DD288630A5 - Verschleissfester ueberzug und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verschleiszfesten UEberzug und Verfahren zu seiner Herstellung. Objekte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind Werkzeuge und Verschleiszteile aus Metallen, Hartmetallen oder Keramik. Besonders zweckmaeszig ist ihre Anwendung bei Schneidwerkzeugen fuer die spanende Formgebung. Erfindungsgemaesz besteht der UEberzug aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke von 0,2 bis 1 mm und einer Gesamtschichtdicke zwischen 2 und 50 mm, wobei benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, und wird hergestellt durch Gasphasenabscheidung, indem die Ausgangsgasmischung mit einem Verhaeltnis der Stoffmengenanteile von Ti zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,1 bis 0,4 waehrend des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveraenderter Zusammensetzung sowie unveraenderten Abscheideparameter kontinuierlich zugefuehrt wird.{verschleiszfester UEberzug; Verschleiszteile; Hartmetalle; Schneidwerkzeuge; alternierende Einzelschichten; Gesamtschichtdicke; unterschiedliche Zusammensetzung; Gasphasenabscheidung; Schichtkombination; Abscheideparameter}

Description

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Überzug, bestehend aus Karbiden und/oder Nitriden und/oder

oder Ti, Zr und Hf, aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke zwischen 0,2 und 1,0μηι besteht, die Gesamtschichtdicke zwischen 2 und 50um Hegt und benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen.

Dieser Überzug wird hergestellt durch Gasphasenabscheidung aus Gasgemischen der Halogenide des Ti und Zr oder Ti und Hf oder Ti, Zr und Hf, H₂ und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen oder CO₂ und/oder CO und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen und/oder N₂ bzw. stickstoffhaltigen Verbindungen bei Temperaturen zwischen 900⁰C und 1200°C. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsgasmischung mit einem Verhältnis der Stoffmengenanteile von Ti zu Zr und/oder Hf im Bereichvon 0,1 bis 0,4 während des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveränderter Zusammensetzung sowie unveränderten Abscheideparametern kontinuierlich zugeführt. Es wurde überraschend gefunden, daß in dem angegebenen Konzentrationsbereich trotz Konstanthalten der Abscheidungsparameter alternierende Schichtfolgen mit unterschiedlicher Zusammensetzung benachbarter Schichten abgeschieden werden, was auf einen oszillierenden Abscheidemechanismus hinweist. Bei diesen Konzentrationen entsteht ein selbstregulierendes System der Schlchtabscheidung. Die erhaltenen Schichten, die eine hohe Regelmäßigkeit zeigen, zeichnen sich durch einer verbesserte Haftfestigkeit und ein verbessertes Verschleißverhalten gegenüber herkömmlichen Mehrlagenbeschichtungen aus, insbesondere bei schweren Schnitten bei der Zerspanung von unlegierten und legierten Stählen. Das Konstanthalten der Verfahrensparameter bei der Abscheidung garantiert eine gute Reproduzierbarkeit der Abscheidung, das Störungen des Wachstumsprozesses, die u.a. bei Änderung der Verfahrensparameter an den Wachstumsfronten auftreten, entfallen. Vorteilhaft ist auch, daß das Abscheidungsverfahren in jeder Normaldruck-CVD-Anlage ohne zusätzlich technologischen Aufwand realisiert v/erden kann und die Abscheidungsgeschwiri'digkeit hoch ist.

Ausführungsbeispiel

Hartmetallwendeschneidplatten der Zusammensetzung 76,9% WC, 7,2% TiC, 7,2% TaC und 8,7% Co werden in einem CVD-Reaktor unter Argon auf 1050⁰C erwärmt. Bei Normaldruck wird zunächst in bekannter Weise θΐηθ4μπι starke TiCN-Schicht abgeschieden. Anschließend wird eine Gasmischung der Zusammensetzung

TiCI₄ 2,5 Stoffmengenanteile ZrCI₄ 8,5 Stoffmengenanteile C₆H₆ 1,26 Stoffmengenanteile N₂ 4,8 Stoffmengenanteile H₂ Rest Stoffmengenanteile

eingeleitet und nochmals 20min beschichtet. Die erfindungsgemäß abgeschiedene Schicht besteht aus 10 Einzelschichten mit einer Einzelschichtstärke von 0,8 pm. Die Einzelschichten können durch Ätzen in HF/HNO₃/H₂O-Lösung lichtmikroskopisch sichtbar gemacht werden und zeigen alternierend das für Ti- bzw. Zr-reiche Karbonitridschichten typische Ätzverhalten. Bei Zerspanungsversuchen mit Stahl C60N bei ν = 120m/min, s = 0,8mm und a = 2,5mm zeigte die erfindungsgemäß beschichtete Platte nach einer Schnittzeit von 20min eine Verschleißmarkenbreite V_B = 0,12mm (Freiflächenverschleiß). Analoge Substrate mit einer herkömmlichen TiCN-Mehrlagenschicht waren bereits nach !3min verschlissen.

Claims (2)

1. Verschleißfester Übsrzug auf metallischer, hartmetallischer oder keramischer Unterlage, insbesondere auf Schneidwerkzeugen und Verschleißteilen, aus Karbiden oder Nitriden oder Karbonitriden oder Oxikarbiden oder Oxinitriden oder Oxikarbonitriden der Metalle Ti und Zr oder Ti und Hf oder Ti, Zr und Hf, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke von 0,2 bis 1 μιη besteht, die Dicke der Gesamtschicht zwischen 2 und 50pm liegt und benachbarte Einzelschichxen eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen.

2. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Überzuges auf metallischer, hartmetallischer oder keramischer Unterlage, insbesondere auf Schneidwerkzeugen und Verschleißteilen, aus Karbiden oder Nitriden oder Karbonitriden oder Oxikarbiden oder Oxinitriden oder Oxikarbonitriden der Metalle Ti und Zr oder Ti und Hf oder Ti, Zr und Hf, der aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke von 0,2 μη bis 1 μηι besteht, dessen Gesamtschichtdicke zwischen 2 pm und 50 pm liegt und bei dem benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen, durch Gasphasenabscheidung aus Gasgemischen der Halogenide des Ti und Zr oder Ti und Hf oder Ti, Zr und Hf, H₂ und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen und/oder N₂ bzw. stickstoffhaltigen Verbindungen oder CO₂ und/oder CO und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen und/oder N₂ bzw. stickstoffhaltigen Verbindungen bei Temperaturen zwischen 900⁰C und 1200⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgasmischung mit einem Verhältnis der Stoffmengenanteile von Ti zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,1 bis 0,4 während des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveränderter Zusammensetzung sowie unveränderten Abscheideparametern kontinuierlich zugeführt wird.

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf den Verschleißschutz. Ihre Anwendung ist bei Werkzeugen und Verschleißteilen aus Metallen, Hartmetallen oder Keramik möglich. Besonders zweckmäßig ist ihre Anwendung bei Schneidwerkzeugen für die spanende Formgebung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, Werkzeuge und Verschleißteile durch Gasphasenabscheidung mit verschleißhemmenden mehrlagigen Hartstoffschichten unterschiedlicher Zusammensetzung (Schichtkombination aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxikarbiden, Oxinitriden oder Oxikarbonitriden der Metalle Al und Ti) zu versehen (DE-OS 2253745, DE-OS 2525185). Der Nachteil der so beschichteten Teile besteht darin, daß es aufgrund der zu geringen Haftfestigkeit der Schichten zum Verbundkörper zu einer Verringerung der Verschleißfestigkeit kommt. Dieser Mangel wird nach der DE-AS 2917348 durch Aufbringen einer Hartstoffschicht aus sehr vielen (30 bis ca. 750) dünnen Einzelschichten mit einer Dicke von jeweils 0,02 bis 0,1 pm vermindert. Das wird realisiert durch eine entsprechend der jeweilig abzuscheidenden Einzelschicht ständig wechselnde A'jsgangsgasmischung.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht im hohen technologischen Aufwand und langen Beschichtungzeiten. Ursache dafür sind die zur Schichtherstellung notwendigen sehr kleinen Schichtwachstumsgeschwindigkeiten, die nur im Unterdruckverfahren aufgrund des geringen Stoffangebotes pro Zeiteinheit technisch realisiert werden können. Ein Mangel dieser Schichten besteht in der verminderten mechanischen Festigkeit durch auftretende epitaktische Verwachsungen und Stengelkristalle. Die Ursache, die zum Auftreten von epitaktischen Verwachsungen und Stengelkristallen führt, ist in den sehr kleinen Schichtwachstumsraten zu suchen, die jedoch zur Herstellung dieser Schichten notwendig sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung der Verschleißfestigkeit der beschichteten Verbundkörper, Erhöhung der mechanischer. Festigkeit der Schichten und in der Absenkung des technologischen Aufwandes bei der Schichtherstellung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten Überzug anzugeben, der eine hohe Haltfestigkeit zum Verbundkörper aufweist und bei dem keine epitaktischen Verwachsungen und Stengelkristalle auftreten sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, das mit hohen Schichtwachstumsgeschwindigkeiten und im Normalü.'uckverfahren durchführbar ist.