DE102014104672A1

DE102014104672A1 - Beschichtetes Schneidwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102014104672A1
Application number: DE102014104672.2A
Authority: DE
Inventors: Joern Kohlscheen
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US9822438B2; CN104975259A; US20150284837A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, bei dem eine Beschichtung mit wenigstens einer Oxidlage auf einen Grundkörper mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird. Das Verfahren umfasst das spannungsgepulste Sputtern wenigstens eines aus der aus Aluminium, Scandium, Yttrium, Silizium, Zink, Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Niob, und Tantal sowie deren Mischungen und Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Kathodenmetalls in Gegenwart eines Reaktivgases; und das Abscheiden wenigstens einer durch Umsetzen des Reaktivgases mit dem gesputterten Kathodenmetall gebildeten Oxidlage auf dem Grundkörper. Das Kathodenmetall umfasst mindestens Aluminium. Als Reaktivgas wird Distickstoffoxid verwendet wird. Die wenigstens eine Oxidlage liegt in Form eines Oxids, Mischoxids oder Oxidgemischs des wenigstens einen Kathodenmetalls vor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper mittels eines Sputterverfahrens aufgebrachten Beschichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Schneidwerkzeug, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist, sowie die Verwendung des Schneidwerkzeugs zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen.
Die zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen wie Stahl und Gusseisen eingesetzten Schneidwerkzeuge bestehen üblicherweise aus einem Grundkörper und einer auf den Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine oder mehrere Lagen von Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid umfassen kann. Die Beschichtung dient dazu, den Schneideinsatz härter und/oder verschleißfester zu machen und die Schneideigenschaften zu verbessern. Zum Aufbringen der Beschichtung werden sowohl CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) als auch PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) verwendet.
Als PVD-Verfahren sind insbesondere das Lichtbogenverdampfen (arc-PVD) und das Kathodenzerstäuben (Sputtern) bekannt. Beim Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmetall (Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einem Plasma beschossen und anschließend auf einem in der Nähe des Targets angeordneten Substrats abgeschieden. In Anwesenheit eines Reaktivgases bilden sich auf dem Substrat Umsetzungsprodukte der Targetatome und des Reaktivgases. Als Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas dient meistens ein Edelgas wie Argon.
Die PVD-Verfahren werden üblicherweise zur Abscheidung von Titannitrid und Titanaluminiumnitrid eingesetzt. Die Aluminiumzugabe erhöht die Härte und Oxidationsbeständigkeit der Titannitrid-Schichten. Bekannt ist auch die Verwendung von titanfreien Schichten wie AlZrN, die mit weiteren chemischen Elementen wie Silizium zur Verbesserung der Schichteigenschaften dotiert werden können.
Die Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Aluminiumoxid erfolgt üblicherweise unter Verwendung von CVD-Verfahren. Aluminiumoxid weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit auf und zeigt zumeist eine hohe Warmhärte und eine geringe thermische Leitfähigkeit. Mit Schichten aus Aluminiumoxid versehene Schneidwerkzeuge eignen sich daher gut zur Trockenzerspanung und/oder zur Bearbeitung von Sonderlegierungen wie Legierungen von Titan und/oder Nickel. Zur besseren Anbindung der Aluminiumoxidschicht an den Grundkörper des Schneidwerkzeugs kann eine Titanaluminiumnitrid-Grundschicht verwendet werden.
PVD-Verfahren zur Abscheidung von harten Aluminiumoxid-Schichten sind erst seit einigen Jahren bekannt. Diese PVD-Verfahren erfordern die Verwendung von spannungsgepulsten Kathoden, um eine Vergiftung der Metalltargets durch das elektrisch nicht-leitende Aluminiumoxid zu vermeiden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 195 18 779 C1 bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden zur Erzeugung der Aluminiumoxid-Schicht zwei Magnetron-Zerstäubungsquellen mit Aluminiumtargets so mit einem Sinusgenerator verbunden, dass die beiden Zerstäubungsquellen mit einer Pulswechselfrequenz von zwischen 20 und 100 kHz im Wechsel als Anode und Kathode der Sputteranordnung wirken.
Als Reaktivgas wird bei dem aus der DE 195 18 779 C1 bekannten Sputter-Verfahren reiner Sauerstoff verwendet. Die Verwendung von reinem Sauerstoff als Reaktivgas kann trotz des spannungsgepulsten Betriebs der Metallkathoden zu einer Belegung der Targets mit Oxidschichten und damit zu Überschlägen und Prozessinstabilitäten führen. Daher wird bei der Abscheidung von Aluminiumoxid durch Sputtern jeweils der sogenannte Arbeitspunkt des Beschichtungssystems ermittelt. Unter dem Arbeitspunkt wird der gerade noch zulässige Sauerstoffdurchfluss verstanden, bevor eine Belegung der Targets mit Oxidschichten und der damit verbundene drastische Abfall der Beschichtungsrate eintritt. Die Ermittlung des Arbeitspunktes erfordert die Festlegung wenigstens einer Regelgröße zur Steuerung der Durchflussrate des Reaktivgases während der Beschichtung.
Die US 2010/0183900 A1 offenbart die Verwendung eines Hochleistungsimpuls-Magnetronsputterns (HIP-IMS), mit dem die Oxidbelegung der Targetoberfläche vermieden werden soll. Gemäß diesem Verfahren wird an einer oder mehreren Kathoden eine HIP-IMS-Entladung mit einer Leistungsdichte von über 200 W/cm², einer Pulsdauer von bis zu 100 µsec und einer Wiederholungsfrequenz von 100 Hz durchgeführt. Als Reaktivgas dient ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff sowie wahlweise Stickstoff und Kohlenwasserstoffen.
Die EP 1 097 250 B1 beschreibt die Abscheidung von Schichten aus γ-Aluminiumoxid durch bipolar gepulstes Dual-Magnetron-Sputtern, bei dem der Reaktivgasfluss so eingestellt wird, dass die Impedanz der Magnetron-Entladung zwischen 150 % und 250 % der Impedanz einer Entladung zwischen vollständig mit Oxid bedeckten Targetelektroden liegt.
Die CA 2059532 betrifft die Herstellung von transparenten Oxidschichten auf einem Substrat, insbesondere von Schichten aus Titanoxid und Zinkoxid. Die Herstellung der Oxidschichten erfolgt durch reaktives Sputtern im Gleichstrombetrieb unter Verwendung von Distickstoffoxid als Bestandteil des Reaktivgases. Die Erzeugung von Hartschichten für Anwendungen im Bereich der Metallzerspanung ist nicht offenbart.
Aus der EP 1 762 638 A2 und der EP 1 762 637 A2 sind mehrlagige Beschichtungen bekannt, die durch PVD-Verfahren auf ein Hartmetallsubstrat aufgebracht werden. Die Beschichtungen zeigen eine Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid, eine darüber liegende PVD-Aluminiumoxidschicht, eine mehrlagige Schicht aus alternierenden Lagen von Titanaluminiumnitrid und Aluminiumoxid sowie eine Deckschicht aus Zirkonnitrid. Ein ähnlicher Schichtaufbau ist aus der US 2011/0268514 A1 bekannt.
Die EP 1 717 346 A offenbart Schneidwerkzeuge mit einem Grundkörper und einer durch ein PVD-Verfahren aufgebrachten Oxidschicht, wobei die Oxidschicht mindestens zwei verschiedene Oxide der Metalle Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y oder Si umfasst, die sowohl als Einzelphase oder als Mischoxid von zwei oder mehr Oxiden der genannten Metalle vorliegen kann.
Die US 2010/183884 A beschreibt ein Schneidwerkzeug mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper durch ein PVD-Verfahren abgeschiedene Beschichtung, die mindestens eine Lage aus einem einzelphasigen metastabilen und wenigstens ternären Oxid von Elementen der Untergruppen IV, V oder VI des Periodensystems sowie von Aluminium und Silizium umfasst.
Der Erfindung liegt gegenüber diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs anzugeben, das eine ein- oder mehrlagige Beschichtung aus oxidhaltigen Hartstoffen aufweist, wobei das Verfahren außerdem eine möglichst flexible Einstellung der Schichteigenschaften bei einer ausreichenden Beschichtungsrate ermöglichen soll.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliches Schneidwerkzeug sowie die Verwendung des Schneidwerkzeugs zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen, insbesondere Stahl, Gusseisen und Sonderlegierungen auf der Grundlage von Nickel und/oder Titan.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Aufbringen einer Beschichtung mit wenigstens einer Oxidlage auf einem Grundkörper mittels eines PVD-Verfahrens, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
spannungsgepulstes Sputtern wenigstens eines aus der aus Magnesium, Aluminium, Scandium, Yttrium, Silizium, Zink, Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Niob, und Tantal sowie deren Mischungen und Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Kathodenmetalls in Gegenwart eines Reaktivgases; und
Abscheiden wenigstens einer durch Umsetzen des Reaktivgases mit dem gesputterten Kathodenmetall gebildeten Oxidlage auf dem Grundkörper,
wobei das Kathodenmetall mindestens Aluminium umfasst,
wobei als Reaktivgas Distickstoffoxid, wahlweise im Gemisch mit Stickstoff, verwendet wird, und
wobei die wenigstens eine Oxidlage in Form eines Oxids, Mischoxids oder Oxidgemischs des wenigstens einen Kathodenmetalls gebildet wird, wahlweise im Gemisch mit einem oder mehreren Oxinitriden des Kathodenmetalls.
Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Schneidwerkzeug mit einem Grundkörper und einer Beschichtung mit einer oder mehreren Oxidlagen, die gemäß dem beschriebenen Verfahren erhältlich sind, sowie die Verwendung des so beschichteten Schneidwerkzeugs zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen, insbesondere von Stahl, Gusseisen, Nickellegierungen und Titanlegierungen.
Die Verwendung von Distickstoffoxid als Reaktivgas erlaubt die Verwendung des spannungsgepulsten Sputterns zur Herstellung von oxidischen Hartschichten unter vereinfachten Bedingungen des PVD-Verfahrens. Zum einen ist die Handhabung von Distickstoffoxid gegenüber reinem Sauerstoff weniger anspruchsvoll. Zum anderen kann die Steuerung des Arbeitspunktes der Oxidabscheidung über die Kathodenspannung oder die Substrat-Biasspannung in weiteren Grenzen erfolgen, da die Belegung der Targets mit nichtleitenden Metalloxiden deutlich reduziert ist. Bei Herstellung von mehrlagigen Schichten mit alternierenden Lagen aus Oxidschichten und Nitridschichten kann die Steuerung des Arbeitspunktes sogar ganz entfallen. Desweiteren muss in diesem Fall vor der Abscheidung der Nitridschichten keine Reinigung der Targets mehr erfolgen, da die Belegung mit Oxiden vernachlässigbar ist. Ebenso müssen die mit einer Oxidschicht belegten Innenflächen der Beschichtungskammer nicht mehr in einem Konditionierungsprozess mit einer leitfähigen (Nitrid-)Schicht überdeckt werden, wie es insbesondere beim Lichtbogenverdampfen von Oxiden nach dem Stand der Technik erforderlich ist.
Der Grundkörper ist vorzugsweise aus der aus Hartmetall, Cermet, kubischem Bornitrid, Stahl und Keramik bestehenden Gruppe ausgewählt. Bevorzugt ist der Grundkörper ein Sinterhartmetall, besonders bevorzugt ein kobaltgebundenes Wolframcarbid, wahlweise mit Zusätzen weiterer kubischer Karbide wie Titancarbid, Niobcarbid und Tantalcarbid.
Die auf den Grundkörper aufgebrachte Beschichtung kann eine Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid Ti_1-xAl_xN umfassen, vorzugsweise in einer Dicke von 1 bis 5 µm. Die Titanaluminiumnitrid-Grundschicht verbessert die Anbindung der weiteren Lagen der Beschichtung an den Grundkörper und begünstigt außerdem die Beständigkeit des beschichteten Schneidkörpers gegen abrasiven Verschleiß.
Die Titanaluminiumnitrid-Grundschicht kann unter Verwendung von bekannten PVD-Verfahren auf den Grundkörper aufgebracht werden. Besonders bevorzugt enthält die Titanaluminiumnitrid-Grundschicht etwa 50 bis 60 Atom-% Al und 40 bis 50 Atom-% Ti im metallischen Anteil (Ti_1-xAl_xN mit 0,5 ≤ x ≤ 0,6).
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren durch Umsetzen von Distickstoffoxid als Reaktivgas mit dem gesputterten Kathodenmetall gebildete Oxidlage der Beschichtung umfasst vorzugsweise Aluminiumoxid. Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht die Oxidlage aus Aluminiumoxid, wahlweise im Gemisch mit Aluminiumoxinitrid. Aluminiumoxid weist eine hohe Härte und eine gute Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit auf. Je nach Schichtdicke kann das Aluminiumoxid auch als Wärmeisolationsschicht dienen. Die Bildung eines Anteils an Aluminiumoxinitrid in der Oxidlage kann auf die Verwendung von Distickstoffoxid zurückgeführt werden. Eine aus Aluminiumoxid bestehende Oxidlage kann daher aufgrund der Bedingungen des PVD-Verfahrens unvermeidbare Anteile an Aluminiumoxinitrid enthalten.
Bevorzugt ist die Aluminiumoxid enthaltende oder daraus bestehende Lage auf der Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid aufgebracht. Die Schichtdicke der Aluminiumoxidschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 6 µm.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die durch Umsetzen des Reaktivgases (Distickstoffoxid) mit dem gesputterten Kathodenmetall gebildete Oxidlage der Beschichtung aus Aluminiumoxid und wahlweise Anteilen von Aluminiumoxinitrid gebildet sein, das mit Anteilen wenigstens eines weiteren Kathodenmetalls aus der aus Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta sowie Kombinationen davon bestehenden Gruppe dotiert ist. Besonders bevorzugt ist eine Dotierung mit Si, Ti, Zr und Cr. Durch die Dotierung mit einem oder mehreren weiteren Metallen die lässt sich das gewünschte Verhältnis von Zähigkeit und Härte der Beschichtung über die Änderung der Spannungen im Kristallgitter und der Mikrostruktur der Oxidlage gezielt einstellen.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des wenigstens einen weiteren Kathodenmetalls von 1 bis 30 Atom-%, bezogen auf den Gesamtanteil der Kathodenmetalle in der Oxidlage, bevorzugt von 2 bis 10 Atom-%.
Das weitere Kathodenmetall kann in Form eines einzelphasigen Mischoxids mit Aluminiumoxid in der Oxidlage vorliegen. Es bilden sich dann sogenannte Substitutionsmischkristalle, in denen einzelne Gitterplätze von Aluminium im Aluminiumoxid durch andere Metallatome ersetzt sind. Mischoxide von Aluminiumoxid und weiteren Metallen werden im Folgenden auch als AlMO_x bezeichnet. Desweiteren wird davon ausgegangen, dass der Begriff „Mischoxide von Aluminiumoxid und weiteren Metallen“ auch solche Mischoxide umfasst, die einen Anteil an Oxidintriden von Aluminium und/oder den weiteren Metallen enthalten, der auf die Verwendung von Distickstoffoxid als Reaktivgas in dem PVD-Verfahren zurückgeht.
Es können sich aber auch Gemische mehrerer Oxidphasen in der Oxidlage ausbilden, bei denen Aluminiumoxid oder ein mit einem weiteren Kathodenmetall dotiertes Aluminiumoxid AlMO_x als Hauptkomponente und ein weiteres Oxid oder Mischoxid als Nebenkomponente in geringerem Anteil, beispielsweise als amorphe Phase an den Korngrenzen der Hauptkomponente, vorliegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die wenigstens eine Oxidlage aus Mischoxiden von Aluminium und Chrom AlCrO_x, Aluminium und Silicium AlSiO_x, Aluminium und Titan AlTiO_x oder Aluminium und Zirkonium AlZrO_x, wobei die atomaren Anteile von Aluminium und dem weiteren Metall variieren können und bevorzugt im Bereich von Al:M = 98:2 bis 70:30 liegen. Die Metallanteile können durch beispielsweise durch Auswahl geeigneter Targets und oder der an die Targets angelegte Kathodenspannung gesteuert werden.
Bevorzugt ist die Oxidlage mit Mischoxiden und/oder Oxidgemischen von Aluminium und dem wenigstens einen weiteren Kathodenmetall auf der Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid aufgebracht. Die Schichtdicke der Oxidlage beträgt in diesem Fall vorzugsweise von 0,1 bis 10 µm, bevorzugt 0,1 bis 6 µm und besonders bevorzugt 0,5 bis 3 µm.
Die Oxidlage aus Aluminiumoxid oder dem mit wenigstens einem weiteren Kathodenmetall dotierten Aluminiumoxid kann als eine einzelne Lage ausgebildet sein, das heißt, sie ist die einzige Oxidlage der Beschichtung.
Die Beschichtung kann aber auch mehrere Oxidlagen aus Oxiden des gesputterten Kathodenmetalls umfassen, wahlweise im Wechsel mit Lagen aus einem oder mehreren Nitriden oder Carbonitriden der Metalle Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta. Die Nitridlagen und/oder Carbonitridlagen können ebenfalls im PVD-Verfahren aufgebracht werden.
Im Falle einer mehrlagigen Beschichtung kann die Zusammensetzung der einzelnen Lagen im Wesentlichen gleich sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mehrlagige Beschichtung aus alternierenden Lagen von Titanaluminiumnitrid Ti_1-xAl_xN und einem Oxid des gesputterten Kathodenmetalls zusammengesetzt. Das Titanaluminiumnitrid weist bevorzugt eine Zusammensetzung von Ti_1-xAl_xN mit 0,4 < x < 0,6 auf. Die alternierenden Lagen von Ti_1-xAl_xN und dem Kathodenmetalloxid können direkt auf der Titanaluminiumnitrid-Grundschicht oder auf einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid oder dotiertem Aluminiumoxid aufgebracht sein, die ihrerseits auf der Grundschicht aus Ti_1-xAl_xN abgeschieden ist. Die Oxidlagen können aus Aluminiumoxid Al₂O₃ bestehen oder sie können aus einem Aluminiumoxid gebildet sein, das mit wenigstens einem weiteren aus der Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta sowie Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählten Kathodenmetall dotiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Zusammensetzung der Lagen aber auch variieren. Insbesondere können die Oxidlagen einen Gradienten mit Bezug auf den Aluminiumgehalt oder den Gehalt an weiterem Metall aufweisen. Der Aluminiumgehalt der Oxidlagen kann vom Grundkörper in Richtung auf die Außenschicht abnehmen und der Gehalt an weiterem Kathodenmetall kann in Richtung auf die Außenschicht zunehmen, und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Zusammensetzung der Oxidlagen mit Bezug auf das weitere Kathodenmetall variieren. So ist möglich, einige oder mehrere Oxidlagen aufzubringen, in denen das Aluminiumoxid beispielsweise abwechselnd mit einem der Metalle Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb oder Ta, vorzugsweise Si, Ti, Zr oder Cr, dotiert ist.
Auch die zwischen den Oxidlagen liegende TiAlN-Schicht kann einen Gradienten mit Bezug auf den Aluminiumanteil aufweisen, vorzugsweise einen vom Grundkörper in Richtung auf die Außenschicht der Beschichtung zunehmenden Aluminiumanteil. Dadurch kann die Haftung der Oxidlagen an der TiAlN-Schicht verbessert werden. Für ein Titanaluminiumnitrid mit der Zusammensetzung Ti_1-xAl_xN variiert x vorzugsweise von 0,4 bis 0,6.
Die Dicke der jeweiligen alternierenden Lagen beträgt etwa 0,1 µm bis 1 µm, vorzugsweise von etwa 0,1 µm bis 0,5 µm und besonders bevorzugt von etwa 0,1µm bis 0,3 µm. Vorzugsweise weist die Schicht aus den alternierenden Lagen etwa 2 bis 10 Wiederholungen von Nitridlage und Oxidlage auf. Die Gesamtdicke der Schicht aus den alternierenden Lagen liegt bevorzugt zwischen 0,5 µm und 5 µm, bevorzugt zwischen 1 und 2 µm.
Die Oxidlagen, die das mit wenigstens einem weiteren Kathodenmetall dotierte Aluminiumoxid enthalten, können durch spannungsgepulstes Sputtern unter Verwendung einer oder mehrerer Aluminiumkathoden mit Anteilen des weiteren Kathodenmetalls erhalten werden. Desweiteren kann eine Aluminiumkathode zusammen mit wenigstens einer weiteren Kathode aus Titan, Zirkon, Hafnium, Silizium und/oder Chrom, deren Mischungen und Legierungen sowie deren Mischungen und Legierungen mit Aluminium eingesetzt werden. Im PVD-Reaktor reagieren die gesputterten Kathodenmetalle mit dem als Reaktivgas zugesetzten Distickstoffoxid und werden als Oxide auf dem Grundkörper abgeschieden.
Als Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas wird üblicherweise ein Edelgas, vorzugsweise Argon verwendet. Der Anteil des Distickstoffoxids im Gasgemisch beträgt vorzugsweise von 5 bis 10 Vol.-%.
In einer Ausführungsform kann das Reaktivgas zusätzlich Stickstoff enthalten. Vorzugweise liegt der Stickstoffanteil im Gasgemisch bei 5 bis 10 Vol.-%. Das Verhältnis von Distickstoffoxid zu Stickstoff variiert vorzugsweise von 1:1 bis 1:0,5. Höhere Stickstoffanteile sind unerwünscht, da sie eine Verringerung der Oxidabscheidungsrate bewirken können.
Die Abscheidung der Oxidlagen erfolgt vorzugsweise durch gepulstes Mittelfrequenzsputtern mit einer Wechselfeldfrequenz von vorzugsweise 10 bis 100 kHz, vorzugsweise 50 kHz. Durch das elektrische Wechselfeld wird vor dem Target ein Argonplasma gezündet und das Kathodenmetall wird zerstäubt.
Die Kathodenspannung liegt vorzugsweise im Bereich von 380 bis 430 V, besonders bevorzugt von 400 bis 420 V.
Vorzugsweise werden zwei nebeneinander angeordnete Kathoden im Mittelfrequenzwechselfeld bipolar gepulst. Die Pulsfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 kHz, bevorzugt zwischen 30 und 60 kHz.
Vorzugsweise wird bei einer Substrat-Biasspannung von –10 bis –80V gearbeitet, besonders bevorzugt von –40 bis –60 V. Soweit die elektrisch nichtleitenden Oxidlagen in dünner Schichtdicke von bis zu 0,5 µm abgeschieden werden, kann auf eine Mittelfrequenzanregung des Substrat-Bias verzichtet werden. Eine Beaufschlagung der Substrate mit Gleichspannung ist dann ausreichend.
Die Substratemperatur beträgt bevorzugt von 500 bis 700 °C.
Der Prozessdruck kann beispielsweise im Bereich von 500 bis 600 mPa liegen, vorzugweise bei 520 bis 550 mPa.
Der Reaktivgasdurchfluss liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 40 sccm, besonders bevorzugt 20 bis 30 sccm und kann über die Einhaltung einer konstanten Kathodenspannung (sogenannter „Arbeitspunkt“) geregelt werden.
Die Beschichtung kann ferner eine Decklage als äußerste Lage aufweisen, deren Farbe sich von der Farbe der unter der Decklage liegenden Lage der Beschichtung unterscheidet. Die Decklage kann in diesem Fall als Marker dienen, um mit bloßem Auge feststellen zu können, ob eine Schneidkante des beschichteten Schneideinsatzes bereits benutzt wurde. Durch nachträgliches Entfernen der Decklage nur auf der Spanfläche lassen sich außerdem Schneidwerkzeuge mit unterschiedlichen Eigenschaften auf den jeweiligen Flächen herstellen, die dann ebenfalls durch visuelle Kontrolle voneinander unterschieden werden können.
Die Decklage kann beispielsweise in gelber Farbe aus einem Nitrid von Titan und/oder Zirkon gebildet sein. Die Decklage aus TiN und/oder ZrN kann ebenfalls im PVD-Verfahren hergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Decklage aus Aluminumoxid oder einem mit einem weiteren Kathodenmetall dotierten Aluminiumoxid gebildet. Die Schichtdicke der Oxid-Decklage beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 µm. Je nach Schichtdicke und Dotierungsgrad kann die Oxid-Decklage einen irisierenden Farbton aufweisen, oder in Farben wie grün, blau, oder rot gehalten sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise Beschichtungen mit folgendem Lagenaufbau erhalten werden: Variante A)

Grundschicht:	Ti_1-xAl_xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 (1–6 µm)
Oxidlage:	Al₂O₃ (0,5–6 µm)
Decklage:	Ti_1-xAl_xN, TiN oder ZrN (0,1 bis 1 µm)

Variante B)

Grundschicht:	Ti_1-xAl_xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 (1–6 µm)
Wahlweise Oxid-Zwischenlage:	Al₂O₃ (0,5–6 µm)
Oxidlage:	Ti_1-xAl_xN und Al₂O₃ (jeweils 0,1–0,5 µm; alternierend, bis zu 10 Wiederholungen)
Deckschicht:	Ti_1-xAl_xN, TiN oder ZrN (0,1 bis 1 µm)

Variante C)

Grundschicht:	Ti_1-xAl_xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 (1–6 µm)
Oxidlage:	AlMO_x mit M = Ti, Zr, Hf, Si und/oder Chrom (0,5–6 µm)
Deckschicht:	Ti_1-xAl_xN, TiN und/oder ZrN (0,1 bis 1 µm)

Variante D)

Grundschicht:	Ti_1-xAl_xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 (1–6 µm)
Wahlweise Oxid-Zwischenlage:	AlMO_x mit M=Ti, Zr, Hf, Si und/oder Cr (0,5–6 µm)
Oxidlage:	Ti_1-xAl_xN und AlMO_x mit M = Ti, Zr, Hf, Si und/oder Cr (jeweils 0,1–0,5 µm; alternierend, bis zu 10 Wiederholungen)
Deckschicht:	Ti_1-xAl_xN, TiN oder ZrN (0,1 bis 2 µm)

Variante E)

Grundschicht:	Ti_1-xAl_xN mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 (1–6 µm)
Oxidlage:	Al₂O₃ oder AlMO_x mit M = Ti, Zr, Hf, Si und/oder Cr (0,1 bis 0,5 µm, als Decklage)

In den Varianten C) und D) können die Lagen aus AlMO_x vorzugsweise einen Gradienten mit Bezug auf den Anteil von Al und/oder M aufweisen. Das atomare Verhältnis von Al/M variiert vorzugsweise von 98:2 bis 70:30.
Desweiteren können die Decklagen in den obigen Varianten A) bis D) erfindungsgemäß durch Oxid-Decklagen aus Al₂O₃ oder AlMO_xersetzt sein, die dann vorzugweise auf einer Lage aus Ti_1-xAl_xN aufgebracht sind.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen beschichteten Schneidwerkzeuge mit wenigstens einer Oxidlage, vorzugsweise einer Oxidlage aus AlMO_x mit M= Ti, Zr, Hf, Si und/oder Chrom, können bevorzugt zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen, insbesondere Stahl, Gusseisen, Nickellegierungen und Titanlegierungen verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Schneidwerkzeugen mit Beschichtungen aus TiAlN können bessere Schneidleistungen mit höheren Werkzeugstandzeiten erzielt werden. Außerdem lassen sich die Schichteigenschaften leicht durch Änderung des Dotierungsgrades ändern und damit in einfacher Weise an besondere Anwendungsbedingungen und Kundenwünsche anpassen.
Die Verwendung von Distickstoffoxid als Reaktivgas erlaubt die Verwendung des spannungsgepulsten Sputterns zur Herstellung von oxidischen Hartschichten unter weniger anspruchsvollen Bedingungen. So kann die Steuerung des Arbeitspunktes über die Kathodenspannung oder die Substrat-Biasspannung in weiten Grenzen erfolgen oder, bei Herstellung von mehrlagigen Schichten mit alternierenden Lagen aus oxidhaltigen Schichten und Nitridschichten, ganz entfallen. Desweiteren muss vor der Abscheidung der Nitridschichten keine Reinigung der Targets mehr erfolgen, da die Belegung mit Oxiden weitestgehend verhindert werden kann. Das PVD-Verfahren kann somit unter einfacheren Bedingungen durchgeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll.
Beispiel 1
In einer PVD-Beschichtungsanlage CC800/9 sinox von Cemecon wurde ein Schneidwerkzeug aus 12,2 Gew.-% Co, 1,4 Gew.-% TaC, 0,9 Gew.-% NbC und 85,5 Gew.-% WC (P-Sorte für das Fräsen von Stahl) mit der nachfolgend angegebenen Beschichtung versehen.

1. TiAlN (Verhältnis Ti:Al von 40:60 at%) als Grundschicht mit einer Schichtdicke von 1,7 µm (im Gleichspannungs-Sputtern abgeschieden);
2. Aluminiumoxid als Oxidlage mit einer Schichtdicke von 0,9 µm
3. TiAlN als Decklage mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 µm

Vor dem Beschichten wurde der Hartmetall-Grundkörper in der Vakuumkammer mit Ar-Ionenbeschuss gereinigt.
Die Abscheidung der TiAlN-Grundschicht erfolgte in bekannter Weise im Gleichspannungsbetrieb.

Die Abscheidung der Oxidlage sowie der TiAlN-Decklage erfolgte durch gepulstes Mittelfrequenz-Sputtern. Die Abscheidungsbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen: Tabelle 1: PVD-Abscheidungsbedingungen

	TiAlN-Grundschicht	Al₂O₃	TiAlN-Decklage
Dauer [s]	5300	6000	500
Substrattemperatur [°C]	600	600	600
Prozessdruck [mPa]	580	530	560
Pulsfrequenz Kathode [kHz]	0	50	50
Kathodenspannung [V]	370	390	330
Biasspannung [–V]	100	60	60
Durchfluss Ar [sccm]	500	500	500
Durchfluss N₂O [sccm]	0	30	0
Durchfluss N₂ [sccm]	105	0	80

Die Beschichtung wurde unter Verwendung von vier Kathoden durchgeführt, die im bipolaren Betrieb gepulst wurden. Es wurden jeweils zwei Al-Targets und zwei Ti₄₀Al₆₀-Targets verwendet. Die Pulsfrequenz lag für beide Targets bei etwa 50 kHz, das TiAl-Target wurde jedoch nur bei geringer Leistung betrieben, um einerseits eine möglichst reines Aluminiumoxid auf den Schneidplatten zu erhalten und andererseits eine Oxidbelegung der TiAl-Targetoberfläche zu verhindern.
Zur Abscheidung von Aluminiumoxid wurde Distickstoffoxid als Reaktivgas in Argon mit einer Konzentration von 6 Vol-% eingesetzt. Der Arbeitspunkt wurde durch Einhaltung einer konstanten Kathodenspannung von etwa 400 V geregelt.
Beispiel 2
Zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach dem Stand der Technik wurde auf einen Hartmetall-Grundkörper gemäß Beispiel 1 eine herkömmliche PVD-Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung bestand aus TiAlN (Verhältnis Ti:Al von 40:60 at%) mit einer Schichtdicke von 1,5 µm (im Gleichspannungs-Sputtern abgeschieden).
Beispiel 3
In einer PVD-Beschichtungsanlage CC800/9 sinox von Cemecon wurde ein Schneidwerkzeug aus 6,1 Gew.-% Co, 83,9 Gew.-% WC (K-Sorte für das Fräsen von Guss) mit der nachfolgend angegebenen Beschichtung versehen.

1. TiAlN (Verhältnis Ti:Al von 40:60 at%) als Grundschicht mit einer Schichtdicke von 3,1 µm (im Gleichspannungs-Sputtern abgeschieden);
2. Aluminiumoxid als Oxid-Decklage mit einer Schichtdicke von 0,1 µm

Die Abscheidung der Oxid-Decklage erfolgte durch gepulstes Mittelfrequenz-Sputtern analog zu den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen, jedoch mit angepassten Beschichtungsdauern.
Beispiel 4
Zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach dem Stand der Technik wurde auf einen Hartmetall-Grundkörper gemäß Beispiel 3 eine herkömmliche PVD-Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung bestand aus TiAlN (Verhältnis Ti:Al von 45:55 at%) mit einer Schichtdicke von 4,8 µm (mit Gleichspannungs-Sputtern abgeschieden).
Schneidversuch 1
In Fräsversuchen mit einem Eckfräser vom Typ M680 an einem Werkstück aus legiertem Stahl 42CrMo4, wurden Schneidwerkzeuge gemäß Beispiel 1 mit einer Schneidplattengeometrie XPHT160412 eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen gemäß Beispiel 2 verglichen.
Es wurde mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min und einem Zahnvorschub fz von 0,25 mm gefräst. Die Schnitttiefe ap betrug 1 mm und die Eingriffsbreite ae betrug 20 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte trocken.
Mit den erfindungsgemäß hergestellten Schneidwerkzeugen aus Beispiel 1 konnten bis zum Standzeitende eine höhere Fräslänge erreicht werden als mit den Vergleichswerkzeugen. Das Standzeitende definiert sich durch Erreichen einer Verschleißmarkenbreite von 0,1 mm oder durch Bruch der Schneidkante.
Mit den untersuchten Schneidwerkzeugen wurden die folgenden Fräslängen (Mittelwert aus zwei Fräsversuchen im sog. „Einzahnversuch“) erzielt:
Beispiel 1:
14400 mm (bzw. 5330 mm pro Mikrometer Schichtdicke)
Beispiel 2 (TiAlN-Schicht nach dem Stand der Technik):
6400 mm (bzw. 4270 mm pro Mikrometer Schichtdicke).
Schneidversuch 2
In Fräsversuchen mit einem Eckfräser vom Typ M680 an einem Werkstück aus Sphäroguss GJS-700, wurden Schneidwerkzeuge gemäß Beispiel 3 mit einer Schneidplattengeometrie XPHT160412 eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen gemäß Beispiel 4 verglichen.
Es wurde mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min und einem Zahnvorschub fz von 0,25 mm gefräst. Die Schnitttiefe ap betrug 2 mm und die Eingriffsbreite ae betrug 20 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte trocken.
Mit den erfindungsgemäß hergestellten Schneidwerkzeugen aus Beispiel 3 konnten bis zum Standzeitende eine höhere Fräslänge erreicht werden als mit den Vergleichswerkzeugen. Das Standzeitende definiert sich durch Erreichen einer Verschleißmarkenbreite von 0,2 mm oder durch Bruch der Schneidkante.
Mit den untersuchten Schneidwerkzeugen wurden die folgenden Fräslängen (Mittelwert aus zwei Fräsversuchen im sog. „Einzahnversuch“) erzielt:
Beispiel 3:
8500 mm (bzw. 2800 mm pro Mikrometer Schichtdicke)
Beispiel 4 (TiAlN-Schicht nach dem Stand der Technik):
8250 mm (bzw. 1700 mm pro Mikrometer Schichtdicke)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19518779 C1 [0006, 0007]
US 2010/0183900 A1 [0008]
EP 1097250 B1 [0009]
CA 2059532 [0010]
EP 1762638 A2 [0011]
EP 1762637 A2 [0011]
US 2011/0268514 A1 [0011]
EP 1717346 A [0012]
US 2010/183884 A [0013]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper aufgebrachten Beschichtung mit wenigstens einer Oxidlage, welches die folgenden Schritte umfasst: spannungsgepulstes Sputtern wenigstens eines aus der aus Magnesium, Aluminium, Scandium, Yttrium, Silizium, Zink, Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Niob und Tantal sowie deren Mischungen und Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Kathodenmetalls in Gegenwart eines Reaktivgases; und Abscheiden wenigstens einer durch Umsetzen des Reaktivgases mit dem gesputterten Kathodenmetall gebildeten Oxidlage auf dem Grundkörper, wobei das Kathodenmetall mindestens Aluminium umfasst, wobei als Reaktivgas Distickstoffoxid, wahlweise im Gemisch mit Stickstoff, verwendet wird, und wobei die wenigstens eine Oxidlage in Form eines Oxids, Mischoxids oder Oxidgemischs des wenigstens einen Kathodenmetalls gebildet wird, wahlweise im Gemisch mit einem oder mehreren Oxinitriden des Kathodenmetalls.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus der aus Hartmetall, Cermet, kubischem Bornitrid, Stahl und Keramik bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Grundkörper eine Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsgepulste Sputtern unter Verwendung einer oder mehrerer Aluminiumkathoden mit Anteilen eines weiteren Kathodenmetalls wie Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und/oder Ta, deren Mischungen und Legierungen sowie deren Mischungen und Legierungen mit Aluminium bestehenden Gruppe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass spannungsgepulste Sputtern unter Verwendung einer oder mehrerer Aluminiumkathoden zusammen mit wenigstens einer weiteren Kathode aus Titan, Zirkon, Hafnium, Silizium und/oder Chrom, deren Mischungen und Legierungen sowie deren Mischungen und Legierungen mit Aluminium durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oxidlage aus Aluminiumoxid besteht, wahlweise dotiert mit Anteilen wenigstens eines weiteren Kathodenmetalls, das aus der aus Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta sowie Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oxidlage aus einem mit wenigstens einem weiteren Kathodenmetall dotierten Aluminiumoxid besteht, wobei das weitere Metall aus der aus Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta bestehenden Gruppe ausgewählt ist und der Anteil des weiteren Kathodenmetalls von 1 bis 30 Atom-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mehrere Oxidlagen umfasst, wahlweise im Wechsel mit einem oder mehreren Nitriden oder Carbonitriden der Metalle Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta, oder mit Titanaluminiumnitrid.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Oxidlagen einen Gradienten mit einem vom Grundkörper in Richtung auf die äußerste Oxidlage abnehmenden Aluminiumgehalt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der alternierenden Lagen jeweils von etwa 0,1 µm bis 0,5 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern unter Verwendung eines Gasgemischs aus Argon und Distickstoffoxid durchgeführt wird, wobei der Anteil des Distickstoffoxids im Gasgemisch von 5 bis 10 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern durch gepulstes Mittelfrequenzsputtern mit einer Wechselfeldfrequenz von 10 bis 100 kHz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern unter Verwendung von bipolar gepulsten Kathoden bei einer Pulsfrequenz von 10 bis 100 kHz erfolgt.
Schneidwerkzeug mit einem Grundkörper und einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine oder mehrere Oxidlagen aufweist, die durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 erhältlich sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf dem Grundkörper eine Grundschicht aus Titanaluminiumnitrid aufgebracht ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oxidlage aus Aluminiumoxid und wahlweise Aluminiumoxinitrid besteht, wahlweise dotiert mit Anteilen wenigstens eines weiteren Kathodenmetalls aus der aus Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta sowie Kombinationen davon bestehenden Gruppe.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oxidlage aus einem mit wenigstens einem weiteren Kathodenmetall dotierten Aluminiumoxid und wahlweise Aluminiumoxinitrid besteht, wobei das weitere Metall aus der aus Mg, Sc, Y, Si, Zn, Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta bestehenden Gruppe ausgewählt ist und der Anteil des weiteren Kathodenmetalls von 1 bis 30 Atom-% beträgt.
Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mehrere Oxidlagen umfasst, wahlweise im Wechsel mit einem oder mehreren Nitriden oder Carbonitriden der Metalle Ti, Zr, Hf, Cr, Nb und Ta oder mit Titanaluminiumnitrid.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Oxidlagen einen Gradienten mit einem vom Grundkörper in Richtung auf die äußerste Oxidlage abnehmenden Aluminiumgehalt aufweisen.
Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine aus der Oxidlage gebildete Decklage aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,5 µm aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer direkt auf dem Grundkörper aufgebrachten Titanaluminiumnitridschicht und der aus der Oxidlage gebildeten Decklage besteht.
Verwendung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22 zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen, insbesondere Stahl, Gusseisen, Nickellegierungen und Titanlegierungen.