DE60026916T2

DE60026916T2 - Beschichtete PCBN-Schneidewerkzeuge

Info

Publication number: DE60026916T2
Application number: DE60026916T
Authority: DE
Inventors: Sumitomo Electric Industrie Michiko Itami-shi Ota; Sumitomo Electric Industrie Ltd. Tomohiro Itami-shi Fukaya; Sumitomo Electric Industrie Junichi Itami-shi Shiraishi; Sumitomo Electric Industrie Tetsuo Itami-shi Nakai; Sumitomo Electric Industrie Hisanori Itami-shi Ohara; Sumitomo Electric Industrie Haruyo Itami-shi Fukui
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: EP1122226B1; CA2327092C; DE60026916D1; EP1122226A2; ZA200007090B; DE60026916T3; KR100692112B1; EP1122226B2; CA2327092A1; EP1122226A3; IL140024A0; US6737178B2; US20010003569A1; KR20010062076A

Description

1. Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in Schneidwerkzeugen, unter Verwendung eines gesinterten Körpers, der hauptsächlich kubisches Bornitrid (nachfolgend als gesinterter CBN-Körper bezeichnet) als das Substrat aufweist. Gesinterter CBN-Körper bedeutet polycrystallines CBN und wird nachfolgend als PCBN bezeichnet. Insbesondere bezieht sie sich auf ein beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug, das in der Abnutzungsbeständigkeit und in der hoch genauen Bearbeitung verbessert ist.
2. Beschreibung des in Bezug stehenden Stands der Technik
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche des PCBN-Schneidwerkzeugs mit einer Vielfalt von abnutzungsbeständigen Schichten, wie beispielsweise TiN, um so die Abnutzungsbeständigkeit eines gesinterten CBN-Körpers zu verbessern (d. h. JP-A-1-96083 und JP-A-1-96084), sind vorgeschlagen. Es ist auch vorgeschlagen, die Oberfläche des Substrats (gesinterter CBN-Körper) wesentlich durch Ionenätzen aufzurauen und dann zu beschichten, um das Haftvermögen zwischen dem Substrat und den beschichteten Schichten, und die Haltbarkeit der beschichteten Schicht (d. h. JP-A-7-18415), zu verbessern.
Allerdings wird, wenn eine aufgeraute Oberfläche des Substrats verwendet wird, um das Haftvermögen zu verbessern, die beschichtete Oberfläche auch aufgeraut und unterliegt einer Ablösung aufgrund einer erhöhten Schneidbeständigkeit.
Eine Oberflächenrauigkeit des Werkstücks hängt von der Form der Endschneidkantengrenze ab, und zwar aufgrund der Form der Endschneidkantengrenze, die auf Werkstücken gebildet wird. 3 zeigt eine vergrößerte Grundebene, gesehen von der Fläche 31 der Schneidspitze aus, wenn das Werkstück 30 durch einen Einsatz geschnitten wird.
Der Pfeil stellt die Zuführrichtung des Einsatzes beim Schneiden in 3 dar. Hierbei ist die Endschneidkantengrenze 33 ein Bereich der Schneidkante, der die fertiggestellte Oberfläche des Werkstücks bildet. Die unterbrochene Linie in 3 stellt eine Abnutzung des Einsatzes dar. Das Bezugszeichen 34 zeigt eine Seitenschneidkantengrenze.
Wenn ein hoch beschichteter Einsatz verwendet wird, wird die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks von der frühen Schneidstufe an rau, da die Oberfläche des Einsatzes auf dem Werkstück reproduziert wird. Insbesondere dann, wenn die Endschneidkantengrenze ungleichmäßig abgenutzt ist und sich eine kerbenartige Abnutzung entwickelt, wird die fertiggestellte Oberfläche innerhalb einer kurzen Schneidzeit rau.
Demzufolge ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen beschichteten, gesinterten CPN-Körper für einen Einsatz zu schaffen, der eine spanabhebende Bearbeitung eines Werkstücks mit einer merkbar langen Werkzeuglebensdauer mit hoher Präzision und hoher Qualität vornehmen kann, verglichen mit dem herkömmlichen Einsatz.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Kenntnis, dass eine glatte Abnutzung an der Endschneidkantengrenze die Erhöhung der Oberflächenrauigkeit des Werkstücks steuert, was eine spanabhebende Bearbeitung mit einer langen Werkzeuglebensdauer und einer hohen Präzision ermöglicht. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug gelöst, das ein vorgeschriebenes, beschichtetes Material, eine Dicke und eine Oberflächenrauigkeit besitzt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug und einen gesinterten CBN-Körper, mit 35 Volumen-% bis 85 Volumen-% an CBN. Die harte Überzugsschicht besteht zumindest aus einem Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus IVa, Va, VIa Elementen der Periodentabelle und Al und mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus C, N und O, besteht. Die Dicke der Schicht beträgt vorzugsweise 0,3 μm bis 10 μm. Eine Oberflächenrauigkeit der beschichteten Oberfläche beträgt nicht mehr als 0,2 μm an Ra, was die arithmetische Mittelrautiefe ist.
Da große Teilchen, bezeichnet als Droplets, in der harten Überzugsschicht enthalten sein können, ist Ra bevorzugt, um die Oberflächenrauigkeit einer solchen harten Überzugsschicht abzuschätzen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Endschneidkantengrenze gering abgenutzt wird, wenn die harte Überzugsschicht glatt ist. Das glatte bzw. sanfte Abnutzen bedeutet ein Kontrollieren der Flankenabnutzung und einer Kerbenabnutzung an der Endschneidkantengrenze.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die das Schneidwerkzeug, unter Verwendung des gesinterten CBN-Körpers, darstellt.
2 stellt eine Ausführungsform einer Ionenplattiervorrichtung zum Präparieren der harten Überzugsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
3 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die eine Endschneidkante und eine Seitenschneidkante darstellt.
4 zeigt einen Querschnitt der Probe Nr. 4-1 und 4-2 in Beispiel 4.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
(Substrat)
Der gesinterte CBN-Körper, der 35 Volumen-% bis 85 Volumen-% an CBN aufweist, wird als das Substrat verwendet. Die Festigkeit des Substrats ist mit einer Abnutzungsbeständigkeit unter der Bedingung des vorstehenden Gehalts an CBN kompatibel.
Das Bindemittel des Substrats weist mindestens ein Element auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nitrit, Karbit, Borid und Oxid eines IVa, Va, VIa Elements der Periodentabelle und deren feste Lösungen und mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus AlN, AlB₂, Al₂O₃ und deren festen Lösungen besteht, zusammengesetzt. Die Bestandteile des Bindemittels sind so ausgewählt, um die Festigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit des Substrats zu verbessern. Es muß nicht gesagt werden, dass das Substrat unvermeidbare Verunreinigungen umfassen kann.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des CBN, enthalten in dem Substrat, beträgt vorzugsweise nicht mehr als 4,0 μm. Die Festigkeit des erfundenen Materials hängt von der Festigkeit des gesinterten CBN-Körpers ab. Das CBN-Teilchen, das einen durchschnittlichen Durchmesser von nicht mehr als 4,0 μm besitzt, unterstützt eine Reaktion mit dem Pulver des Bindermaterials, erhöht die Festigkeit des gesinterten CBN-Körpers und verbessert demzufolge die Festigkeit des erfundenen Materials. Dabei sind zwei Substrate bei dieser Erfindung vorhanden. Das erste Substrat ist nur aus einem gesinterten CBN-Körper, wie er in 1 dargestellt ist, zusammengesetzt. Der andere ist aus einem gesinterten CBN-Körper und Hartmetall zusammengesetzt, wie dies in 4 dargestellt ist.
Das Substrat wird vorzugsweise unter dem Druck nicht geringer als 4 Gpa und der Temperatur nicht geringer als 1000°C unter Verwendung einer Hochdruckvorrichtung her gestellt. Die detaillierten Herstellungsverfahren und Eigenschaften des gesinterten CBN-Körpers sind in der JP-A-53-77811 angegeben.
(Harte Überzugsschicht)
Die harte Überzugsschicht ist aus Verbindungen ausgewählt, die aus mindestens einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die besteht aus IVa, Va, VIa Elementen der Periodentabelle, und Al, und mindestens einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus C, N und O besteht, zusammengesetzt. Diese Verbindungen besitzen eine ausreichende Härte und eine hohe Abnutzungsbeständigkeit.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass dann, wenn ein Werkstück durch das beschichtete PCBN-Schneidwerkzeug geschnitten wird, eine Abnutzung an der Flankenfläche, angeordnet ungefähr an der Mitte der Endschneidkantengrenze 33 und der Schneidkantengrenze 34, auftritt und zu den Grenzen hin propagiert. Demzufolge verbleibt die harte, beschichtete Schicht an der Endschneidkantengrenze. Die verbleibende, harte beschichtete Schicht verhindert, dass die CBN-Teilchen und die Partikel des Bindermaterials aus dem gesinterten CBN-Körper an der Endschneidkantengrenze herausfallen, was die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks beeinflusst. Die verbleibende, harte Überzugsschicht verhindert auch die Entwicklung einer Kerbenabnutzung. Die verbleibende harte Überzugsschicht hält nämlich eine glatte Abnutzung an der Endschneidkantengrenze und eine spanabhebende Bearbeitung mit hoher Präzision für eine lange Zeit aufrecht.
Eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit des erfundenen Materials verhindert eine erhöhte Schneidkraft, eine Verwertung der Werkstückoberfläche, ein Ablösen der beschichteten Schicht und ein Fortschreiten einer Abnutzung. Es verbessert auch die Werkzeuglebensdauer und die Bearbeitungsgenauigkeit.
Bevorzugte Materialien für die harte Überzugsschicht sind, z. B., TiN, TiCN, TiAlN, Al₂O₃, ZrN, ZrC, CrN, VN, HfN, HFC und HFCN. Die Effekte einer „glatten Abnutzung an der Endschneidkantengrenze und einer Bearbeitung mit hoher Präzision" können durch die harte Überzugsschicht, die die bevorzugten Materialien aufweist, erreicht werden. Insbesondere verbessern TiN- oder TiAlN-Schichten merkbar die Effekte. Die vorliegende Erfindung wird ökonomisch unter Verwendung einer TiN-Schicht als die harte Überzugsschicht durchgeführt.
Sowohl eine einzelne Schicht als auch mehrere Schichten können für den Aufbau der harten Überzugsschicht verwendet werden. Mindestens eine Schicht unter den mehre ren Schichten sollte aus den bevorzugten Materialien dieser Erfindung ausgewählt werden.
Die Dicke der beschichteten Schicht wird in einem Bereich zwischen 0,3 μm und 10 μm ausgewählt. Die bevorzugten Effekte der glatten Abnutzung an der Endschneidkantengrenze können nicht in einem Bereich dünner als 0,3 μm erhalten werden. Falls sie dicker als 10 μm ist, verringert die verbleibende Spannung in der harten Überzugsschicht eine Adhäsionsfestigkeit zwischen dem Substrat und der harten Überzugsschicht. Die Dicke bedeutet die Gesamtdicke in dem Fall von mehreren Schichten.
Die arithmetische Mittelrautiefe der Schicht, die mit Ra bezeichnet ist, beträgt nicht mehr als 0,2 μm in dieser Erfindung, und vorzugsweise nicht mehr als 0,1 μm. Die arithmetische Mittelrautiefe Ra wird basierend auf JIS B 0601 Standard gemessen. Die Messlänge ist auf 0,8 mm in dem letzteren Beispiel festgelegt, allerdings ist die Länge optional entsprechend des gemessenen Objekts. Wenn es nicht möglich ist, 0,8 mm für die Messlänge anzuwenden, kann eine kürzere Länge als 0,8 mm als eine Messlänge angewandt werden.
Es ist bevorzugt, dass mindestens eine Oberfläche sowohl des Substrats als auch der beschichteten Schicht poliert wird, um die Oberfächenrauigkeit der harten Überzugsschicht in dem vorgeschriebenen Bereich zu kontrollieren. Da die Oberflächenrauigkeit der harten Überzugsschicht von der Oberflächenrauigkeit des Substrats abhängt, ist Ra des Substrats vorzugsweise nicht mehr als 0,2 μm, damit Ra der harten Überzugsschicht in dem Bereich von nicht mehr als 0,2 μm liegt. Wenn die Oberfläche des Substrats glatter poliert wird, wird die Oberflächenrauigkeit der harten Überzugsschicht verbessert. Demzufolge wird eine Bearbeitung mit hoher Präzision unter Verwendung eines Einsatzes möglich, der das polierte Substrat besitzt. Das Polierverfahren besitzt keine Grenze. Ein gesondertes abrasives Material wird, z. B., auf die Oberfläche der sich drehenden Bürste aufgebracht und dann wird die Bürste auf die Oberfläche des Substrats oder der harten Überzugsschicht gedrückt.
Die Überzugsschicht ist vorzugsweise auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet. Die Überzugsschicht ist auf mindestens der Oberfläche, mit der geschnitten wird, gebildet. Die Oberfläche, die das Schneiden ausführt, ist mindestens eine Oberfläche, die aus der Schneidzahnfläche, der Flankenfläche oder der negativen Vorsprungsfläche ausgewählt ist. Noch wichtiger ist der Bereich von der Schneidzahnfläche zu der Flankenflä che oder von der Schneidzahnfläche über die negative Vorsprungsfläche zu der Flankenfläche. Es ist besonders bevorzugt, dass die beschichtete Schicht an dem mit dem Werkstück berührten Bereich, und den angrenzenden Bereichen, gebildet ist.
Eine frühere Beschichtungstechnik kann als ein Verfahren verwendet werden, um die harte Überzugsschicht zu bilden. Die harte Überzugsschicht kann durch die physikalische Dampfniederschlags-(PVD)-Technik, wie beispielsweise Sputtern und Ionenplattieren, und die chemische Dampfniederschlags-(CVD)-Technik, wie beispielsweise Plasma-CVD, hergestellt werden. Ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren ist besonders bevorzugt, um die glatte, harte Schicht zu bilden. Ein Lichtbogenionenplattierverfahren ist in der JP-A-1068071 beschrieben.
(Anbringen des Substrats an der Basis)
Wenn das Substrat an der Basis mit einem Lötmittel befestigt wird, enthält das Lötmittel vorzugsweise Ti und besitzt einen Schmelzpunkt höher als 650°C, noch bevorzugter höher als 700°C. Da das Substrat des gesinterten CBN-Körpers durch eine kostenaufwendige Hochdrucksintervorrichtung hergestellt wird, ist das Substrat auch teuer. Um einen Einsatz unter geringen Kosten herzustellen, ist vorgesehen, dass ein Satz durch Anbonden des Substrats an der Basis mit einem Lötmittel aufgebaut wird. Das Substrat bildet nur den zu dem Schneiden beitragenden Bereich und die Basis bildet den Rest eines Einsatzes. Um den angebondeten Einsatz mit einer harten Schicht zu beschichten, die eine ausreichende Adhäsionsfestigkeit besitzt, ist es wesentlich, dass das Substrat und die Basis nicht gegeneinander während einer Beschichtung einer harten Schicht bei einer hohen Temperatur gleiten. Andererseits ist herausgefunden worden, dass dann, wenn die harte Schicht unter der Temperatur von nicht geringer als 650°C beschichtet wird, noch bevorzugter nicht geringer als 500°C, die harte Überzugsschicht eine ausreichende Athesionsfestigkeit besitzt. Deshalb ist es auch wesentlich, dass der Schmelzpunkt des Lötmittels höher als 650°C ist, um das Substrat an der Basis anzubonden. Wenn das Substrat zwischen der Temperatur höher als 650°C und niedriger als der Schmelzpunkt des Lötmittels beschichtet wird, wird auch ein Gleiten zwischen dem Substrat und der Basis verhindert. Um eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zwischen dem Substrat und der Basis bei einer solchen hohen Temperatur zu erhalten, muss der Schmelzpunkt des Lötmittels höher als 700°C sein.
Das Basismaterial ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Hartmetall, Keramik, Cermet und Eisenmetall besteht. Hartmetall ist für das Basismaterial bevorzugt, da Hartmetall ein sehr hartes und festes Material ist.
Wenn Ti in dem Lötmittel enthalten ist, wird die Athesionsfestigkeit der beschichteten Schicht an dem Grenzbereich zwischen dem Substrat und der Basis verbessert, da die Oberfläche des Lötmittels mit der beschichteten Schicht reagiert.
Wie vorstehend erläutert ist, besitzt der Einsatz der vorliegenden Erfindung ein festes Substrat, eine glatte, beschichtete Schicht und wird nur wenig an der Endschneidkantengrenze abgenutzt, wodurch es möglich ist, den Einsatz bei der Präzisionsbearbeitung für ein langlebiges Werkzeug zu verwenden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend erläutert. Die Dicke der beschichteten Schicht wird durch direktes Beobachten des Querschnitts eines Einsatzes unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) in diesen Ausführungsformen gemessen. Die vorliegende Erfindung des beschichteten PCBN-Schneidwerkzeugs ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
Das Pulver aus TiN, Ti und Al wurde unter Verwendung eines Tiegels und einer Kugel, hergestellt aus Hartmetall, gemischt, um ein Bindemittelpulver zu erhalten. Das Bindemittelpulver wurde mit CBN-Pulver gemischt und die erhaltene Pulvermischung wurde in einem Mo-Behälter eingegeben und bei 1.400°C unter einem Druck von 5 GPa (50 kb) für 20 Minuten gesintert. Das erhaltene, gesinterte Substrat 21 wurde an eine Basis 22 durch ein Lötmittel angebondet und zu einem Einsatz für das Schneidwerkzeug geformt (Form von SNGN 120408), wie es in 1 dargestellt ist. Die TiN-Schicht wurde auf der Oberfläche des Einsatzes durch eine bekannten Ionenplattiertechnik niedergeschlagen. Die Proben der Nummer'n 1-1 bis 1-4 wurden so präpariert, wie dies in Tabelle 1 dargestellt ist. 2 stellt eine Ausführungsform einer Niederschlagsvorrichtung dar. Die Vorrichtung besaß eine Mehrzahl von Targets 2 und 3, eingesetzt an gegenüberliegenden Seiten in einer Vakuumkammer, und ein Tisch 4, der eine Drehachse an der Mitte beider Targets besaß. Ein zylindrischer Einsatz-Halter 5 wurde an dem Tisch 5 befestigt und Einsätze 6 wurden an dem Einsatz-Halter 5 gehalten. Die Vakuumkammer besaß einen Ga seinlass und -auslass, um dem vorgeschriebenen Druck einzustellen und das vorgeschriebene Gas zuzuführen. Der Auslass war mit einer Vakuumpumpe verbunden.
Einsätze können auf die vorgeschriebene Temperatur durch eine Heizeinrichtung 10 erwärmt werden. Jedes Target 2 und 3 ist mit elektrischen Generatoren 7 und 8 verbunden, die den elektrischen Entladungsstrom einstellt, um die Target-Materialien zu verdampfen. Der Einsatz-Halter ist mit einem elektrischen Hochspannungsgenerator 9 verbunden, um eine Biasspannung zu dem Substrat zuzuführen. Nachdem die Vakuumkammer auf einen Druck von 7 × 10^–3 Pa evakuiert war, wurde Argon-(Ar)-Gas eingeführt, um einen Druck von 0,1 Pa zu erzeugen, indem die Einsätze auf 400°C erwärmt, wurden unter Verwendung der Heizeinrichtung 10, und wurden unter einer elektrischen Biasspannung von 1.000 V gereinigt. Dann wurde die Oberfläche der Einsätze durch Metallionen gereinigt, bis sich die Temperatur der Einsätze auf 500°C erhöhte mit einem Verdampfen und Ionisieren der Metalltargets 2 und 3 unter Verwendung einer elektrischen Vakuumlichtbogenentladung.
Dann wurde mindestens eine Art oder mehr an N₂, H₂, Ar, CH₄, und C₂H₂ in die Vakuumkammer 1 eingeführt, um den Druck der Kammer 1 bei 2 Pa zu halten. Die Einsätze wurden mit einer harten Überzugsschicht durch Verdampfen und Ionisieren der Metalltargets 2 und 3 unter Verwendung einer Vakuumlichtbogenentladung beschichtet. Biasspannungen von –20 bis –500 V wurden an den Einsatz-Halter angelegt.
Vergleichsbeispiele 1-5 bis 1-10, die in dem beschichteten Zustand unterschiedlich waren, und Vergleichsbeispiele 1-11 bis 1-12, die nicht beschichtet waren, wurden präpariert.
Die Oberflächenrauigkeit der harten Überzugsschicht wurde durch den Grad eines Polierens des Substrats vor einem Beschichten eingestellt. Das Substrat wurde durch Drücken einer sich drehenden Bürste, auf der ein abrasives Diamantenmaterial mit 5~8 μm im Durchmesser (entsprechend zu #2000) aufgebracht war, poliert.
Die erhaltenen Einsätze wurden durch einen Schneidtest evaluiert. Ein runder Stahlstab aus SCM415 (JIS Standard), der eine Härte von HRC61 besaß, wurde entlang seines Umfangs mit einer Schneidgeschwindigkeit von 160 m/min, einer Tiefe eines Schneidens von 0,1 mm, einer Zuführungsrate von 0,08 mm/U in einem trockenen Zustand geschnitten. Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Die anfängliche Oberflächenrauigkeit von Rz (μm) ist die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks nach einem Schneiden von einer Minute. Die Haltbarkeit der beschichteten Schicht wurde zu der Zeit abgeschätzt, zu der die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks 3,2 μm von Rz erreichte. Rz ist eine 10-Punkt-Durchschnittsrauigkeit, basierend auf JIS B 0601. 3,2z in Tabelle 1 und in den anderen Abschnitten dieser Beschreibung bedeutet eine Oberflächenrauigkeit von 3,2 μm, gemessen an dem Werkstück durch Rz.
Röntgenstrahlendiffraktionsmuster der sich ergebenden, gesinterten Körper, ergaben das Vorhandensein von CBN, TiN, Tib₂, (AlB₂), AlN und eine geringe Menge an WC und Al₂O₃. Es wurde angenommen, dass die Reaktion von Al und Sauerstoff in dem gemischten Pulver Al₂O₃ erzeugte.
Die Proben 1-1 bis 1-4 besaßen eine glatte, beschichtete Schicht, wie dies in Tabelle 1 angegeben ist. Die anfängliche Oberflächenrauigkeit des Werkstücks ist gut, da sie eine Wiedergabe der Oberflächenrauigkeit der Einsätze ist. Auch besaßen die beschichteten Schichten eine hohe Abnutzungsbeständigkeit, wodurch eine lange Dauer der Oberflächenrauigkeit und eine Bearbeitung mit hoher Präzision durch die Erfindung erhalten wurden.
Im Gegensatz dazu besaßen die Proben 1-5 und 1-6 des Vergleichsbeispiels eine grobe Oberflächenrauigkeit. Die anfängliche Oberflächenrauigkeit des Werkstücks ist rau, da sie eine Reproduktion der Rauhigkeit der Oberflächenrauigkeit der Einsätze ist. Demzufolge sind beide Dauern der Oberflächenrauigkeit kurz.
Die beschichtete Schicht von Probe 1-7 des Vergleichsbeispiels ist zu dick und demzufolge besaß die beschichtete Schicht eine hohe Spannung und schält sich leicht ab. Probe 1-8 des Vergleichsbeispiels besaß eine zu dünne, beschichtete Schicht; demzufolge besaß die beschichtete Schicht eine schlechte Abnutzungsbeständigkeit und eine verringerte Dauer der Oberflächenrauigkeit.
Die Menge an CBN in dem Substrat der Probe 1-9 des Vergleichsbeispiels ist zu niedrig; demzufolge ist die Schneidkante in der Festigkeit beeinträchtigt und platzt leicht ab, was eine verringerte Dauer der Oberflächenrauigkeit verursacht.
Das Substrat der Probe 1-10 des Vergleichsbeispiels enthält eine zu hohe Menge an CBN; demzufolge propagiert die Abnutzung des Substrats schnell und verursacht eine verminderte Dauer der Oberflächenrauigkeit.
Da die Vergleichsbeispiele 1-11 und 1-12 keine beschichteten Schichten haben, bewirkt eine beeinträchtigte Abnutzungsbeständigkeit eine verringerte Dauer der Oberflächenrauigkeit.
Beispiel 2
Der Vorgang des Beispiels 1 wurde wiederholt, um Proben 2-1 bis 2-4, 2-8 und 2-11 der vorliegenden Erfindung zu präparieren. Die Proben 2-2 bis 2-7, 2-9, 2-10 und 2-12 der Vergleichsbeispiele wurden auch präpariert. Die Gehalte an CBN und die Zusammensetzung der Bindephase in dem Substrat wurden in diesem Beispiel diversifiziert.
Schneidtests wurden unter derselben Bedingung wie Beispiel 1 unter Verwendung der erhaltenen, beschichteten Einsätze, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Gesinterter CBN Körper: Durchschnittlicher CBN-Teilchendurchmesser : 1,5 (μm)
Zusammensetzung des Lötmittels (Gewichts-%): 70-Ag, 28-Cu, 2-Ti (Schmelzpunkt 780–800°C)
Harte Überzugsschicht: TiN
Dicke der harten Überzugsschicht: 3,0 μm

Röntgenstrahlendiffrationsmuster des erhaltenen, gesinterten Substrats ergaben das Vorhandensein von CBN, TiN, TiB₂ (AlB₂), AlN und eine geringe Menge an WC und Al₂O₃ in den Proben Nr'n 2-1 bis 2-4 und den Vergleichsbeispielen 2-5 und 2-6. CBN, TiC, AlN, TiB₂, (AlB₂), und eine geringe Menge an WC und Al₂O₃ wurde in Probe 2-8 und den Vergleichsbeispielen 2-7 und 2-9 vorgefunden. Auch wurden CBN, CoWB, Co₂W₂B, AlN, AlB₂, TiN, WC und eine geringe Menge an Al₂O₃ in der Probe 2-11 und den Vergleichsbeispielen 2-10 und 2-12 vorgefunden. Es wird angenommen, dass die Reaktion von Al und Sauerstoff in dem gemischten Pulver Al₂O₃ erzeugte.
Proben Nr'n 2-1 bis 2-4, 2-8 und 2-11 zeigten eine lange Dauer der Oberflächenrauigkeit und könnten bei der Präzisionsbearbeitung verwendet werden, da eine Abnutzungsbeständigkeit und eine solche gegen Bruch des CBN-Substrats ausgezeichnet ist.
Andererseits waren die Substrate der Vergleichsbeispiele der Nr'n 2-5 bis 2-7, 2-9, 2-10 und 2-12 in der Abnutzungsbeständigkeit und in der Festigkeit beeinträchtigt. Deshalb besaßen sie eine kurze Dauer der Oberflächenrauigkeit zum Schneiden von gehärtetem Stahl aufgrund der Ausbreitung eines Abplatzens und einer Abnutzung.
Beispiel 3
Der Vorgang von Beispiel 1 wurde wiederholt, um Proben der Erfindung zu präparieren. Die Vergleichsbeispiele 3-5, 3-6, 3-9 und 3-10 wurden auch präpariert. Die Oberflächenrauigkeit der Substrate und der durchschnittliche Durchmesser des CBN-Teilchens, enthalten in den Substraten, wurden in diesem Beispiel diversifiziert.
Schneidtests wurden unter derselben Bedingung wie Beispiel 1 unter Verwendung der erhaltenen, beschichteten Einsätze durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Röntgenstrahlendiffraktionsmuster der sich ergebenden, gesindeten Substrate, ergaben das Vorhandensein von CBN, TiN, TiB₂, (AlB₂), AlN und eine geringe Menge an WC, Al₂O₃. Es wird davon ausgegangen, dass das Al₂O₃ eine Verbindung von Al und Sauerstoff in den gemischten Pulvern ist.
Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen das Folgende. Proben 3-1 bis 3-4 besaßen glatte, beschichtete Schichten, so dass die anfängliche Oberflächenrauigkeit der Werkstücke, die eine Reproduktion der Einsätze sind, ausgezeichnet ist.
Diese Proben besaßen eine lange Dauer einer Oberflächenrauigkeit 3,2z und konnten bei der Präzisionsbearbeitung verwendet werden, da die harte, beschichtete Schicht eine hohe Abnutzungsbeständigkeit besaß.
Die Oberflächenrauigkeit des Substrats in den Proben 3-7 und 3-8 war glatter als andere Proben, wodurch deshalb die Oberflächenrauigkeit der beschichteten Schicht glatter wurde. Demzufolge waren diese Proben ausgezeichnet in der Oberflächenrauigkeit und die Dauer der Oberflächenrauigkeit (3,2z) des Werkstücks ist ausgezeichnet.
Im Gegensatz dazu war die Oberflächenrauigkeit des Substrats klein in den Vergleichsbeispielen 3-5 und 3-6, die einen größeren, durchschnittlichen Durchmesser der CBN-Teilchen besaßen, allerdings mit dem Unterschied in der Wachstumsrate der harten Überzugsschicht auf den CBN-Teilchen und der Bindungsphase, die von der Schicht ausging. Deshalb war die Oberflächenrauigkeit der harten Überzugsschicht rau und die Dauer der Oberflächenrauigkeit (3,2z) war überzeugend. Die Vergleichsbeispiele 3-9 und 3-10 zeigten das Folgende. Wenn die Oberflächenrauigkeit des Substrats groß war, erhöhte sich die Oberflächenrauigkeit der harten Überzugsschicht und die Dauer der Oberflächenrauigkeit (3,2z) verringerte sich.
Beispiel 4
Die Substrate der Proben 4-1 und 4-2 und der Vergleichsbeispiele 4-3 und 4-4 wurden präpariert. Die Substrate waren zweischichtig aus einem gesinterten CBN-Körper und Hartmetall, wie dies in 4 dargestellt ist. Die gesinterten CBN-Körper waren an Grundkörpern unter Verwendung von Lötmittel, das verschiedene Zusammensetzungen und Schmelzpunkte vor der Beschichtung besaß, angebondet. Dann wurden sie mit einer TiN-Schicht, die eine Dicke von 3,0 μm besaß, in derselben Art und Weise wie in Beispiel 1 beschichtet. Der Schlupf der Substrate auf den Grundkörpern und die Bindungsfestigkeit des Lötmittels und der beschichteten Schicht wurden in diesem Beispiel geprüft. Die Ergebnisse sind auch in Tabelle 4 dargestellt.
Röntgenstrahlendiffraktionsmuster der erhaltenen, gesinterten Substrate ergaben das Vorhandensein von CBN, TiN, TiB₂, (AlB₂), AlN und eine geringe Menge an WC, Al₂O₃. Es wird davon ausgegangen, dass Al zu Al₂O₃ während des Vorgangs der Herstellung des Bindemittelpulvers und des Sintern des Substrats oxidiert und entwickelt wurde.
Es wurde herausgefunden, dass der gesinterte CBN-Körper und der Basiskörper des Vergleichsbeispiels 4-4 an dem Bindungsbereich einen Schlupf besaßen, da das Lötmittel, das einen Schmelzpunkt von 600°C besaß, aufgrund des Anstiegs in der Temperatur während der Beschichtung geschmolzen wurde. Deshalb konnten die Proben nicht als Schneideinsätze verwendet werden. Das Lötmittel, verwendet in dem Vergleichsbeispiel 4-3, besaß einen Schmelzpunkt von 650°C und umfaßte kein Ti. Ein leichter Schlupf wurde an dem Bindungsbereich des CBN-Substrats und des Grundkörpers vorgefunden. Andererseits war kein Schlupf an dem Bindungsbereich des CBN-Substrats und der Basis in den Proben 4-1 und 4-2 der vorliegenden Erfindung vorhanden, da sie durch ein Lötmittel angebondet wurden, das einen Schmelzpunkt höher als 700°C besaß.
Die beschichtete Schicht wurde an der Lötmittelanhäufung des Bindungsbereichs zwischen den CBN-Substraten und den Basisteilen in den Vergleichsbeispielen 4-3 und 4-4 abgelöst, deren Lötmittel kein Ti besaß. Andererseits wurde die beschichtete Schicht nicht in den Beispielen 4-1 und 4-2, deren Lötmittel Ti enthielt, abgelöst, da die Reaktion von Ti und TiN an der Oberfläche des Lötmittels die Bindungsfestigkeit erhöhte. Je mehr Ti in dem Lötmittel enthalten war, desto fester war die Adhäsion der Überzugsschicht und des Lötmittels. Tabelle 4

Gesinterter CBN Körper: Bindematerialpulver (Gewichts-%); TiN 0,7 : Al = 75 : 25
Gesinterter CBN Körper: CBN-Gehalt 55 (Volumen-%)
Gesinterter CBN Körper: Durchschnittlicher CBN-Teilchendurchmesser : 1,5 μm
Harte Überzugsschicht: TiN
Dicke der harten Überzugsschicht: 3,0 (μm)

Beispiel 5
Der Vorgang von Beispiel 1 wurde wiederholt, um die vorbeschichteten Proben 5-1 bis 5-8 zu präparieren. Das Vergleichsbeispiel 5-9, das keine Überzugsschicht besaß, wurde auch präpariert. Anordnungen einer Überzugsschicht, wie beispielsweise einer Monoschicht oder einer Mehrfachschicht, und die Zusammensetzung wurden in Beispiel 5 evaluiert. Die „erste Schicht" wurde auf der Seite des Substrats angeordnet und die „dritte Schicht" wurde an der Seite der Oberfläche der Überzugsschichten in Tabelle 5 angeordnet.
Schneidtests wurden unter derselben Bedingung wie Beispiel 1 unter Verwendung der erhaltenen Einsätze durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Röntenstrahlendiffraktionsmuster der erhaltenen, gesinterten Substrate ergaben das Vorhandensein von CBN, TiN, TiB₂, (AlB₂) und AlN und eine geringe Menge von WC, Al₂O₃ Es wird davon ausgegangen, dass Al oxidierte und zu Al₂O₃ während des Vorgangs der Herstellung des Bindemittelpulvers und Sinterns des Substrats entwickelt wurde.
Da die Proben 5-1 bis 5-8 glatte, beschichtete Schichten besaßen, wie dies in Tabelle 5 dargestellt ist, waren die Einsätze in der anfänglichen Oberflächenrauigkeit, die eine Reproduktion der Überzugsschicht ist, ausgezeichnet. Es war deutlich, dass diese Proben eine lange Dauer einer Oberflächenrauigkeit von 3,2z besaßen und bei der Präzisionsbearbeitung verwendet werden konnten, da diese Überzugsschichten eine hohe Abnutzungsbeständigkeit besaßen. Da die Proben 5-1 bis 5-5 mindestens eine Schicht aus TiN oder TiAlN besaßen, war eine Abnutzung der Überzugsschicht gleichförmig und glatt. Deshalb besaßen diese Proben eine längere Dauer der Oberflächenrauigkeit von 3,2z.

Claims

Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug, das ein Substrat (21) und eine harte Überzugsschicht auf dem Substrat umfasst, (a) wobei das Substrat nicht weniger als 35 Vol.-% und nicht mehr als 85 Vol.-% CBN enthält; (b) die harte Überzugsschicht wenigstens eine Verbundschicht umfasst, die aus wenigstens einem Element, das aus Elementen der Gruppen 4a, 5a, 6a des Periodensystems ausgewählt wird, und Al und wenigstens einem Element besteht, das aus C, N und O ausgewählt wird; (c) die Dicke der harten Überzugsschicht nicht weniger als 0,3 μm und nicht mehr als 10 μm beträgt; (d) eine arithmetische Mittelrauhtiefe Ra der harten Überzugsschicht nicht mehr als 0,2 μm beträgt.
Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Bindematerial enthält; die Bindematerialien wenigstens einen Teil, der aus einer Gruppe von Nitrid, Karbid, Borid und Oxid von Elementen der Gruppen 4a, 5a, 6a des Periodensystems und einer festen Lösung daraus ausgewählt wird, und wenigstens einen Teil umfassen, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus AlN, AlB₂, Al₂O₃ und ihren festen Lösungen besteht.
Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Substrat mit Lot an einen Träger gebunden ist; der Träger wenigstens ein Teil ist, der aus einer Gruppe aus Sinterkarbid, Keramik, Cermet und Eisengruppenmetallen ausgewählt wird, das Lot Ti enthält und einen Schmelzpunkt über 650°C hat.
Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die harte Überzugsschicht wenigstens eine Schicht aus TiN enthält.
Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die harte Überzugsschicht wenigstens eine Schicht aus TiAlN enthält.
Beschichtetes PCBN-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die arithmetische Mittelrauhtiefe der harten Überzugsschicht nicht mehr als 0,1 μm beträgt.