DE3144192C2

DE3144192C2 - Verfahren zum Bedampfen einer Oberfläche mit Hartstoffen und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3144192C2
Application number: DE3144192A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Doi; Mitsunori Itami Hyogo Kobayashi; Yoshihiki Maeda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1983-12-29
Also published as: US4507189A; JPS5779169A; GB2086943A; GB2086943B; FR2493348A1; FR2493348B1; DE3144192A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum physikalischen Bedampfen, bei dem harte Verbindungen homogen und fest auf die Oberfläche von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen und Ornamenten, wie einem Uhrgehäuse u.dgl., aufgetragen werden, um die Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit sowie das Aussehen u.dgl. der Werkzeuge, Teile bzw. Ornamente zu verbessern. Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum physikalischen Beschichten bereitgestellt, wobei eine feste Lösung, die eine oder zwei Verbindungen besitzt, die aus einer Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, die aus Carbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen besteht, die den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems der Elemente angehören, und/oder Aluminiumoxid und Zirkonoxid auf der Oberfläche dieser Werkzeuge, Teile oder Ornamente in Form einer einzigen Schicht oder mehrerer Schichten aufgetragen werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche der Werkzeuge u.dgl. einer Sputter-Reinigung in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas unterworfen wird, das einen Gehalt an dem ersteren von mindestens 20 Volumen% aufweist, um die Oberfläche des Werkzeugs u.dgl. gleichmäßig zu reinigen, wobei die Haftung der Auftragsschicht, die aus diesen Verbindungen besteht, an den Werkzeugen u.dgl. verbessert und gleichmäßiger wird, was zu einer weiteren Verbesserung der erwähnten vielfältigen Eigenschaften der Werkzeuge u.dgl. führt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren von Oberflächen von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen oder Ornamenten, bei dem eine feste Lösung, die aus einer oder zwei Verbindungen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt 1st bzw. sind, die aus den Carbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen der Gruppe IVa, Va und VIa des Perlodensystems und/oder Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid besteht. In Form einer einzigen oder mehrerer Schichten, aufgetragen wird.

Das Beschichten der Oberfläche von Werkzeugen, Teilen oder dergleichen Im Vakuum mit harten Verbindungen, um die Verschleißfestigkeit und den Korrosionswiderstand dieser Werkzeuge und dergleichen zu verbessern, wird Im großen Umfang angewendet. Diese harten Verbindungen umfassen Im allgemeinen Carbide, Nitride und Oxide von Metallen, die eine große Härte und chemische Stabilität aufweisen und den Gruppen IVa (Titan, Zirkonium, Hafnium) Va (Vanadin, Niob, Tantal), VIa (Chrom, Molybdän, Wolfram) und dergleichen angehören, oder Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid oder feste Lösungen dieser Verbindungen. Die Auftragsschicht kann In Form einer einzigen Schicht oder In Form mehrerer Schichten vorliegen. Dabei können verschiedene Auftragsarten zur Anwendung kommen, einschließlich dem chemischen Beschichtungsverfahren, dem physikalischen Bedampfungsverfahren sowie dem Aufstäubungsverfahren. In jüngerer Zelt wird auf zunehmend mehr Gebieten vor allem das physikalische Bedampfungsverfahren angewendet, well diese harten Verbindungen schon bei niedrigen Temperaturen von Raumtemperatur bis 500° C, fest aufgetragen werden können, wodurch die Eigenschaften und die Präzision der Substrate, d. h. der Werkzeuge oder Teile, nicht beeinträchtigt wird.

Bei dem physikalischen Bedampfungsverfahren verschlechtert sich jedoch die Haftung der Auftragsschicht an dem Substrat beträchtlich, wenn andere Schichten, wie eine Oxidschicht, Hydroxidschicht und dergleichen auf der Oberfläche des Substrats vorliegt, da dvi Wärmediffusion zwischen dieser Auftragsschicht und dem Substrat aufgrund der geringen Beschichtungstemperaturen kaum fortschreitet. Normalerweise wird deshalb die Oberfläche dieser Substrate vor dem Beschichten mittel des physikalischen Bedampfungsverfahrens mit positiven Argonionen gereinigt, die durch Glimmentladung von einem Kathodensubstrat, an das eine hohe Spannung angelegt ist, gebildet werden, darauf sie mit dem Kathodensubstrat zusammenstoßen, um die anderer Schichten von der Oberfläche dieser Substrate durch Ionenbeschuß abzustäuben. Eine . Argonatmosphäre wird deshalb benutzt, weil Argon inert ist und deshalb mit diesen Substraten chemisch nicht reagiert, wobei die Abstäubeausbeute des Argons aufgrund seines hohen Molekulargewichts groß ist und weil es verhältnismäßig kostengünstig und leicht erhältlich ist. Aus ähnlichen Gründen kann auch Stickstoff verwendet werden.

Die Oberfläche dieser Substrate wird durch den Abstäubungsvorgang jedoch nur gereinigt, wenn Argon oder Stickstoff verwendet werden, wodurch die Oberfläehe konvexer Abschnitte, spitzer Endabschnitte sowie Eckabschnitte der Substrate, auf die die positiven Ionen des Gases mit größerer Energie auftreffen, leicht gereinigt werden, während die Oberfläche von konkaven Abschnitten und mittleren Abschnitten der Substrate, auf die die positiven Ionen des Gases mit geringerer Energie auftreffen, schwierig zu reinigen sind, ja es ist sogar zu befürchten, daß die Oberfläche der konkaven Abschnitte und der mittleren Abschnitte dieser Substrate durch eine Ansammlung von OxMen und dergleichen, die von den konvexen Abschnitten, spitzen Abschnitten und Endabschnitten dieser Substrate, die dem Abstäubungsvorgang leicht unterliegen, stammen, verunreinigt werden.

Aus diesem Grunde hat das bekannte Verfahren zum Abstäubungsrelnlgen niemals zu einer Auftragsschicht mit homogener Haftung geführt. Es ist daher für physikalisch bedampfte Gegenstände, die eine verhältnismäßig verwickelte Form aufweisen und eine homogene Haftung erfordern, wie Schneidwerkzeuge, verschleißfeste Teile, ■So Ornamente und dergleichen, unzureichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum physikalischen Bedampfen von Oberflächen von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen oder Ornamenten mit Carbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen der Gruppe IVa, Va und VIa des Periodensystems und/oder Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid zu schaffen, das zu einer homogenen Haftung der Auftragsschicht führt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Werkstückoberfläche vorher einer Zerstäübungsrelnlgung In einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas, dessen Wasserstoffgehalt mindestens 20 Vol.-% beträgt, unterworfen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. Im Anspruch 4 Ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 perspektivisch eine Beispiel von Spitzen, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden;

Fig. 3 perspektivisch einen Halter, der mit einer darauf angeordneten Spitze versehen ist;

Fig. 4 perspektiN isch den Zustand, bei dem eine Spitze auf einem Halter angeordnet ist;

Fig. 5 die Stellen A bis I, an denen die Spitze durch Eindrücken getestet worden ist.

Die vorliegende Erfindung ist durch die Verwendung von Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas, »atmosphärisches Gas« enthält, 1% Ar neben O₂ und N₂, gekennzeichnet, um das Problem des ungleichmäßigen Reinlgens der Oberfläche dieser Substrate zu lösen, das bei dem bekannten Vakuumbeschichlungsverfahren auftritt, bei denen die Oberfläche der Substrate lediglich durch den Abstäubungsvorgang gereinigt wird. Bisher sind Wasserstoff und wasserstoffhaltige Gasgemische aufgrund der geringen Abstäubungsausbeute des Wasserstoffs nicht verwendet worden.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine gleichmäßige Reinigung der Oberfläche dieser Substrate erreicht, weil durch die geringere Ausbeute verhindert wird, daß konkave Abschnitte oder mittlere Abschnitte der Substrate verunreinigt werden, wobei die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs durch eine Glimmentladung beschleunigt werden kann. Dadurch wird eine noch wirksamere Reinigung der Substrate erreicht, da die Substrate gleichzeitig erhitzt werden.

Der Vorgang ist zu schwach, wenn lediglich Wasserstoff verwendet wird. Deshalb kann ein Inertgas, wie Argon, Stickstoff und dergleichen, zu einem Wasserstoff gegeben werden. Der Wasserstoff wird mit einem Gehalt von 20 Vol.-% oder mehr eingesetzt, vorzugsweise mit einem Gehalt von 50 Vol.-% oder mehr, da die gleichmäßige Haftung der Auftragsschicht, die sich die Erfindung zum Ziel gesetzi hat, nicht erreicht wird, wenn der Wasserstoff mit einem Gehalt von weniger als 20 Vol.-% zum Einsatz kommt.

Als physikalisches Bedampfungsverfahren hat sich nach der Erfindung das Ionenbeschlchtungsverfahren, bei dem die aufzutragenden Substanzen ionisiert werden, als optimal erwiesen, da die besagten harten Verbindungen auf diese Substrate festhaftend aufgetragen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum physikalischen Bedampfen ist insbesondere bei solchen Substraten wie Zahnradfräsern und Profilfräsen! wirksam, die eine komplizierte Gestalt besitzen und aus Hochgeschwindlgkeitsstahl bestehen, beispielsweise Abwälzfräser, Stoßmesser und dergleichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum physikalischen Bedampfen 1st Insbesondere bei Slntercarbldwerkzeugen sowie Cermet-Werkzeugen vor allem mit einem Wegwerfeinsatz brauchbar. Diese Werkzeuge haben selbst eine verhältnismäßig einfache Gestalt, jedoch Ist es erforderlich, diese Substrate bei dem physikalischen BedampfungSYerfahren rotleren zu lassen, um eine homogene Haftung der Auftragsschicht auf den Substraten sicherzustellen. Es Ist deshalb erforderlich, den Halter auf diesen Substraten anzubringen, so daß einer Anordnung eine verwickelte Gestalt verliehen wird, die aus den Substraten und dem Halier als Ganzem besteht.

Bevorzugt werden die Metalle, die der IVa-Gruppe, der Va-GruDDe und der VIa-G uppe des Perlodensystems der Elemente angehören, alE Materialien zum Vakuumbedampfen dieser Substrate verwendet. Vor allem Titan, das einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Dampfdruck besitzt, kann leicht verdampft werden, - wobei seine Carbide, Nitride, Carbonnitride oder Verbindungen, die aus diesen Carbiden, Nitriden oder Carbonnitriden des Titans sowie Sauerstoff bestehen, eine große Härte, chemische Stabilität und Verschweißungswiderstand gegenüber Elsen- und Stahlmaterialien aufweisen.

i" Die vorstehend angegebenen Titanverbindungen sind deshalb im industriellen Maßstab die am besten geeigneten Beschichtungsmaterialien.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben.

Ziel der Erfindung ist es, der Auftragsschicht eine gleichmäßige und hohe Haftung zu verleihen, unabhängig von der Art der Autragsschicht. Titzncarbid wird deshalb als typisches Beispiel beschrieben.

Beispiel 1

Die !onenbeschichtutigsvorrichtung gcmUß Fig. 1 ist mit einer umlaufenden Welle 1 versehen, die einen Halter 3 aufweist, wobei an dem Halter 3 vier Spitzen 2 befestigt sind. Diese Spitzen bestehen aus Hochgeschwindigkeitsstahl SK.H4A (Japanische Industrienorm) und weisen eine Härte von H_ftC 64,5 auf. Eine Vakuumkammer 4 wird über eine Leitung 5 mittels einer Vakuumpumpe 6 evakuiert, bis ein Druck von 7 χ 10"³ Pa erreicht ist. Die

JO Welle 1 wird von einer Rotationseinrichfmg 7 angetrieben, wobei die Spitzen 2 mittels einer Heizung 7, die an die Stromversorgung 8 angeschlossen ist, auf etwa 400° C erhitzt wird, wobei das Gas, das zum Abstäubungsreinigen eingesetzt wird, In die Kammer 4 über eine Leitung zur Gaszufuhr bei Abstäubungsreinigen 10 zugeführt wird, bis der Druck 15 Pa beträgt. Das Gas, das als Atmosphäre zum Abstäubungsreinigen verwendet wird, umfaßt 100%lgen Wasserstoff (Bedingung I), 80% Wasserstoff und 20% Argon (Bedingung II), 50% Wasserstorf und 50% Argon (Bedingung III), 30% Wasserstoff und 70% Argon (Bedingung IV), 20% Wasserstoff und 80% Argo' (Bedingung V), 10% Wasserstoff und 90% Argon (Bedingung VI) und 100% Argon (Bedingung VII). Das Abstäubungsreinigen der Oberfläche dieser Spitzen wurde mittels Glimmentladung durchgeführt, die durch Anliegen einer Spannung von -1 Kv an diese Spitzen mittels einer Spannungsversorgungseinrichtung für die Substrate 11 zwanzig Minuten lang durchgeführt wurde. Das Gas, das beim Abstäubungsreinigen diente, wurde dann entfernt, bis ein Druck von 7 χ 10~³ Pa erreicht war. Dann wurde Titan 15, das In einem wassergekühlten Schmelztiegel 14 enthalten ist, geschmolzen und mittels Elektronenstrahlen 13 von einer Elektronenkanone 12 verdamoft. Die Entladung Im Titandampf erfolgte zwisehen dem Titan 15 und einer Ionisierungselektrode 17 durch Anlegen einer Spannung von + 50 V an die Ionisierungselektrode 17 mittels der Spannungsversorgungseinrichtung 16. Eine Blende 19 wurde geöffnet, nachdem Acetylen in die Vakuumkammer 4 über eine Reaktionsleitung 18 zugegebe ·. worden war, bis der Druck 4,5 χ 10~² Pa betruc, wobei Tltancarbld auf der Oberfläche der Spitzen 2 durch die Reaktion des Acetylen mit dem Titan innerhalb von 60 Minuten abgeschieden wurde.

Die auf der Oberfläche der Spitzen 2 gebildete Tltancarbldschlcht wies eine Dicke von 3 bis 3,5 μπι auf. Die unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen I bis VII Im Vakuum beschichteten Spitzen wurden mittels Eindrücken getestet. Auf die Spitzen für den Eindrück-

test wurde, wie In Flg. 4 dargestellt, ein Druck ausgeübt, um Eindrücke an 9 Stellen /wischen A bis I zu ergeben, wie In Flg. 5 gezeigt, wobei eine Belastung von 90 kg mittels eines Rockwell-Härtetestgerüts zur Anwendung kam. Es wurde untersucht, ob sich die Titancarbldschicht an der Peripherie dieser Eindrücke löste oder nicht. Die Ergebnisse sind In der Tabelle 1 wiedergegeben. Ein Kreis »o« zeigt, daß sich die Schicht aus Titancarbld nicht abgelöst hat, während »x« zeigt, daß sich die Schicht aus Titancarbld abgelöst hat. Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Haftung der Tltancarbidschlcht, die ungleichmäßig war, wenn 100%lges Argon verwendet wurde, sich zu verbessern begann, wenn 20% Wasserstoff plus 80% Argon eingesetzt wurden und vollständig gleichmäßig war, wenn 50% Wasserstoff und 50% Argon zum Einsatz kamen. Diese Ergebnisse belegen den durch die Erfindung erzielten Effekt.

wobei Tltanoxlcarbonltrld, d. h. Tl(C₀₂IiN₀S₄O_n ,„) des Acetylens Stickstoffs und Sauerstoffs mit dem Titan innerhalb von 90 Minuten abgeschieden wurde. Es wurde eine Tltanoxlcarbonltridschlcht mit einer Dicke von 4,8 bis 5,3 μηι auf der Oberfläche der Spitzen 2 gebildet.

Die Spitzen wurden zum Eindrücktest gemäß Flg. 4 belastet, um Eindrückungen an 9 Stellen A bis I zu bilden, wie In Flg. 5 dargestellt, und zwar mit einer Belastung von 60 kg mittels eines Rockwell-Häitetestgerats. Es wurde untersucht, ob die Tltanoxlcarbonltridschlcht sich an der Peripherie dieser Eindrücke löste oder nicht. Die Ergebnisse sind In den Tabellen 2 und 3 dargestellt, wobei eine Kreis »o« sowie »x« die gleiche Bedeutung wie In Tabelle I besitzen.

Die Tabelle 2 gibt die Ergebnisse der Spitzen wieder, die aus Sintercarbid hergestellt sind, und Tabelle 3 die Ergebnisse der Spitzen, die aus Cermet bestehen.

Tabelle 1

20

Tabelle 2

Bedin- Zusammensetzung Teststellen
gung des Gasgemisches

Wasserstoff Argon A

BCDEFGHI

100
80
50
30
20
10
0

0
20
50
70
80
90
100

OOOOOOOOO

ooooooooo

O O

ο χ

O X

XOOO
XOOX
XOOx

XXOX
XXXX

O O

X O

X X

χ χ

n-i i-i ·»

DC Ι3μ 1 C I L

JO

35

Es wurden Spitzen 2 aus Sintercarbid mit 72% WC 8% TiC - 11% TaC - 9% Co oder Cermet mit 40% TiC 15% TiN - 10% TaN -- 10% Mo₂C - 10% WC - 10% Co 5% Ni hergestellt. Es wurde eine Erwärmungstemperatur " von etwa 600° C, ein Druck des Gases zum Abstäubungsrelnigen von 20 Pa sowie Zusammensetzungen des Gases beim Abstäubungsreinlgen nach den Bedingungen I bis -»5 VII entsprechend dem Beispiel 1 gewählt.

Das Abstäubungsrelnigen der Oberfläche der Spitzen 2 erfolgte durch Glimmentladung, die durch Anlegen einer Spannung von - 1,5 kV an die Substrate 2 innerhalb von 20 Minuten durchgeführt wurde.

Das Gas, dar zum Abstäubungsreinlgen verwendet wurde, wurde dann entfernt, bis der Druck 7 χ 10° Pa betrug, wobei das Titan 15, das In dem mit Wasser gekühlten Schmelztiegel 14 enthalten war, geschmolzen und mittels Elektronenstrahlen 13 von der Elektronenkanone 12 verdampft wurde. Die Entladung im Titandampf erfolgte zwischen dem Titan 15 und einer Ionisierungselektrode 17, indem eine Spannung von + 70 V an die Ionisierungselektrode 17 mittels einer Ionisierungsspannungsversorgung angelegt wurde. Die Blende 19 wurde geöffnet, nachdem ein Gasgemisch, das aus Acetylen, Stickstoff und Sauerstoff im Verhältnis 3:6:1 bestand in die Vakuumkammer 4 Ober die Reaktionsgasleitung 18 zugegeben wurde, bis der Druck 4 χ 10~² Pa betrug, Bedin- Zusammensetzung Teststellen
gung des Gasgemisches

Wasserstoff Argon

ABCDEFGHI

100
80
50
30
20
10
0

0 OOOOOOOOO

20 OOOOOOOOO

50 OOOOOOOOO

70 OOXOOOXOO

80 OOXOOXXXO

90 OOXOOXXXX

loo ooxooxxxx

Tabelle 3

Bedin- Zusammensetzung Teststellen
gung des Gasgemisches

Wasserstoff Argon ABCDEFGHI

OOOOOOOOO OOXOOOXOO OOXOOOXOO OOXOOOXXO OOXOOXXXO oxxxxxxxx oxxxxxxxx

Den Tabellen 2 und 3 ist zu entnehmen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Substraten wirksam ist die aus Materialien, wie Sintercarbid und Cermet, bestehen.

In gleicher Weise wurden Schichten aus Aluminiumoxid und Schichten aus Zirkoniumoxid getestet. Ei wurden fast die gleichen Ergebnisse erhalten, wie sie In den Tabellen 1 bis 2 dargestellt sind. Dadurch wird dei durch die Erfindung erzielte Effekt für Schichten aus Aluminiumoxid und Schichten aus Zirkoniumoxid belegt.

I	100	0
II	80	20
III	50	50
IV	30	70
V	20	80
VI	10	90
VTl	0	100

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum physikalischen Bedampfen von Oberflächen von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen oder Ornamenten, bei dem eine feste Lösung, die aus einer oder zwei Verbindungen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, die aus den Carbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen der Gruppe rVa, Va und VIa des Periodensystems und/oder Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid besteht, in Form einer einzigen oder mehrerer Schichten, aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche vorher einer Zerstäubungsreinigung In einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas, dessen Wasserstoffgehalt mindestens 20 Vol.-% beträgt, zur Verbesserung und Vergleichmäßigung der Haftung der Auftragsschicht unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß reaktive Ionenbeschichtung eingesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auftragsschicht aus Titancarbid, -nltrid und -carbonnltrid oder aus einer festen Lösung derselben vom ö-l-Typ, die Sauerstoff enthält, oder aus Aluminiumoxid oder Zirconlumoxld aufgebracht wird.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Beschichtung von Zahnradfräswerkzeugen oder Profilfräsern, wie Abwälzfräser, Stoßmesser und dergleichen für Hochgesctiwlndigkeitsstahl oder Schneidwerkzeugen aus Siliziumkarbid oder Cermet.