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Die
vorliegende Erfindung gehört zu dem technischen Gebiet,
das einen Hartbeschichtungsfilm, Material, beschichtet mit einem
Hartbeschichtungsfilm, und ein Formwerkzeug bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse
für kalt-plastische Bearbeitung betrifft. Insbesondere
gehört die vorliegende Erfindung zu dem technischen Gebiet,
das einen Hartbeschichtungsfilm betrifft, der sich durch niedrigen
Reibungskoeffizienten und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit
und Gleitvermögen auszeichnet.
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Das
Nitrier-Härten wurde zum üblichen Weg, um die
Verschleißfestigkeit und Blockierungsbeständigkeit
von Bohrvorrichtungen bzw. Spannvorrichtungen und Werkzeugen (wie
Formwerkzeuge bzw. Gesenke bzw. Ziehdüsen) zur Metallbearbeitung
zu verbessern. Versuche wurden unternommen, um es gegen Dampfphasenbeschichtung,
wie PVD, zu ersetzen. Zum Beispiel offenbart die
Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.
2000-144376 die Verbesserung des Gleitvermögens
durch die Bildung eines komplexen Nitrids, das mindestens zwei Spezies
von Cr, Al, Ti und V enthält. Die
Japanischen Patent-Offenlegungsschriften
2002-307128 und
2002-307129 offenbaren
ein Oberflächen-beschichtetes Formwerkzeug bzw. Gesenk
bzw. Ziehdüse, das/die sich in der Verschleißfestigkeit
und Blockierungsbeständigkeit auszeichnet, welches einen
Beschichtungsfilm aus Nitrid, Carbid oder Carbonitrid von mindestens
einer Spezies von Ti, V, Al, Cr und Si und einen wahlweisen zweiten
Beschichtungsfilm aus Sulfid von Ti, Cr und Mo (als Rest) aufweist.
Die
Japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2000-1768 offenbart ein oberflächenbehandeltes
Material, das sich in der Verschleißfestigkeit und Blockierungsbeständigkeit
auszeichnet, welches aus hartem Nitrid und darauf gebildetem MoS
2 zusammengesetzt ist.
- Patent-Dokument
1:
- Japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2000-144376
- Patent-Dokument 2:
- Japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2002-307128
- Patent-Dokument 3:
- Japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2002-307129
- Patent-Dokument 4:
- Japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2000-1768
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Das
komplexe Nitrid, das in Patent-Dokument 1 offenbart wird, welches
mindestens zwei Spezies von Cr, Al, Ti und V enthält, weist
eine hohe Härte auf und zeichnet sich durch Verschleißfestigkeit
aus, jedoch fehlt ihm hohe Blockierungsbeständigkeit und
Dauerhaftigkeit bei der Anwendung unter schwereren Bedingungen, wie
der plastischen Metallbearbeitung bei hohem spezifischem Flächendruck.
Gleichfalls weist das Nitrid, Carbid oder Carbonitrid, das in Patent-Dokument
2 offenbart wird, welches mindestens eine Spezies von Ti, V, Al, Cr
und Si enthält, eine hohe Härte auf, jedoch fehlt
ihm Blockierungsbeständigkeit. Das Sulfid-beschichtete
Nitrid, das in Patent-Dokumenten 3 und 4 offenbart wird, welches
entwickelt wurde, um die Blockierungsbeständigkeit zu verbessern,
ist in der Langzeitdauerhaftigkeit mangelhaft, weil das Beschichtungssulfid
weich ist (und folglich anfänglich gutes Gleitvermögen
aufweist) und mit der Zeit verschleißt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das Vorangehende fertig
gestellt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Hartbeschichtungsfilm, ein Material, beschichtet mit dem Hartbeschichtungsfilm,
und ein Formwerkzeug bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse für
die kalt-plastische Bearbeitung bereitzustellen, wobei der Beschichtungsfilm
die vorstehend erwähnte übliche Oberflächenbeschichtungsschicht
in der Verschleißfestigkeit sowie im Gleitvermögen
bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten übertrifft.
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Um
die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, führten
die Erfinder eine Reihe von Untersuchungen durch, die zu der vorliegenden
Erfindung führten. Die vorstehend erwähnte Aufgabe
wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung, die ausgeführt wurde, um die vorstehend
erwähnte Aufgabe zu lösen, betrifft einen Hartbeschichtungsfilm,
mit dem Hartbeschichtungsfilm beschichtetes Material und ein Formwerkzeug
bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse für kalt-plastische
Bearbeitung. Der erste bis dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung
betrifft einen Hartbeschichtungsfilm; der vierte und fünfte
Aspekt betrifft ein Material, das mit dem Hartbeschichtungsfilm
beschichtet ist; und der sechste Aspekt betrifft ein Formwerkzeug
bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse für kalt-plastische
Bearbeitung. Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden wie nachstehend definiert.
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Der
erste Aspekt betrifft einen Hartbeschichtungsfilm, der durch eine
chemische Zusammensetzung von (VxM1-x)(BaCbN1-a-b) gekennzeichnet ist, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,95 (1A) 0 ≤ a ≤ 0,2 (2A) 0 ≤ 1 – a – b ≤ 0,35 (3A) 0,6 ≤ b ≤ 1 (4A)
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M
mindestens eine Spezies von Elementen bedeutet, die zu den Gruppen
4a, 5a und 6a und Si und Al gehören; und x, 1 – x,
a, b bzw. 1 – a – b das Atomverhältnis
von V, M, B, C und N wiedergeben.
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Der
zweite Aspekt betrifft einen Hartbeschichtungsfilm, gekennzeichnet
durch eine chemische Zusammensetzung von (VxTi1-x-yMy)(CbN1-b), worin 0,4 ≤ x ≤ 0,95 (1B) 0 ≤ y ≤ 0,15 (2B) 0,9 ≤ b ≤ 1 (3B)
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M
mindestens eine Spezies von Elementen (verschieden von Ti) bedeutet,
die zu den Gruppen 4a, 5a und 6a und Si und Al gehören;
und x, 1 – x – y, y, b bzw. 1 – b das
Atomverhältnis von V, Ti, M, C und N wiedergeben.
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Der
dritte Aspekt betrifft einen Hartbeschichtungsfilm, der eine oder
mehrere Schichten von nachstehend definiertem Beschichtungsfilm
A und eine oder mehrere Schichten von nachstehend definiertem Beschichtungsfilm
B umfasst:
Beschichtungsfilm A, der eine chemische Zusammensetzung
von V(BaCbN1-a-b) aufweist, worin 0 ≤ a ≤ 0,2 (1C) 0 ≤ 1 – a – b ≤ 0,35 (2C) 0,6 ≤ b ≤ 1 (3C)a, b bzw.
1 – a – b das Atomverhältnis von B, C
und N, wiedergeben:
Beschichtungsfilm B, der eine chemische
Zusammensetzung von M(BaCbN1-a-b) aufweist, worin 0 ≤ a ≤ 0,2 (1D) 0 ≤ 1 – a – b ≤ 0,35 (2D) 0,6 ≤ b ≤ 1 (3D)
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M
mindestens eine Spezies von Elementen bedeutet, die zu den Gruppen
4a, 5a und 6a und Si und Al gehören; und a, b bzw. 1 – a – b
das Atomverhältnis von B, C und N wiedergeben.
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Der
vierte Aspekt betrifft ein Material, beschichtet mit Hartbeschichtungsfilm,
das ein Substrat und einen Hartbeschichtungsfilm, gebildet auf der
Oberfläche davon, umfasst, wobei der Hartbeschichtungsfilm
jener ist, der in einem der ersten bis dritten Aspekte definiert
ist.
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Der
fünfte Aspekt betrifft ein Material, beschichtet mit Hartbeschichtungsfilm,
das ein Substrat, bestehend aus Eisenlegierung, eine erste Schicht
aus Hartbeschichtungsfilm, gebildet auf der Oberfläche
des Substrats, und eine zweite Schicht aus Hartbeschichtungsfilm,
gebildet auf der ersten Schicht, umfasst, wobei die erste Schicht
aus Hartbeschichtungsfilm ein Nitrid von mindestens einer Spezies
von Cr, Ti, Al und Si darstellt, und wobei die zweite Schicht aus
Hartbeschichtungsfilm jene ist, die in einem der ersten bis dritten
Aspekte definiert ist.
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Der
sechste Aspekt betrifft ein Formwerkzeug bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse
für kalt-plastische Bearbeitung, hergestellt aus dem Material,
beschichtet mit dem Hartbeschichtungsfilm, wie in dem vierten oder
fünften Aspekt definiert.
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Der
Hartbeschichtungsfilm gemäß der vorliegenden Erfindung übertrifft übliche
Oberflächenbeschichtungsschichten in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten). Er
wird in geeigneter Weise auf Formwerkzeuge bzw. Gesenke bzw. Ziehdüsen,
Bohrvorrichtungen bzw. Spannvorrichtungen und Werkzeugen für
deren Verbesserung in der Dauerhaftigkeit aufgetragen. Das mit dem
Hartbeschichtungsfilm gemäß der vorliegenden Erfindung
beschichtete Material zeichnet sich in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
aus und es ist zur Verwendung als Formwerkzeuge bzw. Gesenke bzw.
Ziehdüsen, Bohrvorrichtungen bzw. Spannvorrichtungen und Werkzeuge
mit verbesserter Dauerhaftigkeit geeignet. Das Formwerkzeug bzw.
Gesenk bzw. Ziehdüse für die kalt-plastische Bearbeitung
gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich
in der Verschleißfestigkeit und im Gleitvermö gen
(bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten) aus und zeigt gute Dauerhaftigkeit.
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[Der erste Aspekt der Erfindung]
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Der
erfindungsgemäße Hartbeschichtungsfilm sollte
V (als ein wesentliches Element, das bei Erhitzen unter Druck zum
Zeitpunkt des Gleitens oxidiert, wodurch ein gleitendes Oxid gebildet
wird) mindestens eine Spezies der Elemente, die zu Gruppen 4a, 5a
und 6a und Si und Al in einem Atomverhältnis von bis zu
0,6 (das zu hoher Härte beiträgt) gehören,
und C in dem Atomverhältnis nicht weniger als 0,6 (was
weiter das Gleitvermögen verbessert) enthalten.
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Der
erfindungsgemäße Hartbeschichtungsfilm wird durch
verschiedene Zahlenwerte, wie nachstehend erläutert, definiert.
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Der
Hartbeschichtungsfilm sollte V als ein wesentliches Element enthalten,
das aufgrund des Gleitens ein gleitendes Oxid (V2O5) bildet, wodurch der Reibungskoeffizient
und der Verschleißgrad vermindert werden. Der Gehalt von
V (bezüglich des Atomverhältnisses x) sollte nicht
niedriger als 0,4, vorzugsweise nicht niedriger als 0,5, sein. Seine
obere Grenze hängt von dem Gehalt an M (oder zusätzlichen
Elementen) ab, was 1 – x ist. Von den zusätzlichen
Elementen wird erwartet, dass sie die Härte des Beschichtungsfilms
durch Erzeugen eines Carbids mit einer Gitterkonstante, die sich
von jener von VC unterscheidet, erhöhen. Der Wert von 1 – x
sollte nicht weniger als 0,05, vorzugsweise nicht weniger als 0,3,
sein. Die obere Grenze von 1 – x ist 0,6, welche durch
die untere Grenze (0,4) von V bestimmt wird. Die obere Grenze von
x ist 0,95, was durch die untere Grenze von 1 – x (0,05)
von M bestimmt wird. Außerdem ist M mindestens eine Spezies
von Elementen, die zu Gruppen 4a, 5a und 6a und Si und Al gehören.
Mehr als eine Spezies von diesen Elementen können gleichzeitig
zugegeben werden. Deren Carbide haben die Gitterkonstanten wie in
Tabelle 4 gezeigt.
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Der
Hartbeschichtungsfilm kann gegebenenfalls B enthalten, was sich
mit metallischen Elementen (M) vereinigt, um harte Verbindungen
zu bilden, wie TiB2, oder mit Stickstoff
(falls vorliegend), um eine gleitende Substanz, wie BN, zu bilden.
Jedoch verbleibt überschüssiges B frei, ohne Reaktion
mit metallischen Elementen und Stickstoff, wodurch eine Erniedrigung
der Härte des Hartbeschichtungsfilms bewirkt wird. Die
obere Grenze des Gehalts von B (bezüglich des Atomverhältnisses
a) sollte 0,2 sein. Außerdem kann der Hartbeschichtungsfilm
gegebenenfalls Stickstoff enthalten, um Nitride zu bilden, die den
Carbiden in der Wärmebeständigkeit überlegen
sind. Somit verbessert Stickstoff die Verschleißfestigkeit
zum Gleiten bei hohen Temperaturen, erhöht jedoch den Reibungskoeffizienten.
Die obere Grenze des Gehalts von N (bezüglich des Atomverhältnisses
1 – a – b) sollte 0,35, vorzugsweise 0,2, sein.
Der Hartbeschichtungsfilm sollte C enthalten, was Gleitvermögen
verleiht. Der Gehalt von C (bezüglich des Atomverhältnisses
b) sollte nicht weniger als 0,6, vorzugsweise nicht weniger als
0,8, sein.
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Der
Hartbeschichtungsfilm gemäß dem ersten Aspekt
der vorliegenden Erfindung hat die Zusammensetzung, die auf dem
Vorangehenden basiert. Deshalb übertrifft er einen üblichen
Oberflächenbeschichtungsfilm in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten),
und er wird auf Formwerkzeuge bzw. Gesenke bzw. Ziehdüsen,
Spannvorrichtungen und Werkzeugen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit
aufgetragen.
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[Der zweite Aspekt der Erfindung]
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Es
ist erwünscht, dass der Hartbeschichtungsfilm immer Ti,
als eines von den Elementen, die durch M wiedergegeben werden, enthält,
und der Gehalt an (b) von C nicht niedriger als 0,9 ist. Dies ist
darauf zurückzuführen, dass Ti sich mit C vereinigt,
um TiC zu bilden, was das Härteste unter den Carbiden von
M ist (ca. 3500 Hv). Das erhaltene TiC erhöht aufgrund
eines Unterschieds in der Gitterkonstante die Härte und
Verschleißfestigkeit durch einen Feste-Lösung-Effekt.
Der Hartbeschichtungsfilm wird aufgrund des Feste-Lösung-Effekts
eine erhöhte Härte aufweisen, selbst wenn er mehr
als eine Spezies von Elementen enthält, die zu den Gruppen
4a, 5a und 6a und Si und Al (ausschließlich Ti) gehören.
In diesem Fall sollte der Gehalt von M (bezüglich des Atomverhältnisses
y) 0,15 nicht übersteigen, und bevorzugte Spezies von M
sind Si, Cr und W.
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Der
Hartbeschichtungsfilm gemäß dem zweiten Aspekt
der vorliegenden Erfindung hat die wie vorstehend erwähnte
Struktur. Er übertrifft einen üblichen Hartbeschichtungsfilm
in der Verschleißfestigkeit und im Gleitvermögen
(bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten), und er wird Anwendung
auf dem Gebiet von Formwerkzeugen bzw. Gesenken bzw. Ziehdüsen,
Spannvorrichtungen und Werkzeugen für verbesserte Dauerhaftigkeit
finden.
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[Der dritte Aspekt der Erfindung]
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Mehrfachlaminierung
von einem Film von VBCN und einem Film von MBCN gibt Anlass für
einen Film von (V, M) (BCN) als ein Ganzes. Dieses Prinzip realisiert
die Struktur des Hartbeschichtungsfilms gemäß dem dritten
Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend erwähnt.
Die einzelnen Filme zur Laminierung sind nicht in der Dicke beschränkt,
jedoch ist eine hinreichende Dicke nicht größer
als 50 nm. Der Laminatfilm sollte vorzugsweise aus VC-Schichten
und TiC-Schichten zusammengesetzt sein. Der Hartbeschichtungsfilm
gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung übertrifft
den üblichen Hartbeschichtungsfilm in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten),
und er wird Verwendung auf dem Gebiet von Formwerkzeugen bzw. Gesenken
bzw. Ziehdüsen, Spannvorrichtungen und Werkzeugen für
verbesserte Dauerhaftigkeit finden.
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[Der vierte Aspekt der Erfindung]
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Der
vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Material,
das aus einem Substrat und einem Hartbeschichtungsfilm, der die
Oberfläche davon bedeckt, zusammengesetzt ist, wobei der
Letztere jener gemäß dem ersten bis dritten Aspekt
der vorliegenden Erfindung ist. Das beschichtete Material zeichnet
sich durch Verschleißfestigkeit und Gleitvermögen
(bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten) aus und wird Verwendung
auf dem Gebiet von Formwerkzeugen bzw. Gesenken bzw. Ziehdüsen,
Spannvorrichtungen und Werkzeugen für verbesserte Dauerhaftigkeit finden.
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[Der fünfte Aspekt der Erfindung]
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Das
beschichtete Material gemäß der vorliegenden Erfindung
basiert auf dem Auffinden, dass der Hartbeschichtungsfilm gemäß dem
ersten bis dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung fest an einem
Substrat einer Eisenlegierung anhaftet, wenn das Substrat und der
Beschichtungsfilm miteinander durch eine darunter liegende Schicht,
die zwischen ihnen angeordnet ist, welche ein Nitrid von mindestens
einer Spezies Cr, Ti, Al und Si darstellt, verbunden sind. Die darunter
liegende Schicht sollte für gute Haftung vorzugsweise jene
von CrN oder TiN sein. Darüber hinaus sollte die darunter
liegende Schicht eine Dicke von nicht kleiner als 0,1 μm, vorzugsweise
nicht kleiner als 1 μm, aufweisen. Jedoch eine Dicke, die
10 μm übersteigt, erzeugt keinen zusätzlichen
Effekt. Das beschichtete Material zeichnet sich in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
aus und wird Verwendung auf dem Gebiet von Formwerkzeugen bzw. Gesenken
bzw. Ziehdüsen, Spannvorrichtungen und Werkzeugen mit verbesserter
Dauerhaftigkeit finden.
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[Der sechste Aspekt der Erfindung]
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Das
Formwerkzeug bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse für die
kalt-plastische Bearbeitung gemäß dem sechsten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird aus dem beschichteten Material
gemäß dem vierten und fünften Aspekt
der vorliegenden Erfindung hergestellt. Das Formwerkzeug bzw. Gesenk
bzw. Ziehdüse ist überragend in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
und wird auf dem Gebiet Verwendung finden, auf dem verbesserte Dauerhaftigkeit
erforderlich ist.
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BEISPIELE
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Die
Erfindung wird genauer mit Bezug auf die nachstehenden Beispiele
und Ver gleichsbeispiele beschrieben, die nicht vorgesehen sind,
deren Umfang davon zu beschränken, jedoch innerhalb des
Umfangs davon modifiziert und verändert werden können.
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Beispiel 1
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Ein
Substrat wird durch Dampfabscheidung mit einem Film mit der in Tabellen
1 bis 2 gezeigten Zusammensetzung beschichtet. Die Dampfabscheidung
wird in einer Film bildenden Vorrichtung, ausgestattet mit einem
Target, enthaltend V und M (metallisches Element) und gegebenenfalls
B, ausgeführt. Für den auf Gleitvermögen
bei hohen Temperaturen zu testenden Beschichtungsfilm wird das Substrat
vorher mit einer darunter liegenden Schicht von CrN (etwa 3 μm
dick), zur guten Anhaftung auf dem oberen Hartbeschichtungsfilm,
beschichtet.
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Das
Substrat ist entweder eine zementierte Carbidplatte (mit Hochglanzveredelung)
oder eine SKD11-Platte (mit einer Härte von HRC60). Das
Erstere wird verwendet, um darauf einen Beschichtungsfilm, der für
die Zusammensetzung und Harte zu prüfen ist, zu bilden.
Das Letztere wird verwendet, um darauf einen Beschichtungsfilm für
den Gleittest bei hohen Temperaturen zu bilden. Sie werden in der
gleichen Weise wie nachstehend gebildet. Die Substratplatte wird
in der Kammer der Filmbildungsvorrichtung angeordnet. Die Kammer
wird evakuiert (niedriger als 1 × 10–3 Pa)
und das Substrat wird auf etwa 400°C erhitzt. Das heiße Substrat
wird für 2 Minuten Beschuss mit Cr-Metallionen unterzogen.
Der Bogenstrom für den Beschuss ist 100 A und die angelegte
Vorspannung ist 700 V. Diesem Schritt folgt die Abscheidung aus
einer Bogendampfquelle unter den nachstehenden Bedingungen.
- Target:
100 mm im Durchmesser
- Bogenstrom: 150 A
- Atmosphäre: Methan oder ein Gemisch von Methan und
Stickstoff, bei einem Gesamtdruck von 1,3–2,6 Pa
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Die
so hergestellten Proben werden hinsichtlich der Filmzusammensetzung,
Filmhärte und Oberflächenrauhigkeit (Ra) geprüft.
Sie werden auch hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und
des Reibungskoeffizienten bei hohen Temperaturen getestet.
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Die
Filmzusammensetzung wird durch EPMA bestimmt. Die Filmhärte
wird mit einem Microvickers Härtemessgerät mit
einer Last von 0,25 N gemessen. Die Oberflächenrauhigkeit
(Ra) wird mit einem Oberflächenrauhigkeitsmessgerät
gemessen. Der Gleittest bei hohen Temperaturen wird unter den nachstehenden Bedingungen
durchgeführt.
- • Vorrichtung:
Gleittester vom Vane-on-Disk-Typ
- • Vane: SKD 61 Stahl (HRC 50), 3,5 × 5 mm,
20 mm lang, Spitzenradius 10 R
- • Disk: SKD 11 Stahl (HRC 60), mit Beschichtungsfilm
- • Gleitgeschwindigkeit: 0,2 m/s
- • Last: 500 N
- • Gleitstrecke: 1000 m
- • Testtemperatur: 25°C (ohne Erhitzen), 400°C
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Die
Ergebnisse der Tests werden in Tabellen 1 und 2 gezeigt. Die Zusammensetzung
wird bezüglich des Atomverhältnisses ausgedrückt.
Es wird aus Tabellen 1 und 2 deutlich, dass gutes Gleitvermögen
(bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten) und gute Verschleißfestigkeit
(bei flachem Verschleiß) besser in Proben Nummern 6a, 6b,
7, 8, 10 bis 19, 21 bis 24 und 27 bis 30 erreicht werden, als in
Vergleichsproben Nummern 1 bis 5, 9, 20, 25 und 26. Außerdem
sind Proben Nummern 6a, 6b, 7, 8, 21 und 22 gemäß dem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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Beispiel 2
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Ein
Substrat wird durch Dampfabscheidung mit einem Film von laminierter
Struktur (oder Mehrschichtstruktur) beschichtet. Die Dampfabscheidung
wird in einer Film bildenden Vorrichtung ausgeführt, die mit
einem Target, enthaltend V und M (me tallisches Element) und gegebenenfalls
B, ausgestattet ist. Für den auf das Gleitvermögen
bei hohen Temperaturen zu testenden Beschichtungsfilm wird das Substrat
vorher mit einer darunter liegenden Schicht von TiN (etwa 2 μm
dick) zur guten Anhaftung des harten Oberflächenbeschichtungsfilms,
beschichtet. Schließlich wird die Oberflächenbeschichtung
mit der in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzung gebildet.
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Das
Substrat ist entweder eine zementierte Carbidplatte (mit Hochglanzpolitur)
oder eine SKD11-Platte (mit einer Härte von HRC60). Das
Erstere wird verwendet, um darauf einen auf Zusammensetzung und
Härte zu prüfenden Beschichtungsfilm zu bilden.
Das Letztere wird verwendet, um darauf einen Beschichtungsfilm für
den Gleittest bei hohen Temperaturen zu bilden. Sie werden in der
gleichen Weise wie nachstehend gebildet. Die Substratplatte wird
in der Kammer der Film bildenden Vorrichtung angeordnet. Die Kammer
wird evakuiert (geringer als 1 × 10–3 Pa)
und das Substrat wird auf etwa 400°C erhitzt. Das heiße
Substrat wird für 2 Minuten Beschuss mit Cr-Metallionen
unterzogen. Der Bogenstrom für den Beschuss ist 100 A und
die angelegte Vorspannung ist 700 V. Diesem Schritt folgt die Abscheidung
aus einer Bogendampfquelle unter den nachstehenden Bedingungen.
- Target: 100 mm im Durchmesser
- Bogenstrom: 150 A
- Atmosphäre: Methan oder ein Gemisch von Methan und
Stickstoff, bei einem Gesamtdruck von 1,3–2,6 Pa
-
Die
so hergestellten Proben werden auf die Filmzusammensetzung, Filmhärte
und Oberflächenrauhigkeit (Ra) in der gleichen Weise wie
in Beispiel 1 geprüft. Sie werden auch auf Verschleißfestigkeit
und Reibungskoeffizient bei hohen Temperaturen getestet.
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Die
Ergebnisse der Tests werden in Tabelle 3 gezeigt. Der Mehrschichtfilm
besteht aus Schicht A und Schicht B, die abwechselnd gebildet werden.
Er beginnt mit Schicht A und endet mit Schicht B. Die Anzahl der Schichten
wird als (Anzahl von Schicht A + Anzahl von Schicht B)/2 ausgedrückt.
Die Gesamtfilmdicke ist die gesamte Dicke der laminierten Filme.
Die Zusammensetzung von Schicht A und Schicht B wird bezüglich
des Atomverhältnisses ausgedrückt. Zum Beispiel
impliziert TiC 0,9 N 0,1, dass Ti, C bzw. N ein Atomverhältnis von
1, 0,9 bzw. 0,1 aufweisen, und Ti 0,9 Si 0,1 impliziert, dass Ti
und Si ein Atomverhältnis von 0,9 bzw. 0,1 aufweisen.
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Es
wird aus Tabelle 3 deutlich, dass ein gutes Gleitvermögen
(bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten) und gute Verschleißfestigkeit
(bei flachem Verschleiß) besser in Proben Nummern 1 bis
10, als in Vergleichsproben Nummern 1 bis 5, 9, 20, 25 und 26 (gezeigt
in Tabelle 1), erreicht werden. Tabelle 1
| Nr. | Filmzusammensetzung
(Menge an Komponenten) (Atomverhältnis) | Filmdicke | Härte | Reibungskoeffizient (25°C) | Reibungskoeffizient (400°C) | Tiefe
von Filmverschleiß (25°C) | Tiefe
von Filmverschleiß (400°C) |
| V | Spezies von M | Menge von M | B | C | N | nm | GPa | 100–300 m
im Durchschnitt | 100–300 m
im Durchschnitt | μm | μm |
| 1 | TiN (CVD-Verfahren) | 5000 | 22 | 0,55 | 0,55 | 3,00 | > 5 μm (Film) |
| 2 | TiC (CVD-Verfahren) | 5000 | 30 | 0,54 | 0,4 | 3,00 | > 5 μm (Film
verbraucht) |
| 3 | VC (Diffusionsverfahren) | 5000 | 32 | 0,5 | 0,4 | 3,00 | > 5 μm (Film
verbraucht) |
| 4 | 1 | - | 0 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 32 | 0,5 | 0,4 | 2,50 | > 5 μm (Film
verbraucht) |
| 5 | 0,97 | Ti | 0,03 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 32 | 0,45 | 0,4 | 2 | 4,50 |
| 6a | 0,95 | Ti | 0,05 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 34 | 0,36 | 0,26 | 1,2 | 2,60 |
| 6b | 0,9 | Ti | 0,1 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 35 | 0,35 | 0,25 | 1 | 2,50 |
| 7 | 0,7 | Ti | 0,3 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 36 | 0,3 | 0,15 | 0,5 | 2,00 |
| 8 | 0,4 | Ti | 0,6 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 37 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 1,50 |
| 9 | 0,1 | Ti | 0,9 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 33 | 0,5 | 0,4 | 3 | > 5 μm (Film
verbraucht) |
| 10 | 0,5 | Zr | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 34 | 0,35 | 0,25 | 1,5 | 2,50 |
| 11 | 0,5 | Hf | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 35 | 0,4 | 0,3 | 2 | 2,20 |
| 12 | 0,5 | Ta | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 34 | 0,3 | 0,2 | 1,7 | 1,90 |
| 13 | 0,5 | Mo | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 34 | 0,35 | 0,3 | 2,1 | 2,40 |
| 14 | 0,5 | Si | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 33,5 | 0,35 | 0,3 | 2,2 | 2,00 |
| 15 | 0,5 | Al | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 34 | 0,4 | 0,25 | 1,9 | 2,60 |
Tabelle 2
| Nr. | Filmzusammensetzung
(Menge an Komponenten) (Atomverhältnis) | Filmdicke | Härte | Reibungskoeffizient (25°C) | Reibungskoeffizient (400°C) | Tiefe von Filmverschleiß (25°C) | Tiefe von Filmverschleiß (400°C) |
| V | Spezies
von M | Menge von M | B | C | N | nm | GPa | 100–300 m
im Durchschnitt | 100–300 m
im Durchschnitt | μm | μm |
| 16 | 0,5 | Ti
0,25 Nb 0,25 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 38 | 0,3 | 0,2 | 0,30 | 1,70 |
| 17 | 0,5 | Ti
0,25 Ta 0,25 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 38 | 0,3 | 0,15 | 0,25 | 1,60 |
| 18 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0,1 | 0,9 | 0,00 | 5000 | 38 | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 2,00 |
| 19 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0,2 | 0,8 | 0,00 | 5000 | 37 | 0,3 | 0,12 | 0,70 | 2,20 |
| 20 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0,3 | 0,75 | 0,00 | 5000 | 33 | 0,5 | 0,25 | 2,7 | 4,10 |
| 21 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 37,5 | 0,25 | 0,1 | 0,3 | 1,00 |
| 22 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 0,9 | 0,10 | 5000 | 37 | 0,3 | 0,15 | 0,4 | 1,30 |
| 23 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 0,8 | 0,20 | 5000 | 36 | 0,35 | 0,2 | 0,7 | 1,40 |
| 24 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 0,65 | 0,35 | 5000 | 35 | 0,4 | 0,3 | 0,9 | 1,60 |
| 25 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 0,6 | 0,40 | 5000 | 31 | 0,55 | 0,45 | 2,3 | 4,00 |
| 26 | 0,5 | Ti | 0,5 | 0 | 0,5 | 0,50 | 5000 | 32 | 0,6 | 0,5 | 3,00 | > 5 μm (Film verbraucht) |
| 27 | 0,5 | Ti
0,45 Si 0,05 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 38 | 0,2 | 0,1 | 0,25 | 0,70 |
| 28 | 0,5 | Ti
0,4 Cr 0,1 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 37 | 0,2 | 0,15 | 0,3 | 0,70 |
| 29 | 0,5 | Ti
0,4 W 0,1 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 38 | 0,25 | 0,1 | 0,25 | 0,80 |
| 30 | 0,5 | Ti
0,35 Al 0,15 | 0,5 | 0 | 1 | 0,00 | 5000 | 36 | 0,3 | 0,2 | 0,4 | 1,20 |
Tabelle 3
| Nr. | Schicht
B | Schicht
A | Typ | Gesamtfilmdicke | Härte | Reibungs-koeffizient (25°C) | Reibungskoeffizient (400°C) | Tiefe von Filmverschleiß (25°C) | Tiefe von Filmverschleiß (400°C) |
| Zusammensetzung | Schichtdicke | Anzahl an Schachten | Zusammensetzung | Schichtdicke | Anzahl an Schichten | | | |
| | nm | | | nm | | | nm | GPa | 100–300 m
im Durchschnitt | 100–300 m
im Durchschnitt | μm | μm |
| 1 | TiC | 5 | 500 | VC | 5 | 500 | Mehrschichtfilm | 5000 | 37 | 0,3 | 0,2 | 0,90 | 1,20 |
| 2 | TiC | 20 | 125 | VC | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 38 | 0,3 | 0,1 | 0,70 | 1,50 |
| 3 | TiC | 500 | 5 | VC | 500 | 5 | Mehrschichtfilm | 5000 | 36 | 0,25 | 0,1 | 0,80 | 1,70 |
| 4 | TiC | 1000 | 2 | VC | 1000 | 2 | Mehrschichtfilm | 5000 | 36 | 0,25 | 0,15 | 1,20 | 2,00 |
| 5 | TiC | 2500 | 1 | VC | 2500 | 1 | Mehrschichtfilm | 5000 | 35 | 0,3 | 0,2 | 0,5 | 2,50 |
| 6 | TiC 0,9
N 0,1 | 20 | 125 | VC | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 38 | 0,35 | 0,15 | 0,6 | 1,20 |
| 7 | TiC | 20 | 125 | VB 0,05 C
0,9 | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 38 | 0,25 | 0,1 | 0,65 | 1,10 |
| 8 | Ti 0,9 Si 0,1
C | 20 | 125 | VC | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 37 | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 1,10 |
| 9 | Ti 0,5 Cr 0,5
C | 20 | 125 | VC | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 37 | 0,3 | 0,1 | 0,7 | 1,00 |
| 10 | WC | 20 | 125 | VC | 20 | 125 | Mehrschichtfilm | 5000 | 37,5 | 0,2 | 0,1 | 0,35 | 0,80 |
- (Anmerkung) Die erste Schicht, benachbart
zu dem Substrat, ist Schicht B.
Tabelle 4 | Carbid | Gitterkonstante
(A) | Carbid | Gitterkonstante
(A) |
| VC | 4,164 | TaC | 4,454 |
| TiC | 4,327 | CrC | 4,03 |
| ZrC | 4,693 | MoC | 4,273 |
| HfC | 4,637 | WC | 4,235 |
| NbC | 4,469 | SiC | 4,358 |
-
Der
erfindungsgemäße Hartbeschichtungsfilm übertrifft üblichen
Oberflächenbeschichtungsfilm in der Verschleißfestigkeit
und im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
und er wird auf Formwerkzeuge bzw. Gesenke bzw.
-
Ziehdüsen,
Bohrvorrichtungen bzw. Spannvorrichtungen und Werkzeuge zu deren
Verbesserung in der Dauerhaftigkeit angewendet. Das erfindungsgemäße,
beschichtete Material ist in der Verschleißfestigkeit und
im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
ausgezeichnet und es wird Anwendung auf dem Gebiet von Formwerkzeugen
bzw. Gesenken bzw. Ziehdüsen, Bohrvorrichtungen bzw. Spannvorrichtungen
und Werkzeugen für verbesserte Dauerhaftigkeit finden.
Das Formwerkzeug bzw. Gesenk bzw. die Ziehdüse für
die kalt-plastische Bearbeitung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeichnet sich in der Verschleißfestigkeit und
im Gleitvermögen (bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten)
aus, und wird Verwendung auf dem Gebiet finden, auf dem verbesserte
Dauerhaftigkeit erforderlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-144376 [0002, 0002]
- - JP 2002-307128 [0002, 0002]
- - JP 2002-307129 [0002, 0002]
- - JP 2000-1768 [0002, 0002]