DD222349A1 - METHOD FOR PRODUCING A LAYER COMPOSITE ON A CARBIDE SUBSTRATE, IN PARTICULAR CUTTING INSERTS - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING A LAYER COMPOSITE ON A CARBIDE SUBSTRATE, IN PARTICULAR CUTTING INSERTS Download PDF

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DD222349A1 DD25842583A DD25842583A DD222349A1 DD 222349 A1 DD222349 A1 DD 222349A1 DD 25842583 A DD25842583 A DD 25842583A DD 25842583 A DD25842583 A DD 25842583A DD 222349 A1 DD222349 A1 DD 222349A1
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Gunter Loebig
Armin Sprunk
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Werkzeugmaschinenbau Fz
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Abstract

Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchseigenschaften siliziumnitridbeschichteter Hartmetallsubstrate zu erhoehen und ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung dieser Hartstoffschicht zu finden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Haftfestigkeit der Siliziumnitridschicht zu erhoehen. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass zuerst in bekannter Weise auf das Hartmetallsubstrat eine Zwischenschicht aus Verbindungen des Systems Titan-Stickstoff-Kohlenstoff abgeschieden wird und nachfolgend eine Schicht, bestehend aus metallischem Silizium, in einer Dicke von 1 102 nm bis 2 103 nm abgeschieden wird, diese Siliziumschicht durch Diffusionsgluehen vollstaendig in die Zwischenschicht eintritt und die Deckschicht aus Siliziumnitrid mit 1 103 nm bis 1 104 Dicke abgeschieden wird.The aim of the invention is to increase the performance characteristics of silicon nitride coated cemented carbide substrates and to find an economical process for producing this layer of hard material. The object of the invention is to increase the adhesive strength of the silicon nitride layer. According to the invention, this is achieved by first depositing in known manner on the cemented carbide substrate an intermediate layer of compounds of the titanium-nitrogen-carbon system and subsequently depositing a layer consisting of metallic silicon in a thickness of 1 102 nm to 2 103 nm , This silicon layer completely enters the intermediate layer by diffusion annealing and the cover layer of silicon nitride with 1 103 nm to 1 104 thickness is deposited.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes auf Hartmetallsubstrat, insbesondere SchneideinsätzeProcess for producing a layer composite on a cemented carbide substrate, in particular cutting inserts

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes auf Hartmetallsubstrat, insbesondere Schneideinsätze, mittels chemischer Dampfphasenabscheidung, wobei die Deckschicht aus Silizium ni tr id besteht« 'The invention relates to a method for producing a layer composite on a cemented carbide substrate, in particular cutting inserts, by means of chemical vapor deposition, wherein the cover layer consists of silicon nitride.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Leistungsfähigkeit und Lebensdauer hochbeanspruchter Bauteile und Werkzeuge dur'oh das Auftragen von Hartstoffschichten mitteis chemischer Dampfphasenabscheidung (GYD) wesentlich gesteigert werden könneno- Einen breiten Eaum nehmen dabei die Beschichtungen von Hartmetallschneideinsätzen für die spanende Formgebung eine In der Praxis haben sich die in der DE-OS 21 42 601 beschriebenen Hartstoffverbindungen des Systems 'Titan-Kohlenstoff-Stickstoff durchgesetzt» Gründe dafür sind die günstigen EigenschaftenIt is known that performance and service life of highly stressed components and tools dur'oh the application of hard coatings Mitteis chemical vapor deposition (GYD) can be significantly increased o - a wide Eaum assume the coatings of carbide cutting inserts for metal forming an e In practice, The hard compounds described in DE-OS 21 42 601 of the system 'titanium-carbon-nitrogen enforced »reasons for this are the favorable properties

des Substrat-Schichtverbundes, wobei Legierungsbildungen zwischen. den schichtbildenden Hartstoffνerbindungen und Bestandteilen das Hartmetallsubstrates eine wesentliche Holle spielen« . -of the substrate layer composite, wherein alloy formations between. the layer-forming hard-material bonds and constituents of the carbide substrate play an important role. " -

Als Hartstoff ist auch Siliziumnitrid bekannt* Das Siliziumnitrid ist von seinen mechanischen» thermischen und chemischen Eigenschaften den Titan-Kohlenstoff-Stickstoffverbindungen als Schneidstoff überlegen« In der GBPS 1.408 294 ist,eine Siliziumnitridschicht beschrieben« Bei der Beschichtung von Hartmetallschneideinsätzen mit Siliziumnitrid führen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Hartmetallsubstrat und Siliziumnitridschicht bei thermischer Belastung zur Rißbildung und zum Ablösen der Schicht« Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, die Eigenschaften von Schicht und Substrat durch das Aufbringen bestimmter Zwischenschichten auszugleichen»Silicon nitride is also known as hard material * Silicon nitride is superior to titanium-carbon-nitrogen compounds as a cutting material due to its mechanical »thermal properties. GBPS 1.408.294 describes a silicon nitride layer« When coating tungsten carbide cutting inserts with silicon nitride, the different coefficients of expansion result of Carbide Substrate and Silicon Nitride Layer Under Thermal Stress to Crack and Peel the Layer "Numerous attempts have been made to balance the properties of the layer and substrate by the application of certain interlayers"

Wie aus der DS-OS 20 18 662 ersichtlicfh, erfordert dies zusätzlich komplizierte technologische Schritte sowie . weitere schichtbildende Elemente· Weiterhin sind in der AT-PS 33 6905 Zwischenschichten aus seltenen Metallen vorgeschlagenf die infolge ihrer Verformbarkeit einen Ausgleich mechanischer Spannungen zwischen Schicht und Substrat ermöglichen» Die seltenen Metalle lassen sich jedoch meist nicht durch chemische Dampfphasenabscheidung auf das Substrat auftragen, sind teuer und erhöhen den technologischen Aufwand erheblich*As apparent from DS-OS 20 18 662 ersichtlicfh, this requires additional complicated technological steps as well. Further layer-forming elements · Furthermore, in the AT-PS 33 6905 intermediate layers of rare metals are proposed f allow the compensation of mechanical stresses between the layer and substrate due to their deformability »The rare metals, however, are usually not by chemical vapor deposition on the substrate, are expensive and significantly increase the technological effort *

Ziel der Erfindung . . . Object of the invention. , ,

Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchseigenschaften eines Schichtverbundes auf Hartmetallsubstrate, insbesondere Schneideinsätze, zu erhöhen, wobei die Deckschicht aus Siliziumnitrid besteht, und ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung des Schichtverbundes zu finden.The aim of the invention is to increase the performance of a composite layer on cemented carbide substrates, in particular cutting inserts, wherein the cover layer consists of silicon nitride, and to find an economical method for producing the composite layer.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes mit einer Deck-·. Schicht aus Siliziumnitrid auf Hartnietallsubstrate, insbesondere Schneideinsätze, mittels chemischer Dampfphasenabscheidung zu finden, um die Haftfestigkeit der Siliziumnitriddeckschicht zu erhöhen», Erf indungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zuerst in bekannter Weise auf das Hartmetallsubstrat eine Zwischenschicht aus einer Verbindung des Systems. Titan-Kohlenstoff-S ticks tof f abgeschieden wird und nachfolgend eine Schicht, bestehend aus me—The invention is based on the object, a method for producing a laminated composite with a cover ·. Layer of silicon nitride on Hartnietallsubstrate, in particular cutting inserts to find by chemical vapor deposition to increase the adhesion of the Siliziumnitriddeckschicht », Erf¬ this is achieved in that first in a known manner to the cemented carbide substrate, an intermediate layer of a compound of the system. Titanium-carbon-ticks is deposited and subsequently a layer consisting of

2 tallischem Silizium in einer Dicke von 1-10 nm bis 2-1CK nm abgeschieden wird, diese Siliziumschicht duröh Diffusionsglühen vollständig in die Zwischenschicht ein— tritt und die Deckschicht aus Siliziumnitrid mit 1-1CKnm bis 1-10 nm Dicke abgeschieden wird· Die Abscheidung der metallischen Siliziumschicht erfolgt bei Temperaturen von 1173 bis 1373 Kelvin aus einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch, das 0,01 bis 0,2 Volumenprozent, vorzugsweise ' 0,05 bis 0,1 Volumenprozent gasförmiges Si Gl^ enthält, während einer Dauer von 30 bis 1200 Sekunden, vorzugsweise 120 bis 600 Sekunden· Die Diffusionsglühung wird bei einer Temperatur von 1373 bis 1473 Kelvin mit einer Dauer von 60 bis 1800 Sekunden durchgeführt·2 tallischem silicon is deposited in a thickness of 1-10 nm to 2-1CK nm, completely enters the intermediate layer once this silicon layer duröh diffusion annealing and the top layer of silicon nitride is deposited to a US 1-1CKnm to 1-10 nm in thickness · The Deposition of the metallic silicon layer takes place at temperatures of 1173 to 1373 Kelvin from a hydrogen-containing gas mixture containing 0.01 to 0.2 percent by volume, preferably '0.05 to 0.1 percent by volume of gaseous Si Gl ^, during a period of 30 to 1200 Seconds, preferably 120 to 600 seconds · The diffusion annealing is carried out at a temperature of 1373 to 1473 Kelvin with a duration of 60 to 1800 seconds.

Ausführungsbeispielembodiment

Die "Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert«The "invention is explained in more detail below with reference to an embodiment"

Der zu beschichtende Hartmetallkörper, z. B,'eine Wendeschneidplatte, befindet sich auf einem Träger in einem vertikal angeordneten Quarzglasreaktor und wird durch eina außen angeordnete Induktionsspule mit Hochfrequenzstrom erwärmt«, Dabei wird der Reaktor von einem ,Wasserstoff-Argon-Gemisch durchströmt·The hard metal body to be coated, for. B, 'an indexable insert, is located on a support in a vertically arranged quartz glass reactor and is heated by an externally arranged induction coil with high-frequency current, whereby the reactor is traversed by a mixture of hydrogen and argon.

Nach Erreichen einer Temperatur von I323 Kelvin wird demAfter reaching a temperature of I323 Kelvin is the

—1 Reaktor ein Gemisch von 5·63 » 10 Mol/min Wasserstoff 3»45 · ^O"^ Mol/min Stickstoff und 8,5 ♦ 10"4 Mol/min-1 reactor a mixture of 5 x 63 "10 moles / min hydrogen 3" · 45 ^ O "^ mol / min of nitrogen and 8.5 ♦ 10" 4 mol / min

Titantetrachlorid zugeführt und während 20 Miauten eine ca. 8 · 1CK nm dicke Titannitridschicht auf dem Hartmetallkörper abgeschiedene Anschließend wird die Zuführung von Stickstoff und Titantetrachlorid beendet, dia Temperatur auf 1223 Kelvin abgesenkt und dem Wasserstoff strom eine'Menge von 3»O3 · 10""^ Mol/min Siliziumtetrachlorid für eine Zeitdauer von 150 s zugemischt·' Dabei scheidet sich auf dem Hartmetallkörper eine etwa 1.10^ nm dicke Schicht Siliziummetall ab« Danach wird unter Beibehaltung des Wasserstoffdurchf lasses die Temperatur des Hartmetallkörpers auf 1423 Kelvin erhöht und 20 min gehalten und so eine Diffusion des Siliziums in die Ti.tannitridschichfc bewirkt· Anschließend wird die Temperatur auf 1193 Kelvin abgesenkt, ein Durchfluß von 6,1 . 10""2 Mol/min Wasser stoff, 6,1 , 10""2 Mol/min-Stickstoff, 3,03 i 1Ö"5 Mol/min Siliziumtetrachlorid und 6,1 · 10 Mol/min Ammoniak eingestellt und währendTitanium tetrachloride is fed in and a titanium nitride layer of about 8 × 1CK thick deposited on the cemented carbide body for 20 minutes. The supply of nitrogen and titanium tetrachloride is then terminated, the temperature is lowered to 1223 Kelvin and the hydrogen flow is reduced to a quantity of 3 × 10 × 10 -3. Silicon tetrachloride is admixed for a period of 150 s. A layer of silicon metal is deposited on the cemented carbide body. Thereafter, the temperature of the cemented carbide body is increased to 1423 Kelvin while maintaining the passage of hydrogen Then, the temperature is lowered to 1193 Kelvin, a flow rate of 6.1. 10 "" 2 mol / min hydrogen, 6.1, 10 "" 2 mol / min nitrogen, 3.03 i 1Ö "5 mol / min silicon tetrachloride and 6.1 · 10 mol / min ammonia and adjusted during

'.. ' . .' ο'..'. . ' ο

15 Minuten eine ca· 4 β ΙΟ-' nm dicke Siliziumnitridschicht abgeschieden und danach der Hartmetallkörper im Wasserstoffstrom abgekühlt·15 minutes, a ca 4 · β ΙΟ- 'nm thick silicon nitride layer is deposited and thereafter the cemented carbide body in a hydrogen stream cooled ·

Die metallographische Untersuchung des^ Hartmetallkörpers zeigtj daß zwischen der Titannitridschicht und der SiIiziumnitridschichfc kein Siliziummetall als selbständige Phase,vorhanden ist· Die Mikrohärte der Titannitridschicht hat sich gegenüber normalerweise 2000 - 2200 HV auf 2400 bis 2800 H? erhöht· Sine Prüfung der Haftfestigkeit der Siliziumnitriddeckschicht durch Erwärmen des Hartmetallkörpers unter Wasserstoff auf 1473 Kelvin und anschließendes Abkühlen' mit jeweils ca. 20 grd/s zeigt keine Rißbildungen oder Ablösungen der Siliziumnitriddeckschicht«The metallographic examination of the cemented carbide body shows that there is no silicon metal as a self-standing phase between the titanium nitride layer and the silicon nitride layer. The microhardness of the titanium nitride layer has increased to 2400 to 2800 H compared to normally 2000-2200 HV. Increases the adhesion of the silicon nitride cover layer by heating the cemented carbide body under hydrogen to 1473 Kelvin and subsequent cooling, each with approximately 20 grd / s, shows no cracking or detachment of the silicon nitride covering layer.

Claims (3)

Erfindungsanspruchinvention claim 1» "Verfahren zur Herstellung eines Schichtrverbundes auf Hartmetallsubstrate, insbesondere Schneideinsätze, mittels chemischer Dampfphasenabscheidung, wobei die Deckschicht aus Siliziumnitrid besteht, gekennzeichnet dadurch, . daß " .1 "" Process for producing a Schichtrverbundes on cemented carbide substrates, in particular cutting inserts, by chemical vapor deposition, wherein the cover layer consists of silicon nitride, characterized in that. a) in bekannter Weise auf das Hartmetallsubstrat eine Zwischenschicht aus einer Verbindung des Systems Titan-Stickstoff-Kohlenstoff abgeschieden wird und nachfolgenda) is deposited in a known manner on the cemented carbide substrate, an intermediate layer of a compound of the system titanium-nitrogen-carbon and below b) eine Schicht, bestehend aus metallischem Silizium in einer Dicke von 1 · 10 nm bis 2 · 10^ am abgeschieden wird, ,b) depositing a layer consisting of metallic silicon in a thickness of 1 × 10 nm to 2 × 10 -4 nm, c) diese Siliziumschicht durch Diffusionsglühen vollständig in die Zwischenschicht eintritt undc) this silicon layer completely enters the intermediate layer by diffusion annealing and d) die Deckschicht aus Siliziumnitrid mit 1 · 1CK nmd) the covering layer of silicon nitride with 1 · 1CK nm 4 4 bis 1 · 10 nm Dicke abgeschieden wird·is deposited to 1 x 10 nm thickness 2· Verfahren nach Punkt 1,2 · procedure according to point 1, gekennzeichnet dadurch, characterized by daß Abscheidung der metallischen Siliziumschicht bei Temperaturen von 1173 bis 1373 Kelvin aus einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch, das 0,01 bis 0,02 Volumenprozent, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 Volumenprozent, gasförmiges Si .Gl^ enthält, während einer Dauer von 30 bis 1200 Sekunden, vorzugsweise 120 bis 600 Sekunden, erfolgt. -that deposition of the metallic silicon layer at temperatures of 1173 to 1373 Kelvin from a hydrogen-containing gas mixture containing 0.01 to 0.02 percent by volume, preferably 0.05 to 0.1 percent by volume of gaseous Si .Gl ^, during a period of 30 to 1200 seconds, preferably 120 to 600 seconds. - 3· Verfahren nach Punkt 1,
gekennzeichnet dadurch,
3 · procedure according to point 1,
characterized by
daB die Diffusionsglühung bei einer Temperatur von 1373 bis 1473 Kelvin mit einer Dauer von 60 bis 1800 Sekunden durchgeführt wird·the diffusion annealing is carried out at a temperature of 1373 to 1473 Kelvin with a duration of 60 to 1800 seconds.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT1669U1 (en) * 1996-11-22 1997-09-25 Plansee Ag OXIDATION PROTECTIVE LAYER FOR REFRACTIVE METALS
DE102004053502A1 (en) * 2004-10-27 2006-05-04 Universität Stuttgart Method for corrosion protection of components made of heat-resistant steel

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