HARTSTOFFBESCHICHTETER KÖRPER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen hartstoffbeschichteten Körper mit mehreren mittels CVD aufgetragenen Hartstoffschichten.

[0002] An Schneidwerkzeuge, die für die zerspanende Bearbeitung verwendet werden, werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Standfestigkeit und der Belastbarkeit gestellt, insbesondere bei der Zerspanung harter oder zäher Materialien wie vergüteten bzw. gehärteten Stählen durch Drehen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten. Der Schneidwerkstoff soll insbesondere abrasionsbeständig sein, was bereits frühzeitig dazu führte, dass Hartmetall- oder Cermetsubstratkörper mit Oberflächenbeschichtungen versehen worden sind, wobei zunächst Carbide, Nitride oder Carbonitride des Titans und später auch Aluminiumoxidschichten als Verschleißschutzschichten verwendet worden sind. Bekannt sind auch mehrlagige Verschleißschutzschichten aus unterschiedlichen Hartstoffen. Als verschleißmindernde Schichten sind beispielsweise Aluminiumoxidschichten bekannt, die auf einer oder mehreren Zwischenlagen wie beispielsweise Titancarbonitrid oder Titannitrid angeordnet sind.

[0003] Aus der WO 03/085152 A2 ist die Verwendung einer Ti-AI-N-Schicht bekannt, die als monophasige Schicht mit Aluminiumgehalten bis 60% mittels PVD erzeugt werden kann. Bei höheren Aluminiumgehalten entsteht allerdings ein Gemisch aus kubischem und hexagonalem TiAIN und bei noch höheren Aluminiumanteilen nur noch die weichere und nicht verschleißfeste hexagonale Wurtzitstruktur.

[0004] Es ist auch bekannt, dass mittels Plasma-CVD einphasige Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschichten mit x = 0,9 herstellbar sind. Nachteilig sind jedoch hierbei die unzureichende Homogenität der Schichtzusammensetzung und der relativ hohe Chlorgehalt in der Schicht.

[0005] Soweit für die Herstellung von Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschichten PVD- oder Plasma-CVD-Verfahren eingesetzt wurden, war deren Anwendung auf Temperaturen unter 700 °C beschränkt. Nachteilig ist, dass die Beschichtung komplizierter Bauteilgeometrien Schwierigkeiten bereitet. PVD ist ein gerichteter Prozess, bei dem komplexe Geometrien unregelmäßig beschichtet werden. Das Plasma-CVD erfordert eine hohe Plasmahomogenität, da die Plasmaleistungsdichte einen direkten Einfluss auf das Ti/Al-Atomverhältnis der Schicht hat. Die Herstellung einphasiger kubischer Ti_1-xAl_xN-Schichten mit hohem Aluminiumanteil ist mit den industriell eingesetzten PVD-Verfahren nicht möglich.

[0006] Auch eine TiAIN-Abscheidung mit einem konventionellen CVD-Verfahren bei Temperaturen über 1.000 °C ist nicht möglich, da das metastabile Ti_1-xAl_xN bei solch hohen Temperaturen in TiN und hexagonales AIN zerfällt.

[0007] Schließlich ist bei dem in der US 6,238,739 B1 beschriebenen Verfahren, durch einen thermischen CVD-Prozess ohne Plasmaunterstützung Ti_1-xAl_xN-Schichten mit x zwischen 0,1 und 0,6 bei Temperaturen zwischen 550 °C und 650 °C herzustellen, eine Eingrenzung auf kleinere Aluminiumgehalte mit x ≤ 0,6 gegeben. Als Gasmischung werden in dem dort beschriebenen Prozess Aluminium- und Titanchloride sowie NH₃ und H₂ verwendet. Auch bei dieser Beschichtung sind hohe Chlorgehalte bis zu 12 At% in Kauf zu nehmen.

[0008] In der WO 2007/003648 A1 wird zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Oxidationsbeständigkeit vorgeschlagen, einen hartstoffbeschichteten Körper mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem mittels CVD herzustellen, das mindestens eine Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschicht enthält, wozu der Körper in einem Reaktor bei Temperaturen im Bereich von 700 °C bis 900 °C mittels CVD ohne Plasmaanregung beschichtet wird und als Precursoren Titanhalogenide, Aluminiumhalogenide und reaktive Stickstoffverbindungen verwendet werden, die bei erhöhter Temperatur gemischt werden. Im Ergebnis wird ein Körper mit einer einphasigen Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschicht in der kubischen NaCl-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 oder einer mehrphasige Schicht erhalten, deren Hauptphase aus Ti_1-xAl_xN mit kubischer NaCl-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 besteht, wobei als weitere Phase Ti_1-xAl_xN in Wurtzitstruktur und/oder TiN_x in NaCl-Struktur enthalten sind. Der Chlorgehalt liegt im Bereich zwischen 0,05 bis 0,9 At%. Aus diesem Dokument ist auch bekannt, dass die Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschicht oder -schichten bis zu 30 Massen% amorphe Schichtbestandteile enthalten können. Der Härtewert der erhaltenen Schichten liegt im Bereich 2.500 HV bis 3.800 HV.

[0009] Um die Haftung einer Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschicht bei hoher Verschleißfestigkeit zu verbessern, wird in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2007 000 512 zudem vorgeschlagen, dass das auf einen Substratkörper aufgetragene Schichtsystem aus einer auf den Körper aufgebrachten Anbindungsschicht aus Titannitrid, Titancarbonitrid oder Titancarbid besteht, worauf eine Phasengradientenschicht folgt und schließlich eine Außenlage aus einer ein- oder mehrphasigen Ti_1-xAl_xN-Hartstoffschicht. Die Phasengradientenschicht besteht an ihrer der Anbindungsschicht zugewandten Seite aus einem TiN/h-AIN-Phasengemisch und weist mit zunehmender Schichtdicke einen zunehmenden Phasenanteil von fcc-TiAIN mit einem Anteil von mehr als 50% und damit einhergehend simultaner Abnahme der Phasenanteile von TiN und h-AlN auf.

[0010] Neben der Abrasions- und Oxidationsbeständigkeit einer Schicht auf einem Hartmetall-, Cermet- oder Substratkörper ist für die Anwendung dieses Werkstoffes bei zerspanenden Bearbeitungen, insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, die thermische Beständigkeit der Beschichtung von großer Bedeutung. Im Bereich einer Schneidkante eines Schneideinsatzes entstehen beim Drehen von harten Werkstücken Temperaturen, die deutlich oberhalb von 1.000 °C liegen. Bei solchen Temperaturen wirken sich unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, die für die Substrate zwischen den einzelnen Lagen bestehen, erheblich aus. Hierbei kommt es zur Ausbildung von Spannungen zwischen den einzelnen Lagen und, sofern durch Wärmeleitung die hohe Temperatur von der äußeren Schicht bis zum Substratkörper transportiert wird, im ungünstigsten Falle zu einem Ablösen der Beschichtung, womit der Schneideinsatz unbrauchbar wird.

[0011] Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hartstoffbeschichteten Körper zu schaffen, dessen Beschichtung durch Auswahl der einzelnen Schichten eine bessere thermische Isolationswirkung hinsichtlich des Wärmetransportes hat.

[0012] Diese Aufgabe wird durch einen hartstoffbeschichteten Körper nach Anspruch 1 gelöst. Der hartstoffbeschichtete Körper besitzt mehrere Schichten, wobei auf einer Ti_1-xAl_xN- und/oder Ti_1-xAl_xC- und/oder einer Ti_1-xAl_xCN-Schicht mit x = 0,65 bis 0,95 eine Al₂O₃-Schicht als Außenschicht angeordnet ist.

[0013] Die Verwendung einer Ti_1-xAl_xN-, Ti_1-xAl_xC- oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht anstelle einer nach dem Stand der Technik allgemein verwendeten TiCN-Schicht hat den Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit in der unterhalb der Al₂O₃-Schicht angeordneten Schicht um etwa 80% geringer ist, so dass sich die Ti_1-xAl_xN-, Ti_1-xAl_xC- oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht als signifikant verbesserte thermische Isolation zum Substratkörper erweist. Die äußere Al₂O₃-Schicht ist auch oxidationsbeständiger und im Vergleich zu einer TiCN-Außenlage um ca. 50% härter, so dass sich eine höhere Verschleißbeständigkeit ergibt.

[0014] Überraschenderweise ist darüber hinaus festgestellt worden, dass eine Ti_1-xAl_xN-, Ti_1-xAl_xC- oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht als Zwischenlage im Vergleich zu einer TiN- oder TiCN-Zwischenlage keine Rissneigung besitzt, so dass sich das nach dem Stand der Technik nachteilig auswirkende typische Rissnetz nicht ausbildet. Insbesondere bei unterbrochenem Schnitt wirkt sich der verbesserte Rissbildungswiderstand standzeiterhöhend aus.

[0015] Die Ti_1-xAl_xCN-, Ti_1-xAl_xC- oder die Ti_1-xAl_xN-Schicht kann einphasig sein und eine kubische Struktur aufweisen, oder mehrphasig sein und neben einer kubischen Hauptphase eine weitere Phase in Wurtzitstruktur und/oder TiN aufweisen. Bis zu 30 Massen% können amorphe Schichtbestandteile enthalten sein. Der Chlorgehalt liegt zwischen 0,01 bis zu 3 At%.

[0016] Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine TiN- und/oder TiCN-Schicht als Anbindungsschicht an den Substratkörper, der aus einem Hartmetall, einem Cermet oder einer Keramik besteht, verwendet werden, so dass die Schichtfolge von innen nach außen TiN- oder TiCN-TiAlC(N)-Al₂O₃ lautet.

[0017] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind auch zwischen der Al₂O₃-Außenschicht und der Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder der Ti_1-xAl_xCN-Schicht TiCN-Schichten möglich.

[0018] Vorzugsweise liegt der Aluminiumanteil als Metallanteil zwischen 70% und 90%. Die Schichtdicke einer Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder einer Ti_1-xAl_xCN-Schicht kann zwischen 2 µm bis 10 µm, vorzugsweise 3 µm bis 7 µm, variieren. Die vorgenannte Schicht kann auch Anteile an hexagonalem Aluminiumnitrid enthalten, maximal 25%.

[0019] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, anstelle einer einzigen Zwischenlage eine mehrlagige Schicht aus einer oder mehreren Doppellagen oder Dreifachlagen des Typs (Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC, Ti_1-xAl_xCN)_n mit n = natürlicher Zahl anzuordnen. Die TiAlN/TiAlCN/TiAlC-Wechselschicht besitzt dann eine Gesamtdicke, die sich aus der Summe der Dicken jeder einzelnen Schicht ergibt, welche zwischen 1 nm bis 5 nm liegt. Vorzugsweise sollte die Gesamtdicke mindestens 1 µm bis 5 µm betragen. Im einfachsten Fall werden jeweils dünne, lediglich einige nm dicke Einzellagen aus Ti_1-xAl_xN oder Ti_1-xAl_xCN oder Ti_1-xAl_xC nacheinander bis zum Erreichen der gewünschten Gesamtdicke zwischen 1 µm und 5 µm aufgetragen. Es ist jedoch auch ein alternierendes Schichtsystem aus den vorgenannten Zusammensetzungen möglich, einschließlich solcher Schichten, die Lagen mit einem Gradientenverlauf besitzen, bei dem der C-Anteil nach außen sinkt oder steigt.

[0020] Die TiAlN-, TiAIC- oder TiAICN-Schicht kann bis zu 30% amorphe Bestandteile und Chlorgehalte bis zu 3 At% beinhalten.

[0021] Zur Herstellung wird der aus einem Hartmetall, einem Cermet oder einer Keramik bestehende Substratkörper einer CVD-Beschichtung bei Beschichtungstemperaturen zwischen 650 °C und 900 °C unterzogen, wobei in die Gasatmosphäre Titan- und Aluminiumchloride sowie Ammoniak zur Herstellung einer TiAlN-Schicht eingeleitet werden. Nach Herstellung einer ersten, zwischen 2 µm und 10 µm, vorzugsweise 3 µm bis 7 µm, dicken Schicht wird in konventioneller Weise mittels des CVD-Verfahrens eine mindestens 2 µm, maximal 10 µm dicke Al₂O₃-Schicht aufgetragen.

Ansprüche

1. Hartstoffbeschichteter Körper mit mehreren, jeweils mittels CVD auf ein Substrat aufgetragenen Schichten,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Hartmetall, ein Cermet oder eine Keramik ist, auf dem eine Al₂O₃-Schicht als Außenschicht auf einer Ti_1-xAl_xN-Schicht und/oder Ti_1-xAl_xC-Schicht und/oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht mit x = 0,65 bis 0,95 angeordnet ist, wobei der Körper ein Schneidwerkzeug für unterbrochene Schnitte ist.

2. Hartstoffbeschichteter Körper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine TiN- und/oder TiCN-Schicht als Anbindungsschicht an das Substrat.

3. Hartstoffbeschichteter Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Al₂O₃-Außenschicht und der Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht eine TiCN-Schicht angeordnet ist.

4. Hartstoffbeschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht 0,7 ≤ x ≤ 0,9 ist.

5. Hartstoffbeschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Al₂O₃-Schicht eine mehrlagige Schicht aus einer oder mehreren Doppellagen oder Dreifachlagen aus der Gruppe (Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xCN, Ti_1-xAl_xC)_n angeordnet ist.

6. Hartstoffbeschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der äußeren Schicht zwischen 1 µm bis 5 µm, die Dicke der Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht 1 µm bis 5 µm und die Dicke etwaiger weiterer Anbindungs- oder Zwischenschichten zwischen 1 µm bis 5 µm liegt.

7. Hartstoffbeschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht maximal 25% an hexagonalem AIN enthält.

8. Hartstoffbeschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti_1-xAl_xN-Schicht, Ti_1-xAl_xC-Schicht oder Ti_1-xAl_xCN-Schicht kein Rissnetz ausbildet.

9. Verwendung eines hartstoffbeschichteten Körpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als Schneidwerkzeug zum Zerspanen mit unterbrochenem Schnitt.