DD219799A1 - Sinterhartmetallkoerper mit oberflaechenschichten aus titan-bor-nitrid-verbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Sinterhartmetallkoerper, insbesondere Schneideinsaetze fuer die Metallverarbeitung, die eine oder mehrere Oberflaechenschichten auf der Grundlage von Titan-Bor-Nitrid-Verbindungen aufweisen. Es ist das Ziel der Erfindung, die fuer die Oberflaechenbeschichtung von Sinterhartmetallkoerpern bekannten Schichten aus Titan-Bor-Nitrid-Verbindungen in ihren Eigenschaften zu verbessern, um insbesondere die damit beschichteten Schneideinsaetze fuer die Metallbearbeitung verschleissfester und temperaturwechselbestaendiger zu machen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung der bekannten Oberflaechenschichten aus Titan-Bor-Nitrid-Verbindungen zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Oberflaechenschicht aus Titan-Bor-Oxinitrid der allgemeinen Formel TiBxOyN2besteht, wobei x 0,30 bis 0,75, y 0,05 bis 0,25 und x y z 0,98 bis 1,3 betragen.

Description

Sinterbartmetallkörper mit Oberflächenschichten aus Titari-Bor-Nitrid-Verbindungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Sinterhartmetallkörper, insbesondere Schneideinsätze für die Metallbearbeitung, bestehend aus gesinterten Carbiden von Metallen der IT· bis "VT. Mebengruppe des PSS und Bindemetall der Eisengruppe, die eine oder mehrere Oberflächenschichten auf der Grundlage von Titan-Bor-litrid-Verbindungen aufweisen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Erhöhung des Verschleißwiderstandes von Hartmetallgrundkörpern durch Oberflächenschichten aus Hartstoffen ist in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben und in Erzeugnissen realisiert. Bekannt sind Oberflächenschichten aus reinen Hartstoffen, wie Carbiden, Boriden, Nitriden und Suiziden der IV., V· und VI« Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, aus diesen Hartstoffen gebildete Mischphasen, aus c^-AlgO,, Borcarbid, Siliciumcarbid, SiIi-' ciumnitridj Kohlenstoff mit diamantähnlichen Eigenschaften, kubischem Bornitrid in Form von Monoschichten, mehrlagigen Schichten, Multischichten und Schichtkombinationen»

Die häufigsten Beschichtungsverfahren sind die chemische , Dampfphasenabscheidung (CYD-Verfahren) und die physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD-Verfahren).' .

Besonders günstige' Eigenschaften¹ zeigen durch chemische Dampfphasenabscheidung hergestellte borhaltige Hartstoffe, wie sie z.B. in der DD-PS 144930 beschrieben sind. In der DB-OS 2263210 wird vorgeschlagen, in Titancarbonitrid- ' schichten Kohlenstoff und Stickstoff teilweise oder ganz durch Bor oder Silicium,zu ersetzen. Die DE-OS 2517288 empfiehlt hochverschleißfeste Schichten aus Vertretern der IV. - VI. Hebengruppe des Periodischen Systems der Elemente mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor und/oder Silicium. ·

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In der DE-OS 2323652 ist ein CVD-Verfahren beschrieben, nach dem Titanhaiogenid mit einer Bor- und/oder Stickstoff-· quelle zu einer harten Titanverbindung umgesetzt wird, die in Form einer Hartstoffschicht .verschleißmindernd wirkt.

Die europäische Patentanmeldung Ur. 6534 beinhaltet eine, nach dem CVD-Verfahren hergestellte Schichtkombination,, die im, Übergang einer TiH-Schicht zu einer außenliegenden -Schicht eine Ti(BH)-Schicht enthält·

.! ': : ' " "' " Alle vorgenannten Vorschläge enthalten die Möglichkeit der Herstellung von Hartstoffverbindungen vorzugsweise nach den CVD-Verfahren aus Titan, Bor und Stickstoff in iOrm von Hart stoff schichten mit verschleißmindernder 7/irkung.

Entsprechend der für diese Kombination zutreffenden chemischen Bildungsbedingungen entstehen daraus die Hartstoffe Titannitrid und Titandibprid. Die Bildung einer Ti(BN)-Phase ist nach. Untersuchungen von Samsomov und Petrash (Metalloved. Öbr. Metallov (1955) Hr^ 6 S. 19 - '24) insofern möglich,.als sich bis zu 8 VoI.-^ TiB₂ in TiH lösen, während eine umgekehrte Löslichkeit nicht gegeben ist«

, Die vorgeschlagenen Hartstoffschickten des Systems Titan- ^Λ Bor-Sticiestoff sind folglich, wenn sie oberhalb der Löslichkeit sgrenze des TiB₂ im .TiH liegen, Gemische aus TiIT-. und TiBp·· Hach Angaben der o. g. Autoren ergeben sich die für den.Yerschleißwiderstand-relevanten Eigenschaften einer zum Beispiel durch Koabscheidung erhaltenen Schicht additiv aus den Phasenanteilen· Solche Schichten des Systems Titan-Bor-Stickstoff liegen in ihren Eigenschaften demnach zwischen TiH und TiB₂. '-',..'.

O -⁰^ französische Patentschrift Hr* 23. 70 551 beschreibt ver-. \ " schleißfeste Titanbornitridschichten der" Zusammensetzung -TiBgBy, wobei χ = 0,05-0,SO und 1 six + γ ζ. 1,25 sein sollen. Solche Schichten werden durch chemische Dampfphasenabscheidung in Uiederdruckbereichen von 60 bis 100 Torr und bei Temperaturen von 1050 - 1500 ⁰C erhalten· Abhängig von dem Mo!verhältnis Borhalogenid/Wasserstoff, dem Stickstoffpartialdruck,; der Abscheidetemperatur und dem Druck in dem vorgenannten Bereich entstehen ein- und zweiphasige Söhichten mit unterschiedlichen Eigenschaften· Bei Anwendung von atmosphärischem Druck (Hormaldruck) werden keine Schichten, sonderia pulverförmiger Mederschlag erzeugt. Die abgeschie-

..^ denen Phasen sind mit leicht veränderten Gitterkonstanten .

·- dem kubisch-flächenzentrierten Titannitrid und dem hexagonalen Titandiborid isomorph, woraus geschlossen werden kann, daß mehr Bor im Titannitrid gelöst ist, als Samsomov und . Petrash angeben und Stickstoff in der Titandiboridphase gelöst ist· ' ' .' .-,'.-

Die zur Erzeugung der Titanbornitridschichten notwendigen Temperaturen und Abscheidezeiten führen aufgrand der hohen Beweglichkeit der Boratome dazu, daß die Hartmetallunterlage boriert wird, wodurch Veränderungen in deren Gefügeaufbau λ eintreten, die den Gebrauchswert derart beschichteter Hartmetallkörper beeinträchtigen können· lach Untersuchungen von Riehle ("Untersuchungen über das Borieren von Hartmetallen" Abschlußbericht 1974, Technische Universität Dresden, Sektion Werkstoffwissenschaften) reagieren unter solchen Bedingungen die Bestandteile des Hartmetalls zu Boriden· Die Boridbil-

dung erfolgt zunächst mit der Bihdemetallphase ζ« Β. zu Cobaltborid und vorzugsweise bei Temperaturen ,> 1050-⁰G - auch unter Beteiligung der carbidischen Hartstoffphasen unter Ausscheidung-.von- Kohlenstoff-zu -sogenannten:^ den· Eine derartige Borierung des Hartmetallgrundkörpers führt zu einer erheblichen Verminderung der Bruchfestigkeit des beschichteten Hartmetallkörpers, die u.s« Fehlleistungen bei dessen Einsatz für Zerspanung im unterbrochenen Schnitt (Fräsen) zur Folge, hat. ' . . "' '.,

Es ist weiterhin bekannt, die Oxidationsbeständigkeit von beschichteten Hartmetallen durch säuerstoffhaltige Deckschichten zu verbessern. So werden in der US-Patentschrift Hr, 4018631 eine Titanoxinitridschicht und in der DE-AS 1954602 sauerstoff- und stickstoffhaltige Carbidschichten der Elemente der IV., V. und VI. Hebengruppe des Periodischen Systems der Elemente für diesen Zweck empfohlen. Eine noch bessere ?/irkung erzielen hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit reine Aluminiumoxid- und Zirkonoxiddeckschichten, wie sie in der DE-AS 2253745 und der Europäischen Patentanmeldung Hr. 0 031805 mit unterschiedlichen Zwischenschichten vorgeschlagen werden.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die für die Oberflächenbe- . Schichtung von Sinterhartmetallkörpern bekannten Schichten aus Titan-Bor-Hitrid-Verbindungen in ihren Eigenschaften, wie Härte, Abriebfestigkeit, Haftfestigkeit, Bruchfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, um insbesondere dj.e damit beschichteten. Schneideinsätze für die Metallbearbeitung verschleißfester und temperaturwechselbeständiger zu machen, damit 'diese auch bei stark wechselnden Beanspruchungen, wie beispielsweise zum Fräsen, eingesetzt werden können. . <

Darlegung des. Wesens Erfindung >

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung der bekannten Oberflächenschichten aus Titan-Bor-' Nitrid-Verbindungen zu verbessern«

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberflächenschicht aus Titan-Bor-Oxinitrid der allgemeinen Formel

besteht, wobei χ = 0,30 bis 0,75, y - 0,05 bis 0,25 und χ + y + z =0,98 bis 1,3 betragen· -

Aus Gründen der Festigkeitseigenschaften und eines okonomisch vertretbaren Beschichtungsaufwandes hat es sich als zweckmäßig'.erwiesen, daß die Schichtdicke der'Titan-Bor-

. ^

Oxinitridschicht 2 bis 12, um beträgt.

Innerhalb der Titan-Bor-Oxinitridschicht kann auch deren Zusammensetzung innerhalb der gegebenen Grenzen kontinuierlich geändert werden. /

Eine weitere Abwandlung der Eigenschaften der Oberflächenschicht ist auch dadurch möglich, daß die Titan-Bor-Oxinitridschicht mit Schichten aus Carbiden, Nitriden, Siliciden der 17. bis YI. Hebengruppe des PSE, deren Mischphasen, mit Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Siliciumnitrid, ;' Kohlenstoff mit diamantähnlichen Eigenschaften und/oder Bornitrid kombiniert ist.

Titanboroxinitridschichten der Zusammensetzung IiBOJi_

χ γ ζ;

haben im Vergleich zu den aus dem System Titan-Bor-Stickstoff bekannten Hartstoffen höhere Härten, höhere Abriebfestigkeit,-höhere Oxidationsbeständigkeit, höhere Bruchfestigkeit, Entsprechend beschichtete Hartmetallgrundkörper sind verschleißfester, insbesondere bei der spanenden Formung kurzspanender Sisenwerkstoffe, hoch- und niedriglegierter Stähle, von Superlegierungen und von HE-Werkstoffen* Titan-Bor-

Oxinitrid-Schichten weisen im Vergleich zu den aus dem System Titan-Bor-Sauerstoff-Stickstoff bekannten anderen Hartstoffen eine veränderte Struktur auf. Diese, vorzugsweise durcli chemische Dampfphasenabscheidung aus Borhalo- - \ genid, -Titanhalogenid, Stickstoff und Wasserstoff, wobei ' Stickstoff und/oder Wasserstoff mit Taupunkten um -35 bis -45 ⁰C den notwendigen Sauerstoffanteil in Form von HpO-Dampf oder äquivalent in Form von Cu-Gas enthalten, herzustellende Hartstoffschicht weist z.B. Mikrohärten auf, die erheblich über den der bisher aus dem System Titan-Bor-Sauerstoff-Stickstoff bekannten liegen. Anhand besonders dicker, für die Härtemessung längs und quer der' Schichtwachstumsrichtung extra hergestellter Modellschichten.wurden bei verschiedenen Zusammensetzungen der Titan-Bor-Oxinitrid-Schicht Mikrohärten mh._Qq 4500 - 5400 gefunden» Zum Beispiel wurden an Titan-Bor-Oxinitrid-Schichten

IiB0,	70	0O,	10	V	22	mh..	00p	4700	und ,
IiBo,	40	0O1,	22	51	mtu	00p	5300	gemessen

Die vergleichsweise niedrigen Abscheidetemperaturen von 850 - 1030 ⁰C für die Erzeugung der erfindungsgemäßen Titan-Bor-Oxinitrid-Schicht und deren hohe Bildungsgeschwindigkeit verhindern weitgehend die Diffusion von Bor in die Hartmetallunterlage und bilden die Voraussetzung für die Ausbildung einer superfeinkörnigen Struktur. Heben der chemischen Zusammensetzung resultieren die besonderen verschleißmindernden Eigenschaften, aus dieser vorzugsweise röntgenamorphen Schichtstruktur.

Im Gegensatz zu Titan-Bor-Uitrid, wie es in der französischen Patentschrift 23 70 551 vorgeschlagen wird, läßt sich Titan-Bor-Oxinitrid bei Drücken auch oberhalb 100 Torr, vorzugsweise bei atmosphärischem Druck, problemlos als festhaftende Schicht auf Hartmetallunterlagen:direkt oder auf. bereits in an sich bekannter Weise·mit anderen Hartstoffschichten, versehenen Hartmetallunterlagen abscheiden.

Je nach Verwendungszweck können durch Konzentrationsgradienten des Bors, des Sauerstoffs und.des Stickstoffs innerhalb der Schicht in den vorgenannten Grenzen die Eigenschaften der Titaja-Bor-Oxinitridschichten' variiert. werden. So werden die höchsten Härten bei etwa gleichgewichtigen Anteilen von Bor und Stickstoff und die höchste Oxidationsbeständigkeit bei Sauerstoffanteilen von y = 0,1. - 0,2 erzielt. Die Kombination der Titan-Bor-Oxinitridschicht mit anderen Hartstoffschichten kann in den Grenzbereichen höhere Konzentrationen an Stickstoff erfordern, wenn mit Carbid- oder Mtridschichten kombiniert wird oder höhere Sauerstoffgehalte erfordern, wenn mit Oxidschichten kombiniert wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden: · ;

Ein K 10/K 20-Hartmetall wird mit einer Doppelschicht versehen, die aus einer 1. Lage TiC, 3/um dick, und einer 2. lage TiB_{0 4Q}0_{0 12}I_Q ^, 4/um dick, besteht. Der Gebrauchswert der Schicht wird,in einem Frästest ermittelt, der z. B. besonders hohe Anforderungen an die Temperaturwechselfestigkeit, Bruchfestigkeit, Haftfestigkeit und Abriebfestigkeit stellt. ' . . s' .

Testbedingungen Einzahnfräsen:

1. Test: Werkstoff 6&L ZO -

ν = 224 m/min ^v

' a = 2 mm

s = 0,4 mm >

Präswerkzeug PPXH 315-22

Wendeplatte TlGU 2204 ZD ; ' Kriterium Preiflächenverschleiß/B ^" 0,8 mm

K20-Hartme- KIO/KZO-Hart- K10/K20-Hartmetall. ' tall unbe-^ .metall Ti(CH; schichtet TiH-beschlch-

/at 10/artmetall

tall unbe-^ .metall Ti(CH)/ TiC/TiB_n ^_nO_{n i0}H_{n K};- ;hichtet . TiH-beschlch- ν .,.,.,F?TV ^υ» '^ ^υ>t?Ί

	1,	5'	tet.	75	o,	6 . ,·'
Stand weg in . m	O,	86 .	2,			70 -
B in mm		O,

2. Test: Werkstoff, Werkzeug, ?/endeplattewie Test 1

; ' v= 140 m/min as 2 m s_z = 0,5 mm Kriterium Freiflächenverschleiß = 1,0 mm

	Z20-Hartme tallvunbe schichtet	K10/K20-Hart- metall Ti(Gl)/ TiC-beschich- tet	Ki,0/K20-Hartmetall TiC/TiBo>4OOo;i2lO}51- beschichtet r
Stand- w^g in m	2,0	3,0	'". 5,0 , . *...
B, in mm O,;93.	10,86	0,98 -

Claims (4)

1. Erfindungsansprüche ' > ,

   Sinterhartmetallkörper, insbesondere Schneideinsätze für die Metallbearbeitung, bestehend aus gesinterten Carbiden von Metallen der IV· bis YI. Nebengruppe des PSE und Bindemetall der Bisengruppe, die eine oder mehrere Oberflächenschichten auf der Grundlage von Titan-Bor-Mtrid-Yerbindungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die
   Oberflächenschicht aus Titan-Bor-Oxinitrid der allgemeinen Formel ^:

   besteht, wöbe χ = 0,30 bis 0,75, y = 0,05 bis 0,25 und
   χ + j + ζ =0,98.bis 1,3 betragen. ,
2. 2. Sinterhartmetallkörper nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Titan-Bor-Oxinitridschicht 2 bis 12/um beträgt.
3. 3* Sinterhartmetallkörper nach den Punkten 1 und 2,. da-,
   durch gekennzeichnet, daß sich die Zusammensetzung der
   Titan-Bor-Oxinitridschicht innerhalb der gegebenen
   Grenzen kontinuierlich ändert.
4. 4. Sinterhartmetallkörper nach den Punkten 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Titan-Bor-Oxinitridschicht mit
   Schichten aus Carbiden, ITitriden, Siliciden der IY. bis . YI. -lebengruppe des PSE, deren .Mischphasen, ,,mit Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff mit diamant ähnlichen Eigenschaften und/oder Bornitrid
   kombiniert ist. ' .