DE112014001562T5 - Beschichtungen für Schneidwerkzeuge - Google Patents

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Abstract

Bei einem Aspekt werden Schneidwerkzeuge beschrieben, an denen Beschichtungen haften, die bei einigen Ausführungsformen einen wünschenswerten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneidlebensdauer aufweisen können. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug umfasst bei einigen Ausführungsformen ein Substrat und eine am Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst.

Description

  • DATEN VERWANDTER ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. § 119(e) hiermit die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung, Eingangsnr. 61/803,948, eingereicht am 21. März 2013, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für Schneidwerkzeuge und insbesondere Beschichtungen, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) abgeschieden werden.
  • HINTERGRUND
  • Schneidwerkzeuge, unter anderem Hartmetall-Schneidwerkzeuge, werden sowohl in beschichtetem als auch unbeschichtetem Zustand zum Bearbeiten verschiedener Metalle und Legierungen verwendet. Zur Erhöhung des Verschleißwiderstands, der Leistung und Lebensdauer des Schneidwerkzeugs werden eine oder mehrere Schichten aus feuerfestem Material auf die Oberflächen des Schneidwerkzeugs aufgetragen. Beispielsweise werden TiC, TiCN, TiN und/oder Al2O2 auf Hartmetallsubstrate durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und durch physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) aufgetragen. Obwohl feuerfeste Beschichtungen, die auf einschichtigen oder mehrschichtigen Konstruktionen der vorgenannten feuerfesten Materialien basieren, bei einer Vielzahl von Anwendungen wirksam den Verschleiß unterdrücken und die Lebensdauer verlängern, haben sie zunehmend ihre Leistungsgrenze erreicht, wodurch die Entwicklung neuer Beschichtungsarchitekturen für Schneidwerkzeuge nötig wird.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Bei einem Aspekt werden Schneidwerkzeuge als mit Beschichtungen versehen beschrieben, die bei einigen Ausführungsformen einen wünschenswerten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneidlebensdauer aufweisen. Ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug umfasst ein Substrat und eine am Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst. Die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 kann mittels CVD abgeschieden sein. Ferner kann die polykristalline TiZrAl2O3-Schicht innerhalb der Schicht verschiedene schichtinterne Zusammensetzungsabstufungen zeigen. Beispielsweise kann die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase aufweisen. Alternativ kann die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 bestehenden Phase und einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 bestehenden Phase, einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase aufweisen.
  • Schichtinterne Zusammensetzungsabstufungen spiegeln sich zudem in Körnern der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht wider. Beispielsweise kann ein einzelnes Korn der polykristallinen Schicht eine korninterne Zusammensetzungsabstufung zeigen, die innerhalb des Korns durch das Vorhandensein einer Al2O3-Phase und einer TiZrAl2O3-Phase gebildet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine korninterne Zusammensetzungsabstufung durch das Vorhandensein einer Al2O3-Phase, einer ZrAl2O3-Phase und einer TiAl2O3-Phase innerhalb des Korns gebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine korninterne Zusammensetzungsabstufung durch das Vorhandensein einer Al2O3-Phase, einer ZrAl2O3-Phase, einer TiAl2O3-Phase und einer TiZrAl2O3-Phase innerhalb des Korns gebildet.
  • Außerdem werden Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge bereitgestellt. Ein Verfahren zum Herstellen eines hierin beschriebenen Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung, die eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst, über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats durch chemische Gasphasenabscheidung. Das bei dem CVD-Prozess verwendete Gasgemisch kann AlCl3, ZrCl4, TiCl4, H2 und CO2 umfassen. Ferner kann eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht, die gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren abgeschieden wurde, eine vorstehend beschriebene schichtinterne Zusammensetzungsabstufung aufweisen.
  • Beispielsweise kann die mittels CVD abgeschiedene TiZrAl2O3-Schicht eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die mittels CVD abgeschiedene TiZrAl2O3-Schicht eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 bestehenden Phase und einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase zeigen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die mittels CVD abgeschiedene TiZrAl2O3-Schicht eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 bestehenden Phase, einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase zeigen. Wie hierin ferner beschrieben, können schichtinterne Zusammensetzungsabstufungen durch die gleichzeitige und/oder abwechselnde Einleitung von ZrCl4 und TiCl4 in das CVD-Gasgemisch gebildet werden.
  • Diese und andere Ausführungsformen werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung näher beschrieben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 2 ist eine STEM-HAADF-Aufnahme (STEM = Scanning Transmission Electron Microscopy, Rastertransmissionselektronenmikroskopie) (HAADF = High Angular Annular Dark Field) von Körnern einer polykristallinen CVD-Schicht aus TiZrAl2O3 gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 3 ist ein EDS-Spektrum (EDS = Energy Dispersive Spectroscopy, energiedispersive Röntgenspektroskopie), das eine Zusammensetzungsabstufung innerhalb einzelner Körner einer polykristallinen CVD-Schicht aus TiZrAl2O3 gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist ein EDS-Linienprofil, das in Verbindung mit der STEM-Analyse eines Korns gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform erzeugt wurde.
  • 5 ist ein TEM-Hellfeldbild (TEM = Transmission Electron Microscopy, Transmissionselektronenmikroskopie) von Körnern in einer TiZrAl2O3-Schicht, wobei ein TiZrAl2O3-Korn mit einer unregelmäßigen Form abgebildet ist.
  • 6 ist ein optisches Querschnittsabbild eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherige und folgende Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • I. Beschichtete Schneidwerkzeuge
  • Bei einem Aspekt werden Schneidwerkzeuge mit daran haftenden Beschichtungen beschrieben, die bei einigen Ausführungsformen einen erwünschten Verschleißwiderstand und eine erhöhte Schneidlebensdauer zeigen können. Ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug umfasst ein Substrat und eine am Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf bestimmte Komponenten umfasst ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat. Substrate beschichteter Schneidwerkzeuge können beliebige Materialien umfassen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar sind. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Substrat Hartmetall, Carbid, Keramik, Cermet oder Stahl.
  • Ein Hartmetallsubstrat kann Wolframcarbid (WC) umfassen. WC kann in einem Substrat mit einem Anteil von mindestens ca. 70 Gewichtsprozent vorliegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt WC in einem Substrat mit einem Anteil von mindestens ca. 80 Gewichtsprozent oder mit einem Anteil von mindestens ca. 85 Gewichtsprozent vor. Außerdem kann ein metallisches Bindemittel eines Hartmetallsubstrats Cobalt oder eine Cobaltlegierung umfassen. Cobalt beispielsweise kann in einem Hartmetallsubstrat mit einem Anteil von ca. 3 Gewichtsprozent bis ca. 15 Gewichtsprozent vorliegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt Cobalt in einem Hartmetallsubstrat mit einem Anteil von ca. 5 Gewichtsprozent bis ca. 12 Gewichtsprozent oder von ca. 6 bis ca. 10 Gewichtsprozent vor. Ferner kann ein Hartmetallsubstrat eine bindemittelangereicherte Zone zeigen, die an der Oberfläche des Substrats beginnt und sich von der Oberfläche des Substrats nach innen erstreckt.
  • Hartmetallsubstrate können außerdem einen oder mehrere Zusatzstoffe umfassen, beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder ihre Verbindungen: Titan, Niobium, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium. Bei einigen Ausführungsformen bilden Titan, Niobium, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium und/oder Hafnium mit dem WC im Substrat Mischkristallcarbide. Das Substrat umfasst bei einigen Ausführungsformen eines oder mehrere Mischkristallcarbide mit einem Anteil von ca. 0,1 Gewichtsprozent bis ca. 5 Gewichtsprozent. Darüber hinaus kann ein Hartmetallsubstrat Stickstoff umfassen.
  • Bei anderen Ausführungsformen umfasst ein Substrat polykristallines kubisches Bornitrid (PcBN). PcBN-Substrate können eine beliebige Menge PcBN aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Beispielsweise können PcBN-Substrate über 85 Gewichtsprozent PcBN umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein hierin beschriebenes Schneidwerkzeugsubstrat PcBN in einer Menge, die aus Tabelle I ausgewählt ist. Tabelle I – PcBN-Gewichtsprozent des Schneidwerkzeugsubstrats
    Gew.-% PcBN des Substrats
    ≥ 60
    ≥ 70
    ≥ 80
    ≥ 85
    ≥ 90
    70 bis 95
    86 bis 97
    90 bis 97
    92 bis 95
  • Ferner können PcBN-Substrate von hierin beschriebenen Schneidwerkzeugen auch Keramik- oder Metallbindemittel umfassen. Geeignete Keramikbindemittel für PcBN-Substrate können Nitride, Carbonitride, Carbide und/oder Boride von Titan, Wolfram, Cobalt oder Aluminium umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein PcBN-Substrat zum Beispiel ein Bindemittel aus AlN, AlB2 oder Mischungen davon. Darüber hinaus umfasst ein Bindemittel bei einigen Ausführungsformen Mischkristalle beliebiger der vorgenannten Keramik- oder Metallbindemittel.
  • PcBN-Substrate, die hierin beschriebene Zusammensetzungsparameter aufweisen, können in verschiedenen Konstruktionsformen bereitgestellt sein. Beispielsweise kann ein beschichtetes Schneidwerkzeug ein eigenständiges monolithisches, aus einem festen Stück bestehendes PcBN-Substrat umfassen. Alternativ wird ein PcBN-Substrat als kompaktes Element oder Einsatz bereitgestellt, das bzw. der durch Hartlöten oder eine andere Verbindungstechnik an einer Halterung befestigt ist. Ferner kann es sich bei einem PcBN-Substrat um einen Schneideinsatz mit einer vollständigen Beschichtung oben oder einer vollständigen Beschichtung oben und unten an einer Halterung handeln.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Substrat eines hierin beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs eine oder mehrere Schneidkanten, die an der Verbindungsstelle zwischen der Spanfläche und den Freiflächen des Substrats gebildet sind. 1 veranschaulicht ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 1 veranschaulicht, weist das Substrat (10) Schneidkanten (12) auf, die an der Verbindungsstelle zwischen der Spanfläche (14) und den Freiflächen (16) des Substrats gebildet sind. Das Substrat umfasst außerdem eine Öffnung (18), die betriebsfähig ist, um das Substrat (10) an einem Werkzeughalter zu befestigen.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs ein Einsatz, ein Bohrer, ein Sägeblatt oder eine andere Schneidvorrichtung.
  • Eine am Substrat haftende Beschichtung umfasst eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht. Beispielsweise können Titan und Zirconium Dotiersubstanzen in der polykristallinen Struktur sein. Titan und Zirconium können in der polykristallinen Schicht in einer beliebigen Menge vorliegen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Bei einigen Ausführungsformen liegen Titan und Zirconium in der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht in Mengen vor, die aus den Tabellen II und III ausgewählt sind.
    Figure DE112014001562T5_0002
  • Als Dotiermittel können Titan und/oder Zirconium in das Gitter einer Al2O3-Phase eingebunden sein. Bei derartigen Ausführungsformen bilden Titan und/ oder Zirconium keine von der Al2O3-Phase getrennte(n) Oxidphase(n).
  • Titan und Zirconium können im Allgemeinen über die gesamte polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 verteilt sein. Alternativ kann eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 verschiedene, hierin beschriebene verschiedene Zusammensetzungsabstufungen zeigen. Beispielsweise kann die polykristalline TiZrAl2O3-Schicht eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase zeigen. Die schichtinterne Zusammensetzungsabstufung kann durch ein einzelnes Auftreten der Al2O3-Phase und der TiZrAl2O3-Phase innerhalb der Schicht geschaffen werden. Bei anderen Ausführungsformen wird die schichtinterne Zusammensetzungsabstufung durch mehrfaches Auftreten der Al2O3-Phase und der TiZrAl2O3-Phase innerhalb der Schicht geschaffen. Bei derartigen Ausführungsformen können sich in der gesamten polykristallinen Schicht Al2O3-Phasen mit TiZrAl2O3-Phasen abwechseln.
  • Eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung, die eine Al2O3-Phase und eine TiZrAl2O3-Phase umfasst, kann in Körnern der TiZrAl2O3-Schicht widergespiegelt sein. Beispielsweise kann ein einzelnes Korn der polykristallinen Schicht eine korninterne Zusammensetzungsabstufung zeigen, die innerhalb des Korns durch das Vorhandensein der Al2O3-Phase und der TiZrAl2O3-Phase gebildet ist. Bei einigen Ausführungsformen wechselt sich in einzelnen Körnern die Al2O3-Phase mit der TiZrAl2O3-Phase ab.
  • 2 ist eine STEM-HAADF-Aufnahme von Körnern einer polykristallinen CVD-Schicht aus TiZrAl2O3 gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 2 veranschaulicht, zeigen Körner der TiZrAl2O3-Schicht Regionen aus TiZrAl2O3, die sich mit Regionen aus Al2O3 abwechseln. Die sich abwechselnden Regionen in 2 folgen der Wachstumsrichtung der Körner und bilden eine Streifenstruktur, die dem Kontrast zuzuschreiben ist, der durch das Vorhandensein von Ti und Zr bereitgestellt wird. Das entsprechende STEM-EDS-Spektrum von 3 zeigt ferner korninterne Zusammensetzungsabstufungen, die durch Regionen gebildet werden, die Ti und Zr aufweisen [3(b)], und durch Regionen, in denen Ti und Zr fehlen [3(a)].
  • Ferner kann eine TiZrAl2O3-Phase der polykristallinen Schicht auch eine Zusammensetzungsabstufung zeigen, die durch die Anordnung von Titan oder Zirconium in einer oder mehreren Regionen der Phase gebildet wird. Zr kann sich beispielsweise in Regionen anordnen, die an Korngrenzen angrenzen, und dadurch innerhalb einer TiZrAl2O3-Phase eine Abstufung mit Ti schaffen. 4 ist ein STEM-EDS-Linienprofil des abgebildeten TiZrAl2O3-Korns gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 4 veranschaulicht, ordnet sich Zr in der Nähe der Korngrenze an, während Ti relativ gleichmäßig verteilt bleibt.
  • Körner der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht können außerdem einzigartige Geometrien zeigen, die bei anderen CVD-Beschichtungen einschließlich Aluminiumoxidbeschichtungen nicht zu finden sind. Beispielsweise können Körner der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht in seitlicher und/oder vertikaler Dimension unregelmäßige Geometrien aufweisen. 5 ist ein TEM-Hellfeldbild von Körnern in einer TiZrAl2O3-Schicht, wobei ein TiZrAl2O3-Korn (50) mit einer unregelmäßigen Form abgebildet ist. Das unregelmäßige Korn (50) von 5 zeigt zwei Regionen, die durch eine dünnere konische Region verbunden sind. Unregelmäßige Formen, die durch TiZrAl2O3-Körner gezeigt sind, stehen im Gegensatz zu früheren CVD-Beschichtungen einschließlich Aluminiumoxidbeschichtungen, die regelmäßige säulenförmige oder gleichachsige Geometrien zeigen.
  • Wie hierin beschrieben, kann eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht andere Anordnungen schichtinterner Zusammensetzungsabstufungen zeigen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung eine aus Al2O3 bestehende Phase, eine aus ZrAl2O3 bestehende Phase und eine aus TiAl2O3 bestehende Phase. Eine derartige schichtinterne Zusammensetzungsabstufung kann in einzelnen Körnern der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht widergespiegelt sein. Beispielsweise kann ein einzelnes Korn eine korninterne Zusammensetzungsabstufung umfassen, die durch das Vorhandensein der Al2O3-Phase, der ZrAl2O3-Phase und der TiAl2O3-Phase gebildet ist. Ferner kann eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung eine aus Al2O3 bestehende Phase, eine aus ZrAl2O3 bestehende Phase, eine aus TiAl2O3 bestehende Phase und eine aus TiZrAl2O3 bestehende Phase aufweisen. Diese schichtinterne Zusammensetzungsabstufung kann auch in einzelnen Körnern der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht widergespiegelt sein.
  • Eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht kann eine beliebige Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Bei einigen Ausführungsformen weist eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht eine Dicke von 1 bis 15 µm oder 2 bis 10 µm auf.
  • Darüber hinaus kann eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht ohne Verwendung von Verbindungs- und oder Modifikationsschichten direkt auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats abgeschieden sein. Bei einigen Ausführungsformen können sich jedoch zwischen dem Substrat und der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht eine oder mehrere Grundschichten der Beschichtung befinden. Eine Grundschicht kann ein oder mehrere metallische Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Eine Grundschicht kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN) und Titanoxycarbonitrid (TiOCN). Bei einigen Ausführungsformen liegt eine mehrschichtige Anordnung vor, die TiN, TiCN und/oder TiOCN umfasst. Eine Grundschicht kann eine beliebige Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Grundschicht eine Dicke von 0,2 bis 12 µm oder 0,5 bis 5 µm auf.
  • Außerdem kann eine hierin beschriebene Beschichtung ferner eine oder mehrere Außenschichten über der polykristallinen TiZrAl3O3-Schicht umfassen. Eine Außenschicht kann bei einigen Ausführungsformen ein oder mehrere metallische Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Bei einigen Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere Außenschichten über der TiZrAl2O3-Schicht ein Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid eines oder mehrerer metallischer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems. Beispielsweise sind eine oder mehrere Außenschichten ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarbid, Zirconiumnitrid, Zirconiumcarbonitrid, Hafniumnitrid, Hafniumcarbonitrid und Aluminiumoxid und Mischungen davon. Außenschichten von hierin beschriebenen Beschichtungen können eine beliebige Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Eine Außenschicht einer Beschichtung kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine hierin beschriebene CVD-Beschichtung eine Architektur aufweisen, die aus Tabelle IV ausgewählt ist. In Tabelle IV bereitgestellte Beschichtungsarchitekturen beginnen mit der innersten, an das Substrat angrenzenden Schicht und setzen sich in Richtung äußerster Schicht fort. Darüber hinaus können TiZrAl2O3-Schichten der in Tabelle IV aufgeführten Beschichtungsarchitekturen beliebige der in diesem Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzungsabstufungen zeigen. Tabelle IV - Beschichtungsarchitekturen
    Struktur der CVD-Beschichtung
    TiN-TiZrAl2O3
    TiN-T TiZrAl2O3-TiN
    TiN-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiN-TiCN(MT)*-TiZrAl2O3
    TiN-TiCN(MT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiN-TiCN(HT)**-TiZrAl2O3
    TiN-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiN-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiCN(MT)-TiZrAl2O3
    TiCN(MT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiCN(MT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiCN(HT)-TiZrAl2O3
    TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3
    TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3
    TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN
    TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    TiZrAl2O3
    TiZrAl2O3-TiN
    TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    * MT = CVD bei mittleren Temperaturen
    ** HT = CVD bei hohen Temperaturen
  • Beschichtungen der hierin beschriebenen Schneidwerkzeuge können Beschichtungsnachbehandlungen unterzogen werden. Beschichtungen können beispielsweise mit verschiedenen Nass- und/oder Trockenpartikelzusammensetzungen abgestrahlt werden. Ein nachträgliches Abstrahlen kann auf eine beliebige Weise erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das nachträgliche Abstrahlen das Kugelabstrahlen oder Druckabstrahlen. Das Druckabstrahlen kann auf eine Vielfalt von Arten erfolgen, einschließlich Druckluftabstrahlen, Nass-Druckluftabstrahlen, Druck-Flüssigkeitsabstrahlen, Nassabstrahlen, Druck-Flüssigkeitsabstrahlen und Dampfabstrahlen. Das Nassabstrahlen erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Breis aus anorganischen und/oder keramischen Partikeln, wie beispielsweise aus Aluminiumoxid und Wasser. Der Aluminiumoxidpartikelbrei kann mittels Druckluft auf eine Oberfläche des beschichteten Schneidwerkzeugkörpers aufgesprüht werden, sodass er auf die Oberfläche der Beschichtung auftrifft. Die Aluminiumoxidpartikel können im Allgemeinen in einem Größenbereich zwischen ca. 20 µm und ca. 100 µm liegen.
  • Zu Abstrahlparametern gehören Druck, Auftreffwinkel, Abstand zur Oberfläche des Teils und Zeitdauer. Bei einigen Ausführungsformen kann der Auftreffwinkel in einem Bereich von ca. 45 Grad bis ca. 90 Grad liegen, d. h. die Partikel treffen auf die Beschichtungsoberfläche in einem Winkel, der in einem Bereich von ca. 45 Grad bis ca. 90 Grad liegt. Geeignete Drücke können in einem Bereich von 207 bis 0,38 Megapascal (MPa) (30 bis 55 Pfund pro Quadratzoll (psi)) in einem Abstand zur beschichteten Oberfläche von 2,5 bis 15 Zentimetern (1 bis 6 Zoll) liegen. Ferner kann die Zeitdauer des Abstrahlens im Allgemeinen in einem Bereich von 1 bis 10 Sekunden oder länger liegen. Das Abstrahlen kann im Allgemeinen über dem Oberflächenbereich der Beschichtung erfolgen, oder es kann auf ausgewählten Stellen erfolgen, beispielsweise in einem Werkstückkontaktbereich des Schneidwerkzeugs. Ein Werkstückkontaktbereich kann eine gehonte Region des Schneidwerkzeugs sein.
  • Bei anderen Ausführungsformen wird eine Beschichtung einer nachträglichen Polierbehandlung unterzogen. Das Polieren kann mit einer Paste mit einer geeigneten Diamanten- oder Keramikschleifkorngröße erfolgen. Die Korngröße der Paste liegt bei einigen Ausführungsformen im Bereich von 1 µm bis 10 µm. Bei einer Ausführungsform wird zum Polieren der Beschichtung eine Diamantschleifkornpaste von 5 bis 10 µm verwendet. Ferner kann die Schleifkornpaste auf die CVD-Beschichtung durch eine beliebige Vorrichtung, beispielsweise Bürsten, aufgetragen werden, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Bei einer Ausführungsform wird beispielsweise ein Flachpinsel verwendet, um in einem Werkstückkontaktbereich des Schneidwerkzeugs Schleifpaste auf die CVD-Beschichtung aufzutragen.
  • Eine hierin beschriebene Beschichtung kann über einen Zeitraum hinweg abgestrahlt oder poliert werden, der ausreicht, um eine erwünschte Oberflächenrauheit (Ra) und/oder andere Parameter, wie beispielsweise das Verringern von Eigenspannung in der Beschichtung, zu erzielen. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Beschichtung, die einer Nachbehandlung unterzogen wurde, eine aus Tabelle V ausgewählte Oberflächenrauheit (Ra) auf. Tabelle V – Oberflächenrauheit (Ra) der Beschichtung nach der Nachbehandlung
    Oberflächenrauheit (Ra) der polierten Beschichtung – nm
    ≤ 500
    ≤ 250
    < 200
    10 bis 250
    50 bis 175
    25–150
  • Die Oberflächenrauheit der Beschichtung kann durch optische Profilometrie unter Verwendung optischer Profilometer der Baureihe WYKO® NT, im Handel erhältlich von Veeco Instruments, Inc. mit Sitz in Plainview, New York, ermittelt werden.
  • Zudem entfernt eine Beschichtungsnachbehandlung bei einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Außenschichten der Beschichtung nicht. Bei einigen Ausführungsformen entfernt beispielsweise eine Beschichtungsnachbehandlung eine Außenschicht aus TiN und/oder TiCN nicht. Alternativ kann eine Beschichtungsnachbehandlung eine oder mehrere Außenschichten wie beispielsweise TiN und/oder TiCN entfernen oder teilweise entfernen.
  • Darüber hinaus kann eine hierin beschriebene Beschichtung eine kritische Last (Lc) von bis zu ca. 90 N zeigen. Lc-Werte von hierin beschriebenen Beschichtungen werden anhand der ASTM-Norm „C1624-05-Standard Test for Adhesion Strength by Quantitative Single Point Scratch Testing“ ermittelt, wobei eine progressive Belastung von 10 N verwendet wurde. Bei einigen Ausführungsformen kann eine hierin beschriebene Beschichtung ein Lc von 60 bis 90 N oder 70 bis 80 N zeigen.
  • II. Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge
  • Außerdem werden Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge bereitgestellt. Ein Verfahren zum Herstellen eines hierin beschriebenen Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung, die eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst, über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats durch CVD.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf bestimmte Schritte umfasst ein hierin beschriebenes Verfahren das Bereitstellen eines Substrats. Ein Substrat kann ein beliebiges Substrat umfassen, das hierin im Abschnitt I oben aufgeführt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Substrat beispielsweise Hartmetall wie z. B. gesintertes Wolframcarbid oder PcBN, wie in Abschnitt I beschrieben. Darüber hinaus kann eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht, die gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren abgeschieden wurde, eine hierin beschriebene beliebige schichtinterne Zusammensetzungsabstufung zeigen. Beispielsweise kann die mittels CVD abgeschiedene TiZrAl2O3-Schicht eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die mittels CVD abgeschiedene TiZrAl2O3-Schicht eine Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 bestehenden Phase und einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase zeigen. Derartige Zusammensetzungsabstufungen können auch in einzelnen Körnern der TiZrAl2O3-Schicht widergespiegelt sein.
  • Bei einem hierin beschriebenen Verfahren kann eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht aus einem Gasgemisch abgeschieden werden, das eine Aluminiumquelle, Sauerstoffquelle, Titanquelle und Zirconiumquelle umfasst. Bei einigen Ausführungsformen wird eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht aus einem Gasgemisch abgeschieden, das AlCl3, ZrCl4, TiCl4, H2 und CO2 umfasst. Das Gasgemisch kann wahlweise auch H2S und/oder HCl umfassen. Allgemeine Parameter zur CVD-Abscheidung einer polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht einer hierin beschriebenen Beschichtung sind in Tabelle VI bereitgestellt. Tabelle VI – CVD-Parameter zur Abscheidung von TiZrAl2O3-Schichten
    Gasgemisch Temperatur (°C) Druck (kPa (Torr)) Zeitdauer (Minuten)
    H2, AlCl3, ZrCl4, TiCl4, CO2, H2S*, HCl* 800 bis 1500 4 bis 13 kPa (30 bis 100) 10 bis 600
    * Wahlweise
  • Die gleichzeitige Einbeziehung von Titan- und Zirconiumquellen in das Gasgemisch stellt bei einigen Ausführungsformen eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht bereit, die eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase zeigt. Wie hierin in Abschnitt I beschrieben, können sich die Al2O3-Phase und die TiZrAl2O3-Phase in der gesamten polykristallinen Schicht abwechseln.
  • Bei anderen Ausführungsformen können Zirconium- und die Titanquelle abwechselnd selektiv in das Gasgemisch eingeleitet werden. Beispielsweise kann eine Zirconiumquelle während eines vorgegebenen Zeitraums in dem Gasgemisch vorliegen und wird anschließend durch eine Titanquelle in dem Gasgemisch ersetzt oder umgekehrt. Bei einigen Ausführungsformen wird die abwechselnde Einleitung von Zirconium und Titan in das Gasgemisch während der gesamten Dauer des CVD-Abscheidungsprozesses mehrfach wiederholt. Bei anderen Ausführungsformen geschieht die abwechselnde Einleitung von Zirconium- und Titanquellen nur einmal während des CVD-Abscheidungsprozesses. Die abwechselnde Einleitung von Titan- und Zirconiumquellen in das Gasgemisch kann eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung erzeugen, die eine aus Al2O3 bestehende Phase, eine aus ZrAl2O3 bestehende Phase und eine aus TiAl2O3 bestehende Phase aufweist. Bei einigen Ausführungsformen kann die abwechselnde Einleitung von Titan- und Zirconiumquellen in das Gasgemisch vor oder nach der gleichzeitigen Einleitung der Titan- und Zirconiumquellen geschehen, um eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung bereitzustellen, die eine Al2O3-Phase, eine ZrAl2O3-Phase, eine TiAl2O3-Phase und eine TiZrAl2O3-Phase aufweist.
  • Eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht kann ohne Verwendung von Verbindungs- und/oder Modifikationsschichten direkt auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen können sich jedoch zwischen dem Substrat und der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht eine oder mehrere Grundschichten der Beschichtung befinden. Eine Grundschicht kann ein oder mehrere metallische Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Eine Grundschicht kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN) und Titanoxycarbonitrid (TiOCN). Bei einigen Ausführungsformen liegt eine mehrschichtige Anordnung vor, die TiN, TiCN und/oder TiOCN umfasst. Allgemeine Parameter zur CVD-Abscheidung verschiedener Grundschichten sind in Tabelle VII bereitgestellt. Tabelle VII – CVD-Parameter zur Abscheidung von Grundschichten
    Zusammensetzung der Grundschicht Gasgemisch Temperatur (°C) Druck (kPa (Torr)) Zeitdauer (Minuten)
    TiN H2, N2, TiCl4 800 bis 900 8 bis 40 (60 bis 300) 20 bis 60
    TiCN(MT) H2, N2, TiCl4, CH3CN 750 bis 900 4 bis 16 (30 bis 120) 60 bis 300
    TiCN(HT) H2, N2, TiCl4, CH4 900 bis 1050 4 bis 40 (30 bis 300) 30 bis 100
    TiOCN H2, N2, TiCl4 CH4, CO 900 bis 1050 8 bis 67 (60 bis 500) 30 bis 100
  • Darüber hinaus können hierin beschriebene Verfahren ferner das Abscheiden einer oder mehrerer Außenschichten über der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht umfassen. Eine Außenschicht kann bei einigen Ausführungsformen ein oder mehrere metallische Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Bei einer Ausführungsform wird beispielsweise eine Außenschicht aus TiN und/oder TiCN unter Bezugnahme auf die in Tabelle VII aufgeführten CVD-Parameter abgeschieden. Beschichtungen, die gemäß hierin beschriebenen Verfahren abgeschieden wurden, können eine Architektur aufweisen, die in der obigen Tabelle IV bereitgestellt ist.
  • Ferner können die abgeschiedenen Beschichtungen einer Nachbehandlung bzw. Nachbehandlungen, wie beispielsweise nachträglichem Abstrahlen oder Polieren, unterzogen werden, wie hierin oben in Abschnitt I beschrieben. Nachträgliches Abstrahlen kann bei einigen Ausführungsformen eine mäßige Zugspannung der Beschichtung in eine mäßige Druckspannung ändern oder die Druckspannung in der abgeschiedenen Beschichtung erhöhen.
  • Diese und andere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden nicht einschränkenden Beispielen weiter veranschaulicht.
  • Beispiel 1 – beschichtetes Schneidwerkzeug
  • Ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug wurde hergestellt, indem ein Schneideinsatzsubstrat aus gesintertem Wolframcarbid (WC-Co) [ANSI-Standardgeometrie CNMG432RN] in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit axialer Strömung platziert wurde. Der Schneideinsatz umfasste ca. 6 Gew.-% Cobaltbindemittel, wobei die restlichen WC-Körner eine Größe von 1 bis 5 µm aufwiesen. Eine Beschichtung mit einer in Tabelle VIII aufgeführten Architektur wurde auf dem gesinterten WC-Schneideinsatz gemäß den CVD-Verfahrensparametern abgeschieden, die in den Tabellen VI und VII bereitgestellt sind. TiCl4 und ZrCl4 lagen in dem CVD-Gasgemisch gleichzeitig vor, um eine polykristalline TiZrAl2O3-Schicht bereitzustellen, die eine schichtinterne Zusammensetzungsabstufung aus sich abwechselnden Al2O3-Phasen und TiZrAl2O3-Phasen aufweist. Tabelle VIII – Architektur der CVD-Beschichtung
    Substrat Architektur der CVD-Beschichtung
    WC-Co TiN*-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN-TiZrAl2O3-TiN/TiCN
    * Innerste, an das Substrat angrenzende Schicht
  • Die entstandene mehrschichtige Beschichtung, die die polykristalline TiZrAl2O3-Schicht umfasst, wurde einer Beschichtungsnachbehandlung durch Nassabstrahlen mit Aluminiumoxidbrei unterzogen und zeigte die in Tabelle IX bereitgestellten Eigenschaften. Tabelle IX – Eigenschaften der CVD-Beschichtung
    Beschichtungsschichten Dicke (µm)
    TiN 0,3 bis 0,7
    TiCN(MT) 8,5 bis 9
    TiCN(HT)/TiOCN 0,8 bis 1,2
    TiZrAl2O3 6,8 bis 7,2
    TiN/TiCN 1,3 bis 1,7
  • 6 ist ein optisches Querschnittsabbild des beschichteten Schneideinsatzes dieses Beispiels 1, das Schichten der Beschichtungsarchitektur zeigt.
  • Beispiel 2 – Metallschneidprüfung
  • Die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 2) von Beispiel 1 und die Vergleichsbeschichtungseinsätze (3 bis 6) wurden einer durchgehenden Drehprüfung von Stahl der Qualität 1045 gemäß den nachstehenden Parametern unterzogen. Die Vergleichsschneideinsätze (3 bis 6) zeigten Beschichtungsarchitekturen und Eigenschaften, die in den Tabellen X und XI aufgeführt sind. Bei den Vergleichsschneideinsätzen (3 bis 6) wurde ein WC-Co-Substrat mit einer im Wesentlichen ähnlichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 und einer ANSI-Standardgeometrie CNMG432RN genutzt. Tabelle X – Vergleichsschneideinsätze 3 und 4
    Beschichtungsschichten Dicke (µm)
    TiN* 0,5 bis 0,9
    TiCN(MT) 8,5 bis 9
    TiCN(HT)/TiOCN 0,8 bis 1,2
    ZrAl2O3 7,9 bis 8,3
    TiN/TiCN 0,6 bis 1,0
    * An das WC-Co-Substrat angrenzende Beschichtungsschicht Tabelle XI – Vergleichsschneideinsätze 5 und 6
    Beschichtungsschichten Dicke (µm)
    TiN* 0,3 bis 0,7
    TiCN(MT) 7,8 bis 8,2
    TiCN(HT)/TiOCN 0,8 bis 1,2
    α-Al2O3 6,8 bis 7,2
    TiN/TiCN 1,3 bis 1,7
    * An das WC-Co-Substrat angrenzende Beschichtungsschicht
  • Ferner wurden die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 2) von Beispiel 1 und die Vergleichsbeschichtungseinsätze (3 bis 6) gemäß Tabelle XII nachbehandelt. Tabelle XII – Beschichtungsnachbehandlung
    Schneideinsatz Beschichtungsnachbehandlung
    1 Polieren-Diamantschleifkornpaste, 5 bis 10 µm
    2 Nassabstrahlen-Aluminiumoxidpartikelbrei
    3 Polieren-Diamantschleifkornpaste, 5 bis 10 µm
    4 Nassabstrahlen-Aluminiumoxidpartikelbrei
    5 Keine
    6 Keine
  • Die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 2) von Beispiel 1 und die Vergleichsbeschichtungseinsätze (3 bis 6) wurden wie folgt einer kontinuierlichen Drehprüfung unterzogen:
    Werkstück – Stahl, Qualität 1045
    Geschwindigkeit – 304,8 m/min (1000 Fuß/min)
    Vorschubgeschwindigkeit – 0,3048 mm/min (0,012 Zoll pro Umdrehung)
    Schnitttiefe – 0,08 mm (0,08 Zoll)
    Freiwinkel: –5°
  • Die Ermittlung der Lebensdauer erfolgte durch ein oder mehrere Fehlermodi von:
    einheitlicher Verschleiß (Uniform Wear, UW) von 0,030 cm (0,012 Zoll)
    maximaler Verschleiß (Max Wear, MW) von 0,030 cm (0,012 Zoll)
    Verschleiß der Spitze (Nose Wear, NW) von 0,030 cm (0,012 Zoll)
    Tiefe des Schnittkerbenverschleißes (Depth of Cut Notch Wear, DOCN) von 0,030 cm (0,012 Zoll)
    Hinterkantenverschleiß (Trailing Edge Wear, TW) von 0,030 cm (0,012 Zoll)
  • Zwei Schneideinsätze wurden auf die jeweilige Beschichtungsarchitektur (1 bis 6) geprüft und lieferten Daten der Wiederholungen 1 und 2 sowie eine gemittelte Schneidlebensdauer. Die Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung sind in Tabelle XIII bereitgestellt. Tabelle XIII – Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung
    Schneideinsatz Wiederholung 1, Lebensdauer (Minuten) Wiederholung 2, Lebensdauer (Minuten) Mittlere Schneidlebensdauer (Minuten)
    1 16,1 25 20,6
    2 27,2 29,4 28,3
    3 17,9 18,8 18,3
    4 23,0 23,6 23,3
    5 26,6 28,4 27,5
    6 23,9 18,2 21,1
  • Wie in Tabelle XIII angegeben, zeigte das beschichtete Schneidwerkzeug 2 mit der Architektur von Beispiel 1 die beste mittlere Schneidlebensdauer. Ferner zeigten die beschichteten Schneidwerkzeuge 1 und 2 mit der Architektur von Beispiel 1 eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Mikroabplatzungen, insbesondere an der Spanfläche, was zu einer längeren Werkzeuglebensdauer beitrug.
  • Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen daran sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (29)

  1. Beschichtetes Schneidwerkzeug, umfassend: ein Substrat; und eine am Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst.
  2. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 einen Zusammensetzungsgradienten mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase umfasst.
  3. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei sich Al2O3-Phasen und TiZrAl2O3-Phasen in der gesamten polykristallinen Schicht abwechseln.
  4. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei ein einzelnes Korn der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht den Zusammensetzungsgradienten zeigt, der die Al2O3-Phase und die TiZrAl2O3-Phase aufweist.
  5. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die TiZrAl2O3-Phase einen Zusammensetzungsgradienten zeigt, der durch die Lokalisierung von Titan oder Zirconium in einer oder mehreren Regionen der TiZrAl2O3-Phase gebildet ist.
  6. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, wobei Zirkonium in einer Region der TiZrAl2O3-Phase lokalisiert ist, die an eine oder mehrere Korngrenzen angrenzt.
  7. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 einen Zusammensetzungsgradienten mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 und einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase umfasst.
  8. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, wobei ein einzelnes Korn der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht den Zusammensetzungsgradienten zeigt, der die Al2O3-Phase, die ZrAl2O3-Phase und die TiAl2O3-Phase aufweist.
  9. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, wobei sich die Al2O3-Phase, die ZrAl2O3-Phase und die TiAl2O3-Phase in der gesamten polykristallinen Schicht abwechseln.
  10. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei Titan und Zirconium in der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht jeweils in einer Menge von 0,01 bis 5 Gew.-% vorliegen.
  11. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ferner eine oder mehrere Grundschichten zwischen dem Substrat und der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht aufweist.
  12. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei eine Grundschicht ein oder mehrere metallische Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems.
  13. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die eine oder mehreren Grundschichten ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus TiN, TiCN und TiOCN.
  14. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ferner eine oder mehrere Außenschichten über der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht umfasst.
  15. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, wobei eine Außenschicht ein oder mehrere metallische Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems.
  16. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Beschichtung einer nachträglichen Abstrahlbehandlung mit keramischen oder anorganischen Partikeln unterzogen ist.
  17. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Beschichtung poliert ist.
  18. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die polykristalline TiZrAl2O3-Schicht durch CVD abgeschieden ist.
  19. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat gesintertes Wolframcarbid oder polykristallines kubisches Bornitrid umfasst.
  20. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Einsatz, ein Bohrer oder ein Sägeblatt ist.
  21. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schneidwerkzeugs, umfassend: Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats; und Abscheiden einer Beschichtung, die eine polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 umfasst, auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein bei der CVD verwendetes Gasgemisch AlCl3, ZrCl4, TiCl4, H2 und CO2 umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 einen Zusammensetzungsgradienten mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase und einer aus TiZrAl2O3 bestehenden Phase umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei sich Al2O3-Phasen und TiZrAl2O3-Phasen in der gesamten polykristallinen Schicht abwechseln.
  25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei ein einzelnes Korn der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht den Zusammensetzungsgradienten zeigt, der die Al2O3-Phase und die TiZrAl2O3-Phase aufweist.
  26. Verfahren nach Anspruch 21, wobei ZrCl4 und TiCl4 abwechselnd in ein Gasgemisch eingeleitet werden.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die polykristalline Schicht aus TiZrAl2O3 einen Zusammensetzungsgradienten mit einer aus Al2O3 bestehenden Phase, einer aus ZrAl2O3 und einer aus TiAl2O3 bestehenden Phase umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei ein einzelnes Korn der polykristallinen TiZrAl2O3-Schicht den Zusammensetzungsgradienten zeigt, der die Al2O3-Phase, die ZrAl2O3-Phase und die TiAl2O3-Phase aufweist.
  29. Verfahren nach Anspruch 27, wobei sich die Al2O3-Phase, die ZrAl2O3-Phase und die TiAl2O3-Phase in der gesamten polykristallinen Schicht abwechseln.
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