DE112008003935B4

DE112008003935B4 - Hartstoffbeschichtung und mit Hartstoffbeschichtung beschichtetes Arbeitswerkzeug

Info

Publication number: DE112008003935B4
Application number: DE112008003935.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Sugita; Takaomi Toihara; Takamasa Suzuki
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: US20110117342A1; CN102099137A; KR101264992B1; KR20110018459A; US8697229B2; JPWO2010007661A1; DE112008003935T5; WO2010007661A1

Abstract

Hartstoffbeschichtung (20), die auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Elements (12) ausgebildet ist, wobei die Hartstoffbeschichtung (20) einen Dreischichtaufbau hat aus einer dritten Schicht (26), die in Kontakt mit der Oberfläche des vorbestimmten Elements (12) ausgebildet ist, einer zweiten Schicht (24), die auf der dritten Schicht (26) ausgebildet ist, und einer ersten Schicht (22), die auf der zweiten Schicht (24) ausgebildet ist, um die Oberfläche zu bilden, wobei die dritte Schicht (26) aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid besteht, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (22) aus (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) besteht mit der Voraussetzung, dass SiC Siliziumcarbid ist und a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0 ≤ a ≤ 0,2, 0,01 ≤ b ≤ 0,2, 0 ≤ c ≤ 0,5 und 0 ≤ d ≤ 0,3 sind; und die zweite Schicht (24) aus AlCrN oder AlCrDN besteht mit der Voraussetzung, dass D entweder ein Element der Gruppe IVa, der Gruppe Va und der Gruppe VIa, ausgenommen Cr, des Periodensystems der Elemente oder Y umfasst oder SiC umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hartstoffbeschichtung nach Patentanspruch 1 und auf ein damit beschichtetes Arbeitswerkzeug nach Patentanspruch 4.
STAND DER TECHNIK
Bislang sind vielfach Versuche mit dem Ziel unternommen worden, auf der Oberfläche eines vorbestimmten Elements, etwa eines Werkzeuggrundelements (Werkzeuggrundmaterials) oder dergleichen, das aus Schnellarbeitswerkzeugstahl und Hartmetall oder dergleichen besteht, eine Hartstoffbeschichtung auszubilden. Zum Beispiel wurde in der Patentpublikation 1 der Vorschlag gemacht, eine Schicht B mit hervorragender Beständigkeit gegen Anhaften auf einer Schicht A mit hervorragender Verschleißbeständigkeit auszubilden. Die Schicht A besteht aus Nitrid und Carbonitrid usw. von Ti, Cr, Al und Si oder dergleichen, während die Schicht B aus Oxid und Borid usw. von Ti, Cr, Al und Si oder dergleichen besteht.
Darüber hinaus ist aus der Patentpublikation 2 eine Hartstoffbeschichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt. Diese Hartstoffbeschichtung hat einen Dreischichtaufbau, bei dem die innen liegende Schicht aus TiAlCrX_1-aN_a besteht, wobei ”X” für Kohlenstoff oder Sauerstoff steht und 0,5 ≤ a ≤ 1 erfüllt ist.
Patentpublikation 1: JP 2007-15106 A
Patentpublikation 2: DE 10 2006 000 259 A1
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Bei der Hartstoffbeschichtung der Patentpublikation 1 hatte das Werkzeuggrundmaterial oder dergleichen nicht unbedingt ausreichende Haftfestigkeit. Und zwar ist beispielsweise ein Problem entstanden durch das Auftreten von Ablösen oder Verschleiß aufgrund von Abplatzen im Frühstadium mit der sich ergebenden Folge einer schlechteren Werkstückoberfläche und von Schwankungen bei der Schneidleistung, wenn Schneidarbeit an rostfreiem Stahl erfolgt oder wenn Schneidarbeit an einem Werkstückmaterial erfolgt, das eine höhere Neigung zum Anhaften hat und dessen Härte 50 HRC oder weniger beträgt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einem Werkzeuggrundmaterial mit hoher Haftfestigkeit eine Hartstoffbeschichtung ausbilden zu können, die eine hervorragenden Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegen Anhaften hat, um für eine lange Zeitdauer stabil hervorragende Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegen Anhaften zu erzielen, und ein mit der Hartstoffbeschichtung beschichtetes Arbeitswerkzeug bereitzustellen.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Um die obige Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung eine Hartstoffbeschichtung gemäß Patentanspruch 1 vor, die auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Elements ausgebildet ist, wobei die Hartstoffbeschichtung Folgendes umfasst: (a) einen Dreischichtaufbau aus einer dritten Schicht, die in Kontakt mit der Oberfläche des vorbestimmten Elements ausgebildet ist, einer zweiten Schicht, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist, und einer ersten Schicht, die auf der zweiten Schicht ausgebildet ist, um die Oberfläche zu bilden; (b) wobei die erste Schicht aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d) besteht mit der Voraussetzung, dass SiC Siliziumcarbid ist und a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0 ≤ a ≤ 0,2, 0,01 ≤ b ≤ 0,2, 0 ≤ c ≤ 0,5 und 0 ≤ d ≤ 0,3 sind; (c) wobei die zweite Schicht aus AlCrN oder AlCrDN besteht mit der Voraussetzung, dass D entweder ein Element der Gruppe IVa, der Gruppe Va und der Gruppe VIa (ausgenommen Cr) des Periodensystems der Elemente oder Y umfasst oder SiC (Siliziumcarbid) umfasst; und (d) wobei die dritte Schicht aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid besteht, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W umfasst.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Hartstoffbeschichtung gemäß Patentanspruch 2 vor, wobei (a) eine Mischschicht aus der ersten und zweiten Schicht, die die beiden Zusammensetzungen der ersten und zweiten Schicht hat, in einem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten ausgebildet ist, indem zwischen Ausbildungsbehandlungen der ersten und zweiten Schicht zu versetzten Zeitpunkten umgeschaltet wird, sodass die Ausbildungsbehandlungen für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Doppel erfolgen; und (b) eine Mischschicht der zweiten und dritten Schicht, die die beiden Zusammensetzungen der zweiten und dritten Schicht hat, in einem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten ausgebildet ist, indem zwischen Ausbildungsbehandlungen der zweiten und dritten Schicht zu versetzten Zeitpunkten umgeschaltet wird, sodass die Ausbildungsbehandlungen für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Doppel erfolgen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Hartstoffbeschichtung gemäß Patentanspruch 3 vor, wobei (a) die Gesamtschichtdicke Ttotal der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht in einem Bereich von 0,05 bis 15 μm liegt; (b) die Schichtdicke T1 der ersten Schicht in einem Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; (c) die Schichtdicke T3 der dritten Schicht in einem Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; und (d) die Schichtdicke T2 der zweiten Schicht bei einem Wert von (Ttotal-T1-T3) liegt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein mit einer Hartstoffbeschichtung beschichtetes Arbeitswerkzeug, das ein Werkzeuggrundmaterial aufweist, dessen Oberfläche mit der Hartstoffbeschichtung gemäß der Erfindung beschichtet ist.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Bei der Hartstoffbeschichtung gemäß der Erfindung besteht die zweite Schicht aus AlCrN oder AlCrDN mit der Voraussetzung, dass D entweder ein Element der Gruppe IVa, der Gruppe Va und der Gruppe VIa (ausgenommen Cr) des Periodensystems der Elemente oder Y umfasst oder SiC (Siliziumcarbid) umfasst, wodurch hervorragende Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Die erste Schicht ist als oberste Schicht vorgesehen und besteht aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d) mit der Voraussetzung, dass SiC Siliziumcarbid ist und a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0 ≤ a ≤ 0,2, 0,01 ≤ b ≤ 0,2, 0 ≤ c ≤ 0,5 und 0 ≤ d ≤ 0,3 sind, wodurch hervorragende Beständigkeit gegen Anhaften erzielt wird. Die dritte Schicht, die zwischen dem vorbestimmten Element, etwa einem Werkzeuggrundmaterial oder dergleichen, auf dem die Hartstoffbeschichtung auszubilden ist, und der zweiten Schicht eingeschoben ist, besteht aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W enthält, wodurch eine erhöhte Haftfestigkeit erzielt wird. Dies ermöglicht es, über eine längere Zeitdauer stabil eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegen Anhaften zu erzielen. Im Fall von beispielsweise einem mit einer Hartstoffbeschichtung beschichteten Bearbeitungswerkzeug, wie es gemäß Patentanspruch 4 definiert ist, kann das Auftreten von Ablösen und Verschleiß aufgrund von Abplatzen unterdrückt werden und kann selbst dann eine günstige Bearbeitungsoberfläche erzielt werden, wenn Schneidarbeit an rostfreiem Stahl erfolgt oder wenn Schneidarbeit an einem Werkstückmaterial erfolgt, bei dem die Neigung zum Anhaften besteht und dessen Härte 50 HRC oder weniger beträgt. Des Weiteren führt dies zur Fähigkeit, eine vorbestimmte Schneidleistung unter einer sich daraus ergebenden Verlängerung der Werkzeuglebensdauer zu erzielen. Insbesondere weil die als oberste Schicht ausgebildete erste Schicht SiC (Siliziumcarbid) enthält, erhöht sich die Oberflächenhärte (auf ein Niveau von beispielsweise 3000 HV oder mehr), wodurch dann aufgrund der erhöhten Oberflächenhärte wie auch durch die Beständigkeit gegen Anhaften und die Haftfestigkeit eine deutliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Dies sorgt insbesondere dann für eine hervorragende, die Verschleißbeständigkeit erhöhende Wirkung, wenn Schneidarbeit an einem Werkstückmaterial mit hoher Härte erfolgt.
Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist die Mischschicht aus sowohl der ersten und zweiten Schicht in dem Grenzabschnitt zwischen diesen Schichten ausgebildet und ist eine Mischschicht aus sowohl der zweiten und dritten Schicht in dem Grenzabschnitt zwischen diesen Schichten ausgebildet. Dies führt zu einer Erhöhung der gegenseitigen Haftfestigkeit zwischen der ersten, zweiten und dritten Schicht bei einer sich daraus ergebenden, weiter verstärkten Wirkung beim Unterdrücken des Auftretens von Ablösen und Verschleiß aufgrund von Abplatzen. Wenn die erste bis dritte Schicht durch ein PVD-Verfahren, etwa ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren, ein Sputterverfahren und dergleichen, ausgebildet werden, kann das Ausbilden der ersten bis dritten Schicht einschließlich dieser Mischschichten kontinuierlich und effizient erfolgen, indem der Umschaltzeitpunkt für die Targets und/oder Reaktionsgase geeignet festgelegt wird, sodass die Mischschichten ausgebildet werden.
Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 liegt die Gesamtschichtdicke Ttotal der ersten bis dritten Schicht in einem Bereich von 0,05 bis 15 μm, wobei: die Schichtdicke T1 der ersten Schicht in einem Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; die Schichtdicke T3 der dritten Schicht in einem Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; und die Schichtdicke T2 der zweiten Schicht bei einem Wert von (Ttotal-T1-T3) liegt. Dadurch können verschiedene Wirkungen erzielt werden, einschließlich einer Verbesserung der Beständigkeit gegen Anhaften durch die erste Schicht, einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit durch die zweite Schicht und einer Verbesserung der Haftfestigkeit durch die dritte Schicht.
KURZBESCRHEIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1(a) bis 1(c) sind Ansichten, die einen Schaftfräser darstellen, bei dem die Erfindung eingesetzt wird, wobei 1(a) eine Vorderansicht bei Betrachtung in einer zur Achse senkrechten Richtung ist, während 1(b) eine vergrößerte Bodenansicht bei Betrachtung von einem Vorderende und 1(c) eine vergrößerte Schnittansicht der Umgebung einer Oberfläche des mit der Hartstoffbeschichtung versehenen Schneidabschnitts ist.
2 ist eine Ansicht, die konkrete Beispiele der Hartstoffbeschichtung der Erfindung, die an den in 1 beschriebenen Schaftfräsern vorgesehen wurden, und Ergebnisse zeigt, die durch Überprüfen der Freiflächen-Abnutzungsbreiten (Verschleißbeständigkeiten) der Schaftfräser erzielt wurden, nachdem mit solchen Schaftfräsern unter vorbestimmten Bedingungen Schneidarbeiten durchgeführt worden waren.
3 ist eine Ansicht, die Ergebnisse zeigt, die durch Überprüfen von Freiflächen-Abnutzungsbreiten (Verschleißbeständigkeiten) von Vergleichsbeispielen erzielt wurden, die sich unter den gleichen Schneidbedingungen wie in 2 von der Erfindung hinsichtlich des Atomverhältnisses der ersten Schicht und der Schichtdicken usw. unterschieden.
4 ist eine Konzeptansicht, die eine Stift-Scheibe-Reibeversuchsmaschine darstellt, die verwendet wurde, als unter Verwendung von Probestücken, die mit vorbestimmten Hartstoffbeschichtungen versehen waren, Reibverschleißversuche durchgeführt wurden.
5 zeigt Fotografien von Verschleißmarken einer Hartstoffbeschichtung der Erfindung und einer Hartstoffbeschichtung des Stands der Technik, die von Reibverschleißversuchen stammten, die mit der in 4 gezeigten Vorrichtung an Materialen aus S45C durchgeführt wurden.
6 zeigt Fotografien von Verschleißmarken einer Hartstoffbeschichtung der Erfindung und einer Hartstoffbeschichtung des Stands der Technik, die von Reibverschleißversuchen stammten, die mit der in 4 gezeigten Vorrichtung an Materialen aus SUS304 durchgeführt wurden.
Bezugszeichenliste

10: Schaftfräser (mit Hartstoffbeschichtung beschichtetes Arbeitswerkzeug)
12: Werkzeuggrundmaterial (vorbestimmtes Element)
20: Hartstoffbeschichtung
22: erste Schicht
24: zweite Schicht
26: dritte Schicht

BESTE AUSFÜHRUNGSART FÜR DIE ERFINDUNG
Die Erfindung kann vorzugsweise bei einer Hartstoffbeschichtung eingesetzt werden, die auf Oberflächen verschiedener Arbeitswerkzeuge eingesetzt werden, etwa auf rotierenden Schneidwerkzeugen wie einem Schaftfräser, einem Gewindebohrer und einem Bohrer usw. und zusätzlich auf einem nicht rotierenden Schneidwerkzeug wie einem Drehmeißel oder dergleichen oder auf einem Walzwerkzeug oder dergleichen. Die Erfindung kann auch bei einer Hartstoffbeschichtung eingesetzt werden, die auf einer Oberfläche eines anderen Elements als dem Schneidwerkzeug ausgebildet ist, zum Beispiel als Oberflächenschutzschicht einer Halbleitervorrichtung oder dergleichen. Mittel zum Ausbilden der Hartstoffbeschichtung können vorzugsweise ein PVD-Verfahren (physikalische Dampfabscheidung) einschließen, etwa ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren, ein Sputterverfahren oder dergleichen.
Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist zwar die Mischschicht aus der ersten und zweiten Schicht in dem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten ausgebildet, und die Mischschicht aus der zweiten und dritten Schicht ist in dem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten ausgebildet, doch können auch keine Mischschichten vorgesehen sein. Die erste Schicht kann direkt auf der zweiten Schicht und die zweite Schicht kann direkt auf der dritten Schicht ausgebildet sein. Die Mischschicht kann auch nur in entweder dem Grenzabschnitt zwischen der ersten und zweiten Schicht oder dem Grenzabschnitt zwischen der zweiten und dritten Schicht vorgesehen sein.
Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 liegt die Gesamtschichtdicke Ttotal im Bereich von 0,05 bis 15 μm. Falls die Gesamtbeschichtdicke Ttotal weniger als 0,05 μm beträgt, dann fällt es schwer, eine Hartstoffbeschichtung mit ausreichender Leistung zu erzielen, und falls die Gesamtschichtdicke Ttotal mehr als 15 μm beträgt, dann ist ein Schneidspan des Schneidwerkzeugs abgerundet oder dergleichen bei einer sich daraus ergebenden Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Werkzeugleistung. Die Schichtdicke T1 der ersten Schicht liegt im Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal. Falls die Schichtdicke T1 weniger als 1% beträgt, dann kann die die Beständigkeit gegen Anhaften verbessernde Wirkung der ersten Schicht nicht ausreichend erzielt werden, und falls die Schichtdicke T1 mehr als 50% beträgt, dann ist es wahrscheinlich, dass es bei der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der zweiten Schicht zu einer Verschlechterung kommt. Darüber hinaus liegt die Schichtdicke T3 der dritten Schicht im Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal. Falls die Schichtdicke T3 weniger als 1% beträgt, dann kann die die Haftfestigkeit verbessernde Wirkung der dritten Schicht nicht ausreichend erzielt werden, und falls die Schichtdicke T3 mehr als 25% beträgt, dann ist es wahrscheinlich, dass es bei der die Verschleißbeständigkeit verbessernden Wirkung der zweiten Schicht zu einer Verschlechterung kommt.
Beispiele des Werkzeuggrundmaterials für das mit der Hartstoffbeschichtung beschichtete Arbeitswerkzeug können vorzugsweise Hartmetall, Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Cermet, Keramik, polykristallinen Diamant (PCD), monokristallinen Diamant, polykristallines CBN und monokristallines CBN oder dergleichen einschließen, doch ist es auch möglich, andere Werkzeuggrundmaterialien einzusetzen.
– AUSFÜHRUNGSBEISPIEL –
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die 1(a) bis 1(c) sind Ansichten, die einen Kugelschaftfräser 10 darstellen, der ein Beispiel eines mit einer Hartstoffbeschichtung beschichteten Arbeitswerkzeugs darstellt, bei dem die Erfindung eingesetzt wird, wobei 1(a) eine Vorderansicht bei Betrachtung in einer zur Achse senkrechten Richtung ist, während 1(b) eine vergrößerte Bodenansicht bei Betrachtung von einem Vorderende (der rechten Seite in 1(a)) ist. Ein Werkzeuggrundmaterial 12 aus Hartmetall hat einen Schaft und einen Schneidabschnitt 14, die beide als eine Einheit ausgebildet sind. Der Scheidabschnitt 14 hat Schneidkanten in Form eines Paars Außenumfangsschneiden 16 und eines Paars Kugelschneiden 18, die bezüglich der Achse symmetrisch ausgebildet sind, sodass die Außenumfangsschneiden 16 und die Kugelschneiden 18 einen Schneidvorgang durchführen, wenn sie drehend um die Achse angetrieben werden. Der Schneidabschnitt 14 hat eine mit einer Hartstoffbeschichtung 20 beschichtete Oberfläche. Der schraffierte Abschnitt in 1(a) stellt die Hartstoffbeschichtung 20 dar, und 1(c) ist eine Schnittansicht der Umgebung einer Oberfläche des Schneidabschnitts 14, die mit der Hartstoffbeschichtung 20 beschichtet ist. Der Kugelschaftfräser 10 ist ein rotierendes Schneidwerkzeug, und das Werkzeuggrundmaterial 12 entspricht einem vorbestimmten Element, auf dem die Hartstoffbeschichtung 20 vorgesehen ist.
Wie aus 1(c) hervorgeht, nimmt die Hartstoffbeschichtung 20 die Form eines Dreischichtaufbaus an, der eine erste Schicht 22, eine zweite Schicht 24 und eine dritte Schicht 26 umfasst, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Lichtbogen-Ionenplattiervorrichtung kontinuierlich durch Umschalten zwischen Targets und Reaktionsgasen ausgebildet werden. Die dritte Schicht 26, die auf einer Oberfläche des Werkzeuggrundmaterials 12 in Kontakt mit diesem ausgebildet ist, besteht aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid, das eines oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W enthält. Wie exemplarisch in beispielsweise der Spalte „DRITTE SCHICHT” vom „BESCHICHTUNGSAUFBAU” in 2 gezeigt ist, gehören insbesondere TiN, CrN, TiAlN, TiCrN, TiAlNbN, TiAlZrN, TiAlCrN und TiVCrN usw. zu den Beispielen. Außerdem bezeichnet die kleine Zahl nach jedem Element in der Spalte „BESCHICHTUNGSAUFBAU” in 2 das Atomverhältnis. Das gleiche trifft für 3 zu.
Die zweite Schicht 24, die auf der dritten Schicht 26 vorgesehen ist, besteht aus AlCrN oder AlCrDN [mit der Voraussetzung, dass D entweder ein Element der Gruppe IVa, der Gruppe Va und der Gruppe VIa (ausgenommen Cr) des Periodensystems der Elemente oder Y umfasst oder SiC (Siliziumcarbid) umfasst]. Wie exemplarisch in beispielsweise der Spalte „ZWEITE SCHICHT” vom „BESCHICHTUNGSAUFBAU” in 2 gezeigt ist, gehören insbesondere AlCrN, AlCrHfN, AlCr(SiC)N oder AlCrNbN, AlCrMoN und AlCrTiN usw. zu den Beispielen.
Ein Grenzabschnitt zwischen der zweiten Schicht 24 und der dritten Schicht 26 ist mit einer Mischschicht versehen, die diese beiden Zusammensetzungen in einer Mischung mit einer geringen Dicke (von beispielsweise 10% oder weniger der Schichtdicke T2 der zweiten Schicht 24) enthält, wobei diese nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. Die Mischschicht kann angrenzend an die dritte Schicht 26 ausgebildet werden, indem zu versetzten Zeitpunkten zwischen einem Target und einem Reaktionsgas zum Ausbilden der dritten Schicht 26 und einem Target und einem Reaktionsgas zum Ausbilden der zweiten Schicht 24 umgeschaltet wird, sodass das Target und das Reaktionsgas zum Ausbilden der dritten Schicht 26 und das Target und das Reaktionsgas zum Ausbilden der zweiten Schicht 24 für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Doppel verwendet werden. Außerdem kann unter der Bedingung, dass die Energiebeaufschlagung (Lichtbogenentladung) am Target zum Ausbilden der dritten Schicht 26 und die Zufuhr von Reaktionsgas unterbrochen werden, die Mischschicht zur zweiten Schicht 24 umgeschaltet werden, die angrenzend auszubilden ist. Im Fall eines gemeinsamen Reaktionsgases kann im Betrieb auch lediglich zwischen den mit Energie zu beaufschlagenden Targets umgeschaltet werden.
Die erste Schicht 22, d. h. die oberste Schicht, die auf der zweiten Schicht 24 ausgebildet ist und die Oberfläche der Hartstoffbeschichtung 20 bildet, besteht aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d) [mit der Voraussetzung, dass SiC Siliziumcarbid ist und a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0 ≤ a ≤ 0,2, 0,01 ≤ b ≤ 0,2, 0 ≤ c ≤ 0,5, 0 ≤ d ≤ 0,3 darstellen]. Wie exemplarisch in beispielsweise der Spalte „ERSTE SCHICHT” vom „BESCHICHTUNGSAUFBAU” in 2 gezeigt ist, gehören insbesondere CrB(SiC)N, CrB(SiC)ON und CrB(SiC)CN usw. zu den Beispielen. Ein Grenzabschnitt zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 ist mit einer Mischschicht versehen, die diese beiden Zusammensetzungen mit einer geringen Dicke (von beispielsweise 10% oder weniger der Schichtdicke Ti der ersten Schicht 22) enthält, wobei diese nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. Die Mischschicht kann angrenzend auf die gleiche Weise wie die an dem Grenzabschnitt zwischen der zweiten Schicht 24 und der dritten Schicht 26 ausgebildete Mischschicht ausgebildet werden.
Des Weiteren liegt die Gesamtschichtdicke Ttotal der gesamten, aus der Kombination der ersten Schicht 22, der zweiten Schicht und der dritten Schicht 26 ausgebildeten Hartstoffbeschichtung 22 in einem Bereich von 0,05 bis 15 μm. Die Schichtdicke T1 der ersten Schicht 22 liegt in einem Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal; die Schichtdicke T3 der dritten Schicht 26 liegt in einem Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal; und die Schichtdicke T2 der zweiten Schicht 24 liegt bei einem Wert von (Ttotal-T1-T3). Jeder Wert mit der Markierung „%”, der in den 2 und 3 in den Spalten zur Schichtdicke in Klammern geschrieben ist, stellt das Verhältnis zur Gesamtschichtdicke Ttotal dar.
Bei der Hartstoffbeschichtung 20 des Kugelschaftfräsers 10 in diesem Ausführungsbeispiel als solches besteht die zweite Schicht 24 aus AlCrN oder AlCrDN, wodurch eine hervorragende Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Die erste Schicht 22 ist als die oberste Schicht vorgesehen und besteht aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d), wodurch eine hervorragende Beständigkeit gegen Anhaften erzielt wird. Die dritte Schicht 26, die zwischen dem Werkzeuggrundmaterial 12 und der zweiten Schicht 24 eingeschoben ist, besteht aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W enthält, wodurch eine höhere Haftfestigkeit erzielt wird. Dies ermöglicht es, über eine längere Zeitdauer stabil eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegen Anhaften zu erzielen. Das Auftreten von Ablösen und Verschleiß aufgrund von Abplatzen kann selbst dann unterdrückt werden, wenn Schneidarbeit an rostfreiem Stahl erfolgt oder wenn Schneidarbeit an einem Werkstückmaterial mit einer durch eine Härte von 50 HRC oder weniger bedingten Neigung zum Anhaften erfolgt. Dies führt zu der Fähigkeit, eine günstige Bearbeitungsoberfläche zu erzielen, während es möglich ist, stabil eine vorbestimmte Schneidleistung unter einer sich daraus ergebenden Verlängerung der Werkzeuglebensdauer zu erzielen.
Dadurch, dass die als oberste Schicht ausgebildete erste Schicht 22 SiC (Siliziumcarbid) enthält, erhöht sich die Oberflächenhärte auf ein Niveau (von beispielsweise 3000 HV oder mehr), das Verbesserungen bei der Verschleißbeständigkeit und Haftfestigkeit ergibt, die von einer deutlichen Erhöhung der Verschleißbeständigkeit begleitet werden. Dies ergibt insbesondere dann, wenn Schneidarbeit an dem Werkstückmaterial höherer Härte erfolgt, eine hervorragende, die Verschleißbeständigkeit erhöhende Wirkung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Grenzabschnitt zwischen der ersten und zweiten Schicht 22, 24 als eine Mischschicht aus diesen beiden Schichten ausgebildet, und ein Grenzabschnitt zwischen der zweiten und dritten Schicht 24, 26 ist als eine Mischschicht dieser beiden Schichten ausgebildet. Dies führt zu einer Erhöhung der gegenseitigen Haftfestigkeit zwischen der ersten, zweiten und dritten Schicht 22, 24 und 26 mit einer sich daraus ergebenden, weiter gesteigerten Wirkung beim Unterdrücken des Auftretens von Ablösen und Verschleiß aufgrund von Abplatzen. In diesem Ausführungsbeispiel, in dem die erste bis dritte Schicht 22–26 durch ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren ausgebildet werden, führt die geeignete Festlegung des Zeitpunkts zum Umschalten der Targets und Reaktionsgase, sodass die Mischschichten ausgebildet werden, außerdem zu der Fähigkeit, die erste bis dritte Schicht 26–22 einschließlich dieser Mischschichten kontinuierlich und effizient ausbilden zu können.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel liegt die Gesamtschichtdicke Ttotal der ersten bis dritten Schicht 22–26 in einem Bereich von 0,05 bis 15 μm, wobei: die Schichtdicke Ti der ersten Schicht 22 in einem Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; die Schichtdicke T3 der dritten Schicht 26 in einem Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; und die Schichtdicke T2 der zweiten Schicht 24 bei einem Wert von (Ttotal-T1-T3) liegt. Dadurch können passend verschiedene Wirkungen erzielt werden, einschließlich einer Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Anhaften der ersten Schicht 22, einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der zweiten Schicht 24 und einer Verbesserung der Haftfestigkeit der dritten Schicht 26.
Als nächstes wurden zweischneidige Kugelschaftfräser 10 dieses Ausführungsbeispiels, die als Werkzeuggrundmaterial 12 Hartmetall enthielten und einen Durchmesser von 6 mm (bei einem Spitzenradius R = 3) hatten (und die den erfindungsgemäßen Produkten entsprechen, die die Erfordernisse der Ansprüche 1 bis 3 erfüllen), und Vergleichsprodukte angefertigt, die nicht die Erfordernisse der Ansprüche 1 oder 3 bezüglich des Vorhandenseins, der Bestandteile, der Atomverhältnisse und Dicken der ersten Schicht 22, der zweiten Schicht 24 und der dritten Schicht 26, die die Hartstoffbeschichtungen 20 bilden, erfüllen. Dann wurden unter den unten beschriebenen Versuchsbedingungen Schneidarbeiten durchgeführt, um Schnitte mit einer Länge von 210 m durchzuführen, und die sich ergebenden Freiflächen-Verschleißbreiten (Flankenflächen-Verschleißflächen) (mm) der Kugelschneiden 18 wurden überprüft und werden unten beschrieben. Alle Einträge in 2 entsprechen Produkten dieser Erfindung, und alle Einträge in 3 stellen Vergleichsprodukte dar, wobei die schraffierten Zellen in 3 die Einträge darstellen, die nicht die Erfordernisse der Ansprüche 1 oder 3 erfüllten. Außerdem wurde anhand des Kriteriums der Freiflächen-Abnutzungsbreite (mm) als Mittelwert der beiden Kugelschneiden 18 mit zulässigen Bereichen von 0,1 mm oder weniger Bestimmungen zum Bestehen/Nichtbestehen durchgeführt. Da es nicht unbedingt einfach war, die Beschichtungshärte (HV 0,025) zu messen, erfolgte die Überprüfung zudem nur für einige Probestücke, und die Messungen für die Probestücke ohne Angabe wurden weggelassen.
Testbedingungen

– Bearbeitungsmaterial: SUS304 (rostfreier Stahl gemäß JIS-Standard)
– Schneidverfahren: Schrämmschneiden (engl. pick cutting)
– Schneidgeschwindigkeit: 217 m/min
– Vorschubgeschwindigkeit: 0,12 mm/U
– Schnitttiefe: aa = 0,3 mm und Pf = 0,6 mm
– Schneidfluid: Blasluft

Die erfindungsgemäßen Produkte hatten, wie in 2 angegeben ist, Freiflächen-Abnutzungsbreiten, die alle innerhalb des zulässigen Bereichs (von 0,1 mm oder weniger) blieben. Im Gegensatz dazu hatten die Vergleichsprodukte, wie in 3 angegeben ist, Freiflächen-Abnutzungsbreiten, die alle über den zulässigen Bereich (von 0,1 mm) hinausgingen, oder im Laufe der Schneidarbeit kam es zum Abplatzen und Schwierigkeiten beim Durchführen der Schneidarbeit, das heißt es wurde keine ausreichende Haltbarkeit (Werkzeuglebensdauer) erzielt. Die Beschichtungshärten HV der erfindungsgemäßen Produkte lagen, wie in 2 angegeben ist, in einem Bereich von 3020 bis 3210, wobei die der Vergleichsprodukte, wie in 3 gezeigt ist, in einem Bereich von 2640 bis 2900 lagen. Die erfindungsgemäßen Produkte, die als oberste Schicht die SiC (Siliziumcarbid) enthaltende erste Schicht 22 aufwiesen, hatten eine höhere Beschichtungshärte HV, und aufgrund der erhöhten Beschichtungshärte HV wie auch einer verbesserten Beständigkeit gegen Anhaften und einer verbesserten Haftfestigkeit erhöhte sich die Haltbarkeit deutlich.
Diese Probestücke haben Säulenformen mit jeweils einem Durchmesser von 6 mm und einer als Kugeloberfläche R5 ausgebildeten Scheitelaushebefläche. Des Weiteren wurden jeweils zwei Probestücke, von denen jedes eine Aushebefläche hatte, die mit der Hartstoffbeschichtung 20 der Erfindung beschichtet war, und zwei Probestücke, von denen jedes eine Aushebefläche hatte, die mit einer Hartstoffbeschichtung aus einer einzigen Schicht beschichtet war, die sich nur aus AlCrN gemäß dem Stand der Technik zusammensetzte, angefertigt. Dann wurden mit der in 4 gezeigten Stift-Scheibe-Versuchsmaschine unter den unten beschriebenen Bedingungen Reibverschleißversuche durchgeführt, wobei die in den 5 und 6 gezeigten Ergebnisse (Fotografien von Verschleißmarken) erzielt wurden. Die in diesem Fall eingesetzte Hartstoffbeschichtung 20 der Erfindung war mit der von Probestück Nr. 6 in 2 identisch und wies somit die erste Schicht 22 aus Cr_0,80B_0,15(SiC)_0,05N, die zweite Schicht 24 aus Al_0,65Cr_0,35N und die dritte Schicht 26 aus Ti_0,6Al_0,4N mit einer Gesamtschichtdicke Ttotal von 3,1 μm auf, wobei: die erste Schicht 22 eine Schichtdicke T1 = 1,4 μm (45%) hatte; die zweite Schicht 24 eine Schichtdicke T2 = 1,4 μm (45%) hatte; und die dritte Schicht 26 eine Schichtdicke T3 = 0,3 μm (10%) hatte.
Versuchsbedingungen

– Gegenmaterial: S45C (Kohlenstoffstahl nach JIS-Standard) und SUS304 (rostfreier Stahl nach JIS-Standard)
– Last: 0,5 N
– Maschinengeschwindigkeit: 25 mm/s
– Zeit: 300 s
– Zimmertemperatur: 22°C
– Feuchtigkeit: 39%

5 zeigt den Fall, bei dem das Gegenmaterial aus S45C bestand, und 6 zeigt den Fall, bei dem das Gegenmaterial aus SUS304 bestand, wobei die Verschleißmarken in Bereichen gezeigt sind, die jeweils von weiß gestrichelten Linien umgeben sind. Es ist offensichtlich, dass die erfindungsgemäßen Probestücke jeweils kleinere Verschleißmarken als die Probestücke gemäß dem Stand der Technik hatten und dass die erfindungsgemäßen Produkte eine bessere Verschleißbeständigkeit haben. Insbesondere in 5, in der das Gegenmaterial aus S45C besteht, zeigt sich bei dem Probestück von 5(b) gemäß dem Stand der Technik ein Anhaften des Gegenmaterials an dem Probestück und ein Ablösen der Beschichtung. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei dem erfindungsgemäßen Probestück von 5(a) beinahe kein Anhaften und Ablösen, weswegen dann eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Haftfestigkeit erzielt werden.
Es wurden zwar unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, doch sind die Ausführungsbeispiele lediglich Beispiele, und die Erfindung kann in verschiedenen anderen Formen realisiert werden, indem die Ausführungsbeispiele mit dem Wissen des Fachmanns geändert oder abgewandelt werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Bei der erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung besteht die zweite Schicht aus AlCrN oder AlCrDN, wodurch eine hervorragende Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Die erste Schicht ist als oberste Schicht vorgesehen und besteht aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d), wodurch eine hervorragende Beständigkeit gegen Anhaften erzielt wird. Die dritte Schicht, die zwischen dem Werkzeuggrundmaterial und der zweiten Schicht eingeschoben ist, besteht aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W enthält, wodurch eine erhöhte Haftfestigkeit erzielt wird. Dies ermöglicht es, stabil über eine längere Zeitdauer eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegen Anhaften zu erzielen. Das Auftreten von Ablösen und Verschleiß aufgrund von Abplatzen kann selbst dann unterdrückt werden, wenn Schneidarbeit an rostfreiem Stahl erfolgt oder wenn Schneidarbeit an einem Werkstückmaterial mit Neigung zum Anhaften erfolgt. Dies führt zu der Fähigkeit, eine günstige Bearbeitungsoberfläche zu erzielen, während es möglich ist, stabil eine vorbestimmte Schneidleistung zu erzielen. Sie wird vorzugsweise zur Schneidarbeit als Hartstoffbeschichtung von Schneidwerkzeugen oder dergleichen eingesetzt.

Claims

Hartstoffbeschichtung (20), die auf einer Oberfläche eines vorbestimmten Elements (12) ausgebildet ist, wobei die Hartstoffbeschichtung (20) einen Dreischichtaufbau hat aus einer dritten Schicht (26), die in Kontakt mit der Oberfläche des vorbestimmten Elements (12) ausgebildet ist, einer zweiten Schicht (24), die auf der dritten Schicht (26) ausgebildet ist, und einer ersten Schicht (22), die auf der zweiten Schicht (24) ausgebildet ist, um die Oberfläche zu bilden, wobei die dritte Schicht (26) aus Nitrid, Carbonitrid oder Metallcarbid besteht, das ein oder mehr der Elemente Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und W umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (22) aus (Cr_1-a-bB_a(SiC)_b)(C_cO_dN_1-c-d) besteht mit der Voraussetzung, dass SiC Siliziumcarbid ist und a, b, c und d jeweils Atomverhältnisse in Bereichen von 0 ≤ a ≤ 0,2, 0,01 ≤ b ≤ 0,2, 0 ≤ c ≤ 0,5 und 0 ≤ d ≤ 0,3 sind; und die zweite Schicht (24) aus AlCrN oder AlCrDN besteht mit der Voraussetzung, dass D entweder ein Element der Gruppe IVa, der Gruppe Va und der Gruppe VIa, ausgenommen Cr, des Periodensystems der Elemente oder Y umfasst oder SiC umfasst.
Hartstoffbeschichtung (20) nach Anspruch 1, wobei: eine Mischschicht aus der ersten und zweiten Schicht (22, 24), die die beiden Zusammensetzungen der ersten und zweiten Schicht (22, 24) hat, in einem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten (22, 24) ausgebildet ist, indem zwischen Ausbildungsbehandlungen der ersten und zweiten Schicht (22, 24) zu versetzten Zeitpunkten umgeschaltet wird, sodass die Ausbildungsbehandlungen für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Doppel erfolgen; und eine Mischschicht der zweiten und dritten Schicht (24, 26), die die beiden Zusammensetzungen der zweiten und dritten Schicht (24, 26) hat, in einem Grenzabschnitt zwischen beiden Schichten (24, 26) ausgebildet ist, indem zwischen Ausbildungsbehandlungen der zweiten und dritten Schicht (24, 26) zu versetzten Zeitpunkten umgeschaltet wird, sodass die Ausbildungsbehandlungen für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Doppel erfolgen.
Hartstoffbeschichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Gesamtschichtdicke Ttotal der ersten Schicht (22), der zweiten Schicht (24) und der dritten Schicht (26) in einem Bereich von 0,05 bis 15 μm liegt; die Schichtdicke T1 der ersten Schicht (22) in einem Bereich von 1 bis 50% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; die Schichtdicke T3 der dritten Schicht (26) in einem Bereich von 1 bis 25% der Gesamtschichtdicke Ttotal liegt; und die Schichtdicke T2 der zweiten Schicht (24) bei einem Wert von (Ttotal-T1-T3) liegt.
Mit einer Hartstoffbeschichtung beschichtetes Arbeitswerkzeug (10), das ein Werkzeuggrundmaterial (12) aufweist, dessen Oberfläche mit der Hartstoffbeschichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 beschichtet ist.