DE69924341T2

DE69924341T2 - Verschleissfestes beschichtetes Teil

Info

Publication number: DE69924341T2
Application number: DE69924341T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Akashi-shi Yamada; Taiitsu Akashi-shi Aoki; Yusuke Akashi-shi Tanaka; Seiichiro Akashi-shi Kitaura; Yasutaka Akashi-shi Okazaki; Natsuki Akashi-shi Ichimiya; Genki Akashi-shi Matsumoto; Koichi Akashi-shi Maeda; Toshiki Nishi-ku Sato; Tatsuya Nishi-ku Yasunaga; Kenji Nishi-ku Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Materials Kobe Tools Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1999-05-04
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2019-05-05
Also published as: HK1027383A1; ATE291648T1; US6296928B1; KR20000028568A; EP0999290A1; EP0999290B1; KR100633286B1; DE69924341D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Teil, das mit einer Hartbeschichtung beschichtet ist, um eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu erreichen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Teil, das mit einer Hartbeschichtung beschichtet ist und zur Verwendung in verschleißfesten Teilen wie z.B. Schneidwerkzeugen, die bei Fräs-, Schneid- und Bohrvorgängen eingesetzt werden, Formen, Lagern, Prägeplatten bzw. Düsen und Walzen, bei denen eine große Härte erforderlich ist, und in wärmekorrosionsbeständigen Teilen wie z.B. einer Schnecke von Extrudern, Zylindern und dergleichen vorgesehen ist.
Die Bildung einer Hartbeschichtung wie z.B. TiN und TiCN auf der Oberfläche eines Werkzeugs, um die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs zu verbessern, ist eine Technik, die im Bereich der Schneidwerkzeuge gebräuchlich eingesetzt wird, für die ein hohes Maß an Verschleißfestigkeit erforderlich ist, wie z.B. für Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl, Sintercarbidwerkzeuge, usw.
Es gibt auch eine Hartbeschichtung, die aus einem Kohlenstoffnitridverbund aus Ti und irgendeinem Metall der Gruppe 4A, 5A und 6A, das von Ti verschieden ist, hergestellt. Eine Hartbeschichtung mit dieser Zusammensetzung wird z.B. in den japanischen ungeprüften Patenten mit den Veröffentlichungsnummern 60-248879, 4-221057 und 7-173608 als Beschichtung vorgeschlagen, die bessere Eigenschaften als die TiN- und TiCN-Hartbeschichtungen aufweist. Insbesondere hat die Kohlenstoffnitridverbundbeschichtung die Zusammensetzung (Ti, M)(N, C) (wobei M Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo oder W ist). Die in diesem Stand der Technik vorgeschlagene Kohlenstoffnitridverbundbeschichtung zeigt eine hervorragende Verschleißfestigkeit. Deren Adhäsion ist jedoch schlechter als diejenige von TiN- und TiCN-Beschichtungen. Aufgrund der schlechten Adhäsion besteht ein Problem dahingehend, dass sich die Beschichtung während des Gebrauchs vom Basismaterial ablöst.
In einem Versuch, der Hartbeschichtung eine bessere Adhäsion zu verleihen, schlägt das japanische ungeprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 10-158861 die Bildung einer Zwischenschicht aus TiN zwischen der Hartbeschichtung und dem Basismaterial vor. Die TiN-Zwischenschicht ist jedoch nicht dahingehend effektiv, die Adhäsion der Hartbeschichtung auf ein ausreichendes Maß zu erhöhen. Vielmehr verursacht die TiN-Zwischenschicht ein weiteres Problem dahingehend, dass sie die Verschleißfestigkeit beeinträchtigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Härte der TiN-Zwischenschicht gering ist. Die TiN-Zwischenschicht mit geringer Härte macht den Effekt der (Ti, M)(N, C)-Beschichtung, die eine große Härte aufweist, zunichte. Dieser Nachteil ist besonders in dem Fall ausgeprägt, bei dem diese Technik auf ein Schneidwerkzeug als Basismaterial angewandt wird. Beim Schneiden eines Materials mit geringer Härte wie z.B. S50C, zeigt ein Schneidwerkzeug, das mit einer (Ti, M)(N, C)-Hartbeschichtung beschichtet ist, im Wesentlichen die gleiche Verschleißfestigkeit wie ein Schneidwerkzeug, das mit einer (Al, Ti)N-Hartbeschichtung beschichtet ist. Die (Al, Ti)N-Hartbeschichtung fand kürzlich bezüglich ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit Beachtung. Beim Schneiden eines Materials mit großer Härte, wie z.B. gehärtetem JIS (japanischer Industriestandard) SKD 61-Stahl, zeigt das mit der (Ti, M)(N, C)-Beschichtung beschichtete Schneidwerkzeug verglichen mit dem Schneidwerkzeug, das mit der (Al, Ti)N-Beschichtung beschichtet ist, jedoch eine schlechte Verschleißfestigkeit.
Die (Al, Ti)N-Beschichtung weist ebenfalls ein Problem auf. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, findet die (Al, Ti)N-Beschichtung seit kurzem als Beschichtung für Schneidwerkzeuge, die zum Schneiden von Stahlmaterialien mit großer Härte vorgesehen sind, und zur Verwendung bei Hochgeschwindigkeitsschneidvorgängen Beachtung. Es ist richtig, das ein Schneidwerkzeug, das mit einer (Al, Ti)N-Beschichtung beschichtet ist, eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als ein Schneidwerkzeug, das mit (Ti, M)(N, C) beschichtet ist, wenn es zum Schneiden von Stahlmaterialien mit großer Härte wie z.B. gehärtetem JIS SKD61-Stahl verwendet wird. Wenn das mit der (Al, Ti)N-Beschichtung beschichtete Schneidwerkzeug jedoch zum Schneiden von Stahlmaterialien mit einer geringen Härte verwendet wird, wie z.B. S50C-Kohlenstoffstahl, gibt es einige Fälle, bei denen das Schneidwerkzeug abhängig von den Schneidbedingungen verglichen mit dem mit der (Ti, M)(N, C)-Beschichtung beschichteten Schneidwerkzeug eine schlechte Verschleißfestigkeit aufweist.
Neben einem tertiären Verbundmaterial wie z.B. (Al, Ti)N wird auch die Verwendung eines quartären Verbundmaterials vorgeschlagen, um eine Beschichtung mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit zu bilden. Beispielsweise beschreiben die japanischen ungeprüften Patente mit den Veröffentlichungsnummern 3-120354, 10-18024 und 10-237628 und das japanische geprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 5-88309 eine (Al, Ti, V)N-Hartbeschichtung. Das mit der (Al, Ti, V)N-Hartbeschichtung beschichtete Schneidwerkzeug zeigt beim Schneiden von Stahlmaterialien mit einer geringen Härte wie z.B. eines JIS S50C-Kohlenstoffstahls eine hohe Verschleißfestigkeit. Die (Al, Ti, V)N-Beschichtung weist jedoch ein Problem dahingehend auf, dass sie eine schlechte Adhäsion an einem Basismaterial aufweist und sich daher leicht ablöst. Um dessen Adhäsion zu verbessern, ist zwischen der Beschichtung und dem Basismaterial eine TiN-Zwischenschicht ausgebildet, oder die Zusammensetzung von Al und V der Beschichtung wird entlang der Dickenrichtung nach und nach geändert. Diese Techniken verbessern die Adhäsion der Beschichtung jedoch nicht in einem ausreichenden Maß. Vielmehr zeigt das mit der (Al, Ti, V)N-Beschichtung beschichtete Schneidwerkzeug verglichen mit den Schneidwerkzeugen, die mit der (Al, Ti)N-Beschichtung beschichtet sind, beim Schneiden von Arbeitsmaterialien mit großer Härte, wie z.B. gehärtetem JIS SKD61-Stahl, eine schlechte Verschleißfestigkeit.
Die JP-A-10-018024 beschreibt ein beschichtetes Hartteil, das eine hervorragende Adhäsion an einem Substrat und eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Abplatzbeständigkeit aufweist. Auf der Oberfläche des Substrats ist eine Zwischenschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 3,0 μm aufgebracht, die (Ti_aM_bZr_c)C_xN_1-x enthält. M steht für mindestens eine Art von Element, das aus der Gruppe aus Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Al ausgewählt ist und deren Molverhältnisse genügen 0,3 ≤ a ≤ 0,8, 0,2 ≤ b ≤ 0,7, 0,012 ≤ c ≤ 0,4 und 0 ≤ x ≤ 1. Die Hartbeschichtungsschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 10 μm enthält (Ti_aM_b)C_xN_x-1. M steht für mindestens eine Art von Element, das aus der Gruppe aus Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Al ausgewählt ist und deren Molverhältnisse genügen 0,3 ≤ a ≤ 0,8, 0,2 ≤ b ≤ 0,7 und 0 ≤ x ≤ 1. Die JP-A-03-120354 beschreibt ein oberflächenbeschichtetes superhartes Teil für ein Schneidwerkzeug oder ein verschleißfestes Werkzeug. Eine Primärbeschichtungsschicht, die aus TiN besteht, ist direkt auf der Oberfläche eines Basismaterials, das aus einer gesinterten harten Legierung, usw., ausgebildet ist, für ein Schneidwerkzeug oder ein verschleißfestes Werkzeug durch ein Ionenplattierungsverfahren, usw., ausgebildet. Auf der Primärbeschichtung ist eine Sekundärbeschichtungsschicht ausgebildet, die aus Nitriden, Carbiden oder Carbonitriden von Ti, Al und V besteht. Vorzugsweise genügt die Menge an Al und V in der Sekundärbeschichtungsschicht den Bedingungen 1 ≤ Al ≤ 20, 1 ≤ V ≤ 20 und 5 ≤ Al + V ≤ 40. Ferner kann eine aus TiN bestehende Tertiärbeschichtungsschicht bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Teil mit einer Hartbeschichtung bereitzustellen, durch die eine hervorragende Verschleißfestigkeit erreicht wird.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein Teil mit einer Hartbeschichtung beschichtet und weist eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf. Die Hartbeschichtung umfasst eine Adhäsionsverstärkungsschicht, welche auf einer Oberfläche des Teils gebildet ist, und eine zweite Schicht, wobei die Adhäsionsverstärkungsschicht

a) eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1,0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1, oder
b) aus irgendeinem Metall in der Gruppe der 4A-, 5A- und 6A-Metalle besteht, oder
c) eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: Al_xTi_yV_z, wobei 0 ≤ x ≤ 0,75, 0 < y < 1,0 < z < 1, und x + y + z= 1, und die zweite Schicht auf der Adhäsionsverstärkungsschicht gebildet ist und eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v), wobei 0 ≤ p ≤ 0,75, 0,20 ≤ q ≤ 0,75, 0,1 ≤ r ≤ 0,75, p + q + r = 1,0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf eine Technik durchgeführt, um einem mit einer Hartbeschichtung beschichteten Teil eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu verleihen. Als Ergebnis dieser Untersuchungen haben die Erfinder gefunden, dass eine hervorragende Verschleißfestigkeit durch Bilden einer Adhäsionsverstärkungsschicht auf dem Teil als eine erste Schicht und dann durch weiteres Ausbilden einer zweiten Schicht darauf, welche die Zusammensetzung (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) aufweist, wobei 0 ≤ p ≤ 0,75, 0,20 ≤ q ≤ 0,75, 0,1 ≤ r ≤ 0,75, p + q + r = 1, 0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1, erhalten werden kann. Die Adhäsionsverstärkungsschicht zeigt in dem im Anhang Nr. 2 von JIS H 8690 definierten Ritztest eine Adhäsion von 60 N oder mehr. Im Gegensatz dazu zeigt die TiN-Schicht, die herkömmlich als Adhäsionsverstärkungsschicht verwendet worden ist, unter den gleichen Bedingungen eine Adhäsion von weniger als 60 N.
Die erste Schicht, die als Adhäsionsverstärkungsschicht verwendet wird, weist eine Zusammensetzung auf, die aus den folgenden Zusammensetzungen ausgewählt ist:

(1) (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1, 0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1,
(2) Metallen der Gruppen 4A, 5A und 6A wie z.B. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, und
(3) Al_xTi_yV_z, wobei 0 ≤ x ≤ 0,75, 0 < y < 1, 0 < z < 1, und x + y + z = 1.

Der Grund dafür, warum die Adhäsionsverstärkungsschicht, die eine der Zusammensetzungen (1) bis (3) aufweist, verglichen mit einer TiN-Schicht eine sehr gute Adhäsion aufweist, ist nicht vollständig klar. Es wird jedoch vermutet, dass der Grund dafür wie folgt ist. Die Adhäsionsverstärkungsschicht, die eine der Zusammensetzungen (1) bis (3) aufweist, weist verglichen mit einer TiN-Schicht eine hohe Zähigkeit auf und daher ist deren Vermögen zum Absorbieren einer Energie, die durch eine elastische und plastische Verformung erzeugt wird, höher als dasjenige einer TiN-Schicht. Es wird angenommen, dass das hohe Energieabsorptionsvermögen zu einer starken Adhäsion der Adhäsionsverstärkungsschicht beiträgt.
Als nächstes werden die jeweiligen Adhäsionsverstärkungsschichten mit den Zusammensetzungen (1) bis (3) beschrieben.

(1) (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1, 0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1

Der Grund dafür, warum der Wert a so definiert ist, dass er innerhalb des Bereichs von 0,25 bis 0,75 liegt, ist folgendermaßen. TiCN bildet eine kubische B1-Struktur (NaCl-Typ), in der Ti-Atome, bei denen es sich um Metallelemente handelt, und C-Atome oder N-Atome, bei denen es sich um Nichtmetallelemente handelt, abwechselnd in einem dreidimensionalen Zustand angeordnet sind. Wenn V- und Al-Atome in die Struktur von TiCN eingeführt werden, wird die Ti-Stelle durch Al und V ersetzt. Die resultierende zweite Schicht hat die Zusammensetzung (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v), wobei 0 ≤ p ≤ 0,75, 0,2 ≤ q ≤ 0,75, 0,10 ≤ r ≤ 0,75, mit der kubischen B1-Struktur. In diesem Fall ist der Atomradius von V und Al kleiner als derjenige von Ti und daher nimmt mit fortschreitender Zugabe von V und Al zu dem TiCN die Gitterkonstante von (Al, Ti, V)(N, C) ab. Andererseits wird bei der Bildung der ersten Schicht TiCN mit Al gemischt und umgesetzt und die resultierende erste Schicht hat die Zusammensetzung (Al_a, Ti_b)(N, C), die ebenfalls eine kubische B1-Struktur aufweist. Der Atomradius von Al ist kleiner als derjenige von Ti und daher nimmt mit fortschreitender Zugabe von Al zu dem TiCN die Gitterkonstante von (Al, Ti)(N, C) ab. Die Gitterkonstante der ersten Schicht wird mit der Gitterkonstante der zweiten Schicht im Wesentlichen identisch, und beide Schichten weisen die kubische B1-Struktur auf. Zwischen den beiden Schichten wird nur ein geringer Gitterbaufehler erzeugt. Die Belastung, die in der zweiten Schicht erzeugt wird, wird durch die erste Schicht vermindert und als Folge davon wird die Adhäsion der Beschichtung verstärkt. Wenn der Wert a im Bereich von 0,25 bis 0,75 liegt, weist die erste Schicht (Al, Ti)(N, C) selbst die größte Härte auf und es werden der höchste Verschleißfestigkeitswert und eine hervorragende Adhäsion erreicht. Wenn der Wert für a größer als 0,75 ist, ändert sich die Kristallstruktur von (Al_aTi_b)(N_cC_d) von einer kubischen Struktur (d.h. einer kubischen B1-Struktur) zu einer hexagonalen Struktur, die sich von der Struktur der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) unterscheidet. Die Adhäsion der ersten Schicht nimmt ab und darüber hinaus wird deren Härte stark beeinträchtigt. Ein bevorzugter Bereich des Werts a ist 0,40 bis 0,70 und mehr bevorzugt 0,56 bis 0,65, da eine stärkere Adhäsion und eine größere Härte erreicht werden können.
Der Wert c muss in den Bereich von 0,6 bis 1 fallen. Wenn der Wert c kleiner als 0,6 ist, weist die erste Schicht aus (Al_aTi_b)(N_cC_d) eine geringe Zähigkeit auf, und eine ausreichende Adhäsion kann nicht erreicht werden.

(2) Metalle der Gruppen 4A, 5A und 6A (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W)

Es wird angenommen, dass der Grund dafür, warum die erste Schicht als Adhäsionsverstärkungsschicht mit der Zusammensetzung (2) zu einer hervorragenden Verschleißfestigkeit beiträgt, folgendermaßen ist. Die erste Schicht, die aus irgendeinem Metall der Gruppe der 4A, 5A- und 6A-Metalle besteht, dient zur Verminderung der Belastung, die in der zweiten Schicht erzeugt worden ist, welche die Zusammensetzung (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) aufweist, wenn diese zwischen dem Teil und der zweiten Schicht gebildet wird. Aufgrund der verminderten Belastung wird eine hervorragende Verschleißfestigkeit erreicht.
Die Metalle der Gruppen 4A, 5A und 6A, die zur Bildung der ersten Schicht verwendet werden, weisen einen hohen Schmelzpunkt von 1600°C auf. Dieser Wert ist höher als der Wert anderer Metalle. Wenn ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet wird, wird in der ersten Schicht während ihrer Bildung ein verschmolzenes Agglomerat gebildet und die resultierende erste Schicht weist keine glatte und flache Oberfläche auf. Im Gegensatz dazu kann dann, wenn ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie dasjenige in der vorliegenden Erfindung als Verdampfungsquelle zur Bildung der ersten Schicht verwendet wird, ein verschmolzenes Agglomerat nur schwer erzeugt werden. Die resultierende erste Schicht weist eine flache und glatte Oberfläche sowie eine starke Adhäsion auf.

(3) Al_xTi_yV_z, wobei 0 ≤ x ≤ 0,75, 0 < y < 1, 0 < z < 1, und x + y + z = 1

Die Bildung der ersten Schicht mit einer Zusammensetzung von Al_xTi_yV_z zwischen dem Teil und der zweiten Schicht aus (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) trägt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit bei. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die erste Schicht die Adhäsion der Hartbeschich tung an dem Teil verstärkt. Der Grund dafür, warum die Bildung der ersten Schicht zur Verstärkung der Adhäsion effektiv ist, ist folgendermaßen: a) Die Belastung, die in der zweiten Schicht erzeugt wird, wird vermindert; b) die AlTiV-Legierung oder die TiV-Legierung (nachstehend einfach als (Al)TiV-Legierung bezeichnet), die zur Bildung der ersten Schicht verwendet wird, wirkt als Keim zur Bildung der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) und als Folge davon wird die Affinität zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht erhöht, und c) eine Diffusion wird an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht mit der (Al)TiV-Legierung und der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) erzeugt.
Um eine starke Adhäsion zu erreichen, ist das Zusammensetzungsverhältnis der ersten Schicht vorzugsweise mit demjenigen der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) identisch. Zu diesem Zweck muss der Wert x in der Zusammensetzung Al_xTi_yV_Z im Bereich von 0 bis 0,75, vorzugsweise von 0 oder 0,25 bis 0,75, mehr bevorzugt von 0,30 bis 0,70 und insbesondere von 0,40 bis 0,60 liegen.
Als nächstes wird die zweite Schicht beschrieben.
Die zweite Schicht muss die Zusammensetzung (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) aufweisen, wobei 0≤ p ≤ 0,75, 0,20 ≤ q ≤ 0,75, 0,10 ≤ r ≤ 0,75, p + q + r = 1, 0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1.
Der Grund dafür, warum die zweite Schicht die vorstehend definierte Zusammensetzung aufweisen muss, ist wie folgt. Wie es aus den später angegebenen Beispielen bekannt ist, weist die zweite Schicht eine große Härte auf, wenn die Werte von p, q, r, u bzw. v in die vorstehend angegebenen Bereiche fallen. Als Folge davon wird eine hervorragende Verschleißfestigkeit erreicht. Wenn darüber hinaus die zweite Schicht unter Verwendung von V gebildet wird, ist V dahingehend effektiv, dass es das Gleitvermögen und die Adhäsionsfestigkeit an Arbeitsmaterialien auf ein ausreichendes Niveau bringt. Die Eigenschaften der zweiten Schicht werden beträchtlich verbessert, wenn der Wert q von (Ti_qV_r)(N_cC_v) so eingestellt wird, dass er im Bereich von 0,25 bis 0,75 liegt, oder wenn der Wert p von (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) so eingestellt wird, dass er im Bereich von 0,20 bis 0,75 liegt. Es ist auch bevorzugt, dass der Wert von p/q so eingestellt wird, dass er im Bereich von 1,0 bis 1,6 liegt, da dann eine größere Härte erhalten wird. Der Wert u muss in den Bereich von 0,6 bis 1 fallen. Wenn der Wert u kleiner als 0,6 ist, wird die Zähigkeit der zweiten Schicht vermindert, und demgemäß kann keine ausreichende Adhäsion erreicht werden.
Wenn die erste Schicht als Adhäsionsverstärkungsschicht die Zusammensetzung (1) (Al_a-Ti_b)(N_cC_d) aufweist, ist es bevorzugt, eine Zwischenschicht mit einer Zusammensetzung aus irgendeinem Metall der Gruppe 4A-, 5A- und 6A-Metalle oder Al_xTi_yV_Z (wobei 0 ≤ x ≤ 0,75, 0 < y < 1, 0 < z < 1, und x + y + z = 1) zu bilden. Als Folge der Bildung der Zwischenschicht kann eine höhere Adhäsion erreicht werden.
Die Gründe dafür, warum die Bildung der Zwischenschicht aus irgendeinem Metall der Gruppe 4A-, 5A- und 6A-Metalle zur Verstärkung der Adhäsion der Beschichtung effektiv ist, sind wie folgt: i) Diese Metalle weisen einen Schmelzpunkt von mehr als 1600°C auf. Wenn die Zwischenschicht aus Metallen mit einem niedrigen Schmelzpunkt hergestellt ist, wird während der Bildung der Zwischenschicht ein verschmolzenes Agglomerat erzeugt und die resultierende Zwischenschicht weist keine glatte und flache Oberfläche auf. Im Gegensatz dazu kann dann, wenn die Zwischenschicht unter Verwendung von Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt als Verdampfungsquelle gebildet wird, ein verschmolzenes Agglomerat nur schwer erzeugt werden. Die resultierende Zwischenschicht weist eine flache und glatte Oberfläche auf; ii) diese Metalle sind aktive Metalle und weisen eine starke Affinität zu der ersten Schicht aus (Al, Ti)N und der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) auf; und iii) diese Metalle weisen eine niedrigere Härte als diejenigen der ersten Schicht aus (Al, Ti)N und der zweiten Schicht aus (Al, Ti, V)(N, C) auf und daher haben sie einen Effekt im Hinblick auf die Verminderung der Belastung, die in der ersten und der zweiten Schicht erzeugt wird.
Die Gründe dafür, warum die Bildung der Zwischenschicht aus Al_xTi_yV_Z zwischen der ersten und der zweiten Schicht bezüglich der Verstärkung der Adhäsion der Beschichtung effektiv ist, sind wie folgt: i) Die Belastung, die in der ersten und der zweiten Schicht erzeugt wird, wird vermindert; ii) die AlTiV-Legierung der Zwischenschicht wirkt als Keim zur Bildung der zweiten Schicht mit der Zusammensetzung (Al, Ti, V)(N, C) und die Affinität zwischen diesen wird erhöht; und iii) eine Diffusionsschicht wird an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und der zweiten Schicht gebildet.
Um eine starke Adhäsion zu erhalten, liegt das Zusammensetzungsverhältnis der Zwischenschicht vorzugsweise nahe an dem von der zweiten Schicht (Al, Ti, V)(N, C). Zu diesem Zweck wird das Verhältnis zwischen Al, Ti, V, der Zwischenschicht vorzugsweise so eingestellt, dass es in den gleichen Bereich wie das Verhältnis der zweiten Schicht fällt. Der Wert z (d.h. die V-Menge) wird so eingestellt, dass sie in den Bereich von 0 bis 0,5 fällt. Der Wert z kann Null sein, da V teuer ist und auch ohne V eine ausreichende Adhäsion erreicht wird.
Die Dicke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 500 nm oder weniger. Die Härte der Zwischenschicht ist geringer als die Härte der zweiten Schicht. Wenn daher die Dicke der Zwischenschicht zu groß ist, kann die Zwischenschicht einer Reibung, die beim Schneidvorgang und dergleichen erzeugt wird, nicht widerstehen, und sich in manchen Fällen ablösen.
Wenn die erste Schicht die Zusammensetzung (1) von (Al_aTi_b)(N_cC_d) aufweist, beträgt die Untergrenze der Gesamtdicke der ersten und der zweiten Schicht 0,8 μm. Wenn die Dicke zu gering ist, wird die Verschleißfestigkeit schlecht. Die Obergrenze der Dicke beträgt vorzugsweise 50 μm. Wenn die Dicke zu groß ist, bricht die Beschichtung leicht und weist eine schlechte Festigkeit auf. Die bevorzugte Dicke der ersten Schicht beträgt 0,01 μm oder mehr, um eine ausreichende Adhäsion zu erreichen, und eine Dicke von 0,4 μm ist bevorzugt, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erhalten. Die bevorzugte Dicke der zweiten Schicht beträgt 0,4 μm oder mehr, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erhalten.
Wenn die erste Schicht eine Zusammensetzung von (2) von Metallen der Gruppen 4A, 5A und 6A oder von (3) Al_xTi_yV_z aufweist, beträgt die bevorzugte Untergrenze der Dicke der ersten Schicht 5 nm. Wenn die Dicke zu gering ist, wirkt die erste Schicht nicht in ausreichendem Maß als Adhäsionsverstärkungsschicht. Die Obergrenze der Dicke beträgt 500 nm. Die erste Schicht mit der Zusammensetzung (2) oder (3) weist eine geringere Härte auf als die zweite Schicht. Wenn die Dicke der ersten Schicht zu groß ist, kann die erste Schicht einer Reibung, die beim Schneidvorgang und dergleichen erzeugt wird, nicht widerstehen, und sich in manchen Fällen ablösen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann dann, wenn die Dicke der Hartbeschichtung zu gering ist, keine ausreichende Verschleißfestigkeit erreicht werden. Daher beträgt die bevorzugte Untergrenze der Gesamtdicke der ersten und der zweiten Schicht 0,8 μm. Wenn die Dicke der Hartbeschichtung zu groß ist, reißt die Hartbeschichtung leicht und verliert ihre Festigkeit. Daher beträgt die bevorzugte Obergrenze der Gesamtdicke der ersten und zweiten Schicht 20 μm.
Das empfohlene Verfahren zur Bildung der Hartbeschichtung auf dem Teil ist eine Lichtbogenionenplattierung. Das Lichtbogenionenplattierverfahren verstärkt die Adhäsion der Hartbeschichtung an dem Teil durch Erhöhung der Ionisierungseffizienz und -reaktivität, oder durch Anlegen einer Vorspannung an das Teil. Darüber hinaus wird die Verwendung eines Legierungstargets mit der gleichen Zusammensetzung, wie sie die Hartbeschichtung aufweist, als Kathode empfohlen. Durch eine derartige Verwendung des Legierungstargets kann die Zusammensetzung der Hartbeschichtung einfach gesteuert werden.
Die Art des mit der Hartbeschichtung zu beschichtenden Teils ist nicht speziell beschränkt. Der Effekt der vorliegenden Erfindung ist jedoch ausgeprägt, wenn das Teil eine große Härte aufweist, und insbesondere dann, wenn es sich um ein Schneidwerkzeug handelt. In diesem Fall arbeitet das Schneidwerkzeug dann, wenn die Dicke der Hartbeschichtung zu groß ist, nicht gut und die Schneidkante kann abplatzen. Um solche Probleme zu vermeiden, beträgt die Dicke der Hartbeschichtung vorzugsweise 20 μm oder weniger. Das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Schneidwerkzeug weist eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf, da die Adhäsion der Hartbeschichtung an dem Teil hervorragend ist.
Es gibt auch andere Hartteile, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, wie z.B. Carbide, Schnellarbeitsstahlwerkzeuge, Prägeplatten bzw. Düsen, Cermets, Keramiken und dergleichen. Wie bei dem Schneidwerkzeug weisen die Teile, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf, da die Adhäsion der Hartbeschichtung an den Teilen hervorragend ist.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mittels Beispielen detailliert beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass für den Fachmann verschiedene Änderungen und Modifizierungen offensichtlich sind. Daher sollten diese Änderungen und Modifizierungen, falls diese nicht vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweichen, als zur Erfindung gehörig betrachtet werden.
Beispiel 1
Ein Carbideinsatz wurde in eine Lichtbogenentladungsionenplattiervorrichtung eingebracht und die Luft in der Kammer der Vorrichtung wurde evakuiert, und die Kammer wurde mit einer Heizeinrichtung 60 min auf 400°C erhitzt. Als nächstes wurde an den Carbideinsatz eine Vorspannung von -150 V angelegt, während N₂-Gas mit hoher Reinheit oder ein N₂/CH₄-Mischgas in die Kammer bis zu einem Druck von 7 × 10^–3 Torr eingeführt wurde. Dann wurde unter Verwendung einer AlTi-Kathode mit verschiedenen Zusammensetzungen eine Lichtbogenentladung durchgeführt. Als Ergebnis wurde eine erste Schicht mit der in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Zusammensetzung gebildet. Dann wurde eine weitere Lichtbogenentladung unter Verwendung einer AlTiV-Kathode mit verschiedenen Zusammensetzungen durchgeführt und eine zweite Schicht mit der in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Zusammensetzung wurde auf der ersten Schicht gebildet. Für einige Einsätze wurde eine Zwischenschicht aus irgendeinem Metall in der Gruppe der 4A-, 5A- und 6A-Metalle oder aus (Al)TiV zwischen der ersten und der zweiten Schicht gebildet.
Die Härte der jeweiligen Einsätze wurde mit einem Mikro-Vickershärtetestgerät bei einer Belastung von 0,98 N gemessen. Die Messung wurde für jeden Einsatz fünfmal durchgeführt, wobei ein Durchschnittswert erhalten wurde. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt.
Die Einsätze Nr. 1 bis 7 und 12 bis 19 in der Tabelle 1, die Einsätze Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 2 und die Einsätze Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 3 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Einsätze Nr. 8 bis 11 in der Tabelle 1, die Einsätze Nr. 6 bis 10 in der Tabelle 2 und die Einsätze Nr. 7 bis 11 in der Tabelle 3 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Einsätze Nr. 20 und 21 in der Tabelle 1, die Einsätze Nr. 11 und 12 in der Tabelle 2 und die Einsätze Nr. 12 und 13 in der Tabelle 3 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Die Einsätze Nr. 1 bis 7 und 12 bis 19, die den erfindungsgemäßen Beispielen in der Tabelle 1 entsprachen, wiesen eine große Härte auf. Die Einsätze Nr. 8 bis 11 in der Tabelle 1, die Vergleichsbeispielen entsprachen, bei denen die Zusammensetzung der zweiten Schicht nicht der Definition der vorliegenden Erfindung genügte, wiesen eine geringe Härte auf. Der Einsatz Nr. 11 entsprach dem Vergleichsbeispiel in der Tabelle 1, bei dem die Dicke der Hartbeschichtung zu groß war. Die Hartbeschichtung des Einsatzes Nr. 11 in der Tabelle 1 war gerissen und deren Härte konnte nicht gemessen werden.
Die Einsätze Nr. 20 und 21, die den Beispielen des Standes der Technik in der Tabelle 1 entsprachen, wiesen eine geringe Härte auf. Die Hartbeschichtung des Einsatzes Nr. 21 in der Tabelle 1 war gerissen und deren Härte konnte nicht gemessen werden.
Die gleichen Ergebnisse wie bei den Einsätzen in der Tabelle 1 konnten bei dem Test der Einsätze in den Tabellen 2 und 3 erhalten werden.
Beispiel 2
Eine Hartbeschichtung wurde auf einem flachen Carbidsubstrat durch Wiederholen der Schritte von Beispiel 1 ausgebildet. Die Dicke und die Zusammensetzung der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 4 bis 9 gezeigt. Die Zusammensetzung der Hartbeschichtung wurde mittels Elektronensonden-Röntgenmikroanalyse und Auger-Elektronenspektroskopie bestimmt.
Das resultierende Substrat wurde einem Ritztest unterworfen, um die Adhäsion der Beschichtungsschichten des Substrats zu bewerten. Insbesondere wurde das Substrat geritzt und die Änderung des AE-Signals (akustisches Emissionssignal) wurde festgestellt, und nach dem Test wurde die Oberfläche des Substrats mit einem optischen Mikroskop untersucht. Die Belastung, die beim Beschädigen der Beschichtung ausgeübt worden ist, wurde als Adhäsion der Beschichtung genommen. Der Ritztest wurde für jedes Substrat dreimal durchgeführt, wobei ein Durchschnittswert erhalten wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 4 bis 9 gezeigt.
Die Substrate Nr. 1 bis 14 und 21 bis 25 in der Tabelle 4, die Substrate Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 5, die Substrate Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 6, die Substrate Nr. 1 bis 7 und 12 bis 19 in der Tabelle 7, die Substrate Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 8 und die Substrate Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 9 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Substrate Nr. 15 bis 20 und 26 in der Tabelle 4, die Substrate Nr. 9 bis 11 in der Tabelle 5, die Substrate Nr. 14 bis 16 in der Tabelle 6, die Substrate Nr. 8 bis 11 und 20, 21 in der Tabelle 7, die Substrate Nr. 6 bis 10 in der Tabelle 8 und die Substrate Nr. 7 bis 12 in der Tabelle 9 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Substrate Nr. 27 und 28 in der Tabelle 4, die Substrate Nr. 12 und 13 in der Tabelle 5, die Substrate Nr. 17 und 18 in der Tabelle 6, die Substrate Nr. 22 bis 24 in der Tabelle 7, die Substrate Nr. 11 bis 13 in der Tabelle 8 und die Substrate Nr. 13 bis 15 in der Tabelle 9 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Die Substrate Nr. 1 bis 14, die den erfindungsgemäßen Beispielen in der Tabelle 4 entsprachen, wiesen eine hohe kritische Belastung auf und die Adhäsion ihrer Hartbeschichtungen an den Substraten war hervorragend. Insbesondere wiesen die Hartbeschichtungen der Substrate Nr. 21 bis 25 eine ganz hervorragende Adhäsion auf, da eine erfindungsgemäße Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht ausgebildet war.
Die Substrate Nr. 8 bis 10 in der Tabelle 7 entsprachen Vergleichsbeispielen, bei denen die Zusammensetzung der ersten Schicht nicht der Definition der vorliegenden Erfindung genügte, und die Adhäsion ihrer Hartbeschichtungen war schlecht. Das Substrat Nr. 11 in der Tabelle 7 entsprach dem Vergleichsbeispiel, bei dem die Dicke der Hartbeschichtung zu groß war, und die Adhäsion der Hartbeschichtung war sehr schlecht. Das Substrat Nr. 20 in der Tabelle 7 entsprach dem Vergleichsbeispiel, bei dem die Zwischenschicht übermäßig große Mengen an Al enthielt. Das Substrat Nr. 21 in der Tabelle 7 entsprach dem Vergleichsbei spiel, bei dem die Dicke der Zwischenschicht zu groß war. Die Beschichtungsschichten der Substrate Nr. 20 und 21 in der Tabelle 7 wiesen eine schlechte Adhäsion an den Substraten auf.
Die Substrate Nr. 22 und 23 in der Tabelle 7 entsprachen Beispielen des Standes der Technik, bei denen keine erste Schicht ausgebildet war. Das Substrat Nr. 24 in der Tabelle 7 entsprach einem Beispiel des Standes der Technik, bei dem die erste Schicht aus TiN ausgebildet war. Die Adhäsion der Hartbeschichtungen der Substrate Nr. 22 bis 24 in der Tabelle 7 war verglichen mit der Adhäsion der Substrate, die in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestellt worden sind, sehr schlecht.
Die gleichen Ergebnisse wie bei den Substraten in der Tabelle 4 konnten bei dem Test der Substrate in den Tabellen 5 bis 9 erhalten werden.
Beispiel 3
Auf der Oberfläche einer Hartkugel mit Hochglanz-Finish und einem Durchmesser von 10 mm wurde durch Wiederholen der Schritte von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung und Dicke der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 10 bis 15 gezeigt. Die resultierende Hartkugel wurde einem Kugel-auf-Scheibe-Test unterworfen, um dessen Verschleißfestigkeit zu bewerten. Der Test wurde unter Verwendung einer aus S55C hergestellten Scheibe unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Belastung 10 N, Gleitgeschwindigkeit 1 m/s, Temperatur 500°C und Gleitdistanz 500 m. In dem Test wurden das Ausmaß des Verschleißes und der Reibungskoeffizient der Kugel gemessen. Das Ausmaß des Verschleißes war die Breite einer Verschleißbahn, die auf der Oberfläche der Kugel während des Gleittests erzeugt worden ist. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 10 bis 15 gezeigt.
Die Kugeln Nr. 1 bis 14 und 21 bis 25 in der Tabelle 10, die Kugeln Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 11, die Kugeln Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 12, die Kugeln Nr. 1 bis 7 und 16 bis 23 in der Tabelle 13, die Kugeln Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 14 und die Kugeln Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 15 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Kugeln Nr. 15 bis 20 und 26 in der Tabelle 10, die Kugeln Nr. 9 bis 15 in der Tabelle 11, die Kugeln Nr. 14 bis 20 in der Tabelle 12, die Kugeln Nr. 8 bis 15 und 24, 25 in der Tabelle 13, die Kugeln Nr. 6 bis 15 in der Tabelle 14 und die Kugeln Nr. 7 bis 17 in der Tabelle 15 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Kugeln Nr. 27 bis 29 in der Tabelle 10, die Kugeln Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 11, die Kugeln Nr. 21 bis 23 in der Tabelle 12, die Kugeln Nr. 26 bis 28 in der Tabelle 13, die Kugeln Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 14 und die Kugeln Nr. 18 bis 20 in der Tabelle 15 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Das Ausmaß des Verschleißes der Kugeln, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, war verglichen mit dem der Kugeln der Vergleichsbeispiele und der Beispiele des Standes der Technik gering. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Adhäsion der Hartbeschichtung der Kugeln, die in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestellt worden sind, hervorragend war. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Kugeln eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufwiesen.
Beispiel 4
Auf einem aus Carbid hergestellten Kugelkopf-Schaftfräser (Radius: 5 mm R) wurde mit den Schritten von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung und Dicke der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 16 bis 21 gezeigt. Der resultierende Kugelkopf-Schaftfräser wurde einem Schneidtest unterworfen. Der Schneidtest wurde unter Verwendung von S55C als Arbeitsmaterial unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Schneidgeschwindigkeit 98 m/min, Vorschubgeschwindigkeit 0,05 mm/Zahn, Schnitttiefe 0,5 mm bei Pick-Vorschub („pick feed") und Schnitttiefe in der axialen Richtung von 4,0 mm. Das Material wurde unter einem Luftstrom gleichläufig geschnitten. Wenn die Schnittlänge 50 m erreicht hatte, wurde der Verschleiß an der Ecke und an der Grenzfläche der Kanten des Schaftfräsers gemessen. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 16 bis 21 gezeigt.
Die Schaftfräser Nr. 1 bis 11 und 18 bis 22 in der Tabelle 16, die Schaftfräser Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 17, die Schaftfräser Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 18, die Schaftfräser Nr. 1 bis 7 und 16 bis 23 in der Tabelle 19, die Schaftfräser Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 20 und die Schaftfräser Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 21 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Schaftfräser Nr. 12 bis 17 und 23 in der Tabelle 16, die Schaftfräser Nr. 9 bis 15 in der Tabelle 17, die Schaftfräser Nr. 14 bis 20 in der Tabelle 18, die Schaftfräser Nr. 8 bis 15 und 24, 25 in der Tabelle 19, die Schaftfräser Nr. 6 bis 15 in der Tabelle 20 und die Schaftfräser Nr. 7 bis 17 in der Tabelle 21 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Schaftfräser Nr. 24 bis 26 in der Tabelle 16, die Schaftfräser Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 17, die Schaftfräser Nr. 21 bis 23 in der Tabelle 18, die Schaftfräser Nr. 26 bis 28 in der Tabelle 19, die Schaftfräser Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 20 und die Schaftfräser Nr. 18 bis 20 in der Tabelle 21 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Der Verschleiß der Schaftfräser, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, war an der Ecke und der Grenzfläche der Kanten verglichen mit dem Verschleiß der Schaftfräser der Vergleichsbeispiele und der Beispiele des Standes der Technik gering. Dieses Ergebnis zeigt, das die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Schaftfräser eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufwiesen.
Beispiel 5
Auf der gleichen Art von aus Carbid hergestelltem Kugelkopf-Schaftfräser wie im Beispiel 4 (Radius: 5 mm R) wurde mit den Schritten von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung und Dicke der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 22 und 23 gezeigt. Der resultierende Kugelkopf-Schaftfräser wurde einem Schneidtest unter Verwendung von JIS SKD61 (Härte: HRC52) als Arbeitsmaterial unter den folgenden Bedingungen unterworfen: Schneidgeschwindigkeit 308 m/min, Vorschub 0,05 mm/Zahn, Schnitttiefe 0,5 mm bei Pick-Vorschub („pick feed") und Schnitttiefe in der axialen Richtung von 4,0 mm. Das Material wurde unter einem Luftstrom gleichläufig geschnitten. Wenn die Schnittlänge 100 m erreicht hatte, wurde der Verschleiß an der Ecke und an der Grenzfläche der Kanten des Schaftfräsers gemessen. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 22 und 23 gezeigt.
Die Schaftfräser Nr. 1 bis 4 in der Tabelle 22 und die Schaftfräser Nr. 1 und 2 in der Tabelle 23 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen. Die Schaftfräser Nr. 5 und 6 in der Tabelle 22 und die Schaftfräser Nr. 3 und 4 in der Tabelle 23 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Die Schaftfräser, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, wiesen eine Hartbeschichtung mit einer ersten Schicht aus (Al, Ti)N und einer zweiten Schicht aus (Ti, V)N oder (Al, Ti, V)N auf, die auf der ersten Schicht ausgebildet war, sowie eine Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht als bevorzugte Ausführungsform. Die so strukturierten Schaftfräser, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, wiesen selbst beim Schneiden eines harten Arbeitsmaterials wie JIS SKD61 eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf.
Beispiel 6
Auf der Oberfläche eines JIS-Standard-Bohrers mit geradem Schaft, der aus Schnellarbeitsstahl hergestellt worden ist (Außendurchmesser: 6,0 mm), wurde durch Wiederholen der Schritte von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung und Dicke der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 24 bis 29 gezeigt. Der resultierende Bohrer mit geradem Schaft wurde einem Schneidtest unter Verwendung von S50C als zu schneidendem Arbeitsmaterial unter den folgenden Bedingungen unterworfen: Schneidgeschwindigkeit 30 m/min, Vorschub 0,18 mm/Umdrehung und Emulsionsschmiermittel. Das Arbeitsmaterial wurde mit dem Bohrer gebohrt, um Löcher mit einer Tiefe von 16 mm auszubilden. Das Bohren wurde fortgesetzt, bis der Bohrer verschlissen war und die Anzahl der Löcher wurde gezählt. Der Test wurde pro Material dreimal durchgeführt, wobei der Durchschnitt der Anzahl der Löcher erhalten wurde. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 24 bis 29 gezeigt.
Die Bohrer Nr. 1 bis 11 und 17 bis 21 in der Tabelle 24, die Bohrer Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 25, die Bohrer Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 26, die Bohrer Nr. 1 bis 7 und 16 bis 23 in der Tabelle 27, die Bohrer Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 28 und die Bohrer Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 29 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Bohrer Nr. 12 bis 16 und 22 in der Tabelle 24, die Bohrer Nr. 9 bis 15 in der Tabelle 25, die Bohrer Nr. 14 bis 20 in der Tabelle 26, die Bohrer Nr. 8 bis 15 und 24, 25 in der Tabelle 27, die Bohrer Nr. 6 bis 15 in der Tabelle 28 und die Bohrer Nr. 7 bis 17 in der Tabelle 29 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Bohrer Nr. 23 bis 26 in der Tabelle 24, die Bohrer Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 25, die Bohrer Nr. 21 bis 23 in der Tabelle 26, die Bohrer Nr. 26 bis 28 in der Tabelle 27, die Bohrer Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 28 und die Bohrer Nr. 18 bis 20 in der Tabelle 29 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Die Bohrer, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, wiesen verglichen mit den Bohrern der Vergleichsbeispiele und der Beispiele des Standes der Technik eine viel längere Werkzeuglebensdauer auf. D.h., im Fall der Verwendung von Bohrern, die in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestellt worden sind, wurde verglichen mit den Bohrern, die in den Vergleichsbeispielen und den Beispielen des Standes der Technik hergestellt worden sind, eine größere Anzahl von Löchern erstellt. Diese Testergebnisse zeigen, dass die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Bohrer eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Adhäsion aufwiesen.
Beispiel 7
Auf einem Fräseinsatz, der aus einem Cermet auf Kohlenstoffnitrid-Titanbasis (SDKN 42, JIS P 10) hergestellt worden ist, wurde durch Wiederholen der Schritte von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung, usw., der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 30 bis 35 gezeigt. Der resultierende Fräseinsatz wurde einem Schneidtest unter Verwendung von S50C als Arbeitsmaterial, das in einem Trockenverfahren geschnitten wurde, unter den folgenden Bedingungen unterworfen: Schneidgeschwindigkeit 200 m/min, Vorschub 0,15 mm/Zahn und Schnitttiefe 2,0 mm. Wenn die Schnittlänge 50 m erreicht hatte, wurde der Flankenverschleiß gemessen. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 30 bis 35 gezeigt.
Die Einsätze Nr. 1 bis 11 und 17 bis 21 in der Tabelle 30, die Einsätze Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 31, die Einsätze Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 32, die Einsätze Nr. 1 bis 7 und 16 bis 23 in der Tabelle 33, die Einsätze Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 34 und die Einsätze Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 35 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Einsätze Nr. 12 bis 16 und 22 in der Tabelle 30, die Einsätze Nr. 9 bis 15 in der Tabelle 31, die Einsätze Nr. 14 bis 20 in der Tabelle 32, die Einsätze Nr. 8 bis 15 und 24, 25 in der Tabelle 33, die Einsätze Nr. 6 bis 15 in der Tabelle 34 und die Einsätze Nr. 7 bis 17 in der Tabelle 35 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Einsätze Nr. 23 bis 26 in der Tabelle 30, die Einsätze Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 31, die Einsätze Nr. 21 bis 23 in der Tabelle 32, die Einsätze Nr. 26 bis 28 in der Tabelle 33, die Einsätze Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 34 und die Einsätze Nr. 18 bis 20 in der Tabelle 35 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Der Flankenverschleiß der Einsätze, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, war verglichen mit dem Flankenverschleiß der Einsätze der Vergleichsbeispiele und der Beispiele des Standes der Technik sehr gering. Diese Testergebnisse zeigen, dass die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Einsätze eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine lange Werkzeuglebensdauer aufwiesen.
Beispiel 8
Auf einem Dreheinsatz, der aus einer Al₂O₃-TiC-Keramik hergestellt worden ist, wurde gemäß den Schritten von Beispiel 1 eine Hartbeschichtung ausgebildet. Die Zusammensetzung und Dicke der Hartbeschichtung sind in den Tabellen 36 bis 41 gezeigt. Der resultierende Dreheinsatz wurde einem Schneidtest durch kontinuierliches Drehen in einem Trockenverfahren unter Verwendung von JIS FCD 45 als Arbeitsmaterial unter den folgenden Schneidbedingungen unterworfen: Schneidgeschwindigkeit 300 m/min, Vorschub 0,15 mm/Umdrehung und Schnitttiefe 0,3 mm. Wenn die Schnittlänge 50 m erreicht hatte, wurde der Flankenverschleiß gemessen. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 36 bis 41 gezeigt.
Die Einsätze Nr. 1 bis 11 und 17 bis 21 in der Tabelle 36, die Einsätze Nr. 1 bis 8 in der Tabelle 37, die Einsätze Nr. 1 bis 13 in der Tabelle 38, die Einsätze Nr. 1 bis 7 und 16 bis 23 in der Tabelle 39, die Einsätze Nr. 1 bis 5 in der Tabelle 40 und die Einsätze Nr. 1 bis 6 in der Tabelle 41 entsprechen erfindungsgemäßen Beispielen.
Die Einsätze Nr. 12 bis 16 und 22 in der Tabelle 36, die Einsätze Nr. 9 bis 15 in der Tabelle 37, die Einsätze Nr. 14 bis 20 in der Tabelle 38, die Einsätze Nr. 8 bis 15 und 24, 25 in der Tabelle 39, die Einsätze Nr. 6 bis 15 in der Tabelle 40 und die Einsätze Nr. 7 bis 17 in der Tabelle 41 entsprechen Vergleichsbeispielen.
Die Einsätze Nr. 23 bis 26 in der Tabelle 36, die Einsätze Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 37, die Einsätze Nr. 21 bis 23 in der Tabelle 38, die Einsätze Nr. 26 bis 28 in der Tabelle 39, die Einsätze Nr. 16 bis 18 in der Tabelle 40 und die Einsätze Nr. 18 bis 20 in der Tabelle 41 entsprechen Beispielen des Standes der Technik.
Der Flankenverschleiß der Einsätze, die den erfindungsgemäßen Beispielen entsprachen, war verglichen mit dem Flankenverschleiß der Einsätze der Vergleichsbeispiele und der Beispiele des Standes der Technik sehr gering. Diese Testergebnisse zeigen, dass die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Einsätze eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine lange Werkzeuglebensdauer aufwiesen.
Erfindungsgemäß weist die Hartbeschichtung eine starke Adhäsion an dem Teil auf und das so gebildete Teil weist eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf, während andere hervorragende Eigenschaften beibehalten werden, die herkömmlich erreicht worden sind. Die Vorteile einer hervorragenden Verschleißfestigkeit und einer starken Adhäsion einer Hartbeschichtung sind besonders ausgeprägt, wenn die vorliegende Erfindung auf ein Schneidwerkzeug angewandt wird. Das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Schneidwerkzeug zeigt eine hervorragende Verschleißfestigkeit in beiden Fällen, wenn es zum Schneiden von Arbeitsmaterialien mit großer Härte und mit geringer Härte verwendet wird. Insbesondere zeigt das Schneidwerkzeug beim Schneiden von Arbeitsmaterialien mit geringer Härte eine höhere Verschleißfestigkeit als Schneidwerkzeuge des Standes der Technik. Daher sind die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Schneidwerkzeuge zum Schneiden verschiedener Arbeitsmaterialien mit einer großen bis geringen Härte anwendbar.
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 8
Tabelle 9
Tabelle 10
Tabelle 11
Tabelle 12
Tabelle 14
Tabelle 15
Tabelle 16
Tabelle 17
Tabelle 18
Tabelle 20
Tabelle 21
Tabelle 22
Tabelle 23
Tabelle 24
Tabelle 25
Tabelle 26
Tabelle 28
Tabelle 29
Tabelle 30
Tabelle 31
Tabelle 32
Tabelle 34
Tabelle 35
Tabelle 36
Tabelle 37
Tabelle 38
Tabelle 40
Tabelle 41

Claims

Teil, welches mit einer Hartbeschichtung beschichtet ist und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweist, wobei die Hartbeschichtung umfaßt: eine Adhäsionsverstärkungsschicht, welche auf einer Oberfläche des Teils gebildet ist, und eine zweite Schicht, wobei die Adhäsionsverstärkungsschicht a) eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1,0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1, oder b) aus irgendeinem Metall in der Gruppe der 4A-, 5A- und 6A-Metalle besteht, oder c) eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: Al_xTi_yV_Z wobei 0≤ x ≤ 0,75, 0< y < 1,0 < z < 1, und x + y + z = 1, und die zweite Schicht auf der Adhäsionsverstärkungsschicht gebildet ist und eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v) wobei 0 ≤ p ≤ 0,75, 0,20 ≤ q ≤ 0,75, 0,10 ≤ r ≤ 0,75, p + q + r = 1, 0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Ti_qV_r)(N_uC_v) wobei 0,25 ≤ q ≤ 0,75, q + r = 1, 0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: (Al_pTi_qV_r)(N_uC_v), wobei 0,20 ≤ p ≤ 0,75, 0,20 ≤ q ≤ 0,75, 0,1 ≤ r ≤ 0,5, p + q + r = 1, 0,6 ≤ u ≤ 1, und u + v = 1.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Adhäsionsverstärkungsschicht eine Zusammensetzung aufweist, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: Al_xTi_yV_z wobei 0,20 ≤ x ≤ 0,75, 0,20 ≤ y ≤ 0,75, 0,1 ≤ z ≤ 0,5, und x + y + z = 1.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches eine Zwischenschicht zwischen der Adhäsionsverstärkungsschicht mit einer Zusammensetzung, dargestellt durch die Formel (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1, 0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1, und der zweiten Schicht aufweist, wobei die Zwischenschicht im wesentlichen aus irgendeinem Metall der Gruppe der 4A-, 5A- und 6A-Metalle besteht und eine Dicke von 500 nm oder weniger aufweist.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches eine Zwischenschicht zwischen der Adhäsionsverstärkungsschicht mit einer Zusammensetzung, dargestellt durch die Formel (Al_aTi_b)(N_cC_d), wobei 0,25 ≤ a ≤ 0,75, a + b = 1, 0,6 ≤ c ≤ 1, und c + d = 1, und der zweiten Schicht aufweist, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 500 nm oder weniger aufweist und eine Zusammensetzung, welche durch die folgende Formel dargestellt ist: Al_xTi_yV_z wobei 0 ≤ x ≤ 0,75, 0 < y < 1,0 < z < 1, und x + y + z = 1.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Dicke der Gesamtbeschichtung 0,8 bis 50 μm ist.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Adhäsionsverstärkungsschicht 5 bis 500 nm ist.
Hartbeschichtung-beschichtetes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gesamtdicke der Adhäsionsverstärkungsschicht und der zweiten Schicht 0,8 bis 20 μm ist.