DE10011583A1 - Beschichtung für Werkzeuge, Stempel oder ähnliches, sowie mit einer derartigen Beschichtung versehene Werkzeuge und Stempel - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Beschichtung für Werkzeuge, Stempel oder ähnliches vor, die der Verbesserung der Verschleißfestigkeit dient. Sie ist aus Chromnitrid in Verbindung mit einer zweiten, aus Niobnitrid und Tantalnitrid ausgewählten Komponente gebildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug und einen Stempel, die mit einer Beschichtung der erwähnten Art versehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Beschichtung bzw. ei­ nen Überzug vor, die bzw. der in der Lage ist, die Ver­ schleißfestigkeit von Werkzeugen, Stempeln oder ähnlichem be­ trächtlich zu erhöhen, insbesondere bei Werkzeugen und Stem­ peln, die einem Verschleiß durch Abrieb bzw. Reibung unter­ liegen.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Beschichtung besteht darin, dass sie Chromnitrid in Verbindung mit einer zweiten Komponente umfasst, welche zwischen Niobnitrid und Tantalnitrid ausgewählt ist, wobei insbesondere eine Mehrzahl alternierender Schichten dieser beiden Materialien vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft außerdem das Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung, welches die Anwendung der Lichtbogentechno­ logie vorsieht.

Der Gebrauch aus harten Materialien bestehender Schichten zur Verbesserung der mechanischen Oberflächeneigenschaften von Werkzeugen, Pressstempeln oder ähnlichem ohne Modifikation der Dimensionen und des Gewichts ist bekannt.

Zu diesem Zweck sind verschiedene Arten von Beschichtungen bekannt, die die Anwendung von Titannitrid, Aluminiumnitrid, Chromnitrid oder anderer Materialien höherer Härte und Fes­ tigkeit vorsehen, wobei diese Materialien in Schichtdicken von wenigen Mikron (Mikrometer) auf die Oberfläche der Werk­ zeuge aufgebracht werden, um deren Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß oder Korrosion zu erhöhen oder, hin und wieder, einfach um die Ästhetik des Produktes zu verbessern.

Beispielsweise wird Chromnitrid dort verwendet, wo sich Ver­ schleißprobleme korrosiver Art ergeben, wie beim Pressen von Kunststoffmaterialien oder auf dem Lebensmittelsektor, oder auf die adhäsiven Eigenschaften des Materials zurückzuführen­ de Verschleißprobleme, wie sie beim Pressen von Eisenmateria­ lien auftreten.

Neben guter antikorrosiver Eigenschaften und einem niedrigen Reibungskoeffizient hat Chromnitrid allerdings eine weniger große Härte, was seinen Einsatz dort begrenzt, wo starke Ver­ schleißprobleme auftreten.

Um die mechanischen Eigenschaften einiger Arten von Beschich­ tungen zu verbessern, sind in zurückliegender Zeit mehr­ schichtige Beschichtungen vorgenommen worden, die beispiels­ weise die Verwendung von Titannitrid-Schichten und Chromnit­ rid-Schichten vorsehen, jeweils mit einer Dicke von ca. 0,5 Mikron, wodurch man Beschichtungen mit großer Härte und ver­ besserter Zähigkeit erhält.

Die Zähigkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt des Materi­ als, da es die Materialzähigkeit ist, die direkt die Haltbar­ keit der Beschichtung beeinflusst und die der Ausbreitung von Rissen entgegenwirkt, auf denen dann die Zerstörung beruht.

In einem Metall ist die Zähigkeit Funktion der Materialstruk­ tur und der Korngrößen. Die Rissausbreitung geschieht an den Korngrenzen, wo die Struktur weniger widerstandsfähig ist, aus welchem Grund eine feine Struktur im Vergleich zu einer Struktur mit großen Körnern eine höhere Zähigkeit besitzt.

Daraus folgt, dass in einer Mehrschicht-Beschichtung die Korndimensionen geringer sind, verglichen mit denjenigen der einzelnen Komponenten, wobei die Zwischenfläche zwischen den einzelnen Schichten die Rissausbreitung verhindert.

Auf Grundlage dieser Betrachtungen haben nun die Anmelder fundierte Recherchen und zahlreiche Versuche durchgeführt, um eine Beschichtung zu entwickeln, die in der Lage ist, die Verschleißfestigkeit bzw. -widerstandsfähigkeit von Werkzeu­ gen beträchtlich zu verbessern. Die ausgeführten Studien ha­ ben festzustellen ermöglicht, dass sich die gesuchten Resul­ tate bei einer Beschichtung einstellen, die sich aus einer Mehrzahl abwechselnder Schichten aus Chromnitrid und in Ver­ bindung mit einer zweiten, aus Niobnitrid und Tantalnitrid ausgewählten Komponente zusammensetzt.

Die auch als Überzug bezeichenbare Beschichtung kann auch ei­ nen gewissen Prozentsatz reiner Metalle dieser Art (Chrom, Niob und/oder Tantal) umfassen, mit einem Atomgehalt an Chrom, der von 50% bis 80% variieren kann.

Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass die erfin­ dungsgemäße Beschichtung es ermöglicht, eine im Vergleich zu bekannten Beschichtungen wesentlich höhere Härte zu erhalten, zusätzlich zu einer Sicherstellung einer verbesserten Funkti­ onsweise des Werkzeuges oder des Stempels.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird die Beschichtung unter Anwendung der Bogen- bzw. Lichtbogentech­ nologie aufgebracht, wobei man die Metalle bzw. Metallquellen durch einen Elektrobogen aufdampft.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft und nicht einschränkend detaillierter beschrieben, wobei auf die beige­ fügte Zeichnung Bezug genommen wird, in der

Fig. 1 schematisch ein Gerät zur Aufbringung der erfin­ dungsgemäßen Beschichtung illustriert und

Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das die Härte der Beschichtung in Abhängigkeit von der Dicke der Schichten zeigt, aus denen sie sich zusammensetzt.

Die Beschichtung gemäß der Erfindung besteht, wie vorstehend erläutert, aus einer Reihe von abwechselnden Schichten aus Chromnitrid und einer zweiten, aus Niobnitrid und Tantalnit­ rid ausgewählte Komponente. Die Beschichtung kann auch eine gewisse Menge dieser Metalle in Reinform umfassen, vorzugs­ weise mit einem gesamten atomischen Gehalt von Chrom, der von 50% bis 80% variieren kann.

Im wesentlichen könnte die erfindungsgemäße Beschichtung die folgenden Formeln aufweisen:

CrN+NbN; (I)

CrN+Cr+NbN+Nb; (II)

CrN+TaN; (III)

CrN+Cr+TaN+Ta, (IV)

wobei 0,5<Cr<0,8 ist.

Es sind fundierte Untersuchungen unter Anwendung dieser Mate­ rialien in einem sehr weiten Dickenbereich durchgeführt wor­ den und bei diesen Untersuchungen ist es gelungen, herauszu­ finden, dass man die besten Ergebnisse erhält mit Perioden (mit Periode ist die Gesamtdicke zweier Schichten der Be­ schichtung gemeint) in der Größenordnung einiger zehn Ångström (10^-4 Mikron bzw. Mikrometer).

Wie man aus der Grafik der Fig. 2 entnehmen kann, ergibt sich das beste Resultat insbesondere bei Perioden im Bereich zwischen 30 und 50 Ångström, mit einem Maximum bei Werten ge­ ringfügig oberhalb 40 Ångström, wo man eine Härte von 2900 HV erreicht.

Die Beschichtung wird ausgeführt mit der Bogentechnologie, die im allgemeinen für diese Art von Anwendungen als weniger geeignet eingestuft wird, bei denen gegenwärtig die "Magne­ tron"-Technologie zum Einsatz kommt, welche wesentlich kom­ plexer und kostenaufwendiger ist. Entgegen den Erwartungen hat jedoch der Auftrag des Überzuges mit der Elektrobogen­ technologie optimale Resultate hervorgebracht.

Das verwendete Gerät enthält eine Kammer bzw. einen Raum 1, mit Mitteln bzw. Geräten, die geeignet sind, um in seinem In­ nern ein höheres Maß an Vakuum zu erzeugen und aufrechtzuer­ halten, sowie drei oder mehr Quellen 2 für Metallmaterial, gespeist von Energiequellen bzw. -stationen bekannter Art, die im einzelnen nicht dargestellt sind.

Der Raum ist mit Gerätschaften bekannter Art verbunden, die der Zufuhr eines Gases (Argon oder Stickstoff) dienen, und am Boden ist ein drehbarer Tisch 3 vorgesehen, auf dem die zu beschichtenden Teile 4 angeordnet werden.

Die Beschichtung geschieht, indem man die metallischen Quel­ len mittels eines elektrischen Bogens bzw. Lichtbogens hoher Intensität und niedriger Spannung evaporieren lässt und gleichzeitig eine gewisse Menge Gas in den besagten Raum ein­ leitet.

Ist der Tisch einmal negativ aufgeladen, werden die verdampf­ ten Atome zum jeweiligen Teil 4 hin angezogen. Unterwegs, al­ so während der Zurücklegung der Wegstrecke zum betreffenden Teil 4, verbinden sie sich derart mit Stickstoffatomen, dass sich auf dem Teil 4 eine Chromnitridschicht oder eine Niob­ nitrit- oder Tantalnitrid-Schicht ablagert, entsprechend der verwendeten Metallbasis bzw. -quelle.

Die Dicke der Schichten wird somit reguliert, indem man die Verdampfung der metallischen Quellen, den Gasfluss und die Drehgeschwindigkeit des Tisches steuert bzw. kontrolliert.

Aus den bezüglich des erfindungsgemäßen Überzuges erfolgten Maßnahmen hinsichtlich Korrosion und Oxidationsfestigkeit er­ gibt sich, dass der besagte Überzug, außer dass er gegenüber bekannten Beschichtungen eine wesentlich höhere Härte besitzt (2900 HV gegenüber 2200 HV der Chromnitridbeschichtungen), eine wesentlich höhere Korrosionsfestigkeit aufweist und, überdies, erst bei 900° zu oxidieren beginnt.

Daraus folgt, dass die erfindungsgemäße Beschichtung auch be­ sonders für Anwendungen auf dem Gebiet des Gesenkschmiedens bzw. Formpressens sowie des Druckgießens bzw. Spritzgießens geeignet ist.

Noch bessere Resultate wurden bei Tiefzieh-Untersuchungen er­ zielt, bei denen der Nachweis gelungen ist, dass ein erfin­ dungsgemäß beschichteter Stempel in der Lage ist, eine mehr als doppelt so hohe Anzahl von Teilen zu bearbeiten als Stem­ pel mit Titannitrid-Beschichtung, bei denen es sich gegenwär­ tig um die am meisten verwendeten auf dem betreffenden Anwen­ dungsgebiet handelt.

Man geht davon aus, dass diese Merkmale auf die Tatsache zu­ rückzuführen sind, dass die erfindungsgemäße Beschichtung in beträchtlichem Maße die Probleme des Festklebens bzw. Anhaf­ tens verringert, die die Lebensdauer der nicht beschichteten Stempel beeinträchtigen.

Aus den Ergebnissen der durchgeführten Untersuchungen konnte man tatsächlich entnehmen, dass die Beschichtung den gerings­ ten Reibungskoeffizient für Kristalle mit 2,2,0-Orientation aufweist.

Außer dass die erfindungsgemäße Beschichtung oft geringere Kosten als die mit diversen Technologien aufgebrachten be­ kannten Beschichtungen verursacht, erlaubt sie die Erzielung beträchtlich höherer Leistungen.

Die Tatsache, dass man Temperaturen unter 300°C anwenden kann, erlaubt außerdem die Behandlung beliebiger Arten von Stahl, ohne das Risiko einzugehen, dass dieser ausglüht.

Die erfindungsgemäße Beschichtung ist deshalb auch besonders geeignet für die Behandlung von Hochgeschwindigkeitsstählen oder anderen behandelten Stählen, die bei der Herstellung von Werkzeugen eingesetzt werden, ohne geringste Einflussnahme auf die zuvor durchgeführten Behandlungen.

Ein Fachmann des betreffenden Gebietes könnte ohne weiteres verschiedene Modifikationen und Varianten vorsehen, die sich sämtliche innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung bewegen.

Claims (9)

1. Beschichtung für Werkzeuge, Stempel oder ähnliches, zur Verbesserung deren Verschleißfestigkeit, dadurch gekennzeich­ net, dass sie aus Chromnitrid in Verbindung mit einer zwei­ ten, aus Niobnitrid und Tantalnitrid ausgewählten Komponente gebildet ist.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mehrzahl abwechselnder Schichten von Chromnitrid und einer zweiten, aus Niobnitrid und Tantalnit­ rid ausgewählten Komponente gebildet ist.

3. Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie auch eine gewisse Menge an reinem Chrom und Niob oder Tantal umfasst.

4. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Atomgehalt an Chrom bei 50% bis 80% liegt.

5. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke zweier benachbarter Schichten zwischen etwa 30 Ångström und etwa 50 Ångström liegt, vorzugsweise zwischen 30 Ångström und 50 Ångström.

6. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle der Schichten eine 2,2,0- Orientierung haben.

7. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels Lichtbogenauftrag erzeugt wurde.

8. Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beschich­ tung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

9. Stempel, insbesondere Pressstempel, dadurch gekennzeich­ net, dass er eine Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.