DE112014001640T5 - Mehrschichtig strukturierte Beschichtungen für Schneidwerkzeuge - Google Patents

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Abstract

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 Schneidwerkzeug umfasst ein Substrat und eine an dem Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst.

Description

  • DATEN VERWANDTER ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. § 119(e) hiermit Priorität der US-Patentanmeldung, vorläufige Eingangsnr. 61/806,035, eingereicht am 28. 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 der Lebensdauer des Schneidwerkzeugs werden eine oder mehrere Schichten aus feuerfestem Material auf die Schneidflächen aufgetragen. Beispielsweise werden TiC, TiCN, TiN und/oder Al2O3 auf Hartmetallsubstrate durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und durch physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) aufgetragen. Obwohl sie bei einer Vielzahl von Anwendungen wirksam den Verschleiß unterdrücken und die Lebensdauer verlängern, haben feuerfeste Beschichtungen auf Basis von einschichtigen oder mehrschichtigen Konstruktionen der vorgenannten feuerfesten Materialien 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 können. Ein hierin beschriebenes Schneidwerkzeug umfasst ein Substrat und eine an dem Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsschicht ferner TiOCN. Ferner können Struktureinheiten aneinander angrenzen und dadurch eine Struktur bilden, bei der sich Aluminiumoxid- und Verbindungsschichten abwechseln.
  • Außerdem sind Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge vorgesehen. Ein Verfahren zum Herstellen eines hierin beschriebenen beschichteten Schneidwerkzeugs umfasst das Vorsehen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats durch chemische Gasphasenabscheidung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsschicht ferner TiOCN.
  • Diese und andere Ausführungsformen sind in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht ein Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 2 ist eine Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 3 ist eine Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 4 ist ein optisches Querschnittsabbild eines beschichteten Schneideinsatzes gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
  • 5 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 ihrer vorherigen und folgenden 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 Schneidwerkzeug umfasst ein Substrat und eine an dem Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsschicht ferner TiOCN.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf bestimmte Komponenten umfasst ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug ein Substrat. Substrate beschichteter Schneidwerkzeuge können beliebige Materialien umfassen, die mit den Zielen 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 ein 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 Zielen 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, Oxide 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 vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Schneidwerkzeug ein eigenständiges monolithisches, aus einem festen Stück bestehendes PcBN-Substrat umfassen. Alternativ ist ein PcBN-Substrat als kompaktes Element oder Einsatz vorgesehen, 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) gebildet sind. Das Substrat umfasst außerdem eine Öffnung (18), die vorgesehen 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 besteht aus einer mehrschichtigen Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten, wobei jede Struktureinheit eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfasst Eine Verbindungsschicht einer Struktureinheit umfasst TiCN und TiAlOC. Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine Verbindungsschicht ferner TiOCN. TiCN, TiAlOC und TiOCN können als Teilschichten der Verbindungsschicht vorgesehen sein. Ferner weist eine Verbindungsschicht der Struktureinheit im Allgemeinen eine Dicke von weniger als 1 μm auf. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Verbindungsschicht eine Dicke auf, die aus Tabelle II ausgewählt ist. Tabelle II – Dicke der Verbindungsschicht (nm)
    Dicke der Verbindungsschicht (nm)
    10 bis 950
    5 bis 500
    5 bis 200
    10 bis 100
  • Wenn eine oder mehrere Teilschichten aus TiCN, TiAlOC und/oder TiOCN eine Verbindungsschicht bilden, können die Teilschichten jeweils eine Dicke von 5 bis 500 nm aufweisen.
  • Wie hierin beschrieben umfasst eine Struktureinheit außerdem eine Aluminiumoxidschicht, die an die Verbindungsschicht angrenzt oder diese berührt. Die Aluminiumoxidschicht weist eine Dicke von weniger als ca. 0,5 μm auf. Bei einigen Ausführungsformen weist eine Aluminiumoxidschicht der Struktureinheit eine Dicke auf, die aus Tabelle III ausgewählt ist. Tabelle III – Dicke der Aluminiumoxidschicht (nm)
    Dicke der Verbindungsschicht (nm)
    5 bis 500
    5 bis 450
    5 bis 200
    10 bis 100
    5 bis 50
  • Struktureinheiten, die eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht aufweisen, können beliebig oft gestapelt oder wiederholt werden, um eine Beschichtungsdicke aufzubauen. Beispielsweise können Struktureinheiten aneinander angrenzend abgeschieden sein. Bei derartigen Ausführungsformen ist eine Struktur aus sich abwechselnden Verbindungs- und Aluminiumoxidschichten ausgebildet. Alternativ sind mindestens zwei der Struktureinheiten durch eine oder mehrere Zwischenschichten voneinander getrennt. Eine Zwischenschicht 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 ein oder mehrere nichtmetallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise ein Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid eines oder mehrerer metallischer Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems.
  • Darüber hinaus kann eine Struktureinheit ohne Vorhandensein beliebiger Grundschichten direkt auf der Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats abgeschieden sein. Bei einigen Ausführungsformen können sich jedoch zwischen dem Substrat und den Struktureinheiten 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 ein oder mehrere nichtmetallische Elemente 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 Titanioxycarbonitrid (TiOCN). Bei einigen Ausführungsformen liegt eine mehrschichtige Anordnung vor, die TiN, TiCN und/oder TiOCN umfasst. Ferner kann eine Übergangsschicht zwischen einer Grundschichtanordnung und einer abgeschiedenen Aluminiumoxidschicht der Struktureinheit vorhanden sein. Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine derartige Übergangsschicht TiAlOC.
  • Eine Grundschicht kann eine beliebige Dicke aufweisen, die mit den Zielen 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.
  • Ferner kann eine hierin beschriebene Beschichtung auch eine oder mehrere Außenschichten über den Struktureinheiten 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, die über den Struktureinheiten abgeschieden sind, 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 TiN, TiCN und TiOCN. Außenschichten von hierin beschriebenen Beschichtungen können eine beliebige Dicke aufweisen, die mit den Zielen 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.
  • Unter Berücksichtigung aller Komponenten kann eine hierin beschriebene Beschichtung eine Dicke bis 25 μm aufweisen. Eine Beschichtung kann beispielsweise eine Gesamtdicke von 2 bis 15 μm oder 5 bis 12 μm aufweisen.
  • 2 ist eine Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 2 veranschaulicht, umfasst das beschichtete Schneidwerkzeug (20) ein Substrat (21) und eine mittels CVD abgeschiedene, am Substrat haftende Beschichtung (22). Die CVD-Beschichtung (22) umfasst einen Grundschichtaufbau (23) aus TiN und TiCN. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Grundschichtaufbau (23) TiN-TiCN/TiOCN. Struktureinheiten (24), die jeweils eine Verbindungsschicht (25) und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht (26) umfassen, sind über dem Grundschichtaufbau (23) abgeschieden. Wie hierin beschrieben, kann eine Verbindungsschicht Teilschichten aus TiAlOC (27), TiCN (28) und TiOCN (29) umfassen. Eine Außenschicht (30) aus TiCN/TiN oder TiCN/TiOCN ist über den sich wiederholenden Struktureinheiten (24) abgeschieden.
  • 3 ist eine Darstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 3 veranschaulicht, umfasst das beschichtete Schneidwerkzeug (30) ein Substrat (31) und eine mittels CVD abgeschiedene, am Substrat haftende Beschichtung (32). Die CVD-Beschichtung (32) umfasst einen Grundschichtaufbau (33) aus TiN und TiCN. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Grundschichtaufbau (33) TiN-TiCN/TiOCN. Ferner kann eine Übergangsschicht (nicht dargestellt) zwischen der Grundschicht und der Aluminiumoxidschicht einer Struktureinheit angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine derartige Übergangsschicht TiAlOC. Struktureinheiten (34), die jeweils eine Verbindungsschicht (35) und eine Aluminiumoxidschicht (36) umfassen, sind über dem Grundschichtaufbau (33) abgeschieden. Die Verbindungsschicht (35) umfasst Teilschichten aus TiAlOC (37), TiCN (38) und TiOCN (39).
  • Bei der Ausführungsform von 3 umfasst die Verbindungsschicht (35) ferner eine Übergangsschicht (40), auf der die Aluminiumoxidschicht der nächsten Struktureinheit abgeschieden ist. Die Übergangsschicht (40) besteht bei einigen Ausführungsformen aus TiAlOC. Eine Außenschicht (41) aus TiCN/TiN oder TiCN/TiOCN ist über den sich wiederholenden Struktureinheiten (34) abgeschieden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine hierin beschriebene CVD-Beschichtung eine Architektur aufweisen, die aus Tabelle IV ausgewählt ist. Tabelle IV – Beschichtungsarchitektur
    Grundschichtaufbau Struktureinheitsaufbau Außenschichtaufbau
    TiN-TiCN(MT)* [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiCN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiCN/TiOCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)** [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiCN(MT) TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiOCN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiCN(MT) TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN TiCN/TiN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) TiNTiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiN-TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiCN(MT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT) [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiCN(MT)-TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    TiCN(HT)/TiOCN [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiN
    - [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN/TiAlOC]n TiCN/TiOCN
    * Mittlere Temperatur (MT)
    ** Hohe Temperatur (HT)
    n = wiederholtes Auftreten
  • Beschichtungen der hierin beschriebenen Schneidwerkzeuge können Beschichtungsnachbehandlungen unterzogen werden. Beschichtungen können beispielsweise mit verschiedenen Nass- und/oder Trockenpartikelzusammensetzungen gestrahlt werden. Ein nachträgliches Strahlen kann auf eine beliebige Weise erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das nachträgliche Strahlen das Kugelstrahlen oder Druckstrahlen. Das Druckstrahlen kann auf eine Vielfalt von Arten erfolgen, einschließlich Druckluftstrahlen, Nass-Druckluftstrahlen, Druck-Flüssigkeitsstrahlen, Nassstrahlen, Druck-Flüssigkeitsstrahlen und Dampfstrahlen. Das Nassstrahlen 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 Schneideinsatzkörpers 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 Strahlparametern 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 0,2 bis 0,38 Megapascal (MPa) (30 bis 55 Pounds per Square Inch (psi)) in einem Abstand zur beschichteten Oberfläche von 2,5 bis 15 Zentimetern (1 bis 6 Zoll) liegen. Ferner kann die Zeitdauer des Strahlens im Allgemeinen in einem Bereich von 1 bis 10 Sekunden oder länger liegen. Das Strahlen 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 ein gehonter Bereich 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 gestrahlt oder poliert werden, der ausreicht, um eine erwünschte Oberflächenrauheit (Ra) und/oder andere Parameter wie beispielsweise das Verringern von Eigenspannungen 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 Beschichtung – nm
    ≤ 500
    ≤ 250
    ≤ 200
    10 bis 250
    50 bis 175
    25–150
  • Die Rauheit der Beschichtungsoberfläche 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 nicht eine oder mehrere Außenschichten der Beschichtung. Bei einigen Ausführungsformen entfernt beispielsweise eine Beschichtungsnachbehandlung nicht eine Außenschicht aus TiN, TiCN und/oder TiOCN. Alternativ kann eine Beschichtungsnachbehandlung eine oder mehrere Außenschichten wie beispielsweise TiN, TiCN und/oder TiOCN entfernen oder teilweise entfernen.
  • II. Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge
  • Außerdem sind Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeuge vorgesehen. Ein Verfahren zum Herstellen eines hierin beschriebenen Schneidwerkzeugs umfasst das Vorsehen eines Schneidwerkzeugsubstrats und das Abscheiden einer Beschichtung über einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats durch chemische Gasphasenabscheidung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsschicht ferner TiOCN.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf bestimmte Schritte umfasst ein hierin beschriebenes Verfahren das Vorsehen eines Substrats. Ein Substrat kann ein beliebiges Substrat sein, 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 können gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren abgeschiedene Beschichtungen einen beliebigen Aufbau und/oder beliebige Eigenschaften aufweisen, die in Abschnitt I beschrieben sind. Beispielsweise können abgeschiedene Beschichtungen einen Aufbau aufweisen, der aus der obigen Tabelle IV ausgewählt ist.
  • Bei einem hierin beschriebenen Verfahren umfassen Verbindungsschichten von Struktureinheiten der Beschichtung TiCN und TiAlOC. Bei einigen Ausführungsformen umfassen die Verbindungsschichten ferner TiOCN. TiCN-, TiOCN- und TiAlOC-Teilschichten einer Verbindungsschicht können gemäß den allgemeinen CVD-Parametern abgeschieden werden, die in Tabelle VI aufgeführt sind. Tabelle VI – CVD-Parameter zur Abscheidung von Verbindungsschichten
    Verbindungs-Teilschicht Zusammensetzung Gasmischung Temperatur (°C) Druck kPa(Torr) Zeitdauer ( Minuten)
    TiCN H2, N2, TiC14, CH4 800 bis 1000 8 bis 40 (60 bis 300) 2 bis 20
    TiOCN H2, N2, TiCl4, CH4, CO, HCl 800 bis 1000 8 bis 67 (60 bis 500) 2 bis 20
    TiAlOC TiCl4, AlCl3, N2, CH4, H2, HCJ, CO 800 bis 1000 8 bis 40 (60 bis 300) 2 bis 20
  • Ferner können Aluminiumoxidschichten von Struktureinheiten der Beschichtung gemäß den allgemeinen CVD-Parametern abgeschieden werden, die in Tabelle VII aufgeführt sind. Tabelle VII – CVD-Parameter zur Abscheidung von Aluminiumoxid
    Gasmischung Temperatur (°C) Druck kPa (Torr) Zeitdauer (Minuten)
    AlCl3, H2, CO2, H2S*, HCl* 900 bis 1050 4 bis 13 (30 bis 100) 3 bis 45
    * Optional
  • Eine Struktureinheit kann ohne Vorhandensein beliebiger Grundschichten direkt auf der Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats abgeschieden sein. Bei einigen Ausführungsformen können sich jedoch zwischen dem Substrat und den Struktureinheiten 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 ein oder mehrere nichtmetallische Elemente 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 Titanioxycarbonitrid (TiOCN). Bei einigen Ausführungsformen liegt eine mehrschichtige Anordnung vor, die TiN und TiCN umfasst. Allgemeine Parameter für die CVD-Abscheidung verschiedener Grundschichten sind in Tabelle VIII aufgeführt. Tabelle VIII – CVD-Parameter zur Abscheidung von Basisschichten
    Zusammensetzung der Grundschicht Gasmischung 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 Abschneiden einer oder mehrerer Außenschichten der Struktureinheiten 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 TiCN und/oder TiOCN unter Bezugnahme auf die in Tabelle VIII aufgeführten CVD-Parameter abgeschieden. Gemäß hierin beschriebenen Verfahren abgeschiedene Beschichtungen können eine Architektur aufweisen, die in der obigen Tabelle VI aufgeführt ist.
  • Ferner können die abgeschiedenen Beschichtungen einer Nachbehandlung bzw. Nachbehandlungen wie beispielsweise nachträglichem Strahlen oder Polieren unterzogen werden, wie hierin oben in Abschnitt I beschrieben. Nachträgliches Strahlen 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 CNMA432] in einen Heißwand-CVD-Reaktor mit axialer Strömung eingebracht 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 IX aufgeführten Architektur wurde auf dem gesinterten WC-Schneideinsatz gemäß den CVD-Verfahrensparametern abgeschieden, die in den Tabellen VI bis VIII aufgeführt sind. Tabelle IX – Architektur der CVD-Beschichtung
    Substrat Architektur der CVD-Beschichtung
    WC-Co TiN*-TiCN(MT)-[Al2O3-TiAIOC/TiCN/TiOCN]n-TiCN/TiOCN
    * Innerste, an das Substrat angrenzende Schicht
    n = 16
  • Die entstandene mehrschichtige Beschichtung zeigte die in Tabelle X aufgeführten Eigenschaften. Tabelle X – Eigenschaften der CVD-Beschichtung
    Beschichtungsschichten Dicke (μm)
    TiN 0,5
    TiCN(MT) 8,0
    [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN] 16 8,5
    TiCN/TiOCN 1,5
  • Aluminiumoxidschichten der sich wiederholenden Struktureinheiten zeigten individuelle Dickenwerte von weniger als 0,5 μm. 4 ist ein optisches Querschnittsabbild des beschichteten Schneideinsatzes dieses Beispiels 1, das Schichten der Beschichtungsarchitektur zeigt.
  • Beispiel 2 – beschichtetes Schneidwerkzeug
  • Ein hierin beschriebenes beschichtetes Schneidwerkzeug wurde hergestellt, indem ein Schneideinsatzsubstrat aus gesintertem Wolframcarbid (WC-Co) [ANSI-Standardgeometrie CNMA432] in einen Heißwand-CVD-Reaktor mit axialer Strömung eingebracht 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 XI aufgeführten Architektur wurde auf dem gesinterten WC-Schneideinsatz gemäß den CVD-Verfahrensparametern abgeschieden, die in den Tabellen VI bis VIII aufgeführt sind. Tabelle XI – Architektur der CVD-Beschichtung
    Substrat Architektur der CVD-Beschichtung
    WC-Co TiN*-TiCN(MT)-[Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]nTiCN/TiOCN
    * Innerste, an das Substrat angrenzende Schicht
    n = 32
  • Die entstandene mehrschichtige Beschichtung zeigte die in Tabelle XII aufgeführten Eigenschaften. Tabelle XII – Eigenschaften der CVD-Beschichtung
    Beschichtungsschichten Dicke (μm)
    TiN 0,5
    TiCN(MT) 8,0
    [Al2O3-TiAlOC/TiCN/TiOCN]32 10,5
    TiCN/TiOCN 1,5
  • Aluminiumoxidschichten der sich wiederholenden Struktureinheiten zeigten individuelle Dickenwerte von weniger als 0,1 μm. 5 ist ein optisches Querschnittsabbild des beschichteten Schneideinsatzes dieses Beispiels 2, das Schichten der Beschichtungsarchitektur zeigt.
  • Beispiel 3 – Metallschneidprüfung
  • Die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 3) von Beispiel 2 und der Einsatz mit der Vergleichsbeschichtung (4) wurden einer kontinuierlichen Drehprüfung gemäß den nachstehenden Parametern unterzogen. Beim Vergleichsschneideinsatz (4) wurde ein WC-Co-Substrat mit einer im Wesentlichen ähnlichen Zusammensetzung wie in Beispiel 2 und einer ANSI-Standardgeometrie CNMA432 genutzt. Ferner zeigte der Vergleichsschneideinsatz (4) eine Beschichtungsarchitektur und Eigenschaften, die in Tabelle XIII angegeben sind. Tabelle XIII – Vergleichsschneideinsatz 4
    Beschichtungsschichten Dicke (μm)
    TiN* 0,5
    TiCN(MT) 10,0
    TiCN(HT)/TiOCN/TiAlOC 1,0
    α-Al2O3 9,2
    TiCN/TiN 1,5
    * An das WC-Co-Substrat angrenzende Beschichtungsschicht
  • Die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 3) von Beispiel 2 und der Einsatz mit der Vergleichsbeschichtung (4) wurden gemäß Tabelle XIV nachbehandelt. Tabelle XIV – Nachbehandlung
    Beschichteter Schneideinsatz Nachbehandlung
    1 Keine
    2 Polieren – Diamantschleifkornpaste, 5 bis 10 μm
    3 Nassstrahlen – Aluminiumoxidpartikelbrei
    4 Keine
  • Die beschichteten Schneideinsätze (1 bis 3) von Beispiel 2 und der Einsatz mit der Vergleichsbeschichtung (4) wurden wie folgt einer kontinuierlichen Drehprüfung unterzogen:
    Werkstück – G2 Cl
    Geschwindigkeit – 1300 sfm (396 m/min)
    Vorschubgeschwindigkeit – 0,012 Zoll pro Umdrehung (0,3048 mm/min)
    Schnitttiefe – 0,08 mm (0,08 Zoll)
    Freiwinkel: –5°
    Die Ermittlung der Lebensdauer erfolgte durch einen oder mehrere Fehlermodi von:
    Einheitlicher Verschleiß (Uniform Wear, UW) von 0,030 Zentimetern (0,012 Zoll)
    Maximaler Verschleiß (Maximum Wear, MW) von 0,030 Zentimetern (0,012 Zoll)
    Spitzenverschleiß (Nose Wear, NW) von 0,030 Zentimetern (0,012 Zoll)
    Tiefe des Schnittkerbenverschleißes (Depth of Cut Notch Wear, DOCN) von 0,030 Zentimetern (0,012 Zoll)
    Hinterkantenverschleiß (Trailing Edge Wear, TW) von 0,030 Zentimetern (0,012 Zoll)
    Drei Schneideinsätze wurden für jede Beschichtungsarchitektur (1 bis 4) geprüft und lieferten Daten der Wiederholungen 1 bis 3 sowie eine gemittelte Schneidlebensdauer. Die Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung sind in Tabelle XV aufgeführt. Tabelle XV – Ergebnisse der kontinuierlichen Drehprüfung
    Beschichteter Schneideinsatz Wiederholung 1 Lebensdauer (Minuten) Wiederholung 2 Lebensdauer (Minuten) Wiederholung 2 Lebensdauer (Minuten) Mittlere Schneid-Lebensdauer (Minuten)
    1 10,1 11,8 11,7 11,2
    2 12,1 12,0 10,4 11,5
    3 12, 9 11,1 10,0 1,3
    4* 5,9 5,4 5,7 5,7
    * Vergleichsschneideinsatz
  • Wie in Tabelle XV aufgeführt, zeigten die beschichteten Schneideinsätze 1 bis 3 mit der Architektur von Beispiel 2 im Vergleich zum Vergleichsschneideinsatz 4 wesentlich höhere Schneidlebensdauerwerte.
  • Es sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, 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 (25)

  1. Schneidwerkzeug, umfassend: ein Substrat; und eine an dem Substrat haftende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur einschließlich einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst.
  2. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschicht ferner TiOCN umfasst.
  3. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist.
  4. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das TiCN und TiAlOC Teilschichten der Verbindungsschicht sind.
  5. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei das TiCN, TiOCN und TiAlOC Teilschichten der Verbindungsschicht sind.
  6. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, wobei die Teilschichten aus TiCN, TiOCN und TiAlOC individuelle Dickenwerte von 0,010 μm bis 0,5 μm aufweisen.
  7. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Struktureinheiten aneinander grenzen und eine Struktur aus sich abwechselnden Aluminiumoxid- und Verbindungsschichten bilden.
  8. Beschichteter Schneideinsatz nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Struktureinheiten durch eine oder mehrere Zwischenschichten voneinander getrennt sind.
  9. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, wobei eine Zwischenschicht 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.
  10. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ferner eine Grundschicht umfasst, die an die Substratoberfläche angrenzt.
  11. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, wobei die Grundschicht mindestens eines aus TiN, TiCN und TiOCN umfasst.
  12. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von 0,01 bis 0,1 μm aufweist.
  13. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung durch chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden ist.
  14. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ferner eine äußerste Schicht umfasst, die 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.
  15. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke von 1 bis 25 μm aufweist.
  16. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke von 5 bis 15 μm aufweist.
  17. Beschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Hartmetall, Carbid, Keramik oder Stahl gebildet ist.
  18. Verfahren zum Herstellen eines Schneidwerkzeugs, umfassend: Bereitstellen eines Schneidwerkzeugsubstrats; und Abscheiden einer Beschichtung durch CVD auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats, wobei die Beschichtung eine mehrschichtige Struktur mit einer Vielzahl von Struktureinheiten aufweist, die jeweils eine Verbindungsschicht und eine angrenzende Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist und die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist, wobei die Verbindungsschicht TiCN und TiAlOC umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Verbindungsschicht ferner TiOCN umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Verbindungsschicht eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Struktureinheiten aneinander angrenzend abgeschieden werden und eine Struktur aus sich abwechselnden Aluminiumoxid- und Verbindungsschichten bilden.
  22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung ferner eine Grundschicht umfasst, die auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugsubstrats abgeschieden wird, wobei die Grundschicht mindestens eines aus TiN, TiCN und TiOCN umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von 0,01 bis 0,1 μm aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung eine Dicke von 1 bis 25 μm aufweist.
  25. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung ferner eine äußerste Schicht umfasst, die 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.
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