DE69716651T2

DE69716651T2 - Werkzeug mit einem schützenden schichten system

Info

Publication number: DE69716651T2
Application number: DE69716651T
Authority: DE
Inventors: Hans Braendle; Nobuhiko Shima
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2017-09-13
Also published as: SK3472000A3; KR20010030596A; CA2303124C; ATE226647T1; TR200000710T2; CZ301431B6; DE69716651D1; JP2001516655A; KR100470826B1; SK287369B6; CZ2000904A3; CA2303124A1

Description

Die vorliegende Beschreibung wurde zuerst mit einem Appendix A angemeldet, welches mittlerweile veröffentlicht wurde am 19. September 1997 als WO 97/34315.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug mit einem Werkzeugkörper und einem verschleißbeständigen Schichtsystem, sowie auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs.

Definition

Der Term QI wird definiert als der Quotient zwischen den Beugungsintensitäten I (200) zu I (111), welche jeweils den (200) - bzw. (111) - Gitterebenen bei der Röntgenbeugung des Materials unter Benutzung der θ - 2θ Methode zugeordnet sind. Dadurch ergibt sich QI = I (200)/I (111). Die Intensitätswerte wurden mit der folgenden Ausrüstung und mit den folgenden Einstellungen gemessen:
Mit dem Bezug "gemessen gemäß MS" bezieht man sich auf diese Vorrichtungen und diese Einstellungen. Dadurch sind alle quantitativen Ergebnisse für QI und I während der ganzen Anwendung nach MS gemessen.
- Man versteht unter "Werkzeugkörper" das unbeschichtete Werkzeug.
- Man versteht unter "hartes Material" ein Material, mit welchem Werkzeuge, die mechanisch und thermisch im Betrieb hochbelastet sind, zum Verschleißschutz beschichtet werden. Bevorzugte Beispiele eines solchen Materials werden nachfolgend als MeX Materialien bezeichnet.
Es ist im Stand der Technik des Werkzeugschutzes bekannt, dass verschleißbeständige Schichtvorrichtungen vorgesehen werden, die mindestens eine Schicht aus einem harten Material umfassen, wie durch MeX definiert
Von I. Petrov et al. "Average energy deposited per atom: A universal parameter for describing ion-assisted film growth?", Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 1, 5 Juli 1993, Seiten 36 bis 38, die Ablagerung von Ti0,5Al0,5N Filmen auf amorphen SiO&sub2; Substraten durch UHV (Ultrahochvakuum) reaktive Magnetfeldröhrenmetallaufdampfung. Dadurch könnte die bevorzugte Orientierung des Films gemäß der Beugungsintensitäten I wie oben erwähnt geändert werden durch das Ändern des Ionenflusses, wobei die Durchschnittsenergie, die pro Atom abgelagert ist, die Substratausrichtung umfasst. Ferner wird die Veränderung der Durchschnittsenergie Ed abgelagert pro Atom, entweder durch die Veränderung der Ionenenergie Ei oder des Quotienten Ji/JMe des einfallenden beschleunigten Ionenflusses auf den Fluss der abgelagerten thermischen Partikel.
Patentauszüge aus Japan, Vol. 096, No. 012, 26. Dezember 1996 und JP-A-08209335 offenbart ein PVD oder CVD Verfahren für die Herstellung eines harten Teils beschichtet mit Hartmetallen, Nitriden und Karbonnitriden eines Zweistoff oder Dreistoffsystems ausgewählt von Ti, der Gruppe IVa Metalle andere als Ti, der Gruppe Va Metalle, Gruppe VIa Metalle und Al. Dadurch sollen die Intensitätsspitzen der (200) Gitterebene im Röntgenstrahlenbeugungsmuster und das der (111) Gitterebene mindestens 1,5 betragen. Der Wert dieses Verhältnisses kann durch den Bias-Spannungswert geregelt werden. Dadurch wird die Restspannung vermindert und der kritische Lastwert des beschichteten harten Teils wie auch die Beschichtungsadhesion verbessert.
F. Adibi et al., "Effects of high-flux low-energy (20 to 100 eV) ion irradiation during deposition on the microstructure and preferred orientation of Ti0,5Al0,5N alloys grown by ultrahigh vacuum reactive magnetron sputtering", Journal of Applied Physics, Vol. 73, No. 12, 15 Juni 1993, Seiten 8580 bis 8589, offenbart die Ablagerung von Ti0,5Al0,5 N Filmen auf thermisch Oxidierten SiO&sub5; Substraten mit Hilfe des Magnetfeldröhrenaufdampfungsverfahrens. Dieser Artikel offenbart im wesentlichen die selben Themen wie oben erwähnt bezüglich des I. Petrov et al. Artikels.
Roos J. R. et al., " Interrelationship between processing, coating properties and functional properties of steered arc physically vapour deposited (Ti, Al) N and (Ti, Nb)N coatings", Thin Solid Films, 93/194 (1990), Seiten 547 bis 556, offenbart die Beziehung zwischen Verfahrensparameter, Beschichtungseigenschaften und funktionellen Eigenschaften eines gesteuerten Lichtbogens PVD abgelagert (Ti, Al) N und (Ti, Nb) N Beschichtungen für Schneide- und Verformungswerkzeuge. Die Beschichtungen offenbarten eine starke (111) bevorzugte Textur.
B. Y. Shew et al. "Effects of r.f. bias and nitrogen flow rates on the reactive sputtering of TiAlN Films", Thin Solid Films, Vol. 1-2, No. 293, 30. Januar 1997, Seiten 212 bis 219, offenbart, dass die bevorzugte Orientierung des von einer PVD Gleichstrommagnetfeldröhre zerstäubten TiAlN Films auf nicht vorgespannten Hochgeschwindigkeitsstrahlsubstraten allmählich verändert werden könnte von (111) bis (200) Orientierung beim Erhöhen des Stickstoffanteils.
Die vorliegende Erfindung hat als Aufgabe eine signifikante Verbesserung der Lebensdauer von Werkzeugen. Dies wird gelöst durch ein Werkzeug gemäß des Wortlauts von Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird anerkannt, dass die QI Werte zu einer erstaunlich hohen Verbesserung der Verschleißfestigkeit führen, und dadurch auch der Lebensdauer eines Werkzeugs, wenn solch ein Werkzeug derart spezifiziert ist.
Bisher wurde die Anwendung eines verschleißfesten Schichtsystems aus MeX hartem Material ohne Berücksichtigung der Interaktion zwischen dem Werkzeugkörpermaterial und der mechanischen und thermischen Belastung, der das Werkzeug während des Verfahrens unterworfen wird. Die vorliegende Erfindung basiert daher auf der Tatsache, dass festgestellt wurde, dass eine erstaunliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit erzielt wird, wenn der spezifizierte Wert QI selektiv kombiniert wird mit der spezifizierten Art von Werkzeugen, was dadurch zu einem Wert von I (111) führt, der mindestens um den Faktor 20 höher ist als der durchschnittliche Geräuschintensitätspegel, beide mit MS gemessen.
Die erfindungsgemäß erreichte Verbesserung wird sogar gesteigert, wenn QI so ausgewählt wird, dass der Wert höchstens 1 beträgt, und eine weitere Verbesserung wird sogar erreicht durch Auswählen von QI, dessen Wert höchstens 0,5 oder sogar höchstens 0,2 beträgt. Die größten Verbesserungen werden erreicht, wenn der Wert von QI höchstens 0,1 ist. Es muss angegeben werden, dass der Wert von QI gegen 0 fällt, wenn das Schichtmaterial mit einer einheitlichen Kristallisationsorientierung gemäß einer verschwindenden Beugungsintensität I (200) hergestellt wird. Daher wird kein unterer Grenzwert für QI festgelegt, weil dieser durch die Umsetzbarkeit festgelegt wird.
Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es eine Korrelation zwischen der Härte einer Schicht und der Spannung darin. Je höher die Spannung, desto höher ist die Härte. Nichts desto weniger neigt die Adhesion zum Werkzeugkörper mit steigender Spannung abzunehmen. Für das Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine höhere Härte eher wichtiger als eine bestmögliche Adhesion. Daher wird die Spannung in der MeX Schicht vorteilhaft eher an dem oberen Ende des nachfolgend angegeben Spannungsbereichs ausgewählt. Diese Überlegungen beschränken in der Praxis den nutzbaren Wert von QI.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Werkzeugs besteht das MeX Material des Werkzeugs aus Titan Aluminium Nitrid, Titan Aluminium Carbonitrid oder Titan Aluminium Bor Nitrid, wobei die ersten beiden Materialen heutzutage bevorzugt werden gegenüber Titan Aluminium Bor Nitrid.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Werkzeugs kann das Me des Schichtmaterials MeX zusätzlich mindestens eines der Elemente Bor, Zirkonium, Hafnium, Ytrium, Silizium, Wolfram, Chrom umfassen, wobei aus dieser Gruppe die Verwendung von mindestens eines aus der Gruppe Ytrium und Silizium und Bor bevorzugt wird.
Solch ein zusätzliches Element zu Titan und Aluminium wird dem Schichtmaterial beigefügt, vorzugsweise mit einem Anteil i, für welches gilt,
0,05 at.% ≤ i ≤ 60 at.%
Wobei der Anteil an Me als 100 at.% genommen wird.
Eine noch weitere Verbesserung in allen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von mindestens einer MeX Schicht wird erreicht, durch die Einführung einer zusätzlichen Schicht aus Titan Nitrid zwischen der MeX Schicht und dem Werkzeugkörper mit einer Dicke d, für welche gilt
0,05 um ≤ d ≤ 5 um
Hinsichtlich der Gesamtaufgabe der vorliegenden Erfindung, welche die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs vorschlägt mit den niedrigst möglichen Kosten und daher am wirtschaftlichsten, wird ferner vorgeschlagen, dass das Werkzeug nur eine MeX Materialschicht hat, und die zusätzliche Schicht, welche zwischen der MeX Schicht und dem Werkzeugkörper abgelagert wird.
Ferner wird die Spannung σ in dem MeX vorzugsweise so ausgewählt, dass sie innerhalb des Bereichs
2 GPa ≤ σ ≤ 8 GPa
insbesondere bevorzugt innerhalb des Bereichs
4 GPa ≤ σ ≤ 6 Gpa
liegt.
Der Anteil x an Titan in der Me Komponente der MeX Schicht wird vorzugsweise so ausgesucht, dass er im Bereich
70 at.% ≥ x ≥ 40 at.%,
liegt und dabei in einem ferneren bevorzugten Ausführungsbeispiel innerhalb des Bereichs
65 at.% ≥ x ≥ 55 at.%.
liegt.
Andererseits, wird der Anteil y von Aluminium in der Me Komponente des MeX Materials vorzugsweise so ausgesucht, dass er im Bereich
30 at.% ≤ y ≤ 60 at.%,
und in einem ferner bevorzugten Ausführungsbeispiel innerhalb des Bereichs
35 at.% < y ≤ 45 at.%.
liegt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese beiden Bereiche erfüllt, d. h. mit Bezug auf Titan und mit Bezug auf Aluminium.
Die Ablagerung, insbesondere der MeX Schicht, kann durch jede bekannte Vakuumablagerungstechnik geschehen, insbesondere durch eine reaktive PVD Beschichtungstechnik, wie z. B. reaktive Kathodenlichtbogenverdampfung oder reaktive Zerstäubung. Durch adäquate Steuerung der Verfahrensparameter, welche das Wachstum der Beschichtung beeinflussen, wird der erfindungsgemäß ausgenutzte Bereich Qi erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren vorgeschlagen, für die Herstellung eines Werkzeugs, worin der Qi Wert adäquat eingestellt werden kann entsprechend den spezifischen Wünschen. Dies wird erreicht durch das Verfahren gemäß dem Wortlaut des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines solchen Verfahrens werden ferner in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 17 definiert.
Um eine ausgezeichnete und reproduzierbare Adhesion der Schicht an den Werkzeugkörper zu erreichen, wurde ein Plasma-Ätzverfahren benutzt, als einen vorbereitenden Schritt, basierend auf einem Argon-Plasma, beschrieben in der WO 97/34315, ein Dokument, welches integriert ist in der Beschreibung durch Verweis, mit Bezug auf solch ein Ätzen und anschließende Beschichtung.
Dieses Dokument entspricht dem US-Patent No 5 709 784 desselben Erfinders (2 Erfinder!) und Anmelders der vorliegenden Anmeldung.

Beispiele 1

Eine Lichtbogenionenbeschichtungsvorrichtung, die magnetisch gesteuerte Lichtbogenquellen benutzt, wie in der WO 97/34315 beschrieben, wurde betrieben wie in Tabelle 1 gezeigt, um die MeX Schicht abzulagern, wie ebenso angegeben in Tabelle 1 auf festen Hartmetall Schaftfräsern mit einem Durchmesser von 10 mm, z = 6. Die Dicke der abgelagerten MeX Schicht war stets 3 um. Dadurch wurden in den Proben Nr 1 bis 5 die erfinderisch angegeben Werte QI erreicht, wohingegen zum Vergleich in den Beispielen Nr. 6 bis 10 diese Bedingung nicht erfüllt wurde. Der I (111) Wert war stets bedeutend größer als das 20fache des Geräuschmittelwerts, gemessen entsprechend MS. Die beschichteten Schaftfräser wurden eingesetzt für das Fräsen unter den Bedingungen wie nachfolgend angegeben, um die Fräseentfernung erreichbar zu finden bis zum Erreichen einer durchschnittlichen Weite der Flankenabnutzung von 0,20 mm. Die resultierende Fräsedistanz gemäß der Lebensdauer eines solchen Werkzeugs wird ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.

Testschneidbedingungen

- Werkzeug: Hartmetallschaftfräser, 10 mm, z = 6
- zu schneidendes Material: AISI D2 (DIN 1. 2379)
- Schneidparameter: vc = 20 m/min
ft = 0.031 mm
ap = 15 mm
ae = 1 mm
Gleichlauffräsen, trocken
Aus Tabelle 1 ist klar erkennbar, dass Schaftfräser, beschichtet gemäß der vorliegenden Erfindung signifikant besser geschützt sind gegenüber Delaminierung und Verschleiß als beschichtete Schaftfräser gemäß der Vergleichsbedingungen. Tabelle 1

Beispiele 2

Die Vorrichtung, wie sie für die Beschichtung gemäß Beispiel 1 verwendet wurde, wurde ebenfalls eingesetzt für die Beschichtung der Proben Nr. 11 bis 20 aus der Tabelle 2. Die beschichteten Werkzeuge und die Testbedingungen waren identisch wie im Beispiel 1. Die Dicke der Schichten wird in Tabelle 2 angezeigt.
Man sieht, dass zusätzlich zu der Beschichtung gemäß dem Beispiel 1, eine Zwischenschicht aus Titan Nitrid zwischen der MeX Schicht und dem Werkzeugkörper aufgetragen wurde und eine äußerste Schicht des entsprechenden Materials, wie in Tabelle 2 angegeben. Die Bedingung entsprechend I (111) und des durchschnittlichen Geräuschpegels, gemessen entsprechend MS, war weitgehend erfüllt.
Man stellt fest, dass die Bereitstellung einer Zwischenschicht zwischen der MeX Schicht und dem Werkzeugkörper schon in einer weiteren Verbesserung resultierte. Eine zusätzliche Verbesserung wurde erreicht durch die Bereitstellung einer äußersten Schicht aus einem der Materialien Titan Carbonitrid, Titan Aluminium Oxinitrid und insbesondere mit einer äußersten Schicht aus Aluminium Oxid. Abermals kann gesehen werden, dass durch die Durchführung der erfindungsgemäß angegeben QI Werte mit Bezug auf die zu vergleichenden Proben Nr. 16 bis 20 eine signifikante Verbesserung erzielt wurde.
Die äußerste Schicht aus Aluminium Oxid mit einer Dicke von 0,3 um wurde mit Plasma CVD erzeugt.
Wie oben angegeben, wurden die Schaftfräser unter denselben Schneidebedingungen getestet, wie jene aus dem Beispiel 1, QI wurde gemäß MS gemessen. Tabelle 2

Beispiel 3

Wiederum wurden Schaftfräsen aus festem Hartmetall mit der Vorrichtung aus Beispiel 1 mit der MeX Schicht beschichtet, wie in Tabelle 3 angegeben, wobei die QI Bedingungen noch immer erfüllt sind, wie erfindungsgemäß angegeben, und bei Weitem die Bedingung von I (111) bezüglich des durchschnittlichen Geräuschpegels, gemessen gemäß MS. Dadurch wurde eine aus Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Silizium und Chrom mit den oben genannten Anteilen in das Me eingeführt.
Die beschichteten Schaftfräser wurden in einem Ofen bei 750ºC 30 Minuten lang für die Oxidation gehalten. Danach wurde die resultierende Dicke der Oxidschicht gemessen. Diese Ergebnisse werden ebenfalls in Tabelle 3 gezeigt. Zum Vergleich wurden ebenfalls Beilagen, erfindungsgemäß beschichtet mit unterschiedlichen Me Komponenten des MeX Materials, getestet. Es wird offensichtlich, dass durch das Hinzufügen irgendeines der Elemente gemäß den Proben 23 bis 32 zum Me die Dicke des resultierenden Oxidfilms bedeutsam verringert wird. Die besten Ergebnisse bezüglich der Oxidation wurden durch das Hinzufügen von Silizium oder Yttrium erreicht.
Es muss hervorgehoben werden, dass es dem Fachmann bekannt ist, dass für verschleißresistente Schichten aus MeX Material Folgendes gilt: Je besser die Beständigkeit gegenüber der Oxidation ist und dadurch je dünner der resultierende Oxidfilm, desto besser ist die Schneideleistung. Tabelle 3

Beispiel 4

Wiederum wurde die Vorrichtung und das Beschichtungsverfahren gemäß dem Beispiel 1 angewendet. Feste Hartmetallschaftfräser mit einem Durchmesser von 10 mm mit 6 Zähnen wurde beschichtet mit einer 3,0 um beschichteten MeX Schicht. Da wurde eine Titan Nitrid Zwischenschicht vorgesehen, mit einer Dicke von 0,08 um zwischen dem MeX und dem Werkzeugkörper. Testbedingungen für die Schaftfräse waren wie folgt:
Werkzeug: Fester Hartmetallschaftfräser, 10 mm
z = 6
Material AISI D2 (DIN 1.2379)
60 HRC
Schneideparameter vc = 20 m/min
ft = 0.031 mm
ap = 15 mm
ae = 1 mm
Gleichlauffräsen, trocken
Die festen Hartmetallschaftfräser wurden benutzt, bis eine durchschnittliche Weite der Flankenabnutzung von 0,20 mm erreicht wurde. Das Ergebnis wird in Tabelle 4 gezeigt. Wiederum war die I (111) Geräuschbedingung gemessen mit MS für die Probenummer 35 klar erfüllt, für die Probenummer 34 war die I (200) Geräuschbedingung erfüllt. Tabelle 4

Beispiel 5

Die Vorrichtung und das Beschichtungsverfahren wurde gemäß dem Beispiel 1 eingesetzt.
Feste Hartmetallkugelkopffräser wurden mit einer 3,1 um MeX und einer TiN Zwischenschicht mit einer Dicke von 0,07 um beschichtet. Die beschichteten Werkzeuge wurden beim Fräsen eines gehärteten Formstahls getestet.
Testbedingungen:
Werkzeug: Fester Hartmetallkugelkopffräser J97 (Jabro), R4 ( 8 · 65 mm)
Material: Formstahl H 11 (DIN 1. 2343), HRC 49,5
Schneideparameter: vc = 220 m/min
ap = 0,5 mm
kein Kühlmittel
Die Werkzeuglebensdauer wurde in Minuten bewertet. Tabelle 5
In Fig. 1 wird ein Diagramm gezeigt mit einer linearen Skalierung des Stickstoffpartialdrucks gegenüber der Bias-Spannung des Werkzeugkörpers, wie angelegt für die reaktive Katodenlichtbogenverdampfung, gemäß dem reaktiven PVD Beschichtungsverfahren, um die Beispiele, wie oben stehend besprochen, zu erzeugen.
Sämtliche Verfahrensparameter des Kathodenlichtbogenverdampfungsverfahren, nämlich:
- Lichtbogenstrom;
- Verfahrenstemperatur
- Ablagerungsgrad
- Verdampftes Material
- Stärke und Konfiguration des Magnetfeldes, das an der Lichtbogenquelle anliegt
- Geometrie und Abmessungen der Verfahrenskammer und des Werkstück-Werkzeugs, das behandelt werden soll
wurden konstant gehalten.
Die verbleibenden Verfahrensparameter, nämlich Partialdruck des reaktiven Gases - oder Gesamtdruck - und Bias-Spannung des Werkzeugkörpers, der als ein Werkstück beschichtet werden soll, und bezüglich eines vorbestimmten elektrischen Referenzpotentials sowie eines Erdungspotentials der Kammerwand, wurden variiert.
Dabei wurde Titan Aluminium Nitrid abgelagert. Mit Bezug auf den Partialdruck des reaktiven Gases und der Bias-Spannung des Werkzeugkörpers wurden unterschiedliche Betriebspunkte festgestellt, und die resultierenden QI an den abgelagerten Hartmaterialschichten wurden gemäß MS gemessen.
Es zeigte sich, dass es im Diagramm gemäß Fig. 1 einen Bereich P gibt, welcher sich in einer ersten Abschätzung linear von zumindest angrenzend an den Ausgangspunkt der Diagrammkoordinaten erstreckt, worin die resultierende Schicht zu einem sehr niedrigen XRD Intensitätswert von I (200) und I (111) führt. Es ist klar, dass für die exakte Bestimmung der Grenzen P eine hohe Anzahl von Messungen gemacht werden müssen. Darin ist keine der I (200) und I (111) Intensitätswerte so hoch, wie das 20fache des durchschnittlichen Geräuschpegels, gemessen gemäß MS.
Auf der einen Seite des Bereichs P und gezeigt in der Fig. 1 ist QI größer als 1, auf der anderen Seite mit Bezug auf P, ist QI kleiner als 1. In diesen beiden Bereichen ist mindestens einer der Werte für I (200), I (111) größer als das 20fache des mittleren Geräuschpegels, gemessen gemäß MS.
Wie mit den Pfeilen in Fig. 1 gezeigt, ist die Verringerung des Partialdrucks des reaktiven Gases - oder des Gesamtdruckes, wenn dieser praktisch gleich dem Partialdruck ist - und/oder das Erhöhen der Bias-Spannung des Werkzeugkörpers, der zu beschichten ist, führt zu einer Verringerung von QI. Demnach umfasst das erfindungsgemäße Verfahren für das Erzeugen eines Werkzeugs, welches einen Werkzeugskörper und ein Verschleißschutzschichtsystem umfasst, wobei letzteres zumindest eine Hartmaterialschicht umfasst, die Schritte einer reaktiven PVD Ablagerung von mindestens einer Hartmaterialschicht in einer Vakuumkammer, wobei die Verfahrensparameterwerte für das PVD Ablagerungsverfahrensschrittes vorgewählt werden von entweder einem oder beiden der zwei Verfahrensparameter, nämlich dem Partialdruck des reaktiven Gases und der Bias-Spannung des Werkzeugkörpers. Es ist einer dieser zwei Parameter oder beide, welche dann eingestellt werden für das Erreichen der gewünschten QI.Werte, demnach, und gemäß der vorliegenden Erfindung, wird die Bias-Spannung erhöht und/oder der Partialdruck des reaktiven Gases wird verringert, um die QI.Werte zu erreichen, welche, wie oben beschrieben, höchstens 2, vorzugsweise höchstens 1 oder sogar höchstens 0,5 oder sogar höchstens 0,2 betragen.
Bevorzugter Weise QI. ≤ 0,1. Außerdem ist der erfindungsgemäß ausgenutzte Wert QI, in diesem "Rechter Hand" Bereich, mit Bezug auf P, I (111) höher, meistens viel höher als das 20fache des durchschnittlichen Geräuschpegels der Intensität, gemessen gemäß MS.
In Fig. 2 wird ein typisches Diagramm gezeigt, der Intensität gegenüber des Winkels 2 θ gezeigt, für die Titan Aluminium Nitrid Hartmaterialschicht abgelagert in dem QI ≥ 1 Bereich der Fig. 1, resultierend in einem QI Wert von 5,4. Der durchschnittliche Geräuschpegel N* ist viel kleiner als I (200)/20. Die Messung erfolgt gemäß MS.
In Fig. 3a wird ein Diagramm analog zu dem in Fig. 2 gezeigt, wo aber die Titan Aluminium Nitrid Ablagerung durch das Steuern der Bias-Spannung und des Stickstoffpartialdrucks gesteuert wird zum erfindungsgemäßen Ergebnis von QI ≤ 1. Der resultierende Wert für QI ist 0,03. Hier ist wieder der Wert I (111) > als das 20fache des durchschnittlichen Geräuschpegels der Intensität, beide gemessen gemäß MS.
Man beachte, dass in Fig. 1 die entsprechenden Werte für QI in den entsprechenden Bereichen benannt sind bei jedem gemessenem Arbeitspunkt (gemäß MS).
In Fig. 4 wird ein Diagramm analog zu dem aus Fig. 2 und 3 gezeigt, für den Arbeitspunkt P1 der Fig. 1. Man kann sehen, dass die Intensitäten I (200) und I (111) signifikant verringert sind, verglichen mit denen außerhalb des Bereichs P. Keiner der Werte für I (200) und I (111) erreicht den Wert von dem 20fachen des durchschnittlichen Geräuschpegels N*.
Deshalb wird durch das einfache Einstellen von mindestens einem der zwei QI-steuernden reaktiven PVD-Verfahrensparameter, nämlich des Partialdruckes des reaktiven Gases und der Bias-Spannung des Werkstückes, der erfindungsgemäße ausgenutzte QI gesteuert.
In Fig. 1 wird allgemein mit δ QI < 0 die Justierrichtung für das Verringern von QI gezeigt, und es ist offensichtlich, dass in der Gegenrichtung der Einstellung der zwei Verfahrenssteuerungsparameter ein Ansteigen von QI erreicht wird.

"Anhang A"

Fig. 5
Spindeldrehmoment [a. u]
Ende der Werkzeugslebensdauer
Hochspannungsätzen + 3,5 um TiN (Lichtbogenbeschichtung)
Niederspannungslichtbogenbeschichtung + 3,5 um TiN (Lichtbogenbeschichtung), (Erfindung)
Gesamtfräsetiefe [m]

Claims

1. Werkzeug mit einem Werkzeugkörper und einem Verschleißschutz- Schichtsystem, dessen Schichtsystem mindestens eine Schicht MeX umfasst, wobei

- Me Titan und Aluminium umfasst;

- X mindestens entweder Stickstoff oder Kohlenstoff ist

und bei welchem die Schicht einen QI hat, der das Verhältnis der Beugungsintensitäten von I(200) zu I(111) definiert, welche den (200)- bzw. (111)-Gitterebenen bei der Röntgenbeugung des Materials unter Benutzung der θ-2θ-Methode zuzuordnen sind, wobei die Intensitätswerte mit dem folgenden Gerät und mit den folgenden Einstellungen gemessen werden:

Siemens-Diffraktometer D500

Leistung: Betriebsspannung: 30 kV

Betriebsstrom: 25 mA

Apperturdiaphragmen: Diaphragmaposition I: 1º

Diaphragmaposition II: 0,1º

Detektordiaphragma: Soller-Schlitz

Zeitkonstante: 4 s

2θ Winkelgeschwindigkeit: 0,05º/min

Strahlung: Cu-Kα (0,15406 nm)

dessen QI einen Wert

QI < 2 hat,

und wobei das Werkzeug eines der folgenden ist:

- ein Vollhartmetallfräser;

- ein Vollhartmetallkugelkopffräser;

- ein Sinter-Hartmetall-Schneidwerkzeug für Zahnräder, wobei der Wert von I(111) mindestens 20 Mal die Intensität des durchschnittlichen Rauschpegels hat.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für QI gilt:

QI ≤ 1, vorzugsweise:

QI ≤ 0,5, insbesondere vorzugsweise:

QI ≤ 0,2, höchst vorzugsweise:

QI ≤ 0,1.

3. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der MeX-Werkstoff Titanaluminiumnitrid, Titanaluminiumcarbonitrid oder Titanaluminiumbornitrid ist, wobei Titanaluminiumnitrid und Titanaluminiumcarbonitrid bevorzugt sind.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Me darüber hinaus wenigstens eines der folgenden Elemente aus der Gruppe, die aus Bor, Zirconium, Hafnium, Yttrium, Silicium, Wolfram, Chrom besteht, umfasst, wovon wenigstens eines aus Yttrium, Silicium und Bor bevorzugt wird.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in Me enthaltene zusätzliche Element einen Anteil i

0,05 at.% ≤ i ≤ 60 at.% hat,

wobei der Anteil an Titan und Aluminium als 100 at.% genommen wird.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus eine zusätzliche Schicht aus Titannitrid, zwischen der mindestens einen Schicht und dem Werkzeugkörper, umfasst und bei welchem die zusätzliche Schicht eine Dicke d hat, für die gilt:

0,05 um ≤ d ≤ 5,0 um.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem aus der zumindest einen Schicht und der zusätzlichen Schicht geformt wird.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung σ innerhalb der zumindest einen Schicht

2 GPa ≤ σ ≤ 8 GPa, bevorzugterweise

4 GPa ≤ σ ≤ 6 GPa beträgt.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil x an Titan in Me

70 at.% ≥ x ≥ 40 at.%, bevorzugt

65 at.% ≥ x ≥ 55 at.% beträgt.

10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil y an Aluminium in Me

30 at.% ≤ y ≤ 60 at.%, bevorzugterweise

35 at.% ≤ y ≤ 45 at.% beträgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges, das einen Werkzeugkörper und ein Verschleißschutz-Schichtsystem umfasst, welches mindestens eine harte Materialschicht umfasst, das die folgenden Schritte umfasst:

- reaktive PVD-Abscheidung von mindestens einer Schicht MeX auf dem Körper, wobei Me Titan und Aluminium umfasst und X mindestens entweder Stickstoff oder Kohlenstoff ist;

- Auswahl im Voraus festgelegter Prozessparameterwerte für die PVD- Abscheidung neben dem mindestens einen von zwei Parametern, die den Teildruck eines reaktiven Gases in der Vakuumkammer, und die Bias-Spannung des Werkzeugkörpers, bezogen auf ein vorbestimmtes Referenzpotential, umfassen;

- Anpassen von zumindest entweder dem Partialdruck oder der Bias-Spannung, um die Schicht mit dem gewünschten QI zu realisieren, welcher einen Wert größer oder kleiner als Eins annehmen kann, und um zu realisieren, dass von mindestens einem der beiden I(200) und I(111) der Wert mindestens 20 mal größer als die durchschnittliche Rauschintensität ist, wodurch ausgenutzt wird, dass Qi als eine Funktion des Partialdrucks und der Bias-Spannung mit abnehmendem Partialdruck ebenso wie mit zunehmender Bias-Spannung abnimmt, wobei Qi als das Verhältnis der Beugungsintensität I(200) zu I(111) definiert ist, die jeweils (200)- und (111)-Ebenen bei der Röntgenbeugung eines Materials zugeordnet sind, wenn man die θ-2θ-Methode benutzt, wobei die Intensitätswerte mit der folgenden Ausrüstung und den folgenden Einstellungen gemessen werden:

Siemens-Diffractometer D500

Leistung: Betriebsspannung: 30 kV

Betriebsstrom: 25 mA

Apperturdiaphragmen: Diaphragmaposition I: 1º

Diaphragmaposition II: 0,1º

Detektordiaphragma: Soller-Schlitz

Zeitkonstante: 4 s

2θ Winkelgeschwindigkeit: 0,05º/min

Strahlung: Cu-Kα (0,15406 nm).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus den Schritt der Durchführung der reaktiven PVD-Abscheidung durch reaktive kathodische Bogenverdampfung umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus den Schritt der magnetischen Kontrolle der Bogenverdampfung umfasst.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus den Schritt der Abscheidung einer MeX-Schicht auf dem Werkzeugkörper umfasst, wobei Me Titan und Aluminium umfasst und X mindestens entweder Stickstoff oder Kohlenstoff ist, und zur PVD-Abscheidung durch reaktives Gas eingeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eines der folgenden ist:

- ein Vollhartmetallfräser;

- ein Vollhartmetallkugelkopffräser;

- ein Sinter-Hartmetall-Schneidewerkzeug für Zahnräder

wobei der Qi-Wert als

QI ≤ 2

durch Anpassung von mindestens entweder dem reaktiven Druck oder der Bias- Spannung für die reaktive PVD-Abscheidung ausgewählt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der QI-Wert

QI ≤ 1, bevorzugterweise QI ≤ 0,5, oder sogar

QI ≤ 0,2

gewählt wird.

17. Methode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei der QI-Wert

QI ≤ 0,1

gewählt wird.