DE10123554A1 - Verfahren zur Erhöhung der Druckspannung oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer CVD-, PCVD- oder PVD-Schicht und Schneideinsatz zum Zerspanen - Google Patents
Verfahren zur Erhöhung der Druckspannung oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer CVD-, PCVD- oder PVD-Schicht und Schneideinsatz zum ZerspanenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannung oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer äußeren oder einer äußersten, mittels CVD, PCVD oder PVD auf einen Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstratkörper aufgetragenen Hartstoffschicht, bei dem der beschichtete Substratkörper nach dem Beschichten einer trockenen Strahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzogen wird, das erfindungsgemäß einen maximalen Durchmesser von 150 mum aufweist.
Description
Verfahren zur Erhöhung der Druckspannung oder zur Erniedrigung
der Zugeigenspannung einer CVD-, PCVD- oder PVD-Schicht und
Schneideinsatz zum Zerspanen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Druckei
genspannung oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer
äußeren oder einer äußersten, mittels CVD, PCVD oder PVD auf
einen Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstratkörper aufge
tragenen Hartstoffschicht, bei dem der beschichtete Substrat
körper nach dem Beschichten einer trockenen Strahlbehandlung
unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzogen wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen Schneideinsatz zum Zerspa
nen, der aus einem Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstrat
körper mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbi
den, Nitriden, Carbonitriden, Oxicarbonitriden und/oder Bori
den der Elemente der IVa bis VIa-Gruppe des Periodensystems,
borhaltigen Hartstoffverbindungen und/oder oxidischen Verbin
dungen des Aluminiums und/oder des Zirkoniums besteht, die
mittels eines PCVD- oder CVD-Verfahrens aufgetragen worden
sind.
Hartmetalle besitzen eine aus Cobalt und/oder Nickel beste
hende Bindephase sowie eine Hartstoffphase, die z. B. WC, TiC,
TaC, NbC, VC und/oder Cr3C2 aufweisen kann.
Demgegenüber unterscheiden sich die Cermets durch einen star
ken Anteil einer TiCN-Phase, der jedoch auch andere Carbide
und/oder Nitride zugehören können. Bindemetalle sind auch hier
die Elemente der Eisengruppe, zumeist Co und/oder Ni.
Keramiken, insbesondere für Zerspanungszwecke bestehen meist
aus Al2O3 und/oder ZrO2. Je nach Zerspanungsoperation und zu
bearbeitendem Werkstück kann die Verschleißbeständigkeit
(Standzeit) durch ein- oder mehrlagige Beschichtungen der
obengenannten Zusammensetzung gesteigert werden. Die Beschich
tung läßt sich mittels eines physikalischen Aufdampfverfahrens
(PVD) oder eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) auftra
gen, wobei das CVD-Verfahren oder - in einer Weiterentwick
lung - das sogenannte plasmaunterstützte CVD-Verfahren (PCVD)
den Vorteil einer gleichmäßigeren Ablagerung hat, die die bei
PVD-Verfahren auftretenden Schattierungseffekte vermeiden.
Die Mikrostruktur, die Eigenspannungen und die Haftfestigkeit
von ein- oder mehrlagigen Schichten ist stark von den jeweils
angewandten Beschichtungsverfahren und den verwendeten
Beschichtungsparametern abhängig. In der Vergangenheit gewon
nene Erfahrungen zeigen, daß mittels CVD abgeschiedene
Beschichtungen im Regelfall Zugspannungen aufweisen, während
durch PVD-Verfahren aufgetragene Beschichtungen Druckspannun
gen besitzen. Zur Verbesserung der Bruchfestigkeit wird bei
spielsweise in der WO 92/05296 vorgeschlagen, eine CVD-Schicht
bzw. mehrere CVD-Schichten mit einer oder mehreren durch PVD
abgeschiedenen Schichten zu kombinieren, wobei als Material
für die inneren, mittels CVD abgeschiedene Schicht, Nitride
des Titans, Hafniums und/oder Zirkoniums und für die mittels
PVD abgeschiedene Schicht Nitride und Carbonitride der genann
ten Metalle vorgeschlagen werden. Eine solche Beschichtung muß
jedoch nachteiligerweise in unterschiedlichen Apparaturen
durchgeführt werden, was arbeitsaufwendig und kostspielig ist.
In der DE 197 19 195 A1 wird daher vorgeschlagen, eine mehrla
gige Beschichtung durch einen ununterbrochenen CVD-Prozeß bei
Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C durch jeweiligen Wech
sel der Gaszusammensetzung abzuscheiden. Die äußere Schicht
(Deckschicht) besteht aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht
aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden auf Zr- oder
Hf-Basis, die mittels CVD aufgetragen worden ist und die
innere Druckspannungen aufweist und deren darunterliegende,
ebenfalls mittels CVD aufgetragene Schicht oder Schichten aus
nahmslos innere Zugspannungen aufweisen, wobei mindestens eine
oder die einzige darunterliegende Schicht aus TiN, TiC
und/oder Ti(C,N) besteht. Die in den äußeren Schichten oder
der äußeren Schicht gemessenen Druckspannungen liegen zwischen
-500 und -2500 MPa (Druckspannungen werden definitionsgemäß
mit negativen Werten im Gegensatz zu Zugspannungen, für die
positive Werte angesetzt werden, benannt).
Nach dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, beschich
tete Substratkörper nach der Beschichtung einer Oberflächenbe
handlung zu unterziehen. Gängige mechanische Behandlungsver
fahren sind das Bürsten und die Strahlbehandlung, bei der die
verwendeten kugelförmigen Strahlmittel mit Korngrößen von
300 µm bis 600 µm mittels Preßluft unter einem Druck von
2 × 105 Pa bis 4 × 105 Pa auf die Oberfläche gerichtet werden.
Eine solche Oberflächenbehandlung erhöht die Druckeigenspan
nungen der äußersten Schicht durch eintretende Verfestigung
geringfügig. Hiermit will man störenden Rißbildungen und Aus
breitungen, Korrosion und Abplatzungsreaktionen entgegenwir
ken.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Rißanfällig
keit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit von
beschichteten Verbundwerkstoffen, insbesondere Schneidkörpern,
durch geeignete Maßnahmen zu erhöhen und einen verbesserten
Schneideinsatz zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß besitzt das Strahlmittel einen maximalen
Durchmesser von 150 µm, vorzugsweise von maximal 100 µm. Über
raschenderweise führt die Verwendung von derart feinkörnigen
Strahlmitteln, die trocken ohne Wasser oder sonstigen Flüssig
keitszusatz verwendet werden, zu dem überraschenden Ergebnis,
daß die Druckspannungen der äußeren Schicht in weitaus stärke
rem Maße erhöht werden bzw., sofern die äußere Schicht innere
Zugspannungen aufweist, die Zugspannungen mittels der
trockenen Strahlbehandlung deutlich minimiert werden können
bis hin zur Umkehrung in eine Druckspannung in der äußeren
Schicht. Je nach Dauer und Intensität der Strahlbehandlung
ändert sich auch in gleichförmiger Weise die innere Spannung
der unter der Deckschicht liegenden Schichten bis hin zur
Beeinflussung der oberflächennahen Randzonen des Substratkör
pers. Im Idealfall kann somit ein Verbundkörper mit einer
mehrlagigen Beschichtung durch trockene mechanische Strahlbe
handlung erzeugt werden, dessen Schichten ausnahmslos innere
Druckspannungen aufweisen, wobei die Deckschicht eine inten
sive Verfestigung und damit erhöhte Verschleißbeständigkeit
erfahren hat. Die feinkörnigen pulverartigen Strahlmittel sind
auch im wesentlichen nicht, zumindest aber deutlich weniger
abrasiv als die bisher nach dem Stand der Technik verwendeten
groberen Körnungen. Ein weiterer Vorteil dieser trockenen
Strahlbehandlung liegt darin, daß die Schichtoberfläche
erheblich besser geglättet wird als dies durch bisherige
Strahlbehandlung oder Bürsten erreichbar war.
In der WO 99/23275 wird zwar die Verwendung eines aus
Al2O3-Partikeln mit einer Größe von 30 µm bestehenden Strahl
mittels vorgeschlagen, jedoch soll dies in Form einer Suspen
sion als Naßstrahlmittel angewendet werden, das unter einem
Druck von 2 bis 6 bar (× 105 Pa), vorzugsweise 3 bar benutzt
werden soll. Die dort beschriebene Naßstrahlbehandlung bezieht
sich jedoch ausschließlich auf die konkrete Schichtfolge mit
einer unteren Al2O3-Schicht, auf der eine äußere Schicht aufge
tragen worden ist, die aus TiN oder einer Viellagenschicht aus
TiN/TiC besteht. Das zur Beschichtung verwendete CVD-Verfahren
führt augenscheinlich zu (Zug-)Spannungen, die mittels des
Naßstrahlens minimiert werden sollen. Das Naßstrahlen mit
einem Al2O3-Abrasionsmittel dient jedoch primär der Ober
flächenglättung, wohingegen die erzielbare Änderung der inne
ren Spannungen gegenüber einer Trockenstrahlbehandlung deut
lich minimiert ist.
Dies wird auch daran deutlich, daß in dieser Druckschrift die
Befürchtung ausgesprochen wird, daß eine unmittelbar auf eine
Al2O3-Schicht abgeschiedene TiN-Schicht eine nur geringe Haft
festigkeit hat, weshalb vorzugsweise eine Zwischenlage aus
(Ti, Al)(C, O, N) bevorzugt werden sollen.
Entsprechendes gilt auch für das in der EP 0 727 510 A2
beschriebene Naßstrahlbehandeln einer Aluminiumoxid-Beschich
tung. Das an der Oberfläche vorliegende x-Aluminiumoxid soll
abschließend bei einer Temperatur von 900°C bis 1100°C für 0,3
bis 10 Stunden wärmebehandelt werden, um das naßgestrahlte
κ-Aluminiumoxid in α-Aluminiumoxid umzuwandeln.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
So weist das Strahlmittel zumindest im wesentlichen eine rund
liche Korngestalt auf, dessen Durchmesser vorzugsweise zwi
schen 5 bis 150 µm, weiterhin vorzugsweise zwischen 10 bis
100 µm liegt. Bei jeweils größeren Körnungen besteht die
Gefahr einer stärkeren Abrasion der aufgetragenen Deckschicht
bis hin zu einem völlig unerwünschten Abtragen dieser äußeren
Deckschicht sowie angrenzender darunterliegender Schichten.
Bei kleineren Strahlmittel-Korngrößen reduziert sich demgegen
über die abrasive Wirksamkeit der trockenen Strahlmittelbe
handlung erheblich.
Als Strahlmittel wird vorzugsweise druckverdüster Stahl, Guß
eisengranulat, Schwermetallpulver oder hieraus hergestellte
Legierungen oder Hartmetallgranulate und/oder bruchfeste Kera
mik verwendet. Diese Strahlmittel zeichnen sich durch eine
große Bruchfestigkeit aus, so daß ein Zerspringen der Körner
zu scharfkantigen kleineren Körnern, die dann die Verbundkör
peroberfläche stärker beschädigen können, vermieden wird.
Nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung wird das oder
werden die Strahlmittel mittels Preßluft unter einem Druck von
mindestens 5 × 105 Pa bis maximal 106 Pa, vorzugsweise zwischen
6 × 105 Pa bis 7 × 105 Pa auf den beschichteten Substratkörper
gerichtet. Die verwendeten Strahldrucke liegen damit erheblich
über den üblicherweise nach dem Stand der Technik (bei Verwen
dung eines grobkörnigeren Strahlmittels) verwendeten Drucken.
Grundsätzlich ist es möglich, daß Strahlmittel unter beliebi
gen Winkeln auf die Verbundkörperoberfläche zu richten, jedoch
erhöht sich die Wirkung, wenn das Strahlmittel im wesentlichen
senkrecht auf die Verbundkörperoberfläche gerichtet wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Strahlbehand
lung so lange durchgeführt, bis auch die unter einer äußeren
Schicht oder einer äußersten Schicht liegenden Bereiche bzw.
Schichten, vorzugsweise bis in die oberflächennahen Zonen des
Substratkörpers hinein, eine Veränderung der inneren Spannun
gen, d. h. entweder Erhöhung der Druckspannungen oder Minimie
rung der Zugspannungen erfahren haben. Durch entsprechende
Wahl des Strahldruckes und Behandlungsdauer lassen sich somit
gezielt auch die inneren Spannungen der unter der Deckschicht
liegenden Schichten beeinflussen.
Überraschenderweise konnten mit einem Schneideinsatz gemäß
Anspruch 7 erheblich verbesserte Standzeiten beim Zerspanen
erreicht werden. Erstmals ist es gelungen, in einer äußeren
bzw. äußersten Schicht, die mittels PCVD oder CVD aufgetragen
worden ist, Druckeigenspannungen zu erzeugen, die ≧ 4 GPa, vor
zugsweise 4,5 bis 10 GPa betragen. Solche Druckeigenspannungen
waren bisher allenfalls in PVD-Schichten, die nachbehandelt
worden sind, erreichbar.
Der Substratkörper kann ein Hartmetall, ein Hartmetall mit
einem Randzonengradienten, ein Cermet oder eine Oxid- oder
Nitridkeramik sein. Der Substratkörper wird vorzugsweise mit
einer Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Oxi
carbonitriden und/oder Boriden der Elemente der IVa bis
VIa-Gruppe des Periodensystems, borhaltigen Hartstoffverbin
dungen und/oder oxidischen Verbindungen des Aluminiums
und/oder Zirkoniums beschichtet. Die Schichtdicke einer ein
zelnen Schicht liegt zwischen 0,1 µm und maximal 10 µm. Die
Gesamtschichtdicke einer mehrlagigen Beschichtung soll bevor
zugt ≦ 20 µm betragen.
Die Druckeigenspannungen werden röntgenographisch nach dem
sin2ψ-Verfahren gemessen. Das Verfahren wird beispielsweise in
der Veröffentlichung HTM43 (1988) 4, Seiten 208 bis 211,
"Röntgenographische Eigenspannungsmessungen an texturbehafte
ten PVD-Schichten aus Titancarbid" von B. Eigenmann,
B. Scholtes und E. Macherauch.
Die erfindungsgemäß gemessenen Eigenspannungswerte werden an
mindestens einer Gitterebene erreicht. Die vorgeschlagene
Strahlbehandlung erfaßt zumindest den gesamten für die jewei
ligen Zerspanungsoperationen verwendeten Schneidenbereich
eines Schneideinsatzes.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie
len näher erläutert:
Schneidkörper des Typs CNMG 120412 mit Spanformrille für mitt
lere bis mittelschwere Schnittbedingungen aus P 20 Hartmetall
(WC/TaC/NbC/TiC/7,5% Co) mit mischcarbidfreier Randzone und
einer am Substrat beginnenden CVD-Beschichtung
TiN-TiCN(MT CVD)-Al2O3-ZrCN bei einer Gesamtschichtdicke von
18 µm wurden nach der Beschichtung einer Trockenstrahlbehand
lung nach dem Injektor-Gravitations-Strahlverfahren mit Zir
konoxidkeramik-Granulat, druckverdüstem Stahlpulver und gesin
tertem Hartmetallsprühgranulat unterworfen, die Eigenspannun
gen nach dem sin2ψ-Verfahren röntgendiffraktometrisch an
jeweils mindestens zwei Gitterebenen bestimmt (die darauf
gebildeten Mittelwerte sind in der Tabelle 1 angegeben) und im
Drehtest mit stark unterbrochenen Schnitt (Leistendrehtest)
auf rostfreiem martensitischem Stahl auf Schneidhaltigkeit
geprüft (v = 150 m/min. ap = 2,0 mm, f = 0,35 mm/U):
Zur Verbesserung des Glätteffektes wurde für die Stahlbehand
lung mit Hartmetallgranulat gemäß obenstehender Tabelle ca.
5% Gußhartmetallsplitt in der Körnung 50-100 µm als abrasiv
wirkende Komponente zugemischt. Unter den gleichen Bedingun
gen, wie sie für Hartmetallgranulat oben beschrieben sind,
vermindert sich die Rauhtiefe um ca. 1/3. Die Änderung der
Eigenspannungen bleibt davon unbeeinflußt.
Schneidkörper des Typs SEKN 1203 AF. N mit umlaufender Spanflä
chenfase (15°/0,2 mm) aus K 20 Hartmetall (WC/6,2% Co) mit
einer am Substrat beginnenden CVD-Beschichtung
TiN-TiCN(MT CVD)-Al2O3-TiN mit einer Gesamtschichtdicke von
11 µm wurden nach der Beschichtung einer Trockenstrahlbehand
lung nach dem Injektor-Gravitations-Strahlverfahren mit Stahl
kies, Hartmetallgranulat und Wolframmetallpulver unterworfen,
wie in Beispiel 1 beschrieben, Eigenspannungen bestimmt und im
Einzahn-Frästest (Planfräsen) auf Kugelgraphitguss GGG60 auf
Schneidhaltigkeit geprüft (v = 250 m/min. ap = 2,0 mm,
fz = 0,25 mm/Zahn, vf = 200 mm/min) (siehe Tabelle 2):
Die vorstehenden Tabellen zeigen, daß eine Trockenstrahlbe
handlung erhebliche Standzeitverbesserungen der Schneidkörper
bewirkt. Die besten Ergebnisse konnten mit druckverdüstem
Stahlpulver, Hartmetallgranulat und Wolframpulver erreicht
werden.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannung oder zur
Erniedrigung der Zugeigenspannung einer äußeren oder einer
äußersten, mittels CVD, PCVD oder PVD auf einen Hartme
tall-, Cermet-, oder Keramiksubstratkörper aufgetragenen
Hartstoffschicht, bei dem der beschichtete Substratkörper
nach dem Beschichten einer Trockenstrahlbehandlung unter
Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlmittel einen maximalen Durchmesser von
150 µm, vorzugsweise von maximal 100 µm aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Strahlmittel zumindest im wesentlichen eine rundliche
Korngestalt aufweist, dessen Durchmesser vorzugsweise zwi
schen 5 bis 150 µm, weiterhin vorzugsweise 10 bis 100 µm
liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Stahlmittel druckverdüster Stahl, Gußeisengranu
lat, Schwermetallpulver oder hieraus hergestellte Legie
rungen oder Hartmetallgranulate und/oder bruchfeste Kera
miken verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das oder die Strahlmittel mittels
Preßluft unter einem Druck von mindestens 5 × 105 Pa bis
maximal 106 Pa, vorzugsweise 6 × 105 Pa bis 7 × 105 Pa auf
den beschichteten Substratkörper gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Strahlmittel im wesentlichen senk
recht auf die Substratkörperoberfläche gerichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlbehandlung so lange durchge
führt wird, bis auch die unter einer äußeren Schicht oder
einer äußersten Schicht liegenden Bereiche, vorzugsweise
bis in die oberflächennahen Zonen des Substratkörpers
hinein, eine Absenkung der inneren Zugspannungen (entweder
Erhöhung der Druckspannungen oder Minimierung der Zugspan
nungen) erfahren haben.
7. Schneideinsatz zum Zerspanen, bestehend aus einem Hartme
tall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper mit einer ein-
oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Car
bonitriden, Oxicarbonitriden und/oder Boriden der Elemente
der IVa bis VIa-Gruppe des Periodensystems, borhaltigen
Hartstoffverbindungen und/oder oxidischen Verbindungen des
Aluminiums und/oder Zirkoniums, die mittels eines PCVD-
oder CVD-Verfahrens aufgetragen worden sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckeigenspannung in der äußeren
bzw. äußersten Schicht 4 GPa, vorzugsweise 4,5 bis
10 GPa beträgt.
8. Schneideinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Substratkörper aus einem Hartmetall mit einer sich
zu seiner oberflächennahen Randzonen ändernden Hartstoff
zusammensetzungen oder -gehalt (Hartstoffgradient)
besteht.
9. Schneideinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Substratkörper einer Oxid- oder Nitridkeramik ist.
10. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schichtdicke einer einzelnen
Schicht mindestens 0,1 µm und maximal 10 µm und/oder bei
einer mehrlagigen Beschichtung die Gesamtschichtdicke
≦ 20 µm beträgt.
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