DE602006000601T2

DE602006000601T2 - Oberflächen-beschichtetes Cermet-Schneidwerkzeug mit harter Überzugsschicht und mit hervorragender Absplitterbeständigkeit beim Hochgeschwindigkeitsschneiden

Info

Publication number: DE602006000601T2
Application number: DE602006000601T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Ibaraki Honma; Akira Ibaraki Osada; Eiji Ibaraki Nakamura; Takuya Ibaraki Hayahi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2006198735A; DE602006000601D1; CN100537087C; JP4518260B2; EP1683893B1; EP1683893A1; CN1840267A; US7442433B2; US20060188747A1; KR20060085167A; KR101186792B1; ATE388252T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Oberflächen-beschichtetes Cermet-Schneidwerkzeug (nachfolgend hierin als ein beschichtetes Cermet-Werkzeug bezeichnet), bei dem eine harte Überzugsschicht eine hervorragende Absplitterbeständigkeit, insbesondere sogar wenn intermittierendes Schneiden verschiedener Werkstücke, wie Stahl und Gusseisen, unter Hochgeschwindigkeitsschneidebedingungen durchgeführt wird, bietet.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein beschichtetes Cermet-Werkzeug, im Allgemeinen gebildet durch Abscheiden auf einer Oberfläche eines Substrats (nachfolgend hierin generell als Werkzeugsubstrat bezeichnet) aus Wolframcarbid-basiertem (nachfolgend hierin als WC bezeichnet) Sintercarbid oder Titancarbonitrid (nachfolgend hierin als TiCN bezeichnet)-basiertem Cermet einer harten Überzugsschicht, zusammengesetzt aus den folgenden oberen und unteren Schichten:

(a) Die untere Schicht ist zusammengesetzt aus einer oder mehreren Schichten von einer Titancarbid (nachfolgend hierin als TiC bezeichnet)-schicht, Titannitrid(nachfolgend hierin als TiN bezeichnet)-schicht, Titancarbonitrid(nachfolgend hierin als TiCN bezeichnet)-schicht, Titancarboxid(nachfolgend hierin als TiCO bezeichnet)-schicht und Titanoxycarbonitrid(nachfolgend hierin als TiCNO bezeichnet)-schicht und besitzt eine mittlere Gesamtschichtdicke im Bereich von 3 bis 20 μm; und
(b) die obere Schicht ist eine Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ (nachfolgend hierin als eine α-Al₂O₃-Schicht bezeichnet), wenn sie chemisch abgeschieden wird, und besitzt eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 1 bis 15 μm; ist bekannt, JP-A-6-31 503 , und es ist ebenfalls gut bekannt, dass das beschichtete Cermet-Werkzeug eine breite Verwendung für kontinuierliches oder intermittierendes Schneiden von beispielsweise verschiedenem Stahl oder Gusseisen gefunden hat.

Darüber hinaus ist es allgemein bekannt, JP-A-6-8010 , dass in dem beschichteten Cermet-Werkzeug die Schichten, welche die Hartüberzugsschicht aufbauen, allgemein eine granuläre Kristallstruktur aufweisen und die TiCN-Schicht, welche die Titanverbindungsschicht aufbaut, die untere Schicht, mit dem Ziel hergestellt wird, eine longitudinal gewachsene Kristallstruktur zu besitzen, die durch Verwendung eines Mischgases, das organisches Carbonitrid als ein Reaktionsgas einschließt, in einem allgemeinen chemischen Dampf-Abscheidungsreaktor im Bereich mäßiger Temperatur von 700 bis 950°C zum Zweck der Erhöhung der Festigkeit der Schicht gebildet wird.
Darüber hinaus ist es auch allgemein bekannt, dass die α-Al₂O₃-Schicht, welche die Hartüberzugsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeugs aufbaut, aus Kristallkörnern gebildet ist, die eine hexagonale, dicht gepackte Korund-Struktur besitzen, in welcher die Konstituentenatome, bestehend aus Aluminium und Sauerstoff, in Gitterpunkten vorliegen, das bedeutet, dass die atomare Anordnung in einem Einheitsgitter des α-Al₂O₃ eine Kristallstruktur besitzt, die in den schematischen Ansichten [die 1A ist eine perspektivische Ansicht, und die 1B ist eine planare, die Querschnittschichten 1 bis 9 darstellende Ansicht] gezeigt ist.

[Patent-Dokument 1] JP-A-6-31503
[Patent-Dokument 2] JP-A-6-8010

Obwohl sogar die Leistungsfähigkeit von Schneidvorrichtungen deutlich verbessert worden ist, werden in den letzten Jahren Arbeitseinsparung, Energieeinsparung und Kostenverringerung für die Schneidarbeit dringend verlangt, und dementsprechend wird die Schneidarbeit in einem höheren Geschwindigkeitsbereich ausgeführt. Die herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge bereiten im Allgemeinen kein Problem, sofern sie für kontinuierliches Schneiden oder intermittierendes Schneiden von Stahl, Gusseisen oder dergleichen unter normalen Bedingungen verwendet werden. Wenn die herkömmlichen Schneidwerkzeuge jedoch für intermittierendes Schneiden unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen verwendet werden, besitzt die α-Al₂O₃-Schicht, welche die Hartüberzugsschicht aufbaut, keine ausreichende Schlagfestigkeit, wodurch ein Absplittern (kleinste Bruchstellen) auf der harten Überzugsschicht leicht vorkommt und somit die Lebenszeit des Schneidwerkzeugs reduziert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von den oben erwähnten Gesichtspunkten ausgehend, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung Untersuchungen durchgeführt, und zwar insbesondere zur Verbesserung der Schlagfestigkeit einer α-Al₂O₃-Schicht, welche die obere Schicht einer harten Überzugsschicht eines beschichteten Cermet-Werkzeugs aufbaut, und haben die folgenden Ergebnisse erzielt:

(a) selbst wenn die α-Al₂O₃-Schicht als die obere Schicht, welche die harte Überzugsschicht des herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeugs aufbaut, abgeschieden wird, indem, zum Beispiel, ein allgemeiner chemischer Dampf-Abscheidungsreaktor unter den nachfolgenden Bedingungen (als Normalbedingungen bezeichnet) verwendet wird: Zusammensetzung des Reaktionsgases: auf Volumenbasis, AlCl₃ von 2 bis 4%, CO₂ von 6 bis 8%, HCl von 1,5 bis 3%, H₂S von 0,05 bis 0,2% und H₂ als Ausgleich Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 1020 bis 1050°C Druck der Reaktionsatmosphäre: 6 bis 10 kPa, wenn die α-Al₂O₃-Schicht unter den folgenden Bedingungen abgeschieden wird: Zusammensetzung des Reaktionsgases: auf Volumenbasis, AlCl₃ von 6 bis 10%, CO₂ von 10 bis 15%, HCl von 3 bis 5%, H₂S von 0,05 bis 0,2% und H₂ als Ausgleich Temperatur der Reaktionsatmosphäre: 1020 bis 1050°C Druck der Reaktionsatmosphäre: 3 bis 5 kPa das heißt, wenn die α-Al₂O₃-Schicht unter solchen Bedingungen abgeschieden wird, dass die Verhältnisse der enthaltenen Anteile von AlCl₃, CO₂ und HCl in dem Reaktionsgas relativ höher sind und der Reaktionsatmosphärendruck relativ niedriger ist als jene der normalen Bedingungen (hohes Verhältnis des enthaltenen Anteils der Reaktionsgaskomponente und Niedrigdruck-Bedingungen), besitzt die α-Al₂O₃-Schicht (nachstehend hierin als eine "umgebildete α-Al₂O₃-Schicht" bezeichnet), die unter dem hohen Verhältnis des enthaltenen Anteils der Reaktionsgaskomponente und Niedrigdruck-Bedingungen gebildet wird, eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit und eine ausgezeichnete mechanische Schlagfestigkeit. Daher bietet in einem beschichteten Cermet-Werkzeug mit der umgebildeten α-Al₂O₃-Schicht als der oberen Schicht der Hartüberzugsschicht und der Titanverbindungsschicht als der unteren Schicht der Hartüberzugsschicht die Hartüberzugsschicht eine hervorragende Absplitterbeständigkeit und zeigt eine exzellente Verschleißbeständigkeit über einen verlängerten Zeitraum, insbesondere bei der mit dem intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden einhergehenden schweren mechanischen Schlagwirkung.
(b) Bezüglich der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schicht (nachstehend hierin als eine herkömmliche α-Al₂O₃-Schicht bezeichnet), welche die obere Schicht der Hartüberzugsschicht des herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeugs aufbaut und der umgebildeten α-Al₂O₃-Schicht, wenn ein Elektronenstrahl auf Kristallkörner aufgestrahlt wird, in einem Messbereich für polierte Oberflächen, wie in den schematischen erklärenden Ansichten der 2A und 2B veranschaulicht, um so Neigungswinkel (auch wenn die 2A einen Fall darstellt, in dem der Neigungswinkel eines Kristallkorns gleich Null ist, und die 2B einen Fall darstellt, in dem der Neigungswinkel eines Kristallkorns 45 Grad beträgt, sind alle Neigungswinkel individueller Kristallkörner, einschließlich der obigen Neigungswinkel, eingeschlossen) zwischen den Normalen der Ebene (0001) und der Ebene (10-10), Kristallebenen der Kristallkörner und einer Normalen der polierten Oberfläche zu messen, und zwar durch Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops vom Feldemissionstyp, wobei in diesem Fall die Kristallkörner eine hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ aufweisen, in welcher Konstituentenatome bestehend aus Aluminium und Sauerstoff, in Gitterpunkten vorhanden sind, wie oben beschrieben; die Verteilung der Gitterpunkte (die kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen), wo die betreffenden Konstituentenatome ein Konstituentenatom zwischen benachbarten Kristallkörnern an der Grenzfläche der Kristallkörner teilen, auf Basis der Neigungswinkel berechnet wird, die aus der Messung erhalten werden; eine Konfiguration der kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen durch ΣN + 1 (in diesem Fall existieren die Konfigurationen von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen von Σ5, Σ9, Σ15, Σ25 und Σ27 nicht) angegeben wird, wobei N (N ist eine beliebige gerade Zahl von gleich oder größer als Zwei im Hinblick auf die hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ, jedoch wenn die Obergrenze von N vom Standpunkt der Verteilungsfrequenzen 28 ist, kommen gerade Zahlen, wie 4, 8, 14, 24 und 26 nicht vor) Gitterpunkte, die kein Konstituentenatom zwischen den kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen teilen, existieren; Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen, was die Verteilungsverhältnisse von einzelnen ΣN + 1 zum gesamten ΣN + 1 zeigt, angefertigt werden, zeigt die herkömmliche α-Al₂O₃-Schicht eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten, in der die Verteilungsverhältnisse von Σ3 relativ niedrig liegen, d. h., bei 30% oder darunter, wie in der 5 veranschaulicht, wohingegen die umgebildeten αΣ-Al₂O₃-Schichten eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstitutentenatomen zeigen, in der die Verteilungsverhältnisse von Σ3 extrem hoch liegen, d. h., bei 60 bis 80%, wie in der 4 veranschaulicht. Diese hohen Verteilungsverhältnisse von Σ3 verändern sich mit den Verhältnissen der enthaltenen Anteile von AlCl₃, CO₂ und HCl, die das Reaktionsgas ausmachen, und dem atmosphärischen Reaktionsdruck.

Indessen zeigen die 3A bis 3C diejenigen Einheitskonfigurationen von Σ3, Σ7 und Σ11 innerhalb der kovalenten Gitterpunktkonfigurationen der Konstituentenatome an der Grenzfläche von benachbarten Körnern in der umgebildeten α-Al₂O₃-Schicht und dem herkömmlichen α-Al₂O₃.

(c) Weil die umgebildete α-Al₂O₃-Schicht eine größere Hochtemperaturbeständigkeit als die herkömmliche α-Al₂O₃-Schicht wie auch eine hervorragende Hochtemperaturhärte und inhärente Hitzebeständigkeit besitzt, bietet die Hartüberzugsschicht in einem beschichteten Cermet-Werkzeug mit der obigen Schicht als der oberen Schicht der harten Überzugsschicht durch Kombination mit der hervorragenden Hochtemperaturbständigkeit der TiCN-Schicht, der unteren Schicht der Hartüberzugsschicht, eine bessere Absplitterbeständigkeit als das herkömmliche beschichtete Cermet-Werkzeug, das durch Abscheiden der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schicht als der oberen Schicht gebildet wird, und zwar selbst dann, wenn das Werkzeug für ein intermittierendes Schneiden unter Hochgeschwindigkeits-Schneidebedingungen herangezogen wird.

Die Erfinder haben die in den obigen Abschnitten (a) bis (c) erläuterten Ergebnisse erzielt.
Die Erfindung ist auf der Grundlage der obigen Ergebnisse erdacht worden und betrifft das beschichtete Cermet-Werkzeug, die Hartüberzugsschicht, von der eine hervorragende Absplitterbeständigkeit bei einem intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden geboten wird. Das beschichtete Cermet-Werkzeug wird durch Abscheiden auf einer Oberfläche eines Werkzeugsubstrats, das aus einer gesinterten Legierung auf der Basis von Wolframcarbid oder eines Cermets auf der Basis von Titancarbonitrid hergestellt ist, einer Hartüberzugsschicht gebildet, die aus den nachfolgenden Schichten (a) und (b) aufgebaut ist:

(a) die untere Schicht ist zusammengesetzt aus einer oder mehreren Schichten von einer TiC-Schicht, TiN-Schicht, TiCN-Schicht, TiCO-Schicht und TiCNO-Schicht und besitzt eine mittlere Gesamtschichtdicke im Bereich von 3 bis 20 μm; und
(b) die obere Schicht ist eine Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ, wenn sie chemisch abgeschieden wird, und besitzt eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 1 bis 15 μm. Hinzu kommt, dass die umgebildete α-Al₂O₃-Schicht Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen zeigt, die Verteilungsverhältnisse von einzelnen ΣN + 1 zum gesamten ΣN + 1 zeigen, die den höchsten Peak bei Σ3 haben und die Verteilungsverhältnisse von Σ3 zum gesamten ΣN + 1 in dem Bereich von 60 bis 80% aufweisen, und wenn ein Elektronenstrahl auf Kristallkörner in einem Messbereich für polierte Oberflächen aufgestrahlt wird, um Neigungswinkel zwischen Normalen der Ebene (0001) und der Ebene (10-10), Kristallebenen der Kristallkörner und einer Normalen der polierten Oberfläche zu messen, und zwar durch Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops vom Feldemissionstyp, weisen in diesem Fall die Kristallkörner eine hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ auf, in welcher Konstituentenatome, bestehend aus Aluminium und Sauerstoff, in Gitterpunkten vorhanden sind, wie oben beschrieben; wird die Verteilung der Gitterpunkte (die kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen), wo die betreffenden Konstituentenatome ein Konstituentenatom zwischen benachbarten Kristallkörnern an der Grenzfläche der Kristallkörner teilen, auf Basis der Neigungswinkel berechnet, die aus der Messung erhalten werden; wird eine Konfiguration der kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen durch ΣN + 1 angegeben, wobei N (N ist eine beliebige gerade Zahl von gleich oder größer als Zwei im Hinblick auf die hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ, jedoch wenn die Obergrenze von N vom Standpunkt der Verteilungsfrequenzen 28 ist, kommen gerade Zahlen, wie 4, 8, 14, 24 und 26 nicht vor) Gitterpunkte, die kein Konstituentenatom zwischen den kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen teilen, existieren.

Als nächstes werden die Gründe beschrieben, warum die numerischen Werte, wie oben dargelegt, in den die harte Überzugsschicht des beschichteten Cermet-Werkzeugs aufbauenden Schichten begrenzt sind.
(a) Ti-Verbindungsschicht als untere Schicht
Es liegt eine Ti-Verbindungsschicht als untere Schicht einer α-Al₂O₃-Schicht vor. Außerdem trägt die hervorragende, der Ti-Verbindungsschicht inhärente Temperaturbeständigkeit zur Hochtemperaturbeständigkeit der Hartüberzugsschicht bei. Es kommt hinzu, dass die Ti-Verbindungsschicht an Beides, das Werkzeugsubstrat und die α-Al₂O₃-Schicht, fest aufgebracht ist. Dementsprechend verbessert die Ti-Verbindungsschicht die Verhaftung der Hartüberzugsschicht mit dem Werkzeugsubstrat. Wenn jedoch die mittlere Gesamtschichtdicke der Ti-Verbindungsschicht geringer als 3 μm ist, kann die obige Wirkung nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Wenn andererseits die mittlere Gesamtschichtdicke davon 20 μm überschreitet, wird wahrscheinlich eine thermoplastische Deformation auftreten, und zwar insbesondere bei einem intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden, das mit der Entstehung von großer, teilweise Verschleiß verursachender Hitze einhergeht. Folglich wird die mittlere Schichtdicke der unteren Schicht vorzugsweise auf den Bereich von 3 bis 20 μm festgelegt.
(b) Umgebildete α-Al₂O₃-Schicht als obere Schicht
Die Verteilungsverhältnisse der Werte von Σ3 auf der Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen der umgebildeten α-Al₂O₃-Schicht können in den Bereich von 60 bis 80% hinein gelegt werden, indem die Verhältnisse der enthaltenen Anteile von AlCl₃, CO₂ und HCl, welche das Reaktionsgas aufbauen, und der atmosphärische Reaktionsdruck eingestellt werden, wie oben beschrieben. Wenn in diesem Fall die Verteilungsverhältnisse der Σ3-Werte unter 60% liegen, kann es in der Hartüberzugsschicht während eines intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneidens zum Absplittern kommen, und daher kann die Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit nicht sichergestellt werden. Dementsprechend ist es stärker zu bevorzugen, dass die Σ3-Werte höhere Verteilungsverhältnisse aufweisen. Wenn jedoch die Verteilungsverhältnisse der Σ3-Werte höher als 80% werden, ist es schwierig, die Schicht zu bilden. Die Verteilungsverhältnisse der Σ3-Werte werden daher auf den Bereich von 60 bis 80% festgelegt. Derartig hat die umgebildete α-Al₂O₃-Schicht eine viel bessere Hochtemperaturbeständigkeit zusätzlich zu einer hervorragenden Hochtemperaturhärte und einer der α-Al₂O₃-Schicht inhärenten Hitzebeständigkeit, wie oben beschrieben. Falls jedoch die mittlere Schichtdicke geringer als 1 μm ist, kann die Hartüberzugsschicht nicht in ausreichender Weise mit den obigen Merkmalen versehen werden. Falls andererseits die mittlere Schichtdicke 15 μm überschreitet, wird es wahrscheinlich zu einer thermoplastischen Deformation kommen, die einen teilweisen Verschleiß verursacht. Folglich wird die mittlere Schichtdicke der oberen Schicht vorzugsweise auf den Bereich von 1 bis 15 μm festgelegt.
Zusätzlich, um zu identifizieren, ob das Schneidwerkzeug gebraucht ist, kann die TiN-Schicht, die einen Goldfarbton hat, bei Bedarf als die äußerste Oberflächenschicht der Hartüberzugsschicht abgeschieden werden. In diesem Fall liegt die mittlere Schichtdicke der TiN-Schicht vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 1 μm. Der Grund, warum die mittlere Schichtdicke begrenzt ist, lautet wie folgt: wenn die mittlere Schichtdicke geringer als 0,1 μm ist, kann eine ausreichende Identifizierung nicht erreicht werden, und die Identifizierung mittels der TiN-Schicht kann in ausreichender Weise erzielt werden, sofern die mittlere Schichtdicke 1 μm erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A und 1B sind schematische Ansichten, welche die atomare Konfiguration eines Einheitsgitters eines hexagonalen, dicht gepackten Kristalls vom Korund-Typ, der eine α-Al₂O₃-Schicht aufbaut, darstellen, wobei die 1A eine perspektivische Ansicht ist, und die 1B aus planaren Ansichten der Querschnitte 1 bis 9 besteht;
die 2 besteht aus schematischen erklärenden Ansichten, welche Ansichten der Messung der Neigungswinkel der Ebene (0001) und der Ebene (10-10) von Kristallkörnern in der α-Al₂O₃-Schicht darstellen;
die 3 besteht aus schematischen Ansichten, welche die Einheitskonfigurationen von Konfigurationen von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen an den Grenzflächen von benachbarten Kristallkörnern zeigen, wobei die 3A eine Einheitskonfiguration von Σ3 zeigt, die 3B eine Einheitskonfiguration von Σ7 zeigt und die 3C eine Einheitskonfiguration von Σ11 zeigt;
die 4 ist eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen einer umgebildeten α-Al₂O₃-Schicht eines beschichteten Cermet-Werkzeugs 3 der Erfindung; und
die 5 ist eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen einer herkömmlichen α-Al₂O₃-Schicht eines herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeugs 5.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als nächstes wird ein beschichtetes Cermet-Werkzeug gemäß der Erfindung unter Bezug auf die Ausführungsformen im Detail beschrieben.
Ausführungsformen
Die folgenden Pulver, jeweils mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 1 bis 3 μm, werden als Rohmaterialien für Substrate zubereitet: WC-Pulver, TiC-Pulver, ZrC-Pulver, VC-Pulver, TaC-Pulver, NbC-Pulver, Cr₃C₂-Pulver, TiN-Pulver, TaN-Pulver und Co-Pulver. Diese Rohpulver werden eines mit dem anderen auf der Basis der in der Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen vereinigt und anschließend eines mit dem anderen mit Wachs in Aceton während 24 Stunden mittels einer Kugelmühle vermischt. Danach wird die Lösung unter vermindertem Druck getrocknet und anschließend zu einem Grünling mit einer vorbestimmten Gestalt mit einem Druck von 98 MPa verpresst. Der Grünling wird unter den folgenden Bedingungen Vakuum-gesintert: ein Druck von 5 Pa, ein vorbestimmter Temperaturbereich von 1370°C bis 1470°C und eine Haltezeit von 1 Stunde. Nach dem Sintern wurden die Schneidkanten einem Hornungsverfahren unterzogen (R: 0,07 mm), um so die gesinterten Werkzeugsubstrate A bis F auf der Grundlage von WC mit einer durch die ISO CNMG160412 definierten Wegwerfspitzenform herzustellen.
Darüber hinaus werden die folgenden Pulver, jeweils mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 2 μm, als Rohmaterialien für Substrate zubereitet: TiCN (TiC/TiN = 50/50 als Gewichtsverhältnis)-Pulver, Mo₂C-Pulver, ZrC-Pulver, NbC-Pulver, TaC-Pulver, WC-Pulver, Co-Pulver und Ni-Pulver. Diese Rohpulver werden eines mit dem anderen auf der Basis der in der Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzungen vereinigt und anschließend eines mit dem anderen während 24 Stunden mittels einer Kugelmühle nassvermischt. Danach wird die Verbindung getrocknet und anschließend zu einem Grünling mit einem Druck von 98 MPa verpresst. Der Grünling wird in einer Stickstoffatmosphäre unter den folgenden Bedingungen gesintert: ein Druck von 1,3 kPa, eine Temperatur von 1540°C und eine Haltezeit von 1 Stunde. Nach dem Sintern werden die Schneidkanten dem Hornungsverfahren unterzogen (R: 0,07 mm), um so die Werkzeugsubstrate a bis f auf der Grundlage von TiCN mit einer durch die ISO CNMG160412 definierten Spitzenform herzustellen.
Als nächstes werden die Werkzeugsubstrate A bis F und die Werkzeugsubstrate a bis f in einen generellen Reaktor zur chemischen Abscheidung geladen, und im Anschluss werden die Titanverbindungsschichten als untere Schichten der Hartüberzugsschichten abgeschieden, und zwar in Übereinstimmung mit den in der Tabelle 4 dargestellten Kombinationen und Zielschichtdicken und unter den in der Tabelle 3 (in der Tabelle 3 steht I-TiCN für Ausformungsbedingungen von TiCN-Schichten mit einer longitudinal gewachsenen Kristallstruktur, wie sie in der JP-A-6-8010 beschrieben ist, und die anderen stehen für Ausformungsbedingungen für eine generelle granuläre Kristallstruktur) gezeigten Bedingungen. Als nächstes wird in ähnlicher Weise jede beliebige der umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten (a) bis (f) als die oberen Schichten der Hartüberzugsschichten in Übereinstimmung mit den in der Tabelle 4 dargestellten Kombinationen und Zielschichtdicken und unter den in der Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgeschieden, um so die beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 gemäß der Erfindung herzustellen.
Zusätzlich werden zum Zweck des Vergleichs die herkömmlichen Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 hergestellt, und zwar unter den gleichen Bedingungen wie die obigen mit der Ausnahme, dass, wie in der Tabelle 5 dargestellt, jede beliebige der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten (a) bis (f) als die oberen Schichten der Hartüberzugsschichten in Übereinstimmung mit den in der Tabelle 4 dargestellten Kombinationen und Zielschichtdicken und unter den in der Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgeschieden wird.
Als nächstes werden die Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen angefertigt, und zwar für die umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten und die herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten, welche die oberen Schichten der Hartüberzugsschichten der beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 gemäß der Erfindung und der herkömmlichen Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 aufbauen, indem ein Abtastelektronenmikroskop vom Feldemissionstyp verwendet wird.
Dies bedeutet, dass die Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen über die folgenden Schritte angefertigt werden: als erstes werden polierte Oberflächen der umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten und der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten in einen Objektivtubus des Abtastelektronenmikroskops vom Feldemissionstyp gesetzt. Im Anschluss werden Elektronenstrahlen mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV auf einzelne Kristallkörner auf den polierten Oberflächen mit einem Bestrahlungsstrom in einem Messbereich von 1 nA in einem Einfallwinkel von 70 Grad aufgestrahlt. Als nächstes werden Neigungswinkel zwischen den Normalen der Ebene (0001) und der Ebene (10-10), Kristallebenen der Kristallkörner und einer Normalen der polierten Oberflächen in einem Intervall von 0,1 μm/Schritt in einer Fläche von 30 × 50 μm unter Verwendung einer Rückstreuungs-Elektronenbeugungsbildgebungs-Vorrichtung gemessen. Auf den gemessenen Beugungswinkeln beruhend wird die Verteilung der Gitterpunkte (die kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen), wo die betreffenden Konstituentenatome ein Konstituentenatom zwischen benachbarten Kristallkörnern an der Grenzfläche der Kristallkörner teilen, berechnet. Schließlich werden die einzelnen Verteilungsverhältnisse von ΣN + 1 zum gesamten ΣN + 1 erhalten, wenn eine Konfiguration von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen, in denen "N" (N ist eine beliebige gerade Zahl von gleich oder größer als Zwei in einer hexagonalen, dicht gepackten Struktur vom Korund-Typ, jedoch wenn die Obergrenze von N vom Standpunkt der Verteilungsfrequenzen 28 ist, kommen gerade Zahlen, wie 4, 8, 14, 24 und 26 nicht vor) Gitterpunkte, die kein Konstituentenatom zwischen den kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen teilen, existieren, durch ΣN + 1 repräsentiert wird.
Auf den resultierenden Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen der verschiedenen umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten und der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten sind die Verteilungsverhältnisse von Σ3 zum gesamten ΣN + 1 (die Summe der betreffenden aus den obigen Ergebnissen erhaltenen Verteilungsverhältnisse von Σ3, Σ7, Σ11, Σ13, Σ17, Σ19, Σ21, Σ23 und Σ29) in den Tabellen 4 bzw. 5 dargestellt. Auf den obigen Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen, wie in den Tabellen 4 und 5 dargestellt, zeigen die umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten der beschichteten Cermet-Werkzeuge gemäß der Erfindung eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen, in der die Verteilungsverhältnisse von Σ3 bei 60 bis 80% liegen, wohingegen die herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten der herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen zeigen, in der die Verteilungsverhältnisse von Σ3 bei 30% oder darunter liegen.
Die 4 indessen ist eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen der umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten der beschichteten Cermet-Werkzeuge 3 gemäß der Erfindung, und die 5 ist eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen der herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten der herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge 5.
Als ein Ergebnis der Messung der Dicke jeder Schicht, welche die harten Überzugsschichten der beschichteten Cermet-Schneidwerkzeuge 1 bis 13 und der herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 aufbaut, unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops (Messung des longitudinalen Abschnitts) zeigen alle Werkzeuge eine mittlere Schichtdicke (der Mittelwert aus fünf Messpunkten), die im Wesentlichen gleich der Zielschichtdicke ist.

Als nächstes, wobei die verschiedenen beschichteten Cermet-Werkzeuge, wie die beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 gemäß der Erfindung und die herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13, in einem Zustand vorliegen, dass sie mittels einer Befestigungseinspannvorrichtung an die Spitze eines Werkzeugstahlbits schraubfixiert sind,
wird eine Prüfung des trockenen intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneidens (die normale Schneidegeschwindigkeit liegt bei 200 m/min) von Kohlenstoffstahl unter der folgenden Bedingung (als Schneidebedingung A bezeichnet) vorgenommen:
Werkstück: ein JIS S48C-Rundbarren mit vier longitudinalen Eingravierungen, die in gleichen Abständen in der longitudinalen Richtung angeordnet sind
Schneidegeschwindigkeit: 350 m/min
Schneidetiefe: 1,5 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0,2 mm/U
Schneidezeit: 10 min,
wird eine Prüfung des trockenen intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneidens (die normale Schneidegeschwindigkeit liegt bei 150 m/min) von Legierungsstahl unter der folgenden Bedingung (als Schneidebedingung B bezeichnet) vorgenommen:
Werkstück: ein JIS SNCM439-Rundbarren mit vier longitudinalen Rillen, die in gleichen Abständen in der longitudinalen Richtung angeordnet sind
Schneidegeschwindigkeit: 300 m/min
Schneidetiefe: 2 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0,1 5 mm/U
Schneidezeit: 10 min,
wird eine Prüfung des trockenen intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneidens (die normale Schneidegeschwindigkeit liegt bei 180 m/min) von duktilem Gusseisen unter der folgenden Bedingung (als Schneidebedingung C bezeichnet) vorgenommen:
Werkstück: ein JIS FCD600-Rundbarren mit vier longitudinalen Rillen, die in gleichen Abständen in der longitudinalen Richtung angeordnet sind
Schneidegeschwindigkeit: 350 m/min
Schneidetiefe: 2 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0,20 mm/U
Schneidezeit: 10 min,
und sodann wird die Flankenabnützungsbreite einer Schneidekante in jeder Prüfung gemessen. Die Messergebnisse sind in der Tabelle 6 dargestellt. [Tabelle 1]

Typ		Compoundierungszusammensetzung (Gew.-%)
Werkzeugsubstrat		Co	TiC	ZrC	VC	TaC	NbC	Cr₃C₂	TiN	TaN	WC
	A	7	-	-	-	-	-	-	-	-	Rest
	B	5,7	-	-	-	1,5	0,5	-	-	-	Rest
	C	5,7	-	-	-	-	-	1	-	-	Rest
	D	8,5	-	0,5	-	-	-	0,5	-	-	Rest
	E	12,5	2	-	-	-	-	-	1	2	Rest
	f	6,5	2	-	0,2	-	3	0,8	1,5	-	Rest

[Tabelle 2]

Typ		Compoundierungszusammensetzung (Gew.-%)
Werkzeugsubstrat		Co	Ni	ZrC	TaC	NbC	Mo₂C	WC	TiCN
	a	13	5	-	10	-	10	16	Rest
	b	8	7	-	5	-	7,5	-	Rest
	c	5	-	-	-	-	6	10	Rest
	d	10	5	-	11	2	-	-	Rest
	e	9	4	1	8	-	10	10	Rest
	f	12	5,5	-	10	-	9,5	14,5	Rest

Aus den in den Tabellen 4 bis 6 gezeigten Ergebnissen ist es ersichtlich, dass die beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 gemäß der Erfindung, diejenigen oberen Schichten der harten Überzugsschichten besitzen, die aus den umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten, welche eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen aufweisen, bei welcher die Verteilungsverhältnisse der Σ3-Werte von 60 bis 80% liegen, aufgebaut sind, und die umgebildeten α-Al₂O₃-Schichten verfügen über eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit und bieten eine hervorragende Absplitterbeständigkeit selbst beim intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden von Stahl und Gusseisen, wobei dies eine extrem hohe mechanische Einwirkung hat, wodurch das Auftreten von Absplittern in den Hartüberzugsschichten merklich unterdrückt wird, und es wird eine hervorragende Abnutzungswiderstandsfähigkeit geboten. Im Gegensatz dazu besitzen die herkömmlichen beschichteten Cermet-Werkzeuge 1 bis 13 die oberen Schichten der harten Überzugsschicht, die aus den herkömmlichen α-Al₂O₃-Schichten, welche eine Verteilungskurve von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen aufweisen, bei welcher die Verteilungsverhältnisse der Σ3-Werte bei 30% oder darunter liegen, aufgebaut sind, und eine unzureichende mechanische Schlagbeständigkeit beim intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden, wodurch Absplittern in den Hartüberzugsschichten verursacht wird, und die Lebensspanne ist relativ kurz.
Wie oben beschrieben, bieten die Hartüberzugsschichten in den beschichteten Cermet-Werkzeugen gemäß der Erfindung eine hervorragende Absplitterbeständigkeit, insbesondere beim intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden, was eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordert, wie auch beim kontinuierlichen Schneiden oder intermittierenden Schneiden von verschiedenen Stählen, Gusseisen etc. unter normalen Bedingungen, und bieten eine hervorragende Schneideleistung über einen verlängerten Zeitraum, dadurch ist es möglich, die Anforderungen im Hinblick auf eine hohe Leistung von Schneidewerkzeugen, Arbeitsersparnis, Energieeinsparung und Kostensenkung bei Schneidarbeiten auf befriedigende Weise zu behandeln.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße beschichtete Cermet-Werkzeug kann die umgebildete α-Al₂O₃-Schicht, welche die obere Schicht der Hartüberzugsschicht aufbaut, eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit wie auch die Al₂O₃ inhärente Hochtemperaturhärte und Hitzebeständigkeit besitzen, und zwar sogar wenn ein intermittierendes Hochgeschwindigkeitsschneiden, das eine starke mechanische Schlagwirkung mit sich bringt, unter Hochgeschwindigkeitsschneidebedingungen durchgeführt wird.
Deswegen bietet das beschichtete Schneidwerkzeug eine hervorragende Absplitterbeständigkeit, und somit kann die Lebensspanne verlängert werden.

Claims

Oberflächen-beschichtetes Cermet-Schneidwerkzeug, gebildet durch Abscheiden auf einer Oberfläche eines Werkzeugsubstrats aus Wolframcarbid-basiertem Sintercarbid oder Titancarbonitrid-basiertem Cermet einer harten Überzugsschicht, umfassend die folgenden Schichten (a) und (b): (a) eine untere Schicht, umfassend eine oder mehrere Schichten aus einer Titancarbidschicht, Titannitridschicht, Titancarbonitridschicht, Titancarboxidschicht und Titanoxycarbonitridschicht und mit einer mittleren Gesamtschichtdicke im Bereich von 3 bis 20 μm; (b) eine obere Schicht, die eine Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur von α-Typ ist, wenn sie chemisch abgeschieden wird, und die eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 1 bis 15 μm aufweist; wobei die α-Al₂O₃-Schicht Verteilungskurven von kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen zeigt, welche Verteilungsverhältnisse von einzelnen ΣN + 1 zum gesamten ΣN + 1 mit einem höchsten Peak bei Σ3 zeigen und ein Verteilungsverhältnis von Σ3 zu gesamtem ΣN + 1 im Bereich von 60 bis 80% zeigen, wenn ein Elektronenstrahl auf Kristallkörner in einem Messbereich von polierten Oberflächen aufgestrahlt wird, um die Neigungswinkel zwischen Normalen der Ebene (0001) und der Ebene (10-10), Kristallebenen der Kristallkörner und einer Normalen der polierten Oberfläche zu messen, und zwar durch Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops vom Feldemissionstyp, wobei in diesem Fall die Kristallkörner eine hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ aufweisen, in welcher Konstituentenatome bestehend aus Aluminium und Sauerstoff, in Gitterpunkten vorhanden sind; die Verteilung der Gitterpunkte, welches die kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen sind, wo die betreffenden Konstituentenatome ein Konstituentenatom zwischen benachbarten Kristallkörnern an der Grenzfläche der Kristallkörner teilen, auf Basis der Neigungswinkel berechnet wird, die aus der Messung erhalten werden; eine Konfiguration der kovalenten Gitterpunkte von Konstituentenatomen durch ΣN + 1 angegeben wird, wobei existierende N-Gitterpunkte kein Konstituentenatom unter den kovalenten Gitterpunkten von Konstituentenatomen teilen und wobei N eine beliebige gerade Zahl von gleich oder größer als zwei im Hinblick auf die hexagonale, dicht gepackte Struktur vom Korund-Typ ist, jedoch wenn die Obergrenze von N vom Standpunkt der Verteilungsfrequenzen 28 ist, gerade Zahlen, wie 4, 8, 14, 24 und 26 nicht vorkommen, wobei die harte Überzugsschicht eine hervorragende Absplitterbeständigkeit bei einem intermittierenden Hochgeschwindigkeitsschneiden zeigt.