DE3152761C2 - Beschichtung für ein Schneidwerkzeug - Google Patents
Beschichtung für ein SchneidwerkzeugInfo
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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
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
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;
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,
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
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.
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
gefaßt 25
Beispiel 5
Tabelle 1
Tabelle 1
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.
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.
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
Meißel wurde beim Drehen von Chromnickelstahl mit
einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C <0,12, Beispiel 6
-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
das 5,5fache geringer als beim Meißel mit der hier beschriebenen Beschichtung. Beispiel 7
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 (1)
- 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.
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