DE112020005303T5 - Schneidwerkzeug mit hartbeschichtung darauf - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, das aus einem harten Basismaterial, wie z. B. Hartmetall, Cermet, Keramik und kubischem Bornitrid, und einer auf dem harten Basismaterial gebildeten Hartbeschichtung besteht. In dem Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Hartbeschichtung, die aus einer einlagigen oder mehrlagigen Struktur besteht, auf einem Basismaterial ausgebildet, wobei die Hartbeschichtung eine Schicht umfasst, die aus einem Oxid besteht, wobei in der Schicht, die aus einem Oxid besteht, der Sauerstoffgehalt einer Kantenmitte des Schneidwerkzeugs höher ist als der Sauerstoffgehalt in einem Bereich, der von der Kantenmitte um 50 µm oder mehr entfernt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit einer Hartbeschichtung, die auf einem harten Basismaterial, wie z. B. Hartmetall, Cermet, Keramik und kubisches Bornitrid, gebildet ist, und insbesondere ein Schneidwerkzeug mit einer Hartbeschichtung, die auf einem harten Basismaterial gebildet ist, das eine einlagige Struktur aus einer Oxidschicht mit einer kubischen Gamma-Phase oder einer hexagonalen Alpha-Phase oder eine mehrlagige Struktur mit einer Oxidschicht aufweist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines harten Materials ist eine Kante eines Schneidwerkzeugs einer Umgebung mit einer hohen Temperatur von etwa 1000 °C ausgesetzt, wird durch Reibung und Oxidation, die durch den Kontakt mit einem Werkstück verursacht wird, abgenutzt und erfährt außerdem mechanische Einwirkungen wie z. B. Unterbrechungen. Daher muss das Schneidwerkzeug vor allem eine gute Verschleißfestigkeit und Zähigkeit aufweisen.
  • Um die für das Schneidwerkzeug erforderliche Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zu erreichen, wird auf der Oberfläche des für das Schneidwerkzeug verwendeten Hartmetalls in der Regel eine Hartbeschichtung durch chemisches Aufdampfen (nachstehend als „CVD“ bezeichnet) oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase (nachstehend „PVD“ genannt) aufgebracht. Die Hartbeschichtung beinhaltet eine ein- oder mehrlagige nicht oxidbasierte Beschichtung (z. B. TiN, TiC, TiCN), eine oxidbasierte Beschichtung (z. B. Al2O3) mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit oder eine daraus gemischte Schicht. Die nicht oxidbasierte Beschichtung kann z. B. Karbid, Nitrid und Carbonitrid der Metallelemente der Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems wie TiN, TiC und TiCN beinhalten, und die oxidbasierte Beschichtung kann z. B. alpha-Al2O3 oder gamma-Al2O3 beinhalten.
  • Auch das Schneidwerkzeug hat erforderliche Funktionen und Eigenschaften, die je nach den Bereichen, die mit dem Werkstück in Kontakt kommen, leicht unterschiedlich sind. So erfordert eine Spanfläche im Allgemeinen Oxidationsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Schweißfestigkeit, die Kante erfordert Oxidationsbeständigkeit, Beständigkeit gegen thermische Risse und Schichtablösung und eine Flankenfläche erfordert Verschleißfestigkeit. Um die für jeden Bereich des Schneidwerkzeugs unterschiedlichen erforderlichen Eigenschaften in angemessener Weise zu erfüllen, wird zwar eine Mehrkomponenten-Beschichtung mit verschiedenen Komponenten, eine mehrlagigen Beschichtung mit verschiedenen Materialschichten oder eine Nachbearbeitungstechnologie angewandt, doch können die oben beschriebenen Technologien die Eigenschaften nicht für jeden Bereich des Werkzeugs differenzieren.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHE AUFGABE
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Schneidwerkzeug mit einer verlängerten Lebensdauer vor, indem der Sauerstoffgehalt einer Hartbeschichtung, die auf jedem Bereich des Schneidwerkzeugs gebildet wird, unterschiedlich eingestellt wird, so dass er die für eine Kante, eine Spanfläche und eine Freifläche erforderlichen Eigenschaften aufweist.
  • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Um die Ziele zu erreichen, weist ein Schneidwerkzeug mit einer darauf ausgebildeten Hartbeschichtung eine Struktur auf, bei der die Hartbeschichtung, die aus einer einlagigen oder mehrlagigen Struktur besteht, auf einem Basismaterial des Schneidwerkzeugs ausgebildet ist, wobei die Hartbeschichtung eine aus Oxid bestehende Schicht enthält und der Sauerstoffgehalt in der Mitte einer Kante des Schneidwerkzeugs höher ist als der eines Bereichs, der 50 µm oder mehr von der Mitte der Kante des Schneidwerkzeugs entfernt ist.
  • VORTEILHAFTE EFFEKTE
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug hat die Spanfläche oder die Freifläche einen geringeren Sauerstoffgehalt als die Kante, so dass die Spanfläche oder die Freifläche die hohe Härte und die verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist, während die Kante durch den erhöhten Sauerstoffgehalt eine höhere Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermische Risse aufweist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer Struktur einer Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRUNGSMODUS DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und ist nicht als beschränkt auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele aufzufassen. Vielmehr dienen diese Ausführungsbeispiele einer sorgfältigen und umfänglichen Offenlegung, und dafür, dass sich Fachleuten der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung vollständig offenbart.
  • Ein Schneidwerkzeug mit einer darauf gebildeten Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbeschichtung mit einer einlagigen oder mehrlagigen Struktur auf einem Basismaterial des Schneidwerkzeugs ausgebildet ist, die Hartbeschichtung eine Schicht aus Oxid enthält und ein Sauerstoffgehalt einer Kantenmitte des Schneidwerkzeugs höher ist als ein Sauerstoffgehalt eines Bereichs, der um 50 µm oder mehr von der Kantenmitte in der Schicht aus Oxid entfernt ist.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Struktur der Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, wird eine Beschichtung, die aus Oxid besteht, auf einer Oberfläche des Basismaterials ausgebildet, und in der Beschichtung hat ein Bereich (ein Bereich mit einem weiten Schraffurabstand) innerhalb von etwa 50 µm von einer Mitte einer Kante (ein gebogener Bereich in dem Basismaterial) in Richtung einer Spanfläche oder einer Freifläche einen Sauerstoffgehalt, der relativ größer ist als der des restlichen Bereichs (ein Bereich mit einem engen Schraffurabstand).
  • Dabei kann der Bereich (der Bereich mit dem großen Schraffurabstand) innerhalb von etwa 50 µm von der Mitte der Kante (dem gebogenen Bereich im Basismaterial) in Richtung der Spanfläche oder der Freifläche einen gleichmäßigen Sauerstoffgehalt aufweisen, oder der Sauerstoffgehalt kann in Richtung der Spanfläche oder der Freifläche von der Mitte aus kontinuierlich oder intermittierend abnehmen.
  • Wenn der Sauerstoffgehalt der Kante und der Spanfläche oder der Flankenfläche wie oben beschrieben relativ unterschiedlich gesteuert wird, kann die Spanfläche oder die Freifläche einen geringen Sauerstoffgehalt relativ zu dem der Kante haben, um eine hohe Härte und verbesserte Verschleißfestigkeit zu erreichen, und die Kante kann einen hohen Sauerstoffgehalt haben, um Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermische Risse zu erreichen.
  • Wenn der Unterschied im Sauerstoffgehalt zwischen der Mitte der Kante des Schneidwerkzeugs und dem Bereich, der 50 µm oder mehr von der Mitte der Kante entfernt ist, weniger als 5 At-% beträgt, können die Kante und die Spanfläche oder die Freifläche keinen ausreichenden Eigenschaftsunterschied aufweisen, und wenn der Unterschied im Sauerstoffgehalt mehr als 15 At-% beträgt, kann die Kante eine geringere Verschleißfestigkeit aufweisen. So kann der Unterschied im Sauerstoffgehalt vorzugsweise zwischen 5 At% und 15 At% liegen.
  • Die Beschichtung kann auch aus einem Oxid bestehen, das mindestens eines der Elemente enthält, die aus Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si ausgewählt werden.
  • Wenn die Beschichtung eine geringe Dicke von weniger als 0,01 µm hat, kann die beim Schneiden erforderliche Oxidationsbeständigkeit nicht gewährleistet werden, und wenn die Beschichtung eine Dicke von mehr als 5 µm aufweist, können mit zunehmender Eigenspannung leicht Schichtablösung und Abplatzungen entstehen, und da die Leitfähigkeit der Beschichtung deutlich reduziert ist, werden eine Dichte und ein Bindungskraft der Beschichtung beim Aufbringen der Filme verringert. So kann die Dicke der Beschichtung in einem Bereich von 0,01 µm bis 5 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 µm bis 3 µm, noch bevorzugter in einem Bereich von 0,01 µm bis 1 µm liegen.
  • Außerdem kann zusätzlich mindestens eine Schicht aus einer Verbindungsschicht, ausgewählt aus Carbid, Nitrid, Oxid, Carbonitrid, Oxynitrid, Oxycarbid, Kohlenstoffoxynitrid, Borid, Bornitrid, Borcarbid, Borcarbonitrid, Boroxynitrid, Boroxycarbid, Bor-Kohlenstoffoxynitrid und Boroxynitrid, die jeweils mindestens eines der Elemente Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si enthalten, über und/oder unter der aus Oxid bestehenden Beschichtung gebildet werden.
  • Die Beschichtung aus Oxid kann z. B. auch aus Al2O3 mit einer kubischen Gamma-Phase oder einer hexagonalen Alpha-Phase bestehen.
  • [Ausführungsbeispiel]
  • Herstellung von Hartbeschichtungen
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtung, die aus Oxid besteht, auf der Oberfläche des harten Basismaterials gebildet, das aus einem gesinterten Material wie Hartmetall, Cermet, Keramik und kubischem Bornitrid besteht, indem ein Magnetron-Sputtern verwendet wird, bei dem es sich um eine physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD) handelt, und eine Beschichtung mit mehreren Lagen, welche die Beschichtung, die aus Oxid besteht, einschließt, wird durch ein hybrides PVD-Verfahren gebildet, das gleichzeitig eine Lichtbogenionenplattierung anwendet.
  • Insbesondere wird das Basismaterial mit ultrareinem Wasser und nassem Mikrostrahlen gereinigt und dann in getrocknetem Zustand an einer Position angebracht, die in einem vorgegebenen Abstand in radialer Richtung von einer zentralen Achse auf dem Drehtisch in einem Beschichtungsofen entlang eines Umfangs des Drehtisches angeordnet ist. Der Ionenbeschuss wird 30 bis 60 Minuten lang durchgeführt, indem der anfängliche Vakuumdruck im Beschichtungsofen auf einen Druck von 8,5 x 10-5 Torr oder weniger reduziert wird und eine gepulste Vorspannung von -200 V bis -300 V an das Basismaterial angelegt wird, das sich nach dem Erhitzen auf eine Temperatur von 400 °C bis 600 °C auf dem Drehtisch unter Argon (Ar)-Gasatmosphäre selbst dreht. Ein Gasdruck für die Beschichtung wird gleich oder weniger als 50 mTorr, vorzugsweise gleich oder weniger als 40 mTorr, gehalten, und eine Vorspannung während der Beschichtung wird mit einer Spannung von -100 V bis -150 V im Falle der Oxidschichtbeschichtung und mit einer Spannung von -20 V bis -100 V im Falle der Nitridschichtbeschichtung angelegt. Die oben genannte Beschichtungsbedingung kann entsprechend den Merkmalen und Bedingungen der Geräte variieren.
  • Genauer gesagt besteht das Basismaterial aus Sinterkarbid mit einem Co-Gehalt von 10 Gew.-% und einer mittleren Korngröße (WC) von 0,8 µm. Die Oxidschicht besteht aus Al2O3 und wird unter einer Bedingung gebildet, bei der eine Vorspannung von -125 V (gepulster Gleichstrom, 20 kHz bis 45 kHz), eine Sputterleistung von 20 kW, ein Eingangsreaktionsgas aus O2 und Ar und ein Druck von 0,5 Pa unter Verwendung eines Targets aus Al mit 99,9 At% verwendet werden. Hier wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Anlegen eines Tastverhältnisses der Vorspannung von weniger als 50 % konfiguriert, und ein Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch Anlegen eines Tastverhältnisses der Vorspannung von gleich oder größer als 50 % konfiguriert. Auch wenn eine mehrlagige Struktur einschließlich der Beschichtung, die aus Oxid besteht, gebildet wird, wird eine AlTiN- oder AlCrN-Nitridschicht anstelle von Al2O3 aufgebracht, und die Schicht wird unter einer Bedingung gebildet, bei der eine Vorspannung von -30 V bis -60 V, ein Lichtbogenstrom von 100 A bis 150 A, ein Eingangsreaktionsgas von N2 und ein Druck von 2,7 Pa bis 4,0 Pa unter Verwendung eines AlTi- (60 At%/40 At%) Targets oder eines AlCr- (64 At%/36 At%) Targets verwendet wird.
  • Das Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden unter der oben beschriebenen Bedingung hergestellt, und die grundlegenden Informationen einschließlich der Struktur, der Dicke und der Härte der Hartbeschichtung sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. [Tabelle 1]
    Klassifizierung Nr. Struktur der Beschichtung Dicke der Beschichtung (µm) Gesamtdicke (mm) Härte der Beschichtung (GPa)
    Ausführungsbeispiel 1-1 Al2O3 0,8 0,8 28,0
    1-2 AlTiN/Al2O3 0,4 2,8 31,5
    1-3 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0,4 3,1 31,9
    1-4 AlCrN/Al2O3 0,4 3,0 30,1
    1-5 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0,4 3,0 31,8
    Vergleichsbeispiel 2-1 Al2O3 0,9 0,9 26,9
    2-2 AlTiN/Al2O3 0,4 3,0 30,4
    2-3 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0,4 2,9 32,3
    2-4 AlCrN/Al2O3 0,4 3,0 29,8
    2-5 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0,4 3,1 31,0
  • Analyseergebnis des Sauerstoffgehalts der Hartbeschichtung
  • Die nachstehende Tabelle 2 zeigt ein Ergebnis, das durch Analyse des Sauerstoffgehalts in einer Oxidschicht in einem Bereich, der 50 µm von der Mitte einer Kante entfernt ist, und des Sauerstoffgehalts einer Oxidschicht in der Mitte einer Kante eines Schneidwerkzeugs von Proben des Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels mittels energiedisperser Röntgenspektroskopie (EDX) erhalten wurde. Hier hat ein allgemeines Werkzeug eine Spanfläche, die in einer Richtung parallel zu einem Ziel angeordnet ist, und eine Freifläche, die in einer Richtung senkrecht zu dem Ziel angeordnet ist, und dies kann je nach Form des Werkzeugs oder einem Verfahren zur Befestigung des Werkzeugs an einem Drehtisch geändert werden. Die Proben 1-3(R), 1-5(R), 2-3(R) und 2-5(R) sind so auf dem Drehtisch montiert, dass die Spanfläche des Werkzeugs in der Richtung senkrecht zum Ziel angeordnet ist, und die Freifläche des Werkzeugs in der Richtung parallel zum Ziel angeordnet ist. [Tabelle 2]
    Klassifizierung Nr. Struktur der Beschichtung Sauerstoffgehalt in der Oxidschicht (EDX, At%)
    Mitte der Kante Spanfläche Freifläche
    Ausführungsbeispiel 1-1 Al2O3 48,9 34,7 42,9
    1-2 AlTiN/Al2O3 46,4 32,5 40,5
    1-3 AlTiN/Al2O3/AlTiN 47,5 33,1 41,9
    1-3(R) AlTiN/Al2O3/AlTiN 50,1 42,8 33,4
    1-4 AlCrN/Al2O3 47,8 33,3 40,9
    1-5 AlCrN/Al2O3/AlCrN 49,0 37,8 41,8
    1-5(R) AlCrN/Al2O3/AlCrN 47,3 40,9 31,6
    Vergleichsbeispiel 2-1 Al2O3 43,7 37,0 41,5
    2-2 AlTiN/Al2O3 45,6 39,7 42,5
    2-3 AlTiN/Al2O3/AlTiN 43,9 37,2 39,8
    2-3(R) AlTiN/Al2O3/AlTiN 45,6 42,9 39,0
    2-4 AlCrN/Al2O3 46,4 39,9 44,2
    2-5 AlCrN/Al2O3/AlCrN 46,1 40,3 43,0
    2-5(R) AlCrN/Al2O3/AlCrN 44,5 42,1 40,0
  • Wie in der obigen Tabelle 2 gezeigt, hat bei der Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels der Sauerstoffgehalt in der Oxidschicht in der Mitte der Kante des Schneidwerkzeugs einen Wert, der um 5 At% bis 15 At% höher ist als der Sauerstoffgehalt in der Oxidschicht in dem Bereich (Spanfläche oder Freifläche), der 50 µm von der Mitte der Kante entfernt ist. Andererseits hat bei der Hartbeschichtung des Vergleichsbeispiels der Sauerstoffgehalt in der Oxidschicht in der Mitte der Kante des Schneidwerkzeugs einen um 2 At% bis 7 At% höheren Wert als der Sauerstoffgehalt in der Oxidschicht in dem Bereich (Spanfläche oder Freifläche), der 50 µm von der Mitte der Kante entfernt ist. Das heißt, die Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels hat einen signifikanten Unterschied im Sauerstoffgehalt je nach der Position in der Kante des Schneidwerkzeugs.
  • Evaluierung der Zerspanungsleistung
  • Es wird ein Fräsversuch durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit, die Beständigkeit gegen thermische Risse und die Kantenfestigkeit der Hartbeschichtung zu bewerten, die wie in Tabelle 2 angegeben hergestellt und unter den nachstehenden Bedingungen bewertet wurde. Im Allgemeinen hat Kohlenstoffstahl eine Hauptverschleißart von chemischem Reibungsverschleiß, und die Schneidleistung wird stark von der Oxidationsbeständigkeit der Kante beeinflusst. Im Allgemeinen hat legierter Stahl eine Hauptverschleißart von thermischem Riss und mechanischem Reibungsverschleiß, und die Schneidleistung wird stark von der Wärmeschutzeigenschaft der Kante und der Härte der Beschichtung der Spanfläche oder der Freifläche beeinflusst. Im Allgemeinen ist die Hauptverschleißart bei rostfreiem Stahl die Abplatzung, die durch Ablagerung und Kaltverfestigung eines Werkstücks verursacht wird, und die Schneidleistung wird stark von der Oxidationsbeständigkeit und der Schmierfähigkeit der Kante beeinflusst.
    • (1) Bewertung der Verschleißfestigkeit
      • Werkstück: Kohlenstoffstahl (SM45C)
      • Probenmodellnummer: SNMX1206ANN-MM
      • Schnittgeschwindigkeit: 250 m/Min
      • Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn
      • Schnitttiefe: 2 mm
    • (2) Bewertung der Beständigkeit gegen thermische Risse
      • Werkstück: Legierter Stahl (SCM440)
      • Probenmodellnummer: SNMX1206ANN-MM
      • Schnittgeschwindigkeit: 200 m/Min
      • Schnittvorschub: 0,2 mm/Zahn
      • Schnitttiefe: 2 mm
    • (3) Bewertung der Kantenfestigkeit
      • Werkstück: STS316L
      • Probenmodellnummer: ADKT170608PESR-ML
      • Schnittgeschwindigkeit: 120 m/Min
      • Schnittvorschub: 0,15 mm/Zahn
      • Schnitttiefe: 5 mm
  • Die Ergebnisse, die durch Evaluierung unter den oben beschriebenen Bedingungen erhalten wurden, sind in Tabelle 3 unten aufgeführt. [Tabelle 3]
    Klassifizierung Nr. Verschleißfestigkeit Beständigkeit gegen thermische Risse Kantenfestigkeit
    Schnittlänge (mm) Verschleißtyp Schnittlänge (mm) Verschleißtyp Schnittlänge (mm) Verschleißtyp
    Ausführungsbeispiel 1-1 900 Abblättern der Beschichtung, Übermäßiger Verschleiß 900 Thermischer Riss, Gebrochen 200 Abplatzungen in der Grenzschicht
    1-2 3000 Abblättern der Beschichtung 1500 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 400 Abplatzungen in der Grenzschicht
    1-3 5400 Normaler Verschleiß 5400 Normaler Verschleiß 1100 Normaler Verschleiß
    1-3 (R) 6300 Normaler Verschleiß 4200 Normaler Verschleiß 900 Normaler Verschleiß
    1-4 2700 Abblättern der Beschichtung 1500 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 300 Abplatzungen in der Grenzschicht
    1-5 6000 Normaler Verschleiß 5100 Normaler Verschleiß 1200 Normaler Verschleiß
    1-5 (R) 6600 Normaler Verschleiß 3600 Übermäßiger Verschleiß 1100 Normaler Verschleiß
    Vergleichsbeispiel 2-1 600 Abblättern der Beschichtung, Übermäßiger 900 Thermischer Riss, Gebrochen 100 Abplatzungen in der Grenzschicht
    Verschleiß
    2-2 2100 Abblättern der Beschichtung, Übermäßiger Verschleiß 1200 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 300 Abplatzungen in der Grenzschicht
    2-3 3300 Übermäßiger Verschleiß 2700 Thermischer Riss 600 Abplatzungen in der Grenzschicht
    2-3 (R) 3900 Übermäßiger Verschleiß 1800 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 500 Abplatzungen am R-Bereich
    2-4 1800 Abblättern der Beschichtung, Übermäßiger Verschleiß 1200 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 200 Abplatzungen in der Grenzschicht
    2-5 3600 Übermäßiger Verschleiß 2100 Thermischer Riss 600 Abplatzungen in der Grenzschicht
    2-5 (R) 3900 Übermäßiger Verschleiß 1500 Übermäßiger Verschleiß, Thermischer Riss 400 Abplatzungen am R-Bereich
  • Wie in Tabelle 3 gezeigt, sind die Proben 1-3, 1-3(R), 1-5 und 1-5(R) der Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels in Bezug auf die Verschleißfestigkeit, die Beständigkeit gegen thermische Risse und die Kantenfestigkeit besser als die Hartbeschichtung des Vergleichsbeispiels.
  • Die Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels weist eine Struktur auf, bei der die Mitte der Kante aufgrund des hohen Sauerstoffgehalts in der Mitte der Kante eine ausgezeichnete Schmierfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit gegenüber der Spanfläche oder der Freifläche aufweist und die Spanfläche oder die Freifläche aufgrund ihrer hohen Beschichtungshärte eine ausgezeichnete mechanische Verschleißfestigkeit besitzt. So wird festgestellt, dass die Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels eine bessere Schneidleistung als die Hartbeschichtung des Vergleichsbeispiels im obigen Fräsversuch aufweist, weil die Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels für jeden Bereich des Werkzeugs mehr erforderliche Eigenschaften aufweist als die Hartbeschichtung des Vergleichsbeispiels.
  • Hier zeigen die Proben 1-1 und 2-1, bei denen die Oxidschicht aus einer einzigen Schicht besteht, aufgrund der geringen Schichthärte, der geringen Haftkraft und der geringen Schichtdicke eine deutlich geringere Schneidleistung. Auch die Proben 1-2, 1-4, 2-2 und 2-4, bei denen eine Oxidschicht auf eine Nitridschicht auflaminiert ist, zeigen eine relativ niedrige Schneidleistung, da die Oxidschicht während der Bearbeitung schnell verbraucht wird, weil eine äußerste Schicht zum Schutz der Oxidschicht fehlt, welche eine niedrige Beschichtungshärte aufweist, was zu einer Verringerung der Oxidationsbeständigkeit und der Schmierfähigkeit führt. Es ist also bekannt, dass die Proben 1-3, 1-5, 2-3 und 2-5 mit einer Struktur, bei der eine Oxidschicht zwischen Nitridschichten laminiert ist, stabil sind. Dabei kann festgestellt werden, dass jede der Proben 1-3 und 105 eine Beschichtungsstruktur aufweist, die eine verbesserte Wirkung auf die Schneidleistung hat, wenn der Sauerstoffgehalt für jeden Bereich des Werkzeugs unterschiedlich ist.
  • Zusätzlich zu den oben bewerteten 14 Arten von Proben wird eine Probe mit einer Hartbeschichtung hergestellt, die Nitrid, welches mindestens eines der Elemente enthält, das aus Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si ausgewählt wird, über und/oder unter der aus Oxid bestehenden Beschichtung aufweist. An dieser Probe wird der Fräsversuch durchgeführt, und die Evaluierungsergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. [Tabelle 4]
    Klassifizierung Nr. Struktur der Beschichtung Verschleißfestigkeit Beständigkeit gegen thermische Risse Kantenfestigkeit
    Schnittlänge (mm) Schnittlänge (mm) Schnittlänge (mm)
    Ausführungsbeispiel 3-1 AlTiN/Al2O3/AlTiSiN (Al:Ti:Si=57:38:5) 7500 8400 1100
    3-2 AlTiN/Al2O3/AlTiVZrN (Al:Ti:V:Zr=54:36:5:5) 5700 4500 1700
    3-3 AlTiN/Al2O3/AlTiNbMoN (Al:Ti:Nb:Mo=54:36:5:5) 6300 6600 1100
    3-4 AlTiWYN/Al2O3/AlTiN (Al:Ti:W:Y=56.4:37.6:3:3) 5400 3900 900
    3-5 AlTiTaHfN/Al2O3/AlTiN (Al:Ti:Ta:Hf=56.4:37.6:3:3) 6300 7200 1600
    3-6 AlCrN/Al2O3/AlCrSiN (Al:Cr:Si=60.8:34.2:5) 8100 6900 1100
    3-7 AlCrN/Al2O3/AlCrVZrN (Al:Cr:V:Zr=57.6:32.4:5:5) 4800 3900 1900
    3-8 AlCrN/Al2O3/AlCrNbMoN (Al:Cr:Nb:Mo=57.6:32.4:5:5 ) 6600 5700 1100
    3-9 AlCrWYN/Al2O3/AlCrN (Al:Cr:W:Y=60.2:33.8:3:3) 5400 3600 1000
    3-10 AlCrTaHfN/Al2O3/AlCrN (Al:Cr:Ta:Hf=60.2:33.8:3:3) 7800 7200 1900
    Vergleichsbeispiel 4-1 AlTiN/Al2O3/AlTiSiN (Al:Ti:Si=57:38:5) 3300 4200 600
    4-2 AlTiN/Al2O3/AlTiVZrN (Al:Ti:V:Zr=54:36:5:5) 2100 1800 900
    4-3 AlTiN/Al2O3/AlTiNbMoN (Al:Ti:Nb:Mo=54:36:5:5) 2700 3000 500
    4-4 AlTiWYN/Al2O3/AlTiN (Al:Ti:W:Y=56.4:37.6:3:3) 2100 1800 300
    4-5 AlTiTaHfN/Al2O3/AlTiN (Al:Ti:Ta:Hf=56.4:37.6:3:3) 3000 2700 700
    4-6 AlCrN/Al2O3/AlCrSiN (Al:Cr:Si=60.8:34.2:5) 3900 3900 500
    4-7 AlCrN/Al2O3/AlCrVZrN (Al:Cr:V:Zr=57.6:32.4:5:5) 2100 1500 1000
    4-8 AlCrN/Al2O3/AlCrNbMoN (Al:Cr:Nb:Mo=57.6:32.4:5:5 ) 2700 3000 400
    4-9 AlCrWYN/Al2O3/AlCrN (Al:Cr:W:Y=60.2:33.8:3:3) 2100 1200 400
    4-10 AlCrTaHfN/Al2O3/AlCrN (Al:Cr:Ta:Hf=60.2:33.8:3:3) 3600 4500 800
  • Wie in Tabelle 4 oben gezeigt, ist die Hartbeschichtung des Ausführungsbeispiels insgesamt in Bezug auf die Verschleißfestigkeit, die Beständigkeit gegen thermische Risse und die Kantenfestigkeit besser als die Hartbeschichtung des Vergleichsbeispiels.
  • Es ist bekannt, dass die Hartbeschichtung mit dem Nitrid, das mindestens eines der Elemente Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si enthält, oberhalb und/oder unterhalb der Beschichtung aus Oxid eine leicht unterschiedliche Schneidleistung für jedes Bewertungsobjekt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Nitrids und der Schichtposition aufweist. Wie oben beschrieben, kann die Hartbeschichtung, die in geeigneter Weise für die Bearbeitungsumgebung und die Leistungsverbesserung ausgelegt ist, durch die kompositorische und strukturelle Kombination verschiedener Materialien und der Beschichtung, die aus dem Oxid besteht, gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Claims (6)

  1. Schneidwerkzeug mit Hartbeschichtung darauf, wobei eine Hartbeschichtung, die aus einer einlagigen oder mehrlagigen Struktur besteht, auf einem Basismaterial des Schneidwerkzeugs ausgebildet wird, wobei die Hartbeschichtung eine Schicht umfasst, die aus Oxid besteht, und in der Schicht, die aus Oxid besteht, ein Sauerstoffgehalt in der Mitte einer Kante des Schneidwerkzeugs größer ist als der eines Bereichs, der 50 µm oder mehr von der Mitte der Kante entfernt ist.
  2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei in der aus Oxid bestehenden Schicht der Sauerstoffgehalt in der Mitte der Kante des Schneidwerkzeugs um 5 At% bis 15 At% größer ist als derjenige in dem Bereich, der 50 µm oder mehr von der Mitte der Kante entfernt ist.
  3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung mindestens eines der Elemente enthält, die aus Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si ausgewählt werden.
  4. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung eine Dicke von 0,01 µm bis 5 µm aufweist.
  5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei mindestens eine Schicht aus einer Verbindungsschicht, ausgewählt aus Carbid, Nitrid, Oxid, Carbonitrid, Oxynitrid, Oxycarbid, Kohlenstoffoxynitrid, Borid, Bornitrid, Borcarbid, Borcarbonitrid, Boroxynitrid, Boroxycarbid, Bor-Kohlenstoffoxynitrid und Boroxynitrid, die jeweils mindestens eines der Elemente Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf und Si enthalten, zusätzlich über und/oder unter der aus Oxid bestehenden Beschichtung gebildet wird.
  6. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung aus Oxid aus Al2O3 mit einer kubischen Gamma-Phase oder einer hexagonalen Alpha-Phase besteht.
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