DE69521410T2

DE69521410T2 - Beschichtete hartlegierung

Info

Publication number: DE69521410T2
Application number: DE69521410T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Ikegaya; Nobuyuki Kitagawa; Hideki Moriguchi; Katsuya Uchino
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: EP0732423B1; US5871850A; EP0732423A1; EP0732423A4; KR100250587B1; US6183846B1; DE69521410D1; KR960706574A; TW306938B; WO1996010658A1

Description

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein beschichtetes Hartmetall-Material, welches durch das Beschichten von zementiertem Carbid oder Cermet mit einem harten Material hergestellt wird, insbesondere bezieht sie sich auf ein beschichtetes Hartmetall-Material, das für ein Schneidewerkzeug eingesetzt wird. Die vorliegende Erfindung stellt ein Schneidewerkzeug-Material zur Verfügung, welches hervorragend hinsichtlich seiner Resistenz gegenüber Verschleiß und Splittern ist, und insbesondere Bedingungen mit hoher Schnittgeschwindigkeit oder hoher Schnittleistung aushält.

Technischer Hintergrund

Es ist bekannt, daß die Schneidentemperatur eines Schneidewerkzeugs während des Schneidens im Extremfall etwa 800ºC übersteigt, selbst unter normalen Schnittbedingungen von etwa 100 bis 300 m/Minute. Des weiteren gibt es in den letzten Jahren allen voran seitens der Autohersteller eine gesteigerte Nachfrage für die Entwicklung eines Werkzeugs, welches verglichen mit konventionellen Bedingungen auch bei erhöhter Geschwindigkeit oder höherer Vorschubgeschwindigkeit, wie zum Beispiel einer Höchstgeschwindigkeit von wenigstens 300 m/Minute, schneidbar ist, um unter Erwägung der Verbreitung von NC- Maschinen, einer Bewirkung der Produktionskostenreduktion und des Trends der Arbeitszeitverkürzung die Produktivität pro Zeiteinheit zu erhöhen.
Die Schneidentemperatur des Schneidewerkzeugs übersteigt 1000ºC bei solchen Bedingungen, und dies ist äußerst kritisch für das Werkzeugmaterial. Wird die Schnittemperatur erhöht, so wird die Schneide durch die Wärme plastisch verformt, was eine Rückwärtsbewegung der Position der Schneide verursacht. Bei einer Temperatur über 1000ºC wird zudem das das Werkzeug bildende Grundmaterial, beispielsweise zementiertes Carbid, oxidiert, und der Verschleiß schreitet abrupt voran.
Um einen solchen Schaden des Werkzeugs durch Schneiden zu vermeiden, werden Werkzeuge verwendet, die durch das Aufbringen von verschiedener harter Deckschichten auf Hartmetalloberflächen durch chemisches oder physikalisches Aufdampfen (CVD, PVD) hergestellt werden. Historisch gesehen erschien zunächst ein mit einer Ti-Verbindung beschichtetes Werkzeug, und eine Verbesserung der Schnittgeschwindigkeit wurde dadurch erreicht, daß dieses Werkzeug hinsichtlich seiner Stabilität bei hoher Temperatur gegenüber zementiertem Carbid überlegen war. Später wurde ein Werkzeug entwickelt, welches durch ein zusätzliches Beschichten einer Ti-Verbindung mit einer 1 bis 2 um dicken Al&sub2;O&sub3;- Schicht hergestellt wurde, um eine weitere Steigerung der Schnittgeschwindigkeit zu ermöglichen, und seither ist dies die Standardausführung eines zeitgenössischen beschichteten Schneidewerkzeuges.
Al&sub2;O&sub3; weist unter normalen Bedingungen eine geringe freie Bildungsenergie auf und ist chemisch stabiler als die Ti-Verbindung. Folglich sagt man, daß ein Al&sub2;O&sub3;-Film einen großen Einfluß auf die Unterdrückung des bei sehr hohen Temperaturen in der Schneide auftretender Kolkverschleißes in einem Schnittflächenteil hat und zum Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten geeignet ist. Des weiteren sagt man, daß die Ausbreitung von Schnittwärme unterdrückt wird, und ein hartes Metallgrundmaterial, welches die Grundlage bildet, auf einer tiefen Temperatur gehalten werden kann, da die Wärmeleitfähigkeit von ALjOa klein ist. Um ein Werkzeug zum Schneiden mit höheren Geschwindigkeiten zu entwickeln, liegt es folglich auf der Hand, die Al&sub2;O&sub3;-Schicht noch dicker auszugestalten.
Wird die Al&sub2;O&sub3;-Schicht verbreitert, verringert sich jedoch die Festigkeit, da die Kristallkörner, welche die Deckschichten bilden, sich zunehmend anhäufen, und die Verringerung des Verschleißwiderstandes an der Freifläche wird in Frage gestellt. Man hat erkannt, daß bei der Verwendung eines solchen Werkzeugs in der Praxis die Dimensionen eines Werkstücks durch den Rückzug der Position der Schneide verändert wird, da der Verschleiß sehr rasch voranschreitet, und die Lebensdauer des Werkzeugs extrem kurz ist.
Andererseits wurde in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 5-49750 ein Verfahren zur Vermeidung der Anhäufung von Kristallkörnem durch Aufteilen einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht in mehrere Schichten vorgeschlagen. Nach diesem Verfahren kann die Körnergröße von Al&sub2;O&sub3; natürlich reduziert und der Verschleißwiderstand verbessert werden. Andererseits werden die Grenzen zwischen Al&sub2;O&sub3; und anderen Materialien vergrößert, und dadurch findet leicht eine Trennung an den Übergängen statt. Beim Schneiden mit starkem Anpressen, wie beim diskontinuierlichen Schneiden, ist allgemein bekannt, daß die Beschädigung abrupt aufgrund der Schichtentrennung in der Freifläche und der Schneide zunimmt, so daß die Lebensdauer des Werkzeugs erreicht wird.
In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-15714 wird eine beschichtete gesinterte Legierung vorgeschlagen, welche durch Beschichten einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht bei gleichzeitiger Aufteilung derselben in eine innere Schicht mit 1 bis 3 um und eine äußere Schicht mit 0.4 bis 20 um hergestellt wird. Sowohl die Wärmeisolierung als auch der Verschleißwiderstand werden dem Al&sub2;O&sub3;-Film der äußeren Schicht zugeschrieben. Die Funktion der äußeren Schicht als adiabatische Schicht wird jedoch schon sehr zeitig aufgrund des Verschleißes reduziert, wobei auch kein spezieller Vorschlag hinsichtlich des Verschleißwiderstandes der äußeren Schicht unterbreitet wird. Daher schreitet der Verschleiß sehr rasch voran, und die Lebensdauer ist äußerst kurz.
Eine Technik, bei der ein ZrO&sub2;-Film verwendet wird, dessen freie Bildungsenergie unter normalen Bedingungen klein ist, ähnlich wie Al&sub2;O&sub3;, und eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als Al&sub2;O&sub3; hat wird in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-43188 oder der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-34182 vorgeschlagen. Trotzdem ist bisher noch kein Werkzeug zur Anwendung, bei dem ZrO&sub2; als Deckschicht verwendet wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine ZrO&sub2;-Schicht unterlegen hinsichtlich des Verschleißwiderstandes ist, da die Härte von ZrO&sub2; verglichen mit Al&sub2;O&sub3; gering ist.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-52109 offenbart eine Technik zur sukzessiven Beschichtung einer Schneidespitze aus zementiertem Carbid mit insgesamt drei Schichten, einer unteren Schicht, einer Zwischenschicht, und einer oberen Schicht. Die untere Schicht besteht aus Titancarbid, Titannitrid oder Titancarbonitrid mit einer Dicke von 1.0 bis 10.0 um, die Zwischenschicht besteht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0.1 bis 5.0 um und die obere Schicht besteht aus Titancarbid, Titannitrid oder Titancarbonitrid mit einer Dicke von 0.1 bis 3.0 um. Diese Veröffentlichung beschreibt, daß die Dicke der Zwischenschicht eine Dicke von 5.0 um nicht übersteigen darf, da ihre Widerstandsfähigkeit gemindert wird, wenn die Zwischenschicht die 5 um übersteigt. Des weiteren beschreibt die Veröffentlichung, daß die Dicke der oberen Lage 3.0 um nicht übersteigen darf, da die die Deckschicht bildenden Kristallkörner sich anhäufen, wenn die Dicke der oberen Lage 3 um übersteigt, und dies ist nicht bevorzugt.
Die japanische Patent Offenlegungsschrift Nr. 54-28316 offenbart auch eine Technik zum Bilden von Deckschichten aus einer Dreilagenstruktur auf zementiertem Carbid. Die äußerste Deckschicht besteht aus einem Nitrid und/oder Carbonitrid von wenigstens einem der Elemente Ti, Zr und Hf, die Zwischenschicht besteht aus Al&sub2;O&sub3; und/oder ZrO&sub2; und die innerste Deckschicht besteht aus einem Nitrid und/oder Carbonitrid von wenigstens einem der Elemente Ti, Zr und Hf. In diesem konkreten Beispiel beträgt die Dicke der innersten Schicht 3 um, die Dicke der Zwischenschicht beträgt 1 um, und die Dicke der äußersten Schicht beträgt 2 um. Die Dicke der äußersten Schicht ist nicht größer als die Dicke der innersten Schicht.
Das konventionelle beschichtete Hartmetall-Material mit diesen Dreilagen-Beschichtungen ist dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Oxidschicht die Beschichtung aus TiN oder TiCN mit einer Dicke von nicht mehr als 3 um aufweist. Wenn allerdings die Spitze eines solchen konventionellen beschichteten Hartmetall-Materials beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, insbesondere bei solchen Schnittvorgängen, bei denen die Temperatur an der Schneide 800ºC übersteigt, dann gibt es Probleme derart, daß die Schneide der Spitze leicht beschädigt wird, und es leicht zu einer räumlichen Veränderung des Werkstücks kommt. Es läßt sich auch der Beschreibung der letztgenannten Veröffentlichung entnehmen, daß die äußerste Schicht während eines Schnittvorgangs mit hoher Geschwindigkeit/Vorschubgeschwindigkeit oxidiert, und ein Oxid wie Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; unmittelbar freigelegt wird.

Offenbarung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorher genannten Probleme zu lösen und ein beschichtetes Hartmetall-Material zur Verfügung zu stellen, welches einen ausgezeichneten Verschleiß- und Splitterwiderstand aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, beschichtetes Hartmetall-Material für ein Schneidewerkzeug zur Verfügung zu stellen, welches in ausreichendem Maße dem Gebrauch, nicht nur unter normalen Schnittbedingungen, sondern auch unter strengen Schnittbedingungen mit hoher Geschwindigkeit der hoher Leistung trotzt, bei denen die Temperatur an der Schneide 1000ºC übersteigt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein beschichtetes Hartmetall-Material zur Verfügung, in dem harte Deckschichten auf einer Oberfläche eines Grundmaterials angeordnet sind, welches aus der Gruppe bestehend aus zementiertem Carbid und Cermet ausgewählt ist. In der vorliegenden Erfindung umfassen die harten Deckschichten die folgenden drei Schichten:
(a) eine innere Schicht, die auf dem Grundmaterial ausgebildet ist und notwendigerweise aus wenigstens einer Schicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbooxid, einem Carbostickstoffoxid und einem Bornitrid aus Ti besteht,
(b) einer Zwischenschicht, die auf er inneren Schicht ausgebildet ist und hauptsächlich aus einem Oxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und einem Gemisch oder einer festen Lösung davon besteht, und
(c) einer äußeren Schicht, die auf der Zwischenschicht ausgebildet ist und notwendigerweise aus wenigstens einer Schicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbooxid, einem Carbonitrogenoxid und einem Bornitrid aus Ti besteht.
Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Zwischenschicht wenigstens 5 um, wenn diese im wesentlichen aus Al&sub2;O&sub3; besteht, und wenigstens 0.5 um, wenn sie im wesentlichen aus ZrO&sub2; besteht. Die Dicke der äußeren Schicht beträgt wenigstens 5 um und übersteigt die Dicke der inneren Schicht.
Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke der inneren Schicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 und 5 um. Die Dicke der Zwischenschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 50 um, falls sie hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; besteht und vorzugsweise im Bereich zwischen 0.5 und 20 um, wenn sie hauptsächlich aus ZrO&sub2; besteht. Die Dicke der äußeren Schicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 100 um.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die äußere Schicht dicker ausgebildet als die innere Schicht, und die Dicke der äußeren Schicht wird mit wenigstens 5 um recht groß gewählt. Daher kann die vorliegende Erfindung ihren Verschleißwiderstand bei Schnittbedingungen von geringer bis hin zu einer hohen Geschwindigkeit länger bewahren. Die vorliegende Erfindung verwendet ferner Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2;, welche sich zur Wärmeisolierung der Zwischenschicht besonders eignen. Gerade die Zwischenschicht unterdrückt die Ausbreitung der Wärme, die in der Schneide am Grundmaterial während der Schneidearbeit erzeugt wird, und unterdrückt die plastische Verformung des Grundmaterials durch Wärme. Wird die Verformung des Grundmaterials durch Wärme unterdrückt wird, so wird auch die Trennung der Deckschicht unterdrückt. Bei der vorliegenden Erfindung werden wenigstens 5 um im Falle einer Zwischenschicht gewählt, die hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; besteht, und wenigstens 0.5 um im Falle einer Zwischenschicht gewählt, die hauptsächlich aus ZrO&sub2; besteht, wobei die Dicke der Zwischenschicht eine ausreichende Wärmeisolierung zur Verfügung stellt. Bei der vorliegenden Erfindung trägt die innere Schicht besonders zum Zusammenhalt der harten Deckschichten und dem Grundmaterial bei. Andererseits tragen die Zwischenschicht und die äußere Schicht zur Wärmeisolierung beziehungsweise zum Verschleißwiderstand bei. Daher sind bei der vorliegenden Erfindung die drei Schichten jeweils mit verschiedenen Funktionen betraut, um ein beschichtetes Hartmetall-Material zu erhalten, welches damit eine ausgezeichnete Funktionalität über einen weiten Bereich von Schnittbedingungen bietet. Ferner erhält man ein überlegenes Material durch Festlegen der Dicken der entsprechenden Schichten in geeigneten Bereichen und/oder durch Verbessern der Adhäsion zwischen den entsprechenden Schichten, was später erläutert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein konkretes Beispiel eines beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind eine innere Schicht 2, eine Zwischenschicht 3 und eine äußere Schicht 4 nacheinander auf einem Grundmaterial 1 ausgebildet.
Fig. 2A ist ein typisches Diagramm, die den Zustand der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Schneidewerkzeug darstellt. Ein Werkstück 22 wird mit einem Werkstück 21 bearbeitet, welches an einem Halter 20 befestigt ist, und ein Span 23 verursacht. Das Schneidewerkzeug 21 wird unter einem Anstellwinkel θ eingesetzt. Fig. 2B ist eine schematische Querschnittansicht, die den Verschleiß des Schneidewerkzeugs darstellt. Diese Figur stellt die verschlissene Dicke D eines Films 25 auf einem Werkzeuggrundmaterial 24 durch einen Abrasionsverlust VB dar.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein weiteres konkretes Beispiel des beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittansicht, die noch ein weiteres konkretes Beispiel des beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein weiteres konkretes Beispiel des beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein weiteres konkretes Beispiel des beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein weiteres konkretes Beispiel des beschichteten Hartmetall-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Material besteht die äußere Schicht notwendigerweise aus säulenartigen Kristallen.
Fig. 8 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen solchen Zustand darstellt, bei dem Risse in den säulenartigen Kristallen der äußeren Schicht des beschichteten Hartmetall- Materials gemäß der vorliegenden Erfindung verursacht werden.
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittansicht eines Werkstücks, welches für einen Splitterwiderstandstest entsprechend der Beispiele eingesetzt wird.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Bei dem oben erwähnten konventionellen beschichteten Hartmetall-Material-Werkzeug wurde das Grundmaterial des Werkzeugs mit einer Ti-Verbindung beschichtet, und Al&sub2;O&sub3; mit einer Dicke von 1 bis 2 um wurde darauf angebracht. Nach früherer Technik wurde ferner eine dünne TiN- oder TiCN-Schicht mit nicht mehr als 3 um auf dem Al&sub2;O&sub3; ausgebildet. Die gesamte Dicke der Deckschichten betrag etwa 10 um bei früherer Technik. Des weiteren ist es bei der früheren Technik verständlich, daß die grundlegende Funktion der äußersten aus TiN oder TiCN bestehenden Schicht in der Kenntlichmachung einer abgenutzten Ecke durch Färbung liegt, und daher ist die äußerste Schicht tatsächlich dünner als die Filmdicke der inneren Ti-Verbindung, so daß sie stark verschlissen wird. Beim konventionellen Hartmetall-Material mit Filmen aus einer Dreilagenstruktur wird folglich der äußere TiN- oder TiCN-Film bereits sehr früh abgetragen und trägt nicht zum Verschleißwiderstand bei. Bei der früheren Technik sind die innere Ti-Verbindugsschicht und die Al&sub2;O&sub3;- Schicht diejenigen, die zum Verschleißwiderstand beitragen.
In der Umgebung, in der ein beschichtetes Werkzeug aus Hartmetall-Material in der Praxis verwendet wird, wurde ein Thermoelement in einem Werkzeug eingebettet, und die Temperatur eines Werkzeugteil wurde untersucht. Folglich wurde im Bezug auf die querschnittliche Temperaturverteilung der Schneide des Werkzeugs erkannt, daß die Temperatur der Freifläche verglichen mit der Maximaltemperarur der Schneide etwa 300ºC niedriger war, und die Maximaltemperatur der Freifläche 1000ºC auch bei Hochgeschwindigkeits- Schnittvorgängen mit 500 m/Minute nicht erreichte. Ferner wurden die Verschleißwiderstands-Eigenschaften von einer Ti-Verbindung, von Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; miteinander bei entsprechenden Schnittemperaturen verglichen. Entsprechend wurde gefunden, daß Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; hinsichtlich des Verschleißwiderstandes überlegen ist, wenn die Schnittemperatur wenigstens 1000ºC an der Freifläche beträgt, während die Ti-Verbindung hinsichtlich des Verschleißwiderstandes bei Bedingungen überlegen ist, bei denen die Freiflächentemperatur geringer als 1000ºC ist. Des weiteren wurde bewiesen, daß Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; auf der Schnittfläche bei einer Temperatur von wenigstens 600ºC effektiver hinsichtlich der Unterdrückung von Kolkverschleiß sind als die Ti-Verbindung.
Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß es sich bei der Substanz, die sich hinsichtlich des Verschleißwiderstandes unter denjenigen Schnittbedingungen am meisten auszeichnet, in denen die Maximaltemperatur der Schnittfläche wenigstes 600ºC und nicht mehr als 1300 ºC, d. h. bei einer Schnittbedingung mit niedriger Geschwindigkeit von 100 m/Minute bis zu einer mit hoher Geschwindigkeit von etwa 500 m/Minute, betragen wird, um Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; auf der Schnittfläche und um die Ti-Verbindung an der Freifläche handelt. Als Deckstruktur bei dem Hartmetall-Material ergibt sich daher, daß bevorzugterweise nur die Ti- Verbindung auf die Freifläche und nur Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; auf die Schnittfläche aufgebracht werden. Trotzdem ist es schwierig, im Fall der Bildung harter Deckschichten durch Aufdampfen das aufzubringende Material auf der Oberfläche zu variieren.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde daher Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; auf der inneren Seite aufgebracht, und eine Ti-Verbindung wurde noch dicker auf der äußeren Seite aufgebracht, und dadurch wurde der Verschleißwiderstand auf der Freifläche verbessert, so daß man ein beschichtetes Hartmetall erhält, welches räumliche Veränderungen eines Werkstücks unterdrücken kann. Wie oben beschrieben wurden die Filmdicken der Zwischenschicht und der äußeren Schicht größer gewählt bei einem Hartmetall mit einer notwendigerweise aus einer Ti-Verbindung bestehenden inneren Schicht, einer notwendigerweise aus Al&sub2;O&sub3; und/oder ZrO&sub2; bestehenden Zwischenschicht und einer notwendigerweise aus einer Ti-Verbindung bestehenden äußeren Schicht, um ein Hartmetall mit hervorragendem Verschleiß- und Splitterwiderstand zu erhalten. Bildet man auf der äußeren Seite eine dicke Schicht mit einer Ti-Verbindung, kann ein harter Film mit relativ geringem Verschleißwiderstand innerhalb dieser Schicht ausgebildet werden. Im Vergleich zum Kolk-Verschleißwiderstand hat andererseits die Oxidschicht im Innern die Aufgabe, die äußere Schicht zu unterstützen.
Beim Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten, insbesondere bei einer Schnittgeschwindigkeit wo die Schneidentemperatur 800ºC übersteigt, ist die plastische Verformung der Grundmateriallegierung am problematischsten. Bei der plastischen Verformung kann eine harte Deckschicht aus Keramik mit kleinerer Verformbarkeit als beim Grundmaterial der Verformung nicht folgen, Risse entstehen in der Deckschicht, die Risse werden größer aufgrund der Schnittbelastung, und ein dem ausgesetztes Werkstück wird leicht eine Trennung der Schicht verursachen. Die herkömmliche Technik hat bislang keine ausreichende Lösung für das Problem der plastischen Verformung hervorgebracht.
Wie oben beschrieben ist weiter die Dicke der äußeren Schicht mit etwa 2 um klein, und so wird die innere Schicht rasch durch Verschleiß freigelegt. Folglich war es bisher schwierig, die räumliche Veränderung eines Werkstücks an der Freifläche zu unterdrücken. Obwohl die äußere Schicht bei herkömmlicher Technik die Schlüpfrigkeit hinsichtlich eines Werkstücks wie zum Beispiel Stahl berücksichtigt, hat man nicht die Verbesserung des Verschleißwiderstandes an der Freifläche ins Auge gefaßt.
US-A-4,357,382 offenbart femer ein Schneidewerkzeug mit einem besseren Widerstand hinsichtlich des Verschleißes seiner Oberfläche. Das Werkzeug umfaßt eine Oberflächenbeschichtung mit einer ersten Schicht aus einer oder mehreren Lagen metallischen Carbids oder Nitrids mit einer Gesamtdicke im Bereich zwischen 0.01 und 10 um, einer zweiten Schicht bestehend aus einer oder mehreren Lagen feuerfestem Oxid mit einer Gesamtdicke im Bereich zwischen 0.5 und 10 um und eine dritte Schicht bestehend aus einer oder mehreren Lagen eines Nitrids, Carbonitrids, Oxynitrids, Oxycarbids, oder Oxycarbonitrids sowie einem Borid aus Metallen wie zum Beispiel Titan, Zirconium, Hafnium, Aluminium und Silizium mit einer Gesamtdicke im Bereich zwischen 1 und 10 um.
US-A-4,714,660 offenbart ein beschichtetes zementiertes Carbidprodukt, welches ein Substrat aus zementiertem Carbid und eine dichte, chemisch aufgedampfte Beschichtung mit einer MikroStruktur aus wenigstens zwei gleichzeitig zusammen aufgedampfter Phasen aufweist, welche eine Verbundschicht bilden. Die beiden Phasen weisen (1) Ti, Zr, Hf, V, Nb oder Ta-(Carbo)nitrid, -(Oxy)carbid, -Oxycarbonitrid, -Silizid oder -Borid oder Cr, Mo, W-Carbid, Silizid oder -Borid oder Si oder B-Carbid oder -Nitrid und (2) Al, Ti, Zr, Hf, Mg, Si oder Ca-Oxid oder -Nitrid auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein beschichtetes Hartmetallmaterial mit einem verbesserten Verschleißwiderstand zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Bereitstellen eines beschichteten Hartmetallmaterials gelöst, welches die Merkmale des anliegenden Anspruchs 1 aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann andererseits die plastische Verformung des Grundmaterials beim Schneiden verglichen mit der bisherigen Technik unterdrückt werden durch das Verwenden von Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; als Zwischenschicht, welche eine ausgezeichnete Wärmeisolation aufweisen. Folglich wird kaum noch eine Trennung der Deckschichten bei einem Schneidewerkzeug mit dem erfinderischen Hartmetall verursacht. Femer besitzt dieses einen ausgezeichnete Verschleißwiderstand auf der Freifläche durch das Vorsehen einer Filmdicke der äußeren Schicht aus einer Ti-Verbindung, die dicker ist als die innere Schicht und 5 um übersteigt. Nach der vorliegenden Erfindung ist es daher femer möglich, ein beschichtetes Hartmetall-Schneidewerkzeug bereitzustellen, welches keine räumliche Veränderung des Werkstücks verursacht, und welches gleichzeitig Kolkverschleiß auf der Freifläche unterdrücken kann. Diese Charakteristika werden durch die notwendigerweise aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; oder einem Gemisch daraus mit geeigneter Dicke bestehende Zwischenschicht und durch die notwendigerweise aus einer Ti-Verbindung bestehende darauf dick ausgebildete äußere Schicht hervorgerufen.
Bei dem beschichteten Hartmetall-Material gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Grundmaterial zementiertes Carbid oder Cermet, d. h. ein Hartmaterial, welches notwendigerweise aus einem Material aus der Eisenfamilie und Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von Elementen der Gruppen IVa, Va und Via des Periodensystems besteht. Unter den harten Deckschichten, die auf diesem Material angeordnet werden, fungiert die innere Schicht aus einer Ti-Verbindung, die das Grundmaterial mit der Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; verbindet, die Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; verbessert die Resistenz gegenüber Kolkverschleiß und plastischer Verformung auf der Schnittfläche, und die äußere Schicht aus einer Ti-Verbindung, die dicker aufgetragen wird als die innere Schicht, trägt zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes an der Freifläche bei.
Daher ist das mit einem Hartmetall beschichtetes Schneidewerkzeug der vorliegenden Erfindung ausgezeichnet hinsichtlich des Verschleißwiderstandes auf der Freifläche aufgrund des überlegenen Verschleißwiderstandes der Ti-Verbindung bei höchstens 1000ºC, reduziert die räumliche Veränderung des Werkstücks und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs. Auf dem Schnittflächenteil, welcher eine höhere Temperatur aufweisen wird als der Freiflächenabschnitt, kann des weiteren eine ausgezeichnete Resistenz gegenüber Kolkverschleiß sogar dann erwartet werden, wenn die äußere Schicht aus der Ti-Verbindung verschlissen wird, da sich die Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; darunter befindet. Für das Werkzeug ist der Verschleiß auf der Schnittfläche nicht so problematisch, solange das Grundmaterial nicht hervortritt, und der Verschleiß der äußeren Schicht aus der Ti- Verbindung zu einem frühen Zeitpunkt stellt kein beachtliches Hindernis dar. Folglich kann das Schneidewerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand innerhalb eines weiten Bereiches von Bedingungen von geringer bis hin zu hoher Geschwindigkeit vorweisen.
Unter den harten Deckschichten besteht die innere auf dem Grundmaterial ausgebildete Schicht notwendigerweise aus wenigstens einer Schicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbooxid, einem Carbostickstoffoxid und einem Bornitrid aus Ti. Der Grund warum diese Ti- Verbindungen als innere Schichten verwendet werden liegt darin, daß sie hinsichtlich ihrer Adhäsion am Hartmetall, also dem Grundmaterial, vorzüglich geeignet sind, und sie sind auch hervorragend hinsichtlich der Adhäsionseigenschaften gegenüber ALjOs und ZrO&sub2;, die die Zwischenschicht bilden. Ferner liegt ihre Dicke im Bereich zwischen 0.1 bis 5 um, und vorzugsweise im Bereich zwischen 0.5 und 3 um, da ihre Wirkung nicht eintritt, wenn die Dicke insgesamt weniger als 0.1 um beträgt, während sie als Adhäsionsschicht zu dick ist, wenn die Dicke 5 um überschreitet.
Die auf der inneren Schicht ausgebildete Zwischenschicht besteht hauptsächlich aus ZrO&sub2; oder einem Gemisch oder einer Feststofflösung daraus. Wenn ein Gemisch verwendet wird, ist ein beliebiger der beiden Stoffe in großer Menge als Hauptkomponente enthalten. Besteht die Zwischenschicht hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3;, kann eine weitere Substanz, beispielsweise ZrO&sub2;, HfO&sub2;, TiO&sub2;, TiC oder TiN in einem Verhältnis von nicht mehr als 50% enthalten sein, oder es können Ti, Zr, Cl oder N in fester Form in der Zwischenschicht in einem Verhältnis von nicht mehr als 50% gelöst sein. Femer kann die hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; bestehende Zwischenschicht durch einem weiteren Film, beispielsweise aus einem dünnen Film aus einer Ti-Verbindung wie zum Beispiel TiC, TiCN, TiN, TiBN, TiCO oder TiCNO, aus einer Al-Verbindung wie zum Beispiel AlN oder AlNO oder aus einem Oxid wie zum Beispiel ZrO&sub2;, HfO&sub2; oder TiO&sub2;, geteilt werden.
Die hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; bestehende Zwischenschicht hat eine große Auswirkung auf das Unterdrücken plastischer Verformungen des Grundmaterials und auf das Verbessern der Resistenz gegen Kolkverschleiß auf der Schnittfläche. Im besonderen ist der Effekt dieser Zwischenschicht wichtig, daß die Unterdrückung der Filmtrennung resultierend aus der thermischen Verformung des Grundmaterials durch eine Wärmeisolierung ermöglicht worden ist. Der Effekt ist jedoch klein, wenn die Filmdicke der Zwischenschicht kleiner als 5 um ist, während die Festigkeit verringert wird, wenn die Dicke 50 um übersteigt, und so liegt der erfindungsgemäße Bereich zwischen 5 und 50 um und vorzugsweise zwischen 10 und 40 um.
Andererseits ist ZrO&sub2; noch nicht in der Praxis verwendet worden, da seine Festigkeit und sein Verschleißwiderstand gering sind, während seine Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der von Al&sub2;O&sub3; extrem klein ist. Al&sub2;O&sub3; hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0.054 cal/cm·s·ºC und ZrO&sub2; hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0.005 cal/cm·s·ºC bei 20ºC, während die Wärmeleitfähigkeit bei 1000ºC von Al&sub2;O&sub3; 0.015 cal/cm·s·ºC und von ZrO&sub2; 0.005 cal/cm·s·ºC beträgt. Folglich eignet sich ZrO&sub2; hervorragend zur Unterdrückung plastischer Verformungen des Grundmaterials, und man erhält in einer Schicht, die dünner als die Al&sub2;O&sub3;-Schicht ist, einen Wärmeisolierungseffekt, der im wesentlichen mit dem von Al&sub2;O&sub3; identisch ist.
Auf der Grundlage einer solchen Erkenntnis wurde durch Ausprobieren ein Werkzeug durch Bereitstellen einer Zwischenschicht aus ZrO&sub2; auf einer dünnen inneren Schicht aus einer auf einem Grundmaterial ausgebildeten Ti-Verbindung und durch Überdecken dieser Schicht mit einer dicken äußeren Schicht aus einer Ti-Verbindung, und ein Hochgeschwindigkeits- Schnittest wurde ausgeführt. Folglich wurde herausgefunden, daß das Werkzeug mit der Deckschichtstruktur der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem Werkzeug mit konventioneller Deckschichtstruktur überlegen hinsichtlich der plastischen Verformung und überlegen hinsichtlich des Verschleißwiderstandes an der Freifläche ist. Man hat bewiesen, daß kaum eine räumliche Veränderung eines Werkstücks verursacht wird und gleichzeitig der Kolkverschleiß auf der Schnittfläche ebenfalls unterdrückt werden kann, wenn ein Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Des weiteren wurde auch bewiesen, daß auch verglichen mit der Verwendung von Al&sub2;O&sub3; für die Zwischenschicht die ZrO&sub2;-Zwischenschicht nicht nur hervorragende Resistenz gegen plastische Verformungen mit einer dünneren Schicht erreicht werden kann, sondern die Filmdicke reduziert werden kann, wobei die Glätte der Deckschicht die Trennungsresistenz verbessert werden. Zu unserer Überraschung wurde ferner ein unerwarteter Effekt derart erreicht, daß der Verschleiß am Rand, der bei dem Schneiden von einem stark gehärteten Werkstück wie rostfreiem Stahl an Bedeutung gewinnt, verringert und Splitterwiderstand verbessert wird. Obwohl die Ursache hierfür nicht geklärt ist, ist dies wahrscheinlich so, weil der Young Modul von ZrO&sub2; klein und seine Festigkeit gering ist und folglich seine Verformbarkeit groß ist.
Im Falle der Verwendung einer Zwischenschicht, die hauptsächlich aus ZrO&sub2; besteht, können ein weiteres Oxid, wie zum Beispiel Al&sub2;O&sub3;, HfO&sub2; oder TiO&sub2;, TiC oder TiN in einem Verhältnis von nicht mehr als 50% enthalten sein, oder es können Al, Ti, Cl, oder N als Feststoff in der Zwischenschicht in einem Verhältnis von nicht mehr als 50% gelöst sein. Femer kann eine hauptsächlich aus ZrO&sub2; bestehenden Zwischenschicht durch einen anderen Film, zum Beispiel einen dünnen Film aus einer Ti-Verbindung wie TiC, TiCN, TiN, TiBN, TiCO oder TiCNO, aus einer Zr-Verbindung wie ZrN oder ZrC oder aus einem Oxid wie Al&sub2;O&sub3;, HfO&sub2; oder TiO&sub2; geteilt werden. Die hauptsächlich aus ZrO&sub2; bestehende Zwischenschicht hat eine große Auswirkung hinsichtlich der Unterdrückung plastischer Verformungen des Grundmaterials und hinsichtlich der Verbesserung der Resistenz gegenüber Kolkverschleiß auf der Schnittfläche. Besonders wichtig ist ein Effekt derart, daß die Unterdrückung der Filmtrennung, die aus der Verformung des Grundmaterials resultiert, durch diese Zwischenschicht ermöglicht worden ist. Der Effekt ist jedoch klein, wenn ihre Filmdicke kleiner ist als 0.5 um, während die Festigkeit reduziert wird, wenn die Dicke 20 um übersteigt, und folglich liegt der erfinderische Bereich zwischen 0.5 und 20 um, und vorzugsweise zwischen 3 und 15 um.
Die auf der Zwischenschicht ausgebildete äußere Schicht besteht notwendigerweise aus wenigstens einer Schicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbooxid, einem Carbostickstoffoxid und einem Bornitrid aus Titan, und verbessert den Verschleißwiderstand auf der Freifläche. Der Grund warum die Dicke der äußeren Schicht auf wenigstens 5 um festgelegt wird, wird im folgenden beschrieben. Als die Erfinder gebrauchte Werkzeuge in der Stahlteil Verarbeitungsanlage eines Automobil-Herstellers sammelten und die Beschädigungszustände der Werkzeuge untersuchten, haben sie bestätigt, daß fast alle Werkzeuge einen Verschleiß der Freifläche von wenigstens 0.05 mm zeigten. Ein Schneidewerkzeug wird bei einem Anstellwinkel θ von 5 bis 6º verwendet, wie in Fig. 2A gezeigt, und folglich entspricht die Abrasion VB von 0.05 mm dem maximalen Verschleiß eines Films von etwa 5 um (0.05 mm · tan 6º), wie in Fig. 2B gezeigt. Daher wird die untere Schicht oder das hinsichtlich des Verschleißwiderstandes unterlegene Grundmaterial freigelegt, und das Werkzeug neigt dazu, eine kurze Lebensdauer zu haben, es sei denn man sieht einen Film von wenigstens 5 um mit ausgezeichnetem Verschleißwiderstand auf der Werkzeugoberfläche vor. Es ist daher nötig, für die äußere Schicht einen Film aus einer Ti-Verbindung mit hervorragendem Verschleißwiderstand bei 100 m/Minute bis zu 500 m/Minute zu verwenden und diesen mit mehr als 5 um zu beschichten. Die Härte wird jedoch verringert, wenn 100 um überschritten werden, und so liegt die Filmdicke vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 100 um. Bei einer Schnittbedingung, bei der die Schnittgeschwindigkeit 300 m/Minute übersteigt ist eine Filmdicke von 10 um besonders bevorzugt, und der Bereich von 15 bis 50 um ist noch vorteilhafter.
Falls eine hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; bestehende Zwischenschicht verwendet wird, liegt die gesamte Filmdicke der harten Deckschichten vorzugsweise im Bereich zwischen 25 und 60 um. In diesem Bereich ist es möglich, noch effektiver das Grundmaterial zu schützen und außerdem einen ausgezeichneten Splitterwiderstand zu erhalten. Besteht die Zwischenschicht andererseits hauptsächlich aus ZrO&sub2;, so liegt die Filmdicke der harten Deckschichten vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 60 um. In diesem Bereich wird das Grundmaterial effektiver geschützt und man erhält einen ausgezeichneten Splitterwiderstand.
Es ist bewiesen, daß es im Falle eines direkten Aufbringens einer Ti-Verbindung auf die Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; schwierig ist, die Filmdicke der äußeren Ti-Verbindung zu vergrößern, da die Adhäsion zwischen beiden Schichten gering ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, zusätzlich einen dünnen Film zwischen der Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; und der äußeren Schicht vorzusehen. Dieser Film wird in direktem Kontakt mit der Zwischenschicht ausgebildet, und eine Filmdicke von 0.1 bis 2 um ist bevorzugt. Dieser dünne Film kann in einen in einen Al aufweisenden Film eingebracht werden, der notwendigerweise aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Nitrid und einem Oxynitrid aus Al, besteht. Verwendet man einen solchen Al aufweisenden dünnen Film, ist es noch vorteilhafter, daß der Stickstoffgehalt in dem dünnen Film verringert und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, je näher der Film der Zwischenschicht kommt. Dieser dünne Film verbessert die Adhäsion zwischen der Al&sub2;O&sub3;-Zwischenschicht und der äußeren Schicht aus der Ti-Verbindung. Aufgrund dieses Films rindet kaum eine Trennung der Schichten statt, und man erhält einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand. Im besonderen wird die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht weiter erhöht durch die oben beschriebene stetige Veränderung der Zusammensetzung des dünnen Films zwischen Al&sub2;O&sub3;, AlN oder AlON, so daß eine Trennung kaum noch stattfindet.
Besteht die Zwischenschicht hauptsächlich aus ZrO&sub2; ist es andererseits vorzuziehen, zusätzlich einen Zr aufweisenden dünnen Film, welcher notwendigerweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbooxid, einem Oxynitrid und einem Carbostickstoffoxid aus Zr besteht, zwischen der Zwischenschicht und der mit der Zwischenschicht in Kontakt befindlichen äußeren Schicht auszubilden. Die Dicke dieses dünnen Films beträgt vorzugsweise 0.1 bis 2 um. Aufgrund dieses dünnen Films wird die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht verstärkt, und eine dickere äußere Schicht kann gebildet werden. Aufgrund der hervorragenden Adhäsion findet ferner eine Trennung der Schichten kaum statt, und man kann einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand erhalten. Auch ist es in diesem Falle eines Zr aufweisenden Films vorteilhaft, daß der Stickstoffgehalt und/oder Kohlenstoffgehalt verringert und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, je näher der Film der Zwischenschicht kommt. Durch stetiges Verändern der Zusammensetzung zwischen ZrO&sub2; und der Zr- Verbindung erhält man daher eine noch vorzüglichere Adhäsion und eine Trennung der Schichten kann noch effektiver unterdrückt werden.
Eine weitere Struktur zur Ausbildung eines dünnen Films zwischen einer Zwischenschicht und einer äußeren Schicht ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist eine innere Schicht 2 auf einem Grundmaterial ausgebildet, eine Zwischenschicht 3 ist darauf aufgebracht. Die Zwischenschicht 3 ist durch einen Al oder Zr aufweisenden dünnen Film 10 fest an eine äußere Schicht 4 gebunden.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, kann andererseits ein weiterer dünner Film zwischen einer Zwischenschicht 3 und einer äußeren Schicht 4 zusätzlich zu dem Al oder Zr enthaltenden dünnen Film ausgebildet sein. Bei einer solchen Beschichtung ist dann die innere Schicht 2 auf dem Grundmaterial 1 ausgebildet, und die Zwischenschicht 3 ist darüber angebracht. Der Al oder Zr aufweisende dünne Film 10 ist auf der Zwischenschicht 3 aufgebracht. Der Al oder Zr aufweisende dünne Film 10 ist mittels eines dünnen Films 12 fest an die äußere Schicht 4 gebunden. Ein entsprechender dünner Film 12 kann aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBNO, TiNO, TiO&sub2; bestehen.
Andererseits kann ein dünner Film bestehend aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBNO, TiNO, TiO&sub2; anstelle der Al oder Zr aufweisenden Schicht verwendet werden, um die Adhäsion zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht zu verbessern. Solch ein dünner Film gehört zu der äußeren Schicht wie oben definiert. Eine Struktur, die diesen dünnen Film verwendet, ist in Fig. 5 dargestellt. Die innere Schicht 2 ist auf dem Grundmaterial 1 ausgebildet, und die Zwischenschicht 3 ist darauf aufgebracht. Die Zwischenschicht 3 ist fest durch einen notwendigerweise aus TiBN, TiCO oder TiCNO bestehenden dünnen Film 14 an die äußere Schicht 4 gebunden. Eine stärkere Adhäsion erhält man durch die Verwendung eines solchen Materials für den Teil der äußeren Schicht, welcher mit der Zwischenschicht in Kontakt gebracht wird.
Es ist auch möglich, einen notwendigerweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBNO, TiNO und TiO&sub2; bestehenden dünnen Film zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht im Kontakt mit der Zwischenschicht vorzusehen. Eine Struktur, die einen solchen Film verwendet, ist in Fig. 6 gezeigt. Die innere Schicht 2 ist auf dem Grundmaterial 1 ausgebildet, und die Zwischenschicht 3 ist darauf aufgebracht. Die Zwischenschicht ist fest an die äußere Schicht 4 durch einen dünnen Film 16 gebunden. Der dünne Film 16 kann in einen dünnen Film aus TiBNO, TiNO oder TiO&sub2; eingebracht werden. Die Dicke dieses Films liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 und 2 um.
Zur Verbesserung des Splitterwiderstandes, besteht die äußere Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich aus säulenartigen Kristallen. Wenn die Deckschichten auf dem Grundmaterial durch chemisches Aufdampfen (CVD) oder dergleichen aufgebracht werden, wird eine Restzugspannung auf den Deckschichten durch die Unterschiede zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials und dem der Deckschichten verursacht und so der Splitterwiderstand des Werkzeugs generell reduziert. Man nimmt jedoch an, daß wenn die äußere Schicht 4 hauptsächlich aus säulenartigen Kristallen 5 besteht, wie in Fig. 7 gezeigt, Restzugspannungen wirksam dadurch abgebaut werden, daß Risse 6 an den Korngrenzen der säulenartigen Kristalle 5 hervorgerufen werden, so daß kaum ein Splittern verursacht werden, die die Lebensdauer des Werkzeugs beeinflussen.
Es ist daher möglich, die Filmdicke der äußeren Schicht 4 durch fertigen der äußeren Schicht 4 aus säulenartigen Kristallen 5 beim erfindungsgemäßen Hartmetall-Material zu erhöhen, wobei eine innere Schicht 2 aus einer Ti-Verbindung auf einem Grundmaterial 1, eine hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; bestehende Zwischenschicht 3 darüber und wiederum darüber eine äußere Schicht 4 aus einer Ti-Verbindung vorgesehen sind, wie in Fig. 7 gezeigt, so daß ein noch ausgezeichneterer Verschleißwiderstand über einen langen Zeitraum gegeben ist.
Wenn das Längen-Breiten-Verhältnis der säulenartigen Kristalle 5 5 zu 80 beträgt, ist der Verschleiß- und Splitterwiderstand besonders bemerkenswert. Hier ist das Längen-Breiten- Verhältnis das Verhältnis 1/d der Länge 1 der säulenartigen Kristalle 5 zum Kristallkomdurchmesser d, wie in Fig. 7 gezeigt. Seine Messung wurde durch Photographieren eines Ausschnitts der harten Deckschicht mit einem TEM und Erhalt eine Durchschnittswerts über drei beliebige sichtbare Bereiche durchgeführt.
Besonders wenn die äußere Schicht notwendigerweise aus säulenartigen Kristallen aus TiCN besteht, sind der Verschleißwiderstand an der Freifläche und der Splitterwiderstand noch besser. Nach alledem erhält man eine besonders ausgezeichnete Verschleißresistenz, wenn das C : N-Verhältnis des TiCN ein molares Verhältnis im Bereich von 5 : 5 bis 7 : 3 ist. Dies ist so, weil Härte und Widerstandsfähigkeit der Deckschicht gut ausgewogen sind, so daß ein ausgezeichneter Verschleiß- und Splitterwiderstand gegeben sind, wenn das C : N- Verhältnis des TiCN sich in diesem Bereich bewegt. Das molare Verhältnis des C : N- Verhältnisses kann durch Ermittehl der Gitterkonstante von der äußeren TiCN Schicht durch eine Analyse mittels ESCA (ELECTRON SPECTROSCOPY FOR CHEMICAL ANALY- SIS), EPMA (ELECTRON PROBE MICRO ANALYSIS) oder Röntgenanalyse gemessen werden.
Nach einem von den Erfindern erhaltenen Ergebnis mittels Röntgenanalyse bewegte sich die Gitterkonstante von TiCN bei einem molaren Verhältnis des C : N Verhältnisses im zwischen 5 : 5 und 7 : 3 in einem Bereich zwischen 4.275 und 4.295, und besonders ausgezeichnete Verschleiß- und Splitterwiderstände waren zu dieser Zeit gegeben. Während dieses Resultat eine Abweichung hinsichtlich der stöchiometrischen Zusammensetzung des TiCN enthält, scheint eine solche Abweichung dadurch hervorgerufen worden zu sein, daß TiCN möglicherweise eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung, wie zum Beispiel Ti(CN)0,9, hat.
Ferner hat das TiCN der äußeren Schicht seine maximale Scheitelpunktstärke bei einer Kristallebene ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (III), (422) und (311). Ein TiCN- Film der äußeren Schicht mit diesen Charakteristika ist hinsichtlich der Adhäsion an der unteren Schicht besonders geeignet.
Bei harten Deckschichten besteht die dickste in der inneren Schicht enthaltene Schicht notwendigerweise aus einer Schicht, die hauptsächlich aus säulenartigen Kristallen mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 5 zu 30 besteht. Eine solche innere Schicht kann eine große Härte haben. Wird das Längen-Breiten-Verhältnis im Falle des Verdickens der inneren Schicht in diesem Verhältnis festgelegt, kann eine Verringerung der Härte der inneren Schicht unterdrückt werden.
Die Zwischenschicht beinhaltet auf der anderen Seite vorzugsweise eine Schicht, die in der Hauptsache aus säulenartigen Kristallen mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 3 zu 20 besteht. Die Härte und Widerstandsfähigkeit der Zwischenschicht hängen nicht allein von der Korngröße, sondern auch vom Längen-Breiten- Verhältnis der Kristallkörner ab. Die Erfinder haben entdeckt, daß die Härte und Widerstandsfähigkeit verbessert werden kann, wenn man das Längen-Breiten-Verhältnis der Kristallkörner in der Zwischenschicht auf 3 zu 20 einstellt. Ferner haben die Erfinder entdeckt, das der Grad des Anhäufens der Kristallkörner klein ist, und daß das Längen-Breiten-Verhältnis der Kristallkörner vergrößert werden kann, sogar wenn ein Film aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; verdickt wird. Und es wurde bewiesen, daß ein Film mit ausgezeichneter Härte und Widerstandsfähigkeit eher durch ein Verdicken des Films erhalten werden kann.
Es ist noch vorteilhafter, daß das Al&sub2;O&sub3; der Zwischenschicht hauptsächlich aus α-A&sub2;O&sub3; besteht. Ein Kristallkorn mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 3 zu 20 kann einfach durch das Herstellen des Kristallsystems aus einem Al&sub2;O&sub3; vom α-Typ gebildet werden, und man kann einen Film mit ausgezeichneter Härte und Widerstandsfähigkeit erhalten. Ferner hat der α-A&sub2;O&sub3;-Film vorzugsweise seine maximale Scheitelpunktstärke bei einer Kristallebene ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (104) und (116). Daher kann die Adhäsion zwischen der äußeren Schicht und dem Al&sub2;O&sub3;-Film verbessert werden.
Andererseits kann das Kristallsystem aus Al&sub2;O&sub3; in der Zwischenschicht hauptsächlich aus κ- Al&sub2;O&sub3; im Bereich des in Kontakt mit der inneren Schicht stehenden Teils und des Teils in Kontakt mit der äußeren Schicht stehenden Teils bestehen. Die Adhäsion zwischen der inneren und der äußeren Schicht und der Zwischenschicht kann durch das Vorsehen von κ- in den mit der äußeren beziehungsweise inneren Schicht in Kontakt stehenden Abschnitten verbessert werden. Ferner kann man eine Zwischenlage erhalten, die sich durch Härte und Widerstandsfähigkeit und durch hervorragende Adhäsion auszeichnet, durch das Ausbilden einer Zwischenschicht, die α-A&sub2;O&sub3; mit κ-Al&sub2;O&sub3; enthält.
Die Erfinder haben entdeckt, das man besonders ausgezeichnete Trennungsresistenz und einen ausgezeichneten Splitterwiderstand bereitstellen kann durch das gezielte Beeinflussen der Abstände zwischen Rissen, die sich auf den harten Deckschichten bei geeigneten Werten ausbilden. Hinsichtlich mehrerer auf den harten Deckschichten gebildeten Risse, liegt nämlich der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten Rissen vorzugsweise zwischen 20 und 40 um. Des weiteren sind die Abstände zwischen den Rissen in der inneren und der äußeren Schicht vorzugsweise kleiner als die zwischen den Rissen in der Zwischenschicht. Ausgezeichnete Splitter- und Verschleißwiderstände kann man durch ein solches gezieltes Beeinflussen des Verteilungszustandes der Risse erhalten. Besonders bei einer Beschichtung mit einer Dicke von wenigstens 25 um ist der Effekt der gezielten Beeinflussung der Abstände zwischen den Rissen in diesem Bereich bemerkenswert. Aufgrund einer derartigen gezielten Beeinflussung der Abstände zwischen den Rissen wurde die Verwendung von beschichtetem Hartmetall mit allgemein als nicht verwendbar geltenden dickeren Filmen ermöglicht.
Die innere Schicht, die Zwischenschicht und die äußere Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung können durch gewöhnliches chemisches oder physikalisches Aufdampfen (CVD, PVD) gebildet werden. Im Fall der Herstellung der äußeren Schicht aus TiCN auf einer Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; durch chemisches Aufdampfen (CVD) kann TiCN bei 700 bis 1100ºC mit einem Druck von nicht mehr als 500 Torr beschichtet werden, wobei TiCU als eine Ti-Quelle aus Rohstoffgas, ein organisches Carbonitrid als Kohlenstoff- und Stickstoff-Quelle und Wasserstoffgas als Trägergas verwendet werden. Mit einem solchen Schritt wird eine homogene und feine Kristallisationskeimbildung von TiCN auf Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; durchgeführt, wobei man eine harte Deckschicht erhalten, die ausgezeichnete Adhäsion mit der Zwischenschicht aufweist, kaum eine Trennung zwischen den Schichten verursacht und über einen vorzüglichen Verschleißwiderstand verfugt.
Verwendet man ein organisches Carbonitrid wie zum Beispiel CH&sub3;CN als Kohlenstoff- und Stickstoff-Quelle im Rahmen des oben genannten Verfahrens, so können insbesondere die Kristallkörner der äußeren TiCN-Schicht auf einfache Weise in eine säulenartige Kristallform gebracht werden, zudem ist es leicht, das Längen-Breiten-Verhältnis der säulenartigen Kristalle zu vergrößern, und es kann leicht eine äußere TiCN-Schicht mit einem molaren Verhältnis des C : N-Verhältnisses innerhalb des Bereichs zwischen 5 : 5 und 7 : 3 ausgebildet werden.
Bei dem beschichteten Hartmetall-Material gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Film aus einem Oxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und HfO&sub2; auf die äußere Schicht mit einer Dicke von insgesamt 0.5 bis 5 um aufgebracht werden. Verschleiß an den Grenzflächen und Verschlechterung des Films aus Ti-Verbindung an anderen als den abgetragenen Stellen können durch Beschichten der äußeren Schicht mit solch einem Film verhindert werden. Besonders bemerkenswert war der Effekt des Unterdrückens von Grenzflächenverschleiß beim Schneiden von unschneidbarem Material wie rostfreiem Stahl. Der Effekt ist klein, wenn die Dicke dieses Films kleiner als 0.5 um ist, und der Verschleißwiderstand an der Freifläche wird reduziert, wenn sie größer als 0.5 um ist. Besonders vorteilhaft ist ein Bereich der Dicke von 1 bis 3 um. Femer ist dieser Film vorzugsweise dünner als die Zwischenschicht. Ein dünner Film aus TiN oder ZrN, der in goldener Farbe erscheint, kann auf die am weitesten außen liegende Oberfläche des beschichteten Hartmetalls der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden. Dies macht man, weil die goldene Farbe bei der Identifikation abgenutzter Ecken hilfreich ist.
Das beschichtete Hartmetall der vorliegenden Erfindung kann für ein Schneidewerkzeug verwendet werden. Folglich kann das beschichtete Hartmetall der vorliegenden Erfindung die Form eines Schneidewerkzeugs, zum Beispiel die einer Spitze, haben. Bei der Schneide eines Schneidewerkzeugs, welches durch das beschichtete Hartmetall gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, ist es noch vorteilhafter, daß Teile der harten Deckschichten entfernt werden, und eine Oberfläche gebildet wird, deren durchschnittlicher Wert für die Oberflächenrauhigkeit Ra nicht größer als 0.05 um ist. Ein Schneidewerkzeug, welches hinsichtlich des Verschleißwiderstandes ausgezeichnet ist, kann durch das Ausbilden solch einer glatten Oberfläche auf einem Teil der Schnittfläche bereitgestellt werden.
Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nun anhand von Beispielen gezeigt werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1

ISO M20 zementiertes Carbid (Grundmaterial 1), ISO K&sub2;O (Grundmaterial 2) und ein kommerziell erhältliches Cermet-Werkzeug (Grundmaterial 3) wurden als Grundmaterialien bereitgestellt, jede der in Tabelle 1 gezeigten harten Deckschichten wurde auf jedem Grundmaterial mittels des gut bekannten chemischen Aufdampfens (CVD) bei einer Aufdampftemperatur von 1000ºC ausgebildet, um entsprechend Werkzeuge aus SNGN120408 von der Form einer Spitze herzustellen.

[Tabelle 1]

Symbol Struktur der harten Deckschicht (linke Seite = Grundmaterialseite, in Klammern = Filmdicke (um))
A TiN(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(10)/TiCN(15)
B TiC(0.5)/TiCN(3)/TiBN(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(5)/TiN(7)
C TiCN(2)/TiCO(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(20)/TiCN(20)
D TiN(0.5)TiCNO(0,5)/Al&sub2;O&sub3;(45)/TiCN(30)/TiC(10)
E Al&sub2;O&sub3;(10)/TiCN(15)
F TiN(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(2)/TiCN(15)
G TiN(0.5)/TiCN(15)/Al&sub2;O&sub3;(10)
H TiN(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(10)
I TiN(1)/TiBN(0.5)/Al&sub2;O&sub3;(10)/TiC(0.5)/TiCN(10)
(Bemerkung) In Bezug auf Strukturen der harten Deckschichten in der Tabelle gilt die Tatsache, daß die linken Seiten die des Grundmaterials sind und die Inhalte der Klammern die Filmdicken angeben (um) auch für die nachfolgenden Tabellen.
Die entsprechenden Spitzen, die die harten Deckschichten auf dem Grundmaterial ausbilden, wurden für Schneidewerkzeuge aus SCM415 unter Schnittbedingungen entsprechend der folgenden Tabelle 2 verwendet, und die Schnittleistung wurde ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt, zusammen mit den Kombinationen der Grundmaterialien mit den harten Deckschichten. [Tabelle 2] [Tabelle 3]
(Bemerkung) Die mit * gekennzeichneten Proben in den Tabellen sind vergleichende Beispiele (und so weiter).
Aus den obigen Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Spitzen der Proben 1 bis 4 des erfindungsgemäßen Beispiels ausgezeichnete Schnittleistungen nicht nur beim Hochgeschwindigkeitsschneiden (Schnittbedingung 1), sondern auch beim Schneiden bei niederen Geschwindigkeiten (Schnittbedingung 2) aufzeigen. Aus einem Vergleich der Proben 1 und 5 kann die Auswirkung mit einer Ti-Verbindung als innere Schicht verstanden werden. Durch einen Vergleich der Proben 1 und 6, entnimmt man, daß der Effekt klein ist, wenn die Filmdicke der Al&sub2;O&sub3; Zwischenlage 2 um beträgt, während man aus einem Vergleich der Proben 1 und 7 lernt, daß Al&sub2;O&sub3; hinsichtlich des Verschleißwiderstandes überlegen ist, wenn es als Zwischenschicht verwendet wird, statt es als äußere Schicht aufzubringen.
Durch einen Vergleich der Proben 1 und 8 kann man verstehen, daß die Ti-Verbindung hinsichtlich des Verschleißwiderstandes dem Al&sub2;O&sub3; als äußere Schicht überlegen ist.

Beispiel 2

Die in der folgenden Tabelle 4 gezeigten harten Deckschichten wurden auf Oberflächen aus dem Grundmaterial 1 im obigen Beispiel 1 ausgebildet, um die Spitzen der Proben 9 bis 14 herzustellen. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleisrungen unter der Schnittbedingung 2 ähnlich wie bei Beispiel 1 verwendet. Ein Werkstück 7 aus SCM435 mit vier Nuten 8 auf seinem Umfang, wie in Fig. 9 gezeigt, wurde zum Test des Splitterwiderstandes unter Schnittbedingung 3 der obigen Tabelle 2 verwendet. Der Splitterwiderstand wurde mit Hilfe der Schnittzeiten bis zum Splittern der Spitzen ausgewertet. Diese Resultate sind in Tabelle 4 zusammengestellt. [Tabelle 4]
Wie aus den obigen Ergebnissen hervorgeht, verursachte die Probe 9 ohne Ti-Verbindung als innere Schicht sehr früh die Teilung der Deckschichten in einem Verschleißwiderstands- Test, da die Adhäsion der Deckschichten niedrig war, so daß die Lebensdauer der Probe extrem kurz war. Die Spitze der Probe 14 zeigte ein Ergebnis mit etwas Splitterwiderstand, da die Filmdicke der inneren Schicht groß war, während die Probe sich hinsichtlich des Verschleißwiderstandes ausgezeichnet präsentierte. Andererseits sind die Proben 10 bis 13 des erfindungsgemäßen Beispiels hinsichtlich der Verschleiß- und Splitterwiderstände hervorragend, wobei sich die Proben 11 und 12 hinsichtlich ihrer Ausgewogenheit in Bezug auf Verschleiß- und Splitterwiderstand besonders auszeichnen.

Beispiel 3

Harte Deckschichten, wie sie in der folgenden Tabelle 5 gezeigt sind, wurden auf Oberflächen aus Grundmaterialien 2 des obigen Beispiels 1 ausgebildet, um Spitzen für die Proben 15 bis 21 herzustellen. Diese Spitzen wurden verwendet, um die Schnittleistung unter Schnittbedingung 1 ähnlich wie in Beispiel 1 auszuwerten. Ähnlich Beispiel 2 wurde ferner der Splitterwiderstand unter Schnittbedingung 3 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. [Tabelle 5]
Wie man den obigen Resultaten entnehmen kann, zeigten die Proben, anders als Probe 15 mit einer kleinen Filmdicke der Zwischenschicht aus Al&sub2;O&sub3; und Probe 21 mit einer großen Filmdicke, eine Schnittleistung, die hinsichtlich ihrer Ausgewogenheit bezüglich der Verschleiß- und Splitterwiderstände ausgezeichnet ist, und die Spitzen der Proben 17, 18 und 19 zeigten eine besonders hervorragende Schnittleistung.

Beispiel 4

Die in der folgenden Tabelle 6 gezeigten harten Deckschichten wurden auf dem Grundmaterial 3 im obigen Beispiel 1 ausgebildet, um Spitzen für die Proben 22 bis 28 herzustellen. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich der in Beispiel 1 verwendet, und die Splitterleistung wurde unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in Beispiel 2 getestet. Diese Resultate sind in Tabelle 6 zusammengestellt. [Tabelle 6]
Wie aus den obigen Ergebnissen zu entnehmen ist, zeigten alle Proben, außer Probe 22 mit einer geringen Filmdicke aus TiCN und Probe 28 mit einer großen Filmdicke, eine Schnittleistung, die hinsichtlich der Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand hervorragend ist, und die Spitzen der Proben 24, 25 und 26 zeigten besonders hervorragende Schnittleistung.
Aus den in Tabelle 5 des obigen Beispiels 3 und Tabelle 6 des Beispiels 4 dargestellten Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Proben 16 bis 19 und 24 bis 26, bei denen die gesamte Filmdicke der harten Deckschichten innerhalb des Bereichs zwischen 25 und 60 um liegen, besonders hervorragend hinsichtlich der Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand sind.

Beispie15

Harte Deckschichten bestehend aus der Struktur neben Symbol I in der obigen Tabelle 1 wurden auf Oberflächen des Grundmaterials 1 im obigen Beispiel 1 ausgebildet, um die Spitzen für die Proben 29 bis 34 herzustellen. Die Form der Kristallkörner der TiCN Schichten der am weitesten außen liegenden Seiten wurde bei diesen Proben variiert durch Verändern der Film-Bildungs-Bedingungen. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter Schnittbedingung 2 ähnlich Beispiel 1 verwendet, und die Splitterleistung wurde unter den Schnittbedingung 3 ähnlich zu Beispiel 2 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt. [Tabelle 7]
(Bemerkung) Proben mit * sind Vergleichsbeispiele.
Man erkennt, daß die Proben hinsichtlich ihrer Verschleiß- und Splitterwiderstände ausgezeichnet sind, wenn die Längen-Breiten-Verhältnisse von TiCN, welches die TiCN Schichten auf den äußersten Seiten neben den äußeren Deckschichten bildet, sich innerhalb eines Bereichs von 5 bis 80 befinden, und die Proben 31 und 32 zeigen vor allen anderen eine besonders hervorragende Leistung.

Beispiel 6

Als das C : N-Verhältnis der TiCN-Schicht, die die äußere Schicht der Spitze von der im obigen Beispiel 1 hergestellten Probe 1 bildet (Grundmaterial 1, harte Deckschicht A), durch Ermitteln der Gitterkonstante mittels Röntgenbeugung berechnet wurde, betrug sein molares Verhältnis 4 : 6. Anschließend wurden die TiCN-Schichten mit den in Tabelle 8 gezeigten verschiedenen C : N Verhältnissen als äußere Schichten durch Variieren der Strömungsraten des Rohstoffgases ausgebildet, während die inneren Schichten und Zwischenschichten identisch zu denen in Probe 1 waren, wodurch die Spitzen der Proben 35 bis 38 hergestellt wurden.
Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich zu Beispiel 1 eingesetzt, und der Splitterwiderstand wurde unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in Beispiel 2 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 8 zusammengefaßt. [Tabelle 8]
Aus den obigen Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Spitzen der Proben 35 bis 37, deren C : N-Verhältnisse ein molares Verhältnis im Bereich zwischen 5 : 5 und 7 : 3 aufweisen, ausgezeichnet hinsichtlich der Verschleiß- und Splitterwiderstände sind, und ausgezeichnete Schnittleistungen zeigen.

Beispiel 7

Im Fall der Bildung von harten Deckschichten des Symbols D in obiger Tabelle 1 auf einer Oberfläche aus dem Grundmaterial 1, wurde die Ausbildung der TiCN-Schicht entlang der äußeren Schicht durch den Einsatz von TiCU und CH&sub3;CN als Rohstoff gas und Wasserstoff als Trägergas bei 1000ºC und einem Druck von 50 Torr durchgeführt, und dadurch wurde die Probe 39 hergestellt. Tabelle 9 zeigt weiter auch die Ergebnisse einer ähnlichen Auswertung zu Probe 4, die durch das Ausbilden einer TiCN-Schicht durch gewöhnliches chemisches Aufdampfen (CVD) ähnlich der obigen hergestellt wurde mit der Ausnahme, daß TiCL&sub4;, CH&sub4; und Stickstoffgas als Rohstoffgas und Wasserstoffgas als Trägergas verwendet wurden. Aus Tabelle 9 kann man ersehen, daß Probe 39 mit CH&sub3;CN als Rohstoffgas überlegene Schnittleistung zeigt. [Tabelle 9]

Beispiel 8

In der Spitze von Probe 11 des obigen Beispiels 2 wurden Spitzen für die Proben 40 bis 45 mit einer Filmdicke von etwa 0.5 um hergestellt, wobei dünne Filme aus TIBN, TiBNO, TiCO, TiCNO oder TiOa zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und den äußeren Schichten aus TiCN mittels gewöhnlichem chemischen Aufdampfens (CVD) bei 1000ºC ausgebildet wurden. Als Rohstoffgase wurden TiCl&sub4;, CH&sub4;, N&sub2;, H&sub2;, CO, NH&sub3; und BCl&sub3; verwendet entsprechend der Filmqualitäten. Ergebnisse der Auswertung der Verschleiß- und Splitterwiderstände hinsichtlich der entsprechenden Spitzen sind in Tabelle 10 im Vergleich zur Spitze der Probe 11 dargestellt. [Tabelle 10]
Aus den Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Proben 40 bis 45, bei denen die dünnen Filme aus TiBN, TiBNO, TiCO, TiCNO oder TiO&sub2; zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und den äußeren Schichten aus TiCN ausgebildet sind, eine überlegene Schnittleistung gegenüber der Probe 11 ohne diese dünnen Filme zeigen.

Beispiel 9

In der Spitze von Probe 25 des obigen Beispiels 4 wurden Spitzen für die Proben 46 bis 47 mit einer Filmdicke von etwa 0.5 um hergestellt, wobei dünne Filme aus AlN oder AlON, zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und den äußeren Schichten aus TiCN mittels gewöhnlichem chemischen Aufdampfens (CVD) bei 1000ºC ausgebildet wurden. Als Rohstoffgase wurden AlCl&sub4;, CO&sub2;, N&sub2; und H&sub2; verwendet entsprechend der Filmqualitäten. Ergebnisse der Auswertung der Verschleiß- und Splitterwiderstände hinsichtlich der entsprechenden Spitzen sind in Tabelle 11 im Vergleich zur Spitze der Probe 25 dargestellt. [Tabelle 11]
Aus den obigen Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Proben 46 bis 47, die mit den dünnen Filmen aus AlN oder AlON zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und den äußeren Schichten aus TiCN ausgebildet sind, eine ausgezeichnete Schnittleistung gegenüber der Probe 25 ohne diese dünnen Filme zeigen.

Beispiel 10

In der Spitze von Probe 25 des obigen Beispiels 4 wurden die Proben 46-c und 47-c mit einer Filmdicke von etwa 0.5 um hergestellt, wobei Schichten geformt wurden, deren Zusammensetzung sich kontinuierlich von Al&sub2;O&sub3; nach AlN, oder von Al&sub2;O&sub3; nach A10 N zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und den äußeren Schichten aus TiCN verändert. Diese Schichten wurden durch Anwendung gewöhnlichen chemischen Aufdampfens (CVD) und kontinuierlichem Reduzieren des Rohstoffgas-Verhältnisses von CO&sub2;/N&sub2; bei kontinuierlichem Verändern der Temperaturen von 900ºC bis 1000ºC hergestellt. Die Ergebnisse der Anwendung der erhaltenen Spitzen und der Auswertung der Verschleiß- und Splitterwiderstände sind in Tabelle 12 dargestellt, verglichen mit den Proben 46 und 47, deren Zusammensetzung nicht kontinuierlich verändert wurde. [Tabelle 12]
Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, daß die Proben 46-c und 47-c, in denen sich die Zusammensetzung kontinuierlich verändert, in Relation zu den Proben, in denen die dünnen Filme aus AlN oder AlON zwischen den Zwischenschichten aus Al&sub2;O&sub3; und der äußeren Schicht aus TiCN ausgebildet sind, verglichen mit den Proben 46 und 47 ohne sich ändernde Zusammensetzung eine noch überlegenere Schnittleistung zeigen.

Beispiel 11

In Probe 12 aus dem obigen Beispiel 2 wurden die Proben 12-1, 12-2,12-3, 12-4,12-5 und 12-6 beschichtet mit TiCN Filmen mit verschiedenen Orientierungseigenschaften durch Verändern der Temperaturen und Zusammensetzungsverhältnissen der Gase im Falle der TiCN Deckfilme hergestellt. Zu den erhaltenen Proben sind die Ergebnisse der Auswertung der Schnittleistung in Tabelle 13 dargestellt. [Tabelle 13]
Aus den obigen Ergebnissen wird verständlich, daß ein beschichtetes Hartmetall mit der maximalen Scheitelwertstärke bei Röntgenbeugung auf (111), (422) oder (311) ausgezeichnete Schnittleistung zeigt.

Beispiel 12

Deckschichten in einer Struktur aus TiN (0.5 um)/TiCN (3 um)/TiBN (0.5 um)/ZrO&sub2; (1 um)/Al&sub2;O&sub3; (15 um)/AlON (0.5 um)/TiCN (10 um) wurden auf den Grundmaterialien 2 des obigen Beispiels 1 nacheinander von den inneren Schichten aus ausgebildet. Filmbildungstemperaturen und Gaszusammensetzungsverhältnisse wurden in Fall der Beschichtung der TiCN Filme der inneren Schichten variiert, um die Proben 48-1,48-2,48-3, 48-4 und 48-5 herzustellen, wobei Filme mit verschiedenen Längen-Breiten-Verhältnissen hinsichtlich der Kristallkörner gebildet wurden. Tabelle 14 zeigt die Auswertungsergebnisse der Schnittleistung. [Tabelle 14]
Aus den obigen Ergebnissen kann entnommen werden, daß die Proben 48-2, 48-3 und 48-4, bei denen die Längen-Breiten-Verhältnisse der Kristallkörner innerhalb eines Bereichs zwischen 5 und 30 in den TiCN-Filmen liegen, die die dicksten Schichten unter den innersten Schichten sind, ausgezeichnete Schnittleistungen aufweisen.

Beispiel 13

In der Probe 17 aus dem obigen Beispiel 3 wurden die Kristallkomdurchmesser von Al&sub2;O&sub3;- Filmen variiert durch Ändern der Filmbildungsbedingungen (Beschichtungstemperatur und Gaszusammensetzungsverhältnis), um die Proben 17-1, 17-2, 17-3, 17-4 und 17-5 herzustellen, und dabei Al&sub2;O&sub3;-Filme mit verschiedenen Längen-Breiten-Verhältnissen der Korngrößen auszubilden. Auswertungsergebnisse der Schnittleistung sind in Tabelle 15 gezeigt. [Tabelle 15]
Aus den obigen Resultaten ergibt sich, daß die Spitzen 17-2, 17-3 und 17-4, in welchen die Längen-Breiten-Verhältnisse der Kristallkörner in den Al&sub2;O&sub3;-Filmen der Zwischenschichten innerhalb eines Bereichs zwischen 3 und 20 liegen, ausgezeichnete Schnittleistung aurweisen.

Beispiel 14

In Probe 47 des obigen Beispiels 9 wurden die Al&sub2;O&sub3;-Kristallsysteme der Zwischenschichten variiert durch Verändern der Beschichtungstemperatur und des Gaszusammensetzungsverhältnisses, um zwei Sorten von Proben mit unterschiedlichen Kristallsystemen herzustellen. Zu den erhaltenen Proben sind die Auswertungsergebnisse in Tabelle 16 dargestellt. [Tabelle 16]
Aus den obigen Ergebnissen kann man verstehen, daß hinsichtlich des Kristallsystems aus Al&sub2;O&sub3; der Zwischenschicht eine ausgezeichnete Schnittleistung erreicht werden kann, wenn diese hauptsächlich aus dem α-Typ besteht.

Beispiel 15

In der Spitze der Probe 47-1 aus Beispiel 14 wurde die Probe 47-m hergestellt, bei der nur ein mit der inneren Schicht in Kontakt stehender Teil der Zwischenschicht von etwa 1 um Dicke und ein mit der äußeren Schicht in Kotakt stehender Teil der Zwischenschicht von etwa 1 um Dicke, hauptsächlich aus K-Al&sub2;O&sub3; bestehend, und ein zwischen diesen gehaltenen, hauptsächlich aus α-A&sub2;O&sub3; bestehenden Teil der Zwischenschicht zusammengesetzt wurden. Die Al&sub2;O&sub3;-Zwischenschicht mit einem solchen Kristallsystem wurde mit einem Rohstoffgas aus H&sub2;, CO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; hergestellt. Die Bildung des K-Al&sub2;O&sub3; wurde unter Bedingungen mit 950ºC, 50 Torr und CO&sub2; = 2% und die Bildung von α-A&sub2;O&sub3; unter Bedingungen von 1050ºC, 50 Torr und CO&sub2; = 5% durchgeführt. Zwischen der Ausbildung der κ- Al&sub2;O&sub3;-Schicht und der der α-A&sub2;O&sub3;-Schicht wurde der Grad des Vakuums bis höchstens 10&supmin;³ Torr erhöht. Die Ergebnisse des Einsatzes einer derart präparierten Spitze und die Auswertungen hinsichtlich der Verschleiß- und Splitterwiderstände sind in Tabelle 17 dargestellt. [Tabelle 17]

Beispiel 16

Bei Probe 23 aus Beispiel 4 wurden die Orientierungseigenschaften der Al&sub2;O&sub3;-Filme der Zwischenschichten variiert durch Einstellen der Beschichtungstemperaturen und den Gaszusammensetzungsverhältnissen. Zu den erhaltenen Proben 23-1,23-2, 23-3,23-4 und 23-5 sind die Auswertungsergebnisse in Tabelle 18 gezeigt. [Tabelle 18]
Aus den obigen Resultaten kann man ersehen, daß ein beschichtetes Hartmetall, bei dem ein Al&sub2;O&sub3;-Film der Zwischenlage eine maximale Scheitelwertstärke bei Röntgenbeugung bei der Kristallebene (104) oder (116) hat, eine ausgezeichnete Schnittleistung zeigt.

Beispiel 17

Deckschichten in einer Struktur aus TiN (0.5 um)/TiCN (3 um)/TiBN (0.5 um)/Al&sub2;O&sub3; (15 um)/AlON (0.5 um)/TiCN (10 um) wurden auf den Grundmaterialien 2 des obigen Beispiels 1 nacheinander von den inneren Schichten aus ausgebildet. Filmbildungstemperaturen und Gaszusammensetzungsverhältnisse wurden verändert, um die Größen der Kristallkörner beim TiCN der inneren Schichten, beim Al&sub2;O&sub3; der Zwischenschichten und beim TiCN der äußeren Schichten zu variieren. Eine Probe 48-6, bei der die Längen-Breiten-Verhältnisse der Größen der TiCN-Kristallkörner der inneren Schicht und der äußeren Schicht mindestens zwei mal so groß wie als das Längen-Breiten-Verhältnis der Al&sub2;O&sub3;-Kristallkörner waren, und eine Probe 48-7 mit höchstens der zweifachen Größe wurden hergestellt. Die Abstände zwischen den Rissen der Kristallkörner in den Deckschichten dieser Proben wurden durch Betrachten derselben mit einem optischen Mikroskop nach Spiegelpolieren von Probenteilen gemessen. Die Abstände zwischen den Rissen wurden durch fünf Messungen des sichtbaren Bereichs bei einer 500-fachen Vergrößerung ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 19 gezeigt. Auch die Ergebnisse hinsichtlich der Schnittleistung der erhaltenen Proben finden sich in Tabelle 19. [Tabelle 19]
Aus den obigen Ergebnissen kann gefolgert werden, daß ein beschichtetes Hartmetall ausgezeichnete Schnittleistungen zeigt, wenn man die Rißabstände der inneren und äußeren Schicht kleiner als die Rißabstände der Zwischenschicht in Relation zu den Rißabständen der Deckschichten macht.

Beispiel 18

Bei den Proben 24 aus Beispiel 4, wurden die Proben 24-1, 24-2 und 24-3 hergestellt, wobei im wesentlichen vertikale Risse in die Deckschichten durch Zentrifugieren nach der Beschichtungsbehandlung eingebracht wurden. Zu diesen Proben ist die Schnittleistung in Tabelle 20 dargestellt. [Tabelle 20]
Durch die obigen Ergebnisse kann verstanden werden, daß ein beschichtetes Hartmetall eine ausgezeichnete Schnittleistung zeigt, wenn man die Rißabstände der Deckschichten so anfertigt, daß sie im Bereich zwischen 20 und 40 um liegen. Das Verfahren zum Einbringen von Rissen kann statt durch Zentrifugieren zum Beispiel auch durch Behandlung mit Einschuß oder mit einem elastischen Schleifstein, einer Löschungsbehandlung oder dergleichen durchgeführt werden. Diese Rißabstände dürfen nicht über die gesamten Deckschichten hinweg ausgebildet sein, sondern man erhält ein hartes beschichtetes Material mit ausgezeichnete Schnittleistung nur, wenn die Risse auf dem Rückenteil eines Einschubs mit Abständen innerhalb des oben genannten Bereichs ausgebildet werden.

Beispiel 19

Harte Schichten, gezeigt in Tabelle 21, wurden femer auf Spitzenoberflächen von Probe 31 aus Beispie15 aufgebracht, um die Spitzen der Proben 31-1 bis 31-5 herzustellen. Diese Spitzen wurden verwendet, um einen Schnittest unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich wie in Beispiel 1 durchzuführen. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 21 gezeigt. [Tabelle 21]
Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, daß Proben mit einer weiteren Beschichtung mit einem dünnen Film aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, HfO&sub2; usw. und/oder TiN auf den äußeren Schichten aus TiCN besonders beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit hinsichtlich des Verschleißwiderstandes hervorragend sind.

Beispiel 20

Zu der Spitze der Probe 44 aus Beispiel 8 wurden die Proben 44-1, 44-2 und 44-3 hergestellt, in denen die Rückenteile von Einschüben teilweise durch einen elastischen Schleifstein abgeschliffen/entfernt wurden. Durchschnittswerte der Oberflächenrauhigkeit Ra der abgeschliffenen Teile und die Schnittleistung der erhaltenen Proben sind in Tabelle 22 dargestellt. [Tabelle 22]
Die Durchschnittswerte der Oberflächenrauhigkeit Ra wurden durch 5000-faches Vergrößern der Einschub-Rückenteile mit ERA 8000 von ELIONTX INC. gemessen. Der hier erwähnte Durchschnittswert der Oberflächenrauhigkeit Ra ist der Durchschnittswert der Oberflächenrauhigkeit Ra verglichen mit 180 horizontalen Linien des Meßbereichs. Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, daß ein beschichtetes Hartmetall, bei dem der Durchschnittswert der Oberflächenrauhigkeit Ra einer Beschichtung auf dem Rückenteil eines Einschubs nicht größer als 0.05 um ist, eine ausgezeichnete Schnittleistung zeigt.

Beispiel 21

ISO M20 zementiertes Carbid (Grundmaterial 1), ISO K&sub2;O (Grundmaterial 2) und ein kommerziell erhältliches Cermet-Werkzeug wurden als Grundmaterialien vorbereitet, und jede der in Tabelle 23 gezeigten harten Deckschichten wurde auf jedem Grundmaterial durch das gut bekanntes chemische Aufdampfen (CVD) bei einer Aufdampftemperatur von 1000ºC ausgebildet, um entsprechend Spitzen-förmige Werkzeuge SGN120408 herzustellen.

[Tabelle 23]

Symbol Struktur der harten Deckschicht (linke Seite = Grundniaterialseite, in Klammern = Filmdicke (um))
A' TiN(0.5)/ZrO&sub2;(3)/TiCN(15)
B' TiC(0.5)/TiCN(3)/TiBN(0.5)/ZrO&sub2;(l)/TiN(7)
C' TiCN(2)/TiCO(0.5)/ZrO&sub2;(5)/TiCN(20)
D' TiN(0.5)TiCNO(0.5)/ZrO&sub2;(18)/TiCN(30)/TiC(10)
E' ZrO&sub2;(3)/TiCN(15)
F' TiN(0.5)/ZrO&sub2;(0.3)/TiCN(15)
G' TiN(0.5)/TiCN(15)/ZrO&sub2;(3)
H' TiN(0.5)/ZrO&sub2;(3)
r TiN(1)/TiBN(0.5)/ZrO&sub2;(3)/TiC(0.5)/TiCN(10)
(Bemerkung) In Bezug auf Strukturen der harten Deckschichten in der Tabelle gilt die Tatsache, daß die linken Seiten die des Grundmaterials sind und die Inhalte der Klammem die Filmdicken angeben (um) auch für die nachfolgenden Tabellen.
Die entsprechenden Spitzen mit den auf den Grundmaterialien ausgebildeten harten Deckschichten wurden zum Schneiden von Werkstücken aus SCM415 unter Schnittbedingungen gemäß der folgenden Tabelle 24 eingesetzt, und die Schnittleistung wurde ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 25 zusammen mit den Kombinationen aus den Grundmaterialien und den harten Deckschichten dargestellt. [Tabelle 24] [Tabelle 25]
(Bemerkung) Die mit * gekennzeichneten Proben in den Tabellen sind vergleichende Beispiele (und so weiter).
Aus den obigen Ergebnissen läßt sich ersehen, daß die Spitzen der Proben 1' und 4' des erfindungsgemäßen Beispiels nicht nur bei hohen Schnittgeschwindigkeiten (Schnittbedingung 1), sondern auch bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten (Schnittbedingung 2) eine ausgezeichnete Schnittleistung zeigen. Mit einem Vergleich der Proben 1' und 5' kann man die Auswirkung einer Ti-Verbindung als innere Schicht verstehen. Aus einem Vergleich der Proben 1' und 6' kann man ersehen, daß der Effekt klein ist, falls die Filmdicke der ZrO&sub2;- Zwischenschicht 0.3 um beträgt, während sich aus einem Vergleich der Proben 1' und 7' ergibt, daß ZrO&sub2; hinsichtlich des Verschleißwiderstandes überlegen ist, wenn es als Zwischenschicht statt als äußere Schicht verwendet wird. Durch einen Vergleich der Proben 1' und 8' versteht man, daß die Ti-Verbindung hinsichtlich des Verschleißwiderstandes gegenüber ZrO&sub2; als äußerer Schicht überlegen ist.

Beispiel 22

Die in der folgenden Tabelle 26 gezeigten harten Deckschichten wurden auf Oberflächen aus dem Grundmaterial 1 des obigen Beispiels 1 gebildet, um die Spitzen der Proben 9' bis 14' herzustellen. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter Schnittbedingung 2 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet. Wie in Fig. 9 dargestellt, wurde ein Werkstück aus SCM435 mit vier Nuten in seinem Rand verwendet, um den Splitterwiderstand unter Schnittbedingung 3 aus der obigen Tabelle 25 zu testen. Der Splitterwiderstand wurde anhand der Schnittzeiten bis zum Splittern der Spitzen ausgewertet. Diese Ergebnisse finden sich in Tabelle 26. [Tabelle 26]
Wie man den obigen Ergebnissen entnimmt, verursachte Probe 9' ohne Ti-Verbindung als innere Schicht in einem Verschleißwiderstandstest schon sehr früh eine Trennung der Deckschichten, da die Adhäsion der Deckschichten gering war, und war folglich extrem kurzlebig. Die Spitze von Probe 14' zeigte eine Ergebnis mit etwas zu geringem Splitterwiderstand, da die Filmdicke der inneren Schicht groß war, während die Probe sich hinsichtlich ihres Verschleißwiderstandes als ausgezeichnet erweist. Auf der anderen Seite sind die Proben 10' bis 13' des erfindungsgemäßen Beispiels ausgezeichnet hinsichtlich des Verschleißwiderstandes und des Splitterwiderstandes, während die Proben H' und 12' besonders ausgezeichnet hinsichtlich der Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand sind.

Beispiel 23

Die in der folgenden Tabelle 27 gezeigten harten Deckschichten wurden auf Oberflächen aus dem Grundmaterial 2 im obigen Beispiel 21 gebildet, um die Spitzen für die Proben 15' bis 21' herzustellen. Diese wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter Schnittbedingung 1 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet. Des weiteren wurde der Splitterwiderstand unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in Beispiel 21 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 27 zusammengestellt. [Tabelle 27]
Wie aus den obigen Resultaten entnommen werden kann, zeigten die Proben mit Ausnahme der Probe 15' mit einer geringen Dicke der ZrO&sub2;-Zwischenschicht und der Probe 21' mit einer großen Dicke eine Schnittleistung, die in ihrer Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand hervorragend ist, und die Spitzen der Proben 17', 18' und 19' wiesen von allen eine besonders ausgezeichnete Schnittleistung auf.

Beispiel 24

Die in der folgenden Tabelle 28 gezeigten Deckschichten wurden auf Oberflächen aus dem Grundmaterial 3 in Beispiel 21 gebildet, um Spitzen für die Proben 22' bis 28' herzustellen. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet, und der Splitterwiderstand wurde unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in Beispiel 22 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 28 zusammengestellt. [Tabelle 28]
Wie man den obigen Ergebnissen entnimmt zeigten die Proben, außer die Proben 22' und 28' mit einer kleinen und einer großen Filmdicke der äußeren TiCN-Schichten, eine Schnittleistung, die hinsichtlich ihrer Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand ausgezeichnet waren, und die Spitzen der Proben 24', 25' und 26' zeigten eine besonders ausgezeichnete Schnittleistung.
Aus den Ergebnissen des obigen Beispiels 23, gezeigt in Tabelle 27, und des Beispiels 24, gezeigt in Tabelle 28, kann man entnehmen daß die Proben 18' bis 19' und 24' bis 26', in denen die gesamte Filmdicke der harten Deckschichten im Bereich zwischen 20 und 60 um liegt, besonders hervorragend hinsichtlich ihrer Ausgewogenheit zwischen Verschleiß- und Splitterwiderstand sind.

Beispiel 25

Harte Deckschichten aus einer Struktur entsprechend Symbol I' in der obigen Tabelle 23 wurden auf den Oberflächen aus dem Grundmaterial 1 im obigen Beispiel 21 ausgebildet, um die Spitzen für die Proben 29' bis 34' herzustellen. Die Formen der Kristallkörner der äußersten TiCN-Schichten in diesen Proben wurden durch das Verändern der Filmbildungsbedingungen variiert. Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter der Schnittbedingung 2 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet, und der Splitterwiderstand wurde unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in obigem Beispiel 22 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 29 zusammengestellt. [Tabelle 29]
(Bemerkung) Proben mit * sind Vergleichsbeispiele.
Man sieht, daß die Proben ausgezeichnete Verschleiß- und Splitterwiderstände aufweisen, wenn die Längen-Breiten-Verhältnisse der TiCN-Kristallkörner, die die äußerste TiCN- Schicht von den äußeren Schichten bilden, im Bereich von 5 bis 80 liegen, und die Proben 31' und 32' zeigen eine besonders ausgezeichnete Leistung.

Beispiel 26

Als das C : N-Verhältnis der TiCN-Schicht, die die äußere Schicht der Spitze von der im obigen Beispiel 21 hergestellten Probe 1' (Grundmaterial 1', harte Deckschicht A') darstellt, durch Ermitteln der Gitterkonstante mittels eines Röntgenbeugungsverfahrens berechnet wurde, betrug das molare Verhältnis 4 : 6. Dann wurden die in Tabelle 30 gezeigten TiCN- Schichten mit verschiedenen C : N-Verhältnissen als äußere Schichten durch Variieren der Strömungsraten des Rohstoffgases gebildet, während die inneren Schichten identisch mit der Probe 1' waren, wodurch die Spitzen der Proben 35' bis 38' hergestellt wurden.
Diese Spitzen wurden zur Auswertung der Schnittleistung unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet, und der Splitterwiderstand wurde unter Schnittbedingung 3 ähnlich wie in Beispiel 22 getestet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 30 zusammengestellt. [Tabelle 30]
Aus den obigen Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Spitzen der Proben 35' bis 37' mit C : N-Verhältnissen mit molaren Verhältnissen im Bereich zwischen 5 : 5 und 7 : 3 hinsichtlich ihres Verschleiß- und Splitterwiderstandes ausgezeichnet sind, und sie zeigen eine hervorragende Schnittleistung.

Beispiel 27

Im Fall der Bildung von harten Deckschichten des Symbols D' in der obigen Tabelle 23 auf Oberflächen aus dem Grundmaterial 1, wurde eine Ausbildung der TiCN-Schicht von den äußeren Schichten durch den Einsatz von TiCl&sub4; und CH&sub3;CN als Rohstoffgas und Wasserstoff Gas als Trägergas bei 1000ºC und unter einem Druck von 50 Torr durchgeführt, um eine Spitze für Probe 39' herzustellen. Die Ergebnisse des Auswertens der Schnittleistung unter Verwendung der erhaltenen Spitze unter Schnittbedingungen 1 und 2 ist in Tabelle 31 gezeigt.
Tabelle 31 zeigt auch die Ergebnisse einer ähnlichen Auswertung zu Probe 4', hergestellt durch das Ausbilden einer TiCN-Schicht durch gewöhnliches chemisches Aufdampfen (CVD) ähnlich wie oben, außer, daß TiCl&sub4;, CH&sub4; und Stickstoffgas als Rohstoffgase und Wasserstoffgas als Trägergas verwendet wurden. Aus Tabelle 31 läßt sich erkennen, daß die Probe 39' mit CH&sub3;CN als Rohstoffgas eine überlegene Schnittleistung zeigt. [Tabelle 31]

Beispiel 28

Mit der Spitze von Probe 11' des obigen Beispiel 22 wurden die Spitzen der Proben 40' bis 45' unter der Ausbildung dünner Filme aus TiBN, TiBNO, TiCO, TiCNO oder TiO&sub2; zwischen den Zwischenschichten aus ZrO&sub2; und den äußeren Schichten aus TiCN mittels gewöhnlichem chemischen Aufdampfens (CVD) mit Filmdicken von etwa 0.5 um hergestellt. Als Rohstoffgas wurden TiCl&sub4;, CH&sub4;, N&sub2;, H&sub2;, CO, NH&sub3; oder BCl&sub3; entsprechend der Filmqualitäten verwendet. Die Ergebnisse der Auswertung des Verschleiß- und Splitterwiderstandes zu den entsprechenden erhaltenen Spitzen sind in Tabelle 32 im Vergleich zur Spitze der Probe 11' dargestellt. [Tabelle 32]
Aus den Ergebnissen sieht man, daß die Proben 40' bis 45' beim Ausbilden der dünnen Filme aus TiBN, TiBNO, TiCO, TiCNO oder TiO&sub2; zwischen den ZrO&sub2;-Zwischenschichten und den äußeren TiCN-Schichten eine überlegende Schnittleistung gegenüber der nicht mit diesen Filmen versehenen Probe 11' zeigen.

Beispiel 29

Mit der Spitze der Probe 25' aus dem obigen Beispiel 24 wurden die Spitzen der Proben 46' bis 51' unter Ausbildung dünner Filme aus ZrC, ZrCN, ZrN, ZrCO, ZrCNO und ZrNO zwischen Zwischenschichten aus ZrO&sub2; und äußeren Schichten aus TiCN mittels gewöhnlichem chemischen Aufdampfens (CVD) bei 1000ºC mit Filmdicken von etwa 0.5 um hergestellt. Als Rohstoffgas wurden ZrCl&sub4;, CO&sub2;, N&sub2; und H&sub2; entsprechend der Filmqualitäten verwendet. Die Ergebnisse der Auswertung des Verschleiß- und Splitterwiderstandes zu den entsprechenden erhaltenen Spitzen sind in Tabelle 33 im Vergleich zur Spitze der Probe 25' dargestellt. [Tabelle 33]
Aus den obigen Ergebnissen kann man erkennen, daß die Proben 46' bis 51' durch Ausbilden der dünnen Filme aus ZrC, ZrCN, ZrN, ZrCO, ZrCNO oder ZrNO zwischen den Zwischenschichten aus ZrO&sub2; und den äußeren Schichten aus TiCN eine überlegene Schnittleistung gegenüber der nicht mit diesen Filmen versehenen Probe 25' zeigen.

Beispiel 30

Es wurden die Proben 52' bis 54' hergestellt, bei denen die Zwischenlage der Spitze von Probe 11' aus Beispiel 22 alternativ mit Al&sub2;O&sub3; beschichtet wurden. Diese Spitzen wurden eingesetzt, um SUS304 unter Bedingungen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 350 m/Minute, einer Vorschubgeschwindigkeit von 0.5 mm/Umdrehung und einer Schnittiefe von 1.5 mm für 20 Minuten naß zu schneiden, um die Höhe der plastischen Verformung und des Grenzflächenverschleißes zu messen. Der Splitterwiderstand wurde unter der Schnittbedingung der obigen Tabelle 24 ausgewertet und die Ergebnisse sind in Tabelle 34 gezeigt. [Tabelle 34]
(Bemerkung) Die Angaben in den Klammern geben die Filmdicke (um) an.
Aus diesen Ergebnissen kann man entnehmen, daß die Spitze von der mit ZrO&sub2; als Zwischenschicht beschichteten Probe 11' einen geringeren Grenzflächenverschleiß verglichen mit den Spitzen der übrigen Proben mit Al&sub2;O&sub3; als Zwischenschichten aufweist, die Höhe der plastischen Verformung ist auch kleiner als die bei Probe 52' mit derselben Filmdicke, und daß die Spitze der Probe 11' einen ausgezeichneten Splitterwiderstand hat.

Beispiel 31

Mit der Spitze der Probe 25' aus Beispiel 24 wurden zwischen den Zwischenschichten aus ZrO&sub2; und den äußeren Schichten aus TiCN Schichten mit einer Dicke von etwa 0.5 um hergestellt, deren Zusammensetzung kontinuierlich von ZrO&sub2; nach ZrN oder von ZrO&sub2; nach ZrNO verändert wurde. Diese Schichten wurden unter Verwendung gewöhnlichen chemischen Aufdampfens (CVD) hergestellt, wobei die Temperaturen von 900ºC nach 1000ºC und die Rohstoffgasverhältnisse von CO&sub2;/N&sub2; kontinuierlich verändert wurden. Daraus wurden die Proben 48'-c und 51'-c erhalten, deren O- und N-Gehalte in den Filmen kontinuierlich verändert wurden. Die Ergebnisse der Auswertung des Verschleiß- und Splitterwiderstandes bei der Verwendung der erhaltenen Proben sind in Tabelle 35 im Vergleich mit den Proben 48' und 51' gezeigt, deren Zusammensetzung nicht kontinuierlich verändert wurde. [Tabelle 35]
Aus den obigen Ergebnissen läßt sich entnehmen, daß die Proben 48'-c und 51 '-c, bei denen sich die Zusammensetzung des dünnen Films kontinuierlich verändert, eine noch überlegenere Schnittleistung verglichen mit den Proben 48' und 51' zeigen, deren Zusammensetzungen nicht in den Proben verändert wurde, in denen dünne Filme aus ZrN oder ZrNO zwischen den Zwischenschichten aus ZrO&sub2; und den äußeren Schichten aus TiCN gebildet ausgebildet sind.

Beispiel 33

Die in Tabelle 36 gezeigten harten Schichten wurden ferner auf Spitzen-Oberflächen der Probe 31' aus Beispiel 25 aufgebracht, um Spitzen für die Proben 31 '-1 bis 31 '-5 herzustellen. Diese Proben wurden zur Durchführung eines Schnittests unter den Schnittbedingungen 1 und 2 ähnlich wie in Beispiel 21 verwendet. Diese Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 36 gezeigt. [Tabelle 36]
Wie man aus den obigen Ergebnissen sieht, ergibt sich, daß die Proben 31'-1 bis 5 mit einer weiteren Dünnfilm-Oxid-Beschichtung aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; oder HfO&sub2; und/oder TiN auf den äußere Schichten einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten haben.

Industrielle Verfügbarkeit

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich ein beschichtetes Hartmetall mit ausgezeichnetem Verschleiß- und Splitterwiderstand zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann die vorliegenden Erfindung ein beschichtetes Hartmetall für ein Schneidewerkzeug bereitstellen, welches in ausreichender Weise der Verwendung nicht nur normaler Schnittbedingungen, sondern auch extremer Schnittbedingungen mit hoher Geschwindigkeit oder Leistung Stand hält, bei denen die Temperatur der Schneide 1000ºC übersteigt.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sind in allen Punkten als illustrierend und nicht beschränkend anzusehen. Die Schutzbreite der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die obige Beschreibung, sondern durch die Schutzbreite der Ansprüche dargelegt, und es ist beabsichtigt, daß alle Modifikationen hinsichtlich des Bedeutungsgehalts und der Schutzbreite, die der Schutzbreite der Ansprüche äquivalent sind, mit erfaßt werden.

Claims

1. Ein beschichtetes Hartmetall-Material enthaltend eine harte Deckschicht auf der Oberfläche eines Grundmaterials ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus zementiertem Carbid und Cermet, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Deckschicht enthält:

eine innere Schicht, die auf dem Grundmaterial gebildet wird, und notwendigerweise aus mindestens einer Schicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Carbo-Oxid, einem Carbostickstoffoxid und einem Bornitrid aus Titan,

eine Zwischenschicht, die auf der inneren Schicht gebildet wird, und hauptsächlich aus einem Oxid gebildet wird, aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; un< emer Mischung oder einer festen Lösung davon, und

einer äußeren Schicht, die auf der Zwischenschicht gebildet wird, bestehend notwendigerweise aus mindestens einer Schicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbo-Oxid, einem Carbostickstoff-Oxid und einem Bornitrid aus Titan,

die Dicke der unteren Schicht beträgt 0,1 bis 5 um, die Dicke der Zwischenschicht beträgt 5 bis 50 um, wenn sie überwiegend aus Al&sub2;O&sub3; gebildet wird, und 0,5 bis 20 um, wenn diese hauptsächlich aus ZrO&sub2; gebildet wird, die Dicke der oberen Schicht beträgt 5 bis 100 um, und die obere Schicht enthält eine Schicht die hauptsächlich aus säulenartigen Kristallen gebildet wird, die ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 5 bis 80 haben.

2. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht notwendigerweise aus einer TiCN-Schicht gebildet wird, und in der das C : N-Verhältnis in einem Bereich von 5 : 5 bis 7 : 3 des molaren Verhältnisses liegt.

3. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein dünner Film enthalten ist, der auf der äußeren Schicht gebildet wird und notwendigerweise aus einem Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und HfO&sub2; besteht, und daß dieser dünne Film dünner ist als die Zwischenschicht.

4. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das TiCN der äußeren Schicht eine maximale Scheitelwertstärke der Röntgenbeugung in der Gitterebene hat, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (III), (422) und (311).

5. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dickste Schicht in der inneren Schicht hauptsächlich aus den säulenartigen Kristallen besteht, die ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 5 bis 30 haben.

6. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Schicht enthält, die notwendigerweise aus den säulenartigen Kristallen besteht, die ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 3 bis 20 haben.

7. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der inneren Schicht 0,5 bis 3 um ist, die Dicke der Zwischenschicht 10 bis 40 um ist, wenn sie überwiegend aus Al&sub2;O&sub3; gebildet wird, und 3 bis 15 um, wenn diese hauptsächlich aus ZrO&sub2; gebildet wird, die Dicke der äußeren Schicht beträgt 10 bis 50 um, und die Gesamtdicke der inneren Schicht, der Zwischenschicht und der äußeren Schicht ist 25 bis 60 um wenn die Zwischenschicht hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3;, und 20 bis 60 um, wenn die Zwischenschicht hauptsächlich aus ZrO&sub2; besteht.

8. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieses weiterhin aus einem Al-enthaltenden dünnen Film, der zwischen der Zwischenschicht die hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3; gebildet wird, und der äußeren Schicht, die in Kontakt mit der Zwischenschicht ist liegt, und hauptsächlich aus einem Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Nitrid und einem Oxyd-Nitrid von Al besteht.

9. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffanteil in dem Al-enthaltenden dünnen Film zur Zwischenschicht hin abnimmt und der Sauerstoffanteil in diesem Film zur Zwischenschicht hin zunimmt.

10. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein dünner Film zwischen dem Al-enthaltenden dünnen Film und der äußeren Schicht enthalten ist, der im wesentlichen aus einem Material ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBNO, TiNO und TiO&sub2;.

11. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein dünner Zr-enthaltender Film enthalten ist, der notwendigerweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbo-Nitrid, einem Carbo-Oxid, einem Oxyd-Nitrid und einem Carbostickstoff-Oxid von Zr besteht, der zwischen der Zwischenschicht, die hauptsächlich aus ZrO&sub2; gebildet wird, und der äußeren Schicht, die in Kontakt mit der Zwischenschicht ist, liegt.

12. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffanteil in dem Film zur Zwischenschicht hin abnimmt und der Sauerstoffanteil in diesem Zr-enthaltenden dünnen Film zur Zwischenschicht hin zunimmt.

13. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein dünner Film, der notwendigerweise aus einem Material ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBNO, TiNO und TiO&sub2;, zwischen dem Zr-enthaltenden dünnen Film und der äußeren Schicht enthalten ist.

14. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen dünnen Film, der notwendigerweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBN, TiCO und TiCNO, in Kontakt mit der äußeren Schicht ist.

15. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein dünner Film, der notwendigerweise aus einem Material ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiBN, TiNO und TiO&sub2;, zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht enthalten ist, und Kontakt mit der Zwischenschicht hat.

16. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1 und 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Al&sub2;O&sub3; der Zwischenschicht hauptsächlich aus α-A&sub2;O&sub3; gebildet wird.

17. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Al&sub2;O&sub3; der Zwischenschicht die maximale Scheitelwertstärke der Röntgenbeugung in der Gitterebene ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (104) und (116) hat.

18. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallsystem des Al&sub2;O&sub3; in der Zwischenschicht hauptsächlich aus κ- Al&sub2;O&sub3; gebildet wird, und mit einem Teil in Kontakt mit der inneren Schicht ist und mit einem Teil mit der äußeren Schicht in Kontakt ist.

19. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Hartschicht eine Vielzahl von Rissen aufweist, und der durchschnittliche Abstand zwischen den Rissen 20 bis 40 um ist.

20. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Hartschicht eine Vielzahl von Rissen hat, und die durchschnittlichen Abstände der Risse in der inneren Schicht und der äußeren Schicht kleiner sind als in der Zwischenschicht.

21. Ein beschichtetes Hartmetall-Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Schneidewerkzeugs hat und ein Teil der harten Deckschicht in der Schneide des Schneidewerkzeugs entfernt wird, so daß eine Oberfläche gebildet wird, deren durchschnittlicher Wert für die Oberflächenrauhigkeit Ra nicht mehr als 0,05 um ist.