Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug, bestehend aus einem Substratkörper, vorzugsweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl, und optional einer auf dem Substratkörper abgeschiedenen ein- oder mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung, so- wie ein Verfahren zur Herstellung des Werkzeugs.

Hintergrund der Erfindung

Schneidwerkzeuge, insbesondere solche für die spanende Metallbearbeitung, zu denen auch insbesondere Wechselschneideinsätze und Schneidplatten zählen, bestehen aus einem Substrat oder Grundkörper mit einer optional darauf abgeschiedenen ein- oder mehrlagigen Beschichtung. Das Substrat besteht üblicherweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl und die Beschichtung aus Hartstoffen, die im CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren aufgebracht werden. Die Beschichtung mit Hartstoffen soll die Schneideigenschaften des Werkzeugs für eine bestimmte Anwendung verbessern und den Verschleiß des Werkzeugs verringern.

Es ist weiterhin bekannt, die Schneidwerkzeuge mit einer zumeist dünnen äußersten Lage mit einer Dekor- und/oder Indikatorfunktion zu versehen, beispielsweise eine äußerste Lage aus TiN, ZrN, TiC, HfC oder HfN, die sich zweckmäßigerweise farblich von der darunter angeordneten Verschleißschutzschicht unterscheidet. Solche Lagen können neben rein dekorativem Zweck mit Vorteil auch der Verschleißerkennung dienen, da sie sich beim Gebrauch des Werkzeugs abnutzen und die darunter angeordnete Lage sichtbar wird, wodurch sich bereits mit bloßen Auge erkennen lässt, ob und wie intensiv ein Werkzeug bereits benutzt wurde. Die EP 1 762 638 beschreibt einen Schneideinsatz aus einem Hartmetallsubstrat und einer mehrlagigen Hartstoffbeschichtung für den Verschleißschutz sowie einer äußersten Indikatorlage aus ZrN, die zunächst in einer Dicke von <1 μηι mittels PVD aufgetragen wird und dann von der Spanfläche und der Schneidkante durch Bürsten oder Strahlbehandlung wieder entfernt wird, da die Lage aus ZrN als solche ungünstige tribologische Eigenschaften besitzt, die die Schneideigenschaften an der Schneidkante und der Spanfläche nachteilig beeinflussen können.

Die DE 10 2004 010 285 und die DE 100 48 899 beschreiben ebenfalls Schneidwerkzeuge mit einer Indikatordeckschicht aus goldgelbem TiN oder auch aus TiC, HfC oder HfN, die sich farblich von der darunter angeordneten Verschleißschutzschicht unterscheiden und es ermöglichen sollen, ein benutztes Schneidwerkzeug von einem unbenutzten mit dem bloßen Auge zu unterscheiden. Die Farbvariationsbreite der bekannten Deckschichten mit Dekor- und/oder Indikatorfunktion (nachfolgend der Einfachheit wegen als Verschleißerkennungsschichten bezeichnet) ist äußerst begrenzt. Die sehr häufig für Verschleißerkennungsschichten eingesetzten Nitride und Carbide haben beispielsweise eine goldgelbe Farbe. Darüber hinaus haben einige der bekannten Verschleißerkennungsschichten nachteilige tribologische Eigenschaften, die sich ungünstig auf den Zerspanprozess und das Verschleißverhalten der Werkzeuge auswirken. Einige der bekannten für die Herstellung von Verschleißerkennungsschichten eingesetzten Materialien sind zudem unter den bei vielen Metallbearbeitungsverfahren auftretenden hohen Temperaturen oder unter den bei bestimmten Metallbearbeitungsverfahren auftretenden Temperaturwechseln nicht ausreichend stabil.

Aufgabe

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für Schneidwerkzeuge bereitzustellen mit einer Dekor- und/oder Indikatorfunktion (Verschleißerkennungsschicht), die ver- gleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine verbesserte Verschleißerkennbarkeit erlaubt, temperaturstabil ist, weniger tribologisch ungünstige Einflüsse auf den Zerspanprozess und das Verschleißverhalten des Werkzeugs hat und gleichzeitig in einer breiteren Farbenvielfalt als bekannte Verschleißerkennungsbeschichtungen herstellbar ist. Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Werkzeug, bestehend aus einem Substratkörper, vorzugsweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl, und optional einer auf dem Substratkörper abgeschiedenen ein- oder mehrlagigen Verschleißschutz- beschichtung, wobei als äußerste Schicht über dem Substratkörper oder der Verschleißschutz- beschichtung eine Verschleißerkennungsschicht angeordnet ist, welche in Richtung von dem Substratkörper zur äußeren Oberfläche des Werkzeugs einen ersten Bereich aufweist, der aus einem Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metallverbindung besteht, und angrenzend an den ersten Bereich einen zweiten Bereich aufweist, der aus einer durch anodische Oxidation hergestellten oxidierten Form des Metalls oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung des ersten Bereichs besteht, wobei sich der zweite Bereich bis zur äußeren Oberfläche der Verschleißerkennungsschicht erstreckt.

Die erfindungsgemäße Verschleißerkennungsschicht weist wesentliche Vorteile auf gegenüber bekannten Dekor- und Indikatorschichten, wie beispielsweise TiN, welches wegen seiner hohen Affinität zu beispielsweise Gusseisen Nachteile als Beschichtung für Werkzeug zur Bearbeitung solcher Werkstoffe hat. Die erfindungsgemäße Verschleißerkennungsschicht besitzt an ihrer Oberfläche und in dem hierin als der zweite Bereich bezeichneten Bereich der Verschleißerkennungsschicht oxidische Eigenschaften, was gegenüber bekannten Nitrid- oder Carbidschichten unter tribologischen Gesichtspunkten wesentliche Vorteile haben kann. So werden durch diese tribologisch vorteilhaften Eigenschaften ungünstige Einflüsse auf die Zerspanungseigenschaften und das Verschleißverhalten des Werkzeugs verringert.

Je nach eingesetztem Metall oder der eingesetzten elektrisch leitfähigen Metallverbindung sowie dem Ausmaß der anodischen Oxidation und der Schichtdicke, sind die erfindungsgemäßen Verschleißerkennungsschichten gut bis hochgradig temperaturstabil, weshalb sie sich für Werkzeuge für die spanende Metallbearbeitung, bei der häufig sehr hohe Temperaturen oder auch Tempera- turwechselbelastungen auftreten, besonders gut eignen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verschleißerkennungsschichten besteht darin, dass sie in Abhängigkeit von dem verwendeten Metall oder der verwendeten elektrisch leitfähigen Metallverbindung einen sehr intensiven Farbeffekt liefern, der bereits bei sehr geringen Schichtdi- cken erzielt werden kann. Je nach verwendetem Metall oder der verwendeten elektrisch leitfähigen Metallverbindung und dem Ausmaß der anodischen Oxidation, welche von der äußeren Schichtoberfläche ausgeht und sich in Richtung des Substratkörpers bis zu einer von den Parametern des Oxidationsverfahrens abhängigen Eindringtiefe erstreckt, kann eine sehr große Vielzahl unterschiedlicher Farben und Helligkeiten, die nahezu das gesamte sichtbare Farbspektrum abdecken, hergestellt werden. Auf diese Weise können nicht nur der Verschleißerkennung dienende äußere Oberflächenschichten hergestellt werden, vielmehr können Werkzeuge auch durch unterschiedliche Farbgebung gekennzeichnet werden, sodass der Benutzer verschiedene Werkzeugsorten bzw. Werkzeugtypen bereits anhand der Farbe unterscheiden kann. Die erfindungsgemäße Verschleißerkennungsschicht kann somit ausschließlich oder neben der Verschleißer- kennungsfunktion auch einer Farbkodierung von Werkzeugen dienen.

Ohne dass sich die Erfinder hiermit an eine Theorie binden lassen, gehen sie davon aus, dass der Farbeffekt der erfindungsgemäßen Verschleißerkennungsschicht auf der Reflexion von Lichts beruht, das durch den durch anodische Oxidation hergestellten zweiten Bereich (äußeren Bereich) der Verschleißerkennungsschicht auf den metallischen oder aus einer elektrisch leitfähigen Metallverbindung bestehenden ersten Bereich der Verschleißerkennungsschicht auftrifft. Interferenzeffekte liefern die zu beobachtende Farbe. In besonderen Fällen kann der Farbeffekt aber auch auf der Eigenfarbe des anodisch oxidierten zweiten Bereichs der Verschleißerkennungsschicht beruhen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist die Verschleißerkennungsschicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 20 μηη, vorzugsweise von 1 nm bis 5 μηη, besonders bevorzugt von 20 nm bis 2 μηι auf. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auch mit extrem dünnen Schichten noch gute Farbeffekte erzielt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist der erste Bereich der Verschleißerkennungsschicht aus einem Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metallverbin- dung eine Schichtdicke von 0,05 nm bis 10 μηη, vorzugsweise von 0,5 nm bis 2,5 μηη, besonders bevorzugt von 10 nm bis 1 ,5 μηη auf.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist der zweite Bereich der Verschleißerkennungsschicht aus einer oxidierten Form des Metalls oder der elektrisch leitfä- higen Metallverbindung des ersten Bereichs eine Schichtdicke von 0,05 nm bis 10 μιη, vorzugsweise von 0,5 nm bis 2,5 μηη, besonders bevorzugt von 10 nm bis 0,5 μηη auf.

Die Dicke der erfindungsgemäßen Verschleißerkennungsschicht kann insgesamt sehr dünn sein. Die Dicke des anodisch oxidierten zweiten Bereichs der Verschleißerkennungsschicht hat neben der Auswahl des Metalls oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung einen erheblichen Ein- fluss auf die Farbgebung, insbesondere auf den Farbton und die Helligkeit. Beispielsweise kann eine aus Titan hergestellte Verschleißerkennungsschicht je nach Ausmaß der anodischen Oxidation, d.h. der Dicke des zweiten Bereichs, bei gleicher Gesamtdicke der Verschleißerkennungsschicht eine Farbe von Lila bis Grün oder auch einen ganz anderen Farbton haben.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist auf dem Substratkörper unter der Verschleißerkennungsschicht eine ein- oder mehrlagige, vorzugsweise eine mehrlagige Verschleißschutzbeschichtung angeordnet, welche vorzugsweise wenigstens eine elektrisch nicht leitfähige Schicht umfasst, welche besonders bevorzugt eine Aluminiumoxidschicht ist.

Das Aufbringen der erfindungsgemäßen Verschleißerkennungsschicht über einer nicht- leitfähigen Verschleißschutzschicht, ganz besonders bevorzugt über einer Alu miniumoxid- Schicht, die aufgrund ihrer Härte und Verschleißbeständigkeit bei sehr vielen Werkzeugen für die spanende Metallbearbeitung mit Vorteil als äußere Verschleißschutzschicht eingesetzt wird, hat den besonderen Vorteil, dass es beim Verfahren der anodischen Oxidation der Verschleißerkennungsschicht aufgrund der darunter angeordneten nicht-leitenden Schicht nicht zu sogenannten Durchschlägen beim Anodisierprozess kommen kann. Die Verschleißerkennungsschicht kann dann sehr dünn ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist in der Verschleißerkennungsschicht das Metall oder das in der elektrisch leitfähigen Metallverbindung enthaltene Metall unter Nb, Ti, Zr, AI, Ta, W, Hf, V, Mo, Si und Legierungen der vorgenannten Metalle, vor- zugsweise unter Nb, Ti, Zr, AI und Legierungen der vorgenannten Metalle ausgewählt. Gleichzeitig oder alternativ ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs die Metallverbindung der Verschleißerkennungsschicht unter Nitriden, Carbiden und Boriden der vorgenannten Metalle, soweit diese Metallverbindung elektrisch leitfähig ist, ausgewählt. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist die Verschleißerkennungsschicht hergestellt durch Aufbringen einer Schicht aus einem Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metallverbindung auf den Substratkörper oder auf die auf dem Substratkörper abgeschiedene ein- oder mehrlagige Verschleißschutzbeschichtung, vorzugsweise mittels PVD- Verfahren oder CVD-Verfahren, und anschließende anodische Oxidation der Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung in einem Elektrolytbad.

Ganz besonders bevorzugt werden Metalle, aber auch die elektrisch leitfähige Metallverbindungen im PVD-Verfahren auf dem Werkzeugkörper abscheiden, da PVD-Beschichtungsanlagen in häufig bereits mit verschiedenen Metalltargets ausgerüstet sind, um die dem Verschleißschutz dienenden Hartstoffschichten auf den Substratkörper aufzubringen. Ohne Unterbrechung des Beschichtungsverfahrens lässt sich dann in solchen Anlagen einfach und kostengünstig das für die Herstellung der Verschleißerkennungsschicht gewünschte Metall oder die elektrisch leitfähige Metallverbindung als äußerste Lage aufbringen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs erfolgt die anodische Oxidation in dem Elektrolytbad bei einer Gleichspannung und für einen Zeitraum, welche so ausgewählt sind, dass die anodische Oxidation von der äußeren Oberfläche der Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung bis zu einer Eindringtiefe der Schicht erfolgt, die geringer ist als die Gesamtdicke der Verschleißerkennungsschicht.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs erfolgt die anodische Oxidation in dem Elektrolytbad bei einer Gleichspannung und für einen Zeitraum, welche so aus- gewählt sind, dass die Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung über die volle Gesamtdicke der Verschleißerkennungsschicht oxidiert wird.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs wurde die Verschleißer- kennungsschicht von ausgewählten Bereichen des Werkzeugs, beispielsweise von der Schneidkante und/oder der Spanfläche, wieder entfernt, vorzugsweise durch abrasives Strahlverfahren mit einem partikulären Strahlmittel, durch Schleifen oder durch Bürsten.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen erfin- dungsgemäßen Werkzeugs mit einer Verschleißerkennungsschicht, bei dem man auf ein Werkzeug aus einem Substratkörper, vorzugsweise aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Stahl oder Schnellarbeitsstahl, und optional einer auf dem Substratkörper abgeschiedenen ein- oder mehrlagigen Verschleißschutzbeschichtung eine Schicht aus einem Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metallverbindung aufbringt, vorzugsweise mittels PVD-Verfahren oder CVD-Verfahren, und anschließend die Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung des beschichteten Werkzeugs einer anodischen Oxidation in einem Elektrolytbad unterzieht. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig und bietet die Möglichkeit viele unterschiedliche Farbgebungen herzustellen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die anodische Oxidation bei einer Gleichspannung und für einen Zeitraum durchgeführt, welche so ausgewählt sind, dass die anodische Oxidation von der äußeren Oberfläche der Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung bis zu einer Eindringtiefe der Schicht erfolgt, die geringer ist als die Gesamtdicke der Verschleißerkennungsschicht.

In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die anodische Oxidation bei einer Gleichspannung und für einen Zeitraum durchgeführt, welche so ausgewählt sind, dass die anodische Oxidation der Schicht aus dem Metall oder der elektrisch leitfähigen Metallverbindung über die Gesamtdicke der Verschleißerkennungsschicht erfolgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer Figur und bevorzugter Ausführungsformen.

BEISPIELE

In einer PVD-Beschichtungsanlage (Flexicoat; Hauzer Techno Coating) wurden Hartmetallsubstrate, die eine Verschleißschutzbeschichtung mit einer äußersten Lage aus Al ₂ 0 ₃ aufwiesen, mit einer 1 ,5 μηι dicken äußersten Lage aus Titanmetall versehen. Anschließend wurden die beschichteten Hartmetallsubstrate anodischer Oxidation in einem 1 mol/l Zitronensäure enthaltenden Elektrolytbad für eine Anodisierzeit t _an0d = 30 sek bei unterschiedlichen Spannungen unterzogen. Die Dicke des durch die anodische Oxidation entstehenden Oxids war im Wesentlichen proportional zur angelegten Spannung. Bei der angewendeten Spannung von 50 V erhielt die Verschleißerkennungsschicht des Werkzeugs eine blaue Farbe, wogegen sie bei der Spannung von 120 V eine grüne Farbe erhielt.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmale beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinatio- nen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.