DE102011014186A1

DE102011014186A1 - Schneidekörper zum Schneiden abrasiver Schnittgüter

Info

Publication number: DE102011014186A1
Application number: DE201110014186
Authority: DE
Inventors: Marcus Rechberger; Jürgen Bertling; Hanno Paschke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist Schneidkörper (1) zum Schneiden abrasiver Schnittgüter, insbesondere zum Schneiden von Kunststoff-, Holz-, Papier und Kohlenstofffasermaterialien, mit einem Substratkörper (3) und einer auf lediglich auf einer Außenseite des Substratkörpers (3), vorzugsweise auf der Freiflächenseite, auf den Substratkörper (3) aufgebrachten dünnen Beschichtungslamelle (4), wobei der Substratkörper (3) eine geringere Verschleißfestigkeit als die Beschichtungslamelle (4) aufweist und wobei, vorzugsweise, die Beschichtungslamelle (4) beim Schneiden des Schnittgutes durch Abrasion des Substratkörpers (3) eine Schneidkante (2) mit zwei an der Schneidkante (2) aufeinander treffenden Schneidkantenflächen (5, 6) ausbildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtungslamelle (4) ein nanostrukturiertes Schichtsystem mit sich über die Schichtdicke ändernder chemischer Zusammensetzung und mit mehreren Schichtbereichen (I, II) unterschiedlicher Härte aufweist, wobei hart-spröde Schichtbereiche (I) und zäh-elastische Schichtbereiche (II) in dem Schichtsystem alternierend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneidkörper zum Schneiden abrasiver, insbesondere wenig- bis hartelastischer Schnittgüter, weiter insbesondere zum Schneiden von Kunststoff-, Holz-, Papier- und Kohlenstofffasermaterialien, mit einem Substratkörper und einer auf lediglich einer Außenseite des Substratkörpers, vorzugsweise auf der Freiflächenseite, auf den Substratkörper aufgebrachten dünnen Beschichtungslamelle, wobei der Substratkörper eine geringere Verschleißfestigkeit (und Härte) als die Beschichtungslamelle aufweist und wobei, vorzugsweise, die Beschichtungslamelle beim Schneiden des Schnittgutes durch Abrasion des Substratkörpers eine selbstschärfende Schneidkante mit zwei an der Schneidkante aufeinandertreffenden Schneidkantenflächen ausbildet. Ein solcher Schneidkörper kann in einer Schneidanordnung (Schneidmaschine, Schneidwerkzeug oder Messer), die im Wesentlichen nach dem Schneid- oder Scherprinzip funktioniert, eingesetzt werden. Insbesondere kann der Schneidkörper in Rotorscheren, Granulatoren, Schneidmühlen und Feinschneidmühlen oder auch in Zahnkranzkoloidmühlen zur Zerkleinerung eingesetzt werden.
Für das Schneiden abrasiver Schnittgüter werden an die Schneidwerkstoffe hohe Anforderungen bezüglich Verschleißbeständigkeit und Festigkeit gestellt. Es werden beispielsweise ledeburitische Kaltarbeitswerkzeugstähle, martensitische Edelstähle und ähnliche Stähle mit hohen Kohlenstoffanteilen über 0,6 Gew.-% eingesetzt, welche für den Einsatz auf eine Härte von bis zu 60 HRC (Rockwellhärte) gebracht werden. Die hohe Verschleißbeständigkeit wird neben der Härte insbesondere durch die im Stahl vorhandenen Hartphasen erreicht. Hartphasenvolumen, Korngröße und -verteilung werden über den Kohlenstoffanteil und andere carbidbildende Legierungsbestandteile eingestellt. Allerdings verhalten sich hohe Härte und Verschleißfestigkeit gegenläufig zur Zähigkeit des Stahls. Mit höherer Verschleißbeständigkeit steigt die Sprödbruchgefahr.
Hartmetalle und Keramiken besitzen höhere Verschleißfestigkeiten als Werkzeugstähle. Aber auch hier resultiert aus der hohen Härte der Werkstoffe sprödes Werkstoffverhalten. Bei Hartmetallmessern müssen besondere konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Rissempfindlichkeit ergriffen werden. Oftmals sind Hartmetallschneiden als Funktionsträger in die Messer eingelötet oder geklebt. Die Verarbeitbarkeit und das Nachschleifen sind entsprechend aufwendig. Keramiken zeigen noch spröderes Werkstoffverhalten. Oftmals wird die Lebensdauer eines Keramikmessers daher nicht durch die abrasiven Verschleißerscheinungen bestimmt, als vielmehr durch die mechanische Zerstörung der Schneidkante, wodurch eine geometrisch nicht bestimmte Schneidkantengeometrie erzeugt wird.
Von Nachteil bei den bekannten Hartmetallmessern ist, dass die Schneidkante ab dem ersten Schnitt verrundet und damit die Schnittqualität kontinuierlich abnimmt. Wird durch Schleifen des Schneidkörpers eine optimal scharfe Schneidkante erzeugt (Kantenradius kleiner 5 μm), dann besteht diese Kante entweder aus der weichen Stahlmatrix oder aus einem einzelnen, mechanisch nicht unterstützten (schwach gebundenen) Carbidkorn. Beides wird unmittelbar bei den ersten Schnitten mit dem Messer aufgrund der mechanischen Belastung abgetragen. Die Schneidkante flacht mikroskopisch ab. In diesem Moment stellt sich das tribologische System um. Es findet kein effizienter Schneidvorgang mehr statt. Stattdessen läuft ein trennender Riss im Schnittgut der Schneidkante voraus. Der Span stützt sich auf die Spanfläche ab, das Schnittgut auf die freie Fläche des Schneidkörpers. Es kommt zu einem extremen Gleitverschleiß, der sich an den Flanken konzentriert und zur typischen Verrundung des Schneidkörpers führt. Die Schnittkräfte steigen mit zunehmender Verrundung der Schneidkante an und damit auch der Energieverbrauch der Schneidmaschine.
Die aus dem Stand der Technik zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit angewendeten Verfahren der Randzonenbehandlung oder -beschichtung führen ebenfalls nicht zu einer Verbesserung der Verschleißsituation. Bei der klassischen Nitrierung der Messer kann es leicht zur Überstickung der Schneide im Bereich der Schneidkante kommen, was gerade an dieser mechanisch stark beanspruchten Stelle zur Versprödung des Stahls führt. Ähnlich wirken zusätzlich aufgebrachte Schichten, beispielsweise Titannitridschichten, diamantähnliche Hartstoffschichten, diamant- oder kubische Bornitridschichten (cBN). Die Schneidkante versagt aufgrund einer hohen Sprödigkeit sehr schnell. Die Flanken weisen durch die Beschichtung zwar eine erhöhte Verschleißbeständigkeit auf; hierdurch wird der Verrundungsprozess aber lediglich verzögert.
Aus der DE 10 2004 052 682 A1 ist ein selbstschärfendes, schnitthaltiges Schneidwerkzeug für Mühlen bekannt. Das Schneidwerkzeug weist einen Schneidkörper mit einem eine erste Härte aufweisenden Substratkörper und einer eine zweite Härte aufweisenden Beschichtung auf, wobei die Härte des Substratkörpers deutlich kleiner ist als die Härte der Beschichtung. Das Abrasionsverhalten des Substratkörpers soll im Vergleich zur Beschichtung erhöht sein. Aus der DE 10 2004 052 682 A1 ist in diesem Zusammenhang bekannt, eine höhere Abrasion durch einen höheren Gleitreibungskoeffizienten der Paarung Substratkörper/Schnittgut im Vergleich zum Gleitreibungskoeffizienten der Paarung Beschichtung/Schnittgut zu erreichen. Dadurch, dass der Substratkörper aus einem deutlich weicheren Werkstoff als die Beschichtung besteht und im Vergleich zur Beschichtung einen höheren Reibbeiwert besitzt, sowie durch eine bestimmte Geometrie des Schneidkörpers, verursacht der Kontakt des Schnittguts mit dem weicheren Werkstoff des Substratkörpers eine definierte Abrasion an einer unbeschichteten Oberfläche des Substratkörpers. Eine lediglich auf einer Schneidflächen-Oberseite des Substratkörpers vorgesehene Beschichtungslamelle nutzt dabei entsprechend des Härteverhältnisses zwischen Beschichtung und Substratkörperwerkstoff derart ab, dass sich permanent eine scharfe Schneidkante ausbilden soll.
Beim Schneiden von insbesondere zäh-elastischen Schnittgütern tritt bei dem aus der DE 10 2004 052 682 A1 bekannten Schneidwerkzeug Gleitreibung zwischen einer ideal scharfen Schneidkante und dem Schnittgut sowohl auf der Spanfläche als auch auf der Freifläche unmittelbar im Bereich der Schneidkantenspitze auf. Die Abrasivität des Schnittguts sollte demnach eine permanente Schärfung der Schneidkante bewirken. Allerdings verursacht jeder Einzelschnitt in der Anschnittphase eine hohe Schlagbelastung der filigranen Schneidkante beim Auftreffen auf das Schnittgut. In der Schnittphase wirken zudem Querkräfte durch die Asymmetrie der Schneidkantengeometrie. Diese hohen mechanischen Belastungen führen zum Versagen der Schneidkante, die schließlich abbricht. In diesem Moment ändert sich die Tribologie an der Schneidkante. Das Schnittgut wird nicht mehr ideal geschnitten, sondern vielmehr gespalten, wobei ein Riss der Schneidkante vorausläuft. Die Reibkräfte verlagern sich dabei an die Flanken der beschädigten Schneidkante, so dass sich an diesen Stellen die Gleitreibung konzentriert und es zur Verrundung der anfänglich spitzwinkligen Schneidkante kommt. Auch in diesem Stadium sollte sich an sich durch die abrasive Flankenreibung die Schneidkante bei dem bekannten Schneidwerkzeug erneut schärfen. Allerdings wird die abgestumpfte Schneidkante nun in der Anschnittphase schlagend mit einer höheren Druckkraft belastet. Die Spitze des Messers wird durch die permanente Schlagbelastung zerrüttet und plastisch deformiert. Die Reibung an den Flanken wird so stark, dass es zu Fließprozessen im Substratkörper und zu einem Aufreißen der Schneidkante in ihrem Scheitelpunkt kommt. Bei dem bekannten Schneidwerkzeug kommt es daher bereits nach kurzer Zeit zu einem mechanischen Versagen der Schneidkante, wobei die Schnitthaltigkeit, d. h. das Beibehalten einer ausreichenden Schärfe, nicht mehr gegeben ist, was sich negativ auf die Schnittqualität auswirkt und eine höhere Zerkleinerungsarbeit erforderlich macht. Im Übrigen sinkt die Standzeit und der Wartungsaufwand steigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schneidkörper der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der sich bei Gebrauch durch gezielte Abrasion dauerhaft selbst schärft und über einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich verlängerten Zeitraum schnitthaltig bleibt, wobei die Gefahr, dass es zu einem mechanischen Versagen der Schneidkante und zu einem Bruch der Schneidkante mit den oben beschriebenen Folgen kommt, deutlich gegenüber dem Stand der Technik verringert ist.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtungslamelle ein nanostrukturiertes Schichtsystem mit sich über die Schichtdicke ändernder chemischer Zusammensetzung und mit mehreren Schichtbereichen unterschiedlicher Harte aufweist, wobei hart-spröde Schichtbereiche und zäh-elastische Schichtbereiche in dem Schichtsystem vorzugsweise regelmäßig oder auch unregelmäßig alternierend angeordnet sind. Durch den zuvor beschriebenen neuartigen Schneidwerkstoff, d. h. das erfindungsgemäß für die Beschichtung des Substratkörpers vorgeschlagene nanostrukturierte Schichtsystem mit unterschiedlich harten Schichtbereichen, insbesondere durch eine alternierende Anordnung amorpher Phasen und extrem harter Phasen, werden Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit der bei dem erfindungsgemäßen Schneidkörper vorgesehenen Beschichtungslamelle gleichermaßen erhöht. Der Substratkörper dient bei dem erfindungsgemäßen Schneidkörper als Träger für den neuen Schneidwerkstoff (die Beschichtungslamelle). Der neue Schneidwerkstoff kann sich von anderen Hochleistungswerkstoffen besonders dadurch abgrenzen, dass er trotz seiner hohen Härte kein linear-elastisches Werkstoffverhalten zeigt.
Auch bei hohen mechanischen Belastungen, insbesondere beim Schneiden von abrasiven Schnittgütern, kommt es nicht oder erst nach einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich verlängerten Schnittweg zu einem mechanischen Versagen der Schneidkante in Form eines Bruchs der Schneidkante im Bereich der Schneidspitze, so dass eine lang anhaltende Schnitthaltigkeit des erfindungsgemäßen Schneidkörpers gewährleistet ist. Im Zusammenhang mit der Erfindung hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Schneidkante aufgrund des beschriebenen Schichtaufbaus eine sehr hohe Kantenfestigkeit aufweist, wobei die Schneidkante trotz der beim Auftreffen auf ein beispielsweise elastomeres oder thermoplastisches Schnittgut mit hohen Füllstoffanteilen und bei Messergeschwindigkeiten von bis zu 10 m/sec auftretenden Kantenbelastungen wenigstens 200.000 Schnitte schadlos ohne Bruch oder Verformung übersteht. Dies war durch den bekannten Stand der Technik nicht vorhersehbar. Nachdem die Schneidkante herausgebildet ist, verschleißt der erfindungsgemäße Schneidkörper nur noch unwesentlich.
Vorzugsweise kommt es durch den Verschleiß zur eigenständigen Ausbildung einer extrem scharfen Schneidkante an der Beschichtungslamelle. Durch den Aufbau der Beschichtungslamelle mit unterschiedlich harten Bereichen können dabei besonders kleine Schneidkantenradien gebildet werden. Die scharfe Schneide trennt das Schnittgut sehr effizient, was zu geringeren Schnittkräften und Reibungskräften und einem damit deutlich verringerten Verschleißvolumen an der Schneidkante führt. Die bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schneidkörpers erhöhte Schnittqualität trägt durch Reduzierung des Ausschusses und durch eine dauerhaft hohe Schnittqualität am Produkt zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Zerkleinerungsprozesses bei. Die Schnittkraftreduzierung führt zu einer Energieeinsparung am Maschinensystem und damit zu einer höheren Wirtschaftlichkeit des Schneidvorgangs. Der Verschleiß an der Schneidkante kann um den Faktor 1000 verringert sein gegenüber dem Verschleiß, der an konventionellen Schneidstählen beim Schneiden von insbesondere abrasiven Schnittgütern auftritt. Die Verschleißreduzierung am Schneidkörper führt zu einer Erhöhung der Standzeit und zu einem verringerten Wartungsaufwand bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schneidkörpers in einer Schneidanordnung. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit weiter gesteigert.
In Abhängigkeit von der sich über die Schichtdicke ändernden chemischen Zusammensetzung des Schichtsystems ändert sich auch die Härte des Schichtsystems, wobei hart-spröde Schichtbereiche durch hohe relative Massenanteile wenigstens einer ersten Schichtkomponente bzw. einem ersten Schichtmaterial mit hoher Härte und, vorzugsweise, geringen relativen Massenanteilen wenigstens einer zweiten Schichtkomponente mit geringerer Härte gekennzeichnet sein können. Zäh-elastische Schichtbereiche dagegen können geringe relative Massenanteile der ersten harten Schichtkomponente und, vorzugsweise, hohe relative Massenanteile der zweiten weniger harten Schichtkomponente aufweisen. Zudem kann das Schichtsystem auch wenigstens einen weiteren Schichtbereich mit einem hohen relativen Massenanteil einer weiteren Schichtkomponente aufweisen und vergleichsweise geringeren relativen Massenanteilen der ersten Schichtkomponente und/oder der zweiten Schichtkomponente, wobei der weitere Schichtbereich als Zwischenschicht zwischen ersten und zweiten Schichtbereichen vorgesehen ist und zur Ausbildung eines Härtegradienten zwischen ersten und zweiten Schichtbereichen führt.
Die Gesamtdicke des Schichtsystems, das die Beschichtungslamelle bildet, kann weniger als 10 μm, vorzugsweise zwischen 2 bis 6 μm, betragen. Ein hart-spröder Bereich bzw. eine harte Zone der Beschichtung kann dabei im Sinne der Erfindung gekennzeichnet sein durch einen zusammenhängenden Bereich der Beschichtung in Tiefenrichtung bzw. über eine bestimmte Schichtdicke, in dem die Härte der Beschichtung einen Wert von mehr als 50% eines maximalen Härtewertes der Beschichtung erreicht. Dementsprechend kann ein zäh-elastischer Bereich bzw. eine solche Zone dann vorliegen, wenn die Härte der Beschichtung einen Wert von weniger als 50% eines maximalen Härtewertes der Beschichtung erreicht. In einem Übergangsbereich kann die Härte eines hart-spröden Bereiches an die Härte eines zäh-elastischen Bereiches angepasst sein.
Um alternierend harte und weniger harte Zonen in dem Schichtsystem auszubilden, kann bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass sich die Zusammensetzung der Beschichtung periodisch über die Schichtdicke, das heißt in Tiefenrichtung, ändert. Unter einer ”periodischen Änderung” im Sinne der Erfindung wird verstanden, dass sich bestimmte Werte des relativen Massenanteils bzw. Konzentrationen wenigstens einer Schichtkomponente in regelmäßigen Abständen über die Schichtdicke des Schichtsystems wiederholen. Vorzugsweise wiederholen sich die Konzentrationswerte für eine erste harte Beschichtungskomponente und die Konzentrationswerte für eine zweite weniger harte Schichtkomponente jeweils periodisch. Die Abstände zwischen dem Auftreten desselben Massenanteils einer Schichtkomponente in zwei nächstliegenden hart-spröden Schichtbereichen oder zäh-elastischen Schichtbereichen wird im Sinne der Erfindung als ”Periode” bezeichnet, wobei die Periode über die Schichtdicke des Schichtsystems gleich oder unterschiedlich sein kann. Abweichungen des Konzentrationsverlaufes von ±10 bis 15%, vorzugsweise von weniger als ±5%, von einem ideal periodischen Verlauf sind tolerierbar und als „periodische Änderung der Konzentration” im Sinne der Erfindung zu kennzeichnen, wobei solche Abweichungen der Trägheit des Beschichtungsverfahrens geschuldet sein können, beispielsweise einem (anlagenabhängigen) trägen Gasaustausch der Prozessgase bei einer PA-CVD-Beschichtung des Substratkörpers.
Der Konzentrationsverlauf wenigstens einer Schichtkomponente bzw. die Änderung des relativen Massenanteils der Schichtkomponente über die Schichtdicke des Schichtsystems kann stufenförmig, vorzugsweise jedoch sägezahn- oder wellenförmig sein. Dementsprechend kann sich die Härte des Schichtsystems stufen-, sägezahn- oder wellenförmig über die Schichtdicke ändern. In einem hart-spröden Schichtbereich kann dann der relative Massenanteil einer ersten harten Schichtkomponente einen Maximalwert und der relative Massenanteil einer zweiten weniger harten Schichtkomponente einen Minimalwert annehmen. In einem zäh-elastischen Schichtbereich kann der relative Massenanteil der zweiten Schichtkomponente mit geringerer Härte einen Maximalwert und der relative Massenanteil der ersten Schichtkomponente mit höherer Härte einen Minimalwert annehmen.
Der Minimalwert des relativen Massenanteils einer Schichtkomponente kann vorzugsweise bei Null liegen. Insbesondere bei einem sägezahn- oder wellenförmigen Konzentrationsverlauf der Schichtkomponenten können sich der relative Massenanteil der ersten Schichtkomponente und der relative Massenanteil der zweiten Schichtkomponente phasenverschoben ändern, vorzugsweise um eine halbe Periodenlänge, so dass Extremwerte einer harten Schichtkomponente und Extremwerte einer weniger harten Schichtkomponente in wenigstens einem Schichtbereich des Schichtsystems, vorzugsweise in allen Schichtbereichen, im Wesentlichen in einer gleichen Tiefenlage des Schichtsystems bzw. gleichbeabstandet von der Oberfläche der Beschichtungslamelle auftreten.
Für verbesserte mechanische Eigenschaften der Beschichtung, insbesondere um eine hohe Festigkeit gegen ein mechanisches Versagen der Schneidkante sicherzustellen, kann weiter vorzugsweise eine Gradierung der chemischen Zusammensetzung des Schichtsystems vorgesehen sein mit einer über die Schichtdicke des Schichtsystems im wesentlichen kontinuierlichen Änderung des relativen Massenanteils der ersten Schichtkomponente und/oder der zweiten Schichtkomponente. Eine „kontinuierliche Änderung” der Konzentration im Sinne der Erfindung liegt dann vor, wenn es im Wesentlichen nicht zu einer sprunghaften Änderung der Konzentration der Schichtkomponenten in dem Schichtsystem kommt. Insbesondere sind relative Konzentrationsänderungen bzw. ein Konzentrationsgradient von weniger als 1 bis 5%, bezogen auf einen Schichtbereich von weniger als 30 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, insbesondere von weniger als 10 nm, weiter insbesondere von weniger als 5 nm, beispielsweise bezogen auf einen Schichtbereich 1 bis 2 nm, als kontinuierliche Änderungen im Sinne der Erfindung anzusehen.
Besonders bevorzugt zeichnet sich das Schichtsystem der Beschichtungslamelle bei dem erfindungsgemäßen Schneidkörper durch einen einschichtigen Aufbau mit sich über die Schichtdicke kontinuierlich ändernder Konzentration aus. Erfolgt die Beschichtung beispielsweise aus der Gasphase, kann ein steter Konzentrationsgradient der Schichtkomponenten über die Schichtdicke durch eine kontinuierliche Änderung der Reaktionsgaszusammensetzung der Gasphase erreicht werden.
Grundsätzlich kann das Schichtsystem jedoch auch durch eine Mehrzahl von Einzelschichten gebildet werden, wobei sich jede Einzelschicht durch einen im Wesentlichen gleich bleibenden Massenanteil der Schichtkomponenten und eine im Wesentlichen gleiche Phasenzusammensetzung/Kristallitstruktur auszeichnen kann. Eine solche Einzelschicht lässt sich bei der Abscheidung aus der Gasphase dann erreichen, wenn die Reaktionsgaszusammensetzung der Gasphase über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird. Die Schichtdicke einer Einzelschicht ist dann im Wesentlichen abhängig von der Beschichtungsdauer. Wird das Schichtsystem durch eine Vielzahl von nachfolgend abgeschiedenen Einzelschichten gebildet, kann daraus eine stufenförmige Änderung der Konzentration der Schichtkomponenten und damit der Härte über die Schichtdicke des Schichtsystems resultieren.
Vorzugsweise ist eine kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Änderung des relativen Massenanteils beider Schichtkomponenten in Tiefenrichtung des Schichtsystems bzw. über die Schichtdicke des Schichtsystems vorgesehen. Im Ergebnis liegt ein kontinuierlicher Übergang zwischen hart-spröden Schichtbereichen und zäh-elastischen Schichtbereichen vor. Auch innerhalb eines Schichtbereichs kann sich die Konzentration harter und weniger harter Schichtkomponenten kontinuierlich ändern, wobei, weiter vorzugsweise, der Massenanteil einer ersten harten Schichtkomponente in einem hart-spröden Schichtbereich beispielsweise von einem mittleren Wert auf einen Maximalwert insbesondere monoton ansteigen und dann auf den mittleren Wert insbesondere monoton abfallen kann, während der Massenanteil einer weniger harten Schichtkomponente entsprechend umgekehrt von einem mittleren Wert auf einen Minimalwert monoton abfallen und dann wieder auf den mittleren Wert monoton ansteigen kann. An den Rändern kann dann ein solcher hart-spröder Schichtbereich eine mittlere Härte aufweisen, die vorzugsweise ca. 50% des maximalen Härtewertes der Beschichtung entspricht. Erreicht der Anteil der ersten Schichtkomponente ein Maximum (und der zweiten Schichtkomponente bei gleicher Tiefenlage ein Minimum), erreicht die Härte des hart-spröden Schichtbereiches einen Maximalwert. Für einen angrenzenden zäh-elastischen Schichtbereich kann dann ein entsprechend umgekehrter Verlauf der Massenanteile der Schichtkomponenten vorliegen.
Durch die Änderung der Massenanteile harter und weniger harter (weicher) Schichtkomponenten über die Schichtdicke ist es möglich, den Härteverlauf über die Schichtdicke des Schichtsystems gezielt zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die maximale Härte eines hart-spröden Schichtbereiches zwischen 20 bis 40 GPa, vorzugsweise zwischen 25 bis 35 GPa, und die Härte eines zäh-elastischen Bereiches zwischen 15 bis 35 GPa, vorzugsweise zwischen 20 bis 30 GPa, betragen kann. Der Härteunterschied zwischen einem hart-spröden Schichtbereich und einem zähelastischen Schichtbereich kann vorzugsweise weniger als 5 GPa betragen. Eine Abweichung der Härte von ±1 bis 2 GPa von den vorgenannten Werten ist tolerierbar. Durch die extrem dünnen Bereiche, in denen der Wechsel der Materialzusammensetzung erfolgt, ist eine Härtemessung aufwendig. Eine Härtemessung kann beispielsweise mit einem speziellen analytischen Verfahren, wie etwa dem SACS-Verfahren erfolgen (C. Ziebert, C. Bauer, M. Stüber, S. Ulrich, H. Rolleck, "Thin Solid Films", 482 (2005), Seite 63 bis 68). Das SACS-Verfahren kann mit einem Nanoidentor der Firma CSIRO mit der Bezeichnung „UMIS2000 System” ausgeführt werden. Das SACS-Verfahren eignet sich insbesondere für die Vermessung des Härteverlaufs im Nanometerbereich, wobei durch einen Schräganschliff, beispielsweise durch Ionenabtrag (FIB), die zu analysierenden Schichtbereiche aufgeweitet werden.
Die Härte eines hart-spröden Schichtbereiches kann ausgehend von einer Maximalhärte, die beispielsweise in einem mittleren Bereich des Schichtbereiches erreicht wird, in Richtung auf zwei benachbarte zäh-elastische Schichtbereiche zu beiden Seiten hin, das heißt nach außen in Richtung zur Außenseite der Beschichtung und nach innen in Richtung zum Substratkörper, auf einen Wert abnehmen, der wenigstens ca. 50% der Maximalhärte der Beschichtung entspricht. Entsprechend kann die Härte eines zäh-elastischen Schichtbereiches ausgehend von einer Minimalhärte in Richtung auf zwei benachbarte hart-spröde Schichtbereiche zu beiden Seiten hin auf einen Wert zunehmen, der ebenfalls ca. 50% der Maximalhärte der Beschichtung entspricht. Damit ist ein kontinuierlicher Härteübergang zwischen hart-spröden Schichtbereichen und zäh-elastischen Schichtbereichen möglich. Um gleichermaßen eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit des Schichtsystems zu gewährleisten, kann der Abstand zwischen zwei nächstliegenden hart-spröden Schichtbereichen zwischen 50 bis 800 nm, vorzugsweise zwischen 200 bis 600 nm, insbesondere zwischen 300 bis 400 nm, betragen. Die vorgenannten Werte können bei einem sägezahn- oder wellenförmigen Verlauf der Härte über die Schichtdicke bezogen sein auf den Abstand zwischen zwei Stellen in zwei benachbarten hart-spröden Schichtbereichen des Schichtsystems, an denen die Härte jeweils einen Maximalwert erreicht. Bei einer sich stufenförmig über die Schichtdicke ändernden Härte kann der Abstand bezogen sein auf die Breite eines zäh-elastischen Bereiches zwischen zwei hart-spröden Schichtbereichen.
Ein entsprechender Abstand kann zwischen zwei zäh-elastischen Schichtbereichen vorgesehen sein. Der Übergang zwischen der Beschichtungslamelle und dem Substratkörper wird auf der Seite des Substratkörpers vorzugsweise durch einen zäh-elastischen Schichtbereich gebildet. Die Außenseite der Beschichtungslamelle bildet vorzugsweise ein hart-spröder Schichtbereich.
Das Schichtsystem ist vorzugsweise durch Abscheidung aus einer Gasphase erhältlich, insbesondere mittels CVD-Verfahren („Chemical Vapour Deposition”), weiter insbesondere mittels PA-CVD-Verfahren („Plasma Activated/Enhanced CVD”). Der CVD-Prozess beruht auf der Reaktion gasförmiger Metallverbindungen, wie Floriden, Chloriden oder Bromiden, mit Reaktionsgasen, wie Methan, Kohlendioxid, Stickstoff oder Wasserstoff, die in einem geschlossenen Reaktor an einer Substratoberfläche zum Schichtstoff reagieren und sich dort als dünne Hartstoffschicht abscheiden. Ein nanostrukturiertes Schichtsystem mit sich über die Schichtdicke im Nanometerbereich kontinuierlich ändernder Zusammensetzung und damit Härte kann durch entsprechende kontinuierliche Änderung der Konzentration der Reaktionsausgangsstoffe bei der Abscheidung aus der Gasphase gebildet werden, wobei ein steter Eigenschaftsgradient ausgebildet wird und wobei die Konzentration bzw. die Härte lediglich über einen sehr kleinen Dickenbereich des Schichtsystems von weniger als 5 nm, insbesondere von 1 bis 2 nm, konstant sein kann. Grundsätzlich können jedoch auch mit einem CVD-Prozess Einzelschichten mit im Wesentlichen gleicher Konzentration der Schichtkomponenten bzw. gleicher Phasenzusammensetzung und Kristallitstruktur aufgebaut werden, wobei solche Einzelschichten eine Dicke zwischen 10 und 20 nm oder mehr aufweisen können. Um diskrete Einzelschichten auszubilden, kann die Konzentration der Reaktionsausgangsstoffe bei der Abscheidung aus der Gasphase über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten werden. Durch die (wenn auch moderaten) Temperaturen bei der Abscheidung aus der Gasphase tritt während der Abscheidung in der Regel allerdings Interdiffusion zwischen den Einzelschichten auf, was zu unscharfen Randzonen der Einzelschichten führt.
Sofern eine Abscheidung durch PVD vorgesehen ist, können sehr dünne Einzelschichten mit im Wesentlichen gleicher Konzentration der Schichtkomponenten, gleicher Phasenzusammensetzung und Kristallitstruktur mit einer Dicke von weniger als 10 nm, vorzugsweise von 3 bis 5 nm, abgeschieden werden. Hier ist ein Schichtsystem möglich, das durch eine Vielzahl von Einzelschichten mit wechselnder Zusammensetzung der Schichtkomponenten und damit wechselnder Härte der Einzelschichten ausgebildet wird, so dass ein einem sich kontinuierlich ändernden Konzentrationsverlauf der Schichtkomponenten angenäherter Konzentrationsverlauf in dem Schichtsystem nachgebildet wird. Zwischen zwei Einzelschichten kann im Übrigen eine Übergangsschicht (Interface) vorgesehen sein.
Aus dem breiten Spektrum von Hartstoffbeschichtungen haben sich im Zusammenhang mit der Erfindung TiB₂-TiN-Schichtsysteme mit Titandiborid (TiB₂) als erster Schichtkomponente und Titannitrid (TiN) als zweiter Schichtkomponente bewährt. Um einen Härtegradienten zwischen einem hart-spröden Schichtbereich mit hohen TiB₂-Massenanteilen und einem zäh-elastischen Schichtbereich mit hohen TiN-Massenanteilen auszubilden, kann ein Zwischenbereich vorgesehen sein, der beide Schichtkomponenten (Phasen) aufweist, wobei sich die Anteile der beiden Schichtkomponenten in Abhängigkeit vom Abstand von dem hart-spröden Schichtbereich bzw. dem zäh-elastischen Schichtbereich ändern und die Härte des Zwischenbereichs von einem angrenzenden hart-spröden Schichtbereich in Richtung zu einem auf der anderen Seite angrenzenden zäh-elastischen Schichtbereich hin abnimmt. Alternativ kann ein TiC-TiN-Schichtsystem mit Titancarbid (TiC) als erster harter Schichtkomponente und TiN als zweiter, weniger harter (weicher) Schichtkomponente vorgesehen sein. Hier kann als weitere Schichtkomponente Titancarbonitrid (TiCN) eingesetzt werden, um eine Zwischenschicht zu bilden und einen Härtegradienten auszubilden, der sich günstig auf die Haftfestigkeit auswirkt. Auch Schichtsysteme aus Titanaluminiumnitrid (TiAlN) und Aluminiumnitrid (AlN) sind grundsätzlich geeignet. Es versteht sich, dass die vorgenannte Aufzählung nicht abschließend ist. Alternativ zu einem CVD-Verfahren könnte im Übrigen auch eine Abscheidung durch PVD („Physical Vapour Deposition”) vorgesehen sein.
Aufgrund des gleichgewichtsnahen Prozesses lassen sich bei den thermisch aktivierten Hochtemperatur- und Mitteltemperatur-CVD-Verfahren lediglich Gleichgewichtsphasen synthetisieren. Mit dem Niedertemperatur-PA-CVD-Verfahren können auch TiAlN oder TiB₂ abgeschieden werden. Die PA-CVD-Beschichtungstechnik erlaubt im Übrigen die Abscheidung von Nanolayer-Schichten, nämlich Viellagenschichten mit Einzelschichten, deren Dicken im Nanometerbereich liegen. Das PA-CVD-Verfahren zeichnet sich auch dadurch aus, dass es während der Behandlung nicht zu temperaturbedingten Gefügeänderungen im Substratkörper kommt.
Um bei dem erfindungsgemäßen Schneidkörper einen geeigneten Härtegradienten und einen kontinuierlichen Härteverlauf zwischen dem Grundwerkstoff des Substratkörpers und den unterschiedlichen Bereichen des Schichtsystems der Beschichtungslamelle zu erreichen, kann vor der Abscheidung des Schichtsystems aus der Gasphase eine Nitrierung des Substratkörpers auf der Seite der Beschichtungslamelle vorgesehen sein. Alternativ kann eine Nitrierung durch Ionenimplantation vorgesehen sein. Im Zusammenhang mit der Erfindung hat sich jedoch gezeigt, dass eine Kombinations- oder Duplexbehandlung, bestehend aus einer Plasmanitrierung (PDT – „Plasma Diffusion Treatment”) und einer Erzeugung des Schichtsystems durch ein PA-CVD-Verfahren sehr vorteilhaft ist.
Das Ziel der Plasmadiffusionsbehandlung ist die Einstellung eines Härtegradienten vorzugsweise mit einer Nitrierhärtetiefe (NHT) von ca. 0,05 bis 0,1 mm. Die Verfahrensparameter bei der Plasmadiffusionsbehandlung (beispielsweise die Prozessgasatmosphärenzusammensetzung, die Spannung, das Tastverhältnis und/oder die Temperatur) können vorzugsweise so gewählt sein, dass die Bildung von Verbindungsschichten unterdrückt wird. Die sich einstellende plastische Universalhärte HUp1,0,005 (im Rahmen der vorliegenden Erfindung für die Angabe der gemessenen Oberflächenhärte verwendet) kann vorzugsweise im Bereich von 9 bis 13 GPa liegen. Die Härte sollte möglichst kontinuierlich zur Kernhärte auf einen Wert von 6 bis 10 GPa, vorzugsweise 7 bis 8 GPa, über einen Bereich von 20 bis 100 μm abfallen. Die Evaluierung der Härte, d. h. die Bestimmung der Oberflächenhärte (Messung normal zur Oberfläche) und der Härteverlauf (Messung am Querschliff) beziehen sich auf die Universalhärteprüfung nach DIN EN ISO 14577.
Durch die zuerst erfolgende Plasmadiffusionsbehandlung wird eine stützende Randzone im Substratkörper aufgebaut, die eine Haftung der nachfolgenden Hartstoffschicht durch Reduzierung der Nachgiebigkeit und durch Aktivierung der Oberfläche mit Stickstoff maßgeblich verbessert. Auf der durch Plasmanitrierung behandelten Außenseite des Substratkörpers wird nachfolgend durch PA-CVD-Beschichtung ein dünnes Schichtsystem von 2 bis 6 μm, vorzugsweise von 2 bis 3 μm, aufgebracht. Der Materialaufbau dieses Systems ist, wie oben beschrieben, durch alternierende Materialbereiche gekennzeichnet, die von zäh-elastischen zu hart-spröden Zonen wechseln. Dieser Aufbau ist ein herausragendes Kennzeichen des verwendeten Beschichtungsverfahrens, bei dem durch Änderung der Gasatmosphäre während des Beschichtungsprozesses die Materialzusammensetzung in der Beschichtung vorgegeben werden kann. Beispielsweise können zähe Bereiche durch hohe Anteile von Stickstoff im Beisein eines metallspendenden Precursors gebildet werden, harte Zonen durch entsprechende Reduzierung der Stickstoffanteile bis auf vorzugsweise null Prozent.
Die Beschichtung kann in einer PA-CVD-Beschichtungsanlage als Kombinationsverfahren durchgeführt werden. Die einzelnen Teilschritte der Kombinationsbehandlung werden dann vorzugsweise kontinuierlich hintereinander durchgeführt, ohne dass der Substratkörper zwischen den einzelnen Schritten umgesetzt werden muss oder dass eine Unterbrechung des Prozesses nötig ist. Die Abscheidung der Einzelschichten, die das Schichtsystem bilden, erfolgt durch die gezielte Zugabe der Reaktionspartner über die Gasphase. Grundlage beider Plasmaverfahren ist die Behandlung im Vakuum bei einem Behandlungsdruck von vorzugsweise 50 bis 300 Pa in einer so genannten Warmwandanlage bei Temperaturen zwischen 400 bis 560°C. Im Prozess wird ein dem Verfahren entsprechendes Gasgemisch eingelassen (beispielsweise PDT: Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂), Ammoniak (NH₃), Argon (Ar), ggf. Monomere, wie Methan (CH₄) oder Ethin (C₂H₂); beispielsweise PA-CVD: Metallhalogenide, wie Titantetrachlorid (TiCl₄) oder Aluminiumtrichlorid (AlCl₃) und/oder metallorganische Precursoren, wie Metallcarbonyle (Ni(CO)₄), Alkalimetallorganyle, Erdalkalimetallorganyle, Organyle zur Borgruppe, Carbon-Komplexe). Es versteht sich, dass die vorgenannte Aufzählung nicht abschließend ist. In einer Glimmzone werden die Gase in diffusible (PDT) bzw. reaktive (PA-CVD) Spezies aufgespalten und entsprechend angeregt. Beim PDT-Verfahren können die Elemente Kohlenstoff und Stickstoff unter Ausscheidungsbildung von Nitriden und/oder Carbiden und einer Gitteraufweitung in der Matrix in den Randbereich des Substratkörpers diffundieren. Dadurch wird eine Diffusionszone gebildet. Die Ausbildung von Verbindungsschichten an der Oberfläche des Substratkörpers (beispielsweise Fe_2-3N, Fe₄N) kann dabei durch die Behandlungsbedingungen, insbesondere die Prozessgasatmosphärenzusammensetzung (Gasverhältnis H₂:N₂ = 1...15%:85...99%) und/oder ein bestimmtes Tastverhältnis im Bereich von 0,1 bis 0,5, ausgeschlossen werden.
Als Grundwerkstoff für den Substratkörper wird erfindungsgemäß ein Stahl mit äußerst geringen Hartphasenanteilen verwendet. Der Substratkörper kann aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,2 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 0,5 Gew.-%, weiter insbesondere von ca. 0,45 Gew.-%, bestehen oder einen solchen Stahl enthalten. Durch Wärmebehandlung kann im Stahl eine Härte von 45 bis 60 HRC, vorzugsweise 50 bis 55 HRC, insbesondere von ca. 52 HRC, eingestellt werden. Auf der Seite, auf der die Beschichtung vorgesehen wird, kann durch Hohnen oder Polieren der Oberfläche eine möglichst geringe Rauheit bzw. Rauhigkeit (gemittelte Rautiefe vorzugsweise Rz ≤ 1 μm) eingestellt werden. Sehr gute Ergebnisse können bei Beschichtung eines Cr-Mo-V-legierten Kaltarbeitsstahls mit hoher Zähigkeit als Substratkörper erhalten werden, wobei der Kohlenstoffanteil ca. 0,6 Gew.-% und der Chromanteil ca. 5 Gew.-% betragen kann und Molybdän und Vanadium als Legierungsbestandteile enthalten sind. Ein solcher Stahl ist beispielsweise unter der Bezeichnung ”CP4M^PLUS” der Firma Dörrenberg Edelstahl erhältlich. Es versteht sich, dass der Substratkörper grundsätzlich auch aus einem anderen Werkstoff bestehen kann.
Gemeinsam mit einem kohlenstoffarmen und damit duktilen Stahlgrundkörper wird so ein Schneidkörper mit hoher Schockbelastbarkeit erzeugt. Der nanoskalige Aufbau der Beschichtungslamelle an der Schneidkante mit alternierenden harten und weniger harten Schichtbereichen und die unterschiedlichen Verschleißbeständigkeiten der Beschichtungslamelle und des Substratkörpers führen dazu, dass sich in der Anwendung eine extrem scharfe Schneidkante mit einer Schärfe unterhalb von 1 μm mit den ersten Schnitten einstellt und dauerhaft erhalten bleibt. Trotzdem erlaubt es der Werkstoffaufbau, dass der erfindungsgemäße Schneidkörper beliebig oft nachgeschnitten werden kann.
Ausführungsbeispiel
Für die Granulation eines mit 30 Gew.-% gefüllten Polypropylenstrangs wird ein Schneidkörper (Messer) erfindungsgemäß ausgelegt. Als Grundwerkstoff (Substratkörper) wird ein Kaltarbeitsstahl mit 0,6 Gew.-% Kohlenstoff und 5 Gew.-% Chrom eingesetzt. Dieser wird durch Wärmebehandlung auf 52 HRC gehärtet. Anschließend wird der Substratkörper auf der Freiflächenseite plasmanitriert. Dabei wird in der Randzone ein Härtegradient mit einer Dicke von ca. 50 μm eingestellt. Die Oberflächenhärte der Randzone beträgt über 1100 HV.
Mit einem PA-CVD-Verfahren werden anschließend 15 in der Zusammensetzung alternierende Schichtbereiche (Lagen) mit einer Gesamtschichtdicke des so gebildeten Schichtsystems von 2 bis 6 μm abgeschieden. Jeder Schichtbereich besteht aus Einzelschichten, deren Zusammensetzung sich vorzugsweise kontinuierlich in Tiefenrichtung des Schichtsystems ändert. Ein erster Schichtbereich besteht aus Einzelschichten, die eine sich über die Dicke des Schichtbereiches ändernde chemische Zusammensetzung aufweisen, so dass sich in dem ersten Schichtbereich ein Materialgradient ausbildet, der sich in der Zusammensetzung von Titannitrid zu Titandiborid ändert. Die folgenden Schichtbereiche (Lagen) sehen jeweils eine zum vorhergehenden Schichtbereich umgekehrte Gradierung vor. Die Spanfläche wird anschließend geschliffen, wobei der Spanwinkel 30° beträgt. Nachfolgende Schnittversuche werden mit einem Schneidgranulator bei einer Schnittgeschwindigkeit von 8 m/sec und einem Freiwinkel von 10° durchgeführt. Die aus den Schnittversuchen resultierenden Messwerte sind in der Zeichnung graphisch dargestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung der Schneidkante eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers nach Erreichen eines Schnittweges von ca. 1600 m (Schnittmaterial: 30 Gew.-% TiO₂-gefülltes Polypropylen, Strangprofil 12 × 8 mm),
2 eine schematische Darstellung einer möglichen Änderung der Materialzusammensetzung einer Beschichtungslamelle über die Schichtdicke bei einem erfindungsgemäßen Schneidkörper,
3 eine schematische Darstellung der Änderung der Härte einer Beschichtungslamelle über die Schichtdicke bei einem erfindungsgemäßen Schneidkörper und
4 und 5 schematische Darstellungen der Änderung der Schnittkraft und der Änderung des spezifischen Verschleißvolumens über den Schnittweg bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers gemäß obigen Ausführungsbeispiel (Schnittmaterial: 30 Gew.-% TiO₂-gefülltes Polypropylen, Strangprofil 12 × 8 mm) und bei Einsatz eines Schneidkörpers nach dem Stand der Technik.
In 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers 1 im Bereich seiner Schneidkante 2 dargestellt. Der Schneidkörper 1 weist einen Substratkörper 3 und auf der Freiflächenseite eine auf den Substratkörper 3 aufgebrachte dünne Beschichtungslamelle 4 auf, die durch ein nanostrukturiertes Schichtsystem mit einer Vielzahl von Einzelschichten gebildet wird. Das Schichtsystem ist mittels PA-CVD-Verfahren durch Abscheidung aus der Gasphase erhältlich.
Der Substratkörper 3 weist eine geringere Verschleißfestigkeit als die Beschichtungslamelle 4 auf, so dass die Beschichtungslamelle 4 beim Schneiden des Schnittgutes durch Abrasion des Substratkörpers 3 die Schneidkante 2 mit zwei an der Schneidkante 2 aufeinandertreffenden Schneidkantenflächen 5, 6 ausbildet. Beim Schneiden des Schnittgutes bildet sich eigenständig eine Phase mit einem Winkel von beispielsweise ca. 50° auf der Spanflächenseite des Schneidkörpers 1 aus. Die Schneidkante 2 wird dabei lediglich durch die nanostrukturierte Beschichtungslamelle 4 gebildet, bei der es sich um einen Verbundwerkstoff aus keramikähnlichen Hartstoffen handelt, wobei die Schärfe weniger als 1 μm beträgt.
2 zeigt schematisch einen möglichen Konzentrationsverlauf von Beschichtungskomponenten in einer Beschichtungslamelle 4 eines Schneidkörpers 1 für einen Abschnitt der Beschichtungslamelle 4 in Tiefenrichtung X, das heißt in Richtung zu einem Substratkörper 3. Die Beschichtungslamelle 4 weist ein Schichtsystem mit sich über die Schichtdicke ändernder chemischer Zusammensetzung und mit mehreren Schichtbereichen unterschiedlicher Härte auf, wobei hart-spröde Schichtbereiche I und zäh-elastische Schichtbereiche II alternierend angeordnet sind und wobei jeder Schichtbereich I, II durch nanostrukturierte Schichten wechselnder oder gleicher Zusammensetzung gebildet ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich der relative Massenanteil einer ersten Schichtkomponente mit hoher Härte, beispielsweise TiB₂, und der relative Massenanteil einer zweiten Schichtkomponente mit geringerer Härte, beispielsweise TiN, in dem Schichtsystem periodisch über die Schichtdicke des Schichtsystems ändert, wobei eine Gradierung der chemischen Zusammensetzung des Schichtsystems vorgesehen ist mit einer kontinuierlichen Änderung der relativen Massenanteile der Schichtkomponenten. Dies wird aus 2 deutlich, wobei 2 die Änderung der atomaren Konzentration über die Schichtdicke des Schichtsystems schematisch wiedergibt. C_A kennzeichnet die atomare Konzentration des Elementes Bor in dem Schichtsystem, C_B die atomare Konzentration des Elements Stickstoff und C_C die atomare Konzentration des Elements Titan in dem Schichtsystem. Erreicht die atomare Borkonzentration C_A einen Maximalwert, liegt an dieser Stelle der Beschichtungslamelle 4 eine Höchstkonzentration der ersten Schichtkomponente TiB₂ und damit eine hohe Harte vor. Erreicht die atomare Stickstoffkonzentration C_B einen Maximalwert, liegt an dieser Stelle der Beschichtungslamelle 4 eine Höchstkonzentration der zweiten Schichtkomponente TiN und damit eine geringere Härte vor.
Die Borkonzentration C_A kann von einem Minimalwert von 0 bis 10 Gew.-% auf einen Maximalwert von 45 bis 65 Gew.-% zunehmen und fällt nach dem Erreichen eines Maximalwertes auf den Minimalwert ab. Der Verlauf der atomaren Borkonzentration C_A ist in 2 mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet den Verlauf der Stickstoffkonzentration C_B in dem Schichtsystem, wobei sich der Stickstoffgehalt ebenfalls periodisch zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert kontinuierlich über die Schichtdicke ändert. Der minimale Stickstoffgehalt beträgt beispielsweise zwischen 0 bis 10 Gew.-%, der maximale Stickstoffgehalt liegt beispielsweise zwischen 20 bis 30 Gew.-%. Mit dem Bezugszeichen 9 ist der Konzentrationsverlauf des Elements Titan in dem Schichtsystem dargestellt, wobei der minimale Titangehalt beispielsweise zwischen 35 bis 45 Gew.-% und der maximale Titangehalt beispielsweise zwischen 45 bis 65 Gew.-% beträgt.
Erkennbar erreicht die Borkonzentration C_A jeweils an den Stellen der Beschichtung einen gleichen Maximalwert, an denen die Stickstoffkonzentration C_B den jeweiligen Minimalwert erreicht. Entsprechend erreicht die Stickstoffkonzentration C_B jeweils an den Stellen der Beschichtung einen gleichen Maximalwert, an denen die Borkonzentration C_A den jeweiligen Minimalwert erreicht. Somit liegen hart-spröde Schichtbereiche I und zäh-elastische Schichtbereiche II nebeneinander vor, wobei ein hart-spröder Schichtbereich I durch einen hohen Anteil bzw. einen Maximalwert der Borkonzentration C_A bzw. einer Schichtkomponente hoher Härte und ein zäh-elastischer Schichtbereich II durch einen hohen Anteil bzw. einen Maximalwert der Stickstoffkonzentration C_B bzw. einer Schichtkomponente geringerer Härte gekennzeichnet ist. Dies zeigt 3.
In 3 ist die Änderung der Schichthärte über die Schichtdicke des Schichtsystems der in 1 dargestellten Beschichtungslamelle 4 schematisch gezeigt. Entsprechend dem alternierenden Massenanteil harter und weniger harter Beschichtungskomponenten ändert sich die Härte über die Schichtdicke, wobei ein hart-spröder Schichtbereich I durch eine maximale Härte von beispielsweise 25 bis 35 GPa und ein zäh-elastischer Schichtbereich II durch eine minimale Härte von 20 bis 30 GPa gekennzeichnet sein kann. Die vorgenannten Härtewerte beziehen sich auf eine Messung mit einem Nanoindentor der Firma Csiro mit Bezeichnung UMIS 2000 unter Verwendung einer Berkovich-Spitze mit einer Prüflast von 5 mN.
Um gleichermaßen eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit des Schichtsystems zu gewährleisten, kann der Abstand a zwischen zwei nächstliegenden hart-spröden Schichtbereichen I vorzugsweise 50 bis 800 nm, weiter vorzugsweise zwischen 200 bis 600 nm, insbesondere zwischen 300 bis 400 nm, betragen, bezogen auf den Abstand zwischen zwei Stellen der benachbarten hart-spröden Schichtbereiche I, an denen die Härte einen Maximalwert annimmt. Alle Zwischenwerte der vorgenannten Wertebereiche können angenommen werden, selbst wenn die Zwischenwerte nicht ausdrücklich genannt sind.
Die 4 und 5 zeigen schematisch die Ergebnisse der oben im Ausführungsbeispiel beschriebenen Schnittversuche. 4 zeigt den Verlauf der Schnittkraft über den Schnittweg bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers 1 mit der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Spezifikation (Messwertverlauf 10) und bei Einsatz eines Schneidkörpers aus einem konventionellen Schneidstahl (Messwertverlauf 11). In 5 ist der Verlauf des spezifischen Verschleißvolumens über den Schnittweg bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers 1 mit der Spezifikation gemäß Ausführungsbeispiel (Messwertverlauf 12) und bei Einsatz eines Schneidkörpers aus einem konventionellen Schneidstahl (Messwertverlauf 13) gezeigt.
Die Schneidkante eines Schneidkörpers aus einem konventionellen Schneidstahl verrundet bereits nach kurzem Schnittweg, was zu einem schnellen Anstieg der Schnittkräfte führt. Das Verschleißvolumen nimmt ebenfalls schnell und linear über den Schnittweg zu. Eine starke Abrundung des Schneidkörpers im Bereich der Schneidkante führt zum Abbruch des Schneidversuches bei einem Schnittweg von weniger als 250 m.
Die Schnittkräfte bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers 1 verringern sich anfangs und bleiben dann über einen langen Schneiweg nahezu konstant. Das Verschleißvolumen ist kaum messbar. Gegenüber dem Verschleißvolumen, das bei Einsatz eines Schneidkörpers aus einem konventionellen Schneidstahl auftritt, ist das Verschleißvolumen bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schneidkörpers 1 um mehr als das 1000fache verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004052682 A1 [0006, 0006, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Ziebert, C. Bauer, M. Stüber, S. Ulrich, H. Rolleck, ”Thin Solid Films”, 482 (2005), Seite 63 bis 68 [0021]
DIN EN ISO 14577 [0029]

Claims

Schneidkörper (1) zum Schneiden abrasiver Schnittgüter, insbesondere zum Schneiden von Kunststoff-, Holz-, Papier und Kohlenstofffasermaterialien, mit einem Substratkörper (3) und einer auf lediglich auf einer Außenseite des Substratkörpers (3), vorzugsweise auf der Freiflächenseite, auf den Substratkörper (3) aufgebrachten dünnen Beschichtungslamelle (4), wobei der Substratkörper (3) eine geringere Verschleißfestigkeit als die Beschichtungslamelle (4) aufweist und wobei, vorzugsweise, die Beschichtungslamelle (4) beim Schneiden des Schnittgutes durch Abrasion des Substratkörpers (3) eine Schneidkante (2) mit zwei an der Schneidkante (2) aufeinander treffenden Schneidkantenflächen (5, 6) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslamelle (4) ein nanostrukturiertes Schichtsystem mit sich über die Schichtdicke ändernder chemischer Zusammensetzung und mit mehreren Schichtbereichen (I, II) unterschiedlicher Härte aufweist, wobei hart-spröde Schichtbereiche (I) und zäh-elastische Schichtbereiche (II) in dem Schichtsystem alternierend angeordnet sind.
Schneidkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der relative Massenanteil einer ersten Schichtkomponente mit hoher Härte und/oder einer zweiten Schichtkomponente mit geringerer Härte in dem Schichtsystem periodisch über die Schichtdicke des Schichtsystems ändert.
Schneidkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gradierung der chemischen Zusammensetzung des Schichtsystem vorgesehen ist mit einer über die Schichtdicke des Schichtsystems kontinuierlichen Änderung des relativen Massenanteils der ersten Schichtkomponente und/oder der zweiten Schichtkomponente.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Harte eines hart-spröden Schichtbereiches (I) zwischen 20 bis 40 GPa, vorzugsweise zwischen 25 bis 35 GPa, und die Härte eines zäh-elastischen Bereiches (II) zwischen 15 bis 35 GPa, vorzugsweise zwischen 20 bis 30 GPa, beträgt.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte eines hart-spröden Schichtbereiches (I) ausgehend von einem Maximalwert in Richtung auf benachbarte zäh-elastische Schichtbereiche (II) abnimmt und die Härte eines zäh-elastischen Schichtbereiches (II) ausgehend von einem Minimalwert in Richtung auf benachbarte hart-spröden Schichtbereiche (I) zunimmt, wobei, vorzugsweise, ein kontinuierlicher Härteübergang zwischen hart-spröden Schichtbereichen (I) und zäh-elastischen Schichtbereichen (II) vorgesehen ist.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zwei nächstliegenden hart-spröden Schichtbereichen (I) vorzugsweise zwischen 200 bis 600 nm, insbesondere zwischen 350 bis 400 nm, beträgt.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem durch Abscheidung aus einer Gasphase, insbesondere mittels CVD-Verfahren, weiter insbesondere mittels PA-CVD-Verfahren, erhältlich ist.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem ein TiB₂-TiN-Schichtsystem mit TiB₂ als erster Schichtkomponente und TiN als zweiter Schichtkomponente ist.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung des Schichtsystems eine Randschichtbehandlung des Substratkörpers (3) mittels Plasmanitrierung vorgesehen ist.
Schneidkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper (3) einen Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,2 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 0,5 Gew.-%, weiter insbesondere von ca. 0,45 Gew.-%, enthält oder daraus besteht.