Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mehrlagige Hartstoffbeschichtung für Werkzeugen (Hartmetall und Schnellarbeitsstahl) für Zerspanungsanwendungen - im Speziellen für Bohranwendungen.

1 a) Hartstoffbeschichtete Werkstücke, mit einer Abfolge mehrere unterschiedlicher Aluminiumchromnitrid, bzw. -carbonitrid und Titansiliciumnitrid, bzw. -carbonitrid Schichten.

1 b) Werkzeuge, insbesondere Schneid- und Umformwerkzeuge (Bohrer, Fräser, Gewindebohrer, -former, Abwälzfräser, Stempel, Matritzen, Ziehstempel, etc.) mit einer Abfolge mehrerer unterschiedlicher Aluminiumchromnitrid, bzw. -carbonitrid und Titansilicium- nitrid, bzw. -carbonitrid Schichten sowie die Anwendung dieser Werkzeuge.

1 c) Ein Verfahren zur Herstellung von einer Abfolge mehrerer unterschiedlicher Aluminiumchromnitrid, bzw. -carbonitrid und Titansiliciumnitrid, bzw. -carbonitrid Schichten mit definierter Schichtstruktur.

Stand der Technik

EP 1174528 A2 beschreibt eine aus einer Abfolge mehrerer Einzelschichten bestehende Beschichtung auf Werkzeugen, wobei eine erste Schicht aus einem Nitrid, Karbid, Karbo- nitrid, Borid, Oxid, etc. der Elemente Ti, AI und/oder Cr besteht, und eine zweite Schicht aus einem Nitrid, Karbid, Karbonitrid, Borid, Oxid, etc. des Si und mindestens einem Element aus den Gruppen 4a, 5a und 6a des PSE. Der Vorteil dieser Beschichtung wird damit angegeben, dass durch das Si in der oberen Schicht die Verschleissbeständigkeit und die Oxidati- onsbeständigkeit gravierend verbessert werden. Vor allem Deckschichten auf Cr-Si-Basis zeigten Verbesserungen in der Standzeit. Als Unterschicht wurden TiAIN-, CrAIN- und TiN- Schichten gewählt.

In EP 1422311 A2 werden Hartstoffschichten auf AI-Cr-(Si)-O-Basis beschrieben, die als Nitride, Karbid, Oxid, Borid, etc. ausgebildet sein können. Für alle Schichten gilt, dass ein geringer Sauerstoff anteil (1-25at%) j _n den Schichten enthalten ist. Zusätzlich wird erwähnt, dass eine weitere Hartstoffschicht auf der in der Erfindung erwähnten Beschichtung aufge-

tragen sein kann. Als Beispiele werden hier unter anderen Ti-Si-N, Ti-B-N, BN, Cr-Si-N, etc. angegeben. Als Vorteil für diese Erfindung wird hier vor allem der Einbau von geringen Mengen an Sauerstoff oder Silizium und Sauerstoff angegeben, da dies zu einer höheren Härte sowie einer verbesserten Verschleiss- und Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit führt.

In EP 1219723 A2 wird eine Beschickung auf Ti-Al-Cr-X-N-Basis vorgestellt, wobei X für Si, B und/oder C stehen kann. Der Vorteil dieser Beschichtung wird in der Verbesserung der Verschleissbeständigkeit gegenüber konventionellen Beschichtungen angegeben. Weiters wird in der Erfindung ein Target beschrieben, dass zumindest aus Ti, AI und Cr bestehen muss.

Nachteile des Standes der Technik

Hartstoffbeschichtete Werkzeuge gemäss Stand der Technik (Ti-AI-N-basierte Beschichtungen) weisen geringere Standzeiten als die neuen optimierten (AIi _-X Cr _x X)-(Ti _{1 -y} Si _y ) X - Hartstoffschichten für X = N bzw. CN.

Die Nachteile des Stands der Technik zeigen weiters, dass bei Al-Cr-N-Beschichtungen bei höheren Temperaturen unter Inertgasatmosphäre (zB: Argonatmosphäre) eine Zersetzung der Beschichtung schon bei rund 900 ⁰ C beginnt. Führt man diesen Wärmebehandlungspro- zess unter Sauerstoffatmosphäre durch, verschiebt sich dieser Zerfallsprozess zu einem höheren Temperaturbereich. Wenn man nun in der Zerspanung einen kontinuierlichen Schnitt betrachtet, kommt es in der Kontaktfläche zwischen Werkzeugoberfläche und dem Werkstück örtlich zu sehr hohen Temperaturen (teilweise über 1000 ⁰ C). Wenn nun diese Kontaktfläche gross genug ist, so dass kein/wenig Sauerstoff an der Beschichtungsoberfläche stabilisierend wirken kann, zerfällt das kubische CrN in hexagonales Cr ₂ N und in weiterer Folge bei noch höherer Temperatur zu metallischem Cr. Dieser Zersetzungsprozess der Beschich- tung führt zu einem verfrühten Verschleiss der Beschichtung im Einsatz der sich insbesondere als Kolkverschleiss ausbildet.

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung soll die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und dient insbesondere einer Verbesserung der Standzeit beschichteter Werkstücke, wie zum Beispiel Zerspanungswerkzeuge, Schneid- & Formwerkzeuge bzw. Bauteile für den Maschinen- & Formenbau. Weiters ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abscheiden solcher Schichten zur Verfügung zu stellen, insbesondere zum Abscheiden solcher Schichten auf besagten Werkstücken.

Angabe der Lösung bzw. des Lösungsweges

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Hartstoffbeschichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Werkzeug mit iner solchen Beschichtung nach Anspruch 12. Weitere erfinderische Ausformungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beschreibt einen speziellen Mehrschichtaufbau einer Beschichtung, der einen vorschnellen Zerfall (Verschleiss) der Beschichtung während des Einsatzes verhindern soll. Durch den Mehrlagenaufbau werden der Zerfall und die nachfolgende Diffusion des CrN- Anteils innerhalb der AlCrN-Beschichtung bei höheren Temperaturen verhindert oder zumin- dest verzögert.

Zur Abscheidung der AI-Cr-(X)-N/Ti-Si-N-Hartschichten wurde eine industrielle Beschich- tungsanlage vom Typ RCS der Firma Balzers herangezogen, wie sie beispielsweise auch in EP 1186681 in Fig. 3 bis 6, Beschreibung Spalte 7, Zeile 18, bis Spalte 9, Zeile 25, beschrieben ist. Dazu wurden die gereinigten Werkstücke je nach Durchmesser auf zwei- bzw. für Durchmesser kleiner 50 mm auf dreifach rotierende Substratträger befestigt und zwei schmelzmetallurgisch hergestellte Ti-Si-Targets und vier pulvermetallurgisch hergestellte Targets aus AI-Cr-(X)-Legierungen in sechs an den Wänden der Beschichtungsanlage angebrachten kathodischen Arcquellen eingebaut. Die Geometrie der Targetanordnung ist dabei im wesentlichen durch den achteckigen Grundriss der RCS-Anlage bestimmt, bei der zwei gegenüber angeordnete Heizsegmente zwei Gruppen von drei aufeinanderfolgenden mit jeweils einer Arckathode bestückte Segmente trennt. Für die vorliegenden Versuche wurde jeweils ein SiTi-Target im gegenüberliegenden Mittelelement jeder Dreiergruppe eingebaut. Es sind jedoch auch andere Targetanordnungen möglich, um solche Schichten herzustellen. Prinzipiell können solche Schichten in jeder Anlage, die zumindestzwei Arckatho- den in geometrisch äquivalenter Position, z.B. auf derselben Beschichtungshöhe eines einfach oder mehrfach rotierenden Substrathalters, aufweist, abgeschieden werden. Dem

Fachmann ist bekannt, wie er je nach Anlagentyp die Schichtdicke der einzelnen Schichten bzw. Lagen durch Anordnung der Targets bzw. Einstellung der jeweiligen Substratbewegung bzw. drehung oder der Winkelgeschwindigkeit einer Werkstückrotation weiter beeinflussen kann.

Anschließend wurden zunächst die Werkstücke durch ebenfalls in der Anlage angebrachte Strahlungsheizungen auf eine Temperatur von ca. 500°C gebracht und im Folgenden die Oberfläche durch Anlegen einer DC-Biasspannung von -100 bis -200 V unter Ar-Atmosphäre bei einem Druck von 0,2 Pa einer Ätzreinigung durch Ar-Ionen unterzogen.

Im Folgenden wurde durch Betrieb von vier Al-Cr-Quellen mit einer Leistung von 3 kW und Anlegen eines Substratbias von -50 V während einer Zeit von ca. 5 Minuten eine ca. 0.2 μm dicke Al-Cr-N-Haftschicht abgeschieden. Anschliessend wurde gezielt eine Mehrfachbe- schichtung aufgebaut, bei der zuerst zu den 4 Al-Cr-Quellen zusätzlich 2 Ti-Si-Quellen mit ebenfalls jeweils 3 kW dazugeschaltet und für eine Dauer von ca. 1 Minute gemeinsam betrieben werden. Anschliessend werden die 4 Al-Cr-Quellen abgeschaltet und es wird eine reine Ti-Si-N-Beschichtung für ca. 3 Minuten abgeschieden. Dann werden wieder die 4 Al- Cr-Quellen für ca. 1 Minute dazugeschaltet. In weiterer Folge werden die Ti-Si-Quellen wieder abgeschaltet und eine reine Al-Cr-N-Beschichtung für weitere 5 Minuten abgeschieden. Diese Abfolge für das Schichtpaket wird im Rahmen der Erfindung mehrmals während der Abscheidung durchlaufen. Abschliessend wird noch eine Deckschicht, die ausschliesslich mit den Ti-Si-Quellen hergestellt wird, mit einer Dicke von etwa 0.5 μm aufgebracht. Alternativ kann hierbei auch eine dickere AlCrN-Deckschicht aufgebracht werden. Alle Schichten wurden in reiner Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von rund 3 Pa und einer negativen Sub- stratvorspannung von etwa 50 Volt abgeschieden. Grundsätzlich kann der Prozessdruck bei jedem dieser Schritte in einem Bereich von 0.5 bis rund 8 Pa, bevorzugt aber zwischen 0.8 und 5 Pa eingestellt werden, wobei entweder eine reine Stickstoffatmosphäre oder eine Mischung aus Stickstoff und einem Edelgas, wie z.B. Argon, für nitridische Schichten, bzw. eine Mischung aus Stickstoff und einem kohlenstoffhaltigen Gas, der bei Bedarf ein Edelgas zugemischt werden kann, für carbonitridische Schichten verwendet. Dementsprechend kann für die Abscheidung Sauerstoff- bzw. borhaltiger Schichten Sauerstoff bzw. ein borhaltiges Gas wie bekannt zugemischt werden.

Targetzusammensetzung, Kristallstruktur der Schicht und Haftung sind in Tabelle 1 darge- - stellt. Prozessparameter wie Targetreistung, ^" negative Substrätvörspaή ^ή üng, Prozessdruck und Temperatur sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Erfindungsgemässe Werkstücke zeichnen sich dadurch aus, dass eine kubische (AI _y Cr ₁ ^) X Beschichtung mit X = N bzw. CN, bevorzugt aber N, und 0.2 < y < 0.7, bevorzugt 0.3 < y < 0.5 alternierend mit einer kubischen (Ti ₂ Si _1-2 ) X Beschichtung mit X = N bzw. CN, bevorzugt aber N, und 0.99 < z < 0.7, bevorzugt 0.97 < z < 0.85 abgeschieden wird (Siehe Hg. 1a), wobei zumindest ein Schichtpaket und zumindest eine zusätzliche (Al _y Cri _-y ) X bzw. (Ti ₂ Sii _-z ) X-Schicht aufgebracht wird. Die Schichtstruktur ist dabei in beiden Schichten mikrokristallin mit einer mittleren Komgrösse von ca. 5 - 150 nm, bevorzugt aber von ca. 10 - 120 nm. Vorteilhaft für die Beschichtung sind zusätzliche Zwischenschichten zwischen den reinen (A- l _y Cr _1-y ) X- und den (Ti _z Si _1-z ) X-Schichten, bei denen alle Beschichtungsquellen laufen und somit eine (AI _y Cr ₁ - _Y Ti ₂ Si _1-2 ) X-Schicht abgeschieden wird (Siehe Fig. 1b). Diese Zwischenschichten können bei Bedarf, je nach Abfolge bzw. Zusammensetzung und Eigenschaften der einzelnen Schichtsysteme, eine verbesserte Haftung zwischen den einzelnen Schichten bewirken. Wegen der geometrischen Targetanordnung innerhalb der Beschichtungsanlage wird aufgrund der Werkstückrotation während der Abscheidung dieser Zwischenschicht zu- sätzlich eine Multilagen-Struktur mit sehr feinen Lagen abgeschieden, da nach wie vor Einzeltargets auf Al-Cr- und Ti-Si-Basis für die Beschichtung herangezogen werden. Die Einzellagenbreite innerhalb dieser Zwischenschicht bewegt sich im Bereich von wenigen Nanome- tern. Eine weitere Möglichkeit das gewünschte Mehrschichtsystem aufzubauen, kann durch peri- odisches Zu- bzw. Abschalten von Beschichtungsquellen analog zu Fig. 1c durchgeführt werden. Hier laufen die Beschichtungsquellen für ein Beschichtungsmaterial während des gesamten Abscheidevorgangs, während die Beschichtungsquellen mit dem zweiten Beschichtungsmaterial periodisch dazugeschaltet werden. In diesem Fall kann während des gemeinsamen Betriebs der Arcquellen eine wie oben erwähnte zusätzliche Multilagenstruk- tur erzeugt werden.

Die erfindungsgemässen Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine Verfahrensführung gewählt wird, um das oben beschriebene Schichtpaket abzuscheiden. Die Viel- schichtstruktur wird durch gezieltes Ein- bzw. Ausschalten von den Beschichtungsquellen erreicht. Die Multilagen-Substruktur wird zusätzlich durch Rotation bzw. Bewegung der zu be- schichtenden Werkstücke innerhalb der Beschichtungsanlage erhalten.

In Beispiel 1 werden Beschichtungen mit einer definierten Anzahl an Schichten bzw. Schichtpaketen gegenübergestellt, wobei ein Schichtpaket jeweils aus einer Schichtabfolge aus einer AICrTiSiN: gefolgt von einer TiSiN-, einer AICrTiSiN- sowie einer AlCrN-Schicht besteht. Es ist klar erkennbar, dass gegenüber der in Experiment Nr.1 getesteten Schicht, die gemäss Stand der Technik abgeschieden wurde, mit der erfindungsgemässen Beschich-

tung eine Verbesserung der Standzeit erreicht werden kann. Auch ist erkennbar, dass eine optimale Schichtdicke der Einzelschichten aus Al _y Cr _1-y N und Ti ₂ Si _1-2 N für die benötitge Standzeiterhöhung wichtig ist. Diese Schichtdicke liegt bei Al _y Cr _1-y N zwischen 75 nm und 200 nm, bevorzugt bei 120 nm bis 170 nm, und bei Ti _z Sii _-z N zwischen 50 und 150 nm, be- vorzugt zwischen 70 bis 120 nm. Im Rahmen dieses Beispiels wurden diese Schichtdicken über die Beschichtungszeit so verändert, dass für alle Experiment eine vergleichbare Gesamtschichtdicke von etwa 4 μm erhalten werden konnte. Für diese Experimente wurde ein Schichtaufbau gewählt, wie er in Fig.1b beschrieben wurde. Die Schichten, bei denen alle Beschichtungsquellen im Einsatz waren, wurden für die jeweiligen Experimente nicht verän- dert und ergaben eine Einzelschichtdicke von jeweils rund 20 ±10 nm.

Grundsätzlich können mit derartigen Al _y Cr _1-y N/Ti _z Sii. ₂ N-Multilagenschichten ganz unterschiedliche Werkstücke vorteilhaft beschichtet werden. Beispiele dafür sind Schneidwerkzeuge wie Fräser, Abwälzfräser, Kugelkopf-, Planar- und Profilfräser, sowie Bohrer, Gewin- debohrer, Räumwerkzeuge, Reibahlen und Wendeschneidplatten für Dreh- und Fräsbearbeitungen bzw. Umformwerkzeuge wie beispielsweise Stempel, Matrizen, Ziehringe, Auswurfkerne oder Gewindeformer. Auch Spritzgusswerkzeuge beispielsweise für metallische Spritzgusslegierungen, Kunstharze oder thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Spritzgusswerkzeuge wie sie zum Herstellen von Kunststoffformteilen bzw. Datenträgern wie CD's, DVD's u.a. verwendet werden, können vorteilhaft mit derartigen Schichten geschützt werden. Wenn auch durch erfindungsgemässe Beschichtungen nicht für alle Anwendungen auf unterschiedlichen Werkzeugen immer bessere Ergebnisse erzielt werden, so kann doch zumindest bei bestimmten Anwendungen, wie auch in den Beispielen angeführt, eine wesentlich höhere Verschleissfestigkeit als mit bisher bekannten Schichten erreicht werden.

Weiters ist auf Grund des prinzipiell ähnlichen Verhaltens von AI _y Cr ₁ ^XZTi ₂ Si _1-2 X- Multilagenschichten auch eine Verbesserung des Verschleissverhaltens zu erwarten, wenn bei folgenden Schichtsystemen Targetzusammensetzungen und Beschichtungs-parameter so gewählt werden, dass X = N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO ₁ BO, CNO, BNO, CBNO be- vorzugt aber N bzw. CN und 0.2 < y < 0.7, bevorzugt 0.40 < y < 0.68, und 0.01 < z < 0.3, bevorzugt 0.05 < z < 0.15, ist.

Eine Möglichkeit die Schichteigenschaften des Al _y Cr _1-y N/Ti ₂ Si _1-z N-Multilagenschichten zu verbessern, besteht in der Zlilegierung von weiteren chemischen Elementen aus einer oder mehreren Gruppen der Gruppen IVb, Vb und/oder VIb des Periodensystems der Elemente,

bzw. von Silizium. Insbesondere vorteilhaft kann das Zulegieren innerhalb des Lagenpakets der sein, mit 0 < m < 0.25, bevorzugt 0 < m < 0.15. Vorteilhaft haben sich vor allem die Elemente für M = W, V, Mo, Nb und Si gezeigt (Siehe dazu Beispiel Nr. 5).

Eine weitere Möglichkeit die Schichteigenschaften des Schichtsystems zu verbessern besteht in der Aufbringung einer zusätzlichen Gleitschicht auf das Schichtpaket oder auf die, die Hartstoffschicht nach Aussen abschliessende, Deckschicht. Das Gleitschichtsystem, kann dabei aus mindestens einem Metall oder einem Karbid mindestens eines Metalles und dispersem Kohlenstoff, MeC/C aufgebaut sein, wobei das Metall ein Metall der Gruppe IVb, Vb und/oder VIb und/oder Silizium ist. Beispielsweise eignet sich hierfür besonders eine WC/C-Deckschicht mit einer zwischen 1000 und 1500 HV einstellbaren Härte, die ausgezeichnete Einlaufeigenschaften aufweist. Auch CrC/C-Schichten zeigen ein ähnliches Verhalten, bei einem allerdings etwas höheren Reibkoeffizienten.

Bei derartig beschichteten Tieflochbohrern konnte nach Herstellung von einem Bohrloch bereits eine zusätzliche Einlaufglättung der Spanflächen festgestellt werden, die bis jetzt nur durch eine aufwändige mechanische Bearbeitung erzielt wird. Diese führt zu einer Verbesserung des Spantransportes entlang der Spannut und zu einer Minimierung des Reibmoments während dem Bohrvorgang. Interessant sind solche Eigenschaften auch besonders für Bau- teilanwendungen mit Gleit-, Reib- bzw. Rollbeanspruchung, insbesondere unter Mangelschmierung oder Trockenlauf, oder wenn gleichzeitig ein unbeschichteter Gegenkörper geschützt werden soll.

Weitere Möglichkeiten zur Bildung einer abschliessenden Gleitschicht sind metallfreie diamantähnlichen Kohlenstoffschichten, bzw. eine MoS _x -, WS _x - oder titanhaltige MoS _x - bzw. MoW _x -Schichten.

Die Gleitschicht kann dabei, wie erwähnt, direkt auf das Mehrschichtsystem oder nach Aufbringen einer weiteren Haftschicht aufgebracht werden, um eine möglichst gute Haftung des Schichtverbunds zu bewirken. Die Haftschicht kann dabei metallisch, nitridisch, carbidisch, carbonitridisch oder auch als Gradientenschicht ausgeführt sein.

Beipielsweise können WC/C- bzw. CrC/C-Schichten nach Aufbringen einer gesputterten o- der gearcten Cr- bzw. Ti-Haftschicht vorteilhaft durch Sputtern von WC-Targets unter Zugabe eines kohlenstoffhaltigen Gases hergestellt werden. Dabei wird der Anteil des kohlenstoffhaltigen Gases mit der Zeit erhöht um eine grosseren Anteil an freien Kohlenstoff in der Schicht zu erzielen.

Weitere vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Im Folgenden werden für die Erfindung vorteilhafte Anwendungen beispielhaft am Einsatz für verschiedene Schneidoperationen dargestellt.

Beispiel 1 :

Bohren mit innengekühlten HM-Bohrem in Baustahl

Werkzeug: Bohrer Hartmetall mit Kühlkanälen

Durchmesser D = 6.8 mm

10 Werkstück: Baustahl DIN 1.1191 (Ck45)

Bohrparameter: Schnittgeschwindigkeit v _c = 120 m/min

Zahnvorschub f _z = 0,2 mm/Umdrehung

Bohrlochtiefe z = 34 mm (5xD)

Kühlung: Emulsion 5%

15 Prozess: Sackloch

Verschleisskriterium: Eckenverschleiss VB = 0,2 mm

* Ein (1x) Schichtpaket entspricht dabei einer einmaligen Abfolge von ,,AICrTi- 20 SiN+TiSiN+AICrTiSiN+AICrN".

** Bei der eine Verschleissmarkenbreite VB = 0,2 mm erreicht wurde.

Beispiel 1 zeigt einen Vergleich der Standzeiten von beschichteten HM-Bohrem, bei denen eine unterschiedliche Anzahl von Schichtpaketen mit jeweils gleicher Haft-, nämlich AICrN, und Deckschicht, nämlich TiSiN, aufgebracht wurde. Die Beschichtungszeit der TiSiN- und ^~ 25 ^{~ ~} der AlCrN-Schicht wurde jeweils so angepasst, dass ^~ am ^" Ende eine vergleichbare Gesamtschichtdicke erreicht wurde. Ein Optimum in der Gesamtstandzeit wurde in Experiment Nr.4

gefunden mit einer Gesamtanzahl von 37 Lagen, dass eine klare Verbesserung zum Stand der Technik aus Experiment Nr. 1 zeigt.

Beispiel 2: Bohren mit innengekühlten HM-Bohrem in Baustahl

Werkzeug: Bohrer Hartmetall mit Kύhlkanälen

Durchmesser D = 6.8 mm

Werkstück: Baustahl DIN 1.1191 (Ck45)

Bohrparameter: Schnittgeschwindigkeit V ₀ = 120 m/min

Zahnvorschub f _z = 0,2 mm/Umdrehung

Bohrlochtiefe z = 34 mm (5xD)

Kühlung: Emulsion 5%

Prozess: Sackloch

Verschleisskriterium: Eckenverschleiss VB = 0,2 mm

Beispiel 2 zeigt einen Vergleich der Standzeiten von beschichteten HM-Bohrern. Hier konnte ebenfalls mit der AlCrN/TiSiN-Multilagenschicht gegenüber industriell genutzten Hartstoffschichten von TiAIN/TiN-Multilayer und TiAIN-Monolayer-Beschichtungen eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit erzielt werden.

Beispiel 3:

Bohren mit aussengekühlten HM-Bohrern in Baustahl Werkzeug: Bohrer Hartmetall mit Kühlkanälen

.Durchmesser D.= _6..8_mm _ Werkstück: Baustahl DIN 1.1191 (Ck45)

Bohrparameter: Schnittgeschwindigkeit v _c = 120 m/min

Zahnvorschub f _z = 0,2 mm/Umdrehung Bohrlochtiefe z = 23.8 mm (3.5xD) Kühlung: Emulsion 5%

Prozess: Sackloch Verschleisskriterium: Eckenverschleiss VB = 0,15 mm

Beispiel 3 zeigt einen Vergleich der Standzeiten von beschichteten HM-Bohrern. Hier konnte die AlCrN/TiSiN-Multilagenschicht gegenüber industriell genutzten Hartstoffschichten auf Ti- Al-N-Basis eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit erzielt werden.

Beispiel 4:

Bohren mit innengekühlten HM-Bohrern im Gusseisen (GGG-50)

Werkzeug: Bohrer Hartmetall mit Kühlkanälen

Durchmesser D = 6.8 mm

Werkstück: Gusseisen mit Kugelgraphit GGG-50

Bohrparameter: Schnittgeschwindigkeit v _c = 200 m/min

Zahnvorschub f _z = 0,3 mm/Umdrehung

Bohrlochtiefe z = 34 mm (5xD)

Kühlung: Emulsion 5%

Prozess: Sackloch

Verschleisskriterium: Eckenverschleiss VB = 0,1 mm

Beispiel 4 zeigt einen Vergleich der Standzeiten von beschichteten HM-Bohrem. Hier konnte ebenfalls mit der AlCrN/TiSiN-Multilagen-Beschichtung gegenüber industriell genutzten Hartstoffschichten von TiAIN/TiN-Multilagen-Beschichtung und TiAIN-Monolagen- Beschichtungen eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit erzielt werden.

Beispiel 5:

Bohren mit innengekühlten HM-Bohrern in Baustahl Werkzeug: Bohrer Hartmetall mit Kühlkanälen Durchmesser D = 6.8 mm

Werkstück: Baustahl DIN 1.1191 (Ck45)

Bohrparameter: Schnittgeschwindigkeit v _c = 120 m/min

Zahnvorschub f _z = 0,2 mm/Umdrehung

Bohrlochtiefe z = 34 mm (5xD) Kühlung: Emulsion 5% Prozess: Sackloch

Verschleisskriterium: Eckenverschleiss VB = 0,2 mm

* Ein (1x) Schichtpaket 2 ^* entspricht einer einmaligen Schichtabfolge von ,,AICrMTi- SiN+TiSiN+AICrMTiSiN+AICrMN", wobei M für jeweils eines der Elemente W, Nb, Mo, V o- der Si steht.

Beispiel 5 zeigt einen Vergleich der Standzeiten von erfindungsgemäss beschichteten HM- Bohrern auf denen Mehrschichtsysteme mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, aber gleicher Deckschicht (TiSiN) abgeschieden wurden. Als chemische Zusammensetzung wurde die Targetzusammensetzung variiert, wobei AI konstant gehalten wurde und Cr partiell durch ein drittes Element ersetzt wurde. Die Prozessparameter bei der Schicht- abscheidung wurden analog zu den anderen Experimenten gleich gehalten.

Eine weitere Möglichkeit, ein entsprechendes Schichtpaket herzustellen, ergibt sich, wenn analog zu Fig.1 c entweder die AICr- bzw. AlCrM-Quellen oder die TiSi-Quelle bzw. Quellen durchgehend betrieben werden und die jeweils andere Quelle bzw. Quellen bei Bedarf dazu- geschaltet werden. Insbesondere bei durchgehendem Betrieb der oben erwähnten 4 AICr- bzw. AICrM Quellen kann damit die Abscheiderate gesteigert werden und beispielsweise das folgende Schichtsystem abgeschieden werden:

- eine (AICrTiSi) X Mischschicht

- gefolgt von einer einer weiteren (AI _y Cr _{1 -y} ) X Schicht - gefolgt von einer weiteren (AICrTiSi) X Mischschicht

- gefolgt von einer weiteren (Al _y Cri. _y ) X Schicht.

Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt verschiedene Schichtvarianten. In FIG. 1 a-c werden drei Varianten diskutiert, wie eine Mehrlagenbeschichtung aufgebaut werden kann.

In FIG. 1a ist eine Abfolge von Schichten mit scharfen Übergängen dargestellt. Ein Schichtsystem (2) wird direkt auf ein zweites Schichtsystem (1) abgeschieden. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Gesamtschichtdicke erreicht wird. Als letzte Lage kann eine Deckschicht (3) mit höherer Schichtdicke abgeschieden werden.

In FIG. 1b werden zwischen den Einzelschichten noch Mischschichten (4) abgeschieden, in denen beide Schichtsysteme simultan aufgetragen werden. Auch hier kann zusätzlich eine Deckschicht als letzte Einzellage aufgebracht werden. Die Mischschicht kann entweder dünn als gleitende Übergangsschicht oder dicker mit einem Bereich konstanter Schichtzusam-

mensetzung ausgeführt werden. Eine solche Schicht kann beispielsweise folgende Zusammensetzung aufweisen: Al = 40.7 at%, Cr = 21.2 at%, Ti = 32.8 at% und Si = 5.3 at%. Diese Zusammensetzung ergibt sich, wenn simultan AlCr-Targets mit einer Zusammensetzung von AI=70 at% und Cr=30 at% und TiSi-Targets mit einer Zusammensetzung von Ti=85at% und Si=15at% betrieben werden. Ganz allgemein wird dabei die Zusammensetzung einer Mischschicht mit konstanter Zusammensetzung vorteilhaft in folgendem Bereich eingestellt:

(AI _1-a - _b . _c Cr _a Ti _b Si ₀ ) X wobei 0.18 < a < 0.48; 0.28 < b < 0.4; 0.004 < c < 0.12. Der Aluminiumgehalt wird dabei vorteilhafterweise über 10 at% gehalten. Werden noch zusätzlich wie oben erwähnt weitere E- lemente zugegeben, sollte, um eine entsprechende Wirkung zu erreichen, je nach Element eine Mindestkonzentration von 0.5 bis 1 Atomprozent und eine Maximalkonzentration von 15 bis 25 % zugegeben werden.

In FIG 1c wird eine Mehrlagenbeschichtung dadurch abgeschieden, dass ein Schichtsystem (5) während der gesamten Beschichtungszeit aufgetragen wird und das zweite Schichtsystem periodisch durch Einschalten der entsprechenden Beschichtungsquelle dazugemischt wird.

Figur 2 zeigt in geänderter Darstellung den Aufbau der Schichtpakete von Figur 1.

Tabelle 1