DE60210399T2

DE60210399T2 - Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile

Info

Publication number: DE60210399T2
Application number: DE60210399T
Authority: DE
Inventors: Dr. Jörg Vetter
Original assignee: Metaplas Ionon Oberflaechenveredelungstechnik GmbH
Current assignee: Oerlikon Metaplas GmbH
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: US6794064B2; EP1316627A1; IL152685A0; US20030124391A1; DE60210399D1; EP1316627B1; ATE322562T1

Description

Diese Erfindung betrifft verschleissfeste Teile mit verbesserter Festkörper Reibung, einer höheren Verschleissfestigkeit, einem verbesserten Oxidationsverhalten und überlegenen Adhäsionseigenschaften zwischen der Beschichtung und dem Substrat.
Im Bereich der Schneidwerkzeuge, Presswerkzeuge und mechanischer Komponenten ist es üblich mit verschiedenen Hartbeschichtungen zu beschichten um überlegene Verschleissfestigkeit, Oxidationsverhalten und Reibungseigenschaften zu erhalten. Die typischen TiN und TiCN Beschichtungen haben zwar eine gute Verschleissfestigkeit, haben aber immer noch Probleme das Erfordernis einer ausreichenden Oxidationsfestigkeit zu erfüllen. Darüber hinaus haben TiAIN basierte Beschichtungen, wie sie in der Offenlegungsschrift Hei7-310173 vorgeschlagen ist, gute Verschleissfestigkeit und Oxidationsverhalten aber die Reibungseigenschaften sind immer noch unzureichend.
CrN, CrCN basierte Beschichtungen haben zwar gute Reibungseigenschaften, aber eine kleinere Beschichtungshärte und eine kleinere Verschleissfestigkeit.
Wie oben gezeigt haben konventionelle Beschichtungen Nachteile entweder in Bezug auf Verschleissfestigkeit oder Oxidationsverhalten oder Reibungseigenschaften und haben immer noch Problem in verschiedenen Anwendungen.
Um bessere Reibungseigenschaften zu haben wurde darüber hinaus vorgeschlagen, MoS basierte dünne Filme auf die Oberfläche der Hartbeschichtungen aufzubringen, um bessere Reibeigenschaften zu erreichen, jedoch sind sowohl die Verschleissfestigkeit als auch oft die Adhäsion dieser Art von dünnen Filmen schlecht und führen daher nicht zu ausreichenden Verbesserungen.
Im allgemeinen zeigen die konventionellen Beschichtungen nicht die maximale Adhäsionskraft zwischen dem Substrat und der Beschichtung so dass beim Hochleistungszerspanen oft ein teilweises Abschälen der Beschichtung auftritt und daher ein stabiles Zerspanen nicht realisierbar ist.
Ebenso haben konventionelle Beschichtungen immer noch einige Probleme mit anderen, nicht MoS basierten Deckschichten, so schlägt die japanische Offenlegungsschrift Hei11-156992 vor, eine CrN basierte Beschichtung auf der Oberfläche einer TiAIN basierten Schicht aufzubringen, jedoch zeigt dieser Beschichtungstyp nicht die notwendige Verschleissfestigkeit aufgrund der Begrenzung der gesamten Schichtdicke.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine überlegene Adhesion zwischen der Beschichtung und dem Substrat, ohne eine Verringerung der Verschleissfestigkeit, der Oxidations Resistenz und der Reibungseigenschaften, sowie die Verbesserung von jeder der Beschichtungseigenschaften um ein stabiles Verhalten beim Hochleistungszerspanen zu erreichen, was zu einer hohen Lebensdauer führt.
Um die oben beschriebenen Optimierungsprobleme der Beschichtungseigenschaften zu lösen, sind für die vorliegende Erfindung Ti, Al, Cr, N unverzichtbare Elemente und durch die Zugabe von Sauerstoff zu diesen Elementen können besonders optimierte Hartbeschichtungen geschaffen werden.
Darüber hinaus ist es durch die Optimierung der Wachstumsrate der Beschichtung möglich, Beschichtungen aufzubringen, die durch überlegene Adhäsion gekennzeichnet sind.
Mit Blick auf die Schichtzusammensetzung tragen die Elemente Ti und Al zur Verschleissfestigkeit bei, während Cr die Verbesserung der Reibungseigenschaften unterstützt. Durch die Zugabe von Sauerstoff zu der TiAlCrN Beschichtung wird sowohl eine weitere Verbesserung der Oxidations Resistenz als auch der Reibungseigenschaften geschaffen.
Um sowohl die Adhäsion als auch die Verschleissfestigkeit zu verbessern wird eine Optimierung der Wachstumsrate vorgenommen, die ein kontinuierliches Wachstum zwischen dem Kristallgitter von WC Körnern von Hartmetall Substraten ermöglicht, was dazu führt, dass die Hartbeschichtung zumindest teilweise epitaktisch wächst. Das Ergebnis sind Hartbeschichtungen mit überlegener Adhäsion zum Substrat wodurch eine längere Zerspanungs Lebensdauer unter Hochleistungszerspanung erreichbar ist.
Zunächst zeigten die Untersuchungen der Eigenschaften von Hartbeschichtungen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung den folgenden Effekt: das Oxidationsverhalten wird verbessert, wenn Cr zu TiAIN hinzugegeben wird. Im Fall von TiAIN ist es wohlbekannt, dass unter hoher Temperaturbelastung und unter Angriff von Sauerstoff, Al zur Oberfläche der Schicht diffundiert und eine Aluminiumoxid Schicht bildet, mit dem Ergebnis, dass das Eindringen von Sauerstoff von ausserhalb unterdrückt wird, so dass eine Verbesserung des Oxidationsverhaltens erreichbar ist. Jedoch auch dann, insbesondere wenn ein thermischer oder mechanischer Schock auf das Zerspanungswerkzeug wirkt, kann die Oxidschicht leicht abplatzen, weil unter der Aluminiumoxyd Schicht während der Oxidation eine sehr poröse Titanoxyd Schicht gebildet wird. Dieselben Probleme treten bei der Anwendung der Hartbeschichtungen auf verschiedene andere Zerspanungswerkzeuge oder andere Werkzeuge, wie Gewindebohrer oder Presswerkzeuge oder andere auf.
Es konnte gezeigt werden, dass poröses Titanoxyd, dass unterhalb von Aluminiumoxyd erzeugt wurde, im Falle einer AlTiN Beschichtung sich, bei Zugabe von Cr in die Hartschicht, von Titanoxyd in TiCr-Oxyd umwandelt. Es wurde beobachtet, dass TiCr-Oxyd eine sehr dichte Schicht bildet. Diese dichte Oxyd-Schicht unterstützt das auf der Oberfläche der Hartbeschichtung gebildete Aluminiumoxyd, was zu einer ausreichenden Adhäsion in Verbindung mit einem verbesserten Oxidationsverhalten führt.
Der zweite Effekt der Cr Zugabe ist die Verbesserung der Reibeigenschaften. Die Reibwerte von TiAIN Hartbeschichtungen im Vergleich zu Stahl sind im Bereich von 0.7–0.8. Die gemessenen Reibwerte wurden im Bereich von 0.3–0.6 gemessen, wenn Cr hinzugefügt wird. Das ist eine signifikante Verbesserung des Reibungsverhaltens.
Dieser Reibungskoeffizient hängt von der Menge an zugegebenem Cr ab. Wenn allerdings die Menge an zugegebenem Cr zu gross ist, wird die Härte der Beschichtung kleiner, was zu einer verschlechterten Verschleissfestigkeit führt und daher ist es besser eine obere Grenze für die Cr Zugabe zu setzen.
Es konnte bestätigt werden, dass die Cr Zugabe die Reibeigenschaften und das Oxidationsverhalten von TiAIN basierten Beschichtungen verbessert, aber es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Cr für die Optimierung der Hartbeschichtungseigenschaften nicht ausreicht, und weitere Verbesserungen durch die Zugabe von Sauerstoff erreicht werden.
Der Effekt der Sauerstoffzugabe resultiert sowohl in einer drastischen Verbesserung des Oxidationsverhaltens, als auch in einer Verbesserung der Reibungseigenschaften.
Es ist festzustellen, dass der Grund für die Verbesserung des Oxidationsverhaltens durch die Zugabe von Sauerstoff in die Beschichtung zu dem Effekt führt, dass die Kornstruktur feiner wird, die Beschichtung selbst dichter wird und die Korngrenzen dichter werden, was zu dem Effekt führt, dass die Geschwindigkeit der Sauerstoff Diffusion aus der Oberfläche der Hartbeschichtung in der Beschichtung reduziert wird.
Die Verbesserung der Reibungseigenschaften wurde noch nicht im Detail analysiert, aber es ist klar, dass die Affinität zu Stahl durch die Beigabe von Sauerstoff kleiner wird.
Der zweite Effekt der Sauerstoffzugabe ist, dass, wegen der Verringerung der Druckeigenspannungen in der Beschichtung, die Verschleissfestigkeit durch die Verbesserung der Adhäsion auf der Hartbeschichtung verbessert wird.
Die Adhäsion auf der Hartbeschichtung ist insbesondere bei der Hochleistungszerspanung und im Bereich der geschmiedeten Gewindeschneider sehr wichtig. Hier gibt es eine Tendenz zu zunehmender Reibung aufgrund des Abblätterns kleiner Schichtbereiche und wenn es zum Abblättern im grösseren Stil kommt, ist das Ende der Lebensdauer schnell erreicht.
Um die verbesserten Adhäsionseigenschaften zu demonstrieren, werden nun ausgewählte Messungen vorgestellt, die mit einem Standardgerät zur Messung der Ritzhärte durchgeführt wurden. Die maximale Belastung für AlTiCrN basierte Beschichtungen sind im Bereich von 60N–80 N, was durch die Zugabe von Sauerstoff auf mehr als 100N verbessert wird.
Wenn die Menge an Sauerstoff erhöht wird, wird aufgrund der oben erwähnten Verbesserung des Oxidationsverhaltens, der Reibungseigenschaften und der Adhäsion der Hartbeschichtung, die Verschleissfestigkeit verbessert. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt zu hoch wird, wird die Härte der Beschichtung herabgesetzt, was zu einer verschlechterten Verschleissfestigkeit in Bezug auf Abrieb führt. Daher ist es wichtig und wünschenswert mehrlagige Schichten herzustellen, die aus einzelnen Schichten mit optimierten Elementen bestehen, die sowohl zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens als auch der Reibungseigenschaften beitragen, und aus einzelnen Schichten mit optimierten Elementen die zu einer Verbesserung der Verschleissfestigkeit in Bezug auf Abrieb beitragen. Die Vorteile der obigen beiden Arten von einzelnen Schichten werden dann in Mehrlagen Beschichtungen kombiniert. Dabei ist es nicht nur durch die Variation des Sauerstoffgehalts möglich die Reibungseigenschaften und die Verschleissfestigkeit einzustellen, sondern auch die Optimierung des Cr-Gehalts kann dazu benutzt werden.
Aufgrund der extrem hohen mechanischen Stosskräfte, die beim Hochleistungszerspanen wirken, ist die Optimierung der chemischen Zusammensetzung der Hartbeschichtungen in Bezug auf Reibungseigenschaften, Oxidationsverhalten und Verschleissfestigkeit nicht ausreichend. Wenn die Adhäsion der Beschichtung nicht optimiert wird, kann ein stabiler Betrieb des Zerspanungswerkzeugs nicht realisiert werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben daher ihre Untersuchungen insbesondere auf dieses Problem konzentriert und haben herausgefunden, dass die Wachstumsrate der Hartbeschichtung in hohem Masse die Adhäsionseigenschaften der Beschichtung der Hartmetall Werkzeuge beeinflusst.
Es ist wünschenswert, dass die Wachstumsrate so niedrig wie möglich ist. Durch Transmissions Elektronen Mikroskopie wurde herausgefunden, dass die Beschichtung an den WC Körnern der Hartmetallsubstrate epitaktisch wächst, wenn die Wachstumsrate der Beschichtung genügend klein ist.
Das epitaktische Wachstum der Hartbeschichtung an den WC Körnern führt zum stärksten Bindungszustand zwischen den WC Körnern und der wachsenden Beschichtung.
In Bezug auf die Morphologie der Hartbeschichtung wurde gefunden, dass die übliche kolumnare Kristallisation eine gute Verschleissfestigkeit hat, wenn Hartmetall Schneidplatten beschichtet werden. Es wurde herausgefunden, dass feinere kolumnare Morphologien oder blockartige kolumnare Morphologien (die vertikal von den feineren kolumnaren Strukturen getrennt waren) bessere Verschleissfestigkeit haben.
Es ist auch wichtig zu bemerken, dass der Korndurchmesser sowohl durch die Kontrolle der Wachstumsrate der Beschichtung, als auch durch die Wachstumstemperatur in der Richtung senkrecht zur Grenzfläche der Substratbeschichtung beeinflusst werden kann. So ist es zum Beispiel möglich Beschichtungen mit einer feineren kolumnaren Morphologie in Richtung zur Oberfläche der Beschichtung abzuscheiden, in dem die Substrattemperatur zu einer bestimmten Zeit des Wachstums herabgesetzt wird.
Wie oben erwähnt wurde ist es zwar möglich die Verschleissfestigkeit zu verbessern, in dem die gesamte Beschichtung mit feineren Morphologien hergestellt wird, das neigt jedoch zu einer leichten Erhöhung der Druckeigenspannung in der Beschichtung.
Die Methode der Erzeugung von feineren Körnern in Richtung zur Oberfläche der Beschichtung kann eine bessere Verschleissfestigkeit ergeben, weil es möglich ist den Grad des Zuwachses der Druckeigenspannungen zu kontrollieren, um eine Verminderung des Adhäsionsgrads zu vermeiden. Experimente zeigten, dass sowohl die Verschleissfestigkeit, als auch das Oxidationsverhalten verbessert werden, wenn die Beschichtung eine einzelne äussere Schicht umfasst, die durch eine Morphologie gekennzeichnet ist, die eine extrem feine Korngrösse zeigt, was häufig auch als ein amorph artiger Zustand bezeichnet wird. Daher ist es mit Blick auf die ganzheitlichen Eigenschaften der Beschichtung die beste Lösung, ein kolumnares Wachstum an der Oberfläche der Beschichtung zu vermeiden.
Eine Erklärung für diesen Befund ist die Reduktion der Sauerstoff Diffusion in die Beschichtung auf Grund der dichten Korngrenzen der amorph artigen Morphologie, die zu einer Unterdrückung einer fortschreitenden Oxidation führt.
Im folgenden wird nun eine Erklärung dafür gegeben, warum die numerischen Werte verschiedener charakteristischer Werte der Beschichtungseigenschaften begrenzt sind.
Es har sich gezeigt, dass die Wachstumsrate die volle Breite of halber Höhe (FWHM) der 2Θ XRD Linie beeinflusst. Wenn die Beschichtungen unter Anwendung kleinerer Wachstumsraten abgeschieden werden, tendiert die volle Breite auf halber Höhe (FWHM) der 2Θ (200) XRD Linie dazu kleiner zu werden.
Eine kleinere volle Breite auf halber Höher (FWHM) der 2Θ (200) XRD Linie, deutet die Existenz des oben erwähnten epitaktischen Wachstums an. Um ein hohes Mass an epitaktischem Wachstum zu erreichen, sollte die Wachstumsrate in einem Bereich von 0.1 μ m/h–0.8 μ m/h festgelegt werden, was zu typischen 2Θ Werten der (200) XRD Linie im Bereich 0.4°–0.7° führt.
Wenn grössere Wachstumsraten als 0.8 μ m/h verwendet werden, übersteigt der 2Θ Wert 0.7°, in Verbindung mit dem Effekt, dass nahezu kein epitaktisches Wachstum generiert wird, was zu einer Verringerung des Adhäsions Grades der Beschichtung führt. Das Problem niedrige Wachstumsraten anzuwenden um ein 2Θ der (200) XRD Linie einzustellen, das kleiner als 0.4° ist, hat durchaus praktische Bedeutung, da es ungefähr einen Tag dauert um die erforderliche Dicke der Beschichtung der Schneidplatte zu erhalten, was keine ökonomisch sinnvolle Lösung ist.
Um das Problem in ökonomisch sinnvoller Weise zu lösen, wurde das folgende Verfahren durchgeführt, um die positiven Effekte kleiner Wachstumsraten im Bereich von 0.1 μ m/h–0.8 μ m/hr, die aus ökonomischer und praktischer Sicht für den Beschichtungsprozess nicht ausreichend gross sind, mit dem Erfordernis ökonomische und praktische Wachstumsraten einzustellen, zu kombinieren. Das anfängliche Wachstum sollte zunächst niedrig genug sein, um ein epitaktisches Wachstum der Beschichtung an den WC Körnern des Substrats zu generieren, und sodann wird die Wachstumsrate allmählich oder schrittweise beschleunigt. Es kann gesagt werden, dass die obige Methode der ökonomischste Weg ist, sowohl überlegene Adhäsionseigenschaften, als auch eine genügend hohe Wachstumsrate für den industriellen Gebrauch zu erreichen.
Mit Blick auf die Zusammensetzung der Beschichtung muss erwähnt werden, dass ein Al Gehalt von weniger als 30 at % kein ausreichendes Oxidationsverhalten ergibt, während ein Al Gehalt von mehr als 70 at % nachteilig ist, weil Körner einer AIN Phase in der Beschichtung erzeugt werden, die eine hexagonale Kristallstruktur haben, was zu einer Schwächung der Festigkeit der Beschichtung führt.
Wenn der Ti Gehalt kleiner als 30 at % ist, wird die Verschleissfestigkeit der Beschichtung schlechter, während ein Ti Gehalt von mehr als 70 at % das Oxidationsverhalten der Beschichtung verringert. Wenn der Cr Gehalt kleiner als 0.5 at % ist, wird während der Oxidation in der Beschichtung poröses Ti Oxyd gebildet, so dass ein kleiner Cr Gehalt nicht zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens beiträgt, während ein Cr Gehalt grösser als 20 at % einen Abfall der Härte der Beschichtung hervorruft, verbunden mit einer Verminderung der Verschleissfestigkeit.
Wenn der Sauerstoff Gehalt kleiner als 1 at % ist (Sauerstoff und Stickstoff ergeben zusammen 100 in Prozent), trägt der Sauerstoff nicht zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens, der Reibungseigenschaften und der Adhäsion bei, während ein Sauerstoff Gehalt von mehr als 30 at % zu einer Verringerung der Härte der Beschichtung führt.
Eine Einzelschicht Beschichtung kann eine ausreichende Funktionalität haben, aber Beschichtungen vom Mehr-Lagen Typ mit mindestens zwei oder mehr einzelnen Schichten kombinieren, Schichten mit verschiedenen Charakteristiken, was zu ausserordentlichen funktionalen Eigenschaften führt.
Eine Anzahl von Schichten grösser als 1000 innerhalb der gesamten Beschichtungsdicke ist nicht zu empfehlen, weil dann jede einzelne Schichtdicke zu dünn wird und gelegentlich ein besonderer Dünnfilm – Zustand in Form eines Übergitters erzeugt wird, wobei auch die Eigenspannung höher ist, was in einer Abnahme des Adhäsions Grades resultiert. Wenn jede einzelne Schicht innerhalb der Beschichtung die gleiche Dicke hat, sollte die Dicke nicht kleiner als 5 nm sein. Anderseits verhalten sich Beschichtungen mit einzelnen Schichten, deren Dicke grösser als 2000 nm ist, ähnlich wie Beschichtungen, die in Form einer einzelnen Schicht abgeschieden wurden.
Die Kristallorientierung der Beschichtung hängt von den Beschichtungs Bedingungen ab. Wenn die Beschichtungen bei relativ niedriger Energie abgeschieden werden, ist es möglich Beschichtungen abzuscheiden, die stark in Richtung einer (200) Ebene orientiert sind. Wenn die Abscheidung der Beschichtungen unter Benutzung von relativ hohen Energien ausgeführt wird, die häufig im Vakuum bei Lichtbogen Abscheidungsprozessen von TiN angewendet werden, ist die Beschichtung in eine (111) Ebene ausgerichtet.
Es konnte bestätigt werden, dass im Falle einer Abscheidung bei niedrigen Energien die Dichte der Beschichtung verbessert wird, was sowohl zu einem besseren Oxidationsverhalten, als auch zu einer besseren Verschleissfestigkeit führt. Entsprechend kann gesagt werden, dass, wenn die Intensität der der XRD Linie der (200) Ebene stärker als die der (111) Ebene ist, man ein überlegenes Oxidations Verhalten und eine überlegene Verschleissfestigkeit erhält.
Die Reibungseigenschaften werden durch die Kristallorientierung nicht so stark beeinflusst. Wenn jedoch extrem niedrige Energien verwendet werden, kann die Intensität der (200) Ebene 20 mal grösser als die Streuintensität der (111) Ebene sein, was zu dem Effekt führt, dass die Adhäsions Eigenschaften dazu neigen sich zu verschlechtern.
Die Höhe der Druckeigenspannungen in den Beschichtungen hängt von den Beschichtungsbedingungen ab. Im Falle, dass die Beschichtungsbedingungen eine Druckeigenspannung grösser als 3,5 GPa erzeugen, werden die Adhäsionseigenschaften negativ beeinflusst. Das Spannungsniveau sollte kleiner als 3,5 GPa sein.
Es ist weiterhin wichtig zu bemerken, dass die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Beschichtungen dieselbe Tendenz zeigen, den oben beschriebenen Bereich von Eigenschaften zu erzeugen, wenn die Abscheidung der Beschichtung mit Plasma unterstützten Beschichtungsmethoden wie Vakuum Lichtbogen Ionen Plattierung, Sputtern, Elektronenstrahl Verdampfung, Plasma unterstütztes CVD und mit Methoden, in denen zwei oder mehr der erwähnten Verfahren kombiniert werden, ausgeführt werden.
Im folgenden wird unter zu Hilfename der Darstellung von veranschaulichenden Beispielen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt. Sowohl die Werkzeuge mit Beschichtungen gemäss der vorliegenden Erfindung, als auch Vergleichswerkzeuge mit Refernzbeschichtungen wurden in einer Lichtbogen Ionen Plattierungsanlage hergestellt.
Die Zusammensetzung der metallischen Komponenten in den AlTiCr Beschichtungen wurde durch die Einstellung der Metall Zusammensetzung der Target Kathoden, die als Verdampfungsquellen benutzt wurden, eingestellt. Der Sauerstoff Gehalt wurde durch die Zugabe einer bestimmten Menge von Sauerstoff zu dem Stickstoff Reaktivgas während des Beschichtungsprozesses eingestellt. Der Sauerstoff Fluss wurde eingestellt und wurde ausgeschaltet und eingeschaltet um Mehr-Lagen Schichten durch Variation des Sauerstoff Gehalts in der Beschichtung zu erzeugen. Um Beschichtungen mit Einzel Schichten mit verschiedenem Metall Gehalt abzuscheiden, wurden Kathoden Targets mit unterschiedlichen Metall Zusammensetzungen verdampft.
Die Kristall Orientierung wird durch die Beschichtungs Bedingungen eingestellt. Die (200) orientierten Beschichtungen wurden unter Verwendung der folgenden Beschichtungs Bedingungen abgeschieden: 70 V Bias Spannung, Druck des Reaktiv Gases 1 Pa. Die (111) Orientierten Beschichtungen wurden unter Verwendung der folgenden Bedingungen hergestellt: 200 V Bias Spannung, Druck des Reaktiv Gases 0.5 Pa.
Es sollte erwähnt werden, dass das Verhältnis I(200)/I(111) sowohl leicht von der Beschichtungs Zusammensetzung, als auch vom Sauerstoff Gehalt abhängt.
Die Beschichtungs Bedingungen wurden kontrolliert und überprüft. Es wurde in Elektronen Mikroskopischen Untersuchungen der Morphologie der Beschichtungen gefunden, dass bei einer Abscheidungs Temperatur von 450°C und einem Druck des reaktiven Gases von 2 Pa eine gewöhnliche kolumnare Morphologie der Beschichtung erzeugt wurde, bei einer Abscheidungs Temperatur von 400°C und einem Druck des reaktiven Gases von 2 Pa eine fein kolumnare Morphologie, bei einer Abscheidungs Temperatur von 400°C und einem Druck des reaktiven Gases von 0.5 Pa eine Block ähnliche kolumnare Morphologie und bei einer Abscheidungs Temperatur von 35°C und einem Druck des reaktiven Gases von 0.5 Pa eine amorph artige Morphologie der Beschichtungen erzeugt wurde.
Um die Stärke der Druckeigenspannungen in der Beschichtung einzustellen, wurde bei einer Abscheidungs Temperatur von 450°C und einem Druck des reaktiven Gases von 2 Pa die Bias Spannung in einem Bereich von 20 V bis 250 V variiert. Zusätzlich zur Variation der Abscheidungs Temperatur, des Drucks des reaktiven Gases und der Bias Spannung wurde der Entladungsstrom, der an die Target Kathode angelegt wurde, für eine einzelne Verdampfungsquelle in einem Bereich von 50–70 A variiert. Die Wachstumsraten der Beschichtung waren in einem Bereich von 0.2 μ/h–0.7 μ/hr.
Die in Tabelle 1 gezeigten Beispiele 16, 17 der vorliegenden Erfindung wurden unter den folgenden speziellen Bedingungen abgeschieden. Die Abscheidung der Beschichtung begann mit einer realtiv langsamen Wachstumsrate von ungefähr 0.8 μm/h während der ersten halben Dicke der Beschichtung, gefolgt von einer relativ schnellen Wachstumsrate von 1.7 μ/h mit einem Lichtbogen Strom von 120 A. Die Einstellung der Halbwertsbreite der Röntgen Streuungs Linie wurde durch die Enstellung des Lichtbogen Stroms bewerkstelligt. Jede Vergleichs Referenzprobe wurde unter den folgenden Bedingungen abgeschieden: Abscheidungs Temperatur 450°C, Druck des reaktiven Gases 2 Pa, Bias Spannung 40 V–100 V, Lichtbogen Strom 100 A.
Tabelle 1
In Tabelle 1 sind Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleich Beispiele zusammengefasst.
Die Dicke der Beschichtungen, sowohl bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung, als auch bei den Vergleich Beispielen, liegen alle zwischen 3000 nm und 3200 nm.
Tabelle 2
In Tabelle 2 sind gemessene Beschichtungs Eigenschaften von Beispielen der vorliegenden Erfindung und von Vergleich Beispielen gezeigt. Die volle Breite auf halber Höhe (FWHM) der 2Θ XRD Linie wurde mit einer Standard Röntgen Beugungs Einheit gemessen. Das Oxidations Verhalten wurde mit dem folgenden Verfahren untersucht. Die Test Proben wurden unter Umgebungsluft bei 900°C oxidiert. Während der Oxidation wurde die Gewicht Zunahme pro Zeiteinheit gemessen. Die Reibungs Eigenschaften wurden durch Messung des Reibungskoeffizienten gegen unlegierten Stahl analysiert. Die Druckeigenspannungen wurden mit einer Bending Methode gemessen. Die Vickers Härte wurde mit einer Nano Kerb Einheit mit einer Belastung von 1 g gemessen. Es versteht sich, dass die Beispiele dieser Erfindung in jedem Punkt den Vergleich Beispielen überlegen sind.
Tabelle 3

In Tabelle 3 ist die Werkzeug Lebensdauer von Beispielen der vorliegenden Erfindung und von Vergleich Beispielen für Schaftfräs Schneiden unter den folgenden Bedingungen gezeigt.

Werkzeug Material	90WC – 9.5 Co – 0.5 Cr, WC Korn Durchmesser 0.8 μm
Werkzeug	6 Schneide Klingen, dm. 8mm Schaftfräser
Werkstück Material	SKD 11 (HRC 63)
Geschwindigkeit Zerspanung	100 m/min.
Schnitttiefe	8 mm × 0.8 mm
Vorschub	50 μm/Schneidekante
Trocken Bearbeitung	Trocken oder Nass

Das Kriterium für das Ende der Lebensdauer des Werkzeugs war die Zerspanungstiefe, bei welcher der Schaftfräser in zwei Teile zerbrochen ist. Die Lebensdauer der Beispiele der vorliegenden Erfindung ist in jeder Hinsicht grösser als die der Vergleich Beispiele.
In Tabelle 3 ist die Werkzeug Lebensdauer von Beispielen der vorliegenden Erfindung und von Vergleich Beispielen für Bohr Anwendungen gezeigt. Die Bohr Kräfte sind die Ergebnisse der Messungen des zehnten Lochs beim Beginn der Bohrung.

Die Lebensdauer des Werkzeugs wurde festgelegt, wenn der Bohrer zerbrach.

Werkzeug Material	91.5WC – 8 Co – 0.5 Cr, WC Korn Durchmesser. 0.8 μm
Werkstück Material	DIN 1.2344 (HRC 42)
Bohrer Durchmesser	8 mm
Zerspanungs Geschwindigkeit	80 m/min.
Vorschub	0.2 mm/rev.
Lochtiefe	32 mm
Trocken oder Nass	Trocken Zerspanung

Es versteht sich von selbst, dass die Beispiele der vorliegenden Erfindung eine deutlich grössere Lebensdauer als die Vergleich Beispiele haben.

Im dritten Test wurden Hartmetall Schneidplatten der vorliegenden Erfindung und Vergleich Hartmetall Schneidplatten in einem Zerspan Test untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 3 beschrieben. Im Falle des Stirnfräsens ist das Oxidationsverhalten wichtig, da hohe Zerspan Geschwindigkeiten vorliegen.

Werkzeug Material	P30 Güteklasse Hartmetall Legierung
Schneidplatten Typ	SEE1203 (Abstandswinkel 5°)
Werkstück Material	1.2344 (HRC 22)
Zerspan Geschwindigkeit	400 m/min.
Zerspan Tiefe	1 mm
Vorschub	0.1 mm/Schneidplatte
Trocken oder Nass	Trocken Zerspanung

Das Kriterium für die Lebensdauer des Werkzeugs war die Zerspan Zeit bis ein mittlerer Flächenverschleiss (VB) von 0.4 mm erreicht war.
Es ist offensichtlich, dass die Beispiele der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer im Vergleich zu den Vergleich Beispielen aufweisen.
TiAlCrON basierte Mehrlagen Beschichtungen auf der Basis von TiAIN Beschichtungen, die durch die zugabe von Cr und Sauerstoff modifiziert wurden, zeigen sowohl eine Verbesserung des Oxidations Verhaltens, als auch der Reibungseigenschaften, ohne Verschlechterung der Verschleissfestigkeit. Darüber hinaus wurde auch auf Grund eines reduzierten Grades der Druckeigenspannungen eine Verbesserung der Adhäsion der Beschichtung gefunden, die zu einer besseren Leistung verschiedener Werkzeuge beim trockenen Hochgeschwindigkeits Zerspanen führen.
Durch die Anpassung der Wachstumsrate wurde ausserdem ein epitaktisches Wachstum der Beschichtung an den WC Körnern von Hartmetall Substraten beobachtet. Die Beispiele der vorliegenden Erfindung zeigten, dass die Beschichtungen eine überlegene Adhäsion an die Teile zeigen, und sogar beim Hochleistungszerspanen kein Abblättern der Beschichtung stattfindet und daher ein stabiles Zerspanen erreichbar ist. Die gleichen oder ähnliche Effekte können vielleicht dazu beitragen die Werkzeug Leistungen in anderen Anwendungsfeldern, wie Heissschmieden, zu verbessern. Tabelle 1
Tabelle 2

*Beschichtungs Morphologie: A kolumnare Morphologie, B fein kolumnare Morphologie

Claims

Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile, die mit einer Hartbeschichtung beschichtet sind, enthaltend die Elemente Al, Ti, Cr, N, O mit einer chemischen Zusammensetzung der Elemente Al_aTi_bCr_cN_wO_100-w im Bereich von 30 ≤ a ≤ 70, 30 ≤ b ≤ 70, 0.5 ≤ c ≤ 20 a + b + c = 100 at % und 70 ≤ w ≤ 99 %, dadurch gekennzeichnet, dass die volle Breite auf halber Höhe (FWHM) bei 2Θ der (200)-Röntgenbeugungslinie grösser als 0,4° und kleiner asl 0.7° ist.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten als eine Einzelschicht abgeschieden sind.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbeschichtungen aus einer Anzahl von Einzelschichten bestehen, wobei die totale Dicke der Schichten im Bereich von 2 Einzelschichten bis zu 1000 Einzelschichten liegt.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer jeden Einzelschicht mindestens 5 nm und bis zu maximal 2000 nm beträgt.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbeschichtungen eine NaCl artige Kristallstruktur haben.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach Anspruch 5, wobei die Intensität der Röntgenbeugungslinie der (111)-Ebene I(111) ist und die Intensität der Röntgenbeugungslinie der (200)-EbeneI(200) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von I(200)/I(111) im Bereich eines Wertes zwischen 1,0 und 20 ist.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologie der Beschichtung eine Kristallkorn Struktur zeigt, die columnar oder block-artig columnar ist.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Veränderung der Morphologie senkrecht zur Grenzfläche des Substrats zeigt, die durch eine Abnahme der Korndurchmesser in Richtung zur Oberfläche der Beschichtung gekennzeichnet ist.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologie der Beschichtung einen amorph artigen Zustand der Deckschicht zeigt.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungen ein Niveau an Druckeigenspannungen zwischen 0.5 GPa–3.5 GPa haben.
Mit einer Hartbeschichtung beschichtete Teile nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer geringen Wachstumsrate an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Beschichtung abgeschieden wird, gefolgt von einer höheren Wachstumsrate der Beschichtung in Richtung zur Oberfläche der Beschichtung.