DE3152761T1

DE3152761T1 - Beschichtung für Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE3152761T1
Application number: DE19813152761
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 nau&ccaron;no-issledovatel'skij instrumental'nyj institut, Moskva
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1983-02-24
Also published as: NO823492L; AU561172B2; AU8904082A; FR2513154A1; FI81979C; WO1982003036A1; CA1204125A; GB2108535B; US4436830A; NL8201814A; SE8206163L; DK152531B; FI823672A0; DK152531C; DE3152761C2; FI823672L; FI81979B; FR2513154B1; NO157852C; ATA909981A

Description

ein
Beschichtung für^vSchneidwerkzeug

Gebiet der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallbearbeitung und betrifft insbesondere Beschichtungen für ein Schneidwerkzeug.

Vorhergehender Stand der Technik

Bekannt ist eine Titannitridbeschichtung für Schneidwerkzeuge (s. beispielsweise H.Έ. Bunshan et. al. Thin solid films, 1977, 4-5, Nr. 3, p. 453-462).

Werkzeuge mit Titannitridbeschicht mg weisen 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 V/erkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebestandigen Legierungen mit einem Werkzeug mit Titannitridbeschichtung ist jedoch die Verschleissfestigkeit eines derartigen Werkzeugs gering. Die Ursache liegt in einem hohen Grad der adhäsiven Zu~ saminenwirkung 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 Wasserdampfen und Sauerstoff kommt eine Entfestigung der Beschichtung zustände.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für Schneidwerkzeug mit einer derartigen Zusammensetzung zu schaffen, die bei der Bearbeitung von Werkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebestandigen Legierungen eine hohe Verschleissfestigkeit des Werkzeugs mit einer derartigen Beschichtung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Be" scnichtuj^^s Titannitrid für Schneidwerkzeugeerfindungsgemäss^v10~30% Chromnitrid oder,gesamt genommen und gleichma'ssig im Volumen der Beschichtung verteilt, 3-18 Gew.% Aluminiumnitrid, 2-8 Gew.% Mo3jrbdännitrid, 2-10 Gew. % Chromnitrid und 0,5-10 Gew.% Siliziumnitrid zusätzlich enthalt.

Dabei ist die Zweikomponentenbeschichtung aus Chrom- und Titannitrid etwas billiger in der Herstellung, während die Mehrkomponentenbeschichtung eine hohe Verschleissfestigkeit für eine breitere Palette der zu bearbeitenden Werksetoffe gewahrleistet.

Die beiden erfindungsgemä'ssen Varianten der Beschichtung, aufgetragen auf das Schneidwerkzeug, erhöhen dessen Verschleissfestigkeit. bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebestandigen Legierungen um ein 4— bis 6faches im Vergleich zu der bekannten Titannitridbe" schichtung·

Bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebestandigen 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 Schneidvorganges entstehende teilweise Oxydation des Chromnitrids zur Bildung von thermodynamisch beständigen Chromoxiden, durch die der 77erkzeugverechleiss infolge der Adhäsion und Ermüdung noch mehr verringert wird.

Beim Einsatz der Beschichtung aus Titan-, Aluminium-, Molybdän-, Chrom- und Siliziumnitrid im oben genannten 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 Molybdfinnitrid 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 Moly.bd&noxid besitzt selbstschmierende Eigenschaften und trägt zur Verringerung des Reibungefaktors und entsprechend der Temperatur in der Schneidzone bei. 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 Eontaktfläche anwesend und schwächen den Einfluss der Eaktoren ab, die zur Entfestigung der Beschichtung bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen führen.

Fertigungstechnisch kann die erfindungsgemässe Be" schichtung auf die Arbeitsfläche eines beliebigen Schneidwerkzeugs beispielsweise durch eines der folgenden bekannten Verfahren einfach aufgetragen werden:

^a) Zerstäubung einer Mosaikkathode, die aus einem Satz von Platten (Segmenten) aus den oben genannten V/erkstoffen besteht, in Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von iJ-5.10 mm QSj

b) Kathodenzerstäubung eines Pulvergemisches, das aus den genannten Werkstoffen im angegebenen Verhältnis

besteht, in^ Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 3-5.I0"^p mm QS;

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

Bevorzugte Ausführungsvarianten der ISrfindung Nachstehend wird die Erfindung an Hand der konkreten Ausführungsbeispiele erläutert.
Beispiel 1.

Auf die Arbeitsfläche eines Schneidwerkzeugs (Meissel) aus einer Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde eine Be"

schichtung durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma unter Ionenbeschuss aufgetragen.

Dieser Vorgang wurde durch das gleichzeitige Verdampfen von Titan und Chrom und einlassen von Stickstoff in die Vakuumkammer unter Aufrechterhaltung eines Druckes von 2-5.IO mm QS durchgeführt.

Das Verhältnis der Chrom- und Molybdä'nmenge in der Beschichtung wurde durch die Stärke des Jäntladungsstroms in federn Verdampfer geregelt.

^ Die Meissel mit der Beschichtung aus entsprechend 10, ²O, 30% Chromnitrid, Rest - Titannitrid, wurden geprüft.

Die Prüfungen wurden beim Langdrehen einer hitzebeständigen Legierung folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent) durchgeführt: C - 0,1 - 0,16· Si < 0,6; Mn ^ 0,6; Cr - 10,5-12; Ni - 1,5-1,8. w - 1,6-2; L^To - 0,35 -0,5; V - 0,18-0,3; Fe - Rest.

Die Schneidverhältnisse waren wie folgtί Schneidgeschwindigkeit V = 57,3 m/min, Vorschub S = 0,15 mm/U, Schneidtiefe t = O,3~O,5 mm.
Vergleichsweise wurde ein Schneidwerkzeug mit der bekannten Titannitridbeschichtung unter den gleichen Verhältnissen geprüft.

Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1

Geschiehtungs- ' ~ ~~ ~ komponenten Gehalt, % Standzeit, min

TiN - CrN IO 21,5

20 25,5

30 28,0

TiN 4,-9

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bei der Bearbeitung einer hitzebestandigen Legierung die Standzeit des Werkzeugs mit der erfindungsgemässen Beschichtung die Standzeit eines Werkzeuges mit der bekannten Beschichtung um das 4— bis 5fache überschreitet.

— A- —

Beispiel 2. - to «

Auf einen Meissel mit 3-kantiger Wegwerfplatte aus einer Legierung der M- oder K-Gruppe nach IßO wurde durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma ähnlich wie im Beispiel 1 eine Beschichtung folgender Zusammensetzung: AlN - 5,5%, Mo₂K - ².0%, CrN - 2%, SiN - 0,5%, TiN" Rest aufgetragen. Der Meissel wurde beim Drehen von Chromnickelstahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C < 0,12, Si < 0,8, Mn - 1-1,2,. Cr - 17-19, Ni - 9-11, Ti ^ 0,8, Fe-Rest geprüft.

Die Schneidverhä'ltnisse waren wie folgtt t = 3 mm,

S = 0,3 mm/U, V = 1 22 m/tom.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis $0 min für 3 Kanten.

Als Vergleich wurde ein ähnlicher Meissel mit Titannitridbeschichtung geprüft. Unter den gleichen Verhältnissen betrug die Standzeit 5,4 min für 3 Kanten, d.h. um das 5,5fache geringer als beim Meissel mit der er findung sgemä'ss en Beschichtung.

Beispiel p.

Auf einen Meissel mit 3-kantiger V/egwerfplatte aus einer Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde durch die Kondensation von Stoff aus Uetallplasma eine Beschichtung der Zusammensetzung: AlN - 18%, Mo2N - 4·%, CrN - 5%, SiN - 5%, TiN ■- 68% aufgetragen. Der Meissel wurde beim Langdrehen von Stahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C - 0,11-0,17, Si < 0,8, Mn < 0,8, Cr - 16-18, Ni - 1,5- -2,5, Fe- Sest geprüft.

Die Schneidverhältnisse waren die gleichen wie im Beispiel 2. Im Ergebnis der Prüflingen betrug die Standzeit des Meisseis 25 min für 3 Kanten.
Beispiel 4.

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3, jedoch mit dem Unterschied durchgeführt, dass eine Beschichtung aus AM - 5,5%, Mo₂H - 4%, CrN - 5%, SiN - 10%, TiN- Rest aufgetragen wurde. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die standzeit des Meisseis 22 mim für 3 Kanten.

- er- 7 -

Durch, die in den Beispielen 3 und 4- beschriebenen BeSchichtungen wurde die Standzeit des Lchneidwerkzeue,s bei der Bearbeitung von rostfreiam Stahl etwa um das 4,5fache im Vergleich zu dem Schneidwerkzeug mit der Titannitridbeschichtung (siehe Beispiel 2) erhöht.

Beispiel 5«

Durch die Kondensation von Stoff aus Motallplasrna wurden unterschiedliche BeSchichtungen auf die Arbeits" fläche von drei ähnlichen Stossrädern aus Schnellschneidstahl mit 6% W, 5% Mo, Pe- Rest aufgetragen. Auf das eine wurde die Beschichtung aus 20% GrN und 80% TiN, auf das zweite die Beschichtung aus 5% -AlN, 6% Mo₂N, 4% CrN, 5% BiN, TiN- Rest und auf das dritte die bekannte Beschichtung aus TiN zum Vergleich aufgetragen.

Die Stossräder wurden auf einer Zahnradstossmaschine bei der Bearbeitung von Stahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent) ί G - 1,6, Cr, LIn, Ti, Ni je 1, Fe-Eest geprüft.

Die Schneidverhältnisse waren wie folgt* Stösselgeschwindigkeit - 125 Doppelhübe/min, Kreisvorschub 0,25 min/Doppelhub.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Stossrades mit der CrN-TiN-Beschichtung IO^O min, die Standzeit des Stossrades mit der Mehrkomponentenbeschichtung 1196 min, und die Standzeit des Stossrades mit der TiN-Beschichtung 273 min, d.h. um das

3,8-bzw. ^,^fache geringer als die Standzeit der erfindungsgemässen Beschichtung.
Beispiel 6.

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung der Zusammensetzung: AlN - 3%, Mo₂N - 2%, CrN - 2%, SiN - 3%, TiN- Rest wurde aufgetragen. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 18 min für drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meisseis mit der Titannitridbe schichtung um das 2_s4fache überschreitet.

Beispiel 7. - C '

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. JÜne Mehrkomponentenbeschichtung folgender Zusammensetzung ι AlN - 3%t MojjN ~ 8%, GrN - 2%, SiN - 3%, TiN- Rest wurde aufgetragen. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 25 min für drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meisseis mit der Titannitridbeschichtung um das 3,3fache überschreitet.

Beispiel 8.

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung folgender Zusammensetzung* AlN - 3%, IUo₂N " ^Q%t GxN " I0%» SiN - 3%, TiN- ßest wurde aufgetragen.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Lleissels 22 min für drei Kanten, was die Standzeit des ähnlichen Meisseis mit der bekannten Titannitridbeschichtung um das 2_f9fache überschreitet.

Industrielle Anwendbarkeit

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

Claims

PATENTANSPRUCH

Beschichtung aus Titannitrid fUr Schneidwerkzeuge,
daduroh gekennzeichnet, daß sie entweder 10-30
Chromnitrid oder, gesamt genommen und gleichmäßig im Yolumen der Beschichtung verteilt, 3-18 G-ew.-rf> Aluminiumnitrid, 2-8 Gew.-^ Molybdännitrid„ 2-10 Gew Chromnitrid und 0,5 - 10 Sew.-$ Siliziumnitrid zusätz lich enthält.