DE2917348C2 - Verschleißfester Verbundkörper - Google Patents

Verschleißfester Verbundkörper

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DE2917348C2 DE19792917348 DE2917348A DE2917348C2 DE 2917348 C2 DE2917348 C2 DE 2917348C2 DE 19792917348 DE19792917348 DE 19792917348 DE 2917348 A DE2917348 A DE 2917348A DE 2917348 C2 DE2917348 C2 DE 2917348C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten Verbundkörper zur Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe, der aus einem Grundkörper sowie mehreren, unterschiedlich zusammengesetzten, bindemetallfreien Hartstoffschichten mit einer jeweiligen Dicke von 1 bis 50 μιτι besteht. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Stahl, Keramik oder Hartmetall gebildet werden, wobei das Hartmetall wiederum aus mindestens einem als Hartstoff verwendbaren Metallcarbid und mindestens einem der Bindemetalle Kobalt, Eisen oder Nickel zusammengesetzt ist. Alle Hartstoffschichten bilden den Hartstoffüberzug des Verbundkörpers, und jede Haitstoffsehicht besteht aus einem oder mehreren Hartstoffen. Als Hartstoffe werden Carbide, Nitride, Boride, Silicide und Oxide verwendet, die eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen und chemisch sehr beständig sind. Üblicherweise haben die bekannten Hartstoffschichten eine Dicke von 1 bis 50 μιη.
Aus der bekanntgemachten österreichischen Patentanmeldung A 6317/72 ist bereits ein als Verschleißteil zu verwendender Verbundkörper aus Hartmetall bekannt, der mindestens an den auf Verschleiß beanspruchten Stellen einen Überzug aus Hartstoffen aufweist, weleher aus mehreren, verschieden zusammengesetzten Schichten aus Verbindungen von Elementen der III. bis VI. Gruppe des Periodensystems mit Kohlenstoff und/ oder Stickstoff und/oder Bor und/oder Silicium besteht, wobei die einzelnen Schichten eine Dicke von 0.2 bis
ίο 30 μπι haben und auf einer Strecke von 0,1 bis 10 μπι ineinander übergehen. Ferner ist in der DE-AS 22 53 745 ein Verbundkörper beschrieben, der aur einem Kern sowie zwei übereinander aufgebrachten, bindemetallfreien Hartstoffschichten zusammengesetzt ist, wobei die äußere Schicht aus einer oder mehreren extrem verschleißfesten Ablagerungen aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid besteht und eine Dicke von 0,2 bis 20 μιτι hat, während die dem Kern benachbarte, innere Schicht von einem oder mehreren Carbiden und/ oder Nitriden der Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Silicium und/oder Bor gebildet wird, und eine Dicke von 1 bis 10 μιτι aufweist. Auch aus der DE-OS 25 25 185 sind verschleißfeste Formteile bekannt, die aus einem Hartmetallgrundkörper und aus zwei übereinanderliegenden Teilschichten bestehen, von denen die äußere, extrem verschleißfeste Teilschicht aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und die innere Teilschicht aus einem oder mehreren Bonden, insbesondere Diboriden der Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram zusammengesetzt ist. Bei diesen bekannten Formteilen haben die innere und die äußere Teilschicht jeweils eine Dicke von 0,5 bis 20 μιτι. Die EP-OS 65 34 beschreibt einen verschleißfesten Verbundkörper, dessen Hartstoffüberzug eine Dicke von 1 bis 20 μιτι hat und aus mindestens 10 Schichten bestehen kann. Schließlich sind aus der GBPS 15 09 752 Stahl- oder Hartmetallwerkzeuge bekannt, die mit mehreren, unterschiedlich zusammengesetzten Hartstoffschichten versehen sind, wobei die Dicke der Beschichtung zwischen 1 und 50 μιη und die Dicke der einzelnen Schichten zwischen 0,5 und 20 μιτι liegt.
Die bekannten Verbundkörper haben den Nachteil, daß die Hartstoffüberzüge bei Verschleißbeanspruchung noch keine ausreichende Haftfestigkeit aufweisen. Insbesondere in den Oxidschichten bilden sich leicht Risse, die zum Abplatzen der Überzüge führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundkörper zu schaffen, dessen bindemetallfreie Hartstoffschichten bei hoher Verschleißfestigkeit eine verbesserte Haftfestigkeit sowohl zum Grundkörper als auch zu den vorhandenen Nachbarschichten besitzen, denn die guten Verschleißeigenschaften der Hartstoffschichten können nur dann voll zur Wirkung kommen, wenn die Hartstoffschichten auch genügend fest mit dem Grundkörper bzw. miteinander verbunden sind. Außerdem soll der Hartstoffüberzug eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen und somit höheren Zähigkeitsbeanspruchungen standhalten können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine der Hartstoffschichten eine Dicke von 3 bis 15μπι aufweist und aus sehr vielen dünnen Einzelschichten mit einer Dicke von jeweils 0,02 bis 0,1 μπι aufgebaut ist, wobei sich die Hartstoffzusammensetzung jeder Einzelschicht von der Hartstoffzusammensetzung der beiden benachbarten Einzelschichten unterscheidet. In überraschender Weise wurde gefunden, daß sich ein nach der Erfindung gestalteter Ver-
bundkörper neben einer hohen Verschleißfestigkeil · durch eine deutlich verbesserte Haftfestigkeit des gesamten Hartstoffüberzugs auszeichnet, obwohl doch der Hartstoffüberzug sowohl aus dickeren Hartstoffschichten als auch aus sehr vielen dünnen Hartstoffeinzelschichten aufgebaut sein kann. Insbesondere konnte nicht erwartet werden, daß bei Verschleißbeanspruchung des Verbundkörpers in der aus vielen dünnen Einzelschichten bestehenden Hartstoffschicht energieverzehrende Vorgänge ablaufen, welche die Rißbildung in den Hartstoffschichten sehr stark eindämmen und ein vorzeitiges Abplatzen des Hartstoffüberzugs verhindern. Der erfindungsgemäße Verbundkörper besitzt ferner eine hohe Bruchzähigkeit und kann daher höheren Zähigkeitsbeanspruchungen standhalten.
Der nach der Erfindung gestaltete Verbundkörper hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die sehr vielen dünnen Einzelschichten abwechselnd aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid einerseits und Aluminiumoxid oder Zirkonoxid andererseits sowie aus Titancarbid und Zirkoncarbonitrid bestehen. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Verbundkörper einen metallischen Grundkörper enthält, wobei sich ein Grundkörper aus Stahl oder Hartmetall besonders bewährt hat Nach der Erfindung wird der Verbundkörper dadurch weitergebildet, daß auf dem Grundkörper aus Hartmetall eine Titancarbidschicht angeordnet ist, auf der sich eine Hartstoffschicht befindet, deren sehr viele dünne Einzelschichten abwechselnd aus Titannitrid und Aluminiumoxid bestehen, oder daß auf dem Grundkörper aus Hartmetall eine Hartstoffschicht angeordnet ist, deren sehr viele dünne Einzelschichten abwechselnd aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid einerseits und Aluminiumoxid oder Zirkonoxid andererseits bestehen and auf der sich eine Hartstoffschicht aus Aluminiumoxid befindet, wobei die äußere Hartstoft'schicht aus Aluminiumoxid einen Stickstoffgehalt von 0,5 bis 4 At.om-% aufweisen kann. Wegen seines guten Verschleißverhaltens wird der erfindungsgemäße Verbundkörper als Verschleißteil sowie zur Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer-Werkstoffe verwendet.
Der Verbundkörper kann nach dem bekannten Beschichtungsverfahren hergestellt werden, wobei sich das CVD-Verfahren besonders bewährt hat. Die sehr vielen dünnen Einzelschichten können durch elektronenmikroskopische Verfahren identifiziert werden.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Ein Grundkörper aus Hartmetall, der die Form einer Wendeschneidplatte hat, wird in einem Ofen bei einer Temperatur von 10000C und einem Druck von 50 mbar während 100 Minuten mit einer 3 μΐη dicken Hartstoffschicht aus Titancarbid versehen, wobei das Titancarbid durch eine Gasphasenreaktion aus Titantetrachlorid, Methan und Wasserstoff gebildet wird. Anschließend wird im selben Ofen auf der Titancarbidschicht bei einer Temperatur von 10000C und einem Druck von 50 mbar während 250 Minuten eine 3 μίτι dicke Hartstoffschicht abgeschieden, die alternierend aus 19 Titannitrid- und 19 Aluminiumoxidschichten besteht. Die 38 Einzelschichten werden durch Gasphasenreaktionen erzeugt, wobei für den Aufbau der Titannitrid-Einzelschichten ein Gas mit der Zusammensetzung 22,2 Vol.-% Stickstoff, 1,2 Vol.-°/o Titantetrachlorid und 76,6 Vol.-% Wasserstoff verwendet wird, während für den Aufbau der Aluminiumoxideinzelschichten ein Gas mit der Zusammensetzung 4,0 Vol.-% Kohlendioxid, 16,6 Vol.-% Koh-
30
35
lenmonoxid, 23 Vol.-°/o Aluminiumchlorid und 77,1 Vol.-% Wasserstoff zur Anwendung kommt. Der so hergestellte Verbundkörper wird als Wendeschneidplatte zur Bearbeitung metallischer Werkstoffe verwendet und hat gegenüber bekannten beschichteten Wendeschneidplatten ein erheblich verbessertes Verschleißverhalten sowie eine verbesserte Zähigkeit, was durch die nachfolgend beschriebenen Schneidversuche bestätigt wird.
1. Glatter Schniit
Kolk Verschleiß
tiefe marken
breite
ΚΤμπι VB mm
Bearbeiteter Werkstoff:
Form der Wendeschneidplatte nach ISO 1832:
Schnittgeschwindigkeit:
Spantiefe χ Vorschub:
Schnittzeit:
20 Wendeschneidplatte aus Hartmetall und einer 6 μιτι dicken
TiC-Schicht
Wendeschneidplatte aus Hartmetall und einer inneren 5 μιτι
dicken TiC-Schicht sowie
einer äußeren 1 μιη dicken
Al2O3-Schicht
Erfindungsgemäße Wendeschneidplatte aus Hartmetall
und einer inneren 3 μηι dicken
TiC-Schicht sowie einer
äußeren 3 μιη dicken Hartstoffschicht, die aus 19TiN-und
19 Al2O3-Einzelschichten
besteht
Stahl C 60
SNUN 120408
ν = 200 m/min
a χ s= 1,5 χ 0,28ITIiTvVU
T= 10 min
46
30
10
0,20
0,18
0,13
2. Unterbrochener Schniit
Es wurden 4 Stäbe aus Stahl C 45 KN mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 60 mm, die in einer Vorrichtung auf einen Lochkreisdurchmesser von 190 mm achsparallel eingespannt waren, von innen nach außen plangedreht.
Schnittgeschwindigkeit:
Schnittiefe:
Vorschub:
250 m/min a = 2 mm s = 0,22 mm/U
Anzahl der Anschnitte
Wendeschneidplatte aus Hartmetall und 19 200 einer 6 μιη dicken TiC-Schicht
Wendeschneidplatte aus Hartmetall und 17 920 einer inneren 5 μηι dicken TiC-Schicht sowie einer äußeren 1 μιη dicken
Al2O3-Schicht
Erfindungsgemäße Wendeschneidplatte 32 000 aus Hartmetall und einer inneren
3 μιη dicken TiC-Schicht sowie einer äußeren 3 μιη dicken Hartstoffschicht, die aus 19TiN-und 19 Al2O3-Einzelschichten besteht.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verschleißfester Verbundkörper zur Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe, der aus einem Grundkörper sowie mehreren, unterschiedlich zusammengesetzten, bindemetallfreien Hartstoffschichten mit einer jeweiligen Dicke von 1 bis 50 μπι besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Hartstoffschichten eine Dicke von 3 bis 15 μίτι aufweist und aus sehr vielen dünnen Einzelschichten mit einer Dicke von jeweils 0,02 bis 0,1 μπι aufgebaut ist, wobei sich die Hartstoffzusammensetzung jeder Einzelschicht von der Hartstoffzusammensetzung der beiden benachbarten Einzelschichten unterscheidet.
2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten abwechselnd aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid einerseits und Aluminiumoxid oder Zirkonoxid andererseits bestehen.
3. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten abwechselnd aus Titancarbid und Zirkoncarbonitrid bestehen.
4. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen metallischen Grundkörper enthält.
5. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Grundkörper aus Hartmetall eine Hartstoffschicht aus Titancarbid angeordnet ist, auf der sich eine Hartstoffschicht befindet, deren sehr viele dünne Einzelschichten abwechselnd aus Titannitrid und Aluminiumoxid bestehen.
6. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Grundkörper aus Hartmetall eine Hartstoffschicht angeordnet ist, deren sehr viele dünne Einzelschichten abwechselnd aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid einerseits und Aluminiumoxid oder Zirkonoxid andererseits bestehen und auf der sich eine Hartstoffschicht aus Aluminiumoxid befindet.
7. Verbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hartstoffschicht aus Aluminiumoxid einen Stickstoffgehalt von 0,5 bis 4 Atom-% aufweist.
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