8 kann wie folgt abgeschieden werden. Zunächst kann ein Mischgas als Reaktionsgaszusammensetzung hergestellt werden. Das Mischgas ist gebildet aus 0,5-5 Vol.-% Aluminiumtrichlorid-(AlCl₃)-Gas, 0,5-3,5 Vol.-% Chlorwasserstoff-(HCl)-Gas, 0,5-5 Vol.-% Kohlendioxid-(CO₂)-Gas, 0,5 Vol.-% oder weniger Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas und dem Rest, nämlich Wasserstoff-(H₂)-Gas. Die Al₂O₃-Schicht 8 kann abgeschieden werden, indem das Mischgas in eine Kammer gefüllt wird, in der eine Temperatur von 930-1010°C, ein Druck von 5-10 kPa und eine Zeit von 30-300 Minuten festgelegt sind.
Eine TiN-Schicht der Oberflächenschicht 9 kann wie folgt abgeschieden werden. Zunächst kann ein Mischgas als Reaktionsgaszusammensetzung hergestellt werden. Das Mischgas ist aus 0,1-10 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas, 10-60 Vol.-% Stickstoff-(N₂)-Gas und dem Rest, nämlich Wasserstoff-(H₂)-Gas, gebildet. Die TiN-Schicht kann durch Einfüllen des Gasgemischs in die Kammer abgeschieden werden, in der eine Temperatur von 800-1010°C, ein Druck von 10-85 kPa und eine Zeit von 5-90 Minuten festgelegt sind.
Eine TiC-Schicht der Oberflächenschicht 9 kann wie folgt abgeschieden werden. Zunächst kann ein Mischgas als Reaktionsgaszusammensetzung hergestellt werden. Das Mischgas ist aus 0,1-30 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas, 0,1-20 Vol.-% Methan-(CH₄)-Gas und dem Rest, nämlich Wasserstoff-(H₂)-Gas, gebildet. Die TiC-Schicht kann durch Einfüllen des Gasgemischs in die Kammer abgeschieden werden, in der eine Temperatur von 800-1100°C, ein Druck von 5-85 kPa und eine Zeit von 5-90 Minuten festgelegt sind.
Eine TiCN-Schicht der Oberflächenschicht 9 kann wie folgt abgeschieden werden. Zunächst kann ein Mischgas als Reaktionsgaszusammensetzung hergestellt werden. Das Mischgas ist aus 0,1-10 Vol.-% Titantetrachlorid-(TiCl₄)-Gas, 10-60 Vol.-% Stickstoff-(N₂)-Gas, 0,1-20 Vol.-% Methan-(CH₄)-Gas und dem Rest, nämlich Wasserstoff-(H₂)-Gas, gebildet. Die TiCN-Schicht kann durch Einfüllen des Gasgemischs in die Kammer abgeschieden werden, in der eine Temperatur von 800-1050°C, ein Druck von 5-30 kPa und eine Zeit von 5-90 Minuten festgelegt sind.
Das beschichtete Werkzeug 1, das die oben beschriebene erste Erosionsrate und die zweite Erosionsrate aufweist, kann beispielsweise durch Steuern einer Kombination aus TiN-Schicht, TiCN- Schicht und TiC- Schicht, der Reihenfolge der Beschichtung oder eines N-Gehalts in der TiCN- Schicht erhalten werden.
Ein Bereich, der die Schneidkante 7 in dem so erhaltenen beschichteten Werkzeug 1 aufweist, kann einem Poliervorgang unterzogen werden. Folglich kann der Bereich, der die Schneidkante 7 aufweist, geglättet werden, so dass das Anschweißen eines Werkstücks reduziert werden kann, um die Bruchwiderstandsfähigkeit der Schneidkante 7 zu verbessern.
Das obige Herstellungsverfahren ist eine Ausführungsform von Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs 1. Dementsprechend ist zu beachten, dass das beschichtete Werkzeug 1 nicht auf solche beschränkt ist, die nach dem obigen Verfahren hergestellt werden.
<Schneidwerkzeug>
Wie in einer nicht-einschränkenden Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, kann ein Schneidwerkzeug 101 in der nicht-einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Halter 102, der eine Länge von einem ersten Ende 102a zu einem zweiten Ende 102b hat und eine Tasche 103 aufweist, die an einer Seite des ersten Endes 102a angeordnet ist, und ein beschichtetes Werkzeug 1 aufweisen, das in der Tasche 103 angeordnet ist. 4 zeigt die Ausführungsform, bei der das beschichtete Werkzeug 1 ein Durchgangsloch aufweist und das beschichtete Werkzeug 1 durch das Durchgangsloch mit einer Schraube 104 an der Tasche 103 befestigt ist.
Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden anhand von Beispielen detailliert beschrieben, wobei die vorliegende Offenbarung jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt ist.
BEISPIELE
(Proben Nr. 1 bis 13)
<Herstellung eines beschichteten Werkzeugs>
Zunächst wurde eine Basis hergestellt. Konkret wurden 6 Masse-% Metall-Co-Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,5 µm, 2,0 Masse-% TiC-(Titancarbid)-Pulver, 0,2 Masse-% Cr₃C₂-(Chromcarbid)-Pulver in ihren jeweiligen Anteilen zu WC-Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,2 µm hinzugegeben und wurden diese miteinander vermischt. Aus der so erhaltenen Mischung wurde durch Pressformen ein Formkörper in Form eines Schneidwerkzeugs (CNMG120408) hergestellt. Der erhaltene Formkörper wurde dann einem Entbindervorgang unterzogen und anschließend bei 1400 °C in einem Vakuum von 0,5-100 Pa eine Stunde lang gesintert, wodurch eine aus Hartmetall gebildete Basis hergestellt wurde. Danach wurde eine Seite einer Spanfläche (erste Fläche) der hergestellten Basis einer Bearbeitung der Schneidkante (Rundhonen) durch einen Bürstvorgang unterzogen.
Anschließend wurde eine Beschichtungsschicht (Oberflächenschicht) auf der erhaltenen Basis durch ein CVD-Verfahren unter den in Tabelle 1 dargestellten Beschichtungsbedingungen abgeschieden, wodurch ein beschichtetes Werkzeug (Schneidwerkzeug) erhalten wurde, das in Tabelle 2 dargestellt ist.
Alle in Tabelle 2 dargestellten beschichteten Werkzeuge weisen die auf der Basis abgeschiedene Al₂O₃-Schicht auf. Die Abscheidungsbedingungen und die Dicke der Al₂O₃-Schicht sind wie folgt.
AlCl₃-Gas: 4,0 Vol%
HCl-Gas: 2,0 Vol%
CO₂-Gas: 4,0 Vol%
H₂S-Gas: 0,3 Vol-%
H₂-Gas: der Rest
Temperatur: 1000°C
Druck: 5 kPa
Zeit: 240 Minuten
Dicke: 4,0 µm
Die einzelnen Bestandteile sind in den Tabellen 1 und 2 jeweils mit chemischen Symbolen gekennzeichnet. Die Dicken der Beschichtungsschichten in Tabelle 1 und die Dicken der Al₂O₃-Schichten sind Werte, die durch eine Querschnittsbetrachtung mit einem SEM ermittelt wurden. Die Werte N/(C+N) in diesen Tabellen sind in Atomverhältnissen ausgedrückt.
<Auswertung>
Eine Erosionsrate jedes der erhaltenen beschichteten Werkzeuge wurde gemessen. Das Messverfahren wird im Folgenden beschrieben, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
(Erosionsrate)
Die erste und zweite Erosionsrate (µm/min) wurden einzeln gemessen, indem eine Flüssigkeit A oder B mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s aus einer Richtung im rechten Winkel auf eine Oberfläche der Beschichtungsschicht prallte. Die Erosionsraten wurden mit einem MSE-Prüfgerät „MSE-A-Al₂O₃"von Palmeso Co. Ltd. gemessen. Als amorphe Al₂O₃-Partikel wurden „MSE-GA-1-3“ mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,2 µmvon Palmeso Co., Ltd. verwendet. „MSE-B-A-3-3“ mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3,0 µm, von Palmeso Co., Ltd., wurde als sphärische Al₂O₃-Partikel verwendet.
(Schneidleistung)

Die Schneidleistungsbewertung der erhaltenen beschichteten Werkzeuge wurde bewertet, um die Verschleißwiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit der hergestellten beschichteten Werkzeuge zu beurteilen. Die Bewertungsbedingungen sind wie folgt. Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Bewertung des Verschleißwiderstandes
Bearbeitungsverfahren: Drehvorgang
Werkstück: S45C Rundstab
Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min
Schnitttiefe: 1,5 mm
Vorschub: 0,3 mm/Umdrehung
Bearbeitungszustand: Nass
Bewertungsverfahren: Bewertung anhand der Schnittzeit bis zum Erreichen einer Freiflächenverschleißbreite von 0,3 mm
Bewertung der Bruchwiderstandsfähigkeit
Bearbeitungsverfahren: Drehvorgang
Werkstück: S45C Rundstab mit 16 Nuten
Schnittgeschwindigkeit: 100 m/min
Schnitttiefe: 1,0 mm
Vorschub: 0,3 mm/Umdrehung
Bearbeitungszustand: Nass
Bewertungsverfahren: Bewertung nach der bis zum Auftreten eines Schneidkantenbruchs vergangener Schneiddauer [Tabelle 1]

Probe Nr.	Oberflächenschicht	TiCl₄ (Vol.-%)	N2 (Vol.-%)	CH₄ (Vol.-%)	H2 (Vol.-%)	Temp. (°C)	Druck (kPa)	Zeit (Min.)	Schichtzusammensetzung	Schichtdicke (µm)	N/(C+ N)
1	erste Schicht	1,0	14,0	-	Rest	1000	30	80	TiN	1,5	1
2	erste Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	15	90	TiC	1,5	0
3	erste Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	1000	30	80	TiCN	1,5	0,6
4	erste Schicht	2,0	30,0	-	Rest	950	20	15	TiN	0,3	1
	zweite Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	75	45	TiC	0,7	0
	dritte Schicht	2,0	20,0	3,5	Rest	1000	20	30	TiCN	0,5	0,8
5	erste Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	1000	30	15	TiCN	0,3	0,6
	zweite Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	75	45	TiC	0,7	0
	dritte Schicht	2,0	20,0	3,5	Rest	1000	20	30	TiCN	0,5	0,8
6	erste Schicht	2,0	20,0	3,5	Rest	950	20	10	TiCN	0,1	0,8
	zweite Schicht	2,0	30,0	-	Rest	950	20	15	TiN	0,2	1
	dritte Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	50	45	TiC	0,7	0
	vierte Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	1000	30	30	TiCN	0,5	0,6
7	erste Schicht	2,0	-	5,0	Rest	950	30	60	TiC	1	0
7	zweite Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	950	30	30	TiCN	0,5	0,6
8	erste Schicht	2,0	30,0	-	Rest	950	15	15	TiN	0,3	1
	zweite Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	15	45	TiC	0,7	0
	dritte Schicht	1,0	14,0	-	Rest	1000	15	30	TiN	0,5	1
9	erste Schicht	2,0	30,0	-	Rest	950	15	15	TiN	0,3	1
	zweite Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	1000	30	15	TiCN	0,3	0,6
	dritte Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	50	60	TiC	0,9	0
10	erste Schicht	2,0	20,0	3,5	Rest	950	30	30	TiCN	0,5	0,6
10	zweite Schicht	1,0	14,0	-	Rest	1000	15	60	TiN	1	1
11	erste Schicht	1,5	10,5	1,5	Rest	1000	30	30	TiCN	0,5	0,8
11	zweite Schicht	1,0	14,0	-	Rest	1000	15	60	TiN	1	1
12	erste Schicht	2,0	30,0	-	Rest	950	15	15	TiN	0,3	1
12	zweite Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	50	75	TiC	1,2	0
13	erste Schicht	1,0	14,0	-	Rest	1000	30	15	TiN	0,3	1
13	zweite Schicht	2,0	-	5,0	Rest	1000	50	75	TiC	1,2	0

[Tabelle 2]

Probe Nr.	erste Erosionsrate (µm/min)	zweite Erosionsrate (µm/min)	Bewertung der Freiflächenabnutzung (min)	Bewertung der Bruchwiderstandsfähigkeit (min)
1	0,4	2,7	15	28
2	0,03	1,2	35	10
3	0,15	1,5	20	17
4	0,04	3	40	35
5	0,04	1,4	33	12
6	0,01	3	48	40
7	0,01	1,2	35	10
8	0,04	5	38	35
9	0,08	5	42	35
10	0,2	2	20	31
11	0,2	1,6	20	22
12	0,1	2,1	36	32
13	0,1	1,9	30	25

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, wiesen die Proben Nr. 1, 2, 3, 5, 7, 10, 11 und 13, bei denen es sich um Vergleichsbeispiele handelte, eine schlechte Verschleißwiderstandsfähigkeit der Freifläche oder Bruchwiderstandsfähigkeit auf. Die einzelnen beschichteten Werkzeuge der vorliegenden Offenbarung wiesen eine ausgezeichnete Verschleißwiderstandsfähigkeit und Bruchwiderstandsfähigkeit auf.
Bezugszeichenliste

1: beschichtetes Werkzeug (Schneideinsatz)
2: Basis bzw. Grundkörper
3: Beschichtungsschicht
4: Oberfläche
5: erste Fläche
6: zweite Fläche
7: Schneidkante
8: Al₂O₃-Schicht
9: Oberflächenschicht
10: erste Oberfläche
11: zweite Oberfläche
101: Schneidwerkzeug
102: Halter
102a: erstes Ende
102b: zweites Ende
103: Tasche
104: Schraube

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 2017221992 [0004]
WO 2017163972 [0006]

Claims

Ein beschichtetes Werkzeug, das eine Basis und eine Beschichtungsschicht aufweist, die auf der Basis angeordnet ist, wobei die Beschichtungsschicht aufweist eine Al₂O₃-Schicht und eine Oberflächenschicht, die in einem Bereich von einer ersten Oberfläche an einer von der Basis abgewandten Seite in der Al₂O₃-Schicht zu einer zweiten Oberfläche angeordnet ist, die eine Oberfläche der Beschichtungsschicht ist, wobei die Oberflächenschicht eine erste Erosionsrate von 0,1 µm/min oder weniger hat, die durch Messung erhalten wird, indem man eine Flüssigkeit A, in der 3 Massen-% amorphe Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,1-1,3 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit der Oberflächenschicht kollidieren lässt, und die Oberflächenschicht eine zweite Erosionsrate von 2,0 µm/min oder mehr hat, die durch Messung erhalten wird, indem man eine Flüssigkeit B, in der 3 Massen-% kugelförmige Al₂O₃-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,8-3,2 µm in gereinigtem Wasser dispergiert sind, mit der Oberflächenschicht kollidieren lässt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächenschicht eine TiN-Schicht, eine TiC-Schicht und eine TiCN-Schicht in dieser Reihenfolge von einer Seite der Al₂O₃-Schicht aus aufweist.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschicht eine TiCN-Schicht aufweist, die Ti, C und N enthält, und N/(C+N) der TiCN-Schicht 0,7 oder mehr beträgt.
Ein Schneidwerkzeug, aufweisend: einen Halter, der eine Länge von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende hat und eine Tasche aufweist, die an einer Seite des ersten Endes angeordnet ist, und das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das beschichtete Werkzeug in der Tasche angeordnet ist.