DE1959690C3 - Process for the production of a coating layer on tools for cutting and non-cutting shaping - Google Patents

Process for the production of a coating layer on tools for cutting and non-cutting shaping

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Überzugsschicht auf Werkzeugen für die spanende und spanlose Formgebung als Schutz gegen Kolkung bzw. Verschleiß durch Abscheiden eines Nitrides oder Karbonitrides der Metalle der Gruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente aus einer Gasphasenreaktion.The invention relates to a method for producing a coating layer on tools for the cutting and non-cutting shaping as protection against scouring or wear by depositing a Nitrides or carbonitrides of the metals of group IVa to VIa of the periodic table of elements a gas phase reaction.

Bei der Zerspanung lang- und kurzspanender Werkstoffe mit Hilfe von Hartmetallwerkzeugen tritt stets eine mehr oder minder starke Kolkung der Spanflache auf, die die Lebensdauer der Werkzeuge stark herabsetzt. Um dies zu vermeiden, ist es schon bekannt, auf Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetall-Schneidpiatten Überzugsschichten aus Titankarbid-Kobalt-Hartmetall aufzusintern. Dadurch soll einerseits die Zähigkeit des Grundwerkstoffs beibehalten und andererseits die hohe Kolkfestigkeit von titankarbidhaltigen Hartmetallen ausgenützt werden. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und Sintergruppen dieser Überzugsschicht und des Grundwerkstoffs haben zu Rissen geführt, weswegen sich diese bekannten Verbundhartmetalle nicht bewährt haben.When machining long and short chipping materials with the help of hard metal tools always a more or less strong scouring of the rake face, which increases the service life of the tools greatly diminishes. To avoid this, it is already known to use tungsten carbide-cobalt-hard metal cutting plates Sinter coating layers made of titanium carbide-cobalt-hard metal. As a result, on the one hand, the Maintaining the toughness of the base material and, on the other hand, the high crater strength of those containing titanium carbide Hard metals are exploited. The different expansion coefficients and sinter groups this coating layer and the base material have led to cracks, which is why they are known Composite carbides have not proven their worth.

Des weiteren ist bekannt, Hartmetall-Werkzeuge oberflächlich zu nitrieren, um dadurch eine gewisse Steigerung der Verschleißfestigkeit derartiger Werkzeuge etwa gleichermaßen sowohl gegen Kolkung als auch gegen Stumpfung (Freiflächenverschleiß) zu erreichen. Darüber hinaus sind Werkzeige aus Stahl und Bronzen bekannt, die mit einer Oberzugsschicht eines harten Nitrides, Borides und/oder Suizides des Titans versehen sind. Derartige Werkzeuge finden wegen der im Vergleich zum Hartmetall weichen Substratmaterialien nur dort Anwendung, wo geringere Verschleißfestigkeits-Anforderungen gestellt sind undIt is also known to nitride hard metal tools on the surface in order to achieve a certain Increase in the wear resistance of such tools approximately equally against both scouring and can also be achieved against dulling (open surface wear). In addition, tools are made of steel and bronzes known with a coating of a hard nitride, boride and / or suicide des Titans are provided. Such tools are found because of the soft compared to the hard metal Substrate materials are only used where there are lower wear resistance requirements and

ίο wo überwiegend der Schneidwerkstoff gegen Verkleben mit dem zu bearbeitenden Werkstoff geschützt werden soll. Derartige Werkzeuge sind für heute übliche Maschinenbearbeitung, beispielsweise für das Drehen mit Schnittgeschwindigkeiten über 120 m/min, ungeeig-ίο where mainly the cutting material against sticking is to be protected with the material to be processed. Such tools are common today Machine processing, for example for turning with cutting speeds over 120 m / min, unsuitable

In neuester Zeit sind Hartmetall-Schneidplatten bekanntgeworden, die eine harte Titankorbid-Deckschicht von weniger als ΙΟμπι aufweisen, die aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Dadurch konnte eine gewisse Verbesserung im Hinblick auf Kolkverschleiß erreicht werden.Recently, hard metal cutting inserts have become known that have a hard titanium corbid top layer of less than ΙΟμπι that from the Gas phase is precipitated. This enabled a certain improvement in terms of crater wear can be achieved.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer Überzugsschicht, die einen noch besseren Widerstand gegen Kolkung und Verschleiß besitzt als die bisher bekannten.It is an object of the present invention to provide a coating layer that still does has better resistance to scouring and wear than the previously known.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Nitrid- oder Karbonitridüberzugsschicht auf Werkzeuge aus Hartmetall aufgebracht. Unerwarteterweise hat sich gezeigt, daß derartige Hartstoffschichten auf Hartmetall aufgetragen ein besseres Kolkverhalten aufweisen als die bekannten TiC-Überzugsschichten auf Hartmetall-Teilen.According to the invention, the nitride or carbonitride coating layer on tools is used to achieve this object made of hard metal. Unexpectedly, it has been shown that such hard material layers on Hard metal applied have a better crater behavior than the known TiC coating layers Carbide parts.

Aus dem Stand der Technik ist vielmehr nicht entnehmbar, daß Überzüge aus Metallnitriden oderRather, it cannot be inferred from the prior art that coatings made of metal nitrides or

J5 -karbonitriden auf Werkzeugen aus Hartmetall einen besonders günstigen Einfluß auf das Kolkverhalten haben. Bisher hat man vielmehr allgemein die Ansicht vertreten, daß Überzugsschichten aus Metallkarbiden im Hinblick auf Verschleiß und Kolkung die besten Eigenschaften hätten. Dies trifft jedoch, wie festgestellt wurde, nicht zu.J5 carbonitrides on tools made of hard metal have a particularly favorable influence on the crater behavior to have. Rather, it has been generally believed that coating layers made of metal carbides have the best properties in terms of wear and scour. However, this is true as stated was not to.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Überzugsschicht aus Titannitrid oder Titankarbonitrid bestehen. Bei einer Überzugsschicht aus Titankarbonitrid sollten vorzugsweise 10 bis 20% Titankarbid im Karbonitrid-Mischkristall vorhanden sein. Die Stärke der zu erzeugenden Überzugsschicht auf den Hartmetall-Teilen kann 1 bis 50 μπι betragen.According to an advantageous embodiment of the invention, the coating layer made of titanium nitride or Consist of titanium carbonitride. In the case of a coating layer made of titanium carbonitride, 10 to 20% Titanium carbide may be present in the carbonitride mixed crystal. The thickness of the coating layer to be created on the hard metal parts can be 1 to 50 μπι.

Nach einem bevorzugten Verfahren zur HerstellungAccording to a preferred method of manufacture

so der erfindungsgemäßen Überzugsschicht kann die Abscheidung des Nitrids oder Karbonitrids auf den Oberflächen der Hartmetall-Teile durch thermische Zersetzung eines Halogenides der Metalle der Gruppen IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente bei gleichzeitiger Einwirkung eines vorgereinigten Gasgemisches aus Stickstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls gasförmigen Kohlenwasserstoffen, zum Beispiel Methan, in einem Ofen erfolgen, in dem die zu beschichtenden Hartmetall-Teile auf 800 bis 115O0C erhitzt sind.So the coating layer according to the invention, the deposition of the nitride or carbonitride on the surfaces of the hard metal parts by thermal decomposition of a halide of the metals of groups IVa to VIa of the periodic system of the elements with the simultaneous action of a pre-cleaned gas mixture of nitrogen, hydrogen and possibly gaseous hydrocarbons, for example methane, take place in a furnace in which the hard metal parts to be coated are heated to 800 to 115O 0 C.

Das Verfahren ist für das Abscheiden von Titannitrid aus der Gasphase (Stickstoff-Wasserstoff-Mischung, beladen mit Titantetrachloriddämpfen) auf Gegenständen aus Metall oder einer Metallegierung aus der deutschen Patentschrift 9 70 456 an sich bekannt. Neu ist demgegenüber aber das Abscheiden eines Metallnitrids oder -karbonitrids aus der Gasphase auf die Oberflächen von Hartmetall-Teilen.The process is for the separation of titanium nitride from the gas phase (nitrogen-hydrogen mixture, loaded with titanium tetrachloride vapors) on objects made of metal or a metal alloy from the German patent specification 9 70 456 known per se. What is new, however, is the deposition of a metal nitride or carbonitrides from the gas phase onto the surfaces of hard metal parts.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren zur Herstellung einer Überzugsschicht aus Metallnitrid oder -karbonitrid auf Hartmetall-Teilen kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derart ausgeführt werden, daß die Hartmetall-Teile während der Beschichtung im Ofen in ein Pulvergemisch aus Metallnitrid oder -karbonitrid eingebettet sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die zu bildende Oberzugsschicht gleichmäßig auf allen Oberflächen der Teile erzeugt werden kann. Außerdem ergibt sich dadurch die Möglichkeit, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Hartmetall-Teile zu Beginn der Beschichtung in dem Einbettpulvergemisch zu bewegen, zum Beispiel zu drehen. Dadurch erreicht man die Wirkung eines scheuernden Abriebes der Sinterhaut auf den Hartmetall-Teilen, die bei einer Beschichtung hindernd sein könnie.The method provided according to the invention for producing a coating layer made of metal nitride or carbonitride on hard metal parts can, according to a preferred embodiment, be designed in this way That the hard metal parts are in a powder mixture of metal nitride during the coating in the furnace or carbonitride are embedded. This ensures that the top coat to be formed can be generated evenly on all surfaces of the parts. In addition, this results in the Possibility, according to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the hard metal parts to move in the embedding powder mixture at the beginning of the coating, for example to turn. This achieves the effect of abrasive abrasion of the sintered skin on the hard metal parts, which can never be a hindrance to a coating.

Im folgenden sind zwei Beispiele zur Herstellung eines Titannitrid- and eines Titankarbonitrid-Oberzugs auf Hartmetaii-Teiien angegeben.The following are two examples of the manufacture of a titanium nitride and a titanium carbonitride coating indicated on hard metal parts.

Beispiel 1example 1

Ein Gasstrom aus scharf getrocknetem Wasserstoff und Stickstoff wird mit Titantetrachloriddampf durch Oberleiten der Gase durch ein mit flüssigem Titantetrachlorid beschicktes Gefäß (Waschflasche) beladen und das vorgereinigte Gasgemisch vereinigt über die Hartmetallplatten in einen Ofen geführt, in dem die Hartmetallplatten auf 800 bis 1150° C erhitzt sind. Die Gasmengen reagk-en auf der Oberfläche der glühenden Hartmetallplatten unter Bildup" einer goldgelben Titannitrid-Schicht. Es hat sich hierbei überraschenderweise gezeigt, daß die Haftung crer TUannitrid-Schicht besonders gut ist, wenn die Sinterhaut vorher allseitig abgeschliffen oder abgescheuert wird und wenn die Nitridierungsdauer etwa 30 bis 60 Minuten beträgt. Dies führt zu einer Schichtstärke von 10 bis 50 μπι.A gas stream of sharply dried hydrogen and nitrogen is passed through with titanium tetrachloride vapor Passing the gases through a vessel (washing bottle) filled with liquid titanium tetrachloride and the pre-cleaned gas mixture combined via the hard metal plates into an oven in which the Tungsten carbide plates are heated to 800 to 1150 ° C. the Amounts of gas react on the surface of the glowing hard metal plates with a golden yellow image Titanium nitride layer. Surprisingly, it has been shown here that the adhesion of the TUannitride layer it is particularly good if the sintered skin is on all sides beforehand being abraded or abraded and when the nitriding time is about 30 to 60 minutes. this leads to a layer thickness of 10 to 50 μm.

Beispiel 2Example 2

Zur Herstellung einer Titankarbonitrid-Überzugsschicht wurde trockenes Methan in aliquoter Menge dem Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Titantetrachlorid zugeführt. Angestrebt wird eine Deckschicht, die 10 bis 20% Titankarbid im Karbonitrid-Mischkristall enthält. Mit steigendem Titankarbid-Gehalt ändert sich die Farbe der Schicht von Goldgelb nach Rotgelb, eine Farbe, die etwa bei einerAn aliquot of dry methane was used to produce a titanium carbonitride coating fed to the gas mixture of hydrogen, nitrogen and titanium tetrachloride. The aim is one Top layer containing 10 to 20% titanium carbide in the carbonitride mixed crystal contains. As the titanium carbide content increases, the color of the layer changes from golden yellow to red-yellow, a color similar to that of a

Zusammensetzung 4 ΤΊΝ/1 TiC erreicht wird.Composition 4 ΤΊΝ / 1 TiC is achieved.

Die in der erfindungsgemäßen Weise mit goldgelben Titannitrid- oder rotgoldenen Titankarbonitrid-Überzugsschichten versehenen Hartmetallplatten erpaben eine vielfache Standzeit, verglichen mit unbeschichtetenThe coating layers with gold-yellow titanium nitride or red-gold titanium carbonitride coating layers in the manner according to the invention provided hard metal plates have a long service life compared to uncoated ones

ίο Platten, und eine noch um 50 bis 100% höhere Lebensdauer und Kolkfestigkeit als in bekannter Weise mit Titankarbid beschichtete Hartmetallplatten. Technologisch ergibt sich bei der Erfindung auch der Vorteil, daß bei um 100 bis 300°C niedrigeren Beschichtungsteniperaturen gearbeitet werden kann als beim Aufbringen von Metallkarbid-Oberzugsschichten, so daß die Hartmetallplatten keine unerwünschte Strukturänderung und allzu starken Entkohlungen der Oberfläche (Bildung einer tj-Phasenzwischenschicht) erleiden.ίο plates, and another 50 to 100% higher Lifetime and crater resistance as hard metal plates coated with titanium carbide in a known manner. Technological The invention also has the advantage that at 100 to 300 ° C. lower coating temperatures can be used than when applying metal carbide top layers, so that the Tungsten carbide plates do not have any undesirable structural changes and excessive decarburization of the surface (Formation of a tj phase intermediate layer).

Die Aufbringung von anderen Nitriden der Obergangsrr.etaiie der IVa- bis Via-Metaile und ferner von Cr2N ist apparativ etwas schwieriger, weil Chloride der genannten Metalle ausnahmslos bei Raumtemperatur fest sind und sie daher vor dem Durchleiten von Stickstoff geschmolzen und überhitzt werden müssen, um dampfförmig mitgeführt zu werden. Es ist jedoch auch möglich, gewisse Mengen der festen Chloride in dem flüssigen Titantetrachlorid zu lösen und so Gasgemische beim Durchleiten von Stickstoff oderThe application of other nitrides of the Obergangsrr.etaiie the IVa to Via metals and also from Cr2N is somewhat more difficult in terms of apparatus, because chlorides of the Metals mentioned are invariably solid at room temperature and they are therefore prior to passing through Nitrogen must be melted and superheated in order to be entrained in vapor form. However, it is also possible to dissolve certain amounts of the solid chlorides in the liquid titanium tetrachloride and so on Gas mixtures when passing nitrogen or

jo Wasserstoff zu erzielen, die Nitrid-Mischkristall alsjo hydrogen to achieve the nitride mixed crystal as

Deckschichten bilden. Bei gleichzeitiger AnwesenheitForm top layers. With simultaneous presence

von Methan bilden sich Mehrstoff-Karbonitridschich-of methane form multi-component carbonitride layers

ten.th.

Als öfen für die Durchführung des Nitridierens habenAs furnaces for carrying out nitriding

J5 sich horizontale, stationäre, keramische Röhrenofen oder auch keramische Drehrohröfen bewährt Bei letzteren ist es besonders wichtig, das Gut in der obenerwähnten Weise in ein Pulvergemisch einzubetten, das eine Schonung der Pfouenkfeiten und -ecken neben einer leicht scheuernden Wirkung (Abschleifen der Sinterhaut) gewährleistet Als weitere Ofenart haben sich auch Ofentypen bewährt, wie sie beim Chromieren von Stahl verwendet werden und die im wesentlichen aus einer Retorte bestehen.J5 horizontal, stationary, ceramic tube furnace or ceramic rotary kilns proven. In the case of the latter, it is particularly important to keep the goods in the to be embedded in a powder mixture as mentioned above, that a protection of the Pfouenkfeiten and corners In addition to a slightly abrasive effect (grinding off the sintered skin), Als is another type of furnace Furnace types such as those used for chrome plating of steel and those in the essentially consist of a retort.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung einer Oberzugsschicht auf Werkzeugen für die spanende und spanlose Formgebung als Schutz gegen Kolkung bzw. Verschleiß durch Abscheiden eines Nitrides oder Karbonitrides der Metalle der Gruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente aus einer Gasphasenreaktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberzugsschicht auf Werkzeugen aus Hartmetall aufgebracht wird.1. Process for the production of a top coat on tools for cutting and non-cutting shaping as protection against scouring or wear by depositing a nitride or carbonitrides of the metals of group IVa to VIa of the periodic table of the elements a gas phase reaction, characterized in that that the top coat is applied to tools made of hard metal. 2. Verfahren zur Herstellung einer Oberzugsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung des Nitrids oder Karbonitrids auf der Oberfläche der Hartmetall-Teile in an sich bekannter Weise durch thermische Zersetzung eines Halogenides der Metalle der Gruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente bei gleichzeitiger Einwirkung eines vorgereinigten Gasgemisches aus Stickstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls gasförmigem Kohlenwasserstoff, zum Beispiel Methan, in einem Ofen erfolgt, in dem die zu beschichtenden Hartmetall-Teile auf 800 bis Il50°C erhitzt sind.2. Process for the production of an overlay layer according to claim 1, characterized in that the nitride or carbonitride is deposited on the surface of the hard metal parts in a known manner by thermal decomposition of a Halides of the metals of group IVa to VIa of the periodic table of the elements with simultaneous Action of a pre-cleaned gas mixture of nitrogen, hydrogen and possibly gaseous hydrocarbon, for example methane, is carried out in a furnace in which the to coated hard metal parts to 800 to Il50 ° C are heated. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu überziehenden Oberflächen der Hartmetall-Teile vor der Beschichtung durch Schleifen, Bürsten oder Scheuern von der Sinterhaut befreit werden.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the to be coated Surfaces of the hard metal parts before the coating by grinding, brushing or scrubbing of the Sinter skin are freed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetall-Teile während der Beschichtung im Ofen in ein Pulvergemisch aus Metallnitrid oder -karbonitrid eingebettet sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the hard metal parts embedded in a powder mixture of metal nitride or carbonitride during coating in the furnace are. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetall-Teile zu Beginn der Beschichtung in dem Einbettpulvergemisch bewegt, zum Beispiel gedreht werden.5. The method according to claim 4, characterized in that the hard metal parts at the beginning of the Coating in the embedding powder mixture can be moved, for example rotated.
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