DE112021005580T5

DE112021005580T5 - Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug, welches das beschichtete werkzeug aufweist

Info

Publication number: DE112021005580T5
Application number: DE112021005580.1T
Authority: DE
Inventors: Ryoma Nomiyama; Ayano TANAKA
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2023-08-17
Also published as: CN116324023A; WO2022085450A1; JP7471440B2; JPWO2022085450A1

Abstract

Ein beschichtetes Werkzeug (1) der vorliegenden Offenbarung weist eine erste Fläche (5), eine zweite Fläche (7), eine Schneidkante (11), die an zumindest einem Teil einer Kammlinie zwischen der ersten Fläche (5) und der zweiten Fläche (7) angeordnet ist, eine dritte Fläche (9), die zur ersten Fläche (5) entgegengesetzt ist, und ein Durchgangsloch (15) auf, das sich von der ersten Fläche (5) zur dritten Fläche (9) erstreckt. Eine Innenwand (17), die das Durchgangsloch (15) bildet, hat zumindest in einem mittleren Abschnitt eine bindephasenreiche Schicht (19) mit einem höheren Bindephasengehalt als das Innere der Basis (3). Die Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht (19) an dem mittleren Abschnitt ist größer als die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht (19) in einem Endabschnitt einer Innenwand. Die Beschichtungsschicht (30) ist zumindest auf der bindephasenreichen Schicht (19) angeordnet. Die Beschichtungsschicht (30) weist eine erste Schicht (31) auf, die kubisches Titancarbonitrid enthält. Die erste Schicht (31) hat einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) von Titancarbonitrid von 3,0 oder mehr, ermittelt durch Röntgenbeugungsanalyse.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, das bei der spanenden Bearbeitung verwendet wird, und ein Schneidwerkzeug, das das beschichtete Werkzeug aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Cermets, die Titan (Ti) als einen Hauptbestandteil enthalten, sind weithin als Basis für ein Element verwendet worden, das Verschleißfestigkeit, Gleitfähigkeit und Ausbruchwiderstandsfähigkeit für ein Schneidwerkzeug, ein verschleißfestes Element, ein Gleitelement und dergleichen erfordert.
Beispielsweise beschreibt Patentdokument 1 einen oberflächenbeschichteten Cermet-Schneideinsatz auf der Basis von Titancarbonitrid, der ein Durchgangsloch zur Befestigung an einem Werkzeugkörper aufweist. In Patentdokument 1 wird beschrieben, dass auf einer Innenfläche des Durchgangslochs zur Befestigung eine metall-verschmutzungsresistente Schicht vorgesehen ist, um einen Einsatz mit weniger anormalen Beschädigungen selbst bei hochbelastetem Schneiden zu schaffen.
ZITATENLISTE
PATENTLITERATUR
Patentdokument 1: JP 2012-245581 A
KURZERLÄUTERUNG
Das beschichtete Werkzeug der vorliegenden Offenbarung ist ein beschichtetes Werkzeug, das eine Basis, die ein Cermet ist, das ein hartes Partikel und eine Bindephase aufweist, und eine Beschichtungsschicht aufweist, die auf der Basis angeordnet ist. Das beschichtete Werkzeug weist eine erste Fläche, eine zweite Fläche, eine Schneidkante, die an zumindest einem Teil einer Kammlinie zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet ist, eine dritte Fläche, die zur ersten Fläche entgegengesetzt ist, und ein Durchgangsloch auf, das sich von der ersten Fläche zur dritten Fläche erstreckt. Eine Innenwand, die das Durchgangsloch bildet, hat zumindest in einem mittleren Abschnitt eine bindephasenreiche Schicht mit einem höheren Bindephasengehalt als das Innere der Basis. Eine Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht an dem mittleren Abschnitt ist größer als die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht an einem Endabschnitt der Innenwand. Die Beschichtungsschicht ist zumindest auf der bindephasenreichen Schicht angeordnet. Die Beschichtungsschicht weist eine erste Schicht auf, die kubisches Titancarbonitrid enthält. Die erste Schicht hat einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) von Titancarbonitrid von 3,0 oder mehr, ermittelt durch Röntgenbeugungsanalyse.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für das beschichtete Werkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts einer weiteren Ausführungsform des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts einer weiteren Ausführungsform des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine schematische vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht, die in dem beschichteten Werkzeug der vorliegenden Offenbarung vorhanden ist.
7 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts des beschichteten Werkzeugs in dem Schneidwerkzeug der vorliegenden Offenbarung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beschichtetes Werkzeug
Nachfolgend wird ein beschichtetes Werkzeug der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Jede der Figuren, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, ist jedoch eine vereinfachte Darstellung nur der Hauptelemente, die für die Beschreibung der Ausführungsformen notwendig sind. So kann das beschichtete Werkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung jede beliebige Komponente aufweisen, die nicht in einer jeden der genannten Figuren gezeigt ist. Die Abmessungen der Elemente in den Zeichnungen geben nicht die tatsächlichen Abmessungen der Komponentenelemente, die Größenverhältnisse der Elemente oder ähnliches wieder. Die oben beschriebenen Punkte werden in ähnlicher Weise auf ein später beschriebenes Schneidwerkzeug angewandt.
Bei einem beschichteten Werkzeug, das bei spanabhebender Bearbeitung verwendet wird, ist es wünschenswert, anormale Schäden zu minimieren. Die vorliegende Offenbarung stellt ein beschichtetes Werkzeug mit weniger anormalen Schäden und ein Schneidwerkzeug bereit, das das beschichtete Werkzeug aufweist.
Das beschichtete Werkzeug der vorliegenden Offenbarung hat eine Basis, die ein Cermet ist, das harte Partikel und eine Bindephase aufweist. Jedes der Mehrzahl der harten Partikel ist beispielsweise TiCN, TiC, TiN oder (TiM)CN, wobei M eines oder mehrere ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus W, Nb, Ta, Mo, und V besteht. Die Bindephase enthält ein Eisengruppenmetall wie Ni oder Co als einen Hauptbestandteil. Es ist zu beachten, dass der Hauptbestandteil 50 Massenprozent oder mehr der Komponentenbestandteile aufweist.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, kann die Form des beschichteten Werkzeugs 1 der vorliegenden Offenbarung beispielsweise eine viereckige Plattenform sein. Eine erste Fläche 5, die in 1 eine obere Fläche ist, ist eine sogenannte Spanfläche. Das beschichtete Werkzeug 1 weist eine zweite Fläche 7 auf, die eine mit der ersten Fläche 5 verbundene Seitenfläche ist.
Das beschichtete Werkzeug 1 hat eine dritte Fläche 9, die eine zur ersten Fläche 5 entgegengesetzte untere Fläche ist. Die zweite Fläche 7 ist mit einer jeden von der ersten Fläche 5 und der dritten Fläche 9 verbunden.
Das beschichtete Werkzeug 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Schneidkante 11 auf, die zumindest an einem Teil einer Kammlinie angeordnet ist, an der sich die erste Fläche 5 und die zweite Fläche 7 schneiden. Mit anderen Worten weist das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung die Schneidkante 11 auf, die zumindest an einem Teil der Kammlinie angeordnet ist, an der sich die Spanfläche und die Freifläche schneiden. Die Schneidkante 11 hat eine vierte Fläche, die mit der ersten Fläche 5 und der zweiten Fläche 7 zusammenhängt. Die vierte Fläche kann eine C-Fläche (Fasenfläche) sein, die durch schräges und lineares Schneiden eines Eckabschnitts zwischen der ersten Fläche 5 und der zweiten Fläche 7 entsteht. Die vierte Fläche kann eine R-Fläche (runde Fläche) sein, die durch Abrunden eines Abschnitts zwischen der ersten Fläche 5 und der zweiten Fläche 7 entsteht.
Bei dem beschichteten Werkzeug 1 kann der gesamte Außenumfang der ersten Fläche 5 die Schneidkante 11 sein, jedoch ist das beschichtete Werkzeug 1 nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann das beschichtete Werkzeug 1 die Schneidkante 11 nur an einer Seite einer viereckigen Spanfläche aufweisen, mit anderen Worten, an einer von vier vierten Flächen.
Das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung weist ein Durchgangsloch 15 auf, das sich von der ersten Fläche 5 zur dritten Fläche 9 durch die Basis 3 erstreckt. Wie in 3 gezeigt, ist zumindest in einem mittleren Abschnitt 17a einer Innenwand 17 des Durchgangslochs 15 eine bindephasenreiche Schicht 19 vorhanden. Die bindephasenreiche Schicht 19 ist ein Bereich, der harte Partikel und eine Bindephase enthält und einen höheren Bindephasengehalt hat als das Innere der Basis 3. Das Innere der Basis 3 ist ein Abschnitt, der von der Oberfläche der Basis 3 mit 500 µm oder mehr separiert ist. Die bindephasenreiche Schicht 19 muss nicht über die gesamte Innenwand 17 des Durchgangslochs 15 vorhanden sein, sondern kann zumindest an dem mittleren Abschnitt 17a angeordnet sein.
Der mittlere Abschnitt 17a ist ein Zentrum, wenn das Durchgangsloch 15 in einer Tiefenrichtung gleichmäßig in neun Abschnitte unterteilt ist. Ein Endabschnitt 17b ist ein Ende, wenn das Durchgangsloch 15 in der Tiefenrichtung gleichmäßig in neun Abschnitte unterteilt ist.
Wie in 3 gezeigt, ist bei dem beschichteten Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung die Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht 19 am mittleren Abschnitt 17a der Innenwand 17, die das Durchgangsloch 15 bildet, größer als die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht 19 am Endabschnitt 17b der Innenwand 17, die das Durchgangsloch 15 bildet. Die Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht 19 am mittleren Abschnitt 17a und die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht 19 am Endabschnitt 17b sind jeweils Durchschnittswerte. Die Dicken T1 und T2 werden durch Betrachtung eines Querschnitts des beschichteten Werkzeugs 1 unter Verwendung eines metallurgischen Mikroskops oder eines Elektronenmikroskops gemessen. Die bindephasenreiche Schicht 19 muss im Endabschnitt 17b nicht vorhanden sein.
Da das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung eine solche Konfiguration hat, wird eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1, die von der Innenwand 17 ausgeht, auf die eine große Kraft ausgeübt wird, wenn das beschichtete Werkzeug 1 am Halter (nicht gezeigt) befestigt wird, unterdrückt.
6 ist eine schematische vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht, die in dem beschichteten Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung vorhanden ist. Wie in 6 gezeigt, weist das beschichtete Werkzeug 1 eine Beschichtungsschicht 30 auf.
Die Beschichtungsschicht 30 ist zumindest auf der bindephasenreichen Schicht 19 angeordnet. Die Beschichtungsschicht 30 kann in der Basis 3 auf der ersten Fläche 5 angeordnet sein oder kann auf einer anderen Fläche als der ersten Fläche 5 angeordnet sein. Die Beschichtungsschicht 30 verbessert die Eigenschaften des beschichteten Werkzeugs 1 bei der spanabhebenden Bearbeitung, wie z.B. die Verschleißfestigkeit und die Ausbruchwiderstandsfähigkeit.
Die Beschichtungsschicht 30 weist eine erste Schicht 31 und eine zweite Schicht 32 auf. Die erste Schicht 31 ist auf der ersten Fläche 5 angeordnet und enthält kubisches Titancarbonitrid. Die zweite Schicht 32 ist auf und in Kontakt mit der ersten Schicht 31 angeordnet. Die zweite Schicht 32 kann z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthalten.
Zwischen der ersten Schicht 31 und der Basis 3 kann eine Titannitridschicht 33 vorgesehen sein. Bei einer derartigen Konfiguration ist die Haftfähigkeit zwischen der Basis 3 und der ersten Schicht 31 hoch.
Die erste Schicht 31 weist eine Titancarbonitridschicht 34 auf. Zusätzlich zum Titancarbonitrid kann die erste Schicht 31 beispielsweise ein Carbid, ein Nitrid, ein Oxid, ein Carboxid und ein Carboxynitrid des Titans enthalten. Solange die erste Schicht 31 kubisches Titancarbonitrid enthält, kann die erste Schicht 31 eine Einschicht-Struktur oder eine Struktur aufweisen, bei der eine Mehrzahl von Schichten übereinander angeordnet sind.
Die Hauptbestandteile der Titannitridschicht 33 und der Titancarbonitridschicht 34 sind Titannitrid bzw. Titancarbonitrid. Unter einem „Hauptbestandteil“ ist ein Bestandteil zu verstehen, der im Vergleich zu den anderen Bestandteilen den größten Massenprozentwert aufweist. Die Titannitridschicht 33 und die Titancarbonitridschicht 34 können andere Bestandteile als Titannitrid bzw. Titancarbonitrid enthalten.
Die Beschichtungsschicht 30 kann nur die erste Schicht 31 und die zweite Schicht 32 aufweisen, jedoch auch eine andere Schicht als diese. Beispielsweise kann eine weitere Schicht zwischen der Basis 3 und der ersten Schicht 31 vorhanden sein, oder eine weitere Schicht kann auf der zweiten Schicht 32 vorhanden sein.
Die erste Schicht 31 ist zumindest auf der bindephasenreichen Schicht 19 angeordnet. Die erste Schicht 31 hat einen Abschnitt, der eine höhere Härte hat als die bindephasenreiche Schicht 19. Durch eine solche Konfiguration wird die Verschleißfestigkeit des Klemmabschnitts erhöht. Die erste Schicht 31 kann durch ein CVD-Verfahren oder ein PVD-Verfahren hergestellt werden.
Die erste Schicht 31 hat bei der Röntgenbeugungsanalyse (XRD)einen Maximal-Peak in einer (220)-Ebene unter den Kristallebenen des kubischen Titancarbonitrids. Der Orientierungskoeffizient Tc (220) des Titancarbonitrids aus der Röntgenbeugungsanalyse beträgt 3,0 oder mehr. Bei einer solchen Konfiguration ist die Haftkraft zwischen der bindephasenreichen Schicht 19 und der ersten Schicht 31 erhöht und ist ein Ablösen von der Grenzfläche zwischen der bindephasenreichen Schicht 19 und der ersten Schicht 31 weniger wahrscheinlich, wodurch eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1 aufgrund von Ablösen unterdrückt wird. In einem Fall, in dem eine andere Schicht zwischen der ersten Schicht 31 und der bindephasenreichen Schicht 19 vorhanden ist, wird die Adhäsionskraft zwischen der anderen Schicht und der ersten Schicht 31 erhöht und ist ein Ablösen von der Grenzfläche zwischen der anderen Schicht und der ersten Schicht 31 weniger wahrscheinlich, wodurch eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1 aufgrund von Ablösen unterdrückt wird.
Der Orientierungskoeffizient Tc (hkl) wird nach der folgenden Formel berechnet. $Tc (hkl) = {I (hkl) / I_{0} (hkl)} / [(1 / 7) \times \sum {I (HKL) / I_{0} (HKL)}]$
Hier steht (HKL) für alle Kristallebenen (111), (200), (220), (311), (331), (420) und (422). Ferner steht (hkl) für jede Kristallebene.
I (HKL) und I (hkl) stellen die Peakintensitäten der Peaks dar, die zu den jeweiligen Kristallebenen gehören, die in der Röntgenbeugungsanalyse des kubischen Titancarbonitrids der ersten Schicht 31 nachgewiesen wurden.
I₀ (HKL) und I₀ (hkl) korrespondieren zu den in der JCPDS-Karte Nr. 00-042-1489 beschriebenen Standardbeugungsintensitäten jeder Kristallebene.
Der Orientierungskoeffizient Tc (hkl) kann an der ebenen oberen Fläche der ersten Schicht 31 gemessen werden und wird beispielsweise an der zweiten Fläche 7 gemessen.
Beispiele für die zweite Schicht 32, die Aluminiumoxid enthält, weisen α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃), γ-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und κ-Aiuminiumoxid (κ-Al₂O₃) auf. Unter diesen kann, wenn die zweite Schicht 32 α-Aluminiumoxid enthält, die Hitzebeständigkeit des beschichteten Werkzeugs 1 verbessert werden. Die zweite Schicht 32 kann so eingerichtet sein, dass sie nur eine der oben beschriebenen Verbindungen enthält, oder sie kann so eingerichtet sein, dass sie eine Mehrzahl der oben beschriebenen Verbindungen enthält.
Ob es sich bei dem in der zweiten Schicht 32 enthaltenen Aluminiumoxid um eine der oben genannten Verbindungen handelt, kann beispielsweise durch eine Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und Beobachtung der Verteilung der Peakwerte ermittelt werden.
Die erste Schicht 31 kann einen anderen Bestandteil als Titancarbonitrid enthalten. Die zweite Schicht 32 kann einen anderen Bestandteil als Aluminiumoxid enthalten. Zum Beispiel kann die erste Schicht 31 Aluminiumoxid enthalten. Die zweite Schicht 32 kann eine Titanverbindung wie Titancarbonitrid enthalten. In einem solchen Fall wird die Bindungsfähigkeit zwischen der ersten Schicht 31 und der zweiten Schicht 32 verbessert.
Die bindephasenreiche Schicht 19 hat eine geringere Härte als die der Basis 3 und eine höhere als die einer metall-verschmutzungsresistenten Schicht, wie sie im Patentdokument 1 beschrieben ist. Daher ist die Verformung der bindephasenreichen Schicht 19 stärker unterdrückt als die der metall-verschmutzungsresistenten Schicht.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist, wenn das beschichtete Werkzeug 1 mit einer Klemme an einem Halter befestigt wird, die örtliche Kraft, die auf die Basis 3 ausgeübt wird, aufgrund der unterdrückten Verformung der bindephasenreichen Schicht 19 im mittleren Abschnitt 17a beim Kontakt zwischen dem mittleren Abschnitt 17a in der Innenwand 17 und der Klemme gering, wodurch das beschichtete Werkzeug 1 weniger wahrscheinlich reißt und anormal beschädigt wird.
Die Größe des beschichteten Werkzeugs 1 ist nicht besonders beschränkt, jedoch ist die Länge einer Seite der Spanfläche zum Beispiel auf etwa 3 mm bis 20 mm festgelegt. Die Dicke des beschichteten Werkzeugs 1 ist beispielsweise zwischen etwa 1 mm und 20 mm festgelegt. In 1 ist das beschichtete Werkzeug 1 mit einer viereckigen Form dargestellt, jedoch kann das beschichtete Werkzeug 1 z.B. auch eine dreieckige Form oder eine Scheibenform haben.
Wie in 4 gezeigt, kann das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung einen Abschnitt 21 mit vergrößertem Durchmesser aufweisen, der mit der Innenwand 17 verbunden ist. An einer Grenze zwischen dem Durchgangsloch 15 und dem Abschnitt 21 mit vergrößertem Durchmesser befindet sich eine Stufe. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist die bindephasenreiche Schicht 19 nicht auf der Innenwand des Abschnitts 21 mit vergrößertem Durchmesser vorhanden, jedoch kann die bindephasenreiche Schicht 19 in dem Abschnitt 21 mit vergrößertem Durchmesser vorhanden sein. Bei dem beschichteten Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung ist der Abschnitt 21 mit vergrößertem Durchmesser nicht in dem Durchgangsloch 15 vorhanden. Der Abschnitt 21 mit vergrößertem Durchmesser ist eine sogenannte Senkfläche. Der Durchmesser des Abschnitts 21 mit vergrößertem Durchmesser ist um 300 µm oder mehr größer als der Durchmesser des Durchgangslochs 15.
Die Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht 19 am mittleren Abschnitt 17a kann 1 µm oder mehr betragen. Die Dicke T1 kann 20 µm oder weniger betragen. Durch eine solche Konfiguration wird eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1 unterdrückt. Die Dicke T1 kann 3 µm oder mehr betragen. Die Dicke T1 kann 10 µm oder weniger betragen.
Die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht 19 am Endabschnitt 17b kann 0,2 µm oder mehr betragen. Die Dicke T2 kann 6 µm oder weniger betragen. Durch eine solche Konfiguration wird eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1 unterdrückt.
Wie in 5 gezeigt, kann ein Durchmesser R1 am mittleren Abschnitt 17a größer sein als ein Durchmesser R2 am Endabschnitt 17b. Bei einer solchen Konfiguration wird die Kontaktfläche zwischen der Klemme und der Innenwand 17 vergrößert und wird die Klemmkraft erhöht.
Der Durchmesser R1 des mittleren Abschnitts 17a kann um 5 µm oder mehr und 30 µm oder weniger größer sein als der Durchmesser R2 des Endabschnitts 17b. Eine solche Konfiguration unterdrückt eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1.
Die Härte der bindephasenreichen Schicht 19 an dem mittleren Abschnitt 17a kann 10 GPa oder mehr und 20 GPa oder weniger betragen. Gemäß einer solchen Konfiguration wird die binderphasenreiche Schicht 19 entsprechend verformt, wenn der Klemmstift mit der bindephasenreichen Schicht 19 in Kontakt kommt, und die Klemmkraft wird erhöht. Die Härte der bindephasenreichen Schicht 19 im mittleren Abschnitt 17a wird durch Messung der bindephasenreichen Schicht 19, die im Querschnitt des beschichteten Werkzeugs 1 freiliegt, mit einem Nanoindentationsverfahren gemessen.
Die bindephasenreiche Schicht 19 im mittleren Abschnitt 17a kann an der Seite der Durchgangsachse des Durchgangslochs 15 eine Metallschicht (nicht gezeigt) mit einem höheren Bindephasengehalt aufweisen als die bindephasenreiche Schicht 19. Die Metallschicht weist keine Hartschicht auf und ist nur aus einem Metall gebildet. Bei einer solchen Konfiguration wirkt die Metallschicht als ein Puffermaterial zwischen einer weiter unten beschriebenen Klemme und der bindephasenreichen Schicht 19, wodurch eine anormale Beschädigung des beschichteten Werkzeugs 1 verhindert wird. Die Metallschicht kann eine Dicke von 0,3 µm oder mehr und 2 µm oder weniger haben.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Ein Rohmaterialpulver, das zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, wird im Allgemeinen zur Herstellung eines Cermets verwendet.
Die Basis kann beispielsweise 40 Masse-% oder mehr und 80 Masse-% oder weniger TiCN als harte Partikel und 6 Masse-% oder mehr und 30 Masse-% oder weniger Co als eine Bindephase enthalten. Um die Eigenschaften weiter zu verbessern, kann die Basis WC, TaC, NbC, Mo₂C, VC, ZrC oder ähnliches enthalten.
Das Rohmaterial mit der oben beschriebenen Zusammensetzung wird in eine Form geformt, die nach dem Brennen einen Raum als Durchgangsloch hat. Danach wird das Brennen beispielsweise bei einer Temperatur von 1400°C oder mehr und 1600°C oder weniger durchgeführt. Die Brennatmosphäre kann eine N₂-Partialdruckatmosphäre sein.
Wenn der N₂-Partialdruck 1 kPa oder mehr beträgt, wird die bindephasenreiche Schicht nach dem Sintern dick. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße d50 der als Material verwendeten Hartpartikel 0,7 µm oder weniger beträgt, kann an der Seite der Durchgangsachse (nicht gezeigt) des Durchgangslochs eine binderphasenreiche Schicht mit einer Metallschicht erhalten werden, die eine größere Menge an Binderphase enthält als die binderphasenreiche Schicht.
Wenn der Formungsdruck zum Zeitpunkt der Formgebung hoch ist, kann die Verformung zum Zeitpunkt des Brennens unterdrückt werden. Andererseits ist der Durchmesser R1 im mittleren Abschnitt der Innenwand tendenziell größer als der Durchmesser R2 an den Endabschnitten, wenn der Formungsdruck zum Zeitpunkt der Formgebung reduziert wird. Die Beziehung zwischen dem Formungsdruck und der Verformung variiert je nach Zusammensetzung und Brenntemperatur und wird daher in verschiedenen Kombinationen eingestellt.
Beispielsweise wird eine rotierende Bürste nach dem Sintern von beiden Endabschnitten des Durchgangslochs aus in das Durchgangsloch eingeführt, und die Innenwand des Durchgangslochs wird so poliert, dass die bindephasenreiche Schicht im mittleren Abschnitt eine Dicke T1 hat, die größer ist als die Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht an den Endabschnitten. Die Bürste kann von beiden Seiten des Durchgangslochs oder von einer Seite aus in zwei Schritten eingeführt werden.
Eine Beschichtungsschicht wird auf der Oberfläche der Basis durch ein Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) gebildet. Zunächst wird eine Titancarbonitridschicht als eine erste Schicht auf einer Oberfläche der Basis gebildet. Ein erstes Gasgemisch wird hergestellt, indem 0,5 Vol.-% oder mehr und 10 Vol.-% oder weniger eines Titantetrachloridgases, 1 Vol.-% oder mehr und 60 Vol.-% oder weniger eines Stickstoffgases und 0,1 Vol.-% oder mehr und 3,0 Vol.-% oder weniger eines Acetonitrilgases mit einem Wasserstoffgas gemischt werden. Während das erste Gasgemisch in die Kammer eingeleitet wird, wird die Menge des Acetonitrilgases ab dem Beginn der Schichtbildung um 0,4 Vol.-% pro Stunde erhöht. Zu diesem Zeitpunkt wird das erste Gasgemisch mit einem Gaspartialdruck von 6 kPa oder mehr und 12 kPa oder weniger in die Kammer eingeleitet, und die MT-Titancarbonitrid enthaltende Titancarbonitridschicht wird in einem Temperaturbereich von 830°C oder mehr und 870°C oder weniger gebildet.
Die zweite Schicht 32 wird gebildet. Die Temperatur zur Bildung der Schicht ist auf 950°C bis 1100°C festgelegt, der Gasdruck ist auf 5 kPa bis 20 kPa festgelegt, und 5 Vol.-% oder mehr und 15 Vol.-% oder weniger Aluminiumtrichlorid (AlCl₃)-Gas, 0,5 Vol.-% oder mehr und 2,5 Vol.-% oder weniger Chlorwasserstoff-(HCI)-Gas, 0,5 Vol.-% oder mehr und 5,0 Vol.-% oder weniger Kohlendioxid-Gas und 0 Vol.-% oder mehr und 1 Vol.-% oder weniger Schwefelwasserstoff-(H₂S)-Gas gemischt werden, um ein zweites Gasgemisch zu bilden. Das zweite Gasgemisch wird in die Kammer eingeleitet, um die zweite Schicht 32 zu bilden. So kann das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung erhalten werden.
Eine bindephasenreiche Schicht kann zu einem Zeitpunkt nach dem Brennen in einem anderen Bereich als dem Durchgangsloch vorhanden sein, beispielsweise auf der ersten Fläche, der zweiten Fläche und der dritten Fläche, jedoch kann die bindephasenreiche Schicht bei Bedarf entfernt werden.
Schneidwerkzeug
Das Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 7 gezeigt, ist ein Schneidwerkzeug 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung beispielsweise ein stabförmiger Körper, der sich von einem ersten Ende (einem oberen Ende in 7) zu einem zweiten Ende (einem unteren Ende in 7) erstreckt. Wie in 7 gezeigt, ist das Schneidwerkzeug 101 mit einem Halter 105 und dem beschichteten Werkzeug 1 versehen. Der Halter 105 weist an einer ersten Endseite (vordere Endseite) eine Tasche 103 auf. Das beschichtete Werkzeug 1 ist in der Tasche 103 angeordnet.
Wie in 8 gezeigt, wird eine Klemme 107 in das Durchgangsloch 15 (siehe 1) des beschichteten Werkzeugs 1 eingeführt. In dem in 8 gezeigten Beispiel steht die Klemme 107 in direktem oder indirektem Kontakt mit der bindephasenreichen Schicht 19 (siehe 2), die im mittleren Abschnitt 17a angeordnet ist. Der indirekte Kontakt zwischen der Klemme 107 und der bindephasenreichen Schicht 19 bezeichnet einen Zustand, in dem eine Metallschicht oder eine Beschichtungsschicht zwischen der bindephasenreichen Schicht 19 und der Klemme 107 angeordnet ist. Da sich die bindephasenreiche Schicht 19, mit der die Klemme 107 in Kontakt steht, leichter verformen lässt als die Basis 3, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine lokal starke Kraft auf das beschichtete Werkzeug 1 einwirkt. Wenn die bindephasenreiche Schicht 19 vorhanden ist, ist die Kontaktfläche zwischen der Klemme 107 und der bindephasenreichen Schicht 19 groß, so dass sich das beschichtete Werkzeug 1 beim Schneiden weniger wahrscheinlich in der Tasche bewegt. In Kombination mit solchen Effekten ist es weniger wahrscheinlich, dass das beschichtete Werkzeug 1 der vorliegenden Offenbarung anormal beschädigt wird. Da das Schneidwerkzeug 101 das beschichtete Werkzeug 1 aufweist, kann eine stabile spanabhebende Bearbeitung über einen langen Zeitraum hinweg durchgeführt werden.
Die Tasche 103 ist ein Abschnitt, in dem das beschichtete Werkzeug 1 montiert ist, und weist eine Sitzfläche, die parallel zu einer unteren Fläche des Halters 105 ist, und eine Verbindungsseitenfläche auf, die in Bezug auf die Sitzfläche geneigt ist. Die Tasche 103 ist an der ersten Endseite des Halters 105 offen.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist in der Tasche 103 angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt kann die untere Fläche des beschichteten Werkzeugs 1 in direktem Kontakt mit der Tasche 103 stehen, und eine Platte (nicht gezeigt) kann zwischen dem beschichteten Werkzeug 1 und der Tasche 103 angeordnet sein.
Das beschichtete Werkzeug 1 ist so an dem Halter 105 befestigt, dass zumindest ein Teil eines Abschnitts, der als Schneidkante 11 verwendet wird, an welche sich die Spanfläche und die Freifläche schneiden, von dem Halter 105 aus vorsteht. In der vorliegenden Ausführungsform ist das beschichtete Werkzeug 1 mittels einer Klemme 107 am Halter 105 befestigt. Das heißt, das beschichtete Werkzeug 1 wird am Halter 105 befestigt, indem die Klemme 107 in das Durchgangsloch 15 des beschichteten Werkzeugs 1 eingeführt wird, das vordere Ende der Klemme 107 in ein in der Tasche 103 ausgebildetes Schraubenloch (nicht dargestellt) eingeführt wird und Schraubenabschnitte miteinander verschraubt werden.
Als ein Material für den Halter 105 kann Stahl oder Gusseisen verwendet werden. Unter diesen Materialien kann Stahl mit hoher Zähigkeit verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielhaft ein Schneidwerkzeug 101, das bei einer sogenannten Drehbearbeitung verwendet wird, beispielhaft beschrieben. Beispiele für die Drehbearbeitung weisen Bohren, Außendurchmesserbearbeitung, Nutformen und Endflächenbearbeitung auf. Es ist zu beachten, dass das Schneidwerkzeug 101 nicht auf solche beschränkt ist, die bei der Drehbearbeitung verwendet werden. Zum Beispiel kann das beschichtete Werkzeug 1 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform als Schneidwerkzeug 101 für eine Fräsbearbeitung verwendet werden.
BEISPIEL
Nachfolgend wird das beschichtete Werkzeug der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Die Basis wurde wie folgt hergestellt. Nach Zugabe eines Bindemittels zu dem Rohmaterialpulver, das 40 Masse-% TiCN, 12 Masse-% TiN, 20 Masse-% WC, 8 Masse-% NbC, 20 Masse-% Co enthält, wurde das Rohmaterialpulver durch Pressformen in eine gewünschte Form gebracht und so ein Pressling mit einer Werkzeugform mit einem Durchgangsloch hergestellt. Diese Rohmaterialpulver werden im Allgemeinen für die Herstellung eines Cermets verwendet. Die Zusammensetzung der Basis der vorliegenden Offenbarung ist ebenfalls nicht spezifisch. Danach wurde der Bindemittelbestandteil entfernt und wurde die Basis in einer Stickstoffgasatmosphäre von 3 kPa bei einer Temperatur von 1530°C eine Stunde lang gebrannt, wodurch eine Basis erhalten wurde, der eine bindephasenreiche Schicht mit einer Metallschicht an der Innenwand des Durchgangslochs aufweist. Danach wurde eine Beschichtungsschicht auf der Grundlage des oben beschriebenen Schritts zur Bildung einer Beschichtungsschicht auf der Basis gebildet.
Danach wurde die Innenwand des Durchgangslochs mit einer Bürste poliert, um ein beschichtetes Werkzeug mit der in Tabelle 1 gezeigten Konfiguration herzustellen. Ein Abschnitt, in dem die binderphasenreiche Schicht nicht vorhanden ist oder die Dicke der bindephasenreichen Schicht gering ist, wird durch Erhöhen der Polierzeit mit der Bürste erhalten.
(Tabelle 1)

TABELLE 1

Probe Nr.	Vorhandensein oder Fehlen einer bindephasenreichen Schicht	Vorhandensein oder Fehlen einer Metallschicht	Dicke (µm) der bindephasenreichen Schicht
Probe Nr.	Vorhandensein oder Fehlen einer bindephasenreichen Schicht	Vorhandensein oder Fehlen einer Metallschicht	T1	T2
1	Fehlen	Fehlen	-	-
2	Vorhanden	Fehlen	0,1	0,1
3	Vorhanden	Fehlen	1,0	0,2
4	Vorhanden	Fehlen	5,0	0,8
5	Vorhanden	Fehlen	10,0	2,0
6	Vorhanden	Fehlen	20,0	6,0
7	Vorhanden	Fehlen	15,0	10,0
8	Vorhanden	Fehlen	21,0	6,0
9	Vorhanden	Fehlen	2,0	10,0

Bei jedem der beschichteten Werkzeuge wurden die erste Fläche, die zweite Fläche und die dritte Fläche gestrahlt, um die binderphasenreiche Schicht zu entfernen.
Das Polieren mit der Bürste erfolgte durch Auftragen einer Polierflüssigkeit, in der 0,1 µm bis 3 µm Diamantpulver und ein Schmieröl gemischt waren, auf eine Schweinehaarbürste und Einführen der Schweinehaarbürste in das Durchgangsloch unter Rotation der Schweinehaarbürste.
Die Dicken im mittleren Abschnitt und in den Endabschnitten der bindephasenreichen Schicht, der Durchmesser R1 am mittleren Abschnitt und der Durchmesser R2 an den Endabschnitten wurden an einem Querschnitt gemessen, der durch Schneiden der Basis entlang einer Ebene, die die Durchgangsachse in Richtung der Dicke aufweist, erhalten wurde.
Wenn die Härte des Inneren der Basis und die Härte der bindephasenreichen Schicht an einem Querschnitt des beschichteten Werkzeugs gemessen wurden, war die Härte der bindephasenreichen Schicht geringer als die Härte des Inneren der Basis.
Das so erhaltene beschichtete Werkzeug wurde in eine Tasche eines Halters gegeben, eine Klemme wurde in ein Durchgangsloch des beschichteten Werkzeugs eingeführt, und das beschichtete Werkzeug wurde durch die Klemme fixiert. Anschließend wurde ein Schneidetest unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.

Bruchfestigkeitstest
Werkstück: SCM435 mit vier Nuten (5 mm Breite)
Schnittgeschwindigkeit: 300 m/min
Vorschub: 0,3 mm/Umdrehung
Schnitttiefe: 0,5 mm
Zustand des Schneidens: Nass
Verfahren zur Bewertung: Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Ausbrechungen oder Brüchen nach 10.000 Schlägen wurde bestimmt.

In den ersten Schichten aller Proben in Tabelle 1 betrug der Orientierungskoeffizient Tc (220) von Titancarbonitrid gemäß Röntgenbeugungsanalyse 3,5. Anormale Schäden traten in den Proben Nr. 1, 2 und 9 auf, die nicht die Konfiguration des beschichteten Werkzeugs der vorliegenden Offenbarung hatten. Bei dem beschichteten Werkzeug der vorliegenden Offenbarung wurden anormale Schäden unterdrückt. Das beschichtete Werkzeug wurde gut durch den Halter gehalten, und die Oberflächenrauheit des bearbeiteten Werkstücks war ebenfalls gut.
Das beschichtete Werkzeug der vorliegenden Offenbarung und das damit versehene Schneidwerkzeug, die oben beschrieben sind, sind Beispiele und können unterschiedliche Konfigurationen haben, sofern sie nicht vom Geist der vorliegenden Anmeldung abweichen.
Bezugszeichenliste

1: Beschichtetes Werkzeug
3: Basis
5: Erste Fläche
7: Zweite Fläche
9: Dritte Fläche
11: Schneidkante
15: Durchgangsloch
17: Innenwand
17a: Mittlerer Abschnitt
17b: Endabschnitt
19: Bindephasenreiche Schicht
21: Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser
T1: Dicke der bindephasenreichen Schicht am mittleren Abschnitt
T2: Dicke der bindephasenreichen Schicht am Endabschnitt
R1: Durchmesser am mittleren Abschnitt
R2: Durchmesser am Endabschnitt
101: Schneidwerkzeug
103: Tasche
105: Halter
107: Klemme

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 2012245581 A [0004]

Claims

Ein beschichtetes Werkzeug, aufweisend: eine Basis, die ein Cermet ist, das ein hartes Partikel und eine Bindephase aufweist, und mit einer Beschichtungsschicht, die auf der Basis angeordnet ist, wobei das beschichtete Werkzeug aufweist: eine erste Fläche, eine zweite Fläche, eine Schneidkante, die an zumindest einem Teil einer Kammlinie zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet ist, eine dritte Fläche, die entgegengesetzt zur ersten Fläche angeordnet ist, und ein Durchgangsloch, das sich von der ersten Fläche zu der dritten Fläche erstreckt, eine das Durchgangsloch bildende Innenwand zumindest an einem mittleren Abschnitt eine bindephasenreiche Schicht mit einem höheren Bindephasengehalt als das Innere der Basis aufweist, eine Dicke T1 der bindephasenreichen Schicht an dem mittleren Abschnitt größer ist als eine Dicke T2 der bindephasenreichen Schicht an einem Endabschnitt der Innenwand, die Beschichtungsschicht zumindest auf der bindephasenreichen Schicht angeordnet ist, die Beschichtungsschicht eine erste Schicht aufweist, die kubisches Titancarbonitrid enthält, und die erste Schicht einen Orientierungskoeffizienten Tc (220) des Titancarbonitrids von 3,0 oder mehr aufweist, ermittelt durch Röntgenbeugungsanalyse.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke T1 1 µm oder mehr und 20 µm oder weniger beträgt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke T2 0,2 µm oder mehr und 6 µm oder weniger beträgt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Durchmesser R1 am mittleren Abschnitt größer ist als ein Durchmesser R2 am Endabschnitt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß Anspruch 4, wobei der Durchmesser R1 um 5 µm oder mehr und 30 µm oder weniger größer ist als der Durchmesser R2.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Härte der bindephasenreichen Schicht am mittleren Abschnitt 10 GPa oder mehr und 20 GPa oder weniger beträgt.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die bindephasenreiche Schicht am mittleren Abschnitt an einer Seite einer Durchgangsachse des Durchgangslochs eine Metallschicht aufweist, die einen höheren Bindephasengehalt hat als die bindephasenreiche Schicht.
Das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Beschichtungsschicht einen Abschnitt aufweist, der eine höhere Härte als die bindephasenreiche Schicht hat.
Ein Schneidwerkzeug, aufweisend: einen Halter mit einer Länge, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt und eine Tasche aufweist, die an der ersten Endseite angeordnet ist, das beschichtete Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das in der Tasche angeordnet ist, und eine Klemme, die in das Durchgangsloch des beschichteten Werkzeugs eingesetzt ist.