DE10210839A1

DE10210839A1 - Harte Mehrlagenbeschichtung, mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtetes Werkzeug, welches diese harte Mehrlagenbeschichtung aufweist und Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbeschichtung

Info

Publication number: DE10210839A1
Application number: DE10210839A
Authority: DE
Inventors: Takaomi Toihara
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP3910373B2; US7008688B2; CH695498A5; JP2002275618A; DE10210839B4; US20020132141A1

Abstract

Eine harte Mehrlagenbeschichtung, welche auf eine Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden soll, weist mindestens eine erste Beschichtungslage (22) und wenigstens eine zweite Beschichtungslage (24) auf, die alternierend übereinander abgelegt werden. Jede der mindestens einen ersten Beschichtungslagen (22) besteht aus (Ti¶x¶Al¶1-x¶) (C¶y¶N¶1-y¶), worin 0,20 x 0,60 und 0 y 0,5 sind. Jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungslage (24) weist CrN auf. Eine der mindestens einen ersten Beschichtungslagen bildet die äußerste Lage der harten Mehrlagenbeschichtung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine harte Mehrlagenbeschichtung und insbe sondere auf eine solche harte Mehrlagenbeschichtung, welche eine ausgezeichnete Abnützungsresistenz und Zähigkeit be sitzt.

Diskussion der verwandten Technik

Es ist ein beschichtetes Werkzeug be kannt, bei dem das Substrat des Werkzeuges aus gesintertem Carbid oder einem anderen Material hergestellt und an seiner Oberfläche mit einer aus TiAlN gebildeten harten Beschichtung überzogen ist. Als Beispiel für ein solches beschichtetes Werkzeug offenbart die JP-A-10-168583 (japanische Patent- Offenlegung aus 1998) ein Werkzeug, bei welchem eine Zwi schenschicht aus einem relativ weichen Material, wie CrN, zwischen das Substrat des Werkzeuges und die aus TiAlN gebil dete harte Beschichtung dazu zwischengeschaltet ist, um die adhäsive bzw. Bindungsfestigkeit, mit welcher sich die harte Beschichtung an das Substrat des Werkzeuges bindet, zu erhö hen. Ferner offenbart die JP-A-11-216601 (japanische Patent- Offenlegung aus 1999) eine harte Mehrlagenbeschichtung, wel che aus zwei Arten von harten Beschichtungslagen aus TiAlN besteht, die hinsichtlich der Kristallanteile von Ti und Al jeweils aus voneinander verschiedenen Mischungszusammenset zungen bestehen und alternierend aufgebracht werden.

Da jedoch eine Hartbeschichtung aus TiAlN auf Grund der grossen inneren Spannungen darin eine schlechte Zähigkeit aufweist, wird die Hartbeschichtung während des Schneidens leicht abgesplittern bzw. vom Substrat des Werk zeuges abgetrennt, wodurch es unmöglich ist, eine ausgezeich nete Abnützungsresistenz von TiAlN in genügender Weise auszu bilden. Das Vorsehen einer Zwischenschicht oder das Überein anderlagern zweier verschiedener Arten von Hartbeschichtungs lagen aus TiAlN, die hinsichtlich der vermischten Kristallan teile voneinander unterschiedlich sind, mag wohl das Absplit tern und Abtrennen bis zu einem gewissen Grad verhindern, tut dies jedoch nicht in genügender Weise.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hin blick auf den oben besprochenen Stand der Technik gemacht. Daher ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine harte Mehrlagenbeschichtung zu schaffen, welche haupt sächlich aus TiAlN aufgebaut ist, und die hinsichtlich ihrer Zähigkeit verbessert ist, ohne die Abnützungsresistenz zu verschlechtern, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung daran gehindert wird, vom Substrat abzusplittern oder sich zu lö sen. Dieses erste Ziel wird gemäss einem der unten beschrie benen ersten bis vierten Aspekte der Erfindung erreicht.

Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtetes Werkzeug zu schaffen, welches diese harte Mehrlagenbeschich tung aufweist und die oben beschriebenen technischen Vorteile besitzt. Dieses zweite Ziel kann gemäss dem unten beschriebe nen fünften Aspekt der Erfindung erreicht werden.

Es ist ein dritter Aspekt der Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbeschichtung zu schaffen, welche die oben beschriebenen technischen Vor teile aufweist. Dieses dritte Ziel wird gemäss einem der un ten beschriebenen sechsten bis achten Aspekte der Erfindung erzielt.

Nach dem ersten Aspekt dieser Erfindung wird eine harte Mehrlagenbeschichtung geschaffen, welche min destens eine erste Beschichtungslage und mindestens eine zweite Beschichtungslage aufweist, die alternierend überein ander abgelegt werden, wobei jede der wenigstens einen ersten Beschichtungslagen aus (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besteht, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind, und jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslage CrN aufweist, und wobei eine der mindestens einen ersten Beschichtungslagen die äusserste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

Gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung besteht in der im ersten Aspekt der Erfindung geschilderten harten Mehrlagenbeschichtung die oben genannte mindestens ei ne erste Beschichtungslage aus einer Mehrzahl von ersten Be schichtungslagen, von denen eine eine innerste Schicht der harten Mehrlagenbeschichtung bildet.

Gemäss dem dritten Aspekt der Erfindung besitzt in der im ersten und zweiten Aspekt der Erfindung ge schilderten harten Mehrlagenbeschichtung jede der mindestens einen ersten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen jede der mindestens einen zweiten Be schichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-1000 nm aufweist, und wobei die harte Mehrlagenbeschichtung eine Ge samtstärke von 0,5-20 µm besitzt.

Gemäss dem vierten Aspekt der Erfindung weist in der im ersten bis dritten Aspekt der Erfindung ge schilderten harten Mehrlagenbeschichtung jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslagen des weiteren (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) auf, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind, so dass die zweite Beschichtungslage eine Zusammensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besitzt.

Der fünfte Aspekt der Erfindung schafft ein mit einer harten Mehrlagenbeschichtung überzogenes Werk zeug, welches folgendes aufweist: die harte Mehrlagenbe schichtung, wie sie in einem der ersten bis vierten Aspekte der Erfindung definiert worden sind; und ein Substrat, wel ches eine mit der harten Mehrlagenbeschichtung überzogene Oberfläche besitzt.

Nach dem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagenbe schichtung geschaffen, wie sie in einem der ersten bis vier ten Aspekte der Erfindung definiert ist, und zwar auf der Oberfläche eines Substrates, indem eine Ionenplattierungsvor richtung vom Lichtbogentyp verwendet wird, welche folgendes aufweist: (a) eine erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle zur Lieferung eines Lichtbogenstromes an eine erste, aus Ti_x Al_1-x gebildete Kathode, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 ist; (b) eine zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle zur Lieferung ei nes Lichtbogenstromes an eine zweite, aus Cr gebildete Katho de; (c) eine Energiequelle für eine Vorspannung zum Anlegen einer negativen Vorspannung an das Substrat; (d) eine Dreh einrichtung zum Drehen des Substrates um eine vorbestimmte Achse; und (e) eine Zufuhreinrichtung für ein Reaktionsgas zum Einführen eines Reaktionsgases in eine Kammer, in der das Substrat und die ersten und zweiten Kathoden untergebracht sind. Das Verfahren umfasst einen Schalt-Verfahrensschritt zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen- Entladungs-Energiequellen, so dass die ersten und zweiten Be schichtungslagen alternierend übereinander abgelegt werden, wobei die Stärke der ersten Beschichtungslage durch Steuern der Zeitperiode, während welcher die erste Lichtbogen- Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelie ferten Lichtbogenstromes eingestellt wird, und wobei die Stärke der zweiten Beschichtungslage durch Steuern der Zeit periode, während welcher die zweite Lichtbogen-Entladungs- Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird.

Nach dem siebenten Aspekt der Erfindung umfasst der Schalt-Verfahrensschritt in dem im sechsten As pekt der Erfindung definierten Verfahren einen simultanen Schalt-Verfahrensschritt, um sowohl die erste wie die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle einzuschalten, so dass jede der mindestens einen zweiten Beschichtungslagen eine Zu sammensetzung aufweist, die aus einem Gemisch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besteht, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind, und wobei die Anteile des CrN und des (Ti_x Al_1-x) (Cy N_1-y) in der Zusammensetzung durch Steuern der Menge an Lichtbogenstrom eingestellt wird, welcher von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird, und der jenigen Menge an Lichtbogenstrom, welcher von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefert wird.

Nach dem achten Aspekt der Erfindung wer den die ersten und zweiten Kathoden bei dem im sechsten oder siebenten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates in einer zur vorbestimmten Achse, um welche das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird, senkrechten Richtung angeord net.

Bei der im ersten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung besitzt das die ers te Beschichtungslage bildende (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) eine Härte (Hv) von etwa 2300-3000, wogegen das die zweite Beschichtungslage bildende CrN eine Härte (Hv) von etwa 1800-2000 besitzt. Auf diese Weise werden die erste Beschichtungslage mit dem relativ ho hen Grad an Härte und die zweite Beschichtungslage mit dem relativ niedrigen Grad an Härte alternierend übereinander ab gelegt, wobei die harte Mehrlagenbeschichtung infolge des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslage mit relativ niedrigem Härtegrad eine erhöhte Zähigkeit besitzt, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung nicht leicht unter dem Ab splittern und Ablösen vom Substrat leidet. Da ferner das CrN nicht oxydiert sein wird, es sei denn CrN würde auf eine hohe Temperatur von etwa 700°C erhitzt, verschlechtert die Anwe senheit von CrN auch nicht die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbeschichtung. Da des weiteren die äusserste oder oberste Lage der harten Mehrlagenbeschichtung von der ersten Beschichtungslage mit einem hohen Härtegrad gebildet sein wird, besitzt die harte Mehrlagenbeschichtung eine ausge zeichnete Abnützungsresistenz.

Die im zweiten Aspekt der Erfindung defi nierte harte Mehrlagenbeschichtung, bei der die innerste oder unterste Schicht von der ersten Beschichtungslage gebildet wird, kann sich mit dem Substrat mit ausgezeichneter Haftung bzw. Bindekraft verbinden.

Bei der im dritten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung besitzen die ersten Beschichtungslagen eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen die zweiten Beschichtungslagen eine durchschnitt liche Stärke von 10-1000 nm aufweisen, und die harte Mehrla genbeschichtung eine Gesamtstärke von 0,5-20 µm hat. Diese Dimensionierungsmerkmale des dritten Aspektes der Erfindung haben die Wirkung, das Absplittern und Ablösen der Mehrlagen beschichtung infolge des Vorhandenseins der zweiten Beschich tungslage weiter zu verhindern, wogegen die Abnützungsresis tenz auf Grund des Vorhandenseins der ersten Beschichtungsla ge beibehalten wird.

Bei der im vierten Aspekt der Erfindung definierten harten Mehrlagenbeschichtung, bei welcher die zweite Beschichtungslage eine Zusammensetzung aus einem Ge misch aus CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) aufweist, werden die zweiten Beschich tungslagen mit den ersten Beschichtungslagen mit grösserer Haft- oder Verbindungskraft verbunden, als wäre die zweite Beschichtungslage nur von CrN gebildet, wobei das Absplittern und Ablösen der harten Mehrlagenbeschichtung mit grösserer Zuverlässigkeit verhindert wird.

Das im fünften Aspekt der Erfindung defi nierte, mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichtete Werkzeug erbringt im wesentlichen dieselben technischen Vor teile, wie die ersten bis vierten Aspekte der Erfindung, und hat eine verbesserte Dauerhaftigkeit bzw. eine verlängerte Lebensdauer.

Bei dem im sechsten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren alterniert die Bildung der ersten Be schichtungslage mit der Bildung der zweiten Beschichtungsla ge, indem die ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Ener giequellen ein- und ausgeschaltet werden, und die Stärke je der der Beschichtungslagen wird durch Steuern des von der entsprechenden Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle geliefer ten Lichtbogenstromes und/oder durch die Energieeinschaltzeit der jeweiligen Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle einge stellt, so dass jede der Beschichtungslagen mit hoher Präzi sion so ausgebildet werden kann, dass sie eine gewünschte Di cke besitzt.

Bei dem im siebenten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren werden die ersten und zweiten Lichtbo gen-Entladungs-Energiequellen eingeschaltet, um dadurch die zweite Beschichtungslage in Form einer gemischten Schicht auszubilden, welche eine Zusammensetzung in Form einer Mi schung CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) aufweist, wobei die Menge an von den jeweiligen ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energie quellen gelieferten Lichtbogenströme gesteuert werden, wo durch in der Mischungszusammensetzung der so gebildeten zwei ten Beschichtungslage vorbestimmte Anteile an Cr und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) erhalten werden.

Bei dem im achten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren werden die ersten und zweiten Kathoden jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates in einer, vorzugsweise horizontalen, Richtung angeordnet, die senkrecht zur oben beschriebenen vorbestimmten Achse liegt, um welche das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird. Die beiden Kathoden sind nämlich in ihren jeweiligen Lagen symmetrisch zueinander bezüglich des Substrats, gesehen in senkrechter Richtung zur vorbestimmten Achse, angeordnet. Somit können die ersten und zweiten Beschichtungslagen im we sentlichen gleichmässig über die gesamte Fläche des Substra tes ausgebildet werden.

Die vorliegende Erfindung kann in vor teilhafter Weise bei einer harten Mehrlagenbeschichtung ange wandt werden, die dazu vorgesehen ist, das Substrat eines be liebigen Bearbeitungswerkzeuges zu bedecken, welches relativ zum Werkstück bewegt wird, um das Werkstück zu bearbeiten, wie etwa ein drehendes Schneidewerkzeug (z. B. ein Schaftfrä ser, ein Bohrer, ein Innengewindeschneider bzw. eine Aussen gewindeschneidvorrichtung), ein nicht-drehendes Werkzeug (z. B. ein austauschbarer Einsatz, der an einem für den Dreh bankbetrieb benutzten Werkzeughalter fixiert ist) oder ein kaltformendes Werkzeug, das dazu ausgebildet ist, durch plas tisches Verformen des Werkstückes in eine gewünschte Form zu bringen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auch für harte Mehrlagenbeschichtungen angewandt werden, die als Ober flächen-Schutzbeschichtung vorgesehen sind, um einen Körper oder ein Element zu bedecken, die sich von solchen Bearbei tungswerkzeugen unterscheiden. Es sei bemerkt, dass das Sub strat des Bearbeitungswerkzeuges, das mit der harten Mehrla genbeschichtung bedeckt werden soll, vorzugsweise aus gesin tertem Carbid hergestellt ist. Das Werkzeug-Substrat kann je doch auch aus anderem metallischen Material hergestellt sein, wie einem Schnell-Werkzeugstahl.

Als erfindungsgemässes Verfahren zum Aus bilden einer harten Mehrlagenbeschichtung wird vorteilhaft ein Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren angewandt wie nach dem sechsten Aspekt der Erfindung. Es ist jedoch möglich, ein anderes physikalisches Bedampfungsverfahren (PVD), wie ein Sputter-Verfahren oder alternativ ein chemisches Bedampfungs verfahren (CVD), wie ein Plasma-CVD-Verfahren bzw. ein ther misches CVD-Verfahren, anzuwenden.

Das in der zweiten Beschichtungslage ent haltene CrN kann aus reinem Chromnitrid bestehen, kann aber auch alternativ C (Kohlenstoff) und/oder B (Bor) enthalten. Das heisst, dass das in der zweiten Beschichtungslage enthal tene CrN auch die Form CrCN (Chrom-Kohlennitrid), CrBN (Chrom-Bornitrid) oder CrCBN (Chrom-Kohlenstoff-Bornitrid) annehmen kann.

Wenn die durchschnittliche Stärke der er sten Beschichtungslage geringer als 10 nm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung keine ausreichende Abnützungsre sistenz besitzen. Falls die durchschnittliche Stärke der er sten Beschichtungslage grösser als 2000 nm ist, dann kann die harte Mehrlagenbeschichtung - trotz des Vorhandenseins der zweiten Beschichtungslage, die den ersten Beschichtungslagen jeweils überlagert ist und einen relativ geringen Härtegrad besitzt - leicht zum Absplittern neigen. Daher beträgt die durchschnittliche Stärke der ersten Beschichtungslage vor zugsweise 10-2000 nm, insbesondere 100-1000 nm. Dann, wenn die harte Mehrlagenbeschichtung eine Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen aufweist, können alle ersten Beschich tungslagen dieselbe Stärke aufweisen oder können sich hin sichtlich ihrer jeweiligen Dicke voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann eine der ersten Beschichtungslagen, welche die äusserste Lage darstellt, eine grössere Dicke aufweisen, als die anderen ersten Beschichtungslagen, um so die Abnutzungs resistenz und die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbe schichtung weiter zu steigern. Es ist ebenfalls möglich, eine Mehrzahl erster Beschichtungslagen in einer auf den Stärken der jeweiligen ersten Beschichtungslagen basierenden Ordnung vorzusehen, so dass eine dickere erste Beschichtungslage, de ren Stärke grösser ist als die einer dünneren ersten Be schichtungslage, weiter aussen von der dünneren ersten Be schichtungslage angeordnet ist.

Wenn die durchschnittliche Stärke der zweiten Beschichtungslage geringer als 10 nm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung nicht im Stande sein, einen Stoss oder eine andere auf die Mehrlagenbeschichtung aufge brachte Kraft ausreichend zu absorbieren. Falls die durch schnittliche Stärke der zweiten Beschichtungslage grösser als 1000 nm ist, dann wird sich die Härte und Hitzebeständigkeit der gesamten harten Mehrlagenbeschichtung verschlechtern. Da her beträgt die durchschnittliche Stärke der zweiten Be schichtungslage vorzugsweise 10-1000 nm, insbesondere 10-500 nm. Dann, wenn die harte Mehrlagenbeschichtung eine Mehrzahl von zweiten Beschichtungslagen aufweist, können alle zweiten Beschichtungslagen dieselbe Stärke aufweisen oder können sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Dicke voneinander unterschei den. Beispielsweise ist es möglich, eine Mehrzahl zweiter Be schichtungslagen in einer auf den Stärken der jeweiligen zweiten Beschichtungslagen basierenden Ordnung vorzusehen, so dass eine dickere zweite Beschichtungslage, deren Stärke grösser ist als die einer dünneren zweiten Beschichtungslage, weiter aussen von der dünneren zweiten Beschichtungslage an geordnet ist.

Wenn die Gesamtstärke der harten Mehrla genbeschichtung geringer als 0,5 µm ist, dann wird die harte Mehrlagenbeschichtung keine ausreichende Abnützungsresistenz und Hitzebeständigkeit besitzen. Wenn die Gesamtstärke der harten Mehrlagenbeschichtung grösser als 20 µm ist, dann ist leicht die Wahrscheinlichkeit gegeben, dass die harte Mehrla genbeschichtung unter Absplitterung und Ablösung vom Substrat leidet. Daher beträgt die Gesamtstärke der harten Mehrlagen beschichtung vorzugsweise 0,5-20 µm, insbesondere 1-10 µm.

Während die zweite Beschichtungslage nach dem vierten Aspekt der Erfindung aus einem Gemisch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) zusammengesetzt ist (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind), kann die zweite Beschichtungslage lediglich aus CrN bestehen. Ferner kann das (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y), welches gemäss dem vierten Aspekt der Erfindung in der gemischten Zusammensetzung der zweiten Beschichtungslage ent halten ist, mit dem (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) der Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage identisch sein, kann aber auch vom (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) der Zusammensetzung der ersten Be schichtungslage in den gemischten Kristallanteilen x und y verschieden sein.

Die nach dem sechsten Aspekt der Erfin dung definierte Zufuhreinrichtung für Reaktionsgas kann einen Aufbau besitzen, der in Abhängigkeit von der gewünschten Zu sammensetzung der ersten Beschichtungslage bestimmt wird. Wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungs lage ein Nitrid ist, kann die Zufuhreinrichtung für Reakti onsgas so ausgebildet werden, dass sie beispielsweise Stick stoff (N₂) als Gas zuführt. Wenn die gewünschte Zusammenset zung der ersten Beschichtungslage ein Carbid-Nitrid ist, kann die Zufuhreinrichtung für Reaktionsgas so ausgebildet werden, dass sie beispielsweise Stickstoff (N₂) und einen Kohlenwas serstoff (CH₄, C₂H₂ etc.) als Gase zuführt. Bei der nach dem sechsten Aspekt der Erfindung definierten Dreheinrichtung er streckt sich die vorbestimmte Achse, um welche das Substrat gedreht wird, vorzugsweise in vertikaler Richtung.

Bei dem nach dem sechsten Aspekt der Er findung definierten Verfahren vergrössert sich die Dicke der ersten und zweiten Beschichtungslagen mit dem Fortschreiten der Zeit, während welcher die ersten und zweiten Lichtbogen- Entladungs-Energiequellen eingeschaltet gehalten werden. Fer ner aber wird sich die Dicke der Beschichtungslagen auch mit der Erhöhung der Menge an Lichtbogenstrom erhöhen, welcher von den ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequel len geliefert wird. Daher kann die Dicke der Beschichtungsla gen durch Steuern der Energieeinschaltzeit jeder der Lichtbo gen-Entladungs-Energiequellen oder auch durch Steuern des von jeder der Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt werden. Es können jedoch auch sowohl die Energieeinschaltzeit als auch der Lichtbogenstrom gesteuert werden, um die Stärke der Beschichtungslagen einzu stellen. Ferner können auch die an das Substrat angelegte Vorspannung oder andere Faktoren einbezogen werden, um die Stärke der Beschichtungslagen zu kontrollieren.

Bei dem nach dem siebenten Aspekt der Er findung definierten Verfahren wird das Substrat durch die Dreheinrichtung derart gedreht, dass CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) am Sub strat in alternierender und wiederholter Weise anhaften. In diesem Falle variiert der Aufbau der zweiten Beschichtungsla ge je nach der Geschwindigkeit, mit welcher das Substrat durch die Dreheinrichtung gedreht wird. Hinsichtlich der Aus bildung der ersten Beschichtungslage haftet das (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) am Sub strat auf Grund der Drehung des Substrats in intermittieren der Weise.

Wenngleich die ersten und zweiten Katho den bei dem nach dem achten Aspekt der Erfindung definierten Verfahren jeweils an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind, können die Positionen der ersten und zweiten Kathoden nötigenfalls verändert werden, bei spielsweise so, dass die ersten und zweiten Kathoden neben einander gelegen sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung dieser Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden detail lierten Beschreibung des zur Zeit bevorzugten Ausführungsbei spieles der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

Fig. 1A ein Seitenriss eines mit einer harten Mehrlagenbeschichtung beschichteten Werkzeugs in Form eines Schaftfräsers ist, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 1B ist ein Querschnitt durch einen Schneidzahnabschnitt des Schaftfräsers nach Fig. 1A, welcher eine harte Mehrlagenbeschichtung veranschaulicht, die am Sub strat des Schaftfräsers vorgesehen ist;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die beispielshalber eine Ionenplattierungsvorrichtung vom Licht bogentyp darstellt, die vorteilhaft zur Ausbildung der in Fig. 1B gezeigten harten Mehrlagenbeschichtung eingesetzt werden kann;

Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Vorgehen zur Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 veranschaulicht; und

Fig. 4 ist eine Tabelle, welche das Er gebnis eines Schneidversuches zeigt, bei welchem zwanzig Pro ben in Form von Schaftfräsern getestet wurden, um ein Werk stück zu schneiden, und welche die Menge an Absplitterungen von einer Schneidekante des jeweiligen Schaftfräsers sowie die Grösse der Abnützung an einer Umfangsflankenfläche jedes Schaftfräsers angibt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1A ist ein Seitenriss eines mit ei ner harten Mehrlagenbeschichtung beschichteten Werkzeugs in Form eines Schaftfräsers 10, der entsprechend einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Schaftfräser 10 weist ein Werkzeugsubstrat (Grundmaterial) 12 auf, das eine im wesentlichen zylindrische Form besitzt und aus gesintertem Carbid ausgebildet ist. Das Werkzeugsubstrat 12 besitzt einen Schneidzahnabschnitt 14 und einen Schaf tabschnitt 15, die einteilig miteinander ausgebildet sind. Der Schneidzahnabschnitt 14, in welchen schraubenlinienförmi ge Auskehlungen und Schneidzähne geformt sind, besitzt eine Oberfläche, die mit einer harten Mehrlagenbeschichtung 20 be schichtet ist. In Fig. 1A stellt der schräg schraffierte Ab schnitt jenen Teil der Oberfläche dar, auf welchem die harte Mehrlagenbeschichtung 20 aufgebracht ist. Jeder der Schneid zähne hat eine Umfangsflankenfläche, eine Boden- oder End flankenfläche und eine Kratzfläche, die durch die entspre chende schraubenlinienförmige Auskehlung bereitgestellt wird, so dass an jedem Schneidzahn eine Umfangsschneidekante 16 und eine Boden- oder Endschneidekante 18 ausgebildet ist. Die Um fangsschneidekante 16 wird durch die Überschneidung der Kratzfläche und der Umfangsflankenfläche definiert, wogegen die Endschneidekante 18 durch die Überschneidung der Kratz fläche und der Endflankenfläche definiert ist. Bei einem Schneidevorgang mit diesem Schaftfräser 10, wird der Schaft fräser 10 um seine Achse gedreht, wobei das Werkstück durch die Schneidekanten 16 und 18 geschnitten wird.

Wie aus Fig. 1B ersichtlich ist, welche einen Querschnitt durch den Schneidzahnabschnitt 14 dar stellt, der mit der harten Mehrlagenbeschichtung 20 beschich tet ist, besteht die harte Mehrlagenbeschichtung 20 aus einer Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen 22 und einer Mehrzahl von zweiten Beschichtungslagen 24, die übereinander liegen, so dass die ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 in einer Laminierungs- oder Überlagerungsrichtung der Be schichtungslagen 22, 24 alternierend angeordnet sind. Die harte Mehrlagenbeschichtung 20 besitzt eine Gesamtstärke von 0,5-20 µm. Jede der ersten Beschichtungslagen 22 hat eine Zu sammensetzung, welche durch (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) repräsentiert wird, und eine durchschnittliche Dicke von 10-2000 nm. Jede der zweiten Be schichtungslagen 24 hat eine Zusammensetzung aus einem Ge misch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind), und eine durchschnittliche Dicke von 10-1000 nm. Das (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y), welches in der Mi schungszusammensetzung jeder der zweiten Beschichtungslagen 24 enthalten ist, ist identisch mit dem (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) der Zusammensetzung jeder der ersten Beschichtungslagen 22. Das in jeder der zweiten Beschichtungslagen 24 enthaltene CrN besteht aus reinem Chromnitrid, das weder Kohlenstoff noch Bor enthält. Die obersten bzw. äussersten Schichten sowie die unterste bzw. innerste Schicht der harten Mehrlagenbeschich tung 20 werden durch erste Beschichtungslagen 22 bereitge stellt, so dass die Gesamtzahl der alternierend angeordneten ersten und zweiten Beschichtungslagen 22 und 24 eine ungerade Zahl ist. Wenn auch die harte Mehrlagenbeschichtung 20 bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einer Mehrzahl von ersten Beschichtungslagen 22 und einer Mehrzahl von zwei ten Beschichtungslagen 24 besteht, so kann die harte Mehrla genbeschichtung gemäss der Erfindung auch aus zwei ersten Be schichtungslagen 22 und einer zweiten Beschichtungslage 24 bestehen, welche zwischen die beiden ersten, als äusserste und innerste Schicht dienenden Beschichtungslagen 22 gelegt ist, so dass die Gesamtzahl der Beschichtungslagen 22, 24 drei ausmacht.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die beispielshalber eine Ionenplattierungsvorrichtung 30 vom Lichtbogentyp darstellt, die vorteilhaft zur Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung 20 eingesetzt werden kann. Die Ionenplattierungsvorrichtung 30 vom Lichtbogentyp umfasst: ein Halteorgan 32 zum Halten einer Vielzahl von Zwischenpro dukten in Form von Substraten 12, von denen ein jedes noch nicht mit der harten Mehrlagenbeschichtung 20 beschichtet ist, aber die Umfangs- und Endschneidekanten 16, 18 bereits darin ausgebildet hat; eine Drehvorrichtung 34 zum Drehen des Halteorgans 32 um eine Drehachse, die sich im wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt; eine Energiequelle 36 für ein Vorspannung zum Anlagen einer negativen Vorspannung an die Substrate 12; ein Bearbeitungsgefäss in Form einer Kammer 38, in der die Substrate 12 untergebracht sind; erste und zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen 44 und 46; eine Zufuhr einrichtung 40 für Reaktionsgas zum Zuführen eines Reaktions gases in die Kammer 38; und eine Vakuumeinrichtung 42 zum Saugen eines Gases ins Innere des Reaktors 22, beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe, um so den Druck im Inneren der Kammer 38 herabzusetzen. Das Halteorgan 32 besteht aus einem zylindrischen oder prismatischen Element, dessen Zentrum an der oben beschriebenen Drehachse liegt. Die Vielzahl von Sub straten 12 wird vom Halteorgan 32 derart gehalten, dass jedes Substrat 12 eine im wesentlichen horizontale Lage einnimmt, wobei der Schneidzahnabschnitt 14 in radialer Richtung des Halteorganes 32 nach aussen vorragt. Die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas ist mit Tanks ausgestattet, in denen je weils Stickstoffgas (N₂) und Kohlenwasserstoffgas (CH₄, C₂H₂ etc.) gelagert sind. Die Zufuhreinrichtung 40 für das Reakti onsgas ist so ausgebildet, dass sie entsprechend einer ge wünschten Zusammensetzung der Beschichtungslage aktiviert werden kann. Das bedeutet, dass die Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas das Stickstoffgas aus dem entsprechenden Tank liefert, wenn die gewünschte Zusammensetzung der ersten Beschichtungslage 22 TiAlN ist, wogegen die Einrichtung 40 aus den entsprechenden Tanks das Stickstoffgas und das Koh lenwasserstoffgas liefert, wenn die gewünschte Zusammenset zung der ersten Beschichtungslage 22 TiAlCN ist. Bei der Aus bildung der zweiten Beschichtungslage 24, welche eine Zusam mensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) hat, welch letzteres mit dem (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) der ersten Beschichtungslage 22 identisch ist, wird das den Stickstoff (N) aufweisende CrN durch Zufuhr von Stickstoffgas gebildet.

Die erste Lichtbogen-Entladungs-Energie quelle 44 ist mit einer Verdampfungsquelle in Form einer ers ten Kathode 48 verbunden, welche aus Ti_x Al_1-x gebildet ist (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 ist) entsprechend der Komponente der ersten Beschichtungslage 22, und auch einer ersten Anode 50. Die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 dient dazu, eine vorbestimmte Menge an Lichtbogenstrom zwischen der ers ten Kathode 48 und der ersten Anode 50 zu liefern, um zwi schen ihnen eine Lichtbogenentladung zu bewirken, so dass das Ti_x Al_1-x aus der ersten Kathode 48 verdampft. Das verdampfte Ti_x Al_1-x verwandelt sich in Metallionen (positive Ionen) und haftet dann an den Substraten 12 an, an welche eine negative Vorspannung durch die Energiequelle 36 für die Vorspannung angelegt ist. In ähnlicher Weise wird die zweite Lichtbogen- Entladungs-Energiequelle 46 mit einer weiteren Verdampfungs quelle in Form einer ersten Kathode 52 verbunden, welche aus Cr gebildet ist entsprechend der Komponente der zweiten Be schichtungslage 24, und auch einer zweiten Anode 54. Die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 dient dazu, ei ne vorbestimmte Menge an Lichtbogenstrom zwischen der zweiten Kathode 52 und der zweiten Anode 54 zu liefern, um zwischen ihnen eine Lichtbogenentladung zu bewirken, so dass das Cr aus der zweiten Kathode 52 verdampft. Das verdampfte Cr ver wandelt sich in Metallionen (positive Ionen) und haftet dann an den Substraten 12 an, an welche eine negative Vorspannung durch die Energiequelle 36 für die Vorspannung angelegt ist. Die ersten und zweiten Kathoden 48 und 52 sind in ihren je weiligen, zueinander bezüglich des Halteorgans 32 symmetri schen Lagen, gesehen in im wesentlichen horizontaler Rich tung, angeordnet.

Die Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, wel ches das Vorgehen zur Ausbildung der harten Mehrlagenbe schichtung 20 auf der Oberfläche des Schneidzahnabschnittes 14 des Substrats 12 unter Verwendung der Ionenplattierungs vorrichtung 30 vom Lichtbogentyp veranschaulicht. Bevor die Verfahrensschritte 51-53 verwirklicht werden, wird der Druck im Inneren der Kammer 38 mittels der Zufuhreinrichtung 40 für das Reaktionsgas und der Vakuumeinrichtung 42 auf einen vor bestimmten Wert gebracht (der beispielsweise von 1,33 × 5 × 10^-1 Pa bis 1,33 × 40 × 10^-1 Pa reicht), während mittels der Energiequelle 36 für die Vorspannung ein vorherbestimmter Wert an negativer Vorspannung (die beispielsweise von -50 V bis -150 V reicht) an die Substrate 12 angelegt wird. Zu die sem Zeitpunkt vakuumiert die Vakuumeinrichtung 42 die Kammer 38, während gleichzeitig die Zufuhreinrichtung 40 für das Re aktionsgas das Reaktionsgas in die Kammer 38 derart liefert, dass der Druck im Inneren der Kammer 38 auf dem oben be schriebenen Wert gehalten wird. Die Verfahrensschritte S1-S3 werden dann in Gang gebracht, indem der Dreheinrichtung 34 aktiviert wird, um das Halteorgan 32 mit einer vorbestimmten Anzahl von Umdrehungen (beispielsweise 3 min^-1) in Drehung zu versetzen, so dass sich die harte Mehrlagenbeschichtung 20 auf dem Substrat 12 ausbildet. Diese Ausbildung der harten Mehrlagenbeschichtung 20 wird unter Steuerung einer Steuer einrichtung durchgeführt, die einen Computer umfasst.

Beim Verfahrensschritt S1 wird die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 46 abgeschalten gehalten, während die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 ein geschaltet ist, so dass sie einen Lichtbogenstrom von etwa 150A annähernd 5 Minuten lang zwischen die erste Kathode 48 und die erste Anode 50 liefert, um dadurch eine Entladung zwischen ihnen zu bewirken, so dass die erste, aus (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) bestehende Beschichtungslage 22 mit vorbestimmter Dicke auf dem Substrat 12 ausgebildet wird. Der Wert des von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 zugeführten Lichtbogenstroms und die Energieeinschaltzeit, über welche die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 eingeschal tet bleibt, werden auf Basis der gewünschten Dicke der ersten Beschichtungslage 22 bestimmt. Unter dieser Voraussetzung, d. h. hier bei einem Stromwert von 150A und einer Energieein schaltzeit von 5 Minuten, ist es möglich, eine aus Ti_0,4Al_0,6N bestehende Beschichtunglage mit einer Stärke von etwa 340 nm als "(Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y)-Lage" (welche die erste Beschich tunglage 22 darstellt) der in der Tabelle der Fig. 4 veran schaulichten Probe Nr. 10 zu bilden. Da das Substrat 12, als Zwischenprodukt, um die oben beschriebene Drehachse gedreht wird, die sich im wesentlichen in vertikaler Richtung er streckt, haftet beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ti_0,4Al_0,6N intermittierend am Substrat 12 an.

Der Verfahrensschritt 51 ist vom Verfah rensschritt 52 gefolgt, in welchem die erste Lichtbogen- Entladungs-Energiequelle 44 eingeschaltet wird, um einen Lichtbogenstrom von etwa 145A annähernd 0,4 Minuten (24 Se kunden) lang zwischen die erste Kathode 48 und die erste Anode 50 zu liefern und dadurch eine Entladung zwischen ihnen zu bewirken, während gleichzeitig die zweite Lichtbogen- Entladungs-Energiequelle 46 eingeschalten gehalten wird, um einen Lichtbogenstrom von etwa 120A zwischen die zweite Ka thode 52 und die zweite Anode 54 über denselben Zeitraum (von etwa 0,4 Minuten) zu liefern und dadurch eine Entladung zwi schen ihnen zu bewirken, so dass die aus einem Gemisch von (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) und CrN bestehende zweite Beschichtungs lage 24 mit vorbestimmter Dicke auf der ersten Beschichtungs lage 22 ausgebildet wird, die in der oben beschriebenen Weise gebildet wurde. Die Werte der von den jeweiligen ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 und 46 gelie ferten Lichtbogenströme werden auf Basis der gewünschten An teile an (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) und CrN und der gewünschten Stärke der zweiten Beschichtungslage 24 bestimmt. Die Ener gieeinschaltzeiten der ersten und zweiten Lichtbogen- Entladungs-Energiequellen 44 und 46 werden auf der Basis der gewünschten Stärke der zweiten Beschichtungslage 24 bestimmt. Unter dieser Voraussetzung ist es möglich, eine aus einem Ge misch von Ti_0,4Al_0,6N und CrN bestehende Beschichtungslage mit einer Stärke von etwa 20 nm als "Cr-Gemischlage" (welche die zweite Beschichtungslage 24 darstellt) der in der Tabelle der Fig. 4 veranschaulichten Probe Nr. 10 zu bilden. Da das Sub strat 12, als Zwischenprodukt, um die oben beschriebene Dreh achse gedreht wird, die sich im wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt, haften beim vorliegenden Ausführungsbei spiel das Ti_0,4Al_0,6N und das CrN alternierend und wiederholt am Substrat 12 an, während sie teilweise untereinander ver mischt sind.

Die oben beschriebenen Verfahrensschritte S1 und S2 werden über eine vorbestimmte Anzahl (n-1) von Ma len durchgeführt, wobei die vorbestimmte Anzahl um eins (1) kleiner ist als die Gesamtanzahl (n) der ersten und zweiten Beschichtungslagen 22, 24. Nach der vorbestimmten Anzahl (n- 1) von Malen der Durchführung der Verfahrensschritte S1 und S2, wird der Verfahrensschritt S3 in Gang gebracht, um die erste Beschichtungslage 22 als äusserste Lage zu bilden. Bei spielsweise werden im Falle der Probe Nr. 10 in der Tabelle der Fig. 4, bei welcher die Gesamtanzahl der ersten und zwei ten Beschichtungslagen 22 und 24 fünfzehn beträgt, die Ver fahrensschritte S1 und S2 vierzehn Male alternierend durchge führt, um so alternierend die ersten und zweiten Beschich tungslagen 22, 24 auszubilden. Nach der Bildung der sieben ersten Beschichtungslagen 22 mit jeweils gleicher Dicke und den sieben zweiten Beschichtungslagen 24 mit jeweils gleicher Dicke wird also der Verfahrensschritt S3 durchgeführt. Im Verfahrensschritt S3 ist die Zeit zur Bildung der ersten Be schichtungslage 22, d. h. die Energieeinschaltzeit während welcher die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle 44 ein geschaltet gehalten wird, um einen vorbestimmten Zeitraum α länger als beim Verfahrensschritt S1, wodurch die Dicke der im Verfahrensschritt S3 ausgebildeten ersten Beschichtungsla ge 22 grösser ist als diejenige der im Verfahrensschritt S1 ausgebildeten ersten Beschichtungslage 22. Somit schafft die Durchführung des Verfahrensschrittes S3 als äusserste Lage eine erste Beschichtungslage 22 mit ausgezeichneter Hitzebe ständigkeit und Abnützungsresistenz. Es sei bemerkt, dass in der Spalte "Dicke (nm)" der "(Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y)-Schicht" in der Tabelle der Fig. 4 der an der rechten Seite des "/ (Schrägstriches)" angegebene Wert die Dicke der ersten Be schichtungslage 22 als der äussersten Lage darstellt, wogegen der an der linken Seite des "/ (Schrägstriches)" angegebene Wert die Dicke der anderen, als der äussersten, ersten Be schichtungslagen 22 repräsentiert.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt das jede der ersten Beschichtungslagen 22 bildende (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) (worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) eine Härte (Hv) von etwa 2300-3000, wogegen das CrN eine Härte (Hv) von annähernd 1800-2000 hat. Somit hat jede der zweiten Beschichtungslagen 24, welche aus einer Mi schung aus (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) und CrN bestehen, eine gerin gere Härte als jede der ersten Beschichtungslagen 22. Die harte Mehrlagenbeschichtung 20, bei welcher die ersten Be schichtungslagen 22 mit einem relativ hohen Härtegrad und die zweiten Beschichtungslagen 24 mit einem relativ niedrigen Härtegrad alternierend übereinander gelagert sind, hat eine Zähigkeit, die auf Grund des Vorhandenseins der zweiten Be schichtungslagen 24 mit relativ niedrigem Härtegrad vergrös sert ist, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung 20 nicht leicht unter dem Absplittern und Ablösen vom Substrat 12 lei det und demgemäss eine verbesserte Dauerhaftigkeit bzw. eine verlängerte Lebensdauer aufweist.

Ferner besitzt jede der ersten Beschich tungslagen 22 eine durchschnittliche Stärke von 10-2000 nm, wogegen jede der zweiten Beschichtungslagen 24 eine durch schnittliche Stärke von 10-1000 nm aufweist und die harte Mehrlagenbeschichtung 20 eine Gesamtstärke von 0,5-20 µm hat. Diese Dimensionsangaben wirken sich dahingehend aus, dass sie auf Grund der Anwesenheit der zweiten Beschichtungslagen 24 die Verhinderung eines Absplitterns bzw. eines Ablösens der harten Mehrlagenbeschichtung 20 sichern, wogegen die Abnüt zungsresistenz auf Grund der Anwesenheit der ersten Beschich tungslagen 22 aufrecht erhalten wird.

Da ausserdem die äusserste Lage der har ten Mehrlagenbeschichtung 20, d. h. die Aussenfläche der Mehr lagenbeschichtung 20, von einer der ersten Bechichtungslagen 22 mit relativ hohem Härtegrad gebildet ist, besitzt die har te Mehrlagenbeschichtung 20 eine ausgezeichnete Abnützungsre sistenz. Dies insbesondere beim vorliegenden Ausführungsbei spiel, bei welchem diejenige erste Beschichtungslage 22, wel che die äusserste Lage bildet, eine grössere Dicke besitzt als die anderen ersten Beschichtungslagen 22, so dass die harte Mehrlagenbeschichtung 20 eine noch bessere Abnützungs resistenz besitzt.

Da des weiteren beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung die im Kontakt mit dem Substrat 12 befindliche innerste Lage ebenfalls von einer der ersten Beschichtungslagen 22 gebildet ist, die aus (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besteht, kann die harte Mehrlagenbeschichtung 20 mit ausgezeichneter Haft- und Bindekraft mit dem Substrat 12 ver bunden werden, wodurch das Ablösen der Mehrlagenbeschichtung 20 vom Substrat 12 noch wirksamer verhindert werden kann.

Weil überdies jede der zweiten Beschich tungslagen 24 eine Zusammensetzung aus einem Gemisch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besitzt, werden die zweiten Beschich tungslagen 24 an die ersten Beschichtungslagen 22 mit einem höheren Grad an Haft- und Bindestärke verbunden, als würde jede der zweiten Beschichtungslagen 24 nur aus CrN bestehen, wodurch das Absplittern und Ablösen der Mehrlagenbeschichtung 20 noch zuverlässiger verhindert werden kann. Das CrN wird so lange nicht oxydiert, als das CrN nicht auf eine höhere Tem peratur von etwa 700°C aufgeheizt wird, so dass die Gegenwart von CrN die Hitzebeständigkeit der harten Mehrlagenbeschich tung 20 nicht beeinträchtigt.

Die Ausbildung der ersten Beschichtungs lage 22 und der zweiten Beschichtungslage 24 wird beim vor liegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ferner durch Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs- Energiequellen 44 und 46 alternierend ausgebildet, und die Dicke jeder der Beschichtungslagen 22 und 24 wird durch Steu ern des entsprechenden Lichtbogen-Stromwertes und der Ener gieeinschaltzeit der entsprechenden Lichtbogen-Entladungs- Energiequelle eingestellt, so dass jede der Beschichtungsla gen 22, 24 so ausgebildet werden kann, dass sie mit hoher Ge nauigkeit die gewünschte Dicke besitzt.

Ferner werden die ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen 44 und 46 dann beide eingeschaltet, um so die zweite Beschichtungslage 24 als ge mischte Schicht mit einem Zusammensetzungsgemisch aus CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) auszubilden, wogegen die Menge an von den jeweiligen ersten und zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energie quellen 44 und 46 geliefertem Lichtbogenstrom so gesteuert werden, dass man im Zusammensetzungsgemisch der gebildeten zweiten Beschichtungslage 24 leicht vorbestimmte Anteile an CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) erhält.

Des weiteren werden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die ersten und zweiten Ka thoden 48 und 52 jeweils an einander gegenüberliegenden Sei ten des Halteorgans 32 in im wesentlichen horizontaler Rich tung angeordnet, während das Halteorgan 32 durch die Drehein richtung 34 um die Drehachse gedreht wird, welche sich im we sentlichen in vertikaler Richtung erstreckt. Diese Anordnung bewirkt, dass es möglich wird, die ersten und zweiten Be schichtungslagen 22 und 24 im wesentlichen gleichmässig über die gesamte Oberfläche des Substrates 12 auszubilden.

Es wurde ein Schneidtest mit den Proben 1-20, d. h. zwanzig Quadrat-Schaftfräsern, jeder mit zwei Zäh nen und einem Durchmesser von 10 mm, durchgeführt. Die Sub strate dieser Schaftfräser sind aus gesintertem Carbid herge stellt und sind mit jeweils voneinander verschiedenen Be schichtungen bedeckt, wie in der Tabelle der Fig. 4 angegeben ist. Die Proben 1-15 sind Beispiele nach der vorliegenden Er findung. Die Proben 16 und 17 sind Vergleichsbeispiele, bei denen jeweils die Beschichtung aus einer einzigen Beschich tungslage besteht, die nur aus CrN gebildet wurde. Die Proben 18-20 sind herkömmliche Beispiele, bei denen jeweils die Be schichtung aus einer einzigen Beschichtungslage besteht, die nur aus TiAlN gebildet wurde. Nachdem ein Werkstück an seiner Seitenfläche von jedem der Schaftfräser über einen Abstand von 50 m unter Schneidbedingungen geschnitten wurde, wie sie unten spezifiziert sind, wurden bei dem Test die abgesplit terte Menge in den Umfangs- und Endschneideflächen und ebenso die abgenützte Menge in den Umfangsflankenflächen überprüft. Die abgesplitterte Menge von den Schneidekanten jedes Schaftfräsers wurde mit "VIEL", "ETWAS" oder "WENIG" klassifi ziert, wie in der Spalte "Absplittern" der Tabelle der Fig. 4 angegeben ist. "VIEL" gibt an, dass die entsprechende Probe beträchtlich an Absplitterungen während des Schneidebetriebes des Tests litt, und dass die entsprechende Probe für die Ver wendung unter den unten angegebenen Schneidebedingungen nicht geeignet und daher auch als Produkt nicht vermarktbar ist. "ETWAS" gibt an, dass die entsprechende Probe etwas unter Ab splitterungen litt, und zwar in einem solchen Ausmass, dass die Probe für eine Vermarktung nicht unbrauchbar wird. "WENIG" zeigt an, dass die entsprechende Probe nie oder nur wenig unter Absplitterungen litt, so dass ein abgesplitterter Anteil entweder gar nicht existierte oder zu gering war, um visuell bestätigt werden zu können.

Schneidebedingungen

Werkstück: SKD61 (50HRC)
Umdrehungszahl: 5000 min^-1

(157 m/min)
Zufuhrgeschwindigkeit: 426 mm/min (0,043 mm/Zahn)
Schneidetiefe:
RD (radiale Tiefe) = 10 mm
AD (axiale Tiefe) = 0,2 mm
Schneidfluid: Trockenes Schneiden unter Anwendung eines Luft strahls;
Verwendete Fräsmaschine: Horizontales Bearbeitungszentrum.

Aus dem Ergebnis des in der Tabelle der Fig. 4 angegebenen Schneidetests ist ersichtlich, dass bei den erfindungsgemässen Beispielen (Proben 1-15) die Schneid kanten "WENIG" oder "ETWAS" abgesplittert und die Umfangsflan kenflächen über eine nicht grössere Breite als etwa 0,1 mm abgenützt waren. Somit zweigte jede der Proben 1-15 einen ausreichend hohen Grad an Dauerhaftigkeit für den praktischen Gebrauch. Anderseits wurden bei den Vergleichsbeispielen (Proben 16 und 17), bei denen das Substrat mit der Beschich tung aus einer einzigen, nur aus CrN bestehenden Lage über deckt ist, die Schneidekanten zwar nur "WENIG" abgesplittert, doch waren die Umfangsflankenflächen über eine beträchtlich grosse Breite von ungefähr 0,4 mm abgenützt. Somit wies jede der Proben 16 und 17 keinen ausreichend hohen Grad an Dauer haftigkeit bzw. Abnützungsresistenz auf. Bei den herkömmli chen Beispielen (Proben 18-20), bei denen das Substrat je weils mit einer Beschichtung aus einer einzigen Lage beste hend lediglich aus TiAlN beschichtet war, wurden die Schneid kanten "VIEL", d. h. sehr abgesplittert, und die Umfangsflan kenflächen waren über eine nicht geringere als 0,15 mm grosse Breite abgenützt. Es ist zu bedenken, dass die Schneidkanten bei Anwendung eines Schlages während des Schneidebetriebes auf sie leicht absplitterten, und dass sich die Abnützung der Umfangsflankenflächen jeweils ausgehend von den abgesplitter ten Teilen der Schneidkanten entwickelte. Somit zeigte jede der Proben 18-20 eine schlechte Dauerhaftigkeit.

Wenngleich oben nur die zur Zeit bevor zugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt worden ist, so versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten des dargestellten Ausführungsbeispiels be schränkt ist, sondern mit verschiedenen anderen Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die den Fachleuten geläufig sind, ohne den Grundgedanken und den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert sind.

Claims

1. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) mit wenigs tens einer ersten Beschichtungslage (22) und mindestens einer zweiten Beschichtungslage (24), die alternierend einander überlagert sind,
bei welcher jede der ersten Beschichtungslagen (22) aus (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besteht, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind, während jede der zweiten Beschichtungs lagen (24) CrN aufweist oder daraus besteht,
und bei welcher eine der wenigstens einen ersten Beschichtungslagen die äusserste Schicht der harten Mehrla genbeschichtung bildet.

2. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine erste Beschichtungslage (22) aus einer Mehrzahl erster Beschichtungslagen (22) besteht, von denen eine davon die innerste Lage der harten Mehrlagenbe schichtung bildet.

3. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der jede der wenigstens einen ersten Beschich tungslagen (22) eine durchschnittliche Dicke von 10-2000 nm besitzt, wogegen jede der wenigstens einen zweiten Beschich tungslagen (24) eine durchschnittliche Dicke von 10-1000 nm aufweisen, und bei der die harten Mehrlagenbeschichtung eine Gesamtstärke von 0,5-20 µm hat.

4. Harte Mehrlagenbeschichtung (20) nach einem der Ansprüche 1-3, bei der jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungslagen (24) des weiteren (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) aufweist, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind.

5. Mit einer harten Mehrlagenbeschichtung be schichtetes Werkzeug (10) welches folgendes aufweist:
die harte Mehrlagenbeschichtung (20), wie sie in einem der Ansprüche 1-4 definiert ist; und
ein Substrat (12), mit einer mit der harten Mehr lagenbeschichtung überzogenen Fläche.

6. Verfahren zum Ausbilden der harten Mehrlagen beschichtung (20), wie sie in einem der Ansprüche 1-4 defi niert ist, auf einer Oberfläche eines Substrats (12) durch Verwendung einer Ionenplattierungsvorrichtung (30) vom Licht bogentyp, welche folgendes aufweist: (a) eine erste Lichtbo gen-Entladungs-Energiequelle (44) zur Lieferung eines Licht bogenstromes an eine erste, aus Ti_x Al_1-x gebildete Kathode (48), worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 ist; (b) eine zweite Lichtbogen- Entladungs-Energiequelle (46) zur Lieferung eines Lichtbogen stromes an eine zweite, aus Cr gebildete Kathode (52); (c) eine Energiequelle (36) für eine Vorspannung zum Anlegen ei ner negativen Vorspannung an das Substrat; (d) eine Drehein richtung (34) zum Drehen des Substrates um eine vorbestimmte Achse; und (e) eine Zufuhreinrichtung (40) für ein Reaktions gas zum Einführen eines Reaktionsgases in eine Kammer (38), in der das Substrat und die ersten und zweiten Kathoden un tergebracht sind, welches Verfahren folgendes aufweist:
einen Schalt-Verfahrensschritt (S1, S2, S3) zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Lichtbogen- Entladungs-Energiequellen, so dass die ersten und zweiten Be schichtungslagen (22, 24) alternierend übereinander abgelegt werden,
wobei die Stärke der ersten Beschichtungslage (22) durch Steuern der Zeitperiode, während welcher die erste Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der ersten Lichtbogen-Entladungs- Energiequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird,
und wobei die Stärke der zweiten Beschichtungsla ge durch Steuern der Zeitperioden, während welcher die zweite Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle eingeschaltet gehalten ist und/oder des von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Ener giequelle gelieferten Lichtbogenstromes eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schalt- Verfahrensschritt einen simultanen Schalt-Verfahrensschritt (S2) zum Einschalten sowohl der ersten als auch der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequellen (44, 46) derart auf weist, dass jede der wenigstens einen zweiten Beschichtungs lagen (24) eine Zusammensetzung besitzt, die aus einem Ge misch von CrN und (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) besteht, worin 0,20 ≦ x ≦ 0,60 und 0 ≦ y ≦ 0,5 sind) sind, und wobei die Anteile des CrN und des (Ti_x Al_1-x) (C_y N_1-y) in der Zusammensetzung durch Steuern der Menge an Lichtbogenstrom eingestellt wird, wel cher von der ersten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle ge liefert wird, und derjenigen Menge an Lichtbogenstrom, wel cher von der zweiten Lichtbogen-Entladungs-Energiequelle ge liefert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die ersten und zweiten Kathoden (48, 50) jeweils an einander ge genüberliegenden Seiten des Substrates (12) in einer zur vor bestimmten Achse, um welche das Substrat durch die Drehein richtung (34) gedreht wird, senkrechten Richtung angeordnet sind.