DD146830A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von verschleissfesten werkzeugen bzw.werkzeugeinsaetzen aus hartmetall oder stahl - Google Patents

Abstract

Ziel ist es,eine besonders hohe Verschleiszfestigkeit der beschichteten Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsaetze unter Verwendung herkoemmlicher Reaktionsretorten aus Quarz oder Keramik zu erreichen. Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von verschleiszfesten Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsaetzen, die mittels Diffusionsverfahren beschichtet werden und deren Deckschicht ein Borid eines der Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems ist, zu entwickeln. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz auf die Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsaetze eine Metallschicht eines der Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems aus einer eine entsprechende dampffoermige Verbindung enthaltenden Atmosphaere abgeschieden wird und nachfolgend das der abgeschiedenen Metallschicht entsprechende Borid als Deckschicht aufgebracht wird, wobei beide Beschichtungsvorgaenge entweder in einem Behandlungsprozesz oder getrennt durchgefuehrt werden. Die Vorrichtung besteht erfindungsgemaesz darin, dasz oben an der Reaktionsretorte eine Ringbrause und ueber der Fluessigkeitsvorlage ein Aufnahmebehaelter mit Abfluszvorrichtung vorhanden ist.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von verschleißfesten Werkzeugen bzw· Werkzeugeinsätzen aus Hartmetall oder Stahl

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Werkzeugen bzw· V7erkzeugeinsätzen aus Hartmetall oder Stahl, die mittels Diffusionsverfahren beschichtet werden und deren Deckschicht ein Borid eines der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung einer induktiv heizbaren Reaktionsretortö aus Quarz oder Keramik, die oben einen gasdichten Verschluß mit angebrachten Einleitvorrichtungen für Reaktionsgase besitzt und unten ebenfalls gasdicht mittels einer als Abschreckbad ausgebildeten Flüssigkeitsvorlage abgeschlossen ist, im Innenraua der Retorte eine Temperaturmeßeinrichtung eingebaut ist und mittig in Längsachsenrichtung der Retorte sowie in die Flüssigkeitsvorlage absenkbar eine

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Trage- und Absenkvorrichtung für die Werkzeuge bzw· Werkzeugeinsätze angeordnet ist·

Charakteristik der bekannten technischen. Lösungen

Es ist bekanntι daß Werkzeuge der spangebenden und-spanlosen. Verformung zur Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit mit Hartstoffschichten überzogen werden· Diese Schichten bestehen, wie z· B· in den OS 2? 30 355 -.0 23 F 17/00, OS 25 25 185 - 0 23 C 32/00 und 03 22 33 699 - 0 23 0 11/02 beschrieben, aus einer oder mehreren. Hartstoffverbindungen· Für die Deckschicht als verschleißmindernde Oberflächenschicht eignen sich insbesondere Boride der Elemente der IV. bis VI· Nebengruppe des Periodensystems wegen ihrer großen Härte· Wie in genannten Offenlegungsschriften beschrieben, werden diese Boride vorzugsweise mittels Diffusionsverfahren (nach der CVD-Technik) abgeschieden» Die zur Durchführung des Verfahrens benutzten Heißwandretorten, als ein Beispiel beschrieben in der OS 22 33 699 - 0 23 C 11/02, stellen an den Retortenwerkstoff ungewöhnlich hohe Anforderungen, da die Borhalogenide bei den Reaktionstemperatüren chemisch sehr aggressiv sind. Bei Retorten aus Stahl, Quarz oder Keramiken werden diese selektiv zerstört und die gelösten Bestandteile in die zu bildende Hartstoffschicht eingebaut· Weiterhin werden zum Beschichten eingebrachte Stahlsubstrate durch die chemisch aggressiven Borhalogenide ebenfalls angegriffen, und es entsteht als Folge ein beschichtetes Substrat mit aufgerauhter Oberfläche· Auf kobaltgebundenen Hartmetallen, die den überwiegenden Anteil industriell verwendeter Hartmetalle ausmachen, werden infolge Herauslösens von vorzugsweise Silizium aus dem Retortenwerkstoff durch das Borhalogenid der Gasphase glasartige, spröde Kob'alt-Silizium-Verbindungen abgeschieden* Dadurch kommt es neben einer Verarmung an Kobalt im Substrat zu einer Qualitätsminderung dor Hartstoff schicht "bzw· wird die Bildung der Hartstoff schicht

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unterbunden« Bei Stahlretorten enthalten die Hartstoffschichten hohe Anteile an Eisen und Legierungselementen des Stahlesο Derartig unerwünschte Nebenreaktionen lassen sich bei den induktiv erhitzten Heißwandretorten, in denen die Substrate eingebracht und mittels GVIMJechnik beschichtet werden, auch nicht durch kurze Beschichtungsdauern vermeiden·

Heben diesen, die Schichtq.uaIitat beeinflussenden Nebenreaktionen tritt in borhalogenidhaltigen Behandlungsatmosphäron eine bemerkenswerte Kobaltverarmung in den Randzonen des Hartmetalls auf, wodurch mechanisch-technologische Eigenschaften des kobaltgebundenen Hartmetalleubstrates verschlechtert werden»

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine besonders hohe Verschleißfestigkeit der borhaltigen Deckschicht bei beschichteten Werkzeugen bzw· ?7erkzeugeinsätzen aus Stahl oder Hartmetall unter Verwendung herkömmlicher Reaktionsretorten aus Quarz oder Keramik als nützlichen Effekt der Erfindung zu erreichen·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Werkzeugen bzw« Werkzeugoinsätzen aus Hartmetall oder Stahl, die mittels Diffusionsvorfahren beschichtet werden und deren Deckschicht ein Borid eines der Elemente der IV· bi3 VI. Nebengruppe des Periodensystems ist, zu entwickeln. Dabei darf es zu keinen unerwünschten chemischen Nebenreaktionon. zwischen Borhalogonid und dem Retortanwerkstoff sowie zwischen Borhalogenid und dem zu beschichtenden Substrat aus Stahl bzw· kobaltgebundenem Hartmetall kommen«

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line weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer geeigneten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei Verwendung einer induktiv heizbaren Reaktionsretorte aus Quarz oder Keramik, die oben einen gasdichten Verschluß mit angebrachten Einleitvorrichtungen für Reaktionsgase besitzt und unten ebenfalls gasdicht mittels einer als Abschreckbad ausgebildeten Plüssigkeitsvorlage abgeschlossen ist und mittig in Längsachsenrichtung der Retorte sowie in die Flüssigkeitsvorlage absenkbar eine Trage- und Absenkvorrichtung für die Werkzeuge bzw· Werkzeugeinsätza angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß auf die Werkzeuge . bzw· Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl eine Metallschicht eines der Elemente der IV· bis VI· Nebengruppe des Periodensystems aus einer eine entsprechende dampfförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird und nachfolgend das der abgeschiedenen Metallschicht entsprechende Borid als Deckschicht in bekannter Art und Weise aufgebracht wird, wobei beide Beschichtungsvorgänge in genannter Folge entweder in einem Behandlungsprozeß oder getrennt durchgeführt werden·

Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß am oberen Rand der Reaktionsretorte eine Ringbrause angeordnet ist und am unteren Ende der Reaktionsretorte über der 3?lüssigkeitsvorlage ein Aufnahmebehälter mit Abflußvorrichtung für die'Kühlflüssigkeit aus der Ringbrause vorhanden ist»

Ausführungsbaispiel ' .

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert·

Die dazugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Reaktionär e torte 1 aus Quarz oder Keramik· Durch den gasdichten Verschluß 2 sind die Leitung 3 für die Reaktionsgase und die TemperaturmeßeinrichtungΛ geführte Am unteren Ende ist die Reaktionsretorte 1 durch eine Flüssigkeitsvorlage 5 gasdicht abgeschlossen· Die Substrate 6 sind auf einer Trage- und Absenkvorrichtung 7 angeordnet· Die Trage- und Absenkvorrichtung 7 ist mittig und in Längsachsenrichtung der Reaktionsretorte 1 in die Flüssigkeitsvorlage 5 absenkbar· Die Reaktionsretorte 1 ist von einer gekühlten Induktionsspule 8 uragebeno Eine Hingbrause 9 ist so angeordnet, daß ein von der Ringbrause 9 erzeugter Wasserfilm die Außenwandung der Reaktionsretorte 1 intensiv kühlt· Am unteren Ende der Reaktionsretorte 1 befindet sich oberhalb der Flüssigkeitsvorlage 5 eia Ringkanal 10, der die Reaktionsretorte 1 zwecks Aufnahme der Kühlflüssigkeit aus der Ringbrause 9 umgibt· Dieser Ringkanal 10 ist mit einer Abflußleitung 11 versehen·

Die Vorrichtung dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei beispielsweise eine Titaniumdiborid (TU^) - Deckschicht auf Stahlwendeschneidplatten aufgebracht werden sollo

Die zu beschichtenden Substrate 6 befinden sich auf der Trage- und Absenkvorrichtung 7 zentrisch in der Reaktionsretorte 1· Nach intensiver Spülung der beiderseitig verschlossenen Reaktionsretorte 1 mit gereinigtem Wasserstoff, der über die Leitung 3 eingeleitet und durch, die Flüssigkeitsvorlage 5 abgeleitet wird, werden die Substrate 6 mittels gekühlter Spule 8 induktiv unter Verwendung einer Mittelfroquenz-Induktionserwärmungsanlage bei einer Leistung von 15 kW mit intensiver Kühlung der Reaktionsretortenwandung mittels der Ringbräuse 9 auf 1320 K erwärmt und dem Wasserstoff strom 3,0 gh Titanium (IV)-chloriddampf zugesetzt· Die Temperatur der Substrate 6 wird mittels Temperaturmeßeinrichtung 4 an der Probe

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direkt gemessen und mit Hilfe eines elektronischen Proportionsreglers auf Behandlungstemperatur durch Steuerung der Generatorleistung konstant gehaltene Nach 10 -15 Minutenf nach denen sich auf den Substraten 6 eine geschlossene, mindestens 4/Stim dicke Titaniumschicht gebildet hat, werden dem Reaktionsgas zusätzlich 3j0 gh""· Bor (III)-chlorid-Dampf zugesetzt· Bei einer Gesamtgasdurchsatzmenge von 80 lh wird während einer Behandlungsdauer von 30 Minuten eine geschlossene, dichte, porenfreie Titaniumdiborid (TiB₂)-Schicht mit einer Härte von 3500 HV 0,05 gebildet· Die Randzone der Substrate 6 zeigt keine Verarmung an Bindemittel, und die Hartstoffschicht weist keine Verunreinigungen an Retortenwerkstoff-Bestandteilen auf.

Werden Werkzeuge, Werkzeugeinsätze oder Bauteile aus Stahl beschichtet, erfolgt die gleiche.Behandlung zur Erzeugung einer Titaniumschicht und einer Titaniumdiborid-Deckschicht. Macht die Beanspruchung der Substrate 6 eine zusätzliche Härtung des Grundwerkstoffes erforderlich, so werden dieselben mit Hilfe der Trage- und Absenkvorrichtung 7 i& die entsprechend der Werkstoffqualität ausgewählte Flüssigkeitsvorlage 5 nach Abschluß der Hartstoffbeschichtung und Abstellen der Reaktionsgaszusätze (TiOl₂,, BOl-O abgesenkt« Dadurch können der Behandlungseinrichtung auch ohne Prozeßunterbrechung gehärtete .:, hartstoffbe schichte te Stahlsubstrate entnommen werden_o

Die dem Beschichtungsprozeß zugrunde liegenden chemischen Bruttoreaktionen sind:

Titaniumschichtbildung

TiOl₄ + 2H₂ . Ti + 4 HOl (i) ·

TiB₂- Hartstoffschichtbildung * . . . * ' . 2 BOl₃ + TiGl₄ + 5 H₂ ^TiB₂ , + 10 HOl^ (2)

Neben der hohen Verschleißfestigkeit der Deckschicht ist die Verwendung der kostengünstigen Retortonwerkstoffe, wie Quarz und Keramik, von besonderer Bedeutung für die Srfindunge

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Werkzeugen bzw· Werkzeugeinsätzen aus Hartmetall oder Stahl, die mittels Diffusionsverfahren beschichtet werden und deren Deckschicht ein Borid eines der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems ist,
   gekennzeichnet dadurch,

   daß auf die Werkzeuge bzw· Werkzeugeinsätze eine Metallschicht eines der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems aus einer eine entsprechende dampfförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird und nachfolgend das der abgeschiedenen Metallschicht entsprechende Borid als . Deckschicht aufgebracht wird, wobei beide Beschichtungsvorgänge entweder in einem Behandlungsprozeß oder getrennt in zwei Behandlungsprozessen durchgeführt v/erden.

   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, unter Verwendung einer mit einer gekühlten induktionsspule umgebenen Reaktionsretorte,bestehend aus Quarz oder Keramik, die oben einen gasdichten Verschluß mit angebrachten Sinleitvorrichtungen für Reaktionsgase und Teraporaturmeßeinrichtungen besitzt und unten ebenfalls gasdicht mittels einer als Abschreckbad ausgebildeten Flüssigkeitsvorlage abgeschlossen ist sowie im Innenraum der Retorte mittig in Iiängsachsenrichtung und in die Plüssigkeitsvorlage eine Trage- und Absenkvorrichtung für die Werkzeuge oder Werkzeugeinsatz«) absenkbar angebracht ist, gekennzeichnet dadurch,

   daß am oberen Hand der Reaktionsretorte (1) eine Ringbrause (9) angeordnet ist und am unteren Ende der Reaktionsretorte (1) über der Flüssigkeitsvorlage (5) ein Aufnahmebehälter, beispielsweise ein Ringkanal (10), mit Abflußleitung (11) für die Kühlflüssigkeitvon der Ringbrause (9) vorhanden ist·