DE69920093T2

DE69920093T2 - Bauteile mit mehrlagiger Beschichtung

Info

Publication number: DE69920093T2
Application number: DE69920093T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Iyori
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: JPH11323574A; EP0947607A2; US6254984B1; EP0947607B1; JP3031907B2; DE69920093D1; EP0947607A3; ES2226283T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine TEM-Photographie, worin die innere Struktur der mehrlagigen Beschichtung in dem mehrlagig beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
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,
3 ist ein EDX-Diagramm der zweiten Schicht des mehrlagig beschichteten Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, und
4 ist ein EELS-Diagramm der zweiten Schicht des mehrlagig beschichteten Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung wird detailliert anhand der folgenden Beispiele beschrieben, ohne daß die vorliegende Erfindung darauf beschränkt sein soll.
BEISPIEL 1
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.
Tabelle 1
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.
Tabelle 2
Bemerkungen

(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.
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.
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.
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.
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.
BEISPIEL 2
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.
Bohrbedingungen (nasses Bohren)

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.

Tabelle 3
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
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.
Tabelle 4
Bemerkungen

(1): Kristallisationstemperatur für α-Kristall.
(2): Kristallisationstemperatur für γ-Kristall.

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.
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.
Tabelle 5
Bemerkungen

(1): Proben 18–23 innerhalb der Erfindung, Proben 15–17 Vergleichsbeispiele.
(2): Mit fcc-Kristallstruktur.
(3): Mit amorpher Struktur.

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.
BEISPIEL 4
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.
Tabelle 6
Bemerkungen

(1): Proben 24–35 und 2 innerhalb, Proben 15–17 außerhalb der Erfindung.
(2): Mit amorpher Struktur.

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.
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.
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.

Claims

Mehrlagig beschichtetes Bauteil aus einem ultraharten Legierungssubstrat und einer darauf ausgebildeten mehrlagigen Beschichtung, wobei die Beschichtung zwei oder mehrere erste Schichten und zwei oder mehrere zweite Schichten aufweist, die abwechselnd laminiert sind, wobei die erste Schicht aus mindestens einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid mindestens eines der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems sowie Al besteht und die zweite Schicht aus mindestens einem Oxid, Carbid, Oxynitrid oder Carboxynitrid mindestens eines Elements der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems sowie Al besteht, wobei die über die zweiten Schichten benachbarten ersten Schichten durch Kristallkontinuität über die erste Schicht in derselben Richtung orientiert sind.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei die ersten Schichten eine fcc-Kristallstruktur haben.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht 1 bis 30 Atom-% mindestens eines der zusätzlichen Elemente Si, Y, Nd, Sm und Sc enthält.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehrlagige Beschichtung eine aus mindestens einem Oxid, Carboxid, Oxynitrid oder Carboxynitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Al bestehende äußerste Schicht aufweist.
Bauteil nach Anspruch 4, wobei die äußerste Schicht aus mindestens einem Oxid, Carboxid, Oxynitrid oder Carboxynitrid von Ti und Al besteht.
Bauteil nach Anspruch 4, wobei die äußerste Schicht aus mindestens einem Oxid, Carboxid, Oxynitrid oder Carboxynitrid von Ti, Si und Al besteht.
Bauteil nach Anspruch 4, wobei die äußerste Schicht aus mindestens einem Oxid, Carboxid, Oxynitrid oder Carboxynitrid von Al besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die äußerste Schicht eine amorphe Struktur hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die äußerste Schicht kristallin ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehrlagige Beschichtung eine innerste Schicht mit hervorragender Haftung an dem Substrat aufweist, die aus mindestens einem der Bestandteile TiN, TiCN, Ti und TiAl besteht und eine Dicke von 2 bis 5000 nm hat.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch die maximale Intensität der Röntgenbrechung bestimmte Kristallorientierung der ersten Schicht längs der (200)-Fläche ausgerichtet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht eine Dicke von 5 bis 1000 nm hat.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht eine Dicke von 1 bis 200 nm hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die äußerste Schicht eine Dicke von 5 bis 500 nm hat.