WO2023246967A1 - Beschichtetes werkzeug, verfahren zu dessen herstellung sowie verwendung des werkzeugs - Google Patents
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Definitions
- arc evaporation (arcPVD) and cathode sputtering are known as PVD processes.
- sputtering atoms from a cathode material, the target, are released from a plasma by bombarding them with high-energy ions and then deposited onto a substrate arranged near the target.
- a reactive gas compounds such as TiN can be deposited on the base body.
- a noble gas such as argon is usually used as the so-called working gas for generating the plasma.
- titanium aluminum nitride When depositing titanium aluminum nitride, either two targets or one target consisting of a TiAl alloy in conjunction with a gas containing N2 can be used.
- the Al doping serves to increase the hardness of the TiN layers.
- Layers made of AIZrN are also known.
- coated tools according to the invention are particularly suitable as cutting inserts, preferably for milling, drilling or turning, or as punching tools.
- an end mill with a diameter of 12 mm with five teeth was used to machine aviation components made of TiAI6V4 alloys.
- the end mill was a 12 mm milling cutter made of hard metal with a single layer of (Alo,54Cro,2Tio,2Sio,o4Hfo,o2) N.
- an end mill of the same geometry with a two-layer AITiN/TiSiN layer was used.
- the workpiece was machined dry for 40 minutes using compressed air for cooling but without the use of coolant lubricant.
- the layer wear on the cutting edge was reduced by 66%; by the end of the machining time, the cutting edge radius changed from 6 pm to 15 pm for the two-layer layer made of AITiN/TiSiN, whereas the change when using the alloy according to the invention was 6 pm was measured at just 9 pm.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen Schicht oder unteren Schicht von zwei Schichten aus einem Metallnitrid. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs sowie dessen Verwendung. Um eine Beschichtung für ein Werkzeug anzugeben, die eine erhöhte Standzeit bei verbesserter Leistung ermöglicht, ist eine Schichtzusammensetzung (AlvTiwCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%) 0,455 ≤ v ≤ 0,685, 0,255 ≤ w + x ≤ 0,485, 0,03 ≤ y + z ≤ 0,09, 1,8 ≤ y/z ≤ 2,2 und 0,8 ≤ w/x ≤1,2, wobei v + w + x + y + z = 1 ist. Ferner soll ein hierzu geeignetes Verfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Werkzeuges angegeben werden. Hierfür ist vorgesehen, dass ein aus einer Metalllegierung Alv, Tiw, Crx, Siy und Hfz bestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer Nz-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metallnitrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird und dass das beschichtete Werkzeug als Schneideinsatz, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen, oder als Stanzwerkzeug verwendet wird.
Description
Beschichtetes Werkzeug, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Werkzeugs
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen Schicht oder unteren Schicht von zwei Schichten aus einem Metallnitrid. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs sowie dessen Verwendung.
Die Beschichtung von Grundkörpern, die zum Beispiel aus einem Hartmetall oder einem Cermet bestehen, dient dem Ziel, eine optimale Kombination von höchster Verschleißfestigkeit und höchster Zähigkeit, d.h. von Eigenschaften zu erlangen, die wegen ihrer Gegenläufigkeit nur schwer miteinander zu verknüpfen sind. Die ersten verwendeten Schichten bestanden aus Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid oder Titanaluminiumnitrid oder Aluminiumoxyd. Zum Aufbringen der Beschichtung werden chemische oder physikalische Aufdampfverfahren (CVD, PVD) verwendet.
CVD-Verfahren werden beispielsweise zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Aluminiumoxyd verwendet. Aluminiumoxyd weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit auf und zeigt eine hohe Warmhärte und eine geringe thermische Leitfähigkeit. Solche beschichteten Werkzeuge eignen sich zur Trockenzerspanung und/oder zur Bearbeitung von Sonderlegierungen wie Titan- und/oder Nickel-Legierungen. Es ist auch bekannt, auf den Grundkörper mehrlagige Beschichtungen, zum Beispiel Titanaluminiumnitrid als erste Schicht und Aluminiumoxyd als Deckschicht zu verwenden.
Als PVD-Verfahren sind insbesondere das Lichtbogen-Verdampfen (arcPVD) und das Kathodenzerstäuben (Sputtern) bekannt. Beim sogenannten Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmaterial, dem Target, durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einem Plasma gelöst und anschließend auf einen in der Nähe des Targets angeordneten Substrat abgeschieden. Befindet sich in der Beschichtungsapparatur
ein Reaktivgas, so können auf dem Grundkörper Verbindungen wie beispielsweise TiN abgeschieden werden. Als sogenanntes Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas dient meist ein Edelgas wie Argon.
Bei der Abscheidung von Titanaluminiumnitrid können entweder zwei Targets oder ein Target, bestehend aus einer Legierung TiAl in Verbindung mit einem N2-haltigen Gas erfolgen. Die Al-Dotierung dient zur Erhöhung der Härte der TiN-Schichten. Bekannt sind auch Schichten aus AIZrN.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung für ein Werkzeug anzugeben, die eine erhöhte Standzeit bei verbesserter Leistung ermöglicht.
Ferner soll ein hierzu geeignetes Verfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Werkzeuges angegeben werden.
Die auf das beschichtete Werkzeug gerichtete Aufgabe wir durch ein Werkzeug nach Anspruch 1 gelöst, das durch folgende Schichtzusammensetzung gekennzeichnet ist: (AlvTiNCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%): 0,455 < v < 0,685, 0,255 < w + x < 0,485 0,03 < y + z < 0,09, 1 ,8 < y/z < 2,2 und 0,8 < w/x < 1 ,2, wobei v + w + x + y + z = 1 ist.
Bevorzugt wird das Verhältnis von Si zu Hf mit 2:1 gewählt.
Bevorzugte Schichtdicken liegen zwischen 0,5 m und 8 pm, vorzugsweise maximal bei 5 pm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Grundkörper aus einem Hartmetall oder einem Cermet gewählt. Wesentlich ist der Gesamtgehalt von Si und Hf, der 9 at% nicht übersteigen soll sowie das Verhältnis der Si- und der Hf- Bestandteile, die zur Verschließverbesserung der Werkzeuge bei hohen
Temperaturen beitragen. Insbesondere bei Zerspanungsreaktionen entstehen beim Spanablösen an der Schneidkante durch Reibung hohe Temperaturen, die bei fehlender Verschleißbeständigkeit zu einem hohen Kantenverschleiß oder sogar zu einem Schneidkantenbruch führen können, welche das Schneidwerkzeug unbrauchbar machen können. Überraschenderweise hatte die erfindungsgemäße Schicht neben der hohen Oxidationsbeständigkeit den Vorteil, dass die Schnittkräfte in der Trockenbearbeitung von Titanlegierungen im Vergleich zu analogen Schichtsystemen ohne Hf um 20 % bis 30 % vermindert waren. Im Vergleich zu Mehrfachschichten, die aus einer harten Schicht und einer Gleitschicht bestanden, konnten höhere Standzeiten mit einer erfindungsgemäßen Monoschicht sowohl beim Drehen als auch beim Fräsen erzielt werden. Als innere untere von insgesamt zwei Schichten kann auch CrN oder AICrN aufgetragen werden.
Bevorzugt wird das in Anspruch 5 beschriebene Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein aus einer Metalllegierung (Alv, Tiw, Crx, Siy und Hfz) bestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer N2-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metal Initrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird. Als Reaktionsgas wird vorzugsweise Argon verwendet, dem ein 5 bis 10 %iger Anteil an Stickstoff zugesetzt wird. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein Co-Sputtern angewendet werden, bei dem zwei unterschiedliche Körper, bestehend aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen eingesetzt werden, um die gewünschte Abscheidung zu erhalten.
Die erfindungsgemäßen beschichteten Werkzeuge sind insbesondere als Schneideinsätze, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen oder als Stanzwerkzeuge besonders geeignet.
Im Folgenden wird die Erfindung an konkreten Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
In einem ersten Anwendungsbeispiel wurde ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 12 mm mit fünf Zähnen zur Bearbeitung von Luftfahrtbauteilen aus TiAI6V4- Legierungen verwendet. Der Schaftfräser war in einer ersten Versuchsreihe ein 12 mm Fräser aus Hartmetall mit einer einzigen Schicht aus (Alo,54Cro,2Tio,2Sio,o4Hfo,o2) N versehen. In der zweiten Versuchsreihe wurden ein Schaftfräser derselben Geometrie mit einer zweilagigen AITiN/TiSiN-Schicht eingesetzt.
Das Werkstück wurde jeweils trocken unter Verwendung von Pressluft zur Kühlung, aber ohne Kühlmittelschmierstoffeinsatz 40 min bearbeitet. Es wurden dieselben Bearbeitungsparameter, nämlich AP = 18 mm, Ae = 0,84 mm und V = 80 m/min gewählt.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung verringerte sich der Schichtverschleiß an der Schneidkante um 66 %, bis zum Ende der Bearbeitungszeit änderte sich der Schneidkantenradius bei der zweilagigen Schicht aus AITiN/TiSiN von 6 pm auf 15 pm, wohingegen die Änderung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung von 6 pm auf nur 9 pm gemessen wurde.
In einem zweiten Anwendungsbeispiel wurde ein Werkstück aus Stahl 1 .2419 mit einer Härte HRC65 trocken ohne Kühlung 12 min drehend bearbeitet, wobei folgende Parameter gewählt wurden: AP =0,2 mm, f =0,1 mm/U, V =200 m/min. Bei dem mit einer Beschichtung aus Alo,54Cro,2Tio,2Sio,o4Hfo,o2 versehenen Schneideinsatz konnte im Vergleich zu einer AICrN-Beschichtung eine 50 %-ige Verschleißreduktion erzielt werden.
Claims
1. Beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen oder unteren Schicht von zwei Schichten Schicht aus einem Metallnitrid, gekennzeichnet durch eine Schichtzusammensetzung (AlvTiwCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%) 0,455 < v < 0,685, 0,255 < w + x < 0,485
0,03 < y + z < 0,09,
1 ,8 < y/z < 2,2 und
0,8 < w/x <1 ,2 wobei v + w + x + y + z = 1 ist.
2. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass y/z = 2 ist.
3. Beschichtetes Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke 0,5 m - 8 m beträgt.
4. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem Hartmetall, CBN oder einem Cermet besteht.
5. Beschichtetes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere untere Schicht aus CrN oder AICrN besteht.
6. Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer Metalllegierung Alv, Tiw, Crx, Siy und Hfz bestehender Körper in einem
Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer Nz-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metal Initrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird. Verwendung des beschichteten Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Schneideinsatz, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen, oder als Stanzwerkzeug.
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