DE69218210T2

DE69218210T2 - Mehrfach plattiertes Hartlegierungsschneidwerkzeug

Info

Publication number: DE69218210T2
Application number: DE69218210T
Authority: DE
Inventors: Akira Osada; Toshikatsu Sudo; Tetsuya Tanaka; Hironori Yoshimura
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: HK1000324A1; EP0594875A1; ES2101781T3; US5372873A; DE69218210D1; EP0594875B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schneidwerkzeuge aus harten Legierungen mit einer mehrlagigen Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Adhäsion der Lebensdauer und der Abplatzbeständigkeit.
Die Verwendung von beschichteten harten Legierungen für Schneidwerkzeugeinsätze (im folgenden als Einsätze bezeichnet) erfreut sich in den letzten Jahren wachsender Popularität. Für austauschbare Einsätze beträgt der Anteil an beschichteten Werkzeugen etwa 40 % in Japan und mehr als 60 % in den westlichen Ländern.
Ein Grund für diese Popularität von beschichteten Einsätzen ist die Verbesserung der Zähigkeit der Substratmaterialien.
Es ist allgemein bekannt, daß wenn die Oberfläche von harten Legierungen mit einer harten Beschichtung geschützt wird, zwar die Abnutzungsbeständigkeit verbessert wird, aber die Abplatzbeständigkeit verringert wird. Um dieses Problem zu lösen, ist es essentiell die Zähigkeit des Substratmaterials zu verbessern. Eine Verbesserung der Zähigkeit bedeutet jedoch oftmals eine Verschlechterung der Härte, die die Grundlage für die Abnutzungsbeständigkeit bildet, aber in umgekehrter Beziehung zur Zähigkeit steht.
Aus diesem Grund betreffen die Ansätze zur Verbesserung der Zähigkeit von beschichteten harten Legierungen hauptsächlich die Oberflächenschichten des Substratmaterials nicht aber das Substratmaterial selbst. Dem lag das Konzept zugrunde, daß wenn das Innere (Kern) der harten Legierung hart ist und die Oberflächenschichten des Substratmaterials fest sind, sowohl die Abnutzungsbeständigkeit als auch die Abplatzbeständigkeit gleichzeitig verbessert werden können.
Tatsächlich werden viele der beschichteten harten Legierungseinsätze, die auf dem Markt zum Schneiden von Stahl und duktilem Gußeisen erhältlich sind so hergestellt, daß die Oberflächenschichten viel Kobalt enthalten und hohe Festigkeit besitzen, währenddessen der Co-Gehalt im Kern relativ gering ist und dieser sehr hart ist.
Solche Materialien wurden zuerst in der japanischen Offenlegungsschrift Showa 52 (1977) Offenlegungs-Nr. 110 209 offenbart, worin eine beschichtete harte Legierung mit einer verbesserten Festigkeit mit einer Oberflächenschichtdicke von 10 bis 200 µm beschrieben wurde deren Härte im Vergleich zu der des Kerns des Substratmaterials um 2 bis 20 % gesenkt ist.
In dieser Patentanmeldung betrifft eine erste Ausführungsform ein Substratmaterial mit der Zusammensetzung WC-10%TiC-10%Co (wie auch in allen folgenden Fällen, bezogen auf das Gewicht wenn nichts anderes angegeben) das mit einer Aufschlämmung von WC-10%Co beschichtet wurde, die getrocknet und bei 1430ºC eine Stunde gesintert wurde, um eine Oberflächendicke von 130 µm zu erhalten, wobei die Vicker's Härte der Oberflächenschicht 1320 und die des Kerns 1460 beträgt. In der Oberflächenschicht sind keine TiC-Partikel und der Volumenanteil der Cobalt-Phase in der Oberflächenschicht ist größer als derjenige im Kern. Eine CVD abgeschiedene TiC- Beschichtung von 6 µm Dicke wird auf die Cobalt-reiche Oberflächenschicht aufgebracht, wudurch eine beschichtete sehr zähe harte Legierung erhalten wird.
In einer zweiten Ausführungsform wird eine TiC-beschichtete harte Legierung bereitgestellt in der eine Mischung bestehend aus WC-6%Co und WC-10%Co durch Druck verdichtet und gesintert wird, um ein Substratmaterial zu erhalten mit einer Oberflächenschichtdicke von 80 µm, einer Vicker's-Härte von 1320 und einer Vickers's Härte des Kerns von 1450.
Die japanische Patentanmeldung Showa 53 (1978)-131909 offenbart in den Ansprüchen eine beschichtete harte Legierung mit einer weicheren aber zähen Oberflächenschicht, wobei die Härte in Richtung des Kerns stetig zunimmt.
In einer ersten Ausführungsform der oben genannten Anmeldung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substratmaterials aus einer Pulvermischung von WC-1%-TiC-3%TaC-6%Co durch 30 min Sintern bei 1400ºC in einem Vakuum von 2 x 10&supmin;² torr, Abscheiden einer Cobalt-Oberflächenschicht mit einer Dicke von 25 µm und 30 min Sintern bei 1430ºC unter 300 torr Wasserstoff. Durch dieses Verfahren wird ein hartes Substratmaterial mit einem Vicker"s Härte-Gradienten von einem Wert von 1050 in der äußeren Schicht 1260 bei 15 µm Tiefe, 1520 bei 60 µm und 1540 bei 500 µm Tiefe erhalten, wobei die Cobalt-Konzentration von der Oberfläche, die Cobalt nur in einer Tiefe von 1 bis 2 µm enthält, in Richtung des Kerns abnimmt. Die Oberfläche dieses Substratmaterials wird mit einer 5 µm dicken TiC-Schicht (CVD) beschichtet, um eine beschichtete harte Legierung zu erhalten.
In einer zweiten Ausführungsform der oben genannten Patentanmeldung wird ein weiteres Beispiel offenbart, umfassend die Schritte Herstellen einer Mischung aus WC-9%TiC-10%TaC-8%Co, einstündiges Sintern bei 1450ºC in einem Vakuum von 2 x 10&supmin;² torr, Beschichten der Oberfläche mit Graphit und 30minütiges Sintern bei 1450ºC, um ein Substratmaterial mit einem Vicker's-Härtegradienten herzustellen, der von einem Wert von 1160 an der Oberfläche über 1290 in 15 µm Tiefe, 1490 bei 60 µm Tiefe und 1450 in 500 µm Tiefe in Richtung des Kerns zunimmt. Die Oberfläche dieses Substrats wird mit 4 µm TiN CVD-beschichtet um eine beschichtete harte Legierung zu erhalten.
Das US-Patent 4 277 283 (japanische Patentanmeldung, Offenlegungsschrift Showa 54 (1979)-Offenlegungs-Nr. 87 719 offenbart in den Ansprüchen ein Beispiel für ein beschichtetes Substratmaterial mit 5 bis 200 µm dicken sehr zähen Oberflächenschichten, in denen der Anteil an harten B-1-Phasen TiC, TaC und TiN enthaltend W in der Oberflächenschicht im Vergleich zum Kern geringer ist.
In einer ersten Ausführungsform des obigen Patents wird ein gesintertes hartes Metall offenbart, das aus einer Pulvermischung bestehend aus WC-4%(Ti0,75W0,25)(C0,68N0,32)-5%(Ta0,75Nb0,25)C-5,5%Co durch Erhitzen der Mischung bei 1450ºC in einem Vakuum von 10&supmin;³ zur vollständigen Eliminierung von harten B-1-Phasen bis zu einer Tiefe von 10 µm hergestellt wird, so daß die Oberflächenschicht nahezu ausschließlich aus WC-Co besteht. Die Oberfläche des Substratmaterials wird mit TiC in einer Dicke von 6 µm CVD-beschichtet um ein beschichtetes Schneidwerkzeug aus einer harten Legierung zu erhalten. Die Zähigkeit dieses Werkzeugs ist hoch, da die Oberflächenschicht an Co durch die Eliminierung der harten B-1-Phasen reicher wird.
In einer zweiten Ausführungsform wird ein Substratmaterial aus einer Pulvermischung WC-6,3%(Ti0,75W0,25)(C0,68N0,32)-7,5%(Ta0,75Nb0,25)C-10,5%Co hergestellt, das bei 1380ºC in einem Vakuum von 10&supmin;³ torr gesintert wird und anschließend wird eine 6 µm dicke TiC- Schicht abgeschieden, um eine beschichtete harte Legierung zu erhalten. Andere Beispiele im oben genannten Patent schließen ein Substratmaterial aus einer Mischung aus WC-4%(Ti0,75W0,25)(C0,68N0,32)-5%(Ta0,75Nb0,25)C-5,5%Co ein, die bei 1450ºC in einem Vakuum von 10&supmin;³ erhitzt wird, um zwei Arten von Substratmaterialien zu erhalten: ein Substrat, in dem freie Kohlenstoff-Teilchen ausfallen und ein Substrat in dem freie Kohlenstoff-Partikel nicht ausfallen. Die Oberflächen werden mit einer 6 µm dicken TiC-Schicht und dann mit einer 1 µm dicken Al&sub2;O&sub3;-Schicht beschichtet um beschichtete Schneidwerkzeuge herzustellen. Andere Beispiele betreffend Materialien mit der allgemeinen Zusammensetzung (Ti, W) (C, N) und das übliche CVD-Beschichten der Oberflächen mit TiN bis zu einer Dicke von 6 µm.
Ein weiteres US-Patent 4 610 931 offenbart harte Legierungs- Substratmaterialien, die keine freien Kohlenstoff-Partikel enthalten und keine B-1-Phasen in der Oberflächenschicht (Anspruch 1) enthalten und solche mit einer Co-reichen Oberfläche ohne B-1-Phasen in der Oberfläche (Anspruch 6). Dieses Substratmaterialien werden mit z.B. TiC, TiN und Al&sub2;O&sub3; nach herkömmlichen CVD-Verfahren beschichtet.
Wenn jedoch die B-1-Phasen in der Oberflächenschicht eliminiert werden, tritt gleichzeitig eine Cobalt- Anreicherung in diesem Bereich auf, so daß diese harten Legierungen und beschichteten harten Legierungen mit den in der japanischen Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 54 (1979), Offenlegungs-Nr. 87719 identisch werden.
Das vorgenannte US-Patent 4 610 931 offenbart weiterhin harte Legierungen die keine freien Kohlenstoff-Partikel enthalten und in denen ein Teil der Oberfläche durch Schleifen entfernt wurde, die dann wiederum hitzebehandelt werden, um die Nitride und Carbonitride der Oberflächenschicht in Carbide umzuwandeln (Anspruch 25), harte Legierungen mit Cobalt- reichen Oberflächen (Anspruch 30) und wie oben beschrieben behandelte und beschichtete harte Legierungen (Anspruch 32).
Die erste Ausführungsform dieses Patents betrifft das Material WC-10,3%TaC-5,85%TiC-0,2%NbC-8,5%Co-1,5%TiN, das 30 min auf 1496ºC erhitzt wird, im Vakuum gesintert wird und nach Schleifen der oberen und unteren (Freiflächen) Oberflächen zu einem Schneideinsatz verarbeitet werden, dann weitere 60 min in einem Vakuum von 100 µm Hg auf 1427ºC erhitzt werden und nach dem Abkühlen mit einer gegebenen Geschwindigkeit auf 1204ºC die Flankenfläche geschliffen wird. Die Oberfläche wird nach den üblichen CVD- Beschichtungsverfahren mit TiC- und TiN-Beschichtungen beschichtet, um beschichtete harte Legierungen ohne freie Kohlenstoff-Partikel herzustellen, die eine Cobalt-reiche Schicht ohne B-1-Phasen bis zu einer Tiefe von 22,9 µm aufweisen und mit mehreren Schichten bestehend aus 5 µm TiC, 3 µm TiCN und 1 µm TiN beschichtet sind.
In einer anderen US-Patentschrift US-Patent 4 830 930 (entspricht japanischer Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 63 (1988), Offenlegungsnr. 169 356) wird in den Ansprüchen ein hartes Legierungs-Substratmaterial offenbart, in dem die Oberflächenschicht von 10 bis 500 µm Dicke einen Binderphasengradienten (Cobalt-enthaltende Phase) aufweist, wobei die Konzentration der Binder-Phase in der Oberfläche am höchsten ist und ab einer Tiefe von 5 µm in Richtung des Kerns abnimmt.
Die erste Ausführungsform des vorgenannten Patents offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Substratmaterials mit den folgenden Schritten: Herstellen von Preßkörpern aus einer Pulvermischung aus WC-5%TiC-7%Co, einstündiges Sintern der Preßkörper vei 1380ºC, 10minütiges Carbonisieren bei 1330ºC unter einer Atmosphäre aus 80 % H&sub2; und 20 % CH&sub4; bei einem Druck von 20 torr, zweistündiges Decarbonisieren bei 1310ºC unter einer Atmosphäre von 90 % H&sub2; und 10 % CO&sub2; bei einem Druck von 10 torr, Abkühlen im Vakuum, um eine Mikrostruktur mit einem Cobalt-Gehalt, der an der Oberfläche am höchsten ist und stetig in Richtung des Kerns abnimmt, zu erhalten. Das so hergestellte Substratmaterial wird mit 5 µm TiC CVD- beschichtet.
Weitere Beispiele schließen Substratmaterialien mit der Zusammensetzung WC-3%TiC-3%TaC-1%NbC-5%CO ein, die nach dem vorgenannten Verfahren behandelt werden und mit TiC/TiCN/Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung beschichtet werden, um beschichtete Harzlegierungen zu erhalten.
Die vorstehende ausführliche Übersicht über den Stand der Technik zeigt, daß diese Untersuchungen sich hauptsächlich mit der Verbesserung der Beschichtung, nicht aber mit der Zähigkeit der Oberflächenschicht, die zur Verbesserung der Abplatzbeständigkeit führt, aber das Problem der Abnützungsbeständigkeit nicht löst, beschäftigen.
Im folgenden Teil seien Untersuchungen zur Verbesserung der Beschichtungseigenschaften aufgeführt. Repräsentative Beispiele finden sich in US-Patent 4 497 874 und US-Patent 4 812 370 (japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 63 (1988), Offenlegungs-Nr. 89666).
US-Patent 4 497 874 offenbart ein beschichtetes hartes Legierungmaterial mit einer Cobalt-reichen Oberfläche, auf die eine erste Beschichtung aus TiN abgeschieden wird. Der angegebene Grund für die Verwendung einer ersten Schicht aus TiN anstelle der üblichen Beschichtung aus TiC ist das wenn die TiC-Beschichtung direkt auf die Cobalt-reiche Oberflächenschicht gebracht wird, diese mit der Cobalt- reichen Schicht Legierungen bildet. Daher wird zur Verhinderung solcher Legierungsbildung eine erste TiN- Beschichtung verwendet und es wird eine dicke TiC-Schicht direkt auf die TiN-Schicht ohne Ausbildung einer Gradienten- Schicht ausgebildet.
In der ersten Ausführungsform des vorgenannten Patents wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substratmaterials aus WC-6%TaC-6%Co-5%(W0,5Ti0,5)C beschrieben, umfassend die Schritte: Herstellen von Preßformkörpern und Entwachsen bei 1260ºC, erhitzen der entwachsten Preßformkörper unter vermindertem Druck von 600 torr und 45 minütigem Zuleiten von Stickstoff (3 l/min), Entfernen des Stickstoffs und Erhöhen der Temperatur auf 1445ºC und 100 minütiges Sintern der Preßformkörper um ein Substratmaterial mit einer Cobalt- reichen 30 µm dicken Oberflächenschicht ohne B-1-Phasen zu erhalten. Die harten Legierungen werden durch Beschichten des Substratmaterials mit TiN/TiC/TiN oder als Al&sub2;O&sub3; erhalten.
US-Patent 4 812 370 (japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 63 (1988)-89666) offenbart in den Ansprüchen eine beschichtete harte Legierung mit einer Cobalt-reichen Oberflächenschicht auf die eine erste Beschichtung aus WC und Co-diffundiertem TiC abgeschieden wird, eine zweite Beschichtung aus TiCN TiN zur Verhinderung der Diffusion von WC und Co, eine dritte Beschichtung aus reinen TiC und eine vierte Beschichtung aus TiCO, TiCNO und Al&sub2;O&sub3;.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorstehenden Anmeldung offenbart ein beschichtetes hartes Legierungsmaterial aus WC-12,4%(Ti0,46Ta0,22W0,32)(C0,80N0,20)-8,0%Co mit einer 18 µm dicken Cobalt-reichen Oberflächenschicht und einer 3 µm dicken TiC-Beschichtung mit diffundiertem WC und Co, einer 2 µm dicken TiCN-Beschichtung, einer 2 µm dicken TiC Beschichtung und einer 0,3 µm dicken Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung.
Die vorgenannten Techniken versuchen das Problem des Abplatzens bei harten Legierungen, bei denen eine CVD- Beschichtung direkt auf der Cobalt-reichen Oberflächenschicht des Substratmaterials abgeschieden wurde, und dadurch zur Ausbildung von unerwünschten Mikrostrukturen wie Poren und spröden η-Phasen in der Oberflächenschicht aufgrund der Diffiusion von WC und Co aus dem Substrat zu lösen. Die TiC- Beschichtungen mit diffundierten WC und Co leiden weiterhin unter geringer Abnutzungsbeständigkeit.
Die gemäß US-Patent 4 497 874 hergestellte harte Legierung leidet unter Problemen wie geringe Adhäsion der ersten TiN- Beschichtung an dem Substratmaterial und unzureichende Abnutzungsbeständigkeit da die erste Beschichtung aus TiC ist. Weiterhin ist die Decarbonisierung (Ansprüche 11, 12 und 15) vor der ersten Beschichtung des Substratmaterials mit TiN zur signifikanten Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit nicht wirksam.
Die in US-Patent 4 812 370 (japanische Patentanmeldung Showa 63 (1988)-89666) offenbarte Technologie ist unzureichend im Hinblich auf die Abnutzungsbeständigkeit aufgrund der Diffusion von WC und Co aus der Oberflächenschicht in die ersten TiC-Beschichtung und aufgrund der geringen Adhäsion zwischen der ersten TiC-Beschichtung und der zweiten TiCN- Beschichtung.
Um diese Probeleme der oben aufgeführten bekannten harten Legierungen zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine neue Technologie zur Herstellung von beschichteten Schneidwerkzeugen aus harter Legierung mit hoher Zähigkeit und hoher Beständigkeit gegenüber Abnutzung und Abkratzen bereit, deren Cobalt-reiche Oberflächenschicht frei von nachteiligen Mikrostrukturen sowie Poren und spröden Phasen (in den Ausführungsformen ist dies die η-Phase) ist. Dabei wird eine gute Anhaftung der Beschichtung an dem Substratmaterial durch Kontrolle der Cobalt-Verteilung in der Cobalt-reichen Oberflächenschicht und einer neuen Oberflächenbeschichtungstechnik erzielt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs aus einer harten Legierung mit hoher Zähigkeit und hoher Beständigkeit gegenüber Abnutzung und Abplatzen indem die Oberflächenschicht des Substratmaterials frei von Poren und spröden Phasen ist und den darauf abgeschiedenen Beschichtungen gut anhaftet.
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug aus einer harten Legierung umfassend eine Vielzahl von harten Beschichtungen auf der Oberfläche des vorwiegend aus WC bestehenden Substratmaterials, das auch Cobalt enthält und im wesentlichen aus Kern- und Oberflächenschichten besteht. Die Cobalt-Konzentration hat ihr Maximum im Bereich der Oberflächenschichten bis zu einer Tiefe von 50 µm von der Oberfläche, wobei dieser Bereich im wesentlichen frei von Wolfram-haltigen Ti-, Ta- und Nb-Carbiden, Wolfran-haltigen Ti-, Ta- und Nb-Carbonitriden und Wolfram-haltigen Ti-, Ta- und Nb-Nitriden ist, und wobei eine Vielzahl von Oberflächenschichten aus einer ersten Beschichtung aus TiCN abgeschieden auf der Oberflächenschicht einer zweiten Beschichtung aus Al&sub2;O&sub3; abgeschieden auf der ersten Beschichtung und einer Oberflächebeschichtung bestehend aus wenigstens einer Schicht aus TiCN und TiN abgeschieden auf der zweiten Schicht aus Al&sub2;O&sub3; besteht.
Die Grenze (die die Oberfläche des Substratmaterials bildet) zwischen dem Substratmaterial und der ersten Beschichtung aus TiCN wird mit einer Zwischenbeschichtung aus TiN versehen, um die Spannung in der ersten Beschichtung aus TiCN zu vermindern.
Zwischen der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung wird eine zweite Zwischenbeschichtung bestehend aus wenigstens einer Schicht aus TiC, TiCO oder TiCNO vorgesehen, um die Haftung der Beschichtung zu verbessern.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen werden bei vergleichsweise tiefen Abscheidungstemperaturen aufgebracht und zeigen vergleichsweise hohe Cobalt-Konzentrationen in den Oberflächenschichten.
Im Vergleich zu den bekannten beschichteten Schneidwerkzeugen ist daher die verbleibende Spannung (residual tensile stresses) in den abgeschiedenen Schichten relativ gering, d.h. zwischen 15 und 30 kg/mm². Die geringe Spannung in den Beschichtungen ist der Grund für die hohe Abplatzbeständigkeit der erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge.
Die Abplatzbeständigkeit wird erfindungsgemäß weiter dadurch verbessert, daß die abgeschiedenen Beschichtungen behandelt werden um die Größe und Art der Spannung in den Beschichtungen einzustellen. In einigen Fällen kann die verbleibende Zugspannung in der Beschichtung in Druckspannung umgewandelt werden. Dies wird wie folgt erreicht.
Erfindungsgemäß wird Shot Peening zur wirksamen Kontrolle der Größe und Art der stoßverformten Beschichtungen und unter den Beschichtungen verwendet. Durch diese Bearbeitung wird die verbleibende Zugspannung auf weniger als 15 kg/mm² vermindert und durch Verändern der Peening-Bedingung wird es möglich Zugspannungen in Druckspannungen umzuwandeln.
Durch Beschuß der Oberflächen der beschichteten harten Legierung mit Stahlkügelchen zur Verminderung der verbleibenden Zugspannung erhöht sich die Abplatzbeständigkeit der beschichteten Legierung. In manchen Fälle vermindert sich jedoch die Abnutzungsbeständigkeit. Es ist daher wirksam nur die Freiflächen (rake surfaces) zu behandeln, wobei ein solches Verfahren für das Herstellungsverfahren auch noch ökonomischer ist. Dadurch wird die Ablatzbeständigkeit der beschichteten Legierung erhöht und die Verminderung der Abnutzungsbeständigkeit wird seltener.
Andere Ausführungsformen der Erfindung schließen die folgenden Veränderungen der Mikrostruktur des Substratmaterials ein.
Es ist möglich ein beschichtetes Schneidwerkzeug aus einer harten Legierung herzustellen, indem die Kernregion der Oberflächenschicht zwischen 100 µm und 400 µm Entfernung von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikeln ist, während freie Kohlenstoff-Partikel im Kern und jenseits von etwa 400 µm im Substratmaterial vorhanden sind.
Im obigen Substratmaterial ist es weiter möglich, die Haftung zwischen der ersten Beschichtung aus TiCN und der zweiten Beschichtung aus Al&sub2;O&sub3; durch Abscheiden einer zweiten Zwischenschicht aus TiC zu verbessern. Andere Veränderungen der zweiten Zwischenbeschichtung aus TiC sind TiCO- und TiCNO-Schichten von vorzugsweise weniger als 1 µm Dicke. Die Dicke der ersten Zwischenbeschichtung aus TiN (zwischen der äußeren Oberfläche des Substrats und der ersten Beschichtung aus TiCN) beträgt ebenfalls vorzugsweise weniger als 1 µm.
In der vorstehenden Struktur der Schneidwerkzeuge beträgt die verbleibende Zuspannung in der ersten Beschichtung nicht mehr als 30 kg/mm² und dieser Wert kann weiter durch Anwendung von Shot Peening auf nicht mehr als 15 kg/mm² eingestellt werden. Durch weiteres Peening ist es sogar möglich die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung in Druckspannung umzuwandeln und den Wert für die Druckspannung auf nicht mehr als 20 kg/mm² einzustellen.
Das Shot Peening Verfahren wird lokal auf Teile des Schneidwerkzeugs, z.B. auf die Freiflächen (rake sufaces) angewendet, so daß die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung auf diesen Flächen geringer ist als die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung auf den Flankenflächen (flank surfaces) des Schneidwerkzeugs.
Weiterhin wird die Shot Peening Behandlung so angewandt, daß die verbleibende Spannung in der ersten Beschichtung der Freiflächen (rake surfaces) des Schneidwerkzeugs kompressiv ist und daß die Spannung in der ersten Beschichtung auf den Flankenflächen (flank surfaces) Zugspannung ist.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Einsatzes.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer ersten Ausführungsform des in Figur 1 gezeigten Einsatzes.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer zweiten Ausführungsform des in Figur 1 gezeigten Einsatzes.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer dritten Ausführungsform des in Figur 1 gezeigten Einsatzes.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer vierten Ausführungsform des Einsatzes gemäß Figur 1.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer fünften Ausführungsform eines Einsatzes gemäß Figur 1.
Figur 7 zeigt das Verhältnis zwischen der Cobalt- Konzentration und dem Abstand von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials in einigen Proben.
Figur 8 zeigt das Verhältnis zwischen der Cobalt- Konzentration und dem Abstand von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials in anderen Proben.

Grundkonfiguration

Figur 1 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemäßen Technik zur Herstellung von beschichteten harten Legierungsmaterialien zur Herstellung eines Einsatzes. Ein quadratischer Einsatzkörper 1 mit einer Freifläche 2 auf der Ober- und Unterseite und Flankenflächen 3 an den Seiten, die Schneidkanten 4 an den Schnittstellen der oberen und unteren Oberfläche mit den seitlichen Oberflächen aufweist wird bereitgestellt. Der Einsatzkörper 1 umfaßt ein Substratmaterial und verschiedene später beschriebene Beschichtungen.
In dieser Ausführungsform wird eine quadratische Form dargestellt, wobei jedoch die erfindungsgemäße strukturelle Konfiguration auch auf andere Formen wie etwa Dreiecke, Parallelogramme, Rhomboide und Zylinder angewendet werden kann.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichten. Schicht 10 dieser Ausführungsform wird auf dem Substratmaterial 12 ausgebildet und besteht aus einer ersten Beschichtung 13, einer zweiten Beschichtung 14 und einer Oberflächenbeschichtung 15.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtenstruktur. Die Schicht 20 dieser Ausführungsform wird auf der äußeren Oberfläche des Substratmaterials 12 ausgebildet und besteht aus einer ersten Zwischenbeschichtung 16, der ersten Beschichtung 13, der zweiten Beschichtung 14 und der Oberflächenbeschichtung 15.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtenstruktur. Die Schicht 30 dieser Ausführungsform wird auf der äußeren Oberfläche des Substratmaterials 12 abgeschieden und besteht aus einer ersten Zwischenschicht 16, der ersten Beschichtung 13, einer zweiten Zwischenschicht 17, der zweiten Beschichtung 14 und der Oberflächenbeschichtung 15.
Figur 5 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtenstruktur. Die Beschichtung 40 dieser Ausführungsform wird auf der äußeren Oberfläche des Substratmaterials 12 ausgebildet und besteht aus der ersten Beschichtung 13, der zweiten Zwischenschicht 17, der zweiten Beschichtung 14 und der Oberflächenbeschichtung 15.
Figur 6 ist eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtfolge. Die Beschichtung 50 dieser Ausführungsform wird auf der äußeren Oberfläche des Substratmaterials 12 ausgebildet und besteht aus der ersten Schicht 13, der zweiten Zwischenschicht 17, der zweiten Schicht 14 und der Oberflächenschicht 15. Die zweite Zwischenbeschichtung 17 besteht aus einer ersten Zwischenschicht 18 und einer zweiten Zwischenschicht 19.
Das Substratmaterial 12 besteht hauptsächlich aus WC, wozu Co als Bindemittel gegeben wird und kann darüber hinaus weitere Additive, wie etwa harte B-1-Phasen umfassend Carbide, Nitride und Carbonitride von Ti, Ta und Nb enthaltend Wolfram, Wolfram-haltige Nitride von Ti, Ta und Nb und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Essentielle Voraussetzungen sind jedoch daß die höchste Cobalt- Konzentration in der Oberflächenschicht (denudierte Zone genannt) bis zu 50 µm von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials 12 vorliegt und daß die harten B-1-Phasen umfassend Wolfram-haltige Carbide, Nitride und Carbonitride von Ti, Ta und Nb und Wolfram-haltige Nitride von Ti, Ta und Nb in der denudierten Zone im wesentlichen nicht vorkommen.
Die erste Beschichtung 13 besteht aus einer TiCN-Schicht, die zweite Beschichtung 14 besteht aus einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht und die Oberflächenbeschichtung 15 besteht aus einer TiCN- und/oder einer TiN-Schicht. Die erste Zwischenschicht 16 besteht aus TiN und die zweite Zwischenschicht besteht wenigstens aus einer TiC-, TiCO- oder TiCNO-Schicht.
Im folgenden sei das Verfahren zur Herstellung des Substratmaterials 12 beschrieben. Eine Pulvermischung, entsprechend der gewünschten Zusammensetzung des Substratmaterials 12 wird hergestellt. Diese Pulvermischung wird mit Bindemitteln und Additiven, je nach Bedarf, gemischt, dann wird die Mischung in eine Kugelmühle gegeben und anschließend getrocknet, um das Pulvermaterial zu erhalten. Das Pulvermaterial, das zur Herstellung des Ausgangsmaterials verwendet werden kann, kann ein oder mehrere Elemente aus den Gruppen 4a, 5a und 6a oder Carbide, Nitride oder Carbonitride von Elementen aus den Gruppen 4a, 5a oder 6a sowie andere bekannte Elemente oder Verbindungen, die üblicherweise in harten Legierungsmaterialien Verwendung finden wie etwa Pulvermaterialien aus WC, (TiW)(CN), (TaNb)C, Co und Graphit enthalten.
Als nächstes wird das Pulvermaterial durch Druck zu grünen Preßlingen verdichtet, die in einem Ofen unter vermindertem Druck bei etwa 1400ºC gesintert werden, um ein Substratmaterial ohne freie Kohlenstoff-Partikel oder ein Material dessen Kern freie Kohlenstoff-Partikel enthält, die Oberflächenschicht von 100 bis 400 µm Tiefe, jedoch im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikel ist, zu erhalten. Im vorstehenden und im folgenden bezieht sich die Tiefe normalerweise auf den Abstand von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials oder von der Grenze zwischen dem Substratmaterial und der ersten Beschichtung.
Freier Kohlenstoff entsteht im Substratmaterial wenn mehr als die benötigte Menge in Graphit (zur Bildung der harten Legierung) bei der Herstellung des Ausgangspulvermaterials zugegeben wird. Der überschüssige Graphit präzipitiert im Substratmaterial als freie Kohlenstoff-Partikel während des Sintervorgangs. Die freien Kohlenstoff-Partikel präzipitieren als schwarze Partikel im Substratmaterial während des Sinterns, erfindungsgemäß wird jedoch diese Präzipitation so kontrolliert, daß sie nur im Kern bei einer Tiefe von 100 bis 400 µm, was als Kernzone bezeichnet wird, stattfindet. Mit anderen Worten, der nächstliegende Präzipitationspunkt ist 100 µm von der Oberfläche entfernt und der entfernteste 400 µm. Die Präzipitation läßt sich leicht mit einem optischen Mikroskop betrachten.
Das Substratmaterial 12 besitzt eine denudierte Zone, in der die Wolfram-haltigen Carbide, Nitride und Carbonitride von Ti, Ta und Nb im wesentlichen fehlen. Solche mikrostrukturellen Änderungen können leicht mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden, da die Carbide, Nitride und Carbonitride der vorgenannten Elemente in den metallographischen Probenpräparation schwarz geätzt werden.
Die Oberflächen der gesinterten Preßlinge werden durch Honen bearbeitet und durch die CVD-Abscheidung bei vergleichsweise tiefen Temperaturen werden die erfindungsgemäßen Einsätze aus harten Legierungen erhalten. Bei der Abscheidung solcher Beschichtungen sind die verbleibenden Spannungen in der abgeschiedenen Beschichtung Zugspannung von weniger als 30 kg/mm².
Nach dem Abscheiden können die verbleibenden Spannungen in den Beschichtungen durch Shot Peening eingestellt werden. Durch Einstellen der Peening-Parameter kann die verbleibende Zugspannung von 30 kg/mm² auf weniger als 15 kg/mm² verringert werden. Auch kann die Spannungsart von Zugspannung auf Druckspannung verändert werden. In der Praxis bei der Verwendung von Stahlkügelchen beträgt die Geschwindigkeit 50 bis 70 m/s bei einer Peening-Zeit von 60 bis 90 s, um die vorgenannten Spannungen zu erzielen.

Erste bevorzugt Ausführungsform und Verfahrensschritte

WC-Pulver mit durchschnittlich 3,5 µm Durchmesser (Ti0,71W0,29)(C0,68N0,32)-Pulver mit durchschnittlich 1,5 µm, (Ta0,83Nb0,17)C-Pulver mit durchschnittlich 1,4 µm Durchmesser und Co-Pulver mit durchschnittlichen 1,2 Durchmesser wurden zu einer Mischung mit der Zusammensetzung WC-5,9%(Ti0,71W0,29)(C0,68N0,32)-4%(Ta0,83Nb0,17)C-6%Co bezogen auf das Gewicht gemischt zu der 0,16 % Graphitpulver gegeben wurde und sodann die gesamte Mischung 72 h in einer Kugelmühle naßgemahlen wurde und anschließend getrocknet wurde. Grüne Preßkörper wurden gemäß ISO CNMG120408 unter Verwendung einer Presse mit 15 kg/mm² hergestellt. Die grünen Preßlinge wurden eine Stunde bei 1410ºC unter einem Druck von 1,33 Pa (1 x 10&supmin;² torr) gesintert. So wurden Proben aus hartem Legierungssubstratmaterial hergestellt, die im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikeln waren.
Die Schneidkanten wurden durch Honen der Oberfläche auf eine Tiefe von 0,07 mm auf den Freiflächen (rake surfaces) und einer Tiefe von 0,04 mm auf den Flankenflächen (flank surfaces) erzeugt und mit Beschichtungen unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen versehen, um die Schneideinsatzproben 1 bis 16 (im folgenden als Proben bezeichnet) aus beschichteter harter Legierung gemäß Tabelle 2 herzustellen.
Die Profile des Cobalt-Konzentrationsgradienten der beschichteten Schneideinsatzproben aus harter Legierung sind in Figur 7 gezeigt. Diese Ergebnisse wurden durch energiedispersive Röntgenspektroskopie einer 4 x 26 µm großen Fläche mit einem Elektronenmikroskop bei einer 5000fachen Vergrößerung erhalten. Die Messungen wurden bei der gleichen Tiefe 5mal wiederholt um Durchschnittswerte zu erhalten.
Bei diesen Proben war die denudierte Zone 12 µm tief und die verbleibende Spannung in der ersten TiCN-Beschichtung, bestimmt durch eine Röntgentechnik, ist in Tabelle 2 angegeben.
Ein Teil der beschichteten Proben wurde einem Shot Peening mit 0,3 mm großen Stahlkügelchen mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s über einen Zeitraum von 60 s unterworfen, um die erfindungsgemäßen beschichteten Proben, wie in Tabelle 2 gezeigt, zu erhalten. Die Spannungen in der TiCN-Beschichtung wurden gemessen und sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Für Vergleichszwecke wurden Proben A und B, wie in Tabelle 2 gezeigt, hergestellt, wobei Probe A Probe D gemäß Beispiel 3 der japanischen Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 54 (1979) Offenlegungs-Nr. 87719 ähnelt, die keine freien Kohlenstoff-Partikel enthält und Probe B ähnelt Probe F, die im gleichen Beispiel offenbart wurde und 0,1 % freie Kohlenstoff-Partikel enthält.
Diese Vergleichsproben wurden durch Mischen aus Ausgangsmaterialien in Pulverform zu: WC-4%(Ti0,75W0,25)(C0,68N0,32)-5%(Ta0,75Nb0,25)C-5,5%Co mit 0,16 % und 0,26 % Graphit-Zugabe und Pressen zur Herstellung von grünen Preßlingen erhalten. Diese wurden 1 1/2 h bei 1450ºC unter einem Druck von 0,133 Pa (10&supmin;³ torr) gesintert, um Substratmaterialproben zu erhalten, die im wesentlichen keine freien Kohlenstoff-Partikel enthalten und Proben mit 0,1 % freien Kohlenstoff-Partikeln.
Diese Vergleichsproben wurden gehont und mit einer Kombination aus einer 6 µm dicken TiC-Beschichtung und einer 1 µm dicken Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung versehen. Dies Cobalt-reichen Schichten in diesen Vergleichsproben sind auch in Figur 7 gezeigt. Die Dicke der denudierten Zone betrug 11 µm in den Proben die keine freien Kohlenstoff-Partikel enthielten und 28 µm in den Proben, die freie Kohlenstoff-Partikel enthielten.
Ebenfalls zu Vergleichszwecken wurde ein beschichtete Einsatzprobe C aus einer harten Legierung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 von US-Patent 4 812 370 (japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 83 (1988) Offenlegungs-Nr. 89666) offenbart hergestellt.
Diese Vergleichsprobe wurde durch Mischen eines Ausgangsmaterials zu einem Pulver mit der Zusammensetzung: WC-5,9%(Ti0,71W0,29)(C0,69N0,31)-4%(Ta0,83Nb0,17)C-6%Co mit 0,16 % Graphit, Pressen und 1 1/2 stündiges Sintern bei 1420ºC unter einem Druck von 0,133 Pa (1 x 10&supmin;³ torr) zur Herstellung von Proben aus einem Substratmaterial im wesentlichen ohne freie Kohlenstoff-Partikel.
Die Oberfläche der Probe wurde gehont und eine Mehrlagenbeschichtung bestehend aus TiC(1µm)-TiCN(2µm)-TiC(4µm)-TiCNO(0,5µm)-Al&sub2;O&sub3;(1,5µm) darauf abgeschieden. Die Dicke der denudierten Zone bei dieser Probe betrug 12 µm und das Profil der Cobalt-Konzentration in der Cobalt-reichen Schicht war wie in Figur 7 gezeigt.
Ebenfalls zu Vergleichszwecken wurde ein beschichteter Hartlegierungsprobeeinsatz D auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 von US-Patent 4 497 874 offenbart, hergestellt.
Diese Vergleichsprobe wurde durch Mischen eines Ausgangsmaterials zu einer Zusammensetzung von WC-5%(W0,5Ti0,5)C-6%TaC-6%Co, Pressen, Entwachsen und Sintern bei 1260ºC unter Durchleiten von Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 3 l/min unter vermindertem Druck von 79,8 kPa (600 torr) hergestellt. Nach 45minütiger Erhitzung wurde der Stickstoff entfernt und 100 min bei 1445ºC unter einer Argonatomosphäre von 266 Pa (2 torr) gesintert. Die Oberflächen der Probe wurden wie gehabt gehont und eine Mehrlagenbeschichtung, bestehend aus TiN(1,5µm)-TiC(8µm)-Al&sub2;O&sub3;(2µm) abgeschieden.
Die Dicke der denudierten Zone betrug 28 µm und es wurden freie Kohlenstoff-Partikel festgestellt.
All diese Vergleichsproben wurden einer Röntgenuntersuchung zur Bestimmung der verbleibenden Spannung unterzogen. Tabelle 1
Als nächstes wurde die Bearbeitung mit den erfindungsgemäßen Proben und den Vergleichsproben untersucht.

Kontinuierliche Bearbeitung:

Bearbeitetes Material: Zylinder aus JIS SCM440 (HB 200)
Bearbeitungsgeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführrate: 0,3 mm/U
Schnittiefe: 1,5 mm
Bearbeitungsdauer: 30 min
Schmiermittel: wasserlöslich

Unterbrochene Bearbeitung:

Bearbeitetes Material: quadratischer Zylinder aus JIS SNCM 439 (HB 270)
Bearbeitungsgeschwindigkeit: 100 m/min
Zuführrate: 0,35 mm/U
Schnittiefe: 3,0 mm
Schmiermittel: keines
Bei der kontinuierlichen Bearbeitung wurde die Abnutzung der Freiflächen (rake surfaces) gemessen und bei der unterbrochenen Bearbeitung die Abplatzbeständigkeit anhand der Zeit bis zum ersten Abplatzen gemessen. Tabelle 2 Tabelle 2 (Fortsetzung) Tabelle 2 (Fortsetzung) Tabelle 2 (Fortsetzung) Tabelle 2 (Fortsetzung) Tabelle 2 (Fortsetzung)
Anmerkungen:
Die in Tabelle 2 verwendeten Abkürzungen bedeuten folgendes:
TiCN(8,5): TiCN-Beschichtung von 8,5 µm Dicke.
TiCN/22T: Verbleibende Zugspannung von 22 kg/mm² gemessen auf der TiCN-Oberfläche.
TiCN/ Verbleibende Zugspannung von 4 kg/mm²
rake/4T: gemessen auf der Freifläche (rake surface),
flank/22T: und 22 kg/mm² gemessen auf der Flankenfläche (flank surfaces) der TiCN Beschichtung.
Die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse zeigen klar, daß die erfindungsgemäßen Schneideinsätze aus harter Legierung denjenigen nach dem Stand der Technik weit überlegen sind. Die Leistungsparameter, Abnutzungsbeständigkeit und Abplatztendenz werden gegenüber den herkömmlich hergestellten Schneidwerkzeugen deutlich verbessert.
Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug ist durch einen Co- Konzentrationsgradienten in der Cobalt-reichen Oberflächenschicht gekennzeichnet, wobei die höchste Cobalt- Konzentration im Bereich von bis zu 50 µm Tiefe vorliegt. Die Cobalt-Konzentration an der Oberfläche ist niedriger als der höchste Wert und zwischen der Oberflächenschicht und der Beschichtung wird eine starke Bindung durch Ausbildung einer Mikrostruktur, so daß die Oberflächenschicht frei von harten B-1-Phasen ist, erreicht.
Die erste Beschichtung des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs ist aus TiCN und wird durch Reaktion von Titantetrachlorid mit Acetonitril bei relativ geringer Temperatur von 840 bis 900ºC im Vergleich zur herkömmlichen Temperatur von 1000 bis 1050ºC erhalten. Daher tritt weniger Diffusion der Elemente des Substratmaterials wie etwa WC und Co in die Beschichtung auf und die Neigung zur Ausbildung von nachteiligen mikrostrukturellen Phasen wie etwa Poren und spröden Phasen (η-Phasen) wird vermindert, wodurch die Bindung der ersten TiCN-Beschichtung an das Substrat verbessert wird.
Die Technik des Abscheidens einer Beschichtung auf einem Substratmaterial durch Verwendung von TiCl&sub4; und Acetonitril ist als Beispiel in der japanischen Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 50 (1975)-117809 offenbart, jedoch hat das Substratmaterial dort eine Zusammensetzung WC-22%(TiC+TaC)-9,5%Co und weder eine Cobalt-reiche Oberfläche noch eine denudierte Zone, die keine harten B-1- Phasen enthält und ist daher ein typisches herkömmliches Material, das keine allgemeine Anwendung gefunden hat.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen, die hauptsächlich aus TiCN bestehen, sind solchen Materialien bei weitem überlegen, da sie bei relativ geringer Abscheidungstemperatur hergestellt werden und auf einem Substratmaterial mit einer Cobalt-reichen Oberflächenschicht und einem maximalen Cobalt- Gehalt in 50 µm Tiefe von der äußeren Oberfläche abgeschieden werden und durch eine zweite Beschichtung aus Al&sub2;O&sub3; sowie Oberflächenbeschichtung aus TiN oder TiCN ergänzt werden.

Zweite bevorzugt Ausführungsform

Im folgenden sei eine zweite bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Es wurden die gleichen Ausgangspulver wie bei der ersten Ausführungsform vermischt um eine Mischung mit der Zusammensetzung: WC-4,6%(Ti0,71W0,29)(C0,68N0,32)-3,5%(Ta0,83Nb0,17)C-8%Co zu erhalten. Die Mischung wurde weiter mit 0,16 % Graphitpulver versetzt um eine erste Probengruppe zu erhalten und mit 0,26 % Graphitpulver für eine zweite Probengruppe und dann wurde die gesamte Mischung 72 h in einer Kugelmühle naß gemahlen und anschließend getrocknet. Gemäß ISO CNMG120408 wurden grüne Preßlinge unter Verwendung einer Presse von 15 kg/mm² hergestellt. Die grünen Preßlinge wurden unter vermindertem Druck von 1,33 Pa (1 x 10&supmin;² torr) eine Stunde bei 1380ºC gesintert. Zwei Gruppen von Proben aus harten Legierungs-Substratmaterialien, d.h. eine Gruppe die im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikelen war und eine Gruppe die insgesamt 0,1 % freie Graphit-Partikel enthielt und die eine denudierte Zone von 350 µm Dicke hatte, die im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikeln war, wurden unter einem optischen Mikroskop untersucht.
Die gesinterten Substratmaterialproben wurden gehont, beschichtet und einer Shot Peening-Behandlung wie in der ersten Ausführungsform unterzogen, um die Schneideinsatzproben 17 bis 28 gemäß Tabelle 3 zu erhalten. Die Probengruppe, die durch Zusatz von 0,16 % Graphit erhalten wurde, zeigte keine freien Kohlenstoff-Partikel, während die Proben mit 0,26 % zugegebenem Graphit freie Kohlenstoff-Partikel zeigten. Die Cobalt-Verteilung in diesen Proben ist in Figur 8 gezeigt.
Die Dicke der denudierten Zone in den Proben ohne freie Kohlenstoff-Partikel betrug 13 µm und 21 µm in den Proben mit freien Kohlenstoff-Partikeln.
Zu Vergleichszwecken wurden gemäß dem in US-Patent 4 277 283 (japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 54 (1979) Offenlegungs-Nr. 87719) offenbarten Verfahren die in Tabelle 3 aufgeführten Proben E hergestellt.
Diese Vergleichsproben wurden hergestellt durch Mischen eines Ausgangspulvers zu einem Material mit der Zusammensetzung: WC-6,3%(Ti0,75W0,25)(C0,68N0,32)-7,5%(Ta0,75Nb0,25)C-10,5%Co, mit 0,16 % Graphit und Pressen des Pulvers zur Herstellung von grünen Preßlingen. Diese wurden 1 1/2 h bei 1380ºC unter einem Druck von 0,133 Pa (1 x 10&supmin;³ torr) gesintert, um Proben eines Substratmaterials, das im wesentlichen keine freien Kohlenstoff-Partikel enthält zu erhalten. Diese Proben wurden gehont und mit einer 6 µm dicken TiC-Beschichtung gemäß dem Vorgehen wie bei der ersten Ausführungsform versehen, um Vergleichsprobe E zu erhalten.
Die Cobalt-Verteilung in der Oberflächenschicht des Substratmaterials war wie in Figur 8 gezeigt und die Dicke der denudierten Zone betrug 10 µm.
Weitere Vergleichsproben wurden wie in der ersten Ausführungsform gemäß der japanischen Patentanmeldung Offenlegungsschrift Showa 63 (1988) Offenlegungs-Nr. 169 356 hergestellt.
Das Substratmaterial dieser bekannten Ausführungsform war WC-5%TiC-7%Co und nach dem Mischen des Materials und dem Pressen zur Herstellung von grünen Preßlingen wurden diese 1 h bei 1380ºC im Vakuum gesintert. Sie wurden carbonisiert mit einer Gasmischung aus H&sub2;(80 %)-CH&sub4;(20 %) unter vermindertem Druck von 2,66 kPa (20 torr) über einen Zeitraum von 10 min. Anschließend wurden sie decarbonisiert durch zweiminütige Behandlung bei 1310ºC mit einer Gasmischung aus H&sub2;(90 %)-CO&sub2;(10 %) und im Vakuum auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das so hergestellte Substratmaterial wurde gehont und mit TiC-Beschichtung wie in der ersten Ausführungsform versehen, um Probe F mit einer 5 µm dicken TiC-Beschichtung herzustellen. Die Cobalt-Verteilung war wie in Figur 8 gezeigt und es entstand keine denudierte Zone, d.h. in der Oberflächenschicht lagen harte B-1-Phasen vor.
Gemäß US-Patent 4 610 931 wurde die weitere Vergleichsprobe G wie in der ersten Ausführungsform hergestellt.
Das Ausgangsmaterial dieser bekannten Ausführungsform war WC-10,3%TaC-5, 85%TiC-0,2%NbC-1,5%TiN-8,5%Co zu dem 0,1 % Graphitpulver gegeben wurde und nach Vermischen der Materialien und Pressen zur Herstellung von grünen Preßlingen wurden die Preßlinge im Vakuum 30 min bei 1496ºC gesintert. Danach wurde nur die Freiflächen (rake surfaces) (obere und untere Oberflächen) geschliffen, die Probe eine Stunde bei 1427ºC unter einem Druck von 13,3 kPa (100 torr) erhitzt und mit einer Rate von 56ºC/min auf 1204ºC abgekühlt und im Vakuum weiter auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wurden die Flankenflächen geschliffen und eine TiC(5µm)/TiCN(4µm)/TiN(1µm) darauf durch CVD abgeschieden (Probe G). Die Cobalt-Verteilung war wie in Figur 8 gezeigt und die Dicke der denudierten Zone betrug 20 µm.
Dann wurden die erfindungsgemäßen Proben und die Vergleichsproben in ihrem Bearbeitungsverhalten untersucht.

Kontinuierliche Bearbeitung:

Bearbeitetes Material: Zylinder aus JIS SCM440 (HB 200)
Bearbeitungsgeschwindigkeit: 180 m/min
Zuführrate: 0,35 mm/U
Schnittiefe: 2,0 mm
Bearbeitungsdauer: 30 min
Schmiermittel: wasserlöslich

Unterbrochene Bearbeitung:

Bearbeitetes Material: quadratischer Zylinder aus JIS SNCM439 (HB 270)
Bearbeitungsgeschwindigkeit: 100 m/min
Zuführrate: 0,3 mm/U
Schnittiefe: 2,5 mm
Schmiermittel: keines
Bei der kontinuierlichen Bearbeitung wurde die Abnutzung der Freiflächen (rake surfaces) gemessen und bei der unterbrochenen Bearbeitung die Abplatzbeständigkeit anhand der Zeit bis zum ersten Abplatzen gemessen. Tabelle 3 Tabelle 3 (Fortsetzung) Tabelle 3 (Fortsetzung)
Anmerkungen zu Tabelle 3:
Proben 17 bis 22 einschließlich enthielten freie Kohlenstoff-Partikel.
Proben 23 bis 28 einschließlich enthielten keine freien Kohlenstoff-Partikel.
Vergleichsproben E & G enthielten keine freien Kohlenstoff-Partikel.
Vergleichsprobe F enthielt freie Kohlenstoff-Partikel.
Die übrigen Abkürzungen entsprechen denjenigen in Tabelle 2.
Es ist allgemein bekannt, daß bei der Bildung von Abscheidungen durch filmbildende Techniken, wie etwa CVD, in den Beschichtungen (TiC) Zugkräfte durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beschichtung und Substratmaterial entstehen. Die Werte solcher Spannungen sind unterschiedlich in Abhängigkeit der Beschichtungsdicke und der Zusammensetzung von Beschichtung und Substratmaterial. Bei Substratmaterialien, die weniger als 10 % Cobalt enthalten, wurden verbleibende Zugspannungen im Bereich von 30 bis 60 kg/mm² berichtet (Journal of the Japan Institute of Metals, Band 50, Nr. 3, Seiten 320 bis 327, 1986).
Tabellen 2 und 3 kann entnommen werden, daß die verbleibende Zugspannung bei den konventionellen Materialien stets 30 kg/mm² überschreitet. Erfindungsgemäß wurde jedoch gefunden, daß durch Shot Peening die verbleibende Spannung vermindert werden kann und daß durch Auswahl der Peening Bedingungen Zugspannung in den abgeschiedenen Beschichtungen in Druckspannung umgewandelt werden kann.

Claims

1. Beschichtetes Schneidwerkzeug aus harter Legierung, umfassend eine Vielzahl von harten Beschichtungen auf einem WC-Substratmaterial (12), das Cobalt enthält und Cobalt-reiche Oberflächenschichten und einen Kern umfaßt, wobei der maximale Wert der Cobalt-Konzentration in einem Oberflächenschichtbereich von 50 µm von der Oberfläche des Substratmaterials (12) auftritt und weniger als 15 Gew.-% beträgt, und wobei die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung (13) nicht mehr als 30 kg/mm² beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenschichtbereich im wesentlichen frei von Wolfram-haltigen Ti-, Ta- und Nb-Carbiden, Wolframhaltigen Ti-, Ta- und Nb-Carbonitriden und Wolframhaltigen Ti-, Ta- und Nb-Nitriden ist und daß die Vielzahl an Oberflächenbeschichtungen im wesentlichen aus einer ersten Beschichtung (13) aus TiCN auf der Oberflächenschicht, einer zweiten Beschichtung aus Al&sub2;O&sub3; auf der ersten Schicht (13) und einer Oberflächenschicht im wesentlichen bestehend aus wenigstens einer Schicht aus TiCN und TiN auf der zweiten Schicht (14) aus Al&sub2;O&sub3; besteht.

2. Werkzeug gemäß Anspruch 1 in dem die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung (13) nicht mehr als 15 kg/mm² beträgt.

3. Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, in dem das Substratmaterial (12) mit Freiflächen (rake surfaces) (2) und Flankenflächen (flank surfaces) (3) ausgestattet ist, wobei die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung (13) in den Freiflächen (2) nicht größer ist als die verbleibende Zugspannung in der Beschichtung (13) auf den Flankenflächen (3).

4. Beschichtetes Schneidwerkzeug aus harter Legierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Druckspannung in der ersten Beschichtung nicht mehr als 20 kg/mm² beträgt.

5. Beschichtetes hartes Schneidwerkzeug aus harter Legierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial (12) mit Freiflächen (2) und Flankenflächen (3) ausgestattet ist, wobei die verbleibende Spannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Freiflächen (2) Druckspannung ist und worin die verbleibende Spannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Flankenflächen (3) in dem wie abgeschiedenen Zustand Zugspannung ist.

6. Beschichtetes Schneidwerkzeug aus harter Legierung gemäß Anspruch 5 in dem die verbleibende Druckspannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Freiflächen (2) nicht mehr als 20 kg/mm² und die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Flankenflächen (3) im abgeschiedenen Zustand nicht mehr als 30 kg/mm² beträgt.

7. Beschichtetes Schneidwerkzeug aus harter Legierung gemäß Anspruch 5 bei dem die verbleibende Druckspannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Freiflächen (2) nicht mehr als 20 kg/mm² beträgt und die verbleibende Zugspannung in der ersten Beschichtung (13) auf den Flankenflächen (3) im wie abgeschiedenen Zustand nicht mehr als 15 kg/mm² beträgt.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem eine erste Zwischenbeschichtung (16) aus TiN zwischen dem Substratmaterial (12) und der ersten Beschichtung (13) aus TiN vorhanden ist.

9. Werkzeug gemäß Anspruch 8, in dem die Dicke der ersten Zwischenbeschichtung (16) aus TiN nicht mehr als 1 µm beträgt.

10. Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem eine zweite Zwischenbeschichtung (17), bestehend aus wenigstens einem von TiC, TiCO und TiCNO zwischen der ersten Beschichtung (13) aus TiCN und der zweiten Beschichtung (14) aus Al&sub2;O&sub3; vorhanden ist.

11. Werkzeug gemäß Anspruch 10, bei dem die Dicke der zweiten Zwischenschicht (17) nicht mehr als 1 µm beträgt.

12. Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, in dem Substratmaterial (12) im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff-Partikeln ist.

13. Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, in dem der Oberflächenbereich in einem Abstand von 100 µm bis 400 µm von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials (12) im wesentlichen frei von freien Kohlenstoff- Partikeln ist und freie Kohlenstoff-Partikel in einem Kernbereich jenseits von 400 µm von der äußeren Oberfläche des Substratmaterials (12) im Substratmaterial (12) freie Kohlenstoff-Partikel enthält.