DE3152742T1 - Mehrschichtüberzug für spanendes Werkzeug - Google Patents

Mehrschichtüberzug für spanendes Werkzeug

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DE3152742T1 DE19813152742 DE3152742T DE3152742T1 DE 3152742 T1 DE3152742 T1 DE 3152742T1 DE 19813152742 DE19813152742 DE 19813152742 DE 3152742 T DE3152742 T DE 3152742T DE 3152742 T1 DE3152742 T1 DE 3152742T1
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Description

Λ-
MEHRSCIIICHTUBERZUG PUR SPANABHEBENDE WERKZEUGE
Gebiet der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitung und betrifft insbesondere Mehrschichtüberzüge für spanende Werkzeuge.
Bisheriger Stand der Technik
Bekannt ist ein Mehrschichtüberzug mit sich abwechselnden Schichten aus zwei Legierungsbestandteilen, von denen der eine Nitrid oder Karbid eines !Jetalls der IV.'Gruppe und der andere ein Reinmetall (R.P. Bunshan and Shebaik, Research/development, June, 1975) darstellen.
Die Mikrohärte der Nitrid- und Karbidschichten der
IV.Gruppe beträgt 2200-3000 kp/mm2 und die der Rein-2
metallschichten 600-900 kp/mm . Das Vorhandensein der weichen Schichten (aus Reinmetall) verhindert eine BiI-dung von Rissen inVspröden Schichten und trägt im ganzen zur Erhöhung der Festigkeit der Überzüge bei. Unter
wechselnden Belastungen weisen solche Überzüge bei der Bearbeitung von Baustählen einen guten Bruchwiderstand auf, sie bröckeln auch bei Nachschleifen des Werkzeugs auf einer der Arbeitsflächen nicht ab. Jedoch ist die Standzeit des 77erkzeugs beim Schneiden schwerbearbeitbarer (hochlegierter) Werkstoffe nicht hoch, da infolge einer Haftung zwischen dem V/erkstoff des Überzugs und dem des Werkstücks ein adhäsiver Verschleiss des Werkzeugs festzustellen ist. Zur Verstärkung des Prozesses der Haftung tragenvdSle erhöhte Temperatur in der Schnittzone (infolge einer geringen Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe) und geringe Schnittgeschwindigkeiten, die beim Schneiden schwerbearbeitbarer Werkstoffe üblich sind. Plastische aktive Reinmetalle zeichnen sich durch eine leichtere Haftung mit dem zu bearbeitenden Werkstoff aus als deren harte und passivere Verbindungen. Deshalb führt das Vorhandensein der Reinmetallschichten im Überzug zu einem intensiveien adhäsiven Verschleiss des Überzugs im ganzen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrachichtüberzug für daa spanende Werkzeug zu schaffen, dessen Legierun^abeatandteile so beachaffen sind, dass sie bei der Gewährleistung einer hohen festigkeit des Überzugs eine verminderte Haftfähigkeit gegenüber dem Werkstoff des Werkstücks, auch beim Schneiden schwerbearbeitbarer Werkstoffe, aufweisen, wodurch es möglich wird, den adhäsiven Verschleiss des Überzugs zu vermindern und deaaen Verschleisafestigkeit im ganzen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem Mehrschichtüberzug für das spanende Werkzeug mit sich abwechselnden Schichten aus zwei Legierungsbestandteilen, von denen der eine Nitrid oder Karbid eines Metells der IV.Gruppe ist, gemäsa der Erfindung der zweite Legierungsbestandteil des Überzugs Nitrid oder Karbid, oder Borid, oder Silizid eines Metalls der VI.Gruppe darstellt.
Es ist zweckmässig, dass die Schichtdicke der Verbindung des Metalls der IV.Gruppe gleich 0,05 bis 0,5 ium ist und die Schichtdicke der Verbindung des Metalls der VI.Gruppe 15 bis 40% von der Schichtdicke der Verbindung des Metalls der IV.Gruppe ausmacht.
Ein Mehrschichtüberzug, der aus den Legierungsbestandteilen gemäss der Erfindung besteht und dabei die in der Erfindung genannte Schichtdicke aufweist, zeichnet sich durch eine schwache adhäsive Wechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Werkstoff aus, wodurch sich der Yerschleiaa des Uberzugsvermindert und die Verschleiaafestigkeit des spanenden Werkzeugs, das mit einem solchen Überzug versehen ist, sich erhöht.
Die hohe Mikrohärte der Karbide und Nitride eines Metalls der IV.Gruppe verhindert bei der Bearbeitung achwerbearbeitbarer Werkstoffe plastische Verformungen, die relativ zu den Oberflächen des Uberzugea normal aind. Der verfestigende Überzug enthält bis 500 aich abwechselnde
Schichten der Verbindungen von Metallen der IV. und der YI.Gruppen,die durch Phasengrenzflächen getrennt sind. Die Phasengrenzfläche stellt eine Ausfluesteile für die bei der Bildung von Mikrorissen in der ■5 Oberschicht beim Schneiden frei v?erdende Energie dar und vermindert die Wahrscheinlichkeit einer Fortpflanzung der M.ikrorisse in die unteren Schichten.
Durch das Vorhandensein der Verbindungen eines Metalls der VI.Gruppe, das in dünneren Schichten liegt, wird ein Verschleisswiderstand gewährleistet, während die Produkte des Verschleisses, die in der Schnittzone unter Einwirkung von hohen Temperaturen oxydieren, die Rolle eines festen Schmiermittels erfüllen und die Reibung, die Schnittkraft und die Temperatur an der Schneide des Werkzeugs vermindern; ausserdem erzeugen Oxide von Molybdän, Chrom, Wolfram eine passive Barriere, die eine adhäsive Wechselwirkung zwischen dem Überzug und dem zu bearbeitenden Werkstoff verhindert und den Verschleiss des Überzugs im ganzen vermindert.
Die Schichtdicke der LSetalIverbindungen wurde experimentell unter Berücksichtigung der Gewährleistung optimaler Schmiereigenschaften und einer adhäsiven Wechselwirkung zwischen dem Überzug und dem zu bearbeitenden Werkstoff ermittelt.
5 Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Der erfindungsgemässe Mehrschichtüberzug lässt sich technologisch einfach, z.B. nach einem bekannten Verfahren zur Stoffkondensation mit Ionenbeschuss erhalten.
Die Schichten der genannten Legierungsbestandteile werden in einem technologiechen Zyklus aufgetragen. Zu diesem Zweck wird das Schneidwerkzeug in einer Vakuumkammer auf einem drehbaren Untersatz aufgestellt. Ausserdem gibt es in der Kammer Katoden aus schwerBchraelzbaren Metallen der IV. und der VI.Gruppen. An das Werkzeug wird nun ein negatives Potential angelegt, und es entstehen im Raum zwischen dem Werkzeug und den Katoden
elektrische Bogenentladungen. Im 3rgebnis werden aus den Katoden Atome der metallischen Phase ausgelöst, die sich in der Bogenbrennzone ionisieren. Die erzeugten positiven Ionen werden durch Einwirkung des negativen Potentials des Werkzeugs beschleunigt, und, indem sie sich gegen dessen Oberfläche stossen, bewirken sie eine Reinigung seiner Oberfläche und deren Erhitzung.
Mach der Erreichung der erforderlichen temperatur an der Oberfläche des Werkzeugs lässt man in die Ar-
.10 beitskimmer ein Reagensgas (Stickstoff oder Methan, oder Silan, oder Boran) einströmen, und auf das Werkzeug setzt sich eine verschleissfeste hitzebeständige Verbindung aus schwerschmelzbaren Metallen ab.
Die Erfindung soll an Hand folgender Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Beispiel 1
iieissel mit dreikantigen >7egwerfschneidplatten aus einem Hartmetall der P,K-Gruppe nach ISO wurde in der oben beschriebenen V/eise mit einem 20 /um starken Mehrschichtüberzug versehen. Der Überzug setzte sich aus sich abwechselnden Schichten
bzw.-von TiN-Mo2N bei Schichtdicken von 0,05 jura vo,O15 ium
zusammen.
Die Prüfungen wurden beim Drehen in Längsrichtung 2*5 mit einer hochlegierten warmfesten Legierung durchgeführt, die in Gew.% aus C - 0,03 ♦ 0,07; Si <£ 0,5; Mn < 0,4; Cr - 13 ♦ 16; Ni - 73; Ti - 2,5; Al - 1,45 * 1,2; Mo- 2,8 ♦ 3,2; Co - 1,9 ♦ 2,2; Pe - Rest bestand.
Schnittbedingungen:
Schnittiefe t = 0,3-0,5 mm, Schnittgeschwindigkeit V = 37,6 m/min, Vorschub S =0,15 mm/U.
Die Standzeit dea Meisseis mit dem Mehrschichtüberzug betrug 20,2 min.
Ahnlich wurden Beispiele 2-9 durchgeführt, nur wurden hier Legierungsbestandteile de3 Mehrschichtüberzugs und deren Dicken innerhalb der in der vorliegen-
6'
den Erfindung genannten Grenzen geändert.
Die Prüfergebnisse der Beispiele 1 bis 9 sind in der Tabelle 1 angegeben.
Zum Erhalten vergleichbarer Ergebnisse wurden ausserdem ähnliche dem im Beispiel 1 beschriebenen T!eissel mit bekannten Überzügen aus sich abwechselnden Schichten von TiN und Ti mit einer Gesamtschichtstärke von 20 rum geprüft. Die Prüfergebnisse für die Heissel mit bekannten Überzügen sind in der gleichen Tabelle unter den Nummern 10 und 11 angegeben.
Tabelle
Lfd.
Nr.		 Legierungsbestand
teile der Überzugs
schichten		 Schichtdicke,
in jum		 Standzeit
des Werk
zeugs
1 2 3 4
1 . · TiN 0,05 20,2
*!o2N 0,015
2 TiN 0,08 25,7
Mo2N 0,028
3 TiN 0,1
Mo2N 0,02 19,6
4 ZrN 0,5 2fi,3
Mo2C 0,15
5 TiC
CrN		 0,3
0,1		 20,3
6 HfC 0,1 26,5
WC 0,03
7 ZrC
Mo2B		 0,4
0,1		 20,8
8 ZrN
MoSi2 		0,2
0,03		 19,1
9 TiN
CrB0 		0,3
0,1		 23,4
10 Till- 0,55 ,J1
Ti 0,15
11 Till 2,5 4 7
Ti 0,5
Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass der Meissel mit dem erfindungsgemässen *.1ehrschichtüberzug den :.!eissein mit dem bekannten Mehrschichtüberzug aus Ϊ1ΪΪ und Ti an Standzeit um ein 4- bis 5faches überlegen ist.
Beispiel 10
A.uf einen in Fischgrätenform gezahnten Präser t 30 χ 45 aus einer Legierung, die in Gew.% aus W - 13, V - 2, Co - 8 und Fe - Rest, bestand, wurde nach dem beschriebenen Verfahren ein T'ehrschichtüberzug aus TUN - "O0N mit einer Gesamtstärke von 20 /um bei Schichtdicken von 0,05 ν 0,015 jum aufgetragen.
Der Präser wurde geprüft, als Bearbeitungswerkstpff wurde eine Legierung gewählt, die in Gew.% aus Cr - 20, '.fn ^ 1, Ti ^- 1 und Pe - Rest bestand. Schnittbedin fangen:
Drehzahl η = 13 U/min
Vorschub 3 = 31,5 mm/min Schnittiefe t = 4 mrr?
?.fit nur einem Präser mit dem erfindungsgemässen Überzug v-0 ■ηΏ-','-ν 44 Werkstücke bearbeitet werden.
3ei den Prüfungen eines ähnlichen Präsers mit einem bekannten Überzug aus sich abwechselnden Schichten von TiIi-Ti erwies es sich, dass der Präser zum Bearbeiten von nur 8 Werkstücken geeignet war.
31527A2
3eispiel 11
Ahnlich wie im Beispiel 10. Der Unterschied bestand nur darin, dass als Legierungsbestandteile für den Mehrschichtüberzug ZrH-VoC bei Schichtdicken von
DZW.
0,5v 0,15 /um verwendet wurden.
Die Prüfungen ergaben, dass mit dem Präser, der mit einem solchen Überzug versehen war, 42 Werkstücke bearbeitet v;erden konnten, d.h., die Standzeit war
hier um das 5fache höher als bei dem Präser mit einem bekannten Mehrschichtüberzug.
3eispiel 12
ähnlich wie im Beispiel 10. Der Unterschied bestand nur darin, dass als Legierungsbestandteile für den "!ehrschichtüberzug HfG-VJC bei Schichtdicken von
0,IvO,03 (um verwendet wurden. Die Prüfungen ergaben, dass mit dem Präser, der mit einem solchen Überzug versehen war, 49 Werkstücke bearbeitet werden konnten, d.h., die Standzeit war hier etwa 6 Mal .so
hoch.
3eispiel 13
Auf eine Räumnadel 150 χ 2*5 x 30 aus einer Legierung, die in Gew./o aus W - 18, Pe - Rest bestand, wurde nach dem beschriebenen Verfahren ein Mehrschichtüberzug aufgetragen, der sich aus sich abwechselnden
Schichten aus TiC - CrC mit einer Gesamtstärke von
20 um bei Schichtdicken von 0,3 - 0,1 /um zusammensetzte.
Die Räumnadel wurde geprüft. Als Bearbeitungswerkstoff diente ein nichtrostender Stahl, der in
Gew./o aus C .- 0,13 ♦ 0,18; Si C 0,6; Mn < 0,6;
Cr - 11+ 13; Ui - 1,5 ♦ 2,0; W ^ 1; Λϊο - 1,35 + 1.65;' V - 0,18 t 0,3; Nb - 0,3; Pe - Rest bestand.
Nur eine Räumnadel genügte zum Bearbeiten von Werkstücken.
Zum Vergleich vnirde eine ähnliche Räumnadel geprüft, die mit einem bekannten Mehrschichtüberzug aus TiN-Ti versehen war. Die Räumnadel mit dem bekannten Überzug war zum Bearbeiten von nur 45 Werkstücken geeignet, ihre Standzeit war al30 um das 4,5 fache geringer.
Beispiel 14
Ahnlich wie im Beispiel 13. Der Unterschied bestand nur darin, dass als Legierungsbestandteile des Mehrschichtüberzugs ZrN-MoSi« bei Schichtdicken von 0,2 "bsw. 0,03 /um dienten, !-iit nur einer Räumnadel
konnten 165 Werkstücke bearbeitet werden, die Standzeit war hier also um das 3,1 fache höher als bei der Räumnadel mit einem bekannten ^ehrschichtüberzug.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Der erfindungsgemässe Mehrschichtüberzug kann mit Erfolg zum Auftragen auf beliebige spanende Werkzeuge, wie Bohrer, Präser, Meissel u.a. verwendet werden. Dadurch lässt sich die Standzeit der Werkzeuge, die insbesondere zum Bearbeiten von hochlegierten (schwerbearbeitbaren) Stählen und Hartmetallen eingesetzt werden,erhöhen.

Claims (2)

PATENTANSPRUCH
1. Mehrschichtuberzug für spanendes Werkzeug mit sich abwechselnden Schichten aus zwei Legierungsbestandteilen, von denen der eine Nitrid oder Karbid eines Metalls der IV.Gruppe ist, dad u r c h g e k e η η ζ e ic h η e t, dass der zweite Legierungsbestandteil des Überzuges Nitrid oder Karbid, oder Borid, oder Silizid eines Metalls der VI.Gruppe darstellt.
2. Mehrschichtüberzug für spanendes Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die Schichtdicke der Verbindung des Metalls der IV.Gruppe 0,05 bis 0,5 rum beträgt und die Schichtdicke der Verbindung ei^^ Metalls der VI.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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