DE102012022466A1

DE102012022466A1 - Beschichteter Schneideinsatz und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012022466A1
Application number: DE201210022466
Authority: DE
Inventors: Peter Leicht; Mark Greenfield; Volkmar Sottke; Zhigang Ban; Hartmut Westphal; Yixiong Liu; Michael Frank Beblo
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-05-23
Also published as: CN103121115A

Abstract

Es wird ein beschichteter Schneideinsatz zum Entfernen von Material aus einem Werkstück mit einem Substrat offenbart. Eine verschleißfeste Beschichtung auf dem Substrat, die eine Aluminiumoxidschicht und eine Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht auf der Aluminiumoxidschicht einschließt. Die äußere Zr- oder Hf-Carbonitrid-Schicht wird nach dem Beschichten einer Nassdruckstrahlbehandlung unterzogen. Das Nassdruckstrahlverfahren ändert den Spannungszustand der exponierten Aluminiumoxid-Beschichtungsschicht von einem ursprünglichen Zugspannungszustand zu einem Druckspannungszustand.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGSDATEN
Laut 35 U.S.C. § 120 ist die vorliegende Anmeldung eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Nr. 12/615.530, die am 10. November 2008 eingereicht wurde und die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Schneideinsatz, der für das Entfernen von Material aus einem Werkstück geeignet ist, z. B. bei der spanformenden Bearbeitung eines Werkstückes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Schneideinsatz, der für die Entfernung von Material aus einem Werkstück geeignet ist, wobei der beschichtete Schneideinsatz ein Substrat umfasst, das mit einer mehrschichtigen Beschichtung mit einem Carbonitrid aus Zr oder Hf und Al₂O₃ beschichtet ist. Das Beschichtungsschema schließt eine exponierte Zr- oder Hf-Beschichtungsschicht mit einer Druckspannung ein.
Das US-Patent Nr. 6.224.968 für van den Berg et al. (Kennametal Inc. zugewiesen) offenbart die Anwendung einer Beschichtung, umfassend eine erste TiN-Schicht, eine zweite Carbonitridschicht, eine dritte Al₂O₃-Schicht und eine äußere Zr-, Hf-, V-, Nb-, Ta- oder Cr-Carbonitridschicht auf einem Hartmetall, Stahl, Cermet oder Keramiksubstrat.
Das US-Patent Nr. 6.884.496 für Westphal et al. (Kennametal Inc. zugewiesen) offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Druckrestspannung oder zum Verringern der Zugrestspannung einer Zr- oder Hf-Carbonitridbeschichtungsschicht durch Trockenstrahlung des Materials mit einem sprühkompaktierten Metallgranulat aus hartem Material.
Das US-Patent Nr. 6.350.510 für Konig et al. (Kennametal Inc. zugewiesen) offenbart eine mehrphasige Schicht aus Zr- oder Hf-Carbonitrid mit internen Druckspannungen. Die Druckspannung der Zr- oder Hf-Schicht ist das Resultat eines ununterbrochenen CVD-Beschichtungsverfahrens zwischen 900°C und 1100°C, gefolgt von einer Wärmebehandlung.
Die US-Patentschriften Nr. 2009/0004449 und 2009/0004440 für Ban et al. (Kennametal Inc. zugewiesen) offenbaren Nassdruckstrahlverfahren für einen Schneideinsatz mit einer äußeren verschleißfesten Beschichtung, umfassend M(O_xC_yN_z), wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend einen oder mehrere der Folgenden: Titan, Hafnium, Zirkonium, Chrom, Titan-Aluminiumlegierung, Hafnium-Aluminiumlegierung, Zirkonium-Aluminiumlegierung, Chrom-Aluminiumlegierung und ihre Legierungen, wobei x > 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und y + z > 0 ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein beschichteter Schneideinsatz zum Entfernen von Material aus einem Werkstück mit einem Substrat bereitgestellt. Eine verschleißfeste Beschichtung auf dem Substrat, die eine Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃-Schicht) und eine Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht aufweist, die auf der Aluminiumoxidschicht abgeschieden ist. In einigen Ausführungsformen ist die Aluminiumoxidschicht eine α-Aluminiumoxidschicht. Die Aluminiumoxidschicht ist in einigen Ausführungsformen eine κ-Aluminiumoxidschicht. In einigen Ausführungsformen umfasst die Aluminiumoxidschicht eine Mischung aus α-Aluminiumoxid und κ-Aluminiumoxid. Des Weiteren wird die Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht nach dem Beschichten einer Nassdruckstrahlbehandlung unterzogen. Das Nassdruckstrahlverfahren verändert den Spannungszustand der Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht von einem ursprünglichen Zug- oder leichten Druckspannungszustand zu einem Spannungszustand mit mehr Druck.
Ein Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung eines beschichteten Schneideinsatzes, umfassend ein Substrat und ein mehrschichtiges Beschichtungsschema, umfassend eine Al₂O₃-Schicht und eine äußere Schicht aus ZrCN oder HfCN auf der Al₂O₃-Schicht, wobei die äußere Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen –700 MPa und etwa –4,0 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (220)-Reflexion von ZrCN gemessen. Wie hier beschrieben kann die Al₂O₃-Schicht eine α-Al₂O₃-Schicht, eine κ-Al₂O₃-Schicht oder eine Schicht, umfassend eine Mischung aus α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃ sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein wie hier beschriebener beschichteter Schneideinsatz ein Substrat und ein mehrschichtiges Beschichtungsschema, umfassend eine α-Al₂O₃-Schicht und eine äußere Schicht aus ZrCN oder HfCN auf der α-Al₂O₃-Schicht, wobei die α-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen 300 MPa und etwa –1,0 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (024)-Reflexion von α-Al₂O₃ gemessen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein wie hier beschriebener Beschichtungsschneideinsatz ein Substrat und ein mehrschichtiges Beschichtungsschema, umfassend eine κ-Al₂O₃-Schicht und eine äußere Schicht aus ZrCN oder HfCN auf der κ-Al₂O₃-Schicht, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen 200 MPa und etwa –1,3 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Verwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (122)-Reflexion von κ-Al₂O₃ gemessen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes umfasst in einigen Ausführungsformen die Schritte des Bereitstellens eines Substrats, Beschichten des Substrats mit einer mehrschichtigen verschleißfesten Beschichtung mit einer Al₂O₃-Schicht und einer äußeren Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht auf der Al₂O₃-Schicht und Unterziehen der äußeren Schicht einer Nassdruckstrahlbehandlung. In einigen Ausführungsformen der hier beschriebenen Verfahren kann die Al₂O₃-Schicht eine α-Al₂O₃-Schicht, eine κ-Al₂O₃-Schicht oder eine Schicht, umfassend eine Mischung von α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃, sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen, die Teil dieser Patentanmeldung sind. Es zeigen:
1 eine isometrische Ansicht einer spezifischen Ausführungsform eines beschichteten Schneideinsatzes der vorliegenden Erfindung, wobei der beschichtete Schneideinsatz sich in einem nachgestrahlten Zustand befindet;
2 eine partielle Querschnittsansicht des beschichteten Schneideinsatzes aus 1. Der Schnitt stellt einen Abschnitt des beschichteten Schneideinsatzes entlang der Schnittlinie A-B und in Nähe der Oberfläche des Einsatzes dar.
3 eine Mikroaufnahme eines Abschnitts eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Abschnitt zeigt eine Kalottennaht, die das Substrat und die Beschichtungsschichten auf der Spanfläche des Einsatzes zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 einen beschichteten Schneideinsatz 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schneideinsatz 10 ist für die Entfernung von Material aus einem Werkstück geeignet, z. B. bei der spanformenden Bearbeitung eines Werkstückes. Der beschichtete Schneideinsatz 10 kann eine Schnittecke 11 aufweisen. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Schnitts von 1 entlang der Schnittlinie A-B und an der Schnittecke 11.
In Bezug auf 2 weist der Schneideinsatz 10 ein Substrat 12 mit einer mehrschichtigen Beschichtung darauf auf. Das Substrat umfasst ein WC-Hartmetall, Cermet, Keramik oder Stahl. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und beginnend bei der innersten Beschichtung benachbart zu dem Substrat nach außen hin fortschreitend schließen die Schichten der mehrschichtigen Beschichtung eine TiN-Schicht 13, eine TiCN-Schicht 14, eine Al₂O₃-Schicht 15 und eine äußere Beschichtung 16 ein. Die TiCN-Schicht 14 kann eine Moderattemperatur-TiCN-Beschichtung oder eine Hochtemperatur-TiCN-Beschichtung sein. In einer bestimmten Ausführungsform ist die Al₂O₃-Schicht 15 ein strukturiertes α-Al₂O₃ mit einer vorherrschenden (104) Wachstumsstruktur. In einer anderen Ausführungsform ist die Al₂O₃-Schicht 15 eine κ-Al₂O₃-Schicht. Ferner ist in einigen Ausführungsformen die Al₂O₃-Schicht 15 eine Mischung von α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃. In einigen Ausführungsformen, bei denen die Al₂O₃-Schicht 15 eine Mischung von α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃ ist, ist das κ/α-Verhältnis größer als 1. In einigen Ausführungsformen ist das κ/α-Verhältnis größer als 10 oder größer als 100. Die äußere Beschichtung 16 umfasst ein Zr-basiertes oder Hf-basiertes Carbonitrid, vorzugsweise ZrCN.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Bindeschicht 18 zwischen der Al₂O₃-Schicht 15 und einer äußeren Beschichtung 16 angeordnet sein. Die Bindeschicht 18 kann M(O_xC_yN_z) umfassen, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend einen oder mehrere der Folgenden: Titan, Hafnium, Zirkonium, Chrom, Titan-Aluminiumlegierung, Hafnium-Aluminiumlegierung, Zirkonium-Aluminiumlegierung, Chrom-Aluminiumlegierung und ihre Legierungen; wobei x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und y + z > 0 ist. Wenn Aluminium in dem „M”-Bestandteil der verschleißanzeigenden Schicht enthalten ist, liegt es in Kombination mit einem oder mehreren anderen der anderen Elemente vor (d. h., Titan, Hafnium, Zirkonium, Chrom). Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine (Ti_1-bAl_b)(O_xC_yN_z)-Schicht 17 bereit, wobei 0 ≤ b < 1, x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und x + y + z > 0 ist. Die (Ti_1-bAl_b)(O_xC_yN_z)-Schicht 17 ist in einigen Ausführungsformen zwischen der TiCN-Schicht 14 und der Al₂O₃-Schicht 15 angeordnet.
3 ist eine Mikroaufnahme eines Abschnitts eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Abschnitt zeigt eine Kalottennaht, die das Substrat und die Beschichtungsschichten auf der Spanfläche des Einsatzes zeigt. Die Mikroaufnahme zeigt ein WC-Co-Substrat 20 mit einer mehrschichtigen Beschichtung darauf. Beginnend mit der Beschichtungsschicht benachbart zu dem Substrat und nach außen fortschreitend sind die folgenden Schichten eine TiN-Schicht 22, eine MT-TiCN-Schicht 24, eine TiOCN-Schicht 26, eine α-Al₂O₃-Schicht 28 und eine ZrCN-Schicht 30.
Die Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschichtbeschichtung kann mittels CVD appliziert werden, wobei die Gasphase bei einer Reaktionstemperatur zwischen 700°C und 1100°C und vorzugsweise bei Drücken zwischen 5 kPa und 100 kPa zusätzlich zu H₂ und/oder Ar und Chloriden der oben genannten Metalle auch Kohlenstoffspender und Stickstoffspender mit einer C--N-Molekülgruppe enthält. Diese ist vorzugsweise eine Cyanidgruppe mit einer Dreifachbindung zwischen dem Kohlenstoff und Stickstoff, deren Beabstandung bei Raumtemperatur zwischen 0,114 und 0,118 nm beträgt. Solche Verbindungen sind Wasserstoffcyanid, Cyanamid, Cyanogen, Cyanacetylen oder Acetonitril. Alternativ oder zum Teil können auch solche gasförmigen Verbindungen verwendet werden, die CN-Molekülgruppen mit einer Einzelbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Stickstoff aufweisen. Moleküle mit einzelnen CN-Bindungen schließen Methylamin und Ethylendiamin ein. Die vorliegende Erfindung schließt innerhalb dieses Rahmens angemessene Substanzen ein, welche die Cyanidgruppe enthalten; Verbindungen dieser Art sind im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt. Andere gasförmige Medien, die bei der Reaktionstemperatur Cyanogruppen bilden können, können in das Reaktionsgefäß eingeleitet werden.
Die Dicke der TiN-Schicht 13 kann 0 bis 2,0 μm sein, z. B. 0,1 bis 0,5 μm. Die Dicke der TiCN-Schicht 14 kann 1,0 bis 20,0 μm sein, z. B. 2,0 bis 10 μm. Die Dicke der Al₂O₃-Schicht 15 kann 1,0 bis 15,0 μm sein, z. B. 2,0 bis 8,0 μm. In einigen Ausführungsformen, bei denen die Al₂O₃-Schicht κ-Al₂O₃ ist, umfasst die Al₂O₃-Schicht eine einzelne κ-Al₂O₃-Schicht oder mehrere κ-Al₂O₃-Schichten. In einigen Ausführungsformen umfasst zum Beispiel eine Al₂O₃-Schicht einer Beschichtung wie hier beschrieben 2 bis 30 κ-Al₂O₃-Schichten. Des Weiteren umfasst in einigen Ausführungsformen eine Al₂O₃-Schicht abwechselnde Schichten von κ-Al₂O₃ und α-Al₂O₃. In einigen Ausführungsformen sind die (T_1-bAl_b)(O_xC_yN_z)-Schichten zwischen mehreren κ-Al₂O₃-Schichten oder abwechselnden Schichten von κ-Al₂O₃ und α-Al₂O₃ angeordnet. Die Dicke der äußeren Beschichung 16 kann 0,5 bis 5,0 μm sein, z. B. 1,0 bis 3,0 μm. Der nachbeschichtende Nassdruckstrahlschritt entfernt die äußere Beschichtungsschicht 16 bis zu einem gewissen Maß. Die Dicke der äußeren Beschichtung 16 kann 0,5 bis 4,5 μm sein, z. B. 1,0 bis 3,0 μm.
Die mehrschichtige Beschichtung wird einer Nachbeschichtungsnassdruckstrahlbehandlung unterzogen. Der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlverfahrensschritt umfasst das pneumatische Aussetzen der Aluminiumoxidteilchen einer flüssigen (z. B. Wasser) Aufschlämmung, damit diese auf alle Oberflächen des vorgestrahlten Beschichtungsschemas auftrifft. Der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlschritt verwandelt die Zugspannung in der äußeren Schicht zu einer Druckspannung oder erhöht die Druckspannung der äußeren Schicht. Der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlschritt glättet auch die Oberfläche der äußeren Beschichtungsschicht 16. Es ist klar, dass der Nassdruckstrahlschritt den Spannungszustand verändert und die Oberfläche der äußeren Beschichtung 16 glättet. Die äußere Beschichtung 16 (wie abgeschieden) befindet sich unter leichtem Zug oder Druck. Bei einem leichten Zug wandelt der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlschritt die Zugspannung der äußeren Beschichtung 16 auf ein nachgestrahltes Druckspannungsniveau um. Im Fall des leichten Drucks erhöht der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlschritt die Druckspannung der äußeren Beschichtungsschicht 16 weiter.
Der Nachbeschichtungsnassdruckstrahlschritt führt auch zum Glätten der äußeren Beschichtung 16. In einer Alternative weist die exponierte Aluminiumoxidbeschichtungsschicht eine Oberflächenrauheit R_a von zwischen etwa 0,2 μm und etwa 0,5 μm unter Anwendung einer WYKO-Messtechnik auf. In einer anderen Alternative zeigt die exponierte Aluminiumoxidbeschichtungsschicht eine Oberflächenrauheit Ra von zwischen etwa 0,2 μm und etwa 0,4 μm unter Anwendung einer WYKO-Messtechnik. In einer noch anderen Alternative zeigt die exponierte Aluminiumoxidbeschichtungsschicht eine Oberflächenrauheit R_a von zwischen etwa 0,3 μm und etwa 0,4 μm unter Anwendung einer WYKO-Messtechnik. In einer anderen Alternative zeigt die exponierte Aluminiumoxidschicht eine Oberflächenrauheit R_a von weniger als 0,2 μm unter Anwendung der WYKO-Messung. Im Hinblick auf die WYKO-Technik wurde ein Probenahmebereich von 0,3 mm bis 0,2 mm bei der WYKO-Messung im vertikalen Scan-Interferometrie-Modus gewählt.
In einer Alternative des verschleißfesten Beschichtungsschemas zeigt die äußere Beschichtung einen vorgestrahlten (oder wie abgeschieden) Spannungszustand gleich zwischen etwa 100 MPa Zugspannung bis etwa –400 MPa Druckspannung. Wie hier verwendet beziehen sich Spannungszustände einer Beschichtung mit einer positiven Zahl auf einen Zugspannungszustand und mit einer negativen Zahl auf einen Druckspannungszustand. Nach Abschluss der Nassdruckstrahlung weist die äußere Beschichtungsschicht 16 einen Druckspannungszustand von zwischen –700 MPa und etwa –4,0 GPa auf. In einer anderen Alternative weist die äußere Beschichtung 16 einen Spannungszustand von zwischen –2,0 GPa und etwa –4,0 GPa nach Abschluss der Nassdruckstrahlung auf.
In einer weiteren Alternative des verschleißfesten Beschichtungsschemas zeigt die Al₂O₃-Schicht 15 einen vorgestrahlten (oder wie abgeschieden) Spannungszustand in dem Bereich von etwa 200 MPa Zugspannung bis etwa 800 MPa Zugspannung. Nach Abschluss der Nassdruckstrahlung weist die Al₂O₃-Schicht 15 einen Zug-/Druckspannungszustand von zwischen 300 MPa und etwa –1,0 GPa auf. In einigen Ausführungsformen weist die Al₂O₃-Schicht einen Zug-/Druckspannungszustand in dem Bereich von etwa 200 MPa bis etwa –1,3 GPa nach Abschluss der Nassdruckstrahlung auf. Die Al₂O₃-Schicht weist in einigen Ausführungsformen einen Druckspannungszustand in dem Bereich von etwa –200 MPa bis etwa –1,5 GPa nach Abschluss der Nassdruckstrahlung auf. In einigen Ausführungsformen weist die Al₂O₃-Schicht einen Druckspannungszustand in dem Bereich von etwa –500 MPa bis etwa –1,0 GPa nach Abschluss der Nassdruckstrahlung auf. Wie hier weiter beschrieben kann die Al₂O₃-Schicht mit einem Zug- bzw. Druckspannungszustand wie hier zitiert auch eine α-Al₂O₃-Schicht, eine κ-Al₂O₃-Schicht oder eine Schicht, umfassend eine Mischung von α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃, sein.
In Bezug auf die Messtechnik für die Spannung einer ZrCN-Außenbeschichtung ist die Technik eine Röntgenbeugungstechnik. Die Röntgenbeugungsspannungsmessung basiert auf dem psi-Neigungsverfahren und es wurde die Reflexion (220) der ZrCN-Beschichtungsschicht für die Messung ausgewählt. Psi-Neigungen von 0 Grad, 28,9 Grad, 43,1 Grad, 56,8 und 75 Grad wurden für die Messung der Restspannungsniveaus ausgewählt. Es wurden positive und negative psi-Neigungen ausgewählt, um die zur Bestimmung der möglichen Scherbelastungen erforderlichen Daten bereitzustellen. Zusätzlich wurden drei Phi-Drehwinkel (0 Grad, 45 Grad und 90 Grad) ausgewählt, um die zur Bestimmung des biaxialen Spannungsstatus des Materials erforderlichen Daten bereitzustellen.
Die biaxialen Spannungsberechnungen wurden unter Anwendung der folgenden Gleichung durchgeführt:
worin:

S₁ und ½ S2: für die röntgen-elastischen Konstanten stehen
d_φψ: für die gemessene Scheitelpunkt-d-Beabstandung für die psi-Neigung und Phi-Drehung steht
d₀: für die spannungsfreie Scheitelpunkt-d-Beabstandung der gebeugten Reflexion steht
δ₁ und δ₂: für die primären Spannungen

σ_φ = σ₁cos²φ + σ₂sin²φ

Der Youngsche Modul (E) wird mit 434 GPa angegeben, die Poissonzahl (v) mit 0,2 und die röntgen-elastischen Konstanten (S₁ und S₂) mit –0,46 × 10⁶ mm²/N bzw. 2,76 × 10⁶ mm²/N zur Berechnung der Spannung in der ZrCN-Beschichtung. Ähnliche Messungen können für eine HfCN-Beschichtung durchgeführt werden.
In Bezug auf die Messtechnik für die Spannung der Al₂O₃-Schicht ist die Technik im Wesentlichen dieselbe wie die oben beschriebene, mit den folgenden Ausnahmen. In den Ausführungsformen, bei denen die Al₂O₃-Schicht eine α-Al₂O₃-Schicht ist, wurde die Reflexion (024) der α-Al₂O₃-Schicht für die Messung ausgewählt. Der Youngsche Modul (E) wird mit 401 GPa angegeben, die Poissonzahl (ν) mit 0,22 und die röntgen-elastischen Konstanten (S₁ und S₂) mit –0,53 × 10⁶ mm²/N bzw. 2,94 × 10⁶ mm²/N zur Berechnung der Spannung in der α-Al₂O₃-Beschichtung. Des Weiteren wurde in den Ausführungsformen, bei denen die Al₂O₃-Schicht eine κ-Al₂O₃-Schicht ist, die Reflexion (122) der κ-Al₂O₃-Schicht für die Messung ausgewählt. Der Youngsche Modul (E) für die κ-Al₂O₃-Schicht wird mit 408 GPa angegeben, die Poissonzahl (ν) mit 0,22 und die röntgen-elastischen Konstanten (S₁ und S₂) mit –0,56 × 10⁶ mm²/N bzw. 3,01 × 10⁶ mm²/N zur Berechnung der Spannung in der κ-Al₂O₃-Beschichtung.
Die Nassdruckstrahlung wird unter Anwendung einer Aufschlämmung, umfassend Aluminiumoxidteilchen und Wasser, erreicht. Die Aufschlämmung von Aluminiumoxidteilchen und Wasser wird pneumatisch an der Oberfläche projiziert, um auf die Oberfläche des Substrats aufzutreffen. Die wesentlichen Parameter der Aluminiumoxid-Wasser-Aufschlämmung sind Körnungskonzentration (d. h. der Aluminiumoxidteilchen) in Volumenprozent und Aluminiumoxid-Teilchengröße in Mikrometer (μm). In einer Alternative umfasst die Aufschlämmung zwischen etwa 5 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen mit dem konditionierten Wasser. In einer anderen Alternative umfasst die Aufschlämmung zwischen etwa 8 Vol.-% und etwa 25 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen mit dem konditionierten Wasser. Die Teilchengröße kann in einer Alternative eine Aluminiumoxidteilchengröße in dem Größenbereich zwischen etwa 20 μm und etwa 100 μm sein. In einer anderen Alternative können die Aluminiumoxidteilchen in der Größe in dem Bereich zwischen etwa 35 μm und etwa 75 μm sein.
Die Betriebsparameter für den Nassdruckstrahlschritt sind Druck, Auftreffwinkel und Dauer. In dieser Anmeldung ist der Auftreffwinkel etwa neunzig Grad, d. h. die Teilchen treffen auf die Oberfläche in einem 90-Grad-Winkel auf. In einer Alternative variiert der Druck zwischen etwa 35 Pfund pro Quadratzoll (psi) und etwa 55 psi. In einer anderen Alternative variiert der Druck zwischen etwa 40 Pfund pro Quadratzoll (psi) und etwa 50 psi. Die Dauer der Nassdruckstrahlung variiert mit der spezifischen Nassdruckstrahloperation, wobei das Ziel ist, optimale Spannungsniveaus in der äußeren Beschichtung und der Al₂O₃-Schicht zu erreichen. Exemplarische Dauern umfassen zwischen etwa 6 Sekunden und etwa 45 Sekunden. Ein Bereich der Dauer liegt zwischen etwa 9 Sekunden und etwa 30 Sekunden. Ein noch anderer Bereich der Dauer liegt zwischen etwa 12 Sekunden und etwa 21 Sekunden.
In Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes sind die grundlegenden Schritte die folgenden Schritte. Der erste Schritt umfasst das Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Hartmetallen, Cermet oder Keramiken.
Zweitens wird das Substrat mit einer mehrschichtigen, verschleißfesten Beschichtung mit einer Al₂O₃-Schicht und einer äußeren Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht auf der Al₂O₃-Schicht beschichtet. Wie hier beschrieben kann die Al₂O₃-Schicht eine α-Al₂O₃-Schicht, eine κ-Al₂O₃-Schicht oder eine Schicht, umfassend eine Mischung von α-Al₂O₃ und κ-Al₂O₃ sein. Drittens wird die Beschichtung einer Nassdruckstrahlbehandlung unterzogen.
Spezifische Beispiele des erfinderischen beschichteten Schneideinsatzes und Vergleichsprüfungen davon sind unten aufgeführt. In einem Vergleichstest wurde die Werkzeuglebensdauer in Minuten eines erfinderischen beschichteten Schneideinsatzes gegenüber der Werkzeuglebensdauer in Minuten von zwei Schneideinsätzen aus dem Stand der Technik gemessen.

Tabelle 1 zeigt die grundlegenden Verfahrensparameter, die zum Abscheiden der aluminiumoxidhaltigen Grundbeschichtungsregion und der zirkoniumhaltigen äußeren Beschichtungsregion für die spezifischen Beispiele verwendet wurden, sowohl für die Schneideinsätze aus dem Stand der Technik als auch für den erfinderischen keramischen Schneideinsatz. Im Hinblick darauf repräsentiert das Verfahren der Parameter in Tabelle 1 die Schritte, die zum Aufbringen eines Beschichtungsschemas auf die Oberfläche des zementierten Carbidsubstrats verwendet werden. Tabelle 1 – Verfahrensparameter für das erfundene Beschichtungsverfahren

Materialien	Temperatur (°C)	Druck (mbar)	Gesamtzeit (Minuten)	benutzte Gase
TiN	905	160	60	H₂, N₂, TiCl4, HCl
TiCN	880	70–90	240	TiCl₄, H₂, N₂,
(Ti_1-bAl_b) (O_xC_yN_z)	1000	75–500	70	H₂, N₂, CH₄, TiCl₄, CO, AlCl₃
α-Al₂O₃	1000	75	300	H₂, A_lCl₃, CO₂, HCl, H₂S
ZrCN	960–1000	80	240	ZrCl₃, H₂, CH₃CN, Ar

Die obigen Schritte folgen aufeinander, beginnend mit dem TiN-Schritt über den Schritt zum Aufbringen von ZrCN.
In Bezug auf die obigen Schritte in Tabelle 1 ist die Steuerung von Al₂O₃ zur Sicherstellung der α-Phasenergebnisse in einigen Ausführungsformen wichtig für die Integrität der äußeren Beschichtung. Die schlechte Haftung zwischen ZrCN und anderen Aluminiumoxidphasen kann zum Abblättern der äußeren Schicht während der Nassdruckstrahlung oder dem Schneiden des Metalls führen. Dennoch können die beschichteten Schneideinsätze der vorliegenden Erfindung mit einer κ-Al₂O₃-Schicht eine Haftung zwischen ZrCN und κ-Al₂O₃ zeigen, die für die Nassdruckstrahlung und/oder für Metallschnittanwendungen geeignet sind, wodurch eine Alternative zu den α-Al₂O₃-Ausführungsformen angeboten wird. Daher wird in Bezug auf die obigen Schritte in Tabelle I die Abscheidung von Al₂O₃ in einigen Ausführungsformen gesteuert, um die κ-Phasenresultate sicherzustellen.

In einem ersten Beispiel umfassten die Schneideinsätze aus dem Stand der Technik, die für den Vergleichstest verwendet wurden, ein Beschichtungsschema, das dem der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die Einsätze aus dem Stand der Technik eine TiCN/TiN-Außenbeschichtungsschicht verwenden. Die Schneideinsätze der vorliegenden Erfindung dieses ersten Beispiels zeigten die Beschichtungsstruktur in Tabelle I an, wobei eine α-Al₂O₃-Schicht zusammen mit der ZrCN-Außenschicht verwendet wird. Sowohl bei den beschichteten Schneideinsätzen aus dem Stand der Technik als auch bei dem erfinderischen beschichteten keramischen Schneideinsatz handelte es sich um Schneideinsätze des ANSI-Standards CNMA432. Tabelle 2. Nachbeschichtungsstrahlparameter

Parameter	Beschreibung
Zusammensetzung Aluminiumoxidteilchen-Wasser-Aufschlämmung	In dem Bereich von 5 bis 35 Vol.-%
Größe der Aluminiumoxidteilchen	In dem Bereich von 20 μm–100 μm
Druck während des Auftreffverfahrens	In dem Bereich von 35 bis 55 psi
Dauer des Auftreffens	In dem Bereich von 6 bis 45 Sekunden

Für den Vergleichstest zum Messen der Werkzeuglebensdauer waren die Parameter wie folgt: Werkstückmaterial: 80-55-06 duktiles Eisen; Geschwindigkeit gleich 656 Oberflächenfuß pro Minute (sfm) (200 Oberflächenmeter pro Minute); eine Fußrate gleich 0,004 Inch (0,1 Millimeter) pro Umdrehung (ipr); eine Schneidtiefe (doc) von gleich 0,08 Inch (2,03 Millimeter); ein Leitwinkel gleich –5 Grad mit Kühlmittel. Die Ausfallkriterien waren: UNF gleich 0,012 Inch (0,3 Millimeter) maximal; Nasenverschleiß (NW) gleich 0,012 Inch (0,3 Millimeter); Tiefe der Schnitteinkerbung (DOCN) gleich 0,012 Inch (0,3 Millimeter); CR gleich 0,004 Inch (0,1 Millimeter); und TW gleich 0,012 Inch (0,3 Millimeter).

In dem Vergleichstest wurden Proben, d. h. jeweils drei der beschichteten Schneideinsätze aus dem Stand der Technik und drei erfinderische beschichtete Schneideinsätze durchlaufen. Die Ergebnisse des Vergleichstests sind in Tabelle 3 unten dargestellt. Tabelle 3. Werkzeuglebensdauer-Ergebnisse aus dem Vergleichstest

	Werkzeuglebensdauer (in Minuten)/Ausfallmodus
Stand der Technik – 1A	10,3/NW
Stand der Technik – 2A	9,6/NW
Stand der Technik – 3A	7,3/NW
Erfindung – 1	14,0/NW
Erfindung – 2	9,9/NW
Erfindung – 3	11,9/NW

Diese Schnitttestergebnisse zeigen eine Verbesserung von ungefähr 30% der Lebensdauer (Werkzeuglebensdauer) der erfinderischen Schneideinsätze im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu der Verschleißfestigkeit der Schneideinsätze aus dem Stand der Technik.
Eine zweite vergleichende Messeinkerbungswiderstandsfähigkeit wurde ebenfalls durchgeführt. Ein Nasswendezyklus wurde mit den folgenden Parametern verwendet: Werkstückmaterialien: 316 Ti-Edelstahl; Geschwindigkeit gleich 656 Oberflächenfuß pro Minute (sfm) (200 Oberflächenmeter pro Minute); eine Fußrate gleich 0,01 Inch (0,25 Millimeter) pro Umdrehung und eine Schneidtiefe von gleich 0,08 Inch (2 Millimeter); ein Leitwinkel gleich –5 Grad. Der Stand der Technik ist ein handelsübliches Carbid-Schneidwerkzeug, das mit kappa-Al₂O₃ mit einer ZrCN-Oberschicht beschichtet ist, die mit Trockenstrahlung behandelt wurde. Der Schneideinsatz der vorliegenden Erfindung zeigte in diesem Beispiel die Beschichtungsarchitektur aus Tabelle I an. Sowohl die beschichteten Schneideinsätze aus dem Stand der Technik als auch der erfinderische beschichtete Schneideinsatz weisen die Art des ANSI-Standards CNMG432RP auf. Tabelle 4 unten stellt die Ergebnisse eines Vergleichs der Werkzeuglebensdauer vor, die von der Tiefe der Schnitteinkerbung für die beschichteten Schneideinsätze aus dem Stand der Technik und den erfinderischen beschichteten Schneideinsatz bestimmt werden. Das Ausfallkriterium ist Folgendes: Tiefe der Schnitteinkerbung (DOCN) gleich 0,012 Inch (0,3 Millimeter). Tabelle 4 Vergleich von Schneideinsätzen aus dem Stand der Technik und erfinderischen Schneideinsätzen

Werkzeuglebensdauer gemäß DOCN (in Minuten)

Einsatz aus dem Stand der Technik 10,7

Erfinderischer Einsatz 12,7
Die erfinderischen Schneideinsätze zeigten eine 20%ige Verbesserung der Tiefe des Einkerbungswiderstands bei der Bearbeitung von 316 Ti-Edelstahl.
Die Patente und andere Dokumente, die hier genannt werden, werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Andere Ausführungsformen der Erfindung sind einem Fachmann unter Berücksichtigung der Spezifikation oder Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich. Die Spezifikation und Beispiele sind rein illustrativ und beabsichtigen nicht, den Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Die folgenden Ansprüche geben den wahren Schutzbereich und die Wesensart der Erfindung an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6224968 [0003]
US 6884496 [0004]
US 6350510 [0005]
US 2009/0004449 [0006]
US 2009/0004440 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ANSI-Standards CNMA432 [0037]
ANSI-Standards CNMG432RP [0041]

Claims

Beschichteter Schneideinsatz, umfassend: ein Substrat; und ein mehrschichtiges Beschichtungsschema, umfassend: eine κ-Al₂O₃-Schicht; und eine äußere Schicht aus ZrCN oder HfCN auf der κ-Al₂O₃-Schicht, wobei die äußere Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen etwa –700 MPa und etwa –4,0 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (220)-Reflexion von ZrCN oder HfCN gemessen, und eine Bindeschicht zwischen der κ-Al₂O₃-Schicht und der äußeren Schicht, wobei die Bindeschicht M(O_xC_yN_z) umfasst, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend einen oder mehrere der Folgenden: Titan, Hafnium, Zirkonium, Chrom, Titan-Aluminiumlegierung, Hafnium-Aluminiumlegierung, Zirkonium-Aluminiumlegierung, Chrom-Aluminiumlegierung und ihre Legierungen, und x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und y + z > 0 ist und wobei, wenn M Aluminium ist, mindestens eines von Titan, Hafnium, Zirkonium oder Chrom ebenfalls vorliegt.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei der gestrahlte Spannungszustand in dem Bereich zwischen etwa –2,0 GPa und etwa –4,0 GPa liegt.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mehrschichtige Beschichtungsschema ferner eine innerste TiN-Schicht und eine TiCN-Schicht auf der TiN-Schicht umfasst, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht auf der TiCN-Schicht angeordnet ist.
Beschichteter Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand aufweist, der in dem Bereich von 200 MPa bis –1,3 GPa liegt, wie mittels Röntgenbeugung unter Verwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (122)-Reflexion von κ-Al₂O₃ gemessen.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht ferner eine Mischung mit α-Al₂O₃ umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand aufweist, der in dem Bereich von –200 MPa bis –1,5 GPa liegt, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (122)-Reflexion von κ-Al₂O₃ gemessen.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 3, ferner umfassend eine (Ti_1-bAl_b)(O_xC_yN_z)-Schicht zwischen der TiCN-Schicht und der κ-Al₂O₃-Schicht, wobei 0 ≤ b < 1, x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und x + y + z > 0 ist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Hartmetall, ein Cermet oder eine Keramik umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei die äußere Schicht eine Dicke von 0,5 μm bis 4,5 μm aufweist und die κ-Al₂O₃-Schicht eine Dicke von 1,0 μm bis 15,0 μm aufweist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 9, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht mehrere κ-Al₂O₃-Schichten umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 9, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht ferner abwechselnde Schichten aus κ-Al₂O₃ und α-Al₂O₃ umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz, umfassend: ein Substrat; und ein mehrschichtiges Beschichtungsschema, umfassend: eine κ-Al₂O₃-Schicht; und eine äußere Schicht aus ZrCN oder HfCN auf der κ-Al₂O₃-Schicht, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen etwa 200 MPa und etwa –1,3 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (122)-Reflexion von κ-Al₂O₃ gemessen.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei das mehrschichtige Beschichtungsschema ferner eine innerste TiN-Schicht und eine TiCN-Schicht auf der TiN-Schicht umfasst, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht auf der TiCN-Schicht angeordnet ist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Bindeschicht zwischen der κ-Al₂O₃-Schicht und einer äußeren Schicht, wobei die Bindeschicht M(O_xC_yN_z) umfasst, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend einen oder mehrere der Folgenden: Titan, Hafnium, Zirkonium, Chrom, Titan-Aluminiumlegierung, Hafnium-Aluminiumlegierung, Zirkonium-Aluminiumlegierung, Chrom-Aluminiumlegierung und ihre Legierungen, und x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und y + z > 0 ist, und wobei, wenn M Aluminium ist, mindestens eines von Titan, Hafnium, Zirkonium oder Chrom ebenfalls vorliegt.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 14, ferner umfassend eine (Ti_1-bAl_b)(O_xC_yN_z)-Schicht zwischen der TiCN-Schicht und der κ-Al₂O₃-Schicht, wobei 0 ≤ b < 1, x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und x + y + z > 0 ist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei das Substrat ein Hartmetall, ein Cermet oder eine Keramik umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht mehrere κ-Al₂O₃-Schichten umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht ferner abwechselnde Schichten aus κ-Al₂O₃ und α-Al₂O₃ umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei die äußere Schicht eine Dicke von 0,5 μm bis 4,5 μm aufweist und die κ-Al₂O₃-Schicht eine Dicke von 1,0 μm bis 15,0 μm aufweist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen etwa –200 MPa und etwa –1,5 GPa aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats; Beschichten des Substrats mit einer mehrschichtigen, verschleißfesten Beschichtung mit einer κ-Al₂O₃-Schicht und einer äußeren Zr- oder Hf-Carbonitrid-Außenschicht auf der κ-Al₂O₃-Schicht; und Unterziehen der äußeren Schicht einer Nassdruckstrahlbehandlung, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht einen gestrahlten Spannungszustand in dem Bereich zwischen etwa 200 MPa bis etwa –1,3 GPa aufweist, wie mittels Röntgenbeugung unter Anwendung des psi-Neigungsverfahrens und der (122)-Reflexion von κ-Al₂O₃ gemessen.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes nach Anspruch 21, wobei bei der Nassdruckstrahlbehandlung eine Aufschlämmung benutzt wird, die Aluminiumoxidteilchen und Wasser umfasst, wobei das Aluminiumoxid 5 Vol.-% bis 35 Vol.-% der Aufschlämmung umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes nach Anspruch 21, wobei die Aluminiumoxidteilchen 20 μm bis 100 μm groß sind.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneideinsatzes nach Anspruch 21, wobei die Aufschlämmung bei einem Druck von 35 psi bis 55 psi gestrahlt wird und das Nassdruckstrahlverfahren sechs Sekunden bis fünfundvierzig Sekunden fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die κ-Al₂O₃-Schicht ferner eine Mischung von α-Al₂O₃ umfasst.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei die äußere Schicht von ZrCN oder HfCN einen Druckspannungszustand wie abgeschieden aufweist.
Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 12, wobei die äußere Schicht von ZrCN oder HfCN einen Druckspannungszustand wie abgeschieden aufweist.