DE19709980A1

DE19709980A1 - Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einer TiC-Außenschicht

Info

Publication number: DE19709980A1
Application number: DE1997109980
Authority: DE
Inventors: William A Bryant; Anakkavur T Santhanam
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: JPH1029110A; US5750247A; JP2935982B2; DE19709980C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Schneidwerk zeug zum Fräsen sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs und auf ein Fräsverfahren unter Verwendung des Schneidwerkzeugs. Die Erfindung bezieht sich insbeson dere auf ein verbessertes Schneidwerkzeug sowie auf ein Ver fahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs und ein Verfah ren zum Fräsen von Gußeisenlegierungen unter Verwendung des Schneidwerkzeugs, wobei das Schneidwerkzeug eine durch chemisches Aufdampfen (CVD) auf das Schneidwerkzeug aufge brachte Außenschicht aus Titancarbid aufweist.

Das Fräsen ist dasjenige der verschiedenen Metallschneide verfahren, bei dem die höchsten Anforderungen an das Schneidwerkzeug gestellt werden. Das Fräsen beinhaltet ein diskontinuierliches Entfernen des Spans bei konstanter Geschwindigkeit. Die Schneidwerkzeugspitze tritt wiederholt in das Werkstück ein, schneidet und verläßt danach das Werk stück, und muß daher sowohl mechanische als auch thermische Wechselbeanspruchungen zusammen mit den damit verbundenen Veränderungen des Spannungsfeldes aushalten.

Das Ausmaß dieser Wechselbeanspruchungen bzw. Schocks ist abhängig von der Schnittlänge und den Intervallen zwischen den Schnitten. Die Eintritts- und Austrittsparameter können ebenfalls das Ausmaß bestimmen, in dem das Schneidwerkzeug einer mechanischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt ist. Sogar bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie z. B. weniger als 1,78 Oberflächerimeter pro Sekunde (etwa 350 Oberflächenfuß pro Minute (sfm)), ist die mechanische Wechselbeanspruchung noch bedeutend.

Bei einem Anstieg der Schneidgeschwindigkeit verschlimmert sich die mechanische und insbesondere die thermische Wech selbeanspruchung. Das Hochgeschwindigkeitsfräsen bei Geschwindigkeiten zwischen etwa 3,05 Oberflächenmeter pro Sekunde (etwa 600 Oberflächenfuß pro Minute (sfm)) und etwa 4,06 Oberflächenmeter pro Sekunde (etwa 800 Oberflächenfuß pro Minute (sfm)) verstärkt daher die mechanische und die thermische Wechselbeanspruchung des Schneidwerkzeugs.

Typischerweise tritt die mechanische und die thermische Wechselbeanspruchung nur innerhalb eines kleinen Material volumens nahe der Schneidkante des Schneidwerkzeugs auf. Die auf dieses kleine Materialvolumen einwirkenden extremen mechanischen und thermischen Schocks führen zu der Erschei nung der diskontinuierlichen thermomechanischen Belastung. Die diskontinuierliche thermomechanische Belastung erzeugt Risse in dem Substrat und in der Beschichtung.

Wenn die mechanische und die thermische Wechselbeanspruchung getrennt betrachtet werden, ist zu erkennen, daß die diskon tinuierliche mechanische Wechselbeanspruchung zu einer Riss bildung (oder Risserzeugung) in dem Substrat führt. Die thermische Wechselbeanspruchung hat die Bildung von Rissen in der Beschichtung zur Folge. Risse im Substrat können zu einem vollständigen Erliegen des Schneidwerkzeugs führen, während Risse in der Beschichtung eine Verkürzung der Stand zeit des Schneidwerkzeugs zur Folge haben können. Beim Hoch geschwindigkeitsfräsen ist eine verstärkte Bildung von Ris sen im Substrat und in der Beschichtung zu beobachten.

Zusätzlich zu der Einzelwirkung einer thermischen und einer mechanischen Wechselbeanspruchung wirken diese auch zusam men. Dieses Zusammenwirken äußert sich darin, daß durch wie derholte thermische Schocks sich die Risse in der Beschich tung in das Substrat fortpflanzen. Die Verknüpfung der durch mechanische und thermische Schocks erzeugten Risse an oder nahe der Oberfläche des Substrats bildet die Grundlage für eine Verschleißart, die als Mikroausbrechen (micro-chipping) bekannt ist. Die Existenz des Mikroausbrechens verkürzt die Standzeit eines Schneidwerkzeugs.

Es besteht daher Bedarf an der Bereitstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, das der einem Fräsvorgang und insbesondere einem Hochgeschwindigkeitsfräsvorgang eige nen mechanischen Wechselbeanspruchung besser widersteht als die zur Zeit bekannten Schneidwerkzeuge. Es besteht ferner Bedarf an der Bereitstellung eines beschichteten Schneid werkzeugs, das der einem Fräsvorgang und insbesondere einem Hochgeschwindigkeitsfräsvorgang eigenen thermischen Wechsel beanspruchung besser widersteht als zur Zeit bekannte Schneidwerkzeuge.

In der Vergangenheit wurden Schneidwerkzeuge mit einem ein zigen Überzug aus TiC hergestellt. Diesbezüglich erwähnt der Artikel von Santhanam et al ("Cemented Carbides", Metals Handbook, Band 16, 9. Auflage, Machining, (1989), ASM Inter national, Metals Park, Ohio, Seiten 71-89) auf Seite 80 im allgemeinen die Verwendung eines einzelnen TiC-Überzugs, der mittels eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) aufge bracht wurde.

Andere Artikel beschreiben die Verwendung eines Titancarbid überzugs für ein Schneidwerkzeug, jedoch nicht notwendiger weise als Außenschicht. Diese Artikel sagen aber nichts über die Natur des Verfahren zum Aufbringen des Titancarbidüber zugs aus. Im folgenden wird eine kurze Beschreibung dieser Artikel gegeben.

Der Artikel von Schumacher ("TiC Coated Hardmetals", Tech nische Mitteilungen, Band 64, Nr. 1/2 (1971)) offenbart ein mit TiC beschichtetes Substrat aus WC mit 9% Co, gibt jedoch keinen Hinweis auf die Natur des Beschichtungsver fahrens. Fig. 4 des Artikels von Schumacher zeigt eine Probe mit einem Substrat aus WC und 6% Co sowie einer feinkör nigen TiC-Beschichtung, die gemäß Schumacher eine gute Ver schleißfestigkeit, eine gute Hochtemperaturverschleißfestig keit, eine verminderte Haftungsneigung und eine höhere chemische Beständigkeit aufweist. Schumacher offenbart, daß die beschichteten Einsätze TT10, TT15 und TT25 eine Verbes serung beim Zerspanen von Eisenmaterialien bringen. Schumacher erwähnt außerdem, daß TiC-beschichtete Einsätze für das Planfräsen von grauem Gußeisen gut geeignet sind.

Der Artikel von Rieter ("Hard Metal Cutting Materials - State of the Art and Prospects", VDI-Z, 122, Nr. 13 (1980), Seiten 155-159) beschreibt die Vorzüge der Verwendung eines feinkörnigen Wolframcarbid-Hartmetallsubstrats mit einem niedrigen Binderanteil. Ein derartiges Material weist eine hohe Härte, eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Ver schleißfestigkeit auf. Rieter erwähnt außerdem, daß TiC-beschichtete Substrate vielfach anwendbar sind. Tabelle 4 in dem Artikel von Rieter offenbart die Verwendung eines TiC-Über zugs für Substrate der ISO-Klassifizierung M15, P25, P40 und K10. Rieter sagt jedoch nichts darüber aus, ob das Beschichtungsverfahren ein CVD- oder ein PVD-Verfahren ist. Die Tabelle 4 des Rieter-Artikels zeigt außerdem Kombinati onen von TiC mit TiN und Ti(C, N). Rieter erwähnt, daß das Hauptanwendungsgebiet der beschichteten Schneidwerkzeuge das Drehen von Gußeisen ist.

Es gibt außerdem einige Patente, die die Verwendung einer Titancarbidbeschichtung zusammen mit einem Schneidwerkzeug beschreiben. Das US-Patent Nr. 4 150 195 von Tobioka et al offenbart diesbezüglich das chemische Aufdampfen einer Ein zelschicht aus TiC auf ein WC-Co-Substrat. Beispiel Nr. 1 betrifft z. B. ein P30-Substrat, das eine durch chemisches Aufdampfen auf das Substrat aufgebrachte, 5 µm dicke TiC-Schicht aufweist.

Das U.S.-Patent Nr. 3 640 689 von Glaski et al beschreibt das chemische Aufdampfen einer TiC-Schicht auf eine über dem Substrat liegende Sperr- oder Barriereschicht. In diesem Patent wird darauf hingewiesen, daß das Sperrschichtmaterial aufgrund der Verarbeitungstemperaturen eingeschränkt ist. Glaski et al schlagen Titannitrid zur Verwendung als Sperr schicht vor (siehe Spalte 3, Zeilen 54-71), was in Beispiel 7 (Spalte 8, Zeilen 59-75) gezeigt wird.

Das US-Patent Nr. 4 686 156 von Baldoni, II et al zeigt ein Schneidwerkzeug mit einem WC-Co-Substrat (Binderanteil 5 bis 30%), das eine über einer Grundschicht aus TiN oder TiCN liegende TiC-Außenschicht aufweist, wobei die Grundschicht wiederum über einer TiC-Schicht liegt. Es scheint, daß das TiC mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht wurde. Tabelle 1 des Patents von Baldoni, II et al zeigt ein TiC/TiN/TiC-Schema.

Weitere Patente umfassen das US-Patent Nr. 3 755 866 von Ohlsson mit dem Titel "INSERT FOR CUTTING OR STEEL, CAST IRON OR SIMILAR MATERIAL", das ein Hartmetallsubstrat mit zwei darauf aufgebrachten Schichten zeigt. Die innere Schicht ist aus der aus Titancarbid, Tantalcarbid, Vanadium carbid, Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid und Niobcarbid beste henden Gruppe ausgewählt. Die Außenschicht ist aus Wolfram carbid, Molybdäncarbid und Chromcarbid ausgewählt.

Das US-Patent Nr. 4 268 569 von Hale mit dem Titel "COATING UNDERLAYERS" zeigt eine Vielzahl von unterliegenden Schich ten für ein beschichtetes Schneidwerkzeug, bei dem die Außenschicht entweder Hafniumcarbonitrid und/oder Zirkonium carbonitrid ist.

Das US-Patent Nr. 4 497 874 von Hale mit dem Titel "COATED CARBIDE CUTTING TOOL INSERT" zeigt die Abscheidung mehrerer Schichten auf einem Substrat, wobei die Außenschicht entwe der Titannitrid oder Aluminiumoxid ist. Das Substrat zeigt eine Binderanreicherung an seiner Oberfläche.

US-Patent Nr. 4 640 869 von Loth mit dem Titel "HARD METAL WATCH CASE WITH RESISTANT COATING" zeigt die Abscheidung einer mehrlagigen Beschichtungsanordnung für ein Uhrgehäuse. Der erste Überzug besteht aus durch ein CVD-Verfahren aufge brachtem Titannitrid. Der zweite Überzug besteht aus Titan nitrid, das durch PVD (physikalisches Aufdampfen) aufge bracht wurde.

US-Patent Nr. 4 720 437 von Chudo et al mit dem Titel "SUFACE-COATED CEMENTED CARBIDE ARTICLE OR PART" zeigt die Verwendung einer Innenschicht aus Titancarbid zusammen mit einer Außenschicht aus Titancarbid. Dieses Patent zeigt außerdem die Verwendung einer Zwischenschichtanordnung aus entweder einer einzelnen Schicht aus Titannitrid oder einem Schichtenverbund, in dem eine Titannitridschicht sandwich artig zwischen Titancarbonitridschichten eingelagert ist.

US-Patent Nr. 4 828 612 von Yohe mit dem Titel "SURFACE MODIFIED CEMENTED CARBIDES" zeigt die Abscheidung von Beschichtungen auf einem Substrat mit einer durch die Abrei cherung von Aluminiumnitrid hervorgerufenen Binderanreiche rung nahe der Oberfläche.

US-Patent Nr. 4 902 395 von Yoshimura zeigt ein beschich tetes Schneidwerkzeug, bei dem das Substrat ein Cermet auf der Grundlage von Titancarbonitrid ist. Die Beispiele zeigen eine Außenschicht aus Titancarbid mit einer Innenschicht aus Titannitrid. Sowohl die Innenschicht als auch die Außen schicht werden durch physikalisches Aufdampfen (Ionenpla tieren) aufgebracht.

Die japanische Offenlegungsschrift Kokai-Nr. 54-73 392 mit dem Titel "A COATED TIP FOR MILLING CUTTERS" zeigt die Ver wendung eines Überzugs aus den Carbiden oder Carbonitriden von Titan, Hafnium oder Zirkonium in Verbindung mit einem Schneideinsatz zum Fräsen. Beispiel Nr. 1 zeigt die Abschei dung einer 3 Mikrometer dicken Schicht aus Titancarbid auf dem Substrat und einer 1 Mikrometer dicken Schicht aus Titancarbid auf der ersten Titancarbidschicht. Beispiel Nr. 2 zeigt die Abscheidung einer Grundschicht aus Titancarbid, einer Zwischenschicht aus Titancarbonitrid und einer Außen schicht aus Titannitrid. Beispiel Nr. 3 beschreibt eine Reihe von Probestücken mit einer Grundschicht aus Titancar bid, einer Zwischenschicht aus Titancarbonitrid und einer Außenschicht aus Titannitrid. Dieses Patent weist außerdem daraufhin, daß das Substrat vorzugsweise freien Kohlenstoff enthalten soll.

Die japanische Offenlegungsschrift Kokai-Nr. 57-192 260 mit dem Titel "COATED SINTERED HARD ALLOY TOOL" zeigt ein beschichtetes Schneidwerkzeug, bei dem die Innenschicht aus der Gruppe Siliziumnitrid, SiAlON oder Siliziumcarbid ausge wählt ist. Die Außenschicht ist aus Titancarbid, Titancarbo nitrid oder Titancarbid ausgewählt.

Das japanische Dokument Nr. Sho 59-18474 mit dem Titel "COATED HARDMETAL CUTTING INSERT" zeigt ein beschichtetes Schneidwerkzeug mit einer einzelnen Schicht aus Titancarbid (Beispiel Nr. 1) oder Titannitrid (Beispiel Nr. 2).

Die japanische Offenlegungsschrift Kokai-Nr. 60-25 605 mit dem Titel "COATED CERMET TIP FOR A CUTTING TOOL" zeigt die Abscheidung eines Beschichtungsschemas auf einem Substrat, das eine weichgemachte Schicht nahe der Oberfläche auf weist.

Die japanische Offenlegungsschrift Kokai-Nr. 62-56564 mit dem Titel "SURFACE COATED HARD ELEMENT WITH GOOD WEAR RESISTANCE" zeigt in ihren Beispielen die Verwendung von (Ti, Zr)C oder (Ti, Zr)CN oder (Ti, Zr)N in dem Beschich tungsschema, das eine oder mehrere Schichten umfaßt. Es scheint, daß diese Beschichtungen durch physikalisches Auf dampfen aufgebracht werden.

Die japanische Patentanmeldung Nr. 3528/88 mit dem Titel "THROWAWAY MILLING TOOL TIP COMPRISING A TUNGSTEN ULTRA-HARD ALLOY WITH SURFACE COATING" zeigt verschiedene Beispiele, in denen Titancarbid eine Innenschicht ist. Die Außenschichten scheinen entweder Titannitrid, Titancarbonitrid, Aluminium oxid oder Molybdänoxid zu sein.

Das britische Patent Nr. 1 601 224 mit dem Titel "COATED HARD METAL BODY" zeigt die Abscheidung eines Überzugs aus Titannitrid oder Titancarbonitrid auf einer Titancarbid schicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Schneidwerkzeugs für das Fräsen von Guß eisenlegierungen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit stellung eines verbesserten Schneidwerkzeugs zum Fräsen von Gußeisenlegierungen, wobei das Schneidwerkzeug eine verbes serte Beständigkeit gegenüber mechanischen Wechselbeanspru chungen aufweist.

Darüber hinaus besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Schneidwerkzeugs zum Fräsen von Gußeisenlegierungen, wobei das Schneidwerkzeug eine verbesserte Beständigkeit gegenüber thermischen Wech selbeanspruchungen aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ein beschichtetes Schneidwerk zeug zum Fräsen von Gußeisen, wobei das Schneidwerkzeug eine Spanfläche, eine Freifläche und eine am Zusammentreffen der Spanfläche und der Freifläche gebildete Schneidkante auf weist. Das Schneidwerkzeug weist einen Überzug und ein Sub strat auf. Das Substrat umfaßt ein Hartmetall auf der Grund lage von Wolframcarbid mit einer Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtspro zent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichts prozent Kobalt, Rest Wolframcarbid. Der Überzug weist ein inneres Beschichtungsschema auf, das wenigstens eine an das Substrat angrenzende Schicht umfaßt. Der Überzug beinhaltet ferner eine Außenschicht, die eine durch chemisches Aufdamp fen aufgebrachte Titancarbidschicht umfaßt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, welches die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Sub strats, wobei als Substrat ein Wolframcarbidhartmetall mit einer Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtsprozent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid verwendet wird, Aufbringen eines inneren Beschichtungsschemas auf das Substrat und Aufbringen einer Außenschicht aus Titancarbid auf das innere Beschichtungs schema durch chemisches Aufdampfen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Fräsen von Gußeisen, welches die folgenden Schritte umfaßt: Fräsen des Gußeisens bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit mit einem Hartmetall-Schneidwerkzeug, welches ein Substrat und eine Beschichtung aufweist. Das Substrat umfaßt ein Wolframcarbidhartmetall mit einer Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtspro zent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichts prozent Kobalt, Rest Wolframcarbid. Die Beschichtung umfaßt ein inneres Beschichtungsschema, das wenigstens eine an das Substrat angrenzende Schicht beinhaltet, sowie eine außenlie gende Beschichtung, die eine durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Schicht aus Titancarbid umfaßt.

Im folgenden werden die einen Teil dieser Patentanmeldung bildenden Zeichnungen kurz beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer besonderen Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils des Schneidwerkzeugs aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2 zur Veranschauli chung des Beschichtungsschemas, wobei eine einzelne, innere Schicht der Beschichtung und eine einzelne Außenschicht der Beschichtung gezeigt wird; und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren besonderen Ausfüh rungsform der Erfindung zur Veranschaulichung des Beschich tungsschemas, bei dem eine Innenschicht, eine Zwischen schicht und eine einzelne Außenschicht der Beschichtung vor handen ist.

In den Fig. 1 und 2 wird eine erste besondere Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs gezeigt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Das Schneidwerkzeug 10 weist eine Spanfläche 12 und eine Frei fläche 14 auf.

Das Schneidwerkzeug 10 weist außerdem ein Substrat 18 auf. Das Substrat 18 weist eine Spanfläche und eine Freifläche auf. Auf der Spanfläche und der Freifläche (20 und 22) des Schneidwerkzeugsubstrats 18 ist direkt eine innere Beschich tung 24 aufgebracht. Die innere Beschichtung 24 kann jede beliebige Schicht aus einer Reihe von verschiedenen Beschichtungen umfassen. Die Dicke der Innenschicht 24 liegt zwischen etwa 2 Mikrometer (µm) und etwa 4 Mikrometer (µm).

Die innere Beschichtung 24 ist beispielsweise eine Titancar bonitridschicht, die mit Hilfe von herkömmlichen chemischen Aufdampfverfahren bei einer Temperatur von zwischen etwa 900°C und etwa 1050°C aufgebracht wurde.

Ein weiteres Beispiel für die innere Beschichtung 24 ist eine durch chemische Aufdampfverfahren aufgebrachte Titan carbonitridschicht, wobei diese Verfahren bei niedrigeren Temperaturen ablaufen als die herkömmlichen CVD-Verfahren. Beispielsweise arbeitet das plasmaunterstützte chemische Aufdampfen (PACVD) bei Temperaturen zwischen etwa 300°C und etwa 800°C. So erörtert etwa der Artikel von Archer, mit dem Titel "The Plasma-Assisted-Chemical Vapour Deposition of TiC, TiN and TiC_xN_1-x", Thin Solid Films, Band 80, (1981), Seiten 221-225, die Abscheidung einer Titancarbonitrid schicht bei einer Temperatur von 300°C. Das US-Patent Nr. 5 093 151 von van den Berg et al mit dem Titel "PLASMA CVD PROCESS FOR COATING A BASIC TOOL BODY" erörtert das plasma aktivierte CVD-Verfahren zum Aufbringen einer Titancarbo nitridschicht bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 400°C und etwa 800°C. Ein weiteres Beispiel, das chemische Aufdampfen bei gemäßigter Temperatur (moderate temperature chemical vapor deposition; MTCVD) arbeitet bei Temperaturen zwischen etwa 500°C und etwa 850°C. Hierzu wird in dem US-Patent Nr. 4 028 142 von Bitzer et al mit dem Titel "CARBONITRIDING PROCESS USING NITRILES" und in dem US-Patent Nr. 4 196 233 von Bitzer et al mit dem Titel "PROCESS FOR COATING INORGANIC SUBSTRATES WITH CARBIDES, NITRIDES AND/OR CARBONITRIDES" jeweils ein CVD-Verfahren bei einer Tempe ratur von 500°C beschrieben. Das Verfahren gemäß der US-PS 4 028 142 verwendet bestimmte Nitrile zusammen mit weite ren Substanzen zur Herstellung von Diffusionsschichten aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden. Die Temperatur liegt im Bereich zwischen 500°C und 1800°C und der Druck liegt im Bereich zwischen 700 und 800 mm Hg. Die US-PS 4 196 233 beschreibt ein Verfahren, bei dem ebenfalls Nitrile zusammen mit weiteren Substanzen zur Herstellung von Überzügen aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1800°C verwendet werden.

Aufgrund der Durchführung des CVD-Verfahrens in dem niedri geren Temperaturbereich (z. B. zwischen 300°C und 800°C) wird die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer Eta-Phase im Vergleich zu dem herkömmlichen CVD-Verfahren verringert.

Ein weiteres Beispiel für die innere Beschichtung 24 ist eine durch physikalisches Aufdampfen aufgebrachte Titanalu miniumnitridschicht. Hierzu beschreibt das US-Patent Nr. 5 272 014 von Leyendecker et al mit dem Titel "WEAR-RESISTANT COATING FOR SUBSTRATE AND METHOD FOR APPLYING" das Aufbringen von Titanaluminiumnitridschichten mit Hilfe von PVD-Verfahren.

Das Schneidwerkzeug 10 beinhaltet ferner eine durch chemi sches Aufdampfen direkt auf die Spanfläche und die Frei fläche (26 und 28) der inneren Beschichtung 24 aufgebrachte Außenschicht 30. Diese Außenschicht der Beschichtung besteht aus Titancarbid. Die Dicke der Außenschicht 30 beträgt etwa 1,5 Mikrometer.

Fig. 3 veranschaulicht die Schnittansicht einer zweiten besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneid werkzeugs, das im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet ist. Das Schneidwerkzeug 32 weist eine Spanfläche 54 und eine Freifläche 56 auf.

Darüber hinaus weist das Schneidwerkzeug 32 ein Substrat 34 auf. Das Substrat 34 weist eine Spanfläche 36 und eine Frei fläche 38 auf. Eine innere Beschichtung 40 ist direkt auf die Spanfläche 36 und die Freifläche 38 des Schneidwerkzeug substrats 34 aufgebracht.

Die innere Beschichtung 40 umfaßt durch physikalisches Auf dampfen aufgebrachtes Titannitrid. Das US-Patent Nr. 4 448 802 von Behl et al, mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR EVAPORATING MATERIAL UNDER VACUUM USING BOTH AN ARC DISCHARGE AND ELECTRON BEAM" beschreibt das Aufbrin gen einer Titannitridschicht mittels PVD.

Eine Zwischenschicht 46 aus Titancarbonitrid ist direkt auf die Spanfläche 42 und die Freifläche 44 der inneren Beschichtung 40 durch physikalisches Aufdampfen aufgebracht. Die Dicke der Innenschicht 40 und der Zwischenschicht 46 beträgt zusammen etwa 2 Mikrometer bis etwa 4 Mikrometer.

Das Schneidwerkzeug 32 beinhaltet ferner eine durch chemi sches Aufdampfen direkt auf die Spanfläche 48 und die Frei fläche 50 der Zwischenschicht 46 aufgebrachte Außenschicht 52. Die Außenschicht besteht aus Titancarbid. Die Dicke der Außenschicht 52 beträgt etwa 1,5 Mikrometer.

Die Substrate (18; 34) der beiden besonderen Ausführungsfor men der Schneidwerkzeuge 10 bzw. 32 sind Wolframcarbid-Hart metallzusammensetzungen, wobei das Bindermetall Kobalt ist. In der folgenden Tabelle I sind spezielle, geeignete Substrate beschrieben.

Tabelle I

Zusammensetzungen (Gew.-%) und Eigenschaften von Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen

Zusammensetzung Nr. 7 zeigt ein Substrat mit einer Binderan reicherung (Kobaltanreicherung) nahe der Oberfläche des Sub strats. Das US-Reissue-Patent Nr. 34 180 von Nemeth et al mit dem Titel "PREFERENTIALLY BINDER ENRICHTED CEMENTED CARBIDE BODIES AND METHOD OF MANUFACTURE" (übertragen auf die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung) offenbart Verfahren zur Herstellung von Substraten mit einer Binderan reicherung nahe der Oberfläche des Substrats.

Die oben beschriebenen Schneidwerkzeuge weisen überlegene Eigenschaften in bezug auf das Fräsen von Gußeisenlegierun gen auf. Die Fähigkeit der Schneidwerkzeuge, den mechani schen und thermischen Belastungen zu widerstehen, macht sie zu idealen Kandidaten für eine derartige Verwendung. Es ist zu erwarten, daß die Zusammensetzung Nr. 5 zusammen mit jedem der erfindungsgemäßen Beschichtungsschemata hervorra gende Ergebnisse beim Fräsen von Gußeisen bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten ergibt, wie z. B. bei Schnittge schwindigkeiten von höchstens etwa 1,78 Oberflächenmeter pro Sekunde (etwa 350 Oberflächenfuß pro Minute). Es ist darüber hinaus zu erwarten, daß die Zusammensetzung Nr. 2 zusammen mit jedem der erfindungsgemäßen Beschichtungsschemata her vorragende Ergebnisse beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von Gußeisen mit Geschwindigkeiten von zwischen etwa 3,30 Ober flächenmeter pro Sekunde (etwa 650 Oberflächenfuß pro Minute) und etwa 4,06 Oberflächenmeter pro Sekunde (etwa 800 Oberflächenfuß pro Minute) ergibt.

Alle Patente und andere Dokumente die in dieser Anmeldung genannt sind, werden hiermit durch Inbezugnahme in die Beschreibung aufgenommen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung oder einer Durchführung der darin beschriebenen Erfindung. Die Beschreibung und die Beispiele sollen jedoch lediglich als eine Veranschaulichung der Erfindung angesehen werden, wobei der wahre Umfang und das Wesen der Erfindung in den folgen den Ansprüchen angegeben ist.

Claims

1. Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Fräsen von Gußeisen mit einer Spanfläche und einer Freifläche und einer am Zusammen treffen der Spanfläche und der Freifläche gebildeten Schneidkante, wobei das Schneidwerkzeug eine Beschichtung und ein Substrat aufweist, wobei das Substrat ein Wolfram carbid-Hartmetall umfaßt, das eine Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtspro zent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichts prozent Kobalt, Rest Wolframcarbid aufweist, und wobei die Beschichtung ein wenigstens eine an das Substrat angrenzende Schicht aufweisendes inneres Beschichtungsschema umfaßt, und wobei die Beschichtung ferner eine durch chemisches Aufdamp fen aufgebrachte Titancarbidschicht umfassende Außenschicht beinhaltet.

2. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Aufdampfen bei einer Tem peratur zwischen etwa 900°C und etwa 1050°C abläuft.

3. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Aufdampfen bei einer Tem peratur von zwischen etwa 300°C und etwa 850°C abläuft.

4. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine ein zelne Schicht aus Titancarbonitrid umfaßt, die durch chemi sches Aufdampfen bei einer Temperatur von zwischen etwa 900°C und etwa 1050°C aufgebracht ist, und daß die durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbidschicht an die durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbonitrid schicht angrenzt.

5. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine ein zelne Schicht aus Titancarbonitrid umfaßt, die durch chemi sches Aufdampfen bei einer Temperatur von zwischen etwa 300°C und etwa 850°C aufgebracht ist, und daß die durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbidschicht an die durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbonitrid schicht angrenzt.

6. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das durch chemisches Aufdampfen aufge brachte Beschichtungsschema unter einem Druck von zwischen etwa 700 mm Hg und etwa 800 mm Hg aufgebracht ist.

7. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine durch physikalisches Aufdampfen (PVD) direkt auf das Sub strat aufgebrachte Titannitridschicht und eine durch PVD auf die durch PVD aufgebrachte Titannitridschicht aufgebrachte Titan-Carbonitridschicht umfaßt, und daß die durch chemi sches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbidschicht an die durch PVD aufgebrachte Titancarbonitridschicht angrenzt.

8. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine durch PVD aufgebrachte Titanaluminiumnitridschicht umfaßt, und daß die durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titan carbidschicht an die durch PVD aufgebrachte Titanaluminium nitridschicht angrenzt.

9. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine Dicke von zwischen etwa 2 Mikrometer und etwa 4 Mikrometer aufweist.

10. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch chemisches Aufdampfen aufge brachte Außenschicht aus Titancarbid etwa 1,5 Mikrometer dick ist.

11. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Härte von zwischen etwa 89 und etwa 94 Rockwell A, eine magnetische Koerzitiv kraft von zwischen etwa 125 und etwa 320 Oersted und einen Wert der magnetischen Sättigung von zwischen etwa 80 Prozent und etwa 100 Prozent aufweist.

12. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung höchstens 0,1 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 0,1 Gewichtsprozent Niob, höchstens 0,1 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 0,3 und etwa 0,5 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5,7 und 6,3 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt, und daß das Wolframcarbid eine mittlere Korngröße von 1 bis 5 Mikro meter aufweist.

13. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung zwischen etwa 2,9 und etwa 3,6 Gewichtsprozent Tantal, höchstens etwa 0,3 Gewichtsprozent Niob, höchstens etwa 0,5 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 5,7 und etwa 6,4 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt, und daß das Wolframcarbid eine mittlere Korngröße von 1 bis 6 Mikrometer aufweist.

14. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung zwischen etwa 3,2 und etwa 3,8 Gewichtsprozent Tantal, zwischen etwa 1,2 und etwa 1,8 Gewichtsprozent Niob, zwischen etwa 1,7 und etwa 2,3 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 6,2 und etwa 6,4 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt, und daß das Wolframcarbid eine mittlere Korngröße von 1 bis 7 Mikro meter aufweist.

15. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung zwischen etwa 1,4 und etwa 2,3 Gewichtsprozent Tantal, zwischen etwa 0,3 und etwa 0,6 Gewichtsprozent Niob, höchstens etwa 0,5 Gewichts prozent Titan, zwischen etwa 11,0 und etwa 12,0 Gewichtspro zent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt, und daß das Wolfram carbid eine mittlere Korngröße von 1 bis 6 Mikrometer auf weist.

16. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung höchstens 0,1 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 0,1 Gewichtsprozent Niob, höchstens etwa 0,1 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 9,45 und etwa 10,15 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt.

17. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung zwischen 5,0 und 6,0 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 0,4 Gewichtsprozent Niob, zwischen 1,7 und 2,3 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 5,7 und etwa 6,3 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolfram carbid umfaßt.

18. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohzusammensetzung zwischen 4,2 und 5,0 Gewichtsprozent Tantal, zwischen 0,6 und 1,4 Gewichts prozent Niob, zwischen 3,2 und 3,8 Gewichtsprozent Titan, zwischen etwa 5,8 und etwa 6,2 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt.

19. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 18 mit einer Schicht nahe der Umfangsfläche des Substrats, in der Kobalt angereichert ist.

20. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneid werkzeugs, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Wolframcarbid-Hartmetallsubstrats mit einer Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtsprozent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtsprozent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid; Aufbringen eines inneren Beschichtungsschemas auf das Substrat; und Aufbringen einer Außenschicht aus Titancarbid auf das innere Beschichtungsschema durch chemi sches Aufdampfen.

21. Verfahren Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Aufdampfen von Titancarbid bei einer Temperatur von zwischen 900°C und 1050°C durchgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Aufdampfen von Titancarbid bei einer Tempera tur von zwischen etwa 300°C und etwa 850°C durchgeführt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens des inneren Beschichtungsschemas das Aufbringen einer einzelnen Schicht aus Titancarbonitrid durch chemisches Aufdampfen bei einer Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1050°C umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens des inneren Beschichtungsschemas das Aufbringen einer einzelnen Schicht aus Titancarbonitrid durch chemisches Aufdampfen bei einer Temperatur von zwi schen etwa 300°C und etwa 850°C umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens des inneren Beschichtungsschemas das Aufbringen einer Schicht aus Titannitrid durch physika lisches Aufdampfen direkt auf das Substrat und das Aufbrin gen einer Titancarbonitridschicht auf die durch physikali sches Aufdampfen aufgebrachte Titannitridschicht durch phy sikalisches Aufdampfen umfaßt.

26. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens des inneren Beschichtungs schemas das Aufbringen einer Titanaluminiumnitridschicht durch physikalisches Aufdampfen umfaßt.

27. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Beschichtungsschema eine Gesamtdicke von zwischen etwa 2 Mikrometer und etwa 4 Mikrometer aufweist.

28. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus Titancarbid durch physikalisches Auf dampfen in einer Dicke von etwa 1,5 Mikrometer aufgebracht wird.

29. Verfahren zum Fräsen von Gußeisen, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Fräsen des Gußeisens bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit mit einem Hartmetall-Schneidwerkzeug, das ein Substrat und eine Beschichtung aufweist, wobei das Substrat ein Wolfram carbid-Hartmetall mit einer Rohzusammensetzung von höchstens 7 Gewichtsprozent Tantal, höchstens 3 Gewichtsprozent Niob, höchstens 5 Gewichtsprozent Titan, höchstens 1 Gewichtspro zent Chrom, zwischen etwa 5 und etwa 13 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Wolframcarbid umfaßt, wobei die Beschichtung ein inneres Beschichtungsschema umfaßt, das wenigstens eine an das Substrat angrenzende Schicht aufweist, und wobei die Beschichtung ferner eine Außenschicht aufweist, die eine durch chemisches Aufdampfen aufgebrachte Titancarbidschicht umfaßt.