DE3152742C2 - Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Überzug - Google Patents

Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Überzug

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug für die spanabhebende Metallbearbeitung mit einem
is mehrschichtigen Überzug, dessen Schichten aus einem Nitrid oder Karbid eines Metalls der IV. Gruppe des periodischen Systems der Elemente und aus einem Nitrid, Karbid, Borid oder Sillzid eines Metalls der V!.
Gruppe des periodischen Systems der Elemente besteht. Ein solches Werkzeug Ist aus der DE-OS 28 51 584
bekannt.
Bei diesem bekannten Werkzeug liegen auf dem Grundkörper ein oder mehrere Schichten aus Karbiden oder Nitriden verschiedener Elemente, darunter auch von Metallen der IV. und VI. Gruppe des Periodensystems,
und auf dieser inneren Schicht bzw. diesen Inneren Schichten Hegt eine oder mehrere Schichten aus einem
Gemenge von einem Oxid und einem Nitrid oder Oxldnltrld verschiedener Elemente, auch hierunter Metalle
der IV. und der VI. Gruppe des Periodensystems.
Aus der GB-PS 13 21 525 Ist die Aufbringung von einschichtigen oder mehrschichtigen Überzügen aus einem
oder mehreren Karbiden von Metallen bekannt, wobei auch hler ohne Unterscheidung unter anderem Metalle der IV. und der Vl. Gruppe nebeneinander genannt werden.
Aus der GB-PS 12 97 896 ist schließlich ein zweischichtiger Überzug eines spanabhebenden Werkzeugs bekannt, dessen eine Schicht aus Karbiden von Metallen der IV. und V. Gruppe und dessen andere Schicht aus einem oder mehreren Karbiden von Metallen der Vl. Gruppe besteht.
Keiner dieser bekannten Überzüge gewährleistet eine optimale Verschließfestigkeit bei schweren Zerspannungsbedlngungen, die durch das Auftreten hoher Belastungen und Temperaturen gekennzeichnet sind.
An sich sind mehrschichtige Überzüge mit abwechselnd härteren und weniger harten Schichten bezüglich ihrer Festigkeit vorteilhaft, z. B. ein bekannter Mehrschichtüberzug mit abwechselnden Schichten, deren eine aus einem Nitrid oder Karbid eines Metalls der IV. Gruppe und deren andere aus einem Reinmetall besteht
(R. F. Bunshan and Shebalk, Research/development, June, 1975).
Die Mikrohärte der Nitrid- und Karbidschichten der IV. Gruppe beträgt 21 575 bis 29 421 N/mmJ und die der Reinmetallschichten 5884 bis 8826 N/mm2. Dabei verhindern die weichen Schichten aus Reinmetall eine Bildung von Rissen In den spröden Schichten und tragen im ganzen zur Erhöhung der Festigkeit der Überzüge bei.
Unter wechselnden Belastungen weisen solche Überzüge bei der Bearbeitung von Baustählen einen guten Bruchwiderstand auf und bröckeln auch bei Nachschleifen des Werkzeugs auf einer der Arbeitsflächen nicht ab. Jedoch Ist die Standzeit des Werkzeugs beim Schneiden schwerbearbeltbarer hochlegierter Werkstoffe nur gering, da es zu einer Haftung zwischen dem Werkstoff des Überzugs und dem des Werkstücks und dadurch zu einem adhäslven Verschleiß des Werkzeugs kommt.
Die Erscheinung des Haftens verstärkt sich bei erhöhten Temperaturen In der Schnittzone und bei geringen Schnittgeschwindigkeiten, die beim Schneiden schwerbearbeltbarer Werkstoffe üblich sind.
Plastische aktive Reinmetalle neigen noch stärker zum Haften am Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks als harte und passivere Verbindungen dieser Metalle. Deshalb führen die Reinmetallschichten Im Überzug zu einem Intensiveren adhäslven Verschleiß des Überzugs.
so Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung von Metallwerkstücken mit einem Mehrschichtüberzug zu schaffen, das bei hoher Festigkeit des Überzugs eine verminderte Haftfähigkeit gegenüber dem Werkstoff des Werkstücks, auch beim Schneiden schwerbearbeltbarer Werkstoffe, aufweist. Insbesondere soll der adhäsive Verschleiß des Überzugs vermindert und seine Verschleißfestigkeit erhöht sein.
Ausgehend von einem Werkzeug der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schichten in einer Vielzahl abwechselnd aufeinanderfolgen, die Schichtdicke der Verbindungen der Metalle der IV. Gruppe 0,05 bis 0.5 μιη beträgt und die Schichtdicke der Verbindungen der Metalle der VI. Gruppe 15 bis
40% der Schichtdicke der Verbindung des Metalls der IV. Gruppe ausmacht.
Ein Mehrschichtüberzug aus solchen Schichten mit den angegebenen Schichtdicken zeichnet sich durch eine
schwache adhäsive Wechselwirkung mit dem bearbeiteten Werkstoff aus, wodurch sich der Verschleiß vermindert und die Festigkeit erhöht. Dabei verleihen die Nitride oder Karbide der Metalle der IV. Gruppe dem Überzug die notwendige Härte und Festigkeit und wirken als feste Karkasse des Überzugs, die durch die beim Sehne 'betrieb auftretenden Temperaturbeanspruchungen ihre Festigkeit nicht verliert. Die zwischen der Vielzahl dieser Schichten jeweils eingelagerte Vielzahl von Schichten aus Verbindungen der Metalle der VI. Gruppe wirken dagegen als Schutzschichten. Unter schweren Schneidbedingungen oxydleren sie unter der Wirkung der dabei auftretenden hohen Temperaturen In der Schnittzone und wirken als ein festes Schmiermittel, das die Reibung und die Temperatur In der Schneidzone senkt und den Verschleiß des Werkzeugs herabsetzt. Diese Schichten sind dünner als die Schichten mit den Metallen der IV. Gruppe.
Der Überzug besteht aus bis zu 500 einzelnen Schichten. Die Vielschichtigkeit des Überzugs ergibt eine bedeutend höhere Festigkeit auch gegenüber normalen Beanspruchungen, die bei einem zweischichtigen Überzug schon zum Ausbröckeln und zur Rißbildung führen können. Soweit Rißbildung unvermeidlich auftritt, setzt sich diese nicht durch die gesamte Dicke des Überzugs fort, sondern erfaßt nur jeweils die nächstfolgende Schicht, weil die mechanische Energie an der Phasengrenze wieder verteilt wird und zumindes; eine gewisse Zeltspanne unterhalb der Grenze bleibt, bei der die Rißbildung sich In weitere Tiefen fortsetzt.
Der erfindungsgemäße Mehrschichtüberzug kann nach einfachen Verfahren, z. B. nach einem bekannten Verfahren der Ionenbeschichtung hergestellt werden. Dabei werden die Schichten der genannten Bestandteile in einem Zyklus aufgetragen. Zu diesem Zweck wird das Schneidwerkzeug in einer Vakuumkammer auf einem drehbaren Untersatz aufgestellt. Außerdem werden in der Kammer Kathoden aus Metallen der IV. und der VI. Gruppe angebracht. An das Werkzeug wird nun ein negatives Potential angelegt, und es entstehen im Raum zwischen dem Werkzeug und den Kathoden elektrische Bogenentladungen. Dadurch werden aus den Kathoden Atome der metallischen Phase ausgelöst, die in der Bogenbrennzone Ionisiert werden. Die so erzeugten positiven Ionen werden vom negativen Potential des Werkzeugs zu diesem hin beschleunigt, und bewirken beim Auftreffen auf dessen Oberfläche eine Reinigung und Erhitzung derselben.
Wenn die Oberfläche des Werkzeugs die erforderliche Temperatur erreicht hat, läßt man ein reaktives Gas (Stickstoff oder Methan oder Silan oder Buran) einströmen. Auf dem Werkzeug wird eine verschleißfeste hitzebeständige Verbindung der Metalle abgeschieden.
Die Erfindung soll an Hand folgender Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
20 Beispiel 1
Ein Meißel mit dreikantigen Wegwerfschneidplatten aus einem Hartmetall der P,K-Gruppe nach ISO wurde in der oben beschriebenen Welse mit einem 20 μπι starken Mehrschichtüberzug versehen. Im Überzug folgten abwechselnd Schichten aus TlN und aus Mo2N aufeinander, wobei die Schichtdicken 0,05 μπ\ bzw. 0,015 μιη betrugen.
Der Meißel wurde geprüft durch Längsdrehen einer hochlegierten warmfesien Legierung folgender Zusammensetzung (in Gewichtsprozent):
.1(1
0.03 bis 0,07 C
< 0,5 si
< 0,4 Mn
13 bis 16 Cr
73 Γ ■Ji
2,5 Tl
1,45 bis 1,2 Al
2,8 bis 3,2 Mo
1,9 bis 2,2 Co
Rest Fe.
40
Die Schnittbedingungen waren:
Schnlttiefe t = 0,3 bis 0,5 mm,
Schnittgeschwindigkeit V = 37,6 m/min,
Vorschub S = 0,15 mm/U.
Die Standzelt des Meißels mit diesem Mehrschichtüberzug und unter diesen Bedingungen betrug 20,2 min.
Ähnlich wurden Beispiele 2 bis 9 mit verschiedenen Mehrschichtüberzügen und verschiedenen Schichtdicken innerhalb der Grenzen der Erfindung untersucht. Die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 9 sind In der Tabelle angegeben.
Zum Vergleich wurden außerdem ähnliche Meißel mit bekannten Überzügen aus abwechselnden Schichten von TiN und Ti mit einer Gesamtschichtstärke von 20 μπι geprüft. Die Ergebnisse für diese Meißel mit bekann- >o ten Überzügen sind unter den Nummern 10 und 11 der Tabelle angegeben.
Tabelle
Lfd. Legierungsbestand Schichtdicke, Standzeit
Nr. teile der Überzugs in μπι des Werkzeugs
schichten in min
1 TiN 0,05 20,2
Mo2N 0,015
2 TiN 0,08 25,7
Mo2N 0,028
3 TiN 0,1
Mo2N 0,02 19,6
4 ZrN 0,5 26,3
Mo2C 0.15
Fortsetzung
Lfd. Legierungsbestand- Schichtdicke, Standzeit
Nr. teile der Überzugs- in μπι des Werkzeugs
schuhten in min
5 TiC 0,3 20,3
CrN 0,1
6 HfC C,l 26,5
wc 0,03
7 ZrC 0,4 20,8
Mo2B 0,1
8 ZrN 0,2 19,1
MoSi2 0,03
9 TiN 0,3 23,4
CrB2 0,1
10 "'.N 0,55 5,1
Ti 0,15
11 TiN 2,5 4,7
Ti 0,5
Die gftNvc-rmenen F.rgebnisse zeigen, daß der Meißel mit dem erfindungsgemäßen Mehrschichtüberzug den 25 Meißeln mit dem bekannten fviehrschichtüberzug aus TiN und Ti bezüglich der Standzeit um das 4- bis 5fache überlegen ist.
Beispiel 10
V) Ein in Fischgrätenform gezahnter Fräser 0 80x45 bestand aus einer Legierung folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
18 W
2 V
35 8 Co
Rest Fe.
Dieser wurde nach dem beschriebenen Verfahren mit Schichten aus TiN und Mo2N mit einer Gesamtstarke von 20 μπι oel Schichtdicken von 0,05 bzw. 0,015 μπι beschichtet.
•»(ι Zur Prüfung wurde mit dem Fräser eine Legierung folgender Zusammensetzung zerspant:
20Cr
<1 Mn
<1 Ti
45 Rest Fe.
Die Schnittbedlndungen waren
Drehzahl n= 18 U/min
Vorschub S=31,5 mm/min
Schnittiefe t =4 mm
Mit dem Fräser konnten 44 Werkstücke bearbeitet werden.
Bei Prüfung eines ähnlichen Fräsers mit einem bekannten Überzug aus abwechselnden Schichten von TiN und Ti erwies es sich, daß mit diesem Fräser nur 8 Werkstücke bearbeitet werden konnten.
5? Beispiel 11
Dieses Beispiel entspricht dem Beispiel 10 mit nur dem Unterschied, daß als Legierungsbestandteile für den Mehrschichtüberzug ZrN und MoC bei Schichtdicken von 0,5 bzw. 0,15 μΐη verwendet wurden.
Die Prüfungen ergaben, daß mit dem so beschichteten Fräser 42 Werkstücke bearbeitet werden konnten, M' d. h.. die Standzelt war hier um das 5fache hoher als bei dem Fräser mit einem bekannten Mehrschichtüberzug.
Beispiel 12
Auch dieses Beispiel entspricht dem Beispiel 10 mit nur oem Unterschied, daß als Legierungsbestaiidtelle für i'5 den Mehrschichtüberzug HfC und WC bei Schichtdicken von 0,1 bzw. 0,03 μίτι verwendet wurden. Die Prüfungen ergaben, daß mit dem so beschichteten Fräser 49 Werkstücke bearbeitet werden konnten, d. h., die Standzeit betrug hler etwa das 6fache.
Beispiel 13
Auf eine Räumnadel 150x25x30 aus einer Legierung, die aus 18 Gewichtsprozent W, Rest Eisen bestand, wurde nach dem beschriebenen Verfahren ein Mehrschichtüberzug aufgetragen, der aus abwechselnden Schichten von TlC und CrC mit einer Gesamtstärke von 20 μΐη bei Schichtdicken von 0.3-0,1 μιη bestand.
Die Räumnadel wurde geprüft. Als Bearbeitungswerkstoff diente ein nichtrostender Stahl folgender Zusammensetzung In Gewichtsprozent:
0,13 bis < bis < bis 0,18 C
< bis bis : 0,6 Si
: 0,61 Mn
11 13 Cr
1,5 2,0 Ni
: 1 W
1,35 1,65 Mo
O, !8 0,3 V
0,3 Nb
Rest Fe.
Mit nur einer Räumnadel konnten 197 Werkstücke bearbeitet werden. Zum Vergleich wurde eine ähnliche Räumnadel geprüft, die mit einem bekannten Mehrschichtüberzug aus
TlN und Ti versehen war. Mit dieser Räumnadel konnten nur 45 Werkstücke bearbeitet werden: ihre Standzeit war also um das 4,5fache geringer.
Beispiel 14
Dieses Beispiel entspricht dem Beispie! 13 mit nur dem Unterschied, daß als Legierungsbestandteile des Mehrschichtfiberzugs ZrN und MoSij bei Schichtdicken von 0,2 bzw. 0,03 μιη dienten. Mit nur einer Räumnadel konnten 165 Werkstücke bearbeitet werden; die Standzelt war hier also um das 3.1 fache höher als bei der Räumnadel mit dem bekannten Mehrschichtüberzug. in

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Überzug, dessen Schichten aus einem Nitrid oder Karbid eines Metalls der IV. Gruppe des periodischen Systems der Elemente und aus einem Nitrid, Karbid, Borid oder Sillzld eines Metalls der VI. Gruppe des periodischen Systems der Elemente bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten In einer Vielzahl abwechselnd aufeinanderfolgen und die Schichtdicke der Verbindungen der Metalle der IV. Gruppe 0,05 bis 0,5 Mm beträgt und die Schichtdicke der Verbindungen der Metalle der Vl. Gruppe 15 bis 40% der Schichtdicke der Verbindung des Metalls der IV. Gruppe ausmacht.
DE3152742T 1981-02-23 1981-02-23 Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Überzug Expired DE3152742C2 (de)

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