DD236950A1

DD236950A1 - Verfahren zur herstellung von hartstoffschichten auf temperaturempfindlichen werkstoffen

Info

Publication number: DD236950A1
Application number: DD27601385A
Authority: DD
Inventors: Manfred Schoenherr; Christine Taeschner; Heinz Hennig; Erich Wolf
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-05-06
Filing date: 1985-05-06
Publication date: 1986-06-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Oberflaechenveredlung. Ziel der Erfindung ist es, auch temperaturempfindliche Werkstoffe zu beschichten, nach dem Beschichten kein nochmaliges Haerten im Vakuum vornehmen zu muessen, das Entstehen von Rissen in der Schicht und Abweichungen vom Endmass der Werkstuecke zu vermeiden und damit hohe Standzeiten bei beschichteten Werkzeugen, groessere Schichtdicken und eine bedeutende Steigerung des Verschleisswiderstandes zu erzielen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Hartstoffschichten hoher Haftfestigkeit und grosser Haerte auf Werkzeugen und Verschleissteilen bei Temperaturen unterhalb 850C bzw. bei Stahlteilen unter der jeweiligen Anlasstemperatur abgeschieden werden koennen und bei dessen Anwendung keine Zerstoerung der Schicht durch Oxydation und keine inneren Spannungen im Werkstoff auftreten. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Werkstuecke bekanntermassen in einen Reaktor eingebracht und in einer reduzierenden Atmosphaere auf eine Temperatur 850C erwaermt werden. Zwischen den Werkstuecken und der Reaktorwand wird eine Glimmentladung erzeugt. Dem Reaktor wird ein stickstoffhaltiges Gasgemisch zugefuehrt und nach einer Haltezeit 120 min gegen ein, der herzustellenden Hartstoffschicht entsprechendes, Reaktionsgasgemisch ausgetauscht. Nach Erreichen der erforderlichen Dicke der Hartstoffschicht werden die Werkstuecke in dem stickstoffhaltigen Gasgemisch auf Raumtemperatur abgekuehlt. Anwendungsgebiete der Erfindung sind Verschleissteile und Werkzeuge, insbesondere aus gehaerteten Werkzeugstaehlen, die gegen Abrasion und Korrosion geschuetzt werden sollen.

Description

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stickstoffhaltigen Gasgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt. Vorteilhaft ist es, wenn dem Reaktionsgemisch zumindest anfangs Stickstoff zugesetzt wird. Das stickstoffhaltige Gasgemisch wird zweckmäßigerweise aus Stickstoff, Ammoniak oder Hydrazin gebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in einem Arbeitsgang bei relativ geringen Temperaturen zunächst die Oberfläche der Werkstücke zu nitrieren und im Anschluß daran eine oder mehrere Hartstoffschichten mit Dicken, wie sie nach dem CVD-Verfahren üblich sind, stabil abzuscheiden. Überraschenderweise ergibt sich dabei eine hohe Haftfestigkeit im Schicht-Substrat-Verbund. Besonders günstige Wirkungen werden erzielt, wenn auf die nitrierte Werkstückoberfläche als erste Schicht eine stickstoffhaltige Hartstoffschicht abgeschieden wird.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

In einem rohrförmigen, beheizbaren Reaktor aus säurebeständigem Stahl werden koaxial Gewindeschneidbohrer M10 aus gehärtetem Schnellarbeitsstahl angebracht und in einer Atmosphäre von Wasserstoff und Argon im Verhältnis 3:1 bei einem Druck von ca. 1 kPa auf 53O⁰C erwärmt. Nach dem Erreichen derTemperatur wird zwischen dem Werkstück und der Reaktorwand mittels hochfrequentem Wechselstrom von 10MHz eine Glimmentladung gezündet und das Gas gegen eine Mischung von Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1:3 bei konstantem Druck ausgetauscht und 60 min im Reaktor belassen. Während dieses Zeitraumes erfolgt die Nitrierung der Oberfläche der Werkstücke. Danach wird dieser Atmosphäre TiCI₄ gasförmig zugesetzt, so daß das Reaktionsgas aus N₂/H₂/TiCI₄im Verhältnis 1:1,5:0,015 besteht. Nach 30 min hat sich auf der Oberfläche der Werkstücke eine festhaftende, hochstöchiometrischeTiN-Schicht von 10μπη Dicke abgeschieden. Abschließend wird im Reaktor eine Atmosphäre von Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1:3 hergestellt und die Werkstücke in dieser Atmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt. Vergleichsuntersuchungen mit C60 als Gegenwerkstoff ergaben gegenüber unbeschichteten Gewindeschneidbohrern aus Schnellarbeitsstahl einen Standweggewinn von ca. 600%.

Beispiel 2

Gewindeschneidbohrer M10 werden zunächst wie im Beispiel 1 behandelt. Nachdem sie 60 min der Gasmischung von Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1:3 ausgesetzt waren, wird der Atmosphäre TiCI₄ und C₆H₆ zugesetzt, so daß das Verhältnis N2:H₂:TiCI₄:C₆H_e = 1:1,5:0,04:0,014 beträgt. Nach 30 min hat sich auf der Oberfläche der Werkstücke eine Ti(C,N)-Schicht der Zusammensetzung TiCo,75-o,8oN₀,25-o,2o und einer Dicke von ΙΟμ,Γη abgeschieden. Die Abkühlung der Werkstücke erfolgt entsprechend Beispiel 1. Vergleichsuntersuchungen mit C60 als Gegenwerkstoff ergaben gegenüber unbeschichteten Gewindeschneidbohrern einen Standzeitgewinn von durchschnittlich 800%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten auf temperaturempfindlichen Werkstoffen, bei dem die Werkstücke in einem Reaktor eingebracht und erwärmt werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Werkstücke in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur < 85O⁰C erwärmt werden, zwischen den Werkstücken und der Reaktorwand eine Glimmentladung erzeugt und dem Reaktor ein stickstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt wird, nach einer Haltezeit < 120min das stickstoffhaltige Gasgemisch gegen ein, der herzustellenden Hartstoffschicht entsprechendes, Reaktionsgemisch ausgetauscht und nach Erreichen der erforderlichen Dicke der Hartstoffschicht die Werkstücke in dem stickstoffhaltigen Gasgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

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Erfindungsanspruch:

2. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß dem Reaktionsgemisch zumindest anfangs Stickstoff zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß das stickstoffhaltige Gasgemisch aus Stickstoff, Ammoniak oder Hydrazin gebildet wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Objekt der Oberflächenveredlung. Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich ist, sind Verschleißteile und Werkzeuge, die insbesondere gegen Abrasion und Korrosion geschützt werden sollen. Besonders zweckmäßig wird die Erfindung bei gehärteten Werkzeugstählen angewendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Allgemein bekannt ist die Herstellung verschleißfester Hartstoffschichten nach dem CVD-Verfahren, bei dem die Umsetzung der gasförmigen Reaktionspartner bei Temperaturen >850°C, vorzugsweise bei Temperaturen um 1 050⁰C erfolgt. Die so hergestellten Schichten aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Oxiden sind zwar sehr haft- und verschleißfest, lassen sich jedoch aufgrund der hohen Arbeitstemperaturen nur auf temperaturfesten Werkstoffen aufbringen. Nach W.Schintlmeister, O. Pacher, W. Wallgram, J. Kanz, Metall 10 (34) S. 905 (1980) ist auch das Beschichten von Werkzeugen und Verschleißteilen aus Stahl mittels des CVD-Verfahrens bekannt. Dabei werden haftfeste Verschleißschutzschichten erzielt, deren Dicken 10 bis 15/xm betragen. Der Standzeitzuwachs beträgt je nach Werkzeugart und Anwendungsfall 400 bis 800%. Nachteilig ist jedoch, daß dabei die gehärteten und auf Maß geschliffenen Werkstücke weit über die Anlaßtemperatur (bei Schnellarbeitsstahl z. B. 57O⁰C) erwärmt werden, so daß ein nochmaliges Härten notwendig ist, was zusätzliche Kosten verursacht. Um dje aufgebrachte Schicht nicht durch Oxidation zu zerstören, kommt dafür nur ein Härten unter Vakuum in Betracht, wodurch zusätzliche Kosten entstehen. Dabei ist als weiterer Mangel das Entstehen von Rissen in der Schicht und Abweichungen vom ursprünglichen Endmaß, als Folge von inneren Spannungen, nicht auszuschließen. Bekannt ist auch ein Niedertemperatur-CVD-Verfahren (T. Wierzchon, A. Marciniak, J.Bagacki, T. Karpinski, HTM 36 [4], S. 189 [1981]), bei dem die zum Ablauf der chemischen Reaktion notwendige Aktivierungsenergie ganz oder teilweise durch nichtthermische Energie, z.B. durch eine Glimmentladung, zugeführt wird. Nachteilig sind die geringe Standzeit der so beschichteten Werkzeuge und die erreichbare, nur geringe Schichtdicke von ca. 3/xm. Ursache dafür ist die geringe Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat. Allgemein bekannt ist auch das Nitrierhärten von Werkstückoberflächen, bei dem durch das Eindringen von Stickstoff in die Werkstückoberfläche Nitridverbindungen entstehen. Im Vergleich zu aufgebrachten Schichten wird damit nur eine unbedeutende Steigerung des Verschleißwiderstandes erzielt, da die Oberfläche nur eine geringe Härtesteigerung erfährt. Es ist festzustellen, daß zur Herstellung verschleißfester Schichten auf Stählen, die, um Verluste der Grundhärte zu vermeiden, nicht über 850⁰C erwärmt werden dürfen, kein Verfahren bekannt ist, mit dem Schichten der Qualität von CVD-Beschichtungen erreicht werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auch temperaturempfindliche Werkstoffe zu beschichten, haftfeste, größere Schichtdicken aufzubringen, nach dem Beschichten ein nochmaliges Härten und das nachträgliche Entstehen von Rissen in der Schicht sowie Abweichungen vom Endmaß der Werkstücke zu vermeiden und somit eine bedeutende Steigerung des Verschleißwiderstandes, verbunden mit hohen Standzeiten der beschichteten Werkzeuge, zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Hartstoffschichten hoher Haftfestigkeit und großer Härte auf Werkzeugen und Verschleißteilen bei Temperaturen unterhalb 850⁰C bzw. beim Einsatz von gehärteten Stählen unter der jeweiligen Anlaßtemperatur abgeschieden werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Werkstücke bekanntermaßen in einen Reaktor eingebracht und in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur <850⁰C erwärmt werden. Zwischen den Werkstücken und der Reaktorwand wird eine Glimmentladung erzeugt. Dem Reaktor wird ein stickstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt und nach einer vom Grundwerkstoff abhängigen Haltezeit < 120 min gegen ein, der herzustellenden Hartstoffschicht entsprechendes Reaktionsgasgemisch ausgetauscht. Nach Erreichen der erforderlichen Dicke der Hartstoffschicht werden die Werkstücke in dem