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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mehrlagig beschichtetes Bauteil
aus einem ultraharten Legierungssubstrat aus Hochgeschwindigkeitsstahl,
zementierten Carbiden, Cermets usw., das mit einer Anzahl von Schichten
mit einer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit und/oder Abnutzungsbeständigkeit
beschichtet ist, insbesondere solche, die für Schneidwerkzeuge, wie Bohrer,
Schaftfräser
und wegwerfbare Zerspaner für
Fräsmaschinen
usw. geeignet sind.
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Es
wurde bereits über
viele Versuche berichtet, ultraharte Legierungssubstrate, wie Hochgeschwindigkeitsstahl,
zementierte Carbide, Cermets usw., mit Keramikbeschichtungen zu
versehen, die eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit
aufweisen, und dadurch infolge einer wirksamen Kombination ihrer
Eigenschaften eine lange Lebensdauer zu erreichen. Die Überzugsschichten
beschichteter Werkzeuge bestanden weitverbreitet aus TiN, TiCN usw.
mit einer ausgezeichneten Abnutzungsbeständigkeit. Metallnitride, wie
TiN, oxidieren jedoch leicht bei hohen Temperaturen, was zu einer
extremen Beeinträchtigung
der Abnutzungsbeständigkeit
führt.
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Zum
Lösen der
Probleme der Oxidation von TiN-Beschichtungen wurde vor kurzem vorgeschlagen,
Al zu diesen Beschichtungen hinzuzufügen, um ihre Abnutzungsbeständigkeit,
Oxidationsbeständigkeit
usw. zu verbessern. Es sei auf die japanische Offenlegungsschrift
62-56565 und die japanischen Patentveröffentlichungen 4-53642 und
5-67705 verwiesen.
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Die
Beschichtungsverfahren für
ultraharte Legierungssubstrate lassen sich generell in chemische Dampfabscheidungsverfahren
(CVD-Verfahren) und physikalische Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren)
einteilen. Es ist bekannt, daß durch
die PVD-Verfahren,
wie ein Ionen-Metallisierverfahren, ein Sputterverfahren usw., gebildete
Beschichtungen geeignet sind, die Abnutzungsbeständigkeit der Substrate zu verbessern,
ohne ihre mechanische Festigkeit zu beeinträchtigen. Dementsprechend werden
Schneidwerkzeuge, wie Bohrer, Schaftfräser und wegwerfbare Zerspaner
für Fräsmaschinen,
die eine hohe mechanische Festigkeit und einen hohen Spanwiderstand
erfordern, gegenwärtig
durch die PVD-Verfahren beschichtet.
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Die
vorstehend erwähnten
Al-haltigen Überzugsschichten,
die in der japanischen Offenlegungsschrift 62-56565 vorgeschlagen
wurden, beispielsweise Überzugsschichten
aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden von Ti und Al, versehen
ultraharte Legierungssubstrate mit einer höheren Oxidationsbeständigkeit
und Abnutzungsbeständigkeit
als jene, die kein Al enthalten. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
daß die
Al-haltigen Überzugs schichten
die mechanischen Eigenschaften der ultraharten Legierungssubstrate
beeinträchtigen. Wenngleich
das Aufnehmen von Al in die Beschichtungen zu einer Verbesserung
der chemischen Eigenschaften der Beschichtungsoberfläche führt, beeinträchtigt es
die Bruchfestigkeit der Beschichtungen. Insbesondere dann, wenn
beschichtete ultraharte Legierungen für Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge
verwendet werden, werden ihre Zähne
sehr stark erhitzt, was zu einer Oxidation und einer schnellen Abnutzung
der Beschichtungen und zu einer Beeinträchtigung der Beschichtungen
durch thermische Schocks und Verschleiß führt, wodurch ihre Lebensdauer
verringert wird.
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Die
Schneidgeschwindigkeiten sind in der letzten Zeit angestiegen, und
rauhe Schneidbedingungen sind in vielen Fällen, wie beim Schneiden wärmebehandelten
Hochgeschwindigkeitsstahls, erforderlich. Um diesen Bedingungen
Rechnung zu tragen, sind Verbesserungen erwünscht.
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Es
wird auch die Bildung einer äußersten
Schicht aus TiAlON usw. vorgeschlagen, um die Oxidationsbeständigkeit
der beschichteten Elemente zu verbessern (japanische Offenlegungsschrift
7-328811). Die reine Bildung einer aus Oxiden von Ti und Al bestehenden äußersten
Schicht bietet jedoch keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit,
um rauhen Arbeitsbedingungen zu widerstehen.
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Es
wird weiterhin vorgeschlagen, daß im allgemeinen durch CVD-Verfahren
gebildete Aluminiumoxidschichten als äußerste Schichten durch Ionen-Metallisierverfahren
gebildet werden (japanische Offenlegungsschrift 9-192906). Die durch
die PVD-Verfahren gebildeten Aluminiumoxidschichten weisen jedoch
keine ausreichende Haftung an den darunterliegenden Schichten auf,
was zum Abpellen der Aluminiumoxidschichten durch Stöße beim
eigentlichen Schneidvorgang führt.
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AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts
der Tatsache, daß bei
einem Hochgeschwindigkeits-Schneidvorgang, der in letzter Zeit üblich geworden
ist, Schneidwerkzeuge an den Zähnen,
manchmal auf höhere
Temperaturen als jene, bei denen die Oxidation in den Überzugsschichten
beginnt, sehr stark erwärmt
werden, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, beschichtete
Elemente bereitzustellen, die in der Lage sind, einen stabilen Schneidvorgang
unter solchen rauhen Bedingungen mit einer langen Lebensdauer auszuführen.
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Als
ein Ergebnis von Forschungsarbeiten zum Oxidationsmechanismus einer
TiAlN-Schicht, die
zum Lösen
der vorstehend erwähnten
Aufgaben ausgeführt
wurden, haben die Erfinder herausgefunden, daß durch das abwechselnde Laminieren
jeweils erster Schichten und jeweils zweiter Schichten eine mehrlagige
Beschichtung mit einer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit
und Abnutzungsbeständigkeit
bereitgestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde auf
der Grundlage dieser Ergebnisse gemacht.
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Demgemäß besteht
das mehrlagig beschichtete Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung
aus einem ultraharten Legierungssubstrat und einer darauf ausgebildeten
mehrlagigen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrlagige
Beschichtung zwei oder mehr erste Schichten und zwei oder mehr abwechselnd laminierte
zweite Schichten aufweist, wobei die erste Schicht aus wenigstens
einem ausgewählten
aus der aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden bestehenden Gruppe
wenigstens eines Elements der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems
und Al zusammengesetzt ist und die zweite Schicht aus wenigstens
einem ausgewählten
aus der aus Oxiden, Carboxiden, Oxinitriden und Carboxinitriden
bestehenden Gruppe wenigstens eines Elements der Gruppen 4a, 5a
und 6a des Periodensystems und Al zusammengesetzt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weisen die über
die zweite Schicht benachbarten ersten Schichten Kristalle auf,
deren Orientierungen im wesentlichen gleich sind, weil die zweite
Schicht, verglichen mit der ersten Schicht, sehr dünn ist.
In dem Zustand, in dem die ersten Schichten die gleiche Kristallorientierung
aufweisen, kann gesagt werden, daß die ersten Schichten über die
zweite Schicht eine "Kristallkontinuität" aufweisen. Vorzugsweise
verläuft
die Kristallorientierung der ersten Schicht, die durch die maximale
Intensität
der Röntgenbeugung
bestimmt ist, entlang der (200)-Fläche. Die erste Schicht hat
vorzugsweise eine fcc-Kristallstruktur.
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Die
erste Schicht kann 1–30
Atomprozent wenigstens eines zusätzlichen
Elements aufweisen, das aus der aus Si, Y, Nd, Sm und Sc bestehenden
Gruppe ausgewählt
ist.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
weist die mehrlagige Beschichtung eine äußerste Schicht auf, die aus
wenigstens einem ausgewählten
aus der aus Oxiden, Carboxiden, Oxinitriden und Carboxinitriden
bestehenden Gruppe wenigstens eines Elements der Gruppen 4a, 5a
und 6a des Periodensystems und Al zusammengesetzt ist. Die äußerste Schicht
ist vorzugsweise aus wenigstens einem ausgewählten aus der aus Oxiden, Carboxiden,
Oxinitriden und Carboxinitriden von Ti und Al, insbesondere Ti,
Si und Al und speziell Al, bestehenden Gruppe zusammengesetzt. Die äußerste Schicht
kann amorph oder kristallin sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
hat die mehrlagige Beschichtung eine innerste Schicht mit einer
ausgezeichneten Haftung an dem Substrat, wobei die innerste Schicht
aus wenigstens einem von TiN, TiCN, Ti und TiAl zusammengesetzt
ist und eine Dicke von 2 nm bis 5000 nm aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine TEM-Photographie, worin die innere Struktur der mehrlagigen
Beschichtung in dem mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist,
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2 ist
eine TEM-Photographie hoher Vergrößerung, worin die innere Struktur
der mehrlagigen Beschichtung in dem mehrlagig beschichteten Bauteil
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist,
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3 ist
ein EDX-Diagramm der zweiten Schicht des mehrlagig beschichteten
Bauteils gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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4 ist
ein EELS-Diagramm der zweiten Schicht des mehrlagig beschichteten
Bauteils gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert anhand eines
Beispiels beschrieben, bei dem die erste Schicht aus TiAlN mit einer
ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit
besteht und die zweite Schicht aus TiAlON besteht, ohne daß die vorliegende
Erfindung darauf beschränkt
werden soll.
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Wenn
eine TiAlN-Schicht einem Oxidationstest in der Luft unterzogen wird,
wird Al in der Nähe
der Beschichtungsfläche
unter Bildung von Aluminiumoxid zur äußersten Schicht diffundiert.
Wie Untersuchungen des Erfinders ergeben haben, unterdrückt die
Bildung von Aluminiumoxid die Diffusion von Sauerstoff tief in der
mehrlagigen Beschichtung, wodurch die Oxidationsbeständigkeit
verbessert wird. In diesem Fall wird eine Beschichtung unmittelbar
unter dem Aluminiumoxid unter Bildung von Titanoxid oxidiert, das
eine Rutilstruktur aufweist, die kein Al enthält, weil es zur äußersten
Schicht diffundiert ist. Dieses Titanoxid ist sehr porös. Wenngleich
an der äußersten
Schicht gebildetes Aluminiumoxid als eine Begrenzung für die Sauerstoffdiffusion
bei einem statischen Oxidationstest wirkt, pellt das äußerste Aluminiumoxid
während
eines Schneidvorgangs leicht von der porösen Titanoxidschicht ab. Daher
weist die äußerste Aluminiumoxidschicht
nicht die vollständigen
Begrenzungswirkungen für
die Oxidation auf, wenn sie tatsächlich
verwendet wird.
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Bei
einer Laminatstruktur, bei der eine sauerstoffhaltige zweite Schicht,
wie eine TiAlON-Schicht, sandwichförmig zwischen den ersten Schichten
aus TiAlN angeordnet ist, wirkt die unter der ersten Schicht liegende
zweite Schicht jedoch als eine Begrenzung für die Sauerstoffdiffusion.
Daher wird verhindert, daß sich die
Oxidation innerhalb der Beschichtung ausdehnt, selbst wenn die auf
der Außenseite
existierende erste TiAlN-Schicht zu einer porösen Titanoxidschicht wird.
Insbesondere wird während
des Schneidvorgangs die Oxidation stark daran gehindert, innerhalb
der Beschichtung zu diffundieren, wodurch ein stabiles Schneiden
mit einer langen Lebensdauer gewährleistet
wird.
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Wenn
die erste TiAlN-Schicht durch Oxidation abpellt, wird die darunterliegende
zweite TiAlON-Schicht freigelegt, und die zweite TiAlON-Schicht
pellt dann ab oder wird abgenutzt. In diesem Fall wird die weitere
darunterliegende erste TiAlN-Schicht als eine äußerste Schicht freigelegt,
und die zweite TiAlON-Schicht unter der neu freigelegten ersten
TiAlN-Schicht wirkt in ähnlicher
Weise als eine Begrenzung für die
Sauerstoffdiffusion, wodurch der Beschichtung eine Oxidationsbeständigkeit
verliehen wird. Demgemäß sollte
die Anzahl der in der mehrlagigen Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthaltenen zweiten Schichten so groß wie möglich sein und vorzugsweise
10 oder mehr, insbesondere 50–500,
betragen, um eine ausreichende Schneidlebensdauer zu erreichen.
Wenn insbesondere die Gesamtdicke der mehrlagigen Beschichtung 2–3 μm beträgt, kann
die Anzahl der zweiten Schichten etwa 200 sein. Wenn weiterhin die
Gesamtdicke der mehrlagigen Beschichtung 5–8 μm beträgt, kann die Anzahl der zweiten
Schichten etwa 400–500 sein.
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1 ist
eine mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) aufgenommene
Photographie der Kristallstruktur der mehrlagigen Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Zum Erleichtern des Verständnisses sind auf der linken
Seite der Zeichnung Hilfslinien eingezeichnet, um die zweiten Schichten
anzugeben. Eine Anzahl erster TiAlN-Schichten, die jeweils eine Dicke von
etwa 0,03–0,05 μm aufweisen,
sind abwechselnd laminiert, wobei die zweiten Schichten durch Hilfslinien
angegeben sind.
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2 ist
eine TEM-Photographie bei einer hohen Vergrößerung, worin die ersten und
die zweiten Schichten in dem mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt sind. Die 3 und 4 zeigen
Analyseergebnisse der zweiten Schicht, die durch energiedispersive
Röntgenspektroskopie
(EDX) bzw. Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) erhalten
wurden. Es wurde anhand der Analyseergebnisse von EDX und EELS herausgefunden,
daß die
zweite Schicht aus Verbindungen von Ti, Al, N und O, insbesondere
TiAlON, besteht.
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Weil
in 2 weiterhin die zweite Schicht extrem dünn ist und
etwa 1–2
nm aufweist, weisen die über die
zweite Schicht benachbarten ersten Schichten eine Kristallkontinuität auf.
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Die 1–4 zeigen,
daß die
mehrlagige Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zwei oder mehr erste Schichten, die jeweils aus wenigstens
einem ausgewählten
aus der aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden bestehenden Gruppe
wenigstens eines Elements der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems
und Al zusammengesetzt sind, und zwei oder mehr zweite Schichten,
die jeweils aus wenigstens einem ausgewählten aus der aus Oxiden, Carboxiden,
Oxinitriden und Carboxinitriden bestehenden Gruppe wenigstens eines
Elements der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Al zusammengesetzt
sind, aufweist. Die ersten und die zweiten Schichten sind abwechselnd
laminiert, und es gibt über
die zweite Schicht eine Kristallkontinuität zwischen den benachbarten
ersten Schichten.
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Bei
der vorstehend erwähnten
Schichtstruktur haben die Überzugsschichten
vorzugsweise eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur (fcc-Kristallstruktur). Im allgemeinen
haben durch das PVD-Verfahren gebildete Beschichtungen eine verbesserte
Abnutzungsbeständigkeit,
ohne daß die
mechanische Stärke
des Substrats beeinträchtigt
wird. Demgemäß wird die
mehrlagige Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise durch das PVD-Verfahren hergestellt. In diesem
Fall kann die mehrlagige Beschichtung stabil gebildet werden, ohne
daß die
Kristallkontinuität
verlorengeht, indem die Kristallstruktur der Beschichtung zu einer
fcc-Struktur gemacht wird. Die Beschichtung mit einer fcc-Kristallstruktur
hat eine bessere Abnutzungsbeständigkeit
als Beschichtungen mit anderen Kristallstrukturen.
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Das
PVD-Verfahren wird mit Targets ausgeführt, die die gleichen Metallzusammensetzungen
wie jene der zu bildenden Schichten aufweisen. Wenn die ersten und
zweiten Schichten zwei oder mehr Metalle, beispielsweise Ti und
Al, enthalten, werden vorzugsweise Targets aus Legierungen dieser
Metalle, beispielsweise TiAl-Legierungstargets, verwendet, um die
mehrlagige Beschichtung mit einer ausgezeichneten Gleichmäßigkeit
bereitzustellen.
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Falls
bei der Bildung der mehrlagigen Beschichtung mit der vorstehend
erwähnten
Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung zwischen den ersten und den zweiten Schichten eine große Restspannungsdifferenz auftritt,
existiert zwischen ihren Grenzen infolge der Restspannungsdifferenz
eine große
Scherspannung. Diese Scherspannung beeinträchtigt die Haftung der Überzugsschichten.
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Die
Restkompressionsspannung in der mehrlagigen Beschichtung hängt von
den Beschichtungsbedingungen ab. Im allgemeinen werden die sich
ergebenden Überzugsschichten
bei der Beschichtungsbedingung einer niedrigen Ionenenergie mit
geringen Restspannungen bereitgestellt, während sie bei der Beschichtungsbedingung
einer hohen Ionenenergie mit hohen Restspannungen bereitgestellt
werden.
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Wie
sich aus Forschungen des Erfinders ergeben hat, sind Kristalle in
der Beschichtung gewöhnlich entlang
der (200)-Fläche
geneigt. Demgemäß wird die
mehrlagige Beschichtung mit einer erhöhten Haftung und Abnutzungsbeständigkeit
versehen, indem kontinuierliche Kristalle bereitgestellt werden
und indem die Kristallorientierung entlang der (200)-Fläche ausgerichtet
wird.
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Die
Ionenenergie ist in erster Linie durch die an das Substrat angelegte
Vorspannung und den Vakuumgrad zur Zeit der Beschichtungsbildung
bestimmt. Demgemäß sollten
diese Bedingungen optimiert werden, um eine Kristallorientierung
entlang der (200)-Fläche
bereitzustellen. Die Kristallorientierung kann durch Röntgenbeugung
bestimmt werden.
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Als
polykristalline Übergitterbeschichtungen
sind dünne
TiN/VN-Übergitterschichten
bekannt, die durch ein Ionen-Metallisierverfahren unter Verwendung
einer Vakuum- Lichtbogenentladung
gebildet werden, und sie bilden sehr harte Beschichtungen, weil
mitgeteilt wurde, daß die
dünnen
Schichten die maximale Härte bei
einem Laminatzyklus von 5,2 nm aufweisen.
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Der
Erfinder hat herausgefunden, daß wenn
die zweite Schicht sehr dünn
ist und beispielsweise bei dem mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden
Erfindung einige Nanometer aufweist, ihre Gitterstruktur einer solchen Übergitterstruktur
sehr ähnelt.
Weil die erste Schicht in der mehrlagigen Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu dick ist, um ein Übergitter
aufzuweisen, wird die Struktur der ersten Schicht hier als "Pseudo-Übergitter" bezeichnet. Im Fall
des mehrlagig beschichteten Bauteils mit einer solchen Pseudo-Übergitterstruktur
wird erwartet, daß die
Beschichtung an sich eine hohe Härte
aufweist. Weil weiterhin benachbarte Schichten stark gebunden sind,
wird die sich ergebende Beschichtung mit einer höheren Abnutzungsbeständigkeit
versehen.
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Es
wurde versucht, verschiedene dritte Komponenten zu den ersten Schichten
hinzuzufügen,
um die Oxidationsbeständigkeit
der ersten Schichten in der mehrlagigen Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verbessern. Es wurde dabei herausgefunden, daß durch
das Hinzufügen
von Si und/oder 3a-Metallen, wie Y, Nd, Sm und Sc, die Oxidationsbeständigkeit
der ersten Schicht verbessert wird. Diese Komponenten werden in
Kristallkorngrenzen der ersten Schicht abgesondert, wodurch die
Sauerstoffdiffusion in den Kristallkorngrenzen unterdrückt wird,
was zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit der mehrlagigen Beschichtung
führt.
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Wenn
der Gesamtanteil der dritten Komponenten kleiner als 1 Atomprozent
ist, können
keine Wirkungen einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit
erhalten werden. Wenn er andererseits 30 Atomprozent übersteigt,
weist die mehrlagige Beschichtung eine beeinträchtigte Abnutzungsbeständigkeit
auf. Demgemäß beträgt der Gesamtanteil
der dritten Komponenten vorzugsweise 1–30 Atomprozent und bevorzugter
1–10 Atomprozent.
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Die
zweite Schicht in dem mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine sauerstoffhaltige Schicht, die die Sauerstoffdiffusion
innerhalb der mehrlagigen Beschichtung verhindert und eine mit der
ersten Schicht kontinuierliche Kristallstruktur aufweist, wodurch
sie eine ausgezeichnete Haftung zwischen den benachbarten Schichten
aufweist, wodurch das Abpellen während
des Schneidvorgangs verhindert wird.
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Wenn
die Dicke der zweiten Schicht kleiner als 1 nm ist, werden keine
Wirkungen einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit erhalten. Wenn sie
andererseits 200 nm übersteigt,
treten in dem Oxid Brüche
auf, wodurch wahrscheinlich ein Abpellen der mehrlagigen Beschichtung
hervorgerufen wird. Demgemäß beträgt die Dicke
der zweiten Schicht vorzugsweise 1–200 nm, bevorzugter 1–100 nm.
Zum Erhalten der Wirkungen der Pseudo-Übergitterstruktur beträgt die Dicke
der zweiten Schicht insbesondere 1–10 nm.
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Jede
der ersten Schichten kann eine Dicke von 5–1000 nm aufweisen. Wenn die
Dicke jeder ersten Schicht kleiner als 5 nm ist, ist die Anzahl
der ersten Schichten zu hoch, um die mehrlagige Beschichtung kostengünstig zu
bilden. Wenn sie andererseits 1000 nm übersteigt, werden die Wirkungen
des Einfügens
der zweiten Schicht nicht erhalten. Die bevorzugtere Dicke jeder
ersten Schicht beträgt
20 – 500
nm.
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Wenn
die äußerste Schicht
der mehrlagigen Beschichtung aus Oxiden, Carboxiden, Oxinitriden
oder Carboxinitriden von Elementen der Gruppen 4a, 5a und 6a des
Periodensystems und/oder Al besteht, sind die Oxidationsbeständigkeit
und die Verschleißfestigkeit
im Anfangsstadium des Schneidens verbessert, wodurch eine weitere
Verbesserung der Schneidlebensdauer erreicht wird.
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Wenn
die äußerste Schicht
eine amorphe Struktur aufweist, kann eine weitere Verbesserung der
Oxidationsbeständigkeit
erhalten werden. Weil Sauerstoff vor allem in den Kristallkorngrenzen
diffundiert, dient die äußerste Schicht
mit einer amorphen Struktur dem Unterdrücken der Sauerstoffdiffusion,
wodurch die Oxidationsbeständigkeit
der mehrlagigen Beschichtung wirksam verbessert wird.
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Wenn
die äußerste Oxidschicht
eine γ-, κ-, θ- oder α-Kristallstruktur
aufweist, ist die äußerste Schicht hart,
wodurch die Abnutzungsbeständigkeit
verbessert ist, wenngleich ihre Oxidationsbeständigkeit etwas gering ist.
Daher wird vorzugsweise abhängig
von Schneidtypen bestimmt, ob die äußerste Schicht eine amorphe Struktur
oder eine Kristallstruktur aufweisen sollte. In jedem Fall können keine
Wirkungen einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit erhalten werden, wenn
die Dicke der äußersten
Schicht kleiner als 5 nm ist. Wenn sie andererseits 500 nm übersteigt,
ist die Haftung beeinträchtigt.
Demgemäß beträgt die Dicke
der äußersten Schicht
vorzugsweise 5–500
nm und bevorzugter 10–200
nm.
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Beim
mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die innerste Schicht der mehrlagigen Beschichtung vorzugsweise
eine Haftverstärkungsschicht
mit einer ausgezeichneten Haftung an dem Substrat. Ein Beispiel
einer solchen innersten Schicht ist eine TiN-Schicht. Weiterhin
dienen Metallschichten, wie Ti und TiAl, dazu, die restliche Kompressionsspannung
der Beschichtungen zu verringern, wodurch die Haftung aneinander
verbessert wird. In jedem Fall kann keine Verbesserung der Haftung
erhalten werden, wenn die Dicke der innersten Schicht kleiner als
2 nm ist. Wenn sie andererseits 5000 nm übersteigt, wird die Haftung
aller Überzugsschichten
beeinträchtigt.
Die Dicke der innersten Schicht beträgt vorzugsweise 2–5000 nm
und bevorzugter 10–1000
nm.
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Die
vorliegende Erfindung wird detailliert anhand der folgenden Beispiele
beschrieben, ohne daß die vorliegende
Erfindung darauf beschränkt
sein soll.
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BEISPIEL 1
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Schaftfräser aus
zementiertem Carbid wurden mit einer kleinen Lichtbogen-Ionen-Metallisiervorrichtung
unter den in Tabelle 1 dargestellten Beschichtungsbedingungen mit
mehrlagigen Beschichtungen mit einer innersten TiN-Schicht, ersten
Schichten, zweiten Schichten und einer äußersten AlO-Schicht versehen.
-
-
Die
Zusammensetzungen und die Dicken der ersten, der zweiten und der äußersten
Schicht sind in Tabelle 2 dargestellt. Die innerste Schicht diente
zum Verbessern der Haftung an dem Substrat. Weil die Gesamtdicke
der mehrlagigen Beschichtung 2,5 μm
betrug, war die Gesamtzahl der ersten und der zweiten Schichten,
abhängig
von Proben, verschieden. Es sei bemerkt, daß die ersten TiAlN-Schichten
und die zweiten TiAlON-Schichten durch intermittierendes Einbringen
von Sauerstoffgas in das Reaktionsgas gebildet wurden.
-
-
Bemerkungen
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- (1)
- Proben 1–12 innerhalb,
Proben 13–17
außerhalb
der vorliegenden Erfindung.
- (2)
- Mit fcc-Kristallstruktur.
- (3)
- Mit amorpher Struktur.
-
In
bezug auf die Proben 1, 2, 6 und 9 gemäß der vorliegenden Erfindung
sei bemerkt, daß die
zweiten Schichten durch TEM beobachtet wurden. Es wurde dabei herausgefunden,
daß sie
im wesentlichen die gleiche Kristallstruktur wie die benachbarten
ersten Schichten aufwiesen. Weiterhin wurde in den Grenzen zwischen
den ersten und den zweiten Schichten im wesentlichen kein Fehlanpassungsversatz,
eine Störung
des Kristallgitters, beobachtet, wodurch bestätigt wird, daß sie eine
Pseudo-Übergitterstruktur
aufwiesen.
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Die
sich ergebenden Schaftfräser
wurden unter den nachstehend angegebenen Schneidbedingungen einem
Schneidtest unterzogen, bis ein Brechen auftrat. Die Schneidlänge bis
zum Brechen ist auch in Tabelle 2 dargestellt.
Schaftfräser: Durchmesser
8 mm, 6 Zähne,
Zu
schneidendes Werkstück:
SKD 11 mit einer HRC-Härte
von 60,
Schneidgeschwindigkeit: 40 m/min,
Vorschub: 0,06
mm/Zahn,
Schneidtiefe: 12 mm × 0,8 mm und
Schnitt:
trocken.
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Als
nächstes
wurde ein Oxidationstest bei 1000°C
für 30
Minuten in Luft ausgeführt,
um die Tiefe einer oxidierten Schicht zu messen. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 2 dargestellt.
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Es
ist anhand Tabelle 1 klar, daß bei
der zweiten TiAlON-Schicht mit einer fcc-Kristallstruktur zum Bereitstellen einer
Kristallkontinuität
die Überzugsschichten
eine stark verbesserte Oxidationsbeständigkeit und eine ausgezeichnete
Funktionsfähigkeit
beim Schneiden von Materialien hoher Härte aufweisen.
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Beim
Schneiden von Stahl mit einer HRC-Härte von 60 unter den vorstehenden
Bedingungen wurde bestätigt,
daß die
Zahntemperaturen auf 950°C
erhöht
waren. Auch im Fall von Stahl mit einer HRC-Härte von 50 waren die Zahntemperaturen
unter den gleichen Bedingungen wie den vorstehend erwähnten, wobei
die Schneidgeschwindigkeit jedoch 120 m/min betrug, auf 950°C erhöht.
-
Dies
beweist, daß die
mehrlagig beschichteten Bauteile gemäß der vorliegenden Erfindung
unter solchen rauhen Bedingungen, daß die Zähne auf Temperaturen von mehr
als 950°C
erwärmt
wurden, unabhängig von
der Härte
der zu schneidenden Werkstücke
eine ausgezeichnete Schneidleistung aufweisen. Diese Vorteile werden
teilweise im Fall des trockenen Schneidens erhalten.
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BEISPIEL 2
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Zementierte
Carbidbohrer und zementierte Carbideinsätze wurden mit den gleichen
mehrlagigen Beschichtungen wie in Beispiel 1 versehen, um einen
Schneidtest unter den nachstehend angegebenen Bedingungen auszuführen. Im
Fall von Bohrern wurde die Ab nutzung nach dem Bohren von 3000 Löchern gemessen.
Weiterhin wurde die Abnutzung von Flanken im Fall von Einsätzen nach
dem Schneiden von 10 m gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
3 dargestellt.
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Bohrbedingungen (nasses
Bohren)
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- Bohrer: Durchmesser 6 mm (P40),
- Zu schneidendes Werkstück:
SCM 440 (geglüht),
- Schneidgeschwindigkeit: 100 m/min,
- Vorschub: 0,1 mm/Umdrehung und
- Lochtiefe: 15 mm.
-
Schneidbedingungen mit
Einsatz
-
- Einsatz: SEE42TN (P40),
- Abzuschrägendes
Werkzeug: SKD 61 mit einer HRC-Härte
von 42 (Breite 100 mm, Länge
250 mm),
- Schneidgeschwindigkeit: 150 m/min,
- Vorschub: 0,15 m/Umdrehung und
- Schneidtiefe: 1,5 mm.
-
-
Bemerkungen
-
- (1)
- Proben 1–12 innerhalb,
Proben 13–17
der vorliegenden Erfindung.
- (2)
- Der Bohrer brach ab,
als Löcher
mit den angegebenen Anzahlen gebohrt wurden.
-
Es
ist anhand Tabelle 3 klar, daß die
mehrlagig beschichteten Bauteile gemäß der vorliegenden Erfindung
in beiden Fällen
von Bohrern und Einsätzen
eine ausgezeichnete Werkzeuglebensdauer aufweisen. Diese Tendenz
läßt sich ähnlich bei
Schaftfräsern,
Bohrern und Einsätzen
beobachten.
-
BEISPIEL 3
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Schaftfräser und
Einsätze
aus zementiertem Carbid wurden mit einer kleinen Lichtbogen-Ionen-Metallisiervorrichtung
mit mehrlagigen Beschichtungen mit einer innersten TiN-Schicht,
ersten Schichten, zweiten Schichten und einer äußersten Schicht unter den in
Tabelle 4 dargestellten Bedingungen versehen. Die Kristallisation
der äußersten
Schicht erfolgte für
den α-Kristall
bei 790°C
und für
den γ-Kristall
bei 680°C.
-
-
Bemerkungen
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- (1)
- Kristallisationstemperatur
für α-Kristall.
- (2)
- Kristallisationstemperatur
für γ-Kristall.
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Die
Zusammensetzungen und die Dicke der ersten, der zweiten und der äußersten
Schichten sind in Tabelle 5 dargestellt. Die Gesamtdicke der mehrlagigen
Beschichtung betrug 2,5 μm.
Es sei bemerkt, daß die erste
TiAlN-Schicht und die zweite TiAlON-Schicht durch intermittierendes
Einbringen eines Sauerstoffgases in das Reaktionsgas gebildet wurden.
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In
bezug auf Proben innerhalb der vorliegenden Erfindung und jene außerhalb
der vorliegenden Erfindung wurde die Schneidleistung unter den in
den Beispielen 1 und 2 dargestellten Schneidbedingungen beurteilt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Weiterhin wurde ein
Oxidationstest bei 1000°C
für 2 Stunden in
Luft ausgeführt,
um die Dicke oxidierter Schichten zu messen. Die Ergebnisse sind
auch in Tabelle 5 dargestellt.
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-
Bemerkungen
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- (1)
- Proben 18–23 innerhalb
der Erfindung, Proben 15–17
Vergleichsbeispiele.
- (2)
- Mit fcc-Kristallstruktur.
- (3)
- Mit amorpher Struktur.
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Aus
Tabelle 5 ist klar, daß die
mehrlagigen Beschichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Schneidlebensdauer
aufweisen. Mit sauerstoffhaltigen Schichten, die innerhalb der mehrlagigen
Beschichtungen angeordnet sind, wird eine drastische Verbesserung
der Oxidationsbeständigkeit
und der Werkzeuglebensdauer erhalten.
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BEISPIEL 4
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Schaftfräser aus
zementiertem Carbid wurden unter Verwendung von TiAlX-Legierungstargets,
die eine dritte Komponente X enthalten, wobei X Si, Nd, Y, Sc oder
Sm war, unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 mit einer
kleinen Lichtbogen-Ionen-Metallisiervorrichtung
mit mehrlagigen Beschichtungen mit ersten Schichten, zweiten Schichten
und einer äußersten
Schicht versehen. Jede zweite Schicht war eine 5 nm dicke TiAlON-Schicht
mit einer fcc-Kristallstruktur, und die äußerste Schicht war eine amorphe
AlO-Schicht. Die Gesamtdicke der mehrlagigen Beschichtung betrug
2,5 μm.
Es wurden die gleiche Schneidbeurteilung wie in Beispiel 1 und der
gleiche Oxidationstest wie in Beispiel 3 ausgeführt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 6 dargestellt.
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Bemerkungen
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- (1)
- Proben 24–35 und
2 innerhalb, Proben 15–17
außerhalb
der Erfindung.
- (2)
- Mit amorpher Struktur.
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Aus
Tabelle 6 ist klar, daß die
dritten Komponenten die mehrlagig beschichteten Bauteile gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit und einer verbesserten
Schneidlebensdauer versehen.
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Wie
vorstehend detailliert beschrieben wurde, werden bei der mehrlagigen
Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die ersten Schichten aus Carbiden, Nitriden usw. abwechselnd
mit den sauerstoffhaltigen zweiten Schichten so dünn laminiert,
daß die
benachbarten ersten Schichten mit einer Kristallkontinuität versehen
werden. Die ersten Schichten haben vorzugsweise eine fcc-Kristallstruktur
und eine Kristallorientierung entlang der (200)-Fläche. Weiterhin
haben die ersten Schichten vorzugsweise eine Pseudo-Übergitterstruktur.
Wegen dieser strukturellen Merkmale haben die mehrlagig beschichteten
Bauteile gemäß der vorliegenden
Erfindung eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit und Haftung, um rauhen
Schneidbedingungen widerstehen zu können.
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Die
mehrlagig beschichteten Bauteile gemäß der vorliegenden Erfindung,
die diese Vorteile aufweisen, sind für beschichtete Werkzeuge, wie
Bohrer, Schaftfräser
und Einsätze,
geeignet, die unter rauhen Bedingungen, wie dem Hochgeschwindigkeitsschneiden,
verwendbar sind.