DE19615534C1 - Beschichteter Verschleißkörper - Google Patents

Beschichteter Verschleißkörper

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Verschleiß­ schutzes von Werkzeugen und Verschleißteilen und betrifft einen beschichteten Verschleißkörper aus Stahl, Hartmetall, Cermet oder Keramik. Besonders zweckmäßig ist die Anwendung der Erfindung bei Schneidwerkzeugen für die spanende Formgebung, wie beispielsweise bei Wendeschneidplatten und bei Wendel- und Gewindebohrern. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Verschleißschutz von Umformwerkzeugen.
Es ist bekannt, Werkzeuge und andere verschleißbeanspruchte Teile durch dünne einlagige, mehrlagige oder Kompositschichten auf der Basis von Hartstoffen, wie TiNx, TiCx, TiCxNy, Al₂O₃ und anderen gegen Verschleiß zu schützen. Die Schichten werden nach dem Stand der Technik durch thermochemische Gasphasen­ abscheidung (CVD), plasmaaktivierte Gasphasenabscheidung (PACVD), und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) auf­ gebracht.
Nach US 4 714 660 ist es bekannt, mittels CVD die Hartstoffe TiAlOC, TiAlON oder TiAlOCN zusammen mit anderen Hartstoff­ phasen, bevorzugt jedoch mit Al₂O₃, durch Ko-Abscheidung auf Hartmetallen aufzubringen. Für das TiAlOC wird als Al-reichste Zusammensetzung Ti0,85Al0,15O0,5C0,5 angegeben. Eine ähnliche Zusammensetzung wird auch für das TiAlOCN angenommen, wobei C teilweise durch N ersetzt ist. Der Nachteil dieser Beschichtung ist, daß aufgrund des hohen Sauerstoffanteils der Schichten und der hohen Abscheidungstemperaturen von etwa 1000 °C Substrat­ schädigungen auftreten, zu deren Vermeidung aus anderen Hart­ stoffen bestehende Zwischenschichten aufgebracht werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, daß temperaturempfindliche Substrate nicht beschichtet werden können.
Nach JP 5-337705 ist das Aufbringen von (Ti,Al)N, (Ti,Al)C oder (Ti,Al)CN auf Wendeschneidplatten mittels PACVD bekannt. Diese metastabilen Schichten, die durch thermisches CVD nicht hergestellt werden können, sind auf Grund der besseren Oxidationsbeständigkeit und der geringeren Reibungs­ koeffizienten den konventionellen Hartstoffen des Typs TiCxNy im Verschleißschutz prinzipiell überlegen. Besonders vorteilhaft sind (Ti,Al)N-Schichten, da in diesen hohe Al- Gehalte erreicht werden können, die für eine gute Verschleißbeständigkeit wesentlich sind. Ein Nachteil der (Ti,Al)N-Schichten besteht jedoch darin, daß trotz konstanter Schichtzusammensetzung (konstantes Ti/Al-Verhältnis, konstanter N-Gehalt), häufig starke Schwankungen in der Mikrohärte auftreten, die sich im Bereich zwischen HV20 = 1500 und HV20 = 3500 bewegen. Diese Schwankungen haben eine mangelhafte Reproduzierbarkeit der Verschleißeigenschaften zu Folge. Die Ursache dieses Effekts liegt im unkontrollierten Einbau von Sauerstoff in die Schichten, der nur mit hohem, ökonomisch nicht vertretbarem, technologischen Aufwand ausreichend gesenkt werden kann.
Bekannt ist es auch, (Ti,Al)N-Schichten mit physikalischen Abscheidungsverfahren, wie beispielsweise DC- oder RF- Magnetronsputtern, zu erzeugen (JP 5-285215). Auch bei diesen Schichten treten Eigenschaftsschwankungen auf. Nachteilig ist außerdem bei dieser Beschichtung, daß auf Grund der Richtungs­ abhängigkeit des Wachstumsprozesses komplizierte Substrat­ bewegungen erforderlich sind und die Schichtdicke häufig mangelnde Konstanz aufweist.
Es ist auch eine Oberflächenbeschichtung speziell für Werkzeuge der Umform- sind Zerspanungstechnik bekannt, die aus einer Metall enthaltenden Phase, insbesondere einer TiAl-Nx enthaltenden Phase besteht, wobei die Beschichtung durch mehrere übereinander angeordnete Einzelschichten mit unterschiedlichen Ti:Al- und Ti:N-Verhältnissen in den angrenzenden Schichten aufgebaut ist (DE 41 15 616). Ein Nachteil dieser Oberflächenbeschichtung besteht in deren ungenügender Härte, insbesondere bei Anwendungen unter abrasiven Bedingungen. Nachteilig ist auch der relativ hohe Metallgehalt mit einem Metall:Nichtmetall-Verhältnis von ≈ 2 : 1, das zu einem starken Einbau von Sauerstoffverunreinigungen führt, die große Schwankungen in den Produkteigenschaften verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mittels PACVD beschichteten Verschleißkörper so zu modifizieren, daß dieser reproduzierbar einen hohen Verschleißwiderstand aufweist, an der Substratoberfläche keine Schädigungen zeigt und ohne zusätzliche Substratbewegungen herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst.
Nach der Erfindung ist ein Verschleißkörper aus Stahl, Hart­ metall, Cermet oder Keramik mit einer einphasigen, kristallinen (Ti,Al)N-Schicht dadurch gekennzeichnet, daß in der Schicht mindestens 3 At.-% C und mindestens 3 At.-% O enthalten sind, wobei die Summe aus C + O maximal 10 At.-% beträgt, die Schicht mindestens 40 At.-% N enthält und das Ti/Al-Atomprozent­ verhältnis zwischen 0,5 und 2,0 liegt.
Gemäß zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung weist die Schicht bei einem O-Gehalt im Bereich zwischen 3,0 bis 5,0 At.-% einen C-Gehalt zwischen 7,0 und 5,0 At.-% auf und sind der C- Gehalt und der O-Gehalt in der Schicht annähernd gleich groß.
Vorteilhaft ist es, wenn das Ti/Al-Atomprozentverhältnis bei annähernd 1,0 liegt.
Die Schicht kann zwischen 0,5 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 2 bis 4 µm dick sein.
Zweckmäßigerweise ist die Schicht auf einer nitrierten, carbo­ nitrierten oder borierten Werkzeugoberfläche aufgebracht.
Erfindungsgemäß kann die Schicht auch in Kombination mit weiteren einphasigen oder mehrphasigen Hartstoffschichten auf­ gebracht sein, die ein oder mehrere Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder Al und eines oder mehrere der Elemente N, C, O, B, Si enthalten.
Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen gleichzeitigen Einbau von Sauerstoff und Kohlenstoff in die Schicht zeigt sich in überraschender, vorteilhafter Weise, daß in dem genannten Konzentrationsbereich die Schichthärte konstant bleibt und daß eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit der Verschleiß­ eigenschaften gegeben ist. Der erfindungsgemäße Verschleiß­ körper zeichnet sich bei jedem fixierten Ti/Al-Verhältnis durch eine hohe Reproduzierbarkeit der Verschleißeigenschaften aus. Vorteilhaft ist außerdem, daß die Verschleißfestigkeit höher ist, als bei unmodifizierten (Ti,Al)N-Schichten mit gleichem Ti/Al-Verhältnis. Von Vorteil ist weiterhin, daß die für den O- und C-Einbau beim PACVD-Prozeß benötigten Konzentrationen an gasförmigen O- und C-Verbindungen von einer Größe sind, die verfahrenstechnisch gut beherrscht werden kann und daß der schwankende O-Verunreinigungspegel in den Abscheidungsanlagen gegenüber den zugegebenen O-Mengen vernachlässigbar ist. Überraschend ist darüber hinaus, daß mit dem Sauerstoffeinbau auch der Al-Einbau in die Schicht gefördert wird. Damit können die Schichten bei geringeren Plasmaleistungsdichten ab­ geschieden werden, wodurch Überhitzungen der Verschleißkörper Infolge geometrisch bedingter Feldstärke-Inhomogenitäten vermieden werden können.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert.
Kommerzielle Hartmetall-Wendeschneidplatten für den P10-Bereich werden in einem PACVD-Heißwandreaktor auf der Kathode angeordnet und in bekannter Weise für 30 min mit einer Gleichstromglimmentladung in einem Gasgemisch, bestehend aus 38 Vol.-% H₂, 12 Vol.-% N₂ und 50 Vol.-% Ar, bei einem Druck von 60 Pa vorbehandelt. Die Plasmaleistungsdichte auf den Wendeschneidplatten beträgt 0,8 W/cm². Danach wird ein Gasgemisch eingeführt, das aus 0,11 Vol.-% TiCl₄, 0,3 Vol.­ % AlCl₃, 6 Vol.-% N₂, 0,6 Vol.-% CO, 0,3 Vol.-% CH₄, 30 Vol.­ % Ar und Rest H₂ besteht. Mit der Einführung dieses Gasgemisches werden der Gesamtdruck im Reaktor auf 170 Pa und die Plasmaleistung auf 2 W/cm² erhöht. Die Temperatur der Wendeschneidplatten wird auf 500°C eingestellt. Nach 90 min wird das Reaktionsgas abgeschaltet. Abschließend werden die Wendeschneidplatten noch während einer Dauer von 10 min einer Nachbehandlung unterworfen, bei der die gleichen Verfahrensbedingungen wie bei der eingangs beschriebenen Vorbehandlung angewandt werden.
Die abgeschiedene Schicht weist eine Schichtdicke von 4 µm auf und ist wie folgt zusammengesetzt:
30,5 At.-% Al
18,2 At.-% Ti
41,0 At.-% N
4,0 At.-% C
5,1 At.-% O
1,2 At.-% Cl.
Bei der Zerspanung von Stahl C60N bei einer Schnitt­ geschwindigkeit von 200 m/min, einer Schnittiefe von 1,5 mm und einem Vorschub von 0,3 mm werden gegenüber unbeschichteten Wendeschneidplatten Standzeiterhöhungen von 400 -%. erreicht. Schichten, die ohne CO- und CH₄-Zusatz zur Gasphase hergestellt wurden, zeigten Standzeiterhöhungen von 200 bis 300%.

Claims (8)

1. Beschichteter Verschleißkörper aus Stahl, Hartmetall, Cermet oder Keramik mit einer einphasigen, kristallinen (Ti,Al)N-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schicht mindestens 3 At.-% C und mindestens 3 At.-% O enthalten sind, wobei die Summe aus C + O maximal 10 At.-% beträgt, die Schicht mindestens 40 At.-% N enthält und das Ti/Al- Atomprozentverhältnis zwischen 0,5 und 2,0 liegt.
2. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bei einem O-Gehalt im Bereich zwischen 3,0 bis 5,0 At.-% einen C-Gehalt zwischen 7,0 und 5,0 At.-% aufweist.
3. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Gehalt und der O-Gehalt in der Schicht annähernd gleich groß sind.
4. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ti/Al-Atomprozentverhältnis annähernd 1,0 ist.
5. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 µm liegt.
6. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke 2 bis 4 µm beträgt.
7. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einer nitrierten, carbonitrierten oder borierten Werkzeugoberfläche aufgebracht ist.
8. Beschichteter Verschleißkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht in Kombination mit weiteren einphasigen oder mehrphasigen Hartstoffschichten aufgebracht ist die ein oder mehrere Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder Al und eines oder mehrere der Elemente N₁ C, O, B, Si enthalten.
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