DE102020000305A1

DE102020000305A1 - Beschichtetes Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE102020000305A1
Application number: DE102020000305.2A
Authority: DE
Inventors: Kinya Takahashi; Naoyuki Fukushima
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2020-07-23
Also published as: US20200230707A1; US11253927B2; JP2020116646A; CN111455348A; CN111455348B; JP6999585B2

Abstract

Ein beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer Auftragsschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, wobei: die Auftragsschicht eine Unterschicht, eine Zwischenschicht und eine Oberschicht in dieser Reihenfolge von der Substratseite aufweist; die Unterschicht eine oder zwei oder mehr Ti-Verbindungsschichten aufweist, die eine Ti-Verbindung aus Ti und einem Element mindestens einer Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht, die Zwischenschicht eine α-AlO-Schicht aufweist, die α-AlOenthält, und die Oberschicht eine TiCNO-Schicht aufweist, die TiCNO enthält; eine mittlere Dicke der Auftragsschicht mindestens 5,0 µm und höchstens 30,0 µm beträgt; in einem spezifischen ersten Querschnitt eine Fehlorientierung A eine spezifische Bedingung erfüllt; und in einem spezifischen zweiten Querschnitt eine Fehlorientierung B eine spezifische Bedingung erfüllt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug.
Hintergrund der Technik
Bekanntlich ist ein herkömmliches beschichtetes Schneidwerkzeug, das zum Schneiden von Stahl, Gusseisen usw. zum Einsatz kommt, ein beschichtetes Schneidwerkzeug, das erhalten wird, indem durch chemisches Aufdampfen eine Auftragsschicht mit einer Gesamtdicke von mindestens 3 µm bis höchstens 20 µm auf einer Oberfläche eines Substrats, das aus einem Hartmetall besteht, abgeschieden wird,. Ein bekanntes Beispiel für diese Auftragsschicht ist eine Auftragsschicht, die aus einer einzelnen Schicht einer Art besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Ti-Carbid, einem Ti-Nitrid, einem Ti-Carbonitrid, einem Ti-Carboxid, einem Ti-Oxycarbonitrid und Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, oder die aus mehreren Schichten aus zwei oder mehr daraus ausgewählten Arten besteht.
Die JP2013-132717 A offenbart ein oberflächenbeschichtetes Schneidwerkzeug, in dem eine sich aus einer Titanverbindungsschicht zusammensetzende Unterschicht und eine sich aus einer Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃-Schicht) zusammensetzende Oberschicht als harte Auftragsschicht durch Aufdampfen auf der Oberfläche eines Werkzeugsubstrats, das durch ein Hartmetall auf Wolframcarbidbasis aufgebaut ist, gebildet sind, , wobei die sich aus einer Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃-Schicht) zusammensetzende Oberschicht einen (006)-Orientierungs-Texturkoeffizient TC(006) von mindestens 1,8 und ein Verhältnis I(104)/I(110) einer Peakintensität 1(104) einer (104)-Orientierung zu einer Peakintensität I(110) einer (110)-Orientierung von 0,5 bis 2,0 aufweist und ein Absolutwert eines Restspannungswerts in der Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃-Schicht) höchstens 100 MPa beträgt.
Zusammenfassung
Technisches Problem
In letzter Zeit ist beim Schneiden ein Anstieg von Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe auffälliger geworden, und die Verschleißfestigkeit eines Werkzeugs und seine Bruchfestigkeit verglichen mit dem Stand der Technik weiter verbessert werden müssen. Insbesondere beobachtet man seit einigen Jahren eine zunehmende Anzahl von Schneidvorgängen, bei denen eine Last auf ein beschichtetes Schneidwerkzeug ausgeübt wird, z. B. beim Hochgeschwindigkeitsschneiden von Stahl, und unter so rauen Schneidbedingungen kommt es bei den herkömmlichen Werkzeugen zu Kolkverschleiß und Bruch infolge von Ausfall von Körnern der Auftragsschicht, was es unmöglich macht, die Werkzeuglebensdauer zu verlängern.
Die Erfindung kam angesichts dieser Umstände zustande, und der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein beschichtetes Schneidwerkzeug bereitzustellen, das ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit hat und das entsprechend eine verlängerte Werkzeuglebensdauer ermöglicht.
Problemlösung
Im Rahmen der Erfindung untersuchte man aus dieser Perspektive die Verlängerung der Werkzeuglebensdauer eines beschichteten Schneidwerkzeugs. Festgestellt wurde, dass mit der später beschriebenen Konfiguration, in der eine α-Al₂O₃-Schicht und eine TiCNO-Schicht in dieser Reihenfolge von der Substratseite gestapelt sind, das Verhältnis von Körnern mit einer vorbestimmten Kristallorientierung in jeweiligen vorbestimmten Bereichen der α-Al₂O₃-Schicht und der TiCNO-Schicht mindestens einen spezifischen Wert hat und die mittlere Dicke der Auftragsschicht in einem vorbestimmten Bereich liegt, der Verschleißwiderstand verbessert sein kann und der Bruchwiederstand ebenfalls verbessert sein kann, indem der Ausfall von Körnern unterdrückt ist, und als Ergebnis die Werkzeuglebensdauer verlängert sein kann. Auf der Grundlage dieser Feststellung kam die Erfindung zustande.
Somit handelt es sich bei der Erfindung um Folgendes.

[1] Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer Auftragsschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, wobei:
- die Auftragsschicht eine Unterschicht, eine Zwischenschicht und eine Oberschicht in dieser Reihenfolge von der Substratseite aufweist;
- die Unterschicht eine oder zwei oder mehr Ti-Verbindungsschichten aufweist, die eine Ti-Verbindung aus Ti und einem Element mindestens einer Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht, die Zwischenschicht eine α-Al₂O₃-Schicht aufweist, die α-Al₂O₃ enthält, und die Oberschicht eine TiCNO-Schicht aufweist, die TiCNO enthält;
- eine mittlere Dicke der Auftragsschicht mindestens 5,0 µm und höchstens 30,0 µm beträgt;
- in einem ersten Querschnitt parallel zu einer Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zum Substrat hin eine Fehlorientierung A eine durch eine folgende Formel (i) dargestellte Bedingung erfüllt; und
- in einem zweiten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche hin auf der gegenüberliegenden Seite davon eine Fehlorientierung B eine durch eine folgende Formel (ii) dargestellte Bedingung erfüllt: $RSA \geq 40$
  in der Formel (i) ist RSA ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im ersten Querschnitt ist und die Fehlorientierung A ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum ersten Querschnitt und eine Normale zu einer (001)-Orientierung eines Korns der α-Al₂O₃-Schicht in der Zwischenschicht gebildet ist; und $RSB \geq 40$
- in der Formel (ii) ist RSB ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im zweiten Querschnitt ist und die Fehlorientierung B ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum zweiten Querschnitt und eine Normale zu einer (111)-Orientierung eines Korns der TiCNO-Schicht in der Oberschicht gebildet ist.
[2] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Punkt [1], wobei der RSA-Wert mindestens 50 Flächen-% beträgt.
[3] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Punkt [1] oder [2], wobei der RSB-Wert mindestens 50 Flächen-% beträgt.
[4] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [3], wobei sich die Oberschicht aus einer TiCNO-Schicht zusammensetzt, die eine Verbindung mit einer Zusammensetzung enthält, die durch eine folgende Formel (1) dargestellt ist: Ti(C_1-x-yN_xO_y) (1), wobei x ein Atomverhältnis des Elements N auf der Grundlage einer Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet, y ein Atomverhältnis des Elements O auf der Grundlage der Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet und 0,15 ≤ x ≤ 0,65 sowie 0,01 ≤ y ≤ 0,20 gelten.
[5] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [4], wobei eine mittlere Dicke der Oberschicht mindestens 1,0 µm und höchstens 6,0 µm beträgt.
[6] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [5], wobei eine mittlere Dicke der Zwischenschicht mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm beträgt.
[7] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [6], wobei eine mittlere Dicke der Unterschicht mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm beträgt.
[8] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [7], wobei die Ti-Verbindung, die die Ti-Verbindungsschicht bildet, mindestens eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus TiN, TiC, TiCN, TiCNO, TiON und TiB₂ besteht.
[9] Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Punkte [1] bis [8], wobei das Substrat ein Hartmetall, ein Cermet, eine Keramik oder ein Sinterkörper aus kubischem Bornitrid ist.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Erfindung kam zur Lösung dieses Problems zustande und kann ein beschichtetes Schneidwerkzeug bereitstellen, das ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit hat, wodurch die Werkzeuglebensdauer verlängert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen beschichteten Schneidwerkzeugs zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachstehend wird eine Ausführungsform zur Umsetzung der Erfindung (im Folgenden einfach „die Ausführungsform“ genannt) näher beschrieben, gegebenenfalls anhand der beigefügten Zeichnungen. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die folgende Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Abwandlungen können an der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Sofern nicht anders festgelegt, beruhen in den Zeichnungen Positionsbeziehungen, z. B. senkrechte und waagerechte Beziehungen, auf den Positionsbeziehungen gemäß den Zeichnungen. Ferner sind die Maßverhältnisse der Zeichnungen nicht auf die darin gezeigten beschränkt.
Das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform weist ein Substrat und eine Auftragsschicht auf, die auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist. Die Auftragsschicht weist eine Unterschicht, eine Zwischenschicht und eine Oberschicht in dieser Reihenfolge von der Substratseite auf. Die Unterschicht weist eine oder zwei oder mehr Ti-Verbindungsschichten auf, die eine Ti-Verbindung aus Ti und einem Element mindestens einer Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht. Die Zwischenschicht weist eine α-Al₂O₃-Schicht auf, die α-Al₂O₃ enthält, und die Oberschicht weist eine TiCNO-Schicht auf, die TiCNO enthält. Eine mittlere Dicke der Auftragsschicht beträgt mindestens 5,0 µm und höchstens 30,0 µm. In einem ersten Querschnitt parallel zu einer Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zum Substrat hin erfüllt eine Fehlorientierung A eine durch eine folgende Formel (i) dargestellte Bedingung; und in einem zweiten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche hin auf der gegenüberliegenden Seite davon erfüllt eine Fehlorientierung B eine durch eine folgende Formel (ii) dargestellte Bedingung: $RSA \geq 40$
in der Formel (i) ist RSA ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im ersten Querschnitt, und die Fehlorientierung A ist ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum ersten Querschnitt und eine Normale zu einer (001)-Orientierung eines Korns der α-Al₂O₃-Schicht in der Zwischenschicht gebildet ist;
und $RSB \geq 40$
in der Formel (ii) ist RSB ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im zweiten Querschnitt und die Fehlorientierung B ist ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum zweiten Querschnitt und eine Normale zu einer (111)-Orientierung eines Korns der TiCNO-Schicht in der Oberschicht gebildet ist.
Das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform weist die zuvor beschriebenen Konfigurationen auf, was ermöglicht, die Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs zu verbessern; als Ergebnis kann die Werkzeuglebensdauer des Schneidwerkzeugs verlängert werden. Die Faktoren für die Verbesserungen der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs der Ausführungsform können wie im Folgenden festgelegt werden. Allerdings ist die Erfindung keineswegs durch die später aufgeführten Faktoren beschränkt. Da anders gesagt im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform zunächst die mittlere Dicke der Auftragsschicht mindestens 5,0 µm beträgt, ist die Verschleißfestigkeit verbessert, und da die mittlere Dicke der Auftragsschicht höchstens 30,0 µm beträgt, sind die Haftung der Auftragsschicht am Substrat und die Bruchfestigkeit verbessert. Die Zwischenschicht der Auftragsschicht, die in der Ausführungsform verwendet wird, hat eine α-Al₂O₃-Schicht, und die α-Al₂O₃-Schicht hat die bevorzugte Orientierung einer (001)-Orientierung, um die vorstehende Formel (i) zu erfüllen. Hat das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform eine solche α-Al₂O₃-Schicht mit der bevorzugten Orientierung einer (001)-Orientierung, so hat das Schneidwerkzeug ausgezeichnete Kolkverschleißfestigkeit hauptsächlich infolge von ausgezeichneter Wärmefestigkeit und zeigt damit hervorragende Verschleißfestigkeit. Da aber die Zwischenschicht mit der α-Al₂O₃-Schicht, die die bevorzugte Orientierung einer (001)-Orientierung hat, im Hinblick auf die Haftung minderwertig ist, kann es zu Ausfall von Körnern unter Schneidbedingungen kommen, unter denen eine Last auf das beschichtete Schneidwerkzeug wirkt. Somit hat das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform eine Oberschicht mit einer TiCNO-Schicht, die die bevorzugte Orientierung einer (11 1)-Orientierung hat, um die Formel (ii) zu erfüllen, auf der Oberfläche der Zwischenschicht mit der α-Al₂O₃-Schicht, wodurch es möglich wird, den Ausfall von Körnern der α-Al₂O₃-Schicht hauptsächlich infolge von guter Haftung zwischen der TiCNO-Schicht und der α-Al₂O₃-Schicht zu unterdrücken. Als Ergebnis sind die Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit verbessert. Da ferner im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform die Oberschicht auch Sauerstoff „O“ enthält, ist die Haftung mit der α-Al₂O₃-Schicht verbessert, und zudem ist die Oxidationsfestigkeit verbessert. Durch Kombinieren der vorgenannten Konfigurationen kann das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit haben, weshalb davon ausgegangen werden kann, dass die Werkzeuglebensdauer verlängert werden kann.
1 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines beschichteten Schneidwerkzeugs der Ausführungsform zeigt. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug 6 ist mit einem Substrat 1 und einer Auftragsschicht 5 versehen, die auf einer Oberfläche des Substrats 1 angeordnet ist, und eine Unterschicht 2, eine Zwischenschicht 3 und eine Oberschicht 4 sind in dieser Reihenfolge von der Substratseite in Aufwärtsrichtung in der Auftragsschicht 5 laminiert.
Das beschichtete Schneidwerkzeug gemäß der Ausführungsform weist ein Substrat und eine auf einer Oberfläche des Substrats gebildete Auftragsschicht auf. Zu spezifischen Beispielen für Arten des beschichteten Schneidwerkzeugs gehören ein Wendeschneideinsatz zum Fräsen oder Drehen, ein Bohrer und ein Schaftfräser.
Das in der Ausführungsform verwendete Substrat unterliegt keiner speziellen Einschränkung, solange es als Substrat für ein beschichtetes Schneidwerkzeug verwendet werden kann. Zu Beispielen für ein solches Substrat zählen ein Hartmetall, Cermet, Keramik, ein Sinterkörper aus kubischem Bornitrid, ein Diamantsinterkörper und Hochgeschwindigkeitsstahl. Unter den zuvor genannten Beispielen weist das Substrat vorzugsweise ein Hartmetall, Cermet, Keramik oder einen Sinterkörper aus kubischem Bornitrid auf, da damit für noch bessere Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit gesorgt ist, und aus gleicher Sicht weist das Substrat stärker bevorzugt ein Hartmetall auf.
Zu beachten ist, dass die Oberfläche des Substrats modifiziert sein kann. Weist beispielsweise das Substrat ein Hartmetall auf, kann eine β-freie Schicht auf seiner Oberfläche gebildet sein, und weist das Substrat Cermet auf, kann eine gehärtete Schicht auf seiner Oberfläche gebildet sein. Der Betrieb und die Wirkungen der Erfindung kommen auch dann zustande, wenn die Substratoberfläche so modifiziert wurde.
Die mittlere Dicke der in der Ausführungsform verwendeten Auftragsschicht beträgt mindestens 5,0 µm und höchstens 30,0 µm. Beträgt im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform die mittlere Dicke der Auftragsschicht mindestens 5,0 µm, ist die Verschleißfestigkeit verbessert, und beträgt die mittlere Dicke der Auftragsschicht höchstens 30,0 µm, sind die Haftung der Auftragsschicht am Substrat und die Bruchfestigkeit verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der Auftragsschicht stärker bevorzugt mindestens 10,0 µm und höchstens 27,0 µm und noch stärker bevorzugt mindestens 14,8 µm und höchstens 25,4 µm. Zu beachten ist, dass hinsichtlich der mittleren Dicke jeder Schicht und der mittleren Dicke der gesamten Auftragsschicht im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform jede von solchen mittleren Dicken erhalten werden kann durch: Messen der Dicke jeder Schicht oder der Dicke der gesamten Auftragsschicht anhand von jeder der Querschnittflächen an mindestens drei Stellen in jeder Schicht oder in der gesamten Auftragsschicht; und anschließendes Berechnen des arithmetischen Mittels der resultierenden Messungen.
Unterschicht
Die in der Ausführungsform verwendete Unterschicht weist eine oder zwei oder mehr Ti-Verbindungsschichten auf, die sich aus einer Ti-Verbindung von Ti und einem Element mindestens einer Art zusammensetzen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht. Weist das beschichtete Schneidwerkzeug die Unterschicht zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht mit der α-Al₂O₃-Schicht auf, sind die Verschleißfestigkeit und Haftung verbessert.
Zu Beispielen für die Ti-Verbindungsschichten gehören eine TiC-haltige TiC-Schicht, eine TiN-haltige TiN-Schicht, eine TiCN-haltige TiCN-Schicht, eine TiCOhaltige TiCO-Schicht, eine TiCNO-haltige TiCNO-Schicht, eine TiON-haltige TiON-Schicht und eine TiB₂-haltige TiB₂-Schicht.
Die Unterschicht kann durch eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten (beispielsweise zwei oder drei Schichten) gebildet sein. Jedoch ist die Unterschicht vorzugsweise durch mehrere Schichten gebildet, stärker bevorzugt durch zwei oder drei Schichten gebildet und noch stärker bevorzugt durch drei Schichten gebildet. Aus Sicht der weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Haftung ist die Ti-Verbindung, die die Ti-Verbindungsschicht bildet, die zur Unterschicht gehört, vorzugsweise mindestens eine, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus TiN, TiC, TiCN, TiCNO, TiON und TiB₂ besteht. Zusätzlich ist bevorzugt, dass mindestens eine der Unterschichten eine TiCN-Schicht ist, da die Verschleißfestigkeit weiter verbessert ist. Ist die Unterschicht durch drei Schichten gebildet, kann eine als erste Schicht dienende TiC-Schicht oder TiN-Schicht auf einer Oberfläche des Substrats gebildet sein; eine als zweite Schicht dienende TiCN-Schicht kann auf einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet sein; und eine als dritte Schicht dienende TiCNO-Schicht oder TiCO-Schicht kann auf einer Oberfläche der zweiten Schicht gebildet sein. Insbesondere kann hinsichtlich der Unterschicht eine als erste Schicht dienende TiN-Schicht auf einer Oberfläche des Substrats gebildet sein; eine als zweite Schicht dienende TiCN-Schicht kann auf einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet sein; und eine als dritte Schicht dienende TiCNO-Schicht kann auf einer Oberfläche der zweiten Schicht gebildet sein.
Die mittlere Dicke der in der Ausführungsform verwendeten Unterschicht beträgt vorzugsweise mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm. Das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform hat verbesserte Verschleißfestigkeit, da die mittlere Dicke der Unterschicht mindestens 3,0 µm beträgt. Da weiterhin im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform die mittlere Dicke der Unterschicht höchstens 15,0 µm beträgt, ist die Bruchfestigkeit hauptsächlich durch die Unterdrückung von Ablösung der Auftragsschicht verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der Unterschicht stärker bevorzugt mindestens 3,5 µm und höchstens 13,0 µm, noch stärker bevorzugt mindestens 4,0 µm und höchstens 12,5 µm und besonders bevorzugt mindestens 4,9 µm und höchstens 12,4 µm.
Aus Sicht der weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit beträgt die mittlere Dicke der TiC-Schicht oder TiN-Schicht vorzugsweise mindestens 0,05 µm und höchstens 1,0 µm. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der TiC-Schicht oder TiN-Schicht stärker bevorzugt mindestens 0,10 µm und höchstens 0,5 µm und noch stärker bevorzugt mindestens 0,15 µm und höchstens 0,3 µm.
Aus Sicht der weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit beträgt die mittlere Dicke der TiCN-Schicht vorzugsweise mindestens 2,0 µm und höchstens 20,0 µm. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der TiCN-Schicht stärker bevorzugt mindestens 2,5 µm und höchstens 15,0 µm und noch stärker bevorzugt mindestens 3,0 µm und höchstens 12,0 µm.
Aus Sicht der weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit beträgt die mittlere Dicke der TiCNO-Schicht oder TiCO-Schicht vorzugsweise mindestens 0,1 µm und höchstens 1,0 µm. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der TiCNO-Schicht oder TiCO-Schicht stärker bevorzugt mindestens 0,2 µm und höchstens 0,5 µm.
Die Ti-Verbindungsschicht setzt sich aus einer Ti-Verbindung aus Ti und einem Element mindestens einer Art zusammen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht. Allerdings kann eine solche Ti-Verbindungsschicht eine sehr kleine Menge anderer Komponenten als die vorgenannten Elemente enthalten, solange sie für den Betrieb und die Wirkungen der Unterschicht sorgt.
Zwischenschicht
Die in der Ausführungsform verwendete Zwischenschicht weist eine α-Al₂O₃-haltige α-Al₂O₃-Schicht auf. In der Zwischenschicht, die in der Ausführungsform verwendet wird, erfüllt in einem ersten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zum Substrat eine Fehlorientierung A eine durch eine folgende Formel (i) dargestellte Bedingung: $RSA \geq 40$
(in der Formel (i) ist RSA ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im ersten Querschnitt, und die Fehlorientierung A ist ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum ersten Querschnitt und eine Normale zu einer (001)-Orientierung eines Korns der α-Al₂O₃-Schicht in der Zwischenschicht gebildet ist).
Da das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform ausgezeichnete Kolkverschleißfestigkeit als Ergebnis dessen hat, dass der RSA-Wert mindestens 40 Flächen-% beträgt, kann die Verschleißfestigkeit verbessert sein. Aus gleicher Sicht beträgt der RSA-Wert vorzugsweise mindestens 50 Flächen-% (beispielsweise mindestens 50 Flächen-% und höchstens 80 Flächen-%) und stärker bevorzugt mindestens 60 Flächen-%.
Der RSA-Wert kann durch das folgende Verfahren bestimmt werden. In einem ersten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zum Substrat wird die Summe (RSA_Total) der Flächen der Querschnitte von Körnern mit einer Fehlorientierung A des zwischen der Normalen zum ersten Querschnitt und der Normalen zur (001)-Orientierung der Körner der α-Al₂O₃-Schicht in der Zwischenschicht gebildeten Winkels von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad als 100 Flächen-% zugrunde gelegt, ein Verhältnis (Flächen-%) der Summe der Querschnittflächen von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und unter 10 Grad zum RSA_Total-Wert wird bestimmt, und dieses Verhältnis kann als RSA zugrunde gelegt werden. Beim Erhalten des RSA-Werts (Flächen-%) kann die Querschnittfläche jedes Korns beispielsweise mit Hilfe einer Elektronenrückstreubeugungsbild- (EBSD) Vorrichtung, die in ein Rasterelektronenmikroskop (REM) eingebaut ist, eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-REM) o. ä. gemessen werden. Mit EBSD wird die Kristallorientierung jedes Kristalls der Körner bestimmt, die Querschnittfläche des Korns mit festgelegter Kristallorientierung wird in einen der Abschnitte in beispielsweise jeweiligen 5-Grad-Teilungen klassifiziert, und die Querschnittflächen der Körner in jedem Abschnitt werden erhalten. Danach wird beispielsweise eine Summe der Querschnittflächen von Körnern für die folgenden Abschnitte erhalten: einen Abschnitt von mindestens 0 Grad und unter 10 Grad, einen Abschnitt von mindestens 10 Grad und unter 20 Grad, einen Abschnitt von mindestens 20 Grad und unter 30 Grad und einen Abschnitt von mindestens 30 Grad bis höchstens 45 Grad. In diesem Fall wird eine Summe der Flächen der Querschnitte der Körner mit mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad als 100 Flächen-% zugrunde gelegt. Dann kann ein Verhältnis der Querschnittflächen von Körnern in jedem der Abschnitte zur Summe RSA_Total (100 Flächen-%) erhalten werden, und das resultierende Verhältnis kann als RSA zugrunde gelegt werden. Zu beachten wäre, dass die durch die Formel (i) dargestellte Bedingung nicht unbedingt im gesamten Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zur Substratseite erfüllt werden muss und im Hinblick auf jeden Querschnitt im vorgenannten Bereich erfüllt sein kann.
Insbesondere kann das folgende Verfahren zum Einsatz kommen. Zuerst wird eine Probe im FE-REM eingesetzt. Die Probe wird mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 1,0 nA in einem Einfallswinkel von 70 Grad bestrahlt. Für einen Messbereich von 30 µm × 50 µm ist bevorzugt, die Fehlorientierung des in diesem Bereich vorhandenen Kornquerschnitts zu bestimmen, indem die EBSD auf eine Schrittgröße von 0,1 µm eingestellt wird.
Die mittlere Dicke der in der Ausführungsform verwendeten Zwischenschicht beträgt vorzugsweise mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm. Beträgt die mittlere Dicke der Zwischenschicht mindestens 3,0 µm, ist die Kolkverschleißfestigkeit auf der Spanfläche des beschichteten Schneidwerkzeugs in der Tendenz weiter verbessert, und beträgt die mittlere Dicke der Zwischenschicht höchstens 15,0 µm, ist die Ablösung der Auftragsschicht weiter unterdrückt und die Bruchfestigkeit des beschichteten Schneidwerkzeugs ist in der Tendenz weiter verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der Zwischenschicht stärker bevorzugt mindestens 3,0 µm und höchstens 12,0 µm und noch stärker bevorzugt mindestens 3,0 µm und höchstens 10,0 µm.
Die Zwischenschicht braucht nur eine Schicht zu haben, die α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃) enthält, und kann andere Komponenten als α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃) enthalten oder nicht enthalten, solange sie für den Betrieb und die Wirkungen der Erfindung sorgt.
Oberschicht
Die in der Ausführungsform verwendete Oberschicht weist eine TiCNO-haltige TiCNO-Schicht auf. In der Oberschicht, die in der Ausführungsform verwendet wird, erfüllt in einem zweiten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche auf der gegenüberliegenden Seite davon die Fehlorientierung B eine durch eine folgende Formel (ii) dargestellte Bedingung: $RSB \geq 40$
(in der Formel (ii) ist RSB ein Verhältnis (Einheit: Flächen-%) einer Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im zweiten Querschnitt, und die Fehlorientierung B ist ein Winkel (Einheit: Grad), der durch eine Normale zum zweiten Querschnitt und eine Normale zu einer (11 1)-Orientierung eines Korns der TiCNO-Schicht in der Oberschicht gebildet ist).
Da das beschichtete Schneidwerkzeug der Ausführungsform einen RSB-Wert von mindestens 40 Flächen-% hat, ist es möglich, den Ausfall von Körnern der α-Al₂O₃-Schicht zu verhindern, so dass die Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit verbessert sind. Aus gleicher Sicht beträgt der RSB-Wert vorzugsweise mindestens 50 Flächen-% (beispielsweise mindestens 50 Flächen-% und höchstens 75 Flächen-%).
Der RSB-Wert kann durch das folgende Verfahren bestimmt werden. In einem zweiten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche auf der gegenüberliegenden Seite davon wird die Summe (RSB_Total) der Flächen der Querschnitte der Körner mit einer Fehlorientierung B des zwischen der Normalen zum zweiten Querschnitt und der Normalen zur (11 1)-Orientierung des Korns der TiCNO-Schicht in der Oberschicht gebildeten Winkels von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad als 100 Flächen-% zugrunde gelegt, ein Verhältnis (Flächen-%) der Summe der Flächen der Querschnitte der Körner mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad und unter 10 Grad zum RSB_Total-Wert kann bestimmt werden, und dieses Verhältnis kann als RSB zugrunde gelegt werden. Beim Erhalten des RSB-Werts (Flächen-%) kann die Querschnittfläche jedes Korns beispielsweise mit Hilfe einer Elektronenrückstreubeugungsbild- (EBSD) Vorrichtung, die in ein Rasterelektronenmikroskop (REM) eingebaut ist, eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-REM) o. ä. gemessen werden. Mit EBSD wird die Kristallorientierung jedes Kristalls der Körner bestimmt, die Querschnittfläche des Korns mit festgelegter Kristallorientierung wird in einen der Abschnitte in beispielsweise jeweiligen 5-Grad-Teilungen klassifiziert, und die Querschnittflächen der Körner in jedem Abschnitt werden erhalten. Danach wird beispielsweise eine Summe der Querschnittflächen von Körnern für die folgenden Abschnitte erhalten: einen Abschnitt von mindestens 0 Grad und unter 10 Grad, einen Abschnitt von mindestens 10 Grad und unter 20 Grad, einen Abschnitt von mindestens 20 Grad und unter 30 Grad und einen Abschnitt von mindestens 30 Grad bis höchstens 45 Grad. In diesem Fall wird die Summe der Flächen der Querschnitte der Körner mit mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad als 100 Flächen-% zugrunde gelegt. Dann kann ein Verhältnis der Querschnittflächen von Körnern in jedem der Abschnitte zur Summe RSB_Total (100 Flächen-%) erhalten werden, und das resultierende Verhältnis kann als RSB zugrunde gelegt werden. Die durch die Formel (ii) dargestellte Bedingung muss nicht unbedingt im gesamten Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche auf der gegenüberliegenden Seite davon erfüllt werden und kann in jedem Querschnitt im vorgenannten Bereich erfüllt sein.
Insbesondere kann das folgende Verfahren zum Einsatz kommen. Zuerst wird eine Probe im FE-REM eingesetzt. Die Probe wird mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 1,0 nA in einem Einfallswinkel von 70 Grad bestrahlt. Für einen Messbereich von 30 µm × 50 µm ist bevorzugt, die Fehlorientierung des in diesem Bereich vorhandenen Kornquerschnitts zu bestimmen, indem die EBSD auf eine Schrittgröße von 0,1 µm eingestellt wird.
Die mittlere Dicke der in der Ausführungsform verwendeten Oberschicht beträgt vorzugsweise mindestens 1,0 µm und höchstens 6,0 µm. Beträgt die mittlere Dicke mindestens 1,0 µm, ist die Unterdrückungswirkung auf den Ausfall von Körnern der α-Al₂O₃-Schicht in der Tendenz weiter verbessert, und beträgt die mittlere Dicke der Oberschicht höchstens 6,0 µm, ist die Bruchfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der Oberschicht stärker bevorzugt mindestens 1,5 µm und höchstens 5,0 µm.
Die in der Ausführungsform verwendete Oberschicht setzt sich vorzugsweise aus einer TiCNO-Schicht zusammen, die eine Verbindung mit einer Zusammensetzung enthält, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist: Ti(C_1-x-yN_xO_y) (1) (wobei x ein Atomverhältnis des Elements N auf der Grundlage einer Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet, y ein Atomverhältnis des Elements O auf der Grundlage der Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet und 0,15 ≤ x ≤ 0,65 sowie 0,01 ≤ y ≤ 0,20 gelten).
Beträgt im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform in der Verbindung mit der durch die vorstehende Formel (1) dargestellten Zusammensetzung x mindestens 0,15, ist die Zähigkeit verbessert, wodurch die Bruchfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert ist. Beträgt weiterhin x höchstens 0,65, ist der Gehalt von C und O relativ hoch, so dass die Härte erhöht ist und der reaktive Verschleiß unterdrückt sein kann. Daher sind die Verschleißfestigkeit und Oxidationsfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt x in der Formel (1) stärker bevorzugt mindestens 0,18 und höchstens 0,50 und noch stärker bevorzugt mindestens 0,20 und höchstens 0,40. Beträgt weiterhin im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform y mindestens 0,01 in der Verbindung mit der durch die vorstehende Formel (1) dargestellten Zusammensetzung, kann der Reaktionsverschleiß unterdrückt sein, so dass die Oxidationsfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert ist. Beträgt zudem y höchstens 0,20, sind die Gehalte von C und N relativ hoch, so dass die Härte erhöht und die Zähigkeit verbessert ist. Daher sind die Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt y in der vorgenannten Formel (1) stärker bevorzugt mindestens 0,02 und höchstens 0,18 und noch stärker bevorzugt mindestens 0,03 und höchstens 0,15.
Die Oberschicht braucht nur eine Schicht zu haben, die TiCNO enthält, und kann andere Komponenten als TiCNO enthalten oder nicht enthalten, solange sie für den Betrieb und die Wirkungen der Erfindung sorgt.
Außenschicht
Die in der Ausführungsform verwendete Auftragsschicht kann eine Außenschicht auf der Seite der Oberschicht entgegengesetzt zum Substrat (d. h. der Oberfläche der Oberschicht) aufweisen. Vorzugsweise ist die Außenschicht eine Schicht aus einer Verbindung, die sich zusammensetzt aus einem Element mindestens einer Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und Y besteht, und einem Element mindestens einer Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht (vorzugsweise das Element N), da die Verschleißfestigkeit weiter verbessert ist. Aus gleicher Sicht ist die Außenschicht stärker bevorzugt eine Schicht aus einer Verbindung, die sich zusammensetzt aus einem Element mindestens einer Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, Nb, Cr, Al und Si besteht, und einem Element mindestens einer Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht (vorzugsweise das Element N), noch stärker bevorzugt eine Schicht aus einer Verbindung, die sich zusammensetzt aus einem Element mindestens einer Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, Cr, Al und Si besteht, und N sowie besonders bevorzugt eine sich aus TiN zusammensetzende TiN-schicht. Die Außenschicht kann eine Einzelschicht- oder eine Mehrschichtkonfiguration mit zwei oder mehr Schichten haben.
In der Ausführungsform beträgt eine mittlere Dicke der Außenschicht vorzugsweise mindestens 0,1 µm und höchstens 1,0 µm. Liegt die mittlere Dicke der Außenschicht in diesem Bereich, ist die Verschleißfestigkeit in der Tendenz weiter verbessert. Aus gleicher Sicht beträgt die mittlere Dicke der Außenschicht stärker bevorzugt mindestens 0,1 µm und höchstens 0,5 µm.
Verfahren zur Bildung der Auftragsschicht
Beispielsweise können die folgenden Verfahren zur Bildung der Schichten verwendet werden, die die Auftragsschicht im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform darstellen. Gleichwohl ist das Verfahren zur Bildung solcher Schichten nicht darauf beschränkt.
Gebildet werden kann eine Ti-Verbindungsschicht, die eine Ti-Nitridschicht aufweist (nachstehend auch „TiN-Schicht“ genannt), beispielsweise durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 5,0 Mol-% bis höchstens 10,0 Mol-% TiCl₄, mindestens 20 Mol-% bis höchstens 60 Mol-% N₂ und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 850 °C bis höchstens 950 °C und einem Druck von mindestens 300 hPa bis höchstens 400 hPa.
Gebildet werden kann eine Ti-Verbindungsschicht, die eine Ti-Carbidschicht aufweist (nachstehend auch „TiC-Schicht“ genannt), durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 1,5 Mol-% bis höchstens 3,5 Mol-% TiCl₄, mindestens 3,5 Mol-% bis höchstens 5,5 Mol-% CH₄ und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1050 °C und einem Druck von mindestens 70 hPa bis höchstens 80 hPa.
Gebildet werden kann eine Ti-Verbindungsschicht, die eine Ti-Carbonitridschicht aufweist (nachstehend auch „TiCN-Schicht“ genannt), durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 5,0 Mol-% bis höchstens 7,0 Mol-% TiCl₄, mindestens 0,5 Mol-% bis höchstens 1,5 Mol-% CH₃CN und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 800 °C bis höchstens 900 °C und einem Druck von mindestens 60 hPa bis höchstens 80 hPa.
Gebildet werden kann eine Ti-Verbindungsschicht, die eine Ti-Oxycarbonitridschicht (nachstehend auch „TiCNO-Schicht“ genannt) in der Unterschicht aufweist, durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 3,0 Mol-% bis höchstens 4,0 Mol-% TiCl₄, mindestens 0,5 Mol-% bis höchstens 1,0 Mol-% CO, mindestens 30 Mol-% bis höchstens 40 Mol-% N₂ und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1050 °C und einem Druck von mindestens 50 hPa bis höchstens 150 hPa.
Gebildet werden kann eine Ti-Verbindungsschicht, die eine Ti-Carboxidschicht aufweist (nachstehend auch „TiCO-Schicht“ genannt), durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 1,0 Mol-% bis höchstens 2,0 Mol-% TiCl₄, mindestens 2,0 Mol-% bis höchstens 3,0 Mol-% CO und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1050 °C und einem Druck von mindestens 50 hPa bis höchstens 150 hPa.
Eine Zwischenschicht, die eine α-Al₂O₃-Schicht (nachstehend auch einfach „Al₂O₃-Schicht“ genannt) aufweist, kann beispielsweise durch das nachstehend aufgeführte Verfahren erhalten werden.
Zunächst wird eine Unterschicht, die eine oder mehrere Ti-Verbindungsschichten aufweist, auf einer Oberfläche eines Substrats gebildet. Als Nächstes wird unter solchen Schichten eine Oberfläche einer Schicht oxidiert, die vom Substrat am weitesten entfernt ist. Danach werden Keime der α-Al₂O₃-Schicht auf der Oberfläche der Schicht gebildet, die vom Substrat am weitesten entfernt ist, und die α-Al₂O₃-Schicht wird gebildet, nachdem die Keime gebildet sind.
Durchgeführt wird die Oxidation der Oberfläche der Schicht, die vom Substrat am weitesten entfernt ist, insbesondere unter den Bedingungen der Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 0,1 Mol-% bis höchstens 0,3 Mol-% CO, mindestens 0,3 Mol-% bis höchstens 1,0 Mol-% CO₂ und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1050 °C und einem Druck von mindestens 50 hPa bis höchstens 60 hPa (Oxidationsschritt). In diesem Fall beträgt die Oxidationsbehandlungszeit vorzugsweise 1 min bis 3 min.
Gebildet werden danach Keime der α-Al₂O₃-Schicht durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 1,0 Mol-% bis höchstens 4,0 Mol-% AlCl₃, mindestens 0,05 Mol-% bis höchstens 2,0 Mol-% CO, mindestens 1,0 Mol-% bis höchstens 3,0 Mol-% CO₂, mindestens 2,0 Mol-% bis höchstens 3,0 Mol-% HCl und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 880 °C bis höchstens 930 °C und einem Druck von mindestens 60 hPa bis höchstens 80 hPa (Keimbildungsschritt).
Gebildet wird anschließend die α-Al₂O₃-Schicht durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 2,0 Mol-% bis höchstens 5,0 Mol-% AlCl₃, mindestens 2,5 Mol-% bis höchstens 4,0 Mol-% CO₂, mindestens 2,0 Mol-% bis höchstens 3,0 Mol-% HCl, mindestens 0,15 Mol-% bis höchstens 0,25 Mol-% H₂S und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1000 °C und einem Druck von mindestens 60 hPa bis höchstens 80 hPa (Filmbildungsschritt).
Um den RSA-Wert (Flächen-%) auf einen spezifischen Mindestwert einzustellen, kann die Oxidationsbehandlungszeit im Oxidationsschritt gesteuert werden, das Verhältnis von CO in der Gaszusammensetzung im Oxidationsschritt und/oder Keimbildungsschritt kann gesteuert werden, oder die Filmbildungstemperatur im Filmbildungsschritt kann gesteuert werden. Insbesondere kann der RSA-Wert erhöht werden, indem das Verhältnis (Flächen-%) von Körnern mit einer Winkelfehlorientierung A in einem spezifischen Bereich durch Erhöhen der Oxidationsbehandlungszeit im Oxidationsschritt erhöht wird, das Verhältnis von CO in der Gaszusammensetzung im Oxidationsschritt und/oder Keimbildungsschritt erhöht wird oder die Filmbildungstemperatur im Filmbildungsschritt höher als die Keimbildungstemperatur im Keimbildungsschritt eingestellt wird.
Danach wird eine Oberschicht, die sich aus einer Ti-Oxycarbonitridschicht (nachstehend auch „TiCNO-Schicht“ genannt) zusammensetzt, auf der Oberfläche der α-Al₂O₃-Schicht gebildet.
Gebildet werden kann die TiCNO-Schicht durch chemisches Aufdampfen mit einer Rohmaterialzusammensetzung aus mindestens 4,0 Mol-% bis höchstens 8,0 Mol-% TiCl₄, mindestens 0,8 Mol-% bis höchstens 2,5 Mol-% CH₃CN, mindestens 0 Mol-% bis höchstens 2,0 Mol-% C₂H₄, mindestens 1,2 Mol-% bis höchstens 3,5 Mol-% CO, mindestens 1,0 Mol-% bis höchstens 25,0 Mol-% N₂ und als Rest H₂, einer Temperatur von mindestens 950 °C bis höchstens 1050 °C und einem Druck von mindestens 60 hPa bis höchstens 80 hPa (Oberschicht-Bildungsschritt).
Um den RSB-Wert (Flächen-%) auf einen spezifischen Mindestwert einzustellen, kann die Temperatur gesteuert werden, oder das Verhältnis von CH₃CN in der Rohmaterialzusammensetzung kann im Oberschicht-Bildungsschritt gesteuert werden. Insbesondere kann der RSB-Wert (Flächen-%) erhöht werden, indem die Temperatur erhöht wird oder das Verhältnis von CH₃CN in der Rohmaterialzusammensetzung im Oberschicht-Bildungsschritt erhöht wird.
Um ferner die durch die Formel (1) dargestellte Zusammensetzung zu steuern, kann die Rohmaterialzusammensetzung geeignet eingestellt werden. Um insbesondere beispielsweise das Verhältnis von Kohlenstoff (C) in der durch die Formel (1) dargestellten Zusammensetzung zu erhöhen, kann ein Verfahren zum Erhöhen des Verhältnisses von CO in der Rohmaterialzusammensetzung erwähnt werden.
Die Dicke jeder Schicht in der Auftragsschicht des beschichteten Schneidwerkzeugs der Ausführungsform kann gemessen werden, indem eine Querschnittstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs mit Hilfe eines optischen Mikroskops, eines Rasterelektronenmikroskops (REM), eines FE-REM o. ä. beobachtet wird. Zu beachten ist, dass hinsichtlich der mittleren Dicke jeder Schicht im beschichteten Schneidwerkzeug der Ausführungsform eine solche mittlere Dicke erhalten werden kann durch: Messen der Dicke jeder Schicht an mindestens drei Stellen nahe der Position 50 µm von der Kante zur Mitte der Spanfläche des beschichteten Schneidwerkzeugs; und Berechnen des arithmetischen Mittels der resultierenden Messungen. Ferner kann die Zusammensetzung jeder Schicht anhand einer Querschnittstruktur des beschichteten Schneidwerkzeugs der Ausführungsform mit Hilfe eines energiedispersiven Röntgenspektroskops (EDS), eines wellenlängendispersiven Röntgenspektroskops (WDS) o. ä. gemessen werden.
Beispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben, wobei die Erfindung aber nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Hergestellt als Substrat wurden ein aus einem Hartmetall hergestellter Schneideinsatz mit einer Zusammensetzung aus 88,9WC-7,9Co-1,5TiN-1,4NbC-0,3Cr₃C₂ (diese Zahlen stehen für Masse-%) und einer Einsatzform von CNMG120412, ein aus einem Hartmetall hergestellter Schneideinsatz mit einer Zusammensetzung aus 89,7WC-7,1Co-1,5TiN-1,5NbC-0,2Cr₃C₂ (diese Zahlen stehen für Masse-%) und einer Einsatzform von CNMG120412. Die Kanten dieser Substrate wurden mit Hilfe einer SiC-Bürste rundgehont, wonach die Oberflächen der Substrate gewaschen wurden.
Erfindungsproben 1 bis 17 und Vergleichsproben 1 bis 9
Nach Waschen der Substratoberfläche wurde eine Auftragsschicht durch chemisches Aufdampfen gebildet. Zunächst wurde das Substrat in eine chemische Aufdampfvorrichtung mit externer Beheizung gegeben, und die erste Schicht mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 wurde unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 1 auf der Oberfläche des Substrats so gebildet, dass sie die mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 hatte. Danach wurde unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 1 die zweite Schicht mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 auf der Oberfläche der ersten Schicht so gebildet, dass sie die mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 hatte. Als Nächstes wurde unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 1 die dritte Schicht mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 auf der Oberfläche der zweiten Schicht so gebildet, dass sie die mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 hatte. Als Ergebnis wurde eine sich aus drei Schichten zusammensetzende Unterschicht gebildet. Danach wurde die Oberfläche der dritten Schicht für die Zeit gemäß Tabelle 2 unter den Bedingungen für Zusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 2 oxidiert. Als Nächstes wurden unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 3 Keime aus α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃) auf der Oberfläche der dritten Schicht gebildet, die der Oxidationsbehandlung unterzogen wurde. Ferner wurde unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 4 die Zwischenschicht (α-Al₂O₃-Schicht) mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 auf der Oberfläche der dritten Schicht und den Keimen aus α-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃) so gebildet, dass sie eine mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 hatte. Anschließend wurde unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 5 die Oberschicht mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 auf der Oberfläche der α-Al₂O₃-Schicht so gebildet, dass sie die mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 hatte. Ferner wurde für die Erfindungsproben 1 bis 5 und 14 bis 17 sowie die Vergleichsproben 1, 2 und 9 unter den Bedingungen für Rohmaterialzusammensetzung, Temperatur und Druck gemäß Tabelle 2 die Außenschicht mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 auf der Oberfläche der Oberschicht so gebildet, dass sie die mittlere Dicke gemäß Tabelle 6 aufwies. Auf diese Weise erhielt man beschichtete Schneidwerkzeuge der Erfindungsproben 1 bis 17 und Vergleichsproben 1 bis 9.

Die Dicke jeder der Schichten jeder der erhaltenen Proben wurde wie nachstehend dargestellt erhalten. Das heißt, mit Hilfe eines FE-REM wurde eine solche mittlere Dicke erhalten durch: Messen der Dicke jeder Schicht an jeder der drei Stellen anhand der Querschnittfläche nahe der Position 50 µm von der Kante des beschichteten Schneidwerkzeugs zur Mitte seiner Spanfläche; und Berechnen des arithmetischen Mittels der resultierenden Messungen. Die Zusammensetzung jeder Schicht der erhaltenen Proben wurde mit Hilfe von EDS in einem Querschnitt in der Umgebung der Position von der Kante des beschichteten Schneidwerkzeugs bis 50 µm zur Mitte der Spanfläche gemessen. Tabelle 1

	Zusammensetzung jeder Schicht	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	Rohmaterialzusammensetzung (Mol-%)
Unterschicht	TiN	900	350	TiCl₄: 7,5%, N₂: 40,0%, H₂: 52,5%
	TiC	1000	75	TiCl₄: 2,4%, CH₄: 4,6%, H₂: 93,0%
	TiCN	850	70	TiCl₄: 6,0%, CH₃CN: 1,0%, H₂: 93,0%
	TiCNO	1000	100	TiCl₄: 3,5%, CO: 0,7%, N₂: 35,5%, H₂: 60,3%
	TiCO	1000	80	TiCl₄: 1,5%, CO: 2,5%, H₂: 96,0%
Außenschicht	TiN	1000	350	TiCl₄: 7,5%, N₂: 40,0%, H₂: 52,5%

Tabelle 2

	Oxidationsbehandlung
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	Rohmaterialzusammensetzung (Mol-%)			Zeit (min)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	CO	CO₂	H₂	Zeit (min)
Erfindungsprobe 1	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 2	1000	55	0,1	0,5	99,4	2
Erfindungsprobe 3	1000	55	0,3	0,5	99,2	3
Erfindungsprobe 4	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 5	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 6	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 7	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 8	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 9	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 10	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 11	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 12	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 13	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 14	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 15	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 16	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Erfindungsprobe 17	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Vergleichsprobe 1	1000	55	0	0,5	99,5	1
Vergleichsprobe 2	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Vergleichsprobe 3	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Vergleichsprobe 4	1000	55	0,3	0,5	99,2	2
Vergleichsprobe 5	1000	55	0	0,5	99,5	1
Vergleichsprobe 6	1000	55	0	0,5	99,5	1
Vergleichsprobe 7	1000	55	0	0,5	99,5	1
Vergleichsprobe 8	1000	55	0	0,5	99,5	1
Vergleichsprobe 9	1000	55	0,3	0,5	99,2	2

Tabelle 3

	Zwischenschicht (Keimbildungsschtitt)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	Rohmaterialzusammensetzung (Mol-%)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	AlCl₃	CO	CO₂	HCl	H₂
Erfindungsprobe 1	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 2	920	70	2,5	0,5	2,0	2,5	92,5
Erfindungsprobe 3	920	70	2,5	1,5	2,0	2,5	91,5
Erfindungsprobe 4	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 5	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 6	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 7	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 8	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 9	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 10	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 11	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 12	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 13	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 14	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 15	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 16	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Erfindungsprobe 17	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Vergleichsprobe 1	1000	70	2,5	0,0	1,0	2,5	94,0
Vergleichsprobe 2	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Vergleichsprobe 3	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Vergleichsprobe 4	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0
Vergleichsprobe 5	1000	70	2,5	0,0	1,0	2,5	94,0
Vergleichsprobe 6	1000	70	2,5	0,0	1,0	2,5	94,0
Vergleichsprobe 7	1000	70	2,5	0,0	1,0	2,5	94,0
Vergleichsprobe 8	1000	70	2,5	0,0	1,0	2,5	94,0
Vergleichsprobe 9	900	70	2,0	1,0	1,5	2,5	93,0

Tabelle 4

	Zwischenschicht (Filmbildungsschritt)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	Rohmaterialzusammensetzung (Mol-%)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	AlCl₃	CO₂	HCl	H₂S	H₂
Erfindungsprobe 1	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 2	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungs-	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
probe 3
Erfindungsprobe 4	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 5	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 6	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 7	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 8	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 9	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 10	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 11	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 12	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 13	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 14	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 15	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 16	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Erfindungsprobe 17	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 1	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 2	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 3	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 4	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 5	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 6	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 7	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 8	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3
Vergleichsprobe 9	990	70	3,0	3,0	2,5	0,20	91,3

Tabelle 5

	Oberschicht
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	Rohmaterialzusammensetzung (Mol-%)
	Temperatur (°C)	Druck (hPa)	TiCl₄	CH₃CN	CH₄	C₂H₄	CO	N₂	H₂
Erfindungsprobe 1	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 2	1000	70	6,0	1,2	0,0	0,0	1,5	5,0	86,3
Erfindungsprobe 3	1000	70	6,0	0,8	0,0	0,0	1,5	5,0	86,7
Erfindungsprobe 4	950	70	6,0	0,7	0,0	0,0	1,5	5,0	86,8
Erfindungsprobe 5	1050	70	6,0	2,0	0,0	0,0	1,5	5,0	85,5
Erfindungsprobe 6	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 7	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungs-	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
probe 8
Erfindungsprobe 9	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 10	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 11	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 12	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 13	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Erfindungsprobe 14	1020	70	6,0	0,8	0,0	0,0	2,5	20,0	70,7
Erfindungsprobe 15	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	3,2	5,0	84,8
Erfindungsprobe 16	1000	70	6,0	0,5	0,0	1,8	1,5	3,0	87,2
Erfindungsprobe 17	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	0,7	5,0	87,3
Vergleichsprobe 1	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Vergleichsprobe 2	1000	70	6,0	0,0	1,5	0,0	1,5	15,0	76,0
Vergleichsprobe 3	1000	70	6,0	1,0	0,0	0,0	1,5	5,0	86,5
Vergleichsprobe 4	1000	350	7,5	0,0	0,0	0,0	0,0	40,0	52,5
Vergleichsprobe 5	1000	70	6,0	0,0	1,5	0,0	1,5	15,0	76,0
Vergleichsprobe 6	1000	70	6,0	0,0	1,5	0,0	1,5	15,0	76,0
Vergleichsprobe 7	1000	70	6,0	0,0	1,5	0,0	1,5	15,0	76,0
Vergleichsprobe 8	1000	70	6,0	0,0	1,5	0,0	1,5	15,0	76,0
Vergleichsprobe 9	1000	70	6,0	1,0	1,5	0,0	3,2	15,0	73,3

Der erste Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 0,5 |_im zum Substrat in der Zwischenschicht der erhaltenen Probe wurde mit dem FE-REM beobachtet, und die Summe (RSA_Total) der Flächen der Querschnitte der Körner in jeder Schicht mit der Fehlorientierung A im Bereich von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad wurde mit Hilfe der in das FE-REM eingebauten EBSD gemessen. Danach wurde die Querschnittfläche des Korns mit der Fehlorientierung A im Bereich von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad in Abschnitte mit einer 5-Grad-Teilung aufgeteilt, und die Fläche von Kornquerschnitten in jedem Abschnitt wurde bestimmt. Anschließend wurde die Summe der Querschnittflächen von Körnern für jeden Abschnitt unter einem Abschnitt mit der Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad, einem Abschnitt von mindestens 10 Grad bis unter 20 Grad, einem Abschnitt von mindestens 20 Grad bis unter 30 Grad und einem Abschnitt von mindestens 30 Grad bis höchstens 45 Grad bestimmt. Die Summe der Querschnittflächen von Körnern mit mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad wurde als 100 Flächen-% zugrunde gelegt. Danach wurde ein Verhältnis der Querschnittflächen von Körnern mit einer Fehlorientierung A im Bereich von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad in jedem dieser Abschnitte zum RSA_Total-Wert als RSA zugrunde gelegt. Diese Messergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 7 gezeigt. Die Messung durch EBSD wurde wie folgt durchgeführt. Die Probe wurde im FE-REM eingesetzt. Die Probe wurde mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 1,0 nA in einem Einfallswinkel von 70 Grad bestrahlt. Im Messbereich von 30 µm × 50 µm wurden die Fehlorientierung und Querschnittfläche jedes Korns gemessen, indem die EBSD auf eine Schrittgröße von 0,1 µm eingestellt wurde. Die Querschnittfläche der Körner der Zwischenschicht im Messbereich wurde als Gesamtzahl von Pixeln zugrunde gelegt, die der Fläche entsprachen. Das heißt, die Summe der Querschnittflächen von Körnern in jedem Abschnitt für jede 10-Grad- oder 15-Grad-Teilung auf der Grundlage der Fehlorientierung A von Körnern in jeder Schicht wurde durch Addieren der Pixel, die vom Kornquerschnitt in Entsprechung zu jedem Abschnitt belegt waren, und Umwandeln der Summe in die Fläche bestimmt.

Der zweite Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 0,5 µm zur gegenüberliegenden Seite davon in der Oberschicht der erhaltenen Probe wurde mit dem FE-REM beobachtet, und die Summe (RSB_Total) der Flächen der Querschnitte der Körner in jeder Schicht mit der Fehlorientierung B im Bereich von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad wurde mit Hilfe des in der FE-REM eingebauten EBSD gemessen. Danach wurde die Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B im Bereich von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad in Abschnitte mit einer 5-Grad-Teilung aufgeteilt, und die Fläche von Kornquerschnitten in jedem Abschnitt wurde bestimmt. Anschließend wurde die Summe der Querschnittflächen von Körnern für jeden Abschnitt unter einem Abschnitt mit einer Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad, einem Abschnitt von mindestens 10 Grad bis unter 20 Grad, einem Abschnitt von mindestens 20 Grad bis unter 30 Grad und einem Abschnitt von mindestens 30 Grad bis höchstens 45 Grad bestimmt. Die Summe der Querschnittflächen von Körnern mit mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad wurde als 100 Flächen-% zugrunde gelegt. Danach wurde ein Verhältnis der Querschnittflächen von Körnern mit der Fehlorientierung B im Bereich von mindestens 0 Grad und unter 10 Grad in jedem dieser Abschnitte zum RSB_Total-Wert als RSB zugrunde gelegt. Diese Messergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 7 gezeigt. Die Messung durch EBSD wurde wie folgt durchgeführt. Die Probe wurde im FE-REM eingesetzt. Die Probe wurde mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Bestrahlungsstrom von 1,0 nA in einem Einfallswinkel von 70 Grad bestrahlt. Im Messbereich von 30 µm × 50 µm wurden die Fehlorientierung und Querschnittfläche jedes Korns gemessen, indem die EBSD auf eine Schrittgröße von 0,1 µm eingestellt war. Die Querschnittfläche von Körnern der Oberschicht im Messbereich wurde als Gesamtzahl von Pixeln zugrunde gelegt, die der Fläche entsprachen. Das heißt, die Summe der Querschnittflächen von Körnern in jedem Abschnitt für jede 10-Grad- oder 15-Grad-Teilung auf der Grundlage der Fehlorientierung B der Körner in jeder Schicht wurde durch Addieren der Pixel, die vom Kornquerschnitt in Entsprechung zu jedem Abschnitt belegt waren, und Umwandeln der Summe in die Fläche bestimmt. Tabelle 7

	Zwischenschicht				Oberschicht
	RSA_Total (100 Flächen-%)				RSB_Tolal (100 Flächen-%)
	RSA				RSB
	mindestens 0 Grad und unter 10 Grad	mindestens 10 Grad und unter 20 Grad	mindestens 20 Grad und unter 30 Grad	mindestens 30 Grad und höchstens 45 Grad	mindestens 0 Grad und unter 10 Grad	mindestens 10 Grad und unter 20 Grad	mindestens 20 Grad und unter 30 Grad	mindestens 30 Grad und höchstens 45 Grad
Erfindungsprobe 1	63	12	10	15	52	15	13	20
Erfindungsprobe 2	41	20	18	21	50	18	15	17
Erfindungsprobe 3	71	9	8	12	54	14	13	19
Erfindungsprobe 4	63	12	10	15	42	23	20	15
Erfindungsprobe 5	64	13	9	14	72	12	10	6
Erfindungsprobe 6	64	12	10	14	50	18	15	17
Erfindungsprobe 7	63	12	10	15	51	17	15	17
Erfindungsprobe 8	63	12	10	15	52	16	17	15
Erfindungsprobe 9	61	15	12	12	51	15	13	21
Erfindungsprobe 10	63	12	10	15	53	17	15	15
Erfindungsprobe 11	61	13	11	15	50	17	17	16
Erfindungsprobe 12	63	12	10	15	52	15	14	19
Erfindungsprobe 13	62	14	12	12	51	17	16	16
Erfindungsprobe 14	63	12	10	15	52	18	14	16
Erfindungsprobe 15	63	14	10	13	49	20	13	18
Erfindungsprobe 16	62	13	12	13	51	13	12	24
Erfindungsprobe 17	64	12	10	14	54	14	10	22
Vergleichsprobe 1	20	22	26	32	50	17	17	16
Vergleichsprobe 2	63	12	10	15	23	22	25	30
Vergleichsprobe 3	64	13	9	14	52	16	17	15
Vergleichsprobe 4	63	12	10	15	51	17	15	17
Vergleichsprobe 5	21	23	22	34	21	24	22	33
Vergleichsprobe 6	22	20	24	34	22	23	20	35
Vergleichsprobe 7	21	22	23	34	21	23	22	34
Vergleichsprobe 8	20	21	19	40	21	24	21	34
Vergleichsprobe 9	63	12	10	15	19	24	20	37

Schneidprüfungen 1 und 2 wurden mit Hilfe der erhaltenen Proben, d. h. der Erfindungsproben 1 bis 17 und Vergleichsproben 1 bis 9, unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Die Schneidprüfung 1 ist eine Verschleißprüfung zur Bewertung der Verschleißfestigkeit, und die Schneidprüfung 2 ist eine Bruchprüfung zur Bewertung der Bruchfestigkeit. Die Ergebnisse der jeweiligen Schneidprüfungen sind in Tabelle 8 aufgeführt.
Schneidprüfung 1

Werkstückmaterial: Rundstahl S45C
Schneidgeschwindigkeit: 210 m/min
Vorschub: 0,25 mm/U
Schnitttiefe: 1,8 mm
Kühlmitteleinsatz: ja

Bewertungspunkte: Eine Zeit, zu der die Probe brach oder eine maximale Flankenverschleißbreite von 0,3 mm hatte, wurde als Ende der Werkzeuglebensdauer definiert, und gemessen wurde die Bearbeitungszeit, um das Ende der Werkzeuglebensdauer zu erreichen. Außerdem wurde der Beschädigungszustand nach einer Bearbeitungszeit von 15 min durch REM nachgewiesen.
Schneidprüfung 2

Werkstückmaterial: Rundstahl S45C mit zwei Nuten
Schneidgeschwindigkeit: 140 m/min
Vorschub: 0,25 mm/U
Schnitttiefe: 1,5 mm
Kühlmitteleinsatz: ja

Bewertungspunkte: Eine Zeit, zu der die Probe brach oder eine maximale Flankenverschleißbreite von 0,3 mm aufwies, wurde als Ende der Werkzeuglebensdauer definiert, gemessen wurde die Bearbeitungszeit, um das Ende der Werkzeuglebensdauer zu erreichen, und gemessen wurde die Stoßzahl bis zum Ende der Werkzeuglebensdauer. Ferner wurde der Beschädigungszustand nach Erreichen einer Stoßzahl von 5000 Stößen mit einem REM kontrolliert. Die Stoßzahl war auf 15.000 eingestellt.

Hinsichtlich der Bearbeitungszeit bis zum Ende der Werkzeuglebensdauer in der Schneidprüfung 1 (Verschleißprüfung) erfolgten Bewertungen mit der Note „A“ für mindestens 40 Minuten, Note „B“ für mindestens 30 Minuten und Note „C“ für weniger als 30 Minuten. Ferner erfolgten für die Stoßzahl bis zum Ende der Werkzeuglebensdauer in der Schneidprüfung 2 (Bruchprüfung) Bewertungen mit der Note „A“ für mindestens 13.000, Note „B“ für mindestens 11.000 und höchstens 12.999 sowie Note „C“ für höchstens 10.999. In diesen Bewertungen bezeichnet „A“ ausgezeichnet, „B“ bezeichnet gut, und „C“ bezeichnet minderwertig, was bedeutet, dass eine Probe mit einer größeren Anzahl von „A“- oder „B“-Bewertungen eine bessere Schneidleistung hat. Die Bewertungsergebnisse zeigt Tabelle 8. Tabelle 8

	Verschleißprüfung			Abplatzprüfung
	Schneidprüfung 1			Schneidprüfung 2
	Beschädigungszustand nach 15 min Bearbeitungszeit	Bearbeitungszeit (min)	Note	Beschädigungszustand nach 5000 Stößen	Stoßzahl (Stöße)	Note
Erfindungsprobe 1	Normaler Verschleiß	48	A	Normaler Verschleiß	14100	A
Erfindungsprobe 2	Normaler Verschleiß	38	B	Normaler Verschleiß	14200	A
Erfindungsprobe 3	Normaler Verschleiß	52	A	Normaler Verschleiß	14400	A
Erfindungsprobe 4	Normaler Verschleiß	42	A	Normaler Verschleiß	13500	A
Erfindungsprobe 5	Normaler Verschleiß	51	A	Normaler Verschleiß	15000	A
Erfindungsprobe 6	Normaler Verschleiß	41	A	Normaler Verschleiß	13300	A
Erfindungsprobe 7	Normaler Verschleiß	53	A	Normaler Verschleiß	14000	A
Erfindungsprobe 8	Normaler Verschleiß	58	A	Normaler Verschleiß	13600	A
Erfindungsprobe 9	Normaler Verschleiß	42	A	Normaler Verschleiß	14400	A
Erfindungsprobe 10	Normaler Verschleiß	46	A	Normaler Verschleiß	14000	A
Erfindungsprobe 11	Normaler Verschleiß	48	A	Normaler Verschleiß	13800	A
Erfindungsprobe 12	Normaler Verschleiß	35	B	Normaler Verschleiß	14000	A
Erfindungsprobe 13	Normaler Verschleiß	57	A	Normaler Verschleiß	12500	B
Erfindungsprobe 14	Normaler Verschleiß	48	A	Normaler Verschleiß	14100	A
Erfindungsprobe 15	Normaler Verschleiß	45	A	Normaler Verschleiß	14300	A
Erfindungsprobe 16	Normaler Verschleiß	51	A	Normaler Verschleiß	13300	A
Erfindungsprobe 17	Normaler Verschleiß	50	A	Normaler Verschleiß	13900	A
Vergleichsprobe 1	Normaler Verschleiß	26	C	Normaler Verschleiß	14100	A
Vergleichsprobe 2	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	29	C	Abplatzen	11900	B
Vergleichsprobe 3	Abplatzen	12	C	Abplatzen	8800	C
Vergleichsprobe 4	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	26	C	Abplatzen	9600	C
Vergleichsprobe 5	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	25	C	Abplatzen	12100	B
Vergleichsprobe 6	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	28	C	Abplatzen	12200	B
Vergleichsprobe 7	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	24	C	Abplatzen	12400	B
Vergleichsprobe 8	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	20	C	Normaler Verschleiß	12800	B
Vergleichsprobe 9	Ausfall von Al₂O₃-Körnern	27	C	Abplatzen	12000	B

Aus den Ergebnissen in Tabelle 8 geht hervor, dass jede Erfindungsprobe die Note „A“ oder „B“ sowohl in der Verschleißprüfung als auch in der Bruchprüfung hatte. Weiterhin hatte in den Bewertungen der Vergleichsproben jede Vergleichsprobe die Note „C“ sowohl in der Verschleißprüfung als auch in der Bruchprüfung. Insbesondere hatte in der Verschleißprüfung jede Erfindungsprobe mindestens die Note „B“, während jede Vergleichsprobe die Note „C“ hatte. Daraus wird deutlich, dass die Verschleißfestigkeit jeder Erfindungsprobe besser als die jeder Vergleichsprobe ist.
Aus den vorstehenden Ergebnissen geht eindeutig hervor, dass jede Erfindungsprobe ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit hat, was zu einer längeren Werkzeuglebensdauer führt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße beschichtete Schneidwerkzeug hat ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, während es keine Verringerung der Bruchfestigkeit zeigt, so dass die Werkzeuglebensdauer stärker als im Stand der Technik verlängert werden kann, weshalb aus dieser Sicht das beschichtete Schneidwerkzeug gewerbliche Anwendbarkeit besitzt.
Bezugszeichenliste
1: Substrat, 2: Unterschicht, 3: Zwischenschicht, 4: Oberschicht, 5: Auftragsschicht, 6: beschichtetes Schneidwerkzeug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013132717 A [0003]

Claims

Beschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer Auftragsschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, wobei: die Auftragsschicht eine Unterschicht, eine Zwischenschicht und eine Oberschicht in dieser Reihenfolge von der Substratseite aufweist; die Unterschicht eine oder zwei oder mehr Ti-Verbindungsschichten aufweist, die eine Ti-Verbindung aus Ti und einem Element mindestens einer Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, N, O und B besteht, die Zwischenschicht eine α-Al₂O₃-Schicht aufweist, die α-Al₂O₃ enthält, und die Oberschicht eine TiCNO-Schicht aufweist, die TiCNO enthält; eine mittlere Dicke der Auftragsschicht mindestens 5,0 µm und höchstens 30,0 µm beträgt; in einem ersten Querschnitt parallel zu einer Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Zwischenschicht auf der Oberschichtseite bis 1 µm zum Substrat hin eine Fehlorientierung A eine durch eine folgende Formel (i) dargestellte Bedingung erfüllt; und in einem zweiten Querschnitt parallel zur Grenzfläche des Substrats auf der Unterschichtseite, in einem Bereich von der Grenzfläche der Oberschicht auf der Zwischenschichtseite bis 1 µm zur Grenzfläche hin auf der gegenüberliegenden Seite davon eine Fehlorientierung B eine durch eine folgende Formel (ii) dargestellte Bedingung erfüllt: $RSA \geq 40$
in der Formel (i) ist RSA ein Verhältnis in Flächen-% einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im ersten Querschnitt, und die Fehlorientierung A ist ein Winkel in Grad, der durch eine Normale zum ersten Querschnitt und eine Normale zu einer (001)-Orientierung eines Korns der α-Al₂O₃-Schicht in der Zwischenschicht gebildet ist; und $RSB \geq 40$
in der Formel (ii) ist RSB ein Verhältnis in Flächen-% einer Querschnittfläche von Körnern mit der Fehlorientierung B von mindestens 0 Grad bis unter 10 Grad zu einer Querschnittfläche von Körnern mit einer Fehlorientierung A von mindestens 0 Grad und höchstens 45 Grad im zweiten Querschnitt, und die Fehlorientierung B ist ein Winkel in Grad, der durch eine Normale zum zweiten Querschnitt und eine Normale zu einer (11 1)-Orientierung eines Korns der TiCNO-Schicht in der Oberschicht gebildet ist.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der RSA-Wert mindestens 50 Flächen-% beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der RSB-Wert mindestens 50 Flächen-% beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Oberschicht aus einer TiCNO-Schicht zusammensetzt, die eine Verbindung mit einer Zusammensetzung enthält, die durch eine folgende Formel (1) dargestellt ist: Ti(C_1-x-yN_xO_y) (1), wobei x ein Atomverhältnis des Elements N auf der Grundlage einer Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet, y ein Atomverhältnis des Elements O auf der Grundlage der Summe des Elements C, Elements N und Elements O bezeichnet und 0,15 ≤ x ≤ 0,65 sowie 0,01 ≤ y ≤ 0,20 gelten.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine mittlere Dicke der Oberschicht mindestens 1,0 µm und höchstens 6,0 µm beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine mittlere Dicke der Zwischenschicht mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine mittlere Dicke der Unterschicht mindestens 3,0 µm und höchstens 15,0 µm beträgt.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ti-Verbindung, die die Ti-Verbindungsschicht bildet, mindestens eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus TiN, TiC, TiCN, TiCNO, TiON und TiB₂ besteht.
Beschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat Hartmetall, Cermet, Keramik oder ein Sinterkörper aus kubischem Bornitrid ist.