DE102008019202A1

DE102008019202A1 - Beschichtungsverfahren , Werkstück oder Werkzeug und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102008019202A1
Application number: DE102008019202A
Authority: DE
Inventors: Ralf Tabersky; Mirjam Dr. Arndt
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-10-22
Also published as: WO2009127344A1; US20110020079A1; JP2011517733A; EP2268843A1; RU2010146622A; CN101981222A; US8702912B2; MX2010011294A; KR20100135806A; BRPI0910657A2; CA2716619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Grundkörpers aus Hartmetall, einem Cermet, aus Stahl oder aus Keramik mit mindestens einer Ti1-XAlXN-Schicht mittels eines Sputterverfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkstück oder Werkzeug und dessen Verwendung, welches nach dem oben genannten Verfahren beschichtet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Beschichtungen erzeugbar sind, die die Vorteile des Sputterverfahrens und des arc-Verfahrens gleichsam verbinden, also eine Beschichtung zu ermöglichen, die eine geringe Rauigkeit und eine vorteilhafte (200)-Textur aufweist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkstück zu schaffen, welches eine Beschichtung mit den genannten Eigenschaften aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zur Metallbearbeitung besonders geeignete Werkzeuge zu verwenden. Die Aufgabe, die durch das Verfahren gelöst wird, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Erhöhung der Plasmadichten Ionisationshilfen verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Grundkörpers aus Hartmetall, einem Cermet, aus Stahl oder aus Keramik mit mindestens einer Ti_1-xAl_xN-Schicht mittels eines Sputterverfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkstück oder Werkzeug und dessen Verwendung, welches nach dem oben genannten Verfahren beschichtet ist.
Die meisten derzeit hergestellten Schneidkörper aus Hartmetall zur Metallzerspanung werden beschichtet, um den Schneideinsatz härter und/oder verschleißfester zu machen. Als Beschichtung werden beispielsweise Hartstoffe aus dem System Ti-Al-N-C gewählt. Zur Beschichtung werden neben CVD-Verfahren auch PVD-Verfahren eingesetzt.
Ein besonderes PVD-Verfahren ist das sog. Lichtbogenverdampfen (arc-PVD). Zwischen einer Anode (z. B. Kammerwand) und einer Kathode, die aus dem (metallischen) Beschichtungsmaterial besteht, wird unter Zuhilfenahme einer Zündhilfe (Trigger) ein Lichtbogen gezündet. Dabei entsteht an der Kathode eine derart hohe Temperatur, dass das Material lokal aufschmilzt und verdampft. Der Lichtbogen bewegt sich dabei über die Kathode. Im Lichtbogen werden die verdampften Teilchen nahezu vollständig ionisiert. Mittels des arc-PVD-Verfahrens sind beispielsweise TiAlN-Schichten erzeugbar, die eine vorteilhafte (200)-Textur aufweisen.
Ein anderes PVD-Verfahren zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials, wie es beispielsweise in der DE 10 2005 021 927 A1 allgemein beschrieben wird, ist das sog. Sputtern (Kathodenzerstäubung). Dabei wird ein aus dem Beschichtungsmaterial bestehendes Target mit energiereichen Ionen beschossen, so dass Atome aus dem Festkörper herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Mittels des Sputterns sind hervorragende Oberflächenqualitäten erzeugbar, insbesondere Oberflächen mit einer geringen Rauigkeit.
Ein besonderes Sputter-Verfahren ist das High-Power-Impuls-Magnetron-Sputtering (HIPIMS), welches sich durch eine impulsförmige Zufuhr der elektrischen Leistung auf das als Kathode wirkende Target auszeichnet (vgl. dazu DE 10 2006 017 382 A1 , US 6,296,742 ). Die dabei zugeführte Leistungsdichte ist so groß, dass die auftretende Glimmentladung bereits Charakteristika einer Bogenentladung aufweist. Beim HIPIMS werden sehr hohe Spannungen verwendet. Da das Target als Kathode verwendet wird, ist dieses Verfahren mit einem erhöhten Resputtering-Effekt verbunden, was zu einer geringen Abscheidungsrate führt. Damit einhergehend ist die Wachstumsgeschwindigkeit vergleichsweise niedrig.
In der EP 10 178870 B1 wird ein Werkzeug mit einem schützenden Schichtsystem offenbart. Das Werkzeug weist ein MeX Beschichtung auf, wobei Me Titan und Aluminium umfasst und X mindestens eines von Stickstoff oder Kohlenstoff ist. Das Verhältnis Q1 der Beugungsintensitäten der (200)-Ebene zur (111)-Ebene ist größer als 1. Für die Druckspannung σ innerhalb der Schicht gilt 1 GPa ≤ σ ≤ 6 GPa. Als Beschichtungsverfahren wird eine Lichtbogenbedampfung oder die Bedampfung mittels reaktiven Sputterns gewählt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem Beschichtungen erzeugbar sind, die die Vorteile des Sputterverfahrens und des arc-Verfahrens gleichsam verbinden, also eine Beschichtung zu ermöglichen, die eine geringe Rauhigkeit und eine vorteilhafte (200)-Textur aufweist.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Werkstück zu schaffen, welches eine Beschichtung mit den genannten Eigenschaften aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zur Metallbearbeitung besonders geeignete Werkzeuge zu verwenden.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das hartstoffbeschichtete Werkstück nach Anspruch 4 und durch dessen Verwendung nach Anspruch 7 gelöst.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 werden zur Erhöhung der Plasmadichten Ionisationshilfen verwendet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Plasmadichte mittels des Hohlkathodeneffektes erhöht wird. Der Hohlkathodeneffekt ist unter bestimmten Voraussetzungen bei einer Glimmentladung zu beobachten. Bei der Glimmentladung bilden sich an der Oberfläche der Kathoden Zonen aus, die als Kathodenfall oder Glimmsaum bezeichnet wird. Werden die benachbarten Kathodenoberflächen so nahe zusammengeführt, dass sich diese Zonen überlappen, so wird die Quasineutralität des Plasmas aufgehoben und es entsteht eine starke Ionisierung der an diesen Flächen vorbeiströmenden Gasen.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass zur Erhöhung der Plasmadichte Magnetfelder verwendet werden, wobei vorzugsweise die Magnetfeldlinien senkrecht auf der zu beschichtenden Substratoberfläche stehen. Auf elektrisch geladene Teilchen, die sich mit einer Geschwindigkeit v relativ zu einem Magnetfeld bewegen, wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung die Lorentzkraft. Bei einem homogenen Magnetfeld bewegen sich die Teilchen auf Kreisbahnen, wodurch sich die Plasmadichte erhöht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Werkstückes, welches nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist, besteht darin, dass in der Ti_1-xAl_xN-Schicht für x 0,5 ≤ x ≤ 0,7 gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Dicke der Ti_1-xAl_xN-Schicht maximal 15 μm, vorzugsweise maximal 10 μm beträgt.
Werkstücke nach Anspruch 4, die nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt sind, eignen sich besonders gut für die Herstellung von Zerspanungs-, Umform- oder Stanzwerkzeugen, vorzugsweise von Wendeschneidplatten, Schaftwerkzeugen, insbesondere von Bohrern oder Fräsern oder von Verschleißbauteilen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a, b Entstehung des Hohlkathodeneffektes,
1c Gasstrom durch Hohlkathode,
2 Erhöhung der Plasmadichte durch zusätzliche Magnetfelder.
Bei einer Glimmentladung entsteht an der Kathode 1 ein Kathodenfall bzw. ein Glimmsaum 2. Werden den Kathoden 1 genügend weit in Pfeilrichtung 3 aufeinander zu bewegt, entsteht eine Zone 4, in der sich die Glimmsäume überlappen. In diesem Bereich wird die Quasineutralität des Plasmas aufgehoben. Wird ein Neutralgas 5 durch die Zone 4 geleitet, wird der Gasstrom 7 ionisiert und es entsteht das Plasma 6.
Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Plasmadichte ist in 2 dargestellt. Das zu beschichtende Substrat 10 wird durch das senkrecht angeordnete Magnetfeld mit den Magnetfeldlinien 11 durchdrungen. Elektrisch geladene Teilchen 13 werden aufgrund der wirkenden Lorentzkraft auf Kreisbahnen 12 gezwungen, wodurch sich die Plasmadichte erhöht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit Schneideinsätzen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurden, konnten bei Vergleichsversuchen folgende Vorteile festgestellt werden.
Beispiel 1

Eckfräsen (Einzahntest) von 42Cr Mo 4V
Fräswerkzeugtyp: M680 D63 Z1
Wendeschneidplattenform: XPHT160412
Schnittgeschwindigkeit Vc = 220 m/min
Vorschub pro Zahn fz = 0,25 mm
Schnitttiefe ap = 2,5 mm
Eingriffsbreite ae = 38 mm

Die Standardbeschichtung mit einem Texturkoeffizienten von Q_I = 0,4 erreichte einen Standweg von 4000 mm. Demgegenüber erreichte eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Texturkoeffizienten Q_I = 1,8 und einer Druckeigenspannungen von –1,6 GPa einen Standweg von 7000 mm.
Beispiel 2

Eckfräsen(Einzahntest) von X 5CrNi 18–10
Fräswerkzeugtyp: M680 D63 Z1
Wendeschneidplattenform: XPHT160412
Anstellwinkel: 90°
Schnittgeschwindigkeit Vc = 100 m/min
Vorschub pro Zahn fz = 0,11 mm
Schnitttiefe ap = 2,5 mm
Eingriffsbreite ae = 35 mm

Die Standardbeschichtung mit einem Texturkoeffizienten von Q_I = 0,8 erreichte einen Standweg von 1700 mm. Mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung, die einen Texturkoeffizienten Q_I = 2,67 sowie eine Druckeigenspannungen von –1,8 GPa aufweist, wurde ein Standweg von 2800 mm erreicht.
Beispiel 3

Eckfräsen(Einzahntest) von X 5CrNi 18–10
Fräswerkzeugtyp: M680 D80 Z1
Wendeschneidplattenform: XPHT160412
Anstellwinkel: 90°
Schnittgeschwindigkeit Vc = 250 m/min
Vorschub pro Zahn fz = 0,15 mm
Schnitttiefe ap = 2,5 mm
Eingriffsbreite ae = 24 mm

Die Standardbeschichtung mit einem Texturkoeffizienten von Q_I = 0,6 erreichte einen Standweg von 2400 mm. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Texturkoeffizienten Q_I = 2,5 und einer Druckeigenspannungen von –1,6 GPa erreichte einen Standweg von 3600 mm.
Beispiel 4

Eckfräsen(Einzahntest) von CK 45
Fräswerkzeugtyp: M680 D80 Z1
Wendeschneidplattenform: XPHT160412
Anstellwinkel: 90°
Schnittgeschwindigkeit Vc = 280 m/min
Vorschub pro Zahn fz = 0,25 mm
Schnitttiefe ap = 2,5 mm
Eingriffsbreite ae = 44 mm

Die Standardbeschichtung mit einem Texturkoeffizienten von Q_I = 0,6 erreichte einen Standweg von 5400 mm. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Texturkoeffizienten Q_I= 2,5 und einer Druckeigenspannungen von –1,5 GPa erreichte einen Standweg von 7400 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005021927 A1 [0004]
- DE 102006017382 A1 [0005]
- US 6296742 [0005]
- EP 10178870 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Grundkörpers aus Hartmetall, einem Cermet, aus Stahl oder aus Keramik mit mindestens einer Ti_1-xAl_xN-Schicht mittels eines Sputterverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Plasmadichten Ionisationshilfen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte mittels des Hohlkathodeneffektes erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Plasmadichte Magnetfelder verwendet werden, wobei vorzugsweise die Magnetfeldlinien senkrecht auf der zu beschichtenden Substratoberfläche stehen.
Hartstoffbeschichtetes Werkstück oder Werkzeug mit einem Grundkörper aus einem Hartmetall, einem Cermet, aus Stahl oder aus Keramik und mindestens einer Ti_1-xAl_xN-Schicht, die einen Q₁-Quotient > 1 aufweist, wobei Q₁ das Verhältnis der Beugungsintensitäten von I (200) zu I (111) definiert, welche den (200)-Gitterebenen bzw. den (111)-Gitterebenen bei der Röntgenbeugung des Materials unter Benutzung der δ-28-Methode zuzuordnen sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Sputtern hergestellte Schicht eine Druckeigenspannung von –1 GPa bis –2 GPa besitzt.
Werkstück oder Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ti_1-xAl_xN-Schicht 0,5 < x < 0,7 beträgt.
Werkstück oder Werkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Ti_1-xAl_xN-Schicht maximal 15 μm, vorzugsweise maximal 10 μm beträgt.
Verwendung des Werkstückes oder Werkzeuges nach einem der Ansprüche 4 bis 6 für die Herstellung von Zerspanungs-, Umform- oder Stanzwerkzeugen, vorzugsweise von Wendeschneidplatten, Schaftwerkzeugen, dabei insbesondere von Bohrern oder Fräsern oder von Verschleißbauteilen.