DD144930A1

DD144930A1 - Verfahren zur herstellung von hartmetallformkoerpern mit hochverschleissfester oberflaechenschicht

Info

Publication number: DD144930A1
Application number: DD21447779A
Authority: DD
Inventors: Klaus Voigt; Wolfgang Weitz; Hartmut Westphal; Herbert Zickler
Original assignee: Klaus Voigt; Wolfgang Weitz; Hartmut Westphal; Herbert Zickler
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1980-11-12
Also published as: DD144930B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallformkoerpern mit hochverschleissfester Oberflaechenschicht und verfestigter Oberflaechenzone als Werkzeugeinsatz fuer die spanende und spanlose Formung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe und fuer die Anwendung als Verschleissteil. Aufgabe der Erfindung ist eine wesentliche Verringerung der Differenzen der Haerten zwischen Hartstoffauflage und Hartmetallgrundkoerper durch Verfestigung des Hartmetallgrundkoerpers im oberflaechennahen Bereich. Damit wird die Stuetzwirkung des Grundkoerpers fuer die Hartstoffauflage und damit der Verschleisswiderstand hartstoffbeschichteter Hartmetallformkoerper entscheidend verbessert. Die Loesung wurde erreicht, indem auf in an sich bekannter Weise beschichtete Grundkoerper Metallborid mit ueberstoechiometrischer Borkonzentration abgeschieden wird, wobei Bor in dem oberflaechennahen Bereich des Hartmetallgrundkoerpers diffundiert.

Description

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a) Titel der Erf ladung

Verfahren zur Herstellung von Hartmetall·!: ormkörpern r:it hochverschleißfester Oberflächenschicht und verfestigter Oberflächenzone in Grundkörper

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallformkörpern mit hochverschleißfester Oberflächenschicht und verfestigter Oberflächenzone als Werkzeugeinsatz· für die spanende und spanlose Formung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe und für die Anwendung als Verschleißteil,

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss ist bekannt, den Verschleißwiderstand von Eartmetcllformkörpern, wie Wendeschneidplatten oder anderen V/erkzeugeinsätsen und Verschleißteilen aus Hartmetall» durch Q"berflächenbehandlungsverfah.ren zu erhöhen«

.'Diese Verfahren beinhalten Oberflächenbeschichtungen aus reinen'IIartstoff en, wie Karbiden, Boriden, Nitriden ur-d Suiziden der IV. _f V. und VI, Mebengruppe des Periodischen Systems, alpha-AIpO- und ähnlichen, aus Hartstoffmiöchkri« atallen, wie Carbonitrideri oder Mischkarbiden oder au? mehrlagigen Schichten und Gchichtkombinationen solcher Hartstoffe und HartstoffmischLcristalle. mit schroffen· oder kontinuicrlichün Übergängen untereinander und zum H&.rtmetallgrundkörperc

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Die Erzeugung dieser,Schichten erfolgt vorzugsweise durch chemische 'Dampfphasenabscheidung im Temperaturbereich zwischen 1150 und 150O⁰K unter Anwendung von Normal- oder Niederdruck«

Zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Hartstoffauf lage und Substrat (Hartmetallgrundkörper) werden Diffusionsbehandlungen im Anschluß an die Schichtabscheidung vorgeschlagene Zur Erzeugung besonders schlagfester Schichten v/erden die Abscheidungsbedingungen so gewählt, daß die Hartstoffauflage mit Hart st off en des Substrates unter iviischlcristallbildung reagiert. .

Die Dicke der Eartstoffschichten liegt meist zwischen 5 und 30/Um, dünnere Schichten sind uneffektiv und stärkere neigen zum Abplatzen bei Beanspruchung«

Ein wesentliches Merkmal der bekannten hartstoffbeschichteten H ar tür

stalle besteht in einer großen Differenz der Härte

zwischen Hartstoffauflage und dem Hartmetallgrundkörper· Diese Differenz beträgt meist mehr als 1000 HV 50 und hat zur Folge, daß im Beanspruchungsfalle nach dem Abtrag der relativ dünnen Hartstoffauflage der Verschleiß, nachdem er aufgrund der Wirkung der Schicht zunächst nur geringfügig zunimmt, progressiv wächst,,

Dieser Effekt verstärkt sich noch bei hohen thermischen Belastungen, wie sie insbesondere für die spanende Form-, •gebung an der Werkzeugschneide typisch sind. Mit steigender Temperatur sinkt die Festigkeit des Substrathartinetalls, wodurch sich die Stützwirkung des Hartmetallgrundkörpers vermindert., Im gleichzeitig thermisch und mechanisch beanspruchten Bereich treten plastische Deformationen auf.

Da die in der Regel spröde Hartstoffauflage diesen Verformungen nicht folgen kann, reißt sie auf und platzt ab, d«, h. Abbau und Abtrag der Schicht werden beschleunigt.

Die Warmfestigkeit des Hartmetallgrundkörpers wird in hohem Maße durch dessen Bindemetallgehalt bestimmt. Zur Erhöhung der Y/arnifestigkeit ist eine Senkung des Binde-

metailgelialtes ungeeignet₅ weil von diesem die Bruchfestigkeit auch "beschichteter Hartmetallkörper abhängt«, Der Bindematallgebalt des. Hartmetalls kann entsprechend dem Anwendungsgebiet' zur Gewährleistung ausreichender Bruchfestigkeit nicht beliebig verringert werden. Da bei der Mehrzahl der bekannten Hartstoffbeschichtungen Zähigkeitsverluste eintreten, sind häufig bindemetallreichere Substrate notwendige

In'der DE-OS 2 435 989 wird ein Verfahren beschrieben, nach dem durch Diffusionsbehandlung ein beschichteter Hartmetallkörper mit Bindemetallanteil in der Hartstoffoberflächenschicht entsteht. Der Bindemetallanteil soll die Bindung der Hartstoffschicht zum Hartmetallgrundkörper und die Duktilität der Schicht verbessern» Das Vorhandensein d.es relativ weichen Bindemetalls in der Hartstoffschicht verringert naturgemäß die Verschleißfestigkeit»

'lieben den Hartstoffbeschichtungen v/erden zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit Diffusionsbehandlungen vorgeschlagen, wobei die Hartmetallkörper in feste Packmittel, die aus Hartstoff en oder harnstoffbildenden, meist festen Substanzen bestehen, gegeben und nach bestimmten Temperatur/Zeit-Regimes in strömender reaktiver oder inerter Gasatmosphäre behandelt worden» Diese Diffusionsbehandlungen führen, wie in den DE-PS 104 416 und DD WP 48 642 beschrieben, zu Verfestigungen in der Oberflächenzone der Hartmetallkörper. Im Unterschied au den hartstoffbeschichteten Hartmetallen weisen derart behandelte ungleich geringere Verschleißfestigkeit auf,

d) Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit bzw. des Verschleißwidörstancles hartstoffbeschichteter Hartmetaiiiormkörper ohne Beeinträchtigung der Bruchfestigkeit.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine wesentliche Verringerung der Differenz der Härten zwischen Hartstoffauflage und Hartmetallgrundkörper durch Verfestigung des Hartmetallgrundkörpers im oberf lächennahen Bereich, dessen Stützwirkung, für die Hartstoffauflage und damit den Verschleißwiderstand hart st off beschichteter Hartiaet al !formkörper, insbesondere bei hohen, gleichzeitig wirkenden thermischen und mechanischen Belastungen entscheidend zu verbessern«

Es wurde gefunden, daß die Lösung dieser Aufgabe erreicht werden kann, wenn in an sich bekannter Weise auf hartstoffbeschichtete Hartmetallgrundkörper eine Metallboridschicht abgeschieden v/ira, wobei in der Gasphase eine für die Boridabscheidung überstöchiometrische Borkonzentration angewandt wird. Dabei diffundiert während der Metaliboridabscheidung Bor in d^!en Hartmetallgrundkörper, indem es mit einem oder mehreren! Bestandteilen des Hartmetallgrundkörpers zu Boriden reagiert, wodurch vorzugsweise durch Beteiligung der Bindemetaliphase an der Boridbildung eine Verfestigung der Oberflächenzone des Hartmetallgrundkörpers von außen nach innen entsteht in der Art, daß die Härte in der borhaltigen Diffusionszone von außen nach innen abnimmt. Je nach Substrat oder nach herkömmlichen Verfahren aufgebrachte Schichten kann eine borhaltige oder borfreie Zwischenschicht entstehen. Die in beschriebener Weise erhaltene Bordiffusionszone kann durch., eine thermische Nachbehandlung bei gleichzeitiger. Abflachung des Bor-Konzentrationsgefälles verbreitert werden»

Die Erfindung soll an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden,

Beispiel I₁1. ..." ·

Wendeschneidplatten aus einem üblichen K 10-Hartmetall wurden in einem Reaktor bei einer Temperatur von 1350 E 20 Minuten, mit einem TiCl;,-C_rH,-~Argon~Wasserstoffgemisch ausgesetzt ο Anschließend wurde 2 Minuten der Benzolstrom durch

einen BOL··,--Strom ersetzte Anschließend wurde.der Reaktor j

mit Argon gospült und abgekühlt.

Die Hartmetallwendeschneldplatten weisen eine geschlossene Doppelschicht, bestehend aus einer 8/Um starken borfreien TiG-Schicht und einer 2,um starken TiB_o~Schicht, sowie eine ca. 2/UJii starke borierte Einfluß ζ one des Substrates auf.

Diese Wendeschneidplatten wurden mit einer in üblicher Weise titankarbidbeschichteter Wendeschneidplatte im Drehtest verglichen«

AG/Werkstück: Längsdrehen von Wellen (glatter Schnitt)

Werkstoff

Schnittgeschwindig keit

Vorschub Spantiefφ

GGL 22

ν = 150 mmin s = 0,5 mrnlT a = 2 mm

HB = 1800 H mm 1

Verschlcißkriterien: Freiflächenverschleiß B = 0,5 mm Ergebnisse als Standzeit in Minuten %

Konventionell.TiC-beschichtete HM-WSP = 30 min. ürfindungsgemäß beschichtete HLI-WSP = 56 min₀

Bgispiel 2^

Y/endeschneidplattsn aus einem üblichen K 2ü~-Hart:;ietall wurden wie Bsp, 1 beschichtet. Kach erfolgter Beschichtung wurde die 0?ö2rpsratur 60 min. bei 1350 K gehaltene Die nach dieser Behandlung vorliegende Wendeschneidplatte v/ies eine geschlossene Doppelschicht auf _o Sie besteht' aus einer ca« 8 ,-um starken borfreien TiC-Schicht und einer 1 /lim starken TiBp-Deckschicht. Unter der TiO-Schicht ist eine ca. 10/Um starke borierte Zone.

Diese Wendeplätzen wurden in einem Drehtest mit Wendeplatten mit konventioneller TiC-Beschichtung verglichen·

— 6 —

AG/Werkstück{ Plandrehen von 4 Stechbolzen' . ._:

(unterbrochener Schnitt)

Werkstoff i GGL 22 HB = 1800 lirnm"'²

Schnittge-

schwindig- ^

keit s v=" 150 nmiin

Vorschub : s = O₅^ miaU"" Spantiefe t a = 1 mm

Verschleißkriterium: Preiflächenverschleiß B= 0,4 mm Ergebnisse als Standzeit in Minuten:

Wender>lat

Wendeplat

:e konventionell beschichtet = 46 min. e erf indungsgeiüäß beschichtet = 117 min.

Die in derj Ausführungsbeispielen beschriebenen Hartstoffschichten wurden röntgenografisch, metallografisch am Schräg- und Querschliff und mit der Elektronenstralil-Iüikrosonde zur Klärung der Phasenverteilung, der Schichtdicke und des Schichtaufbaues analysierte

Claims

>irf indungs an spruch

1. Verfahren zur Herstellung Iron Hartmetallkörpern-mit hochverschleißfester Oberflächenschicht und verfestigter Oberflächenzone im Grundkörper, gekennzeichnet dadurch, daß in an sich bekannter Weise auf hartstoffbeschichtete Hartmetallkörper Metallboride aus der Gasphase mit einer zur Metallboridbi!dung überstöchiometrischen Borkonzentration abgeschieden werden.

Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Boridbildung überstöchioinetrische Borkonzentration in der Gasphase vorliegt und 0,05 ~ 5 Mol pro stöchiometrisch abzuschneidendes Mol Metaliborid vorzugsweise 0,1 - 0,5 Mol beträgt.'
!
3. Verfahren nach Punkt .1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur für die gleichzeitige Herstellung der Metallboridschicht und obcrflächennahen borhaltigen Zone 1150 bis 1500 K₃ vorzugsweise I300 bis I35O K beträgt.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die erhaltene oberflächennaha borhalt ige Zone durch thermische .liaclibehandlung in inerter oder reduzierender Atmosphäre verbreitert