DE102011108088B4 - Tool with a nitridic hard material layer and method for its production - Google Patents
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Abstract
Werkzeug bestehend aus einem Werkzeugsubstrat, das mit einer nitridischen Hartstoffschicht, in der Aluminium enthalten ist, beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kantenbereich der Anteil an Aluminium in der Hartstoffschicht gegenüber dem Anteil an Aluminium, der in einem Abstand von mehr als 500 μm vom Kantenbereich entfernt ausgebildeten Hartstoffschicht enthalten ist, erhöht ist.Tool consisting of a tool substrate, which is coated with a nitridic hard material layer, in which aluminum is included, characterized in that in an edge region, the proportion of aluminum in the hard material layer compared to the proportion of aluminum at a distance of more than 500 microns from the edge region formed formed hard material layer is increased.
Description
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer nitridischen Hartstoffschicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei den Werkzeugen handelt es sich im Wesentlichen um Werkzeuge für die Bearbeitung von Werkstücken, die mindestens eine Kante, bevorzugt eine Schneidkante aufweisen. Sie können zum Trennen oder für eine spanende Bearbeitung eingesetzt werden.The invention relates to a tool with a nitridic hard material layer and a method for its production. The tools are essentially tools for the machining of workpieces which have at least one edge, preferably a cutting edge. They can be used for cutting or for machining.
Solche Hartstoffschichten werden üblicherweise mit verschiedenen bekannten Vakuumbeschichtungsverfahren auf Werkstücksubstraten ausgebildet. Da aber für viele Anwendungen scharfe Übergänge an Kanten auch mit der Hartstoffschicht erreicht oder zumindest ausgehend von einer vorab an einem Werkzeugsubstrat bereits vorhandenen Kante keine Vergrößerung des dortigen Kantenradius gewünscht sind, treten insbesondere Probleme bei kleinen Kantenradien auf, wie dies bei Schneidkanten der Fall ist.Such hard coatings are commonly formed on workpiece substrates by various known vacuum deposition techniques. However, since for many applications sharp transitions to edges also occur with the hard material layer, or at least on the basis of an edge already present on a tool substrate, no enlargement of the edge radius is desired there are problems with small edge radii, as is the case with cutting edges.
Bisher erfolgt generell beim Beschichtungsprozess eine Vergrößerung des Kantenradius, ausgehend vom ursprünglichen Kantenradius an der jeweiligen Kante eines Werkzeugsubstrats auf dem die Hartstoffschicht ausgebildet wird. Dem kann bisher nur dadurch entgegengetreten werden, dass extrem dünne Hartstoffschichten abgeschieden werden, die jedoch eine erheblich begrenzte Lebensdauer und Wirkung erreichen.Up to now, an enlargement of the edge radius generally takes place during the coating process, starting from the original edge radius at the respective edge of a tool substrate on which the hard material layer is formed. This can only be countered by the fact that extremely thin layers of hard material are deposited, but which achieve a significantly limited life and effect.
Eine andere Möglichkeit ist die Ausbildung von sehr kleinen Kantenradien an Werkzeugsubstraten, die dann mit der Hartstoffschicht versehen werden. Hierfür ist aber die mechanische die Beschichtung vorbereitende Bearbeitung sehr aufwändig und die so erreichbaren sehr kleinen Kantenradien kleiner 15 μm, wie sie insbesondere bei Schneidkanten von Werkzeugen gewünscht sind, können so auch nicht mit einer ausreichenden Schichtdicke hergestellt werden. Der Verrundungseffekt lässt sich so nicht vermeiden. Es kann nur die Wirkung mit dem kleineren Kantenausgangsradius eines Werkzeugsubstrats reduziert werden.Another possibility is the formation of very small edge radii on tool substrates, which are then provided with the hard material layer. For this purpose, however, the mechanical processing preparatory to the coating is very complex and the achievable very small edge radii smaller than 15 microns, as they are especially desired for cutting edges of tools, can not be prepared with a sufficient layer thickness. The rounding effect can not be avoided in this way. Only the effect with the smaller edge exit radius of a tool substrate can be reduced.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Werkzeuge vorzuschlagen, die mit einer Hartstoffschicht beschichtet sind und in Kantenbereichen einen bestimmten beeinflussbaren, bevorzugt kleinen Kantenradius, auch unter Berücksichtigung des auf einem Kantenbereich eines Werkzeugsubstrats bereits vorhandenen Kantenradius, einhalten bzw. ausbilden zu können.It is therefore an object of the invention to propose tools that are coated with a hard material layer and in edge areas a certain modifiable, preferably small edge radius, even taking into account the already existing on an edge region of a tool substrate edge radius, to comply or train.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Werkzeug, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 5 hergestellt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention this object is achieved with a tool having the features of claim 1. It can be produced by a method according to claim 5. Advantageous developments can be realized with designated in subordinate claims characteristics.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug ist mit einer nitridischen Hartstoffschicht, in der Aluminium enthalten ist, beschichtet. Dabei ist in einem Kantenbereich der Anteil an Aluminium in der Hartstoffschicht, gegenüber dem Anteil an Aluminium, der in einem Abstand von mindestens 500 μm vom Kantenbereich entfernt ausgebildeten Hartstoffschicht enthalten ist, höher.A tool according to the invention is coated with a nitridic hard material layer in which aluminum is contained. In this case, the proportion of aluminum in the hard material layer is higher in an edge region than in the proportion of aluminum which is contained at a distance of at least 500 μm from the edge region formed hard material layer.
Der Anteil an Aluminium, der in einem Abstand von mehr als 500 μm vom Kantenbereich entfernt ausgebildeten Hartstoffschicht enthalten ist, sollte um mindestens 5% als im Rest der Hartstoffschicht erhöht sein.The proportion of aluminum which is contained at a distance of more than 500 microns from the edge region formed hard material layer should be increased by at least 5% than in the rest of the hard material layer.
Besonders vorteilhaft sollte der Kantenradius, der durch die Hartstoffschicht im Kantenbereich gebildet wird, kleiner als der Kantenradius im Kantenbereich des unbeschichteten Werkzeugsubstrats sein.Particularly advantageously, the edge radius, which is formed by the hard material layer in the edge region, should be smaller than the edge radius in the edge region of the uncoated tool substrate.
Der Kantenradius im Kantenbereich des unbeschichteten Werkzeugsubstrats sollte kleiner 30 μm, bevorzugt kleiner 15 μm sein.The edge radius in the edge region of the uncoated tool substrate should be less than 30 μm, preferably less than 15 μm.
Geeignete Werkstoffe für die Hartstoffschicht sind AlCrN/TiN oder AlCrSiN/TiN.Suitable materials for the hard material layer are AlCrN / TiN or AlCrSiN / TiN.
Die Herstellung kann mit einem PVD-Verfahren erfolgen, bei dem auf der Werkzeugsubstratoberfläche eine Hartstoffschicht, die mit AlCrN/TiN oder AlCrSiN/TiN gebildet ist, dabei innerhalb einer Vakuumkammer, in der ein Stickstoffpartialdruck > 2 Pa, bevorzugt > 5 Pa eingehalten wird, ausgebildet wird. Dabei soll mindestens eine die metallischen Elemente in der Hartstoffschicht, und bei einer Hartstoffschicht in der auch Silizium enthalten ist, eine Silizium enthaltende Verdampferquelle betrieben werden, um die Hartstoffschicht auf der Werkzeugsubstratoberfläche auszubilden. Zumindest während der Ausbildung der Hartstoffschicht soll an das zu beschichtende Werkzeugsubstrat eine elektrisch negative BIAS-Spannung von mindestens 100 V, bevorzugt 500 V angelegt werden.The production can be carried out with a PVD method in which a hard material layer formed on the tool substrate surface, which is formed with AlCrN / TiN or AlCrSiN / TiN, is maintained within a vacuum chamber in which a partial pressure of nitrogen> 2 Pa, preferably> 5 Pa, is maintained. is trained. In this case, at least one of the metallic elements in the hard material layer, and in a hard material layer in which silicon is also included, a silicon-containing evaporation source should be operated to form the hard material layer on the tool substrate surface. At least during the formation of the hard material layer, an electrically negative BIAS voltage of at least 100 V, preferably 500 V, is to be applied to the tool substrate to be coated.
Dabei soll die Energie der Ionen des Plasmas unter Berücksichtigung eines auf einem Kantenbereich des Werkzeugsubstrats auszubildenden Kantenradius der Hartstoffschicht und dem dort entsprechenden Kantenradius des Werkzeugsubstrats so geregelt oder gesteuert werden, dass ein bestimmter Kantenradius der Hartstoffschicht im Kantenbereich ausgebildet wird und dabei der Anteil an in der Hartstoffschicht enthaltenem Aluminium im Kantenbereich erhöht werden.In this case, the energy of the ions of the plasma is to be controlled or controlled taking into account a be formed on an edge region of the tool substrate edge radius of the hard material layer and the corresponding there edge radius of the tool substrate that a certain edge radius of the hard material layer is formed in the edge region and thereby the proportion of in the Hard material layer containing aluminum can be increased in the edge region.
Als Verdampferquelle(n) sollten bevorzugt ein Vakuumbogenverdampfer mit einer Graphitanode oder einer überwiegend mit Graphit gebildeten Anode eingesetzt werden. Bei den Verdampferquellen können die metallischen Komponenten jeweils in einzelnen Quellen aber auch bereits in Form einer Legierung mehrerer Metalle vorhanden sein. The evaporator source (s) should preferably be a vacuum arc evaporator with a graphite anode or an anode formed predominantly with graphite. In the evaporator sources, the metallic components may be present in individual sources but also already in the form of an alloy of several metals.
Die Ausbildung der Hartstoffschicht sollte möglichst so durchgeführt werden, dass die für die Bildung eingesetzten Ionen Energien im Bereich 0,3 keV bis 1 keV aufweisen.The formation of the hard material layer should if possible be carried out so that the ions used for the formation have energies in the range of 0.3 keV to 1 keV.
Der Kantenradius der Hartstoffschicht in einem Kantenbereich kann durch Erhöhung der negativen BIAS-Spannung reduziert werden. Die Reduzierung kann so weit führen, dass der Kantenradius an der Oberfläche der Hartstoffschicht im Kantenbereich kleiner ist, als der Kantenradius des ursprünglichen Werkzeugsubstrats in diesem Bereich.The edge radius of the hard material layer in an edge region can be reduced by increasing the negative bias voltage. The reduction can lead so far that the edge radius at the surface of the hard material layer in the edge region is smaller than the edge radius of the original tool substrate in this region.
Die Eigenschaften des Werkstoffs der fertig hergestellten Hartstoffschicht und auch Kantenradien können unmittelbar während des eigentlichen Beschichtungsprozesses beeinflusst werden. Dabei kann/können während der Ausbildung der Hartstoffschicht zumindest einer der folgenden Parameter, nämlich die elektrische BIAS-Spannung, der Stickstoffpartialdruck und/oder die Geschwindigkeit, mit der ein Werkzeugsubstrat bewegt wird, verändert werden. Bei der Veränderung der Geschwindigkeit kann dies die Geschwindigkeit sein, mit der zu beschichtende Werkzeugsubstrate oder zu beschichtende Oberflächenbereiche an einer oder mehreren Verdampferquellen vorbei bewegt wird/werden. Durch die sich verändernden Abstände der zu beschichtenden Oberflächenbereiche eines Werkzeugsubstrats können die jeweiligen Anteile der chemischen Elemente, mit denen zu diesen Zeitpunkten die Beschichtung ausgebildet wird, variieren. Wenn mehrere Verdampferquellen eingesetzt werden, können deren Kathoden eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen.The properties of the material of the ready-made hard material layer and also edge radii can be influenced directly during the actual coating process. In this case, during the formation of the hard material layer at least one of the following parameters, namely the electrical bias voltage, the nitrogen partial pressure and / or the speed with which a tool substrate is moved, can be changed. When changing the speed, this may be the speed at which tool substrates to be coated or surface areas to be coated are moved past one or more evaporator sources. Due to the changing distances of the surface areas of a tool substrate to be coated, the respective proportions of the chemical elements with which the coating is formed at these times can vary. If multiple evaporator sources are used, their cathodes may have a different chemical composition.
Dadurch kann die Konsistenz der ausgebildeten Hartstoffschicht während des Beschichtungsprozesses variiert werden. Dies erfolgt aber so, dass möglichst keine Grenzschichtbildung innerhalb der Hartstoffschicht auftritt, sondern ein sehr fein gradierter Übergang beim Schichtwachstum erreicht werden kann.As a result, the consistency of the formed hard material layer can be varied during the coating process. However, this takes place in such a way that as far as possible no boundary layer formation occurs within the hard material layer, but a very finely graded transition can be achieved during layer growth.
Bei sich veränderndem Stickstoff-Partialdruck kann der Nitridanteil innerhalb der Beschichtung verändert werden.As the nitrogen partial pressure changes, the nitride content within the coating can be changed.
Eine Veränderung des absoluten Betrags der an das Werkzeugsusbtrat angelegten elektrischen BIAS-Spannung kann auch zur Beeinflussung der Kristallitbildung und der Schichteigenspannungen beitragen. Dabei sollten jedoch die für die Bildung der Hartstoffschicht eingesetzten Ionen Energien bis 1 keV aufweisen. Mit diesen Ionenenergien ist ein permanenter Abtrag instabiler Phasen von der Oberfläche der Hartstoffschicht bereits während des Beschichtungsprozesses möglich, so dass keine oder zumindest deutlich weniger und kleinere Defekte auftreten können.A change in the absolute amount of electrical bias voltage applied to the tool substrate may also contribute to affecting crystallite formation and layered stresses. However, the ions used for the formation of the hard material layer should have energies up to 1 keV. With these ion energies, a permanent removal of unstable phases from the surface of the hard material layer is already possible during the coating process, so that no or at least significantly fewer and smaller defects can occur.
Die erfindungsgemäß hergestellte Hartstoffschicht kann eine Härte von mindestens 2500 HV aufweisen. Die Eigenspannungen der Hartstoffschicht sind kleiner 2 GPa und es ist eine feinkristalline Struktur mit Korngrößen kleiner 100 nm eingehalten. Innerhalb der Hartstoffschicht können die Anteile der einzelnen die Beschichtung bildenden chemischen Elemente variieren, wie dies bereits angesprochen worden ist.The hard material layer produced according to the invention may have a hardness of at least 2500 HV. The residual stresses of the hard material layer are less than 2 GPa and a fine-crystalline structure with particle sizes smaller than 100 nm is maintained. Within the hard material layer, the proportions of the individual chemical elements forming the coating can vary, as has already been mentioned.
So können innerhalb der Hartstoffschicht Bereiche mit einer inhomogenen Verteilung der chemischen Elemente erreicht werden. Beispielsweise können Bereiche mit erhöhtem Anteil an AlCrSiN neben Bereichen mit erhöhtem Anteil an TiN auftreten. Insbesondere der Anteil an Si kann stärker variieren, wobei es sogar Bereiche geben kann, in denen kein Si vorhanden ist. Überwiegend können solche Bereiche übereinander ausgebildete sehr dünne Schichten mit Dicken im Bereich 3 nm bis 50 nm bilden. Dabei sind die einzelnen Schichten nicht scharf in ihrer Konsistenz voneinander getrennt, sondern es sind Mischzonen ausgebildet, in denen sich die Anteile der chemischen Elemente nur in sehr geringem Maß unterscheiden.Thus, areas with an inhomogeneous distribution of the chemical elements can be achieved within the hard material layer. For example, areas of increased AlCrSiN may occur adjacent to areas of increased TiN. In particular, the proportion of Si may vary more, and there may even be areas where Si is absent. Predominantly, such regions can form superimposed very thin layers with thicknesses in the range 3 nm to 50 nm. The individual layers are not sharply separated in their consistency from each other, but there are formed mixing zones in which the proportions of the chemical elements differ only to a very small extent.
Bei der Erfindung kann eine Stabilisierung der eigentlichen kubischen AlN-Phase durch das Titan erreicht und dabei eine Bildung von hexagonalem AlN durch eine geeignete Zusammensetzung der in den Verdampferquellen eingesetzten Kathoden zumindest nahezu vermieden werden. Wird der Anteil an Titan in der Beschichtung im Bereich 10 Masse-% bis 20 Masse-% gehalten, wirkt sich dies mit einer Reduzierung der Schichteigenspannungen vorteilhaft aus.In the invention, a stabilization of the actual cubic AlN phase can be achieved by the titanium and thereby at least almost avoided formation of hexagonal AlN by a suitable composition of the cathodes used in the evaporator sources. If the proportion of titanium in the coating is maintained in the range of 10% by mass to 20% by mass, this has an advantageous effect with a reduction in the layer's residual stresses.
Im Anschluss an die Herstellung ist kein Schärfen einer Schneidkante eines mit Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeugs durch Schleifen erforderlich.After fabrication, no sharpening of a cutting edge of a hard coated tool is required by grinding.
Die Hartstoffschichten für die Werkzeuge können auf unterschiedlichen Werkzeugsubstraten aus unterschiedlichen Metallen und Legierungen, Keramiken oder auch Hartmetallen aufgebracht werden. Lediglich eine mit AlCrSiN/TiN gebildete Hartstoffschicht sollte nur auf temperaturbeständige Materialien, z. B. Hartmetall, ausgebildet werden. Dies kann Wolframcarbid oder Wolframcarbid mit Cobalt, in denen unterschiedliche, aber für Hartmetall übliche Anteile der chemischen Elemente enthalten sind, sein.The hard material layers for the tools can be applied on different tool substrates made of different metals and alloys, ceramics or hard metals. Only a hard material layer formed with AlCrSiN / TiN should only be applied to temperature-resistant materials, eg. As carbide, are formed. This can be tungsten carbide or tungsten carbide with cobalt, in which are different, but common for hard metal portions of the chemical elements to be.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen zur Beschichtung der Werkzeuge bildet sich in einem Kantenbereich eine Schichtzone mit einem höheren Anteil an AlN, die elektrisch weniger leitfähig ist, als im übrigen Teil der Beschichtung, der vom Kantenbereich entfernt ist. Dies führt im Kantenbereich zu einem reduzierten Ionenbeschuss im Vergleich zur Schichtabscheideprozessen von Schichten höherer elektrischer Leitfähigkeit. Die bei elektrisch leitfähigeren Schichten normalerweise auftretende typische Abflachung der ausgebildeten Beschichtung in Kantenbereichen durch geometrisch induzierte elektrische Feldüberhöhung kann mit der Erfindung kompensiert bzw. überkompensiert werden.In the method according to the invention for coating the tools, a layer zone with a higher content of AlN, which is less electrically conductive, is formed in an edge region than in the remaining part of the coating, which is remote from the edge region. This leads to reduced ion bombardment in the edge region in comparison to the layer deposition processes of layers of higher electrical conductivity. The typically occurring in electrically conductive layers typical flattening of the formed coating in edge regions by geometrically induced electrical field increase can be compensated or overcompensated with the invention.
Mit zunehmender Dicke der auszubildenden Hartstoffschicht wird der Kantenradius normalerweise größer. Dadurch sind die üblicherweise eingesetzten Dicken von Hartstoffschichten auf 3 μm bis 5 μm begrenzt, was auf die gesamte Fläche der Hartstoffschicht zutrifft. Eine solche dünne Gesamtschichtdicke wirkt sich aber wegen der reduzierten Lebensdauer negativ aus. Mit der Erfindung kann dem entgegengetreten werden.As the thickness of the hard material layer to be formed increases, the edge radius normally becomes larger. As a result, the thicknesses of hard material layers usually used are limited to 3 μm to 5 μm, which applies to the entire surface of the hard material layer. However, such a thin overall layer thickness has a negative effect because of the reduced service life. This can be counteracted with the invention.
Mit der bei der Erfindung gezielt beeinflussten Energie der Ionen mit denen die Hartstoffschicht gebildet wird, kann der ursprüngliche Kantenradius des Werkzeugsubstrats zumindest beibehalten werden. Er kann aber auch reduziert werden, so dass der Kantenradius an der Oberfläche der Hartstoffschicht im Kantenbereich kleiner als der Kantenradius des Werkzeugsubstrats in diesem Bereich ist.With the targeted influence of the invention in the energy of the ions with which the hard material layer is formed, the original edge radius of the tool substrate can be maintained at least. However, it can also be reduced so that the edge radius on the surface of the hard material layer in the edge region is smaller than the edge radius of the tool substrate in this region.
Dabei wird eine dielektrische Komponente gezielt in die Hartstoffschicht eingebaut. Dies ist in der Regel zumindest aber überwiegend AlN. In Kantenbereichen mit kleinen Kantenradien kann durch die Feldüberhöhung in Verbindung mit den erhöhten Ionenenergien bevorzugt die elektrisch leitfähige Komponente, mit der die Hartstoffschicht eigentlich gebildet wird, in größerer Menge abgetragen werden. Es kommt zu einer Entmischung, die wiederum zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands pro Fläche führt. Dies führt zu einer zunehmenden elektrischen Abschirmung dieser Zone, die mit dem abnehmenden Ionenbeschuss verbunden ist. Daraus resultiert, dass die Hartstoffschicht über die gesamte Oberfläche, also auch in Kantenbereichen, mit gleicher Beschichtungsrate aufwächst, wodurch die übliche Kantenverrundung vermieden werden kann. Bei weiterer Erhöhung der elektrischen BIAS-Spannung, die an das Werkzeugsubstrat angelegt wird, kann der Kantenradius sogar verringert werden.In this case, a dielectric component is specifically incorporated in the hard material layer. This is usually but at least predominantly AlN. In edge regions with small edge radii, the electrically conductive component, with which the hard material layer is actually formed, can be removed in a larger amount by the field elevation in conjunction with the increased ion energies. It comes to a segregation, which in turn leads to an increase in electrical resistance per area. This results in increasing electrical shielding of this zone associated with decreasing ion bombardment. As a result, the hard material layer grows over the entire surface, ie also in edge regions, at the same coating rate, whereby the usual edge rounding can be avoided. By further increasing the electrical bias voltage applied to the tool substrate, the edge radius can even be reduced.
Mit der Erfindung können Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, die scharfe Kanten/Schneidkanten aufweisen, ohne dass eine aufwändige nachträgliche oder vorab Bearbeitung erforderlich ist.With the invention, tools can be made available that have sharp edges / cutting edges, without the need for time-consuming subsequent or pre-processing.
Dies kann ausschließlich durch gezielte Anpassung der Beschichtungsparameter erreicht werden. Damit ist auch eine gezielte Einstellung von Kantenradien möglich.This can only be achieved by targeted adaptation of the coating parameters. This also a targeted adjustment of edge radii is possible.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigt:Showing:
Beispiel 1:Example 1:
Für die Herstellung von Schneidwerkzeugen mit kleinem Schneidkantenradius, die aus Wolframcarbid-Cobalt als Hartmetall gebildet und mit einer 4 μm Hartstoffschicht aus AlCrSiN/TiN beschichtet werden sollten, ist wie folgt vorgegangen worden:
Die Werkzeuge wurden vor dem Beschichten in einem ein alkalisches Reinigungsmittel enthaltendes Bad gegeben und mittels Ultraschall gereinigt. Danach wurden die Bauteile klar gespült und getrocknet.For the production of cutting tools with a small cutting edge radius, which should be formed of tungsten carbide cobalt as a hard metal and coated with a 4 micron hard layer of AlCrSiN / TiN, the procedure was as follows:
The tools were placed in a bath containing an alkaline detergent prior to coating and cleaned by ultrasound. Thereafter, the components were rinsed clear and dried.
Der Werkstoff hatte die Zusammensetzung 90 Masse-% Wolframcarbid und 10 Masse-%- Cobalt. Die so vorgereinigten Bauteile wurden in eine Vakuumkammer eingesetzt, in der der Innendruck auf < 0,01 Pa reduziert wurde. Die Werkzeuge wurden in einen drehbaren Bauteilträger eingesetzt. In der Vakuumkammer wurden sie auf eine Temperatur von 300°C erwärmt, um ggf. noch vorhandene organische Rückstände von der Oberfläche zu entfernen. Hierfür wurde ein Heizstrahler genutzt. Im Anschluss an diese Vorwärmung wurde die zu beschichtende Oberfläche durch Ionenbeschuss fein gereinigt. Dabei wurden folgende Parameter eingehalten: ein Argon Partialdruck 5 Pa, BIAS-Spannung –1 kV und t = 20 min.The material had the composition 90 mass% tungsten carbide and 10 mass% cobalt. The thus pre-cleaned components were placed in a vacuum chamber in which the internal pressure was reduced to <0.01 Pa. The tools were inserted into a rotatable component carrier. In the vacuum chamber, they were heated to a temperature of 300 ° C in order to remove possibly remaining organic residues from the surface. For this purpose, a radiant heater was used. Following this preheating, the surface to be coated was finely cleaned by ion bombardment. The following parameters were observed: an argon partial pressure 5 Pa, BIAS voltage -1 kV and t = 20 min.
Zuerst wurde auf der Oberfläche eine ca. 100 nm Dicke Haftvermittlerschicht aus TiN aufgebracht. Dabei wurde eine Vakuumbogen-Verdampferquelle, bei der die Kathode aus reinem Titan bestand, mittels elektrischer Bogenentladung betrieben. Während der elektrischen Bogenentladung wurde die elektrische Spannung auf 20 V und der elektrische Bogenstrom auf 100 A gehalten. An die Werkzeuge wurde eine negative elektrische BIAS-Spannung von –500 V angelegt. Es wurde der Stickstoffpartialdruck auf 1 Pa eingestellt und die Werkzeuge mittels eines Trägers an der Verdampferquelle vorbei bewegt. Im Anschluss an die Ausbildung dieser Haftvermittlerschicht wurde bei ansonsten gleichen Bedingungen, eine zweite Verdampferquelle in Betrieb genommen, bei der die Kathode aus AlCrSi (60:30:10 at-%) gebildet war. Nach dem Zünden der elektrischen Bogenentladung dieser Verdampferquelle, bei der die Anode eine Graphitelektrode war, wurden die Werkzeuge mittels des Trägers an den beiden Verdampferquellen vorbei gedreht. Die elektrische Bogenentladung der zweiten Verdampferquelle wurde mit einer elektrischen Spannung von 20 V und einen elektrischen Bogenstrom von 100 A aufrechterhalten. Dadurch und in Verbindung mit der an die Werkzeuge angelegten BIAS-Spannung konnte ein Beschuss mit Ionen, deren Energie bei 0,5 keV lag und eine Beschichtungsrate von 15 μm/h bis 20 μm/h erreicht werden. Der Beschichtungsprozess wurde ca. 12 Minuten betrieben. Nach einer Abkühlphase von 30 min konnten die mit der Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeuge entnommen werden. Mit der 4 μm dicken Hartstoffbeschichtung aus AlCrSi/TiN war eine Härte der Hartstoffbeschichtung von 2900 HV erreicht.First, an approximately 100 nm thick adhesion promoter layer of TiN was applied to the surface. Here, a vacuum arc evaporator source in which the cathode was made of pure titanium was operated by electric arc discharge. During the electric arc discharge, the electric voltage was kept at 20 V and the electric arc current at 100 A. A negative BIAS electrical voltage of -500 V was applied to the tools. The nitrogen partial pressure was set to 1 Pa and the tools were moved past the evaporator source by means of a carrier. Following the formation of this primer layer, all other things being equal, a second evaporator source was set up in which the cathode was formed of AlCrSi (60:30:10 at%). After ignition of the electric arc discharge of this evaporator source, in which the anode was a graphite electrode, the tools were rotated by the carrier at the two evaporator sources over. The electric arc discharge of the second evaporator source was maintained at a voltage of 20 V and an electric arc current of 100 A. As a result, and in conjunction with the BIAS voltage applied to the tools, it was possible to achieve an ion bombardment with an energy of 0.5 keV and a coating rate of 15 μm / h to 20 μm / h. The coating process was operated for about 12 minutes. After a cooling phase of 30 minutes, the tools provided with the hard coating could be removed. With the 4 μm thick hard coating of AlCrSi / TiN a hardness of the hard material coating of 2900 HV was achieved.
An den Schneidkanten der Werkzeuge wurden jeweils vor und nach der Beschichtung Vermessungen der Kantenradien durchgeführt, dabei ergaben sich folgende Werte für die Kantenradien:
- – vor der Beschichtung: 9 μm Kantenradius und
- – nach der Beschichtung: 5 μm Kantenradius.
- - before coating: 9 μm edge radius and
- - after coating: 5 μm edge radius.
Beispiel 2:Example 2:
Für die Herstellung von Schneidwerkzeugen mit geringem Schneidkantenradius, die aus Wolframcarbid-Cobalt als Hartmetall gebildet und mit einer 50 μm Hartstoffschicht aus AlCrN/TiN beschichtet werden sollten, ist wie folgt vorgegangen worden.For the production of cutting tools with a small cutting edge radius, which should be formed of tungsten carbide cobalt as hard metal and coated with a 50 micron hard material layer of AlCrN / TiN, the procedure was as follows.
Die Hartmetallwerkzeuge wurden vor dem Beschichten in einem ein alkalisches Reinigungsmittel enthaltendes Bad gegeben und mittels Ultraschall gereinigt. Danach wurden die Bauteile klar gespült und getrocknet.The carbide tools were placed in a bath containing an alkaline detergent prior to coating and cleaned by ultrasound. Thereafter, the components were rinsed clear and dried.
Der Werkstoff hatte die Zusammensetzung 90 Masse-% Wolframcarbid und 10 Masse-% Cobalt. Die so vorgereinigten Bauteile wurden in eine Vakuumkammer eingesetzt, in der der Innendruck auf < 0,01 Pa reduziert wurde. Die Bauteile wurden in einen drehbaren Träger eingesetzt. In der Vakuumkammer wurden die Werkzeuge auf eine Temperatur von 300°C erwärmt, um ggf. noch vorhandene organische Rückstände von der Oberfläche zu entfernen. Hierfür wurde ein Heizstrahler genutzt. Im Anschluss an diese Vorwärmung wurde die zu beschichtende Oberfläche durch Ionenbeschuss fein gereinigt. Dabei wurden folgende Parameter eingehalten: Argonpartialdruck 5 Pa, BIAS-Spannung –1 kV und t = 20 min.The material had the composition 90% by mass of tungsten carbide and 10% by mass of cobalt. The thus pre-cleaned components were placed in a vacuum chamber in which the internal pressure was reduced to <0.01 Pa. The components were inserted into a rotatable carrier. In the vacuum chamber, the tools were heated to a temperature of 300 ° C in order to remove possibly remaining organic residues from the surface. For this purpose, a radiant heater was used. Following this preheating, the surface to be coated was finely cleaned by ion bombardment. The following parameters were observed: Argon partial pressure 5 Pa, BIAS voltage -1 kV and t = 20 min.
Zuerst wurde auf der Oberfläche eine ca. 100 nm Dicke Haftvermittlerschicht aus TiN aufgebracht. Dabei wurde eine Verdampferquelle, bei der die Kathode aus reinem Titan bestand, mittels elektrischer Bogenentladung betrieben. Während der elektrischen Bogenentladung wurden die elektrische Spannung auf 20 V und der elektrische Bogenstrom auf 100 A gehalten. An die Werkzeuge wurde eine negative elektrische BIAS-Spannung von –500 V angelegt. Es wurde der Stickstoffpartialdruck auf 1 Pa eingestellt und die Werkzeuge mittels des Trägers an der Verdampferquelle vorbei bewegt. Im Anschluss an die Ausbildung dieser Haftvermittlerschicht wurde bei ansonsten gleichen Bedingungen, eine zweite Verdampferquelle in Betrieb genommen, bei der die Kathode aus AlCr (70:30 at-%) gebildet war. Nach dem Zünden der elektrischen Bogenentladung dieser Verdampferquelle, bei der die Anode eine Graphitelektrode war, wurden die Werkzeuge mittels des Trägers an den beiden Verdampferquellen vorbei gedreht. Die elektrische Bogenentladung der zweiten Verdampferquelle wurde mit einer elektrischen Spannung von 20 V und einem elektrischen Bogenstrom von 100 A aufrechterhalten.First, an approximately 100 nm thick adhesion promoter layer of TiN was applied to the surface. In this case, an evaporator source, wherein the cathode was made of pure titanium, operated by means of electrical arc discharge. During the electric arc discharge, the electric voltage was kept at 20 V and the electric arc current at 100 A. A negative BIAS electrical voltage of -500 V was applied to the tools. The nitrogen partial pressure was set to 1 Pa and the tools were moved past the evaporator source by means of the carrier. Following the formation of this primer layer, all other things being equal, a second evaporator source was put into operation, in which the cathode was formed of AlCr (70:30 at%). After ignition of the electric arc discharge of this evaporator source, in which the anode was a graphite electrode, the tools were rotated by the carrier at the two evaporator sources over. The electric arc discharge of the second evaporator source was maintained at a voltage of 20 V and an electric arc current of 100 A.
Dadurch und in Verbindung der an die Werkzeuge angelegten BIAS-Spannung von nunmehr 300 V konnten ein Beschuss mit Ionen, deren Energie bei 0,3 keV lag und eine Beschichtungsrate von 15 μm/h bis 20 μm/h erreicht werden. Der Beschichtungsprozess wurde 11 Minuten betrieben.As a result of this, and in conjunction with the BIAS voltage of 300 V applied to the tools, bombardment with ions whose energy was 0.3 keV and a coating rate of 15 μm / h to 20 μm / h could be achieved. The coating process was operated for 11 minutes.
Nach einer Abkühlphase von 30 min konnten die mit der Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeuge entnommen werden. Mit der 4 μm dicken Hartstoffbeschichtung aus AlCrN/TiN wurde eine Härte der Hartstoffbeschichtung von 2500 HV erreicht.After a cooling phase of 30 minutes, the tools provided with the hard coating could be removed. With the 4 μm thick hard coating of AlCrN / TiN a hardness of the hard material coating of 2500 HV was achieved.
An den Schneidkanten der Werkzeuge wurden jeweils vor und nach der Beschichtung Vermessungen der Kantenradien durchgeführt, dabei ergaben sich folgende Werte für die Kantenradien:
- – vor der Beschichtung: 11 μm Kantenradius und
- – nach der Beschichtung: 3 μm Kantenradius.
- - before coating: 11 μm edge radius and
- - after coating: 3 μm edge radius.
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Patent Citations (1)
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US20050003239A1 (en) * | 2003-04-28 | 2005-01-06 | Unaxis Balzers Ltd | Work piece with a hard film of AICr-containing material, and process for its production |
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