DE19651592C5

DE19651592C5 - Beschichtetes Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE19651592C5
Application number: DE19651592A
Authority: DE
Inventors: John J. Prizzi; Prem C. Jindal; Bernard North; William A. Bryant
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: GB2308134A; DE19651592B4; JPH09192906A; DE19651592A1; GB2308134B; US5879823A; GB9622292D0; JP2742049B2

Abstract

Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einer Spanfläche, einer Freifläche und einer am Zusammentreffen der Spanfläche und der Freifläche gebildeten Schneidkante, einem Substrat und einer an das Substrat gebundenen Beschichtung, wobei die Beschichtung einen Beschichtungsaufbau aufweist, der eine auf die Oberfläche des Substrats direkt aufgebrachte Schicht aus einer Titan-Aluminium-Legierung und eine auf die Oberfläche der Schicht aus der Titan-Aluminium-Legierung direkt aufgebrachte Schicht aus Aluminiumoxid umfasst, wobei die Titanaluminium-Legierung Titanaluminium ist, und wobei sowohl die Schicht aus der Titan-Aluminium-Legierung als auch die Schicht aus Aluminiumoxid durch physikalisches Aufdampfen gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug.
Aluminiumoxid zeigt als Rohmaterial eine hohe Oxidationsbeständigkeit, eine hohe chemische Stabilität, eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit. Aluminiumoxid weist daher wünschenswerte Eigenschaften für eine Verwendung bei materialentfernenden Anwendungen, z. B. beim Entfernen von Metall, auf. Trotz dieser wünschenswerten Eigenschaften ist die Verwendung von Schneidwerkzeugen aus Aluminiumoxid wegen der geringen Zähigkeit und der schlechten Formbarkeit von Aluminiumoxid mit Nachteilen behaftet. Zur Verbesserung der Schneidleistung haben einige Hersteller Zusätze, wie z. B. Chromoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Nickeloxid und hochschmelzende Metallcarbide, zu dem Schneidwerkzeug auf Aluminiumoxidgrundlage zugefügt. Die Anwesenheit dieser Zusätze ergab Schneidwerkzeuge aus Aluminiumoxid mit verbesserten Schneideigenschaften.
Ein weiterer Weg zur Überwindung der Nachteile von Aluminiumoxid unter Beibehaltung seiner vorteilhaften Eigenschaften besteht darin, daß zähere und leichter formbare Schneidwerkzeugsubstrate mit Hilfe von physikalischen Aufdampf-Verfahren (PVD-Verfahren) mit einem Aluminiumoxidüberzug beschichtet werden. Das Ergebnis dieser Verfahren ist ein mit Aluminiumoxid beschichtetes Schneidwerkzeug.
Obwohl mit Aluminiumoxid beschichtete Schneidwerkzeuge einen gewissen Leistungsgrad erreichen, weisen diese Schneidwerkzeuge noch Nachteile auf. Die folgenden Druckschriften betreffen in diesem Zusammenhang das Aufbringen einer amorphen Aluminiumoxidbeschichtung auf ein Substrat.
Stand der Technik
Der Artikel von Knotek et al. mit dem Titel ”Sputtered hard materials based on titanium and aluminium for wear protection”, International Pulvermet. Tagung., DDR, Dresden (1985), Seiten 181–196, erwähnt das Aufbringen von mehreren separaten Beschichtungen aus Aluminiumoxid, TIN und TiAlN durch PVD (Magnetron-Ionenzerstäubung). Der Artikel führt aus, daß diese Beschichtungen eine gleichwertige oder im Fall von TiAlN sogar bessere Leistung als CVD-Beschichtungen erbringen.
Der Artikel von Sumomogi et al., ”Adhesion Evaluation of RF-Sputtered Aluminium Oxide and Titanium Carbide Thick Films Grown on Carbide Tools”, Thin Solid Films, 79 (1981), Seiten 91–100, erörtert das Aufbringen von Aluminiumoxidbeschichtungen auf Hartmetall-Werkzeugen (ISO P 20) durch PVD.
Der Artikel von Shinzato et al., ”Internal Stress in Sputter-Deposited Al₂O₃ Films”, Thin Solid Films, 97 (1982), Seiten 333–337, erwähnt das Aufbringen einer Aluminiumoxidbeschichtung auf Hartmetall-(ISO P20), Schnelldrehstahl- und Pyrexglas-Substrate von Corning über entweder ein konventionelles Hochfrequenzgerät oder ein Hochfrequenzgerät vom Typ des planaren Magnetrons.
Der Artikel von Kazama et al., ”Alumina Films Prepared by Ion Plating” (Aluminiumoxid auf einem Wolframcarbid-Schneidwerkzeug) erwähnt das Aufbringen einer Aluminiumoxidbeschichtung auf ein WC-Substrat durch Ionenplattieren unter Bildung eines Überzugs aus alpha-Aluminiumoxid.
Die japanische Patentanmeldung JP 54-2982 A von Murayama et al. spricht die Verwendung des Ionenplattierens zum Aufbringen einer Aluminiumoxidbeschichtung (oder einer Beschichtung aus Aluminiumoxid und TiC) auf ein Substrat an. Das Praxisbeispiel II betrifft einen Aluminiumoxidüberzug auf einem Schneidwerkzeug (ISO P30-Legierung).
Ein Nachteil von mit Aluminiumoxid beschichteten Schneidwerkzeugen besteht darin, daß die Haftung zwischen dem Substrat und dem Aluminiumoxidüberzug oder der Aluminiumoxidschicht unzureichend ist. Ein Weg zur Verbesserung des Heftvermögens der Aluminiumoxidbeschichtung sieht vor, daß eine Zwischenschicht oder Zwischenschichten bereitgestellt werden. Die folgenden Druckschriften erörtern die Verwendung einer Zwischenschicht.
Ramos et al., ”Adhesion improvement of RF-sputtered alumina coatings as determined by the scratch test”, Jour. Adhesion Sci. Technol., Band 7, Nr. 8, Seiten 801–811 (1993), beschreiben die Verwendung einer Zwischenschicht aus Titan oder Titannitrid zwischen einem Substrat aus Schnelldrehstahl (AISI M2) und einer durch eine Hochfrequenzzerstäubung aufgebrachten Aluminiumoxidschicht. Zusammengefaßt ergab sich, daß die Anwesenheit einer Zwischenschicht aus Titan oder Titannitrid die Haftung der Aluminiumoxidbeschichtung an das Substrat aus Schnelldrehstahl verbesserte.
In der japanischen Patentschrift JP 57-120667 A (Doi et al.) ist im Zusammenhang mit einem Schneidwerkzeug das Aufbringen einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid über einer TiC-Grundschicht mit Hilfe eines PVD-Verfahrens beschrieben. Die äußere Schicht besteht aus TiN. Dieses Patent offenbart außerdem einen sechsschichtigen Beschichtungsaufbau, der Aluminiumoxid als äußere Schicht mit TiC, Aluminiumoxid und TiCO als Zwischenschichten unter Verwendung einer Plasma-CVD-Vorrichtung umfaßt. Beispiel Nr. 3 dieses Patents umfaßt einen achtschichtigen Beschichtungsaufbau, bei dem die äußere Schicht aus Aluminiumoxid besteht und die Zwischenschichten TiC, Aluminiumoxid, TiCO und TiCN umfassen.
Die japanische Patentanmeldung Nr. JP 4-308075 A (Matsuda et al.), erörtert das Aufbringen einer Aluminiumoxidbeschichtung auf ein Substrat durch Ionenplattieren. Das Aluminiumoxid kann direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Das Aluminiumoxid kann außerdem auf eine vorher auf dem Substrat gebildetete Zwischenschicht aufgebracht werden. Die Zwischenschicht kann Titan, Titancarbid oder Titannitrid sein.
Die DE 41 15 616 A1 offenbart die Abscheidung mehrerer Schichten aus einer Ti-Al-N_x-Legierung durch Magnetron- Sputtern im Gleichstrombetrieb. Der Beschichtungsaufbau kann mehrere Abfolgen einer dünnen, stickstoffreichen Schicht und einer dicken, stickstoffarmen Schicht aufweisen. Als mögliche Deckschicht ist Aluminiumoxid genannt.
Aus der DE 44 08 250 ist ein plasmaunterstütztes CVD-Verfahren zur Herstellung von Titanaluminiumnitridschichten mit wechselnden Zusammensetzungen bzw. einer gradientenartigen Zusammensetzung und einer Deckschicht oder -lage aus Aluminiumoxid bekannt.
Die DE 35 45 636 C2 zeigt schließlich durch Kathodenzerstäubung gebildete Hartstoffbeschichtungen, die TiAlN-Mischkristalle enthalten, in denen zusätzlich Metallnitride auf der Grundlage von Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram gelöst sind.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 7-041963 A offenbart in einem Ausführungsbeispiel ein beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer in PVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtung, die aus einer ersten, etwa 0,5 μm dicken Schicht aus (Ti, Al)N sowie einer zweiten, etwa 1,5 μm dicken Schicht aus α-Aluminiumoxid besteht.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten beschichteten Schneidwerkzeugs.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird eine kurze Beschreibung der Zeichnungen gegeben, die einen Teil dieser Patentanmeldung bilden. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs, das eine Grundschicht und eine Außenschicht aufweist; und
2 einen Querschnitt durch das Schneidwerkzeug der 1 entlang der Linie 2-2, der ein Substrat, eine Grundschicht und eine Außenschicht zeigt;
1 zeigt eine erste besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das Schneidwerkzeug 10 weist eine Spanfläche 12 und eine Freifläche 14 auf. Am Zusammentreffen der Spanfläche 12 und der Freifläche 14 ist eine Schneidkante 16 gebildet.
Das Schneidwerkzeug weist ein Substrat mit einem mehrschichtigen Beschichtungsaufbau auf, wobei in den ausgewählten Ausführungsformen die Überzugsschichten durch physikalisches Aufdampfen aufgebracht sind. Es gibt eine Vielzahl von PVD-Verfahren, mit deren Hilfe man zur Erzeugung eines beschichteten Schneidwerkzeugs eine Beschichtung auf ein Substrat aufbringen kann. Diese Verfahren umfassen alle Verfahren mit hoher Ionendichte, wie z. B. das Ionenplattieren, das Magnetronzerstäuben und die Lichtbogenverdampfung.
In 2 ist ein Schneidwerkzeug 10 dargestellt, das ein Substrat 18 zusammen mit einem zweischichtigen Beschichtungsaufbau aufweist.
Die Grundschicht 20 ist ein durch physikalisches Aufdampfen aufgebrachtes Titanaluminiumnitrid. Die TiAlN-Grundschicht 20 ist zwischen 1 und 6 Mikrometer dick. Die Verwendung der TiAlN-Schicht ergibt eine gute metallurgische Bindung zwischen dem Wolframcarbid-Cobalt-Substrat und der TiAlN-Grundschicht.
Das in 2 dargestellte Schneidwerkzeug 10 weist außerdem eine Außenschicht 22 aus Aluminiumoxid auf, die durch physikalisches Aufdampfen aufgebracht ist. Die Außenschicht 22 ist zwischen 1 und 6 Mikrometer dick. Die Anwesenheit des Aluminiums in dem TiAlN fördert zudem die Keimbildung von Aluminiumoxidkörnern in der äußeren Aluminiumoxidbeschichtung auf der Oberfläche der Titanaluminiumnitridschicht.
Der Ersatz des Titanaluminiumnitrids Titanaluminium mit einer Dicke von weniger als 0,5 Mikrometern wird von der Erfindung umfaßt, obwohl dies nicht als besondere Ausführungsform dargestellt ist. Durch eine derartige Abänderung wird ein Schneidwerkzeug erhalten werden, das ein Substrat, eine mit Hilfe eines PVD-Verfahrens aufgebrachte Grundschicht aus Titanaluminium und einer durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Außenschicht aus Aluminiumoxid umfaßt.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Substrat ein Hartmetall auf der Grundlage von Wolframcarbid und Kobalt. Das Substrat kann jedoch auch aus der aus verschiedenen Hartmetallen, Cermets, Keramiken, Werkzeugstählen, Cermets und Keramiken auf der Grundlage von kubischem Bornitrid, Zusammensetzungen auf Diamantgrundlage sowie deren Kombinationen und Verbundwerkstoffen bestehenden Gruppe ausgewählt sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen umfaßt die am meisten bevorzugte Aluminiumoxidschicht ein im wesentlichen kristallines Aluminiumoxid aus einer der bekannten Kristallphasen von Aluminiumoxid. Diese Kristallphasen umfassen alpha-Aluminiumoxid, gamma-Aluminiumoxid, delta-Aluminiumoxid, theta-Aluminiumoxid, kappa-Aluminiumoxid oder eta-Aluminiumoxid und chi-Aluminiumoxid. (Siehe Binary alloy phase diagramms, Massalski (Herausgeber), American Society for Metals, Metals Park, Ohio (1990), Seite 185). Es wird jedoch davon ausgegangen, daß auch eine Schicht aus amorphem Aluminiumoxid, allein oder in Kombination mit kristallinem Aluminumoxid, von der Erfindung umfaßt wird.
Darüber hinaus umfaßt in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die am meisten bevorzugte Zusammensetzung auf der Grundlage von Titan in der Außenschicht einen oder mehrere Vertreter aus der Gruppe Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid und deren festen Lösungen.
Mit Bezug auf die Schichten aus der Titan-Aluminium-Legierung der oben beschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, daß als eine alternative Ausführungsform eine dieser Schichten einen Konzentrationsgradienten in der Schicht aufweisen kann. Vorzugsweise nimmt der Aluminiumgehalt der Schicht aus der Titan-Aluminium-Legierung in Richtung auf die Aluminiumoxidschicht hin zu.
Hinsichtlich der Verfahren zur Erzeugung eines Konzentrationsgradienten offenbaren das US-Patent Nr. 5,330,853 (Hofman et al.) mit dem Titel ”MULTILAYER Ti-Al-N COATING FOR TOOLS”, die EP-A1-0 448 720 (OMORI et al.) mit dem Titel ”SURFACE-COATED HARD MEMBER FOR CUTTING AND ABRASION-RESISTANT TOOLS” und die japanische Patentanmeldung JP 03-017251 A (Ikeda et al.) mit dem Titel ”WEAR RESISTANT FILM” verschiedene Beschichtungsschemata, in denen die Überzugsschichten einen Konzentrationsgradienten in der Schicht aufweisen. Die in diesen Druckschriften offenbarten Verfahren werden als geeignet für das Aufbringen von Titan-Aluminium-Legierungen mit einem Konzentrationsgradienten angesehen.
Es ist außerdem möglich, daß die Kombination der Schichten aus den Titan-Aluminium-Legierungen eine durchgehende Schicht sein kann. Der Gehalt an den verschiedenen Elementen wird dann so variiert, daß eine geeignete durchgehende Schicht bereitgestellt wird, in der sich die Zusammensetzung mit dem Abstand von der Substratoberfläche ändert.

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einer Spanfläche, einer Freifläche und einer am Zusammentreffen der Spanfläche und der Freifläche gebildeten Schneidkante, einem Substrat und einer an das Substrat gebundenen Beschichtung, wobei die Beschichtung einen Beschichtungsaufbau aufweist, der eine auf die Oberfläche des Substrats direkt aufgebrachte Schicht aus einer Titan-Aluminium-Legierung und eine auf die Oberfläche der Schicht aus der Titan-Aluminium-Legierung direkt aufgebrachte Schicht aus Aluminiumoxid umfasst, wobei die Titanaluminium-Legierung Titanaluminium ist, und wobei sowohl die Schicht aus der Titan-Aluminium-Legierung als auch die Schicht aus Aluminiumoxid durch physikalisches Aufdampfen gebildet ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus der aus Hartmetallen, Cermets, Keramiken, Werkzeugstählen, Cermets und Keramiken auf der Grundlage von kubischem Bornitrid und Zusammensetzungen auf Diamantgrundlage bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Hartmetall auf der Grundlage von Wolframcarbid und Kobalt ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner gekennzeichnet durch wenigstens eine auf die Aluminiumoxidschicht aufgebrachte Außenschicht aus Titan oder einer Zusammensetzung auf der Grundlage von Titan.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung auf der Grundlage von Titan eines oder mehrere der folgenden Materialien umfaßt: Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid und deren festen Lösungen.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumoxid im wesentlichen kristallines Aluminiumoxid umfaßt, einschließlich einer oder mehrerer der folgenden Kristallphasen von Aluminiumoxid: α-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid, δ-Aluminiumoxid, θ-Aluminiumoxid, κ- oder η-Aluminiumoxid und χ-Aluminiumoxid.