DE69923751T2

DE69923751T2 - Verbesserte Beschichtung von Schneidwerkzeug für Stahl

Info

Publication number: DE69923751T2
Application number: DE69923751T
Authority: DE
Inventors: Sakari Ruppi
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: US6221469B1; DE69923751D1; CN1126659C; CN1256201A; ATE289367T1; JP2000234171A; EP1010775B1; EP1010775A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Beim Drehen vieler Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, mittlerem Kohlenstoffgehalt oder gering legierter Stähle mit beschichteten Hartmetalleinsätzen ist Al₂O₃ nicht das beste Beschichtungsmaterial. Der vorliegende Autor untersuchte das Verhalten unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien beispielsweise in ferritischen, perlitischen Schneidstählen (S. Ruppi, Internal Report) und martensitischen abgeschreckten und getemperten Stählen sowohl mit als auch ohne Ca-Behandlung (S. Ruppe et al., „Wear Characteristics of TiC, TiCN, TiN and Al₂O₃ Coatings in the Turning of Conventional and Ca-Treated Steels", International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, zur Veröffentlichung). Beim Schneiden dieser Werkstückmaterialien mit Hartmetalleinsätzen mit verschiedenen Beschichtungen konnten die Al₂O₃-Schichten als das schlechteste Beschichtungsmaterial gekennzeichnet werden. Es wurde auch festgestellt, daß α-Al₂O₃ keine besseren Verschleißeigenschaften als κ-Al₂O₃ in Stahl ergibt, obwohl α-Al₂O₃ in Gußeisen besser ist. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß Al₂O₃ unter den besten Beschichtungsmaterialien zusammen mit TiN war, was den Kerbverschleiß betrifft. Bei der Verwendung ist κ-Al₂O₃ härter auf der Flankenfläche (wo es sich nicht in α-Al₂O₃ umwandelt). Auf der Spanfläche wird es sich relativ schnell in α-Al₂O₃ umwandeln und so die gleichen Eigenschaften wie α-Al₂O₃ auf der Spanfläche zeigen. Auch hat κ-Al₂O₃ eine geringere Leitfähigkeit als α-Al₂O₃. In der Tat ist die thermische Leitfähigkeit von κ-Al₂O₃ ein Drittel derjenigen von α-Al₂O₃ (D. G. Gahill et al., „Thermal Conductivity of κ-Al₂O₃ and α-Al₂O₃ Wear Resistant Coatings", Journal of applied Physics, Band 83, Nr. 11, 1. Juni 1998). Dies bedeutet, daß die κ-Al₂O₃-Phase als eine wirksame Wärmebarriere aufgebracht werden kann und in dieser Hinsicht gegenüber α-Al₂O₃ bevorzugt ist. Dies ist wichtig beim Stahlschneiden, wo hohe Temperaturen auftreten, und allgemein in jenen Anwendungen, wo es wichtig ist, den Temperaturfluß in das Substrat zu reduzieren. Folglich kann die plastische Verformung des Substrats vermindert werden. Die Al₂O₃-Schicht gegen Verschleiß in Stahl zu schützen, d.h. ein relativ dicker Überzug, beispielsweise aus TiCN, welches sich als das beste Beschichtungsmaterial in Stahl erwies, ist auf der Oberseite abzuscheiden. Weiterhin muß die Beschichtung auf κ-Al₂O₃ bei einer relativ niedrigen Temperatur im Vergleich mit herkömmlichem CVD abgeschieden werden, um die Phasenumwandlung von dem metastabilen κ-Al₂O₃ in das α-Al₂O₃ zu vermeiden. Es ist bekannt, daß die κ- in α-Umwandlung sehr temperaturempfindlich ist. Siehe beispielsweise 5 in S. Vuorinen et al., „Phase Transformation in Chemically Vapour Deposited to κ-Al₂O₃", Thin Solid Films, 214 (1992) Seiten 132–143.
In der US-Patentschrift 5,137,774 wurde die gesteigerte Leistung von α-Al₂O₃ im Vergleich mit κ-Al₂O₃ als eine Beschichtung auf einem Hartmetalleinsatz verglichen, wenn Gußeisen gedreht wurde, wie gezeigt. Außerdem sind in den US-Patentschriften 5,635,247 und 5,700,569 und der Anmeldung 08/962,683 (Zeichen des Anwalts: 024444-370) verschiedene mit Al₂O₃ beschichtete Hartmetalleinsätze gezeigt, in denen das Al₂O₃ auf einer Ti(CN)-Schicht abgeschieden ist, oder in Mehrfachschichten gezeigt. In Tests, die von dem vorliegenden Erfinder durchgeführt wurden, wurde jedoch festgestellt, daß Haftung einer α-Al₂O₃-Schicht an der darunterliegenden TiCN-Schicht sowie die Haftung der TiCN-Schicht an dem Hartmetallsubstrat oftmals nicht zufriedenstellen war, wenn der Einsatz beim Drehen von Gußeisen verwendet wurde. Die Beschichtung wurde infolge Kantenabplatzungen unbrauchbar und resultierte in beschleunigtem Verschleiß.
Die Hauptgründe für Kantenabplatzungen wurden von dem vorliegenden Erfinder aus diesen Tests als die schlechte Substratbeschichtungshaftung sowie die schlechte Bindung zwischen TiCN und α-Al₂O₃ identifiziert.
In einer Studie der TiC-Hartmetallgrenzfläche einer 6 Mm dicken mit CVD abgeschiedenen TiC-Schicht von Vuorinen et al., „TEM Study of Microstructure an Cristallography at the TiC/Cemented Carbide Interface", Science of Hard Materials. 1983, Seiten 433–447 wurde durch Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) gefunden, daß die TiC-Schicht aus zwei Bereichen aufgebaut ist. Nahe dem Substrat und sich bis zu einer Dicke von 1,5 bis 2 μm in einer Schicht von feinen gleichachsigen TiC-Körnern. Darüber ist eine Schicht von größeren (typischerweise 2–4 μm) Körnern von TiC.
In einer anderen Studie, die in Thin Solid Films 323, (1993), Seiten 73–82 veröffentlicht wurde, wurden nach Vuorinen et al., in einer Arbeit mit dem Titel „Interfacial Characterization of Chemically Vapour Deposited Titanium Carbide on Cemented Carbide, TiC-Beschichtungen mit CVD auf Hartmetallsubstraten unter nicht aufkohlenden Bedingungen abgeschieden. In Abwesenheit von η-Carbid wurde gefunden, daß das TiC sowohl auf der {0001}- als auch der {1010}-WC-Ebene epitaxisch impfte und wuchs.
Die Untersuchung wird fortgesetzt für verbesserte Beschichtungen für beschichtete Hartmetalleinsätze von Schneidstahlkörpern.
Ziele und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die Probleme des Standes der Technik zu vermeiden oder zu mildern.
Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten beschichteten Hartmetalleinsatz für das Schneiden von Stahl zu bekommen.
Nach einem Aspekt der Erfindung bekommt man einen beschichteten Hartmetallkörper, wie in Anspruch 1 beansprucht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bekommt man einen beschichteten Hartmetallkörper mit einem Hartmetallsubstrat mit einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schichten darauf, wobei diese Schichten in ihrer Reihenfolge vom Substrat aus folgende sind:

(a) eine Bindeschicht mit einer Dicke von bis zu 1 μm, ausgewählt aus der Gruppe, die aus TiC, TiN und Ti(C, N) besteht,
(b) einer mehrschichtigen TiCN-Schicht, die eine erste innere Schicht säulenartigen Körner von Ti(C, N) mit einer Korngröße, bei der die Breite der Körner das 0,1 bis 0,15-fache der Dicke der Beschichtungsschicht und die Länge der Körner das 0,5- bis 0,8-fache der Dicke der Beschichtungsschicht ist, und einer zweiten äußeren Schicht gleichachsiger Körner mit einer Körngröße von 0,2 bis 1,0 μm, wobei die Gesamtdicke der Ti(C, N)-Schicht 5 bis 10 μm beträgt,
(c) einer Schicht von (TiAl)(CO) mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 3 μm,
(d) einer κ-Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 μm,
(e) einer Schicht von (TiAl)(CO) mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 μm,
(f) einer Schicht von säulenartigem gekörntem Ti(C, N) mit einer Korngröße, bei der die Breite der besagten Körner das 0,1- bis 0,5-fache der Beschichtungsschichtdicke und eine Länge von 0,5- bis 0,8-fachen der Beschichtungsschichtdicke beträgt, wobei die Schicht eine Dicke von 2,8 μm hat, und
(g) einer äußeren Schicht von etwa 1 μm oder weniger Dicke von TiN.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts, der von einer Ecke eines beschichteten Hartmetalleinsatzes nach der vorliegenden Erfindung genommen wurde,
Die 2, 3, 4 und 5 sind SEM-Photographien von zwei Vergleichseinsätzen nach Schneidzeiten von nur 2 bzw. 9 Minuten.
Die 6 und 7 sind SEM-Photographien eines Einsatzes nach der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichseinsatzes nach 12 bzw. 6 Minuten Dreharbeit.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Die Hauptphasen, die in Hartmetallen enthalten sind, sind WC- und Co-reiche Bindephase. Eine gegebenenfalls dritte Phase von kubischen Übergangsmetallcarbiden (Ti, Ta, Nb, W, C), die gewöhnlich als die γ-Phase bezeichnet werden, können zugegeben werden, um die Naßbeständigkeit geradkettiger WC-Co-Legierungen zu verbessern. Ungeachtet dessen, ist WC der Hauptbestandteil in vielen gewerblichen Hartmetallen. WC hat eine einfache hexagonale Kristallstruktur mit zwei Atomen je Einheitszelle: W bei (0, 0, 0) und C bei (2/3, 1/3, ½).
Die Grundgleichgewichtsform von WC als ein Ergebnis des Sinterns in flüssiger Phase ist dreieckiges Korn, von drei {1010} und zwei {1000} Ebenen gebunden. Die Substrat-Beschichtungs-Grenzfläche ist folglich aus den folgenden Grenzflächen aufgebaut:
Beschichtung – WC
Beschichtung – Co
Beschichtung – γ (wenn vorhanden)
Beschichtung – η (wenn gebildet)
TEM-Beobachtungen im Haus haben ergeben, daß die TiCN- und TiN-Beschichtung epitaxial auf der Grenzfläche von WC-Körnern verlieg, wie dies TiC tut, welches verwendet werden kann. Die epitaxische Beschichtungs-WC-Grenzflächen, die so gebildet werden, sind dominierend und verantwortlich für die gute Haftung der ersten Beschichtung auf dem Hartmetallsubstrat. Dies ist besonders der Fall, wenn chemische Reinigung auf das Substrat vor dem Beschichtungsverfahren angewendet wird. Diese Situation ist jedoch kompliziert infolge der reversiblen η-Phasenreaktion, wie nachfolgend diskutiert.
Der Zweiphasenbereich in WC-Co (oder Dreiphasenbereich in WC-Co-γ)-Hartmetallen ist sehr eng in Bezug auf den C-Gehalt der Legierung, und eine sehr kleiner Veränderung des C-Gehalts führt in Dreiphasen-Feldlegierung (oder Vierphasen-Feldlegierung in WC-Co-γ) und einem η-Carbid, das bei verminderten C-Gehalten geformt wird. Siehe beispielsweise 1 auf Seite 74 des Artikels „Dünne feste Filme" in dem oben erwähnten Artikel. Folglich, wenn eine Ti(C und/oder N)-Schicht angewendet wird unter Benutzung einer herkömmlichen CVD-Technik kann der Kohlenstoff für die Bildung von TiC, TiCN oder TiN (bei niedrigem Druck) teilweise aus dem Substrat genommen werden, wobei das Substrat decarboriert wird. Der Außenteil des Substrats wird folglich in einen M₁₂C-Typ von η-Phase umgewandelt. Diese η-Phase wird immer gebildet (selbst wenn sie sehr dünn sein sollte) wenigstens an den Kanten der beschichteten Einsätze (wenn das Oberflächenmassenverhältnis am höchsten ist und den höchsten Decarborierungsgrad ergibt).
Es wird betont, daß diese η-Phasenreaktion reversibel ist, besonders wenn reversibel dünne Phasen vorliegen und wenn sie auf den Substraten mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt aufgebracht werden. Folglich wird während des Glühens die η-Phase sich zurück in Co-reiche Legierung und WC umwandeln. Wie klar aus dem obigen hervorgehen, ist diese Situation an den Schneidkanten sehr kompliziert.
Gemäß dem Stand der Technik sollten Al₂O₃-Schichten mit einer Dicke von 4 bis 8 μm für Stahl verwendet werden. Die Al₂O₃-Schicht wird auf einer TiCN-Schicht aufgebracht. Das Substrat – TiCN – an der Grenzfläche wird einer Hitzebehandlung mit einer Dauer von bis zu 6 Stunden während der Abscheidung der Al₂O₃-Schicht unterzogen. Während die Abscheidung der Al₂O₃-Schicht tritt die reversible η-Carbidreaktion an der Substrat-Beschichtungsgrenzfläche ein und führt zur Bildung einer Co-reichen Schicht zwischen dem TiCN-Überzug und dem Hartmetallsubstrat. Dies ist besonders der Fall, wenn die η-Phasenbildung auf Bereiche des Substrats nahe der Oberfläche begrenzt bleibt, wie im Fall, in dem die modernen CVD-Verfahren betroffen sind. Als Ergebnis werden die epitaxischen TiCN-WC-Grenzflächen durch Beschichtungs-Co-Grenzflächen ersetzt, was zu verminderter Haftung führt.
Um dies zu vermeiden, muß die erste TiCN-Schicht ohne Decarborierung des Substrats abgeschieden werden. Diese Überzugsschicht wird unter Verwendung von CH₃CN- und CH₄-Gasen als Vorläufer abgeschieden. Eine Überzugsschicht, die eine säulenartige Struktur hat, wird als ein Ergebnis gebildet. Die säulenartigen Körner haben eine Breite von 0,1 bis 0,5 x Dicke der Überzugsschicht (d.h. allgemein eine Breite von 0,1 bis 0,5 μm) und eine Länge von 0,5 bis 0,8 x die Dicke der Überzugsschicht (d.h. allgemein eine Länge von 0,5 bis 2,9 μm). Um die Menge von epitaxischen Grenzflächen zu optimieren und eine gute Haftung an der Grenzfläche zu gewährleisten, sollte das Verfahren mit einer ersten Schicht aus TiCN, TiC oder TiN begonnen werden, die ohne CH₃CN abgeschieden wird und eine sehr kurze Dauer hat, die aber ausreicht, eine Schicht mit einer Dicke von bis zu 1 μm, vorzugsweise bis zu etwa 0,5 μm zu bilden. Diffusion von Wolfram wird in dieser Grenzfläche stattfinden. Diese Interdiffusion, die zu einer reduzierten Fehlpassung bei de Beschichtungs-WC-Grenzfläche führt, ist für die Haftung wichtig.
Die erhaltene säulenartige TiCN-Schicht zeigt jedoch eine unzureichende Haftung an der Al₂O₃-Schicht, selbst obwohl Bindeschichten aufgebracht wurden. Um die Bindungshaftung zu verbessern, wird eine TiCN-Schicht, die aus äquiaxialen Körnern aufgebaut ist, mit CVD oben auf die Beschichtung mit säulenartigen TiCN-Körnern aufgebracht. Die Korngröße des gleichachsigen Korns liegt bei 0,2 bis 1,0 μm. Auf dieser Schicht gleichachsiger Körnung kann eine Bindeschicht mit Erfolg aufgebracht werden, was zu einer klar erhöhten Haftung führt. Diese gesamte TiCN-Schicht ist aus klar definierten Schichten säulenartigen und gleichachsiger Körner von TiCN aufgebaut und hat eine Dicke von 5 bis 10 μm, vorzugsweise von 2 bis 4 μm.
Die Bindeschicht ist eine kubische Schicht von Ti(CO), welches Al enthält. Es ist wichtig, diese Bindeschicht zu kontrollieren, so daß eine whiskerartige Morphologie an der Bindungs-Al₂O₃-Grenzfläche erhalten wird. Die genaue Chemie und Mikrostruktur dieser Schicht wird durch Einstellung des Verhältnisses von TiCl₄ und AlCl₃ der Vorläufer kontrolliert. Bei dem richtigen Verhältnis bekommt man ein whiskerartiges Wachstum und bis zu 10 Atom-% Al können in der Bindungsschicht gefunden werden.
Oben auf die Bindungsschicht wird eine κ-Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 μm, vorzugsweise etwa 3 μm aufgebracht. Die Schicht von κ-Al₂O₃ wird als eine Wärmebarriereschicht verwendet, um einen Wärmefluß in das Substrat hinein zu verhindern. Das κ-Al₂O₃ wird durch die über ihr aufgebrachte TiCN-Schicht geschützt. Das κ-Al₂O₃ wird gemäß herkömmlichen Techniken abgeschieden, wie in der US-Patentschrift 5,635,247 beschrieben ist.
Eine andere Bindungsschicht von kubischem (TiAl)(CO), wie oben beschrieben, kann über der κ-Al₂O₃-Schicht aufgebracht werden.
Danach wird eine TiCN-Schicht von säulenartiger Körnung mit säulenartigen Körnern einer Länge und Breite, wie jene, die oben beschrieben wurden, aufgebracht.
Gegebenenfalls kann eine dicke TiN-Schicht als äußerste Schicht aufgebracht werden.
Eine optimierte Beschichtung für Stahl sollte dann folgendermaßen zugeordnet werden (1):

1. Die mit CVD erhaltene Bindeschicht 1, die aus TiC, TiCN oder TiN aufgebaut ist, welche direkt auf einem chemisch reinen Substrat abgeschieden wurden, wobei vorspringende WC-Körner dominierten. Diese Substratart kann auch durch modifiziertes Sinterverfah ren erhalten werden. Diese Schicht ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß Diffusion von W in diese Schicht und durch epitaxische Beschichtungs-WC-Grenzflächen erfolgte. Die epitaxischen Ausrichtungsbeziehungen sind folgende: Auf {0001}_WC-Ebenen: (111)_TiCN//(0001)_WC; [110]_TiCN//[1120]_WC Auf {1010}_WC-Ebenen (001)_TiCN//(1010)_WC; [110]_TiCN//[001]_WC Die epitaxischen Grenzflächen sind verantwortlich für gute Haftung an der Grenzfläche von Substrat-Beschichtung, die extrem wichtig ist, wenn Gußeisen gedreht/gefräst wird. Dicke: bis zu 1 μm, vorzugsweise 0,5 μm.
2. Die CVD TiCN-Schicht 2 ist aus säulenartigen Kristallen aufgebaut. Diese Schicht wird unter Verwendung von CH₃CN und CH₄ als Vorläufer abgeschieden. Die Decarborierung des Substrats wird vermieden, η-Carbid wird nicht gebildet, und die Möglichkeit für die reversible η-Carbidreaktion wird ausgeschaltet.
3. Eine fakultative Schicht 3 aus TiN.
4. Die CVD TiCN-Schicht 4 ist aus gleichachsiger Kristallabscheidung auf der MTCVD-Schicht aufgebaut, die aus säulenartigen Kristallen besteht. Die Gesamtdicke der Schichten 2 und 4 liegt bei 2 bis 4 μm, vorzugsweise 3 μm. Die Dicke der säulenartigen TiCN-Schicht liegt bei 1 μm bis zu 90% der Gesamtdicke der TiCN-Schichten (Schichten 2 und 4) in Abhängigkeit von dem Kohlenstoffgehalt des Substrats.
5. Die Bindungsschicht 5 besteht aus kubischem (TiAl)(CO). Die beträgt von 0,5 bis 3,0 μm, vorzugsweise 1,5 μm.
6. κ-Al₂O₃-Beschichtung 6 mit einer Dicke von 2 bis 4 μm, vorzugsweise 3 μm. Die Schicht von κ-Al₂O₃ wird hier als eine Wärmebarriereschicht verwendet, um den Wärmefluß in das Substrat zu verhindern. κ-Al₂O₃ wird durch die TiVN-Schicht geschützt, die auf ihr abgeschieden wird.
7. (TiAl)(CO)7-Bindung ähnlich der Stufe 5.
8. Die CVD-TiCN-Schicht 8, aufgebaut aus säulenartigen Kristallen, die auf dem κ-Al₂O₃ über die Bindeschicht abgeschieden wurden. Dicke 2 bis 8 μm, vorzugsweise 4 bis 6 μm.
9. TiN-Schicht 9, Dicke ≤ 1 μm.

Die Erfindung wird zusätzlich in Verbindung mit den folgenden Beispielen beschrieben, die nur als Erläuterung der Erfindung anzusehen sind. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Einzelheiten der Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

Zwei Proben wurden abgeschieden. In diesem Fall waren die Proben Einzelschichten von κ-Al₂O₃ und MTCVD TiCN. Die κ-Al₂O₃-Schicht wurde unter Aufbringung einer dünnen Zwischenschicht von TiCN zwischen der Al₂O₃-Schicht und dem Substrat aufgebracht. Diese Schicht war weniger als 1 μm dick. Die Gesamtdicke der Überzugsschichten war 7 μm.

Beschichtung Nr. 1:	MTCVD TiCN, Dicke 7 μm
Beschichtung Nr. 2:	κ-Al₂O₃, Dicke 7 μm (+ < 1 μm TiCN)
Arbeitsmethode:	Drehen
Material:	Stahl SS1672
Schneidgeschwindigkeit:	200 m/min.
Schneidtiefe:	3,0 mm
Vorschubgeschwindigkeit:	0,3 mm/Umdrehung
Einsatzgeometrie:	SNUN 120408
Kein Kühlmittel wurde angewendet

Die Schneidkanten der Einsätze wurden durch SEM nach 2, 5, 7, 10 und 15 (Al₂O₃ nach 13) Minuten untersucht. Die 3, 4, 5 und 6 zeigen SEM Mikrophotographien von Einsätzen 1 und 2 nach Schneiden während 2 bzw. 9 Minuten.
Al₂O₃ zeigte Verschleiß über der gesamten Flankenfläche nach Drehen während nur 2 Minuten, 4. Die TiCN-Beschichtung zeigte sehr gute Flankenverschleißbeständigkeit, 3. Al₂O₃ war auch das schlechteste Beschichtungsmaterial in Bezug auf Kraterverschleiß, obwohl man gewöhnlich denkt, daß es in dieser Beziehung das beste Beschichtungsmaterial ist. Die Al₂O₃-Schicht zeigte intensiven Kraterverschleiß nach 9 Minuten, 5. Die TiCN-Beschichtung zeigte sehr beschränkten Kraterverschleiß nach der gleichen Schneidzeit, 6. Folglich konnte die Al₂O₃-Schicht nur 13 Minuten verwendet werden, während der mit TiCN beschichtete Einsatz länger als 15 Minuten benutzt werden konnte.
Es sei bemerkt, daß in Bezug auf Kerbverschleiß das Al₂O₃ leistungsmäßig die TiCN-Schicht übertraf.
Es muß aus den obigen Ausführungen klar geworden sein, daß die Al₂O₃-Schicht nicht in Stahl verwendet werden sollte wegen ihrer Verschleißeigenschaften (Kraterverschleiß/Flankenverschleiß). Die Al₂O₃-Schicht sollte jedoch in mehrschichtigen Überzugsstrukturen infolge ihrer niedrigen Wärmeleiffähigkeit und guten Kerbverschleißbeständigkeit eingesetzt werden. Um benutzt zu werden, muß die Al₂O₃-Beschichtung in Stahl durch eine relativ dicke Schicht beispielweise von bevorzugt TiCN geschützt werden, was in dem folgenden Beispiel demonstriert wird.
Beispiel 2
Zwei Proben der gleichen Dicke wurden abgeschieden:
Beschichtung Nr. 1:

1. TiCN-Zwischenschicht, Dicke 2 μm, mit einer ersten Schicht mit säulenartiger Körnung, wobei die Körner eine Breite von 0,25 μm und eine Länge von 1,1 μm hatten, und einer zweiten epitaxischen Körnungsschicht, wobei die Körner eine Korngröße von 0,5 μm hatten, worin die Dicke des säulenartigen gekörnten Bereichs 1,8 μm war.
2. Bindeschicht.
3. κ-Al₂O₃-Schicht, Dicke 4 μm.
4. Bindeschicht.
5. MTCVD-Schicht, aufgebaut aus säulenartigen Körnern mit einer Länge der Körner von 2,4 μm und einer Breite von 0,6 μm, einer Dicke von 4 μm, abgeschieden auf der κ- Al₂O₃-Schicht. Die Abscheidungstemperatur war 850°C und die Phasenumwandlung von κ-Al₂O₃ wurde vermieden.

Beschichtung Nr. 2 (Vergleichsbeispiel)

1. TiCN-Schicht, Dicke 10 μm, wobei die Körner eine Länge von 4,5 μm und eine Breite von 0,9 μm hatten. Die Dicke des säulenartige gekörnten Bereichs war 6 μm. Schneidversuche in martensitischem abgeschrecktem und getempertem Stahl durchgeführt.

Arbeitsweise: Drehen

Material: 42 CrMo4

Schneidgeschwindigkeit: 260 m/min.

Schneidtiefe: 3,0 mm

Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm/Umdrehung

Einsatzgeometrie: SNUN 120408

Die 6 und 7 zeigen SEM Photographien der Einsätze 1 und 2 nach 12 bzw. 6 Minuten Dreharbeit. Es ist wert zu bemerken, daß der Einsatz Nr. 2 schwerlich Kraterverschleiß zeigte, aber infolge plastischer Verformung, die zu intensivem Flankenverschleiß führte, 6, versagte. Der Einsatz Nr. 1 zeigte weniger plastische Verformung nach viel längerer Schneidzeit, 7. Nach 12 Minuten hatten Krater- und Flankenverschleiß den TiCN-Überzug durchdrungen, und die Oxidschicht darunter war danach sehr schnell verschlissen, und die Standzeit war etwa 15 Minuten.
Die Prinzipien, bevorzugte Ausführungsformen und Arbeitsweisen der vorliegenden Erfindung wurden in der obigen Beschreibung abgehandelt. Die Erfindung, die hier geschützt werden soll, ist jedoch nicht auf die speziell beschriebenen Formen beschränkt, da diese nur als Erläuterung und nicht als Beschränkung betrachtet werden sollen. Abwandlungen und Veränderungen können vom Fachmann vorgenommen werden.

Claims

Beschichteter Hartmetallkörper mit einem Hartmetallsubstrat, einer mehrschichtigen Ti(C,N)-Zwischenschicht, worin die Ti(C, N)-Zwischenschicht eine erste innere Schicht von säulenförmig gekörntem Ti(C, N) umfaßt, sowie einer zweiten äußeren Schicht von gleichachsigem Ti(C, N), einer Schicht von κ-Al₂O₃ und zuoberst auf dem κ-Al₂O₃ einer anderen Schicht von säulenförmig gekörntem Ti(C, N) mit einer Dicke von 2 bis 8 μm.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, bei dem eine TiN-Schicht zwischen der ersten und zweite Ti(C, N)-Schicht sich befindet.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, bei dem die Gesamtdicke der Ti(C,N)-Zwischenschicht 2 bis 4 μm beträgt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 3, bei dem die Dicke der säulenartigen Schicht 1 μm bis zu 90% der Gesamtdicke der Ti(C, N)-Zwischenschicht beträgt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, bei dem eine Schicht von (TiAl)(CO) zwischen der Ti(C, N)-Schicht und der Al₂O₃-Schicht vorliegt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 5, bei dem die (TiAl)(CO)-Schicht eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 μm hat.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, bei dem die Al₂O₃-Schicht eine Dicke von etwa 2 bis 4 μm hat.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 2, bei dem eine Schicht (TiAl)(CO) zwischen den Ti(C, N)-Schichten und der Al₂O₃-Schicht vorliegt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 9, bei dem die (TiAl)(CO)-Schicht zwischen dem Ti(C, N) und dem κ-Al₂O₃ eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 μm hat und die (TiAl)(CO)-Schicht zwischen dem κ-Al₂O₃ und dem Ti(C, N) 2 bis 8 μm beträgt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 2, bei dem eine TiN-Schicht über der äußersten TiCN-Schicht liegt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 2, bei dem die TiN-Schicht eine Dicke von etwa 1 μm oder weniger hat.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, bei dem die Körner einer jeden der säulenartige gekörnten TiCN-Schichten eine Breite des 0,1- bis 0,15-fachen der Beschichtungsschichtdicke und eine Länge des 0,5- bis 0,8-fachen der Beschichtungsschichtdicke hat.,
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 12, bei dem die Beschichtungsschichtdicke 2 bis 8 μm beträgt.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 12, bei dem die Körner des gleichachsig gekörnten TiCN eine Korngröße von 0,2 bis 1,0 μm haben.
Beschichteter Hartmetallkörper nach Anspruch 1, mit einem Hartmetallsubstrat mit einer Reihe aufeinanderfolgender Schichten, wobei diese Schichten in der Reihenfolge vom Substrat aus angeordnet sind: (a) Bindeschicht mit einer Dicke von bis 1 μm, ausgewählt aus der Gruppe TiC, TiN und Ti(C, N), (b) eine mehrschichtige TiCN-Schicht, die eine erste innere Schicht von säulenartig gekörntem Ti(C, N) mit einer Korngröße, wobei die Breite dieser Körner das 0,1- bis 0,15-fache der Beschichtungsschichtdicke beträgt und die Länge der Körner das 0,5- bis 0,8-fache der Beschichtungsschichtdicke beträgt und eine äußere Schicht von gleichachsigen Körnern mit einer Korngröße von 0,2 bis 1,0 μm, wobei die Gesamtdicke der Ti(C, N)-Schicht 5 bis 10 μm beträgt, (c) eine Schicht von (TiAl)(CO) mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 3 μm, (d) eine κ-Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 μm, (e) eine Schicht von (TiAl)(CO) mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 μm, (f) eine Schicht von säulenartig gekörntem Ti (C, N) mit einer Korngröße, bei der die Breite der Körner das 0,1- bis 0,5-fache der Beschichtungsschichtdicke beträgt und die Länge das 0,5- bis 0,8-fache der Beschichtungsschichtdicke beträgt, und (g) eine äußere TiN-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 μm oder weniger.
Verfahren zum Schneiden von Stahl unter Verwendung eines beschichteten Hartmetalleinsatzes, wobei als der Einsatz der beschichtete Hartmetallkörper nach Anspruch 1 verwendet wird.