DE112019007736T5 - Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen und Herstellungsverfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen und ein Herstellungsverfahren hierfür, wobei die Beschichtung des beschichteten Schneidwerkzeugs eine Me-B-N-Beschichtung ist und das Herstellungsverfahren für das beschichtete Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen die folgenden Schritte umfasst: Matrixvorbehandlungsschritt: Reinigen und Trocknen eines Schneidwerkzeugs und dann Einsetzen dieses in eine Kammer; In der Kammer erfolgender Vakuumierungsschritt: Vakuumieren mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe; Ionenätzschritt: Zuführen von hochreinem Ar in die Kammer, wobei die Temperatur der Heizung in der Kammer aufrechterhalten wird, eine negative Vorspannung angelegt wird, ein lonenätzen an der Matrix durchgeführt wird und die Oxidschicht und die lose Schicht auf der Oberfläche des Schneidwerkzeugs entfernt werden; Schritte zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung: Kontinuierliches Zuführen von hochreinem N2und hochreinem Ar in die Kammer, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik oder einer Lichtbogen-Plasma-Technik eine Me-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden; und Kühl- und Probenahmeschritt: Einschalten des Umlaufkühlsystems eines Ofens, wobei die Kammer geöffnet und das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand abgekühlt ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Schutzbeschichtungstechnik für Schneidwerkzeuge zum Schneiden von schwer zu bearbeitenden Materialien und insbesondere ein beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen und ein Herstellungsverfahren hierfür.
  • Stand der Technik
  • Im Bereich der Schneidbearbeitung sind Titanlegierungen und Superlegierungen typischerweise schwer zu bearbeitende Materialien. Merkmale bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen: 1) Während des Bearbeitungsprozesses kommt es leicht zu einem Verkleben der Titanlegierung mit einem Schneidwerkzeug, was zu einem starken adhäsiven Verschleiß des Schneidwerkzeugs führt und seine Lebensdauer verkürzt; 2) Titanlegierungen haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, sodass sie durch die während der Bearbeitung entstehende lokale hohe Temperatur leicht Sauerstoff und Stickstoff absorbieren, was bei der Bearbeitung zu einer Kaltverfestigung und zu einem Bruch von Schneidwerkzeugen führt; 3) Titanlegierungen haben einen kleinen Elastizitätsmodul und eine große Elastizität, wenn sie sich bei der Schneidbearbeitung verformen, was leicht dazu führt, dass beim Schneidwerkzeug Vibrationen auftreten. Merkmale bei der Schneidbearbeitung von Superlegierungen: 1) Superlegierungen weisen einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und eine hohe lokale Schneidtemperatur auf, wobei das Werkstückmaterial oft eine höhere Affinität zum Schneidwerkzeugmaterial hat, was leicht zu einem starken adhäsiven Verschleiß des Schneidwerkzeugs führt; 2) Superlegierungen haben bei der Schneidbearbeitung einen hohen Verformungskoeffizienten und zeigen eine offensichtliche Kaltverfestigungstendenz; 3) Die auftretenden Schneidkräfte sind hoch und es treten starke Bewegungen auf, was leicht zu Werkzeugvibrationen führen kann; 4) Es kommt zur Bildung starker und durchgehender Späne und Grate, die zu ernsthaftem Werkzeugverschleiß führen. Basierend auf dem Obigen stellt die Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen an das beschichtete Schneidwerkzeug die Anforderungen der verbesserten Antihafteigenschaften, der verbesserten Antiverschleißeigenschaften und einer hohen Zähigkeit.
  • Hartlegierungsschneidwerkzeuge sind aufgrund der Vorteile niedriger Kosten und einer guten Bearbeitungsleistung zur ersten Wahl für die Bearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen geworden. Die üblicherweise in beschichteten Hartlegierungsschneidwerkzeugen verwendeten Beschichtungsmaterialien sind hauptsächlich Übergangsmetalle wie TiAIN, TiSiCN und AlCrSiN enthaltende Stickstoff/Karbid-Beschichtungen. Relevante Untersuchungen zeigen, dass im Vergleich zu einem unbeschichteten Hartlegierungsschneidwerkzeug das beschichtete Schneidwerkzeug den Werkzeugverschleiß bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen wirksam reduzieren kann. Es gibt jedoch eine Reihe von Forschern, die darauf hingewiesen haben, dass die Schneidwirkung von beschichteten Schneidwerkzeugen der von unbeschichteten Schneidwerkzeugen offensichtlich unterlegen ist. Darüber hinaus sind auch Oxidbeschichtungen wie Al2O3 und Cr2O3 bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen erprobt worden, aber es gibt immer noch Probleme mit der PVD-Abscheidung von hochwertigen Oxidbeschichtungen aufgrund der allgemein schlechten elektrischen Leitfähigkeit solcher Beschichtungen.
  • Derzeit gibt es auch einige wenige Berichte über TM-B- und TM-B-N-Beschichtungen wie TiB2, VB2 und TiBN. TM-B-Beschichtungen weisen die Eigenschaften einer hohen Härte und eines niedrigen Reibungskoeffizienten auf, aber hergestellte TM-B-Beschichtungen haben die Probleme einer großen Spannung und einer schlechten Verbindungskraft, die ihre Anwendung bei der Schneidbearbeitung ernsthaft einschränken. TM-B-Beschichtungen zeigen bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen keine gute Antihaft- und Antiverschleißeigenschaften. Relevante Forschungen zu TM-B-N-Beschichtungen konzentrieren sich hauptsächlich auf die TiBN-Beschichtungen. Forschungen zu Beschichtungen wie HfBN, VBN, NbBN, TaBN und MoBN gibt es nur relativ wenige. Gemäß vorhandenen Berichten weist die verwandte TM-B-N-Beschichtung, die durch ein PVD-Verfahren hergestellt wird, eine Struktur auf, bei der eine amorphe BN-Phase ein nanokristallines Borid umhüllt. Über die Verwendung von HfBN, VBN, NbBN, TaBN, MoBN und anderen Beschichtungen für Schneidwerkzeuge liegen keine Berichte vor.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und ein beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitzustellen. Die Beschichtung des Schneidwerkzeugs weist die Eigenschaften einer verbesserten Antihaftung, einer niedrigen inneren Spannung, eines niedrigen Reibungskoeffizienten und einer hohen Verbindungsfestigkeit mit einer Schneidwerkzeugmatrix auf, was den adhäsiven Verschleiß des beschichteten Schneidwerkzeugs bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen wirksam verhindern kann, wodurch die Standzeit und die Bearbeitungsqualität des Schneidwerkzeugs erheblich erhöht werden.
  • Die obige Aufgabe wird durch die folgenden technischen Lösungen gelöst.
  • Die obige Aufgabe wird durch die folgenden technischen Lösungen gelöst.
  • Es wird ein beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, wobei die Beschichtung des beschichteten Schneidwerkzeugs eine Me-B-N-Beschichtung ist.
  • Ferner ist die Me-B-N-Beschichtung Mel-B-N, wobei Me1 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Hf, V, Nb, Ta, Mo ist, der Atomprozentsatz jedes Elements Me18 % bis 40 %, B 15 % bis 60 % und N 10 % bis 65 % beträgt und die Me-B-N-Beschichtung eine Me1Nx-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  • Ferner ist die Me-B-N-Beschichtung Me1-Me2-B-N, wobei Me1 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Hf, V, Nb, Ta, Mo ist, Me2 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Ti, Zr, Cr, W ist, der Atomprozentsatz jedes Elements Me1 4 % bis 36 %, Me 24 % bis 36 %, B 15 % bis 60 % und N 10 % bis 65 % beträgt und die Me-B-N-Beschichtung eine Me1Nx-Phase, eine Me2Nx-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  • Ferner beträgt die Dicke der Me-B-N-Beschichtung 0,3 bis 5,0 µm.
  • Vorteilhafte Effekte: Da die Beschichtung des Schneidwerkzeugs eine Me-B-N-Beschichtung ist, weist die Beschichtung des Schneidwerkzeugs die Eigenschaften einer hohen Härte, einer niedrigen inneren Spannung, eines niedrigen Reibungskoeffizienten und einer hohen Verbindungsfestigkeit mit einer Schneidwerkzeugmatrix auf, wodurch nicht nur das beschichtete Schneidwerkzeug bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen verbesserte Antihafteigenschaften aufweist, sondern auch der adhäsive Verschleiß des beschichteten Schneidwerkzeugs bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen wirksam verhindert werden kann.
  • Die Nebenaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs, mit dem Titanlegierungen und Superlegierungen bearbeitet werden können, bereitzustellen. Das Herstellungsverfahren folgt einem einfachen Prozess, mit dem die Me-B-N-Beschichtung bequem und schnell hergestellt werden kann.
  • Die Nebenaufgabe wird durch die folgenden technischen Lösungen gelöst.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
  • Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung: Kontinuierliches Zuführen von hochreinem N2 und hochreinem Ar in die Kammer, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik eine Me-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden.
  • Das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar beträgt 0,06 bis 0,25, wobei der Luftdruck in der Kammer auf 0,4 bis 4,0 Pa eingestellt und gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer bei 300 bis 600 °C gehalten wird.
  • Für das Targetmaterial wird ein Me-B-Target verwendet. Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, wird mit der negativen Elektrode der Stromversorgung verbunden und die Drehzahl des Planetenträgers beträgt 3 U/min. Die negative Vorspannung beträgt -50 bis -300 V und die Beschichtungszeit beträgt 60 bis 300 min.
  • Ferner müssen vor dem Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung die folgenden Schritte durchgeführt werden:
  • Matrixvorbehandlungsschritt: Ultraschallreinigen des Schneidwerkzeugs in wasserfreiem Ethanol, wobei nach dem Trocknen mit Heißluft das Schneidwerkzeug auf einen dreidimensional drehbaren Planetenträger gespannt und der Kammer zugeführt wird;
  • In der Kammer erfolgender Vakuumierschritt: Vakuumieren mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe und dann Erhitzen mittels einer Infrarot-Heizröhre, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen;
  • Ionenätzschritt: Kontinuierliches Zuführen von hochreinem Ar in die Kammer, wobei die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten wird, eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, ein lonenätzen an der Matrix durchgeführt wird und die Oxidschicht und die lose Schicht auf der Oberfläche des Schneidwerkzeugs entfernt werden.
  • Ferner erfolgt die Ultraschallreinigung im Matrixvorbehandlungsschritt derart, dass die Schneidwerkzeugmatrix mit wasserfreiem Ethanol 10 bis 20 Minuten lang mit Ultraschall gereinigt wird.
  • Ferner wird im in der Kammer erfolgenden Vakuumierschritt zunächst mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe eine Vakuumierung bei unter 4 × 10-5 mbar durchgeführt, anschließend wird die Temperatur der Infrarot-Heizröhre für 30 Minuten auf 600 °C eingestellt, wobei, nachdem der Vakuumgrad der Kammer unter 4 × 10-5 mbar liegt, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre auf 550 °C eingestellt und ein Erhitzen für 30 Minuten durchgeführt wird, schließlich wird in der Kammer bei weniger als 4 × 10-5 mbar eine Vakuumierung vorgenommen, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen.
  • Ferner beträgt im Ionenätzschritt die Heiztemperatur der Infrarot-Heizröhre 300 bis 600 °C und der Kammerluftdruck 1,0 Pa, wobei für den kathodischen Lichtbogen ein kreisförmiges Cr-Target mit einer Reinheit von mehr als 99 % und einem Targetstrom von 70 bis 100 A verwendet wird.
  • Ferner ist im Ionenätzschritt der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, mit einer zweistufigen gepulsten Stromversorgung verbunden, wobei die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min, die negative Vorspannung -300 V, die positive Vorspannung +20 V, die Frequenz 20 kHz, die Einschaltdauer 80 % und die lonenätzzeit 20 bis 40 min beträgt.
  • Ferner müssen nach dem Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung die folgenden Schritte durchgeführt werden:
  • Kühl- und Probenahmeschritt: Einschalten des Umlaufkühlsystems eines Ofens nach dem Abschluss der Beschichtung, wobei die Kammer geöffnet und das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand abgekühlt ist.
  • Ferner wird im Kühl- und Probenahmeschritt die Kühlwassertemperatur des Kühlsystems auf 15 bis 20 °C eingestellt, wobei das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand langsam auf unter 70 °C abgekühlt ist.
  • Vorteilhafte Effekte: Dadurch, dass bei der Herstellung der Beschichtung die durch Magnetron-Sputtern von ebenen Me-B-Targets abgeschiedene Me-B-N-Beschichtung verwendet wird, das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar genau eingestellt wird, die durchschnittliche Leistungsdichte des Sputtertargets 5,5 bis 16,5 W/cm2 beträgt und die Einschaltdauer 2 % bis 5 % beträgt, weist die vorbereitete Me-B-N-Beschichtung verbesserte Antihafteigenschaften, eine gute Gleichmäßigkeit, eine geringe innere Spannung und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen kann dadurch die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert und die Oberflächenqualität des Werkstücks effektiv verbessert werden.
  • Figurenliste
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
    • 1 zeigt die SEM-Oberflächenmorphologie der V-B-N-Beschichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 zeigt ein Diagramm des Flankenverschleißes für mit Titanlegierungen und Superlegierungen bearbeitete, Hf-B-N-beschichtete Hartmetalleinsätze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Es wird ein V-B-N-beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, wobei der Atomprozentsatz jedes Elements der V-B-N-Beschichtung V 15 %, B 20 % und N 65 % beträgt und die V-B-N-Beschichtung eine VN-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der V-B-N-Beschichtung 0,3 µm.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines V-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs, mit dem Titanlegierungen und Superlegierungen bearbeitet werden können, bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
    • 1) Matrixvorbehandlung: Ultraschallreinigen des Schneidwerkzeugs in wasserfreiem Ethanol für 10 Minuten, wobei nach dem Trocknen mit Heißluft das Schneidwerkzeug auf einen dreidimensional drehbaren Planetenträger gespannt und der Kammer zugeführt wird;
    • 2) In der Kammer erfolgende Vakuumierung: Zunächst wird mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe eine Vakuumierung bei unter 4 × 10-5 mbar durchgeführt, anschließend wird die Temperatur der Infrarot-Heizröhre für 30 Minuten auf 600 °C eingestellt, wobei, nachdem der Vakuumgrad in der Kammer unter 4 × 10-5 mbar liegt, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre auf 550 °C eingestellt und ein Erhitzen für 30 Minuten durchgeführt wird, schließlich wird in der Kammer bei weniger als 4 × 10-5 mbar eine Vakuumierung vorgenommen, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen;
    • 3) lonenätzen: Die Hartmetallmatrix wird vor der Abscheidung des Films unter Verwendung einer eine bessere Glimmentladung ermöglichenden Glimmentladungstechnik ionengeätzt. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für den kathodischen Lichtbogen wird ein kreisförmiges Cr-Target mit einer Reinheit von mehr als 99 % und einem Targetstrom von 70 A verwendet; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, ist mit einer zweistufigen gepulsten Stromversorgung verbunden, wobei die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min beträgt, die negative Vorspannung allmählich von -50 V auf -300 V erhöht wird, die positive Vorspannung +20 V, die Frequenz 20 kHz und die Einschaltdauer 80 % beträgt; (3) Hochreines Ar wird kontinuierlich der Vakuumkammer zugeführt, wobei der Luftdruck 1,0 Pa beträgt und der Durchfluss von Ar durch den Luftdruck gesteuert wird; (4) Die Temperatur der Infrarot-Heizröhre wird auf 300 °C eingestellt; (5) Die lonenätzzeit beträgt 20 min, wobei die Oxidhaut und die lose Schicht auf der Oberfläche der Matrix durch diesen Schritt effektiv entfernt werden können;
    • 4) Abscheiden einer V-B-N-Beschichtung: Hochreines N2 und hochreines Ar werden kontinuierlich der Kammer zugeführt, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Hochleistungs-Magnetron-Sputter-Technik eine V-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden, wobei die Strömungsrate des hochreinen N210 sccm beträgt, das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar auf 0,06 eingestellt wird, der Luftdruck in der Kammer auf 0,8 Pa eingestellt wird, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre in der Kammer auf 600 °C gehalten wird, eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird und die Matrix unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik beschichtet wird. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für das Sputtertarget wird ein ebenes V-B-Target verwendet; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, wird mit der negativen Elektrode der Stromversorgung verbunden und die Drehzahl des Planetenträgers beträgt 3 U/min. Die negative Vorspannung beträgt -300 V; (3) Die Beschichtungszeit beträgt 60 min;
    • 5) Kühlung und Probenahme: Nachdem die Beschichtung beendet ist, wird das Umlaufkühlsystem eines Ofens eingeschaltet, wobei die Kühlwassertemperatur auf 15 °C eingestellt wird, wobei das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand langsam auf unter 70 °C abgekühlt ist.
  • 1 zeigt die SEM-Oberflächenmorphologie der erhaltenen V-B-N-Beschichtung. Es ist ersichtlich, dass die Oberfläche der abgeschiedenen V-B-N-Beschichtung als Ganzes relativ glatt und eben ist, somit keine Defekte wie Tröpfchen und Hohlräume aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Es wird ein Hf-B-N-beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, wobei der Atomprozentsatz jedes Elements der Hf-B-N-Beschichtung Hf 55 %, B 15 % und N 30 % beträgt und die Hf-B-N-Beschichtung eine HfN-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Hf-B-N-Beschichtung 0,5 µm.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hf-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
    • 1) Matrixvorbehandlung: Ultraschallreinigen des Schneidwerkzeugs in wasserfreiem Ethanol für 20 Minuten, wobei nach dem Trocknen mit Heißluft das Schneidwerkzeug auf einen dreidimensional drehbaren Planetenträger gespannt und der Kammer zugeführt wird;
    • 2) In der Kammer erfolgende Vakuumierung: Zunächst wird mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe eine Vakuumierung bei unter 4 × 10-5 mbar durchgefürt, anschließend wird die Temperatur der Infrarot-Heizröhre für 30 Minuten auf 600 ℃ eingestellt, wobei, nachdem der Vakuumgrad in der Kammer unter 4 × 10-5 mbar liegt, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre auf 550 ℃ eingestellt und ein Erhitzen für 30 Minuten durchgefürt wird, schließlich wird in der Kammer bei weniger als 4 × 10-5 mbar eine Vakuumierung vergenommen, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen;
    • 3) lonenätzen: Die Hartmetallmatrix wird vor der Abscheidung des Films unter Verwendung einer eine bessere Glimmentladung ermöglichenden Glimmentladungstechnik ionengeätzt. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für den kathodischen Lichtbogen wird ein kreisförmiges Cr-Target mit einer Reinheit von mehr als 99 % und einem Targetstrom von 90 A verwendet; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, ist mit einer zweistufigen gepulsten Stromversorgung verbunden, wobei die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min beträgt, die negative Vorspannung allmählich von -50 V auf -300 V erhöht wird, die positive Vorspannung +20 V, die Frequenz 20 kHz und die Einschaltdauer 80 % beträgt; (3) Hochreines Ar wird kontinuierlich der Vakuumkammer zugeführt, wobei der Luftdruck 1,0 Pa beträgt und der Durchfluss von Ar durch den Luftdruck gesteuert wird; (4) Die Temperatur der Infrarot-Heizröhre wird auf 600 °C eingestellt; (5) Die lonenätzzeit beträgt 40 min, wobei die Oxidhaut und die lose Schicht auf der Oberfläche der Matrix durch diesen Schritt effektiv entfernt werden können;
    • 4) Abscheiden einer Hf-B-N-Beschichtung: Hochreines N2 und hochreines Ar werden kontinuierlich der Kammer zugeführt, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Hochleistungs-Magnetron-Sputter-Technik eine Hf-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden, wobei die Strömungsrate des hochreinen N2 10 sccm beträgt, das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar auf 0,25 eingestellt wird, der Luftdruck in der Kammer auf 0,4 Pa eingestellt wird, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre in der Kammer auf 300 °C gehalten wird, eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird und die Matrix unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik beschichtet wird. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für das Sputtertarget wird ein ebenes Hf-B-Target verwendet mit einer Leistungsdichte von 16,5 W/cm2; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, wird mit der negativen Elektrode der Stromversorgung verbunden und die Drehzahl des Planetenträgers beträgt 3 U/min. Die negative Vorspannung beträgt -50 V; (3) Die Beschichtungszeit beträgt 300 min;
    • 5) Kühlung und Probenahme: Nachdem die Beschichtung beendet ist, wird das Umlaufkühlsystem eines Ofens eingeschaltet, wobei die Kühlwassertemperatur auf 20 °C eingestellt wird, wobei das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand langsam auf unter 70 °C abgekühlt ist.
  • Parameter des Drehtests: Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 90 m/min, die Schnitttiefe 1,0 mm und die Vorschubgeschwindigkeit 0,25 mm/U; Das Kühlverfahren erfolgt durch eine Öl-Wasser-Verbundsprühkühlung. Die Ergebnisse des Drehtests zeigen, dass Hf-B-N-beschichtete Hartmetalleinsätze im Vergleich zu unbeschichteten Hartmetalleinsätzen den Flankenverschleiß besser reduzieren können (wie in 2 gezeigt) und verbesserte Titanlegierung-Antihafteigenschaften aufweisen.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Es wird ein Hf-Ti-B-N-beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, wobei der Atomprozentsatz jedes Elements der Hf-Ti-B-N-Beschichtung Hf 20 %, Ti 15 %, B 30 % und N 35 % beträgt und die Hf-Ti-B-N-Beschichtung eine HfN-Phase, eine TiN-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Hf-Ti-B-N-Beschichtung 2,75 µm.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hf-Ti-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
    1. 1) Matrixvorbehandlung: Ultraschallreinigen des Schneidwerkzeugs in wasserfreiem Ethanol für 15 Minuten, wobei nach dem Trocknen mit Heißluft das Schneidwerkzeug auf einen dreidimensional drehbaren Planetenträger gespannt und der Kammer zugeführt wird;
    2. 2) In der Kammer erfolgende Vakuumierung: Zunächst wird mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe eine Vakuumierung bei unter 4 × 10-5 mbar durchgeführt, anschließend wird die Temperatur der Infrarot-Heizröhre für 30 Minuten auf 600 °C eingestellt, wobei, nachdem der Vakuumgrad in der Kammer unter 4 × 10-5 mbar liegt, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre auf 550 °C eingestellt und ein Erhitzen für 30 Minuten durchgeführt wird, schließlich wird in der Kammer bei weniger als 4 × 10-5 mbar eine Vakuumierung vorgenommen, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen;
    3. 3) lonenätzen: Die Hartmetallmatrix wird vor der Abscheidung des Films unter Verwendung einer eine bessere Glimmentladung ermöglichenden Glimmentladungstechnik ionengeätzt. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für den kathodischen Lichtbogen wird ein kreisförmiges Cr-Target mit einer Reinheit von mehr als 99 % und einem Targetstrom von 80 A verwendet; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, ist mit einer zweistufigen gepulsten Stromversorgung verbunden, wobei die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min beträgt, die negative Vorspannung allmählich von -50 V auf -300 V erhöht wird, die positive Vorspannung +20 V, die Frequenz 20 kHz und die Einschaltdauer 80 % beträgt; (3) Hochreines Ar wird kontinuierlich der Vakuumkammer zugeführt, wobei der Luftdruck 1,0 Pa beträgt und der Durchfluss von Ar durch den Luftdruck gesteuert wird; (4) Die Temperatur der Infrarot-Heizröhre wird auf 450 °C eingestellt; (5) Die lonenätzzeit beträgt 30 min, wobei die Oxidhaut und die lose Schicht auf der Oberfläche der Matrix durch diesen Schritt effektiv entfernt werden können;
    4. 4) Abscheiden einer Hf-Ti-B-N-Beschichtung: Hochreines N2 und hochreines Ar werden kontinuierlich der Kammer zugeführt, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Hochleistungs-Magnetron-Sputter-Technik eine Hf-Ti-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden, wobei die Strömungsrate des hochreinen N2 20 sccm beträgt, das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar auf 0,14 eingestellt wird, der Luftdruck in der Kammer auf 0,6 Pa eingestellt wird, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre in der Kammer auf 450 °C gehalten wird, eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird und die Matrix unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik beschichtet wird. Im Folgenden wird der spezifische Prozess beschrieben: (1) Für das Sputtertarget werden ein ebenes Hf-B-Target und ein ebenes Ti-B-Target verwendet; (2) Der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, wird mit der negativen Elektrode der Stromversorgung verbunden und die Drehzahl des Planetenträgers beträgt 3 U/min. Die negative Vorspannung beträgt -175 V; (3) Die Beschichtungszeit beträgt 180 min;
    5. 5) Kühlung und Probenahme: Nachdem die Beschichtung beendet ist, wird das Umlaufkühlsystem eines Ofens eingeschaltet, wobei die Kühlwassertemperatur auf 18 °C eingestellt wird, wobei das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand langsam auf unter 70 °C abgekühlt ist.
  • Parameter des Frästests: Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 100 m/min, die Schnitttiefe 3,0 mm, die Schnittbreite 0,5 mm und die Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm/z); Das Kühlverfahren erfolgt unter Verwendung eines herkömmlichen Kühlmittels. Die Ergebnisse des Frästests zeigen, dass Hf-Ti-B-N-beschichtete Hartlegierungsschneidwerkzeuge im Vergleich zu anderen handelsüblichen beschichteten Schneidwerkzeugen einen geringeren adhäsiven Verschleiß aufweisen und ihre Schnittlebensdauer um mindestens das Zweifache erhöht wird.
  • Vorteilhafte Effekte der vorliegenden Erfindung: Da die Beschichtung des Schneidwerkzeugs eine Me-B-N-Beschichtung ist, weist die Beschichtung des Schneidwerkzeugs die Eigenschaften einer hohen Härte, einer niedrigen inneren Spannung, eines niedrigen Reibungskoeffizienten und einer hohen Verbindungsfestigkeit mit einer Schneidwerkzeugmatrix auf, wodurch nicht nur das beschichtete Schneidwerkzeug bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen verbesserte Antihafteigenschaften aufweist, sondern auch der adhäsive Verschleiß des beschichteten Schneidwerkzeugs bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen wirksam verhindert werden kann.
  • Dadurch, dass bei der Herstellung der Beschichtung die durch Magnetron-Sputtern von ebenen Me-B-Targets abgeschiedene Me-B-N-Beschichtung verwendet wird, das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar genau eingestellt wird, die durchschnittliche Leistungsdichte des Sputtertargets 5,5 bis 16,5 W/cm2 beträgt und die Einschaltdauer 2 % bis 5 % beträgt, weist die vorbereitete Me-B-N-Beschichtung verbesserte Antihafteigenschaften, eine gute Gleichmäßigkeit, eine geringe innere Spannung und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Bei der Schneidbearbeitung von Titanlegierungen und Superlegierungen kann dadurch die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert und die Oberflächenqualität des Werkstücks effektiv verbessert werden.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die obigen Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung der technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung dienen und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben wurde, ist es Fachleuten klar, dass gleichwertige Modifikationen und äquivalente Änderungen an den technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (12)

  1. Ein beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des beschichteten Schneidwerkzeugs eine Me-B-N-Beschichtung ist.
  2. Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Me-B-N-Beschichtung Me1-B-N ist, wobei Me1 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Hf, V, Nb, Ta, Mo ist, der Atomprozentsatz jedes Elements Me1 8 % bis 40 %, B 15 % bis 60 % und N 10 % bis 65 % beträgt und die Me-B-N-Beschichtung eine Me1Nx-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  3. Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Me-B-N-Beschichtung Me1-Me2-B-N ist, wobei Me1 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Hf, V, Nb, Ta, Mo ist, Me2 ein oder mehrere Elemente der Übergangsmetallelemente Ti, Zr, Cr, W ist, der Atomprozentsatz jedes Elements Me1 4% bis 36 %, Me 24 % bis 36 %, B 15 % bis 60 % und N 10 % bis 65 % beträgt und die Me-B-N-Beschichtung eine Me1Nx-Phase, eine Me2Nx-Phase und eine BN-Phase umfasst.
  4. Beschichtetes Schneidwerkzeug zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Me-B-N-Beschichtung 0,3 bis 5,0 µm beträgt.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses die folgenden Schritte umfasst: Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung: Kontinuierliches Zuführen von hochreinem N2 und hochreinem Ar in die Kammer, wobei gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten und eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, um unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Technik eine Me-B-N-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke abzuscheiden; wobei das Durchflussverhältnis zwischen hochreinem N2 und hochreinem Ar 0,06 bis 0,25 beträgt, der Luftdruck in der Kammer auf 0,4 bis 4,0 Pa eingestellt und gleichzeitig die Temperatur der Heizung in der Kammer bei 300 bis 600 °C gehalten wird; wobei für das Targetmaterial ein Me-B-Target verwendet wird, der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, mit der negativen Elektrode der Stromversorgung verbunden wird, die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min beträgt, die negative Vorspannung -50 bis -300 V beträgt und die Beschichtungszeit 60 bis 300 min beträgt.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung die folgenden Schritte durchgeführt werden müssen: Matrixvorbehandlungsschritt: Ultraschallreinigen des Schneidwerkzeugs in wasserfreiem Ethanol, wobei nach dem Trocknen mit Heißluft das Schneidwerkzeug auf einen dreidimensional drehbaren Planetenträger gespannt und der Kammer zugeführt wird; In der Kammer erfolgender Vakuumierschritt: Vakuumieren mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe und dann Erhitzen mittels einer Infrarot-Heizröhre, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen; und Ionenätzschritt: Kontinuierliches Zuführen von hochreinem Ar in die Kammer, wobei die Temperatur der Heizung in der Kammer konstant gehalten wird, eine negative Vorspannung an die Matrix angelegt wird, ein lonenätzen an der Matrix durchgeführt wird und die Oxidschicht und die lose Schicht auf der Oberfläche des Schneidwerkzeugs entfernt werden.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallreinigung im Matrixvorbehandlungsschritt derart erfolgt, dass die Schneidwerkzeugmatrix mit wasserfreiem Ethanol 10 bis 20 Minuten lang mit Ultraschall gereinigt wird.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im in der Kammer erfolgenden Vakuumierungsschritt zunächst mittels einer mechanischen Pumpe und einer Molekularpumpe eine Vakuumierung bei unter 4 × 10-5 mbar durchgeführt wird, anschließend wird die Temperatur der Infrarot-Heizröhre für 30 Minuten auf 600 °C eingestellt, wobei, nachdem der Vakuumgrad in der Kammer unter 4 × 10-5 mbar liegt, die Temperatur der Infrarot-Heizröhre auf 550 °C eingestellt und ein Erhitzen für 30 Minuten durchgeführt wird, schließlich wird in der Kammer bei weniger als 4 × 10-5 mbar eine Vakuumierung vorgenommen, um flüchtige Verunreinigungen auf den Oberflächen der Kammer und der Matrix vollständig zu entfernen.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Ionenätzschritt die Heiztemperatur der Infrarot-Heizröhre 300 bis 600 °C und der Kammerluftdruck 1,0 Pa beträgt, wobei für den kathodischen Lichtbogen ein kreisförmiges Cr-Target mit einer Reinheit von mehr als 99 % und einem Targetstrom von 70 bis 100 A verwendet wird.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Ionenätzschritt der Planetenträger, auf dem die Matrix platziert ist, mit einer zweistufigen gepulsten Stromversorgung verbunden ist, wobei die Drehzahl des Planetenträgers 3 U/min, die negative Vorspannung -300 V, die positive Vorspannung +20 V, die Frequenz 20 kHz, die Einschaltdauer 80 % und die lonenätzzeit 20 bis 40 min beträgt.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt zum Abscheiden einer Me-B-N-Beschichtung die folgenden Schritte durchgeführt werden müssen: Kühl- und Probenahmeschritt: Einschalten des Umlaufkühlsystems eines Ofens nach dem Abschluss der Beschichtung, wobei die Kammer geöffnet und das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand abgekühlt ist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Me-B-N-beschichteten Schneidwerkzeugs zum Bearbeiten von Titanlegierungen und Superlegierungen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühl- und Probenahmeschritt die Kühlwassertemperatur des Kühlsystems auf 15 bis 20 °C eingestellt wird, wobei das Werkstück herausgenommen werden kann, nachdem die Kammer im Vakuumzustand langsam auf unter 70 °C abgekühlt ist.
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