DE19526387A1 - Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ionische Nitrierung zur Vorbehandlung
von Stahlteilen, die mit einem harten Belag zu beschichten
sind, gefolgt durch Bildung eines harten Belags auf den Teilen
durch ein PVD-Verfahren (Physical-Vapor-Deposition oder
Physikalische Dampfbeschichtung). Insbesondere betrifft die
Erfindung einen oberflächenbehandelten Stahlverbundgegenstand,
dessen Hartbeschichtungsbelag kaum bricht und eine ausgezeich
nete Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit zeigt,
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Bildung eines Hartbelags durch ein PVD-Verfahren hat den
Vorteil, daß der Belag bei einer relativ geringen Temperatur
gebildet werden kann. Die Vorbehandlung zur Bildung eines
Hartbelags auf mit dem Hartbelag zu beschichtenden Stahlteilen
umfaßt allgemein: zunächst Aussetzen der Oberfläche der Teile
einer Plasmanitrierung, um hierdurch auf den Oberflächen eine
Nitridschicht zu bilden, und dann Bildung eines Hartbelags auf
der Nitridschicht, wodurch die Adhäsion und Dauerhaftigkeit des
somit gebildeten Hartbelags verbessert wird.
Bei der bisherigen Plasma- oder ionischen Nitrierung ist es
möglich, die Oberfläche von Metallteilen gleichmäßig zu
behandeln, die relativ einfache Formen und keine kleine
Unebenheiten aufweisen, um hierdurch auf diesen eine Nitrid
schicht zu bilden. Ferner ist es möglich, eine dünne Hart
schicht mit einer Dicke von 5 bis 15 µm oder dergleichen auf der
Oberfläche von Metallteilen zu bilden, ohne die Oberflächenrau
higkeit wesentlich zu verstärken.
Es ist bekannt, die Oberfläche von Stahlmaterialien wie etwa
Werkzeugen und Preßformstücken mit einem TiN-Belag durch ein
PVD-Verfahren wie etwa Ionenplatierung zu beschichten, um
hierdurch die Abriebfestigkeit der Materialien zu verbessern.
Jedoch haben Metallnitride wie etwa TiN den Nachteil, daß sie
bei hohen Temperaturen leicht oxidieren und ihre Abriebfestig
keit aufgrund der durch Oxidation gebildeten spröden Oxid
schicht merklich reduziert ist. Daher ließen sich bei Werkzeu
gen zur Bearbeitung von harten Stahlmaterialien oder von
schlecht schneidbaren Materialien und bei Preßformen zur
Heißbearbeitung keine ausreichenden Wirkungen erzielen.
Zur Verbesserung des Oxidationsproblems von TiN wurde ein
TiAlN-Belag vorgeschlagen. W. D. Muntz et al von Reiboltherens
Co. berichteten beispielsweise, daß TiAlN eine gute Oxidations
beständigkeit hat (siehe J. Vac Sci. Technol., A4, 2717
(1986)).
Durch Zugabe von Al zeigte der erwähnte TiAlN-Belag eine
verbesserte Beständigkeit, jedoch wurden die mechanischen
Eigenschaften des Belags mit zunehmender Al-Menge schlechter.
Bei Anwendung des Belags bei Werkzeugen verschlechtert sich
daher deren Qualität. Weil Al eine Art von Defekt in dem TiN-
Belag darstellt, sinkt die Zähigkeit des TiAlN-Belags, und der
Belag hat im Vergleich mit TiN schlechte mechanische Eigen
schaften.
Die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch
Zugabe Al wird in einem Bereich auffällig, in dem die Al-Menge
in dem TiAlN-Belag 10 mol% auf Basis der Metallbestandteile
überschreitet. Ein TiAlN-Belag mit einer Al-Menge von weniger
als 10% zeigt ähnliche mechanische Eigenschaften wie ein TiN-
Belag, jedoch läßt sich durch Zugabe von Al mit einer derart
niedrigen Konzentration keine wesentliche Wirkung hinsichtlich
der Oxidationsbeständigkeit erzielen. Um die einander wider
strebenden Phänomene zu kompensieren, das sind die Verschlech
terung der mechanischen Eigenschaften und die Verbesserung der
Oxidationsbeständigkeit durch Zugabe von Al, wurde ein Belag
mit einer Struktur vorgeschlagen, in der sich die Al-Konzen
tration kontinuierlich ändert. Die japanische Patent-Offenle
gungsschrift Hei 2-170965 schlägt beispielsweise eine Belag
struktur mit sich ändernder Al-Konzentration vor, in der die
Al-Konzentration zu der Oberfläche hin zunimmt und an der
äußersten Oberfläche die maximale Al-Konzentration erreicht.
Wenn bei der herkömmlichen ionischen Nitrierung Metallteile
feine Schlitze, Öffnungen oder Nuten aufweisen, oder Metall
teile unterschiedlicher Formen gleichzeitig der ionischen
Nitrierung unterzogen werden, wirkt, weil Plasmen an bestimmten
Teilen des Metallelements lokalisiert sind und die Verteilung
der Plasmen ungleichmäßig ist, die ionische Nitrierung auf der
Oberfläche der Metallteile ungleichmäßig, oder es tritt eine
lokale Überhitzung auf, wobei die Temperatur an der Oberfläche
der Metallteile abnormal ansteigt und sich hierdurch die
Eigenschaften der Teile verschlechtern. Demzufolge ist es
unmöglich, auf der Oberfläche der Metallteile eine gleichmäßige
Nitrierung vorzunehmen, und auch wenn ein Hartbelag durch ein
PVD-Verfahren auf den Metallteilen gebildet wird, die keiner
gleichmäßigen Nitrierung unterzogen wurden, schwankt die
Haftung oder Dauerhaftigkeit des Belags stark.
Um ferner die Haftung oder Dauerhaftigkeit des Belags zu
verbessern, der durch Bildung einer Nitridschicht (Diffusions
schicht) durch ionische Nitrierung gebildet ist, ist es
erforderlich, eine Nitridschicht von etwa 30 bis 500 µm auf den
Metallteilen zu bilden. Wenn jedoch eine Nitridschicht (Diffu
sionschicht) von etwa 30 bis 500 µm auf den Metallteilen durch
herkömmliche ionische Nitrierung gebildet wird, steigt die
Oberflächenrauhigkeit der Metallteile durch Sputtern, lagert
sich ein feines Pulver aufgrund des Sputterns ab oder bildet
sich eine spröde Verbundschicht. Wenn dann hierauf der Belag
gebildet wird, verschlechtert sich die Haftung des Belags, und
kann die Haftung und Dauerhaftigkeit des nach der ionischen
Nitrierung gebildeten Hartbelags nicht verbessert werden, und
statt dessen verschlechtern sich die Eigenschaften des Hartbe
lags.
Ziel der Erfindung ist es daher, einen oberflächenbehandelten
Stahlverbundgegenstand bereitzustellen, indem man die Gesamt
fläche von Metallteilen unterschiedlicher Formen gleichzeitig
gleichmäßiger ionischer Nitrierung unterzieht oder den Ober
flächenzustand der Metallteile beibehält, und anschließend
kontinuierlich einen Hartbelag durch ein PVD-Verfahren in einer
identischen oder getrennten Vorrichtung bildet, um hierdurch
einen Hartbelag zu bilden, der eine gute Haftung und Dauerhaf
tigkeit auf der Oberfläche der Metallteile aufweist, sowie ein
Verfahren zur Herstellung solcher oberflächenbehandelter
Stahlverbundgegenstände.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß ein TiAlN-Belag im Vergleich
mit einem TiN-Belag eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit
hat, aber wegen seiner schlechten Zähigkeit keine praktische
Wirkung bei Anwendung bei einem Arbeitswerkzeug zeigt, ist es
ein weiteres Ziel der Erfindung, oberflächenbehandelte Stahl
verbundgegenstände anzugeben, die sowohl Oxidationsbeständig
keit als auch Abriebbeständigkeit als auch eine ausgezeichnete
Haftung mit einem Substrat zeigen und dauerhaft sind, indem man
die Gesamtfläche von Metallteilen unterschiedlicher Form
gleichzeitig ionischer Nitrierung unterzieht oder den Ober
flächenzustand der Metallteile beibehält, und anschließend
kontinuierlich einen Hartbelag durch ein PVD-Verfahren in einer
Identischen oder separaten Vorrichtung bildet, sowie ein
Verfahren der Herstellung solcher oberflächenbehandelter
Stahlverbundprodukte.
Ein erstes Merkmal der Erfindung besteht in einem Verfahren zur
Herstellung von doppelt oberflächenbehandelten Stahlverbund
gegenständen, umfassend: Unterziehen der Oberfläche von
Metallteilen einer Glimmentladung mit einer Stromdichte von
0,001 bis 2,0 mA/cm² unter Verwendung von gasförmigem Ammoniak
und gasförmigem Wasserstoff, während die Temperatur der
Metallteile bei 300 bis 650°C gehalten wird, um hierdurch eine
ionische Nitrierung zur Bildung einer Nitridschicht durch
zuführen, und Bildung auf der Nitridschicht eines Hartbelags
mit Nitrid, Karbid und/oder Karbonitrid aus einem oder mehreren
der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ti und Cr, durch ein PVD-
Verfahren oder eines Laminat-Belags oder eines Gradient-
Laminat-Belags aus einem solchen Hartbelag.
Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht in doppelt ober
flächenbehandelten Stahlverbundprodukten, umfassend eine erste
Schicht aus einer Nitridschicht, die durch ionische Nitrierung
gebildet ist, und eine zweite Schicht aus einem Hartbelag mit
Nitrid, Karbid und/oder Karbonitrid aus einem oder mehreren der
Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr und die auf der ersten
Schicht als Laminat-Belag oder Gradient-Laminat-Belag des
Hartbelags durch das PVD-Verfahren aufgelagert ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in doppelt oberflächen
behandelten Stahlverbundprodukten mit Oxidationsbeständigkeit
und Abriebfestigkeit, umfaßend: eine erste Schicht aus einer
Nitridschicht, die durch Aussetzen der Oberfläche der Metall
teile einer Glimmentladung bei einer Stromdichte von 0,001 bis
2, 0 mA/cm² unter Verwendung gasförmigem Ammoniaks und gasförmi
gem Wasserstoffs gebildet wird, während die Temperatur der
Metallteile bei 300 bis 650°C gehalten wird, um hierdurch die
Oberfläche der Metallteile einer ionischen Nitrierung zu
unterziehen, und eine zweite Schicht, die durch Laminieren
eines TiAlN-Belags auf der ersten Schicht durch ein PVD-
Verfahren gebildet ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in doppelt ober
flächenbehandelten Stahlverbundprodukten, bei denen die zweite
Schicht einen Laminat-Belag, in dem sich die Al-Konzentration
in dem TiAlN-Belag kontinuierlich ändert, einen Gradient-Belag,
in dem sich Al-Konzentration kontinuierlich ändert, oder einen
Laminat-Gradient-Belag, in dem eine intermittierende Änderung
und kontinuierliche Änderung der Al-Konzentration gleichzeitig
vorhanden sind, aufweist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in doppelt oberflächen
behandelten Stahlverbundprodukten, in denen eine Zwischen
schicht, die aus Nitrid, Karbid und/oder Karbonitrid aus einem
oder mehreren der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr
aufweist, zwischen dem TiAlN-Belag und dem Metallteil in einer
Menge von weniger als 90% der gesamten Belagdicke durch ein
PVD-Verfahren aufgebracht wird.
Die erfindungsgemäß zu behandelnden Stähle können Federstähle
wie etwa SUP 10 umfassen, Lagerstähle wie etwa SUJ 2, Nitrid
stähle wie etwa SACM 645, Heißarbeitsstähle wie etwa SKD 61,
Kaltarbeitsstähle wie etwa SKD 11, Hochgeschwindigkeitsstähle
wie etwa SKH 51, wärmebeständige Stähle wie etwa SUS 301,
Maschinenteilstähle wie etwa SCR 20 und wärmefeste, säurefeste
Stähle wie etwa SUS 410.
Ferner können die erfindungsgemäß zu behandelnden Gegenstände
CD-Formwerkzeuge und verschiedene Arten von Metallteilen mit
relativ einfachen ebenen Formen umfassen, sowie etwa Schrauben
für Extrusionsformmaschinen, Schrauben für Rührer, Press
formwerkzeuge für Maschinenteile, Fahrzeugzahnräder, Motortei
le, Formstücke für Alluminiumextrusion und Schneidwerkzeuge wie
etwa Bohrer oder Stirnfräser mit komplizierten Formen.
Bei der ionischen Nitrierung zur Bildung der Nitridschicht als
der ersten erfindungsgemäßen Schicht beträgt die Temperatur der
Metallteile etwa 300 bis 650°C, und zwar aus folgenden Gründen:
Es ist nämlich erforderlich, die Metallteile auf eine Tempera
tur von 300 bis 650°C zu erwärmen, um die Metallteile schnell
mit den Stickstoffionen reagieren zu lassen und diese auf eine
solche Reaktionstemperatur zu erwärmen, daß sie die Reaktion
mit einer ökonomisch akzeptablen Ausbeute durchführen können.
Dies deswegen, weil die ionische Nitrierungsreaktion bei einer
Temperatur unter 300°C außerordentlich langsam ist, während
sich einmal gebildete Nitride zersetzen und bei einer Tempera
tur über 650°C keine ionische Nitrierung stattfindet. Ferner
können die zu behandelnden Teile nur durch die Glimmentladung
bei einer Stromdichte von 0,001 von 2,0 mA/cm², wie sie
erfindungsgemäß verwendet wird, nicht auf die genannte vor
bestimmte Temperatur erwärmt und bei dieser gehalten werden,
und demzufolge ist ein Erwärmungsmittel erforderlich. Als
Erwärmungsmittel ist Elektrische Erwärmung, Gas Erwärmung oder
dergleichen verwendbar, wobei Elektrische Erwärmung besonders
leicht anzuwenden ist. Wenn die Wärmequelle an der Innenseite
oder Außenseite einer Vakuumkammer zur Durchführung der
ionischen Nitrierung angeordnet wird, kann in Kombination mit
einem automatischen Steuersystem eine programmierte Temperatur
erhöhung oder Temperaturerhaltung leicht durchgeführt werden.
Als Gas zur ionischen Nitrierung dienen gasförmiges Ammonik
(NH₃) und gasförmiger Wasserstoff (H₂), weil gasförmiges
Ammoniak in N und H zersetzt wird, die direkt in N₂ und H₂
umgewandelt werden, wodurch keine ausreichende Nitrierreaktion
stattfindet, wenn die Plasmastromdichte hoch ist. Jedoch ist
gasförmiges Ammoniak als Ammoniakradikale in einem Bereich
niedriger Plasmastromdichte stabil, während gasförmiger
Wasserstoffals ein Hilfsgas dient, um die Radikalisierung von
gasförmigem Ammoniak durch elektrische Entladung stabil
durchzuführen. Ein bevorzugtes NH₃/H₂ Volumenverhältnis reicht
von 1/100 bis 1/0, bevorzugt 1/10 bis 3/1. Wenn das NH₃/H₂
Volumenverhältnis kleiner als 1/100 ist, findet keine aus
reichende ionische Nitrierreaktion statt. Im Fall ohne Zufuhr
von gasförmigem Wasserstoff verwendet man das zersetzte H₂₁ weil
H₂ als das Hilfsgas durch die Zersetzung von NH₃ gebildet wird.
Zur Stabilisierung des Plasmas kann auch Ar-Gas oder der
gleichen zugefügt werden.
Der auf die Oberfläche der Metallteile wirkende plasmabildende
Strom liegt bei 0,001-2,0 mA/cm², weil die Glimmentladung
ausschließlich zum Wandeln gasförmigen Ammoniaks und gasförmi
gen Wasserstoffs in Plasmen verwendet werden kann und innerhalb
des oben genannten Bereichs der Stromdichte keine Überschuß
wärme erzeugt. Wenn die Stromdichte geringer als 0,001 mA/cm²
ist, erhält man keine ausreichende Plasmabildung. Wenn anderer
seits die Stromdichte 2,0 mA/cm² überschreitet, wird die
Oberfläche der Metallteil lokal überhitzt, so daß in den
Schlitzen oder in den Nuten keine ausreichende ionische
Nitrierung stattfindet. Ein Stromdichte im Bereich von 0,001
bis 0,5 mA/cm² ist bevorzugt, um die ionische Nitrierungs
behandlung bei glanzpolierten Metallteilen anzuwenden, während
der Oberflächenzustand bleibt wie er ist.
Die Dicke der Nitridschicht, die als die erste Schicht (Diffu
sionsschicht) gebildet ist, liegt geeigneterweise in einem
Bereich von 5 bis 500 µm, bevorzugt von 20 bis 200 µm, in
Abhängigkeit von der Belagstruktur des Hartbelags, der als die
zweite Schicht gebildet ist. Wenn die Dicke der Nitridschicht
(Diffusionsschicht) weniger als 5 µm ist, kann die Haftung des
als die zweite Schicht gebildeten Hartbelags nicht verbessert
werden. Wenn andererseits die Dicke 500 µm überschreitet, werden
die Teile selbst spröde und haben eine schlechte Aufschlagfe
stigkeit oder Dauerhaftigkeit.
Die Glimmentladung zur Bildung des Plasmas kann entweder eine
Gleichstromentladung oder eine Hochfrequenzentladung sein. Es
besteht keine besondere Einschränkung bezüglich einer Vakuum
kammer zur Durchführung der ionischen Nitrierung, vorausge
setzt, daß die Kammer eine Glimmentladeelektrode und eine
Rohrleitung für die plasmabildenden Gase aufweist und eine mit
einer Vakuumpumpe verbundene Absaugleitung aufweist.
Erfindungsgemäß dient das PVD-Verfahren zur Bildung des
Hartbelags, weil die durch ionische Nitrierung gebildete
Nitridschicht durch Diffusion bei einem Verfahren verloren
geht, bei dem der Belag bei hoher Temperatur gebildet wird, wie
etwa einem Heiß-CVD-Verfahren (Chemical-Vapor-Deposition-
Verfahren). Weil das PVD-Verfahren einen Belag bei einer
Temperatur unter 650°C bilden kann, ergibt es keine unerwünsch
ten Effekte einer durch die ionische Nitrierung gebildeten
Nitridschicht.
Das PVD-Verfahren umfaßt beispielsweise Ionenplattierung und
Sputtering. Die Verwendung des Ionenplatierungsverfahrens ist
bevorzugt, weil ein Belag mit einer starken Haftwirkung zur
Verbesserung der Gleitabriebfestigkeit gebildet werden kann,
ohne daß sich die Oberflächenhartschicht von der Nitridschicht
durch Erwärmung bei der Filmbildung löst.
Das Ionenplattierungsverfahren dient allgemein zur Dampf
ablagerung eines Materials, Ionisierung des verdampften
Materials und ferner Beschleunigen der ionisierten Metall
moleküle durch ein elektrisches Feld in einer Reaktionsgas
atmosphäre und Ablagern eines Metalls auf der Oberfläche eines
Substrats. Als eine Metallquelle im Fall der Bildung eines
Belags für etwa eine TiAlN-Belags mit einem Gemisch von zwei
oder mehreren Metallen, sind Verdampfungsquellen für die
jeweiligen Metalle erforderlich, aber beispielsweise zur
Bildung eines Ti-Al-Belags kann anstelle der Verwendung jedes
der Metalle eine Ti-Al-Legierung verwendet werden. Zugeführt
werden Dämpfe für die jeweiligen Metalle mit einem angestrebten
Verhältnis unter Verwendung der Dampfquelle oder der Dampf
quellen reiner Metalle oder Legierungen unterschiedlicher
Zusammensetzung allein oder einer Mehrzahl von diesen gleich
zeitig.
Als ein Mittel zum Verdampfen des Metalls ist jedes ohmsche
Erwärmungsverfahren oder Elektronenstrahlerwärmungsverfahren
verwendbar, die in vorhandenen Ionenplattierungsvorrichtungen
enthalten sind. Ferner kann das verdampfte Metall durch jedes
bekannte Mittel wie etwa Kathodenbogenentladung, Glimmentla
dung, Hochfrequenzentladung, ein Verfahren unter Verwendung
einer ionisierten Elektrode und Hohlkathodenverfahren ionisiert
werden. Unter diesen hat die Kathodenbogenentladungsionen
plattierung, die ein Verfahren zur Verdampfung und gleichzeiti
gen Ionisierung von Metall ist, eine im Vergleich mit anderen
Verfahren hohe Metallionisierungswirkung und ist zur Bildung
eines stark haftenden Belags geeignet.
Wenn ferner die Erwärmung durch Ionenbeschuß bei der Erwärmung
eines Substrats vor der Bildung des Belags verwendet wird, wird
die Erwärmung durch mehr Metallionen durchgeführt. Ein elek
trisches Feld zur Beschleunigung ionisierter Metallionen liegt
bevorzugt bei einer Spannung von -500 V bis -2000 V und
besonders bevorzugt von -800 V bis -1500 V.
Zur Herstellung eines Hartbelags werden eines oder mehrere
Metalle ausgewählt aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr als
Verdampfungsquelle verwendet, und N₂, NH₃, Kohlenwasserstoffe
oder stickstoffhaltige organische Verbindungen, beispielsweise
(CH₃)₃N sind als Reaktionsgas verwendbar. Der Druck des Reak
tionsgases kann, obwohl von den verschiedenen Arten verwendeten
Gases abhängig, in einem Bereich von 10-3 bis 10¹ Torr liegen.
Die Spannung zur Beschleunigung des ionisierten Metalls bei der
Bildung des Hartbelags liegt bevorzugt von -0 V bis -700 V,
besonders bevorzugt von -50 V bis -500 V.
Der erfindungsgemäße Hartbelag ist ein keramischer Belag, und
weil er eine hohe Vickershärte von 1500 bis 3000 aufweist und
im Vergleich mit herkömmlichen Metall einen geringen Reibkoef
fizienten aufweist, zeigt er eine ausgezeichnete Abriebfestig
keit.
Wenn jedoch die Dicke 10 µm überschreitet, verursacht die
Keramiken inhärente Sprödigkeit Bruch oder Abschälung, so daß
die Dicke des Hartbelags bevorzugt unter 10 µm liegt. Wenn
andererseits die Dicke des Hartbelags unter 1 µm liegt, erhält
man nicht die ausreichenden Eigenschaften des Hartbelags. Daher
liegt die Dicke des Hartbelags bevorzugt von 1 bis 4 µm,
bevorzugt um 3 µm.
TiN ist ein Material mit einer Kristallstruktur vom B1-Typ. In
TiAlN als substituierter Festlösung, in der ein Teil von Ti in
TiN durch Al ersetzt ist, hat das Material die gleiche B1-
Struktur wie TiN, innerhalb einer Al-Menge bis zu 70 mol% auf
Basis der Metallbestandteile des TiAlN-Belags. Wenn die Al-
Konzentration 70% überschreitet, ändert sich die Kristall
struktur und die mechanischen Eigenschaften des Belags ver
schlechtern sich außerordentlich.
Eine dichte Oxidschicht wird auf der Oberfläche des TiAlN-
Belags mit festgelöstem Al gebildet, wenn der Belag einer
Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird, so daß sie als Schutz
schicht dient. Sie hat daher-die Funktion zu verhindern, daß
der Belag aufgrund Wärme, die durch Reibung beispielsweise in
einem Schneidwerkzeug entsteht, oxidativ zersetzt wird. Weil
die Leistung mit höherer Al-Konzentration steigt, sollte die
Al-Konzentration wenigstens größer als 20% sein, um eine
ausreichende Oxidationsbeständigkeit zu erlangen.
Weil Al als Defekt in dem TiAlN-Belag vorliegt, hat der Belag
im Vergleich mit TiN eine schlechte Zähigkeit. Wenn demzufolge
das Substrat einer elastischen Deformation und einer plasti
schen Deformation unterzogen wird, kann der TiAl-Belag der
Deformation nicht folgen und wird beschädigt. Wegen der
erfindungsgemäßen Nitridschicht (Diffusionsschicht) als erste
Schicht tritt jedoch die elastische Deformation oder plastische
Deformation in dem Substrat weniger auf, und ferner ist die
Zähigkeit des Belags im Vergleich mit einschichtigem TiAlN
durch intermittierendes oder/und kontinuierliches Ändern der
Al-Konzentration in dem TiAlN-Belag verbessert, und infolgedes
sen kann die oben beschriebene Beschädigung vermieden werden.
Ferner ist der gesamte Belag zäher durch Einfügen einer
Zwischenschicht, die eine noch bessere Zähigkeit als TiAlN
aufweist und ein Nitrid, Karbid und/oder Karbonitrid aus einem
oder mehreren der Metalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr auf
weist, zwischen die erste Schicht der Nitridschicht (Diffu
sionsschicht) und dem TiAlN-Belag in einer Menge von weniger
als 90% der Gesamtbelagdicke durch das gleiche PVD-Verfahren
wie für den TiAlN-Belag, um die oben beschriebene Beschädigung
zu verhindern. Eine Zwischenschicht mit einer größeren Dicke
als 90% der Gesamtbelagdicke ist nicht bevorzugt, weil dann die
Dicke des TiAlN-Belags reduziert ist und keine ausreichende
Oxidationsbeständigkeit zeigt.
Weil die elastische Verformung oder plastische Verformung auf
der Oberfläche des Substrats durch eine doppelte Beschichtung
des Ablagerns der Nitridschicht als der ersten Schicht auf der
Oberfläche des Substrats, auf der ein Hartbelag als die zweite
Schicht gebildet wird, wesentlich unterdrückt wird, wird
verhindert, daß sich der Hartbelag aufgrund der Unfähigkeit,
der elastischen Verformung und plastischen Verformung zu
folgen, beschädigt wird, um die Dauerhaftigkeit, wie etwa
Abriebfestigkeit, des Belags zu verbessern.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter
Hinweis auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematische die Gesamtstruktur einer
Plasmanitriervorrichtung zur Durchführung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Plasmanitriervorrichtung zur
Durchführung der Erfindung, umfassend: eine Vakuumkammer 1,
eine Erwärmungsvorrichtung 2, eine Gleichstromelektrode 3,
Metallteile (Bohrer) 4, eine Gleichstromversorgung 5, ein
Ablaßrohr 6, eine Vakuumpumpe 7, ein Ventil 8, eine Düse 9,
Einführrohre 10, Ventile 11, Massenflußcontroller 10 und ein
Fenster 13.
Die Erwärmungsvorrichtung 2 ist in der Außenumfangswand
eingebettet. Die mit der Gleichstromquelle 3 verbundene
Gleichstromelektrode 3 ist innerhalb der Vakuumkammer 1
angeordnet. Das Auslaßrohr 6 ist an den unteren Teil der
Vakuumkammer durch das Drucksteuerventil 8 mit der Vakuumpumpe
7 verbunden. Ausgangsmaterialgase, wie etwa H₂-Gas, NH₃-Gas und
Ar-Gas werden durch die Massenflußcontroller 12, die Ventile 11
und die Einlaßrohre 10 jeweils von der Düse 9 zur Innenseite
der Vakuumkammer 1 geführt. Das Fenster 13 dient zur Beobach
tung der Plasmaemission nahe der Oberfläche der Metallteile 4.
Die Metallteile 4 sind an der Oberfläche der Gleichstromelek
trode 3 angeordnet.
Die Plasmanitrierbehandlung und die Belagbildungsbehandlung
durch das PVD-Verfahren zur Durchführung der Erfindung ist
unter Verwendung jeweiliger Vorrichtungen durchführbar. Die
Plasmanitrierbehandlung ist unter Verwendung der obenbeschrie
benen Vorrichtung durchführbar, jedoch ist je nach Fall auch
eine Vorrichtung verwendbar, die die Plasmanitriervorrichtung
und die PVD-Vorrichtung als Einheit aufweist. Beispielsweise im
Fall der Verwendung einer Kathodenbogenionenplattierung als dem
PVD-Verfahren ist eine Bogenverdampfungsquelle an der Vakuum
kammer 1 der Plasmanitriervorrichtung angeordnet. In einer
solchen integrierten Vorrichtung ist ein Ofensystem innerer
Erwärmung bevorzugt, bei dem eine Erwärmungsvorrichtung an der
Innenumfangswand der Vakuumkammer 1 angeordnet ist anstelle der
Einbettung der Erwärmungsvorrichtung 2 an der Außenumfangswand
der Vakuumkammer 1, wie bei der obenbeschriebenen Plasmani
triervorrichtung.
Nach Reinigung von Bohrern aus SKH51 Hochgeschwindigkeitsstahl
(Vickers Härte Hv = 850) mit Ultraschallwellen in Ethanol
werden diese an der Gleichstromelektrode 3 der in Fig. 1
gezeigten Plasmanitriervorrichtung angeordnet und Plasmanitrie
rung unterzogen. Der Plasmanitriervorgang wurde durchgeführt
durch Anordnen der Bohrer, Evakuieren der Innenseite der
Vakuumkammer 1 auf 1 × 10-3 Torr durch die Vakuumpumpe 7,
Zuführen von Wasserstoffgas mit 1000 ml/min während Durch
führung der Evakuierung, Halten des Drucks bei 1 Torr und
gleichzeitig Erwärmen der Oberfläche der Bohrer durch die
Erwärmungsvorrichtung 2, bis die Oberfläche gleichmäßig auf
500°C erwärmt war. Dann wurde eine Spannung von -400 V von der
Gleichstromversorgung 5 angelegt, um durch Wasserstoffgas ein
Gleichstromglimmentladungsplasma zu erzeugen, und die Ober
fläche der Bohrer 4 wurde für 30 min gereinigt.
Dann wurde Wasserstoffgas und Ammoniakgas jeweils mit 2000
ml/min bzw. 500 ml/min in die Vakuumkammer 1 eingeführt, der
Druck wurde bei 1,0 Torr gehalten, die Gleichstromplasmen von
Wasserstoffgas und Ammoniakgas wurden unter Anlegen einer
Spannung von -500 V erzeugt und die Plasmanitrierbehandlung
wurde für 30 min durchgeführt. Währenddessen wurde die zu den
Bohrern fließende Stromdichte bei weniger als 0,2 mA/cm²
gehalten, und das Plasma wurde gesteuert, so daß es auf der
Bohreroberfläche gleichmäßig erzeugt wurde. Die Dicke der
Hartschicht des Bohrers nach der Behandlung war 50 µm. Vor und
nach der Behandlung wurde keine Änderung der Oberflächenrauhig
keit (Ra) beobachtet.
Nach der Plasmanitrierbehandlung wurden die der Nitrierungs
behandlung unterzogenen Bohrer in einer Kathodenbogenionen
plattiervorrichtung mit einer Ti-Kathode angeordnet, wobei die
Innenseite des Reaktionsgefäßes auf 10-5 Torr evakuiert wurde,
dann wurde eine Vorspannung von -1000 V an die Bohrer angelegt,
und die Bogenentladung wurde durch die Ti-Kathode erzeugt. Der
Bogenentladestrom war hierbei 70 A. Unter Beobachtung der
Oberflächentemperatur der Bohrer durch ein Infrarotemissions
thermometer wurde die Bogenentladung für 2 min fortgeführt und
Ti wurde verdampft und ionisiert, um die Oberfläche der Bohrer
sputternd zu reinigen. Während der Bogenentladung wurde ein
Temperaturanstieg bis zu einer Maximaltemperatur von 450°C an
der Oberfläche der Bohrer beobachtet.
Anschließend wurde das Anlegen der Spannung an die Ti-Kathode
unterbrochen, wurde Stickstoffgas in das Reaktionsgefäß
eingeführt, wurde eine Vorspannung von -400 V an die Bohrer
angelegt, während das Stickstoffgas floß, um den Druck in dem
Gefäß bei 3 × 10-3 Torr zu halten, und von der Ti-Kathode wurde
eine Bogenentladung erzeugt. Der Bogenentladestrom war hierbei
90 A. Infolge der fortlaufenden Bogenentladung für 1 Stunde
wurde auf der Plasmanitrierschicht eine harte TiN-Belagschicht
gebildet. Die Dicke des TiN-Belags betrug etwa 3 bis 4 µm.
Es wurde die Vickers Härte an der Oberfläche der SKH 51 Bohrer
gemessen, die der obenbeschriebenen Behandlung unterzogen
wurden. Die Vickers Härte herkömmlicher Gegenstände, die keiner
Plasmanitrierung unterzogen wurden, betrug 1600 Hv (100 g),
während ein Härteanstieg auf 1850 Hv (100 g) für Produkte
erzielt wurde, die erfindungsgemäß der Plasmanitrierung als
Vorbehandlung unterzogen wurden, und es erwies sich, daß das
Auftreten der Verformung aufgrund der Oberflächenbehandlung der
Bohrer geringer war.
Bei einem Kratztest zum Messen eines kritischen Belastungswerts
bezüglich der Adhäsion und der Dauerhaftigkeit des TiN-Belags
ergab sich ein Wert von 47 Newton (N) für die Gegenstände, die
herkömmlicherweise keiner Plasmanitrierung unterzogen wurden,
während die erfindungsgemäßen Gegenstände einen hohen Wert von
53 Newtor. (N) zeigten, und erwies sich, daß die Adhäsion und
die Dauerhaftigkeit des somit gebildeten TiN-Belags verbessert
war.
Als Resultat eines Schneidtests für die Bohrer unter folgenden
Bedingungen zeigte sich, daß bei den der erfindungsgemäßen
Plasmanitrierung unterzogenen Produkten die Anzahl von Löchern,
die geschnitten werden konnten (Schneidleistung) 4- bis 6mal so
hoch waren wie bei den herkömmlichen Produkten ohne Nitrierung.
Zu schneidendes Material: SCM 440
Bohrdrehzahl: 1500 upm
Vorschubrate: 0,15 mm/Umdr.
Bohrdrehzahl: 1500 upm
Vorschubrate: 0,15 mm/Umdr.
Schneidtiefe: 20 mm.
Es wurde ein Schneidtest unter den gleichen Bedingungen wie in
Beispiel 1 mit Bohrern durchgeführt, erhalten durch Nitrieren
durch ein herkömmliches Plasmanitrierverfahren bei 430°C für 15
min von zu behandelnden erwärmten Teilen und durch Bewirken
einer Nitrierreaktion unter Verwendung einer Plasmanitriervor
richtung, in der ein Vakuumgefäß gekühlt wurde und unter
Verwendung von Gleichstromplasma von N₂ und H₂, und Bilden eines
TiN-Belags durch das gleiche Ionenplattierverfahren wie in
Beispiel 1. Obwohl die Schneidleistung im Vergleich mit
herkömmlichen Produkten, die keiner Nitrierung unterzogen
wurden, verbessert war, war die Verbesserung maximal nur etwa
2 mal so groß.
Plasmanitrierung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1
für 30 min durchgeführt unter Verwendung von Bohrern aus SKH 51
Hochgeschwindigkeitswerkzeugstählen. Die Tiefe der gehärteten
Schicht betrug etwa 50 µm. Die Bohrer wurden in einer Kathoden
bogenionenplattierungsvorrichtung angeordnet, die eine Ti-
Kathode aufwies, und nach Evakuieren der Innenseite des
Reaktionsgefäßes auf 10-5 Torr wurde eine Vorspannung bei -1000
V an die Bohrer angelegt und es wurde durch die Ti-Kathode eine
Bogenentladung durchgeführt. Der Bogenentladestrom betrug 70 A.
Dann wurde die Bogenentladung für 2 min fortgeführt, während
die Temperatur an der Oberfläche des Substrats durch ein
Infrarotemissionsthermometer beobachtet wurde. Ti wurde
verdampft und ionisiert, um die Oberfläche der Bohrer sputternd
zu reinigen. Während der Bogenentladung war ein Temperatur
anstieg bis maximal 450°C an der Oberfläche der Bohrer zu
beobachten.
Anschließend wurde das Anlegen der Spannung an die Ti-Kathode
unterbrochen und es wurde eine Vorspannung bei -400 V an die
Bohrer angelegt, während ein Gasgemisch aus Stickstoffgas,
einem Acetylengas und Argongas in das Reaktionsgefäß floß, und
von der Ti-Kathode wurde eine Bogenentladung durchgeführt. Der
Bogenentladestrom betrug 90 A. Infolge der fort laufenden
Bogenentladung für 1 Stunde wurde auf der Ionennitridschicht
eine harte Beschichtung eines TiCN-Belags gebildet. Die Dicke
des TiCN-Belags betrug etwa 3 bis 4 µm.
Als Resultat eines Schneidtests unter den gleichen Bedingungen
wie in Beispiel 1 für die der obigen Behandlung unterzogenen
Bohrer ergab sich auch bei den erfindungsgemäßen Produkten, daß
die Schneidleistung im Vergleich mit den herkömmlichen Produk
ten ohne Nitrierung auf das etwa 4- bis 6-fache verbessert war.
Nach Reinigung eines Bohrers (Durchmesser 6 mm) aus SKH 51
Hochgeschwindigkeitsstahl (Vickers Härte Hv = 850) mit Ul
traschallwellen in einem organischen Lösungsmittel wurde dieser
in einer Plasmaionennitriervorrichtung mit äußerer Erwärmung
angeordnet und Plasmanitrierung unterzogen. Die Innenseite der
Vakuumkammer 1 wurde auf 1 × 10-3 Torr durch die Vakuumpumpe 7
evakuiert, Wasserstoffgas wurde mit 1000 ml/min während
Fortführung der Evakuierung zugeführt, um den Druck bei 1 Torr
zu halten, und gleichzeitig wurden die Bohrer durch die
Erwärmungsvorrichtung 2 erwärmt, bis die Oberfläche gleichmäßig
auf 500°C erwärmt war. Dann wurde von der Gleichstromquelle
eine Gleichspannung von -400 V angelegt, so daß durch das
Wasserstoffgas ein Glimmentladungsplasma entstand, und die
Oberfläche der Bohrer 4 wurde für 30 min gereinigt. Dann wurde
Wasserstoffgas und Ammoniakgas mit 2000 ml/min bzw. 500 ml/min
in die Vakuumkammer 1 eingeführt, der Druck wurde bei 1,0 Torr
gehalten, Gleichstromplasma von Wasserstoffgas und dem Ammo
niakgas wurden unter Anlegen einer Spannung bei -500 V erzeugt
und die Plasmanitrierbehandlung wurde für 60 min fortgeführt.
Währenddessen wurde die Dichte des zu den Bohrern fließenden
Stroms bei weniger als 0,2 mA/cm² gehalten, und das Plasma
wurde so gesteuert, daß es auf der Bohreroberfläche gleichmäßig
erzeugt wurde. Die Dicke der Hartschicht der Bohrer nach der
Behandlung betrug 100 µm. Die Oberflächenrauhigkeit Ra betrug
0,20 µm und zeigte keine Änderung vor und nach der Behandlung.
Nach der Plasmanitrierbehandlung wurden die der Nitrierbehand
lung unterzogenen Bohrer in einer Kathodenbogenionenplattier
vorrichtung angeordnet, die ein TiAl-Target mit einer Alumi
niumkonzentration von 60 mol-% und ein Ti-Target aufwies, die
Innenseite des Reaktionsgefäßes wurde auf 10-5 Torr evakuiert,
dann wurde eine Vorspannung bei -1000 V an die Bohrer angelegt,
und durch die Ti-Kathode wurde eine Bogenentladung erzeugt. Der
Bogenentladestrom betrug in diesem Fall 90 A. Unter Beobachtung
der Oberflächentemperatur der Bohrer durch ein Infrarotemis
sionsthermometer wurde die Bogenentladung für 2 min fortgeführt
und es wurde Ti verdampft und ionisiert, um die Oberfläche der
Bohrer sputternd zu reinigen. Während der Bogenentladung wurde
ein Temperaturanstieg bis zur Maximaltemperatur von 450°C an
der Oberfläche der Bohrer beobachtet.
Anschließend wurde das Anlegen der Spannung an die Ti-Kathode
unterbrochen, wurde Stickstoffgas in das Reaktionsgefäß
eingeführt, wurde eine Vorspannung bei -400 V an die Bohrer
angelegt, während Stickstoffgas floß, um den Druck in dem Gefäß
bei 3 × 10-3 Torr zu halten, und wurde die Bogenentladung von
der Ti-Kathode erzeugt. Der Bogenentladestrom betrug in diesem
Fall 90 A. Als Resultat der fort laufenden Bogenentladung für 1
Stunde bildete sich auf der Ionennitridschicht (erste Schicht)
eine Hartschicht aus einem TiAlN-Belag (zweite Schicht). Die
Messung der Dicke des sich ergebenden Belags durch ein Kugel
kraterverfahren ergab 2,8 µm. Die Messung der Oberflächenhärte
mit einem Vickers Härtenmesser unter einer Last von 25 g ergab
Hv 2430.
Ein Kratztest ergab als kritischen Belastungswert (Lc-Wert) 45
N. Die Al-Konzentration in dem Belag betrug 55,2% als Ergebnis
einer Messung mit einem Elektronenstrahlmikroanalysator (EPMA).
Die Bohrer unter Verwendung von SCM 440 wurden einem Schneid
test unterzogen unter den Bedingungen einer Drehzahl von 1500
upm, einem Vorschub von 0,15 mm/Umdrehung und mit einer
Schneidtiefe von 20 mm. Hiermit ließen sich 460 Löcher
schneiden.
Nach Plasmanitrierung für 30 min mit den gleichen Prozessen wie
in Beispiel 3 und Sputterreinigung in der gleichen Weise wie in
Beispiel 3 wurde Stickstoffgas zuerst in das Reaktionsgefäß
eingeführt, wurde eine Vorspannung bei -400 V an die Bohrer
angelegt, während Stickstoffgas floß, so daß der Druck in dem
Gefäß bei 3 × 10-2 Torr gehalten wurde, und wurde Bogenentladung
von der Ti-Kathode erzeugt, um einen Ti-Belag zu bilden. Die
Bogenentladung wurde für 30 min fortgeführt. Dann wurde das
Anlegen der Spannung an die Ti-Kathode unterbrochen, und wurde
eine Vorspannung bei -500 V nacheinander an die Bohrer ange
legt, und wurde eine Bogenentladung an der TiAl-Kathode
erzeugt, um einen TiAlN-Belag zu bilden. Der Bogenentladestrom
betrug 90 A. Die Bogenentladung wurde für 30 min fortgeführt.
Die Dicke der gebildeten Nitridschicht (Diffusionsschicht)
betrug 50 µm. Die Gesamtdicke des sich ergebenden Belags betrug
3 µm und die Dicke jeder der Schichten betrug 1,5 µm. Die
Oberflächenhärte betrug Hv 2390 und der Lc-Wert betrug 54 N.
Die Al-Konzentration an der Oberfläche des Belags betrug 54,1%.
Als Resultat des gleichen Schneidtests wie in Beispiel 3
ließen sich 520 Löcher schneiden.
Plasmanitrierung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 3
durchgeführt, und Bogenentladung wurde von der Ti-Kathode in
der gleichen Weise wie in Beispiel 3 erzeugt, während die
Bohrer in einer Kathodenbogenionenplattiervorrichtung an
geordnet wurden, die ein Ti-Target und ein Al-Target aufwiesen.
Nach Sputterreinigung der Oberfläche der Bohrer wurde das
Anlegen der Spannung an die Ti-Kathode unterbrochen, wurde
Stickstoffgas in das Reaktionsgefäß eingeführt, wurde eine
Vorspannung von -500 V an die Bohrer angelegt, während Stick
stoffgas floß, um den Druck in dem Gefäß bei 3 × 10-2 Torr zu
halten, und wurde Bogenentladung mit dem Bogenentladestrom der
Ti-Kathode bei 60 A und Bogenentladestrom der Al-Kathode von 40
A erzeugt. Dann wurde der gesamte Bogenentladestrom für beide
Kathoden bei 100 A gehalten, und die Bogenentladung für 60 min
fortgeführt, während in der Ti-Kathode der Strom kontinuierlich
auf 40 A sank und in der Al-Kathode allmählich auf 60 A
kontinuierlich anstieg.
Die Gesamtdicke des sich ergebenden Belags betrug 3,5 µm. Die
Oberflächenhärte betrug Hv 2400 und der Lc-Wert betrug 49 N.
Die Al-Konzentration in dem Belag änderte sich von etwa 34%
auf 58% in Richtung von dem Bohrer zu der Oberfläche des
Belags und ergab eine Gradientstruktur, in der die Aluminium
konzentration zu der Oberfläche des Belags hin zunahm. Als
Ergebnis der identischen Schneidtests wie in Beispiel 3 ließen
sich 490 Löcher schneiden.
Plasmanitrierung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in
Beispiel 3 durchgeführt. Die Bohrer wurden in einer Kathodenbo
genionenplattiervorrichtung angeordnet, die ein TiAl-Target mit
einer Al-Konzentration von 70 mol-% und ein Ti-Target aufwies,
dann wurde die Bogenentladung von der Ti-Kathode erzeugt und
die Oberfläche der Bohrer in der gleichen Weise wie in Beispiel
3 sputtergereinigt. Dann wurde das Anlegen der Spannung an die
Ti-Kathode unterbrochen, wurde Stickstoffgas in das Reaktions
gefäß eingeführt, wurde eine Vorspannung bei -500 V an die
Bohrer angelegt, während Stickstoffgas floß, um den Druck in
dem Gefäß bei 3 × 10-2 Torr zu halten, und es wurde für 10 min
ein TiN-Belag gebildet. Dann wurde das Anlegen der Spannung an
die Ti-Kathode unterbrochen, und anschließend wurde eine
Vorspannung bei -500 V an die Bohrer angelegt, wurde von der
TiAl-Kathode eine Bogenentladung erzeugt, und es wurde für 10
min ein TiAlN-Belag gebildet. Anschließend wurde eine Vor
spannung bei -500 V an die Bohrer angelegt und wurde an der Ti-
Kathode eine Bogenentladung mit einem Bogenentladestrom von 60
A erzeugt, und einem Bogenentladestrom von 40 A an der TiAl-
Kathode. Dann wurde der gesamte Bogenentladestrom für beide
Kathoden bei 100 A gehalten, wobei der Entladestrom an der Ti-
Kathode allmählich auf 40 A sank und an der TiAl-Kathode
allmählich auf 60 A anstieg, um die Bogenentladung für 30 min
fortzuführen.
Die Gesamtdicke des sich ergebenden Belags betrug 3 µm und die
Dicke des auf der ersten Schicht gebildeten TiN-Belags betrug
etwa 0,5 µm. Die Oberflächenhärte Hv betrug 2360 und der Lc-
Wert betrug 52 N. Die AI-Konzentration in dem Belag betrug etwa
66% nahe dem an der zweiten Schicht gebildeten TiAlN-Belag und
änderte sich von etwa 25% zu 67% in dem nacheinander gebilde
ten TiAlN-Belag in Richtung des Bohrers als Substrat zur
Oberfläche des Belags, und der Belag hatte eine zusammen
gesetzte Gradientenlaminatstruktur einschließlich einer
intermittierenden Al-Konzentrationsänderung und einer kon
tinuierlichen Al-Konzentrationsänderung. Als Ergebnis des zu
Beispiel 3 identischen Schneidtests ließen sich 49 Löcher
schneiden.
In Beispiel 3 hergestellte Bohrer wurden einer Wärmebehandlung
in einer Luftatmosphäre bei 50°C für 2 Stunden unterzogen. Dann
wurde der gleiche Schneidtest wie in Beispiel 3 durchgeführt,
und als Resultat ließen sich 420 Löcher schneiden.
Es wurde die gleiche Behandlung wie in Beispiel 3 durchgeführt,
jedoch ohne Durchführung der Plasmanitrierung. Die Dicke des
sich ergebenden Belags betrug 3 µm, die Oberflächenhärte Hv
betrug 2270 und der Lc-Wert betrug 23 N. Die Al-Konzentration
in dem Belag betrug 55,7%. Als Resultat des Schneidtests
ließen sich 18 Löcher schneiden.
Es wurde die gleiche Behandlung wie in Beispiel 4 durchgeführt,
jedoch ohne Durchführung der Plasmanitrierung. Die Dicke des
sich ergebenden Belags betrug 3,2 µm, die Oberflächenhärte Hv
betrug 2210 und der Lc-Wert betrug 32 N. Die Al-Konzentration
in dem Belag betrug 53,9%. Als Resultat des Schneidtests
ließen sich 27 Löcher schneiden.
Es wurde die gleiche Behandlung wie in Beispiel 5 durchgeführt,
jedoch ohne Durchführung der Plasmanitrierung. Die Dicke des
sich ergebenden Belags betrug 3,2 µm, die Oberflächenhärte Hv
betrug 2180 und der Lc-Wert betrug 25 N. Die Al-Konzentration
in dem Belag änderte sich von etwa 32% bis 58% in Richtung
von den Bohrern als Substrat zu der Oberfläche des Belags, und
der Belag hatte eine Gradientstruktur. Als Resultat des
Schneidtests ließen sich 23 Löcher schneiden.
Es wurde die gleiche Behandlung wie in Beispiel 6 durchgeführt,
jedoch ohne Durchführung der Plasmanitrierung. Die Dicke des
sich ergebenden Belags betrug 3,2 µm und die Dicke des auf der
ersten Schicht gebildeten TiN-Belags betrug 0,5 µm. Die Al-
Konzentration in dem Belag änderte sich von etwa 32% zu 58%
in der Richtung von den Bohrern als dem Substrat zu der
Oberfläche des Belags, und der Belag hatte eine Gradients
truktur. Als Resultat des Schneidtests ließen sich 28 Löcher
schneiden.
Ein Ti-Belag wurde mit den gleichen Prozessen wie in Beispiel
4 gebildet, jedoch unter Verwendung lediglich des Ti-Targets
ohne Plasmanitrierung. Als Resultat des Schneidtests ließen
sich 300 Löcher schneiden. Der Bohrer wurde der gleichen
Wärmebehandlung wie in Beispiel 7 unterzogen, und als Resultat
des gleichen Schneidtests wie in Beispiel 3 ließen sich 8
Löcher schneiden.
Es wurden die gleichen Prozesse wie in Beispiel 3 durchgeführt,
jedoch mit Änderung der Plasmanitrierzeit auf 48 Stunden. Die
Dicke der sich ergebenden Nitridschicht (Diffusionsschicht)
betrug 700 µm, die Dicke des TiAlN-Belags der zweiten Schicht
betrug 2,9 µm, die Oberflächenhärte Hv betrug 2430 und der Lc-
Wert betrug 17 N. Die Bohrer zeigten nach der Belagbildung
Abplatzer und waren nicht mehr verwendbar.
Es wurde die gleiche Behandlung wie in Beispiel 3 durchgeführt,
außer daß eine Nitrierung durch das herkömmliche Plasmanitrier
verfahren unter Verwendung von Gleichstromplasma von N₂ und H₂
angewendet wurde. Es wurde ein Spannung bei -400 V von einer
Gleichstromquelle an die Bohrer als Substrat angelegt, während
H₂-Gas mit 1000 ml/min floß und N₂-Gas mit 1000 ml/min als
Ausgangsmaterialgas, unter Verwendung einer Plasmanitriervor
richtung mit einem wassergekühlten Reaktorkörper und einem
Druck von 3 Torr. Die Bohrer wurden einer Nitrierung für 60 min
bei Aufwärmen auf 500°C durch die erzeugten Gleichstromglimm
entladungsplasmen unterzogen. Dann wurde der TiAlN-Belag in der
gleichen Weise wie in Beispiel 3 gebildet.
Die Dicke der somit gebildeten Nitridschicht (Diffusions
schicht) betrug 100 µm. Ferner betrug die Gesamtdicke des sich
ergebenden Belags 3 µm. Die Oberflächenhärte Hv betrug 2450 und
der Lc-Wert betrug 28 N. Die Al-Konzentration an der Oberfläche
des Belags betrug 55,4%. Als Resultat des Schneidtest ließen
sich 28 Löcher schneiden.
Wie oben beschrieben, lassen sich mit der Erfindung folgende
vorteilhafte Wirkungen erzielen.
- (1) Die Verformung des Hartbelags ist geringer und die Beschä digung des Hartbelags läßt sich im Vergleich mit dem Fall direkter Bildung eines Hartbelags auf Metallteilen reduzieren, indem man eine Plasmanitrierung als Vorbehandlung anwendet.
- (2) Weil die erfindungsgemäße Plasmanitrierbehandlung eine Hartschicht (Diffusionsschicht) ohne Erhöhung der Oberflächen rauhigkeit der Metallteile bilden kann, hat der nach der Plasmanitrierung gebildete Hartbelag eine starke Adhäsion und Dauerhaftigkeit.
- (3) Weil das PVD-Verfahren bei einer relativ geringen Tempera tur von unter 650°C einen Belag bilden kann, geht die zuvor gebildete Nitridschicht durch die thermische Diffusion von Stickstoff nicht verloren.
- (4) Weil Metallteile mit komplizierten Formen, wie etwa Bohrern, oder solche mit einer fein gerillten Struktur an der Oberfläche der Plasmanitrierung gleichförmig unterzogen werden können, kann ein Hartbelag mit ausgezeichneter Adhäsion und Dauerhaftigkeit auf den gesamten Metallteilen gebildet werden.
- (5) Weil die erfindungsgemäßen doppelt oberflächenbehandelten Stahlverbundprodukte mit Oxidationsbeständigkeit und Abriebfe stigkeit einen Verbundbelag aufweisen, der eine erste Schicht einer auf der Oberfläche der Metallteile gebildeten Nitrid schicht und eine zweite Schicht eines darauf gebildeten TiAlN- Belags aufweist, tritt an der Oberfläche der Teile kaum elastische Verformung oder plastische Verformung auf, so daß die Beschädigung des TiAlN-Belags aufgrund schlechter Zähigkeit durch die Unfähigkeit des Belags, der elastischen Verformung und der plastischen Verformung zu folgen, unterdrückt werden kann. Als Resultat kann die Beschädigung des TiAlN-Belags reduziert werden, so daß man eine ausgezeichnete Oxidations beständigkeit und sehr gute mechanische Eigenschaften erhält.
- (6) Bei einem Laminatgradientbelag, in dem sich die Al-Konzen tration in dem TiAlN-Belag als der zweiten Schicht intermit tierend in einem Bereich von 20 bis 70 mol-% auf Basis der Metallbestandteile des TiAlN-Belags der zweiten Schicht ändert, oder bei einem Gradientbelag, in dem sich die Al-Konzentration kontinuierlich ändert, oder bei einem Laminatgradientbelag, in dem sich die Al-Konzentration sowohl intermittierend als auch kontinuierlich ändert, wird die Zähigkeit verbessert und können die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit im Vergleich mit einem einschichtigen TiAlN-Belag verbessert werden.
- (7) Wenn ferner eine Zwischenschicht ausgezeichneter Zähigkeit zwischen der Nitridschicht (Diffusionsschicht) der ersten Schicht und der TiAlN-Schicht angeordnet wird, können die Zähigkeit des Gesamtbelags und die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit weiter verbessert werden.
Claims (12)
1. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand, umfassend
eine erste Schicht aus einer nitrierten Schicht, die durch
Einwirken von Glimmentladung bei einer Stromdichte von
0,001 bis 2,0 mA/cm² auf der Oberfläche des Metallteils
unter Verwendung gasförmigen Ammoniaks und gasförmigen
Wasserstoffs gebildet ist, während die Temperatur des
Metallteils bei 300 bis 650°C gehalten wird, um es
hierdurch einer Plasmanitrierung zu unterziehen, und
eine zweite Schicht, die einen Hartbelag, umfassend
Nitrid, Carbid oder/und Carbonitrid aus einem oder
mehreren der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr,
aufweist und auf der ersten Schicht als Laminatbelag oder
Gradientlaminatbelag dieses Hartbelags durch ein PVD-
Verfahren aufgebracht ist.
2. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand mit Oxida
tionsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit, umfassend:
eine erste Schicht aus einer nitrierten Schicht, die durch Einwirken von Glimmentladung bei einer Stromdichte von 0,001 bis 2,0 mA/cm² auf der Oberfläche des Metallteils unter Verwendung gasförmigen Ammoniaks und gasförmigen Wasserstoffs gebildet ist, während die Temperatur des Metallteils bei 300 bis 650°C gehalten wird, um es hierdurch einer Plasmanitrierung zu unterziehen, und
eine zweite Schicht, umfassend einen TiAlN-Belag, wobei die Menge von Al in dem TiAlN-Belag zwischen 20 und 70 mol-% auf Basis der durch ein PVD-Verfahren gebildeten Metallbestandteile beträgt.
eine erste Schicht aus einer nitrierten Schicht, die durch Einwirken von Glimmentladung bei einer Stromdichte von 0,001 bis 2,0 mA/cm² auf der Oberfläche des Metallteils unter Verwendung gasförmigen Ammoniaks und gasförmigen Wasserstoffs gebildet ist, während die Temperatur des Metallteils bei 300 bis 650°C gehalten wird, um es hierdurch einer Plasmanitrierung zu unterziehen, und
eine zweite Schicht, umfassend einen TiAlN-Belag, wobei die Menge von Al in dem TiAlN-Belag zwischen 20 und 70 mol-% auf Basis der durch ein PVD-Verfahren gebildeten Metallbestandteile beträgt.
3. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand mit Oxida
tionsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit nach Anspruch
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der TiAlN-Belag der zweiten Schicht ein Laminatbelag, in dem sich die Al-Konzentration im Belag intermittierend ändert, ein Gradientbelag, in dem sich die Al-Konzen tration kontinuierlich ändert, oder ein Laminatgradientbe lag, in dem die intermittierende Änderung und die kon tinuierliche Änderung zusammen vorliegen, ist.
daß der TiAlN-Belag der zweiten Schicht ein Laminatbelag, in dem sich die Al-Konzentration im Belag intermittierend ändert, ein Gradientbelag, in dem sich die Al-Konzen tration kontinuierlich ändert, oder ein Laminatgradientbe lag, in dem die intermittierende Änderung und die kon tinuierliche Änderung zusammen vorliegen, ist.
4. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand mit Oxida
tionsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit nach Anspruch
3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Zwischenschicht, die wenigstens eine Verbindung
ausgewählt aus Nitriden, Carbiden oder/und Carbonitriden
eines Metalls ausgewählt aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr
umfaßt, zwischen dem TiAlN-Belag und dem Metallteil in
einer Menge von weniger als 90% der gesamten Belagdicke
durch das PVD-Verfahren aufgebracht ist.
5. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand nach Anspruch
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht eine Dicke von 5 bis 500 µm auf
weist.
6. Doppelt beschichteter Stahlverbundgegenstand nach Anspruch
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schicht eine Dicke von 1 bis 10 µm auf
weist.
7. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands, umfassend: einen Schritt der
Bildung einer nitrierten Schicht durch Einwirken von
Glimmentladung mit einer Stromdichte von 0,001 bis 2,0
mA/cm² auf die Oberfläche des Metallteils unter Verwendung
von Ammoniakgas und Wasserstoffgas, während die Temperatur
des Metallteils bei 30 bis 650°C gehalten wird, um es
hierdurch einer Plasmanitrierung zu unterziehen; und
einen Schritt der Bildung auf der nitrierten Schicht
wenigstens eines Belags, ausgewählt aus Hartbelägen,
Laminathartbelägen und Laminatgradienthartbelägen) ausge
wählt aus Nitriden, Carbiden und Carbonitriden von
Metallen-ausgewählt aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr,
durch ein PVD-Verfahren.
8. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Volumenverhältnis von Ammoniakgas (NH₃) : Wasser
stoffgas (H₂) zwischen 1 : 100 und 1 : 0 liegt.
9. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der gebildeten nitrierten Schicht 5 bis 100
µm beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das PVD-Verfahren ein Ionenplattierverfahren oder ein
Sputterverfahren ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zur Bildung des Hartbelags verwendete Reaktionsgas
aus N₂, NH₃ und Kohlenwasserstoffen oder Stickstoff
enthaltenden organischen Verbindungen ausgewählt ist und
der Druck 10-3 bis 10¹ Torr beträgt.
12. Verfahren zur Herstellung eines doppelt beschichteten
Stahlverbundgegenstands nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke des gebildeten Hartbelags 1 bis 10 µm
beträgt.
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