DD267742A1

DD267742A1 - Verfahren zur erhoehung der verschleissfestigkeit von oberflaechenschichten

Info

Publication number: DD267742A1
Application number: DD30995887A
Authority: DD
Inventors: Walter Flurschuetz; Klaus Voigt; Siegfried Pause; Ingolf Kellner; Wolfgang Schmidt
Original assignee: Immelborn Hartmetallwerk
Priority date: 1987-12-05
Filing date: 1987-12-05
Publication date: 1989-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der Verschleissfestigkeit von Oberflaechenschichten auf Grundkoerpern aus einem Werkzeugwerkstoff, vorzugsweise aus Hartmetall, Keramik oder Schnellarbeitsstahl oder aus einem Verschleissteil, die mit Hartstoffschichten aus Carbiden, Nitriden, Boriden und/oder Oxiden der Uebergangsmetalle der IV.-VI. Nebengruppe des PSE oder deren Gemischen durch chemische (CVD) und/oder physikalische (PVD) Verfahren beschichtet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Hartstoffschichten aus Carbiden, Nitriden, Boriden und/oder Oxiden der Uebergangsmetalle der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE zu entwickeln. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass die Oberflaechenschicht im Bereich der Beanspruchungsflaeche durch Bestrahlung mit einem Laser- oder Elektronenstrahlbuendel bei gleichzeitiger Tiefkuehlung des Bestrahlungsfeldes in eine metallisch glasartige Struktur uebergefuehrt wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Oberflächenschichten auf Grundkörpern aus einem Werkzeugwerkstoff, vorzugsweise aus Hartmetall, Koiamik oder Schnellarbeitsstahl oder aus oinom Verschleißteil, vorzugsweise aus Keramik oder einer Sonderlegierung, die mit Hartstoffschichten aus Carbiden, Nitriden, Boriden und/oder Oxiden der Übergangsmetalle der IV.—Vl. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente oder deren Gemischen durch chemische (CVD) oder/und physikalische (PVD) Verfahren beschichtet sind, wobei die ersteren vorwiegend als Werkzeuge bei hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen in der spanendun und spanlosen Formung Vrrwendung finden, während die letzteren z. B. als Turbinenschaufoln oder als Gleitflächen an Flugkörpern hoher Belastung durch Kavitation ausgesetzt sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der spanenden oder spanlosen Formung sowie bei anderen Verschleißbeanspruchungen sind dem Widerstand der entsprechenden Konstruktionsteile Grenzen gesetzt, die von den Werkstoffeatigkeitseigenschaften bestimmt werden.

Die am stärksten wirkenden und die Standzeit bestimmenden Parameter sind u.a. die Härte, die Korrosion in Abhängigkeit des Mediums, die Diffusion der Leg'er.ngselemente in Abhängigkeit des sich bildenden Potentials beim Werkzeugeingriff, die Wärmeleitfähigkeit und die Zähigkeit, alles in Abhängigkeit der Temperatur und unter Spannungs- und/oder Wechselbeanspruchung. Es ist auch nach Appen/Petzold „Hitzebeständige Korrosions-, Wärme- und Verschleißschutzschichten", S.45-55 bekannt, den Verschleißwiderstand von Oberflächen durch physikalische und/odor chemische Nachbehandlung sowie durch Beschichtung mit Einfach- und/oder Mehrfachschichten sowie deren Nachbehandlung zu erhöhen.

Eine weitere nach H.-J. Jllig „ABC Glas", S. 107 U>rannte Methode ist die Umwandlung einer Oberflächenschicht eines härtbaren homogenen Werkstoffs, wie z. B.. Stahl, in eine harte metastabile Härtestruktur durch Laserstrahlung, ζ. B. für Lagerwellen mit höherer Lebensdauer.

Nach der DE-PS 3027688 wird vorgeschlagen, an üblichen Hartstoffschichten durch Glimmentladungen in einar Inertgasatmosphäre im Unterdruck Teile der Schicht durch Kathodenzerstäubung abzutragen. Diese Arbeitsweise, auch als Sprühät:ung bekannt, garantiert fast atomar reim Oberflächen und wird allgemein angewendet einmal als Zwischenarbeitsgang zur Veroessorung der Haftung von Hartstoffschichten auf Grundkörper und/oder in Schichtsystemen mit verschiedenen chemit chen Zusammensetzungen und zum anderen zum Glätten von Oberflächen zur Erniedrigung des Reibwiderstandes.

Nach der DE-OS 3112460 wird vorgeschlagen, Oberflächenfelder durch Strahlungsimpulse von max. 10μβ mittels eines Dauerstrichlasers auf etwa 900⁰C bis 1100⁰C in Gegenwart eines reaktiven Gasgemisches zu erwärmen, um die Reaktion zu einem oder mehreren auch chemisch verschiedenen Hartstoffen fast gleichzeitig zu initiieren.

Solche laserchemischen Reaktionen dienen zur Auslösung und Stimulierung mikrochemischer Reaktionen auch im thermodynamisch^ Nichtgleichgewichtszustand und zur Abscheidung von daltoniden und nichtd-'Oniden Verbindungen.

Sie werden z. B. in der Halbleiterindustrie und bei der Produktveredlung bereits in verschiedener Hinsicht genutzt. Die bekannten Schichten erfüllen jedoch noch nicht alle Verschleißanforderungen, die eine moder: e Industrie stellt. Eine komplexe Schädigungsart ist die Kavitationskorrosion, die durch Überlagerung von mechanischem Verschleiß, besonders durch chemisch angreifende Medien, bei wechselnder Beanspruchung entsteht.

Dieser Verschleißart sind harte und spröde Schutzschichten überhaupt nicht gewachsen.

In der letzten Zeit ist bekannt geworden, daß durch Abkühlgeschwindigkeiten von > 10⁵K · s ' bestimmte Legierungen, nicht Reinmetelle, in eine neue, in die sogenannte metallene Glasstruktur mit ganz neuen physikalischen und chemischen Eigenschaften umgewandelt werden können.

Eine z.T. extrem steigerbare physikalisch-chemische Eigenschaft dieser Struktur Im Gegensatz zu normalen Legierungen etwa gleicher Zusammensetzung ist beispielsweise die Korrosions- und Kavitationsfestigkeit bei höheren Temperaturen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das wirtschaftlich auf einem beschichteten Verbundkörper mindestens eine Oberflächenschicht in ihrer Verschleißfestigkeit erhöht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung der Laserstrnhltechnik ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Haratoffschichten aus Carbiden, Nitriden, Bonden und/oder Oxiden dor Übergangsmetalle der IV. bisVl. Nebengruppe des PSE zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberflächenschicht im Bereich der Beanspruchungsfläche durch Bestrahlung mit oinom Laser- oder Elektronenstrahlbündel boi gleichzeitiger Tiefkühlung des Bestrahlungsfeldes in eine metallisch glasartige Struktur überführt wird.

Es ist vorteilhaft, daß die Tiefkühlung des Bestrahlungsfeldes durch Tiefkühlung des Substrats auf 100 bis 250 K, beispielsweise im Trockeneis oder in flüssigem Stickstoff vorgenommen wird.

Aus Versuchen haben sich optimale Behandlungsergebnisse dadurch orgubon, daß die Abkühlgeschwindigkeit des Bestrahlungsfeldes zwischen 10^s und 10⁷Ks ' liegt.

Als Bestrahlungsquelle zur Erzeugung des Laserstrahlbündels sind CO₂ Schweißlaser oder Nd YAG-Laser besonders gut geeignet.

Gutn Verfahrensergebnisse werden auch dadurch erzielt, daß die Dicke der metallisch glasartigen Struktur bzw. die metallische Glasschicht 1 bis 20μιη, vorzugsweise 1 bis 10μηι beträgt.

Es wurde gefunden, daß mit Laser- oder Elektronenbestrahlung eine Oberflächenschicht bestimmter Zusammensetzung eines Verbundkörpers in einer Tiefe bis etwa 20pm eines in üblicher Weise einfach oder mehrfach beschichteten Grundkörpers aufgeschmolzen und durch eine Abkühlgeschwindigkeit von über 10⁵K s ' in eine besondere Struktur, in die metallene Glasstruktur, umgewandelt werden kann.

In Frage kommen Legierungen aus binären, ternären oder quarternären Gemischen aus einem oder mehreren T-Metallen mit einem oder mehreren Metalloiden im Zusammensetzungsbereich etwa zwischen T₃M und T_{5 6}M. Diese Systeme sind nicht genau stöchiomutrisch und als sogenannte TeoM₂o-Gläser bekannt. Auch Legierungen zwischen den sogenannten späten T-Metallen der Vll.-Vlll. Nebengruppe und den sogenannten frühen T-Metallen bis zur Vl. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente oder ^wischer T- und Α-Metallen, vorzugsweise Beryllium, sind möglich.

Verfahrensgerr.äß, wird das dadurch erreicht, indem im Anschluß an eine normale CVD- oder PVD-Beschichtung mit den gleichen odor ähnlichen Verfahrensschritten eine verbesserte Schicht der entsprechenden Legierung aufgebracht wird, die z. B. mit einem CO₂ Schweißlaser im Bereich der Verschleißbeanspruchungszone bestrahlt wird. Die Bestrahlung geschieht zweckmäßigerweise rasterförmig mit einem Rasterabstand S0,5mm. Die Abkühlgeschwindigkeit von >10⁵K s ' kann durch eine entsprechende Probentemperatur eingesteht werden. Sie ist auch abhängig von der Wärmeleitfähigkeit und der Masse des Verbundkörpors.

So können z. B. durch Kühlung von Hartmetallwendeschneidplatten auf etwa 195K (-78"C) durch Trockeneis Abkühlgeschwindigkeitsraten von § 10^e K · s ' erreicht werden. Durch Kühlung mittels flüssigem Stickstoff auf unter 100 K (unter - 19O⁰C) sind Raten von ä 10^eK · s ' an Hartmetallwendeschneidplatten erzielbar. Vorteilhafterweise ist auch ein NdYAG-Laser im Leistungsbereich etwa 100W verwendbar.

Es folgen einige bevorzugte Ausführungsbeispiele, die keine Einschränkung der Erfindung dr^r«tellen.

AusfuNungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert worden:

1. Eine HM-WSP für die Gußzerspanung, die nach den bekannten CVD-Verfahren allseitig mit einer etwa 10pm starken Ti(C, N, Bi Schicht überzogen war, wurde daran anschließend um weitere 2...bpm mit einer weiteren Schicht der Bruttozusammensetzung

etwa Ti₈₀(C, B)₂₀

durch entsprechend veränderte Prozeßführung überbeschichtet. Die WSP wurde erfindungsgemäß weitergebildet, indem sie im Schneidenbereich (6 χ 4mm Schneidkante — Spanfläche und 6 x 2mm Schneidkante — Freifläche) mit einem CO₂-Laserstrahlbündel mit einer Leistung von 150... 160W rasterförmig im Abstand von 0,35mm und einer Geschwindigkeit von 3,44 mm/s bei RT bestrahlt wurde.

2. Eine weitere HM-WSP für die Stehlzerspanung, die ähnlich wie 1. mit 8 Stück je etwa 1 pm starken Ti(C, N)-Schichten und einer etwa 2...5Mm starken Schicht mit der Bruttozusammensetzung (letztere) (Τι, Ta)₉₀ (C, B)₂₀ überzogen war, wurde in gleicher Weise wie 1. mittels einem COvLaserstrahl etwa doppelter Leistung, jedoch durch Vorkühlung in Trockeneis auf etwa 195 K, innerhalb 30s weitergebildet.

Die Abkühlgeschwindigkeit der Strahlspuren betrug im 1.FaII etwa 10" und im 2.FaII etwa 10° ⁷K · s~\

Οίο Mikrohärten, die mit 40... 50GPa fast doppelt so hoch wie die sonst üblichen sind sowie metallographische Untersuchungenbestätigen das Erreichen der metallenen Glasstruktur.

Zerspanungsuntersuchungen erbrachten bei gleichen Spanungsparametern etwa 100% höhere Standzeit gegenüber analogen Veigleichsproben ohne Verglasung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar zur Verbesserung des Verschleißschutzos von Flächen, die fließenden

aggressiven Medien hoher Geschwindigkeit und Temperatur sowie wechselnden Spannungszustände, wie z. B.

Turbinenschaufeln für hoiße Gase odei Dämpfe, ausgesetzt sind.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Oberflächenschichten auf beschichteten Grundkörpern aus einem Werkzeugwerkstoff, vorzugsweise aus Hartmetall, Keramik oder Schnellarbeitsstahl oder aus einem Verschleißteil, vorzugsweise aus Keramik oder einer Sonderlegierung, die mit Hartstoffschichten aus Carbiden, Nitriden, Bonden und/oder Oxiden der Übergangsmetalle der IV. bis Vl. Nebengruppe des PSE oder deren Gemischen durch chemische (CVD) oder/und physikalische (PVD) Verfahren beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht im Bereich der Beanspruchungen ,he durch Bestrahlung mit einem Laser- oder Elektronenstrahlbündel bei gleichzeitiger Tiefkühlung des Bestrahlungsfeldes in eine metallisch glasartige Struktur überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefkühlung des Bestrahlungsfeldes durch Tiefkühlung des Substrates auf 100 bis 250K, beispielsweise in Trockeneis oder in flüssigem Stickstoff vorgenommen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit des Bestrahlungsfeldes zwischen 10^s und 10⁷ K s"¹ lieg*.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Laserstrahlbündel durch eine CO₂-Schweißi<)ser oder einen NdYAG-Laser erzeugt wird.

5. Verfahren nach den 4nsprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallisch 'glasartigen Struktur bzw die metallische Glasschicht 1 bis 20 Mm, vorzugsweise 1 bis 10pm beträgt.