DE29617507U1

DE29617507U1 - Verbundkörper

Info

Publication number: DE29617507U1
Application number: DE29617507U
Authority: DE
Original assignee: Widia GmbH
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2006-10-10

Description

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Beschreibung Verbundkörper

Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper, der aus einem mit mindestens einer Lage beschichteten Substratkörper nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 besteht.

Die ersten, nach dem Stand der Technik bekanntgewordenen Beschichtungen bestanden aus Titancarbid mit einer Dicke bis zu 8 /im, womit eine verbesserte Verschleißschutzwirkung gegen den Freiflächenverschleiß erzielt werden konnte. Weiterhin gehören Doppel- oder Mehrfachbeschichtungen aus Titancarbid und Titannitrid, insbesondere mit Titannitrid als Außenlage zum Stand der Technik, womit eine verminderte Kolkung bei zum Zerspanen eingesetzten Schneideinsätzen erreicht werden konnte. Zur weiteren Verbesserung solcher Schneideinsätze sind auch Mehrlagenbeschichtungen mit der Schichtfolge TiC, Ti(C,N)-TiN vorgeschlagen worden. Nachdem man erkannt hatte, daß die naturbedingte Sprödigkeit von Keramiken, wie AI2O3 minimiert werden kann, wenn AI2O3 in dünnlagiger Form aufgetragen wird, sind auch aus TiC, Ti(C,N) und einer Außenlage aus AI2O3 bestehende Mehrfachbeschichtungen verwendet worden. Obwohl in der Patentliteratur wie beispielsweise im Rahmen der ein spezielles Beschichtungsverfahren betreffenden EP 0 229 282 Bl generell von Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und/oder Tantal gesprochen wird, beschränkten sich die jeweils beschriebenen Ausführungsbeispiele auf Titanverbindungen als Beschichtungsmaterial, zum Teil in Kombination mit Aluminiumoxid. Entsprechendes gilt hinsichtlich der ZrO2 in Verbindung oder als Ersatz für oxidhaltige Beschichtungen. Erst in der DE 36 20 901-Al oder der inhaltlich gleichlautenden EP 0 250 865 Al ist ein Schneidwerkzeug beschrieben, dessen Schneide mit Titancarbid, Titancarbonitrid und/oder Titannitrid beschichtet ist und dessen äußere Deckschicht aus einer dünnen Zirkonnitridschicht

bestehen soll. Das Zirkonnitrid, das schlechtere Verschleißeigenschaften als die vorgenannten Titan-Verbindungen hat, soll eine Oxidation der unter dieser Schicht liegenden Basisbeschichtungen durch den Luftsauerstoff verhindern, womit die guten Verschleißeigenschaften der Titancarbid-, Titancarbonitrid- und/oder Titannitridschichten voll erhalten bleiben. In der Praxis ist von Zirkoniumverbindungen als Beschichtungsmate-_Nrial ansonsten kein Gebrauch gemacht worden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aus einem mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung versehenen Substratkörper bestehenden Verbundkörper zu schaffen, dessen Verschleißeigenschaften beim Zerspanen oder unter sonstiger abrasiver Belastung im Hinblick auf eine verlängerte Standzeit verbessert sind.

Diese Aufgabe wird durch den Verbundkörper nach Anspruch 1 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die einzige oder die äußere Schicht aus Zirkoncarbonitrid besteht und eine Dicke von mindestens 2 &mgr;&pgr;&igr; bis maximal 6 &mgr;&igr;&agr; besitzt. Vorzugsweise Ausgestaltungen dieses Verbundkörpers sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So kann die Beschichtung mehrlagig ausgeführt sein, wobei unterhalb der äußeren Schicht aus ZrCN eine Schicht aus AI2O3 und/oder ZrO₂ angeordnet ist. Diese Oxidschicht hat eine Dicke von mindestens 2 &mgr;&igr;&agr;, vorzugsweise 3 &mgr;&igr;&agr;, die bei Schneideinsätzen an der Schneidecke vorliegen soll. Die Gesamtdicke der beiden äußeren Schichten aus Aluminium- und/oder Zirkoniumoxid einerseits und Zirkoncarbonitrid andererseits soll mindestens 5 /im, vorzugsweise maximal 10 &mgr;&igr;&agr; betragen. Besonders gute Verschleißeigenschaften ließen sich mit einer mehrlagigen Beschichtung erreichen, bei der unterhalb der äußeren Zirkoncarbonitridschicht sowie ggf. der genannten Aluminium- und/oder Zirkondioxidschicht eine oder mehrere Lagen aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe

des Periodensystemes angeordnet sind. Die Schichtfolge unterhalb der ZrCN-Schicht bzw. der ZrCN- und/oder Al2O₃-Schicht kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, vorzugsweise werden jedoch Carbide, Nitride und/oder Carbonitride des Titans, Zirkoniums und/oder Hafniums verwendet, insbesondere in Form einer auf dem Substratkörper von innen nach außen aufgebrachten Schichtfolge aus TiN, TiCN, AI2O3 und ZrCN. Bevorzugt werden folgende Schichtdicken: TiN: 0,5 bis 2 /im; TiCN: 9 bis 13 /im; AI2O3: 2 bis 4,5 /im und ZrCN: 2 bis 4 /im.

Der Substratkörper besteht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus Hartmetall, einem Cermet oder einem Keramikwerkstoff. Das Substratkörper-Hartmetall kann beispielsweise aus einem mit 5,5 bis 8,5 Massen-% Cobalt, vorzugsweise 5,5 bis 6,5 Massen-% Cobalt als Binder gefertigten Wolframcarbidsinterkörper bestehen. Alternativ kann der Substratkörper 1 bis 3 Massen-% TiC, 2 bis 5 Massen-% TaC, 1 bis 3 Massen-% NbC, 5,5 bis 8,5 Massen-% Cobalt, Rest WC aufweisen.

Zur Herstellung der genannten Beschichtungen bzw. Schichtfolgen wird vorzugsweise auf die nach dem Stand der Technik bekannten CVD- und/oder PCVD-Verfahren zurückgegriffen, bevorzugt sind die Carbonitrid-Schichten nach einem CVD-Verfahren unter Verwendung von Acetonitril als C-N-Donator aufgetragen worden.

Wie bereits erwähnt, wird der Verbundkörper vorzugsweise als Schneideinsatz zum Zerspanen oder als abrasiv belastetes Verschleißteil ausgebildet. In einem konkreten Ausführungsbeispiel besteht der Substratkörper aus einem 6 Massen-% Cobalt als Binder enthaltenden Wolframcarbid, auf den von innen nach außen folgende Schichten in der angegebenen Dicke aufgetragen worden sind: 1 /im TiN, 10 /im TiCN, 4 /im AI2O3 und 3 /im ZrCN als Außenlage. Dieser als Schneideinsatz zum Zerspanen (Fräsen, Bohren oder Drehen) ausgebildete Verbundkörper wies Standzeiten auf, die je nach Zerspanungsbedingungen 1,2 bis 4mal länger waren

gegenüber mehrlagig beschichteten Verbundkörpern, die nach dem Stand der Technik bekannt sind und entweder TiN, AI2O3 oder ZrN als äußere Schicht aufwiesen.

Fig. 1 zeigt einen Schneideinsatz 10, dessen Schneidecke 11 im Schnitt entlang der Linie A - B in Fig. 1 schematisch abgebildet ist.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist auf den Substratkörper 12, der aus einem WC-Hartmetall mit 6 % Co als Binder besteht, eine erste, 1 /im dicke Lage 13 aus TiN, eine zweite, 10 &mgr;&igr; dicke Lage 14 aus TiCN, eine weitere 4 ßm dicke Lage 15 aus AI2O3 und eine äußere, 3 ßm dicke Deckschicht 16 aus ZrCN aufgetragen.

Wie aus den nachfolgenden Zerspanungsergebnissen ersichtlich, haben (unabhängig vom Wendeschneidplattentyp) die erfindungsgemäß beschichteten Wendeschneidplatten gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Wendeschneidplatten deutlich längere Standzeiten.

1. Beispiel

Werkstück: Kugellagerring 152 0 &khgr; 36 Werkstückstoff: Stahl 10OCr6
Schnittgeschwindigkeit: 280 m/min
Vorschub: 0,8 mm/Umdrehung

Schnittiefe: 1,0 mm

Wendeschneidplatte gemäß Erfindung

nach dem Stand der Technik

Plattenform SNMG120416 SNMG120416 Beschichtung Ti (C,N)-Al₂O₃-TiN TiN-Ti(C,N)-Al₂O₃-Zr(C,N) Schichtdicke gesamt (/im) 15 15

Werkstücke/Schneidecke 125 150

2. Beispiel

Werkstück: Achszapfen 40 0 &khgr; 100
Werkstückstoff: Stahl C55
Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min
Vorschub: 0,7 mm/Umdrehung

Schnittiefe: 2,5 mm - 3,0 mm

Wendeschneidplatte gemäß Erfindung

nach dem Stand der Technik

Plattenform WNMG050414 WNMG050414 Beschichtung TiC-Al₂O₃ TiN-Ti(C₇N)-Al₂O₃-Zr(C,N) Schichtdicke gesamt (/im) 15 15

Werkstücke/Schneidecke 195 235

3. Beispiel

Werkstück: Freilaufring
Werkstückstoff: Stahl Ck45
Schnittgeschwindigkeit: 220 m/min
Vorschub: 0,25 mm/Umdrehung

Schnittiefe: 2 mm

Wendeschneidplatte gemäß Erfindung

nach dem Stand der Technik

Plattenform WNMG050408 WNMG050408 Beschichtung TiC-Al₂O₃ TiN-Ti(C,N)-Al₂O₃-Zr(C,N) Schichtdicke gesamt (/im) 15 14

Werkstücke/Schneidecke 50 143

4. Beispiel

Werkstück: Antriebswelle 50 0 &khgr; 310
Werkstückstoff: Stahl 16MnCr5
Schnittgeschwindigkeit: 260 m/min
Vorschub: 0,4 mm/Umdrehung

Schnittiefe: 2 mm - 3 mm

Wendeschneidplatte gemäß Erfindung

nach dem Stand der Technik

Plattenform DNMG150612 DNMG150612

Beschichtung TiC-Al₂O₃-TiN TiN-Ti(C,N)-Al₂O₃-Zr(C,N) Schichtdicke gesamt (&mgr;&pgr;&igr;) 14 14

Werkstücke/Schneidecke 130 170

Claims

Schutzansprüche

1. Verbundkörper, bestehend aus einem Substratkörper (12), mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung (13 bis 16) aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden des Ti, Zr, Hf, V, Nb und/oder Ta und/oder aus AI2O3 oder ZrC>2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige oder äußere Schicht (16) aus ZrCN besteht und eine Dicke von mindestens 2 /im bis maximal 6 /im besitzt.

2. Verbundkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mehrlagig ist und unterhalb der äußeren Schicht (16) aus ZrCN eine Schicht (15) AI2O3 und/oder ZrC>2 angeordnet ist.

3. Verbundkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die &Agr;1₂&thgr;3_ und/oder ZrC^-Schicht (15) eine Dicke von mindestens 2 /im, vorzugsweise 3 &mgr;&pgr;&igr; oder mehr aufweist.

4. Verbundkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der beiden äußeren Schichten (15, 16) aus AI2O3 und/oder ZrC>2 einerseits und ZrCN andererseits, mindestens 5 ßm und vorzugsweise maximal 10 /im beträgt.

5. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der ZrCN-Schicht (16) eine oder mehrere Schichten (13 bis 15) aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystemes angeordnet sind, vorzugsweise Carbide, Nitride und/oder Carbonitride des Titans, Zirkoniums und/oder Hafniums.

6. Verbundkörper nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf dem Substratkörper (12) von innen nach außen aufgebrachte Schichtfolge (13 bis 16) aus TiN, TiCN, Al₂O₃ und ZrCN.

7. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schichtdicken: TiN: 0,5 bis 2 /im; TiCN: 9 bis 13 /im; Al₂O₃: 2 bis 4,5 /im und ZrCN: 2 bis 4 /rni.

8. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper (12) aus Hartmetall, einem Cermet oder einer Keramik besteht.

9. Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall aus WC mit 5,5 bis 8,5 Massen-% Co, vorzugsweise 5,5 bis 6,5 Massen-% Co als Binder oder aus 1 bis 3 Massen-% TiC, 2 bis 5 Massen-% TaC, 1 bis 3 Massen-% NbC, 5,5 bis 8,5 Massen-% Co, Rest WC besteht.

10. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrlagige Beschichtung mittels CVD und/oder PCVD aufgetragen worden ist, vorzugsweise die carbonitridhaltigen Schichten nach einem CVD-Verfahren unter Verwendung von Acetonitril als C-N-Donator.

11. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Schneideinsatz zum Zerspanen oder als abrasiv belastetes Verschleißteil ausgebildet ist.