DE102010006267A1

DE102010006267A1 - Verfahren und Schichtsystem für PKD-Werkzeuge

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Publication number: DE102010006267A1
Application number: DE201010006267
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr.-Ing. 98574 Frank; Steffen Dr.-Ing. 98596 Reich
Original assignee: GFE - GESELLSCHAFT fur FERTIGUNGSTECHNIK und ENTWICKLUNG SCHMALKALDEN EV; Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev 98574; Gfe Ges fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden E V
Current assignee: GFE - GESELLSCHAFT fur FERTIGUNGSTECHNIK und ENTWICKLUNG SCHMALKALDEN EV; Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev 98574; Gfe Ges fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden E V
Priority date: 2010-01-30
Filing date: 2010-01-30
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-31
Also published as: DE102010006267B4

Abstract

Haftfest aufgebrachtes Schichtsystem für/auf PKD-Werkstoffe/-Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat ein mehrlagig ausgeführtes Schichtsystem (Schichtverbund) aufgebracht ist, das aus – einer ersten, vorzugsweise reaktiven, metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr oder W mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,6 Mikrometer, wobei durch die reaktive metallische Schicht während des Abscheidevorgangs zwischen dem PKD-Substrat und der metallischen Lage eine Reaktionsschicht ausgebildet ist, bestehend aus Karbiden der Elemente Ti, Cr, V, Zr oder W, sowie aus – einer zweiten duktilen Haftvermittlerschicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al bzw. einem zweiten duktilen Haftvermittlersystem, bestehend aus einem mehrlagigen System aus einer duktilen metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und einer gradierten Übergangsschicht, vorzugsweise bestehend aus Ti-TiN und einer nitridischen Deckschicht bspw. Ti und N, und einer Schichtdicke von insgesamt 0,1 bis 0,8 Mikrometer und ferner – einer Hartstoffdeckschicht, z. B. TiAlN, mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1,5 Mikrometer gebildet ist. Die Herstellung des Schichtsystems und dessen Verwendung wird durch eine Reihe von Verfahrensschritten erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Schichtsystem für PKD-Werkstoffe/-Werkzeuge in der Art, wie sie für die Bestückung hochleistungsfähiger Zerspanungswerkzeuge Anwendung finden.
Bei PKD-Werkstoffen handelt es sich bekanntlich um eine synthetisch hergestellte, extrem fest zusammengefügte Masse von Diamantkristallen, die durch einen Sinterprozess, üblicherweise mit einem zusätzlichen metallischen Bindermaterial hergestellt werden. Die sprichwörtliche Härte von PKD-Werkstoffen entspricht nahezu der vom monokristallinen Diamant, wird jedoch durch Korngrenzen und eventuelle metallische Einschlüsse verringert und kann dadurch eine höhere Zähigkeit erreichen.
In Bezug auf die Eigenschaften von Härte und Zähigkeit zeigt PKD hervorragende mechanische Verschleißeigenschaften sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit wie sie in zerspanenden Bearbeitungsprozessen, insbesondere auch bei NE-Werkstoffen wie Al, Cu, Holz, Kunststoffe und anderer vielfältiger Werkstoffkombinationen gefordert werden.
Bei der Schlicht- und auch der Schruppbearbeitung und insbesondere bei der Bearbeitung von AlSi-Legierungen kann zur Verringerung von Verschleißerscheinungen, wie ein Herauslösen von Diamantkörnern aus der Matrix, eine metallische Beschichtung z. B. aus Ti, Zr oder aber auch W als Karbidbildner von Vorteil sein.
Zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit von Diamant können zudem Cr- und Ti-Schichten aufgebracht werden, da diese metallischen Elemente chemischen und oxidischen Angriffen besser widerstehen können.
Die Bindung von Diamant und Beschichtung ist allerdings bei verschiedenen metallischen oder keramischen Komponenten nicht immer gewährleistet. Ursache hierfür ist offensichtlich die für Diamanten bekannte ungenügende Benetzbarkeit mit der Folge eines relativ schnellen Verschleißes. Beispielsweise wird bei der Bearbeitung von AlSi-Legierungen und MMC mit CVD-Diamantschichten der Verschleiß sehr stark durch die Schichthaftung beeinflusst. Das hängt auch von örtlichen Verunreinigungen, Unterschieden in der Zusammensetzung und hohem Eigenspannungsniveau in der Schicht ab.
Daher sind reaktive Elemente, z. B. Cr oder Ti erforderlich, um Grenzflächenreaktionen förderlich zu beeinflussen.
Bei einer Beschichtung von PKD ist für eine hohe Haftfestigkeit, wie auch allgemein beim Beschichtungsvorgang, eine starke Bindung an der Grenzfläche notwendig. Werden hierfür karbidbildende Metalle, wie Ti, Zr, V oder Cr eingesetzt, können gut haftende Schichten und Grenzflächen ausgebildet werden. Um eine haftfeste Verbindung herzustellen, die zu einer Verbesserung von Härte und Wärmebeständigkeit durch wirksamere Wärmeleitfähigkeit führen, wird auch durch eine bessere Vorbehandlung der Substratoberfläche eine wirkungsvollere Verklammerung zwischen Schicht und Substrat zu erreichen versucht.
Beim Einsatz von PKD kommt es erfahrungsgemäß aufgrund unzureichender Haftung der Diamantkörner in ihrem Verbund zu einem Ausbrechen derselben und zu starken Verschleißerscheinungen hinsichtlich Abrasion und Adhäsion.
Darüber hinaus weisen PKD-Körner aufgrund des Kohlenstoffes bei höheren Temperaturen eine Neigung zur Grafitisierung und eine geringe chemische Beständigkeit und Oxidationsfestigkeit auf.
Um diesen Nachteilen zu begegnen kann PKD mit entsprechend zu wählenden Schutzschichten versehen werden.
Aber nicht immer kann hierbei eine stabile Schichthaftung gewährleistet werden, so dass mit anderen Mitteln bzw. mit aufwendigen Verfahren gearbeitet werden muss, Dabei kommt z. B. ein mechanisches Legieren plus Heizen in Betracht, das die Ausbildung von oberflächennahen Karbiden für chemisch stabile Verbindungen unterstützt.
Mit einem Schichtsystem, das neben einer guten Haftfestigkeit auch ein verbessertes Verschleißverhalten und zudem eine hohe Oxidationsbeständigkeit sowie chemische Beständigkeit aufweist, könnten die oben erwähnten Nachteile ausgeglichen werden.
Aus diesen vorstehend beschriebenen Situationen resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Sie besteht darin, ein Verfahren und ein Schichtsystem bereitzustellen, mit dem es möglich ist, auf Diamantkristallen bzw. PKD-Werkstoffen eine oder mehrere Dünnschichten, vorzugsweise einen Schichtverbund mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens (PVD) aufzubringen, mit dem eine widerstandsfähige Schichtstruktur erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Kombination von Schichtvorbehandlungen und optimaler Schichtstruktur gelöst, wobei die Vorbehandlung

• aus einem Aktivieren der PKD-Oberfläche mittels hochenergetischer und gepulster Metallionenstrahlen, sowie
• aus einem Herauslösen nur schwach gebundener PKD-Körner mit Hilfe hochenergetischer Ionen, als auch
• aus einem Aufrauen der Oberfläche des PKD-Körpers durch mechanisches und energetisches Aktivieren der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen (Oberflächenfinishing) und
• aus einem Metallionenätzen

Neben diesen Verfahrensvorbereitungen zur Herstellung des Schichtsystems auf PKD-Substrate besteht die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe dieser Erfindung noch in folgenden Merkmalen:

• Verwendung einer reaktiv wirkenden, karbidbildenden metallischen Grundlage zwecks der Gewährleistung der chemischen Beständigkeit (z. B. Cr, Ti)
• Aufbringen einer duktilen Haftvermittlerlage zwecks eines Ausgleiches von Eigenspannungsunterschieden und einer verbesserten Haftung
• Aufbringen einer Hartstoff-Decklage, z. B. TiAlN, zur Gewährleistung der Verschleißbeständigkeit
• Anordnen jeweils einer Übergangsschicht zwischen den einzelnen Schichtlagen

Das so geschaffene Schichtsystem auf bzw. für PKD-Werkstoffe bildet wesentlich verbesserte Eigenschaften dieser Zerspanungswerkstoffe indem

• ein Ausbrechen der PKD-Körner aus der Matrix verhindert bzw. verringert wird,
• eine vergleichsweise verbesserte Verschleißbeständigkeit geschaffen und auch
• ein wirksamer Schutz der PKD-Werkstoffe vor chemischen Angriffen gegeben ist.

Um das haftfeste Schichtsystem prozesssicher und haftfest abzuscheiden findet bevorzugt das PVD-Verfahren Anwendung, wobei die Prozesstemperaturen zwischen 300°C und 600°C liegen können.
Der Aufbau des erfindungsgemäß erzeugten Schichtsystems veranschaulicht die nachfolgende grafische Darstellung:

Claims

Haftfest aufgebrachtes Schichtsystem für/auf PKD-Werkstoffe/-Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat ein mehrlagig ausgeführtes Schichtsystem (Schichtverbund) aufgebracht ist, das aus • einer ersten, vorzugsweise reaktiven, metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr oder W mit einer Schichtdicke von 0,1–0,6 Mikrometer, wobei durch die reaktive metallische Schicht sich während des Abscheidevorgangs zwischen dem PKD-Substrat und der metallischen Lage eine Reaktionsschicht ausgebildet ist, bestehend aus Karbiden der Elemente Ti, Cr, V, Zr oder W, sowie aus • einer zweiten duktilen Haftvermittlerschicht, vorzugsweise aus Ti, Cr. V. Zr, W, Si, Al bzw. einem zweiten duktilen Haftvermittlersystem, bestehend aus einem mehrlagigen System aus einer duktilen metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und einer gradierten Übergangsschicht, vorzugsweise bestehend aus Ti-TiN und einer nitridischen Deckschicht bspw. Ti und N, und einer Schichtdicke von insgesamt 0,1 bis 0,8 Mikrometer und ferner • einer Hartstoffdeckschicht, z. B. TiAlN, mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1,5 Mikrometer gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Einer ersten Verfahrensführung zur Vorbehandlung der Substrate bestehend • aus einem Aktivieren der PKD-Oberfläche mittels hochenergetischer und gepulster Metallionenstrahlen, sowie • aus einem Herauslösen nur schwach gebundener PKD-Körner mit Hilfe hochenergetischer Ionen, als auch • aus einem Aufrauen der Oberfläche des PKD-Körpers durch mechanisches und energetisches Aktivieren der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen (Oberflächenfinishing) und • aus einem Metallionenätzen und einem zweiten Verfahrensteil, bestehend aus • Verwendung einer vorzugsweise reaktiv wirkenden, karbidbildenden metallischen Grundlage zwecks der Gewährleistung der chemischen Beständigkeit (z. B. Cr, Ti) • Aufbringen einer duktilen Haftvermittlerlage zwecks eines Ausgleiches von Eigenspannungsunterschieden und einer verbesserten Haftung • Aufbringen einer Hartstoff-Decklage, z. B. TiAlN, zur Gewährleistung der Verschleißbeständigkeit • Anordnen jeweils einer Übergangsschicht zwischen den einzelnen Schichtlagen.