DE69802035T2

DE69802035T2 - Beschichtetes Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE69802035T2
Application number: DE69802035T
Authority: DE
Inventors: Tetsuhiko Honma; Atsushi Nagamine; Eiji Nakamura; Takatoshi Oshika; Kazuya Yanagida; Kouichi Yuri
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: US6071601A; DE69802035D1; EP0878563A1; EP0878563B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidewerkzeugelement, das über lange Zeitspannen bei Schneidevorgängen gegen Absplittern und Verschleiß beständig ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Beschichtete Carbid-Schneidewerkzeugelemente sind vorzugsweise aus Wolframcarbid basiertem gesintertem Carbidsubstrat und einer harten Deckschicht vorzugsweise aus Aluminiumoxid (hierin nachfolgend als "Al&sub2;O&sub3;" bezeichnet) zusammengesetzt. Vorzugsweise umfassen sie weiterhin eine Schicht einer Titanverbindung des kubischen Typs, die bevorzugt mindestens eine Schicht einer Titanverbindung mit kubischer Kristallstruktur, vorzugsweise ausgewählt aus Titancarbid (TiC), Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN), Titancarboxid (TiCO), Titannitroxid (TiNO) und Titancarbonitroxid (TiCNO) enthält. Die harte Deckschicht wird bevorzugt mittels der chemischen Dampfabscheidung und/oder physikalischen Dampfabscheidung ausgebildet und weist eine mittlere Dicke von 3 bis 20 um auf. Die Röntgenbeugung bestätigt, dass die Kristallstruktur der Schicht aus der Titanverbindung dem kubischen Typ angehört (hierin nachfolgend als "Schicht des kubischen Typs der Titanverbindung" bezeichnet). In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 7-328810 (deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) wird ein carbidbeschichtetes Schneidewerkzeugelement mit einer harten Deckschicht, worin die erste Schicht TiN ist, die zweite Schicht TiCN ist, die dritte Schicht TiCN ist, die vierte Schicht Al&sub2;O&sub3; ist, und die fünfte Schicht TiN ist, offenbart. Diese beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelemente werden zu Schneidearbeiten auf verschiedenen Gebieten breit eingesetzt, z. B. bei kontinuierlicher und unterbrochener Schneidearbeit an metallischen Werkstücken.
Es ist bekannt, dass Schichten des kubischen Typs der Titanverbindung eine körnige Kristallmorphologie besitzen und für verschiedene Anwendungen gebraucht werden. Kürzlich hat eine TiCN Schicht mit longitudinaler Kristallmorphologie als hochverschleißbeständiger Belag Verwendung gefunden. TiC Schichten sind als hochabriebbeständige Materialien bei vielen Anwendungen benützt worden. TiN Schichten sind auf vielen Gebieten verwendet worden, z. B. als äußerste Schicht von beschichteten Schneidewerkzeugelementen und für verschiedene dekorative Produkte, wegen ihres schönen Aussehens wie Gold. Schichten aus Al&sub2;O&sub3; besitzen mehrere verschiedene Kristallpolymorphologe, von welchen das alpha-Al&sub2;O&sub3; mit Korundstruktur als thermodynamisch stabilstes Polymorphologes bekannt ist. Eine mittels CVD gebildete Al&sub2;O&sub3; Schicht hat typischerweise drei Arten Polymorphologe, nämlich stabiles alpha-Al&sub2;O&sub3;, metastabiles kappa-Al&sub2;O&sub3; und amorphes Al&sub2;O&sub3;.
In den letzten Jahren hat eine zunehmende Nachfrage nach Arbeit einsparenden, weniger zeitaufwendigen Schneidearbeiten bestanden. Diese Arbeitsgänge schließen bevorzugt Hochgeschwindigkeits-Schneideoperationen wie Hochgeschwindigkeits-Zufuhr und/oder Hochgeschwindigkeits-Schneiden ein. Bei diesen Schneidevorgängen sind die Schneidewerkzeuge außerordentlich harten Bedingungen ausgesetzt. Während dieser Hochgeschwindigkeits-Schneidevorgänge steigt die Temperatur der Schneidekante auf 1000ºC oder mehr und Arbeitsspäne extrem hoher Temperatur sind in Kontakt mit der Abstreiffläche des Schneidewerkzeugs. Diese Erscheinung beschleunigt das Auftreten von Verschleiß durch Krater auf der Abstreiffläche. Somit splittert das Schneidewerkzeug oder wird in einem relativ frühen Stadium beschädigt.
Um diese Situation zu umgehen, ist ein beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeug, welches eine relativ dicke Al&sub2;O&sub3; Schicht besitzt, geprüft und hergestellt worden. Die Al&sub2;O&sub3; Schicht weist günstige Eigenschaften auf, wie äußerst hohe Widerstandsfestigkeit gegen Oxidation, chemische Stabilität und hohe Härte, welche die Erfordernisse für Schneidewerkzeuge erfüllen, die bei hohen Temperaturbedingungen verwendet werden. Das Aufbringen von Al&sub2;O&sub3; Schichten auf Schneidewerkzeuge funktioniert jedoch nicht, wie man es sich wünscht. Die Haftfestigkeit der Al&sub2;O&sub3; Schicht an die benachbarte Schicht des kubischen Typs der Titanverbindung ist gewöhnlich nicht passend, besonders wenn das Al&sub2;O&sub3; vom polymorphen alpha-Typ ist und es ist auch unvermeidlich, dass die Al&sub2;O&sub3; Schicht, wenn sie dicker ausfällt, örtlich Dickenungleichmäßigkeit aufweist. Die Al&sub2;O&sub3; Schicht neigt z. B. dazu, im kantigen Teil des Schneidewerkzeugs dicker zu sein als an anderen Stellen des Werkzeugs. Wenn eine dicke Al&sub2;O&sub3; Schicht als ein Bestandteil einer harten Deckschicht angewendet wird, ist es wahrscheinlich, dass eine relativ kurze Lebensdauer zu verzeichnen ist, zum Beispiel dadurch, dass eine Art der Beschädigung, wie durch Absplittern, Abschuppen oder Bruch eintritt.
So wie die Schneidegeschwindigkeit bei verschiedenen Schneidevorgängen laufend zunimmt, werden dickere Al&sub2;O&sub3; Beschichtungen zum Schutz von Carbid-Schneidewerkzeugen benötigt werden. Mit dickeren Al&sub2;O&sub3; Schichten wird die Lebensdauer des Werkzeugs empfindlicher sein gegenüber sowohl der Haftfestigkeit zwischen Al&sub2;O&sub3; Schicht und der Schicht des kubischen Typs der Titanverbindung als auch der Festigkeit der Al&sub2;O&sub3; Schicht selbst. Verfahren, Al&sub2;O&sub3; mit Schichten anderer Verbindungen zu verbinden und Verfahren zur Herstellung belastbarer und dicker Al&sub2;O&sub3; Schichten nehmen fortlaufend an Wichtigkeit zu, wie die Nachfrage nach Schneidewerkzeugen, die bei immer höheren Geschwindigkeiten funktionieren, steigt. In der EP-A-0 816 531 und US-A-4,463,062 sind Schneidewerkzeugelemente, die eine Titanoxidhaftschicht mit ungenügender Haftung an der Al&sub2;O&sub3; Schicht umfassen, offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß stellt ein Gegenstand dieser Erfindung ein beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeugelement mit einer dicken Al&sub2;O&sub3; Schicht bereit, die stark an einer Schicht des kubischen Typs einer Titanverbindung haftet und welche eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Al&sub2;O&sub3; Dicke aufweist. Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung stellt beschichtete Carbid- Schneidewerkzeugelemente bereit, die eine vortreffliche Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigung aufweisen.
Diese und andere Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung sind durch Auffinden eines beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelementes erfüllt worden, das ein Substrat und eine harte Deckschicht auf dem Substrat umfasst, wobei die harte Schicht mindestens eine Schicht aus einer Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält, mindestens eine Schicht die Aluminiumoxid enthält und mindestens eine Zwischenschicht einschließt, wobei die Zwischenschicht zwischen der Schicht aus der Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur und der Aluminiumoxidschicht liegt, oder zwischen den Aluminiumoxidschichten, und die Zwischenschicht Titanoxid mit einer Korund-Gitterstruktur (hierin nachfolgend als "Ti&sub2;O&sub3;" bezeichnet) und weiterhin Titancarbonitroxid mit einer kubischen Gitterstruktur umfasst. Dieses beschichtete Carbid-Schneidewerkzeugelement weist gute Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung und lange Lebensdauer des Werkzeugs im Gebrauch bei Hochgeschwindigkeits- Schneidearbeiten auf.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein vollständigeres Erkennen der Erfindung und vieler zugehöriger Vorteile ist leicht zu erhalten, indem dieselbe unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und Betrachtung der beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, worin:
Abb. 1 eine graphische Darstellung ist, die Röntgenbeugung beschichteter Carbid- Schneideeinsätze gemäß der vorliegenden Erfindung in Beispiel 3 vor dem Auftrag der Al&sub2;O&sub3; Schicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegende Erfindung stellt ein Schneidewerkzeug bereit, mit einem Schneidewerkzeugelement, das mit einer harten Deckschicht beschichtet ist. Ein "Schneidewerkzeugelement" bezieht sich auf den Teil des Schneidewerkzeugs, welcher das Werkstück tatsächlich schneidet. Schneidewerkzeugelemente schließen austauschbare, an flächenfräsende Schneidkörper anmontierbare Schneideeinsätze, Drehmeißel-Bohrzapfen und Schneideblätter von Schaftfräsern ein. Das Schneidewerkzeugelement ist bevorzugt aus Wolframcarbid basierten gesinterten Carbidsubstraten hergestellt.
Die harte Beschichtung bedeckt bevorzugt einen Teil der Oberfläche, mehr bevorzugt die ganze Oberfläche des Schneidewerkzeugelementes. Die harte Beschichtung umfasst mindestens eine Schicht, die eine Schicht einer Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur, mindestens eine Al&sub2;O&sub3; Schicht und eine Zwischenschicht, die zwischen der Schicht der Titanverbindung und der Al&sub2;O&sub3; Schicht liegt, enthält. Die Zwischenschicht kann direkt mit einer oder beiden, der Schicht der Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur und der Al&sub2;O&sub3; Schicht in Kontakt kommen. Obwohl die Al&sub2;O&sub3; Schicht bevorzugt die äußerste Schicht der harten Deckschicht ist, wird in vielen Fällen wegen ihres schönen Aussehens eine TiN Schicht als äußerste Schicht verwendet.
Die Schicht der Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur ist aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiNO und TiCNO zusammengesetzt. Die Zwischenschicht umfasst Titanoxid, das eine Gitterstruktur vom Korundtyp besitzt (hierin nachfolgend als "Ti&sub2;O&sub3;" bezeichnet).
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden nach dem Testen vieler Arten harter Deckschichten auf den beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelementen gefunden. In all diesen Tests schlossen die harten Deckschichten mindestens eine Schicht einer Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur, mindestens eine Al&sub2;O&sub3; Schicht und eine Zwischenschicht zwischen den zwei anderen Schichten ein. Von diesen Tests wurden die folgenden Ergebnisse (A) bis (G) gefunden:
(A) Wenn die bevorzugt Ti&sub2;O&sub3; umfassende Zwischenschicht zwischen die Schicht des genannten kubischen Typs der Titanverbindung und die besagte Al&sub2;O&sub3; Schicht gelegt wurde, wies das beschichtete Schneidewerkzeug längere Lebensdauer auf.
(B) Wenn die bevorzugt Ti&sub2;O&sub3; umfassende Zwischenschicht verwendet wurde, variierten die Schneideeigenschaften des erhaltenen Schneidewerkzeugelementes entsprechend der spezifischen Ausrichtung bei der Röntgenbeugung der Zwischenschicht. Die Röntgenbeugung wurde unter Verwendung des Cu kα-Strahls durchgeführt. Wenn eine Zwischenschicht Ti&sub2;O&sub3; mit einem Röntgenbeugungsmuster mit einer maximalen Peakintensität bei 2θ = 53,8 ± 1º umfasst (dieselbe wie ASTM 10-63, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme aufgenommen wird), zeigte das erhaltene beschichtete Carbid-Schneidewerkzeugelement längere Lebensdauer. Wenn darüber hinaus die Zwischenschicht bevorzugt Ti&sub2;O&sub3;, mit einem Röntgenbeugungsmuster einer maximalen Peakintensität bei 2θ = 34,5 + 1º umfasst, zeigte das erhaltene beschichtete Carbid-Schneidewerkzeugelement eine sogar längere Lebensdauer.
(C) Wenn eine Zwischenschicht, bevorzugt Ti&sub2;O&sub3;, mit einem Röntgenbeugungsmuster einer maximalen Peakintensität bei 2θ = 34,5 ± 1º enthält, und weiterhin eine geeignete Menge TiCNO umfasst, wies das beschichtete Carbid-Schneidewerkzeugelement sogar eine längere Lebensdauer bei kontinuierlichen und diskontinuierlichen Schneidearbeiten an Stahl und Gusseisen auf. Das Vorhandensein der TiCNO Phase wurde durch Elementaranalyse unter Verwendung des EPMA (elektronischer Sonden-Mikroanalysator) und Röntgenbeugung bestätigt. Jedoch war zuviel TiCNO in der Zwischenschicht ungünstig, da die Eigenschaften der genannten Schicht denjenigen, einer kubischen TiCNO Schicht ähnlich wurden.
(D) Es wurden auch andere Titanoxid Schichten, die mittels chemischer Dampfabscheidung erhalten werden können, einschließlich TiO, Ti&sub4;O&sub7; und TiO&sub2; als Zwischenschicht überprüft. Die Oberfläche dieser Schichten waren glatt und die dichte Kristallisations-Kernbildung von Al&sub2;O&sub3; wurde bei der Zwischenschicht aus diesen Stoffen wie bei Ti&sub2;O&sub3; herbeigeführt. Wir dachten, dass diese Erscheinungen der hohen Dichte an Sauerstoffatomen auf der Oberfläche der genannten Schichten zugeschrieben werden könnte. Für diese Schichten wurde die Anwesenheit der Phase einer kubischen Titanverbindung nicht bestätigt. Beschichtete Carbid-Schneideeinsätze mit Zwischenschichten aus TiO, Ti&sub4;O&sub7; und TiO&sub2; wiesen schlechtere Schneideeigenschaften verglichen mit Zwischenlagen, die Ti&sub2;O&sub3; enthielten, auf. Abschuppen der Al&sub2;O&sub3; Schicht und Absplittern in ziemlich frühen Stadien des Schneidevorgangs sogar bei kontinuierlichen Schneidearbeiten an Stahl und Gusseisen wurden häufig beobachtet. Auf Grund dieser Beobachtungen haben wir gefunden, dass Ti&sub2;O&sub3; die am meisten bevorzugte Zwischenschicht zwischen einer Schicht der Titanverbindung des kubischen Typs und der Al&sub2;O&sub3; Schicht ist.
(E) Die Verbesserung der Schneideeigenschaften bei Vorhandensein einer hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassenden Schicht könnte der höheren Haftfestigkeit zwischen dieser Schicht und der Al&sub2;O&sub3; Schicht zugeschrieben werden, verglichen mit der Haftfestigkeit zwischen der Schicht des kubischen Typs einer Titanverbindung und der Al&sub2;O&sub3; Schicht. Wir legen das Konzept der "Haftfestigkeit" aus als die kombinierte Wirkung der "chemischen Bindekräfte" zwischen den beiden miteinander in Kontakt befindlichen Schichten und der "mechanischen Verbindung" zwischen diesen beiden Schichten. Eine Zwischenschicht, die bevorzugt Ti&sub2;O&sub3; umfasst, wird eine höhere chemische Bindung an eine Al&sub2;O&sub3; Schicht haben als andere Schichten des kubischen Typs der Titanverbindung und diese Schicht wird, da ihre Oberfläche vorzugsweise rau ist, eine höhere mechanische Bindung aufweisen. Es ist bestätigt worden, dass die Oberflächenmorphologie der hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassenden Schicht durch Zusatz einer geeigneten Menge TiCNO zur Schicht günstigerweise rauer ausfällt. Die positive Wirkung von TiCNO in der hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassenden Schicht mag wegen der gesteigerten mechanischen Verbindung zwischen der genannten Schicht und der Al&sub2;O&sub3; Schicht zustande kommen.
(F) Die chemische Bindung zwischen anderen Titanoxidzwischenschichten aus TiO, Ti&sub4;O&sub7; und TiO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; Schicht kann auch hoch sein. Jedoch wurden die Schneideeigenschaften des beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelementes bei Verwendung dieser Titanoxide unangemessen befunden. Wir glauben, dass der Grund für die relativ kurze Lebensdauer des Werkzeugs bei Schneidearbeiten mit diesen Zwischenschichten in dem Mangel genügender Oberflächenrauigkeit liegt. Demzufolge wird die mechanische Verankerung zwischen den Zwischenschichten und der Al&sub2;O&sub3; Schicht schwach gewesen sein.
(G) Wenn die Al&sub2;O&sub3; Schicht dicker wird, verringert sich die Werkzeug-Lebensdauer des beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelementes. Versuche offenbarten, dass die verkürzte Lebensdauer des Werkzeugs durch Bruch in der dicken Al&sub2;O&sub3; Schicht verursacht wurde. Der Bruch wurde auf Sprödigkeit der dickeren Al&sub2;O&sub3; Schichten insbesondere an der Kante des Werkzeugelementes zurückgeführt. Dies kommt daher, dass die Al&sub2;O&sub3; Schicht an der Kante allgemein dicker ist als an einem anderen Teil des Werkzeugs, wie einer seitlichen Fläche oder einer Abstreiffläche.
In diesen Fällen ist es möglich, die dicke Al&sub2;O&sub3; Schicht fester zu machen durch Ersetzen des dicken Al&sub2;O&sub3; mit einer zusammengesetzt aufgebauten Schicht, die mindestens zwei Al&sub2;O&sub3; Schichten und mindestens eine bevorzugt Ti&sub2;O&sub3; enthaltende Zwischenschicht umfasst. Auf diesem Wege wurde die Ungleichmäßigkeit der Al&sub2;O&sub3; Schichtdicke behoben und demzufolge die Werkzeug-Lebensdauer des genannten Schneidewerkzeugelementes sogar bei unterbrochenen Schneidearbeiten verbessert.
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse stellt die vorliegende Erfindung ein beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeugelement zur Verfügung, welches äußerst hohe Verschleißfestigkeit bei verschiedenen Schneidevorgängen zeigt und das eine hohe Werkzeug-Lebensdauer hat. Dies wird erreicht durch Bereitstellung eines beschichteten Carbid-Schneidewerkzeugelementes, das vorzugsweise zusammengesetzt ist aus einem gesinterten Carbidsubstrat und einer vorzugsweise 3 bis 25 um dicken harten Deckschicht auf dem Substrat, die zusammengesetzt ist aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus der Gruppe TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiNO, TiCNO und Al&sub2;O&sub3;, wobei die harte Deckschicht weiterhin eine Zwischenschicht aufweist, die vorzugsweise Ti&sub2;O&sub3; mit einem Röntgenbeugungsmuster mit einer maximalen Peakintensität bei 2θ = 34,5 + 1º zeigt und zwischen der Schicht des kubischen Typs der Titanverbindung und der Al&sub2;O&sub3; Schicht gebildet ist. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeugelement mit einer dicken Al&sub2;O&sub3; Schicht zur Verfügung, die äußerst hohe Festigkeit aufweist, indem ein beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeug bereit gestellt wird, in welchem die Al&sub2;O&sub3; Schicht durch eine zusammengesetzt aufgebaute Schicht ersetzt wird, die bevorzugt mindestens zwei Al&sub2;O&sub3; Schichten und mindestens eine bevorzugt hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; enthaltende Schicht umfasst.
Die mittlere Dicke der harten Deckschicht beträgt bei vorliegender Erfindung bevorzugt 3 bis 25 um. Vortreffliche Beständigkeit gegen Abnutzung kann unterhalb von 3 um nicht erzielt werden, wohingegen bei einer Dicke oberhalb 25 um Beschädigung und Absplittern des Schneidewerkzeugs leicht eintritt.
Die mittlere Dicke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 um. Eine zufriedenstellende Haftwirkung der Schicht des kubischen Typs der Titanverbindung und der Al&sub2;O&sub3; Schicht gegenüber, kann bei einer Dicke kleiner als 0,1 um nicht erreicht werden, wohingegen die Möglichkeit, dass Absplittern des Schneidewerkzeugs eintritt, bei einer Dicke oberhalb 5 um bedeutsam wird.
Die mittlere Dicke einer individuellen Al&sub2;O&sub3; Schicht beträgt in der zusammengesetzt aufgebauten Schicht vorzugsweise 0,5 bis 12 um, mehr bevorzugt 0,5 bis 10 um, noch mehr bevorzugt 0,5 bis 7 um. Es wird schwierig bei einer Dicke von weniger als 0,5 um dem Al&sub2;O&sub3; zufriedenstellende Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit, chemische Stabilität und Härte der zusammengesetzt aufgebauten Schicht zu verleihen, wohingegen beide, die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und Belastbarkeit der genannten zusammengesetzt aufgebauten Schicht bei Dicken oberhalb 12 um ungenügend werden.
Die mittlere Dicke einer individuellen Zwischenschicht beträgt in der zusammengesetzt aufgebauten Schicht bevorzugt 0,05 bis 2 um. Es wird schwierig, eine hinreichende Festigkeit des Schneidewerkzeugelementes bei einer Dicke von weniger als 0,05 um zu erhalten, wohingegen die Abnutzungsbeständigkeit bei einer Dicke von oberhalb 2 um abnimmt.
Das Verhältnis in einer hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassenden Zwischenschicht wurde unter Verwendung des Verhältnisses von Kohlenstoff plus Stickstoff in genannter Schicht wie folgt ausgedrückt:
bevorzugt 0% ≤ (C+N)/(Ti+O+C+N) ≤ 10%
mehr bevorzugt 0,5% ≤ (C+N)/(Ti+O+C+N) ≤ 5%.
Die Eigenschaften der Schicht waren jenen, einer Schicht des kubischen Typs von TiCNO ähnlich, wenn das Verhältnis über 10% lag.
Die "kubische" Gitterstruktur wird definiert, dass sie einfache kubische Gitter, kubisch raumzentrierte Gitter und kubisch flächenzentrierte Gitter, unter anderen, einschließt. Weiterhin wird die hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassende Schicht mittels chemischer Dampfabscheidung unter Verwendung eines reaktiven Gases, das bevorzugt 0,4 bis 10 Volumen-Prozent (hierin nachfolgend lediglich Prozent) TiCl&sub4;, 0,4 bis 10 Prozent Kohlendioxid (CO&sub2;), 5 bis 40 Prozent Stickstoff (N&sub2;), 0 bis 40 Prozent Argon (Ar), und Wasserstoff (H&sub2;) als verbleibender Ausgleich des reaktiven Gases, enthält, bei einer Temperatur von 800 bis 1100 ºC und einem Druck von 30 bis 500 Torr gebildet.

BEISPIELE

Nach allgemeiner Beschreibung dieser Erfindung kann ein weiteres Verständnis durch Bezugnahme auf bestimmte spezielle Beispiele erhalten werden, die hierin nur zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben werden und mit denen keine Einschränkung beabsichtigt ist, solange nichts anderes angegeben ist.

BEISPIEL 1

Die folgenden Pulver wurden als Rohmaterialien hergestellt: Ein WC Pulver mit einer mittleren Korngröße von 2,8 um; ein grobes WC Pulver mit einer mittleren Korngröße von 4,9 um; ein TiC/WC Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,5 um (TiC/WC = 30/70 gewichtsmäßig); ein (Ti, W)CN Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,2 um (TiC/TiN/WC = 24/20/56); ein TaC/NbC Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,2 um (TaC/NbC = 90/10); und ein Co Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,1 um. Diese Pulver wurden basierend auf der in Tabelle 1 gezeigten Formulierung zusammengestellt, in einer Kugelmühle 72 Stunden nassvermischt und getrocknet. Das trockene Gemisch wurde zu einem vorverdichteten Rohling gepresst, für einen Schneideeinsatz definiert in ISO-CNMG 120408 (für Carbidsubstrate A bis D) oder ISO-SEEN 42AFTN1 (für Carbidsubstrat E), gefolgt von Vakuumsintern unter den in Tabelle 1 für Carbidsubstrate A bis E dargelegten Bedingungen (Notiz: die Inhalte von ISO-CNMG 120408 und ISO-SEEN 42AFTN1 sind hiermit durch Bezugnahme aufgenommen).
Das Carbidsubstrat B wurde eine Stunde in einer CH&sub4; Atmosphäre von 100 Ton bei 1400ºC gehalten, gefolgt von Tempern zur Karburierung. Das karburierte Substrat wurde dann der Säure- und Trommelendbearbeitung unterworfen um Kohlenstoff und Kobalt auf der Substratoberfläche zu entfernen. Das Substrat wurde mit einer Co-angereicherten Zone mit einer Dicke von 42 um und einem maximalen Kobaltgehalt von 15,9 Gewichts-Prozent in einer Tiefe von 11 um von der Oberfläche des Substrats, bedeckt.
Die gesinterten Carbidsubstrate A und D hatten eine Co-angereicherte Zone mit einer Dicke von 23 um und einem maximalen Co-Gehalt von 9,1 Gewichts-Prozent in einer Tiefe von 17 um von der Oberfläche des Substrates. Carbidsubstrate C und E hatten keine Co-angereicherte Zone und hatten homogene Mikrostrukturen.
Die Rockwell-Härte (Maßeinteilung A) jedes der Carbidsubstrate A bis E wird ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Die Oberfläche der Carbidsubstrate A bis E wurde unter Verwendung herkömmlicher Ausrüstung und unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen dem Feinschliff und der chemischen Dampfabscheidung unterworfen und harte Deckschichten gebildet, die eine Zusammensetzung und eine ausgeführte Dicke (an der vorderen Schneidefläche des Schneideein- Satzes) wie in den Tabellen 3 und 4 gezeigt, aufwiesen. TiCN* in jeder Tabelle stellt eine TiCN-Schicht longitudinal gewachsener Kristallmorphologe dar, wie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr-6-8010 (deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) beschrieben. Die beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 1 bis 10 der vorliegenden Erfindung und die herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 1 bis 10 wurden auf diese Weise hergestellt.
Weiterhin wurden kontinuierliche Schneideversuche und unterbrochene Schneideversuche mit obigen Schneideeinsätzen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Die Abnutzungsweite an einer vorderen Schneidefläche wurde in jedem der Tests gemessen.
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 1 bis 9 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 1 bis 9 wurden die folgenden Schneidetests ausgeführt:
(1-1) Schneideausführung: Kontinuierliches Wenden des legierten Stahls
Werkstück: JIS SCM440 runder Stab
Schneidegeschwindigkeit: 350 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,4 mm/rev
Schnitttiefe: 3 mm
Schneidezeit: 10 min
Kühlmedium: trocken
(1-2) Schneideausführung: unterbrochenes Wenden des legierten Stahls
Werkstück: JIS SNCM439 Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 180 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,25 mm/rev
Schnitttiefe: 3 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 10 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 10 wurden die folgenden Schneidetests ausgeführt:
(1-3) Schneideausführung: Fräsen von Kohlenstoffstahl
Werkstück: JIS S45C Vierkantstab (100 mm Breite · 500 mm Länge)
Aufbau des Schneidewerkzeugs: Einfacher Schneideeinsatz verbunden mit einem Schneidkopf von 125 mm Durchmesser
Schneidegeschwindigkeit: 200 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,15 mm/Zahn
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 10 min
Kühlmedium: trocken
Die Ergebnisse werden in Tabelle 5 gezeigt.

BEISPIEL 2

Es wurden wie in Beispiel 1 die gleichen Substrate A bis E hergestellt. Die Oberflächen der Carbid Substrate A bis E wurden unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrüstung und Bedingungen, gezeigt in Tabelle 6 dem Feinschliff und chemischen Dampfabscheidung unterworfen und harte Deckschichten gebildet, die eine Zusammensetzung und ausgeführte Dicke (an der vorderen Schneidefläche des Schneideeinsatzes) wie in Tabelle 7 und 8 gezeigt, aufwiesen. Die beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 11 bis 20 der vorliegenden Erfindung und die herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 11 bis 20 wurden auf diese Weise hergestellt.
Weiterhin wurden kontinuierliche Schneideversuche und unterbrochene Schneideversuche mit obigen Schneideeinsätzen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Die Abnutzungsweite an der vorderen Schneidefläche wurde in jedem der Tests gemessen.
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 11, 12 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 11, 12 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(2-1) Schneideausführung: Unterbrochenes Wenden des leitenden gegossenen Eisen
Werkstück: JIS FCD450 Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,25 mm/rev
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 13, 14 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 13, 14 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(2-2) Schneideausführung: Unterbrochenes Wenden des legierten Stahls
Werkstück: JIS SCM415 Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,25 mm/rev
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 15, 16 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 15, 16 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(2-3) Schneideausführung: Unterbrochenes Wenden des Kohlenstoffstahls
Werkstück: JIS S45C Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,25 mm/rev
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 17, 18 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 17, 18 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(2-4) Schneideausführung: Unterbrochenes Wenden des gegossenen Eisen
Werkstück: JIS FC200 Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,25 mm/rev
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 19, 20 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 19, 20 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(2-5) Schneideausführung: Fräsen von legiertem Stahl
Werkstück: JIS SCM440 Vierkantstab (100 mm Breite · 500 mm Länge)
Aufbau des Schneidewerkzeugs: Einfacher Schneideeinsatz verbunden mit einem Schneidkopf von 125 mm Durchmesser
Schneidegeschwindigkeit: 250 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,2 mm/Zahn
Schnitttiefe: 2 mm
Schneidezeit: 8,6 min
Kühlmedium: trocken
Die Ergebnisse werden in Tabelle 9 gezeigt.

BEISPIEL 3

Es wurde das gleiche Substrat A wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Oberflächen des Carbid Substrates A wurden unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrüstung und Bedingungen, gezeigt in Tabelle 10 einem Feinschliff und einer chemischen Dampfabscheidung unterworfen und harte Deckschichten gebildet, die eine Zusammensetzung und ausgeführte Dicke (an der vorderen Schneidefläche des Schneideeinsatzes) wie in Tabelle 11 gezeigt, aufwiesen. Die beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 21 bis 29 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteter Carbid-Schneideeinsatz 21 wurden auf diese Weise hergestellt.
Die Zwischenschichten 21 bis 29 der Schneideeinsätze der vorliegenden Erfindung, die hauptsächlich Ti&sub2;O&sub3; umfassten und die TiCNO Schicht 21 des Schneideeinsatzes der herkömmlichen Erfindung wurden unter Verwendung von EPMA (elektronischer Sonden-Mikroanalysator) oder AES (Auger Elektronenspektroskopie) der Elementaranalyse unterzogen. Der zur Elementaranalyse verwendete Schneideeinsatz war mit dem des Schneideversuchs identisch. Die Elementaranalyse wurde durch Bestrahlung der Mitte der vorderen Schneidefläche mit einem Elektronenstrahl eines Durchmessers von 1 um ausgeführt. Diese Schichten wurden auch der Röntgenbeugungsanalyse mittels eines Cu kα-Strahls unterworfen. Analytische Ergebnisse, verwendet als Verhältnis Kohlenstoff plus Stickstoff jeder Schicht (C+N)/ (Ti+O+C+N), werden in Tabelle 12 gezeigt.
Mit obigen Schneideeinsätzen wurden weiterhin kontinuierliche Schneidetests unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Bei jedem der Tests wurde die Abnutzungsweite des seitlichen Arbeitsbereiches gemessen.
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 21 bis 29 der vorliegenden Erfindung und dem herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsatz 21 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(3-1) Schneideausführung: Kontinuierliches Wenden des legierten Stahls
Werkstück: JIS SNCM439 runder Stab
Schneidegeschwindigkeit: 280 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,3 5 mm/rev
Schnitttiefe: 1,0 mm
Schneidezeit: 10 min
Kühlmedium: trocken
Die Ergebnisse werden in Tabelle 12 gezeigt.

BEISPIEL 4

Es wurde das gleiche Substrat A wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Oberfläche des Carbid Substrats A wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrüstung und Bedingungen, gezeigt in Tabelle 13 dem Feinschliff und chemischen Dampfabscheidung unterworfen und harte Deckschichten gebildet, die eine Zusammensetzung und ausgeführte Dicke (an der vorderen Schneidefläche des Schneideeinsatzes) wie in Tabelle 14 gezeigt, aufwiesen. Die beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 30 bis 34 der vorliegenden Erfindung und die herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätze 22 bis 26 wurden auf diese Weise hergestellt.
Weiterhin wurden kontinuierliche Schneideversuche und unterbrochene Schneideversuche mit obigen Schneideeinsätzen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Die Abnutzungsweite an der vorderen Schneidefläche wurde in jedem der Tests gemessen.
Mit den beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 30 bis 34 der vorliegenden Erfindung und herkömmlich beschichteten Carbid-Schneideeinsätzen 22 bis 26 wurden die folgenden Schneidetests durchgeführt:
(4-1) Schneideausführung: Kontinuierliches Wenden des Kohlenstoffstahls
Werkstück: JIS S45C runder Stab
Schneidegeschwindigkeit: 450 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,3 mm/rev
Schnitttiefe: 3 mm
Schneidezeit: 10 min
Kühlmedium: trocken
(4-2) Schneideausführung: Unterbrochenes Wenden des Kohlenstoffstahls
Werkstück: JIS S45C Vierkantstab
Schneidegeschwindigkeit: 200 m/min
Zuführgeschwindigkeit: 0,3 mm/rev
Schnitttiefe: 3 mm
Schneidezeit: 5 min
Kühlmedium: trocken
Die Ergebnisse werden in Tabelle 15 gezeigt.

BEISPIEL 5

Ein gesintertes Carbid-Schneidewerkzeugelement der vorliegenden Erfindung wird mit der folgenden Serie von Schichten zur Bildung einer harten Deckschicht beschichtet:
6. Schicht TiN 0,3 um dick
5. Schicht Al&sub2;O&sub3; 3 um dick
4. Schicht TiC 1 um dick
3. Schicht Al&sub2;O&sub3; 10 um dick
2. Schicht überwiegend Ti&sub2;O&sub3; 1 um dick
1. Schicht TiCN 5 um dick
Substrate gesintertes Carbid
Die vorliegende Erfindung basiert auf den japanischen Prioritätsanmeldungen JP 09- 120704 angemeldet am 12. Mai 1997, JP 09-238198 angemeldet am 3. September 1997 und JP 09-318100 angemeldet am 19. November 1997 deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wurde. Tabelle 1 Tabelle 2
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 3
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 4
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie Tabelle 5
Anmerkung: Schaden wird durch Absplittern verursacht Tabelle 6
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 7
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 8
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie Tabelle 9
Anmerkung: Schaden wird durch Absplittern verursacht Tabelle 10
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 11
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 12 Tabelle 13
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 14
*: TiCN Schicht mit longitudinal gewachsener Kristallmorphologie
**: Zwischenschicht hauptsächlich Korund Titanoxid umfassend Tabelle 15
Anmerkung: Schaden wird durch Absplittern verursacht

Claims

1. Beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeugelement umfassend:

ein Substrat und

auf dem Substrat eine harte Deckschicht

worin die harte Deckschicht mindestens eine Schicht, die eine Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält, mindestens eine Schicht, die Aluminiumoxid enthält und mindestens eine Zwischenschicht umfasst,

wobei die Zwischenschicht zwischen der Schicht, die die Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält und der Aluminiumoxidschicht oder zwischen den Aluminiumoxidschichten liegt, und

die Zwischenschicht Titanoxid mit einer Korund-Gitterstruktur und weiterhin Titancarbonitroxid mit einer kubischen Gitterstruktur umfasst.

2. Gegenstand des Anspruchs 1, worin das Substrat Wolframcarbid umfasst.

3. Gegenstand des Anspruchs 1 oder 2, worin die mindestens eine Schicht, die die Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält, mindestens eine Schicht ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid und Titancarbonitroxid umfasst.

4. Gegenstand eines der Ansprüche 1 bis 3, worin die Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 bis 5 um hat.

5. Gegenstand eines der Ansprüche 1 bis 3, worin die Zwischenschicht eine Dicke von 0,05 bis 2 um hat.

6. Gegenstand eines der Ansprüche 1 bis 5, worin die harte Deckschicht eine Dicke von 3 bis 25 um hat.

7. Gegenstand eines der Ansprüche 1 bis 6, worin jede der Aluminiumoxidschichten eine Dicke von 0,5 bis 10 um hat.

8. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Zwischenschicht, die Titanoxid mit einer Korund-Gitterstruktur enthält, eine maximale Peakintensität bei 2θ = 34,5 ± 1º im Röntgenbeugungsmuster unter Verwendung eines Cu kα-Strahls zeigt.

9. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Atomverhältnis von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Titan in der Zwischenschicht wie folgt ausgedrückt wird:

0% ≤ (C+N)/(Ti+O+C+N) ≤ 10%

10. Gegenstand gemäß Anspruch 9, worin das Atomverhältnis

0,5% ≤ (C+N)/(Ti+O+C+N) ≤ 5% ist.

11. Beschichtetes Carbid-Schneidewerkzeugelement umfassend:

ein Wolframcarbid enthaltendes Substrat und

auf dem Substrat eine harte Deckschicht, die eine Dicke von 3 bis 25 um hat,

worin die harte Deckschicht mindestens eine Schicht, die eine Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält, mindestens zwei Schichten, die Aluminiumoxid enthalten und mindestens eine Zwischenschicht umfasst,

die Zwischenschicht Titanoxid mit Korund-Gitterstruktur und weiterhin Titancarbonitroxid mit einer kubischen Gitterstruktur umfasst.

12. Gegenstand des Anspruchs 11, worin die mindestens eine Schicht, die die Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält, mindestens eine Schicht ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarboxid, Titannitroxid und Titancarbonitroxid umfasst.

13. Gegenstand gemäß Anspruch 11 oder 12, worin jede der Aluminiumoxidschichten eine Dicke von 0,5 bis 10 um hat.

14. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, worin die Zwischenschicht eine Dicke von 0,05 bis 2 um hat.

15. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, worin die Zwischenschicht, die Titanoxid mit einer Korund-Gitterstruktur enthält, eine maximale Peakintensität bei 2θ = 34,5 ± 1º im Röntgenbeugungsmuster unter Verwendung eines Cu kα-Strahls zeigt.

16. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, worin die Zwischenschicht mit beiden, der Schicht, die die Titanverbindung mit kubischer Gitterstruktur enthält und mit der genannten Aluminiumoxidschicht, in Kontakt ist.