Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verschleissschutz- beschichtetes Werkstück, insbesondere Werkzeug, sowie ein Ver¬ fahren zu dessen Herstellung.

Zur Erstellung eines Verschleissschutzsystems an Werkstücken, insbesondere an Werkzeugen, dabei vor allem an Stahl- und Hart- metallwerkzeugen, ist es bekannt, Hartstoffschichten, beispiels¬ weise Schichten aus TiN bzw. TiCN auf das zu schützende Werk¬ stück aufzubringen. Unter Hartmetallen werden Sintercarbide (Cemented Carbide) verstanden. Dabei ist es möglich, die Ver- schleiss-, insbesondere die Oxidationsfestigkei , der erwähnten Schichten durch Zusatz von Aluminium zu erhöhen. Dies ist bei¬ spielsweise aus der JP-OS Nr. 4-53642/92 oder 5-67705/93 be¬ kannt. Im weiteren ist es bekannt, die Eigenschaften einer Ver- schleissschutzschicht durch Bildung einer Übergitterstruktur

(Superlattice) zu verbessern, wozu beispielsweise auf die JP-OS Nr. 7-97679/95 verwiesen sei.

Die Anforderungen an den Verschleissschutz nehmen zu. So werden beispielsweise beim Zerspanen an Verschleissschutz-beschichtete Werkzeuge immer höhere Anforderungen bezüglich der erzielbaren

Schneidgeschwindigkeit gestellt, um dadurch zu höheren Durchsät¬ zen bzw. zu einer höheren Effizienz zu gelangen.

Bei der Formbearbeitung wurde üblicherweise meist ein weicher Stahl vor der Wärmebehandlung bearbeitet. Heute wird die Formbe- arbeitung erst nach der Wärmebehandlung durchgeführt, d.h. nach der Härtung des Stahls.

Die Oxidationsbeständigkeit der oben erwähnten Beschichtungen mit Aluminium-Zusatz ist in vielen Fällen, wie beispielsweise

beim Hochgeschwindigkeits-Zerspanen, nicht zufriedenstellend, beispielsweise für spanendes Bearbeiten gehärteter Materialien. Dies, obwohl, wie erwähnt, Aluminium-Zusatz die diesbezüglichen Eigenschaften, wie beispielsweise von TiN von TiCN-Schichten, verbesser .

Die erwähnten Verschleissschutz-Schichten werden üblicherweise durch Vakuu beschichtungsverfahren aufgebracht, wie beispiels¬ weise durch Ionenplatieren (Ionplating) , oder ggf. auch durch CVD-Verfahren.

Beim Aufbringen dieser Schichten, wie beispielsweise durch Io¬ nenplatieren, nehmen die in der Beschichtung verbleibenden Druckrestspannungen proportional zur Dicke der aufgebrachten Schicht zu. Entsprechend der Zunahme der Druckrestspannungen nimmt die Adhäsion bzw. die auch unter dem Aspekt der Scherbela- stung zu betrachtende Haftung zwischen Schicht und Werkstückkör¬ per, insbesondere aus Stahl oder Hartmetall, ab, so dass Schichtdicken von höchstens 5 μm eingesetzt werden können. Weil gerade beim Ionenplatieren relativ ausgeprägte Druckres Spannun¬ gen verbleiben, ist es auch bekannt, dass durch dieses Verfahren Verschleissschutz-beschichtete Werkstücke gegenüber mittels che¬ mischen Dampfabscheidungs-Verfahren (CVD) beschichteten Werk¬ stücken unterlegen sind, indem bei Einsatz des letzterwähnten Verfahrens aufgrund der erwähnten Druckrestspannungen Schicht- dicken von 5 bis 15 μm einsetzbar sind.

Wird die Härte der Schicht durch Bildung einer Übergitterstruk¬ tur (Superlattice) erhöht, so wird damit wohl die Verschleissfe- stigkeit erhöht, gleichzeitig aber weist eine solche, harte Schicht ein hohes Young'sches Modulus auf und sehr hohe Druck¬ restspannungen, womit die Dicke einer solchen Schicht doch auf

lediglich 3 bis 5 μm begrenzt werden muss. Das Auftreten der er¬ wähnten hohen DruckrestSpannungen bei Beschichtung mit Übergit¬ terstruktur führt im weiteren auch zu Haftungsproblemen zwischen Schicht und Werkstückkörper.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verschleiss- schutz-beschichtetes Werkstück, insbesondere aus Stahl oder aus einem Hartmetall und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzu¬ schlagen, woran signifikant verringerte DruckrestSpannungen auf¬ treten. Damit soll das Verschleissschutz-beschichtete Werkstück ein Verschleissschutz-Schichtsystem aufweisen können, welches unter gleichzeitiger Erhöhung der Verschleissfestigkeit, und da¬ mit Verringerung der Haftungsprobleme, wesentlich dicker ausge¬ bildet sein kann als bis anhin. Dies wird durch das Verschleiss¬ schutz-beschichtete Werkstück gelöst, welches sich nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 auszeichnet, bzw. durch dessen Her¬ stellung nach Anspruch 12.

Es wurde demnach erkannt, dass durch Vorsehen eines Verschleiss- schutz-Schichtsystems mit mindestens zwei sich folgenden Schich¬ ten, je mit unterschiedlicher kristallographischer Vorzugsorien- tierung, die gestellte Aufgabe gelöst wird. Damit wird eine er¬ höhte Schichtdicke realisierbar, ohne dass die Druckrestspannun¬ gen entsprechend zunähmen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anschlie- ssend beschrieben.

Eine entsprechende Prozessführung des Beschichtungsprozesses mit Verschleissschutz-geeigneten Materialien ergibt jeweils eine kristallographische Vorzugsorientierung im Kristallwachstum, so beispielsweise und insbesondere bei PVD-Verfahren, dabei insbe¬ sondere bei reaktiven, wie bei kathodischem Lichtbogenverdampfen

und Sputtern. Eine beispielsweise durch Lichtbogenverdampfen hergestellte Schicht weist im allgemeinen eine Vorzugsorientie¬ rung im Kristallwachstum auf, so dass die Schicht mit einer säu¬ lenförmigen Kristallstruktur gebildet wird. Ein säulenförmiges Kristallpartikel ist in der Regel als Einkristall ausgebildet, der in einer bestimmten Richtung gewachsen ist und sehr wenige Defektstellen aufweist. Die Kristalle reihen sich durchlaufend aneinander und bilden so eine Schicht, wodurch die Druckrest¬ spannungen proportional zur Dicke der Schicht, wie erwähnt, zu- nehmen. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass, wenn zwei sich folgende Schichten abgelegt werden, mit unter¬ schiedlichen, kristallographischen Vorzugsorientierunge, an der Grenzfläche zwischen den Schichten eine Vielzahl von Gitterde¬ fektstellen eingeführt wird. Werden z.B. und bevorzugterweise eine zur (111) -Ebene vorzugsorientierte Schicht aus TiN und eine zur (200) -Ebene vorzugsorientierte Schicht aus TiAlN oder eine zur (111) -Ebene vorzugsorientierte Schicht aus TiCN und eine aus TiAlCN bestehende, zur (200) -Ebene vorzugsorientierte Schicht paarweise als Zwei- oder Mehrschichtsystem aneinander geschich- tet, womit die Schichtgrenzflächen diskontinuierlich ausgebildet werden und ein epitaxiales Wachstum verhindert wird, so wird da¬ mit an den Schichtgrenzflächen die erwähnte Vielzahl von Gitter¬ defektstellen eingeführt. Diese Gitterdefekte werden während des weiteren Schichtwachstums derart ausgerichtet, dass die Druck- restspannung über dem gesamten Schichtsystem vermindert wird. Es ergibt sich praktisch eine Druckrestspannungs-Ausgleichszone zwischen den erwähnten Schichten. Damit wird die Bildung einer gesamthaft dicken Schicht bzw. eines Schichtsystems mit einer geringen Druckrestspannung möglich.

Bevorzugt werden dabei die erwähnten je Schichten aus einem der folgenden Materialien hergestellt:

TiN, TiCN, TiAlN, TiAlCN,

dabei entweder aus dem gleichen Material, oder bevorzugt aus un- terschiedlichen der genannten Materialien.

Es weist eine zur (200) -Ebene vorzugsorientiert TiAlN-Schicht mit einer Dicke von 0,5 μm eine DruckrestSpannung von 1,2 GPa auf, während die Druckrestspannung in einer TiAlN-Schicht mit der Dicke von 10 μm und gleich ausgerichtet bereits 8 GPa über- schreitet und ihre Haftung entsprechend schlechter ist. Wird aber eine 0,5 μm dicke, zur (200) -Ebene vorzugsorientierte TiAlN- Schicht und eine 0,5 μm, zur (111) -Ebene vorzugsorientierte TiN- Schicht abwechselnd zur Bildung eines Verschleissschutz- Schichtsystems aufgebracht, und zwar mehrschichtig, beispiels- weise bis zu einer Dicke von 10 μm, so ergibt sich überraschen¬ derweise eine verbleibende Druckrestspannung von höchstens 2 GPa.

Wie ersichtlich, wird in einer bevorzugten Ausführungsform die unterschiedliche Vorzugsorientierung durch den Einsatz unter- schiedlicher Schichtmaterialien, bei gleichbleibender oder un¬ terschiedlicher Führung eines Vakuumbeschichtungsprozesses, rea¬ lisiert. Es ist aber durchaus möglich, die Schichten mit unter¬ schiedlicher Vorzugsorientierung aus ein und demselben Schicht- material abzulegen, jedoch mittels unterschiedlicher Prozessfüh- rung.

Als Schichtmaterialpaarungen werden bevorzugt:

TiN / TiN

TiN / TiCN TiN / TiAlN TiN / TiAlCN

TiCN / TiCN

TiCN / TiAlN TiCN / TiAlCN

TiAlN / TiAlN TiAlN / TiAlCN TiAlCN / TiAlCN

wobei bei jeder der erwähnten Kombinationen bevorzugt unter¬ schiedlicher Materialien die eine oder andere Schicht als erste auf das Werkstück aufgebracht werden kann.

Unter den Schichtkombinationen mit unterschiedlichen Materiali- en, wie erwähnt bevorzugt, werden besonders bevorzugt die Kombi¬ nationen:

TiN / TiAlN

TiCN / TiAlCN

oder gegebenenfalls TiN / TiAlCN

TiCN / TiAlN

Als Beschichtungsverfahren werden besonders PVD-Verf ahren , reak¬ tiv oder nicht -reaktiv, bevorzugt , dabei insbesondere reaktive , insbesondere kathodisches Lichtbogenverdampfen und Sputtern .

Bei den Werkstücken , vorzugsweise aus einem Stahl oder einem Hartmetall , handelt es sich vorzugsweise um Werkzeuge , dabei insbesondere um Umform- oder Stanzwerkzeuge , insbesondere bevor-

zugt um Wendeschneidplatten, Schaftwerkzeuge, insbesondere Boh¬ rer oder Fräser, weiter Verzahnungswerkzeuge, Sägeblätter.

Mit dem erfindungsgemässen Verschleissschutz-beschichteten Werk¬ stück, wie insbesondere dem eben beschriebenen, mit 10 μm und mehr dicken, durch Mehrfachpaarung gebildeten Verschleissschutz- System wird auch verhindert, beispielsweise beim zerspanenenden Einsatz eines als Werkzeug ausgebildeten, erfindungsgemässen Werkstückes, dass die während dem Zerspanen an der Schichtober¬ fläche erzeugten Risse sich in den Grenzflächen zwischen den Schichten ausbreiten. Die am Rissansatz auftretende Spannungs¬ konzentration wird nämlich durch die Vielzahl von Gitterdefekten an der erwähnten Grenzfläche vermindert, welche Grenzfläche mit¬ hin einen ausgeprägten Widerstand gegen die Weiterübertragung von Rissen bildet. Wenn die Risse trotzdem grösser werden soll- ten, so werden sie nicht auf den Grundkörper übertragen, sondern verlaufen nur entlang den Grenzflächen zwischen den erwähnten Schichten, so dass Scharten an Schneidekanten weitestgehend ver¬ hindert werden.

Wenn sich Risse entlang den Grenzflächen zwischen den Schichten ungehindert ausbreiten könnten, so würde dies die Gefahr in sich bergen, dass sich einzelne Schichten des Verschleissschutz- Schichtsystems ablösen, wodurch auch die Verschleissfestigkeit verschlechtert würde. Es wurde aber gefunden, bei allen erwähn¬ ten Schichtmaterial-Paarungen und insbesondere bei den bevorzug- ten, so z.B. bei der Kombination von TiN und TiAlN bzw. von TiCN und TiAlCN, dass sich die Risse eben nicht ungehindert entlang den Grenzflächen zwischen den Schichten ausbreiten können. Grundsätzlich dürfte dies daran liegen, dass aufgrund der erfin¬ dungsgemässen unterschiedlichen Vorzugsorientierung, und damit der hohen Störstellendichte im Schichtübergangsbereich, eine

Rissausbreitung in diesem Übergangsbereich massgeblich unterbun¬ den wird.

Als Resultat ergibt sich, dass ein erfindungsgemässes Ver- schleissschutz-beschichtetes Werkstück wegen der daran vorgese- henen Schichtsystemdicke eine hohe Verschleissfestigkeit auf¬ weist, wobei sich Risse kaum durch das Verschleissschutz- Schichtsystem fortbilden, d.h. das Verschleissschutz- Schichtsystem weist eine hohe Zähigkeit auf. Damit wird mit dem erfindungsgemässen Werkstück, und verglichen mit Werkstücken mit Verschleissschutz-Systemen ohne Vorzugsorientierungswechsel zwi¬ schen den Schichten, nicht nur eine erhöhte Schichtsystemdicke einsetzbar, sondern es ergeben sich auch bei dünnen Schichtsy- ste en, gegenüber den vorbekannten, beispielsweise gegenüber Werkzeugen mit gleicher Dicke einer einheitlichen Schicht, we- sentlich verlängerte Standzeiten.

Definition

Es bedeutet I (XXX) die Intensität der (XXX) -Ebene, gemessen mit¬ tels Röntgenbeugung nach der θ-2θ-Methode.

Der Wert des Quotienten I (200) /I (111) einer der Schichten, z.B. aus TiAlN oder aus TiAlCN, wird zu mindestens 1 gewählt, weil mit höherer (111) -Vorzugsorientierung an dieser Schicht eine hö¬ here Druckrestspannung resultiert, was unerwünscht ist. Wenn diese Schicht aber (200) -vorzugsorientiert ist, so wird die Druckrestspannung der Schicht klein gehalten. Deshalb benötigt diese Schicht eine (200) -Vorzugsorientierung, womit der erwähnte Quotientenwert bevorzugt zu mindestens 1 gewählt wird. Dies gilt insbesondere für Schichten aus einem der erwähnten AI enthalten¬ den Materialien.

Zur Einführung der Gitterdefekte an der Grenzfläche zwischen der einen Schicht und der anderen, sollte letztere umgekehrt vor¬ zugsorientiert sein. Mithin sollte im oberwähnten Beispiel die andere Schicht z.B. aus TiN oder TiCN eine (111) -Vorzugsorien- tierung aufweise, womit an dieser Schicht bevorzugterweise ein Quotientenwert I (200) /I (111) höchstens 1 betragen soll, jeden¬ falls aber ungleich dem Quotientenwert für die ersterwähnte Schicht sein.

Wenn die Gesamtdicke des Schichtsystems 1 μm unterschreitet, so übt ein solches Schichtsystem eine nur vernachlässigbare Ver- schleissschutz-Wirkung aus. Wenn anderseits die Gesamtdicke des Schichtsystems 15 μm überschreitet, so können sich Probleme be¬ treffs Haftung am Stahlgrundkδrper ergeben, womit bevorzugter¬ weise das Verschleissschutz-Schichtsystem mindestens 1 μm dick ist und vorzugsweise höchstens 15 μm.

Beispiel 1

Es wurden Hartmetall-Wendeschneidplatten entsprechend JIS P40 und im Markt erhältliche HSS-Schaftfräser durch kathodisches Lichtbogenverdampfen mittels Ti-Target und TiAl-Target (Ti/Al = 50/50) beschichtet und erfindungsgemässe Schichtsysteme gemäss Tabelle 1 gebildet. In den Vergleichsbeispielen wurden jeweils TiN- bzw. TiAlN-Schichten nach dem gleichen Verfahren, nämlich kathodisches Lichtbogenverdampfen, als Einschicht-Systeme aufge¬ bracht.

Die beschichteten Hartmetall-Wendeschneidplatten wurden unter den unten wiedergegebenen Zerspanungsbedingungen Nr. 1 so lange getestet, bis der Verschleiss an der Freifläche 0, 3 mm erreich-

te. Es wurde die Zerspanungslänge ermittelt als Standzeitkrite¬ rium.

Die beschichteten HSS-Schaftfräser wurden nach den ebenfalls un¬ ten angegebenen Zerspanungsbedingungen Nr. 2 getestet, bis der Verschleiss an der Freifläche 0,2 mm erreichte. Es wurde eben¬ falls die Zerspanungslänge ermittelt als Standzeitkriterium. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Zerspanun sbedincrungen Nr. 1:

Für Hartmetall-Wendeschneidplatte (SEE 42-TN)

- Zu zerspanendes Material: X 40 CrMoV51 (DIN 1.2344) , DAC(HRC40)

- Schnittgeschwindigkeit: lOOm/min

- Vorschub: 0,1 mm/Zahn

- Schnittiefe: 2 mm

- Trockenbearbeitung

Zerspanuncrsbedincrunqen Nr. 2:

Für HSS-Schaftfräser

- Zu zerspanendes Material: 40CrMoV51 (DIN 1.2344) , DAC(HRCIO)

- Schnittgeschwindigkeit: 50 m/min

- Vorschub 0,07 mm/Zahn

- axiale Schnittiefe: 18 mm

- radiale Schnittiefe: 6 mm

- trocken, Gleichlauf

Tabelle 1

Wie aus obiger Tabelle 1 ersichtlich, wird beim erfindungsgemä¬ ssen Verschleissschutz-beschichteten Stahlkörper in Form der er¬ wähnten Werkzeuge mit einer Gesa tverschleissschutz- Schichtsystemdicke von weit mehr als 10 μm (erfindungsgemässes Beispiel 5) die Druckrestspannung beherrscht, so dass kein Ab¬ platzen der Schicht entsteht und keine Schartenbildung an der Schneidkante auftritt, und dies während sehr langer Standzeiten,

verglichen mit den Vergleichsbeispielen mit lediglich Ein¬ schiebt-Verschleissschutz-SchichtSystemen.

In einer Weiterausbildung der Erfindung wurde zwischen den Schichten eine Übergangsschicht von 5 nm bis 500 nm vorgesehen, in welcher beide Materialien der angrenzenden Schichten vorhan¬ den sind, also bei anliegenden Schichten aus TiN und TiAlN- Schichten diese beiden erwähnten Materialien, analog bei TiCN- und TiAlCN-Schichten die entsprechenden beiden Materialien. Da¬ durch wurde die Tendenz, dass sich Risse entlang der Schicht- grenzflachen ausbreiten, noch wirksamer bekämpft.

Wenn die Dicke der Übergangsschicht 5nm und kleiner ist, ist kein Effekt gegen die entlang die Grenzfläche verlaufenden Risse erzielbar, und wenn sie 500nm überschreitet, neigt die Schicht zum epitaxialen Wachstum z.B. des Ti-Nitrids bzw. -Kohlenstoff- nitrids und TiAl-Nitrids bzw. -Kohlenstoffnitrids, so dass der Wert I (200) /I (111) nicht leicht steuerbar ist. Deshalb ist die Dicke der Übergangsschicht auf 5nm bis 500nm beschränkt.

In nachfolgender Tabelle 2 sind die bei dieser Weiterbildung er¬ zielten Resultate im Vergleich mit Resultaten an Einschicht- Verschleissschutz-geschützten Werkzeugen dargestellt, wobei wie¬ derum die im Beispiel 1 beschriebene Beschichtungstechnik und Zerspanungstestbedingungen eingesetzt wurden.

Die Übergangsschicht wurde durch gleichzeitiges kathodisches Lichtbogenverdampfen aus den entsprechenden Ti-Targets bzw. Ti- AI-Targets erstellt. Wie bereits im Ausführungsbeispiel 1, wur¬ den die Schichten durch reaktives kathodisches Lichtbogenver¬ dampfen in Stickstoff-enthaltender Reaktivgasatmosphäre erzeugt.

Tabelle 2

Wie nun aus Tabelle 2 klar ersichtlich, wird durch Vorsehen der Übergangsschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 500 nm, dabei bevorzugterweise zwischen 10 nm und 400 nm, eine eher noch bes¬ sere Standzeit erhalten.

Am erfindungemässen Werkstück kann mithin ein Verschleissschutz- Schichtsystem mit erhöhter Schichtdicke und Standzeit vorgesehen sein, vorzugsweise aufgebracht durch ein reaktives PVD- Verfahren, ggf. auch ein nich -reaktives PVD-Ver ahren, wobei

sich als PVD-Verfahren insbesondere kathodisches Lichtbogenver¬ dampfen und Sputtern, reaktiv oder nicht-reaktiv ausgeführt, be¬ sonders eignen. Wesentlich ist am erfindungsgemässen Werkstück bzw. dessen Herstellverfahren die Realisation der unterschiedli- chen Vorzugsorientierung an zwei sich folgenden Schichten mit ggf. dazwischen eingebetteter Übergangsschicht. Es wird damit ein Verschleissschutz-beschichtetes Werkstück geschaffen, dessen Verschleissschutz-Schichtsystem eine hohe Zähigkeit aufweist, wobei die Gesamtverschleissschutz-Schichtsystem-Dicke ausgehend von dünnen Schichtsystemen bis hin zu dicken gewählt werden kann und dabei jedenfalls die Standzeit derartiger Werkstücke und insbesondere Werkzeuge, verglichen mit gleich dick Einschicht- Verschleissschutz-beschichteten, ganz wesentlich erhöht werden kan .

Es wird darauf hingewiesen, dass die Prioritätsunterlagen, ge¬ mäss den japanischen Anmeldungen

Nr. 8-252384, vom 3. Sept. 1996

Nr. 8-252385, vom 3. Sept. 1996

integrierter Bestandteil dieser Anmeldung bilden sollen.