Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Werkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf durch physikalisches Aufdampfen (PVD) abgeschiedenen einzigen Schicht oder unteren Schicht von zwei Schichten aus einem Metallnitrid. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs sowie dessen Verwendung.

Die Beschichtung von Grundkörpern, die zum Beispiel aus einem Hartmetall oder einem Cermet bestehen, dient dem Ziel, eine optimale Kombination von höchster Verschleißfestigkeit und höchster Zähigkeit, d.h. von Eigenschaften zu erlangen, die wegen ihrer Gegenläufigkeit nur schwer miteinander zu verknüpfen sind. Die ersten verwendeten Schichten bestanden aus Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid oder Titanaluminiumnitrid oder Aluminiumoxyd. Zum Aufbringen der Beschichtung werden chemische oder physikalische Aufdampfverfahren (CVD, PVD) verwendet.

CVD-Verfahren werden beispielsweise zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Aluminiumoxyd verwendet. Aluminiumoxyd weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit auf und zeigt eine hohe Warmhärte und eine geringe thermische Leitfähigkeit. Solche beschichteten Werkzeuge eignen sich zur Trockenzerspanung und/oder zur Bearbeitung von Sonderlegierungen wie Titan- und/oder Nickel-Legierungen. Es ist auch bekannt, auf den Grundkörper mehrlagige Beschichtungen, zum Beispiel Titanaluminiumnitrid als erste Schicht und Aluminiumoxyd als Deckschicht zu verwenden.

Als PVD-Verfahren sind insbesondere das Lichtbogen-Verdampfen (arcPVD) und das Kathodenzerstäuben (Sputtern) bekannt. Beim sogenannten Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmaterial, dem Target, durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einem Plasma gelöst und anschließend auf einen in der Nähe des Targets angeordneten Substrat abgeschieden. Befindet sich in der Beschichtungsapparatur ein Reaktivgas, so können auf dem Grundkörper Verbindungen wie beispielsweise TiN abgeschieden werden. Als sogenanntes Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas dient meist ein Edelgas wie Argon.

Bei der Abscheidung von Titanaluminiumnitrid können entweder zwei Targets oder ein Target, bestehend aus einer Legierung TiAl in Verbindung mit einem N2-haltigen Gas erfolgen. Die Al-Dotierung dient zur Erhöhung der Härte der TiN-Schichten. Bekannt sind auch Schichten aus AIZrN.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung für ein Werkzeug anzugeben, die eine erhöhte Standzeit bei verbesserter Leistung ermöglicht.

Ferner soll ein hierzu geeignetes Verfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Werkzeuges angegeben werden.

Die auf das beschichtete Werkzeug gerichtete Aufgabe wir durch ein Werkzeug nach Anspruch 1 gelöst, das durch folgende Schichtzusammensetzung gekennzeichnet ist: (AlvTiNCrxSiyHfz)N mit folgender Zusammensetzung (angegeben in at%): 0,455 < v < 0,685, 0,255 < w + x < 0,485 0,03 < y + z < 0,09, 1 ,8 < y/z < 2,2 und 0,8 < w/x < 1 ,2, wobei v + w + x + y + z = 1 ist.

Bevorzugt wird das Verhältnis von Si zu Hf mit 2:1 gewählt.

Bevorzugte Schichtdicken liegen zwischen 0,5 m und 8 pm, vorzugsweise maximal bei 5 pm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Grundkörper aus einem Hartmetall oder einem Cermet gewählt. Wesentlich ist der Gesamtgehalt von Si und Hf, der 9 at% nicht übersteigen soll sowie das Verhältnis der Si- und der Hf- Bestandteile, die zur Verschließverbesserung der Werkzeuge bei hohen Temperaturen beitragen. Insbesondere bei Zerspanungsreaktionen entstehen beim Spanablösen an der Schneidkante durch Reibung hohe Temperaturen, die bei fehlender Verschleißbeständigkeit zu einem hohen Kantenverschleiß oder sogar zu einem Schneidkantenbruch führen können, welche das Schneidwerkzeug unbrauchbar machen können. Überraschenderweise hatte die erfindungsgemäße Schicht neben der hohen Oxidationsbeständigkeit den Vorteil, dass die Schnittkräfte in der Trockenbearbeitung von Titanlegierungen im Vergleich zu analogen Schichtsystemen ohne Hf um 20 % bis 30 % vermindert waren. Im Vergleich zu Mehrfachschichten, die aus einer harten Schicht und einer Gleitschicht bestanden, konnten höhere Standzeiten mit einer erfindungsgemäßen Monoschicht sowohl beim Drehen als auch beim Fräsen erzielt werden. Als innere untere von insgesamt zwei Schichten kann auch CrN oder AICrN aufgetragen werden.

Bevorzugt wird das in Anspruch 5 beschriebene Verfahren zur Herstellung des beschichteten Werkzeugs verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein aus einer Metalllegierung (Alv, Tiw, Cr _x , Si _y und Hfz) bestehender Körper in einem Lichtbogenverdampfungsverfahren oder als Kathode in einem reaktiven Sputterverfahren in einer N2-haltigen Atmosphäre verdampft wird und das gebildete Metal Initrid auf dem Grundkörper abgeschieden wird. Als Reaktionsgas wird vorzugsweise Argon verwendet, dem ein 5 bis 10 %iger Anteil an Stickstoff zugesetzt wird. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein Co-Sputtern angewendet werden, bei dem zwei unterschiedliche Körper, bestehend aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen eingesetzt werden, um die gewünschte Abscheidung zu erhalten.

Die erfindungsgemäßen beschichteten Werkzeuge sind insbesondere als Schneideinsätze, vorzugsweise zum Fräsen, Bohren oder Drehen oder als Stanzwerkzeuge besonders geeignet.

Im Folgenden wird die Erfindung an konkreten Ausführungsbeispielen weiter erläutert. In einem ersten Anwendungsbeispiel wurde ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 12 mm mit fünf Zähnen zur Bearbeitung von Luftfahrtbauteilen aus TiAI6V4- Legierungen verwendet. Der Schaftfräser war in einer ersten Versuchsreihe ein 12 mm Fräser aus Hartmetall mit einer einzigen Schicht aus (Alo,54Cro,2Tio,2Sio,o4Hfo,o2) N versehen. In der zweiten Versuchsreihe wurden ein Schaftfräser derselben Geometrie mit einer zweilagigen AITiN/TiSiN-Schicht eingesetzt.

Das Werkstück wurde jeweils trocken unter Verwendung von Pressluft zur Kühlung, aber ohne Kühlmittelschmierstoffeinsatz 40 min bearbeitet. Es wurden dieselben Bearbeitungsparameter, nämlich A _P = 18 mm, A _e = 0,84 mm und V = 80 m/min gewählt.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung verringerte sich der Schichtverschleiß an der Schneidkante um 66 %, bis zum Ende der Bearbeitungszeit änderte sich der Schneidkantenradius bei der zweilagigen Schicht aus AITiN/TiSiN von 6 pm auf 15 pm, wohingegen die Änderung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung von 6 pm auf nur 9 pm gemessen wurde.

In einem zweiten Anwendungsbeispiel wurde ein Werkstück aus Stahl 1 .2419 mit einer Härte HR _C 65 trocken ohne Kühlung 12 min drehend bearbeitet, wobei folgende Parameter gewählt wurden: A _P =0,2 mm, f =0,1 mm/U, V =200 m/min. Bei dem mit einer Beschichtung aus Alo,54Cro,2Tio,2Sio,o4Hfo,o2 versehenen Schneideinsatz konnte im Vergleich zu einer AICrN-Beschichtung eine 50 %-ige Verschleißreduktion erzielt werden.