DE102008015013A1

DE102008015013A1 - Haftfestes Schichtsystem auf CBN-Substraten

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Publication number: DE102008015013A1
Application number: DE102008015013A
Authority: DE
Original assignee: Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev; GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK
Current assignee: Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev; GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: DE102008015013B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung und die technologische Anwendung haftfester Hartstoffschichten auf CBN-Substraten, wie sie zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Zerspanungswerkzeugen in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Verwendung finden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Haftung der Schichten auf dem Substrat zu verbessern und dazu eine Schichtcharakteristik anzugeben, die insbesondere für den Hochtemperatureinsatz von Zerspanungswerkzeugen geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf das Substrat ein mehrlagiger Schichtverbund aufgebracht ist, der aus - einer ersten, dem Substrat nächsten duktilen metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr, W, - einer zweiten gradierten Übergangsschicht, z.B. aus Ti - TiN, - einer Haftschicht, bestehend aus beispielsweise TiN und - einer Hartstoffdeckschicht, z.B. TiAIN gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung und die technologische Anwendung haftfester Hartstoffschichten auf CBN-Substraten, wie sie in mannigfaltigen Formen und Zusammensetzungen zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Werkzeugen in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, insbesondere in der Metallbearbeitung, wie Drehen, Bohren, Fräsen, Schneiden und Sägen, Verwendung finden.
Bei CBN-Werkstoffen, die für Zerspanungsaufgaben wegen ihrer Härte und Verschleißfestigkeit gut geeignet sind, stellen die Ansprüche der Zerspanungstechnik mit unterbrochenem Schnitt wegen der spröden Eigenschaften von CBN-Werkstoffen ein immer wieder neues Problem dar.
Die CBN-Werkstoffe werden zur Erweiterung ihrer Einsatzbereiche schon seit neuerer Zeit mit einer Beschichtung versehen, die, angepasst an die jeweiligen Arbeitsaufgaben, verbesserte Verschleißeigenschaften erreichen lässt.
Bekannte Beschichtungen auf CBN-Werkstoffen, auch solche mit unterschiedlichen CBN-Anteilen und Binderphasen, werden verschiedentlich zur Verbesserung ihrer Hochtemperaturfestigkeit und Verschleißeigenschaften mit einem Schichtsystem versehen, die beispielsweise aus einer TiN-Grund- und einer AlTiN-Deckschicht jeweils unterschiedlicher Dicke bestehen.
Weitere bekannte Schichtsysteme, insbesondere solche für den unterbrochenen Schnitt, bestehen ebenfalls aus einer TiN- oder TiAlSiN-Grundschicht und einer darüber liegenden Decklage.
Durch eine Multilayerstruktur der Decklage, z. B. aus TiAlSiN/TiN, ergeben sich zusätzliche verbesserte Eigenschaften. Das trifft vor allem bei Hochtemperaturbeanspruchungen von mit CBN bestückten Zerspanungswerkzeugen zu.
Bei diesen Mehrfachschichten kommen in unterschiedlichen Variationen auch Nitrid- und Carbonitridschichten der Elemente Ti, Zr, Cr und V sowie Al, Si und B zum Einsatz, wobei neben den gewählten bzw. bestimmten Schichtdicken und der am CBN-Substrat vorhandenen Rauhigkeit die Anwendungseigenschaften beeinflusst werden.
Eine besondere Bedeutung bei der Abscheidung von Beschichtungen auf CBN-Werkzeugen kommt der festen Haftung der Schichten auf dem harten, aber auch spröden CBN-Substrat zu.
Neben anderen Modifikationen zur Verbesserung der Haftfestigkeit sind es vor allem die Substrat-BIAS-Spannung zur Beeinflussung der Ionenenergie, die zur Anwendung kommende Beschichtungstemperatur sowie Gasdruck und Kathodenabstand. Eine verbesserte, höhere Haftfestigkeit kann, wie das in der Fachwelt ebenfalls üblich ist, durch ausgewählten Abgleich der chemischen Zusammensetzung, der Menge der thermischen Energie und der Oberflächenaktivierung beeinflusst werden.
Auch zusätzliche Legierungselemente, wie Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und Al, aber auch die Vorbehandlung, wie beispielsweise das Aufrauen der Oberfläche und die Ionenätzung, können die Anpassung der Haftung und auch die üblichen Schichteigenschaften verbessern. Die Anwendung einer sog. Anbindungsschicht stellt ebenfalls ein Element zur Verbesserung der Funktionseigenschaften durch Beschichtung bei CBN-Werkstoffen dar.
Das Ziel der Erfindung wird darin gesehen, in Anbetracht der unterschiedlichen Eigenschaften von Schichtkombinationen vorgenannter Charakteristik, die Haftung der Schichten auf dem Substrat zu verbessern und eine Schichtcharakteristik anzugeben, die insbesondere für Hochtemperatureinsatz der Zerspanungswerkzeuge geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schichtsystem gelöst, bei dem auf einem Substrat aus CBN ein mehrlagiges Schichtsystem als Schichtverbund, bestehend aus

– einer ersten duktilen metallischen Schicht, z. B. Ti, Cr, V, Zr, W,
– einer zweiten gradierten Übergangsschicht, z. B. Ti – TiN,
– einer Haftschicht, bestehend aus beispielsweise TiN und schließlich
– einer Hartstoffdeckschicht, z. B. TiAlN

Die einzelnen Schichten besitzen nach der Erfindung eine entsprechend ausgewogene Schichtdicke und zwar in Größenordnungen, wie sie in der zugehörigen Zeichnung an zwei Darstellungen eines Schichtverbundes angegeben sind.
Die Zeichnung stellt in 1 ein Schichtsystem gemäß dem Stand der Technik dar, während in 2 das Schichtsystem als Schichtverbund gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
Zur Abscheidung des in Vorschlag gebrachten Schichtverbundes, d. h. zur Abscheidung eines Haftvermittler-Verbundschichtsystems nach der Erfindung finden die folgenden Prozessschritte und stofftechnischen Verfahrensparameter Anwendung.

1. Ätzen der CBN-Substratoberfläche mit Metallionen zum Zwecke der Aktivierung der Oberfläche des CBN-Substrates;
2. Abscheiden einer duktilen metallischen Grundschicht auf das CBN-Substrat zur Verbesserung der Schichthaftung;
3. Abscheiden einer gradierten Übergangsschicht auf die duktile Grundschicht zum Ausgleich der mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften zwischen CBN-Grundwerkstoff, duktiler metallischer Grundschicht und Hartstoffdeckschicht;
4. Abscheiden einer Haftvermittlerschicht zur Vermittlung der Adhäsions- und Haftkräfte zwischen gradierter Übergangsschicht und Hartstoffschicht bzw. Hartstoffschichtsystem;
5. Abscheiden der Hartstoffschicht nach üblichen Beschichtungsverfahren.

Claims

Haftfestes Hartstoff-Schichtsystem auf CBN-Substraten, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat ein mehrlagiger Schichtverbund aufgebracht ist, der aus – einer ersten, dem Substrat nächsten duktilen metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr, W, – einer zweiten gradierten Übergangsschicht, z. B. aus Ti – TiN, – einer Haftschicht, bestehend aus beispielsweise TiN und – einer Hartstoffdeckschicht, z. B. TiAlN gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale – Ätzen des CBN-Substrates zur Oberflächenaktivierung – Abscheidung einer duktilen Grundschicht aus einem metallischen Werkstoff – Abscheidung einer gradierten Übergangsschicht mit einem Übergang von reinem Metall zu einer Hartstoffschicht, z. B. Nitridschicht – Abscheidung einer Nitridhaftschicht zur Anbindung der eigentlichen Hartstoffschicht
Haftfestes Hartstoff-Schichtsystem nach dem Verfahren zur Erzeugung des mehrlagigen Schichtverbundes für Hartmetalle als Substrat