AT503050A1

AT503050A1 - Metallcarbonitridschicht

Info

Publication number: AT503050A1
Application number: AT18762005A
Authority: AT
Inventors: Reinhard Pitonak; Jose Garcia; Ronald Weissenbacher; Klaus Udier
Original assignee: Boehlerit Gmbh & Co Kg
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-07-15
Also published as: AT503050B1; CN101243204B; ES2370840T3; CN101243204A

Description

Metallcarbonttridschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkzeuges oder Werkzeugteiles, insbesondere eines Schn[beta]idelementes wie eine Schneidplatte, bei dem ein Grundkörper bereitgestellt und auf diesem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zumindest eine Schicht aus einem Metallcarbonitrid eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom gebildet und mittels eines Methan, Stickstoff und eine oder mehrere Metallverbindungen enthaltenden Gases abgeschieden wird.
Weiter betrifft die Erfindung eine auf einem Gegenstand aufgebrachte Metallcarbonitridschicht eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht.

Femer betrifft die Erfindung ein Werkzeug oder Werkzeugteil, insbesondere
Schneidelement wie eine Schneidplatte, umfassend einen Grundkörper mit einer oder mehreren auf diesem aufgebrachten Schichten, wobei wenigstens eine Schicht eine Metallcarbonitridschicht ist.
Abrasiv hochbeanspruchte Werkzeuge, beispielsweise Schneid-, Stanz- oder
Umformwerkzeuge, werden üblicherweise beschichtet, um einem Verschleiss der Werkzeuge beim Gebrauch entgegenzuwirken. Dabei werden häufig auch mehdagige Beschichtungen mit einer äussersten, werkstückseitigen Arbeitsschicht und mehreren darunterliegenden Schichten bzw. Lagen eingesetzt.

Mehrlagige Beschichtungen sind zwar aufwändiger herzustellen als einlagige, jedoch bei gleicher Dicke weniger spröde und mit grösserer Flexibilität verbunden, wenn es darum geht, eine Beschichtung bestmöglich im Hinblick auf zu erwartende Beanspruchungen auszulegen.
Aus dem Stand der Technik sind bei Schneidplatten von Drehwerkzeugen mehrtägige Beschichtungen bekannt, welche als äusserste, im Gebrauch werkstückseitige Schicht eine Titannitridschicht oder Aluminiumoxidschicht aufweisen, die unmittelbar oder mittelbar auf einer Metallcarbonitridschicht wie einer Titancarbonitridschicht abgeschieden ist. Die Aluminiumoxidschicht beispielsweise ist chemisch inert und hitzebeständig und schützt somit die darunterliegenden Schichten.

Die unterstützende Titancarbonitridschicht ist durch eine grosse Härte gekennzeichnet und soll zu einer Verschleissfestigkeit der Beschichtung bzw. des Werkzeuges beitragen. Zwischen der verbindenden Schicht aus Titancarbonitrid und dem Grundkörper der Schneidplatte aus Hartmetall können weitere Schichten vorgesehen sein, insbesondere Schichten, welche am Grundkörper gut haften und so eine haftfeste Anbindung der Beschichtung ermöglichen.
Bei mehrlagigen Beschichtungen ist zu beachten, dass eine grosse Härte einzelner Schichten alleine für eine lange Gebrauchsdauer bzw. Standzeit noch nicht ausreichend ist.

Selbst eine äusserst harte Schicht kann nicht mehr nützlich sein, wenn sie sich vom Grundkörper bzw. einer darunterliegenden Schicht löst, was insbesondere bei Schneidplatten auftreten kann, welche nicht nur hohen mechanischen Beanspruchungen, sondern auch hohen Temperaturen und/oder Temperaturwechseln ausgesetzt sind.
An Verbindungs- bzw. Zwischenschichten aus Metallcarbonitrid (MeCxNy) werden in diesem Zusammenhang besonders hohe Anforderungen gestellt, da ihre Funktion gerade darin besteht, der Beschichtung Verschleissfestigkeit zu verleihen und eine schützende Arbeitsschicht lange zu tragen.
Insbesondere Schichten aus Titancarbonitrid sind besonders häufig verwendete Verbindungsschichten in mehrlagigen Beschichtungen bzw. Schichtsystemen.

Der Grund hierfür liegt darin, dass bei bekannten Titancarbonitridschichten Kohlenstoff lückenlos durch Stickstoff (bzw. umgekehrt) substituiert werden kann, womit auch die Eigenschaften dieser Schichten über die Zusammensetzung variabel eingestellt werden können. Letztlich haben eine solche Schichten Eigenschaften, welche zwischen jenen von Titancarbid und Titannitrid liegen bzw. eingestellt werden können.
Eine Herstellung von Titancarbonitridschichten kann, wie dies viele Jahre Praxis war, mittels CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) erfolgen, wobei die Schichten aus einem Methan, Stickstoff, Titantetrachiorid und Wasserstoff als Trägergas enthaltenden Gasgemisch bei Substrattemperaturen von 950 bis 1100 [deg.]C abgeschieden werden. Die so erhaltenen Titancarbonitridschichten sind aus globularem Kom aufgebaut und bilden eine dichte Schicht.

Im Zusammenhang mit der Abscheidung von diesem so genannten HochtemperaturTitancarbonitrid auf Hartmetallsubstraten wird oftmals eine unerwünschte Entkohlung des Substrates beobachtet und zwar auch dann, wenn zwischen Hartmetall und Titancarbonitridschicht eine Anbindungsschicht, zum Beispiel eine 0.5 um dicke Schicht aus Titannitrid, vorgesehen wird. Um dieser Entkohlung Einhalt zu gebieten, ist man in jüngerer Zeit dazu übergegangen, für die Abscheidung von Titancarbonitrid Titantetrachiorid und Acetonitril enthaltende Gase zu verwenden, wodurch eine Abscheidungstemperatur auf niedrigere Temperaturen von 750 bis 900 [deg.]C gesenkt werden kann.

So erzeugtes Titancarbonitrid ist als Mitteltemperatur-Titancarbonitrid bekannt und weist eine kolumnare Struktur aus stäbchenförmigen Kristalliten auf, deren Dicke mehr als 750 A bzw. 75 Nanometer beträgt.
Bekannte Hochtemperatur- oder Mitteltemperatur-Titancarbonitridschichten dienen vornehmlich, wie erwähnt, als Verbindungsschichten, auf welchen weitere Schichten abgeschieden sind bzw. werden.

Allerdings hat sich gezeigt, dass eine Haftfestigkeit von Titannitridschichten oder anderen Arten von Arbeitsschichten auf herkömmlichen Titancarbonitridschichten wie auch anderen Metallcarbonitridschichten unzureichend sein kann, so dass eine Gebrauchsdauer des Werkzeugs durch ein Ablösen einer an sich verschleissfesten Arbeitsschicht limitiert sein kann.
Daneben werden bekannte Titancarbdonitridschichten und Metallcarbonitrischichten allgemein auch als äusserste, werkstückseitig angeordnete Schicht, also als Arbeitsschicht, eingesetzt.

Dabei sind sie praktisch allerdings nur sehr beschränkt einsetzbar: Bei solchen Schichten ist bei Einsatz als Arbeitsschicht mit einem Auftreten von Aufklebungen und somit trotz grosser Härte mit einer vergleichsweise geringen Gebrauchsdauer zu rechnen.
Hier setzt die Erfindung an und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine Metallcarbonitridschicht aufgebracht werden kann, auf der einerseits weitere Schichten mit hoher Haftfestigkeit abgeschieden werden können und die andererseits hoch verschleissfest ist, so dass das beschichtete Werkzeug oder Werkzeugteil gegebenenfalls sofort eingesetzt werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Angabe einer auf einem Gegenstand ausgebrachten Metallcarbonitrischicht, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht, die hoch verschleissfest ist und auf der weitere Schichten mit hoher Haftfestigkeit abscheidbar sind.
Femer ist es ein Ziel der Erfindung, ein Werkzeug oder Werkzeugteil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Metallcarbonitridschicht hoch verschleissfest ist und für eine hohe Haftfestigkeit einer darauf gegebenenfalls abgeschiedenen Schicht sorgt.
Das verfahrensmässige Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Günstige Varianten eines erfindungsgemässen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.
Die mit der Erfindung erzielen Vorteile liegen insbesondere darin, dass eine
Metallcarbonitridschicht, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht, mit einem mikroskopischen Aufbau erzeugt wird, der sich exzellent zur Abscheidung weiterer Schichten mit fester Haftung eignet. Kristallchemisch betrachtet ist die Metallcarbonitridschicht zumindest überwiegend aus einer Vielzahl von einzelnen, stäbchenförmigen Kristalliten aufgebaut, deren mittlere Dicke weniger als 65
Nanometer beträgt.

Weil die stäbchenförmigen Kristallite weder gleich lang noch an der freien Oberfläche vollständig parallel gepackt sind, ist die freie Oberfläche der abgeschiedenen Metallcarbonitridschicht stark zerklüftet und bietet bei der Abscheidung einer weiteren Schicht strukturell gleichsam eine Vielzahl von individuellen Spiesschen an, die für eine multiple Verankerung der abgeschiedenen Schicht sorgen.

Die in der Folge aufgebrachten Schichten, beispielsweise aus Titannitrid, Aluminiumoxid oder Diamant haften daher stark verbessert und ein Ablösen ist auch unter härtesten Einsatzbedingungen nicht gegeben oder tritt lediglich in stark verringerter Intensität auf.
Unerwartet wurde auch festgestellt, dass eine erfindungsgemäss abgeschiedene Schicht im Vergleich mit herkömmlichen Metallcarbonitridschichten auch ein ausgezeichnetes Verschleissverhalten zeigt und daher mit Vorteil auch als Arbeitsschicht einsetzbar ist. Diese Beobachtung ist noch überraschender, wenn man bedenkt, dass im Speziellen eine erfindungsgemäss abgeschiedene Titancarbonitridschicht bei gleicher chemischer Zusammensetzung eine geringere Härte (bzw.

Mikrohärte) als eine auf herkömmlichen Weg erstellte Titancarbonitridschicht mit kömigem Aufbau ausweist.
Im Hinblick auf einen möglichen Reaktionsmechanismus bzw. eine Bildung erfindungsgemäss erzielter Kristallite wird zumindest für Titancarbonitridschichten folgendes vermutet: Zu Beginn des Abscheidens, bei relativ niedriger Temperatur, scheidet sich aus dem Reaktionsgas Titannitrid ab, welches am Substrat nadelartige Keime bildet. Titancarbid wird in dieser Phase des Abscheidungsprozesses nicht oder allenfalls in untergeordnetem Ausmass abgeschieden.

Wenn nach bzw. während der Bildung der Titannitridkeime die Temperatur des Substrates erhöht und in einen Bereich geführt wird, in welchem Hochtemperatur-Titancarbonitrid üblicherweise abgeschieden wird, erfolgt, da auf der Substratoberfläche bereits Keime aus Titannitrid präsent sind, keine neuerliche Keimbildung, sondern es setzt sich die Abscheidung bzw. das Wachstum der Schicht an den bereits vorhandenen Stäbchen bzw. Nadeln fort. Die wegwachsenden Stäbchen bzw. Nadeln führen schliesslich zum charakteristischen Aufbau der Schicht, welche zumindest überwiegend aus stäbchenförmigen Kristalliten gebildet ist; daneben können in der Schicht noch in untergeordnetem Ausmass Anteile von kömigem Titancarbonitrid vorhanden sein, ohne dass die erfindungsgemäss erzielten Wirkungen beeinträchtigt wären.

Eine durchschnittliche chemische Zusammensetzung der Metallcarbonitridschicht (MeCxNy) ergibt sich dabei zu TiC[chi]Nymit x gleich 0.1 bis 0.3 und mit y gleich 0.9 bis 0.7.
Bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es von Vorteil, wenn die Temperatur des Grundkörpers unter fortschreitendem Abscheiden erhöht wird.
Dadurch ist ein unterbrechungsfreies Wachsen der Metallcarbonitridschicht gegeben, was sich im Hinblick auf einen möglichst fehlerfreien Schichtaufbau als günstig erweist.
Um zu vermeiden, dass sich nach Bildung einer Vielzahl von Metallnitridkeimen bereichsweise eine Metallnitridschicht auszubilden beginnt, ist es zweckmässig, dass die Temperatur des Grundkörpers innerhalb von 350 Minuten, insbesondere 120 Minuten, nach Beginn des Abscheidens auf erhöhte Temperatur gebracht wird.

Für eine hohe Beanspruchbarkeit der abgeschiedenen Metallcarbonitridschicht ist es von Vorteil, wenn nach Erreichen erhöhter Temperatur das Abscheiden für zumindest 60 Minuten fortgeführt wird, damit eine Mindestschichtdicke von zumindest 0.5 um eingestellt wird.
Bevorzugt beträgt eine erhöhte Temperatur 1010 bis 1040 [deg.]C. In diesem Temperaturbereich wachsen die einzelnen Kristallite schnell und mit wenigen Fehlem, so dass ein schnelles Wachstum einer hoch beanspruchbaren Schicht resultiert.
Besonders vorzügliche Beschichtungen im Hinblick auf die Gebrauchseigenschaften des Werkzeuges oder Werkzeugteiles können erhalten werden, wenn mittels eines Methan, Stickstoff und Titantetrachiorid enthaltenden Gases eine Titancarbonitridschicht gebildet und abgeschieden wird.

Im Zusammenhang damit hat es sich bewährt, wenn das Gas Methan, Stickstoff und Wasserstoff im molaren Verhältnis 1 : 8 bis 11 : 15 bis 25 enthält und das Gas 1 bis 8 Volumenprozent Titantetrachiorid enthält. Dadurch können unerwünschte Anteile an kömigem Titancarbonitrid wesentlich verringert oder vermieden und die erfindungsgemäss erzielten Vorteile noch weiter gesteigert werden. Eine Zusammensetzung der Schicht beträgt in diesem Fall TiCxNymit x gleich 0.15 bis 0.25 und y gleich 0.85 bis 0.75.
Ein Druck des reaktiven Gases ist an sich nicht kritisch und kann in weiten Grenzen variiert werden.

Bevorzugt wird die Titancarbonitridschicht bei einem Druck von 100 bis 800 Millibar, vorzugsweise 200 bis 400 Millibar, abgeschieden.
Das weitere Ziel der Erfindung, eine Metallcarbonitridschicht eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht anzugeben, die hoch verschleissfest ist und auf der gegebenenfalls weitere Schichten mit hoher Haftfestigkeit abscheidbar sind, wird durch eine Metallcarbonitridschicht gelöst, die eine Zusammensetzung MeC[chi]Nymit x gleich 0.1 bis 0.3 und y gleich 0.9 bis 0.7 aufweist und zumindest überwiegend aus stäbchenförmigen Kristalliten gebildet ist, welche im arithmetischen Mittel eine Dicke von weniger als 65 Nanometer aufweisen.
Ein Vorteil einer erfindungsgemässen Schicht ist insbesondere darin zu sehen, dass auf dieser Schicht weitere Schichten,

beispielsweise auch Arbeitsschichten aus grundsätzlich schlecht haftenden Schichten wie aus Diamant oder Aluminiumoxid, mit hoher Haftfestigkeit abgeschiedenen werden können, was auf den mikroskopischen Aufbau der Schicht mit einer Vielzahl einzelner Kristallite in Stäbchenform, welche im arithmetischen Mittel eine geringe Dicke von weniger als 65 Nanometer aufweisen, zurückgeführt werden kann. Ein anderer Vorteil zeigt sich darin, dass die erfindungsgemässe Schicht äusserst verschleissfest ist und daher bei abrasiv beanspruchten Werkzeugen als äusserste Schicht, also als Arbeitsschicht, eingesetzt werden kann.

Insbesondere für eine Titancarbonitridschicht ist dies eigentlich unerwartet, da eine Mikrohärte einer erfindungsgemässen Schicht nur etwa 2000 Hvbeträgt und somit wesentlich geringer ist, als jene herkömmlicher
Titancarbonitridschichten, welche (mit steigendem Kohlenstoffgehalt) 2300 bis 3400 Hvbetragen können. Überraschend ist in diesem Bezug auch, dass trotz merklichem Kohlenstoffanteil in der Schicht Aufklebungen stark reduziert sind, was positiv zum Verschleissverhalten beiträgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die stäbchenförmigen Kristallite im arithmetischen Mittel eine Dicke weniger als 45 Nanometer, vorzugsweise weniger als 35 Nanometer, aufweisen.

Je feiner die Kristallite, desto besser kommt bei Abscheidung einer Schicht auf der erfindungsgemässen Metallcarbonitridschicht ein Verankerungseffekt zum Tragen und umso grösser ist eine Haftung der zusätzlich abgeschiedenen Schicht.
Günstig ist es im Hinblick auf eine gute Verankerung nachfolgend abgeschiedener Schichten, wenn die stäbchenförmigen Kristallite im arithmetischen Mittel eine Länge von zumindest 0.5 [mu]m aufweisen und/oder ein arithmetischer Mittelwert des Verhältnisses von Länge zu Dicke einzelner Kristallite grösser als 10, vorzugsweise grösser als 20, ist.
In einer Ausführungsvariante kann die die Schicht aus Metallcarbonitrid mit Bor, Silicium, Zirkon, Hafnium oder Vanadium dotiert sein, um beispielsweise eine Wannhärte der Schicht zu steigern.

Unter dotiert sind in diesem Zusammenhang Einzelgehalte bis zu 0.01 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, zu verstehen.
Das weitere Ziel der Erfindung wird bei einem Werkzeug oder Werkzeugteil der eingangs genannten Art erreicht, wenn die Metallcarbonitridschicht eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom, insbesondere Titancarbonitridschicht, eine Zusammensetzung MeC[chi]Nymit x gleich 0.1 bis 0.3 und y gleich 0.9 bis 0.7 aufweist und zumindest überwiegend aus stäbchenförmigen Kristalliten gebildet ist, welche im arithmetischen Mittel eine Dicke von weniger als 65 Nanometer aufweisen.
Vorteile eines erfindungsgemässen Werkzeuges bzw.

Werkzeugteiles bestehen insbesondere darin, dass die vorgesehene Metallcarbonitridschicht einerseits verschleissfester als herkömmliche Metallcarbonitridschichten ist und andererseits bei Abscheiden einer weiteren Schicht auf der Metallcarbonitridschicht diese haftfest anbindet bzw. verankert, was sich ebenfalls als vorteilhaft für eine Gebrauchsdauer des Werkzeuges bzw. Werkzeugteiles erweist.
Wenngleich bei einem erfindungsgemässen Werkzeug verschiedene Schichten beispielsweise als Arbeitsschichten auf der Metallcarbonitridschicht aufgebracht sein können, wird eine besonders feste Haftung beobachtet, wenn eine Schicht aus einem Titanaluminiumnitrid aufgebracht ist.

Auch Schichten aus Aluminiumoxid, AI2O3, oder Diamant können mit besonders guter Haftfestigkeit auf einer erfindungsgemässen Metallcarbonitridschicht, insbesondere einer Titancarbonitridschicht, aufgebracht sein.
Weitere Vorteile und günstige Wirkungen eines Verfahrens bzw. Werkzeuges gemäss der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung noch weitergehend beschrieben ist.
Es zeigen:
Figur 1 : Eine schematische Darstellung des Temperaturveriaufes während des Beschichtens; Figur 2a: Ein Schliffbild des Querschnitts einer Schneidplatte mit einer mehrlagigen Beschichtung, wobei eine Schicht eine Titancarbonitridschicht ist; Figur 2b: Eine schematische Darstellung des strukturellen Aufbaus einer Schneidplatte nach Figur 2a; Figur 3:

Ein Schliffbild des Überganges einer Beschichtung entsprechend den Figuren 2a und 2b im Übergangsbereich von Schicht 4 zu Schicht 5 (Schliffprobe im Winkel von 15[deg.] angeschliffen);
Figur 4: Eine Darstellung einer experimentell ermittelten Verschleissmarkenbreite vbin Abhängigkeit einer Schnittanzahl für Wendeschneidplatten mit verschiedenen Beschichtungen.
In Figur 1 ist ein Vorgehen bei einem erfindungsgemässen Beschichten anhand eines Temperatur-Zeit-Diagramms schematisch und exemplarisch gezeigt: Bei einer Temperatur Ti des Grundkörpers bzw. der Reaktionskammer von etwa 960 [deg.]C (Zeitpunkt "0") wird Reaktionsgas, enthaltend Methan, Stickstoff, Wasserstoff im Verhältnis 1:10:20 und 4 Volumenprozent Titantetrachiorid zugesetzt, wodurch sich, wie angenommen wird, stäbchenförmige Titannitridkeime abscheiden.

Anschliessend wird die Temperatur bei ständigem Kontakt mit dem Reaktionsgas innerhalb von 150 Minuten stetig auf 1050 [deg.]C erhöht; die Temperaturerhöhung von 960 auf 1050 [deg.]C kann aber auch schrittweise erfolgen. Schliesslich wird das Beschichten bei 1050 [deg.]C und gleicher Zusammensetzung des Reaktionsgases für weitere 250 Minuten fortgeführt und danach beendet.
Die mikroskopische Aufnahme in Figur 2a und eine entsprechende schematische
Darstellung in Figur 2b zeigen ausschnittsweise den Aufbau einer erfindungsgemässen Schneidplatte mit einer mehrlagigen Beschichtung. Auf einem Grundkörper 1 aus einem Hartmetall ist eine Titannitridanbindungsschicht 2 (Dicke: 0.5 [mu]m) und auf dieser eine Mitteltemperatur-Titancarbonitridschicht 3 (Dicke: ca. 2 [mu]m) abgeschieden.

An letztere schliesst eine Titancarbonitridschicht 4 mit einer Schichtdicke von rund 5 [mu]m an, die im Wesentlichen aus stäbchenförmigen bzw. nadelartigen Kristalliten besteht und sich bei mikroskopischer Betrachtung von der grauen MitteltemperaturTitancarbonitridschicht farblich abhebt. Innerhalb dieser Schicht 4 liegen die einzelnen Kristallite im arithmetischen Mittel geneigt oder etwa senkrecht, nicht jedoch parallel, zur Oberfläche des Grundkörpers bzw. des Substrates vor.
Am Übergang zu einer nachträglich abgeschiedenen Arbeitsschicht 5 besteht ist freie Oberfläche einer erfindungsgemässen Titancarbonitridschicht porös und stark zerklüftet (Figur 3). Diese Oberflächenstruktur begünstigt ein haftfestes Abscheiden nachfolgender Schichten, da es zu einer innigen Durchdringung der Schichten im Grenzbereich kommt.

Dabei ist eine Abweichung einzelner Kristallite von einer exakten 90[deg.] Lage im Oberflächenbereich durchaus wünschenswert, da entsprechende Unregelmässigkeiten zu einer besseren Verflechtung der Schichten miteinander führen.
Figur 4 zeigt Daten zu Verschleisstests mit Wendeschneidplatten, welche mehrlagige CVD-Beschichtungen mit einem Aufbau gemäss Tabelle 1 hatten. Das Hartmetallsubstrat und die Schneidplattengeometrie waren für alle Wendeschneidplatten ident.
Tabelle 1 : Aufbau und Schichtdicke von mehrlagigen Beschichtungen für Schneidplatten A bis C
Schicht Schichtdicke [[mu]m]
A B C
TiN 0.5 0.5 0.5
MT-TiCN* 10.0 3.0 3.0
E-TiCN** 4.0 7.0
AI2O33.0 3.0 3.0
TiN 0.5 0.5 0.5
Summe 14.0 11.0 14.0
<EMI ID=10.1>

*... Mitteltemperatur-Titancarbonitrid
*<*>...

Erfindungsgemäss abgeschiedenes Titancarbonitrid
Die Wendeschneidplatten wurden unter folgenden Versuchsbedingungen bei einer drehenden Bearbeitung des Werkstoffes getestet:
Bearbeiteter Stahl: 34 CrNiMo 6, 261 HB
Schnittgeschwindigkeit vc: 280 m/min
Schnitttiefe ap: 1.50 mm
Vorschub f: 0.28 mm/U abgesetzter Schnitt mit Emulsion, jeder Schnitt 30 Sekunden
Wie aus Figur 4 ersichtlich, weisen unter gleichen Einsatzbedingungen
Wendeschneidplatten B und C gegenüber Wendeschneidplatte A bei gleicher Anbindungsschicht an das Hartmetall (0.5 [mu]m TiN) und gleicher äusserer Schicht (0.5 [mu]m TiN) eine wesentlich geringere Verschleissmarkenbreite auf. Nach 20 Schnitten beträgt eine Verschleissmarkenbreite für Wendeschneidplatte A 0.50 [mu]m, wohingegen für Wendeschneidplatte B 0.32 [mu]m und für Wendeschneidplatte C 0.14 [mu]m festgestellt wurden.

Im Vergleich der Schichtdicken der Wendeschneidplatten B und A lässt sich feststellen, dass eine erhöhte Verschleissfestigkeit trotz geringerer Schichtdicke erreicht wird. Dies bedeutet fertigungstechnische Vorteile, da bei einem Abscheiden mittels CVD-Verfahren ca. 1 Stunde pro [mu] Schichtdicke gerechnet werden muss. Nunmehr können also verschleissfestere Beschichtungen in kürzerer Zeit hergestellt werden.
Weitere Versuche zeigten, dass eine erfindungsgemässe Titancarbonitridschicht vorteilhaft auch als äusserste Arbeitsschicht zum Einsatz kommen kann.

Bei ansonsten gleichen Schichtaufbau und gleicher Schichtdicke sind Schneidplatten mit einer äussersten Schicht aus erfindungsgemässem Titancarbonitrid hinsichtlich der Standzeit Schneidplatten mit Mitteltemperatur-Titancarbonitrid als Arbeitsschicht um das 1.5fache oder mehr überlegen, auch wenn die Mikrohärte geringer ist. Dieser Effekt wird auf die besondere Struktur von erfindungsgemäss hergestellten Titancarbidschichten zurückgeführt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Beschichten eines Werkzeuges oder Werkzeugteiles, insbesondere eines Schneidelementes wie eine Schneidplatte, bei dem ein Grundkö[phi]er bereitgestellt und auf diesem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zumindest eine Schicht aus einem Metallcarbonitrid eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom gebildet und mittels eines Methan, Stickstoff und eine oder mehrere Metallverbindungen enthaltenden Gases abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Schicht aus Metallcarbonitrid bei einer Temperatur des Grundkö[phi]ers von 850 bis 950<[beta]>C begonnen wird, wonach die Temperatur des Grundkö[phi]ers um zumindest 40 [deg.]C erhöht und das Abscheiden zumindest zeitweise bei erhöhter Temperatur fortgeführt wird.

1. Verfahren zum Beschichten eines Werkzeuges oder Werkzeugteiles, insbesondere eines Schneidelementes wie eine Schneidplatte, bei dem ein Grundkörper bereitgestellt und auf diesem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zumindest eine Schicht aus einem Metallcarbonitrid eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom gebildet und mittels eines Methan, Stickstoff und eine oder mehrere Metallverbindungen enthaltenden Gases abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Schicht aus Metallcarbonitrid bei einer Temperatur des Grundkörpers von 850 bis 950 [deg.]C begonnen wird, wonach die Temperatur des Grundkörpers um zumindest 40 [deg.]C erhöht und das Abscheiden zumindest zeitweise bei erhöhter Temperatur fortgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Grundkörpers unter fortschreitendem Abscheiden erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Grundkö[phi]ers unter fortschreitendem Abscheiden erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Grundkö[phi]ers innerhalb von 350 Minuten, insbesondere 120 Minuten, nach Beginn des Abscheidens auf erhöhte Temperatur gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen erhöhter Temperatur das Abscheiden für zumindest 60 Minuten fortgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Temperatur 1010 bis 1040<[beta]>C beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Temperatur 1010 bis 1040 [deg.]C beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Methan, Stickstoff und Titantetrachiorid enthaltenden Gases eine

Titancarbonitridschicht gebildet und abgeschieden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Methan, Stickstoff und Wasserstoff im molaren Verhältnis 1: 8 bis 11 : 15 bis 25 enthält und das Gas 1 bis 8 Volumenprozent Titantetrachiorid enthält.

8. Auf einem Gegenstand aufgebrachte Metallcarbonitridschicht eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallcarbonitridschicht eine Zusammensetzung MeCxNymit x gleich 0.1 bis 0.3 und y gleich 0.9 bis 0.7 aufweist und zumindest überwiegend aus stäbchenförmigen

Kristalliten gebildet ist, welche im arithmetischen Mittel eine Dicke von weniger als 65 Nanometer aufweisen.

9. Metallcarbonitridschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass x gleich 0.15 bis 0.25 und y gleich 0.85 bis 0.75 beträgt.

10. Metallcarbonitridschicht nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stäbchenförmigen Kristallite im arithmetischen Mittel eine Dicke von weniger als 45 Nanometer, vorzugsweise weniger als 35 Nanometer, aufweisen.

11. Metallcarbonitridschicht einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stäbchenförmigen Kristallite im arithmetischen Mittel eine Länge von zumindest 0.3 [mu]m aufweisen.

12. Metallcarbonitridschicht nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein arithmetischer Mittelwert des Verhältnisses von Länge zu Dicke einzelner Kristallite grösser als 10, vorzugsweise grösser als 20, ist.

13. Metallcarbonitridschicht nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Titancarbonitrid mit Bor, Silicium, Zirkon, Hafnium oder Vanadium dotiert ist.

14. Werkzeug oder Werkzeugteil, insbesondere Schneidelement wie eine Schneidplatte, umfassend einen Grundkörper mit einer oder mehreren auf diesem aufgebrachte Schichten, wobei wenigstens eine Schicht eine Metallcarbonitridschicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallcarbonitridschicht gemäss einem der Ansprüche 8 bis 13 ausgebildet ist. -

15. Werkzeug oder Werkzeugteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Titancarbonitridschicht eine Schicht aus einem Titanaluminiumnitrid aufgebracht ist.

16. Werkzeug oder Werkzeugteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Titancarbonitridschicht eine Schicht aus einem Aluminiumoxid, AI2O3, oder Diamant aufgebracht ist.

Wien, am 17.November 2005 BOE4 i_ERIT GmbH & Co.KG. <EMI ID=14.1>

Patentansprüche

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Methan, Stickstoff und Wasserstoff im molaren Verhältnis 1: 8 bis 11 : 15 bis 25 enthält und das Gas 1 bis

8 Volumenprozent Titantetrachiorid enthält.

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