DE102008009487B4

DE102008009487B4 - Strahlbehandelter Schneideinsatz und Verfahren

Info

Publication number: DE102008009487B4
Application number: DE102008009487.0A
Authority: DE
Inventors: Helga Holzschuh; Jörg Drobniewski
Original assignee: Walter AG
Current assignee: Walter AG
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2028-02-16
Also published as: WO2009101025A1; US20110045283A1; DE102008009487A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes, bei dem maneinen Hartmetall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper mittels eines PVD, PCVD- oder CVD-Verfahrens mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide, Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide, Borooxocarbonitride der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder des Aluminiums und/oder gemischtmetallischen Phasen und/oder Phasengemischen der vorgenannten Verbindungen beschichtet und den Substratkörper nach der Beschichtung einer Trocken- oder Naßstrahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzieht, wobei- die Härte des Strahlmittels kleiner als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist oderdie Härte des Strahlmittels größer als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist und unter der äußersten Schicht eine Schicht angeordnet ist, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wobei die über der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, angeordnete Schicht oder angeordneten Schichten durch die Strahlbehandlung wenigstens von Teilbereichen abgetragen wird oder werden,- die Gesamtschichtdicke der Beschichtung höchstens 40 µm beträgt,- die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von 1 bar bis 4 bar erfolgt und für einen Zeitraum durchgeführt wird, der ausreicht, dass10 MPa < ΔSBES< 1000 MPa und[ΔSBES/ ΔSSUB] < 2,wobei ΔSBESder Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in der Beschichtung nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz ist und ΔSSUBder Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in dem Substrat nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz in einem Bereich von der Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe von 10 µm ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Schneideinsätzen sowie die nach den Verfahren herstellbaren Schneideinsätze.
Schneideinsätze bestehen aus einem Hartmetall-, Cermet-, oder Keramiksubstratkörper, der in den meisten Fällen zur Verbesserung der Schneid- und/oder Verschleißeigenschaften mit einer ein- oder mehrlagigen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Die Oberflächenbeschichtungen bestehen aus übereinander angeordneten Hartstofflagen oder -schichten aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide, Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide und Borooxocarbonitride der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder des Aluminiums, gemischtmetallischen Phasen sowie Phasengemischen der vorgenannten Verbindungen. Beispiele für die vorgenannten Verbindungen sind TiN, TiC, TiCN und Al₂O₃. Ein Beispiel für eine gemischtmetallische Phase, bei der in einem Kristall ein Metall teilweise durch ein anderes ersetzt ist, ist TiAIN. Die Beschichtung wird durch CVD-Verfahren (chemische Dampfphasenabscheidung), PCVD-Verfahren (Plasma-unterstützte CVD-Verfahren) oder durch PVD-Verfahren (physikalische Dampfphasenabscheidung) aufgebracht.
In nahezu jedem Material herrschen Eigenspannungen infolge von mechanischer, thermischer und/oder chemischer Behandlung. Bei der Herstellung von Schneideinsätzen durch Beschichten eines Substratkörpers mittels CVD-Verfahren resultieren Eigenspannungen beispielsweise zwischen der Beschichtung und dem Substrat und zwischen den einzelnen Schichten der Beschichtung aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien. Die Eigenspannungen können Zugeigenspannungen oder Druckeigenspannungen sein. Beim Aufbringen einer Beschichtung mittels PVD-Verfahren werden zusätzliche Spannungen durch den lonenbeschuss bei diesem Verfahren in die Beschichtung eingebracht. In mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtungen herrschen in der Regel Druckeigenspannungen vor, wogegen CVD-Verfahren üblicherweise Zugeigenspannungen in der Beschichtung erzeugen.
Die Wirkung der Eigenspannungen in der Beschichtung und im Substratkörper können ohne erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Schneideinsatzes sein, sie können aber auch erhebliche vorteilhafte oder nachteilige Auswirkungen auf die Verschleißbeständigkeit des Schneideinsatzes haben. Zugeigenspannungen, welche die Dehngrenze des jeweiligen Materials übersteigen, verursachen Brüche und Risse in der Beschichtung senkrecht zur Richtung der Zugeigenspannung. Im Allgemeinen ist ein gewisses Maß an Druckeigenspannung in der Beschichtung erwünscht, da dadurch Oberflächenrisse verhindert oder geschlossen und die Ermüdungseigenschaften der Beschichtung und damit des Schneideinsatzes verbessert werden. Zu hohe Druckeigenspannungen können jedoch zu Haftungsproblemen und Abplatzen der Beschichtung führen.
Es gibt 3 Arten von Eigenspannungen: Makrospannungen, die über makroskopische Bereiche des Materials nahezu homogen verteilt sind, Mikrospannungen, die in mikroskopischen Bereichen, wie beispielsweise einem Korn, homogen sind, und inhomogene Mikrospannungen, die auch auf einer mikroskopischen Ebene inhomogen sind. Aus praktischer Sicht und für die mechanischen Eigenschaften eines Schneideinsatzes sind die Makrospannungen von besonderer Bedeutung.
Es ist bekannt, dass Hartmetallschneidwerkzeuge, die mit Hartstoffschichten wie beispielsweise TiN, TiC, TiCN, TiAlN, Al₂O₃ oder Kombinationen davon beschichtet sind, hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen können, jedoch können sie in unterbrochenen Schneidoperationen aufgrund eines Verlustes an Zähigkeit gegenüber unbeschichteten Schneidwerkzeugen oder solchen, die mittels PVD-Verfahren beschichtet sind, eher ausfallen.
Die DE 197 19 195 A1 beschreibt einen Schneideinsatz mit einer mehrlagigen Beschichtung, die in einem kontinuierlichen CVD-Verfahren bei Temperaturen zwischen 900°C und 1.100°C abgeschieden wird. Der Wechsel des Materials in der mehrlagigen Beschichtung von einer zur nächsten Lage erfolgt durch eine Veränderung der Gaszusammensetzung in dem CVD-Verfahren. Die äußerste Schicht (Deckschicht) besteht aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden von Zr oder Hf, in der innere Druckeigenspannungen vorherrschen. Die darunter liegenden Schichten bestehen aus TiN, TiC oder TiCN und weisen ausnahmslos innere Zugeigenspannungen auf. Die in der äußeren Schicht gemessene Druckeigenspannung liegt zwischen -500 und -2.500 MPa. Hierdurch soll die Bruchzähigkeit verbessert werden.
Die DE 101 23 554 A1 offenbart ein Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannung oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer äußeren oder einer äußersten, mittels CVD, PCVD oder PVD auf einen Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstratkörper aufgetragenen Hartstoffschicht, bei dem der beschichtete Substratkörper nach dem Beschichten einer trockenen Strahlbehandlung mit einem Strahldruck von 5 bis 10 bar unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzogen wird, das erfindungsgemäß einen maximalen Durchmesser von 150 µm aufweist.
Zur Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Beschichtung des Substratkörpers von Schneideinsätzen oder anderen Werkzeugen ist es bekannt, diese einer mechanischen Oberflächenbehandlung zu unterziehen. Bekannte mechanische Behandlungsverfahren sind das Bürsten und die Strahlbehandlung. Bei der Strahlbehandlung wird ein feinkörniges Strahlmittel mit Korngrößen bis etwa 600 µm mittels Pressluft unter erhöhtem Druck auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet. Eine solche Oberflächenbehandlung kann in der äußersten Schicht sowie auch den darunter liegenden Schichten Zugeigenspannungen vermindern oder Druckeigenspannungen erhöhen. Bei der Strahlbehandlung unterscheidet man zwischen Trockenstrahlbehandlung, bei der das feinkörnige Strahlmittel in trockenem Zustand eingesetzt wird, und Nassstrahlbehandlung, bei der das körnige Strahlmittel in einer Flüssigkeit suspendiert vorliegt.
Es wurde festgestellt, dass die Auswahl des Strahlmittels einen erheblichen Einfluss auf die Veränderungen der Eigenspannungen in der Beschichtung und in dem Substrat des Schneideinsatzes hat, insbesondere die Härte des Strahlmittels im Verhältnis zur Härte und Dicke der Beschichtung. Es konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte größer als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist, der Verschleißmechanismus Abrasion ist und hohe Druckspannungen nur an den nahen Oberflächenbereichen der Schicht bis ca. 1 µm Eindringtiefe entstehen, die sehr schnell wieder relaxieren. In tiefer liegenden Schichten oder im Substrat findet im Wesentlichen keine Erniedrigung der Zugspannungen oder Erhöhung der Druckspannungen statt. Die nach dem Beschichtungsprozess vorherrschende Eigenspannung im Substrat bleibt unverändert. Eine Erhöhung der Zähigkeit des Werkzeugs kann nicht erreicht werden.
Ist die Härte des Strahlmittels gleich der Härte der äußersten Schicht der Beschichtung, so ist der Verschleißmechanismus Oberflächenzerrüttung und es entstehen hohe Druckspannungen die sich bis in tiefere Schichtlagen und abhängig von der Schichtdicke auch bis ins Substrat auswirken können. In dicken Schichten (>>10 µm) kann beim Nassstrahlen die Spannung im Substrat nur wenig verändert und die Zugfähigkeit erhöht werden. Will man trotzdem die Druckspannung im Substrat auch bei dicken Schichten erhöhen, so muss man sehr lange Trockenstrahlen, was zu einer Erhöhung der Störungen im Gitter führt und Haftungsprobleme der Beschichtung verursachen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen bestand in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Schneideinsatzes und eines nach dem Verfahren herstellbaren Schneideinsatzes mit erhöhten Druckeigenspannungen in dem Substratkörper und mit verbesserter Verschleißbeständigkeit und verbesserten Schneideigenschaften, insbesondere verbesserter Kammrissfestigkeit und/oder Zugfähigkeit.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes, bei dem man einen Hartmetall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper mittels eines PVD, PCVD- oder CVD-Verfahrens mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide, Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide, Borooxocarbonitride der Elemente der Gruppen IVa bis Vlla des Periodensystems und/oder des Aluminiums und/oder gemischtmetallischen Phasen und/oder Phasengemischen der vorgenannten Verbindungen beschichtet und den Substratkörper nach der Beschichtung einer Trocken- oder Nassstrahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzieht, wobei
die Härte des Strahlmittels kleiner als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist oder
die Härte des Strahlmittels größer als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist und unter der äußersten Schicht eine Schicht angeordnet ist, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wobei die über der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, angeordnete Schicht oder angeordneten Schichten durch die Strahlbehandlung wenigstens von Teilbereichen abgetragen wird oder werden,

- die Gesamtschichtdicke der Beschichtung höchstens 40 µm beträgt,
- die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von 1 bar bis 4 bar erfolgt und für einen Zeitraum durchgeführt wird, der ausreicht, dassdass 10 MPa < ΔS_BES < 1000 MPa und [ΔS_BES / ΔS_SUB] < 2, wobei ΔS_BES der Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in der Beschichtung nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz ist und ΔS_SUB der Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in dem Substrat nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz in einem Bereich von der Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe von 10 µm ist.

Es wurde überraschenderweise gefunden, dass man in einem beschichteten Schneideinsatz durch Nachbehandlung mittels Bestrahlen mit einem Strahlmittel, vorzugsweise durch Trockenstrahlen, in den oberflächennahen Bereichen und der sogenannten „nahen Interface-Substrat-Zone“ des Substratkörpers besonders hohe Druckeigenspannungen erzeugen kann, selbst wenn die ein- oder mehrlagige Beschichtung eine Gesamtschichte von bis zu 40 µm aufweist, die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von 1 bar bis 4 bar durchgeführt wird und die Härte des Strahlmittels kleiner als die Härte der äußersten Schicht (der Deckschicht) ist. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass dabei keine oder nur geringe Störungsgrade in die obersten Lagen der Beschichtung eingebaut werden. Die oberste Lage und die weiteren Lagen der Beschichtung zeigen nur wenig Veränderung in ihren Eigenspannungen.
Der Begriff „oberflächennaher Bereich“ des Substratkörpers bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von maximal 1 bis 2 µm in Richtung des Inneren des Substratkörpers. Die zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen erfolgt mittels Röntgendiffraktionsverfahren. Die weitverbreitet angewendete winkeldispersive Messung nach dem sin²ψ-Verfahren liefert einen Mittelwert für den Eigenspannungsanteil in einer Ebene und erlaubt in WC-Substraten Eigenspannungsmessungen nur bis zu sehr geringen Eindringtiefen von maximal 1 bis 2 µm von der Oberfläche aus, d. h. nur im „oberflächennaher Bereich“ des Substratkörpers. [siehe auch unten „Messverfahren“]
Der Begriff „nahe Interface-Substrat-Zone“ des Substratkörpers bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa 10 µm in Richtung des Inneren des Substratkörpers. Analysen des Eigenspannungsverlaufs in der „nahen Interface-Substrat-Zone“ waren mit der bisher angewendeten Methode der winkeldispersiven Messung mit konventionellen Laborquellen nicht möglich. Zum einen ist die Eindringtiefe der winkeldispersiven Messung wie oben erwähnt auf eine nur sehr geringe Distanz von der äußersten Oberfläche des Substratkörpers begrenzt. Darüber hinaus liefert die winkeldispersive Messung nach dem sin²ψ-Verfahren nur einen Mittelwert in einer Ebene, weshalb sich mit dieser Methode stufenweise Veränderungen oder Gradientenverläufe der Eigenspannungen innerhalb kurzer Distanzen nicht messen lassen. Für die Analyse der Eigenspannungen in der „nahen Interface-Substrat-Zone“ des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa 10 µm haben die Erfinder daher erstmals für die gattungsgemäßen Schneideinsätze eine energiedispersive Messung angewendet, die die Analyse von Eigenspannungsverläufen bis zu einer Eindringtiefe von etwa 10 µm unter Erfassung der Veränderung der Eigenspannungen innerhalb dieses Bereichs erlaubt. [siehe auch unten „Messverfahren“]
Der Parameter „ΔS_BES“ bezeichnet den Betrag der größten Veränderung der Eigenspannungen in der Beschichtung, und „ΔS_SUB“ bezeichnet den Betrag der größten Veränderung der Eigenspannungen in dem Substrat, d.h. die Differenz der jeweiligen Eigenspannungen zwischen einer unbehandelten Probe und einer Probe nach der Strahlbehandlung. Der Begriff der „größten“ Veränderung der Eigenspannung bedeutet, dass die Differenz der Eigenspannungen in den Bereichen der Beschichtung oder des Substrates bestimmt wird, wo diese Differenz am größten ist.
Ein weiterer Parameter zur Charakterisierung der erfindungsgemäß hergestellten Schneideinsätze ist die „Integralbreite“ im Röntgenbeugungsmuster. Mittels diffraktometrischer Beugungsmethoden werden Interferenzlinienprofile gemessen, deren Form von der Struktur des untersuchten Materials abhängt. Das Interferenzlinienprofil wird durch Angabe seiner Lage, Intensität und der Linienbreite beschrieben. Die Lage der Interferenzlinien ist charakteristisch für die Kristallstruktur des Materials und dient zur Identifizierung der (kristallinen) Werkstoffphasen, aus den Linienverschiebungen lassen sich die makroskopischen Gitterdehnungen und materialinhärenten Eigenspannungen berechnen. Quantitative Phasengehalte und die kristallographische Werkstofftextur werden aus den Integralintensitäten der Linien, gegeben durch die Fläche unter dem Beugungsprofil, ermittelt. Die sogenannte „Integralbreite“ ist ein Maß zur Beschreibung der Dispersion des Beugungsprofils. Sie berechnet sich aus dem Quotienten von Integralintensität und der Intensität im Maximum der Linie. Anschaulich ist die Integralintensität damit gleich der Seitenlänge eines Rechteckes, das den gleichen Flächeninhalt besitzt wie das Integral unter der Beugungskurve und dessen andere Seite gleich der Maximalintensität des Profils ist (M. v. Laue, Z. Kristallographie 64 (1926), 115). Im Vergleich zu der oftmals verwendeten Halbwertsbreite des Beugungsprofils, das heißt der Breite der Beugungslinie in Höhe der halben Maximalintensität, die ein willkürliches Maß zur Beschreibung der Dispersion darstellt, enthält die Integralbreite Informationen über die Mikrostruktur des Werkstoffgefüges, beschrieben durch die Größe der kohärent streuenden Bereiche (Teilchengröße) und die Mikrodehnungen, d. h. die Defektstruktur des Gitters. In der Literatur existiert eine Vielzahl von profilanalytischen Ansätzen, um aus den Integralbreiten einzelner Beugungslinien oder ganzer Beugungsspektren Domänengrößen und Mikrodehnungen zu ermitteln (siehe beispielsweise E. J. Mittemeijer, P. Scardi (Eds.), Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Springer Series in Materials Science, Volume 68, 2004). Die in den vorliegenden Untersuchungen an den ungestrahlten und gestrahlten Schichten ermittelten Integral breiten und beobachteten Linienverbreiterungen sind ihrer Ursache nach auf die Erhöhung des Gitterstörungsgrades infolge der Strahlbehandlung zurückzuführen. Die Integralbreiten einer nicht strahlbehandelten Al₂O₃-Schicht liegen üblicherweise in der Größenordnung von 0,1 oder kleiner. Bei Strahlbehandlung mit einem Strahlmittel, dessen Härte gleich der Härte der bestrahlten Al₂O₃-Schicht ist, z. B. Al₂O₃ als Strahlmittel, erhöht sich die Integralbreite aufgrund des Eintrags von Gitterstörungen auf Werte von 0,3 bis 0,7. Bei Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte kleiner ist als die Härte der Al₂O₃-Schicht, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, findet keine messbare Veränderung der Integralbreite statt.
Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einer Abfolge verschiedener Einzellagen. Diese unterschiedlichen Lagen besitzen bereits vor der Strahlbehandlung aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzungen, Herstellungsbedingungen und Positionen innerhalb der Beschichtung in der Regel auch unterschiedliche Eigenspannungen, d. h. Zug- oder Druckspannungen unterschiedlicher Größen. Durch die Strahlbehandlung verändern sich die Eigenspannungen in den einzelnen Lagen wiederum aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzungen, Herstellungsbedingungen und Positionen innerhalb der Beschichtung unterschiedlich stark. Dort wo diese Veränderung innerhalb der Gesamtbeschichtung am größten ist, wird der Wert „ΔS_BES“ bestimmt bzw. muss die anspruchsgemäße Bedingung erfüllt sein. Entsprechendes gilt auch für das Substrat, wo die Eigenspannungen und Veränderungen der Eigenspannungen in unterschiedlichen Tiefen von der Oberfläche aus auch unterschiedlich groß sein können. Die Bedingungen für „ΔS_SUB“ sind definitionsgemäß auf einen Bereich von der Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe von 10 µm begrenzt, da in WC-Substraten eine Messung der Eigenspannungen in viel größeren Tiefen technisch nicht möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die äußerste Schicht der Gesamtbeschichtung aus Al₂O₃ oder TiN. Als Strahlmittel eignet sich jedes auf dem Gebiet bekannte Material, soweit dessen Härte kleiner ist als die Härte der Schicht, die nach der Strahlbehandlung als äußerste Schicht verbleiben soll. Besonders bevorzugt hat das Strahlmittel eine Härte, die kleiner ist als die Härte der vor der Strahlbehandlung äußersten Schicht. In diesem Fall wirkt die Strahlbehandlung nicht abrasiv, und die vor der Strahlbehandlung äußerste Schicht bleibt auch nach der Strahlbehandlung die äußerste Schicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht zwingend notwendig, dass die Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, bereits vor der Strahlbehandlung die äußerste Schicht der mehrlagigen Beschichtung auf dem Substratkörper ist. In dem zur Herstellung der Beschichtung auf dem Substratkörper angewendeten PVD, PCVD- oder CVD-Verfahren kann über der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wenigstens eine weitere Schicht vorgesehen sein, deren Härte kleiner als die Härte des Strahlmittels ist. In dem Strahlbehandlungsverfahren wirkt das Strahlmittel dann bezüglich dieser weiteren Schicht oder Schichten abrasiv und trägt diese bis zu der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, ab. Nach der Strahlbehandlung ist dann die äußerste Schicht eine solche, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist.
Ist vor der Strahlbehandlung des beschichteten Substratkörpers über der Schicht (z.B. einer Al₂O₃-Schicht oder einer TiN-Schicht), deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wenigstens eine weitere (weichere) Schicht vorgesehen, deren Härte kleiner als die Härte des Strahlmittels ist, so ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwingend notwendig, dass diese weichere(n) Schicht(en) über die gesamte Oberfläche des Substratkörpers durch das Strahlbehandlungsverfahren abgetragen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die weichere Schicht oder werden die weicheren Schichten nur von den beim Betrieb des Werkzeugs besonders beanspruchten und/oder mit dem Werkstück in Berührung tretenden Flächen des Werkzeugs, vorzugsweise nur von der Spanfläche oder von der die Spanfläche umfassenden Seite des Werkzeugs, abgetragen und diese Flächen der vorteilhaften erfindungsgemäßen Strahlbehandlung unterzogen. Dabei werden in den besonders beanspruchten Bereichen des Werkzeugs die erfindungsgemäß vorteilhaften Veränderungen der Eigenspannungen bewirkt.
Bei Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte kleiner als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung oder derjenigen Schicht, die nach der Strahlbehandlung als äußerste Schicht verbleiben soll, ist, wird als Verschleißmechanismus dieser äußersten Schicht im Wesentlichen Oberflächenzerrüttung (shot peening) angenommen. Es erfolgt kein wesentlicher Abtrag, wie es der Fall ist, wenn die Härte des Strahlmittels größer als die Härte der äußersten Schicht ist. Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch diesen Mechanismus und dieses Verfahren hohe Druckeigenspannungen in dem Substratkörper erzeugt werden können, selbst wenn die Gesamtschichtdicke der Beschichtung bis zu 40 µm groß ist. Dies war deshalb überraschend, da man bei derart hohen Gesamtschichtdicken der Beschichtung üblicherweise davon ausgehen würde, dass die Eindringtiefe der durch das Verfahren erzeugten Druckeigenspannungen im Substrat zu gering sind, um die erfindungsgemäß vorteilhaften Eigenschaften der hergestellten Schneideinsätze zu erreichen. Das Gegenteil wurde jedoch beobachtet. Bevorzugt beträgt die Gesamtdicke der Beschichtung höchstens 30 µm, vorzugsweise höchstens 25 µm, besonders bevorzugt höchstens 20 µm .
Die Gesamtschichtdicke der Beschichtung sollte zweckmäßigerweise jedoch wenigstens 1 µm, vorzugsweise wenigstens 5 µm , besonders bevorzugt wenigstens 10 µm , ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 µm betragen. Eine zu geringe Gesamtschichtdicke der Beschichtung hat den Nachteil, dass kein ausreichender Verschleißschutz durch die Beschichtung mehr gewährleistet ist.
Die Dauer der Strahlbehandlung und der Strahldruck sind wichtige Parameter in dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei der Strahldruck im Vergleich zur Strahldauer den größeren Einfluss auf die Veränderung der Eigenspannungen in der Beschichtung und dem Substratkörper hat. Die Dauer der Strahlbehandlung darf keinesfalls zu kurz sein, damit die gewünschten Veränderungen der Eigenspannungen bis in den Substratkörper vordringen können und die oben genannten Bedingungen für ΔS_BES und [ΔS_BES / ΔS_SUB] erfüllt werden. Die optimale Dauer der Strahlbehandlung hängt auch von der hierfür verwendeten Anlage, dem Abstand, der Art und der Ausrichtung der Strahldüsen und von der Bewegung der Strahldüsen über dem bestrahlten Werkzeug ab. Erfindungsgemäß geeignete Strahlbehandlungsdauern liegen im Bereich von 10 bis 600 Sekunden, wobei besonders geeignete Strahlbehandlungsdauern im Bereich von 15 bis 60 Sekunden liegen. Insbesondere wenn durch die Strahlbehandlung zunächst eine oder mehrere äußere Schichten über der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, abgetragen werden sollen, ist eine längere Strahlbehandlungsdauer zweckmäßig oder erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Strahlmitteldruck 2 bar bis 4 bar, vorzugsweise 3 bar bis 4 bar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von etwa 4 bar durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Trockenstrahlbehandlung und als Nassstrahlbehandlung durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch die Trockenstrahlbehandlung, da es einen gleichmäßigeren Eintrag des Strahldrucks in die Beschichtung und den Substratkörper über die gesamte Oberfläche gewährleistet. Mittels Trockenstrahlbehandlung sind auch höhere Drücke über einen langen Zeitraum möglich, ohne dass das Werkzeug hierdurch beschädigt wird. Bei der Nassstrahlbehandlung besteht die Gefahr, dass der Eintrag des Strahldrucks an den Kanten des Werkzeugs, d. h. auch an den wichtigen Schneidkanten, erheblich höher ist als auf den glatten Oberflächen, was dazu führen kann, dass die Kanten unter dem Strahldruck beschädigt werden, bevor es überhaupt zu einem wesentlichen oder zumindest ausreichenden Eintrag auf den für Schneidvorgänge wesentlichen Flächen des Werkzeugs, insbesondere der Spanfläche, kommt. Darüber hinaus dämpft bei der Nassstrahlbehandlung die Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf der bestrahlten Oberfläche den Eintrag von Eigenspannungen gegenüber der Trockenstrahlbehandlung bei vergleichbaren Strahldruckbedingungen erheblich ab.
Erfindungsgemäß kann die Beschichtung des Substratkörpers ein oder mehrlagig sein und aus verschiedensten Materialien bestehen, wie sie oben angegeben sind. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, eine TiN-Schicht oder eine Al₂O₃-Schicht.
Besonders bevorzugt ist das Strahlmittel Stahl, Glas oder ZrO₂. Vorzugsweise besteht das Strahlmittel aus kugelförmigen Partikeln. Die mittlere Korngröße des Strahlmittels liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 20 bis 450 µm, vorzugsweise 40 bis 200 µm, besonders bevorzugt 50 bis 100 µm, sie hat jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Erzeugung von Druckeigenspannungen in dem Substratkörper. Jedoch beeinflusst die mittlere Korngröße des Strahlmittels die Oberflächenrauheit der äußersten Schicht der Beschichtung. Eine geringe mittlere Korngröße (feine Körnung) liefert bei der Bestrahlung eine glatte Oberfläche, wogegen eine hohe mittlere Korngröße eine rauhe Oberfläche ergibt. Für die erfindungsgemäße Werkzeuge ist die Erzeugung einer glatten Oberfläche und somit die Verwendung eines Strahlmittels mit geringer mittlerer Korngröße bevorzugt.
Die Vickers-Härten der vorgenannten Strahlmittel liegen etwa im Bereich von 500 bis 1500. Al₂O₃ (Korund) ist erfindungsgemäß als Strahlmittel in der Regel nicht geeignet, da es eine sehr hohe Härte besitzt (etwa 2000 bis 2500) und die meisten für Werkzeuge gängigen Beschichtungen aus weicheren oder im Falle von Al₂O₃-Schichten gleich harten Schichten aufgebaut sind. Nur wenn die Beschichtung eine äußerste Schicht aufweist, die härter als Al₂O₃ ist, kann Al₂O₃ auch als Strahlmittel eingesetzt werden, was in der Regel nicht der Fall sein wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat der Strahlwinkel, d. h. der Winkel zwischen dem Behandlungsstrahl und der Oberfläche des Werkzeugs, einen wesentlichen Einfluss auf den Eintrag von Druckeigenspannungen. Bei einem Strahlwinkel von 90° erfolgt der maximale Eintrag von Druckeigenspannungen. Geringere Strahlwinkel, d. h. schräges Einstrahlen des Strahlmittels, führen zu einer stärkeren Abrasion der Oberfläche und geringerem Druckeigenspannungseintrag. Die stärkste Abrasionswirkung wird bei Einstrahlwinkeln von etwa 15° bis 40° erzielt. Die in dieser Beschreibung angegebenen Bestrahlungsparameter, wie Strahldruck und Strahldauer, beziehen sich stets auf einen Strahlwinkel von 90°, bei dem auch die hierin beschriebenen Beispiele durchgeführt wurden. Bei geringeren Strahlwinkeln kann es erforderlich sein, einen höheren Strahldruck und/oder eine längere Strahldauer zu wählen, um einen Eintrag von Druckeigenspannungen zu erzielen, der dem Eintrag bei einem Strahlwinkel von 90° entspricht. In Kenntnis der Erfindung kann der Fachmann jedoch diese bei geringeren Strahlwinkeln anzuwendenden Parameter leicht ermitteln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 4 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 µm bis 3 µm auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mehrlagige Beschichtung als äußerste Schicht eine Al₂O₃-Schicht oder als äußerste Schichten eine Al₂O₃-Schicht und darüber eine TiN-Schicht auf, wobei die Al₂O₃-Schicht und vorzugsweise auch die TiN-Schicht eine größere Härte als die Härte des Strahlmittels besitzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter der Al₂O₃-Schicht eine TiCN-Schicht angeordnet. Dabei können über und/oder unter der TiCN-Schicht weitere Schichten angeordnet sein. Zweckmäßig ist das Vorsehen einer Bindungsschicht zwischen der TiCN-Schicht und der darüber angeordneten Schicht, deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels ist, wie beispielsweise der vorgenannten Al₂O₃-Schicht. Die Bindungsschicht verbessert die Haftung der darüber und darunter angeordneten Schichten und hat zweckmäßigerweise eine Dicke von 0,1 µm bis 1 µm. Als Bindungsschicht zwischen einer TiCN-Schicht und einer darüber angeordneten Al₂O₃-Schicht eignet sich ganz besonders eine Schicht aus TiAICNO, da diese in der α-Al₂O₃-Schicht eine bevorzugte (001)-Fasertextur erzeugt und aufgrund ihrer Zusammensetzung und Mikrostruktur eine hervorragende Anbindung an die TiCN-Schicht liefert. Eine gute Anbindung der Schichten untereinander ist wichtig, um hohe Drücke bei der Strahlbehandlung anwenden zu können, ohne dass die Schichten abplatzen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist eine mehrlagige PVD Schicht als äußerste Schicht eine Al₂O₃-Schicht oder als äußerste Schichten eine Al₂O₃-Schicht und darüber eine TiN oder ZrN Schicht auf, wobei die Lagen eine größere Härte als die Härte des Strahlmittels besitzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter der Aluminiumoxidschicht eine TiAIN-Schicht oder sind mehrere TiAIN-Schichten vorgesehen. Die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht liegt bei den vorgenannten Ausführungsformen im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm , bevorzugt von 0,5 µm bis 5 µm. Die Schichtdicken der Nitridschichten liegen im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm, bevorzugt von 0,5 µm bis 5 µm. Anstelle von TiAIN-Schichten können auch AlCrN-Schichten oder komplexere Metallnitridschichten zum Einsatz kommen, wie Carbonitrid-Schichten oder Borcarbonitrid-Schichten. Anstelle von Aluminiumoxid können auch komplexere Oxide, wie z.B. (AlCr)₂O₃, zum Einsatz kommen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die TiCN-Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 µm bis 15 µm, vorzugsweise im Bereich von 2 µm bis 10 µm auf. Die TiCN-Schicht wird zweckmäßigerweise im Hochtemperatur-CVD-Verfahren oder im MT (Medium Temperature)-CVD-Verfahren aufgebracht, wobei das MT-CVD-Verfahren für die Herstellung von Zerspanwerkzeugen bevorzugt ist, da es kolumnare Schichtstrukturen liefert und aufgrund der niedrigeren Abscheidungstemeperatur Zähigkeitsverluste im Substrat vermindert.
Erfindungsgemäß bevorzugte Schichtabfolgen der erfindungsgemäßen Beschichtung sind, ausgehend vom Substratkörper: TiN - TiCN - TiAlCNO - Al₂O₃ TiN - MT-TiCN - TiAlCNO - Al₂O₃- TiN. TiN - MT-TiCN - TiAlCNO - (Al₂O₃/ TiAlCNO)_n - MT-TiCN - TiN (n = 1 bis 5, bevorzugt n = 3)
Eine geeignete Gesamtschichtdicke liegt im Bereich von etwa 10 µm bis 20 µm, wobei die TiCN-Schicht und die Al₂O₃-Schicht eine Dicke von jeweils etwa 2 bis 10 µm haben und die oberen und unteren TiN-Schichten jeweils etwa 0,5 µm oder dünner sind und die TiAlCNO - Schicht (Mischphase aus TiCN + Aluminiumtitanat) eine Dicke von etwa 0,5 µm bis 1,5 µm hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem oberflächennahen Bereich des Substratkörpers hohe Druckeigenspannungen erzeugt werden. Zweckmäßigerweise wird die Strahlbehandlung so durchgeführt, dass in dem oberflächennahen Bereich des Substratkörpers eine Druckeigenspannung von wenigstens -500 MPa, weiter bevorzugt von wenigstens -1.000 MPa, weiter bevorzugt von wenigstens -1.500 MPa, weiter bevorzugt von wenigstens -2.000 MPa erzeugt wird. Zum Inneren des Substratkörpers hin nimmt die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Druckeigenspannung stetig ab, jedoch können durch das erfindungsgemäße Verfahren im oberflächennahen Bereich des Substratkörpers Druckeigenspannungen erzeugt werden, die größer sind als nach dem Stand der Technik erzeugte Druckeigenspannungen.
Bei einem erfindungsgemäß bevorzugten System mit einem WC/Co-Hartmetallsubstratkörper und einer Beschichtung aus 0,5 µm TiN, 10,0 µm MT-TiCN, 0,8 µm TiAlCNO, 9,0 µm (Al₂O₃/TiAlCNO)₃, 3,0 µm MT-TiCN und einer äußersten Schicht von 0,5 µm TiN (= HHT18, siehe unten) können mittels einer Trockenstrahlbehandlung mit grobkörnigem ZrO₂ als Strahlmittel für etwa 20 Sekunden und einem Strahldruck im Bereich von etwa 4 bar im äußersten Oberflächenbereich des Substratkörpers Druckeigenspannungen in der Größenordnung von bis zu -3.500 MPa und mehr erzeugt werden.
Die Erfindung umfasst ausdrücklich auch Schneideinsätze mit den Eigenschaften, die in Schneideinsätzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind. Die Erfindung umfasst auch Schneideinsätze, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Messverfahren
Die zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen ist nur durch Röntgendiffraktionsverfahren möglich (siehe zum Beispiel V. Hauk. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods. Elsevier, Amsterdam, 1997"). Das weitverbreitet angewendete sin²ψ-Verfahren (E. Macherauch, P. Müller, Z. angew. Physik 13 (1961), 305) für die Röntgenanalyse von Eigenspannungen beruht auf der Annahme eines homogenen Spannungszustandes innerhalb der Eindringtiefe des Röntgenstrahles und liefert nur einen Mittelwert für den Spannungsanteil in einer Ebene. Daher ist das sin²ψ-Verfahren nicht für die Untersuchung von mehrlagigen, strahlbehandelten CVD-Systemen geeignet, in denen innerhalb kurzer Distanzen steile oder stufenweise Veränderungen der Eigenspannung erwartet werden. Stattdessen werden weiterentwickelte Verfahren angewendet, die auch in dünnen Schichten die Erfassung von Eigenspannungsgradienten erlauben (Ch. Genzel in: E.J. Mittemeijer, P. Scardi (Herausg.) Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Springer Series in Material Science, Band 68 (2004), S. 473; Ch. Genzel, Mat. Science and Technol. 21 (2005), 10).
Um das Tiefenprofil der Eigenspannungen in der Beschichtung zu analysieren, wurde von den Erfindern das „Universal Plot-Verfahren“ (wie es beispielsweise in H. Ruppersberg, I. Detemple, J. Krier, Phys. stat. sol. (a) 116 (1989), 681; Ch. Genzel, M. Broda, D. Dantz, W. Reimers, J. Appl. Cryst., 32 (1999), 779; Ch. Genzel, M. Klaus, I. Denks, H.G. Wulz, Mat. Sci. Eng. A390 (2005), 376, beschrieben ist) erstmalig auf strahlbehandelte Mehrschichtsysteme angewendet. Das Verfahren beruht auf einer Gitterdehnungstiefenprofilmessung bis zu sehr hohen Tiltwinkeln ψ, wodurch man die Eigenspannungsprofile der Schichten auf direktem Weg erhält. Die Eigenspannungen der Schichten wurden in dem winkeldispersiven Diffraktionsmodus auf einem GE Inspection Technologies (vormals Seifert), 5-Circle-Diffraktometer ETA (Ch. Genzel, Adv. X-Ray Analysis, 44 (2001), 247.) durchgeführt. Die für die Messungen und die Bestimmung der Eigenspannungen angewendeten Parameter sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst.

Die zerstörungsfreie Analyse der Eigenspannungsverteilung im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substratkörper und der Beschichtung ist nur durch Hochenergie-Röntgendiffraktion unter Verwendung intensiver paralleler Synchrotronstrahlung möglich. Um den Einfluss des Strahlverfahrens auf den Zustand der Eigenspannung in der Nähe der Substratoberfläche zu ermitteln, wurde erstmalig energiedispersive Diffraktion angewendet. Dabei wurde das „modifizierte Multi-Wellenlängen-Verfahren“ (wie es in C. Stock, Promotionsarbeit, TU Berlin, 2003; Ch. Genzel, C. Strock, W. Reimers, Mat. Sci. Eng., A 372 (2004), 28, beschrieben ist) benutzt, welches das Tiefenprofil der Eigenspannungen in dem Substrat bis zu einer vom Substratmaterial abhängigen Eindringtiefe liefert. Bei WC-Co-Substraten beträgt diese Eindringtiefe etwa 10 µm. Die Experimente wurden auf dem Materialforschungsmessplatz EDDI (Energy Dispersive Diffraction) durchgeführt, welche von dem Hahn-Meitner-Institut Berlin auf dem Synchrotron-Speicherring BESSY betrieben wird (Ch. Genzel, I. A. Denks, M. Klaus, Mat. Sci. Forum 524-525 (2006), 193). Die entsprechenden experimentellen Parameter sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1: Experimentelle Parameter für die Eigenspannungsanalyse der Beschichtung

Strahlung	CuKα (ohne k_β-Filter) 40 kV / 45 mA (Langfeinfokus)
Diffraktionsmodus	winkeldispersiv
Optische Elemente	• Primärstrahl: polykapillare Halblinse
	• Gebeugter Strahl: Parallelstrahloptik
		(0,4° Soller-Blende+ 001-LiF Monochromator)
Reflexionen	Al₂O₃:		024 (2θ = 52,6°)
	TiCN:		422 (2θ = 123,5°)
ψ-Bereich	0° ...89.5° (sin²ψ) = 0 ... 0,99996)
Messdauer	15s / Stufe in Δ2θ (0,05°)
Beugungslinienauswertung	Pearson VII-Funktion für die Kα₁- und Kα₂-Linien
Lineare Absorptionskoeffizienten	µ_Al2O3 = 124 cm^-1
	p_TiCN = 876 cm^-1
Elastische Diffraktionskonstanten	Al₂O₃:		s₁ (024) = - 0,55 × 10^-6 MPa^-1
(DEC)^*)			½ s₂ (024) = 2,96 × 10^-6 MPa^-1
	TiCN:		s₁ (422) = -0,474 × 10^-6 MPa^-1
			½ s₂ (422) = 2,83 × 10^-6 MPa^-1

*) Berechnet anhand der Einkristall-Elastizitätskonstanten von Al₂O₃ (Landoldt-Börnstein, New Series, Group III, Band 11, Springer, Berlin, 1979) und TiN (W. Kress, P. Roedhammer, H. Bilz, W. Teuchert, A. N. Christensen. Phys. Rev. B17 (1978), 111.) nach dem Eshelby-Kröner-Modell (J. D. Eshelby. Proc. Roy. Soc. (London) A241 (1957), 376; E. Kröner, Z. Physik 151 (1958), 504.) Tabelle 2: Experimentelle Parameter für die Eigenspannungsanalyse in den Substratkörpern

Strahlung	weiße Synchrotronstrahlung, E = [10keV ... 120keV]
Diffraktionsmodus	energiedispersiv
Strahlquerschnitt	0,25 × 0,25 mm²
Absorber	2 cm Graphit
Optik im gebeugtem Strahl	Doppelspaltsystem mit einer Öffnung von 0,03 × 5 mm²
Diffraktionswinkel	2θ = 9°
Detektor	Festkörper-LEGe-DeteKtor (Canberra)
Messmodus	symmetrischer ψ-Modus (Reflexion), ψ = 0° ... 80°, Δψ = 2°
Messdauer	180 s / Diffraktionsspektrum
ausgewertete Beugungslinien	001,101, 110, 002, 111
Elastische Diffraktionskonstanten	entnommen aus B. Eigenmann, E. Macherauch, Mat.-Wiss. u. Werkstofftechn. 27 (1996), 426
Kalibrierung	mit spannungsfreiem Au-Pulver unter den gleichen experimentellen Bedingungen

BEISPIELE
Beispiel 1
Nach den erfindungsgemäßen Verfahren wurden ein WC/Co-Hartmetallsubstratkörper (Wendeschneidplatten vom Typ SEHW1204AFN) im CVD-Verfahren mit mehrlagigen Beschichtungen beschichtet und mit Strahlmitteln unterschiedlicher Härte und Korngröße bestrahlt. Variiert wurden Strahlzeit, Korngröße und Druck.

Es wurden folgende Beschichtungssysteme aufgebracht:

Bezeichnung	Schichtfolge		Gesamtschichtdicke
	(ausgehend vom Substratkörper)
HHA10	Substratkörper		10 µm
	TiN	0,5 µm
	MT-TiCN	4,0 µm
	TiAlCNO	1,0 µm
	Al₂O₃	4,0 µm
	TiN	0,5 µm
HHA17	Substratkörper		17 µm
	TiN	0,5 µm
	MT-TiCN	10,0 µm
	TiAlCNO	1,0 µm
	Al₂O₃	5,0 µm
	TiN	0,5 µm
HHT18	Substratkörper		18 µm
	TiN	0,5 µm
	MT-TiCN	5,0 µm
	TiAlCNO	0,8 µm
	(Al₂O₃/TiAlCNO)₃	8,4 µm (2,0 µm / 0,8 µm)
	MT-TiCN	3,0 µm
	TiN	0,5 µm

Die beschichteten Substratkörper wurden mit verschiedenen Strahlmitteln (Stahl, Glas oder ZrO₂), deren Härten kleiner sind als die Härten der äußersten TiN-Schicht, Trockenbestrahlung bei einem Strahlwinkel von 90° und einem Strahlabstand (= Abstand von der Düse zur Werkzeugoberfläche) von 60 mm unterzogen. Es wurde nur die Spanfläche des Körpers bestrahlt. Anschließend wurden an der Spanfläche die Eigenspannungen in der äußeren Al₂O₃-Schicht, der MT-TiCN-Schicht und in der nahen Interface-Substrat-Zone des Substratkörpers nach den zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Bedingungen der Strahlbehandlung und die Ergebnisse der Eigenspannungsmessungen sind in Tabelle 3 angegeben. Positive Werte bezeichnen Zugeigenspannungen, negative Werte bezeichnen Druckeigenspannungen.

Zu Vergleichszwecken wurde der Hartmetallsubstratkörper mit der Beschichtung WAA mit Korund (Al₂O₃) als Strahlmittel behandelt, dessen Härte größer ist als die Härte der TiN-Schicht und daher abrasiv bis zum Abtrag der TiN-Schicht wirkte. Tabelle 3

Schichte system	äußerste Schicht	Strahlmittel	Strahldruck / Strahlzeit	TiCN [MPa]	Al2O3 [MPa]	TiCN [MPa]	Substrat WC [MPa]	Δ S _BES	Δ S _SUB	ΔS _BES /ΔS _SUB
HHA10	TiN	ungestrahlt		---	264	323	-450	---	---	---
HHA17	TiN	ungestrahlt		---	256	330	-490	---	---	---
HHT18	TiN	ungestrahlt		142	361	466	-395	---	---	---
HHA17	Al₂O₃	Al₂O₃	4 bar / 10 sek	---	-4200	357	-460	4456	30	148
HHA10	Al₂O₃	Al₂O₃	4 bar / 20 sek	---	-4816	129	-663	5080	213	23,85
HHA10	Al₂O₃	Al₂O₃	2 bar / 20 sek	---	-2819	312	-639	3083	189	16,31
HHA10	TiN	Glas (fein)	2 bar / 20 sek	---	92	391	-667	172	217	0,793
HHA10	TiN	Glas (fein)	4 bar / 20 sek	---	-447	286	-1190	711	740	0,961
HHA10	TiN	Glas (grob)	2 bar / 20 sek	---	205	280	-1045	59	595	0,099
HHA10	TiN	Glas (grob)	4 bar / 20 sek	---	40	192	-1046	224	596	0,376
HHA10	TiN	Glas (grob)	4 bar / 100 sek	---	50	222	-790	214	340	0,629
HHA10	TiN	Stahl	2 bar / 20 sek	---	169	249	-780	95	330	0,288
HHA10	TiN	Stahl	4 bar / 30 sek	---	187	547	-720	224	270	0,830
HHA10	TiN	Stahl	4 bar / 360 sek	---	35	598	-600	275	150	1,833
HHA10	TiN	ZrO2 (fein)	2 bar / 20 sek	---	117	290	-1116	147	666	0,221
HHA10	TiN	ZrO2 (fein)	2 bar / 120 sek	---	188	400	-1200	77	750	0,103
HHA10	TiN	ZrO2 (fein)	4 bar / 20 sek	---	71	371	-1585	193	1135	0,170
HHA10	TiN	ZrO2 (grob)	2 bar / 20 sek	---	98	217	-1591	166	1141	0,145
HHA10	TiN	ZrO2 (grob)	2 bar / 120 sek	---	115	510	-1100	187	650	0,288
HHA10	TiN	ZrO2 (grob)	4 bar / 20 sek	---	-260	167	-1296	524	846	0,619
HHA17	TiN	Stahl	2 bar / 30 sek	---	262	679	-985	349	495	0,705
HHA17	TiN	Stahl	2 bar / 360 sek	---	227	684	-610	354	180	1,967
HHA17	TiN	Stahl	4 bar / 30 sek	---	126	666	-723	336	233	1,442
HHA17	TiN	Stahl	4 bar / 360 sek	---	162	697	-1000	367	510	0,720
HHA17	TiN	Glas (grob)	2 bar / 90 sek	---	-76	777	-877	447	387	1,150
HHA17	TiN	ZrO2 (grob)	2 bar / 30 sek	---	208	581	-1050	251	560	0,448
HHA17	TiN	ZrO2 (grob)	4 bar / 120 sek	---	193	764	-1020	434	530	0,818
HHA17	TiN	ZrO2 (grob)	4 bar / 360 sek	---	89	592	-1300	262	810	0,323
HHA17	TiN	ZrO2 (fein)	4 bar / 30 sek	---	277	235	-900	95	410	0,231
HHA17	TiN	ZrO2 (fein)	4 bar / 60 sek	---	189	543	-942	213	452	0,471
HHA17	TiN	ZrO2 (fein)	4 bar / 300 sek	---	123	507	-1200	177	710	0,249
HHT18	TiN	Glas (fein)	4 bar / 72 sek	-772	268	602	-1356	1228	961	1,278
HHT18	TiN	ZrO2 (fein)	4 bar / 150 sek	-640	231	602	-1355	1106	960	1,152
HHT18	TiN	ZrO2 (grob)	4 bar / 390 sek	-361	272	602	-3851	827	3456	0,239

*) positive Werte bedeuten Zugeigenspannungen, negative Werte bedeuten Druckeigenspannungen.

Beispiel 2
Schneideinsätze vom Typ SEHW1204AFN mit dem gleichen Substratkörper und der Beschichtung HHA17 wurden erfindungsgemäß verschiedenen Strahlbehandlungen unterzogen und anschließend dem Leistendrehtest (Test mit unterbrochenem Schnitt) an einem 42CrMo4-Werkstück unterzogen (v_c = 250 m/min, f = 0,32 mm, Rm = 1000 N/mm², a_p = 2,5 mm). Zum Vergleich wurde ein ungestrahlter und ein nach dem Stand der Technik mit Al₂O₃ nassgestrahlter Schneideinsatz untersucht.

Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 4 wiedergegeben. Die Schlagzahlwerte sind Mittelwerte aus 5 Leistendrehtests mit jeweils gleich behandelten Proben. Tabelle 4

Strahlmittel	Strahldruck / Strahlzeit	Lebensdauer (Schlagzahl - Mittelwert aus fünf Tests)
ungestrahlt	---	275
Al₂O₃ (nass)	4 bar / 10 sek	855
(= Stand der Technik)
ZrO2 (350B)	4 bar / 120 sek	3253
ZrO2 (120B)	2 bar / 120 sek	3060
ZrO2 (120B)	2 bar / 30 sek	2108
Stahl (SDK0,2B)	4 bar / 360 sek	2268
Glas (MS100B)	2 bar / 90 sek	1786

Je höher die Zähigkeit eines Werkzeugs ist, desto besser (höher) ist der Wert der Schlagzahl im Leistendrehtest. Aus den Ergebnissen der Leistendrehtests wird deutlich, welche überragenden Zähigkeitsgewinne durch das erfindungsgemäße Verfahren in ansonsten gleichen Werkzeugen gegenüber ungestrahlten Werkzeugen erreicht werden. Auch gegenüber der Verwendung eines Strahlmittels nach dem Stand der Technik werden erheblich bessere Ergebnisse erzielt. Die Lebensdauer der Schneidkanten war etwa um den Faktor 2 bis 4 höher als bei Werkzeugen, die nach dem Stand der Technik mit Al₂O₃ nassgestrahlt wurden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes, bei dem man einen Hartmetall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper mittels eines PVD, PCVD- oder CVD-Verfahrens mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide, Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide, Borooxocarbonitride der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder des Aluminiums und/oder gemischtmetallischen Phasen und/oder Phasengemischen der vorgenannten Verbindungen beschichtet und den Substratkörper nach der Beschichtung einer Trocken- oder Naßstrahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzieht, wobei - die Härte des Strahlmittels kleiner als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist oder die Härte des Strahlmittels größer als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist und unter der äußersten Schicht eine Schicht angeordnet ist, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wobei die über der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, angeordnete Schicht oder angeordneten Schichten durch die Strahlbehandlung wenigstens von Teilbereichen abgetragen wird oder werden, - die Gesamtschichtdicke der Beschichtung höchstens 40 µm beträgt, - die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von 1 bar bis 4 bar erfolgt und für einen Zeitraum durchgeführt wird, der ausreicht, dass 10 MPa < ΔS_BES < 1000 MPa und [ΔS_BES / ΔS_SUB] < 2, wobei ΔS_BES der Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in der Beschichtung nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz ist und ΔS_SUB der Betrag der größten Veränderung der Eigenspannung in dem Substrat nach der Strahlbehandlung gegenüber dem nicht strahlbehandelten Schneideinsatz in einem Bereich von der Substratoberfläche bis zu einer Eindringtiefe von 10 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke der Beschichtung höchstens 30 µm, vorzugsweise höchstens 25 µm, besonders bevorzugt höchstens 20 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke der Beschichtung wenigstens 1 µm, vorzugsweise wenigstens 5 µm, besonders bevorzugt wenigstens 10 µm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbehandlung über einen Zeitraum von wenigstens 5 Sekunden, vorzugsweise einem Zeitraum von wenigstens 10 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von 2 bar bis 4 bar, vorzugsweise bei einem Strahlmitteldruck von 3 bar bis 4 bar, besonders bevorzugt bei einem Strahlmitteldruck von 4 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbehandlung eine Trockenstrahlbehandlung ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Substrat aus äußerste Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, eine TiN-Schicht, eine Al₂O₃-Schicht oder eine TiAlN ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel aus Stahl, Glas oder ZrO₂ besteht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Schicht, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, eine TiCN-Schicht und/oder eine TiAlCNO-Schicht angeordnet ist/sind, wobei über und/oder unter der TiCN-Schicht und/oder der TiAlCNO-Schicht weitere Schichten angeordnet sein können.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die TiCN-Schicht und/oder die TiAlCNO-Schicht jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 1 µm bis 5 µm, vorzugsweise im Bereich von 1,5 µm bis 4 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 µm bis 3 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahlbehandlung in dem Substratkörper im äußersten Oberflächenbereich eine Druckeigenspannung von wenigstens -500 MPa oder von wenigstens -1.000 MPa oder von wenigstens -1.500 MPa oder von wenigstens -2.000 MPa oder von wenigstens - 2.500 MPa oder von wenigstens -3.000 MPa oder von wenigstens -3.500 MPa erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahlbehandlung im Inneren des Substratkörpers in einer Tiefe von 3 bis 4 µm von der äußersten Oberfläche des Substratkörpers eine Druckeigenspannung von wenigstens -250 MPa, vorzugsweise von wenigstens -500 MPa, besonders bevorzugt von wenigstens -750 MPa, ganz besonders bevorzugt von wenigstens -1.000 MPa erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Strahlbehandlung im Substratkörper erzeugte Druckeigenspannung in einer Tiefe von 5 µm im Inneren des Substratkörpers betragsmäßig um wenigstens 250 MPa, vorzugsweise um wenigstens 500 MPa, besonders bevorzugt um wenigstens 750 MPa, ganz besonders bevorzugt um wenigstens 1.000 MPa niedriger ist als an der äußersten Oberfläche des Substratkörpers.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Strahlmittels größer als die Härte der äußersten Schicht der Beschichtung ist und unter der äußersten Schicht eine Schicht angeordnet ist, deren Härte größer als die Härte des Strahlmittels ist, wobei die über der Schicht, deren Härte größer der Härte des Strahlmittels ist, angeordnete(n) Schicht(en) durch die Strahlbehandlung nur von der Spanfläche oder von der die Spanfläche umfassenden Seite des Schneideinsatzes abgetragen wird (werden).
Schneideinsatz, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.