DE602005005577T2

DE602005005577T2 - Beschichtetes Cermet-Schneidwerkzeug mit harter Überzugsschicht, welche eine hervorragende Schlagbeständigkeit bei taktweiser Hochgeschwindigkeitsschneidarbeit aufweist

Info

Publication number: DE602005005577T2
Application number: DE602005005577T
Authority: DE
Inventors: Akira Naka-machi Naka-gun Osada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2006075976A; JP4518258B2; EP1626105B1; EP1626105A1; ATE390500T1; US7422806B2; DE602005005577D1; US20060035111A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein oberflächenbeschichtetes Cermet-Schneidewerkzeug (hierin nachfolgend als beschichtetes Cermet-Werkzeug bezeichnet), dessen harte Beschichtungsschicht hervorragende Rissbeständigkeit während des intermittierenden Hochgeschwindigkeits-Schneidens von Stahl, Gusseisen und Ähnlichen zeigt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Konventionell bekannt ist ein beschichtetes Cermet-Werkzeug, welches gewöhnlich gebildet wird durch Beschichten einer Oberfläche eines Substrates (hierin nachfolgend als Werkzeugsubstrat bezeichnet), bestehend aus Wolframcarbid(hierin nachfolgend als WC bezeichnet)-basierendem, zementierten Carbid oder Titancarbonitrid(hierin nachfolgend als TiCN bezeichnet)-basierendem Cermet, mit einer harten Beschichtungsschicht, welche die folgenden oberen und unteren Schichten (a) und (b) einschließt:

(a) als untere Schicht, eine Schicht einer Titanverbindung mit mindestens zwei von einer Titancarbid-(hierin nachfolgend als TiC bezeichnet)schicht, einer Titannitrid-(hierin nachfolgend als TiN bezeichnet)schicht, einer Titancarbonitrid-(hierin nachfolgend als TiCN bezeichnet)schicht, einer Titancarbooxid-(hierin nachfolgend als TiCO bezeichnet)schicht und einer Titanoxycarbonitrid-(hierin nachfolgend als TiCNO bezeichnet)schicht, die alle durch chemische Dampfablagerung gebildet werden, wobei die Schicht der Titanverbindung eine mittlere Gesamtschichtdicke von 3 bis 20 μm hat, und
(b) als obere Schicht, eine Aluminiumoxid-(hierin nachfolgend als Al₂O₃ bezeichnet)schicht, welche durch chemische Dampfablagerung aufgebracht wird und welche eine mittlere Schichtdicke von 1 bis 14 μm hat. Das beschichtete Cermet-Werkzeug wird zum Beispiel zum kontinuierlichen oder intermittierenden Schneiden von Stahl, Gusseisen oder Ähnlichen breit verwendet.

[Patentdokument 1] japanische nicht geprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungs Nr. H6-31503 .

In den letzten Jahren ist die Leistungsfähigkeit eines Schneidewerkzeugs merklich gesteigert worden und es haben Forderungen nach Arbeitseinsparung, Energieeinsparung bei der Schneidearbeit und Kostenreduzierung zugenommen. Dementsprechend wird die Schneidearbeit öfter im höheren Geschwindigkeitsbereich durchgeführt. Die konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuge machen im Allgemeinen keine Schwierigkeiten, wenn sie zum kontinuierlichen Schneiden oder intermittierenden Schneiden von Stahl, Gusseisen oder Ähnlichen unter normalen Bedingungen verwendet werden. Speziell, wenn die herkömmlichen Schneidewerkzeuge beim Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneiden unter härtesten Schneidebedingungen verwendet werden, z. B., beim Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneiden, bei welchem mechanische Schläge wiederholt auf den Schneiderand in sehr kurzen Abständen einwirken, hat die Schicht der Titanverbindung, welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht ist, Hochtemperaturbeständigkeit und die Al₂O₃ Schicht, welche die obere Schicht der harten Beschichtungsschicht ist, Hochtemperaturhärte und hervorragende Hitzebeständigkeit. Da jedoch die Hochtemperaturbeständigkeit der Schicht der Titanverbindung nicht ausreichend ist, ist es nicht möglich, diesen mechanischen Einwirkungen standzuhalten. Als Ergebnis tritt leicht Chipping (feine Risse) in der harten Beschichtungsschicht ein, was folglich die brauchbare Lebensdauer des beschichteten Cermet-Werkzeuges verkürzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben erwähnten Probleme haben die Erfinder der TiCN-Schicht Aufmerksamkeit geschenkt, welche als untere Schicht der harten Beschichtungsschicht die Schicht der Titanverbindung konstituiert, d. h., einer TiCN-Schicht, welche Hochtemperaturhärte und Hochtemperaturfestigkeit hat, welche größer ist, als die anderer, die Schicht der Titanverbindung konstituierenden Schichten und welche, wie in 1(a) gezeigt, eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur vom NaCl-Typ hat, in welcher die konstituierenden Atome einschließlich Titan, Kohlenstoff und Stickstoff die Gitterpunkte einnehmen, beziehungsweise wie ein Querschnitt in der in 1(b) gezeigten (011) Ebene zeigt; sie haben zur Verbesserung der Rissbeständigkeit der harten Beschichtungsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeuges Forschung betrieben und haben die folgenden unten beschriebenen Ergebnisse erhalten.

(a) Die Schicht der Titanverbindung als untere Schicht der harten Beschichtungsschicht der herkömmlich beschichteten Cermet-Werkzeuge wird zum Beispiel unter Verwendung eines konventionellen chemischen Dampfablagerungsreaktors unter den folgenden Bedingungen gebildet (übliche Bedingung); bekannt aus z. B. EP0878563 ; Zusammensetzung des Reaktionsgases in Volumen%: TiCl₄: 2 bis 10%, CH₃CN: 0,5 bis 3%, N₂: 10 bis 30%, und H₂: Ausgleich, Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 800 bis 920°C, und Druck der Reaktionsatmosphäre: 6 bis 20 kPa.

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(b) Die TiCN Schicht (hierin nachfolgend als „konventionelle TiCN" Schicht bezeichnet), welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht des herkömmlich beschichteten Cermet-Werkzeuges konstituiert und die in (a) beschriebene, reformierte TiCN Schicht, werden wie folgt behandelt: Es wird ein Atom-teilender Gitterpunktverteilungsgraph hergestellt, welcher das Verteilungsverhältnis zeigt, bei welchem individuelles ΣN + 1 das gesamte ΣN1 + belegt (worin bezüglich der Häufigkeit die obere Grenze 28 ist), wenn ein Typ eines Atom-teilenden Gitterpunktes, bei dem N Gitterpunkte existieren, (wo N eine gerade Zahl gleich oder größer als 2 in einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur vom NaCl-Typ ist) die nicht ein konstituierendes Atom in den Atom-teilenden Gitterpunkten teilen, durch ΣN + 1 dargestellt ist, unter Verwendung eines Feldemissions-Scanningelektronenmikroskops, wie in 2A und 2B schematisch gezeigt, zur Bestrahlung individueller Kristallpartikel, die sich im Messbereich einer oberflächenpolierten Ebene befinden, mit Elektronenstrahlen und zur Messung des Neigungswinkels (alle Neigungswinkel der individuellen Kristallpartikel einschließend die folgenden, des Neigungswinkels der (001) Ebene zu 0° und den der (011) Ebene zu 45°, gezeigt in 2A und des Neigungswinkels der (001) Ebene zu 45° und den der (011) Ebene zu 45°, gezeigt in 2B), gebildet durch die Senkrechten der (001) Ebene und (011) Ebene als eine Kristallebene der Kristallpartikel, wobei die Kristallpartikel eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur vom NaCl-Typ haben, in welcher die konstituierenden Atome, einschließend Titan, Kohlenstoff und Stickstoff in den Gitterpunkten existieren, Berechnen der Verteilung der Gitterpunkte (Atom-teilende Gitterpunkte), in welcher jedes konstituierende Atom mit den Kristallpartikeln der Grenzfläche zwischen benachbarten Kristallpartikeln geteilt ist, auf Basis der gemessenen Neigungswinkel. Dann existieren die höchsten Peaks in Σ3 in beiden TiCN Schichten. Jedoch zeigt die konventionelle TiCN Schicht einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen, in welchem das Verteilungsverhältnis von Σ3, wie in 4 gezeigt, 30% oder weniger ist, welches ein relativ kleines Verteilungsverhältnis ist, während die reformierte TiCN Schicht einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen aufweist, in welchem das Verteilungsverhältnis von Σ3, wie in 3 gezeigt, 60 bis 80% erreicht, was ein sehr großes Verteilungsverhältnis ist. Hier ist das sehr große Verteilungsverhältnis von Σ3 aufgrund der Gehalte von TiCl₄, CH₃CN und Ar, die das Reaktionsgas zusammensetzen und der Temperatur der Reaktionsatmosphäre verändert.
(c) Wie vorstehend beschrieben, hat die reformierte TiCN Schicht eine Hochtemperaturfestigkeit, größer als die der konventionellen TiCN Schicht, zusätzlich zur Hochtemperaturhärte und der Hochtemperaturfestigkeit der TiCN Schicht selbst. Dementsprechend hat das beschichtete Cermet-Werkzeug, in welchem die reformierte TiCN Schicht als untere Schicht der harten Beschichtungsschicht ausgebildet ist, eine harte Beschichtungsschicht mit Rissbeständigkeit, hervorragender als derjenigen des konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuges, in welchem die konventionelle TiCN Schicht ausgebildet ist, selbst wenn die Cermet-Werkzeuge speziell in einer intermittierenden Schneidearbeit unter harten Schneidebedingungen verwendet wird, wie großer Schneidetiefe und hoher Vorschubgeschwindigkeit, zusätzlich zur vortrefflichen Hochtemperaturhärte und Hitzefestigkeit der Al₂O₃ Schicht als der oberen Schicht.

Die oben beschriebenen Forschungsergebnisse von (a) bis (c) sind, erhalten worden.
Die vorliegende Erfindung ist basierend auf den oben erwähnten Forschungsergebnissen erreicht worden. Wie in Anspruch 1 beansprucht, wird entsprechend der vorliegenden Erfindung ein oberflächenbeschichtetes Cermet-Schneidewerkzeug mit einer harten Beschichtungsschicht mit hervorragender Rissbeständigkeit bei der intermittierenden Schneidearbeit bereitgestellt, wobei das oberflächenbeschichtete Cermet-Schneidewerkzeug gebildet wird durch Beschichten einer Oberfläche eines Werkzeugsubstrates, hergestellt aus Wolframcarbid-basierendem zementiertem Carbid oder Titancarbonitrid-basierendem Cermet, mit einer harten Beschichtungsschicht, die die folgenden oberen und unteren Schichten (a) und (b) einschließt:

(a) Als die untere Schicht eine Titanverbindungsschicht mit mindestens zwei Schichten von einer Titancarbidschicht, einer Titannitridschicht, einer Titancarbonitridschicht, einer Titancarbooxidschicht und einer Titanoxycarbonitridschicht, wobei alle von ihnen durch chemische Dampfablagerung aufgebracht werden, und die Titanverbindungsschicht eine mittlere Gesamtschichtdicke von 3 bis 20 μm hat und
(b) Als obere Schicht eine Aluminiumoxidschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 1 bis 15 μm, welche durch chemische Dampfablagerung aufgebracht wird,

Als Nächstes wird die Begründung für die Begrenzung der Zahlenwerte der Schichten, welche die harte Beschichtungsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeuges entsprechend der vorliegenden Erfindung konstituieren, unten beschrieben.
(a) Titanverbindungsschicht (untere Schicht)
Die Titanverbindungsschicht selbst hat eine hohe Temperaturfestigkeit und die harte Beschichtungsschicht hat hohe Temperaturfestigkeit aufgrund der Existenz der Titanverbindungsschicht. Darüber hinaus haftet die Titanverbindungsschicht stark an beiden, dem Werkzeugsubstrat und der Al₂O₃-Schicht als obere Schicht. Dementsprechend trägt die Titanverbindungsschicht zur Verbesserung der Haftung der harten Beschichtungsschicht am Werkzeugsubstrat bei. Wenn jedoch die mittlere Gesamtschichtdicke weniger als 3 μm ist, kann die oben erwähnte Funktion nicht zufrieden stellend erfüllt werden. Wenn andererseits die mittlere Gesamtschichtdicke größer als 20 μm ist, tritt wahrscheinlich plastische Deformation ein, insbesondere in der Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneidearbeit, die von Hitzeentwicklung begleitet ist, was teilweisen Verschleiß hervorruft. Dementsprechend ist die mittlere Schichtdicke auf 3 bis 20 μm festgesetzt.
(b) Reformierte TiCN Schicht
In dem Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen der reformierten TiCN Schicht kann das Verteilungsverhältnis von Σ3 auf 60 bis 80% festgesetzt werden durch Einstellen des Gehalts von TiCl₄, CH₃CN und Ar, die das Reaktionsgas zusammensetzen und der Temperatur der Reaktionsatmosphäre. Wenn in diesem Fall das Verteilungsverhältnis von Σ3 kleiner als 60% ist, kann die harte Beschichtungsschicht nicht die gewünschte hervorragende Hochtemperaturfestigkeit besitzen, welche keine Rissbildung in der harten Beschichtungsschicht bedingt, weshalb ein größeres Verteilungsverhältnis von Σ3 erwünscht ist. Da es jedoch schwierig ist, die Schicht mit einem Verteilungsverhältnis von Σ3 größer als 80% auszubilden, wird das Verteilungsverhältnis Σ3 auf 60% bis 80% festgelegt. Auf diesem Wege besitzt die reformierte TiCN Schicht eine noch bessere Hochtemperaturfestigkeit zusätzlich zu der Hochtemperaturhärte und der Hochtemperaturfestigkeit der TiCN Schicht selbst, wie oben beschrieben. Wenn jedoch die mittlere Schichtdicke weniger als 2,5 μm ist, kann die gewünschte hervorragende Hochtemperaturfestigkeit der harten Beschichtungsschicht nicht ausreichend verbessert werden. Wenn andererseits die mittlere Schichtdicke größer als 15 μm ist, kann thermische plastische Deformation, leicht eintreten, welche teilweisen Verschleiß verursacht, und den Verschleiß beschleunigt. Als Ergebnis ist die mittlere Schichtdicke auf 2,5 bis 15 μm festgesetzt.
(c) Al₂O₃ Schicht (obere Schicht)
Die Al₂O₃ Schicht besitzt hervorragende Hochtemperaturhärte und Hitzefestigkeit und trägt zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der harten Beschichtungsschicht bei. Wenn jedoch die mittlere Schichtdicke weniger als 1 μm ist, kann die harte Beschichtungsschicht nicht ausreichende Verschleißbeständigkeit haben. Wenn andererseits die mittlere Schichtdicke größer als 15 μm ist, ist Rissbildung wahrscheinlich. Dementsprechend ist die mittlere Schichtdicke der Al₂O₃ Schicht auf 1 bis 15 μm festgesetzt.
Zum Zweck, das Schneidewerkzeug vor und nach seinem Gebrauch kenntlich zu machen, kann weiterhin wenn notwendig, eine TiN Schicht mit einem goldenen Ton durch Ablagerung gebildet werden. In diesem Fall ist die mittlere Dicke der TiN Schicht bevorzugt 0,1 bis 1 μm. Dies deshalb, weil wenn deren mittlere Schichtdicke weniger als 0,1 μm ist, ein ausreichender Erkennungseffekt nicht erreicht werden kann, wohingegen der Identifizierungseffekt der TiN Schicht bei einer mittleren Schichtdicke bis zu 1 μm ausreichend ist.
Das beschichtete Cermet-Werkzeug entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt hervorragende Verschleißfestigkeit, ohne Rissbildung in der harten Beschichtungsschicht zu erzeugen, da die reformierte TiCN Schicht, welche eine Schicht der unteren Schicht der harten Beschichtungsschicht ist, hervorragende Hochtemperaturfestigkeit hat und hervorragende Verschleißbeständigkeit, selbst bei der Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneidearbeit von Stahl oder Gusseisen bei sehr hohen mechanischen und thermischen Einwirkungen aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm, welches die flächenzentrierte kubische Kristallstruktur vom NaCl Typ einer TiCN Schicht veranschaulicht, welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht konstituiert;
2 ist ein schematisches erklärendes Diagramm, welches die Messung des Neigungswinkels in (001) und (011) Ebenen eines Kristallpartikels in der TiCN Schicht veranschaulicht, welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht konstituiert;
3 ist ein Atom-teilender Gitterpunktverteilungsgraph der reformierten TiCN Schicht, welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeuges 11 entsprechend der vorliegenden Erfindung konstituiert; und
4 ist ein Atom-teilender Gitterpunktverteilungsgraph einer konventionellen TiCN Schicht, welche die untere Schicht der harten Beschichtungsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeuges 11 konstituiert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden hierin Ausführungsformen des beschichteten Cermet-Werkzeuges entsprechend der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
Die folgenden Pulver, jedes mit einer mittleren Partikelgröße in einem Bereich von 1 bis 3 μm, wurden als Ausgangsmaterial für Substrate hergestellt: WC Pulver, TiC Pulver, ZrC Pulver, VC Pulver, TaC Pulver, NbC Pulver, Cr₃C₂ Pulver, TiN Pulver, TaN Pulver und Co Pulver. Diese Ausgangspulver wurden basierend auf den in Tabelle 1 gezeigten Mischungszusammensetzungen, miteinander vermischt, in einer Acetonlösung mit dazu gesetztem Wachs 24 Stunden unter Verwendung einer Kugelmühle miteinander vermischt und unter vermindertem Druck getrocknet. Danach wurde das resultierende Pulvergemisch bei einem Druck von 98 MPa zu einem frischen Pressling vorbestimmter Form pressgeformt. Der frische Pressling wurde dann unter den folgenden Bedingungen gesintert: einem Vakuumdruck von 5 Pa, einer vorbestimmten Temperatur in einem Bereich von 1370 bis 1470°C und einer Haltedauer von 1 Stunde. Nach dem Sintern wurden die Schneidekanten der Rückformung zu einem Radius von 0,07 mm unterworfen, und Werkzeugsubstrate A bis F, bestehend aus WC-basierendem zementiertem Carbid, in ISO/CNMG 120408 definierten Wegwerfformen, hergestellt.
Weiterhin wurden die folgenden Pulver jeweils mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 0,5 bis 2 μm als Ausgangsmaterialien für die Substrate hergestellt: TiCN (TiC/TiN = 50/50 im Gewichtsverhältnis) Pulver, Mo₂C Pulver, ZrC Pulver, NbC Pulver, TaC Pulver, WC Pulver, Co Pulver und Ni Pulver. Diese Ausgangspulver wurden basierend auf der in Tabelle 2 gezeigten Mischungszusammensetzung miteinander vermischt, unter Verwendung einer Kugelmühle 24 Stunden miteinander nass vermischt und getrocknet. Danach wurde das resultierende Pulvergemisch bei einem Druck von 98 MPa zu einem frischen Pressling gepresst. Der frische Pressling wurde dann in einer Stickstoffatmosphäre unter den folgenden Bedingungen gesintert: einem Stickstoffdruck von 1,3 kPa, einer Temperatur von 1540°C und einer Haltedauer von 1 Stunde. Nach dem Sintern wurden die Schneidekanten der Rückformung mit einem Radius von 0,07 mm unterworfen, und Werkzeugsubstrate a bis f, bestehend aus TiCN-basierendem Cermet, mit ISO Standard CNMG 120412 definierten Wegwerfformen, hergestellt.
Als Nächstes wurde auf den Oberflächen der Werkzeugsubstrate A bis F und den Werkzeugsubstraten a bis f unter Verwendung eines gewöhnlichen chemischen Dampfabscheidungsreaktors eine Titanverbindungsschicht, ausgenommen eine reformierte TiCN Schicht als untere Schicht einer harten Beschichtungsschicht, unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgelagert und die reformierte TiCN Schicht mit in Tabelle 4 gezeigten Kombinationen und Ziel-Schichtdicken unter den folgenden Bedingungen abgelagert:
Zusammensetzung des Reaktionsgases: in Volumen%, TiCl₄: 0,1 bis 0,8%, CH₃CN: 0,05 bis 0,3%, Ar: 10 bis 30% und H₂: Ausgleich,
Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 930 bis 1000°C und
Druck der Reaktionsatmosphäre: 9 kPa.
Danach wurde auf gleiche Weise eine Al₂O₃ Schicht als obere Schicht mit Kombinationen und in Tabelle 4 gezeigten Ziel-Schichtdicken unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgelagert. Als Ergebnis wurden die beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Zum Zweck des Vergleichs wurde, wie in Tabelle 6 gezeigt, unter Verwendung eines gewöhnlichen chemischen Dampfablagerungsreaktors eine Titanverbindungsschicht, ausgenommen eine konventionelle TiCN Schicht, als untere Schicht einer harten Beschichtungsschicht unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgelagert und die konventionelle TiCN Schicht mit in Tabelle 5 gezeigten Kombinationen und Ziel-Schichtdicken unter den folgenden Bedingungen abgelagert:
Zusammensetzung des Reaktionsgases: in Volumen%, TiCl₄: 2 bis 10%, CH₃CN: 0,5 bis 3%, N₂: 10 bis 30% und H₂: Ausgleich,
Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 800 bis 900°C und
Druck der Reaktionsatmosphäre: 9 kPa.
Anschließend wurde auf gleiche Weise eine Al₂O₃ Schicht als obere Schicht mit in Tabelle 5 gezeigten Kombinationen und Ziel-Schichtdicken unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgelagert. Als Ergebnis wurden die konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 hergestellt.
Unter Verwendung eines Feldemissions-Scanningelektronenmikroskops wurden von den reformierten TiCN Schichten und den konventionellen TiCN Schichten, welche die harten Beschichtungsschichten der beschichteten Cermet-Werkzeuge entsprechend der vorliegenden Erfindung, und die konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuge konstituierten, Atom-teilende Gitterpunktverteilungsgraphen hergestellt.
Das heißt, in einem Zustand, in dem die Oberflächen der reformierten TiCN Schichten und der konventionellen TiCN Schichten als oberflächenpolierte Ebenen vorlagen, wurden die beschichteten Cermet-Werkzeuge im Inneren eines Objektivtubus eines Feldemissions-Scanningelektronenmikroskops eingesetzt, Elektronenstrahlen mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Einfallswinkel von 70° zur oberflächenpolierten Ebene auf die im Messbereich der oberflächenpolierten Ebene befindlichen individuellen Kristallpartikel mit einem Strahlungsstrom von 1 nA bestrahlt und die Neigungswinkel, gebildet durch die Senkrechten der oberflächenpolierten Ebene und die Senkrechten der (001) und (011) Ebenen, die Kristallebenen der Kristallpartikel sind, in Intervallen von 0,1 μm/Schritt in einer Fläche von 30 × 50 μm unter Verwendung einer Elektronenrückstreuungs-Beugungsmuster-Apparatur gemessen, die Verteilung der Gitterpunkte (Atom-teilende Gitterpunkte), in welcher jedes konstituierende Atom mit den Kristallpartikeln in der Grenzfläche zwischen benachbarten Kristallpartikeln geteilt ist auf der Basis der gemessenen Neigungswinkel berechnet, das Verteilungsverhältnis, bei welchem individuelles ΣN + 1 das gesamte ΣN + 1 besetzt (wo die obere Grenze 28 ist bezüglich Häufigkeit), wenn ein Typ eines Atom-teilenden Gitterpunktes, bei dem N Gitterpunkte (wo N eine gerade Zahl gleich oder größer als 2 in einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur vom NaCl-Typ ist) existieren, die nicht ein konstituierendes Atom in den Atom-teilenden Gitterpunkten teilen, durch ΣN1 + dargestellt wird, wodurch die Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen hergestellt wurden.
Die bei der oben erwähnten Präparation erhaltenen Verhältnisse von Σ3 zu den gesamten ΣN + 1 (wo N alle geraden Zahlen im Bereich von 2 bis 28 einschließt) in den Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen der reformierten TiCN Schichten und der konventionellen TiCN Schichten, werden in Tabellen 4 und 5 gezeigt.
In den in Tabellen 4 und 5 gezeigten Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen zeigten alle reformierten TiCN Schichten des beschichteten Cermet-Werkzeuges entsprechend der vorliegenden Erfindung Atom-teilende Gitterpunktverteilungsgraphen, in welchem das Verteilungsverhältnis von Σ3 60 bis 80% erreicht, während alle konventionellen TiCN Schichten des konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuges einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen zeigten, in welchem das Verteilungsverhältnis von Σ3 weniger als 30% ist.
3 zeigt einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen der reformierten TiCN Schicht des beschichteten Cermet-Werkzeuges 11 entsprechend der vorliegenden Erfindung und 4 zeigt einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen der konventionellen TiCN Schicht des konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuges 11.
Weiterhin wurden in den beschichteten Cermet-Werkzeugen 1 bis 13 entsprechend der vorliegenden Erfindung und in den konventionell beschichteten Cermet-Werkzeugen 1 bis 13, deren harte Beschichtungsschichten konstituierenden Schichten unter Verwendung eines Elektronen-Probenmikroanalysators (EPMA) und eines Auger Spektroskopieanalysators beobachtet (die longitudinalen Abschnitte der Schichten wurden beobachtet). Es wurde bestätigt, dass die Ersteren und die Letzteren Titanverbindungsschichten und Al₂O₃ Schichten einschließen, welche im Wesentlichen die gleichen Zusammensetzungen wie die Ziel-Zusammensetzungen haben. Wenn darüber hinaus die Dicken, der die harten Beschichtungsschichten konstituierenden Schichten der beschichteten Cermet-Werkzeuge unter Verwendung eines Scanningelektronenmikroskops (es wurden gleichfalls die longitudinalen Abschnitte der Schichten gemessen) gemessen wurden, hatten alle Schichten im Wesentlichen die gleichen mittleren Schichtdicken (Mittelwerte von fünf Punktmessungen) wie die Ziel-Schichtdicken.

Anschließend wurden in einem Zustand, in welchem jedes der oben erwähnten beschichteten Cermet-Werkzeuge an der Spitze einer Schneidevorrichtung aus Werkzeugstahl mit einer Aufspannvorrichtung schraubfixiert war, die beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 entsprechend der vorliegenden Erfindung und die konventionell beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 den folgenden Tests unterworfen:
Einem trockenen Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneidetest an legiertem Stahl (die normale Schneidegeschwindigkeit ist 200 m/min) unter den folgenden Bedingungen (Schneidebedingung A):
Werkstück: ein JIS/S40C runder Stab mit vier longitudinalen Kerben, angeordnet in gleichen Abständen in longitudinaler Richtung,
Schneidegeschwindigkeit: 400 m/min,
Schnitttiefe: 1,5 mm,
Vorschubgeschwindigkeit: 0,20 mm/Umdrehung,
Schneidezeit: 10 min;
einem trockenen Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneidetest an dunkel gedecktem Gusseisen (die normale Schneidegeschwindigkeit ist 200 m/min) unter den folgenden Bedingungen (Schneidebedingung B):
Werkstück: ein JIS/FCD450 runder Stab mit vier longitudinalen Kerben, angeordnet in gleichen Abständen in longitudinaler Richtung,
Schneidegeschwindigkeit: 400 m/min,
Schnitttiefe: 2,0 mm,
Vorschubgeschwindigkeit: 0,32 mm/Umdrehung,
Schneidezeit: 10 min; und
einem trockenen Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneidetest an legiertem Stahl (die normale Schneidegeschwindigkeit ist 200 m/min) unter den folgenden Bedingungen (Schneidebedingung C):
Werkstück: ein JIS/SCr420H runder Stab mit vier longitudinalen Kerben, angeordnet in gleichen Abständen in longitudinaler Richtung,
Schneidegeschwindigkeit: 400 m/min,
Schnitttiefe: 1,5 mm,
Vorschubgeschwindigkeit: 0,24 mm/Umdrehung,
Schneidezeit: 10 min,
dann wurde die Breite der Abnutzung an der Flanke der Schneidevorrichtung in jedem Test gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt. [Tabelle 1]

[Tabelle 2]

[Tabelle 3]

Harte Beschichtungsschicht konstituierende Schicht	Bildungsbedingungen (Druck der Reaktionsatmosphäre in kPa, deren Temperatur in °C angezeigt)
Typ	Reaktionsgas-Zusammensetzung (Volumen%)	Reaktionsatmosphäre
Typ	Reaktionsgas-Zusammensetzung (Volumen%)	Druck	Temperatur
TiC	TiCl₄: 4.2%, CH₄: 8.5%, H₂: Balance	7	1020
TiN (erste Schicht)	TiCl₄: 4.2%, N₂: 30%, H₂: Balance	30	900
TiN (andere Schichten)	TiCl₄: 4.2%, N₂: 35%, H₂: Balance	50	1040
TiCO	TiCl₄: 4.2%, CO: 4%, H₂: Balance	7	1020
TiCNO	TiCl₄: 4.2%, CO: 3%, CH₄: 3%, N₂: 20%, H₂: Balance	20	1020
Al₂O₃	AlCl₃: 2.2%, CO₂: 5.5%, HCl: 2.2%, H₂S: 0.2%, H₂: Balance	7	1000

[Tabelle 4]

[Tabelle 5]

[Tabelle 6]

(Die brauchbare Lebensdauer in Tabelle 6 wird durch die in der harten Beschichtungsschicht erzeugte feine Rissbildung verursacht.)

Wie aus den Tabellen 4 bis 6 offensichtlich ist, wird in den beschichteten Cermet-Werkzeugen 1 bis 13 entsprechend der vorliegenden Erfindung, in welchen eine Schicht in der unteren Schicht der harten Beschichtungsschicht aus einer reformierten TiCN Schicht zusammengesetzt ist und einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen zeigt, in welchem das Verteilungsverhältnis Σ3 60 bis 80% erreicht und die reformierte TiCN Schicht hervorragende Hochtemperaturfestigkeit und hervorragende Rissbeständigkeit selbst beim Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneiden von Stahl oder Gusseisen, bei sehr großen mechanischen Einwirkungen hat, die Erzeugung von Rissen in der harten Beschichtungsschicht merklich unterdrückt und eine hervorragende Verschleißfestigkeit gezeigt. Dazu im Gegensatz tritt in den konventionellen Cermet-Werkzeugen 1 bis 13, in welchen eine Schicht in der unteren Schicht der harten Beschichtungsschicht aus einer konventionellen TiCN Schicht zusammengesetzt ist und einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen zeigt, in welchem das Verteilungsverhältnis Σ3 weniger als 30% ist und die harte Beschichtungsschicht keine genügende Beständigkeit gegen mechanische Einwirkung bei Hochgeschwindigkeits-intermittierendem Schneiden hat, in der harten Beschichtungsschicht Rissbildung auf, wodurch ihre Lebensdauer gekürzt wird.
Wie oben beschrieben, haben die beschichteten Cermet-Werkzeuge entsprechend der vorliegenden Erfindung eine harte Beschichtungsschicht, die hervorragende Rissbeständigkeit hat, nicht nur beim kontinuierlichen Schneiden oder intermittierenden Schneiden verschiedener Materialien, wie Stahl oder Gusseisen, unter normalen Bedingungen, sondern auch beim Hochgeschwindigkeits-intermittierenden Schneiden unter den härtesten Schneidebedingungen, begleitet von sehr hoher Temperaturfestigkeit, und sie zeigen beim Schneiden über eine verlängerte Zeitspanne hervorragende Leistungsfähigkeit. Dementsprechend ist es möglich, die Forderung nach hoher Leistungsfähigkeit einer Schneidevorrichtung, Arbeitseinsparung und Energieeinsparung bei der Schneidearbeit und Kostenreduzierung ausreichend und zufrieden stellend zu erfüllen.

Claims

Oberflächenbeschichtetes Cermet-Schneidewerkzeug mit harter Beschichtungsschicht, welche eine hervorragende Rissbeständigkeit bei intermittierender Hochgeschwindigkeits-Schneidearbeit aufweist, wobei das oberflächenbeschichtete Cermet-Schneidewerkzeug gebildet ist durch Beschichtung einer Oberfläche eines Werkzeugsubstrates, hergestellt aus Wolframcarbid-basierendem, zementiertem Carbid oder Titancarbonitrid-basierendem Cermet, wobei die harte Beschichtungsschicht die folgenden oberen und unteren Schichten (a) und (b) einschließt (a) als die untere Schicht, eine Schicht einer Titanverbindung mit mindestens zwei Schichten von einer Titancarbidschicht, einer Titannitridschicht, einer Titancarbonitrid-schicht, einer Titancarbooxidschicht und einer Titanoxycarbonitridschicht, die alle durch chemische Dampfablagerung abgelagert sind, wobei die Schicht der Titanverbindung eine durchschnittliche Gesamtschichtdicke von 3 bis 20 μm aufweist, und (b) als die obere Schicht, eine Aluminiumoxidschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 1 bis 15 μm, welche durch chemische Dampfablagerung abgelagert ist, worin eine Schicht der Titanverbindungschicht als untere Schicht (a) eine Titancarbonitridschicht umfasst, welche eine mittlere Schichtdicke von 2,5 bis 15 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Carbonitridschicht erhältlich ist unter den Bedingungen der Zusammensetzung des Reaktionsgases in Volumen% von TiCl₄: 0,1 bis 0,8%, CH₃CN: 0,05 bis 0,3%, Ar: 10 bis 30% und H₂: Ausgleich; der Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 930 bis 1000°C und des Druckes der Reaktionsatmosphäre: 6 bis 20 kPa; und welche Titancarbonitridschicht einen Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen zeigt, in welchem der höchste Peak in Σ3 existiert und das Verteilungsverhältnis des Σ3 zu ΣN + 1 60 bis 80% in dem Atom-teilenden Gitterpunktverteilungsgraphen erreicht, der das Verteilungsverhältnis zeigt, bei dem individuelles ΣN + 1 das gesamte ΣN + 1 besetzt (worin bezüglich der Häufigkeit die obere Grenze 28 ist), wenn ein Typ_eines Atom-teilenden Gitterpunktes, bei dem N Gitterpunkte existieren (wo N eine gerade Zahl gleich oder größer als 2 in einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur vom NaCl-Typ ist), die nicht ein konstituierendes Atom zwischen den Atom-teilenden Gitterpunkten teilen, durch ΣN + 1 dargestellt ist, wobei der Atom-teilende Gitterpunktverteilungsgraph erhalten wird unter Verwendung eines Feldemissions-Scanningelektronenmikroskops zur Bestrahlung individueller Kristallpartikel, die sich im Messbereich einer oberflächenpolierten Ebene befinden mit Elektronenstrahlen und zur Messung des Neigungswinkels, gebildet durch die Senkrechten der (001) Ebene und der (011) Ebene als eine Kristallebene der Kristallpartikel, bezogen auf die Senkrechte der oberflächenpolierten Ebene, wobei die Kristallpartikel eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur vom NaCl-Typ haben, in welcher die konstituierenden Atome einschließlich Titan, Kohlenstoff und Stickstoff in den Gitterpunkten existieren, Berechnen der Verteilung der Gitterpunkte (Atom-teilende Gitterpunkte), in welcher jedes konstituierende Atom mit den Kristallpartikeln in einer Grenzfläche zwischen benachbarten Kristallpartikeln geteilt ist, auf Basis der gemessenen Neigungswinkel.