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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mehrlagig beschichtetes
Schneidwerkzeug zum Schneiden metallischer Werkstoffe usw. und insbesondere
auf ein mehrlagig beschichtetes Schneidwerkzeug mit höherer Verschleißfestigkeit
und Oxidationsbeständigkeit.
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STAND DER TECHNIK
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Aufgrund
steigender Anforderungen im Hinblick auf höhere Schneidleistungen kommen
immer mehr Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren zum Einsatz,
wodurch sich die Entwicklung hin zu höheren Schnittgeschwindigkeiten
verstärkt.
Entsprechend diesem Trend werden Schneidwerkzeuge heute meist mit TiAIN
beschichtet, da dieses eine höhere
Oxidationsbeständigkeit
als TiN und TiCN aufweist.
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Um
eine weitere Erhöhung
der Schnittgeschwindigkeit zu ermöglichen, wurden verschiedene
Verbesserungen für
die Beschichtungen von Schneidwerkzeugen vorgeschlagen. Beispielsweise
ist im japanischen Patent 2.793.773 der Zusatz von Si zu einem TiAIN-Beschichtungsfilm
zur Verbesserung seiner Oxidationsbeständigkeit beschrieben, und die
japanischen Patent-Offenlegungsschriften 8-118106 und 9-11004 beschreiben
den Zusatz von Si zu einem Beschichtungsfilm auf Ti-Basis.
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Durch
den alleinigen Zusatz von Si zu einem herkömmlichen TiAIN-Beschichtungsfilm
lässt sich
die Oxidationsbeständigkeit
jedoch höchstens
um weniger als das 1,2fache steigern, wodurch sich zwar für allgemeine
Schneidzwecke einige Vorteile ergeben, die aktuellen Anforderungen
im Hinblick auf eine höhere Schnittgeschwindigkeit
jedoch nicht erfüllt
werden können.
Weiter kann der Zusatz von Si zu einem Hartbeschichtungsfilm auf
Ti-Basis zwar eine leichte Verbesserung seiner Oxidationsbeständigkeit
bewirken, aber keine hinreichende Erhöhung der Verschleißfestigkeit
des Beschichtungsfilms bei statischer Belastung, so dass ein damit
beschichtetes Schneidwerkzeug keine ausreichende Verbesserung seiner
Eigenschaften aufweist. Dies scheint darin begründet zu sein, dass das dem
Beschichtungsfilm zugesetzte Si eine einfache harte Mischkristallphase
bildet, in der Si-Atome Ti-Atome ersetzen, wodurch nur eine Verfestigung
des Mischkristalls erzielt wird.
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Ferner
ist der nur Si enthaltende Beschichtungsfilm aufgrund der auffallend
hohen Druckspannung spröder
als ein Beschichtungsfilm ohne Si, und diese sehr hohe Druckspannung
lässt den
Beschichtungsfilm unmittelbar nach seiner Bildung leicht vom Schneidwerkzeugsubstrat
abplatzen. Daher wurden Si-haltige Beschichtungsfilme bisher praktisch
noch nicht auf Schneidwerkzeuge aufgebracht. Da die auszuführenden
Arbeiten und somit auch die Schnittbedingungen immer schwieriger
werden, treten durch das Abplatzen und Oxidieren des Beschichtungsfilms
anomaler Verschleiß und
Brüche
auf, was wiederum dazu führt,
dass Schneidwerkzeuge mit Si-haltigen Beschichtungsfilmen in der
Praxis nicht zum Einsatz kommen. Bislang wurden somit bei Beschichtungsfilmen
von Schneidwerkzeugen noch keine hinreichenden Verbesserungen im
Hinblick auf die für
das Schnellschneiden nötige
Schneidleistung erzielt.
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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Daher
ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines
Schneidwerkzeugs mit einem Si-haltigen Beschichtungsfilm, das ohne
Beeinträchtigung
der Haftung am Schneidwerkzeugsubstrat eine deutliche höhere Verschleißfestigkeit
und Oxidationsbeständigkeit
aufweist und somit sein Eigenschaftsprofil voll zur Geltung bringt,
so dass das Schneidwerkzeug für
das Schnellschneiden gut geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
der Tatsache, dass ein auf einem Schneidwerkzeugsubstrat gebildeter
Si-haltiger Beschichtungsfilm eine weitaus höhere Druckspannung aufweist
als ein Beschichtungsfilm ohne Si und dass der Si-haltige Beschichtungsfilm
beim Schneiden aufgrund einer sehr hohen Druckspannung gelegentlich
abblättert,
das heißt
dass der Si-haltige
Beschichtungsfilm nicht auf dem Schneidwerkzeug haftet, wird der
Si-haltige Beschichtungsfilm im Idealfall in Kombination mit einem
weiteren Hartbeschichtungsfilm eingesetzt, der eine ausgezeichnete
Substrathaftung besitzt. Durch Kontrolle der Struktur und Kristallform
des Si-haltigen Beschichtungsfilms lässt sich dessen Druckeigenspannung
verringern und dadurch dessen Haftung am Schneidwerkzeugsubstrat
weiter verbessern. Außerdem
kann durch Kontrolle der Kristallform des Si-haltigen Beschichtungsfilms
die Härte
des Beschichtungsfilms deutlich erhöht und damit die Verschleißfestigkeit
des beschichteten Schneidwerkzeugs weiter verbessert werden. Darüber hinaus
wurde festgestellt, dass sich die Oxidationsbeständigkeit des Si-haltigen Beschichtungsfilms
durch die Kontrolle seiner Kristallform erheblich erhöhen lässt.
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Die
meisten der derzeit erhältlichen
aus mehreren Elementen bestehenden Nitride wie TiAIN oder dergleichen
bilden Nitride mit einer kubischen, NaCl-artigen Kristallstruktur,
und wenn Si zu TiAIN zugegeben wird, ersetzt es ein Ti-Atom in TiAIN
und erzeugt aufgrund des unterschiedlichen Atomradius von Si und
Ti eine Spannung im Kristallgitter, was zu einer Erhöhung der
Druckeigenspannung führt.
Mit steigendem Si-Anteil nimmt
die Druckspannung übermäßig zu.
Daher war es bislang nicht möglich,
Si zu aus mehreren Elementen bestehenden Nitriden wie TiAIN in einem
Maße zuzusetzen,
dass Si eine hinreichend positive Wirkung haben kann.
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Als
Ergebnis der angesichts der vorstehenden Probleme durchgeführten Untersuchungen
haben die Erfinder festgestellt, dass der Si-haltige Beschichtungsfilm,
der Si und ein oder mehrere metallische Elemente der Gruppen 4a,
5a und 6a des Periodensystems und Al umfasst, mit einer geringeren
Spannung und höheren Verschleißfestigkeit
sowie einer verbesserten Haftung am Schneidwerkzeugsubstrat versehen
werden kann, indem dem Si-haltigen Beschichtungsfilm eine Struktur
gegeben wird, in der Si-reiche,
harte Kristallkörner
in einer Matrix verteilt sind, die aus einer Phase mit relativ geringem
Si-Anteil und geringer Druckspannung besteht.
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Das
erfindungsgemäße mehrlagig
beschichtete Schneidwerkzeug ist daher durch die Merkmale des Anspruch
1 gekennzeichnet.
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Der
zweite Hartbeschichtungsfilm weist vorzugsweise eine durchschnittliche
Korngröße von höchstens
50 nm auf. Er umfasst vorzugsweise Si3N4 und/oder Si als eine alleinige Phase.
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In
einer Ausführungsform
enthält
der zweite Hartbeschichtungsfilm vorzugsweise eine Kombination von
Cr und Si oder eine Kombination von Ti und Si als metallische Elemente.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält
der zweite Hartbeschichtungsfilm Bor in der Form eines Bornitrids.
In einer weiteren Ausführungsform
ist der zweite Hartbeschichtungsfilm ein mehrlagiger Beschichtungsfilm,
der mindestens zwei oder mehr Schichten von einer CrSiN-Schicht,
einer (CrSi)2N-Schicht, einer CrSiBN-Schicht
und einer (CrSi)2BN-Schicht umfasst.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
enthält
der erste Hartbeschichtungsfilm vorzugsweise eine Kombination von
Ti und Al oder eine Kombination von Cr und Al als metallische Elemente.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
enthält
der erste Hartbeschichtungsfilm Al, das teilweise durch mindestens
ein aus der Gruppe von Si, Mg, Ca, Sr, Li, K und Y in einem Bereich
von 0,5 bis 30 Atomprozent ausgewähltes Element ersetzt ist.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
sind sowohl der erste als auch der zweite Hartbeschichtungsfilm
durch ein Bogenentladungs-Ionenplattierungsverfahren gebildet. Sowohl
der erste als auch der zweite Hartbeschichtungsfilm enthalten unvermeidlicherweise
mehrere Tröpfchenpartikel.
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Das
Schneidwerkzeugsubstrat kann ein Schaftfräser oder ein Einlegeteil aus
Sinterkarbid sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommenes Mikrofoto,
das die Gitterstruktur eines Si-haltigen, aus TiSiN bestehenden
Beschichtungsfilms nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein mikroskopisches Elektronenstrahl-Beugungsbild, das eine Kristallstruktur
der in 1 gezeigten Phase mit hoher Si-Konzentration zeigt.
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3 ist
ein mikroskopisches Elektronenstrahl-Beugungsbild, das eine Kristallstruktur
der in 1 gezeigten Phase mit niedriger Si-Konzentration
zeigt.
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4 zeigt
die Ergebnisse der quantitativen Analyse der Energieverteilung in
einer amorphen oder mikrokristallinen Phase in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm
in 1.
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5 zeigt
die Ergebnisse der quantitativen Analyse der Energieverteilung in
einer kristallinen Phase in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm in 1.
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6 zeigt
ein Röntgenbeugungsdiagramm
(a) eines Schneidwerkzeugsubstrats aus Sinterkarbid, (b) eines nach
einem herkömmlichen
Verfahren hergestellten Si-haltigen
Beschichtungsfilms aus TiSiN und (c) eines Si-haltigen Beschichtungsfilms
aus TiSiN, der mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
hergestellt wurde.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
in Anspruch 1 beschriebene mehrlagig beschichtete Schneidwerkzeug
nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen mehrlagigen Beschichtungsfilm
mit einem ersten Hartbeschichtungsfilm, der auf dem Schneidwerkzeugsubstrat
gebildet ist und auf Ti, Al und/oder Cr als metallischen Elementen
und N, B, C und/oder O als nicht metallischen Elementen basiert,
sowie einem zweiten Hartbeschichtungsfilm, der auf dem ersten Hartbeschichtungsfilm
gebildet ist und auf Si und anderen metallischen Elementen und N,
B, C und/oder O als nicht metallischen Elementen basiert. Besonderes
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass der zweite
Hartbeschichtungsfilm ein kompositionssegrierter polykristalliner
Film ist, der eine Phase mit relativ hoher Si-Konzentration und
eine Phase mit relativ geringer Si-Konzentration umfasst. Der zweite
Hartbeschichtungsfilm kann als „Si-haltiger Beschichtungsfilm" bezeichnet werden,
da er durch die Einlagerung von Si gekennzeichnet ist.
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Der
Si-haltige Beschichtungsfilm mit seinen verschiedenen, unterschiedliche
Si-Anteile enthaltenden Phasen kann nicht mit herkömmlichen
Beschichtungsverfahren gebildet werden, sondern nur durch solche Verfahren,
bei denen während
des Beschichtens die Ionenenergie sequenziell oder periodisch geändert wird. Zu
diesen Verfahren gehören
zum Beispiel ein Verfahren, bei dem eine an das Schneidwerkzeugsubstrat
an gelegte Impulsvorspannung während
des Beschichtens sequenziell oder periodisch zwischen positiver
und negativer Spannung umgeschaltet wird, sowie ein Verfahren Methode,
bei dem die Impulsvorspannung auf ähnliche Weise verändert wird.
Die positive und die negative Impulsspannung wechseln sich ab, und
ihre Pegel und Zeitdauer werden je nach der gewünschten Zusammensetzung des
Si-haltigen Beschichtungsfilms verändert. Die sequenzielle oder
periodische Änderung
der Ionenenergie verändert
die Ionendiffusionstiefe auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats
und erzeugt dadurch eine ungleiche Si-Konzentration. Die Beschichtungstemperatur
ist ebenfalls ein wichtiger Faktor zur Steuerung der Ionendiffusionstiefe
und somit zur Kontrolle der Kristallform, insbesondere der Körngröße, des
Si-haltigen Beschichtungsfilms.
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Je
niedriger die Beschichtungstemperatur ist, desto feiner sind die
entstehenden Kristallkörner,
wodurch die Härte
des Si-haltigen Beschichtungsfilms zunimmt und die Korngrenzen dichter
werden, was die Oxidation des Si-haltigen Beschichtungsfilms aufgrund
der Sauerstoffdiffusion in die Korngrenzen verhindert und damit
die Oxidationsbeständigkeit
des Si-haltigen Beschichtungsfilms erhöht. Insbesondere die Phase
mit einer relativ hohen Si-Konzentration wird durch ein bei niedriger
Temperatur durchgeführtes
Ionenplattierungsverfahren als amorphe oder mikrokristalline Phase
in dem Si-haltigen
Beschichtungsfilm gebildet. Diese Phase mit hoher Si-Konzentration
umfasst vorzugsweise Kristallkörner
im Nanometerbereich mit einer durchschnittlichen Korngröße von höchstens
50 nm, die sich besonders günstig
auf die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit auswirken. Die Kristallkörner in
der Phase mit hoher Si-Konzentration sind so klein, dass diese Phase
als „amorph
oder mikrokristallin" bezeichnet
werden kann.
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Si-reiche
Kristallkörner
verwandeln sich bei einer Beschichtungstemperatur von 350 bis 400 °C in eine amorphe
oder mikrokristalline Phase, so dass eine Struktur entsteht, die
aufgrund einer guten Anordnung von kristalliner Phase mit amorpher
oder mikrokristalliner Phase deutlich weniger Gitterdefekte aufweist,
was zu einer weiteren Verringerung der Sauerstoffdiffusion führt. Dies
wiederum verbessert die Oxidationsbeständigkeit des Si-haltigen Beschichtungsfilms
und verfeinert die Korngröße und erhöht somit
die Härte
des Beschichtungsfilms, so dass ein Beschichtungsfilm entsteht,
der einem Schneidwerkzeug eine ausreichende Schneidleistung verleiht.
Da der Si-Gehalt in der Matrixphase (Phase mit geringer Si-Konzentration)
relativ niedrig ist, weist der Si-haltige Beschichtungsfilm eine
gute Haftung auf dem darunter liegenden Hartbeschichtungsfilm auf.
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In
dem bei einer Beschichtungstemperatur von 300 bis 350 °C gebildeten
Si-haltigen Beschichtungsfilm
liegt eine Si3N4-Phase
und/oder eine Si-Phase vor. Das Vorhandensein dieser Phasen lässt sich
durch ESCA-Untersuchungen nachweisen, ob ein Peak bei der jeweiliger
Bindungsenergie vorliegt. Für
den Fall, dass in dem Beschichtungsfilm sowohl die Si3N4-Phase als auch die Si-Phase vorliegen,
weist der Beschichtungsfilm aufgrund der durch diese beiden Phasen
verursachten Gitterspannung in der Regel eine größere Härte und höhere Verschleißfestigkeit
auf. Der Si-haltige Beschichtungsfilm, in dem eine gewisse Gitterspannung herrscht,
zeigt jedoch normalerweise eine etwas geringere Oxidationsbeständigkeit,
was vermutlich darauf zurückzuführen ist,
dass die Sauerstoffdiffusion durch die Korngrenzen beschleunigt
ist.
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Die
wichtigen Eigenschaften des Si-haltigen Beschichtungsfilms sind
seine Struktur und Kristallform, weniger die Art der anderen Komponenten
außer
Si. Das bedeutet, dass verschiedene Elemente mit Si kombiniert werden
können.
Die Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass der zweite Hartbeschichtungsfilm,
der Ti und Si als metallische Elemente enthält, bei Schneidarbeiten die
beste dynamische Oxidationsbeständigkeit
aufweist. In diesem Fall wird beim Schneiden Titanoxid, das eine
geringere freie Bindungsenergie aufweist als ein Siliziumoxid, in
einer Oberfläche
des Si-haltigen
Beschichtungsfilms gebildet, so dass Ti in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm
nach außen
diffundiert und in einem Oberflächenbereich
des Si-haltigen Beschichtungsfilms eine pulverige TiO-Schicht bildet,
während
das Si in der Oberfläche
nach innen diffundiert und direkt unter der TiO-Schicht eine extrem
dichte Siliziumoxidschicht bildet. Die ausgezeichnete dynamische Oxidationsbeständigkeit
des Beschichtungsfilms ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass das pulverige TiO zur
Schmierung beiträgt
und dass eine dichte Siliziumoxidschicht eine hervorragende Haftung
an der darunter liegenden Schicht aufweist und als Sperrschicht
für die
Diffusion von Sauerstoff dient. Weil die dynamische Oxidationsbeständigkeit
beim Schnellschneiden von hochfestem Stahl von besonderer Bedeutung
ist, erreicht der Ti- und Si-haltige Beschichtungsfilm die längste Lebensdauer.
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Enthält der Si-haltige
Beschichtungsfilm Cr und Si als metallische Elemente, verhindert
die selbstschmierende Wirkung von Cr in hohem Maße das Scheuern an den Schneidkanten
beim Schneiden von Stahl usw., so dass ein Werkstück mit einer
ausgezeichneten bearbeiteten Oberfläche erhalten wird. Insbesondere beim
Schneiden von Kohlenstoffstahl, an dem leicht Scheuerspuren sichtbar
werden, lassen sich mit diesem Beschichtungsfilm hervorragend bearbeitete
Oberflächen
und die längste
Lebensdauer erzielen. Darüber
hinaus wurde nachgewiesen, dass eine (CrSi)2N-Schicht
einen geringeren Reibungskoeffizienten gegenüber Kohlenstoffstahl als eine
CrSiN-Schicht aufweist und dass der Einsatz einer (CrSi)2N-Schicht daher ein mögliches Scheuern noch weiter
verhindern und somit die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs verlängern kann.
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Obwohl
der Si-haltige Beschichtungsfilm durch Kontrolle seiner Struktur
und Kristallform mit einer geringeren inneren Spannung gebildet
werden kann, wird ein einschichtiger Si-haltiger Beschichtungsfilm
leicht vom Schneidwerkzeugsubstrat abblättern, wenn es für anspruchsvolle
Schneidarbeiten eingesetzt wird. Daher sollte der Si-haltige Beschichtungsfilm
mit einem weiteren darunter liegenden Beschichtungsfilm versehen
sein (dem ersten Hartbeschichtungsfilm), der eine ausgezeichnete
Haftung auf dem Schneidwerkzeugsubstrat aufweist. Auch wenn die
Zusammensetzung dieser Haftung verleihenden Unterschicht keinen
Einschränkungen unterliegt,
solange sie ein oder mehrere aus der Gruppe von Ti, Al und Cr ausgewählte metallische
Elemente sowie ein oder mehrere aus der Gruppe von N, B, C und O
ausgewählte
nicht metallische Elemente enthält, ist
ein Hartbeschichtungsfilm auf TiAl-Basis oder ein Hartbeschichtungsfilm
auf CrAl-Basis vorzuziehen, weil diese im Vergleich zu dem Beschichtungsfilm
auf Ti-Basis die Schnellschneidleistung des Schneidwerkzeugs bei
hochfestem Stahl verbessern können.
Der Beschichtungsfilm auf Ti-Basis ermöglicht bei schwierigen Schneidarbeiten
eine besonders konstante Schneidleistung.
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Im
ersten Hartbeschichtungsfilm lässt
sich Ti natürlich
teilweise durch die Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems
ersetzen, wie dies in der Praxis allgemein üblich ist. Außerdem kann
der Ersatz von Ti durch Si, Mg, Ca, Sr, Li, K und Y in einem Bereich
von 0,5 bis 30 Atomprozent die Lebensdauer deutlich verlängern. Vergleichbar
mit dem vorstehend beschriebenen Phänomen diffundieren diese Elemente in
dem Beschichtungsfilm zur Oberfläche,
um beim Schneiden Oxide zu bilden. Die Oxide dieser Elemente weisen
besonders niedrige Schmelzpunkte auf, so dass beim Schneiden eine
flüssige
Phase entsteht, die eine erstaunliche Verringerung des Schneidwiderstands
und der Schneidtemperatur bewirkt, was eine Schmierwirkung und somit
eine lange Lebensdauer zur Folge hat. Der Ersatz von Ti durch Si
erhöht
die Oxidationsbeständigkeit
des Beschichtungsfilms, wodurch eine längere Lebensdauer des Schneidwerkzeugs
beim Schneiden von hochfesten Werkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten
erzielt wird. Enthält
der zweite Hartbeschichtungsfilm Si, kann Si unter anderen allgemeinen
Beschichtungsbedingungen als den zur Bildung des ersten Hartbeschichtungsfilms
beschriebenen Bedingungen in einem Mischkristall segregiert oder
gelöst
werden.
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Der
Zusatz von Bor zum ersten Hartbeschichtungsfilm und/oder zum zweiten
Hartbeschichtungsfilm bewirkt eine Erhöhung der Schneidleistung. Insbesondere
wenn der Beschichtungsfilm unter hoher Ionenenergie gebildet wird,
liegt Bor darin in Form von Bornitrid (BN) vor, was zu einer besseren
Selbstschmierung des Beschichtungsfilms und somit zu einem geringeren
Schneidwiderstand führt,
wodurch wiederum eine lange Le bensdauer erzielt wird. Das Vorhandensein
einer BN-Phase lässt
sich durch ESCA-Untersuchungen nachweisen.
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Mit
diesem Aufbau hat das mehrlagig beschichtete Schneidwerkzeug nach
der vorliegenden Erfindung eine deutlich bessere Schneidleistung
gezeigt, weil sein mehrlagiger Beschichtungsfilm eine höhere Oxidationsbeständigkeit
und eine größere Härte aufweist,
ohne vom Schneidwerkzeug abzublättern,
auch nicht bei schwierigen Schnittbedingungen wie etwa beim Schneiden
von hochfesten Werkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten.
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Nachstehend
werden die Anforderungen nach der vorliegenden Erfindung am Beispiel
einer amorphen oder mikrokristallinen Phase in einem TiSiN-Beschichtungsfilm
als zweitem Hartbeschichtungsfilm ausführlich beschrieben. Die Zusammensetzung
von TiSiN und die Bildung des TiSiN-Beschichtungsfilms sind identisch
mit BEISPIEL 4. Das mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommene
Mikrofoto des TiSiN-Beschichtungsfilms ist in 1 gezeigt. 2 und 3 zeigen
die mikroskopischen Elektronenstrahl-Beugungsbilder der Kristallstrukturen
in den Regionen 1 und 2 in 1, aufgenommen
mit einer Kameralänge
von 50 cm und einem Strahldurchmesser von 2 bis 5 nm.
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1 bis 3 zeigen,
dass der Si-haltige Beschichtungsfilm nach der vorliegenden Erfindung
eine kristalline und eine amorphe oder mikrokristalline Phase aufweist. 4 und 5 zeigen
die Ergebnisse der quantitativen Analyse der Energieverteilung in
den Regionen 1 und 2 in 1. Die quantitative Analyse
der beiden Regionen erfolgte jeweils in einem Bereich von 1 nm2. 4 und 5 zeigen,
dass die kristalline Region 1 eine Si-Konzentration von 8 Atomprozent
aufweist, während
die amorphe oder mikrokristalline Phase 2 eine Si-Konzentration
von 26 Atomprozent aufweist, jeweils bezogen auf die metallischen
Elemente. Somit zeigen 4 und 5, dass
die Si-Konzentration bei dem vorliegenden Beispiel in der amorphen
oder mikrokristallinen Phase 2 mindestens dreimal so hoch ist wie
in der kristallinen Matrixphase 1, was bedeutet, dass Si vor allem
in der amorphen oder mikrokristallinen Phase 2 vorliegt.
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Normalerweise
liegt das Verhältnis
bezüglich
Atomprozent der Si-Konzentration in der amorphen oder mikrokristallinen
Phase 2 zu der in der kristallinen Matrixphase 1 zwischen 1,5:1
und 20:1, vorzugsweise zwischen 1,8:1 und 10:1 (zum Beispiel zwischen
2:1 und 8:1 oder zwischen 3:1 und 7:1) und noch besser zwischen
2:1 und 5:1 (zum Beispiel zwischen 3:1 und 5:1). Besonders bevorzugte
Beispiele weisen Verhältnisse zwischen
2:1 und 4:1 und zwischen 2,5:1 und 3,5:1 auf.
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6 zeigt
die Röntgenbeugungsdiagramme
für einen
TiSiN-Beschichtungsfilm (b) in VERGLEICHSBEISPIEL 5 und den vorstehenden
beschriebenen TiSiN-Be schichtungsfilm (c), der mit dem Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung (BEISPIEL 4) hergestellt wurde.
Das Verfahren zur Herstellung des TiSiN-Beschichtungsfilms (b) in
VERGLEICHSBEISPIEL 5 ist in „Surface
and Coating Technology",
133–134(2000),
S. 307 bis 313, beschrieben. Im Übrigen
zeigt (a) in 6 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines
Schneidwerkzeugsubstrats aus Sinterkarbid. Aus 6 ist
ersichtlich, dass ein Peak im Röntgenbeugungsdiagramm
an einer Kristallfläche
(200) in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm (c) nach der vorliegenden
Erfindung viel breiter ist als in dem herkömmlichen Si-haltigen Beschichtungsfilm
(b).
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Darüber hinaus
ergibt sich aus dem Elektronenstrahl-Beugungsbild der Region 1 in 1 und
dem Röntgenbeugungsdiagramm
(c) in 6, dass die kristalline Region 1 eine NaCl-artige
Kristallform mit einer fcc-Struktur aufweist und dass sich der Kristallflächenabstand
trotz eines aufgrund der Eigenspannung im Si-haltigen Beschichtungsfilm
verbreiterten Beugungspeaks an der Kristallfläche (200) durch den Zusatz
von Si nicht wesentlich verändert.
Somit bestätigen
diese Ergebnisse, dass die kristalline Region 1 TiSiN umfasst, wobei
Ti in geringem Umfang durch Si ersetzt ist. Der Si-haltige Beschichtungsfilm
nach der vorliegenden Erfindung zeigt vorzugsweise den maximalen
Peak der Röntgenbeugungsintensität an der
Kristallfläche
(200), weil der Si-haltige Beschichtungsfilm, der vorwiegend nach
der Kristallfläche
(200) ausgerichtet ist, die wenigsten Gitterdefekte aufweist und
daher eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit besitzt.
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Der
Si-haltige Beschichtungsfilm, der eine amorphe oder mikrokristalline
Phase mit hoher Si-Konzentration und eine kristalline Phase mit
geringer Si-Konzentration umfasst, kann aus Si, einem oder mehreren aus
der Gruppe der metallischen Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des
Periodensystems und Al ausgewählten
metallischen Elementen, vorzugsweise jedoch einem oder mehreren
aus der Gruppe von Si und Ti, Al und Cr ausgewählten metallischen Elementen,
sowie einem oder mehreren aus der Gruppe von N, B, C und O ausgewählten nicht
metallischen Elementen gebildet werden. Auch wenn der Si-haltige
Beschichtungsfilm einen äußerst geringen
Si-Gehalt aufweist, kann in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm eine
amorphe oder mikrokristalline Phase mit vergleichsweise hoher Si-Konzentration
dispergiert sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
zeigt sich in einem mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommenen
Mikrofoto des Si-haltigen Beschichtungsfilms ein Flächenverhältnis der
amorphen oder mikrokristallinen Phase mit hoher Si-Konzentration zur
kristallinen Phase mit geringer Si-Konzentration von 5:95 bis 50:50.
In der amorphen oder mikrokristallinen Phase mit hoher Si-Konzentration
liegt die Si-Kon zentration zwischen 5 und 40 Atomprozent und vorzugsweise
zwischen 10 und 20 Atomprozent, basierend auf dem Gesamtanteil der
metallartigen Elemente.
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Mit
dem eine amorphe oder mikrokristalline Phase mit hoher Si-Konzentration
und eine kristalline Phase mit geringer Si-Konzentration umfassenden
Si-haltigen Beschichtungsfilm kann das Schneidwerkzeug eine konstante
Schneidleistung aufweisen. Im Hinblick auf einen statischen Oxidationsmechanismus
wird durch das vorwiegend in der amorphen oder mikrokristallinen
Phase mit hoher Si-Konzentration konzentrierte Si sehr feines Siliziumoxid
gebildet. Dieses feine Siliziumoxid fungiert als Sperre für das Eindiffundieren
von Sauerstoff, was zu einer signifikanten Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit
beiträgt.
Darüber
hinaus weist der Si-haltige Beschichtungsfilm, der aus einer amorphen
oder mikrokristallinen Phase mit hoher Si-Konzentration und einer
kristallinen Phase mit geringer Si-Konzentration besteht, die beide
die gleichen Elemente enthalten, weniger Gitterdefekte an den Grenzen
dazwischen auf als ein Beschichtungsfilm mit einer alleinigen Phase aus
Siliziumnitrid usw. Daraus ergibt sich, dass erstere in Bezug auf
ein Verhindern des Eindiffundierens von Sauerstoff besser geeignet
ist als letztere.
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Eine
Analyse der dynamischen Oxidation, und zwar insbesondere des Oxidationsverhaltens
bei Schneidvorgängen,
ergab, dass ein Teil der Oberfläche
des Si-haltigen Beschichtungsfilms des Schneidwerkzeugs in einen
Oxidfilm mit hoher Si-Konzentration umgewandelt wird, wobei sich
beim Schneiden durch den Abrieb Fe ablagert, und dass der entstehende
Oxidfilm mit hoher Si-Konzentration einerseits die Oxidation verhindert
und andererseits eine Schmierwirkung besitzt. Es wird angenommen,
dass die deutliche Steigerung der Schnellschneidleistung des Schneidwerkzeugs
auf diese Synergieeffekte zurückzuführen ist.
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Zum
Beschichten des Schneidwerkzeugs empfiehlt sich die Anwendung eines
Bogenentladungs-Ionenplattierungsverfahrens, das bei relativ niedriger
Temperatur einen Beschichtungsfilm mit geeigneter Druckeigenspannung
bilden kann, was hinsichtlich des thermischen Einflusses auf das
Schneidwerkzeugsubstrat die Dauerfestigkeit des Schneidwerkzeugs,
die Haftung eines Beschichtungsfilms auf dem Schneidwerkzeug usw.
bestimmt.
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Das
Bogenentladungs-Ionenplattierungsverfahren zur Bildung des Si-haltigen
Beschichtungsfilms mit einer amorphen oder mikrokristallinen Phase
mit hoher Si-Konzentration und einer kristallinen Phase mit geringer
Si-Konzentration auf dem Schneidwerkzeugsubstrat über dem
ersten Hartbeschichtungsfilm kann zum Beispiel wie folgt durchgeführt werden:
Zunächst
wird ein Lichtbogenofen bis zu einem Unterdruck von 3 × 10–5 Pa
evakuiert und das Schneidwerkzeugsubstrat mit einem Heizgerät erwärmt. Nach dem
Reinigen und Aktivieren des Schneidwerkzeugsubstrats durch Ar-Ionen
wird für
eine gezielte Zusammensetzung des Beschichtungsfilms an mehreren
Kathoden als Verdampfungsquellen für die Bogenentladung im Lichtbogenofen
ein Legierungs-Target angeordnet und durch Bogenentladung ionisiert,
so dass eine Atmosphäre
mit verschiedenen Metallionen und einem Reaktionsgas wie Stickstoff
erzeugt wird, in der die Ionenplattierung des Schneidwerkzeugsubstrats
stattfindet. Hierfür
muss eine an das Schneidwerkzeugsubstrat angelegte Vorspannung periodisch
geändert
werden, um die Ionenenergie bei der Bildung des Si-haltigen Beschichtungsfilms
zu steuern.
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Im
Einzelnen hängt
die Höhe
der Ionenenergie für
die Ionenplattierung hauptsächlich
Linie von der Kombination aus der an das Schneidwerkzeugsubstrat
angelegten Vorspannung und dem Reaktionsgas ab. Die an das Schneidwerkzeugsubstrat
angelegte Vorspannung kann verschiedene negative Vorspannungspegel
aufweisen, oder die Vorspannung kann periodisch zwischen negativer
und positiver Spannung wechseln. Eine derartige Vorspannung bewirkt
eine periodische Änderung
der Ionenenergie in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm, wodurch darin
Phasen mit unterschiedlicher Si-Konzentration entstehen. Diese periodische Änderung
der Ionenenergie ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Verschiedene Faktoren wie Vorspannung, Reaktionsdruck und Reaktionstemperatur
usw. tragen ebenfalls zu der periodischen Änderung der Ionenenergie bei.
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Die
unterschiedlichen Si-Konzentrationen in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm
sind ferner abhängig von
der Temperatur des Substrats. Insbesondere die amorphe oder mikrokristalline
Phase mit hoher Si-Konzentration würde sich in dem Si-haltigen
Beschichtungsfilm bei Temperaturen über 500 °C seltener bilden, selbst wenn
andere Parameter als die Temperatur optimiert würden. Da die Temperatur des
Substrats mit steigender Vorspannung zunimmt, kann ein Gerät zur Kühlung des
Schneidwerkzeugsubstrats erforderlich sein, wenn aufgrund der Werkstoffzusammensetzung
des Schneidwerkzeugsubstrats dessen Einsatztemperatur begrenzt ist.
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Was
den ersten Hartbeschichtungsfilm anbetrifft, so kann dieser mit
einem Bogenentladungs-Ionenplattierungsverfahren ohne Änderung
der Ionenenergie während
des gesamten Vorgangs gebildet werden.
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Obwohl
der Beschichtungsfilm nach der vorliegenden Erfindung erfolgreich
auf Schneidwerkzeugsubstrate aus Schnellstahl aufgebracht werden
kann, ist er besonders effektiv, wenn er auf Schaftfräser und
Einlegeteile aus Sinterkarbid aufgebracht wird, mit denen Schneidarbeiten
bei höheren
Geschwindigkeiten ausgeführt
werden können.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die
nachstehenden BEISPIELE ausführlich
beschrieben, ohne die vorliegende Erfindung jedoch darauf einzuschränken.
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BEISPIELE 1 BIS 27
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Unter
Verwendung verschiedener Legierungs-Targets als Quellen zur Verdampfung
von Elementen und N
2 als Reaktionsgas in
einem Bogenentladungs-Ionenplattierungsgerät wurden die Beschichtungsfilme der
in Tabelle 1 gezeigten BEISPIELE 1 bis 27 bei den folgenden Bedingungen
auf Schneidwerkzeugsubstraten gebildet:
| Substrattemperatur: | 350
bis 540 °C |
| Reaktionsgasdruck: | 5
Pa |
| Impulsvorspannung: | |
| Negative
Vorspannung: | 300
V |
| Positive
Vorspannung: | 20
V |
| Zeitanteil
der negativen Vorspannung: | 80
% |
| Zeitanteil
der positiven Vorspannung: | 20
% |
| Vorspannungsfrequenz: | 15
kHz |
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-
Zum
Bilden eines Beschichtungsfilms wurde an jede auf der einen Seite
angeordnete Verdampfungsquelle ein elektrischer Strom mit einer
Stromstärke
von 30 A und an jede gegenüberliegende
Verdampfungsquelle ein elektrischer Strom von 300 A angelegt, wobei
das Substrat jeweils mit einer Geschwindigkeit von 5 m–1 gedreht
wurde. Mit Sechsfach-Vierkantschaftfräsern aus Sinterkarbid mit einem
Außendurchmesser
von jeweils 8 mm und Einlegeteilen aus Sinterkarbid als Schneidwerkzeugsubstrate
wurde auf jedem Substrat ein Beschichtungsfilm mit einer Gesamtdicke
von 4 bis 6 μm
gebildet.
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Der
erste Hartbeschichtungsfilm wurde nach einem herkömmlichen
Verfahren bei konstanter Vorspannung gebildet. Mehrlagige Beschichtungsfilme
wurden, sofern erforderlich, zusammen mit einem TiAIN-Film gebildet.
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In
Tabelle 1 sind für
jedes Beispiel die Zusammensetzung und die durchschnittliche Korngröße des Si-haltigen
Beschichtungsfilms angegeben. Der Si-haltige Beschichtungsfilm wies
bei allen BEISPIELEN mit Ausnahme der BEISPIELE 3, 8 und 25 eine
mikrokristalline Struktur aus ultrafeinen Kristallkörnern auf.
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Obwohl
Tabelle 1 keine Angaben über
die Atomverhältnisse
zwischen metallischen und nicht metallischen Elementen enthält, müssen diese
nicht zwangsläufig
1:1 betragen. Außerdem
enthält
Tabelle 1 die Ergebnisse von Schneidversuchen mit den beschichteten
Schaftfräsern
und Einlegeteilen. Für
jeden Vierkantschaftfräser
wurde die Verschleißtiefe
einer Flanke bei einer Schnittlänge
von 200 m gemessen. Für
jedes Einlegeteil wurde die Schnittzeit bis zu seinem Bruch bestimmt.
Die Schnittbedingungen waren wie folgt:
Für Sechsfach-Vierkantschaftfräser aus
Sinterkarbid:
Schneidverfahren: Seitenschneiden
Werkstück: SKD11
(Härte:
HRC 52), 150 mm Breite × 250
mm Länge
Schnitttiefe:
8 mm axial, 0,2 mm radial
Schnittgeschwindigkeit: 500 m/Minute
Vorschub:
0,07 mm/Kante
Schneidöl:
Einblasen mit Druckluft
Für
Einlegeteile aus Sinterkarbid
Schneidwerkzeug: EDEW15T4TN-15
(JIS B 4120)
Messer: 63 mm Durchmesser
Schneidverfahren:
Abfasen
Werkstück:
SKD61 (Härte:
HRC 43), 50 mm Breite × 250
mm Länge
Schnitttiefe:
2,0 mm
Schnittgeschwindigkeit: 250 m/Minute
Vorschub:
0,5 mm/Umdrehung
Schneidöl:
Einblasen mit Druckluft
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Tabelle
1 zeigt, dass selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten in den BEISPIELEN
1 bis 27 konstante Schneidergebnisse erzielt wurden. In den BEISPIELEN
1 bis 3, bei denen zur Änderung
der durchschnittlichen Korngröße Si zu
Cr zugegeben wurde, zeigte sich, dass die Verschleißfestigkeit
der Schneidwerkzeuge höher
warm, je feiner die durchschnittliche Korngröße wurde. In den BEISPIELEN
4 bis 8, bei denen Ti mit verschiedenen Anteilen von Si kombiniert
wurde, zeigten alle Schneidwerkzeuge eine hervorragende Schneidleistung.
Bei Zugabe von Si zu Al in den BEISPIELEN 9 bis 12 wiesen alle beschichteten
Schneidwerkzeuge die gleiche Verschleißfestigkeit wie die Schneidwerkzeuge
aus den BEISPIELEN 4 bis 8 auf, bei denen Si zu Ti zugegeben wurde.
Die beschichteten Schneidwerkzeuge aus den BEISPIELEN 13 bis 18,
die drei verschiedene Elemente enthielten, zeigten eine ausgezeichnete
Schneidleistung und eine ähnlich
gute Verschleißfestigkeit.
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Bei
den BEISPIELEN 19 bis 22, die die Elementen Si und Nb, V, Zr oder
Mo enthielten, wiesen alle beschichteten Schneidwerkzeuge eine hervorragende
Schneidleistung und eine vergleichbare Verschleißfestigkeit auf. Die beschichteten
Schneidwerkzeuge aus den BEISPIELEN 23 und 24, deren Beschichtung
neben N auch O oder C enthielt, zeigten die gleiche Schneidleistung
wie die aus den anderen BEISPIELEN. Das beschichtete Schneidwerkzeug
aus BEISPIEL 25 mit einem mehrlagigen Film aus (CrSi)BN mit einer
fcc-Kristallstruktur und (CrSi)2BN mit einer
hcp-Kristallstruktur wies hervorragende Ergebnisse auf. Die beschichteten Schneidwerkzeuge
aus den BEISPIELEN 26 und 27, bei denen Sauerstoff oder Bor einem
CrSiN-Beschichtungsfilm zugegeben wurden, zeigten bessere Ergebnisse
als die nach herkömmlichen
Verfahren beschichteten Schneidwerkzeuge. Bei allen BEISPIELEN 1
bis 27 wurde in dem Si-haltigen Beschichtungsfilm eine amorphe oder
mikrokristalline Phase mit hoher Si-Konzentration und eine kristalline
Phase mit geringer Si-Konzentration beobachtet.
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VERGLEICHSBEISPIELE 1
BIS 10
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Nach
derselben Vorbehandlung wie in BEISPIEL 1 wurden Beschichtungsfilme
mit den in Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzungen mit einem herkömmlichen
Verfahren gebildet, und zwar mit Targets aus verschiedenen Legierungen
als Quellen zur Verdampfung von Elementen und einem N2-Gas
als Reaktionsgas in dem Bogenentladungs-Ionenplattierungsgerät wie in
BEISPIEL 1 bei folgenden Beschichtungsbedingungen:
Substrattemperatur:
400 °C
Reaktionsgasdruck:
5 Pa
Negative Vorspannung: 70 V
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Der
Si-Anteil im Beschichtungsfilm betrug 15 Atomprozent, und bei dem
Beschichtungsfilm handelte es sich um eine einfache Mischkristallschicht
ohne segregiertes Si. Das Verhältnis
von Ti zu Al im TiAl-Beschichtungsfilm betrug 1:1. Die Schneidleistung
wurde unter denselben Schnittbedingungen beurteilt wie bei den BEISPIELEN
1 bis 27. Die Ergebnisse dieser Beurteilung sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
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In
VERGLEICHSBEISPIEL 4, bei dem Si einem TiAIN-Beschichtungsfilm zugegeben
wurde, ergab diese Zugabe von Si zwar eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit
und Härte
des Beschichtungsfilms, hatte aber auch eine Zunahme der Druckspannung
zur Folge, so dass die Filmdicke fast 2 μm betrug und somit eine wesentliche
Verbesserung der Schneidleistung des mit einem TiAIN-Film beschichteten
Schneidwerkzeugs nicht erreicht wurde. Da die Beschichtungen der
Schneidwerkzeuge in den VERGLEICHSBEISPIELEN 5 und 6 nach dem herkömmlichen
Verfahren gebildet wurden, waren in dem Beschichtungsfilm weder
die Segregierung von Si noch eine amorphe oder mikrokristalline
Phase zu beobachten. Aufgrund der starken Sprödigkeit von Si blätterte der
Beschichtungsfilm bereits zu Beginn des Schneidvorgangs ab. Der
mehrere Elemente, aber kein Si enthaltende Beschichtungsfilm in
VERGLEICHSBEISPIEL 7 zeigte eine sehr niedrige Oxidationsbeständigkeit
und daher keine ausreichende Schneidleistung unter schwierigen Schnittbedingungen,
wie sie beim Schnellschneiden gegeben sind. Auch das VERGLEICHSBEISPIEL
8 lieferte deutlich schlechtere Ergebnisse als die vorstehenden
BEISPIELE. Die VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10 lieferten eine einfache,
auf CrSi basierende Mischkristallschicht, die eine weitaus kürzere Lebensdauer
als die vorstehenden BEISPIELE aufwies.
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Auch
wenn das beschichtete Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Vielmehr bezieht sich die vorliegende Erfindung auf alle Alternativen,
Abänderungen
und Entspre chungen, die im Gedanken und Umfang der in den anliegenden
Ansprüchen
festgelegten Erfindung enthalten sein können.
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Wie
vorstehend ausführlich
beschrieben, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Schneidwerkzeug mit
einem Beschichtungsfilm bereitgestellt, der eine größere Härte als
der herkömmliche
TiAIN-Beschichtungsfilm aufweist, und zwar einfach durch Zusatz
von Si, wodurch selbst beim Schnellschneiden eine hinreichende Schneidleistung
sowie eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit
erzielt werden. Darüber
hinaus lässt
sich das beschichtete Schneidwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung
selbst unter schwierigen Schnittbedingungen, wie sie beim Schnell-
und Trockenschneiden auftreten, erfolgreich mit einer hohen Schneidleistung
einsetzen.
