-
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer nitridischen Hartstoffschicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei den Werkzeugen handelt es sich im Wesentlichen um Werkzeuge für die Bearbeitung von Werkstücken, die mindestens eine Kante, bevorzugt eine Schneidkante aufweisen. Sie können zum Trennen oder für eine spanende Bearbeitung eingesetzt werden.
-
Solche Hartstoffschichten werden üblicherweise mit verschiedenen bekannten Vakuumbeschichtungsverfahren auf Werkstücksubstraten ausgebildet. Da aber für viele Anwendungen scharfe Übergänge an Kanten auch mit der Hartstoffschicht erreicht oder zumindest ausgehend von einer vorab an einem Werkzeugsubstrat bereits vorhandenen Kante keine Vergrößerung des dortigen Kantenradius gewünscht sind, treten insbesondere Probleme bei kleinen Kantenradien auf, wie dies bei Schneidkanten der Fall ist.
-
Bisher erfolgt generell beim Beschichtungsprozess eine Vergrößerung des Kantenradius, ausgehend vom ursprünglichen Kantenradius an der jeweiligen Kante eines Werkzeugsubstrats auf dem die Hartstoffschicht ausgebildet wird. Dem kann bisher nur dadurch entgegengetreten werden, dass extrem dünne Hartstoffschichten abgeschieden werden, die jedoch eine erheblich begrenzte Lebensdauer und Wirkung erreichen.
-
Eine andere Möglichkeit ist die Ausbildung von sehr kleinen Kantenradien an Werkzeugsubstraten, die dann mit der Hartstoffschicht versehen werden. Hierfür ist aber die mechanische die Beschichtung vorbereitende Bearbeitung sehr aufwändig und die so erreichbaren sehr kleinen Kantenradien kleiner 15 μm, wie sie insbesondere bei Schneidkanten von Werkzeugen gewünscht sind, können so auch nicht mit einer ausreichenden Schichtdicke hergestellt werden. Der Verrundungseffekt lässt sich so nicht vermeiden. Es kann nur die Wirkung mit dem kleineren Kantenausgangsradius eines Werkzeugsubstrats reduziert werden.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Werkzeuge vorzuschlagen, die mit einer Hartstoffschicht beschichtet sind und in Kantenbereichen einen bestimmten beeinflussbaren, bevorzugt kleinen Kantenradius, auch unter Berücksichtigung des auf einem Kantenbereich eines Werkzeugsubstrats bereits vorhandenen Kantenradius, einhalten bzw. ausbilden zu können.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Werkzeug, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 5 hergestellt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
-
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug ist mit einer nitridischen Hartstoffschicht, in der Aluminium enthalten ist, beschichtet. Dabei ist in einem Kantenbereich der Anteil an Aluminium in der Hartstoffschicht, gegenüber dem Anteil an Aluminium, der in einem Abstand von mindestens 500 μm vom Kantenbereich entfernt ausgebildeten Hartstoffschicht enthalten ist, höher.
-
Der Anteil an Aluminium, der in einem Abstand von mehr als 500 μm vom Kantenbereich entfernt ausgebildeten Hartstoffschicht enthalten ist, sollte um mindestens 5% als im Rest der Hartstoffschicht erhöht sein.
-
Besonders vorteilhaft sollte der Kantenradius, der durch die Hartstoffschicht im Kantenbereich gebildet wird, kleiner als der Kantenradius im Kantenbereich des unbeschichteten Werkzeugsubstrats sein.
-
Der Kantenradius im Kantenbereich des unbeschichteten Werkzeugsubstrats sollte kleiner 30 μm, bevorzugt kleiner 15 μm sein.
-
Geeignete Werkstoffe für die Hartstoffschicht sind AlCrN/TiN oder AlCrSiN/TiN.
-
Die Herstellung kann mit einem PVD-Verfahren erfolgen, bei dem auf der Werkzeugsubstratoberfläche eine Hartstoffschicht, die mit AlCrN/TiN oder AlCrSiN/TiN gebildet ist, dabei innerhalb einer Vakuumkammer, in der ein Stickstoffpartialdruck > 2 Pa, bevorzugt > 5 Pa eingehalten wird, ausgebildet wird. Dabei soll mindestens eine die metallischen Elemente in der Hartstoffschicht, und bei einer Hartstoffschicht in der auch Silizium enthalten ist, eine Silizium enthaltende Verdampferquelle betrieben werden, um die Hartstoffschicht auf der Werkzeugsubstratoberfläche auszubilden. Zumindest während der Ausbildung der Hartstoffschicht soll an das zu beschichtende Werkzeugsubstrat eine elektrisch negative BIAS-Spannung von mindestens 100 V, bevorzugt 500 V angelegt werden.
-
Dabei soll die Energie der Ionen des Plasmas unter Berücksichtigung eines auf einem Kantenbereich des Werkzeugsubstrats auszubildenden Kantenradius der Hartstoffschicht und dem dort entsprechenden Kantenradius des Werkzeugsubstrats so geregelt oder gesteuert werden, dass ein bestimmter Kantenradius der Hartstoffschicht im Kantenbereich ausgebildet wird und dabei der Anteil an in der Hartstoffschicht enthaltenem Aluminium im Kantenbereich erhöht werden.
-
Als Verdampferquelle(n) sollten bevorzugt ein Vakuumbogenverdampfer mit einer Graphitanode oder einer überwiegend mit Graphit gebildeten Anode eingesetzt werden. Bei den Verdampferquellen können die metallischen Komponenten jeweils in einzelnen Quellen aber auch bereits in Form einer Legierung mehrerer Metalle vorhanden sein.
-
Die Ausbildung der Hartstoffschicht sollte möglichst so durchgeführt werden, dass die für die Bildung eingesetzten Ionen Energien im Bereich 0,3 keV bis 1 keV aufweisen.
-
Der Kantenradius der Hartstoffschicht in einem Kantenbereich kann durch Erhöhung der negativen BIAS-Spannung reduziert werden. Die Reduzierung kann so weit führen, dass der Kantenradius an der Oberfläche der Hartstoffschicht im Kantenbereich kleiner ist, als der Kantenradius des ursprünglichen Werkzeugsubstrats in diesem Bereich.
-
Die Eigenschaften des Werkstoffs der fertig hergestellten Hartstoffschicht und auch Kantenradien können unmittelbar während des eigentlichen Beschichtungsprozesses beeinflusst werden. Dabei kann/können während der Ausbildung der Hartstoffschicht zumindest einer der folgenden Parameter, nämlich die elektrische BIAS-Spannung, der Stickstoffpartialdruck und/oder die Geschwindigkeit, mit der ein Werkzeugsubstrat bewegt wird, verändert werden. Bei der Veränderung der Geschwindigkeit kann dies die Geschwindigkeit sein, mit der zu beschichtende Werkzeugsubstrate oder zu beschichtende Oberflächenbereiche an einer oder mehreren Verdampferquellen vorbei bewegt wird/werden. Durch die sich verändernden Abstände der zu beschichtenden Oberflächenbereiche eines Werkzeugsubstrats können die jeweiligen Anteile der chemischen Elemente, mit denen zu diesen Zeitpunkten die Beschichtung ausgebildet wird, variieren. Wenn mehrere Verdampferquellen eingesetzt werden, können deren Kathoden eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen.
-
Dadurch kann die Konsistenz der ausgebildeten Hartstoffschicht während des Beschichtungsprozesses variiert werden. Dies erfolgt aber so, dass möglichst keine Grenzschichtbildung innerhalb der Hartstoffschicht auftritt, sondern ein sehr fein gradierter Übergang beim Schichtwachstum erreicht werden kann.
-
Bei sich veränderndem Stickstoff-Partialdruck kann der Nitridanteil innerhalb der Beschichtung verändert werden.
-
Eine Veränderung des absoluten Betrags der an das Werkzeugsusbtrat angelegten elektrischen BIAS-Spannung kann auch zur Beeinflussung der Kristallitbildung und der Schichteigenspannungen beitragen. Dabei sollten jedoch die für die Bildung der Hartstoffschicht eingesetzten Ionen Energien bis 1 keV aufweisen. Mit diesen Ionenenergien ist ein permanenter Abtrag instabiler Phasen von der Oberfläche der Hartstoffschicht bereits während des Beschichtungsprozesses möglich, so dass keine oder zumindest deutlich weniger und kleinere Defekte auftreten können.
-
Die erfindungsgemäß hergestellte Hartstoffschicht kann eine Härte von mindestens 2500 HV aufweisen. Die Eigenspannungen der Hartstoffschicht sind kleiner 2 GPa und es ist eine feinkristalline Struktur mit Korngrößen kleiner 100 nm eingehalten. Innerhalb der Hartstoffschicht können die Anteile der einzelnen die Beschichtung bildenden chemischen Elemente variieren, wie dies bereits angesprochen worden ist.
-
So können innerhalb der Hartstoffschicht Bereiche mit einer inhomogenen Verteilung der chemischen Elemente erreicht werden. Beispielsweise können Bereiche mit erhöhtem Anteil an AlCrSiN neben Bereichen mit erhöhtem Anteil an TiN auftreten. Insbesondere der Anteil an Si kann stärker variieren, wobei es sogar Bereiche geben kann, in denen kein Si vorhanden ist. Überwiegend können solche Bereiche übereinander ausgebildete sehr dünne Schichten mit Dicken im Bereich 3 nm bis 50 nm bilden. Dabei sind die einzelnen Schichten nicht scharf in ihrer Konsistenz voneinander getrennt, sondern es sind Mischzonen ausgebildet, in denen sich die Anteile der chemischen Elemente nur in sehr geringem Maß unterscheiden.
-
Bei der Erfindung kann eine Stabilisierung der eigentlichen kubischen AlN-Phase durch das Titan erreicht und dabei eine Bildung von hexagonalem AlN durch eine geeignete Zusammensetzung der in den Verdampferquellen eingesetzten Kathoden zumindest nahezu vermieden werden. Wird der Anteil an Titan in der Beschichtung im Bereich 10 Masse-% bis 20 Masse-% gehalten, wirkt sich dies mit einer Reduzierung der Schichteigenspannungen vorteilhaft aus.
-
Im Anschluss an die Herstellung ist kein Schärfen einer Schneidkante eines mit Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeugs durch Schleifen erforderlich.
-
Die Hartstoffschichten für die Werkzeuge können auf unterschiedlichen Werkzeugsubstraten aus unterschiedlichen Metallen und Legierungen, Keramiken oder auch Hartmetallen aufgebracht werden. Lediglich eine mit AlCrSiN/TiN gebildete Hartstoffschicht sollte nur auf temperaturbeständige Materialien, z. B. Hartmetall, ausgebildet werden. Dies kann Wolframcarbid oder Wolframcarbid mit Cobalt, in denen unterschiedliche, aber für Hartmetall übliche Anteile der chemischen Elemente enthalten sind, sein.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen zur Beschichtung der Werkzeuge bildet sich in einem Kantenbereich eine Schichtzone mit einem höheren Anteil an AlN, die elektrisch weniger leitfähig ist, als im übrigen Teil der Beschichtung, der vom Kantenbereich entfernt ist. Dies führt im Kantenbereich zu einem reduzierten Ionenbeschuss im Vergleich zur Schichtabscheideprozessen von Schichten höherer elektrischer Leitfähigkeit. Die bei elektrisch leitfähigeren Schichten normalerweise auftretende typische Abflachung der ausgebildeten Beschichtung in Kantenbereichen durch geometrisch induzierte elektrische Feldüberhöhung kann mit der Erfindung kompensiert bzw. überkompensiert werden.
-
Mit zunehmender Dicke der auszubildenden Hartstoffschicht wird der Kantenradius normalerweise größer. Dadurch sind die üblicherweise eingesetzten Dicken von Hartstoffschichten auf 3 μm bis 5 μm begrenzt, was auf die gesamte Fläche der Hartstoffschicht zutrifft. Eine solche dünne Gesamtschichtdicke wirkt sich aber wegen der reduzierten Lebensdauer negativ aus. Mit der Erfindung kann dem entgegengetreten werden.
-
Mit der bei der Erfindung gezielt beeinflussten Energie der Ionen mit denen die Hartstoffschicht gebildet wird, kann der ursprüngliche Kantenradius des Werkzeugsubstrats zumindest beibehalten werden. Er kann aber auch reduziert werden, so dass der Kantenradius an der Oberfläche der Hartstoffschicht im Kantenbereich kleiner als der Kantenradius des Werkzeugsubstrats in diesem Bereich ist.
-
Dabei wird eine dielektrische Komponente gezielt in die Hartstoffschicht eingebaut. Dies ist in der Regel zumindest aber überwiegend AlN. In Kantenbereichen mit kleinen Kantenradien kann durch die Feldüberhöhung in Verbindung mit den erhöhten Ionenenergien bevorzugt die elektrisch leitfähige Komponente, mit der die Hartstoffschicht eigentlich gebildet wird, in größerer Menge abgetragen werden. Es kommt zu einer Entmischung, die wiederum zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands pro Fläche führt. Dies führt zu einer zunehmenden elektrischen Abschirmung dieser Zone, die mit dem abnehmenden Ionenbeschuss verbunden ist. Daraus resultiert, dass die Hartstoffschicht über die gesamte Oberfläche, also auch in Kantenbereichen, mit gleicher Beschichtungsrate aufwächst, wodurch die übliche Kantenverrundung vermieden werden kann. Bei weiterer Erhöhung der elektrischen BIAS-Spannung, die an das Werkzeugsubstrat angelegt wird, kann der Kantenradius sogar verringert werden.
-
Mit der Erfindung können Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, die scharfe Kanten/Schneidkanten aufweisen, ohne dass eine aufwändige nachträgliche oder vorab Bearbeitung erforderlich ist.
-
Dies kann ausschließlich durch gezielte Anpassung der Beschichtungsparameter erreicht werden. Damit ist auch eine gezielte Einstellung von Kantenradien möglich.
-
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
-
Dabei zeigt:
-
1 ein Diagramm der in einer Hartstoffschicht enthaltenen metallischen Komponenten in Abhängigkeit des Abstands von einer Kante
-
Beispiel 1:
-
Für die Herstellung von Schneidwerkzeugen mit kleinem Schneidkantenradius, die aus Wolframcarbid-Cobalt als Hartmetall gebildet und mit einer 4 μm Hartstoffschicht aus AlCrSiN/TiN beschichtet werden sollten, ist wie folgt vorgegangen worden:
Die Werkzeuge wurden vor dem Beschichten in einem ein alkalisches Reinigungsmittel enthaltendes Bad gegeben und mittels Ultraschall gereinigt. Danach wurden die Bauteile klar gespült und getrocknet.
-
Der Werkstoff hatte die Zusammensetzung 90 Masse-% Wolframcarbid und 10 Masse-%- Cobalt. Die so vorgereinigten Bauteile wurden in eine Vakuumkammer eingesetzt, in der der Innendruck auf < 0,01 Pa reduziert wurde. Die Werkzeuge wurden in einen drehbaren Bauteilträger eingesetzt. In der Vakuumkammer wurden sie auf eine Temperatur von 300°C erwärmt, um ggf. noch vorhandene organische Rückstände von der Oberfläche zu entfernen. Hierfür wurde ein Heizstrahler genutzt. Im Anschluss an diese Vorwärmung wurde die zu beschichtende Oberfläche durch Ionenbeschuss fein gereinigt. Dabei wurden folgende Parameter eingehalten: ein Argon Partialdruck 5 Pa, BIAS-Spannung –1 kV und t = 20 min.
-
Zuerst wurde auf der Oberfläche eine ca. 100 nm Dicke Haftvermittlerschicht aus TiN aufgebracht. Dabei wurde eine Vakuumbogen-Verdampferquelle, bei der die Kathode aus reinem Titan bestand, mittels elektrischer Bogenentladung betrieben. Während der elektrischen Bogenentladung wurde die elektrische Spannung auf 20 V und der elektrische Bogenstrom auf 100 A gehalten. An die Werkzeuge wurde eine negative elektrische BIAS-Spannung von –500 V angelegt. Es wurde der Stickstoffpartialdruck auf 1 Pa eingestellt und die Werkzeuge mittels eines Trägers an der Verdampferquelle vorbei bewegt. Im Anschluss an die Ausbildung dieser Haftvermittlerschicht wurde bei ansonsten gleichen Bedingungen, eine zweite Verdampferquelle in Betrieb genommen, bei der die Kathode aus AlCrSi (60:30:10 at-%) gebildet war. Nach dem Zünden der elektrischen Bogenentladung dieser Verdampferquelle, bei der die Anode eine Graphitelektrode war, wurden die Werkzeuge mittels des Trägers an den beiden Verdampferquellen vorbei gedreht. Die elektrische Bogenentladung der zweiten Verdampferquelle wurde mit einer elektrischen Spannung von 20 V und einen elektrischen Bogenstrom von 100 A aufrechterhalten. Dadurch und in Verbindung mit der an die Werkzeuge angelegten BIAS-Spannung konnte ein Beschuss mit Ionen, deren Energie bei 0,5 keV lag und eine Beschichtungsrate von 15 μm/h bis 20 μm/h erreicht werden. Der Beschichtungsprozess wurde ca. 12 Minuten betrieben. Nach einer Abkühlphase von 30 min konnten die mit der Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeuge entnommen werden. Mit der 4 μm dicken Hartstoffbeschichtung aus AlCrSi/TiN war eine Härte der Hartstoffbeschichtung von 2900 HV erreicht.
-
An den Schneidkanten der Werkzeuge wurden jeweils vor und nach der Beschichtung Vermessungen der Kantenradien durchgeführt, dabei ergaben sich folgende Werte für die Kantenradien:
- – vor der Beschichtung: 9 μm Kantenradius und
- – nach der Beschichtung: 5 μm Kantenradius.
-
Beispiel 2:
-
Für die Herstellung von Schneidwerkzeugen mit geringem Schneidkantenradius, die aus Wolframcarbid-Cobalt als Hartmetall gebildet und mit einer 50 μm Hartstoffschicht aus AlCrN/TiN beschichtet werden sollten, ist wie folgt vorgegangen worden.
-
Die Hartmetallwerkzeuge wurden vor dem Beschichten in einem ein alkalisches Reinigungsmittel enthaltendes Bad gegeben und mittels Ultraschall gereinigt. Danach wurden die Bauteile klar gespült und getrocknet.
-
Der Werkstoff hatte die Zusammensetzung 90 Masse-% Wolframcarbid und 10 Masse-% Cobalt. Die so vorgereinigten Bauteile wurden in eine Vakuumkammer eingesetzt, in der der Innendruck auf < 0,01 Pa reduziert wurde. Die Bauteile wurden in einen drehbaren Träger eingesetzt. In der Vakuumkammer wurden die Werkzeuge auf eine Temperatur von 300°C erwärmt, um ggf. noch vorhandene organische Rückstände von der Oberfläche zu entfernen. Hierfür wurde ein Heizstrahler genutzt. Im Anschluss an diese Vorwärmung wurde die zu beschichtende Oberfläche durch Ionenbeschuss fein gereinigt. Dabei wurden folgende Parameter eingehalten: Argonpartialdruck 5 Pa, BIAS-Spannung –1 kV und t = 20 min.
-
Zuerst wurde auf der Oberfläche eine ca. 100 nm Dicke Haftvermittlerschicht aus TiN aufgebracht. Dabei wurde eine Verdampferquelle, bei der die Kathode aus reinem Titan bestand, mittels elektrischer Bogenentladung betrieben. Während der elektrischen Bogenentladung wurden die elektrische Spannung auf 20 V und der elektrische Bogenstrom auf 100 A gehalten. An die Werkzeuge wurde eine negative elektrische BIAS-Spannung von –500 V angelegt. Es wurde der Stickstoffpartialdruck auf 1 Pa eingestellt und die Werkzeuge mittels des Trägers an der Verdampferquelle vorbei bewegt. Im Anschluss an die Ausbildung dieser Haftvermittlerschicht wurde bei ansonsten gleichen Bedingungen, eine zweite Verdampferquelle in Betrieb genommen, bei der die Kathode aus AlCr (70:30 at-%) gebildet war. Nach dem Zünden der elektrischen Bogenentladung dieser Verdampferquelle, bei der die Anode eine Graphitelektrode war, wurden die Werkzeuge mittels des Trägers an den beiden Verdampferquellen vorbei gedreht. Die elektrische Bogenentladung der zweiten Verdampferquelle wurde mit einer elektrischen Spannung von 20 V und einem elektrischen Bogenstrom von 100 A aufrechterhalten.
-
Dadurch und in Verbindung der an die Werkzeuge angelegten BIAS-Spannung von nunmehr 300 V konnten ein Beschuss mit Ionen, deren Energie bei 0,3 keV lag und eine Beschichtungsrate von 15 μm/h bis 20 μm/h erreicht werden. Der Beschichtungsprozess wurde 11 Minuten betrieben.
-
Nach einer Abkühlphase von 30 min konnten die mit der Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeuge entnommen werden. Mit der 4 μm dicken Hartstoffbeschichtung aus AlCrN/TiN wurde eine Härte der Hartstoffbeschichtung von 2500 HV erreicht.
-
An den Schneidkanten der Werkzeuge wurden jeweils vor und nach der Beschichtung Vermessungen der Kantenradien durchgeführt, dabei ergaben sich folgende Werte für die Kantenradien:
- – vor der Beschichtung: 11 μm Kantenradius und
- – nach der Beschichtung: 3 μm Kantenradius.