DD220976A1

DD220976A1 - Verfahren zur herstellung haftfester titannitridschichten

Info

Publication number: DD220976A1
Application number: DD25581283A
Authority: DD
Inventors: Andreas Kolitsch; Edgar Richter; Gerhard Dienel; Klaus Hennig
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1983-10-20
Filing date: 1983-10-20
Publication date: 1985-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleissbestaendigkeit von Werkzeugen aus hochlegierten Staehlen durch eine haftfeste TiN-Beschichtung. Durch das Verfahren wird die Standzeit dieser Werkzeuge wesentlich erhoeht. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass auf die durch Ionenaetzen gereinigte Werkstueckoberflaeche in einer Vakuumkammer eine 400-800 nm dicke Schicht von metallischem Titan aufgebracht wird, in die Xenonionen einer Energie von 200-400 keV und Stickstoffionen einer Energie von 30-60 keV gleichzeitig implantiert werden. Die Strahlstromstaerke der Xenonionen betraegt dabei nur etwa 1 % der Stromstaerke des Stickstoffionenstromes. Die Gesamtdosis der implantierten Stickstoffionen betraegt 1017-1018 Ionen/cm2. Durch die Edelgasionen erhaelt man eine intensive Durchmischung des aufgetragenen Titans mit dem Grundwerkstoff, wodurch eine hohe Haftfestigkeit erreicht wird, waehrend durch die Implantation des Stickstoffs in der Schicht TiN gebildet wird, was bekanntlich die hohe Verschleissfestigkeit besitzt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeatändigkeit von Werkzeugen aus hochlegierten Stählen durch eine haftfeste Til?~Beschichtung_B Durch das Verfahren wird die Standzeit dieser Werkzeuge wesentlich erhöht«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit sind in einer Vielzahl von Patentschriften niedergelegt. In letzter Zeit werden neben den traditionellen Verfahren wie Härten, Borieren, nitrieren oder Carburieren zunehmend Beschichtungsverfahren (Chemical vapor deposition, physical vapor deposition, reaktives Sputtern, Plasmaspritzen u.a.) eingesetzt, wobei eine Veredlung im unmittelbaren Oberflächenbereich der Werkzeuge erfolgt, die zur Bildung verschleißarmer Randschichten führt. Besonders gute Ergebnisse bringt dabei die Beschichtung mit Titannitrid. Allerdings iet die Verbundstabilität zwischen der TiN-Randschicht und dem Grundwerkstoff bei einer Reihe von hochlegierten Stählen so gering, daß TiIT als Verschleißschutz für diese Werkstoffe nur wenig geeignet ist. Die Schichten reißen oft vom Grundmaterial ab und wirken dann verschleißfördernd. Seit kurzem sind auch loneniraplantationsverfahren bekannt geworden, bei denen Ionen mit Energien bis zu 400 keV zur Verbesserung des Verschleißverhaltens in die Werkstoffoberfläche im Vakuum eingeschossen werden (DE-OS 2 703 392, 2 941 674, US-PS 3 832 219). Auch werden hartstoffbildende Metallionen so lange implantiert, bis sich eine dünne Oberflächenschicht daraus ausbildet, die mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff umgesetzt, eine Hartstoffphase bildet (DE-OS 23 402 823), oder man erzeugt in der Oberfläche verschleißhemmende Strukturen vom Perowskittyp (DE-OS 3 045 434}

beziehungsweise unterstützt die Eindiffusion der verschleißmindernden Komponenten (zum Beispiel Sn in Titan oder Titanlegierungen DE-OS 3 O46 695) durch den Ionenbeschuß· Alle' diese Verfahren sind entweder extrem teuer und daher unökonomisch (zum Beispiel DE-OS 3 045 434, 2 340 282) oder sie ergeben gegenüber einer TiU-Beschichtung wesentlich geringere Verschleißbeständigkeiten·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Verschleißbeständigkeit von Werkzeugen aus hqchlegierten Stählen mit vertretbarem Aufwand zu erhöhen» '

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Werkstücken aus hochlegiertem Stahl zu schaffen, wobei auf diese Werkstücke eine verschleißmindernde Randschicht, die TiK enthält, aufgebracht werden soll, die eine wesentlich höhere-Verbund-Stabilität besitzt, als durch PVD- oder CTVD-Prozesse aufgebrachte TiN-Randschichten. Diese Aufgäbe wird dadurch gelöst, daß auf die durch Ionen&tzen gereinigte Werkstückoberfläche in einer Vakuumkammer eine 400-800 nm dicke Schicht von metallischem Titan aufgebracht wird, in die Xenonionen einer Energie von 200 - 400 keV und Stickstoffionen einer Energie von 30 - 60 keV gleichzeitig implantiert werden. Die Strahlstromstärke der Xenonionen beträgt dabei nur etwa 1 % der Stromstärke des Stickstoffionenstromes. Die Gesamtdosis der implantierten Stickstoffionen beträgt 10 ' - 10 Ionen/cm ·

Durch die Edelgasionen erhält man eine intensive Durchmischung des aufgetragenen Titans mit dem Grundwerkstoff, wodurch eine hohe Haftfestigkeit erreicht wird, während durch die

Implantation des Stickstoffs in der Schicht TiK gebildet wird, was bekanntlich die hohe Verschleißfestigkeil; besitzt. Durch das gleichzeitige Implantieren beider Ionenarten erreicht man eine wesentlich größere Eindringtiefe des Stickstoffs und damit eine Verbreiterung der TiN-ScKicht gegenüber der aufeinanderfolgenden Implantation·

Ausführungsbeispiel

* Die Erfindung wird durch nachfolgendes AusfÜhrungsbeispiel noch näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Eine Scheibe aus vergütetem Stahl 210 Cr 46 mit 20 mm 0 und 4 mm Dicke wurde einseitig poliert. Durch Ätzen mit Argonionen wurde die polierte Oberfläche nochmals gereinigt. Auf die so gesäuberte Scheibe wurde in der gleichen Anordnung ohne Unterbrechung des Vakuums 550 nm Titan aufgedampft. Anschließend wurden mittels einer Ionenquelle gleichzeitig 8·10 ' H⁺/cm² der Energie 60 keV und 5.10 ^ Xe⁺/cm² einer Energie von 330 keV in die mit Titan

C bedampfte Scheibe implantiert. Der Strahlstrom des Stickstof fionenstrahles wurde zur Vermeidung einer Targeterwärmung auf 20 /UA/cm begrenzt.

Eine gleichartig vorbehandelte Scheibe wurde nach dem Ionenätzen nach dem PVD-Verfahren mit 550 nm TiU beschichtet. Beide Scheiben wurden auf einer Verschleißprüfmaschine vom System "Stift/Scheibe" hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens getestet. Als Stift diente eine feststehende gehärtete Stahlkugel mit 3 mm 0. Gemessen wurde mittels Wegaufnehmer der Volumenverschleiß für gleiche Belastung der Kugel in Abhängigkeit von ihrem Reibweg auf beiden Scheiben. Pur die implantierte Scheibe wurde der 3-fache Reibweg zum Abtrag der 550 nm dicken Verschleißschutzschicht benötigt. Implantiert man in eine mit 550 nm Titan

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bedampfte Scheibe nur die 8«, 10 Ν /cm , findet man keinen Unterschied im Verschleißverhalten gegenüber der mit 550 nm TiH beschichteten Scheibe₉

Claims

Erfindungaanspruch

Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Werkstücken aua hochlegierten Stählen dadurch gekennzeichnet, daß auf das gut gereinigte Werkstück im Vakuum (<0,01 Pa) eine 400-800 nm dicke Schicht aus metallischem Titan aufgebracht wird und anschließend in das beschichtete Werkstück 10¹⁷ - 10¹⁸ Stickstoffionen/cm der Energie 40 - 60 keV und gleichzeitig Xenonionen der Energie 200 - 600 keV implantiert werden,

wobei das Verhältnis der Stromstärken von Stickstofίο, . ρ und Xenonionenstrom 5.10" - 5.10 : 1 betragen soll.