DE102012017033A1

DE102012017033A1 - PVD Lichtbogenbeschichtung mit verbesserten reibungsmindernden und verschleissreduzierenden Eigenschaften

Info

Publication number: DE102012017033A1
Application number: DE201210017033
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ramm; Matthias Lukas Sobiech; Florian Seibert; Beno Widrig
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-05-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine beschichtete Komponente mit einer Oberfläche und einem auf zumindest Teile der Oberfläche aufgebrachten Schichtsystem welches zumindest eine harte reibungsmindernde äusserste Schicht umfasst welches Spritzer an seiner Oberfläche aufweist, wobei die äusserste Schicht Mo-Cu-N und/oder Mo-N und C-N umfasst und zumindest einige Spritzer hauptsächlich aus Kupfer bestehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungssystem für den Verschleissschutz von Komponenten, die in tribologischen Systemen verwendet werden. Dieses Beschichtungssystem ist besonders nützlich, um den Oberflächenverschleiss zu reduzieren und die Lebensdauer zu erhöhen, falls die während des tribologischen Kontakts an der Komponentenoberfläche auftretenden Verschleissmechanismen stark durch das anfängliche Reibungsverhalten beeinflusst werden. Ausserdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von verschleissfesten Komponenten, deren Oberfläche wenigstens teilweise mit einem Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung beschichtet ist.
Hintergrund der Erfindung
Tribologie ist das Wissenschafts- und Technologiegebiet, das sich mit wechselwirkenden Oberflächen in relativer Bewegung befasst. Wenn relative Bewegung zwischen zwei Oberflächen stattfindet und eine Last von einer Seite zur anderen übertragen wird, geht dies immer mit Reibung und Verschleiss einher. Im Prinzip kann jede bewegbare Baugruppe als ein tribologisches System angesehen werden.
Ein tribologisches System besteht im Wesentlichen aus den Oberflächen von zwei Körpern, die sich in bewegendem Kontakt zueinander befinden; ein Medium (normalerweise eine Flüssigkeit) kann zwischen den Oberflächen der beiden Körper in Bewegung relativ zu einander und deren Umgebung angeordnet werden. Die Art, das Fortschreiten und das Ausmass des Verschleisses werden durch die Werkstoffe und Oberflächenbeschaffenheit der Körper, Zwischenstoffe, direkte Umgebung und Betriebsbedingungen bestimmt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die beiden im tribologischen Kontakt stehenden Körper auch als Komponenten bezeichnet. Falls der tribologische Arbeitsgang beispielsweise ein Zerspanungsvorgang ist, sind die zwei Körper oder Komponenten, deren Oberflächen im tribologischen Kontakt stehen, das Zerspanungswerkzeug und das Werkstück, welche auch als Körper bzw. Antikörper bezeichnet werden können. In diesem Fall umfasst das tribologische System auch die Umgebung, die normalerweise aus Sauerstoff- und Wasserdampf mit Atmosphäre besteht und ein Medium enthalten kann, das normalerweise aus einem Schmierstoff und/oder einem Kühlmittel besteht, welches zwischen den Oberflächen des Zerspanungswerkzeugs und des Werkstücks angebracht ist, um einem tribologischen Kontakt ausgesetzt zu werden.
Um die Lebensdauer von im tribologischen Kontakt stehenden Komponenten zu erhöhen, werden oft Verschleissschutzbeschichtungen benutzt.
Im Patentdokument US5707748 wird beispielsweise ein Werkzeug mit einer Beschichtung zur Verminderung der Bildung einer Materialanhäufung auf Schnittkanten beschrieben. Die beschriebene Beschichtung enthält eine harte Schicht und eine reibungsmindernde Schicht, wobei die harte Schicht auf eine Weise und/oder aus einem Werkstoff derart gebildet ist, dass die harte Schicht ohne die reibungsmindernde Schicht zur Materialanhäufung an der Schnittkante führen würde. Es wurde festgehalten, dass geeignete Werkstoffe für die reibungsmindernde Schicht vor allem Werkstoffe auf Kohlenbasis sind, hergestellt durch bekannte Dampfphasenabscheidungsverfahren wie beispielsweise Verdampfungs-, Ionenplattierungs- und Zerstäubungs-(Sputtering)-PVD-Verfahren. Gemäss der Beschreibung sollte die reibungsmindernde Schicht mittels des in Patentdokument US4992153 (Sputter-PVD + CVD-Verfahren) beschriebenen Beschichtungsverfahrens abgeschieden werden und eine Schichtdicke von ungefähr einem Drittel der harten Schichtdicke aufweisen.
Im US5707748 wird genau ein Werkzeug beansprucht mit einem Werkzeugkörper, der mindestens einen dem Verschleiss auszusetzenden Bereich und eine Beschichtung mindestens des dem Verschleiss auszusetzenden Bereichs aufweist, und welcher durch ein Vakuumverfahren beschichtet wird, wobei die Beschichtung im Wesentlichen aus mindestens einer direkt auf dem Werkzeugkörper liegenden harten Schicht und mindestens einer äusseren auf der harten Schicht aufgetragenen reibungsmindernden Schicht besteht, wobei die reibungsmindernde Schicht eine Mischung aus Hartmetallen und Kohlenstoff ist und so hergestellt wird, dass sie keine Halogenide enthält, und eine Korngrösse der harten und der reibungsmindernde Schichten eine lineare durchschnittliche Breite von weniger als 1 μm aufweist, wobei die reibungsmindernde Schicht eine geringere Dicke als die harte Schicht besitzt.
Ein ähnliches Beschichtungssystem wird in US7067191 vorgeschlagen, welches sich im Wesentlichen von der in US5707748 vorgeschlagenen Beschichtung durch das Hinzufügen einer metallischen Zwischenschicht zwischen der harten Schicht und der reibungsmindernden Schicht unterscheidet. Gemäss der Beschreibung sollte ein solches Schichtsystem besonders vorteilhaft für Werkzeuge oder Maschinenkomponenten sein, welche mit ungenügender Schmierung oder unter trockenen Betriebsbedingungen betrieben werden. Das vorgeschlagene Beschichtungssystem umfasst ein Schichtsystem aus harter Substanz, angefangen vom Grundkörper, gefolgt von einer metallischen Schicht und schliesslich mit einem Gleitschichtsystem. Das Gleitschichtsystem besteht (ähnlich der reibungsmindernden Schicht in US5707748 ) aus einem Hartmetall, insbesondere Wolframcarbid oder Chromcarbiden und fein verteiltem Kohlenstoff. Ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs oder einer Maschinenkomponente gemäss US7067191 wird in US6827976 vorgeschlagen und beansprucht.
Die oben erwähnten Beschichtungen und Beschichtungsproduktionsmethoden enthalten jedoch einige schwerwiegende Nachteil, beispielswiese:

1. Die Beschichtungsverfahren sind komplex und teuer, da sie zur Abscheidung der reibungsmindernden Schicht oder des Gleitschichtsystems Sputtering- und CVD-Verfahren umfassen.
2. Der Gebrauch von weniger komplexen und weniger teuren Beschichtungsmethoden wie beispielsweise eines kathodischen Lichtbogen-PVD-Verfahrens zur Abscheidung der kohlenstoffenthaltenden reibungsmindernden Schicht oder des kohlenstoffenthaltenden Gleitschichtsystems gestaltet sich wegen der Abscheidung von harten Makropartikeln (Droplets) in der Beschichtung und auf der Beschichtungsfläche als sehr schwierig, was in einer unakzeptablen Rauheit und daher in einer unakzeptablen Reibung und Abnutzung resultiert.
3. Die im Stand der Technik erwähnten kohlenstoffenthaltenden Schichten oder Schichtsysteme sind Werkstoffe, die der Familie der sogenannten diamantartigen Kohlenstoff(DLC)-Werkstoffen angehören und können somit ungünstig mit einigen in Schmierstoff- oder Kühlmittellösungen vorhandenen Substanzen reagieren.
4. Mit Wolframcarbid dotierte diamantartige Kohlenstoffwerkstoffe (gemeinhin als WC/C oder als a-C:H:WC oder als a-C:H:W bezeichnet) sind extrem wasserbindend. Es sind daher ausführliche Reinigungsverfahren zwischen den Beschichtungschargen nötig, um die Reproduzierbarkeit der Beschichtungsbedingungen in der Beschichtungskammer zu gewährleisten.
5. Kohlenstoffenthaltende Werkstoffe weisen eine erhöhte und unkontrollierbare Reaktionsfähigkeit mit Sauerstoff auf, falls sie hohen Temperaturen (von ungefähr 400°C oder höher) in sauerstoffhaltigen Atmosphären ausgesetzt sind.

Anderweitige Molybdännitrid-enthaltende Beschichtungen werden in der Patentschrift WO2012055485 besprochen. Es wurde erwähnt, dass eine Molybdän-Nitrid-Beschichtung mit Hilfe von kathodischen Lichtbogen-PVD-Techniken auf einem nichtspezifizierten Substrat unter Benutzung einer 300 nm dicken Schicht als Haftschicht zwischen dem Substrat und der Molybdännitrid-Schicht abgeschieden wird. Gemäss dem Bericht weist die Molybdännitrid-Schicht eine extreme Härte (HV 3000 ± 500) und geringe Rauheit (Rz = 1.07 μm und Ra = 0.13 μm) auf und verhindert die Materialübertragung von 100Cr6, falls es gegen dieses Material bei nichtspezifizierten Temperaturen im SRV Test getestet wird. Es wurde angegeben, dass diese Materialübertragung zum Molybdännitrid (die üblicherweise für Titan-Aluminium-Nitride (TiAlN) oder Aluminium-Chromnitrid (AlCrN) beschichtete Oberflächen stattfindet) durch Anbringen einer kathodischen mittels Lichtbogen-PVD-abgeschiedenen Molybdännitrid-Beschichtung zumindest teilweise vermieden werden kann. Ausserdem wurde festgestellt, dass es durch Einbettung eines geringen Anteil an Molybdännitrid in anderen Nitridbeschichtungen möglich ist, neue Molybdännitrid-enthaltende Nitriden herzustellen, welche ähnliche Eigenschaften wie diejenigen des originalen Basisnitrids haben könnten aber eine bessere Leistung aufweisen und dass die Materialübertragung vom Werkstückmaterial zur Komponente, z. B. der Schnittkante der Wendeschneidplatte, reduziert oder verhindert werden könnten. Zudem wurde erwähnt, dass Molybdännitrid-Beschichtungen bei erhöhten Temperaturen auf unkontrollierbare Weise oxidieren können. Um das Auftreten dieses Phänomens zu verhindern oder zu verzögern wird empfohlen, zum Teil Molybdännitrid durch Molybdänmonoxide zu ersetzen und/oder eine Molybdän-Monoxid-Oberschicht zu benutzen.
Das in WO2012055485 beschriebene Mo-N-O-System eignet sich für viele Anwendungen. Es besitzt jedoch einen Nachteil, der allen durch nicht-filtriertes Lichtbogenverdampfen synthetisch gebildeten Beschichtungen innewohnt. Dies ist die Aufnahme von Droplets in der Beschichtung wie auch die damit verbundene eher hohe Oberflächenrauheit. Weil sowohl das Molybdännitrid als auch das Molybdänmonoxid einen hohen Härtegrad von mehr als 20 GPa, normalerweise um die 30 GPa, aufweisen, sind diese Droplets während der anfänglichen Kontakte des Werkzeugs mit dem Werkstück besonders bedenklich, wie dies der Fall für alle PVD Hartbeschichtungen ist. Während dieser Anfangsphase des Kontakts erleichtern die harten und abrasiven Droplets die Materialübertragung vom Werkstück zum Werkzeug und führen mindestens zwei negative Konsequenzen herbei:

1) Einerseits werden die besseren Schmierbedingungen, welche für Molybdän-basierende Werkstoffe charakteristisch sind (wie in WO2012055485 beschrieben), zum Teil behindert.
2) Andererseits, verändert sich das Reibungsverhalten zum Schlechteren, wenn die Droplets aufgrund des tribologischen Kontakts ausbrechen oder von der Beschichtung wegfallen, und dadurch das Risiko von Rissen in der Beschichtung erhöhen.

Aus diesen Gründen ist eine Oberflächennachbehandlung dieser für Molybdän-basierenden Beschichtungen zur Entfernung von Droplets oder Glätten der Beschichtungsfläche im Allgemeinen nützlich, genauso wie es nützlich ist, für fast alle mittels kathodischen Lichtbogen-PVD-Techniken ohne Gebrauch von Filtern abgeschiedenen Beschichtungen, um die Aufnahmen von Droplets in der Beschichtung zu vermeiden. In einigen Fällen ist eine Glättungs- oder Polierbehandlung nach der Beschichtung sogar unverzichtbar. Diese Nachbehandlungen führen jedoch zu zusätzlichen Kosten und erfordern im Allgemeinen mindestens einen weiteren Arbeitsschritt.
Zweck der vorliegenden Erfindung
Das Hauptanliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Beschichtungssystem zum Verschleissschutz von Komponenten, deren Oberflächen in tribologischen Systemen dem Verschleiss ausgesetzt sind, zu liefern. Insbesondere sollte dieses Beschichtungssystem die Qualität, die Verschleissresistenz und die Lebensdauer von Oberflächen, die in tribologischen Systemen dem Verschleiss ausgesetzt sind, erhöhen, wenn eine Verminderung des anfänglichen Reibungsverhaltens besonders nützlich ist.
Zudem sollte ein Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung Schutz vor adhäsivem Verschleiss bieten. Insbesondere sollte dieses Beschichtungssystem eine verbesserte Leistung und einen erhöhten Verschleissschutz für Werkzeuge liefern, die im Schneid- oder Umformverfahren eingesetzt werden, in welchen das Werkstück dazu neigt, auf der Werkzeugoberfläche zu schmieren oder eine Neigung zum Kaltverschweissen hat.
Insbesondere sollte es möglich sein, dieses Beschichtungssystem bei erhöhten Temperaturen von ca. 400°C oder höher, vorzugsweise von ungefähr 500°C oder höher zu benutzen, und es sollte eine hohe Härte von ungefähr 15 GPa oder höher, vorzugsweise von ungefähr 20 GPa oder höher, oder noch besser von ungefähr 30 GPa oder höher, aufwiesen sowie die Materialübertragung vom Werkstück auf die Komponente oder das Werkzeug verhindern.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Komponenten mit einem Beschichtungssystem wie oben erwähnt zu liefern.
Das Beschichtungssystem sollte auf mindestens einem Teil der Komponentenoberfläche abgeschieden werden, um dem tribologischen Kontakt ausgesetzt zu werden. Zudem liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von durch kathodische Lichtbogen beschichteten Oberflächen, die keine Oberflächennachbehandlung benötigen (weder durch mechanische noch durch chemische Nachbehandlung), um Droplets zu entfernen oder die Oberflächenrauheit nach der Beschichtung zu reduzieren, mit dem Zweck, den anfänglichen, während des Arbeitsvorgangs an der tribologischen Kontaktfläche entstandenen Verschleiss zu vermindern. Angesichts des obigen Hintergrunds folgt auch, dass die vorliegende Erfindung als ein Verfahren verstanden werden kann, mit dem die Initiierung der Oberflächenpolierung während des Einsetzens des tribologischen Kontakts erreicht werden kann. Daher ist die Oberfläche der beschichteten Komponente an sich für den nachfolgenden tribologischen Arbeitsvorgang selbst-konditioniert.
Darstellung der vorliegenden Erfindung
Um die vorliegende Erfindung zu erklären, wird die Beschreibung der Erfindung durch die 1, 2 und 3 unterstützt. Die 1 zeigt eine Skizze (nicht massstabsgetreu) eines Teils 1, beschichtet mit einem Beschichtungssystem 20 gemäss der vorliegenden Erfindung. In dieser Zeichnung stimmen die Dimensionen nicht notwendigerweise mit einem realen Fall überein. Insbesondere wurden die Ausmasse und die Verteilung der Droplets übertrieben, um das Konzept besser erklären zu können. Die 2 zeigt die Entwicklung des Flankenverschleisses, der während Schneidetests mit zwei unterschiedlichen Wendeschnittplatten gemessen wurde. Der resultierende Flankenverschleiss, mit Kreisen gezeichnet, entspricht einer Wendeschnittplatte, welche mit einer Beschichtung gemäss dem Stand der Technik beschichtet wurde. Der resultierende Flankenverschleiss, mit Sternen gezeichnet, entspricht einer anderen Wendeschnittplatte, die mit einem Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung beschichtet wurde. Die 3 zeigt eine mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) gemachten Aufnahme der Oberfläche einer harten reibungsmindernden Schicht 9 mit den Droplets 10, die hauptsächlich aus Kupfer bestehen, gemäss der vorliegenden Erfindung.
Erreicht wird das Hauptziel der vorliegenden Erfindung durch das Anbieten eines beschichteten Teils 1 mit einer Körperoberfläche 3 und einem auf mindestens einem Teil der Körperoberfläche abgeschiedenen Beschichtungssystem 20, wobei das besagte Beschichtungssystem mindestens eine harte reibungsmindernde Schicht 9 umfasst, abgeschieden als äusserste Schicht, wobei die äusserste Schicht Molybdän-Kupfernitride und/oder Molybdännitrid und Kupfernitride sowie Droplets 10, welche hauptsächlich aus Kupfer bestehen, enthält.
Das weitere Zweck der vorliegende Erfindung wird erreicht, indem ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Teils 1 angeboten wird, auf welchem die äusserste Beschichtung 9 durch nicht-filtrierte kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken gebildet wird, d. h. es wird keinen Versuch unternommen, die Dropletproduktion in diesem Abscheidungsverfahren zu unterdrücken. Die äusserte Schicht enthält Molybdän-Kupfernitride (und/oder Molybdännitride und Kupfernitride) sowie Droplets 10, welche hauptsächlich aus Kupfer bestehen. Hergestellt wird die äusserste Beschichtung 9 mittels mindestens eines Molybdän und Kupfer enthaltenden Targets, welches als Kathode in einer Atmosphäre mit Stickstoff arbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines Beschichtungssystems gemäss der vorliegenden Erfindung, enthält das Beschichtungssystem 20 eine harte Beschichtung 5 und eine harte reibungsmindernde Beschichtung 9, die als äusserste Schicht abgeschieden wird, wie in 1 ersichtlich.
Die harte Beschichtung 5 wird vorzugsweise mit Hilfe von kathodischen Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden. Die Makropartikel (Droplets) 6, welche durch diese Verdampftechnik erzeugt werden, werden in die Beschichtung eingebettet und/oder auf der Beschichtungsfläche abgeschieden. Aus diesem Grund kann diese harte Beschichtung eine hohe Oberflächenrauheit von ungefähr Rz = 1.5 μm oder sogar mehr aufweisen.
Falls kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken benutzt werden, werden diese Droplets 6 während des Lichtbogenprozesses auf der Kathodenoberfläche durch Schmelzen und Verdampfen des Targetmaterials erzeugt. In diesem Fall wird die für den Beschichtungsvorgang benutzte Festmaterialquelle ebenfalls als Kathode verwendet und wird im Allgemein als Target bezeichnet. Folglich bestehen die Droplets 6 in der Beschichtung und/oder der Beschichtungsfläche mindestens teilweise aus Targetmaterial, das vielleicht nicht komplett mit dem reaktiven Gas während der Beschichtungsbildung reagiert haben mag.
Die harte Beschichtung 5 weist eine typische Rauheit von mindestens Rz > 1 μm, Ra > 0.15 μm auf, kann aber Werte von Rz > 3 μm, Ra > 0.4 μm für dickere Schichten leicht übertreffen, weil die Oberflächenrauheit von lichtbogenverdampften Beschichtungen einen kumulativen Effekt darstellt und daher von der Dicke abhängig ist. Die harte reibungsmindernde Beschichtung 9, als eine äusserste Schicht abgeschieden, hat einen geringeren Reibungskoeffizient bei trockenen Bedingungen mit Bezug auf Stahl (100Cr6) und enthält Molybdän-Stickstoff chemische Verbindungen, Mo-N, und Kupfer. Das Kupfer kann auch in der Beschichtung aufgelöst werden und kann chemische Bindungen mit Stickstoff, Cu-N eingehen. Jedoch existiert Kupfer in der äussersten Schicht vorwiegend als Hauptbestandteil der Droplets 10, welche an der Oberfläche nach der Beschichtung beobachtet werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist die harte Schicht 5 einen Härtegrad von mindestens 15 GPa auf, vorzugsweise ungefähr 20 GPa oder mehr, noch besser vorzugsweise ungefähr 30 GPa oder höher. Es wird ausserdem erwartet, dass eine harte Beschichtung gemäss der vorliegenden Erfindung wegen ihrer sehr guten Verschleissschutzeigenschaften (insbesondere was mechanische Abnützung oder besser abrasive Abnützung anbelangt) als Verschleissschutzbeschichtung für Werkzeuge und Komponenten dienen kann. Vorzugsweise ist eine harte Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei hohen Temperaturen von ungefähr 400°C oder höher, vorzugsweise 500°C oder höher, chemisch und thermisch stabil.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben mindestens ein harte Beschichtung 5, bestehend aus, oder mit:

– Aluminium, Titan, Stickstoff, und/oder
– Aluminium, Chrom, Stickstoff, und/oder
– einem Metalloxid, und/oder
– einem Metall-Oxinitrid, und/oder
– ta-C (tetraedrisch amorpher Kohlenstoff), und/oder
– Aluminium, Titan, Silizium, Stickstoff, und/oder
– Aluminium, Chrom, Silizium, Stickstoff.

Wahlweise kann das Beschichtungssystem 20 auch eine zusätzliche harte Reibungsbeschichtung 7 zwischen der harten Beschichtung 5 und der harten Reibungsbeschichtung 9 aufweisen.
Vorzugsweise umfasst diese harte Reibungsbeschichtung 7 Droplets 8 mit Molybdän und/oder Stickstoff, aber ohne Kupfer. In diesem Fall wird die harte Reibungsbeschichtung aus einem Molybdän-Target, das kein Kupfer enthält, gebildet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine harte reibungsmindernde Beschichtung 7, 9 eine ähnliche Härte wie harte Beschichtung aufweisen, jedoch zusätzlich sehr gute reibungsmindernde Eigenschaften aufweisen. Daher stellen Beschichtungen mit Molybdännitrid exzellente harte reibungsmindernde Beschichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält mindestens eine der harten reibungsmindernden Schicht 7 Sauerstoff. Vorzugsweise enthält sie Molybdän-Monoxid.
Zudem weist eine harte reibungsmindernde Beschichtung gemäss der vorliegenden Erfindung vorzugsweise gute chemische und thermische Stabilität bei hohen Temperaturen von ungefähr 400°C oder höher auf.
Gemäss der vorliegenden Erfindung muss die harte reibungsmindernde Beschichtung, DIE als äusserste Schicht 9 abgelegt wurde, als harte Matrix für die Droplets 19 dienen, die vor Allem aus weichem Kupfer bestehen.
Die äusserste Schicht 9 hat vorzugsweise eine Dicke von mindestens gleichem Ausmass wie, oder grösserem Ausmass als, die Dicke des grössten über der harten Beschichtungsfläche existierenden Droplets, obwohl auch eine geringere Dicke einen bemerkenswerten positiven Einfluss auf den Anfangsverschleiss des Werkzeugs haben kann, was einen substantiellen verschleissreduzierenden Effekt darstellt.
Vorzugsweise hat die äusserste Schicht eine chemische Zusammensetzung (in at%), die durch folgende Formel ausgedrückt wird: Mo_xCu_yN_z, mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0.3, 0 < z ≤ 0.6
Zusätzlich kann diese Verbindung als Dotiermittel ein weiteres Metall oder Metalloid oder eine Mischung von Metallen oder Metalloiden enthalten, bezeichnet mit Me (z. B. Me = ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Ag, Sn, Zn, Au, Cr, Si, W), wie auch ein anderes Nichtmetall, bezeichnet mit X (z. B. X = Sauerstoff). In diesen Fällen, falls das Dotierelement oder ein Elementgemisch zugegeben wird, hat die äusserste Schicht eine chemische Zusammensetzung (in at%), die durch folgende Formel ausgedrückt wird: Mo_xCu_yMe_wN_zX_v, mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0.3, 0 < z ≤ 0.6, 0 ≤ w ≤ 0.3, 0 ≤ v ≤ 0.15.
Hauptfunktion der äussersten Schicht 9 gemäss der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung des anfänglichen Reibungsverhaltens der harten Beschichtung 5 und dadurch das Risiko von Schichtrissen durch den Verlust der harten Droplets 6 in der harten Beschichtung 5 trotz der hohen Allgemeinrauheit des Beschichtungssystems 20.
Ausserdem wirkt die äusserste Einlaufsschicht (run-in) 9 als Wirkstoff, um die Oberflächenpolierung der harten Schicht 5 während des Einsetzens des tribologischen Kontakts zu initiieren, d. h. grundsächlich ist die Oberfläche der beschichteten Komponente im Wesentlichen für den nachfolgenden tribologischen Arbeitsvorgang selbst-konditioniert. In diesen Fällen wird die harte Beschichtung 5 durch die Reibung mit dem Gegenkörper während des tribologischen Kontakts in tribologischen System durch die Schmierwirkung der Einlaufsschicht 9 ”poliert”. Genauer wirken die meisten der grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets 10 (welche auf der Oberfläche der äussersten Schicht 9 vorhanden sind) als eine Art solide Schmiermittel und reduzieren die Anfangsreibung und entsprechenden Verschleiss, weil sie den ersten Kontakt zwischen dem beschichteten Körper 1 mit der Oberfläche des Antikörpers dominieren. Beschichtungsfehler, die durch das Wegbrechen von harten Droplets 6 oder 8 von der harten Beschichtung 5 beziehungsweise der harten reibungsmindernden Beschichtung 7 oder durch das Wegfallen von harten Droplets von der Beschichtung entstehen, werden daher weitgehend vermieden. Zusätzlich zu der Anfangsreibung der harten reibungsmindernden Beschichtung 9 mit hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets 10, hat die Kombination der reibungsmindernden Beschichtung 7 und der reibungsmindernden Beschichtung 9 die weitere Aufgabe, die mechanische Stabilität der Droplets 6 der harten Beschichtung 5 zu erhöhen und eine Glättung der harten Beschichtung 5 zu ermöglichen, ohne dass die harte Beschichtung durch den Verlust der Droplets 6 Risse bekommt.
Ein Beispiel der Leistungssteigerungen eines Zerspanungswerkzeugs, welche durch das Anbringen eines Beschichtungssystems gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht werden, wird hiernach dargestellt:
Der Einfluss einer gemäss der vorliegenden Erfindung aufgebrachten äusseren Schicht 9 auf die Leistung eines Zerspanungswerkzeugs wird in der 2 gezeigt. Wendeschneidplatten wurden in einem Fall mit einer 6 μm dicken TiAlN-Beschichtung (Standardbeschichtung) beschichtet, im anderen Fall mit einer (4 μm TiAlN + 1 μm MoN + 1 μm MoCuN)-Beschichtung (Beispiel für das erfindungsgemässe Beschichtungssystem 20). Auf beiden Wendeschneidplattenoberflächen wurde für beide Proben keine Nachbehandlung durchgeführt. Für beide Wendescheideplatten wurden Schneidetests im Langdrehen ohne Kühlmittel durchgeführt, wobei 1.1191 Stahl (C45) als Werkstückmaterial verwendet wurde. Gewählt wurde eine Schneidegeschwindigkeit von 240 m/min, mit einem Vorschub von 0.3 mm/rev und einer Schnitttiefe von 2 mm. Der Verschleiss der Flankenoberfläche wurde durch optische Mikroskopie gemessen und im Koordinatensystem als Funktion der Betriebszeit der Wendeschneidplatte eingetragen. Die Entwicklung des Flankenverschleisses der Standardbeschichtung wurde mit Kreisen eingetragen. Diese Wendeschneidplatten weisen einen hohen Anfangsverschleiss auf (über 100 μm) und eine Werkzeuglebensdauer von nur ungefähr 11 Minuten auf. Im Gegensatz dazu weist die Wendescheidplatte der Erfindung (mit Sternen eingetragen) einen drastisch verminderten Anfangsflankenverschleiss (unter 80 μm) auf, was sich in einer verlängerten Werkzeuglebensdauer von beinahe 16 Minuten niederschlägt. Die Summe der beiden Wendeschneidplatten war ungefähr dieselbe, aber für die erfindungsgemässen Wendeschneideplatten, deren äussersten Schicht mit hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets versehen ist, war die Stabilität der Beschichtung verbessert.
Grundsätzlich, liefert die vorliegende Erfindung ein beschichtetes Teil 1 mit einem Körper 1 und einer Körperoberfläche 3 und einem auf mindestens einem Teil der Körperoberfläche 3 abgeschiedenen Beschichtungssystem 20. Das Beschichtungssystem 20 umfasst mindestens eine harte reibungsmindernde Schicht 9, abgeschieden als äusserste Schicht, welche Droplets 10 an ihrer Oberfläche aufweist. Die äusserste Schicht 9 der Beschichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass:

– die äusserste Schicht 9 Molybdän, Kupfernitride und/oder Molybdännitrid und Kupfernitride umfasst, und
– mindestens einige der Droplets (10) hauptsächlich aus Kupfer bestehen.

Vorzugsweise bestehen die meisten der Droplets (10) hauptsächlich aus Kupfer. Dies bedeutet, dass die an der Oberfläche der äussersten Schicht 9 vorhandenen Droplets 10 verschiedene Elemente oder Verbindungen umfassen können, so wie beispielsweise Molybdän und/oder Kupfer und/oder Molybdännitrid und/oder Kupfernitrid und/oder Molybdän-Kupfernitride. Wenn die Oberfläche der äussersten Schicht 9 jedoch beobachtet wird (z. B. mit Rasterelektronen-Mikroskopietechniken), können Droplets 10 mit den grössten Ausmassen beobachtet werden und, gemäss der vorliegenden Erfindung, besteht mindestens die Mehrheit der grössten Droplets 10 hauptsächlich aus Kupfer, mit anderen Worten, die meisten dieser grössten Droplets 10 bestehen hauptsächlich aus Kupfer.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Droplets mit der grössten Masse auch als grösste Droplets bezeichnet. Diese grössten Droplets sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fast kugelförmige Form mit einem Durchmesser im Mikrometer Bereich aufweisen, jedoch auch grössere Durchmesser von bis zu 5 bis 10 Mikrometer haben können, wie in der 3 dargestellt.
Die äusserste Schicht (9) hat vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung (in at%), die durch folgende Formel ausgedrückt wird: Mo_xCu_yN_z, mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0.3, 0 < z ≤ 0.6
Die äusserste Schicht (9) kann zusätzlich als Dotiermittel ein anderes Metall oder Metalloid oder eine Mischung von Metallen oder Metalloiden umfassen, bezeichnet mit Me (z. B. Me = ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Ag, Sn, Zn, Au, Cr, Si, W). Die äusserste Schicht (9) kann ebenfalls ein weiteres Nichtmetall oder eine Mischung von Nichtmetallen umfassen, bezeichnet mit X (z. B. X = Sauerstoff), und hat in diesem Fall die chemische Zusammensetzung (in at%), die durch folgende Formel ausgedrückt wird: Mo_xCu_yMe_wN_zX_v, mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0.3, 0 < z ≤ 0.6, 0 ≤ w ≤ 0.3, 0 ≤ v ≤ 0.15
Das Beschichtungssystem (20) kann eine oder mehrerer harte Beschichtungen (5) umfassen, welche zwischen der Körperoberfläche (3) und der ussersten Schicht (9) abgeschieden sind.
Die mindestens eine harte Beschichtung (5) kann bestehen aus oder umfassen: ta-C und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Chrom und/oder Silizium und/oder Stickstoff und/oder ein/em Metalloxid.
Für einige Anwendungen hat die mindestens eine harte Beschichtung (5) vorzugsweise einen Gesamthärtegrad von mindestens 20 GPa. Solch eine harte Beschichtung (5) kann durch Vakuumabscheidungsverfahren hergestellt werden, in welchen Droplets vom Quellenmaterial (Target) während eines Abscheidungsvorgangs erzeugt und in die Beschichtung integriert werden. Aus diesem Grund kann solch eine harte Beschichtung (5) harte Droplets an ihrer Oberfläche aufweisen.
Ausserdem kann das Beschichtungssystem (20) eine oder mehrere zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtungen (7) umfassen, welche zwischen der Körperoberfläche (3) und der äussersten Schicht (9) oder zwischen der mindestens einen harten Beschichtung (5) und der äussersten Schicht (9) abgeschieden werden.
Vorzugsweise, besteht die mindestens eine zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtung (7) aus, oder enthält, Molybdännitrid und/oder Molybdän-Oxinitrid und/oder Molybdänoxid und/oder Molybdän-Monoxid.
Auf noch mehr bevorzugte Weise enthält die mindestens eine zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtung (7) hauptsächlich Molybdännitrid oder besteht im Wesentlichen aus Molybdännitrid, und hat einen Gesamthärtegrad von mindestens 20 GPa und weist Droplets (8) auf, die vor Allem aus Molybdän bestehen.
Ausserdem kann das Beschichtungssystem (20) eine oder mehrere haftungsverbessernde Schichten umfassen, welche direkt auf der Körperoberfläche (3) abgeschieden und/oder direkt an der Körperoberfläche (3) gebildet werden, was die Haftungsstärke des Beschichtungssystems (20) an der Körperoberfläche (3) erhöht.
Ebenso kann das Beschichtungssystem (20) eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen den verschiedenen Arten der Beschichtungen (zum Beispiel zwischen 5 und 7 oder zwischen 7 und 9) umfassen, welche das Beschichtungssystem (20) bilden. In diesem Fall sind die Zwischenschichten grundlegend dazu bestimmt, die Haftung zwischen den verschiedenen Arten der Beschichtungen zu verbessern und folglich den Zusammenhalt innerhalb des gesamten Beschichtungssystems (20) oder wenigstens innerhalb eines Teils des Beschichtungssystems (20) zu verbessern.
Vorzugsweise sind die meisten der grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) entlang der Oberfläche der äussersten Schicht (9) derart verteilt, dass ein anfänglicher tribologischer Kontakt einer Oberfläche eines Antikörpers mit der Oberfläche des mit dem Beschichtungssystem (20) beschichteten Köpers mindestens zum grössten Teil in einem Kontakt der Oberfläche des Antikörpers mit den grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) resultieren würde.
Gemäss der vorliegende Erfindung, können eine oder mehrere der im Beschichtungssystem (20) umfassten Beschichtungen (5 oder 7 oder 9) durch kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden werden, ohne dass Mittel benützt werden, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern.
Ebenso, und in einigen Fällen sogar vorzugsweise, kann das gesamte Beschichtungssystem (20) auf der Körperoberfläche (3) durch kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden werden, ohne dass Mittel benützt werden, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern. Dies macht es möglich, zuverlässige Beschichtungsverfahren zu erzielen, die gleichzeitig preisgünstig, unkompliziert und robust sind.
Insbesondere kann ein beschichteter Körper gemäss der vorliegenden Erfindung eine Komponente (z. B. ein Motor- oder Maschinenteil) oder ein Werkzeug sein, dessen beschichtete Oberfläche wenigstens teilweise tribologischem Verschleiss während einer tribologischen Operation ausgesetzt werden wird.
Noch genauer kann ein beschichteter Körper gemäss der vorliegenden Erfindung ein Zerspanungswerkzeug oder ein Formwerkzeug sein. Zum Beispiel kann ein solches Zerspanungswerkzeug oder ein Formwerkzeug aus Material hergestellt werden, bestehend aus oder mit Stahl und/oder Hartmetall und/oder einem Keramikverbund (z. B. Cermet) und/oder kubischem Bornitrid.
Gemäss der vorliegenden Erfindung kann eine solche beschichte Komponente oder solch ein Werkzeug in Anwendungen verwendet werden, in welchen die entsprechende beschichtete Oberfläche wenigstens teilweise tribologischem Verschleiss und wenigstens vorübergehend hohen Temperaturen von 500°C oder mehr ausgesetzt ist.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Körpers gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst die Abscheidung der äussersten Schicht (9) durch reaktive, kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken ohne ein Filter zu benutzen, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern. Für die Abscheidung der äussersten Schicht (9) muss mindestens ein Target, das im Wesentlichen Molybdän und Kupfer enthält, verwendet werden. Auf diese Weise werden die grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) erzeugt durch Schmelzen und Verdampfen von Material aus dem mindestens einen Target, das Molybdän und Kupfer enthält und welches als Kathode in einem Lichtbogen-Arbeitsvorgang in einer stickstoffenthaltenden Atmosphäre fungiert. An der Oberfläche der äussersten Schicht (9) sollte die Menge der grössten hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) grösser als die Menge der grössten nicht hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) sein.
Vorzugsweise wird das mindestens ein Target, das Molybdän und Kupfer umfasst und das benutzt wird, um die äusserste Schicht (9) herzustellen, durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5707748 [0006, 0007, 0008, 0008]
US 4992153 [0006]
US 7067191 [0008, 0008]
US 6827976 [0008]
WO 2012055485 [0010, 0011, 0011]

Claims

Beschichtetes Teil, umfassend einen Körper (1) mit einer Körperoberfläche (3) und einem Beschichtungssystem (20), das auf mindestens einem Teil der Körperoberfläche abgeschieden wird, wobei besagtes Beschichtungssystem (20) mindestens eine harte reibungsmindernde Beschichtung umfasst, die als eine äusserste Schicht (9) abgeschieden wird und welche Droplets (10) auf ihrer Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass besagte äusserste Schicht (9) Molybdän-Kupfernitrid und/oder Molybdännitrid und Kupfernitrid umfasst, und dass wenigstens einige der Droplets (10) hauptsächlich aus Kupfer bestehen.
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die meisten der grössten Droplets (10) hauptsächlich aus Kupfer bestehen.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Schicht (9) die chemische Zusammensetzung in at% durch folgende Formel ausgedrückt wird: Mo_xCu_yMe_wN_zX_v, mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0.3, 0 < z ≤ 0.6, 0 ≤ w ≤ 0.3, 0 ≤ v ≤ 0.15, wobei Me eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Ag, Sn, Zn, Au, Cr, Si, W darstellt, und X ein Nichtmetall oder eine Mischung von Nichtmetallen ist, wobei X vorzugsweise Sauerstoff ist.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (20) mindestens ein harte Beschichtung (5) umfasst, abgeschieden zwischen der Körperoberfläche (3) und der äussersten Schicht (9).
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine harte Beschichtung (5) besteht aus oder umfasst: ta-C und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Chrom und/oder Silizium und/oder Stickstoff und/oder ein/em Metalloxid.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine harte Beschichtung (5) einen Gesamthärtegrad von mindestens 20 GPa hat und Droplets (6) aufweist.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (20) mindestens eine zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtung (7) umfasst, abgeschieden zwischen der Körperoberfläche (3) und der äussersten Schicht (9) oder zwischen der mindestens einen harten Beschichtung (5) und der äussersten Schicht (9).
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtung (7) besteht aus oder umfasst: Molybdännitrid und/oder Molybdän-Oxinitrid und/oder Molybdänoxid und/oder Molybdän-Monoxid.
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zusätzliche harte reibungsmindernde Beschichtung (7) hauptsächlich Molybdännitrid umfasst oder im Wesentlichen aus Molybdännitrid besteht, und einen Gesamthärtegrad von mindestens 20 GPa hat und Droplets (8) aufweist, die vor Allem aus Molybdän bestehen.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (20) mindestens eine haftungsverbessernde Schicht umfasst, direkt auf der Körperoberfläche (3) abgeschieden und/oder direkt an der Körperoberfläche (3) gebildet, was die Haftungsstärke des Beschichtungssystems (20) an die Körperoberfläche (3) erhöht.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die meisten der grössten hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) entlang der Oberfläche der äussersten Schicht (9) derart verteilt sind, dass ein anfänglicher tribologischer Kontakt einer Oberfläche eines Antikörpers mit der Oberfläche des mit dem Beschichtungssystem (20) beschichteten Teils mindestens zum grössten Teil in einem Kontakt der Oberfläche des Antikörpers mit den grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) resultieren würde.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der im Beschichtungssystem (20) umfassten Beschichtungen (5 oder 7 oder 9) durch kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden wird, ohne dass Mittel benützt werden, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (20) auf der Körperoberfläche (3) durch kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden wird, ohne dass Mittel benützt werden, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern.
Beschichtetes Teil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Teil eine Komponente oder ein Werkzeug ist, dessen beschichtete Oberfläche wenigstens teilweise tribologischem Verschleiss während einer tribologischen Operation ausgesetzt werden wird.
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Teil ein Zerspanungswerkzeug oder ein Formwerkzeug ist.
Beschichtetes Teil gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug oder Formwerkzeug aus Material hergestellt wird, bestehend aus oder mit: Stahl und/oder Hartmetall und/oder einem Keramikverbund und/oder kubischem Bornitrid.
Gebrauch einer Komponente oder eines Werkzeugs gemäss einem der Ansprüche 14 bis 16, worin besagte beschichtete Oberfläche, die wenigstens teilweise tribologischem Verschleiss ausgesetzt ist, wenigstens vorübergehend hohen Temperaturen von 500°C ausgesetzt ist.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Teils gemäss einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Schicht (9) durch kathodische Lichtbogen-PVD-Techniken abgeschieden wird, ohne Filter zu benutzen, um die Aufnahme von Droplets in die Beschichtung zu verhindern, und dass mindestens ein Target, das im Wesentlichen Molybdän und Kupfer enthält, verwendet wird, wobei die grössten, hauptsächlich aus Kupfer bestehenden Droplets (10) erzeugt werden durch Schmelzen und Verdampfen von Material aus dem mindestens einen Target, das Molybdän und Kupfer enthält und welches als Kathode in einem Lichtbogen-Arbeitsvorgang in einer stickstoffenthaltenden Atmosphäre fungiert.
Verfahren gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Target, das Molybdän und Kupfer umfasst und das benutzt wird, um die äusserste Schicht (9) herzustellen, ein pulvermetallurgisch hergestelltes Target ist.