DD227456A1

DD227456A1 - PROCESS FOR IMPROVING WEAR RESISTANCE

Info

Publication number: DD227456A1
Application number: DD26874884A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Dienel; Edgar Richter; Helfried Reuther; Juergen Dietrich
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1985-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleissbestaendigkeit bei Erzeugnissen aus Hartmetall auf Wolframkarbidbasis und aus verguetetem kohlenstoffreichem Stahl mittels Ionenimplantation. Durch Anwendung des erfindungsgemaessen Verfahrens kann eine deutliche Verlaengerung der Lebensdauer von Werkstuecken aus diesen Materialien erzielt werden. Mit der Erfindung soll die durch Stickstoffimplantation erzielbare Verschleissminderung merklich uebertroffen werden. Dies wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass in die auf Verschleiss beanspruchten Flaechen der Werkstuecke aus Hartmetall oder verguetetem kohlenstoffreichem Stahl Metall- und Metalloidionen gemeinsam implantiert werden. Beide Ionenarten werden in nur einer Ionenquelle erzeugt. Die Implantationsenergie betraegt 30-80 keV. Die Ionenquelle wird dabei so gesteuert, dass sie neben den einfach positiv geladenen Ionen einen hohen Anteil an mehrfach positiv geladenen Ionen liefert. Als Folge der unterschiedlichen Massen der Ionen und der groesseren Eindringtiefe der mehrfach geladenen Ionen wird ein von der ueblichen Gaussverteilung stark abweichendes Tiefenprofil der implantierten Metall- und Metalloidionen erhalten. In den implantierten oberflaechennahen Bereichen der Werkstuecke von etwa 100 bis 500 nm Dicke werden zusaetzlich zu den ueblicherweise sich ausbildenden Metalloidphasen auch Metallkarbid und -karbonitride erzeugt, was insgesamt zu einem wesentlich hoeheren Verschleisswiderstand und damit zu laengeren Standzeiten der auf diese Weise behandelten Werkzeuge fuehrt.The invention relates to a method for improving the wear resistance of tungsten carbide-based cemented carbide and carbon-rich recycled steel products by ion implantation. By applying the method according to the invention, a significant extension of the service life of workpieces made from these materials can be achieved. With the invention, the achievable by nitrogen implant wear reduction should be significantly exceeded. This is achieved according to the invention by metal and metalloid ions being implanted together in the surfaces of the workpieces made of cemented carbide or rendered carbon-rich steel subjected to wear. Both types of ions are generated in only one ion source. The implantation energy is 30-80 keV. The ion source is controlled so that it delivers a high proportion of multiply positively charged ions in addition to the simply positively charged ions. As a consequence of the different masses of the ions and the greater penetration depth of the multiply charged ions, a depth profile of the implanted metal and metalloid ions which deviates greatly from the usual Gaussian distribution is obtained. In the implanted near-surface regions of the workpieces of about 100 to 500 nm thickness, metal carbide and carbonitrides are produced in addition to the usually forming metalloid phases, which leads to a significantly higher wear resistance and thus to longer service life of the tools treated in this way.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bei Erzeugnissen aus Hartmetall auf T/olframkarbidbasis und aus vergütetem kohlenstoffreichen Stahl mittels Ionenimplantation. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer von Werkstücken aus diesen Materialien erzielt werden.The invention relates to a method for improving the wear resistance in products made of tungsten carbide-based cemented carbide and of tempered carbon-rich steel by means of ion implantation. By using the method according to the invention, a significant extension of the life of workpieces made of these materials can be achieved.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens von Werkstücken aus Hartmetall oder Stahl wurden in letzter Zeit verschiedene Beschichtungsverfahren entwickelt (CVD-, ?VD-Prozesse), bei denen die Werkstücke auf den beanspruchten Flächen mit speziellen Hartstoffen (TiBp, TiN, i-Kohlenstoff, u. a.) beschichtet wurden, was gegenüber unbeschichtetem Material zu einer deutlichen Verbesserung der Verschleißresistenz führt. Infolge der oft ungenügenden Haftung der aufgebrachten Schichten auf dem Grundmaterial kommt es oftmals zum Abplatzen der Hartstoffschicht und damit zu einem verstärkten vorzeitigen Verschleiß der Werkstücke.In order to improve the wear behavior of carbide or steel workpieces, various coating methods have recently been developed (CVD, VD processes) in which the workpieces on the claimed surfaces are coated with special hard materials (TiBp, TiN, i-carbon, etc.) were compared to uncoated material leads to a significant improvement in wear resistance. As a result of the often insufficient adhesion of the applied layers to the base material, the hard-material layer often flakes off and thus leads to increased premature wear of the workpieces.

Eine weitere Möglichkeit zur Verschleißminderung bei metallischen Werkstoffen bietet die Implantation energiereicher Ionen mit Energien von 30 bis 400 keV. Der Einschuß speziell der Metalloide Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff in Werkzeuge aus Wolframkarbid oder Stahl steigert deren Standzeit um den Faktor 2-4.Another possibility for reducing the wear of metallic materials is the implantation of high-energy ions with energies of 30 to 400 keV. The injection of boron, carbon or nitrogen into tungsten carbide or steel tools increases their lifetime by a factor of two to four.

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Die Implantationsdosis liegt zwischen 10 und 10The implantation dose is between 10 and 10

Ionen cm"² (TMn solid films 54 (1978), 215, . DD-OS 2340282). Die verschleißhemmende Wirkung der Ionenimplantation wird dabei meist auf die Bildung von Hartstoff- und metastabilen Phasen in der implantierten Metalloberfläche zurückgeführt, Die besten Resultate hat man dabei durch die Implantation von Stickstoffionen erzielt.Ion cm " ² (TMn solid films 54 (1978), 215, DD-OS 2340282) .The wear-inhibiting effect of ion implantation is usually attributed to the formation of hard-material and metastable phases in the implanted metal surface thereby achieved by the implantation of nitrogen ions.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die "Verminderung des Verschleisses und damit die Erhöhung der .Lebensdauer von Werkstücken aus Hartmetall auf Wolframkarbidbasis oder kohlenstoffreichem Stahl.The aim of the invention is the "reduction of wear and thus the increase in the .Life duration of workpieces made of tungsten carbide based carbide or carbon-rich steel.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis der Ionenimplantation ein Verfahren zur Steigerung der Verschleißfestigkeit von Werkzeugen aus Hartmetall auf Wolframkarbidbasis oder vergütetem kohlenstoffreichem Stahl zu schaffen, wobei die durch eine einfache Stickstoffimplantation erzielbare,Verschleißminderung merklich übertroffen werden soll.The invention has for its object to provide on the basis of ion implantation a method for increasing the wear resistance of tools made of tungsten carbide based carbide or tempered carbon-rich steel, with the achievable by a simple nitrogen implantation, wear reduction should be significantly exceeded.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die auf Verschleiß beanspruchten Flächen der Werkstücke aus Hartmetall oder vergütetem kohlenstoffreichem Stahl Metall- und Metalloidionen gemeinsam implantiert werden.The object is achieved in that metal and metalloid ions are implanted together in the claimed wear surfaces surfaces of hard metal or tempered carbon-rich steel.

Beide Ionenarten werden in nur einer Ionenquelle erzeugt. Die Implantationsenergie "beträgt 30 - 80 keV. Die Ionenquelle τ/ird dabei so gesteuert, daß sie neben den einfach positiv geladenen Ionen einen hohen Anteil an mehrfach positiv geladenen Ionen liefert. Als Folge der unterschiedlichen Massen der Ionen und der größeren Eindringtiefe der mehrfach geladenen Ionen wird ein von der üblichen Gaußverteilung stark abweichendes Tiefenprofil der implantierten Metall- und Metalloidionen erhalten. In den implantierten oberflächennahen Bereichen der Werkstücke von ca. 100 bis 500 nm Dicke werden zusätzlich zu den üblicherweise sich ausbildenden Metalloidphasen auch Metallkarbid und ~karbonitriede erzeugt, was insgesamt zu einem wesentlich höheren Verschleißwiderstand und damit zu längeren Standzeiten der auf diese Weise behandelten Werkzeuge führt»Both types of ions are generated in only one ion source. The implantation energy "is 30 - 80 keV, whereby the ion source τ / ird is controlled in such a way that it supplies a high proportion of multiply positively charged ions besides the singly positively charged ions as a consequence of the different masses of the ions and the larger penetration depth of the multiply charged ions In the implanted near-surface regions of the workpieces of about 100 to 500 nm thickness, metal carbide and carbonitride are also produced in addition to the metalloid phases which usually form leads to a significantly higher wear resistance and thus longer service life of the tools treated in this way »

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird durch nachfolgende Ausführungsbeispiele noch näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.The invention will be explained in more detail by means of subsequent embodiments, wherein the invention is not limited to these examples.

example 1

Eine Scheibe aus einem Stahl mit 1,2 <%> Kohlenstoff wurde durch Härten vergütet. Die Scheibe hatte einen Durchmesser von 15 mm und eine Dicke von 4 mm_e Wach der Reinigung in Perchloräthylen und Aceton wurde die Scheibe in einer Vakuumkammer mit Argonionen nochmals gereinigt und anschließend in der gleichen Kammer mit Stickstoffionen und Titanionen beschossen, die gemeinsam aus einer Sputterionenquelle mit einer anliegenden Spannung von 50 kV extrahiert wurden.A disc of 1.2 <%> carbon steel was tempered by hardening. The disk had a diameter of 15 mm and a thickness of 4 mm _e w cleaning in perchlorethylene and acetone, the disk was cleaned again in a vacuum chamber with argon ions and then bombarded in the same chamber with nitrogen ions and titanium ions, which together from a sputtering ion source with an applied voltage of 50 kV were extracted.

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Die implantierte Gesamtionendosis betrug 8*10 IonenThe implanted total ion dose was 8 * 10 ions

__ 2 cm . Zur Verbesserung der Homogenität rotierte die Scheibe während der Implantation vor dem Ionenstrahl. Nach der Implantation wurde die Scheibe auf einer Verschleißprüfmaschine des Systems "Stift-Scheibe" hinsichtlich des Verschleißverhaltens bei trockenem Verschleiß getestet» Als Stift diente eine feststehende gehärtete Stahlkugel mit einem Durchmesser von 3 mm. Die Prüflast betrug 100 p. Es wurde der Volumenverschleiß nach der Implantation als-Funktion'des Reibweges der Kugel auf der rotierenden Scheibe in Relation zu einer nichtimplantierten gleichartigen Scheibe gemessen, Die Reibgeschwindigkeit betrug ca. 1ms . Nach 50 km Reibweg war der Volumenverschleiß der implantierten Scheibe um den Faktor 17 geringer als bei der nichtimplantierten«, Sine weitere gleichartige Scheibe wurde__ 2 cm. To improve homogeneity, the disk rotated in front of the ion beam during implantation. After implantation, the disc was tested on a wear-test machine of the "pin-disc" system for wear behavior under dry wear. »The pin was a fixed hardened steel ball with a diameter of 3 mm. The test load was 100 p. The volume wear after implantation was measured as a function of the friction path of the ball on the rotating disc in relation to a non-implanted like disc. The friction rate was about 1 ms. After 50 km of friction, the volume wear of the implanted disc was 17 times lower than that of the non-implanted disc. Sine became another similar disc

17 unter gleichen Bedingungen mit 6·10 Stickstoffionen17 under the same conditions with 6 x 10 nitrogen ions

cm implantiert und gleichfalls mit einer Prüflast von 100 ρ und einer Reibgeschwindigkeit von ca· 1m s verschlissen. Nach 50 km Reibweg würde eine Verringerung des Volumenverschleißes gegenüber der unbehandeltencm implanted and also with a test load of 100 ρ and a friction speed of about · 1m s worn. After 50 km Reibweg a reduction of the volume wear would be compared to the untreated

Scheibe um den Faktor 7 ermittelt. Daraus resultiert unter den angegebenen Prüfbedingungen nach gemeinsamer Implantation von Titan- und Stickstoffionen eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit gegenüber der Implantation von ausschließlich Stickstoffionen um den Faktor 2.Slice determined by a factor of 7. This results under the specified test conditions after joint implantation of titanium and nitrogen ions an improvement in wear resistance over the implantation of exclusively nitrogen ions by a factor of 2.

Example 2

Drei Hartmetallwendeschneidplatte]! vom Typ HG-110 mit den Abmessungen -16x16x5 mm wurden deckseitig poliert und analog Beispiel 1 mit Stickstoff- und Titanionen gemeinsam bzw. mit Stickstoffionen allein implantiert. Die dritte V/ende schneidplatte blieb unbehandelt. Von allen drei Proben wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, der Volumenverschleiß in Relation zum Reibweg gemessen. Hier zeigte die mit beiden Ionenarten implantierte Platte einen um den Paktor 11 und die mit Stickstoff allein implantierte Probe einen um den Faktor 6 geringeren Verschleiß als die unbehandelte Wendeschneidplatte.Three cemented carbide insert]! Type HG-110 with the dimensions -16x16x5 mm were polished on the top side and implanted analogously to Example 1 with nitrogen and titanium ions together or with nitrogen ions alone. The third end cutting plate was left untreated. Of all three samples, as described in Example 1, the volume wear was measured in relation to the friction path. Here, the plate implanted with both types of ions showed a factor around the factor 11 less wear than the untreated indexable insert around the pactor 11 and the sample implanted with nitrogen alone.

Claims

invention claim

1. A method for improving the Verschleil3beständigkeit of materials of tungsten carbide or quenched-carbon steel with at least 1 ? O carbon characterized in that in these materials together metal and metalloid ions, which are extracted from a sputtering ion source with voltages between 30 and 50 kV , are implanted at a dose of between 10 and 10 ions cm -1, with the ion source regime being chosen to implant a high yield of double or multiple positively charged metal and metalloid ions as well as positively charged ones.

2 * Method according to item 1, characterized in that titanium and nitrogen ions are implanted.