DE60216003T2

DE60216003T2 - Schneidwerkzeug und Werkzeughalter

Info

Publication number: DE60216003T2
Application number: DE60216003T
Authority: DE
Inventors: NGK Spark Plug Co. Hideki Nagoya Kato
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: KR100866205B1; JP2002346812A; DE60216003D1; KR20020090305A; EP1260611A2; US20020176753A1; US6838151B2; EP1260611A3; EP1260611B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit einer Hartstoffbeschichtung, die eine hervorragende Haftfestigkeit und eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufweist, und ein Werkzeug mit einem Halter, der dieses aufnimmt.
Herkömmlicherweise wird oft ein PVD-Prozess des Lichtbogen-Ionen-Typs zur PVD-Beschichtung mit einem TiAlN-Material (Beschichtung durch physikalische Dampfabscheidung) benutzt, da zur Ionisierung eines TiAl-Metalls hohe Energie notwendig ist, und der Prozess unter anderem den Vorteil aufweist, dass eine Beschichtung hervorragender Haftung leicht erhalten wird.
Jedoch erlaubt dieser Prozess in einigen Fällen die Erzeugung von groben TiAl-Körnern, was durch die lokale Konzentration eines Lichtbogens verursacht wird, die aus dem nicht einheitlichen Oberflächenzustand eines TiAl-Ziels oder der nicht einheitlichen Erzeugung eines Lichtbogens herrührt, was zur Ablagerung von groben TiAlN-Körnern führt.
Einige dieser groben Körner weisen eine Größe von mehreren Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern auf. Wenn solche groben Körner auf der Oberfläche einer Beschichtung vorhanden sind, stößt die Anwendung eines Schneidwerkzeugs auf das folgende Problem: Kontakt der Oberfläche mit Spänen eines Arbeitsmaterials, mechanische Vibration oder ähnliches können bewirken, dass grobe Körner abbröckeln. Die Freilegung eines Substrats als ein Ergebnis des Abbröckelns von groben Körnern bewirkt manchmal eine instabile Schneidleistung (Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit), und in dem schlimmsten Fall eine Beeinträchtigung der Schneidleistung.
Um das vorstehende Problem zu bewältigen, haben PVD-Gerätehersteller und Schneidwerkzeughersteller Beschichtungsbedingungen und Beschichtungsprozesse untersucht, die grobe Körner ausschließen können. Derzeit wird, um die Erzeugung von groben Körnern zu reduzieren, eine gegenwärtige Last auf ein Ziel herabgesetzt, ein Abscheider zum Beseitigen von groben Körnern zwischen einem Ziel und einem zu beschichtenden Substrat vorgesehen, oder ein ähnliches Verfahren verwendet.
Jedoch beinhalten die vorstehend erwähnten Verfahren eine Beeinträchtigung der Produktivität und einen Anstieg der Kosten, da die Beschichtungsablagerungsgeschwindigkeit fällt.
Einige Beschichtungen sehen eine verbesserte Oberfläche vor, bei der die Erzeugung von groben Körnern durch Verwendung einer Mehrschichtstruktur enthaltend TiN, AlN etc. verhindert wird, weisen aber nicht ausreichend inhärente Eigenschaften des TiAlN-Films im Vergleich zur Hitzefestigkeit, Verschleißfestigkeit etc. auf, wodurch deren Leistungsfähigkeit nicht zufriedenstellend ist.
Wie im japanischen Patent Nr. 2901043 beschrieben ist, wird eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit durch Beseitigen von groben Körnern nach der Beschichtung angestrebt, um dadurch eine Oberfläche mit darauf ausgebildeten Trichtern zu erhalten.
Jedoch beinhaltet in diesem Fall die Anwendung eines realen Werkzeugs das folgende Problem. In einigen Fällen kann das Substrat an einem Trichteranteil der Beschichtung freigelegt sein. Wenn ein Arbeitsmaterial mit dem Trichteranteil durch Verschmelzen verbunden wird und solch ein Anteil abblättert, wird ein umgebender Anteil der Hartstoffbeschichtung oder des Substrats zusammen mit dem verbundenen Anteil abgespant. Als ein Ergebnis wird ungewöhnlicher Verschleiß von dem abgespanten Anteil ausgelöst, und dadurch eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit nicht unbedingt gezeigt. Zudem resultieren eine Beeinträchtigung der Produktivität und ein Anstieg der Kosten, da ein Prozess zum Beseitigen von groben Körnern nach dem Beschichten ausgeführt werden muss.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das Vorstehende geschaffen, und ein Ziel der Erfindung ist es, ein Schneidwerkzeug mit einer Hartstoffbeschichtung bereitzustellen, die eine zuverlässige und günstige Schneidleistung aufweist, wie eine Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit, sowie ein Werkzeug mit einem Halter, der dieses aufnimmt.
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, haben die gegenwärtigen Erfinder die Bedingungen untersucht, die es einem TiAlN-typischen PVD-Film ermöglichen, eine zuverlässige und bevorzugte Schneidleistung beizubehalten, und haben herausgefunden, dass durch Steuerung der Größe und Menge von groben Körnern in gewissen Bereichen und durch Festlegung der Oberflächenglätte unter Nutzung von Oberflächenrauhigkeit die Verschleißfestigkeit stabilisiert werden kann, was zur Erzielung der vorliegenden Erfindung führt.
US-A-6,033,734 offenbart Schneidwerkzeuge, die Substrate enthalten, welche mit TiAlN gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 geschichtet sind.

(1) Gemäß der Erfindung wird ein Schneidwerkzeug bereitgestellt, umfassend ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Hartstoffbeschichtung des TiAlN-Typs, wobei die Hartstoffbeschichtung eine Dicke im Bereich von 1 bis 5 μm besitzt, und dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung grobe Körner aus TiAlN mit einer Größe von nicht weniger als der Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweist, und dass die groben Körner nicht mehr als 5 % des Oberflächenbereichs der Hartstoffbeschichtung in Anspruch nehmen.

Die Dicke der Hartstoffbeschichtung ist aus dem folgenden Grund mit 1 μm bis 5 μm angegeben. Wenn die Dicke kleiner als 1 μm ist, wird die gewünschte Schneidleistung (i.e., hoher Widerstand gegen Verbinden durch Verschmelzen und Verschleißfestigkeit) nicht gezeigt.
Wenn die Dicke größer als 5 μm ist, erhöht sich die verbleibende Spannung der Beschichtung, und dadurch erleidet die Beschichtung Eigenbrüche mit einer resultierenden Beeinflussung der Schneidleistung.
Die Erfindung legt auch die Größe der groben Körner (deren Menge in Prozent pro Fläche angegeben ist) als nicht weniger als die Dicke der Hartstoffbeschichtung auf der Substratoberfläche aus dem folgenden Grund fest. Wenn ein Korn mit einer Größe nicht kleiner als die Beschichtungsdicke während des Schneidens abfällt wird die Freilegung des Substrats sehr wahrscheinlich. Wenn das Substrat freigelegt ist, entsteht ein Verbinden durch Verschmelzung und eine Abblätterung, resultierend in ein Auftreten ungewöhnlichen Verschleißes. In anderen Worten, wenn grobe Körner eine Größe kleine als die Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweisen, führt ein Abbröckeln eines groben Korns nicht zur Freilegung des Substrats, wodurch eine Beeinträchtigung der Schneidleistung abgewendet werden kann. Deshalb ist die auf einen Betrag beschränkte Größe von groben Körnern mit nicht weniger als der Dicke der Hartstoffbeschichtung festgelegt.
Weiterhin ist der Flächenanteil von groben Körnern, die in der Hartstoffbeschichtung vorhanden sind und eine Größe nicht kleiner als die Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweisen, aus dem folgenden Grund mit nicht größer als 5 % pro Fläche festgelegt. Wenn der Flächenanteil höher als 5 % pro Fläche liegt, steigt die Möglichkeit, dass die Schneidleistung durch Abbröckeln eines Korns beeinträchtigt wird. Der Flächenanteil ist besonders bevorzugt nicht größer als 3 % pro Fläche. Selbst in dem Fall, in dem Körner eine Größe kleiner als die Beschichtungsdicke aufweisen, sind geringere Beträge bevorzugt.
Da die Erfindung wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, kann eine Beeinträchtigung der Schneidleistung, welche andererseits durch Abbröckeln eines groben Korns auftreten würde, nicht auftreten, wodurch eine hervorragende Schneidleistung über eine lange Zeitspanne hinweg zuverlässig gehalten werden kann.

(2) Gemäß einem zweiten bevorzugten Aspekt der Erfindung genügt bei dem vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeug die Hartstoffbeschichtung wenigstens entweder einer Anforderung an eine Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht mehr als 0,1 μm oder einer Anforderung an eine Oberflächenrauhigkeit Rz von nicht mehr als 1 μm genügt.

Unter diesem Aspekt der Erfindung genügt die Oberflächenglätte von der Hartstoffbeschichtung wenigstens entweder eine Anforderung an Ra nicht größer als 0,1 μm oder eine Anforderung an Rz nicht größer als 1 μm.
Wenn die vorstehend erwähnten Anforderungen an eine Oberflächenrauhigkeit nicht erfüllt sind, ist ein Abbröckeln eines Korns im Laufe des Reibens eines Arbeitsmaterials gegen eine Beschichtungsoberfläche höchst wahrscheinlich, und ein Reibungswiderstand erhöht sich. Als ein Ergebnis ist es wahrscheinlich, dass ein Verbinden eines Arbeitsmaterials durch Verschmelzen (und nachfolgendes Abblättern) auftritt, möglicherweise resultierend in einer Beeinträchtigung der Schneidleistung.
Namentlich bezieht sich Ra auf die bekannte Durchschnittsrauhigkeit entlang Mittellinie Ra, und Rz bezieht sich auf die bekannte 10-Punkt-Durchschnittsrauhigkeit Rz.

(3) Gemäß einem dritten bevorzugten Aspekt der Erfindung ist bei dem vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeug das Substrat aus einem harten Material gebildet, wie zum Beispiel Hartmetall, Cermet, Keramik oder Hochgeschwindigkeitsstahl.

Dieser erfindungsgemäße Aspekt bezieht sich auf eine Ausführungsform eines Materials, das zum Bilden des Substrats des Schneidwerkzeugs benutzt wird. Die Verwendung eines solchen Materials ermöglicht eine hohe Schneidleistung.

(4) Gemäß einem vierten bevorzugten Aspekt der Erfindung ist bei dem vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeug die Hartstoffbeschichtung eine Dampfabscheidungsschicht, die mittels physikalischer Dampfabscheidung des Lichtbogen-Ionen-Typs gebildet ist.

Dieser erfindungsgemäße Aspekt bezieht sich auf eine Ausführungsform einer Hartstoffbeschichtung. Eine durch Dampfabscheidung des Lichtbogen-Ionen-Typs gebildete Dampfabscheidungsschicht kann vorzugsweise eine dichte Hartstoffbeschichtung auf der Oberfläche des Substrats bilden.

(5) Gemäß einem fünften bevorzugten Aspekt der Erfindung ist ein Werkzeug mit einem Halter dadurch gekennzeichnet, dass ein wie zuvor beschriebenes, erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug an einem Halter befestigt ist.

Unter diesem erfinderischen Aspekt wird ein derart konfiguriertes Werkzeug mit einem Halter betrachtet, dass ein Schneidwerkzeug (e.g., eine (Schneid)platte) an einem Halter befestigt ist.

(6) Gemäß einem sechsten bevorzugten Aspekt der Erfindung wird bei einem wie unter dem fünften Aspekt beschriebenen Werkzeug mit einem Halter das Werkzeug mit einem Halter zum Fräsen oder Nuten verwendet.

Die vorliegende Erfindung betrachtet ein Werkzeug mit einem Halter zum Fräsen oder ein Werkzeug mit einem Halter zum Nuten. Bei Verwendung der Werkzeuge mit einem Halter kann das Fräsen und Nuten bevorzugt durchgeführt werden.
Eine metallische Komponente der Hartstoffbeschichtung des TiAlN-Typs der vorliegenden Erfindung ist nicht auf TiAl eingeschränkt. Solange eine Beschichtung hoher Härte und hoher Verschleißfestigkeit gebildet werden kann, kann eine Zusammensetzung so aussehen, dass eine metallische Komponente wie ein Metall, das zur Gruppe 4a, 5a oder 6a, Si, Y gehört, oder ein Seltenerdeelement in der TiAl-Legierung vorhanden ist, solange diese eine einigermaßen feste Lösung bildet. Das Verhältnis der metallischen Komponenten zwischen Ti und Al oder dem zwischen anderen Metallen unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Weiterhin kann ein zusätzlich zu einer metallischen Komponente enthaltenes leichtes Element nicht auf Stickstoff beschränkt sein, sondern kann ein Gemisch sein, das Karbon, Säurestoff, Bor oder ähnliches enthält.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung, lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Schneidwerkzeug einer Ausführungsform zeigt;
2 eine Ansicht ist zum Erklären eines PVD-Geräts vom Lichtbogen-Ionen-Typ ist;
3 eine Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem Schneidwerkzeuge der Ausführungsform an einem Halter befestigt sind; (a): Draufsicht; und (b): Vorderansicht; und
4 Ansichten sind, welche die Oberflächen von Schneidwerkzeugen zeigen; (a): Rasterelektronenmikroskopische Gefügeaufnahme, welche die Oberfläche des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs zeigt; und (b): rasterelektronenmikroskopische Gefügeaufnahme, welche die Oberfläche des herkömmlichen Schneidwerkzeugs zeigt.
Beispiele eines Schneidwerkzeugs und eines Werkzeugs mit einem Halter gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung werden als nächstes beschrieben.

a) Als erstes wird ein Schneidwerkzeug der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.

Wie in 1 gezeigt, ist ein Schneidwerkzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Wegwerfschneidplatte, derart gestaltet, dass eine Hartstoffbeschichtung auf der Oberfläche eines Substrats 3 (siehe 2) gebildet ist, die zum Beispiel aus einem Hartmaterial aus zementiertem Karbid (WC-Co-typisches zementiertes Karbid) äquivalent zu JIS K10 hergestellt und in der Form von ISO SPGN120312 poliert ist.
Insbesondere besteht das Schneidwerkzeug 1 aus einer plattenförmigen positiven Schneidplatte, deren Kratzfläche (die Hauptoberflächenseite), welches die obere Fläche in 1 ist, breiter als die gegenüberliegende Fläche ist. Die Oberfläche des Substrats 3 ist mit einer Hartstoffbeschichtung mit einer Dicke von 1 μm bis 5 μm (e.g. 3 μm), gebildet aus einem TiAlN-Material, zum Beispiel (Ti, Al)N, und mit einem Ti/Al-Verhältnis von 1 bedeckt.
Insbesondere belegen gemäß der vorliegenden Erfindung grobe Körner, die in der Hartstoffbeschichtung vorhanden sind und eine Größe nicht kleiner als die Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweisen (e.g. Grobkörner mit einer Größe nicht kleiner als 3 μm) nicht mehr als 5 % pro Fläche der Oberfläche der Hartstoffbeschichtung; und die Oberfläche der Hartstoffbeschichtung weist eine Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht größer als 0,1 μm und eine Oberflächenrauhigkeit Rz von nicht größer als 1 μm auf.
In besonderem Maße kann die Hartstoffbeschichtung wenigstens entweder eine Anforderung an eine Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht größer als 0,1 μm oder eine Anforderung an eine Oberflächenrauhigkeit Rz von nicht größer als 1 μm genügen.

b) Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Schneidwerkzeugs 1 beschrieben. – Zuerst werden Materialien für die Substrate 3, i.e. ein WC-Pulver und ein Co-Pulver in entsprechend vorbestimmten Mengen abgemessen, gefolgt durch nasses Mischen und Pulverisieren. – Als nächstes wird dem pulverisierten Material Paraffin in einer Menge von 2 % Gewichtsanteilen zugesetzt. Die resultierende Mischung wird getrocknet und granularisiert, wodurch ein Pulver zur Verdichtung erhalten wird. – Das derart erhaltene Pulver wird in eine vorbestimmte, formschlüssige Schneidplattenform gepresst, gefolgt durch Brennen in einen Vakuum. – Als Nächstes wird der gebrannte Körper in das Substrat 3 poliert, dessen Abmessungen in einen vorbestimmten Maßtoleranzbereich fallen. – Als Nächstes wird das Substrat 3 durch PVD-Beschichtung mit einem TiAlN-Material beschichtet; insbesondere durch einen für den physikalischen Dampfabscheidungsprozess des Lichtbogen-Ionen-Typs, wobei eine Hartstoffbeschichtung auf der Oberfläche des Substrats 3 gebildet wird und damit das Schneidwerkzeug 1 vollendet.

Im Weiteren wird der vorstehend erwähnte Dampfabscheidungsprozess des Lichtbogen-Ionen-Typs beschrieben.
Es wird ein Lichtbogen-Ionen-Überzugsgerät (eine PVD-Vorrichtung des Lichtbogen-Ionen-Typs) 5 verwendet, wie es in 2 gezeigt ist, und das Substrat 3 wird auf einem Drehtisch 9 innerhalb einer Vakuumkammer 7 platziert. Während ein Reaktionsgas (e.g. N2) in die Vakuumkammer geleitet wird, wird eine Vorspannung (–) über den Drehtisch 9 an das Substrat 3 angelegt, und eine Lichtbogenspannung (–) wird auf eine Verdampfungsquelle (Kathode) 11 angelegt, die ein metallisches Material (TiAl-Legierung) für eine Hartstoffbeschichtung trägt.
Deshalb werden Metallionen von Ti und Al von der Kathode 11 auf der Oberfläche des Substrats 3 abgeschieden, und das zugeführte Reaktionsgas (N2) reagiert mit den abgeschiedenen Metallionen, wodurch eine Hartstoffbeschichtung aus (Ti, Al)N gebildet wird, die ein Ti/Al-Verhältnis von 1 auf der Oberfläche des Substrats 3 aufweist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird eine physikalische Dampfabscheidung unter den nachstehend festgelegten Beschichtungsbedingungen (PVD-Bedingung 1) durchgeführt. Durch Einstellung einer Beschichtungszeit wird die Dicke der Hartstoffbeschichtung eingestellt.
PVD-Bedingung 1

Metallisches Material: TiAl-Legierung mit einem Ti/Al-Verhältnis von 1
Reaktionsgasdruck: 1,20 Pa
Substrattemperatur: 500°C
Vorspannung: –150 V
Lichtbogenstrom: 100 A

In besonderem Maße kann durch angelegten Strom und angelegte Spannung und eines Gasdrucks eine Oberflächenrauhigkeit eingestellt werden.

c) Als Nächstes wird ein Werkzeug mit einem Halter beschrieben, an dem das Schneidwerkzeug befestigt ist.

Wie in 3(a) und 3(b) gezeigt ist, enthält ein Werkzeug mit einem Halter (Fräse) 20 der vorliegenden Ausführungsform einen im Wesentlichen säulenartigen Schneidkörper (Halter) 21 und ist so konfiguriert, dass acht Schneidabschnitte 23 umlaufend an dem Außenumfang des Halters 21 an der Seite zu dem vorderen Ende des Halters 21 hin (an der Seite, die der Bearbeitungsfläche zugewandt ist) vorgesehen sind.
Insbesondere sind sechs Befestigungsabschnitte 25, jeder in der Form einer Ausnehmung, umlaufend an dem Außenumfang des Halters 21 an der Seite zu dem vorderen Ende des Halters 21 hin vorgesehen. An jedem der Befestigungsabschnitte 25 ist das Schneidwerkzeug (Schneidplatte) 1, eine Legierungsstahlkassette 27 zum Befestigen des Schneidwerkzeugs 1, ein Legierungsstahlkeil 29 und ein ähnliches Element angeordnet, wodurch der Schneidabschnitt 23 gebildet wird.
In 3(b) sind, zum Klarstellen der Struktur der Fräse, neben sechs Schneidabschnitten 23, zwei Schneidabschnitte 23 so dargestellt, dass das Schneidwerkzeug 1 nicht angeordnet ist, und ein Schneidabschnitt 23 so dargestellt ist, dass das Schneidwerkzeug 1 und der Keil 29 nicht dargestellt sind.

d) Wie vorstehend beschrieben ist das Schneidwerkzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass die auf der Oberfläche von dem Substrat 3 ausgebildete Hartstoffbeschichtung vom TiAlN-Typ eine Dicke von 1 bis 5 μm aufweist, und in der Hartstoffbeschichtung vorhandene grobe Körner mit einer Größe nicht kleiner als der Dicke der Hartstoffbeschichtung einen Flächenanteil von nicht mehr als 5 % pro Fläche belegen, wodurch die Möglichkeit vermindert wird, dass der Widerstand gegen Verbinden durch Verschmelzen und die Verschleißfestigkeit durch Abbröckeln eines Korns beeinträchtigt werden.

Das Schneidwerkzeug 1 der vorliegenden Erfindung weist eine sehr glatte Oberfläche auf; insbesondere ist Ra nicht größer als 0,1 μm, und Rz ist nicht größer als 1 μm. Entsprechend wird im Verlauf des Reibens eines Arbeitsmaterials gegen eine Beschichtungsoberfläche ein Abbröckeln eines Korns unwahrscheinlich, und ein Reibungswiderstand ist niedrig. Als ein Ergebnis wird es unwahrschein lich, dass ein Verbinden eines Arbeitsmaterials durch Verschmelzung (und Abblätterung) auftritt, wodurch eine hohe Schneidleistung erhalten bleibt.
Deshalb erzielt die vorliegende Ausführungsform den folgenden, merklichen Effekt: eine Beeinträchtigung der Schneidleistung (Widerstand gegen Verbinden durch Verschmelzen und Verschleißfestigkeit), die andernfalls durch Abbröckeln eines groben Korns auftreten würde, tritt nicht auf, wodurch eine hervorragende Schneidleistung über eine lange Zeitspanne hinweg zuverlässig aufrecht erhalten werden kann.
Deshalb erlaubt eine Verwendung der Fräse 20, die mit den vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeugen 1 ausgestattet ist, ein stabiles Schneiden über eine lange Zeitspanne hinweg.

e) Als Nächstes wird ein Versuchsbeispiel zum Nachweisen der Wirkung der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
(1) Substrate, die nach dem vorstehend beschriebenen Fertigungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wurden, wurden einer Beschichtung unter der vorstehend erwähnten PVD-Bedingung 1 durch Verwendung des Dampfabscheidungsprozesses des Lichtbogen-Ionen-Typs unterzogen, wodurch eine Hartstoffbeschichtung auf der Oberfläche von jedem Substrat gebildet wurde. In dieser Art und Weise wurden Schneidwerkzeuge der Beispiele Nummern 2 bis 4 erhalten, die einem Versuch unterzogen werden sollen und in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Ein anderes Beispiel, das in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt, wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt. Ein Substrat ähnlich dem der Ausführungsform wurde einem Beschichten unter den nachstehend festgelegten Beschichtungsbedingungen (PVD-Bedingung 2) durch Verwendung eines PVD-Geräts des Lichtbogen-Ionen-Typs ähnlich dem in der Ausführungsform verwendeten unterzogen, wodurch ein Schneidwerkzeug des Beispiels Nr. 7 erhalten wurde.
PVD-Bedingung 2

Reaktionsgasdruck: 1,33 Pa
Substrattemperatur: 500°C
Vorspannung: –200 V
Lichtbogenstrom: 150 A

Vergleichsbeispiele, die aus dem Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung herausfallen (die Beschichtungsdicke fällt aus dem Geltungsbereich), wurden in der folgenden Art und Weise hergestellt. Substrate ähnlich zu denen der Ausführungsform wurden einer Beschichtung unter der vorstehend erwähnten PVD-Bedingung 1 durch Verwendung eines PVD-Geräts des Lichtbogen-Ionen-Typs ähnlich den in der Ausführungsform verwendeten unterzogen, wodurch Schneidwerkzeuge des Vergleichsbeispiels (Beispiel Nr. 1 und 5) erhalten wurden.
Ein anderes Vergleichsbeispiel (grobe Körner fallen aus dem Geltungsbereich der Erfindung) wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt. Ein Substrat ähnlich dem der Ausführungsform wurde einer Beschichtung unter den nachstehend festgelegten Beschichtungsbedingungen (PVD-Bedingung 3) durch Verwendung eines PVD-Geräts des Lichtbogen-Ionen-Typs ähnlich dem in der Ausführungsform verwendeten unterzogen, wodurch ein Schneidwerkzeug des Vergleichsbeispiels (Beispiel Nr. 6) erhalten wurde.
PVD-Bedingung 3

Reaktionsgasdruck: 1,33 Pa
Substrattemperatur: 500°C
Vorspannung: –200 V
Lichtbogenstrom: 200 A

(2) Das vorstehend beschriebene Schneidwerkzeug eines Beispiels der vorliegenden Erfindung und ein herkömmliches Schneidwerkzeug wurden auf die Dicke einer Hartstoffbeschichtung und die Menge von in der Hartstoffbeschichtung vorhandenen groben Körnern hin, die eine Größe nicht kleiner als die Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweisen, unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops untersucht.

4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Gefügeaufnahme (1000-fache Vergrößerung). Das Schneidwerkzeug, das in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt, i.e. das Schneidwerkzeug des Beispiels Nr. 3 der vorliegenden Erfindung, das in 4(a) gezeigt ist, weist die Präsenz weniger grober Körner auf dessen Oberfläche aus, was bedeutet, dass dessen Oberfläche glatt ist.
Eine Messung des Beispiels Nr. 3 zeigte, dass grobe Körner mit einer Größe nicht kleiner als 3 μm einen Flächenanteil von 3 % pro Fläche belegen.
Verglichen mit dem Schneidwerkzeug der vorliegenden Erfindung weist das herkömmliche Schneidwerkzeug, das in 4(b) gezeigt ist, die Präsenz einer Anzahl von groben Körnern auf dessen Oberfläche auf, was bedeutet, dass dessen Oberfläche rauh ist.

(3) Die Schneidwerkzeuge der Beispiele der vorliegenden Erfindung und die der Vergleichsbeispiele wurden unter Verwendung eines Oberflächenrauhigkeitsmessinstruments auf die Oberflächenrauhigkeit Ra und die Oberflächenrauhigkeit Rz hin vermessen, die eine Oberflächenglätte einer Hartstoffbeschichtung angeben. Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle 1 gezeigt.
(4) Die Schneidwerkzeuge der Beispiele der vorliegenden Erfindung und die der Vergleichsbeispiele wurden an dem Halter der vorstehend erwähnten Fräse befestigt und wurden auf eine Schneidleistung im Sinne einer Spanfestigkeit und einer Temperaturwechselbeständigkeit unter nachfolgend beschriebenen Bedingungen (i) und (ii) hin bewertet. Die Ergebnisse sind ebenfalls in nachstehender Tabelle 1 gezeigt.

Ein Schneidwerkzeug weist das Phänomen auf, dass eine Verschleißfestigkeit oder ähnliches als Ergebnis eines Verbindens durch Verschmelzung und zugehöriger Abblätterung wie vorstehend beschrieben beeinträchtigt wird. Mikroskopische Beobachtung eines solchen Abblätterungsabschnitts zeigt, dass ein Abblättern als Spanen betrachtet werden kann. Deshalb wurde ein Versuch auf Spanfestigkeit durchgeführt, die als ein Indikator eines Widerstands gegen Verbinden durch Verschmelzen (besser ein Indikator für Verschleißfestigkeit) betrachtet wird. Da die Bedingungen des Auftreten des Spanens abhängig von einem Tem peraturwechsel variieren, wurde auch ein Versuch auf Temperaturwechselbeständigkeit hin ausgeführt.
(i) Spanfestigkeit
In dem Spanfestigkeitstest wurde ein Schneiden unter den nachstehend aufgeführten Bedingungen durchgeführt, und die Anzahl der Wechsel (die Anzahl der Male, in denen ein Schneiden durchgeführt wurde) bis ein Schneidwerkzeug zerspant wurde, wurden gemessen.

Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min.
Vorschub: 0,07 mm/Klinge
Schnitttiefe: 1,5 mm
Arbeitsmaterial SNCM439 (HB300), Trockentyp

(ii) Temperaturwechselbeständigkeit
Bei dem Temperaturwechselbeständigkeitstest wurde ein Schneiden unter den nachstehend aufgeführten Bedingungen durchgeführt, und die Anzahl von Wechseln (die Anzahl der Male, in denen ein Schneiden durchgeführt wurde) bis ein Schneidwerkzeug zerspant wurde, wurde gemessen.
In dem Fall der Beispiele der vorliegenden Erfindung werden ein Nasszustand und ein Trockenzustand bei jedem Schneiden wiederholt, da ein Nassschneiden durchgeführt wird. Deshalb diente dieser Schneidbetrieb als der Temperaturwechselbeständigkeitstest.

Schnittgeschwindigkeit: 250 m/min.
Vorschub: 0,25 mm/Klinge
Schnitttiefe: 1,5 mm
Arbeitsmaterial SNCM439 (HB300), Trockentyp

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, weisen die Schneidwerkzeuge (Beispiel Nr. 2 bis 4 und 7), die in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen, verglichen mit den Vergleichsbeispielen eine hervorragende Schneidleistung im Sinne einer Spanfestigkeit und einer Temperaturwechselbeständigkeit (deshalb Widerstand gegen Verbinden durch Verschmelzen und Verschleißfestigkeit) auf, und deshalb kann durch deren entsprechende Verwendung beim Schneiden ein stabiles Schneiden über eine lange Zeitspanne hinweg durchgeführt werden. Insbesondere werden die Schneidwerkzeuge (Beispiel Nr. 2 bis 4), welche die bevorzugte Oberflächenrauhigkeitsanforderung der vorliegenden Erfindung erfüllen, in einer Schneidleistung weiter verbessert.
Dadurch erzielen die Schneidwerkzeuge der vorliegenden Erfindung den folgenden merklichen Effekt: eine Beeinträchtigung der Schneidleistung, die anderenfalls durch Abbröckeln eines groben Korns auftreten würde, tritt nicht auf, wodurch eine hervorragende Schneidleistung über eine lange Zeitspanne hinweg zuverlässig erhalten werden kann.
Im Gegensatz dazu weisen die Schneidwerkzeuge der Vergleichsbeispiele (Beispiel Nr. 1, 5 und 6) schlechte Schneidleistung im Sinne einer Spanfestigkeit und einer Temperaturwechselbeständigkeit auf.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann in verschiedenen anderen Formen ausgebildet sein, ohne von dem Gedanken oder Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

(1) Zum Beispiel können, zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten zementierten Karbiden, viele andere Hartmaterialien, wie Cermet, Keramik und Hochgeschwindigkeitsstahl als Material für das Substrat eines Schneidwerkzeugs verwendet werden.
(2) Bevorzugt wird die vorstehend erwähnte Hartstoffbeschichtung durch eine physikalische Dampfabscheidung des Lichtbogen-Ionen-Typs gebildet. Jedoch kann auch jeder andere bekannte Prozess (e.g. ARE – aktivierter reaktiver Verdampfungsprozess) angewendet werden.
(3) Die vorstehende Ausführungsform ist unter Erwähnung einer Fräse zum Fräsen als ein Werkzeug mit einem Halter beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch auf ein Schneidwerkzeug zum Nuten oder ein ähnliches Schneidwerkzeug anwendbar.

Claims

Ein Schneidwerkzeug umfassend ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Hartstoffbeschichtung des TiAlN-Typs, wobei die Hartstoffbeschichtung eine Dicke im Bereich von 1 bis 5 μm besitzt, und dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffbeschichtung grobe Körner aus TiAlN mit einer Größe von nicht weniger als der Dicke der Hartstoffbeschichtung aufweist, und daß die groben Körner nicht mehr als 5 % des Oberflächenbereichs der Hartstoffbeschichtung in Anspruch nimmt.
Ein Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Hartstoffbeschichtung mindestens einem der folgenden Anforderungen genügt: eine Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht mehr als 0,1 μm; und/oder eine Oberflächenrauhigkeit Rz von nicht mehr als 1 μm.
Ein Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat aus einem harten Material gebildet ist, wie zum Beispiel Hartmetall, Cermet, Keramik oder Hochgeschwindigkeitsstahl.
Ein Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Hartstoffbeschichtung eine Dampfabscheidungsschicht ist, welche mittels physikalischer Dampfabscheidung (physical vapor deposition) des Lichtbogen-Ionen-Typs (arcion-type) gebildet ist.
Ein Werkzeug mit einem Halter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidwerkzeug gemäß einem der voranstehenden Ansprüche an dem Halter montiert ist.
Ein Werkzeug mit einem Halter gemäß Anspruch 5 zur Benutzung beim Fräsen und Nuten.