DE60030524T2

DE60030524T2 - Pvd beschichtetes schneidwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60030524T2
Application number: DE60030524T
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schiller; Klaus Goedicke; Fred Fietzke; Olaf Zywitzki; Torbjörn SELINDER; Mats Ahlgren
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-05-04
Also published as: IL140692A; CN100389224C; ATE338837T1; PL345359A1; DE60030524D1; SE9901651L; PL193318B1; KR100673636B1; US6554971B2; JP2002543992A; WO2000068453A1; IL140692A0; KR20010053390A; SE519921C2; CN1304457A; US20020051852A1; SE9901651D0; EP1099003B1; BR0006061A; EP1099003A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug für die Metallbearbeitung mit einem Körper mit wenigstens auf den funktionellen Teilen der Oberfläche davon einer harten und verschleißfesten hitzebeständigen Beschichtung. Die Beschichtung ist fest haftend an den Körper gebunden und bedeckt alle funktionellen Teile des Werkzeugs. Die Beschichtung ist zusammengesetzt aus einer oder mehreren Lagen hitzebeständiger Verbindungen, von denen wenigstens eine Lage aus feinkristallinem Aluminium-Spinell besteht, die durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden wurden, und die Nicht-Spinell-Lage(n), sofern vorhanden, ist/sind Metallnitride und/oder -karbide, wobei die Metallelemente unter Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al ausgewählt sind.
Es ist gut bekannt, daß zum Beispiel für Hartmetallschneidwerkzeuge, die in der Metallbearbeitung verwendet werden, die Verschleißfestigkeit der Werkzeugkante durch Aufbringen von dünnen, harten Oberflächenlagen aus Metalloxiden, -karbiden oder -nitriden, wobei das Metall entweder unter den Übergangsmetallen aus den Gruppen IV, V und VI des Periodensystems oder unter Silizium, Bor und Aluminium ausgewählt sind, beträchtlich erhöht werden kann. Die Beschichtungsdicke variiert üblicherweise zwischen 1 und 15 μm, und die verbreitetsten Techniken zur Abscheidung solcher Beschichtungen sind PVD und CVD (chemische Gasphasenabscheidung). Es ist auch bekannt, daß man weitere Verbesserungen der Leistung eines Schneidwerkzeugs erreichen kann, indem man eine reine Keramiklage, wie beispielsweise Al₂O₃, über Lagen von Metallkarbiden und -nitriden aufbringt (US-5,674,564 und US-5,487,625).
Mit Aluminiumoxid-Lagen beschichtete Hartmetallschneidwerkzeuge sind seit über zwei Jahrzehnten kommerziell erhältlich. Die üblicherweise verwendete CVD-Technik umfaßt die Abscheidung von Material aus einer reaktiven Gasatmosphäre auf einer Substratoberfläche, die bei erhöhten Temperaturen gehalten wird. Al₂O₃ kristallisiert in mehreren verschiedenen Phasen, wie beispielsweise α (Alpha), κ (Kappa) und χ (Chi), welche die „α-Serie" genannt wird, mit einer hcp-Anordnung (hexagonal dichtester Kugelpackung) der Sauerstoffatome, und zu γ (Gamma), θ (Theta), η (Eta) und δ (Delta), welche die „γ-Serie" genannt wird, mit einer fcc (kubisch flächenzentrierten) Anordnung der Sauerstoffatome. Die in CVD-Beschichtungen, die auf Hartmetallen bei herkömmlichen CVD-Temperaturen, 1000–1050°C, abgeschieden wurden, am häufigsten vorkommenden Al₂O₃-Phasen sind die stabile α- und die metastabile κ-Phase, jedoch wurde auch von Zeit zu Zeit die metastabile θ-Phase beobachtet.
Die CVD-Al₂O₃-Beschichtungen der α-, κ- und/oder θ-Phase sind vollständig kristallin mit einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 5 μm und mit gut fazettierten Kornstrukturen.
Die inhärent hohe Abscheidungstemperatur von etwa 1000°C bewirkt, daß die Gesamtspannung in CVD-Al₂O₃-Beschichtungen auf Hartmetallsubstraten Zugspannungen sind, da die Gesamtspannung von thermischen Spannungen dominiert wird, die durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Beschichtung verursacht werden, und weniger durch innere Spannungen, die ihren Ursprung in dem Abscheidungsverfahren selbst haben und von kompressiver Art sind. Die Zugspannungen können die Bruchgrenze von Al₂O₃ übersteigen und bewirken, daß die Beschichtung umfangreich bricht, und somit die Leistung der Schneidkante zum Beispiel in der Naßbearbeitung, wo die korrosiven Chemikalien in der Kühlflüssigkeit die Brüche in der Beschichtung als Diffusionswege ausnutzen, verschlechtern.
Zusätzlich zu Al₂O₃ wurden andere Oxide, Gemische oder Kombinationen von Oxiden oder Verbindungen vom Spinell-Typ als durch CVD abgeschiedene harte Beschichtungen in der GB-A-1 408 294 vorgeschlagen. Diese haben jedoch keine praktische Akzeptanz gefunden.
Allgemein verhalten sich CVD-beschichtete Werkzeuge sehr gut, wenn damit verschiedene Stähle und Gußeisen unter trockenen oder nassen Schneidbedingungen bearbeitet werden. Es gibt jedoch eine Anzahl von Schneidvorgängen oder Bearbeitungsbedingungen, bei denen PVD-beschichtete Werkzeuge geeigneter sind, zum Beispiel beim Bohren, Trennen und Gewindeschneiden und anderen Vorgängen, bei denen scharte Schneidkanten erforderlich sind. Solche Schneidvorgänge werden häufig als der „Anwendungsbereich für PVD-beschichtete Werkzeuge" bezeichnet.
Plasma-unterstützte CVD-Technik, PACVD, ermöglicht es, Beschichtungen bei niedrigeren Substrattemperaturen im Vergleich zu Temperaturen von thermischer CVD abzuscheiden und somit die Dominanz der thermischen Spannungen zu vermeiden. Dünne Al₂O₃-PACVD-Filme, die frei von Brüchen waren, wurden auf Hartmetallen bei Substrattemperaturen von 450–700°C abgeschieden ( DE 41 10 005 , DE 41 10 006 , DE 42 09 975 ). Das PACVD-Verfahren zur Abscheidung von Al₂O₃ umfaßt die Reaktion zwischen einem Al-Halogenid, zum Beispiel AlCl₃, und einem Sauerstoffdonor, zum Beispiel CO₂, und aufgrund der Unvollständigkeit dieser chemischen Reaktion wird Chlor in der Al₂O₃-Beschichtung eingeschlossen und sein Gehalt könnte bis zu 3,5% hoch sein. Darüber hinaus bestehen diese PACVD-Al₂O₃-Beschichtungen neben der kristallinen α- und/oder γ-Al₂O₃-Phase im allgemeinen aus einer erheblichen Menge an amorphem Aluminiumoxid, welches in Kombination mit dem hohen Gehalt an Halogen-Verunreinigungen sowohl die chemischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verschlechtert, wodurch das Beschichtungsmaterial als ein Werkzeugmaterial nicht optimal wird.
Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet von PVD-Al₂O₃-beschichteten, karbidischen Schneidwerkzeugen oder Werkzeugen aus ähnlichen harten Materialien, wie beispielsweise Cermets, Keramiken und Hochgeschwindigkeitsstahl, oder den superharten Materialien, wie beispielsweise kubischem Bornitrid oder Diamant.
Es gibt mehrere PVD-Techniken, die in der Lage sind, hitzebeständige dünne Filme auf Schneidwerkzeugen herzustellen, und die bekanntesten Verfahren sind Ionenplattieren, DC- und RF-Magnetron-Sputtern, Lichtbogenentladungsverdampfung, IBAD (Ionenstrahl-unterstützte Abscheidung) und aktivierte reaktive Verdampfung (ARE). Jedes Verfahren hat seine eigenen Vorzüge und die den hergestellten Beschichtungen innewohnenden Eigenschaften, wie beispielsweise Mikrogefüge/Korngröße, Härte, Spannungszustand, innewohnende Kohäsion und Adhäsion zu dem darunterliegenden Substrat in Abhängigkeit von dem jeweils gewählten PVD-Verfahren variieren können. Frühe Versuche, Al₂O₃ mittels PVD bei typischen PVD-Temperaturen von 400–500°C ab zuscheiden, führten zu amorphen Aluminiumoxid-Lagen, die keine nennenswerte Verbesserung der Verschleißbeständigkeit boten, wenn man sie auf Schneidwerkzeuge aufbrachte. PVD-Abscheidung durch HF-Dioden- oder -Magnetron-Sputtern führte nur dann zu kristallinem α-Al₂O₃, wenn die Substrattemperatur wenigstens bei 1000°C gehalten wurde (Thornton und Chin, Ceramic Bulletin, 56 (1977) 504). In ähnlicher Weise führte die Anwendung des ARE-Verfahrens zur Abscheidung von Al₂O₃ nur bei Substrattemperaturen um 1000°C zu vollständig dichten und harten Al₂O₃-Beschichtungen (Bunshah und Schramm, Thin Solid Films, 40 (1977) 211).
Mit der Erfindung des gepulsten Magnetron-Sputterns, insbesondere im Modus der bipolar gepulsten DMS-Technik (duales Magnetron-Sputtern), welche in der DD 252 205 und der DE 195 18 779 offenbart ist, öffnete sich ein breiter Bereich an Mäglichkeiten für die Abscheidung von isolierenden Lagen, wie beispielsweise Al₂O₃ und anderen Oxiden, und des weiteren hat es das Verfahren möglich gemacht, zum Beispiel kristalline Al₂O₃-Lagen bei Substrattemperaturen im Bereich von 500–800°C abzuscheiden. In dem bipolaren, dualen Magnetron-System arbeiten die zwei Magnetrons abwechselnd als eine Anode und eine Kathode und schützen daher eine metallische Anode über lange Prozeßzeiten. Bei ausreichend hohen Frequenzen werden mögliche elektrische Aufladung auf den isolierenden Lagen unterdrückt, und das ansonsten Schwierigkeiten mit sich bringende Phänomen der „Lichtbogenbildung" wird begrenzt. Daher ist die DMS-Sputtertechnik gemäß der DE 195 18 779 in der Lage, qualitativ hochwertige, gut anhaftende, kristalline α-Al₂O₃-Dünnfilme bei Substrattemperaturen unterhalb von 800°C abzuscheiden und herzustellen. Die „α-Al₂O₃-Lagen" mit einer typischen Größe der α-Körner, die zwischen 0,2 und 2 μm variiert, können zum Teil auch die Gamma(γ)-Phase aus der „γ-Serie" der Al₂O₃-Polymorphe enthalten. Die Größe der γ-Körner in der Beschichtung ist viel geringer als die Größe der α-Körner. Die γ-Al₂O₃-Korngröße variiert typischerweise zwischen 0,05 und 0,1 μm. In den Al₂O₃-Lagen, in denen beide Modifikationen von γ- und α-Phase gefunden werden, zeigte die γ-Al₂O₃-Phase eine bevorzugte Wachstumsorientierung mit einer(440)-Textur. Im Vergleich zu Plasma-unterstützten Abscheidungstechniken nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise PACVD, wie sie in der DE 42 09 975 beschrieben sind, hat das neue gepulste DMS-Sputter-Abscheidungsverfahren den entscheidenden wichtigen Vorteil, daß keine Verunreinigungen, wie beispielsweise Halogenatome, zum Beispiel Chlor, in die Al₂O₃-Beschichtung aufgenommen werden. Ein Nachteil von Filmen, welche die α-Phase enthalten, ist die relativ rauhe Oberflächentopographie. Ein Hauptnachteil von Polytypen, die keine α-Al₂O₃ enthaltenden Filme sind, ist, daß die chemische Instabilität häufig geringer ist. Bei sehr hohen Schneidtemperaturen findet eine Phasenumwandlung in α-Phase statt. Diese Phasenumwandlungen gehen mit einer Volumenkontraktion einher, was Brüche und eine Delaminierung der Filme verursacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schneidwerkzeug für die Metallbearbeitung, wie beispielweise Drehen (Gewindeschneiden und Trennen), Fräsen und Bohren, bereitgestellt mit einem Körper aus einer harten Legierung, wie beispielsweise Hartmetall, Cermet, Keramik oder Hochgeschwindigkeitsstahl, oder den superharten Materialien, wie beispielsweise kubischem Bornitrid oder Diamant, auf welchem eine harte und verschleißfeste, hitzebeständige Beschichtung durch gepulstes Magnetron-Sputtern bei Substrattemperaturen von 400–700°C, vorzugsweise von 500– 600°C in Abhängigkeit von dem jeweiligen Material des Werkzeugkörpers aufgebracht ist und wobei die verschleißfeste Beschichtung aus einer oder mehreren Lagen aus hitzebeständigen Verbindungen aufgebaut ist, von denen wenigstens eine Lage, vorzugsweise die äußerste Lage, aus einer nanokristallinen Aluminium-Spinell-Verbindung von der Art(Me)_xA₂O_3+x (0 < x ≤ 1), vorzugsweise (0,01 < x ≤ 1), besonders bevorzugt (0,05 < x ≤ 1) besteht, wobei Me aus einem oder mehreren der Metalle aus der Gruppe Mg, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Cd, Cu, Cr, Sn gebildet wird und die innerste(n) Lage(n), sofern gegeben, zwischen dem Werkzeugkörper und der Lage aus Aluminium-Spinell-Verbindung aus Metallnitriden und/oder -karbiden zusammengesetzt ist, wobei die Metallelemente unter Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al ausgewählt sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik bestehen die Lagen aus Aluminium-Spinell-Verbindung aus qualitativ hochwertiger, dichter, feinkörniger, kristalliner Aluminium-Spinell-Verbindung mit einer Korngröße von weniger als 0,2 μm. Vorzugsweise liegt der Spinell in der Form von Kristalliten mit einer seitlichen Ausdehnung von 10–200 μm vor. Darüber hinaus sind die Lagen aus Aluminium-Spinell-Verbindung so gut wie frei von Brüchen und Halogenverunreinigungen.
Die Lagen aus Aluminium-Spinell-Verbindung gemäß der Erfindung verleihen den Schneidkanten des Werkzeugs darüber hinaus eine äußerst glatte Oberflächenbeschaffenheit, die im Vergleich zu mit α-Al₂O₃ beschichteten Werkzeugen nach dem Stand der Technik auch zu einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit des bearbeiteten Werkstücks führt. Die sehr glatte Oberflächenbeschaffenheit kann der sehr feinen Kristallinität der Beschichtung zugeschrieben werden. Eine Identifizierung der Lagen aus Aluminium-Spinell-Verbindung gemäß der Erfindung kann vorzugsweise durch Röntgenbeugung in Kombination mit energiedispersiver Spektrometrie (EDS) durchgeführt werden. Es können starke Reflexe von wenigstens einer der (400)- und (440)-Gitterebenen identifiziert werden. Schwächere Reflexe von den (111)-, (220)-, (311)-, (222)- und (511)-Gitterebenen der Aluminium-Spinell-Verbindung können von Zeit zu Zeit identifiziert werden. Reflexe der reinen MeO-Phasen treten nicht auf.
Eine zweite Identifizierungsmethode der Phasen der Aluminium-Spinell-Verbindung beruht auf Elektronenbeugung in einem Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM), wiederum in Kombination mit EDS oder einem chemischen Analyseverfahren. Die Beugungsmuster zeigen Ringe von polykristallinem Aluminium-Spinell.
Die nanokristalline Aluminium-Spinell-Verbindung gemäß der Erfindung ist in der (440)-Richtung stark texturiert. Ein Texturkoeffizient TC kann wie folgt definiert werden.
worin
I(hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion,
I₀(hkl) = Standardintensität aus den ASTM-Standard-Pulverröntgenbeugungsdaten,
n = Anzahl der Reflexe, die bei der Berechnung verwendet werden;
die verwendeten (hkl)-Reflexe sind (111), (311), (222), (400) und (440).
Immer wenn TC(hkl) > 1, liegt eine Textur in der [hkl]-Richtung vor. Je größer der Wert von TC(hkl) ist, desto ausgeprägter ist die Textur. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der TC für den Satz von (440)-Kristallebenen ≥ 1,5.
Wenn die mit nanokristalliner Aluminium-Spinell-Verbindung beschichteten Hartmetallschneidwerkzeuge gemäß der Erfindung bei der Bearbeitung von Stahl oder Gußeisen verwendet werden, beobachtet man mehrere wichtige Verbesserungen im Vergleich zum Stand der Technik, welche in den nachfolgenden Beispielen demonstriert werden. Überraschenderweise zeigt die PVD-Aluminium-Spinell-Verbindung, ohne daß sie irgendeinen Anteil der groberen und thermodynamisch stabilen α-Al₂O₃-Phase enthält, in verschiedenen Metallbearbeitungsvorgängen eine Verschleißbeständigkeit, die gleich derjenigen Verschleißbeständigkeit ist, die man in groberen CVD-α-Al₂O₃-Beschichtungen, die bei Temperaturen um 1000°C abgeschieden wurden, findet. Es wird angenommen, daß der Grund für dieses Verhalten die hohe chemische Stabilität der Spinell-Verbindung auch bei hohen Temperaturen bis zu 1000°C in Kombination mit einer relativ hohen Härte von wenigstens 16 GPa, verursacht durch die spezielle nanokristalline Mikrostruktur, ist. Darüber hinaus zeigen die Beschichtungen aus feinkörniger PVD-Aluminium-Spinell-Verbindung eine beträchtlich bessere Verschleißbeständigkeit als PVD-Beschichtungen nach dem Stand der Technik. Diese Beobachtungen eröffnen die Möglichkeit, die Schneidleistung von beschichteten PVD-Werkzeugen erheblich zu verbessern und die Werkzeuglebensdauern zu verlängern. Die niedrige Abscheidungstemperatur wird auch ermöglichen, Beschichtungen aus PVD-Aluminium-Spinell-Verbindung auf Hochgeschwindigkeitsstahlwerkzeugen und den superharten Materialien kubisches Bornitrid und Diamant abzuscheiden.
Eine weitere Verbesserung der Schneidleistung kann erreicht werden, wenn die Kanten der mit Aluminium-Spinell-Verbindung beschichteten Schneidswerkzeuge gemäß der Erfindung mit einem sanften Naßsandstrahlverfahren bzw. Wet-Blasting-Verfahren oder durch Kantenbürsten mit Bürsten auf der Grundlage von zum Beispiel SiC, wie es in der US-5,861,210 offenbart ist, bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Spinell-Verbindungen gemäß der Erfindung ist die Möglichkeit der Abscheidung von gefärbten Lagen entweder aufgrund der spezifischen Eigenschaft des Spinells oder durch Aufnahme einer geringen Menge anderer Kationen, wie Fe, Cu, Co oder Cr. Die Farbe ist von großer praktischer Bedeutung für die visuelle Beurteilung des Verschleißzustands eines beschichteten Schneidwerkzeugs.
Die Gesamtbeschichtungsdicke gemäß der vorliegenden Erfindung variiert zwischen 0,5 und 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 15 μm, wobei die Dicke der nicht aus Aluminium-Spinell-Verbindung bestehenden Lage(n) zwischen 0,1 und 10 μm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 μm variiert. Die Beschichtung aus feinkörniger Aluminium-Spinell-Verbindung kann auch direkt auf dem Schneidwerkzeugsubstrat aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Hochgeschwindigkeitsstahl oder superharten Materialien abgeschieden werden, und die Dicke der Aluminium-Spinell-Verbindung variiert zwischen 0,5 und 15 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 10 μm. In gleicher Weise können weitere Beschichtungen aus Metallnitriden und/oder -karbiden mit den Metallelementen, ausgewählt unter Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al, über der Lage aus Aluminium-Spinell-Verbindung abgeschieden werden, insbesondere eine äußere Lage aus TiN, Ti(CN), TiN oder (Ti, Al)N.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erste Beschichtung aus wenigstens einer Lage abgeschieden, wobei diese erste Beschichtung eine Gesamtdicke von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 5 μm hat und Metallnitride oder -karbide oder -karbonitride mit den Metallelementen, ausgewählt aus der Gruppe Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al, umfaßt. Vorzugsweise besteht diese erste Beschichtung aus TiC, Ti(CN), TiN oder (Ti, Al)N.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die erste Beschichtung und/oder die äußere Lage in dem Werkzeug gemäß der Erfindung einen mehrlagigen Bereich mit einer periodischen oder aperiodischen Abfolge von wenigstens zwei verschiedenen Lagen, ausgewählt unter TiC, TiCN, TiN oder TiAlN.
Die Aluminium-Spinell-Lage gemäß der Erfindung wird durch gepulstes Magnetron-Sputtern bei einer Substrattemperatur von 400–700°C, vorzugsweise 500–600°C unter Verwendung eines elementaren oder legierten Targets des Metalls und eines Gemisches aus einem Edelgas und einem reaktiven Gas, vorzugsweise Argon und Sauerstoff, abgeschieden. Eine bevorzugte Lösung zur Durchführung des gepulsten Magnetron-Sputter-Verfahrens ist die Verwendung eines dualen Magnetron-Systems (DMS). Zusätzlich ist das Verfahren gemäß der Erfindung durch zyklische Unterbrechungen des Flusses von Teilchen, die auf jedes einzelne Substrat auftreffen, gekennzeichnet. Dieser Fluß besteht aus neutralen Teilchen, Ionen, Elektronen, Photonen etc. Es scheint, daß diese Unterbrechungen Prozesse der erneuten Keimbildung verursachen, was zu der beobachteten sehr feinkörnigen Struktur der Spinell-Lage führt. Einfache Werge zur Realisierung dieser Unterbrechungen sind schwingende oder rotierende Substratbewegungen, die mit einem zyklischen Verlassen der Abscheidungszone verbunden sind. Eine weitere Charakteristik des Verfahrens besteht darin, den Fluß des reaktiven Gases auf solch einen Wert einzustellen, daß die Impedanz der Magnetron-Entladung zwischen 150% und 250% der Impedanz eines Entladungsbrennens zwischen vollständig oxidbeschichteten Target-Elektroden liegt. Dieser vollständig oxidbeschichtete Zustand der Targets wird durch eine drastisch reduzierte Abscheidungsrate und das Vorhandensein von Sauerstofflinien in dem optischen Emissionsspektrum des Plasmas angezeigt. Eine weitere Verbesserung der Mikrostruktur und der Phasenzusammensetzung der Spinell-Lage wird durch Anlegen einer bipolar gepulsten Vorspannung an die Substrate während der Abscheidung erzielt. Dies führt zu einem abwechselnden Fluß von Ionen und Elektronen, der für die zyklische Entladung der wachsenden isolierenden Lage notwendig ist. Bevorzugt ist eine Vorspannungshöhe zwischen 20 und 200 V, vorzugsweise zwischen 50 und 100 V bei einer Frequenz im Bereich von 1–5 kHz. Abhängig von den geometrischen Bedingungen der Abscheidungsanordnung kann ein asymmetrisches Vorspannungspulsen in Bezug auf die Parameter Spannungshöhe und Pulsdauer geeignet sein. In diesem Fall sollte die Dauer der positiven Polarität signifikant geringer sein als die oder höchstens gleich der Dauer der negativen Polarität.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene(n) Lage(n), welche Metallnitride und/oder -karbide und/oder -karbonitride mit den Metallelementen, ausgewählt unter Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al, umfaßt, kann durch PVD-Technik, CVD- und/oder MTCVD-Technik (chemische Gasphasenabscheidung bei mittlerer Temperatur) abgeschieden werden.
Die Überlegenheit der PVD-Lagen aus feinkörniger Aluminium-Spinell-Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber PVD-Beschichtungen nach dem Stand der Technik wird in Beispiel 1 demonstriert. Beispiel 2 demonstriert die überraschend guten Verschleißbeständigkeitseigenschaften der Lagen aus feinkörniger Aluminium-Spinell-Verbindung im Vergleich zu herkömmlichen CVD-Lagen, die aus κ-Al₂O₃ und α-Al₂O₃ bestehen.
Beispiel 1

A) Kommerzielle PVD-TiN-beschichtete Hartmetallbohreinsätze der Form LCMX 040308-53 mit einer Beschichtungsdicke von etwa 3 μm und mit einer Hartmetallzusammensetzung von 10 Gew.-% Co und Rest WC.
B) Mit TiN beschichtetes Werkzeug aus A, beschichtet mit einer Lage von 2 μm feinkörnigem Aluminium-Magnesium-Spinell (MgAl₂O₄) in einem separaten Experiment mit der gepulsten Magnetron-Sputter-Technik unter Verwendung eines DMS-Systems mit einem Magnesium-Target und einem Aluminium-Target, betrieben bei 50 kHz in einem Sauerstoff-Argon-Gemisch. Die Energiedichte im Zeitmittel wurde auf 24 W/cm² an dem Aluminium-Target bzw. 14 W/cm² an dem Magnesium-Target eingestellt. Alle Einsätze waren während der Abscheidung an einer rotierenden Trommel befestigt, und der Auftreffwinkel war durch Abschirmungen in der Umgebung von DMS auf ±30° beschränkt. Die Abscheidungstemperatur betrug 600°C. Es wurde eine symmetrische, bipolare, gepulste Vorspannung von 80 V bei einer Frequenz von 3 kHz auf die Substrate angewendet. Der reaktive Arbeitspunkt der Entladung wurde bei einer Impedanz von 200% von derjenigen Impedanz, die für vollständig oxidbeschichtete Target-Elektroden gemessen wurde, stabilisiert.

Die Aluminium-Magnesiun-Spinell-Beschichtung aus B) erschien milchig weiß und hatte eine sehr glatte Oberfläche. SEM-Untersuchungen eines Querschnitts zeigten einen glasartigen Bruch ohne Porosität. Die TEM-Untersuchung ergibt eine Korngröße zwischen 50 nm und 100 nm. EDS-Messungen zeigten das Vorhandensein einer nahezu stöchiometrischen Verbindung gemäß der Formel MgAl₂O₄ mit einem Argongehalt unter 0,3 Gew.-%. Die XRD-Untersuchung identifizierte klar die kubische Spinell-Struktur mit den Reflexen (220), (311), (400) und (440). Der berechnete Texturkoeffizient für die (440)-Reflexe betrug 2,5.
Beschichtete Werkzeugeinsätze aus A) und B) wurden dann in einem Bohrvorgang in einem Werkstückmaterial des niedrig legierten, nicht-gehärteten Stahls SS 2541 getestet.
An den Schneidkanten entwickelten sich sowohl Freiflächen- als auch Kolkverschleiß. Das Ausmaß des Freiflächenverschleißes bestimmte die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs. Die Ergebnisse der Schneidtests zeigten, daß die mit einer Spinell-Lage gemäß der Erfindung beschichteten Einsätze in der Lage waren, mehr Löcher zu bohren, und sie zeigten ein geringeres Ausmaß an Freiflächenverschleiß im Vergleich zu A).
Beispiel 2

C) Hartmetalleinsätze der Form CNMA 120412-KR mit einer Zusammensetzung von 6 Gew.-% Co und Rest WC, beschichtet mit einer ersten Lage von 8 μm TiCN und danach mit einer Decklage von 4 μm κ- und α-Al₂O₃. Beide Lagen wurden durch herkömmliche CVD-Technik abgeschieden. Die Korngröße der κ- und α-Phase liegt zwischen 0,5 und 1,2 μm.
D) Hartmetalleinsätze der gleichen Form und Zusammensetzung wie in C) wurden zuerst mit einer etwa 3 μm dicken TiCN-Lage und danach mit einer 2,5 μm dicken feinkörnigen Magnesium-Aluminium-Spinell-Lage mit teilweiser Substitution von 3 Gew.-% Mg durch Fe beschichtet. Beide Lagen wurden durch ein DMS-Sputter-Verfahren ohne Vakuumunterbrechung abgeschieden. Um eine teilweise Substitution von Mg durch Fe zu erreichen, wurde ein Mosaik-Magnesium-Target mit Eisen-Pfropfen verwendet. Die Substrattemperatur betrug 550°C. Alle anderen Parameter entsprachen denjenigen, die für B) angegeben sind.

Die Beschichtung aus D) erschien blau und zeigte eine sehr glatte Oberfläche. SEM-Untersuchungen zeigten keine Porosität. Die Korngröße wurde durch TEM-Untersuchungen auf weniger als 50 nm bestimmt.
Die EDS-Messung ergab die folgende Zusammensetzung:

Aluminium 27 At.-%

Magnesium 13 At.-%

Eisen ≈ 0,5 At.-%

Argon 0,2 At.-%

Sauerstoff Rest
Das Elektronenbeugungsmuster zeigt die Ringe der nanokristallinen kubischen Spinell-Struktur. Die Härte des nanokristallinen Aluminium-Magnesium-Spinells beträgt 20 GPa, und die eigene Spannung beträgt 3 GPa kompressiv.
Beschichtete Einsätze aus C) und D) wurden dann in einem kontinuierlichen Drehvorgang in einem Kugellagerstahl (Ovako 825) getestet. Der Kolkverschleiß der Schneidkanten wurde unter einem optischen Mikroskop gemessen. Die Bearbeitungszeit, bis die Decklage verschlissen war, wurde registriert (d.h. wenn das innere TiCN gerade sichtbar wurde).
Bei einer Schneidgeschwindigkeit von 200 m/min, einer Zuführung von 0,25 mm/Umdr. und einer Schnittiefe von 2 mm unter Verwendung eines Kühlmittels war die Bearbeitungszeit von Einsätzen, bei denen eine Abscheidung gemäß der Erfindung erfolgte, um einen Faktor von 1,5 höher im Vergleich zu den gemäß dem Stand der Technik beschichteten Einsätzen. Die Verbesserung kann durch die höhere chemische Stabilität der Lage aus Magnesium-Aluminium-Spinell im Vergleich zu der CVD-Aluminiumoxid-Lage erklärt werden. Darüber hinaus erlaubt es die blaue Farbe der Spinell-Beschichtung, das Ende der Lebensdauer der Einsätze mit guter Genauigkeit auf eine einfache Art und Weise festzustellen.

Claims

Schneidwerkzeug mit einem Körper aus gesintertem Hartmetall oder Cermet, Keramik oder Hochgeschwindigkeitsstahl, kubischem Bornitrid oder Diamant, wobei auf diesem wenigstens auf den funktionellen Teilen der Oberfläche davon eine 0,5 bis 20 μm dicke, harte und verschleißfeste Beschichtung aufgebracht ist und diese Beschichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Struktur aus einer oder mehreren Schichten aus hitzebeständiger Verbindung umfaßt, von denen wenigstens eine Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 μm abgeschieden wird durch ein reaktives, bipolar gepulstes Magnetron-Sputter-Verfahren mit einer Magnetron-Target-Energiedichte im Zeitmittel von wenigstens 10 W/cm² und wobei die Pulsfrequenz auf 10 bis 100 kHz eingestellt wird, vorzugsweise auf 20 bis 50 kHz, und dies bei einer Substrattemperatur in dem Bereich von 400 bis 700°C, vorzugsweise in dem Bereich von 500 bis 600°C, in Abhängigkeit von dem zu beschichtenden Material, und wobei diese Schicht aus einer nanokristallinen Aluminiumspinellverbindung von der Art (Me)_xAl₂O_3+x (0 < x≤ 1) mit einer Korngröße von weniger als 0,2 μm besteht und wobei Me aus einem oder mehreren der Metalle aus der Gruppe Mg, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Cd und Cu gebildet wird, wobei diese nanokristalline Aluminiumspinellschicht signifikante Röntgenstrahlenbeugungsreflexe von wenigstens einer der Kristallebenen (440) und (400) aufweist, eine Härte von wenigstens 16 GPa hat, eine Druckspannung von wenigstens 1 GPa hat und frei von jeglichen Halogenverunreinigungen ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinellschicht eine bevorzugte Wachstumsorientierung in der [440]-Richtung mit einem Texturkoeffizienten TC > 1,5 aufweist, definiert als: TC(hkl) = (I(hkl)/I0(hkl)) {(1/n)Σ(I(hkl)/I0(hkl))}–1 wobei I(hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion I₀(hkl) = Standardintensität aus den ASTM-Standardpulvermusterbeugungsdaten n = Anzahl der Reflexionen, die bei der Berechnung verwendet wurden, wobei die verwendeten (hkl)-Reflexionen (111), (311), (222), (400) und (440) sind.
Schneidwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinellschicht vollständig aus dem Magnesium-Aluminium-Spinell mit der Zusammensetzung MgAl₂O₄ besteht.
Schneidwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung davon wenigstens eine Schicht mit einer Dicke von 0,1–10 μm, vorzugsweise 0,5–5 μm aufweist, welche Metallnitride oder -carbide oder -carbonitride umfaßt, wobei die Metallelemente aus der Gruppe Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al ausgewählt sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus TiC, TiN, TiCN oder TiAlN besteht.
Schneidwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht die nanokristalline Aluminiumspinellverbindung ist.
Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht TiN ist.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugs, wobei wenigstens eine hitzebeständige Schicht, die aus einer nanokristallinen Aluminiumspinellverbindung von der Art (Me)_xAl₂O_3+x (0 < x ≤ 1) besteht, mit einer Dicke von 0,5 bis 10 μm und einer Korngröße von weniger als 0,2 μm durch reaktives, bipolar gepulstes Magnetron-Sputtern abgeschieden wird, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – das Prozeßgas ein Gemisch aus einem Edelgas und einem reaktiven Gas ist, – der Strom des reaktiven Gases auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Impedanz der Magnetronentladung zwischen 150% und 250% der Impedanz des Entladungsbrands zwischen vollständig oxidbeschichteten Zielelektroden liegt, – die Abscheidung mit einer Rate von wenigstens 1 nm/s im Bezug auf ein stationär angeordnetes Substrat erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Argon ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die (Me)_xAl₂O_3+x-Schicht durch reaktives Magnetron-Besputtern von legierten oder Mosaik-Zielen mit der Gesamtzusammensetzung (Me)_xAl₂ abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die (Me)_xAl₂O_3+x-Schicht durch reaktives Sputtern abgeschieden wird, wobei man ein duales Magnetron-System verwendet mit einem Aluminium-Target und einem Target, das aus dem anderen Metall oder aus einer Legierung dieses Metalls und Aluminium hergestellt ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate einer bipolar gepulsten Vorspannung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß – die bipolar gepulste Vorspannungsfrequenz, die man auf die Substrate einwirken läßt, auf 0,1 bis 10 kHz, vorzugsweise auf 1 bis 5 kHz, eingestellt wird, – die Dauer des positiven Vorspannungspulses auf den Substraten höchstens gleich der Dauer des negativen Vorspannungspulses ist, vorzugsweise 5 bis 20 Mal kürzer, – die angelegte bipolare Vorspannung für beide Polaritäten asymmetrisch ist in Bezug auf wenigstens einen der Parameter Spannungsniveau und Pulsdauer, – der Maximalwert der Vorspannung bei jedem Puls auf 20 bis 200 V, vorzugsweise auf 50 bis 100 V, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Nicht-Spinellschichten auch durch ein physikalisches Dampfabscheidungs-(PVD)Verfahren abgeschieden werden, insbesondere durch gepulstes Magnetron-Sputtern.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schichten ohne Unterbrechung des Vakuums in dem gleichen Beschichter abgeschieden werden.