Technisches Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft einen oberflächenbeschichteten
Hartwerkstoff für Schneidwerkzeuge oder verschleißfeste
Werkzeuge, bei denen die Oberfläche eines
Basismaterials eines Schneidwerkzeugs oder eines
verschleißfesten Werkzeugs mit einer Beschichtung versehen ist,
um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Technischer Hintergrund
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Bisher setzten sich Schneidwerkzeuge oder
verschleißfeste Werkzeuge im allgemeinen aus Sintercarbiden auf
der Basis von Wolframcarbid (WC), verschiedenen Cermets
auf der Basis von Titancarbid (TiC), Stahlsorten wie
Hochgeschwindigkeitsstahl oder harten Legierungen auf
der Basis von Siliciumcarbid und Siliciumnitrid
zusammen.
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Um die Verschleißfestigkeit der Schneidwerkzeuge oder
verschleißfesten Werkzeuge zu verbessern, hat man einen
oberflächenbeschichteten Hartwerkstoff entwickelt und
in jüngster Zeit zum Einsatz gebracht, bei dem durch
das PVD- (physikalische Dampfabscheidung) oder CVD-
Verfahren (chemische Dampfabscheidung) eine oder
mehrere Schichten aus Carbiden, Nitriden oder
Carbonitriden von Ti, Hf oder Zr oder Oxid von Al als harte
Beschichtungen gebildet werden. Insbesondere kann die
durch das PVD-Verfahren gebildete harte Beschichtung
die Verschleißfestigkeit verbessern, ohne die
Festigkeit des Basismaterials zu beeinträchtigen. Folglich
ist sie für Schneidanwendungen geeignet, bei denen hohe
Festigkeit erforderlich ist, z.B. Einwegeinsätze für
Bohrer, Schaftfräsen, Fräsen usw.
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Jedoch schneidet das PVD-Verfahren im Vergleich mit dem
CVD-Verfahren insofern günstig ab, als die harte
Beschichtung gebildet werden kann, ohne die Festigkeit
des Substrats zu beeinträchtigen. Allerdings ist es
beim PVD-Verfahren schwierig, ein stabiles Oxid von Al
zu bilden, und deshalb hat man eine harte, aus Al-Oxid
bestehende Beschichtung, die durch das PVD-Verfahren
gebildet wurde, bisher nicht zum praktischen Einsatz
gebracht. Andererseits muß die Verschleißfestigkeit in
der aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden von Ti,
Hf oder Zr bestehenden harten Beschichtung, die durch
das PVD-Verfahren gebildet wurde, als nicht ausreichend
betrachtet werden, und insbesondere beim
Hochgeschwindigkeitsschneiden haben Schneidwerkzeuge oder
verschleißfeste Werkzeuge wegen ihrer schlechten
Verschleißfestigkeit eine kürzere Lebensdauer.
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EP-A-0 284 854 offenbart Nitridbeschichtungen für
Werkzeugteile, bei denen das Nitrid mindestens zwei
Metalle, z.B. Ti und Al, aufweist und die Konzentration von
Al innerhalb eines Bereichs von 5 bis 60 Gew.-%
kontinuierlich schrittweise (d.h. nicht linear) verändert
wird.
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Unter diesen Umständen wurde die Erfindung zu dem Zweck
gemacht, um einen oberflächenbeschichteten
Hartwerkstoff für ein Schneidwerkzeug oder ein verschleißfestes
Werkzeug mit besserer Verschleißfestigkeit als im Stand
der Technik unter Aufrechterhaltung der
Substratfestigkeit des Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten
Werkzeugs zur Verfügung zu stellen. Dieses Werkzeug weist
beim Hochgeschwindigkeitsschneiden ausgezeichnete
Verschleißfestigkeit auf.
Offenbarung der Erfindung
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird im erfindungsgemäßen
oberflächenbeschichteten Hartwerkstoff folgendes zur
Verfügung gestellt:
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(1) eine Beschichtung mit einer solchen Zusammensetzung
des funktionellen Gradienten, daß sich die
Zusammensetzung kontinuierlich und nicht schrittweise von TiN an
der Grenze zum Substrat zu TiAlN an der äußeren
Oberfläche auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite
eines Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten Werkzeugs
verändert;
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(2) eine harte Beschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis
10 um, die aus mindestens einer aus der aus Carbiden,
Nitriden und Carbonitriden von Zr1-xAlx (0 ≤ x ≤ 0,5)
bestehenden Gruppe ausgewählten Substanz besteht, und
zwar so, daß das Zusammensetzungsverhältnis von Zr und
Al sich kontinuierlich und nicht schrittweise von Zr an
der Grenze mit dem Substrat zu ZrAl an der äußeren
Oberfläche auf der dem Substrat gegenüberliegenden
Seite eines Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten
Werkzeugs verändert;
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(3) eine harte Beschich-ung mit einer Dicke von 0,5 bis
10 um, die aus mindestens einer aus der aus Carbiden,
Nitriden und Carbonitriden von Hf1-xAlx (0 ≤ x ≤ 0,5)
bestehenden Gruppe ausgewählten Substanz besteht, und
zwar so, daß das Zusammensetzungsverhältnis von Hf und
Al sich kontinuierlich und nicht schrittweise von Hf an
der Grenze mit dem Substrat zu HfAl an der äußeren
Oberfläche auf der dem Substrat gegenüberliegenden
Seite eines Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten
Werkzeugs verändert.
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Das heißt, die Erfindung stellt einen
oberflächenbeschichteten Hartwerkstoff für ein Schneidwerkzeug oder
ein verschleißfestes Werkzeug zur Verfügung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines
Schneidwerkzeugs
oder eines verschleißfesten Werkzeugs mit einer
harten Beschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um
versehen ist, die aus mindestens einer aus der aus
Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von M1-xAlx (M
bedeutet Ti, Zr oder Hf und 0 ≤ x ≤ 0,5) bestehenden Gruppe
ausgewählten Substanz besteht, und zwar so, daß das
Zusammensetzungsverhältnis von M und Al sich
kontinuierlich und nicht schrittweise von M an der Grenze mit
dem Substrat zu MAl an der äußeren Oberfläche auf der
dem Substrat gegenüberliegenden Seite eines
Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten Werkzeugs verändert.
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Die harte Beschichtung dann auf der ganzen Oberfläche
eines Schneidwerkzeugs oder verschleißfesten Werkzeugs
oder nur auf der Oberfläche eines Kantenteils
aufgebracht werden. Die harte Beschichtung kann auf jede
bekannte Weise aufgebracht werden, aber das PVD-Verfahren
wie Aufdampfen, Ionenplattieren usw. wird insofern
bevorzugt, als die Festigkeit des Substrats auf einfache
Weise erhalten werden kann.
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In der Erfindung setzt sich die harte Beschichtung aus
mindestens einer aus Carbiden, Nitriden und
Carbonitriden von M1-xAlx (M bedeutet Ti, Zr oder Hf und 0 ≤
x ≤ 0,5) bestehenden Substanz zusammen, und zwar so,
daß sich das Zusammensetzungsverhältnis von M und Al
von der Grenze zum Substrat zur äußeren Oberfläche auf
der dem Substrat gegenüberliegenden Seite graduell
verändert. Das heißt, die Konzentration von Al nimmt
kontinuierlich und nicht schrittweise von der Grenze zum
Substrat bis zur Oberfläche der harten Beschichtung so
zu, daß in der vorstehend beschriebenen Formel gilt: x
= 0 an der Grenze zum Substrat und x = 0,5 an der dem
Substrat gegenüberliegenden Oberfläche.
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Da die Grenze zum Substrat aus einem Carbid, Nitrid
oder Carbonitrid von M besteht, das eine ausgezeichnete
Bindungsfestigkeit aufweist, ist die harte Beschichtung
besonders ablösebefest. Gleichzeitig ist die Oberfläche
der harten Beschichtung aus einem Carbid, Nitrid oder
Carbonitrid von MAl zusammengesetzt, das über eine
bessere Verschleißfestigkeit sowie Beständigkeit gegen
Schmelzhaftung verfügt, so daß sie als Schneidwerkzeug
oder verschleißfestes Werkzeug über lange Zeit
ausgezeichnete Schneideigenschaften beibehalten kann.
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Darüber hinaus wurde festgestellt, daß in dem durch die
vorstehend beschriebene harte Beschichtung zur
Verfügung gestellten oberflächenbeschichteten Hartwerkstoff
eine sehr kleine Menge an Al&sub2;O&sub3; mit besonders starker
Härte bei hoher Temperatur gebildet wird und das
Werkzeug folglich selbst beim Hochgeschwindigkeitsschneiden
eine gute Verschleißfestigkeit aufweist.
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Die vorstehend beschriebene Zusammensetzung der harten
Beschichtungschicht mit dem funktionellen Gradienten
ändert sich kontinuierlich und nicht schrittweise. Die
Schichtdicke der harten Beschichtung liegt im Bereich
von 0,5 bis 10 um. Beträgt sie weniger als 0,5 um,
verbessert sich die Verschleißfestigkeit kaum. Übersteigt
sie jedoch 10 um, sinkt die Bruchfestigkeit.
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In der vorstehend besch:-iebenen Formel M1-xAlx sollte
die Obergrenze von x 0,5 betragen. Übersteigt die
Zunahme von Al in der harten Beschichtung jedoch x = 0,5,
führt dies zu einer Verringerung der Härte der gesamten
Beschichtung.
Beispiele
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Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen und
Vergleichsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
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Unter Verwendung eines Schneideinsatzes aus
Sintercarbid mit einer Zusammensetzung nach dem JIS Standard P
30 (genauer WC-20 Gew.-%, TiC-10 Gew.-% Co) und einer
Form von JIS SNG 432 als Substrat wurde dessen
Oberfläche wie nachstehend beschrieben durch ein
Ionenplattierungsverfahren unter Einsatz einer
Vakuumbogenentladung mit jeder der in der folgenden Tabelle 2
aufgeführten Beschichtungen beschichtet, deren
Zusammensetzung einen funktionellen Gradienten aufwies.
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Im einzelnen wurden der vorstehend beschriebene
Schneideinsatz und Al und Ti als Target in einen
Apparat zum Filmherstellung gelegt. Darin wurde der
Einsatz dann in einer Ar-Gasatmosphäre mit einem
Vakuumgrad von 1,3 Pa (1 x 10&supmin;² torr) gehalten, durch
Anlegen einer Spannung von etwa 2000 V gespült und auf
500ºC erhitzt. Anschließend wurde das Ar-Gas abgepumpt.
Während N&sub2;- und/oder CH&sub4;-Gas mit einer Geschwindigkeit
von 300 cc/min in den Apparat zur Filmherstellung
eingeleitet wurde, wurde das Ti-Target durch
Vakuumbogenentladung verdampft und ionisiert, um die Oberfläche
des Schneideinsatzes mit einem Carbid, Nitrid oder
Carbonitrid von Ti zu beschichten. Darüber hinaus
wurden verschiedene harte Beschichtungen gebildet,
indem man das Ti-Target und gleichzeitig das Al-Target
verdampfte und ionisierte und das
Zusammensetzungsverhältnis von Ti und Al so einstellte, daß die
Al-Konzentration kontinuierlich und nicht schrittweise zunahm
und die Zusammensetzung an der Oberfläche aus einem
Carbid, Nitrid oder Carbonitrid von TiAl bestand.
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Zum Vergleich wurde die Oberfläche eines
Schneideinsatzes mit der gleichen Zusammensetzung und Form wie
vorstehend beschrieben durch ein
Ionenplattierungsverfahren unter Verwendung des gleichen Apparates zur
Filmherstellung und der gleichen Vakuumbogenentladung
wie vorstehend beschrieben mit Beschichtungen aus
Carbid, Nitrid oder Carbonitrid von Ti versehen. Dadurch
erhielt man Proben der in Tabelle 2 aufgeführten
oberflächenbeschichteten Schneideinsätze nach dem Stand der
Technik. Außerdem wurden Proben beschichteter
Schneideinsätze hergestellt, in denen die in Tabelle 2
aufgeführten Beschichtungen aus Carbid von Ti usw.
durch ein normales CVD-Verfahren auf der Oberfläche
eines Schneideinsatzes mit der gleichen Zusammensetzung
und Form ausgebildet wurden.
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Jede der wie vorstehend hergestellten
oberflächenbeschichteten Schneideinsätze wurde unter den in
Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen einem
kontinuierlichen und diskontinuierlichen Schneidtest unterzogen,
um die Verschleißbreite an der Freifläche zu messen.
Tabelle 1
kontinuierlicher Schneidtest
diskontinuierlicher Schneidtest
Werkstück
Schneidgeschwindigkeit
Zufuhr
Schneidtiefe
Schneidzeit
TABELLE 2
Herstellungsverfahren der Probe
Zusammensetzung und Dicke der harten Beschichtung (um)
Stand der Technik
kontinuierlich verändert
Anmerkung: Proben Nr. 8, 9, 10, und 12 dienen zum Vergleich. Die anderen Proben sind erfindungsgemäß.
Tabelle 3
Probe Nr.
Verschleißbreite der Freifläche (mm)
kontinuierliches Schneiden
diskontinuierliches Schneiden
gebrochen
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Aus den vorstehend beschriebenen Ergebnissen geht
hervor, daß die Proben der erfindungsgemäß beschichteten
Schneideinsätze sowohl über ausgezeichnete
Verschleißfestigkeit als auch Bruchfestigkeit verfügen. d.h. sie
sind sowohl beim kontinuierlichen als auch beim
diskontinuierlichen Schneiden leistungsfähiger als die
Vergleichsproben.
Beispiel 2
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Unter Verwendung eines Schneideinsatzes aus
Sintercarbid mit einer Zusammensetzung nach dem JIS Standard P
30 (genauer WC-20 Gew.-%, TiC-10 Gew.-% Co) und einer
Form von JIS SNG 432 als Substrat wurde dessen
Oberfläche wie nachstehend beschrieben durch ein
Ionenplattierungsverfahren unter Einsatz einer
Vakuumbogenentladung mit jeder der in der folgenden Tabelle 4
aufgeführten Beschichtungen beschichtet, um eine Probe
des erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten
Schneideinsatzes zu erhalten.
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Im einzelnen wurden der vorstehend beschriebene
Schneideinsatz und Al und Zr als Target in einen
Apparat zum Filmhersteliung gelegt. Darin wurde der
Einsatz dann in einer Ar-Gasatmosphäre mit einem
Vakuumgrad von 1,3 Pa (1 x 10&supmin;² torr) gehalten, durch
Anlegen einer Spannung von etwa 2000 V gespült und auf
500ºC erhitzt. Anschließend wurde das Ar-Gas abgepumpt.
Während N&sub2;- und/oder CH&sub4;-Gas mit einer Geschwindigkeit
von 300 cc/min in den Apparat zur Filmherstellung
eingeleitet wurde, wurde das Zr-Target durch
Vakuumbogenentladung verdampft und ionisiert, um die Oberfläche
des Schneideinsatzes mit einem Carbid, Nitrid oder
Carbonitrid von Zr zu beschichten. Anschließend wurden
verschiedene harte Beschichtungen gebildet, indem man
das Al-Target verdampfte und ionisierte und das
Zusammensetzungsverhältnis von Zr und Al so einstellte,
daß die Al-Konzentration kontinuierlich und nicht
schrittweise zunahm und die Zusammensetzung an der
Oberfläche aus einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid
von TiAl bestand.
Tabelle 4
Herstellungsverfahren der Probe
Zusammensetzung und Dicke der harten Beschichtung (um)
kontinuierlich verändert
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Jede der wie vorstehend beschrieben hergestellten
Proben der obenflächenbeschichteten Schneideinsätze
wurde unter den in Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen
einem kontinuierlichen und einem diskontinuierlichen
Schneidtest unterzogen, um die Verschleißbreite der
Kantenfreifläche zu messen. Dadurch erhielt man die in
Tabelle 5 aufgeführten Ergebnisse.
Tabelle 5
Probe Nr.
Verschleißbreite der Freifläche (mm)
kontinuierliches Schneiden
diskontinuierliches Schneiden
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Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, daß die
Proben der nach dem Stand der Technik
oberflächenbeschichteten Schneideinsätze, Nr. 8 bis 10, deren
harte Beschichtungen durch das PVD-Verfahren
hergestellt wurden, in der Verschleißfestigkeit unterlegen
waren. Die Proben Nr. 11 und 12, deren harte
Beschichtungen durch das CVD-Verfahren aufgebracht worden
waren, wiesen einen Rückgang der Bruchfestigkeit auf,
weil die Zähigkeit des Substrats abnahm. Die Proben 13
bis 21 der erfindungsgemäß oberflächenbeschichteten
Schneideinsätze wiesen dagegen sowohl beim
kontinuierlichen als auch beim diskontinuierlichen Schneidtest
eine erheblich verbesserte Verschleißfestigkeit auf. Da
die harte Beschichtung durch das PVD-Verfahren gebildet
worden war, blieb die Zähigkeit des Substrats erhalten,
was zu einer verbesserten Bruchfestigkeit führte.
Beispiel 3
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Unter Verwendung eines Schneideinsatzes aus
Sintercarbid mit einer Zusammensetzung nach dem JIS Standard P
30 (genauer WC-20 Gew.-%, TiC-10 Gew. -% Co) und einer
Form von JIS SNG 432 als Substrat wurde dessen
Oberfläche wie nachstehend beschrieben durch ein
Ionenplattierungsverfahren unter Einsatz einer
Vakuumbogenentladung mit jeder der in der folgenden Tabelle 6
aufgeführten Beschichtungen beschichtet, um die Proben
22 bis 30 des erfindungsgemäßen
oberflächenbeschichteten Schneideinsatzes zu erhalten.
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Im einzelnen wurden der vorstehend beschriebene
Schneideinsatz und Al und Hf als Target in einen
Apparat zum Filmherstellung gelegt. Darin wurde der
Einsatz dann in einer Ar-Gasatmosphäre mit einem
Vakuumgrad von 1,3 Pa (1 x 10&supmin;² torr) gehalten, durch
Anlegen einer Spannung von etwa 2000 V gespült und auf
500ºC erhitzt. Anschließend wurde das Ar-Gas abgepumpt.
Während N&sub2;- und/oder CH&sub4;-Gas mit einer Geschwindigkeit
von 300 cc/min in den Apparat zur Filmherstellung
eingeleitet wurde, wurde das Hf-Target durch
Vakuumbogenentladung verdampft und ionisiert, um die Oberfläche
des Schneideinsatzes mit einem Carbid, Nitrid oder
Carbonitrid von Hf zu beschichten. Anschließend wurden
verschiedene harte Beschichtungen gebildet, indem man
das Al-Target verdampfte und ionisierte und das
Zusammensetzungsverhältnis von Hf und Al so einstellte, daß
die Al-Konzentration kontinuierlich und nicht
schrittweise zunahm und die Zusammensetzung an der Oberfläche
aus einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid von HfAl
bestand.
Tabelle 6
Herstellungsverfahren der Probe
Zusammensetzung und Dicke der harten Beschichtung (um)
kontinuierlich verändert
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Jede der wie vorstehend beschrieben hergestellten
Proben der obenflächenbeschichteten Schneideinsätze
wurde unter den in Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen
einem kontinuierlichen und einem diskontinuierlichen
Schneidtest unterzogen, um die Verschleißbreite der
Kantenfreifläche zu messen. Dadurch erhielt man die in
Tabelle 7 aufgeführten Ergebnisse.
Tabelle 7
Probe Nr.
Verschleißbreite der Freifläche (mm)
kontinuierliches Schneiden
diskontinuierliches Schneiden
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Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, daß die
Proben der nach dem Stand der Technik
oberflächenbeschichteten Schneideinsätze, Nr. 8 bis 10, deren
harte Beschichtungen durch das PVD-Verfahren
hergestellt wurden, in der Verschleißfestigkeit unterlegen
waren. Die Proben Nr. 11 und 12, deren harte
Beschichtungen durch das CVD-Verfahren aufgebracht worden
waren, wiesen einen Rückgang der Bruchfestigkeit auf,
weil die Zähigkeit des Substrats abnahm. Die Proben 22
bis 30 der erfindungsgemäß oberflächenbeschichteten
Schneideinsätze wiesen dagegen sowohl beim
kontinuierlichen als auch beim diskontinuierlichen Schneidtest
eine erheblich verbesserte Verschleißfestigkeit auf. Da
die harte Beschichtung durch das PVD-Verfahren gebildet
worden war, blieb die Zähigkeit des Substrats erhalten,
was zu einer verbesserten Bruchfestigkeit führte.
Anwendbarkeit und Einsatzmöglichkeiten
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Erfindungsgemäß kann ein oberflächenbeschichteter
Hartwerkstoff für ein Schneidwerkzeug oder ein
verschleißfestes Werkzeug zur Verfügung gestellt werden, das über
eine verbesserte Verschieißfestigkeit als nach dem
Stand der Technik hergeestellte Produkte aufweist. Dabei
bleibt die Substratfestigkeit des Schneidwerkzeugs oder
verschleißfesten Werkzeugs erhalten. Insbesondere
bleibt die gute Schneidleistung als Schneidwerkzeug
oder als verschleißfestes Werkzeug selbst beim
Hochgeschwindigkeitsschneiden lange erhalten.