DE69901985T2

DE69901985T2 - Aluminiumoxid-beschichteter Werkzeugteil

Info

Publication number: DE69901985T2
Application number: DE69901985T
Authority: DE
Inventors: Seiji Kiriyama
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2019-04-10
Also published as: EP0980917A3; DE69901985D1; US6284356B1; EP0980917A2; EP0980917B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein mit Aluminiumoxid überzogenes Werkzeugelement, in dem eine Überzugsschicht aus Aluminiumoxid mit ausgezeichneter Schälfestigkeit auf ein Substrat aus Metall, einer Legierung oder einem gesinterten Keramikkörper aufgebracht ist, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs verbessert ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein mit Aluminiumoxid überzogenes Werkzeugelement, in dem eine Zwischenschicht zwischen das Substrat aus Metall, aus einer Legierung oder aus einem Keramiksinterkörper und eine mit Aluminiumoxid überzogenen Schicht im Hinblick auf den Unterschied der thermischen Ausdehnung und Eignung an den Grenzflächen eingefügt ist, das als Schneidwerkzeuge, wie Drehmeißel, Rändelwerkzeuge, Bohrer und Schaftfräser; Stoßmeißel, wie Stempel und Stanzstempel; verschleißfeste Werkzeuge wie Klingen, einschließlich Längsschneider (slitter) und Messerklingen; Korrosions- und abriebfeste Werkzeuge, wie Düsen und Beschichtungswerkzeuge; Werkzeuge für den Hoch- und Tiefbau und der Bauindustrie, dargestellt durch Schneidwerkzeuge, Baggerwerkzeuge, Bohrwerkzeuge und Mahlwerkzeuge, die für eine Mine, Straße und beim Bau verwendet werden sollen.

2. Stand der Technik

Ein beschichtetes Element, umfassend ein Substrat aus Metall, einer Legierung oder einem Keramiksinterkörper, und eine darauf bereitgestellte beschichtete Schicht, die härter als der Träger ist, unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheidungsverfahrens (CVD-Verfahren) eines physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens (PVD- Verfahren) oder ein Plasma-CVD-Verfahren, wodurch synergistische Effekte der Festigkeit und Härte des Substrates und Abriebfestigkeit des beschichteten Materials entwickelt werden, ist bisher in der Praxis verwendet worden. Augenblicklich können representative Materialien der beschichteten Schicht in dem beschicheteten Material, das praktisch verwendet wird, eine ein Ti-Element enthaltende beschichtete Schicht beinhalten, wie Nitrid, Carbid oder Carbonitrid von Ti, ein Kompositnitrid oder ein Kompositcarbonitrid von Ti und Al; und eine beschichtete Schicht aus Aluminiumoxid.
Unter diesen beschichteten Elementen sind etliche beschichtete Elemente, in denen eine beschichtete Schicht aus Aluminiumoxid auf ein Substrat aufgebracht wird, um Eigenschaften des Aluminiumoxid wirksam zu verwenden, wodurch die Lebensdauer bestimmt wird, vorgeschlagen worden. Wenn ein beschichtetes Teil, in dem eine Überzugsschicht aus Aluminiumoxid auf ein Substrat aufgebracht ist, als ein Werkzeug verwendet wird, falls es als ein Schneidwerkzeug bei einer hohen Temperatur unter extremen Bedingungen verwendet wird, muss die Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und der Überzugsschicht aus Aluminiumoxid verbessert werden. In der japanischen vorläufigen Patentveröffentlichung Nr. 256503/1992 ist ein Material offenbart worden, um die obigen Probleme zu lösen. Ebenfalls als eine Technik des Standes der Technik betreffend ein Oxicarbid von Ti und Al, das nicht direkt relevant ist für die Frage der Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und der beschichteten Schicht aus Aluminiumoxid, kann J. Vac. Sci. Tech. A(4)6 1986, Seiten 2707 bis 2712, erwähnt werden.
Unter den Techniken des Standes der Technik betreffend mit Aluminiumoxid überzogene Werkzeugelemente, in denen eine Überzugsschicht aus Aluminiumoxid auf ein Substrat aufgebracht ist, wird insbesondere in der japanischen vorläufigen Patentveröffentlichung Nr. 256503/1992 eine Schneiddüse offenbart, hergestellt aus einer Oberflächenbeschichteten, auf Wolframcarbid basierenden Hartlegierung, die ausgezeichnete Abblätterbeständigkeit zeigt, und die eine innere Schicht, zusammengesetzt aus einer einphasigen Schicht oder Multischichten aus wenigstens einer Titanverbindung, ausgewählt aus einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid und Carbonitroxid von Ti, umfasst, eine Zwischenschicht und eine äußere Schicht aus Aluminiumoxid sind nacheinander auf die Oberfläche des auf Wolframcarbid basierenden Hartlegierungssubstrats beschichtet und die Zwischenschicht ist eine gemischte Schicht aus der inneren Schicht und der äußeren Schicht.
Die Oberflächen-beschichtete Schneiddüse, die in dieser Veröffentlichung offenbart wird, verwendet eine Zwischenschicht, umfassend eine gemischte Schicht aus der inneren Schicht und der äußeren Schicht, so dass Abblättern, hervorgerufen durch Spannung wegen des Unterschiedes zwischen den thermischen Expansionen an den gesamten Oberflächen der entsprechenden Schichten entspannt wird. Jedoch gibt es keine so beachtlichen Entspannungseffekte für die Spannung aufgrund des Unterschiedes der thermischen Expansion an der Spitze der Schneide der Schneiddüse, insbesondere an der sehr kleinen Oberfläche der Klinge, und es bleibt das Problem, dass die Eignung der äußeren Schicht und der Zwischenschicht nicht optimale Bedingungen aufweisen. Auch in Bezug auf die Oberflächen-beschichtete Schneiddüse, offenbart in dieser Druckschrift, ist unter den Komponenten der Zwischenschicht der Anteil, der die Komponenten der inneren Schicht umfasst, geringer in Bezug auf die Haftfähigkeit zu der äußeren Schicht, so dass es ein Problem gibt, dass nicht so viele Effekte erwartet werden können für die Haftfähigkeit zwischen der Zwischenschicht und der äußeren Schicht.
Als ein Verfahren zum Aufbringen der Zwischenschicht ist in den Beispielen dieser Druckschift offenbart, dass "eine Zonenzeit der inneren Schicht und eine Zonenzeit der äußeren Schicht jeweils 30 Sekunden ausmachen, und diese Schichten abwechselnd wiederholt gebildet werden". Gemäß diesem Verfahren werden eine Schicht der Komponenten der inneren Schicht und einer Schicht aus den Komponenten der äußeren Schicht abwächselnd laminiert mit extrem dünnen Schichten und so ergibt sich ein Problem, das ein Effekt einer gemischten Schicht in der Komponenten der inneren Schicht und Komponenten der äußeren Schicht als Mischung in einer Schicht vorliegen, nicht erhalten werden. Gemäß dem Verfahren, das in dieser Druckschrift offenbart wird, gibt es darüber hinaus Probleme, dass der Arbeitsvorgang zur Filmbildung an dem Bildungsschritt der Beschichtungsschicht komplex wird, und es ist notwendig, zusätzliche Vorrichtungen anzubringen, um die Filmbildung effektiv durchzuführen.
In J. Vac. Sci. Tech. A(4) 6, 1986, Seiten 2707 bis 2712, erwähnt als eine andere Technik des Standes der Technik, ist ein Beispiel offenbart, in dem eine Beschichtungsschicht aus TiwAlxOvCz auf einem TiC-Film durch das CVD-Verfahren gebildet wird, und die Menge an Al in der Beschichtungsschicht ist 3 bis 58%, wodurch das resultierende Werkzeug als ein Schneidwerkzeug verwendet wird. In dieser Druckschrift des Standes der Technik wurde ein Vergleich zwischen Abriebfestigkeit in Schneidtests unter Verwendung der mit TiwAlxOvCz überzogenen Schicht und einer konventionellen mit TiC überzogenen Schicht, mit TiC-Al&sub2;O&sub3; laminierten Schicht usw. durchgeführt. Diese Druckschrift erwähnt jedoch nicht die Beziehung zwischen der mit TiwAlxOvCz beschichteten Schicht und der mit Al&sub2;O&sub3; beschichteten Schicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat die oben erwähnten Probleme gelöst, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Aluminiumoxid überzogenes Werkzeugelement bereitzustellen, in dem die Verlängerung der Lebensdauer des Werkzeugs durch vollständiges Ausnutzen der ausgezeichneten Eigenschaften der Überzugsschicht aus Aluminiumoxid in einem hohen Temperaturbereich und Erhöhen der Schalbeständigkeit der Überzugsschicht erreicht wurde, insbesondere der Überzugsschicht aus Aluminiumoxid mit hoher Festigkeit, hoher Härte, Abriebfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Wärmestoßfestigkeit, Bruchbeständigkeit und Temperaturhaftungsbeständigkeit und Verbessern der Temperaturhaftungsbeständigkeit mit einem Material, das geschnitten werden soll.
Der gegenwärtige Erfinder hat für eine lange Zeitdauer intensiv die Abblätterbeständigkeit einer Beschichtungsschicht aus Aluminiumoxid in einer beschichteten Hartlegierung untersucht, in der eine Beschichtungsschicht aus Aluminiumoxid auf die Oberfläche eines Substrats einer Hartlegierung beschichtet ist, und hat die folgenden Ergebnisse eins bis fünf gefunden, wodurch die vorliegende Erfindung erzielt wurde. Das erste Ergebnis besteht darin, dass der Unterschied in den thermischen Expansionen zwischen dem Substrat und der Überzugsschicht aus Aluminiumoxid der mit Aluminiumoxid überzogenen Hartlegierung beachtliche Wirkungen auf die Abblätterbeständigkeit der Beschichtungsschicht aus Aluminiumoxid ausübt. Das zweite Ergebnis besteht darin, dass wenn eine Substanz, die an die Beschichtungsschicht aus Aluminiumoxid angrenzt, ein Carboxidkomposit, enthaltend Ti und Al, eine gemischte Substanz, in der Aluminiumoxid in einem Carboxidkomposit, enthaltend Ti und Al, dispergiert ist, oder eine gemischte Substanz, in der Aluminiumoxid in ein Carbonitroxidkomposit, enthaltend Ti und Al, dispergiert ist, umfasst, die Substanz eine optimale Haftungseigenschaft mit Aluminiumoxid aufweist. Das dritte Ergebnis besteht darin, dass wenn ein Gas, das eine Zufuhrquelle von Aluminium wird zu einem Zeitpunkt, an dem ein Film aus einer Titancarboxidschicht gebildet wird, unter geeigneten Bedingungen bei der Filmbildung zugegeben wird, wird Al in das Titancarboxid zum Zeitpunkt der Filmbildungsreaktion eingebaut, wodurch eine einphasige Schicht aus einem Carboxidkomposit, enthaltend Ti und Al, oder eine eine komplexphasige Schicht, in der Aluminiumoxid in ein Carboxidkomposit, enthaltend Ti und Al, dispergiert ist, gebildet wird. Das vierte Ergebnis besteht darin, dass wenn ein Stickstoff enthaltendes Gas in das Ausgangsgas eingeführt wird, eine komplexphasige Schicht, in der Aluminiumoxid in einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Ti und Al, dispergiert ist, gebildet wird. Das fünfte Ergebnis besteht darin, dass unter Verwendung der obigen einphasigen Schicht oder der komplexphasigen Schicht als eine Zwischenschicht und einer Beschichtungsschicht aus Aluminiumoxid, die auf der Oberfläche der Zwischenschicht gebildet ist, weist das resultierende Material ausgezeichnete Abblätterbeständigkeit und Haftung auf, wodurch ein Schneidwerkzeug mit einer verlängerten Lebensdauer erhalten werden kann.
Das bedeutet, das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat, eine Zwischenschicht, enthaltend Elemente von Al (Aluminium), Ti (Titan), O (Sauerstoff) und C (Kohlenstoff), bereitgestellt auf dem Substrat, und eine äußere Schicht, angrenzend an die Zwischenschicht, wobei die äußere Schicht aus Aluminiumoxid ist, und die Zwischenschicht wenigestens eine Schicht umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer einphasigen Schicht eines Carboxidkomposits, enthaltend Ti und Al, und einer komplexphasigen Schicht, in der wenigstens zwei dispergiert sind, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titannitrid, Titanoxid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid, Titancarbonitroxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumnitroxid, Aluminiumcarboxid, Aluminiumoxynitrocarbid, einem Nitridkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Oxidkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Carboxidkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Nitroxidkomposit, enthaltend Ii und Al und einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Ti und Al.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Substrat in dem beschichteten Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung umfasst ein Metallelement, eine gesinterte Legierung oder einen Keramiksinterkörper, die die Temperatur aushalten, bei der Überzugsfilme auf das Substrat aufgebracht werden. Insbesondere kann z. B. ein Metallelement erwähnt werden, wie Edelstahl, wärmebeständige Legierung, Schnellstahl, Matritzenstahl, Ti-Legierung und Al-Legierung, eine gesinterte Legierung, wie eine Hartlegierung, Cermet und gesinterter Schnellstahl; ein Keramiksinterkörper, wie Seriensinterkörper aus Al&sub2;O&sub3;, Seriensinterkörper aus Si&sub3;N&sub4;, Seriensinterkörper aus Sialon und Seriensinterkörper aus ZrO&sub2;. Unter diesen Materialien, wenn sie als ein Schneidewerkzeug oder ein abriebfestes Werkzeug verwendet werden sollen, ist ein Substrat aus Hartlegierung bevorzugt, insbesondere ein Substrat aus Hartlegierung, umfassend 4 bis 12 Gew.-% einer Binderphase, hauptsächlich umfassend Metalle der Fe- Gruppe, und der Rest ist 10 Gew.-% oder weniger Wolframcarbid oder eine Verbindung, hauptsächlich umfassend Wolframcarbid und wenigstens eine Verbindung mit einer kubischen Kristallstruktur, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Carbid der Gruppe 4b (Ti, Zr, Hf), 5b (Ta, Nb, V) oder 6b (W, Cr, Mo) des Periodensystems oder gemeinsame Mischkristalle davon.
Als eine Zwischenschicht, die auf dem oben erwähnten Substrat bereitgestellt wird, kann z. B. erwähnt werden, ausgedrückt durch chemische Formeln, eine Zwischenschicht, umfassend eine einphasige Schicht aus (Ti, Al) (C, O) oder (Ti, Al, M) (C, O); eine komplexphasige Schicht, in der zwei oder mehr, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus TiC, TiN, TiO, TiO&sub2;, Ti (C, N), Ti (C, O), Ti (N, O), Ti (C, N, O), Al&sub2;O&sub3;, AlN, Al (O, N), Al (O, C), Al (O, C, N), (Ti, Al) O, (Ti, Al)N, (Ti, Al) (C, O), (Ti, Al) (N,O), (Ti, Al) (C, N, O), (Ti, Al, M) (C, O), (Ti, Al, M) (N, O) und (Ti, Al, M) (C, N, O) einheitlich dispergiert sind, oder eine laminierte Schicht, in der die einphasige Schicht und die komplexphasige Schicht optimal laminiert sind. In den obigen Formeln stellt M wenigstens ein Metall oder Halbmetall, andere als Ti und Al dar, und bevorzugt ein Metall der Gruppe 4b, 5b oder 6b des Periodensystems, oder ein Si-Halbmetallelement. Wenn die Zwischenschicht eine laminierte Schicht umfasst, kann die Zwischenschicht wenigstens zwei Schichten umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus der einphasigen Schicht und der komplexphasigen Schicht, mit jeglicher möglichen Kombination, wie zwei unterschiedliche einphasige Schichten; die einphasige Schicht und die komplexphasige Schicht; zwei unterschiedliche komplexphasige Schichten; drei Schichten aus der einphasigen Schicht, die komplexphasige Schicht und die einphasige Schicht in dieser Reihenfolge; drei Schichten der komplexphasigen Schicht, die einphasige Schicht und die komplexphasige Schicht; und dergl. Wenn die Zwischenschicht eine komplexphasige Schicht umfasst, enthält die komplexphasige Schicht bevorzugt sowohl Titan als auch Aluminium.
Die Zwischenschicht hat die Funktion, hauptsächlich die Haftung zwischen der äußeren Schicht und der inneren Schicht zu erhöhen. Die Zwischenschicht besitzt bevorzugt eine mittlere Schichtdicke von 0,05 bis 3 um, insbesondere bevorzugt 0,1 bis 2 um, um die Abblätterbeständigkeit zwischen der äußeren Schicht und der inneren Schicht zu erhöhen. Außerdem ist die Zwischenschicht bevorzugt angrenzend an das Substrat beschichtet, um die Herstellungsschritte zu vereinfachen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, eine innere Schicht zwischen das Substrat und der Zwischenschicht einzufügen, um ihre Haftung dazwischen zu erhöhen. Ferner ist es auch bevorzugt, dass die Elemente, die die Zwischenschicht bilden, in abfallenden Gehalten vorliegen, d. h. Mengen der Elemente von Al (Aluminium) und O (Sauerstoff) sind fortschreitend in Richtung der Grenzfläche der äußeren Schicht erhöht, während Mengen an Titan (Ti) und C (Kohlenstoff) in Substratrichtung fortschreitend erhöht sind, da es Effekte der Erhöhung der Haftung an der an die Zwischenschicht angrenzenden Grenzfläche gibt und Effekte der Verringerung der Spannung aufgrund von Unterschieden in der thermischen Expansion.
Die innere Schicht, die zwischen die Zwischenschicht uüd das Substrat eingefügt werden soll, ist bevorzugt eine einphasige Schicht oder eine laminierte Schicht aus wenigstens zwei Schichten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrit, Titancarboxid, Titannitroxid, Titancarbonitroxid, einem Nitridkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Carbidkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Carbonnitridkomposit, enthaltend Ti und Al, einem Nitroxidkomposit, enthaltend Ti und Al, und einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Ti und Al, da die Haftung zwischen Grenzflächen des Substrats und der inneren Schicht und der inneren Schicht und der Zwischenschicht erhöht sind.
In Bezug auf das beschichtete Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere bevorzugt, dass eine Hartlegierung oder ein Cermet als ein Substrat verwendet wird, und die oben erwähnte inneren Schicht angrenzend an das Substrat aufgebracht wird, da die Haftung zwischen den Grenzflächen des Substrats und der inneren Schicht und der inneren Schicht und der Zwischenschicht erhöht sind, wodurch Verbesserung der Verlängerung der Lebensdauer deutlich wird, wenn es als ein Schneidwerkzeug verwendet wird. Die innere Schicht weist zu diesem Zeitpunk zusätzlich zu der oben erwähnten Funktion den Effekt auf, die Abriebfestigkei der äußeren Schicht und der Zwischenschicht zu ergänzen, nachdem diese Schichten teilweise abgenutzt worden sind. Die Dicke der inneren Schicht ist jedoch zu dick, und es ist möglich, dass Bruch in der Schicht bewirkt wird. Daher ist die mittlere Schichtdicke der inneren Schicht bevorzugt 5 bis 20 um, insbesondere bevorzugt 1 bis 18 um. Auch wenn die innere Schicht eine einphasige Schicht oder eine multiphasige Schicht von zwei oder mehr, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid und Titancarbonitroxid, umfasst, ist es insbesondere bevorzugt, unter den extremen Bedingungen, bei denen ein Schneidwerkzeug verwendet wird, dass die innere Schicht eine Kristallstruktur umfasst, die in Richtung Substrat ein Stengelkristall wird, da die Festigkeit in der inneren Schicht ausgezeichnet wird.
Eine äußere Schicht aus Aluminiumoxid, die angrenzend an die Oberfläche der Zwischenschicht aufgebracht ist, umfasst eine Beschichtungsschicht, hauptsächlich umfassend Aluminiumoxid, das im Hinblick auf die Kristallstruktur kristallisiert wird. Diese äußere Schicht ist bevorzugt eine beschichtete Schicht aus einem α-Aluminiumoxid, das insbesondere bezüglich Hochtemperatureigenschaften und Stabilität bei hoher Temperatur unter den kristallinen Aluminiumoxiden ausgezeichnet ist. Als andere Ausführungsformen der äußeren Schicht ist sie im Hinblick auf die Haftung mit der Zwischenschicht, die angrenzend an die äußere Schicht bereitgestellt wird, bevorzugt eine Beschichtungsschicht aus κ-Aluminiumoxid, eine Beschichtungsschicht aus einer Mischung von α-Aluminiumoxid und κ-Aluminiumoxid, eine gemischte Beschichtungsschicht, enthaltend α-Aluminiumoxid, eine gemischte Beschichtungsschicht, enthaltend κ-Aluminiumoxid, oder eine gemischte Beschichtungsschicht, enthaltend α-Aluminiumoxid und/oder κ-Aluminiumoxid und amorphes Aluminiumoxid. Die mittlere Schichtdicke der äußeren Schicht ist bevorzugt 0,5 bis 12 um, insbesondere bevorzugt 1 bis 10 um, im Hinblick auf die Filmdicke, die die Eigenschaften entwickeln kann, wie Oxidationsbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Temperaturhaftungsbeständigkeit gegenüber einem Gegenmaterial (pair material), wie ein Material, das geschnitten werden soll. Wenn die Dicke der äußeren Schicht zu dick ist, ist es möglich, dass Bruch in der Schicht verursacht wird.
In dem beschichteten Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung, wenn es als ein Schneidwerkzeug usw. verwendet wird, können seine Effekte, wenn die äußere Schicht im wesentlichen eine Schicht ist, die direkt mit einem Material, das geschnitten werden soll, in Kontakt kommt, genügend entwickelt werden, und eine lange Lebensdauer kann erreicht werden. Es ist jedoch von dem Aussehen, wenn die äußere Schicht aufgebracht ist, extrem schwierig zu beurteilen, ob es sich in einem Zustand vor der Verwendung oder nach der Verwendung befindet, und dies ist wichtig, insbesondere sollte es für eine Langsam-Weg-Spitze (slow away tip) unter den Schneidwerkzeugen sehr offensichtlich sein, ob er sich vor oder nach der Verwendung befindet, da eine Vielzahl an Klingenspitzenecken (blade tip cornerns) verwendet werden. Somit ist es bevorzugt, eine äußerste Schicht mit einer farbigen Substanz auf der Oberfläche der äußeren Schicht bereitzustellen, so dass der Unterschied vor und nach der Verwendung deutlich wird.
Die äußerste Schicht mit einer farbigen Substanz weist bevorzugt die Eigenschaften auf, dass sie bei der Handhabung des Produktes vor der Verwendung, wie Verpacken des Produktes, Installieren und zur praktischen Verwendung, nicht abblättert, und dass sie zu dem Zeitpunkt abblättert, wenn sie mit einem Material, das geschnitten werden soll, in Kontakt gebracht wird. Die äußerste Schicht umfasst bevorzugt eine gelbe oder goldfarbene Substanz, da die Klingenspitzenecken des Werkzeugelementes gemäß der vorliegenden Erfindung nach der Verwendung eine schwarze Serienfarbe ist, so dass leicht ein Unterschied zwischen der Klingenspitzenecke vor der Verwendung, und der Klingenspitzenecke nach der Verwendung gemacht werden kann. Die äußerste Schicht kann eine einphasige Schicht oder eine Mehrfachschicht eines Materials umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titannitrid, Titancarbonitrid, Titannitroxid, Titancarbonitroxid, Zirkoniumnitrid und Tantalnitrid. Unter diesen ist Titannitrid am meisten bevorzugt, da es leicht ist, daraus einen Film zu bilden, als ein Produkt eine dekorative Wirkung hat und eine Unterscheidung zwischen dem Material vor und nach der Verwendung aufgrund seiner klaren Farbe leicht ist. Die mittlere Schichtdicke der äußersten Schicht ist bevorzugt 0,05 bis 3 um, insbesondere bevorzugt 0,1 bis 2 um, um die obige Aufgabe zu erreichen, und den Film innerhalb einer kurzen Zeitdauer zu bilden. Die Zwischenschicht, äußere Schicht, innere Schicht und äußerste Schicht, wie oben im Detail erwähnt, kann eine stöchiometrische Zusammensetzung oder eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung umfassen, und umfasst im wesentlichen eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung.
In dem beschichteten Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung kann als ein Substrat ein herkömmlich erhältliches Material verwendet werden, einschließlich ein Metallelement, wie Edelstahl, wärmebeständige Legierung, Schnellstahl, Gesenkstahl (Matrizenstahl), Titanlegierung und Aluminiumlegierung; eine gesinterte Legierung, wie eine Hartlegierung, Cermet und gesinterter Schnellstahl; ein Keramiksinterkörper, wie Seriensinterkörper aus Al&sub2;O&sub3;, Seriensinterkörper aus Si&sub3;N&sub4;, Seriensinterkörper aus Sialon, und Seriensinterkörper aus ZrO&sub2;. Unter diesen Materialien ist ein Substrat aus Hartlegierung bevorzugt, insbesondere ein Substrat aus Hartlegierung, umfassend 3 bis 20 Gew.-% einer Binderphase, hauptsächlich umfassend Kobalt und/oder Nickel, und 80 bis 97 Gew.-% einer Hartphase, umfassend Wolframcarbid oder eine Verbindung, hauptsächlich umfassend Wolframcarbid und wenigstens eine Verbindung mit kubischer Kristallstruktur, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Carbid, Carbonitrid oder Carboxid der Gruppe 4b-Metalle (Ti, Zr, Hf), 5b-Metalle (V, Nb, Ta) oder 6b-Metalle (Cr, Mo, W) des Periodensystems, oder gemeinsame Mischkristalle davon. Das beschichtete Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden durch Unterziehen der Oberfläche des obenerwähnten Substrats Reinigen, Ultraschallwaschen, Waschen mit organischem Lösungsmittel usw., abhängig von der Notwendigkeit, und dann Auftragen einer Beschichtungsschicht auf das Substrat durch konventionell angewendetes chemisches Dampfabscheidungsverfahren (CVD- Verfahren), physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) oder Plasma-CVD-Verfahren.
In dem beschichteten Werkzeugelement der vorliegenden Erfindung hat die Zwischenschicht die Funktion, die Haftung mit der äußeren Schicht zu erhöhen, und die Funktion, die verbleibende Spannung an den Grenzflächen zwischen den entsprechenden Schichten der beschichteten Schichten und den Nachbarn der Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der beschichteten Schicht zu entspannen. In dem Substrat, umfassend eine Hartlegierung oder Cermet, findet, wenn die beschichteten Schichten einer inneren Schicht, einer Zwischenschicht und einer äußeren Schicht auf der Oberfläche des Substrats bereitgestellt werden, Optimierung in Bezug auf die Entspannung des Unterschiedes in Bezug auf die thermischen Expansionen zwischen den entsprechenden Schichten und zwischen den entsprechenden Grenzflächen statt, so dass Abblätterbeständigkeit der beschichteten Schicht weiter verbessert wird. Als ein Ergebnis weist die beschichtete Schicht die Funktion auf, die Festigkeit, den Bruchzähigkeitswert und Abriebfestigkeit aller beschichteten Schichten zu verbessern.

BEISPIELE

Beispiel 1

Als ein Substrat wurde eine Hartlegierung, umfassend 85% WC - 2% TiC - 1% TiN - 3% TaC - 1% NbC - 8% Co (Gew.- %) verwendet. Die Form des Substrats war eine Raute, Reliefoberfläche: 0º, Dicke: 4,76 mm, Eckenradius: 0,8 mm, und es wurde eine ein Loch aufweisende Langsam-Weg-Spitze hergestellt, um die Klinge zu befestigen, die für eine Honverarbeitung verwendet wird. Die Oberfläche des Substrats wurde mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und getrocknet und dann in eine Kammer einer CVD-Vorrichtung gestellt unter Verwendung eines Werkzeugs, das die Reliefoberfläche und eine Span-Oberfläche (rake surface) gleichzeitig beschichten kann. Als Beschichtungsschicht wurden eine erste innere Schicht, angrenzend an das Substrat, eine zweite innere Schicht, eine Zwischenschicht, eine äußere Schicht und eine äußerste Schicht nacheinander in dieser Reihenfolge auf das Substrat aufgebracht, um die vorliegenden Produkte 1 bis 4 herzustellen. Die Herstellungsbedingungen, wie die Reaktionsgaszusammensetzung, Reaktionsgasdruck und Reaktionstemperatur zu diesem Zeitpunkt, sind in Tabelle 1 gezeigt. Zum Vergleich wurde auf dieselbe Weise in Bezug auf die Herstellungsbedingungen, wie in den vorliegenden Produkten 1 bis 4, Vergleichsprodukt 1 hergestellt, außer, dass die Beschichtungsbedingungen der dritten Schicht, die der Zwischenschicht entspricht, geändert wurden.
Die entsprechenden so erhaltenen Beschichtungsschichten der vorliegenden Produkte 1 bis 4 und Vergleichsprodukt 1 wurden mit Hilfe einer Röntgen-Diffraktionsvorrichtung, eines Elektronenmikroskops vom Rastertyp, eines optischen Mikroskops bzw. einer EDS-Vorrichtung analysiert, und die Ergebnisse der Komponenten und der Filmdicke der entsprechenden Beschichtungsschichten sind in Tabelle 2 gezeigt.
Dann wurden unter Verwendung der vorliegenden Produkte 1 bis 4 und Vergleichsprodukt 1 diskontinuierliche Nassschneidtests unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Angewendete Schneidbedingungen: ein Material, das geschnitten werden soll; vier Stäbe mit Nuten (grooves) aus Kohlenstoffstahl-Material (ein Material, entsprechend dem internationalen Standard: ISO C45, The United States Steel Association: AISI 1045, oder japanischer Industriestandard: JIS S45C) Schnittgeschwindigkeit; 150 m/min. Zufuhr; 0,3 mm/rev, Schnittlänge; 2,0 mm und ein wasserlösliches Schneidöl wurde verwendet. Die Ergebnisse der diskontinuierlichen Nassschneidtests sind in Tabelle 3 gezeigt durch Messen einer Zahl an Impakts, zugefügt bis das Werkzeug Abblättern der Beschichtungsschicht oder dergleichen zeigte. Die Zwischenschicht des vorliegenden Produktes 1, das in Tabelle 3 gezeigt ist, ist ein Mischkristall, und solche der vorliegenden Produkte 2, 3 und 4 sind komplexphasige Schichten, in denen Aluminiumoxid dispergiert ist. Die Aluminiumoxidschicht in Beispiel 1 war eine gemischte Aluminiumoxidschicht, umfassend α- Aluminiumoxid und κ-Aluminiumoxid. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3

Beispiel 2

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden die vorliegenden Produkte 5 bis 17 und Vergleichsprodukt 2 bis 8 erhalten, außer dass die Beschichtungsbedingungen der entsprechenden Beschichtungsschichten, wie in Tabelle 4 gezeigt, verwendet wurden, um hauptsächlich die Effekte der Zusammensetzungen der Zwischenschicht und Schichtbestandteile zu vergleichen. Diese vorliegenden Produkte 5, 6-7, 8-9, 10-11, 12-13, 14-15 und 16-17 entsprechen Vergleichsprodukten 2 bis 8, abgesehen von der Zwischenschicht, und dieselbe Analyse wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Unter Verwendung der vorliegenden Produkte 5 bis 17 und Vergleichsprodukte 2 bis 8 wurden auch dieselben Schneidtests wie in Beispiel 1 durchgeführt. Wenn die Anzahl an Impakts 5.000-mal erreichte, wurde die Oberfläche jedes Werkzeugs mit einem Elektronenmikroskop vom Rastertyp untersucht und ein Abblättergrad der Beschichtungsschicht wurde aus der Gleichung erhalten: (abgeblätterter Bereich der Beschichtungsschicht an der Reliefoberfläche des Werkzeugs)/(Fläche des Schnittbereiches an der Reliefoberfläche des Werkzeugs) und die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Darüber hinaus sind die Ergebnisse der Schneidtests, d. h. die Anzahl an Impakts zugeführt, bis das Werkzeug die hatte der vorliegenden Produkte 5 bis 7 und der Vergleichsprodukte 2 bis 8, ebenfalls in Tabelle 6 gezeigt. Zufällig umfassen die Zwischenschichten der vorliegenden Produkte 8, 9, 14, 15, 16 und 17 zwei Schichten einer einphasigen Schicht und einer komplexphasigen Schicht. Diese Zwischenschichten umfassten die einphasige Schicht an der inneren Schichtseite und die komplexphasige Schicht an der äußeren Schichtseite. Die Aluminiumoxidschicht in Beispiel 2 umfasst im wesentlichen α-Aluminiumoxid. Tabelle 4 Tabelle 5 Tabelle 6

Beispiel 3

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 3, abgesehen von der Verwendung einer Ionen-Bogen-Metallisierungs(arc ion plating)-Vorrichtung anstelle der chemischen Abscheidungsvorrichtung, die in Beispiel 2 verwendet wurde, und Ändern der Beschichtungsbedingungen der Beschichtungsschicht zu solchen, wie in Tabelle 4 gezeigt, wurden beschichtete Werkzeugelemente der vorliegenden Produkte 18 bis 27 und Vergleichsprodukte 9 bis 13 erhalten. Die so erhaltenen Beschichtungsschichten der vorliegenden Produkte 18 bis 27 und Vergleichsprodukte 9 bis 13 wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 analysiert, und die Ergebnisse sind in Tabelle 8 gezeigt. Unter Verwendung der vorliegenden Produkte 18 bis 27 und Vergleichsprodukte 9 bis 13 wurde auch der Abblättergrad der beschichteten Schichten und eine Anzahl an Impakts, bis das Produkt gebrochen war, in den Schneidtests gemessen, die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt.
Zufällig umfassen die Zwischenschichten der vorliegenden Produkte 18 bis 27 in Tabelle 8 die laminierte Struktur, wie in den Zwischenschichten des vorliegenden Produktes 8, oder wie in oben erwähnter Tabelle 5. Tabelle 7 Tabelle 8 Tabelle 9
Das beschichtete Werkzeugmaterial der vorliegenden Erfindung ist ausgezeichnet im Hinblick auf die Abblätterbeständigkeit der Beschichtungsschicht, verglichen mit einem konventionell beschichteten Werkzeugelement, und unter den beschichteten Schichten ist insbesondere die Abblätterbeständigkeit der äußeren Schicht aus Aluminiumoxid ausgezeichnet. Dementsprechend werden eine hohe Härte, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturhaftungsbeständigkeit, die die äußere Schicht selbst besitzt, ausreichend gezeigt, insbesondere sind die Beziehungen zwischen entsprechenden Schichten der Beschichtungsschichten, umfassend die äußere Schicht, die Zwischenschicht und die innere Schicht, gut angepasst, in Bezug auf Zusammensetzung und Unterschiede, in Bezug auf thermische Expansionen der entsprechenden Schichten sind entspannt, wodurch die Spannung dazwischen gut kontrolliert ist. Durch die Kombination dieser gemeinsamen Eigenschaften der Beschichtungsschichten sind Härte, Abriebfestigkeit, thermischer Schockbeständigkeit, Bruchbeständigkeit, Härte, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturhaftungsbeständigkeit deutlich verbessert, und als ein Ergebnis zeigt die vorliegende Erfindung die Effekte, dass die Lebensdauer der Werkzeugelemente, gemessen durch Schneidtests, extrem verlängert ist, und die Wirksamkeit bei Schneidverfahren deutlich verbessert ist.

Claims

1. Ein mit Aluminiumoxid beschichtetes Werkzeugelement, das ein Substrat, eine auf dem Substrat bereitgestellte Zwischenschicht, enthaltend Elemente von Aluminium, Titan, Sauerstoff und Kohlenstoff, und eine an die Zwischenschicht angrenzende äußere Schicht umfasst, wobei die äußere Schicht aus Aluminiumoxid ist und die Zwischenschicht wenigstens eine Schicht umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer einphasigen Schicht eines Carboxidkomposits, enthaltend Titan und Aluminium, und einer komplexphasigen Schicht, in der wenigstens zwei dispergiert sind, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titannitrid, Titanoxid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid, Titancarbonitroxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumnitroxid, Aluminiumcarboxid, Aluminiumoxynitrocarbid, einem Nitridkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, einem Oxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, einem Carboxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, ein Nitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, und einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, oder eine laminierte Schicht, enthaltend wenigstens zwei der oben erwähnten Schichten.

2. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat ein Hartlegierung ist.

3. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht eine einphasige Schicht ist aus einem Carboxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium; eine Schicht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer komplexphasigen Schicht, in der Aluminiumoxid in einem Carboxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, dispergiert ist, und einer komplexphasigen Schicht, in der Aluminiumoxid in einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, dispergiert ist; oder eine laminierte Schicht, enthaltend wenigstens eine der oben erwähnten Schichten.

4. Das mit Aluminium beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die an die äußere Schicht angrenzende Zwischenschicht eine einphasige Schicht aus einem Carboxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, ist; eine Schicht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer komplexphasigen Schicht, in der Aluminiumoxid in einem Carboxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, dispergiert ist, und einer komplexphasigen Schicht, in der Aluminiumoxid in einem Carbonitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, dispergiert ist.

5. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenschicht eine höhere Menge an einem Aluminiumelement und einem Sauerstoffelement in Grenzflächenrichtung zu der äußeren Schichtseite, verglichen mit der Substratseite, enthält, und eine höhere Menge an Titanelement und Kohlenstoffelement in- Grenzflächenrichtung zu der Substratseite, verglichen mit der äußeren Schichtseite, enthält.

6. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zwischenschicht eine mittlere Schichtdicke von 0,05 bis 3 um aufweist.

7. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die äußere Schicht eine mittlere Schichtdicke von 0,5 bis 12 um aufweist.

8. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine innere Schicht, umfassend eine einphasige Schicht oder eine laminierte Schicht von zwei oder mehr Schichten eines Materials, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid, Titancarbonitroxid, ein Nitridkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, ein Carbidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, ein Carbonitridkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, ein Nitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium und ein Carbonitroxidkomposit, enthaltend Titan und Aluminium, zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht gebildet ist.

9. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß Anspruch 8, wobei die innere Schicht eine mittlere Schichtdicke von 0,5 bis 20 um aufweist.

10. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine äußerste Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 0,05 bis 3 um, umfassend eine gefärbte Substanz, auf der Oberfläche der äußeren Schicht gebildet ist.

11. Das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeugelement ein Schneidwerkzeug ist.