DE102012024638A1

DE102012024638A1 - Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken und Verfahren zum Beschichten von Substratkörpern

Info

Publication number: DE102012024638A1
Application number: DE201210024638
Authority: DE
Inventors: Jörn Kohlscheen
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, das mindestens eine Schicht aus TixAl1-xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 besitzt, die sich aus mehreren laminaren Lagen zu einer Gesamtschichtdicke von 0,01 μm bis 3 μm zusammensetzt und die Kristallite einer Größe ≤ 10 nm aufweist. Zur Herstellung einer solchen Schicht wird durch Magnetronsputtern in einer N2-Atmosphäre jeweils Ti und Al aus separat angeordneten Kathoden-Targets freigesetzt, wobei das Werkzeug mehrfach mit einer Geschwindigkeit an der Kathode vorbeigeführt wird, dass sich bei dieser Bewegung jeweils nur eine nanokristalline Schicht ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Fräsen von Eisengusswerkstücken, wobei das Werkzeug aus einem beschichteten Hartmetallkörper besteht, der mindestens eine Schicht aus TiAlN besitzt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten von Substratkörpern mittels Magnetronsputtern zur Abscheidung oder mehrerer Lagen aus Ti_xAl_1-xN.
Zur maschinellen Bearbeitung von metallischen Werkstoffen wie Gusseisen werden beschichtete Werkzeuge verwendet. Der Werkzeugverschleiß hängt im Wesentlichen davon ab, wie resistent die Werkzeugschneidkante gegen die Ablösung einzelnen Bruchstücke oder die Bildung von Rissen ist. Sind bereits Teile der Beschichtung beim Zerspanen abgelöst worden, schreitet der Verschleiß rascher voran, so dass nach kurzer Zeit das Werkzeug unbrauchbar wird. Der Auswahl der Beschichtung kommt eine nicht unerhebliche Bedeutung zu, da die Schichteigenschaften wesentlich über den Verschleißfortschritt entscheiden. So sind in der Vergangenheit beispielsweise Werkzeuge vorgeschlagen worden, die aus einem Hartmetallsubstratkörper bestehen, der mittels CVD mehrlagig beschichtet ist. Mögliche Beschichtungen bestehen zum Beispiel aus TiCN und einer Außenschicht aus α-Al₂O₃. Ebenso sind eine Reihe von PVD-Beschichtungen basierend auf dem Stoffsystem TiAlN bekannt.
Beispielsweise wird in der DE 601 04 709 T2 die Zerstäubung eines Sputtertargets durch Beschuss mit Gasatomen und/oder -ionen beschrieben. Als Sputtertarget wird beispielsweise eine Titanplatte, in der Aluminiumstopfen in vorhandene Bohrungen eingesetzt sind, verwendet. Durch den Beschuss mit Gasionen werden Atome aus der Platte selbst und aus den Stopfen in der Platte von der Oberfläche des Sputtertargets abgestäubt, die in die Gasphase übergehen. Bei Verwendung eines Ti/Al-Sputtertargets in einer Stickstoffatmosphäre scheidet sich auf einem Substratkörper, der beispielsweise aus einem Hartmetall bestehen kann, eine TiAlN-Schicht ab, in der jeweils etwa 25 Atom% Titan und Aluminium und zu 50 Atom% Stickstoff enthalten sind. Bei glattflächigen Ti/Al-Sputtertargets ergeben sich für Aluminium größere Abstäubraten als für das Titan, was zur Folge hat, dass die Aluminiumstopfen in der Titanplatte sich wesentlich schneller als die Platte selbst verbrauchen. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird vorgeschlagen, die Form der freiliegenden Oberfläche der Stopfen so zu wählen, dass sich bei einer Zerstäubung des Targets für jedes Metall Sputterraten einstellen, die für die gewünschte Schichtzusammensetzung erforderlich sind. Insbesondere sind die Oberflächen der Stopfen aus Aluminium nach innen gekrümmt.
Um einen gleichmäßigen Abtrag zu gewährleisten, wird in der WO 2004/059030 A2 vorgeschlagen, den metallischen Anteil der Hartstoffschicht aus legierten Quellen, den sogenannten Targets bzw. Kathoden, zu verdampfen.
Die US 2009/0130434 A1 schlägt ein beschichtetes Werkzeug vor, das aus einem Substratkörper und einer Hartstoffbeschichtung besteht, die wiederum zwei Einzelschichten enthält, von denen die erste eine Dicke von 0,1 μm bis 1 μm besitzt und aus granularen Kristallen mit einem mittlere Kristalldurchmesser von 0,01 bis 0,1 μm besteht und die zweite Schicht eine Dicke von 0,5 bis 10 μm aufweist, die aus säulenförmigen Kristallen zusammengesetzt ist, die in einer Richtung senkrecht zu dem Substratkörper gewachsen sind. Die kolumnaren Kristalle haben eine mittlere Kristallbreite von 0,05 bis 0,3 μm (in Richtung parallel zum Substratkörper), wobei die mittlere Kristallbreite größer ist als der mittlere Kristalldurchmesser der ersten Schicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu Herstellung eines Werkzeuges sowie ein Werkzeug anzugeben, das bei einer spanenden Bearbeitung, insbesondere beim Fräsen von Gusswerkstücken einen verringerten Werkzeugverschleiß besitzt.
Diese Aufgabe wird zum einen durch das Werkzeug nach Anspruch 1 gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht aus Ti_xAl_1-xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 besteht, die in dieser Schicht enthaltenen Kristallite eine Größe ≤ 100 nm besitzen und dass sich diese Schicht aus mehreren laminaren Lagen zu einer Schichtdicke von 0,1 μm bis 3 μm zusammensetzt.
Überraschenderweise zeigt ein solches Zerspanungswerkzeug eine erhebliche Standzeitverbesserung gegenüber einer einlagigen TiAlN-Schicht, die mittels PVD mit legierten oder gestopften Targets erzeugt worden ist. Das Werkzeug lässt sich insbesondere ohne die Benutzung von Kühlschmierstoffen einsetzen, was den Vorteil hat, dass keine zusätzlichen hohen Entsorgungskosten für das Kühlmittel bzw. die Zerspanungsabfälle entstehen.
Die Aufgabe wird ferner durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschichtung aus Ti_xAl_1-xN mittels eines reaktiven PVD-Verfahrens hergestellt ist, bei dem durch Magnetronsputtern in einer N₂-Atmosphäre Aluminium und Titanium in der gewünschten Menge freigesetzt und nach Reaktion zu Ti_xAl_1-xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 auf einem Substratkörper abgeschieden worden ist, wobei der Substratkörper mehrfach mit einer Geschwindigkeit an der Kathode vorbeigeführt wird, dass sich bei dieser Bewegung jeweils nur eine nanokristalline Schicht ausbildet und die vorbeiführende Bewegung so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Schichtdicke von 0,01 μm bis 3 μm erreicht ist. Die hohe Verschleißbeständigkeit des derart herstellten Werkzeuges beruht anscheinend auf der Verwendung von reinen Metalltargets, d. h. insbesondere nur jeweils einem reinen Titan-Target und einem reinen Aluminium-Target. Diese beiden Targets sind ausreichend nahe nebeneinander angeordnet, so dass einerseits die Bildung von hexagonalem, relativ weichen AlN vermieden wird und andererseits sich durch zyklisches Vorbeiführen der Substratkörper an den metallischen Quellen Konzentrationsgradienten in der aufwachsenden Schicht ergeben. Dies begünstigt die nanostrukturierte Ausbildung der Hartstoffschicht mit sehr geringer Kristallitgröße. Die Schichtstruktur wird dadurch kompakter und abräsionsbeständiger.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 11 beschrieben.
So können vorzugsweise mehrere Ti_xAl_1-xN-Schichten auf einem Hartmetallkörper abgeschieden sein, die sich jeweils im Verhältnis Ti:Al unterscheiden und wobei die Dicke aller Ti_xAl_1-xN-Schichten maximal 10 μm beträgt. In einer zweischichtigen Variante besitzt die innere Schicht einen größeren Al-Anteil, vorzugsweise mit x < 0,5 und die äußere Schicht einen geringeren Al-Anteil mit 0,6 ≤ x ≤ 0,8.
Das jeweilige Verhältnis des Titans und des Aluminiums in der TiAlN-Beschichtung lässt sich dadurch variieren, dass die Beschussrate bzw. die Auftreffenergie der Gasatome und/oder Gasionen entsprechend unterschiedlich eingestellt wird, so dass beispielsweise mehr Aluminiumatome zur gleichen Zeit aus dem Aluminium-Target herausgelöst werden als Titanatome aus dem Titan-Target. Die Gesamtschichtdicke der TiAlN-Schicht liegt zwischen 0,5 μm bis 10 μm, wobei vorzugsweise mehrere laminare Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung übereinander abgeschieden worden sind, von denen jede Einzelschicht eine Schichtdicke von 0,01 μm bis 3 μm aufweisen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann in der Ti_xAl_1-xN-Schicht oder Teilschicht das Titan ganz oder teilweise durch Zirkon und/oder Hafnium ersetzt werden, da diese Übergangsmetalle ein farbiges Nitrid ausbilden. In dieser Schicht kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Aluminium ganz oder teilweise durch Silizium und/oder Bor und/oder Kohlenstoff ersetzt werden. Durch die Änderung der Schichtzusammensetzung können gegenüber dem gelben Metallnitrid andere Schichtfarben erzeugt werden. Aufgrund der verminderten Leitfähigkeit der genannten Nichtmetalle wird ein spannungsgepulstes Sputtern verwendet. Bei der Beschichtung können jeweils mehrere Beschichtungsquellen (Targets) gleichzeitig nebeneinander verwendet werden, wobei jedes einzelne Target jeweils nur aus einem einzigen Metall besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat verschiedene Vorteile: Zum einen ist die Herstellung der Beschichtung der Werkzeuge wesentlich preiswerter, weil die Fertigung der bisher üblichen Metalltargets mit Stopfen anderer Zusammensetzung bzw. ein Legieren verschiedener Metalle entfällt. Die Beschussraten und Beschussenergien sind auch bei der Verwendung von unlegierten Metalltargets einfacher und präziser einzustellen, so dass je nach Zugabe von Aluminium, Silizium oder Kohlenstoffatomen die goldene Farbe graduell zu einer roten oder dunkelroten und schließlich violetten bzw. dunkelgrauen Farbe variiert werden kann. Dies geschieht in der Praxis durch Variation der Beschussrate der Aluminiumtargets. Unterschiedlich gefärbte Schichten ermöglichen auf einfache Weise den Verschleißgrad dieser Schicht festzustellen. Schließlich lässt sich durch gezielte Schichtkompositionen eine verbesserte Adhäsion der Beschichtung zum Substratkörper sowie der unterschiedlichen Schichten untereinander herstellen. Die getrennten Metalltargets erlauben insbesondere die Verwendung von Aluminiumtargets ohne Kupferanbindungsplatte, die bei den gestopften Titan-Platten bisher aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit erforderlich war.
Die hergestellten Schichten haben zu einer deutlichen Verschleißminderung des Werkzeugs bzw. zu einer Vergrößerung des bis zur Unbrauchbarkeit des Werkzeuges erzielbaren Fräsweges geführt.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel ist ein Hartmetallsubstratkörper der Zusammensetzung 94 Gew.-% WC, 6 Gew.-% Co in einer Sputter-Beschichtungsanlage mit einer mehrlagigen Hartstoffschicht überzogen worden, die eine Dicke von ca. 6 μm aufweist. Die verwendete PVD-Anlage weist insgesamt vier Kathoden auf, wobei zwei Kathoden symmetrisch auf jeder Seite angeordnet sind. Die Kathoden bestehen aus je zwei Aluminium-Targets und je zwei Titan-Targets. Die Zerstäubung erfolgt in einem Ar/N₂-Plasma (Gasfluss Ar = 500 sccm und N₂ = 130 sccm) mittels Gleichstrom-Sputtern bei einer konstanten Leistung von jeweils 9,5 kW an den Titantargets. Die Leistung an den Al-Targets ist zwischen 2 kW bis 7 kW variiert worden, wodurch unterschiedliche Aluminiumgehalte in den jeweils abgeschiedenen Lagen erzeugt werden.
Der hergestellte Schneideinsatz, der eine mehrlagige TiAlN-Schicht aufweist, wird zum Planfräsen von Sphärogussblöcken eingesetzt. In einem ersten Versuch werden Hartmetallschneidplatten aus dem gleichen Fertigungslos untersucht, die auf derselben Anlage mit jeweils segmentierten Targets, d. h. Ti-Platten sowie eingesteckten Al-Stopfen beschichtet wurden. Die mit dieser konventionellen Beschichtung erzielbaren Fräswege betrugen in einem ersten Versuch 4.500 mm und in einem wiederholten Versuch 9.000 mm.
Die nach der vorliegenden Erfindung beschichteten Schneidplatten haben demgegenüber in zwei unterschiedlichen Versuchen Fräswege von jeweils 15.000 mm erbracht. Die Steigerung der Fräslänge liegt somit bei dem 3-fachen bzw. dem 1,7-fachen Wert.
In einem weiteren Versuch ist als Basissubstrat ein Hartmetall der Zusammensetzung 93 Gew.-% WC, 7 Gew.-% Co verwendet worden. Bei der konventionellen mehrlagigen Beschichtung unter Verwendung von Titanplatten mit Al-Stopfen konnten Fräswege von 6.000 mm erreicht werden. Bei der erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtung betrugen die Fräswege hingegen 9.000 mm bzw. 7.500 mm. Auch hier ergibt sich somit eine gesteigerte Fräslänge, die 1,25- bzw. 1,5-mal so groß ist.
Die verwendeten Werkzeugparameter waren wie folgt:
V_c = 250 m/min, f = 0,25 mm, ap = 20 mm, Eckfräsen mit WSP-Form: XPHT160412,
Anstellwinkel: 90°/Fräswerkzeugtyp: M680 D80 ZH6 Werkstoff: GGG 70, Fräslänge/Durchgang: 500 mm (ohne Verwendung von Kühlschmierstoffen)
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Metallplatten zum rotierenden Werkzeug. Das durch den Pfeil 1 dargestellte Werkzeug bzw. mehrere drehbar angeordnete Werkzeuge laufen an zwei nebeneinander angeordneten Metallplatten 2 vorbei, von denen in der Zeichnung nur eine sichtbar ist, und hiernach an den Metallplatten 3 vorbei. Die Pfeile 4 und 5 zeigen die Strömungsrichtung des abgedampften Metalls. Die Sputterraten des herausgelösten Titans oder Aluminiums, welche die Zusammensetzung bestimmen, sind durch Änderung der elektrischen Leistung der Targets variiert worden. Durch die Trennung der beiden Metalle ergibt sich eine Mischung erst im Moment der Abscheidung auf dem vorbei geführten Werkstück, was, wie beschrieben, die nanostrukturierte Schichtbildung ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60104709 T2 [0004]
WO 2004/059030 A2 [0005]
US 2009/0130434 A1 [0006]

Claims

Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Fräsen von Eisengusswerkstücken, wobei das Werkzeug aus einem beschichteten Hartmetallkörper besteht, der mindestens eine Schicht aus TiAlN besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Ti_xAl_1-xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 besteht, die in dieser Schicht enthaltenen Kristallite eine Größe ≤ 10 nm besitzen und dass sich diese Schicht aus mehreren laminaren Lagen zu einer Gesamtschichtdicke von 0,01 μm bis 3 μm zusammensetzt.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ti_xAl_1-xN-Schichten auf einem Hartmetallkörper abgeschieden sind, die sich jeweils im Verhältnis Ti:Al unterscheiden, wobei die Dicke aller Ti_xAl_1-xN-Schichten maximal 10 μm beträgt.
Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge Ti_xAl_1-xN derart variiert, dass eine innere Schicht einen größeren Al-Anteil, vorzugsweise mit x < 0,5 und die äußere Schicht einen geringeren Al-Anteil mit 0,6 ≤ x ≤ 0,8 aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ti_xAl_1-xN-Schicht das Ti ganz oder teilweise durch Zr und/oder Hf ersetzt ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Al in der Ti_xAl_1-xN-Schicht ganz oder teilweise durch Si und/oder B und/oder C ersetzt ist und diese Schicht durch spannungsgepulstes Kathoden-Zerstäuben (Sputtern) hergestellt worden ist.
Verfahren zum Beschichten von Substratkörpern mittels Magnetronsputtern zur Abscheidung einer oder mehrerer Lagen aus Ti_xAl_1-xN, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Ti_xAl_1-xN mittels eines reaktiven PVD-Verfahrens hergestellt wird, bei dem durch Magnetronsputtern in einer N₂-Atmosphäre Al und Ti in der gewünschten Menge freigesetzt und nach Reaktion zu Ti_xAl_1-xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 auf einem Substratkörper abgeschieden worden ist, wobei der Substratkörper mehrfach mit einer Geschwindigkeit an der Kathode vorbeigeführt wird, dass sich bei dieser Bewegung jeweils nur eine nanokristalline Schicht ausbildet und die vorbeiführende Bewegung so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Schichtdicke von 0,01 μm bis 3 μm erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti_xAl_1-xN-Schicht eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Schichten der Zusammensetzung Ti_xAl_1-xN übereinander abgeschieden worden sind, von denen jede Einzelschicht eine Dicke von 0,01 μm bis 3 μm hat und die Gesamtdicke maximal 10 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ti_xAl_1-xN-Schicht das Ti ganz oder teilweise durch Zr und/oder Hf ersetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ti_xAl_1-xN-Schicht das Al ganz oder teilweise durch Si und/oder B und/oder C ersetzt ist, wobei spannungsgepulstes Sputtern eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Beschichtung jeweils mehrere Beschichtungsquellen (Targets) gleichzeitig nebeneinander verwendet werden, die jeweils nur aus einem einzigen Metall bestehen.