DE102010012032B4

DE102010012032B4 - Mehrlagiges Schichtsystem auf PKD-Werkstoffen

Info

Publication number: DE102010012032B4
Application number: DE102010012032.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko Frank; Steffen Reich
Original assignee: Gfe Ges fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden E V; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Current assignee: Gfe Ges fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden E V; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2030-03-20
Also published as: DE102010012032A1

Abstract

Mehrlagiges Schichtsystem auf einem Substrat aus PKD-Werkstoff nach Patent Nr. 10 2010 006 267 B4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten duktilen Haftvermittlersystem und der Hartstoffdeckschicht zusätzlich eine thermisch isolierende, vorzugsweise aus zwei Lagen gebildete Schichtanordnung aus mindestens einer oxidhaltigen und mindestens einer nitridhaltigen Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 0,1 bis 1,0 Mikrometer angeordnet ist, wobei die oxidhaltige Schicht dabei aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und Stickstoff sowie Sauerstoff mit einer Einzelschichtdicke von 0,02 bis 1,0 Mikrometer besteht und die nitridhaltige Schicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und Stickstoff mit einer Einzelschichtdicke von 0,02 bis 1,0 Mikrometer gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung und Anwendung einer mehrlagigen Schichtverbundes auf die aktiv wirkenden Oberflächen von PKD-Werkstoffen/-Werkzeugen nach Hauptpatent DE 10 2010 006 267 B4 , Anmeldetag 30. Jan. 2010 und der Bezeichnung ”Haftfestes mehrlagiges Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung”.
Das Hauptpatent hat ein aus mehreren Schichtlagen aufgebautes Schichtsystem sowie ein Verfahrensregime zur Vorbehandlung der Substrate und der anzuwendenden Verfahrensführung zum Gegenstand, welches, wie beschrieben, insbesondere zur Verringerung von Verschleißerscheinungen und zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der PKD-Werkstoffkombinationen bestimmt ist.
Die kennzeichnenden Merkmale des Schichtsystems bzw. die Art der aufgebrachten Schichtlagen bestehen hierbei im Folgenden (Schichtlage A, B, C):
PKD-Grundkörper mit:

• einer ersten, vorzugsweise reaktiven metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ti, Cr, V, Zr oder W mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,6 Mikrometer, bei der während des Abscheidevorgangs zwischen dem PKD-Substrat und der metallischen Lage eine Reaktionsschicht ausgebildet wird, 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, mit 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.

Der Aufbau dieses die Stammanmeldung kennzeichnenden Schichtverbundes ist zur besseren Anschaulichkeit und zum anzustellenden Vergleich in der grafischen Darstellung (Bild 1) ersichtlich.
Dieser Schichtverbund erfüllt durchaus die im Rahmen der Schaffung neuer Schichtsysteme für PKD-Werkstoffe angestrebten Erwartungen nach erhöhter Leistungsfähigkeit und hat mittlerweile seine verbesserten Arbeitseigenschaften bestätigt.
Das Streben nach weiteren Verbesserungen hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften hat aufgabenspezifisch dazu geführt, möglicherweise eine weitere Mehrlagenstruktur in den Schichtverbund einzubringen, um eine Vervollkommnung hinsichtlich der thermischen Eigenschaften und der Schichtbeständigkeit zu erreichen.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst, indem zustätzlich zwischen dem zweiten duktilen Haftvermittlerschichtsystem und der Hartstoffdeckschicht eine thermisch isolierende, vorzugsweise aus zwei Lagen gebildete Schicht angeordnet wird.
Dieses zusätzliche thermisch isolierende Schichtsystem wird in den Schichtverbund eingebracht, um die thermische Beständigkeit des Schichtsystems und des PKD-Grundkörpers weiter zu verbessern und damit den Einsatzbereich auf höhere Temperaturen auszudehnen. Dieses thermisch isolierende Schichtsystem kann dabei vorteilhaft in einer Mehrlagenstruktur eingebracht werden, welche eine alternierende Anordnung aus mindestens einer oxidhaltigen und mindestens einer nitridhaltigen Schicht besteht.
Neben den 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 Ausgleichs von Eigenspannungsunterschieden und einer verbesserten Haftung,
– Aufbringen einer thermisch isolierenden Lage zur höheren Temperaturbeständigkeit,
– Aufbringen einer Hartstoff-Decklage, z. B. TiAlN, zur Gewährleistung der Verschleißbeständigkeit und
– 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 höhere Temperaturbeständigkeit der PKD-Oberfläche erreicht 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 grafische Darstellung (Bild 2).

Claims

Mehrlagiges Schichtsystem auf einem Substrat aus PKD-Werkstoff nach Patent Nr. 10 2010 006 267 B4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten duktilen Haftvermittlersystem und der Hartstoffdeckschicht zusätzlich eine thermisch isolierende, vorzugsweise aus zwei Lagen gebildete Schichtanordnung aus mindestens einer oxidhaltigen und mindestens einer nitridhaltigen Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 0,1 bis 1,0 Mikrometer angeordnet ist, wobei die oxidhaltige Schicht dabei aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und Stickstoff sowie Sauerstoff mit einer Einzelschichtdicke von 0,02 bis 1,0 Mikrometer besteht und die nitridhaltige Schicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und Stickstoff mit einer Einzelschichtdicke von 0,02 bis 1,0 Mikrometer gebildet ist.