DE60105739T2

DE60105739T2 - Oxidbeschichtetes Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE60105739T2
Application number: DE60105739T
Authority: DE
Inventors: Björn Ljungberg; Lars-Anders Budzynski
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: US20040144302A1; EP1209255B1; JP2008073847A; JP4598814B2; SE0004272D0; ATE277205T1; KR100832899B1; EP1209255A2; US6713172B2; US20020122701A1; US6902764B2; DE60105739D1; IL146430A0; JP2002205205A; KR20020040589A; EP1209255A3; SE519339C2; IL146430A; SE0004272L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug zur spanbildenden Bearbeitung. Die Beschichtung schließt wenigstens eine Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) ein, die durch feine, gleichachsige Körner gekennzeichnet ist.
Hartmetallschneidwerkzeuge, die mit verschiedenen Typen von Al₂O₃-Schichten überzogen sind, wobei chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) verwendet wird, zum Beispiel reines κ-Al₂O₃, Gemische von κ- und α-Al₂O₃, grobkörniges Al₂O₃ und feinkörniges texturiertes α- Al₂O₃, waren jahrelang allgemein in mehrschichtigen Kombinationen mit anderen Metallcarbid- und/oder -nitridschichten im Handel erhältlich, wobei das Metall aus den Übergangsmetallen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems ausgewählt war.
Al₂O₃ kristallisiert in mehreren verschiedenen Phasen: α, κ, γ, δ, θ usw. Die am häufigsten vorkommenden Phasen von CVD-erzeugten verschleißbeständigen Al₂O₃-Schichten sind die thermodynamisch stabile α-Phase und die metastabile κ-Phase oder ein Gemisch hiervon. Allgemein zeigt die κ-Phase eine Korngröße im Bereich von 0,5 bis 3,0 μm, und die Körner wachsen vorherrschend durch die gesamte Beschichtung und bilden eine Beschichtungsmorphologie vom Säulentyp. Außerdem sind die κ- Al₂O₃-Schichten frei von kristallographischen Fehlstellen und auch frei von Mikroporen und Hohlräumen.
Grobkörniges (3 bis 6 μm) α- Al₂O₃ besitzt oftmals Porosität und kristallographische Fehlstellen, während feinkörniges texturiertes α- Al₂O₃ frei von Fehlstellen mit sehr ausgeprägten säulenförmigen Körnern ist.
In der US-5,674,564 ist ein Verfahren zum Züchten einer feinkörnigen κ- Al₂O₃-Schicht beschrieben, bei dem man eine niedrige Abscheidungstemperatur und eine hohe Konzentration eines Schwefeldotiermittels verwendet.
In der US-5,487,625 ist eine Methode beschrieben, um eine feinkörnige (012)-texturierte α- Al₂O₃-Schicht zu erhalten, die aus säulenartigen Körnern mit einem kleinen Querschnitt (etwa 1 μm) besteht.
In der US-5,766,782 ist ein Verfahren zur Gewinnung einer feinkörnigen (104)-texturierten α-Al₂O₃-Schicht beschrieben.
Wie oben erwähnt, besitzen alle Al₂O₃-Schichten, die nach dem CVD-Verfahren hergestellt wurden, eine mehr oder weniger säulenartige Kornstruktur. Eine Al₂O₃-Schicht mit einer gleichachsigen Kornstruktur sollte jedoch, wie zu erwarten, einige günstige mechanische Eigenschaften zeigen, zum Beispiel Widerstandsfähigkeit gegen Rißfortschreiten, im Vergleich mit einer Schicht mit einer säulenartigen Kornstruktur. Eine bekannte und mögliche Technik zur Vermeidung säulenartigen Kornwachstums ist die, eine sogenannte Mehrschichtstruktur abzuscheiden, in welcher das säulenartige Wachstum zum Beispiel von Al₂O₃ periodisch unterbrochen wird durch das Wachstum einer dünnen, 0,1 bis 1 μm dicken zweiten Schicht, wie in der US-4,984,940 beschrieben ist. Die zweite Schicht sollte vorzugsweise eine andere Kristallstruktur oder wenigstens andere Gitterabstände haben, um in der Lage zu sein, eine Initiative für erneute Keimbildung der ersten Schicht ergreifen zu können. Ein Beispiel einer solchen Technik ist, wenn das Al₂O₃-Wachstum periodisch durch ein kurzes TiN-Abscheidungsverfahren unterbrochen wird, welches zu einer mehrschichtigen Struktur (Al₂O₃ + TiN)_xn-Mehrschichtstruktur mit einer Dicke der einzelnen TiN-Schichten von etwa 0,1 bis 1 μm, siehe zum Beispiel „Procweedings of the 12th European CVD-Conference, Seite 8–349. Solche Mehrschichtstrukturen leiden aber sehr oft an niedriger Anhaftung zwischen den beiden unterschiedlichen Schichtentypen.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, auf einem harten Substrat oder vorzugsweise auf einem mit einer TiC_xN_yO Schicht überzogenen harten Substrat wenigstens eine einphasige α-Al₂O₃-Schicht mit einer Mikrostruktur zu bekommen, die sich von den säulenartigen α- oder κ- Al₂O₃-CVD-Schichten unterscheidet, die oben erwähnt sind. Es ist auch das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Werkzeugüberzug mit hoher Leistung zu bekommen, der die Al₂O₃-Schicht nach der Erfindung umfaßt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Schneidwerkzeugeinsatz mit einer Aluminiumoxidbeschichtung und mit verbesserter Schneidleistung in Stahl, nicht-rostendem Stahl, Gußeisen und insbesondere knötchenhaltigem Gußeisen zu bekommen.
1a ist eine Mikrophotographie einer Al₂O₃-Schicht nach der vorliegenden Erfindung mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM).
1b ist eine SEM-Mikrophotographie eines polierten Querschnitts einer Al₂O₃-Schicht nach der vorliegenden Erfindung mit starker Vergrößerung.
2a ist eine SEM-Mikrophotographie einer bekannten Al₂O₃-Schicht.
2b ist eine SEM-Mikrophotographie eines polierten Querschnitts einer Al₂O₃-Schicht nach dem Stand der Technik mit einem SEM.
3a ist eine SEM-Mikrophotographie eines bekannten mehrschichtigen Al₂O₃-TiN-Überzugs.
3b ist eine SEM-Mikrophotographie eines polierten Querschnitts einer Al₂O₃-TiN-Mehrschicht gemäß dem Stand der Technik. Die Erfindung besteht aus einer Beschichtung eines Werkzeugs nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Beschichten eines Körpers nach Anspruch 6.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß eine nicht-säulenförmige α- Al₂O₃-Schicht durch Unterbrechung des Al₂O₃-Wachstumverfahrens abgeschieden werden kann, indem man den Fluß von CO₂-, AlCl₃-, HCl- und H₂S-Gasen zu der Reaktorkammer zustopft und dann unmittelbar danach TiCl₄ (H₂ ist bereits im Reaktor vorhanden) während einer kurzen Zeitdauer. Wenn die Reaktionspartnergase AlCl₃, HCl, CO₂ und H₂S wieder in den Reaktor in jener erwähnten Reihenfolge eingeführt werden, findet wieder Keimbildung von Al₂O₃ statt. Für die Dauer der TiCl₄-Behandlung sowie die TiCl₄-Konzentration sind wichtige Parameter, die optimiert werden müssen, um das erwünschte Ergebnis zu erzielen. Wenn TiCl₄-Konzentration zu niedrig oder/und die Behandlungszeit lange ist, wird die Kohäsion zwischen den Al₂O₃-Körnern zu schwach sein, was zu einer Beschichtung geringer Qualität führt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung betrifft somit die Beschichtung eines Körpers mit einer α-Al₂O₃-Schicht, während welcher der Körper in Berührung mit einem Wasserstoffträgergas gebracht wird, das ein oder mehrere Halogenide von Aluminium und hydrolysierendes und/oder oxidierendes Mittel enthält, bei einer Temperatur des Körpers zwischen 950 und 1000°C. Das Oxidationspotential der CVD-Reaktoratmosphäre vor der Keimbildung von Al₂O₃ wird auf einem niedrigen Level gehalten, der die Gesamtkonzentration von H₂O, Wasserdampf oder anderen oxidierenden Stoffen, vorzugsweise auf weniger als 5 ppm hält. Das Al₂O₃-Wachstum wird begonnen, indem man die folgenden Gase AlCl₃, HCl und CO₂ in der Reihenfolge (H₂ ist bereits in dem Reaktor vorhanden) in die Reaktionskammer einführt oder indem man die Anlaufprozeduren anwendet, die in den Patenten des Standes der Technik, der US-5,487,625 und der US-5,766,782, beschrieben sind, um unterschiedliche Texturen der Al₂O₃-Schicht zu erhalten. Nach 10 bis 60 Minuten wird ein Schwefeldotiermittel, vorzugsweise H₂S, zu dem Gasgemisch zugegeben. Der Fluß der C=₂-, AlCl₃-, HCl-Gase und des Schwefeldotiermittels werden periodisch in Intervallen von 10 bis 50 Minuten unterbrochen, und 1 bis 10% (des Wasserstoffflusses) TiCl₄ läßt man in den Reaktor für eine Zeitdauer von 1 bis 10 Minuten eintreten und ersetzt dann erneut durch AlCl₃, HCl, CO₂ und das Schwefeldotiermittel in jener erwähnten Reihenfolge. Dieses Verfahren wird wiederholt durchgeführt, um eine gestreifte, bimodale α- Al₂O₃-Schichtstruktur mit der erwünschten Korngröße und Textur zu erhalten.
Im Gegensatz zu den säulenartigen Körnern bekannter Al₂O₃-Schichten sind die Körner der Al₂O₃-Schicht nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen gleichachsig mit einer bimodalen Struktur, die ein Gemisch kleiner und großer Körner ist. Die erhaltene Korngröße und die Verteilung hiervon sind abhängig von der Anzahl von TiCl₄-Behandlungen, die durchgeführt werden. Je häufiger das Al₂O₃-Verfahren unterbrochen wird und die Al₂O₃-Oberfläche mit TiCl₄ behandelt wird, desto kleiner werden die Al₂O₃-Körner sein. Die groberen Al₂O₃-Körner haben eine Durchschnittskorngröße d_c ≤ 1 μm und die feineren Al₂O₃-Körner 0,1 ≤ d_f ≤ d_c/3.
Die Korngröße in der α- Al₂O₃-Schicht kann aufgrund einer Draufsicht-Mikrophotographie mit SEM bei etwa 4000-facher Vergrößerung bestimmt werden. Eine solche Mikrophotographie einer Al₂O₃-Schichtoberfläche nach der vorliegenden Erfindung ist in 1a gezeigt. In 2a und 3a sind die Mikrophotographien bekannter Al₂O₃-Schichten gezeigt. Die Größe und die Form der Körner kann leicht beobachtet werden. Außerdem sind die geschichteten Zonen in der α- Al₂O₃-Schicht sichtbar, da sie Titan enthält, und Sauerstoff ist in einem polierten Querschnitt bei 4000- bis 6000-facher Vergrößerung sichtbar. Diese geschichteten Zonen, die keinen Kohlenstoff oder Stickstoff enthalten, können auch etwas Aluminium enthalten. Die geschichteten Zonen sind vorzugsweise < 0,2 μμ dick, und die Anzahl der geschichteten Zonen je μm Al₂O₃-Schicht sollte 1 bis 10 sein. Sie können eng miteinander verbunden sein, doch ähneln sie in einigen Fällen fast einer mehrschichtigen Struktur. Das Vorhandensein dieser geschichteten Zonen in der Al₂O₃-Struktur beschränkt das Al₂O₃-Kornwachstum evident und macht eine erneute Keimbildung ohne den negativen Effekt einer vollständigen Zwischenschicht oder dazwischenliegender Schichten möglich.
Durch Auswahl geeigneter Bedingungen für das anfängliche Wachstum der Al₂O₃-Schicht, zum Beispiel gemäß den Verfahren in den US-Patenten 5,487,625 und 5,766,782 können Al₂O₃-Schichten, die in den (012)-, (024)- oder (104)-Richtungen texturiert sind, mit einem Texturkoeffizienten TC > 1,3 abgeschieden werden.
Der Texturkoeffizient TC wird wie folgt definiert:
worin
I (hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion ist,
I₀ (hkl) = Standardintensität der ASTM-Standard-Pulverbeugungsbilddaten ist,
n = Zahl der Reflexionen ist, die in der Berechnung von (hkl)-Reflexionen verwendet werden, wobei die verwendeten Reflexionen folgende sind: (012), (104), (110), (113), (024) und (116).
Spezieller umfaßt der beschichtete Körper ein Schneidwerkzeug mit aus Hartmetall, Cermet, Keramik oder superhartem Material und mit wenigstens auf den arbeitenden Teilen von deren Oberfläche einer Beschichtung, die aus einem harten, verschleißbeständigen Material besteht. In dieser Beschichtung ist wenigstens eine Schicht eine α-Al₂O₃-Schicht in einzelner Phase gemäß der vorliegenden Erfindung, und diese α-Al₂O₃-Schicht in einzelner Phase mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 25 μm. Die anderen Schichten in der Beschichtungsstruktur können TiC oder verwandte Carbide, Nitride, Carbonitride, Oxycarbide und Oxycarbonitride eines Metalls aus den Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, der Elemente B, Al und Si und/oder eines Gemisches hiervon sein. Solche andere Schichten können durch CVD, PACVD (Plasma-CVD), PCD (physikalische Abscheidung aus der Dampfphase) oder MT-CVD (CVD bei mäßiger Temperatur) abgeschieden werden. Wenigstens eine solche andere Schicht steht in Berührung mit dem Substrat. Die Gesamtdicke der Beschichtung des Schneidwerkzeugs kann zwischen 1 und 30 μm variieren.
Beispiel

A) Hartmetallschneideinsätze der Type CNMG 120412-KM mit der Zusammensetzung 6 Gew.-% CO und Rest WC wurden mit einer 5μm dicken Schicht Ti (C, N) unter Verwendung der MTCVD-Technik mit TiCl₄, H₂, N₂ und CH₃CN als Verfahrensgase beschichtet. In anschließenden Verfahrensstufen während des gleichen Beschichtungszyklus wurde eine 0,5 μm TiC_xN_yO_z Schicht mit einer ungefähren Zusammensetzung entsprechend x = 0,5, y = 0,3 und z = 0,2 abgeschieden, gefolgt von einer 6 μm dicken Schicht von α- Al₂O₃, abgeschieden gemäß dem Beschichtungsverfahren nach der Erfindung. Vor der Keimbildung des Al₂O₃ wurde das Oxidationspotential des Trägergases H₂ (einziges in dem Reaktor vorhandenes Gas), d.h. die Wasserdampfkonzentration, explizit auf einen niedrigen Wert, geringer als 5 ppm, eingestellt. Sodann wurde die erste Al₂O₃-Schicht als Stufe 1 begonnen. Die Verfahrensbedingungen während der Al₂O₃-Abscheidung waren folgende:
Die Al₂O₃-Schicht wurde durch Arbeiten nach den Stufen 1, 2 und 3 und anschließende Schleife zwischen der Stufe 3 und der Stufe 2 neunmal und zum Abschluß des Verfahrens durch Stufe 4 abgeschieden. Somit wurde das Al₂O₃-Verfahren insgesamt zehnmal unterbrochen und mit TiCl₄/H₂ behandelt. XRD-Analyse des abgeschiedenen α- Al₂O₃ zeigte eine stark texturierte Struktur mit einem Texturkoeffizienten TC (012) von 1,7 der (012)-Ebenen und TC (024) von 1,5 der (024)-Ebenen. Aus den SEM-Mikrophotographien, die von der oberen Oberfläche ähnlich 1a abgenommen wurden, wurde die Korngröße bestimmt. Die groben Körner hatten eine mittlere Korngröße von 0,9 μm und die feinen Körner eine mittlere Korngröße von 0,3 μm.
B) Das Hartmetallsubstrat von A) wurde mit Ti (C, N) (5 μm), einer 0,5 μm dicken TiC_xN_yO_z Schicht und Al₂O₃ (6 μm) wie in A) beschrieben, beschichtet mit der Ausnahme, daß das Al₂O₃-Verfahren gemäß dem Stand der Technik durchgeführt wurde, d.h. nach dem gleichen Verfahren, wie unter A) beschrieben, ausgenommen, daß die TiCl₄/H₂-Behandlungen weggelassen wurden und eine Al₂O₃-Verfahrenszeit von 290 Minuten verwendet wurde. Dies führte zu einer Al₂O₃-Schicht, die im wesentlichen aus der κ- Al₂O₃-Phase mit einer mittleren Korngröße von etwa 2 μm bestand, 2a.
c) Das Hartmetallsubstrat von A) wurde mit Ti (C, N) (5 μm), einer 0,5 μm dicken TiC_xN_yO_z Schicht und einer 6 μm dicken mehrschichtigen Al₂O₃-Schicht oben darauf überzogen, wie in A) ausgeführt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß die Stufe 3 durch eine bekannte TiN-Verfahrensstufe ersetzt wurde. Die Verfahrensparameter für diese TiN-Stufe waren folgende: 2% TiCl₄, 40% N₂, 58% H₂ und eine Verfahrenszeit von 3 Minuten. Dies führte zu einem vielschichtigen Überzug, der aus elf Al₂O₃-Schichten und zehn dünnen TiN-Schichten bestand. Die Al₂O₃-Schicht bestand, wie ermittelt wurde, aus der κ-Phase.

Beschichtete Werkzeugeinsätze aus A), B) und C) wurden alle mit einem Al₂O₃-Pulver von 150 Maschen naß einem Sandstrahlverfahren unterzogen, um die Beschichtungsoberflächen zu glätten.
Die Schneideinsätze wurden dann unter Bezug auf die Kantenlinie und Abplatzungen an der Spanfläche in einem Plandrehen von Knötchen Gußeisen getestet. Die Form des bearbeiteten Werkstücks war so, daß die Schneidkante zweimal während jeder Umdrehung unterbrochen wird.

Schneiddaten:

Geschwindigkeit = 170 m/Min.

Schneidtiefe = 2,0 mm und

Vorschub = 0,1 mm/Umdrehung.
Die Einsätze arbeiteten mit einem Schnitt über die Fläche des Werkstücks. Dieser Test ist sehr entscheidend und anfordernd, wenn man Knötchengußeisen schneidet.
Der Prozentsatz der Kantenlinie beim Schnitt, der für Abplatzungen in das Carbidsubstrat erhalten wurde sowie der Umfang der Abplatzungen, die auf der Spanfläche des Schneideinsatzes erfolgten, wurden für jeden getesteten Einsatz aufgezeichnet.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle nachfolgend als Mittelwerte der vier Einsätze ausgedrückt.

Claims

Schneidwerkzeug mit einem Körper, bei dem wenigstens auf den Funktionsteilen von deren Oberflächen eine harte und verschleißbeständige Beschichtung aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Beschichtung eine Struktur mit einer oder mehreren hitzebeständigen Schichten umfaßt, von denen wenigstens eine Schicht im wesentlichen aus α-Al₂O₃ besteht und daß diese α-Al₂O₃-Schicht im wesentlichen aus gleichachsigen Körnern mit einer mittleren Korngröße < 1 μm besteht und außerdem gestreifte Zonen enthält, die > 5 Atom-% Titan, aber keinen Stickstoff oder Kohlenstoff enthalten.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃-Schicht eine bimodale Korngrößenverteilung hat, wobei grobere Körner mit einer durchschnittlichen Korngröße d_c ≤ 1 μm und die feineren Körner in dem Intervall von 0,1 ≤ d_f ≤ d_c/3 sich befinden.
Schneidwerkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gestreiften Zonen < 0,2 μm dick sind und ihre Anzahl je μm Al₂O₃-Schicht 1 bis 10 ist.
Schneidwerkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht in wenigstens einer der Richtungen (012), (104) oder (024) mit einem Texturkoeffizienten größer als 1,3 texturiert ist, wobei der Texturkoeffizient wie folgt definiert ist:
worin I (hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion ist, I₀ (hkl) = Standardintensität der ASTM-Standard-Pulverbeugungsbilddaten ist, n = Zahl der Reflexionen ist, die in der Berechnung von (hkl) verwendet werden, wobei die verwendeten Reflexionen folgende sind: (012), (104), (110), (113), (024) und (116).
Schneidwerkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens eine Schicht in Berührung mit dem Substrat hat, wobei diese Schicht ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid, Oxycarbid und/oder Oxycarbonitrid eines Metalls umfaßt, welches aus den Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, B, Al und Si und/oder Mischungen hiervon umfaßt.
Verfahren zur Beschichtung eines Körpers mit einer α-Aluminiumoxid-Schicht, wobei der Körper in Berührung mit einem Wasserstoffträgergas gebracht wird, welches eines oder mehrere Halogenide von Aluminium und ein hydrolysierendes und/oder oxidierendes Mittel bei 950 bis 1000°C enthält, worin das Oxidationspotential der CVD-Reaktoratmosphäre, bevor die Keimbildung von Al₂O₃ auf einem niedrigen Wert unter Verwendung einer Gesamtkonzentration an H₂O oder anderer oxidierender Stoffe vorzugsweise unter 5 ppm gehalten wird, das Al₂O₃-Wachstum durch Eintreten der folgenden Gase in die Reaktionskammer gestartet wird: AlCl₃, HCl und CO₂, und nach 20 bis 60 Min. ein Schwefeldotiermittel, vorzugsweise H₂S zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Wachstums das CO₂, AlCl₃, HCl und das Schwefeldotiermittel wiederholt mit Zwischenräumen von 10 bis 50 Min. angehalten werden und TiCl₄ in den Reaktor während 1 bis 10 Min. in einer Konzentration von 1 bis 10% gelangen darf und dann durch AlCl₃, HCl, CO₂ und das Schwefeldotiermittel in der erwähnten Reihenfolge ersetzt wird.