DE3152761C2

DE3152761C2 - Beschichtung für ein Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE3152761C2
Application number: DE3152761T
Authority: DE
Inventors: Anatoly Afanasievich Andreev; Igor Vasilievich Kharkov Gavrilko; Alexei Georgievich Domodedovo Gavrilov; Valentin Glebovich Kharkov Padalka; Andrei Karlovich Moskau Sinelschikov; Anatoly Stepanovich Vereschaka; Viktor Petrovich Moskau Zhed
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ INSTRUMENTAL'NYJ INSTITUT MOSKAU/MOSKVA SU
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ INSTRUMENTAL'NYJ INSTITUT MOSKAU/MOSKVA SU
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1988-11-10
Also published as: DK477782A; DE3152761T1; AU561172B2; FR2513154A1; DK152531B; GB2108535A; CA1204125A; NO157852C; DK152531C; FI81979C; NL187407B; IE51910B1; FI823672L; SE8206163D0; AU8904082A; ATA909981A; FI823672A0; BR8108987A; AT381264B; US4436830A

Description

Die Erfindung betrifft die Beschichtung aus Titannitrid für Schneidwerkzeuge.

Solche Beschichtungen sind bereits bekannt (»Vakuum-Technik«, 28. Jg, R 6, S. 168 bis 172).

Werkzeuge mit Titannitridbeschichtung weisen bekanntlich bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Baustählen eine hohe Verschleißfestigkeit auf, die die Verschleißfestigkeit des unbeschichteten Werkzeugs um ein 5- bis 7faches überschreitet Bei der Bearbeitung von Werkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen mit einem Werkzeug mit Titannitridbeschichtung ist jedoch die Verschleißfestigkeit eines derartigen Werkzeugs gering. Die Ursache liegt in einem hohen Grad der adhäsiven Zusammenwirkung der Beschichtung mit dem Werkstück, die an den Kontaktflächen des Werkzeugs während des Schneidvorgangs entsteht Im Ergebnis steigt die Temperatur in der Schneidzone und unter Einwirkung von Wasserdämp-/«n und Sauerstoff kommt eine Entfestigung der Beschichtung zustande.

Es ist auch bereits bekannt zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit einer metallischen Oberfläche diese mit einer Legierung zu beschichten, die aus einem Edelmetall sowie einer weiteren Komponente besteht zu der Chrom und Molybdän gehören kann (DE-OS 20 65 363). Dort geht es jedoch um Oberzüge aus von den genannten Legierungen gebildeten intermetallischen Verbindungen, und zwar insbesondere für Rasierklingen sowie gleitende Maschinenteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung aus Titannitrid für Schneidwerkzeuge so zu verbessern, daß sie auch bei der Bearbeitung von Werkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst

Dadurch ist vorteilhafterweise die Zweikomponentbnlreschichtung aus Chrom- und Titannitrid etwas billiger in der Herstellung und aufgrund der Mehrkomponentenbeschichtung eine hohe Verschleißfestigkeit für eine breitere Palette der zu bearbeitenden Werkstoffe gewährleistet

Die beiden Varianten der hier beschriebenen Beschichtung, aufgetragen auf das Schneidwerkzeug, erhöhen dessen Verschleißfestigkeit bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen um ein 4- bis 6faches im Vergleich zu der bekannten Titannitridbeschichtung.

Bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen dient Chromnitrid in der Beschichtung aus Titan- und Chromnitrid als eine Barriere, die aktive Adhäsionsvorgänge auf den Kontaktflächen des Werkzeugs verhindert, wodurch dessen Verschleißfestigkeit erhöht wird. Außerdem führt die bei hohen Temperaturen während des Schneidvorgangs entstehende teilweise Oxydation des Chromnitrids zur BiI-dung von thermodynamisch beständigen Chromoxiden, durch die der Werkzeugverschleiß infolge der Adhäsion und Ermüdung noch mehr verringert wird.

Beim Einsatz der Beschichtung aus Titan-, Aluminium-, Molybdän-, Chrom- und Siliziumnitrid im obengenannten Verhältnis wird der Beschichtung eine hohe Mikrohärte durch die Nitride verliehen und infolge der homogenen Verteilung im Volumen treten sie alle gleichzeitig in Aktion. Mit der Temperaturerhöhung in der Schneidzone werden die entstehenden Verschleißprodukte und die Aluminium- und Molybdännitrid enthaltende Oberflächenschicht der Beschichtung durch den Luftsauerstoff und Wasserdämpfe zu Oxiden oxydiert Durch das gebildete Aluminiumoxid wird die adhäsive Zusammenwirkung des Werkzeugs mit dem bearbeiteten Werkstoff sowie die chemische Aktivität der Beschichtung verringert Das während des Schneidvorganges entstandene Moiybdänoxid besitzt seibstschmierende Eigenschaften und trägt zur Verringerung des Reibungsfaktors und entsprechend der Temperatur in der Schneidzone beL Bei einer Temperaturerhöhung beginnt die Zersetzung von Chromnitrid unter Bildung eines beständigen Oxids, das eine elektrische Barriere bildet durch die eine Umverteilung der Stromträger verhindert wird. Durch die umgesetzten Nitride werden Titan- und Siliziumnitrid, durch die eine hohe Härte im gesamten Volumen der Beschichtung gewährleistet wird, vor Entfestigung geschützt

Das quantitative Verhältnis der genannten Nitride ist ausgehend davon gewählt daß die thermodynamische

Stabilität der Beschichtung sichergestellt werden solL

Unter Berücksichtigung, daß sämtliche Komponenten gleichmäßig im genannten Verhältnis in der Beschichtung verteilt sind, sind sie ständig auf der Kontaktfläche anwesend und schwächen den Einfluß der Faktoren ab, die zur Entfestigung der Beschichtung bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen führen.

Fertigungstechnisch kann die beschriebene Beschichtung auf die Arbeitsfläche eines beliebigen Schneid-Werkzeugs beispielsweise durch eines der folgenden bekannten Verfahren einfach aufgetragen werden:

a) Zerstäubung einer Mosaikkathode, die aus einem

Satz von Platten (Segmenten) aus den obengenann-

ten Werkstoffen besteht in S 'ckstoffatmosphäre

unter einem Druck von 3—5 · 10-³mmQS;
k) Kathodenzerstäubung eines Pulvergemisches, das aus den genannten Werkstoffen im angegebenen Verhältnis besteht, in Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 3—5 · 10-⁶mmQS;

c) Verdampfung einer Kathode, die aus entweder mit Chrom oder Aluminium. Molybdän, Chrom und Silizium legiertem Titan besteht in einer Vakuumkammer in Stickstoffatmosphäre (Kondensation von Stoff aus Metallplasma unter Ionenbeschuß).

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung an Hand von Beispielen erläutert.

B e i s ρ i e 1 1

Auf die Arbeitsfläche eines Schneidwerkzeugs (Meißel) aus einer Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde

3 4

eine Beschichtung durch die Kondensation von Stoff die Kondensation von Stoff aus Metallplasma eine aus Metallplasrna unter Ionenfaeschuß aufgetragen. Beschichtung der Zusammensetzung: AlN — 18%,

Dieser Vorgang wurde durch das gleichzeitige Ver- Mo₂N - 4%, CrN - 5%, SiN — 5%, TiN — 68% dampfen von Titan und Chrom und Einlassen von Stick- aufgetragen. Der Meißel wurde beim Langdrehen von stoff in die Vakuumkammer unter Aiifrechterhaltung 5 Stahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): eines Druckes von 2—5 · 10~³ mm QS durchgeführt. C — 0,11—0,17, Si <0,8, Mn <0A Cr — 16—18,

Das Verhältnis der Chrom- und Molybdänmenge in Ni- 13—2£,Fe — Rest geprüft

der Beschichtung wurde durch die Stärke des Entla- Die Schneidverhältnisse waren die gleichen wie im

dungsstroms in jedem Verdampfer geregelt Beispiel 2. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Stand-

Die Meißel mit der Beschichtung aus entsprechend io zeit des Meißels 25 min für 3 Kanten.
10, 20, 30% Chromnitrid, Rest — Titannitrid, wurden
geprüft Beispiel 4

Die Prüfungen wurden beim Langdrehen einer hitzebeständigen Legierung folgender Zusammensetzung Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3, jedoch (Gewichtsprozent) durchgeführt: C — 0,1—0,16; 15 tnit dem Unterschied durchgeführt, daß eine Beschich-Si <0,6; Mn <0,6; Cr - 10,5-12; Ni - 1,5-1,8; tang aus AlN - 5,5%, Mo₂N - 4%, CrN - 5%, W — 1,6—2; Mo — 035—0,5; V — 0,18—03; Fe — Rest SiN — 10%, TiN — Rest aufgetragen wurde. Im Ergeb-Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: Schneidge- nis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meißels schwindigkeit V=373 m/min, Vorschub 5=0,15 mm/U, 22 min für 3 Kanten.

Schneidtiefe f=03—0,5 mm. 20 Durch die in den Beispielen 3 und 4 beschriebenen

Vergleichsweise wurde ein Schneidwerkzeug mit der Beschichtungen wurde die Standzeit des Schneidwerkbekannten Titannitridbeschichtung unter den gleichen zeugs bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl etwa um Verhältnissen geprüft das 4,5fache im Vergleich zu dem Schneidwerkzeug mit

Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammen- der Titannitridbeschichtung (siehe Beispiel 2) erhöht
gefaßt 25

Beispiel 5
Tabelle 1

Durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma

Beschichtungskomponenten Gehalt Standzeit wurden unterschiedliche Beschichtungen auf die Ar-W (^mm' 30 beitsfläche von drei ähnlichen Stoßrädern aus Schnellschneidstahl mit 6% W, 5% Mo, Fe — Rest aufgetragen. Auf das eine wurde die Beschichtung aus 20% CrN und 80% TiN, auf das zweite die Beschichtung aus 5% AlN, 6% Mo₂N, 4% CrN, 5% SiN, TiN - Rest und auf das 35 dritte die bekannte Beschichtung aus TiN zum Vergleich aufgetragen.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß bei der Bearbei- Die Stoßräder wurden auf einer Zahnradstoßmaschi-

tung einer hitzebeständigen Legierung die Standzeit des ne bei der Bearbeitung von Stahl mit einer Zusammen-Werkzeugs mit der hier beschriebenen Beschichtung die setzung (Gewichtsprozent): C — ί ,6, Cr, Mn, Ti, Ni je 1, Standzeit eines Werkzeugs mit der bekannten Beschich- 40 Fe — Rest geprüft

tung um das 4-bis 5fache überschreitet. Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: Stößelgeschwindigkeit — 125 Doppelhübe/min, Kreisvorschub Beispiel 2 - 0,25 min/Doppelhub.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des

Auf einen Meißel mit 3kantiger Wegwerfplatte aus 45 Stoßrades mit der CrN-TiN-Beschichtung 1040 min, die einer Legierung der M- oder K-Gruppe nach ISO wur- Standzeit des Stoßrades mit der Mehrkomponentenbede durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma schichtung 1196 min, und die Standzeit des Stoßrades ähnlich wie im Beispiel 1 eine Beschichtung folgender mit der TiN-Beschichtung 273 min, d. h. um das 3,8- bzw. Zusammensetzung: AIN - 5,5%, Mo₂N - 2,0%, 4,4fache geringer als die Standzeit der hier beschriebe-CrN - 2%, SiN - 0,5%, TiN - Rest aufgetragen. Der 50 nen Beschichtung.
Meißel wurde beim Drehen von Chromnickelstahl mit

einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C <0,12, Beispiel 6

Si <0,8, Mn - 1-U, Cr - 17-19, Ni - 9-11, Ti

-0,8, Fe - Rest geprüft Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durch-

Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: f=3mm, 55 geführt Eine Mehrkomponentenbeschichtung der Zu-5=03 mm/U, V= 1 22 m/min. sammensetzung: AlN - 3%, Mo₂N - 2%, CrN - 2%,

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des SiN - 3%, TiN — Rest aufgetragen. Im Ergebnis der Meißels 30 min für 3 Kanten. Prüfungen betrug die Standzeit des Meißels 18 min für

Als Vergleich wurde ein ähnlicher Meißel mit Titanni- drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meißels tridbeschichtung geprüft Unter den gleichen Verhält- eo mit der Titannitridbeschichtung um das 2,4fache übernissen betrug die Standzeit 5,4 min für 3 Kanten, d. h. um schreitet,
das 5,5fache geringer als beim Meißel mit der hier beschriebenen Beschichtung. Beispiel 7

B e i s ρ i e 1 3 65 Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durch

geführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung der Zu-

Auf einen Meißel mit 3kantiger Wegwerfplatte aus sammensetzung: AlN - 3%, Mo₂N — 8%, CrN — 2%, einer Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde durch SiN - 3%, TiN - Rest wurde aufgetragen. Im Ergebnis

TiN-CrN	10	21,5
	20	25^
	30	28,0
TiN	—	4,9

der Prüfungen betrug die Standzeit des Meißels 25 min für drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meißels mit der Thannitridbeschichtung um das 3,3fache überschreitet

5 Beispiel 8

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt Eine Mehrkomponentenbeschichtung folgender Zusammensetzung: AIN — 3%, Mo₂N — 8%, CrN to — 10%,SiN — 3%,TiN — Rest wurde aufgetragen.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meißels 22 min für drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meißels mit der bekannten Titannitridbeschichtung um das 2£fache überschreitet

Die beschriebene Beschichtung kann für beliebiges Schneidwerkzeug, wie Bohrer, Meißel, Fräser usw., und insbesondere für Werkzeuge aus einem Schnellschneidstahl verwendet werden, das bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen eingesetzt wird.

25

30

45

50

55

60

65

Claims

Patentanspruch:

Beschichtung aus Titannitrid für Schneidwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß sie entweder 10—30 Gew.-% Chromnitrid oder, gesamt genommen und gleichmäßig im Volumen der Beschichtung verteilt, 3—18 Gew.-% Aluminiumnitrid, 2—8 Gew.-% Molybdännitrid, 2—10 Gew.-% Chromnilrid und 0,5—10 Gew.-% Siliziumnitrid zusätzlichenthält.